تصميم وتطبيق كابلات الجهد العالي المملوءة بالنفط والغاز

تم استخدام كابلات الجهد العالي تحت الأرض لنقل الكهرباء لسنوات عديدة وتم تطوير عدد من التقنيات المختلفة على مر السنين.

تتميز أنابيب الغاز والنفط المعزولة بخصائص تقنية وبيئية وتشغيلية تجعلها بديلاً جيدًا جدًا عندما يكون النقل عالي الجهد مطلوبًا في مساحة محدودة ، على سبيل المثال عندما يكون من المستحيل استخدامها خطوط الكهرباء العلوية.

كابلات ضغط عالي في اسبانيا جهد 400 ك.ف.

تعد كابلات النقل المعزولة بالغاز والنفط (كابلات الغاز والنفط عالية الضغط) بديلاً آمنًا ومرنًا للخطوط العلوية وتشغل مساحة أقل بكثير مع توفير نفس نقل الطاقة.

نظرًا لأن تأثيرها ضئيل أو معدوم على المناظر الطبيعية ، كما أن الحد الأدنى من انبعاثاتها الكهرومغناطيسية يعني أنه يمكن استخدامها بالقرب من المباني أو حتى فيها ، يمكن اعتبار الكابلات ذات الجهد العالي المملوءة بالنفط والغاز لمجموعة واسعة من التطبيقات.

المؤشر المغناطيسي B الذي يمكن قياسه بالقرب من مثل هذا الهيكل منخفض جدًا ، وأقل بكثير من الخط العلوي المكافئ. على مسافة 5 أمتار من الأنابيب يكون أقل من 1 μT.

إنها مناسبة لتوفير استمرار الخطوط العلوية تحت الأرض ، أو ربط محطات الطاقة بشبكة الطاقة أو كطريقة مدمجة لربط المنشآت الصناعية الكبيرة بالشبكة العامة.

عند استخدامها في الكابلات ذات الضغط المتزايد ، تزداد القوة العازلة لعزل الكابل بشكل كبير ، ويتم تقليل سمكها وبالتالي تقليل التكاليف. يتم إنشاء الضغط المتزايد في الكابلات المملوءة بالزيت أو الغاز داخل العزل من خلال قلب مجوف أو قنوات أخرى على طول الكبل ويتم تطبيقه خارج العزل إذا تم وضع الكبل في قناة فولاذية.

إنشاء خط كابلات بكابلات غازية عالية الجهد

تستخدم الكابلات المملوءة بالغاز عازلًا مائيًا بطبقة مستنفدة ، يوجد في طبقتها غاز خامل تحت الضغط ، والذي يتميز بخصائص كهربائية جيدة وموصلية حرارية عالية (النيتروجين ، غاز SF6 ، إلخ). استبدال الهواء بالنيتروجين أو غاز SF6 يمنع أكسدة العزل.

وفقًا لحجم الضغط ، تتميز الكابلات بضغط منخفض (0.7 - 1.5 ضغط جوي) ومتوسط ​​(حتى 3 ضغط جوي) وعالي (12-15 ضغط جوي). يتكون النوعان الأولان من الكابلات بشكل أساسي من ثلاث مراحل بقدرة 10 - 35 كيلو فولت ، وكابلات الضغط العالي - أحادية الطور ل 110 - 330 كيلو فولت.

تصنع الكابلات أحادية النواة المملوءة بالزيت بقدرة 110 كيلوفولت من قناة واحدة موصلة للزيت في وسط النواة المجوفة ، وللجهد 500 كيلوفولت - مع قناة مركزية في القلب وقنوات تحت الغلاف الواقي.

ثلاث مراحل تصميم مملوء بالزيت

تتطلب الزيادة في الضغط تقوية الغلاف الواقي من خلال وضع شرائط معدنية مقواة فوقه ، وهي محمية من التآكل بطبقات مناسبة ، بالإضافة إلى درع من الأسلاك الفولاذية المجلفنة.

