كابل عالي الجهد

كابل الجهد العالي ( كابل HV )، ويُسمى أحيانًا كابل الشد العالي ( كابل HT )، هو كابل يُستخدم لنقل الطاقة الكهربائية بجهد عالٍ . يتكون الكابل من موصل وعازل . تُعتبر الكابلات معزولة بالكامل، أي أنها مزودة بنظام عزل كامل يتكون من عازل وطبقات شبه موصلة ودرع معدني. وهذا يختلف عن خطوط النقل الهوائية ، التي قد تحتوي على عازل ولكنها غير مصممة لتحمل جهد التشغيل الكامل (مثل أسلاك الأشجار). تُستخدم كابلات الجهد العالي بأنواعها المختلفة في تطبيقات متنوعة، منها الأجهزة وأنظمة الإشعال ونقل الطاقة بالتيار المتردد (AC) والتيار المستمر (DC). في جميع التطبيقات، يجب ألا يتلف عزل الكابل نتيجةً للإجهاد الناتج عن الجهد العالي، أو الأوزون الناتج عن التفريغ الكهربائي في الهواء، أو التسرب الكهربائي. يجب أن يمنع نظام الكابل ملامسة موصل الجهد العالي لأي أجسام أو أشخاص، وأن يتحكم في تيار التسرب ويمنعه. يجب تصميم وصلات الكابلات وموصلاتها للتحكم في الإجهاد الناتج عن الجهد العالي لمنع انهيار العزل.

قد تتراوح أطوال كابلات الجهد العالي المقطوعة من بضعة أقدام إلى آلاف الأقدام، حيث تُستخدم الكابلات القصيرة نسبيًا في الأجهزة، بينما تُمدد الكابلات الأطول داخل المباني أو تُدفن في المصانع أو تُستخدم لتوزيع الطاقة. أما أطول الكابلات المقطوعة، فغالبًا ما تكون كابلات بحرية تحت سطح المحيط لنقل الطاقة.

كغيرها من كابلات الطاقة ، تتكون كابلات الجهد العالي من موصل واحد أو أكثر، ونظام عزل، وغلاف واقٍ. وتختلف هذه الكابلات عن كابلات الجهد المنخفض في احتوائها على طبقات داخلية إضافية في نظام العزل للتحكم في المجال الكهربائي حول الموصل. وتُعدّ هذه الطبقات الإضافية ضرورية عند جهد 2000  فولت وما فوق بين الموصلات. فبدون هذه الطبقات شبه الموصلة، سيتعطل الكابل نتيجة الإجهاد الكهربائي في غضون دقائق. وقد حصل مارتن هوخشتاتر على براءة اختراع هذه التقنية عام 1916؛ ^{[ 1 ]} ويُطلق على الغلاف أحيانًا اسم غلاف هوخشتاتر، وكان يُطلق على الكابل المحمي سابقًا اسم كابل من النوع H. وبحسب نظام التأريض، يمكن توصيل أغلفة الكابل بالأرض من أحد طرفيه أو كليهما. كما يمكن تأريض الوصلات في منتصف الكابل، وذلك بحسب طول الدائرة الكهربائية، وفي حال استخدام غلاف شبه موصل في الدوائر المدفونة مباشرة.

منذ عام 1960، سيطرت الكابلات المبثوقة ذات العازل الصلب على سوق توزيع الطاقة. تُعزل هذه الكابلات متوسطة الجهد عادةً بعزل بوليمري من نوع EPR أو XLPE. يُستخدم عزل EPR بشكل شائع في الكابلات ذات الجهد من 4 إلى 34  كيلوفولت. لا يُستخدم EPR عادةً في الجهد الذي يزيد عن 35  كيلوفولت بسبب الفقد، ومع ذلك، يمكن إيجاده في  كابلات 69 كيلوفولت. يُستخدم XLPE في جميع مستويات الجهد بدءًا من فئة 600 فولت فما فوق. يُسوّق عزل EAM أحيانًا، إلا أن انتشاره في السوق لا يزال منخفضًا نسبيًا. تُشكّل الكابلات ذات العزل الصلب المبثوق، مثل EPR وXLPE، غالبية كابلات التوزيع والنقل المنتجة اليوم. مع ذلك، أدّى عدم موثوقية XLPE في بداياته إلى بطء اعتماده في كابلات النقل.  تُصنع كابلات 330 و400 و500 كيلوفولت بشكل شائع باستخدام XLPE اليوم، ولكن هذا لم يحدث إلا في العقود الأخيرة.

