שליחת אור על פני אלפי קילומטרים - חקר המסתורין והחדשנות של כבלי מתח גבוה

במערכות חשמל מודרניות, כבלי מתח גבוה ממלאים תפקיד חיוני. מרשתות חשמל תת-קרקעיות בערים ועד קווי תמסורת למרחקים ארוכים על פני הרים ונהרות, כבלי מתח גבוה מבטיחים הולכה יעילה, יציבה ובטוחה של אנרגיה חשמלית. מאמר זה יבחן לעומק את הטכנולוגיות השונות הקשורות לכבלים במתח גבוה, כולל המבנה, הסיווג, תהליך הייצור, מאפייני הביצועים, ההתקנה והתחזוקה שלהם.
1. מבנה בסיסי של כבלי מתח גבוה

כבלי מתח גבוה מורכבים בעיקר ממוליכים, שכבות בידוד, שכבות מיגון ושכבות הגנה.

המוליך הוא ערוץ ההולכה של הזרם והוא עשוי בדרך כלל מנחושת או מאלומיניום. לנחושת יש מוליכות וגמישות טובות, בעוד שאלומיניום זול יחסית במחירו וקל במשקלו. מוליכים אלה הם בדרך כלל בצורת חוטים מפותלים מרובי גדילים כדי להגביר את הגמישות.

שכבת הבידוד היא חלק מרכזי בכבל המתח הגבוה, אשר ממלאת תפקיד במניעת דליפת זרם ובידוד המוליך מהעולם החיצון. חומרי בידוד נפוצים כוללים פוליאתילן צולב (XLPE), נייר שמן וכו'. ל-XLPE תכונות חשמליות מצוינות, עמידות בחום וחוזק מכני, והוא נמצא בשימוש נרחב בכבלים מודרניים של מתח גבוה.

שכבת המיגון מחולקת למיגון פנימי ומיגון חיצוני. המיגון הפנימי משמש כדי להפוך את השדה החשמלי לאחיד ולמנוע פגיעה בשכבת הבידוד מפריקה מקומית; המיגון החיצוני יכול להפחית את ההפרעות של השדה האלקטרומגנטי החיצוני על הכבל, וגם למנוע מהכבל להשפיע אלקטרומגנטית על העולם החיצון.

שכבת המגן מגנה בעיקר על הכבל מפני נזק מגורמים חיצוניים כגון נזק מכני, קורוזיה כימית וחדירת מים. היא מורכבת בדרך כלל משריון מתכת ומעטפת חיצונית. שריון המתכת יכול לספק חוזק מכני, ולמעטפת החיצונית יש פונקציות אטימות למים ונגד קורוזיה.

2. סיווג כבלי מתח גבוה

בהתאם לרמת המתח, ניתן לחלק כבלי מתח גבוה לכבלים במתח בינוני (בדרך כלל 3-35 קילו-וולט), כבלי מתח גבוה (35-110 קילו-וולט), כבלי מתח גבוה במיוחד (110-500 קילו-וולט) וכבלי מתח גבוה במיוחד (מעל 500 קילו-וולט). כבלים ברמות מתח שונות נבדלים זה מזה בתכנון המבני, בדרישות הבידוד וכו'.

מנקודת מבט של חומרי בידוד, בנוסף לכבלים XLPE וכבלי נייר-שמן שהוזכרו לעיל, קיימים גם כבלי גומי אתילן-פרופילן. לכבלים של נייר-שמן היסטוריה ארוכה, אך בשל עלויות התחזוקה הגבוהות שלהם וסיבות אחרות, הם הוחלפו בהדרגה בכבלי XLPE. כבל גומי אתילן-פרופילן בעל גמישות טובה ועמידות בפני מזג אוויר, והוא מתאים לאירועים מיוחדים.
3. תהליך ייצור כבל מתח גבוה

ייצור כבל מתח גבוה הוא תהליך מורכב ועדין.

ייצור מוליכים דורש תחילה מתיחה, פיתול ותהליכים נוספים של חומרי גלם מנחושת או אלומיניום כדי להבטיח את דיוק הממדים והתכונות המכניות של המוליך. במהלך תהליך הפיתול, יש לסדר את גדילי הגדילים בקפידה כדי לשפר את המוליכות של המוליך.

שיחול שכבת הבידוד הוא אחד השלבים המרכזיים. עבור שכבת הבידוד XLPE, חומר ה-XLPE עובר שיחול בטמפרטורה גבוהה ועוטף באופן שווה על המוליך. במהלך תהליך השחול, יש לשלוט בקפדנות בפרמטרים כמו טמפרטורה, לחץ ומהירות שיחול כדי להבטיח את איכות ועובי שכבת הבידוד אחידים.

שכבת המיגון מיוצרת בדרך כלל על ידי אריגת תיל מתכת או עטיפת סרט מתכת. תהליכי הייצור של המגנים הפנימיים והחיצוניים שונים במקצת, אך שניהם צריכים להבטיח את שלמות שכבת המיגון וחיבור חשמלי תקין.

לבסוף, ייצור שכבת המגן כולל את הנחת שריון המתכת ואת שיחול המעטפת החיצונית. שריון המתכת צריך להתאים היטב לכבל, ושיחול המעטפת החיצונית צריך להבטיח מראה חלק ללא פגמים כגון בועות וסדקים.
4. מאפייני ביצועים של כבלי מתח גבוה

מבחינת ביצועים חשמליים, כבלי מתח גבוה צריכים להיות בעלי התנגדות בידוד גבוהה, הפסד דיאלקטרי נמוך ועמידות מתח טובה. התנגדות בידוד גבוהה יכולה למנוע ביעילות דליפת זרם, הפסד דיאלקטרי נמוך מפחית את אובדן האנרגיה החשמלית במהלך ההעברה, ועמידות מתח טובה מבטיחה שהכבל יוכל לפעול בבטחה בסביבת מתח גבוה.