العيب الرئيسي لخط الجهد العالي الحديث المصنوع من الكابلات المملوءة بالزيت هو الحاجة إلى معدات مساعدة باهظة الثمن ومعقدة ، مثل: خزانات الإمداد ، وخزانات الضغط ، والتوقف ، والمقارنات ، والموصلات النهائية.

يتم تعويض التغييرات في أحجام تركيبة التشريب باستخدام أجهزة الإمداد التي تتكون من خزانات الإمداد وخزان الضغط. تضمن خزانات التغذية إدخال كمية كبيرة من الزيت داخل الكبل أو خارجه مع تغيير طفيف في الضغط ، ويحافظ خزان الضغط على الضغط في الكابل مع أي تغيير في حجم الزيت.

يتحرك الزيت على طول الكبل على طول القناة المركزية للسلك الحامل للتيار. ينقسم خط الكابلات عن طريق تقييد البطانات إلى أجزاء مكياج منفصلة.

أقوى منافس للكابل المملوء بالنفط هو كابل الغاز المضغوط. بالمقارنة مع الكابل المملوء بالغاز عالي الجهد المملوء بالزيت ، فإنه يتطلب تكاليف إنشاء خط أقل ، ولا يحتاج إلى معدات مساعدة معقدة ، كما أنه بسيط للغاية في كل من التركيب والتشغيل.

تركيب خط ثلاث مراحل مع كابلات مملوءة بالغاز

الميزة الرئيسية للكابلات المملوءة بالغاز مقارنة بالكابلات المملوءة بالنفط هي بساطة إمداد خط الكابل بالغاز ، وإمكانية مد الكابل على مسارات شديدة الانحدار وعمودية.

تستخدم الكابلات المملوءة بالغاز على نطاق واسع للجهد 10 - 35 كيلو فولت.عند الفولتية التي تبلغ 110 كيلوفولت وأعلى ، تتمتع الكابلات المملوءة بالغاز ، مقارنة بالكابلات المملوءة بالنفط ، بقوة دفع أقل ومقاومة حرارية أعلى. لذلك ، نادرًا ما تستخدم هذه الكابلات في بلدنا بجهد 110 كيلو فولت وما فوق.

في البلدان الأوروبية ، على العكس من ذلك ، يتم استخدام الكابلات المملوءة بالنفط (الكابلات المملوءة بالزيت) في كثير من الأحيان أقل من الكابلات المملوءة بالغاز (خطوط النقل المعزولة بالغاز ، GIL).

بدأ تطبيق هذه التكنولوجيا في أوروبا تقريبًا في السبعينيات. إنه مصمم خصيصًا لتوفير إمكانية دفن شبكات الجهد العالي في بيئة حضرية. حاليًا ، هناك العديد من المشاريع المكتملة باستخدام الكابلات المملوءة بالغاز لجهود تصل إلى 500 كيلو فولت.

تتمثل ميزة الكابلات المملوءة بالغاز في هامش أمان كبير نسبيًا في حالة حدوث انخفاض طارئ في الضغط ، مما يسمح بعدم فصلها فورًا عند انخفاض الضغط.

تصميم كابل مليء بالغاز

الكابلات في خط أنابيب فولاذي تحت ضغط الزيت عبارة عن ثلاثة كبلات أحادية النواة مع عزل من الورق مشرب بالزيت المعدني أو الصناعي (بدون غلاف من الرصاص) ، وتقع في خط أنابيب فولاذي بزيت ضغط يصل إلى 15 ضغط جوي.

عادة ، يتم استخدام زيوت أكثر لزوجة لتشريب العزل ، وتستخدم زيوت أقل لزوجة لملء خط الأنابيب. تستخدم خطوط الكابلات في خطوط الأنابيب الفولاذية بالزيت المضغوط لجهود 110-220 كيلو فولت.

