تأثير تكون طبقات مجففة حول الكابلات الأرضية لنقل الطاقة الكهربية علي سعتها التيارية

تأثير تكون طبقات مجففة حول الكابلات الأرضية لنقل الطاقة الكهربية علي سعتها التيارية
تأثير تكون طبقات مجففة حول الكابلات الأرضية لنقل الطاقة الكهربية علي سعتها التيارية

1 – مقدمة:

تتوقف السعة التيارية لكابلات نقل الطاقة الكهربية على عدة عوامل من بينها عمق دفن الكابل ودرجة حرارة التربة وعدد دوائر الكابلات في نفس المسار والمقاومة النوعية الحرارية للتربة وطريقة تأريض الكابلات والمسافة بين كل كابل وآخر وغيرها من العوامل إلا أن هناك عاملا مهما غالبا ما كان يهمل وهو تأثير تكون طبقات مجففة حول الكابلات الأرضية لنقل الطاقة الكهربية والتي تكون المقاومة النوعية الحرارية لها أكبر من المقاومة النوعية الحرارية لباقي التربة مما ينشأ عنه عدم تسرب فقد الطاقة في الكابل والتي تكون على شكل طاقة حرارية وبالتا لي ترفع درجة حرارة العازل في الكابل  وقد تتسبب في الانهيار الحراري للعازل أو تقليل عمر العازل وبالتا لي عمر الكابل.

1- كيفية تكون الطبقات المجففة حول الكابل ات الأرضية:

عادة ما تصاحب عملية نقل الطاقة الكهربية فقد نسبة من هذه الطاقة سواء تمت عملية النقل باستخدام خطوط النقل أو الكابلات الأرضية إلا أن الفقد في الكابلات الأرضية يكون أكبر منه في خطوط النقل الهوائية وذلك لحدوث فقد في مادة العزل والغلاف الخارجي وطبقة تسليح الكابل بالإضافة لحدوث فقد في الموصل الناقل كما يحدث في خطوط النقل الهوائية.

وبالطبع فإن هذه المفاقيد في الطاقة الكهربائية تتحول إلى طاقة حرارية تنسرب في الهواء في حالة فقد النقل الهوائية. أما في حالة الكابلات الأرضية فإنها تتسرب في التربة المحيطة بالكابل مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها وفقدانها لنسبة من الرطوبة وهجرة هذه الرطوبة متخذة شكل بخار ماء لتتكثف على هيئة قطرات ماء بعيدة عن مسار الكابل  فتزداد المقاومة الحرارية والنوعية للتربة حول الكابل مكونة منطقة جافة وبيين شكل (1) رسما توضيحيا لهجرة بخار الماء وتكثفه بعيدا عن مسار الكابل.

ومن المعروف أن المقاومة الحرارية للتربة تلعب دورا كبيرا في التسريب والحرارة الناتجة عن المناقيد في الكابلات الأرضية فمع زيادة المقاومة الحرارية للتربة تزداد درجة حرارة الكابلات مما قد يؤدي إلى حدوث انهيار حراري للمادة الهازلة.

وتتوقف المقاومة الحرارية على عدة عوامل أهمها:

أ- خواص التربة المحيطة بالكابلات الأرضية لنقل الطاقة الكهربية.

ب- نسبة الرطوبة في هذه التربة.

ج- درجة التماسك بين حبيبات التربة حول الكابلات فكلما كانت التربة ذات حبيبات أصغر قلت مقاومتها الحرارية.

2- طريقة حساب السعة التيارية للكابلات الأرضية الحاملة للطاقة: تلجأ جميع شركات إنتاج الكابلات الأرضية في حساب السعة التيارية للكابلات التي تنتجها إلى استخدام الطريقة المذكورة في المواصفات القياسية العالمية IEC 60287-1وهذه المواصفات افترضت أن المقاومة الحرارية النوعية للتربة ثابتة لا تتغير وبالتالي أهملت تأثير تكون طبقات مجففة حول مسارات الكابلات الأرضية وفي هذه المواصفة استخدمت العلاقة التالية لحساب السعة التيارية للكابلات الأرضية.

حيث:

 

 

الفرق بين درجة حرارة الموصل ودرجة حرارة الجو =

عدد الموصلات في الكابل = n

الفقد في عزل الكابل  لكل متر ولكل وجه من أوجه الكابل = Wd

مقاومة الموصل بالأوم لكل متر عند درجة حرارة التشغيل = Rac

المقاومة الحرارية لكل متر للعازل بين الموصل والغلاف المعدني ووحداتها درجة مئوية متر/ وات = T1

المقاومة الحرارية لكل متر للعازل بين الغلاف المعدني وتسليح الكابل ووحداتها درجة مئوية. متر/ وات = T2

المقاومة الحرارية لكل متر للغلاف الخارجي غير المعدني للكابل ووحداتها درجة مئوية. متر / وات = T3

المقاومة الحرارية لكل متر بين الغلاف الخارجي للكابل والتربة المحيطة بالكابل ووحداتها درجة مشوية. متر/ وات =T4

النسبة بين الفقد للقدرة الكهربية في الغلاف المعدني للكابل والفقد في الموصل الحامل للتيار =

النسبة بين الفقد في تسليح الكابل والفقد في الموصل الحامل للتيار =

وقد اعتبرت المواصفات القياسية العالميةIEC60287 – 1 أن قيمة المقاومة الحرارية النوعية للتربة ثابتة لكل نوع من أنواع التربة وتتراوح بين5,0 إلى 1,2 درجة مئوية. متر/ وات إلا أن هذا الافتراض لا يعتبر صحيحا نظرا لتغيرها مع تواجد طبقات مجففة حول الكابل  كما سبق ذكره.