يُعدّ كابل PILC (الكابل المغطى بالرصاص المعزول بالورق) نوعًا من أنواع العزل التي أصبحت نادرة الاستخدام. مع ذلك، لا تزال بعض شركات الكهرباء تستخدمه في دوائر التوزيع، سواءً في الإنشاءات الجديدة أو عند استبدال الكابلات القديمة. كان سيباستيان زياني دي فيرانتي أول من أثبت في عام 1887 أن ورق الكرافت المُجفف والمُجهز بعناية يُمكن أن يُشكّل عزلًا مُرضيًا للكابلات عند جهد 11000  فولت. سابقًا، كان استخدام الكابلات المعزولة بالورق مقتصرًا على دوائر التلغراف والهاتف ذات الجهد المنخفض. وكان من الضروري وضع غلاف رصاصي مُبثوق فوق الكابل الورقي لضمان بقاء الورق جافًا. وبحلول عام 1895، أصبحت كابلات الجهد المتوسط ​​المعزولة بالورق والمُشبعة بالراتنجات عملية تجاريًا. خلال الحرب العالمية الثانية، استُخدمت أنواع عديدة من العزل بالمطاط الصناعي والبولي إيثيلين في الكابلات. ^{[ 2 ]} تستخدم كابلات الجهد العالي الحديثة البوليمرات، وخاصة البولي إيثيلين، بما في ذلك البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) للعزل.

يمكن اعتبار نهاية استخدام كابلات الرصاص المعزولة بالمطاط (PILC) في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، عندما بدأت شركات المرافق الحضرية في تركيب المزيد من الكابلات المعزولة بمطاط الإيثيلين بروبيلين (EPR) والبولي إيثيلين المتشابك (XLPE). وتشمل عوامل انخفاض استخدام كابلات الرصاص المعزولة بالمطاط: الحاجة إلى مهارة عالية في وصل الرصاص، وطول مدة الوصل، وانخفاض توافر المنتج محليًا، والضغط للتوقف عن استخدام الرصاص لأسباب بيئية وأمنية. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن كابلات الرصاص المعزولة بالمطاط حظيت بشعبية قصيرة قبل عام 1960 في أسواق الجهد المنخفض والمتوسط، لكنها لم تُستخدم على نطاق واسع من قبل معظم شركات المرافق. غالبًا ما تعتبر معظم شركات المرافق أن كابلات الرصاص المعزولة بالمطاط الموجودة قد شارفت على نهاية عمرها الافتراضي، وتخضع لبرامج استبدال.

حصل تشارلز جوديير على براءة اختراع المطاط المُفلكن عام 1844، لكن استخدامه في عزل الكابلات لم يبدأ إلا في ثمانينيات القرن التاسع عشر، حين استُخدم في دوائر الإضاءة. ^{[ 1 ]} واستُخدمت كابلات معزولة بالمطاط في  دوائر كهربائية بجهد 11000 فولت عام 1897، وذلك ضمن مشروع توليد الطاقة في شلالات نياجرا .

