שליחת אור על פני אלפי מיילים - חקירת המסתורין והחדשנות של כבלים במתח גבוה

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

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

המוליך הוא ערוץ השידור לזרם והוא עשוי בדרך כלל מנחושת או אלומיניום. לנחושת יש מוליכות וגמישות טובה, בעוד שלאלומיניום עלות נמוכה יחסית וקל משקל. מוליכים אלה הם בדרך כלל בצורה של חוטים מעוותים מרובי גדילים כדי להגביר את הגמישות.

שכבת הבידוד היא חלק מרכזי בכבל המתח הגבוה, הממלא תפקיד במניעת זליגת זרם ובבידוד 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 במתח גבוה.

שכבת המיגון מחולקת למיגון פנימי ומיגון חיצוני. המגן הפנימי משמש להפיכת השדה החשמלי לאחיד ולמנוע פריקה מקומית מפגיעה בשכבת הבידוד; המגן החיצוני יכול להפחית את ההפרעות של השדה האלקטרומגנטי החיצוני על הכבל, וגם למנוע מהכבל השפעה אלקטרומגנטית על העולם החיצון.

שכבת ההגנה מגינה בעיקר על הכבל מפני נזקים מגורמים חיצוניים כגון נזק מכני, קורוזיה כימית וחדירת מים. לרוב הוא מורכב משריון מתכת ומעטיף חיצוני. שריון המתכת יכול לספק חוזק מכני, ולמעטה החיצוני יש פונקציות אטומות למים ואנטי קורוזיה.

2. סיווג כבלי מתח גבוה

על פי רמת המתח ניתן לחלק כבלי מתח גבוה לכבלים במתח בינוני (בדרך כלל 3-35kV), כבלי מתח גבוה (35-110kV), כבלים במתח גבוה במיוחד (110-500kV) ואולטרה גבוה כבלי מתח (מעל 500kV). כבלים ברמות מתח שונות נבדלים זה מזה בתכנון המבני, דרישות הבידוד וכו'.

מנקודת המבט של חומרי בידוד, בנוסף לכבלי XLPE וכבלי נייר שמן שהוזכרו לעיל, ישנם גם כבלי גומי אתילן-פרופילן. לכבלי שמן-נייר יש 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 של כבל מתח גבוה

ייצור כבל מתח גבוה הוא תהליך מורכב ועדין.

ייצור המוליכים מחייב תחילה את חומרי הגלם הנחושת או האלומיניום להיות מתיחה, מעוות ותהליכים אחרים כדי להבטיח את דיוק הממדים והתכונות המכניות של המוליך. במהלך תהליך הפיתול, גדילי הגדילים חייבים להיות מסודרים מקרוב כדי לשפר את המוליכות של המוליך.

האקסטרוזיה של שכבת הבידוד היא אחד השלבים המרכזיים. עבור שכבת הבידוד XLPE, חומר ה-XLPE מוחל בטמפרטורה גבוהה ועוטף באופן שווה על המוליך. במהלך תהליך האקסטרוזיה יש לשלוט בקפדנות על פרמטרים כגון טמפרטורה, לחץ ומהירות שחול כדי להבטיח את אחידות האיכות והעובי של שכבת הבידוד.

שכבת המיגון נעשית בדרך כלל על ידי אריגת חוטי מתכת או עטיפת סרט מתכת. תהליכי הייצור של המגן הפנימי והחיצוני שונים במקצת, אך שניהם צריכים להבטיח את שלמות שכבת המיגון וחיבור חשמלי טוב.

לבסוף, ייצור שכבת ההגנה כולל הנחת שריון המתכת ושחול המעטפת החיצונית. שריון המתכת צריך להתאים היטב על הכבל, והשחול של המעטפת החיצונית אמור להבטיח מראה חלק ללא פגמים כגון בועות וסדקים.
4. מאפייני ביצועים של כבלים במתח גבוה

מבחינת ביצועים חשמליים, כבלים במתח גבוה צריכים להיות בעלי התנגדות בידוד גבוהה, אובדן דיאלקטרי נמוך והתנגדות מתח טובה. התנגדות בידוד גבוהה יכולה למנוע ביעילות זליגת זרם, אובדן דיאלקטרי נמוך מפחית את אובדן האנרגיה החשמלית במהלך השידור, והתנגדות מתח טובה מבטיחה שהכבל יכול לפעול בבטחה בסביבת מתח גבוה.

מבחינת תכונות מכניות, הכבל צריך להיות בעל חוזק מתיחה מספיק, רדיוס כיפוף ועמידות בפני פגיעות. במהלך ההתקנה וההפעלה, הכבל עשוי להיות נתון למתיחה, כיפוף והשפעת כוח חיצוני. אם המאפיינים המכניים אינם מספיקים, קל לגרום נזק לכבל.

