ما هي الوظيفتان الأساسيتان للأسلاك الأرضية الضوئية في خطوط نقل الطاقة؟

ما وراء السلك: كيف تقوم OPGW بحماية الشبكة وتوصيلها

في المناظر الطبيعية الشاسعة الصامتة التي تمتد بين مدننا، يحمل حراس الشبكة الكهربائية الشاهقة أكثر من مجرد الطاقة. يوجد على طول قمم أبراج النقل ذات الجهد العالي نوع فريد من الكابلات التي تخدم غرضًا مزدوجًا وبالغ الأهمية. يُعرف هذا الكابل باسم السلك الأرضي البصري أو OPGW. بالنسبة للمهندسين ومشغلي الشبكات ومتخصصي الاتصالات، تعد OPGW حجر الزاوية في البنية التحتية الحديثة والموثوقة. ولكن بالنسبة للكثيرين، تظل قدراتها الكاملة لغزا.

الوظيفة الأساسية رقم 1: الدرع الواقي - حماية خط الكهرباء

إن الدور الأساسي والتقليدي للسلك المعلق في الجزء العلوي من برج النقل هو العمل كجهاز توصيل سلك درع ثابت أو سلك الأرض . وتتمثل مهمتها في حماية موصلات الطور المنشط (الأسلاك الحاملة للطاقة) بالأسفل من القوة الأكثر تدميراً في الطبيعة: البرق. OPGW هو، أولاً وقبل كل شيء، سلك أرضي جيد بشكل استثنائي.

الوظيفة الفرعية 1أ: الحماية من الصواعق والتدريع

المشكلة: عندما تضرب ضربة البرق موصل الطور بشكل مباشر، فإنها تضخ موجة هائلة من التيار - غالبًا ما تتجاوز 100000 أمبير - في جزء من الثانية. يتجاوز هذا الارتفاع القدرة التشغيلية للخط بشكل كبير، مما يؤدي إلى فشل العزل الكارثي، وتلف المعدات، والتعثر الفوري لقاطع الدائرة، مما يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي.

كيف تحلها OPGW: يتم وضع كابل OPGW بشكل استراتيجي في أعلى نقطة في البرج، مما يشكل "درعًا" فوق موصلات الطور. لقد تم تصميمه ليكون نقطة الاتصال الأكثر احتمالية لضربة البرق.

الجذب المتعمد: نظرًا لارتفاعه ووظيفة التأريض، يعترض OPGW بشكل فعال ضربة البرق قبل أن يتمكن من الوصول إلى موصلات الطور الحرج أدناه.

المسار الحالي الآمن: بمجرد ضربها، توفر الطبقات الخارجية المعدنية القوية لـ OPGW مسارًا منخفض المقاومة لتيار البرق للانتقال على طول الكابل.

التبديد إلى الأرض: في كل برج نقل، يتم توصيل OPGW كهربائيًا بهيكل البرج. البرج نفسه متصل بنظام التأريض، وهو عبارة عن شبكة من القضبان والموصلات المدفونة في الأرض. يتم تحويل تيار البرق الهائل بأمان إلى أسفل البرج ويتبدد في الأرض دون ضرر.

النتيجة العملية: من خلال التضحية بنفسها من أجل الضربة، تمنع OPGW طاقة البرق المدمرة من الوصول إلى الموصلات الحية، وبالتالي تمنع الأعطال وتحافظ على استمرارية مصدر الطاقة. يضمن تصميمها قدرتها على تحمل مثل هذه الضربات المتعددة دون حدوث عطل ميكانيكي أو كهربائي.

الوظيفة الفرعية 1 ب: التأريض وحمل تيار العطل

المشكلة: بخلاف البرق، يمكن أن تتسبب أحداث أخرى في حدوث أعطال في خط الكهرباء، مثل سقوط شجرة على موصل أو تعطل المعدات. عندما يتصل موصل حي بجسم مؤرض (مثل البرج نفسه)، فإنه يحدث "خطأ في الأرض". يؤدي هذا إلى زيادة هائلة في التيار، وإن كانت أقل لحظية، تُعرف باسم تيار الصدع. يجب توجيه هذا التيار بأمان إلى الأرض للسماح للمرحلات الواقية باكتشاف الخلل وعزل القسم التالف.