تُعتبر الكابلات المملوءة بالزيت والغاز والأنابيب قديمة الطراز إلى حد كبير منذ ستينيات القرن الماضي. صُممت هذه الكابلات لتسمح بتدفق الزيت بكميات كبيرة داخلها. تُشرب كابلات PILC القياسية بالزيت، ولكن الزيت غير مصمم للتدفق أو تبريد الكابل. عادةً ما تكون الكابلات المملوءة بالزيت معزولة بالرصاص، ويمكن شراؤها على بكرات. تختلف كابلات الأنابيب عن الكابلات المملوءة بالزيت في أنها تُركّب داخل أنبوب صلب مصنوع عادةً من الفولاذ. في كابلات الأنابيب، تُصنع الأنابيب أولاً، ثم يُسحب الكابل من خلالها لاحقًا. قد يحتوي الكابل على أسلاك انزلاقية لمنع التلف أثناء عملية السحب. حجم الزيت في المقطع العرضي لكابل الأنابيب أعلى بكثير من حجمه في الكابل المملوء بالزيت. تُملأ كابلات الأنابيب بالزيت عند ضغوط اسمية منخفضة ومتوسطة وعالية. تتطلب الفولتية العالية ضغوط زيت أعلى لمنع تكون الفراغات التي قد تسمح بتفريغ جزئي داخل عازل الكابل. تتميز الكابلات الأنبوبية عادةً بنظام حماية كاثودية يعمل بالجهد الكهربائي، على عكس دوائر الكابلات المملوءة بالزيت. كما تُحمى أنظمة الكابلات الأنبوبية من التلف الناتج عن التشققات بفضل طبقة إسفلتية. ولا تزال العديد من هذه الدوائر الأنبوبية قيد التشغيل حتى اليوم، إلا أنها تراجعت شعبيتها بسبب ارتفاع تكلفة إنشائها وميزانية التشغيل والصيانة الضخمة اللازمة للحفاظ على أسطول محطات الضخ.

يُعرَّف الجهد العالي بأنه أي جهد يزيد عن 1000 فولت. ^{[ 3 ]}  وتُسمى الكابلات التي تتراوح بين 2 و33 كيلوفولت عادةً كابلات الجهد المتوسط ، أما تلك التي تزيد عن 50  كيلوفولت فتُسمى كابلات الجهد العالي .

تتميز كابلات الجهد العالي الحديثة بتصميم بسيط يتألف من عدة أجزاء: الموصل، وغطاء الموصل، والعازل، وغطاء العازل، والغطاء المعدني، والغلاف الخارجي. قد تشمل الطبقات الأخرى أشرطة مانعة لتسرب الماء، وأسلاكًا مقاومة للتمزق، وأسلاكًا مدرعة. تنقل أسلاك النحاس أو الألومنيوم التيار، كما هو موضح في (1) في الشكل 1. ( للحصول على مناقشة مفصلة حول كابلات النحاس، انظر المقال الرئيسي: موصل النحاس ) . عادةً ما يكون العازل وغطاء العازل وغطاء الموصل مصنوعًا من البوليمر، مع وجود بعض الاستثناءات النادرة.

تتميز تصميمات الموصلات المفردة التي تقل سعتها عن 2000 كيلو كالوري عادةً بتصميمها المتمركز. غالبًا ما تُشوّه الخيوط الفردية أثناء عملية التجديل لتوفير محيط أكثر نعومة. تُعرف هذه الموصلات باسم الموصلات المدمجة والمضغوطة. يوفر الموصل المدمج انخفاضًا بنسبة 10% في القطر الخارجي للموصل، بينما يوفر الموصل المضغوط انخفاضًا بنسبة 3% فقط. يتطلب اختيار الموصل المضغوط أو المدمج عادةً استخدام موصل مختلف أثناء عملية التوصيل. غالبًا ما تتضمن كابلات نقل الطاقة التي تبلغ سعتها 2000 كيلو كالوري أو أكثر تصميمًا قطاعيًا لتقليل فقد الطاقة الناتج عن تأثير السطح . تُصمم كابلات الطاقة الكهربائية عادةً للعمل عند درجات حرارة موصل تصل إلى 75 درجة مئوية، و90 درجة مئوية، و105 درجة مئوية. وتُحدد درجة الحرارة هذه بمعيار التصنيع ونوع الغلاف الخارجي.

يُلصق غلاف الموصل دائمًا بشكل دائم بعازل كابل EPR أو XLPE داخل الكابل ذي العازل الصلب. ويمكن لصق غلاف العزل شبه الموصل أو إزالته حسب رغبة المشتري. بالنسبة للجهود الكهربائية 69 كيلوفولت وما فوق، يُلصق غلاف العزل عادةً. ويُشترى غلاف عزل قابل للتقشير لتقليل وقت ومهارة التوصيل. ويمكن القول إن استخدام غلاف شبه موصل قابل للتقشير قد يقلل من مشاكل التركيب في الجهد المتوسط. ^{[ 4 ]} في الكابلات المعزولة بالورق، تتكون الطبقات شبه الموصلة من أشرطة كربونية أو معدنية تُطبق فوق الموصل والعزل الورقي. وتتمثل وظيفة هذه الطبقات في منع تكون التجاويف الهوائية وكبح إجهاد الجهد بين الموصلات المعدنية والعازل، بحيث لا تحدث تفريغات كهربائية صغيرة تُهدد مادة العزل. ^{[ 5 ]}