يتم تغطية العزل بشاشة مصنوعة من الورق المعدني أو شرائط نحاسية مثقبة ، حيث يتم وضع طلاء مانع للتسرب - غلاف بولي إيثيلين يمنع الرطوبة من دخول الكابل أثناء النقل.

يتم تطبيق اثنين أو ثلاثة أسلاك نصف دائرية من البرونز أو النحاس بشكل حلزوني على طلاء الختم ، والتي تم تصميمها لتسهيل سحب الكابل في القناة ، بالإضافة إلى أنها تحافظ على المراحل على مسافة معينة من بعضها البعض ، مما يحسن تدوير الزيت ويضمن التلامس الكهربائي لشاشات الكابلات مع خط الأنابيب.

الأنبوب الفولاذي ، الذي يحافظ على الضغط في الكابل ، هو حماية موثوقة ضد التلف الميكانيكي. يتم نقل ضغط الزيت على العزل من خلال غمد البولي إيثيلين.

النفقات العامة لانتقال الكابل

عادةً ما تكون الموصلات هي نقطة ضعف كابل الجهد العالي. تتمثل إحدى المهام الرئيسية في تطوير خطوط الكابلات عالية الجهد في إنشاء موصل مناسب للتركيب وله قوة كهربائية لا تقل عن تلك الموجودة في الكابل.

يتم تثبيت موصلات النهاية في نهايات خط الكابل ، ويتم تثبيت موصلات شبه توقف كل 1 - 1.5 كيلومتر من الخط (تمنع التبادل الحر للزيت بين الأقسام المجاورة لخط الأنابيب).

يتم الحفاظ على ضغط الزيت المحدد مسبقًا في خط الأنابيب بواسطة وحدة تشغيل تلقائية تقوم بتزويد خط الأنابيب بالزيت عندما ينخفض ​​الضغط وتزيل الزيت الزائد عندما يرتفع الضغط.

في موصلات الكابلات المملوءة بالنفط ، يتم التوصيل الكهربائي للأسلاك الحاملة للتيار وتوصيل قنوات الزيت الخاصة بالكابل.

يتم ضغط النوى معًا ويتم ضمان استمرارية قناة الزيت بواسطة أنبوب فولاذي مجوف (لا يُسمح باللحام أو اللحام بالنحاس بسبب وجود الزيت).

يتم وضع درع أرضي (جديلة نحاسية معلبة) على طول طول الجلبة ، ويتم وضع الجزء الخارجي من الجلبة في غلاف معدني.

جلبة الكابلات لكابل الجهد العالي المملوء بالزيت

تختلف الكابلات الموجودة في خط أنابيب الغاز المضغوط الفولاذي عن التصميم السابق فقط في أنه بدلاً من الزيت المعدني أو الصناعي ، يتم ملء خط الأنابيب بغاز خامل مضغوط ، وعادة ما يكون النيتروجين عند ضغط حوالي 12-15 ضغط جوي. تتمثل ميزة هذه الكابلات في تبسيط كبير وتخفيض تكلفة نظام إمداد الخط.

لا يتعرض عزل الكابلات للتعرض المستمر لجهد التردد الصناعي فحسب ، بل يتعرض أيضًا للجهد النبضي ، نظرًا لأن الكابلات متصلة مباشرة بالخطوط العلوية أو بالمعدات الكهربائية للمحطات الفرعية والمفاتيح الكهربائية المفتوحة التي تدرك التأثيرات موجات الغلاف الجوي. 

تكون قوة الدفع للكابل المملوء بالزيت أعلى من تلك الموجودة في الكبل المملوء بالغاز ، بغض النظر عن قيم ضغط الزيت أو الغاز فيه. بالنسبة لأي نوع من الكابلات ، يمكن زيادة جهد الانهيار النبضي عن طريق تقليل سمك شرائط الورق ، أي عن طريق تقليص الفجوات بينهما. الكابلات أو الكابلات المملوءة بالزيت تحت ضغط الغاز الخارجي ، حيث تمتلئ الفجوات في العزل بمركب تشريب ، يكون لها أعلى جهد انهيار.