מבחינת תכונות מכניות, על הכבל להיות בעל חוזק מתיחה, רדיוס כיפוף ועמידות בפני פגיעות מספיקים. במהלך ההתקנה והתפעול, הכבל עלול להיות נתון למתיחה, כיפוף ופגיעות כוח חיצוניות. אם התכונות המכניות אינן מספקות, קל לגרום נזק לכבל.

ביצועים תרמיים הם גם היבט חשוב. הכבל יפיק חום במהלך הפעולה, במיוחד כאשר הוא פועל תחת עומס גבוה. לכן, הכבל צריך להיות בעל עמידות טובה בחום ויכול לפעול כרגיל בטווח טמפרטורות מסוים ללא בעיות כמו הזדקנות בידוד. לכבל XLPE יש עמידות טובה יחסית בחום והוא יכול לפעול במשך זמן רב בטמפרטורות גבוהות יותר.
5. התקנה ותחזוקה של כבלי מתח גבוה

מבחינת ההתקנה, הדבר הראשון שיש לעשות הוא לתכנן את המסלול כדי להבטיח שנתיב הנחת הכבלים יהיה סביר ובטוח. במהלך תהליך הנחת הכבלים, יש לנקוט משנה זהירות כדי להימנע ממתיחה, כיפוף ובליטה מוגזמת של הכבל. עבור הנחת כבלים למרחקים ארוכים, בדרך כלל משתמשים בציוד כגון מסועי כבלים כדי לסייע בבנייה.

ייצור חיבורי כבלים הוא חוליה מרכזית בתהליך ההתקנה. איכות החיבור משפיעה ישירות על אמינות התפעול של הכבל. בעת ייצור חיבורים, יש לפרק, לנקות, לחבר ולבודד את הכבל. כל שלב צריך להתבצע בקפדנות בהתאם לדרישות התהליך על מנת להבטיח שהתכונות החשמליות והמכניות של החיבור יעמדו בדרישות.

עבודות תחזוקה חיוניות לפעולה יציבה וארוכת טווח של כבלי מתח גבוה. בדיקות תקופתיות יכולות לזהות במהירות האם מראה הכבל פגום או שהמעטפת פגומה. במקביל, ניתן להשתמש בציוד בדיקה מסוים גם כדי לבדוק את ביצועי הבידוד והפריקה החלקית של הכבל. אם מתגלות בעיות, יש לתקן או להחליפה בזמן.

6. כשל וגילוי כבלי מתח גבוה

כשלים נפוצים בכבלים במתח גבוה כוללים קריסת בידוד, ניתוק מוליך וכשל חיבור. קריסת בידוד עלולה להיגרם כתוצאה מהזדקנות בידוד, פריקה חלקית או מתח יתר חיצוני. ניתוק מוליך נגרם בדרך כלל כתוצאה מכוח מכני חיצוני או עומס יתר ארוך טווח. כשל חיבור עלולה להיגרם כתוצאה מתהליך ייצור חיבור לקוי או חימום חמור במהלך הפעולה.

על מנת לזהות תקלות אלו, קיימות שיטות גילוי רבות. גילוי פריקה חלקית היא שיטה נפוצה. על ידי גילוי האות שנוצר על ידי פריקה חלקית בכבל, ניתן לקבוע האם ישנם פגמי בידוד בתוך הכבל. בדיקת מתח עמידה יכולה לזהות את קיבולת מתח העמידה של הכבל ולמצוא בעיות בידוד פוטנציאליות. בנוסף, טכנולוגיית הדמיה תרמית אינפרא אדום יכולה לזהות את התפלגות הטמפרטורה על פני הכבל, כדי לברר האם לכבל יש בעיות כגון התחממות יתר מקומית.
7. מגמת יישום ופיתוח של כבלי מתח גבוה במערכות חשמל

במערכות חשמל, כבלי מתח גבוה נמצאים בשימוש נרחב בטרנספורמציה של רשתות חשמל עירוניות, קווי יציאה של תחנות כוח גדולות, העברת כבלים תת-ימיים ותחומים אחרים. ברשתות חשמל עירוניות, עקב מגבלות השטח, השימוש בכבלים תת-קרקעיים יכול לחסוך מקום ולשפר את יופיה של העיר. קווי יציאה של תחנות כוח גדולות דורשים שימוש בכבלים מתח גבוה כדי להעביר חשמל לתחנות משנה מרוחקות. העברת כבלים תת-ימיים יכולה לממש העברת חשמל חוצת-ים ולספק אספקת חשמל יציבה לאיים ולאזורי חוף.

עם ההתפתחות המתמשכת של טכנולוגיית החשמל, גם כבלי מתח גבוה הראו כמה מגמות פיתוח. אחת מהן היא מחקר, פיתוח ויישום של כבלים בעלי רמות מתח גבוהות יותר. עם העלייה בביקוש להעברת חשמל למרחקים ארוכים, פיתוח כבלי מתח אולטרה-גבוה יהפוך למוקד. השנייה היא האינטליגנציה של כבלים. על ידי שילוב חיישנים וציוד אחר בכבל, ניתן להשיג ניטור בזמן אמת של מצב הפעולה של הכבל והתרעת תקלות, ובכך לשפר את אמינות הפעולה של הכבל. השלישית היא פיתוח כבלים ידידותיים לסביבה. ככל שדרישות האנשים להגנת הסביבה עולות, מחקר ופיתוח של חומרי כבלים בעלי זיהום נמוך וניתנים למחזור יהיו כיוון פיתוח עתידי.