يُغطى غلاف العزل بشبكة من النحاس أو الألومنيوم أو الرصاص. يعمل الغلاف المعدني كطبقة تأريض، ويُصرف تيارات التسرب. لا تتمثل وظيفة الغلاف في توصيل الأعطال، ولكن يمكن تصميمه ليعمل بهذه الوظيفة عند الحاجة. من بين التصاميم الممكنة: شريط نحاسي، أسلاك نحاسية متحدة المركز، أغلفة مموجة طولياً، شرائح نحاسية مسطحة، أو غلاف رصاصي مقذوف.

غالبًا ما يكون غلاف الكابل مصنوعًا من البوليمر. وتتمثل وظيفته في توفير الحماية الميكانيكية ومنع تسرب الرطوبة والمواد الكيميائية. قد تكون الأغلفة شبه موصلة أو غير موصلة، وذلك حسب ظروف التربة وتكوين التأريض المطلوب. كما يمكن استخدام الأغلفة شبه الموصلة في الكابلات للمساعدة في اختبار سلامة الغلاف. ومن أنواع الأغلفة: البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة (LLDPE)، والبولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، والبولي بروبيلين ، والبولي فينيل كلوريد (PVC) (وهو من الأنواع الأقل تكلفة في السوق)، والبولي إيثيلين منخفض الكبريت والخالي من الهالوجين (LSZH)، وغيرها.

خلال تطوير عزل الجهد العالي، الذي استغرق نحو نصف قرن، برزت خاصيتان أساسيتان. أولاً، إدخال طبقات أشباه الموصلات. يجب أن تكون هذه الطبقات ناعمة تمامًا، دون أي نتوءات صغيرة حتى لو كانت بضعة ميكرومترات . علاوة على ذلك، يجب أن يكون الاندماج بين العازل وهذه الطبقات تامًا؛ ^{[ 6 ]} فأي انشطار أو جيب هوائي أو أي عيب آخر  - حتى لو كان صغيرًا جدًا  - يضر بالكابل. ثانيًا، يجب أن يكون العازل خاليًا من الشوائب أو التجاويف أو أي عيوب أخرى من نفس الحجم. أي عيب من هذا النوع يُقصر عمر الجهد للكابل، والذي من المفترض أن يكون في حدود 30 عامًا أو أكثر. ^{[ 7 ]}

أثمر التعاون بين مصنّعي الكابلات ومصنّعي المواد عن إنتاج أنواع من البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) بمواصفات دقيقة. ويُحدد معظم منتجي مركبات XLPE درجة "نظيفة للغاية" تضمن خلوّها من عدد وحجم الجسيمات الغريبة. ويتطلب ذلك تعبئة المواد الخام وتفريغها داخل بيئة غرفة نظيفة في آلات تصنيع الكابلات. وقد أدى تطوير آلات بثق البلاستيك وربطه المتشابك إلى ابتكار تجهيزات لتصنيع الكابلات تُنتج عوازل نقية وخالية من العيوب. ويُجرى اختبار مراقبة الجودة النهائي على كل بكرة كابل قبل شحنها، وذلك باستخدام اختبار تفريغ جزئي بجهد مرتفع بتردد 50 أو 60  هرتز وحساسية عالية جدًا (في نطاق 5 إلى 10 بيكو كولوم).