ביצועים תרמיים הם גם היבט חשוב. הכבל יפיק חום במהלך הפעולה, במיוחד כאשר הוא פועל בעומס גבוה. לכן, הכבל צריך להיות בעל עמידות טובה בחום ולהיות מסוגל לעבוד כרגיל בטווח טמפרטורות מסוים ללא בעיות כגון הזדקנות בידוד. כבל XLPE בעל עמידות בחום טובה יחסית ויכול לפעול לאורך זמן בטמפרטורות גבוהות יותר.
5. התקנה ותחזוקה של כבלי מתח גבוה

מבחינת התקנה, הדבר הראשון שצריך לעשות הוא לתכנן את השביל כדי להבטיח שמסלול הנחת הכבלים יהיה סביר ובטוח. בתהליך ההנחה יש להקפיד להימנע ממתיחה, כיפוף ושיחול יתר של הכבל. להנחת כבלים למרחקים ארוכים, ציוד כגון מסועי כבלים משמש בדרך כלל לסיוע בבנייה.

ייצור חיבורי כבלים הוא חוליה מרכזית בתהליך ההתקנה. איכות המפרק משפיעה ישירות על אמינות הפעולה של הכבל. בעת ביצוע חיבורים, יש להפשיט, לנקות, לחבר ולבודד את הכבל. כל שלב צריך להתבצע אך ורק בהתאם לדרישות התהליך כדי להבטיח שהתכונות החשמליות והמכניות של המפרק עומדות בדרישות.

עבודת תחזוקה חיונית לפעולה יציבה לטווח ארוך של כבלי מתח גבוה. בדיקות סדירות יכולות לזהות מיד אם מראה הכבל פגום או המעטפת פגומה. במקביל, ניתן להשתמש בציוד בדיקה מסוים גם כדי לבדוק את ביצועי הבידוד ופריקה חלקית של הכבל. אם נמצאו בעיות, יש לתקן או להחליפן בזמן.

6. תקלה וזיהוי של כבלי מתח גבוה

כשלים נפוצים של כבלי מתח גבוה כוללים התמוטטות בידוד, ניתוק מוליכים וכשל במפרקים. התמוטטות בידוד עשויה להיגרם מהזדקנות הבידוד, פריקה חלקית או מתח יתר חיצוני. ניתוק המוליך נגרם בדרך כלל מכוח חיצוני מכני או עומס יתר לטווח ארוך. כשל במפרק עלול להיגרם מתהליך ייצור משותף לקוי או חימום חמור במהלך הפעולה.

על מנת לאתר תקלות אלו, קיימות שיטות איתור רבות. זיהוי פריקה חלקית היא שיטה נפוצה. על ידי זיהוי האות שנוצר מפריקה חלקית בכבל, ניתן לקבוע האם קיימים פגמי בידוד בתוך הכבל. בדיקת מתח העמידות יכולה לזהות את קיבולת מתח העמידות של הכבל ולמצוא בעיות בידוד פוטנציאליות. בנוסף, טכנולוגיית הדמיה תרמית אינפרא אדום יכולה לזהות את התפלגות הטמפרטורה על פני הכבל, על מנת לגלות האם לכבל יש בעיות כמו התחממות יתר מקומית.
7.מגמת יישום ופיתוח של כבלי מתח גבוה במערכות חשמל

במערכות חשמל, כבלי מתח גבוה נמצאים בשימוש נרחב בשינוי רשת חשמל עירונית, קווים יוצאים של תחנות כוח גדולות, העברת כבלים תת ימיים ותחומים אחרים. ברשתות חשמל עירוניות, בשל שטח מוגבל, שימוש בכבלים תת קרקעיים יכול לחסוך במקום ולשפר את יופייה של העיר. הקווים היוצאים של תחנות כוח גדולות דורשים שימוש בכבלי מתח גבוה להעברת חשמל לתחנות משנה מרוחקות. שידור כבל תת ימי יכול לממש העברת כוח חוצה ים ולספק אספקת חשמל יציבה לאיים ואזורי חוף.

עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית החשמל, כבלי מתח גבוה הראו גם כמה מגמות פיתוח. האחד הוא מחקר ופיתוח ויישום של כבלים עם רמות מתח גבוהות יותר. עם העלייה בביקוש להעברת כוח למרחקים ארוכים, פיתוח כבלי מתח גבוה במיוחד יהפוך למוקד. השני הוא אינטליגנציה של כבלים. על ידי שילוב חיישנים וציוד אחר בכבל, ניתן להשיג ניטור בזמן אמת של מצב הפעולה של הכבל ואזהרת תקלות, ובכך לשפר את אמינות הפעולה של הכבל. השלישי הוא פיתוח כבלים ידידותיים לסביבה. ככל שהדרישות של אנשים להגנת הסביבה עולות, המחקר והפיתוח של חומרי כבלים בעלי זיהום נמוך וניתנים למחזור יהיו כיוון פיתוח עתידי.