الغرض من العازل هو منع التدفق غير المرغوب فيه للتيار من الموصل الحي أو الأجزاء الموصلة. ويلعب العزل دورًا هامًا في كل نظام كهربائي. يوفر العازل مقاومة عالية جدًا مما يمنع تدفق أي تيار من خلاله.
ماهي العوازل الكهربائية؟
العوازل الكهربائية عبارة عن مواد تحتوي على عدد صغير جدًا من الإلكترونات الحرة (ناقلات الشحنة)، وبالتالي لا يمكنها نقل التيار الكهربائي. وفي الحقيقة لا يوجد عازل مثالي، لأنه حتى العوازل تحتوي على عدد صغير من ناقلات الشحنة التي قد تحمل تيار تسرب (صغير بشكل مهمل).
وكل مادة عازلة تتحمل شدة العزل حتى قيمة معينة تسمى بجهد الانهيار، وعند تطبيق جهد أكبر من جهد الانهيار هذا تصبح العوازل موصلة. تسمى هذه الظاهرة بانهيار العزل.
ويجب أن تتمتع المادة العازلة بمقاومة وشدة عزل عالية. وتعتمد الخصائص المرغوبة الإضافية للمواد العازلة على نوع التطبيقات. فيجب أن تكون المواد العازلة المستخدمة في تصنيع الكابلات المرنة مثل المطاط أو PVC. من ناحية أخرى، يجب أن يكون العازل المستخدم لحمل خطوط النقل الهوائية قويًا ميكانيكيًا، مثل عوازل البورسلين أو الزجاج. وسنركز في هذا المقال على العوازل المستخدمة في خطوط النقل.
خصائص المواد العازلة
لتحقيق العزل المطلوب في مختلف الظروف الجوية على مدار العام بدون ان تنهار يجب أن تمتلك العوازل الكهربائية الخصائص التالية
- يجب أن تمتلك قوة ميكانيكية عالية بحيث تتحمل وزن الموصل وتأثير الرياح.
- يجب أن يكون لها مقاومة كهربائية عالية من أجل منع تيارات التسرب إلى الأرض.
- يجب أن يكون لها شدة عزل عالية جدًا (dielectric strength).
- يجب أن تكون المادة العازلة غير مسامية وخالية من الشوائب والشقوق أو الشروخ الداخلية .
- يجب ألا تتأثر بتغير درجة الحرارة المحيطة.
- يجب أن تكون المادة العازلة مقاومة للإنهيار الداخلي وانهيار السطح الكهربائي (flashover).
وظيفة العوازل الكهربائية
يجب تدعيم موصلات الخطوط الهوائية على الأعمدة أو الأبراج بطريقة لا تسمح بتدفق التيارات من الموصلات إلى الأرض عبر الأبراج، أي يجب عزل موصلات خط النقل بشكل كامل عن الأبراج. ويتم تحقيق ذلك عن طريق حمل الأبراج للموصلات بمساعدة العوازل. وتوفر العوازل العزل اللازم بين موصلات الخط والأبراج، وبالتالي تمنع مرور أي تيار تسرب من الموصلات إلى الأرض.
وللعوازل وظيفتين رئيسيتين:
- وظيفة كهربائة: وتتمثل بتأمين العزل الكهربائي الكامل بين الموصلات الكهربائية والأبراج الحاملة لها، وتمنع تسرب التيارات.
- وظيفة ميكانيكية: وتتمثل بتثبيت الموصلات على الأبراج في مختلف الظروف الجوية، بحيث تتحمل مختلف القوى الميكانيكية المؤثرة عليها مثل وزن الموصل، والرياح.
أنواع العوازل الكهربائية
من حيث نوع المادة العازلة تنقسيم العوازل لما يلي:
عوازل البورسلين
البورسلين أو الخزف (بالإنجليزية: Porcelain) من المواد الشائعة في العوازل ويصنع من سيليكات الألومنيوم مع مادة الكاولين البلاستيكية والكوارتز، وحتى يكون العزل مرتفعًا يجب أن يكون خاليًا من أي مسامات أو شوائب وفقاعات غازية ويراعى هذا عند تصنيعه.
ويمتلك البروسلين شدة عزل (شدة المجال الكهربائي التي يتحملها العازل دون انهيار) في حدود 60kv/cm، وقوة الشد الميكانيكي له في حدود 500 (kg/cm2)، وقوة ضغط 70,000 (kg/cm2).