وقد قامت المواصفات القياسيةIEC60287 – 1بتعديل نفسها إلىIEC60287 – 1 ليتم الأخذ في الاعتبار وتأثير تكون طبقات مجففة حول الكابلات الأرضية على السعة التيارية لهذه الكابلات فاقترحت المعادلة المبينة:

 

حيث:

الفرق في درجة الحرارة بين درجة حرارة =

تكون الطبقة الجافة والتي تعرف بدرجة الحرارة الحرجة ودرجة حرارة الهواء.

النسبة بين المقاومة الحرارية النوعية للتربة الجافة = V والمقاومة النوعية الحرارية للتربة الرطبة.

وقد تتوقف و V على نوع التربة المستخدمة.

وفي دراسة أجرا ها كاتب هذه المقالة ونشرة في مجلة IEEE العدد الصادر بتاريخ إبريل2011 من صفحة 972 وحتى صفحة 978وكان قد تم ترجمتها إلى اللغة البرتغالية ونشرة بالبرازيل بمجلةCabos Afitox بتاريخ أغسطس 2010 تم عمل اختبارات على مجموعة من التربة تمثل ست عينات مختلفة مواصفات موضحة في جدول رقم (1) لتحديد  وكذلك vوكانت النتائج كما هو مبين في جدول رقم (2).

 

شكل رقم (2) توزيع درجات الحرارة حول الكابل في التربة رقم 2 عندما يكون الفقد في الكابل 827 وات لكل متر مربع من مساحة الغلاف الخارجي للكابل

شكل رقم (3) توزيع درجات الحرارة حول الكابل في التربة رقم 3 عندما يكون الفقد في الكابل 827 وات لكل متر مربع من مساحة الغلاف الخارجي للكابل

شكل رقم (4) توزيع درجات الحرارة حول الكابل في التربة رقم 4 عندما يكون الفقد في الكابل 827 وات لكل متر مربع من مساحة الغلاف الخارجي للكابل

 

وقد لوحظ من هذه الدراسة أن درجة الحرارة الحرجة اللازمة لتكون طبقة جافة وكذلك النسبة بين المقاومة الحرارية النوعية للطبقة الجافة والمبللة لا تتوقف على تيار تحميل الكابل  ولكنها تتوقف على نوع التربة.

إلا لوحظ أيضا أن الزمن اللازم لتكون طبقات مجففة حول الكابل يعتمد بالإضافة لخواص التربة ونسبة الرطوبة على تيار الكابل ويوضح الأشكال أرقام 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ، 7 رصد درجات الحرارة حول الكابلات الأرضية باستخدام أنواع التربة السابق ذكرها في الجدول رقم (1). وبيين انكسار المنحنيات في هذه الأشكال بدأ تكون المناطق الجافة حول الكابل وقد حساب سرعة تكون الطبقات المجففة حول الكابلات باستخدام الأشكال السابق ذكرها والمعادلة التالية.

حيث:

موضع الطبقة الجافة عند زمنt1 = X1-

الطبقة الجافة عند زمن t2 = X2-

ويوضح الجدول رقم (3) قيمة المقاومة النوعية للطبقتين الجافة والمبللة للأنواع المختلفة من التربة تحت الدراسة في حالة فقد في الكابل  يساوي 728 وات/ م2 من مساحة الغلاف الخارجي للكابل وكذلك سرعة تكون الطبقات الجافة حول الكابل.

3- معامل تقييم العمل الكهربي للكابلات الأرضية أحادية القلوب يتوقف تحميل الكابل على عدة عوامل لابد من أخذها في الاعتبار:

  • مساحة مقطع الغلاف الخارجي المعدني للكابلات أحادية القلوب المؤرضة من الجهتين.
  • درجة حرارة التربة ويكون معامل تقييم الحمل أكبر من (1) في حالة درجة حرارة التربة أقل من 20 درجة مئوية وأقل من (1) إذا زادت درجة حرارة التربة إلى كابل 20 درجة مئوية.
  • عمق دفن الكابل ويكون معامل تقييم الحمل أكبر من (1) حالة دفن الكابل على عمق أقل من متر وأقل من (1) إذا زاد الدفن إلى متر.
  • عدد دوائر الكابلات في المسار الواحد فإذا زادت عن دائرة واحدة يقل معامل تقييم الحمل عن (1).
  • مد الكابل داخل أنبوب يقلل معامل تقييم التحميل للكابلات الأرضية عن (1).
  • مد الكابل في هواء درجة حرارته أكبر من 35 درجة مئوية يقلل معامل إعادة تقييم الحمل عن (1).
  • تكون طبقة مجففة حول مسار الكابل يقلل معامل تقييم عن (1).

وفي البحث السابق الإشارة إليه تم حساب معامل إعادة تقييم الحمل الكهربي (De – Rating factor) نتيجة لتكون طبقة جافة حول الكابل باستخدام أنواع التربة المشار إليها في جدول (1) مع قياس درجة حرارة الطبقة الجافة والمقاومة الحرارية النوعية الجافة والمبللة يبين جدول رقم (4) معامل إعادة تقييم الحمل لكابلات جهود 132 ك ف و 66 ك ف و 33 ك ف و 11 ك في نتيجة لتكون طبقات جافة وبيين شكل رقم 6 توزيع درجات الحرارة حول دائرة كابلات أحادية القلوب ممدودة على شكل أفقي Flat formationجهد 33 ك ف.

ويلاحظ تكون الطبقة الجافة حول دائرة الكابلات كما لوحظ أن الطبقة الجافة تكون ذات قطر أكبر حول الكابل الموجود في المنتصف لارتفاع درجة حرارته عن الكابلين الآخرين.

جدول رقم (1) التربة التي استخدمت في الدراسة