كيف تحلها OPGW: يشكل OPGW مسارًا كهربائيًا مستمرًا ومنخفض المقاومة على طول خط النقل بالكامل، ويربط أنظمة التأريض لكل برج.

إنشاء مرجع أرضي مشترك: تضمن هذه الشبكة المترابطة أن جميع الأبراج تتمتع بإمكانات أرضية مماثلة، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق الاستقرار والتشغيل الصحيح لأنظمة حماية نظام الطاقة.

تحمل خطأ الحالي: خلال حدث الخلل، سوف يتدفق جزء كبير من تيار العطل عبر OPGW وهياكل البرج إلى المصدر. تم تصميم OPGW خصيصًا بتصنيف محدد لتيار الدائرة القصيرة (على سبيل المثال، 50 كيلو أمبير لمدة ثانية واحدة). وهذا يعني أن طبقات الألومنيوم والفولاذ الخاصة به قوية بما يكفي لتحمل هذا التيار الهائل لفترة وجيزة حتى يتعطل قاطع الدائرة، دون ذوبان أو التعرض للضرر.

النتيجة العملية: يضمن OPGW أنه أثناء الأعطال الكهربائية الداخلية، يكون للتيار مسار آمن ويمكن التنبؤ به إلى الأرض. وهذا يسمح لأجهزة الحماية بالعمل بسرعة وانتقائية، مما يقلل من تلف المعدات ويحد من مدى ومدة انقطاع التيار الكهربائي.

الوظيفة الأساسية رقم 2: الجهاز العصبي الرقمي - تمكين اتصالات الشبكة الذكية

في حين أن دورها الوقائي أساسي، إلا أنها الوظيفة الثانية التي تحول OPGW من سلك بسيط إلى أصل استراتيجي. يوجد داخل الغلاف المعدني الواقي ألياف ضوئية، مما يحول الكابل إلى وصلة اتصالات عالية الأداء.

الوظيفة الفرعية 2أ: البناء المادي: كابل داخل كابل

لكي تفهم كيف يعمل، عليك أن تفهم كيف تم بناؤه. إن OPGW ليس مزيجًا بسيطًا من المواد؛ إنه هيكل أنبوبي مصمم بدقة.

النواة المركزية: يوجد في المنتصف أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم. يوجد داخل هذا الأنبوب المحكم الإغلاق الألياف الضوئية نفسها، وعادةً ما تكون محاطة بمادة هلامية مانعة للماء لمنع دخول الرطوبة وتوفير توسيد ميكانيكي.

الطبقات الخارجية: تحيط بهذا الأنبوب المركزي طبقات من أسلاك الألمنيوم والفولاذ. يتم تجديل هذه الأسلاك حول الأنبوب، مما يوفر للكابل قوته الميكانيكية الأساسية، وقدرته على حمل التيار، ومقاومته للتآكل. يمكن تصميم المزيج المحدد من الألومنيوم (للتوصيل) والفولاذ (للقوة) وفقًا لمتطلبات المشروع.

هذا البناء هو المفتاح لهويته المزدوجة: تتولى الأسلاك الخارجية المهام الكهربائية والميكانيكية، بينما يوفر الأنبوب الداخلي بيئة آمنة ومستقرة ومعزولة للألياف الزجاجية الهشة.