العوازل الزجاجية
يتم تصنيع عوازل الزجاج (Glass Insulators) من السليكون ويمتلك شدة عزل عالية تصل إلى kV/cm 140. ويتحمل قوة ضغط تصل إلى Kg/cm2) IO,OOO)، وقوة شد ميكانيكة أعلى من البورسلين تصل إلى Kg/cm2)35,000).
مميزات العوازل الزجاجية
- أرخص وأطول عمرًا من البورسلين.
- الزجاج شفاف وهذا يساعد على اكتشاف أي شوائب أو فقاعات غازية أو شروخ بالعين المجردة.
- ولأنه شفاف لا يسخن كثيرًا بسبب تعرضه لأشعة الشمس.
- يمتلك معامل تمدد أقل من البورسلين وهذا يجعل الإجهاد الذى يتعرض له نتيجة تغير درجة الحرارة أقل.
عيوب العوازل الزجاجية
يتمثل العيب الرئيسي للزجاج في سهولة تكاثف الرطوبه على سطحه مما يتسبب في مرور تيار التسرب عبر سطح العازل، و هذا يقلل من إمكانية استخدامه في المناطق الرطبة.
عوازل البوليمر
تتكون عوازل البوليمر (Polymer Insulators) من قضيب من الألياف الزجاجية مغطى بمظلات للطقس من البوليمر. تصنع مظلات الطقس بشكل عام من مطاط السيليكون. يمكن أيضًا استخدام القليل من المواد الأخرى في مظلات الطقس، مثل متعدد رباعي فلورو الإيثيلين. يُطلق على عازل البوليمر أحيانًا عوازل مركبة أو عوازل سيلكون المطاطية. وهي أخف بنسبة 90٪ تقريبًا من عوازل البورسلين.
مميزات عوازل البوليمر
- تمتاز بخفة وزنها الكبيرة مقارنة بالعوازل الأخرى.
- بسبب خفتها تكون الحمولة على الابراج أقل.
- بسبب مرونتها فإن فرصة تعرضه للكسر ضئيلة.
- سهلة التركيب على الأبراج وتكلفة التركيب قليلة أيضًا بفضل خفة وزنها.
- تمتلك قوة شد أكبر مقارنة بعوازل البورسلين.
- تحتاج لتنظيف أقل بسبب عدم تراكم التلوث عليها بشكل كبير مقارنة بالبورسلين.
- مناسبة للمناطق كثيرة التلوث بالأتربة والغبار وغيرها.
عيوب عازل البوليمر
- احتمال تسرب الرطوبة إلى قلب العازل في حالة وجود أي فجوة بين القلب ومظلة الطقس. ومن الممكن أن يؤدي هذا لانهيار العزل.
- بسبب طريقة تصميمها المتموج في الأطراف قد تحدث تشرخات في قلب العازل مما يتسبب بحدوث انهيار ميكانيكي للعازل.
العوازل المستخدمة في خطوط النقل الهوائية
من أهم أنواع العوازل الكهربائية المستخدمة في خطوط نقل الطاقة الهوائية (Overhead Power Lines) مايلي:
العواز المسمارية Pin Insulator
العوازل المسمارية هي أقدم عوازل هوائية تم تطويرها، ولكنها ماتزال تستخدم بشكل شائع في شبكات الطاقة حتى 33 كيلو فولت. يمكن أن يكون عازل المسمار جزءًا واحدًا أو جزأين أو ثلاثة أجزاء، اعتمادًا على مقدر الجهد. في نظام 11 كيلو فولت، نستخدم بشكل عام عازل من جزء واحد حيث يكون عازل المسمار عبارة عن قطعة واحدة من البورسلين أو الزجاج.
ولزيادة طول مسار التسرب يتم عمل مظلة أمطار (تجويف) واحدة أو اثنتين أو ثلاثة بالعازل للحماية من المطر. وتصمم هذه المظلات بحيث تطول المسافة أو المسار بين خط النقل والأرض، ويتم تصميم مظلات المطر بطريقة تجعل السطح الخارجي لها رطبًا أثناء هطول الأمطار ولكن يظل السطح الداخلي جافًا وغير موصل.
في أنظمة الجهد العالي مثل 33KV و 66KV يجب أن يكون العازل أكثر سمكًا لتوفير عزل كافٍ. ولا يمكن تصنيع عازل بورسلين سميك للغاية من قطعة واحدة.
