التدرجات في الكابلات الممددة تحت الأرض (Grading of Underground Cables)

في الكابلات الممددة تحت الأرض، يلعب توزيع الإجهاد الكهروستاتيكي دورًا حاسمًا في تصميم وأداء الكابلات الكهربائية. ولكن هذا الإجهاد لا يتوزع بشكل متساوي داخل الكابل، ما يتطلب تحسين تصميم الكابل لتحقيق توزيع أكثر انتظامًا للإجهاد الكهروستاتيكي. يتم هذا التحسين من خلال عملية تسمى “التدرجات في الكابلات” (Grading of Cables). سنشرح هذه العملية بالتفصيل، إلى جانب الأساليب المستخدمة لتحقيقها.

الإجهاد الكهروستاتيكي (Electrostatic Stress) في الكابلات:

• توزيع الإجهاد غير المتساوي: الإجهاد الكهروستاتيكي في الكابل يتوزع بشكل غير منتظم. حيث يكون أعلى عند سطح الناقل (core) وينخفض تدريجيًا حتى يصبح أدنى مستوى له عند سطح الغمد الخارجي (sheath).
• تدرج الكمون (The Potential Gradient): تدرج الجهد الكهربائي في الكابل يتناسب عكسياً مع المسافة عن مركز الكابل. بمعنى أن أعلى قيمة للإجهاد تكون عند سطح الناقل الأساسي، وأقل قيمة له تكون عند الغمد الخارجي.
• تأثير هذا التوزيع: هذه الحالة تؤدي إلى احتياج أكبر لمتانة العزل (dielectric strength) عند سطح الناقل مقارنة بمناطق أخرى. لذلك، فإن عزل الكابل يجب أن يكون مصممًا لتحمل أقصى إجهاد عند تلك النقطة فقط، بينما تصبح المتانة الزائدة في أماكن أخرى غير ضرورية. إذا لم يتم تحسين توزيع الإجهاد، فإن حجم الكابل سيصبح أكبر من اللازم، مما يؤثر سلبًا على الكفاءة من حيث الحجم والتكلفة.

أهمية التدرجات في الكابلات:

• تحسين كفاءة العزل: عدم توحيد توزيع الإجهاد قد يؤدي إلى احتمال انهيار العزل الكهربائي. ولذلك، تحسين توزيع الإجهاد هو خطوة ضرورية لجعل الكابل أكثر أمانًا وكفاءة.
• تصميم أكثر كفاءة: من خلال تصحيح توزيع الإجهاد الكهروستاتيكي، يمكن تصميم كابل بأبعاد أصغر وبمواد أقل تكلفة دون التأثير على أدائه.

طرق تحقيق التدرجات في الكابلات تحت الأرض:

لتوزيع الإجهاد الكهروستاتيكي بشكل موحد في عازل الكابل، هناك طريقتان رئيسيتان يمكن اتباعهما:

1. التدرج عن طريق السعة (Capacitance Grading):

• مفهوم التدرج بالسعة: تعتمد هذه الطريقة على استخدام طبقات متعددة من المواد العازلة المختلفة بين الناقل الرئيسي (core) والغمد (sheath). هذه المواد لها سماحيات نسبية مختلفة، أي خصائص عزل كهربائي متنوعة.
• تركيب العوازل: يتم ترتيب هذه الطبقات بحيث تقل السماحية النسبية (permittivity) للعازل مع زيادة المسافة عن مركز الكابل. هذا يؤدي إلى تحقيق توزيع أكثر انتظامًا للإجهاد الكهربائي عبر العازل.
• التدرج في الطبقات: يتكون الكابل في هذه الطريقة من ثلاث طبقات من العزل، كل طبقة لها نصف قطر مختلف وسماحية نسبية مختلفة. دع r هو نصف قطر الناقل الأساسي، و r1 و r2 و R هي أنصاف أقطار الطبقات العازلة الثلاثة، بينما السماحيات النسبية لهذه الطبقات هي ε1، ε2، وε3. تكون العلاقة بين السماحيات النسبية والمسافات بالشكل التالي:
• ε1 > ε2 > ε3
• r1 < r2 < R يمكن تحقيق توزيع منتظم للإجهاد الكهربائي إذا تم الحفاظ على العلاقة التالية بين السماحيات وأنصاف الأقطار: ε1r1 = ε2r2 = ε3R
• التطبيق العملي: على الرغم من أن المثالية تتطلب استخدام عدد كبير من الطبقات العازلة لتحقيق إجهاد موحد تمامًا، إلا أن التطبيقات العملية عادة ما تستخدم طبقتين أو ثلاث طبقات فقط.
• العيوب: العيب الرئيسي لهذه الطريقة هو التكلفة العالية المرتبطة باستخدام مواد عازلة متعددة ذات مواصفات مختلفة.

2. التدرج باستخدام الأغماد المعدنية (Intersheath Grading):

• المواد العازلة المتجانسة: في هذه الطريقة، يتم استخدام مادة عازلة واحدة متجانسة في جميع أنحاء العازل بدلاً من استخدام طبقات متعددة من المواد العازلة ذات السماحيات المختلفة.
• الأغماد الوسيطة: لتعويض عدم وجود تدرج في السماحية، يتم وضع أغماد معدنية إضافية بين الناقل الأساسي والغمد الخارجي للكابل. هذه الأغماد، التي تسمى “الأغماد الوسيطة” (intersheaths)، تساعد في توزيع الإجهاد بشكل أكثر تساويًا عبر العازل.
• تحسين توزيع الجهد: وظيفة الأغماد الوسيطة هي توزيع الجهد الكهربائي بشكل متساوٍ على مادة العزل، مما يؤدي إلى تدرج منتظم للجهد وتقليل احتمالية حدوث انهيار في العزل.

الفائدة من تحقيق التدرج في الكابلات:

• زيادة الكفاءة: عندما يتم تحقيق توزيع منتظم للإجهاد الكهروستاتيكي، يمكن تقليل حجم ووزن الكابل مع تحسين كفاءته في نقل الكهرباء.
• تقليل التكاليف: توزيع الإجهاد بشكل صحيح يقلل من الحاجة إلى عوازل قوية بشكل مفرط، مما يخفض التكلفة الإجمالية للكابل.
• زيادة عمر الكابل: توزيع الإجهاد المتساوي يقلل من احتمالية حدوث أعطال أو انهيار في العزل، مما يؤدي إلى زيادة عمر الكابل وتحسين أدائه على المدى الطويل.

خلاصة:

يعد تحقيق التدرجات في الكابلات الممددة تحت الأرض أمرًا بالغ الأهمية لضمان توزيع منتظم للإجهاد الكهروستاتيكي، وبالتالي تحسين كفاءة الكابلات وسلامتها. هناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق ذلك: التدرج باستخدام طبقات متعددة من المواد العازلة (Capacitance Grading) والتدرج باستخدام الأغماد الوسيطة (Intersheath Grading). كل طريقة لها مزاياها وعيوبها، ويعتمد الاختيار بينها على العوامل الاقتصادية ومتطلبات التصميم.