يمكن نقل الكابلات عالية الجهد المملوءة بالغاز في مشعب تحت الأرض (نفق) بسهولة بين الكابلات ، لكن هذا النوع من التثبيت لا يتطلب أي صيانة تقريبًا

لقد أثبتت أنابيب الكابلات ذات الضغط العالي والغاز المعزول بالزيت بالفعل موثوقيتها الفنية لعدة عقود ، لأنها توفر أمانًا استثنائيًا في التشغيل وحتى في حالة حدوث عطل ، بالإضافة إلى خصائص النقل الجيدة جدًا.

يتم فحص حالة عزل خطوط الكابلات أثناء التشغيل من خلال الاختبارات الوقائية ، والتي تتيح تحديد الانتهاكات الجسيمة لسلامة العزل والعيوب فيه (تأريض المرحلة ، وفواصل الأسلاك ، وما إلى ذلك) ، وكذلك قياس مقاومة العزل ، تيارات التسرب ، زاوية فقدان العزل ، إلخ.

وتجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة لعزل خطوط الكابلات ، فإن الاختبارات الوقائية هي الطريقة الوحيدة للكشف عن البقع المعيبة في العزل ، حيث يتعذر الوصول إلى خط الكابل للفحص والإصلاح الوقائي. لذلك ، يجب أن يحدد الاختبار الوقائي لعزل خطوط الكابلات بسرعة العيوب في عزل الكابلات وبالتالي تقليل حالة الطوارئ في الشبكة.

بالإضافة إلى المقال - تعمل شركة سيمنز على تطوير خط نقل الغاز

تم تصميم الخط الجديد لنقل ما يصل إلى خمسة جيجاوات (GW) من الطاقة لكل نظام. منحت الوزارة الألمانية الاتحادية للشؤون الاقتصادية والطاقة 3.78 مليون يورو لهذا المشروع التنموي.

الأسلاك الكهربائية ذات التيار المباشر سيعتمد على تقنية خط النقل المعزول بالغاز الحالي ، والذي يتكون من أنبوبين من الألمنيوم متحد المركز. يتم استخدام خليط من الغازات كوسيط عازل حتى الآن ، كانت خطوط الكابلات المعزولة بالغاز متاحة فقط للتيار المتردد.

يعد توسيع شبكة النقل ضروريًا إذا تم تلبية 80٪ من الطلب على الكهرباء في ألمانيا بواسطة مصادر الطاقة المتجددة بحلول عام 2050.

توليد الكهرباء توربينات الرياح في الجزء الشمالي من البلاد وعلى طول الساحل الألماني ، يجب نقلها بأكبر قدر ممكن من الكفاءة إلى مراكز الشحن في الجزء الجنوبي من ألمانيا.يعتبر النقل بالتيار المباشر هو الأنسب لذلك بسبب خسائره الكهربائية المنخفضة مقارنةً بنقل التيار المتردد.

يمكن تحقيق تطوير الشبكة باستخدام التيار المباشر عالي الجهد (HVDC) باستخدام خطوط النقل العلوية وخطوط نقل التيار المباشر المعزولة بالغاز الموضوعة تحت الأرض في مناطق معينة باستخدام موارد أقل بكثير من التكنولوجيا ثلاثية الطور.

"يعتبر نقل التيار المباشر تحت الأرض ضروريًا لانتقال ألمانيا إلى هيكل كهرباء جديد ، حيث سيتم تطويره في البداية في ألمانيا. في وقت لاحق ، ستكون الاستفسارات من دول الاتحاد الأوروبي الأخرى أو دول أخرى حول العالم ممكنة تمامًا. على أي حال ، مع تطوير خط نقل الغاز الحالي المباشر ، ستلعب ألمانيا دورًا رائدًا في تصميم أنظمة النقل المستقبلية "، قال دينيس إماموفيتش ، المسؤول عن أنظمة نقل الغاز في شركة سيمنز لإدارة الطاقة.