ونستخدم أجزاء متعددة من العازل المسماري. لذلك فعند الجهود العالية يمكننا استخدام العازل المسماري ذي الأجزاء المتعددة والمربوطة ببعضها باستخدام الأسمنت البورتلاندي لتشكيل سلسلة عزل واحدة كاملة.
عوازل التعليق Suspension Insulators
مع زيادة الجهد يصبح العازل المسماري ثقيلًا ومعقدًا في التركيب وتزداد تكلفته وأيضا يكون تغيير القطع التالفة مكلفًا جدا لذلك يكون استخدام العازل المسماري غير اقتصادي للجهود الأعلى من 33 كيلو فولت.
يتكون عازل التعليق من عدد من الأقراص (الوحدات) المصنوعة من البورسلين المتصلة ببعضها البعض بواسطة روابط معدنية. يتم تعليق الموصل في الطرف السفلي من السلسلة التي يتم تثبيتها على ذراع البرج.
ويتم تصميم كل قرص في سلسلة عوازل التعليق لجهد منخفض، على سبيل المثال 11 كيلو فولت. يعتمد عدد الأقراص في السلسلة على جهد خط النقل. ويفضل استخدام عوازل التعليق لخطوط النقل.
مميزات عوازل التعليق
- عوازل التعليق أرخص من العوازل المسمارية للجهود التي تتجاوز 33 كيلو فولت.
- تم تصميم كل وحدة أو قرص من عوازل التعليق لتتحمل 11 كيلو فولت، ويمكن توصيل العدد المطلوب من الأقراص بشكل سلسلة لتتحمل أي جهد مطلوب.
- في حالة انهيار إحدى الوحدات لا تصبح سلسلة العزل بأكملها عديمة الفائدة لأن الوحدة التالف يمكن استبدالها باخرى سليمة بسهولة وبتكلفة قليلة.
- توفر عوازل التعليق مرونة أكبر للخط، وتكون سلسلة العازل حرة في التأرجح في أي اتجاه، ويمكن أن تأخذ الموضع الذي تكون فيه الضغوط الميكانيكية ضئيلة.
- في حالة زيادة جهد خط النقل باستخدام نفس الموصلات، يمكن الحصول بسهولة على العزل الإضافي المطلوب للجهد المرتفع في سلسلة التعليق عن طريق إضافة العدد المطلوب من الأقراص (الوحدات).
- عند استخدام سلسلة العوازل مع الأبراج المعدنية تكون موصلات الخط الكهربائي أقل تأثرًا بالصواعق الكهربائية حيث إن ارتفاع الموصلات يكون أقل من الذراع المعدنية المؤرضة للبرج.
ومن سلبياتها أن مدى التأرجح الحر للموصلات أكبر، بالتالي، يجب توفير مزيد من مسافة التباعد بين الموصلات.
عوازل الإجهاد Strain Insulators
عند طرف نهاية الخطوط الكهربائية أو وجود تغير في مسار الخط أو منحنى حاد للخط الكهربائي يتعرض الخط لإجهادات ميكانيكية عالية جدًا. في خطوط الجهد العالي تستخدم عوازل الاجهاد والتي تتكون من عوازل تعليق وهي عبارة عن خطين أو ثلاثة من عوازل التعليق متوازيين ومرتبطين ببعضهما.
وبالنسبة لخطوط الجهد المنخفض (أقل من 11 كيلو فولت) يمكن استخدام عوازل القيد (shackle insulators).
عوازل الدعم Stay Insulator
في الجهود المنخفضة تعزل شدات الأسلاك عن الأرض على ارتفاع أكبر من 13متر عن الأرض ويسمى العازل المستخدم في سلك الشد (عازل الدعم)
وعادًة ما يكون من البورسلين وهو مصمم بحيث يمنع سقوط سلك التثبيت على الأرض في حالة انهيار العازل.
عوازل القيد Shackle Insulator
في الماضي تم استخدام عوازل القيد كعوازل إجهاد. ولكن في أيامنا هذه، يتم استخدامها في خطوط توزيع الجهد المنخفض. يمكن استخدام هذه العوازل إما في وضع أفقي أو في وضع عمودي.
ويمكن تثبيتها مباشرة بالعمود بمسامير أو بالذراع المتقاطع.
المراجع
- Principles of Power System (V.K. Mehta & Rohit Mehta)
- تقنية الجهد العالي، المؤسسة العامة للتعليم الفني والتدريب المهني-السعودية.
- هندسة القوى الكهربائية، أ.د محمود جيلاني.
- Electrical Insulators
- Insulators Used In Overhead Power Lines