يتميز كابل الجهد العالي لنقل التيار المستمر عالي الجهد (HVDC) بنفس بنية كابل التيار المتردد الموضح في الشكل 1. إلا أن الخصائص الفيزيائية ومتطلبات الاختبار تختلف. ^{[ 8 ]} في هذه الحالة، تُعد نعومة الطبقات شبه الموصلة (2) و(4) بالغة الأهمية، كما أن نظافة العازل ضرورية. يمكن أن تكون المادة شبه الموصلة من البولي إيثيلين المتشابك (XLPE ) مع الكربون الأسود . ^{[ 9 ]}

تُستخدم العديد من كابلات التيار المستمر عالي الجهد لتوصيلات التيار المستمر تحت سطح البحر ، لأنه على مسافات تزيد عن 100  كيلومتر تقريبًا، لا يمكن استخدام التيار المتردد. واعتبارًا من عام 2021، كان أطول كابل بحري هو كابل نورث سي لينك بين النرويج والمملكة المتحدة، والذي يبلغ طوله 720 كيلومترًا (450 ميلًا) .  

يجب أن تتحكم أطراف كابلات الجهد العالي في المجالات الكهربائية عند نهاياتها. ^{[ 10 ]} وبدون هذا التصميم، سيتركز المجال الكهربائي عند نهاية موصل التأريض كما هو موضح في الشكل 8.

تظهر هنا خطوط تساوي الجهد، والتي يمكن مقارنتها بخطوط الكنتور على خريطة منطقة جبلية: فكلما تقاربت هذه الخطوط، زاد انحدارها وازداد الخطر، وفي هذه الحالة، خطر حدوث عطل كهربائي . كما يمكن مقارنة خطوط تساوي الجهد بخطوط تساوي الضغط الجوي على خريطة الطقس: فكلما كانت الخطوط أكثر كثافة، زادت سرعة الرياح وازداد خطر التلف. وللتحكم في خطوط تساوي الجهد (أي التحكم في المجال الكهربائي)، يُستخدم جهاز يُسمى مخروط الإجهاد ، انظر الشكل 9. ^{[ 11 ]} ويكمن جوهر تخفيف الإجهاد في توسيع طرف الغلاف على طول منحنى لوغاريتمي. قبل عام 1960، كانت مخاريط الإجهاد تُصنع يدويًا باستخدام شريط لاصق بعد تركيب الكابل. وكانت هذه المخاريط محمية بأغطية عازلة ، سُميت بهذا الاسم لأن مادة عازلة/مركبة تغليف كانت تُصب حول الشريط داخل غلاف معدني/خزفي عازل. في حوالي عام 1960، تم تطوير نهايات مسبقة التشكيل تتكون من جسم مطاطي أو من مادة مرنة يتم شده فوق طرف الكابل. ^{[ 12 ]} على هذا الجسم المطاطي R يتم وضع قطب كهربائي واقي يعمل على توزيع خطوط تساوي الجهد لضمان مجال كهربائي منخفض.

يكمن جوهر هذا الجهاز، الذي ابتكرته شركة NKF في دلفت عام 1964، ^{[ 13 ]} في أن قطر تجويف الجسم المرن أضيق من قطر الكابل. وبهذه الطريقة، يتعرض السطح الفاصل (الأزرق) بين الكابل ومخروط الإجهاد لضغط ميكانيكي يمنع تكون أي تجاويف أو جيوب هوائية بين الكابل والمخروط، وبالتالي يمنع حدوث انهيار كهربائي في هذه المنطقة.

يمكن إحاطة هذا الهيكل بعازل من الخزف أو السيليكون للاستخدام الخارجي، ^{[ 14 ]} أو بأجهزة لإدخال الكابل في محول طاقة تحت الزيت، أو في لوحة مفاتيح تحت ضغط الغاز. ^{[ 15 ]}

Connecting two high-voltage cables with one another poses two main problems. First, the outer conducting layers in both cables must be terminated without causing a field concentration,^[16] as with the making of a cable terminal. Secondly, a field-free space must be created where the cut-down cable insulation and the connector of the two conductors safely can be accommodated.^[17] These problems were solved by NKF in Delft in 1965^[18] by introducing a device called bi-manchet cuff.

Figure 10 shows a photograph of the cross-section of such a device. At one side of this photograph, the contours of a high-voltage cable are drawn. Here red represents the conductor of that cable and blue the insulation of the cable. The black parts in this picture are semiconducting rubber parts. The outer one is at earth potential and spreads the electric field in a similar way as in a cable terminal. The inner one is at high voltage and shields the connector of the conductors from the electric field.

The field itself is diverted as shown in figure 11, where the equipotential lines are smoothly directed from the inside of the cable to the outer part of the bi-manchet (and vice versa at the other side of the device).

The crux of the matter is here, like in the cable terminal, that the inner bore of this bi-manchet is chosen smaller than the diameter over the cable insulation.^[19] In this way a permanent pressure is created between the bi-manchet and the cable surface, and cavities or electrical weak points are avoided.

Installing a terminal or bi-manchet cuff is skilled work. The technical steps of removing the outer semiconducting layer at the end of the cables, placing the field-controlling bodies, connecting the conductors, etc., require skill, cleanliness, and precision.

تُستخدم كابلات الأشعة السينية ^{[ 20 ]} بأطوال تصل إلى عدة أمتار لتوصيل مصدر الجهد العالي بأنبوب الأشعة السينية أو أي جهاز آخر يعمل بالجهد العالي في المعدات العلمية. تنقل هذه الكابلات تيارات صغيرة، في حدود الميلي أمبير، بجهد مستمر يتراوح بين 30 و200  كيلو فولت، أو أعلى في بعض الأحيان. تتميز هذه الكابلات بمرونتها، وعزلها المطاطي أو غيره من المواد المرنة ، وموصلاتها المجدولة، وغلافها الخارجي المصنوع من أسلاك نحاسية مضفرة. يتكون تركيبها من نفس عناصر كابلات الطاقة الأخرى ذات الجهد العالي.

تتعدد أسباب تلف عزل الكابلات، سواءً كانت ذات عزل صلب أو ورقي. لذا، توجد طرق اختبار وقياس متنوعة للتأكد من سلامة الكابلات أو للكشف عن الكابلات المعيبة. في حين أن الكابلات الورقية تُختبر أساسًا باختبارات مقاومة العزل للتيار المستمر، فإن الاختبار الأكثر شيوعًا لأنظمة الكابلات ذات العزل الصلب هو اختبار التفريغ الجزئي. من الضروري التمييز بين اختبار الكابلات وتشخيص أعطالها .

بينما تُنتج طرق اختبار الكابلات بيانًا يُفيد بصلاحيتها أو عدم صلاحيتها، فإن طرق تشخيص الكابلات تسمح بتقييم حالتها الراهنة. وباستخدام بعض الاختبارات، يُمكن تحديد موضع العيب في العازل قبل حدوث العطل.

في بعض الحالات، يمكن الكشف عن التفرعات الكهربائية (التفرعات المائية) بقياس ظل الزاوية دلتا . وقد يُتيح تفسير نتائج القياس في بعض الحالات التمييز بين الكابلات الجديدة ذات التفرعات المائية الكثيفة. مع ذلك، توجد العديد من المشكلات الأخرى التي قد تظهر خطأً على شكل ارتفاع في ظل الزاوية دلتا، ولا يمكن الكشف عن الغالبية العظمى من عيوب العزل الصلب بهذه الطريقة. يمكن الكشف عن تلف العزل والتفرعات الكهربائية وتحديد موقعها بقياس التفريغ الجزئي . تُقارن البيانات المُجمعة أثناء عملية القياس بقيم القياس لنفس الكابل التي جُمعت أثناء اختبار القبول. وهذا يُتيح تصنيفًا بسيطًا وسريعًا لحالة العزل للكابل المختبر. وكما هو الحال مع ظل الزاوية دلتا، فإن لهذه الطريقة العديد من المحاذير، ولكن مع الالتزام الجيد بمعايير اختبار المصنع، يمكن أن تكون نتائج القياس الميداني موثوقة للغاية.

• الامتصاص العازل ، وهو خطر
• نقل الطاقة الكهربائية
• تيار مستمر عالي الجهد
• كابل الطاقة
• اختبار كابلات التردد المنخفض جدًا

• قياس ظل الزاوية دلتا - تشخيص الكابلات في شبكات الجهد المتوسط ​​- b2hv في Wayback Machine (أرشيف 2013-04-12)
• قياس التفريغ الجزئي لكابلات الجهد المتوسط ​​- b2hv في Wayback Machine (تمت أرشفته في 24-03-2011)
• اختبار تحمل التيار المتردد في الموقع لكابل الجهد العالي 200 كيلو فولت