الوظيفة الفرعية 2ب: التطبيقات المهمة في إدارة الشبكة والتحكم فيها

إن سعة البيانات التي توفرها الألياف الضوئية هي العمود الفقري لـ "الشبكة الذكية". فهو يتيح المراقبة والحماية والتحكم في الوقت الفعلي وهو أمر مستحيل مع خطوط الاتصالات القديمة المؤجرة. فيما يلي التطبيقات الأكثر أهمية:

1. حماية نظام الطاقة:
يمكن القول أن هذه هي وظيفة البيانات الأكثر أهمية. "الحماية التجريبية" أو "الترحيل التفاضلي" تتطلب المخططات اتصالاً فائق السرعة بين طرفي خط النقل. في حالة حدوث خطأ في منتصف الخط، يجب أن تقوم المرحلات عند كلا الطرفين بمقارنة التيار المتدفق داخل وخارج الخط على الفور. باستخدام وصلة الألياف OPGW، يمكنهم تحديد الخطأ بالمللي ثانية (غالبًا 1-2 دورة) بين لهم ورحلة كلا القواطع في وقت واحد. وبدون هذا الارتباط عالي السرعة، ستعمل المرحلات بشكل أبطأ، مما يتسبب في حدوث اضطراب أكبر في النظام واحتمال تلف المعدات.

2. التحكم الإشرافي والحصول على البيانات (SCADA):
SCADA هو الجهاز العصبي لمركز التحكم في الشبكة. تحمل الألياف الموجودة في OPGW كميات هائلة من البيانات في الوقت الفعلي من آلاف النقاط على الشبكة - الفولتية والتيارات وتدفقات الطاقة وحالات قواطع الدائرة ومواضع صنبور المحولات - إلى غرفة التحكم. يتيح ذلك للمشغلين رؤية حالة الشبكة بأكملها في الوقت الفعلي واتخاذ قرارات مستنيرة.

3. المراقبة والتحكم على نطاق واسع (WAMS):
وبعيدًا عن SCADA، يستخدم WAMS وحدات قياس الطور المتزامنة (PMUs). توفر هذه الأجهزة، التي تتم مزامنتها بواسطة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، "لقطة" دقيقة ومختومة زمنيًا لحالة الشبكة من 30 إلى 60 مرة في الثانية. يعد النطاق الترددي العالي والكمون المنخفض لألياف OPGW ضروريين لنقل تدفق البيانات الضخم هذا. وهذا يسمح باكتشاف تذبذبات الشبكة وعدم الاستقرار التي قد تكون غير مرئية لنظام SCADA التقليدي، مما يساعد على منع انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع.

4. مراقبة الأصول والصيانة على أساس الحالة:
يمكن أيضًا استخدام الألياف لمراقبة صحة كابل OPGW وخط النقل نفسه. يستخدم استشعار درجة الحرارة الموزعة (DTS) والاستشعار الصوتي الموزع (DAS) الألياف نفسها كجهاز استشعار. يمكن لـ DTS اكتشاف النقاط الساخنة في التوصيلات أو التوصيلات، بينما يمكن لـ DAS اكتشاف وتحديد موقع اهتزازات الموصل أو الركض أو حتى التداخل المحتمل مثل سقوط الأشجار أو البناء غير المصرح به بالقرب من يمين الطريق.

5. الاتصالات لعمليات المرافق:
بالإضافة إلى التحكم النقي في نظام الطاقة، توفر الألياف قناة اتصال موثوقة لكل شيء آخر تحتاجه المرافق: الاتصال الصوتي لأطقم الصيانة، وحركة مرور شبكة بيانات الشركة، والمراقبة بالفيديو لأمن المحطات الفرعية.

الميزة التآزرية: لماذا تكون وظيفتان أفضل من واحدة

تكمن عبقرية OPGW الحقيقية في التآزر القوي بين وظيفتيها الأساسيتين.

الاستخدام الأمثل لحق الطريق: يتطلب تشغيل كابل ألياف ضوئية منفصل على برج نقل أجهزة إضافية، واعتبارات تصميمية، وهو عرضة للتلف الناتج عن العناصر أو الحياة البرية. من خلال دمج الألياف في السلك الأرضي، تعمل المرافق على زيادة استخدام حق المرور الحالي والمضمون إلى أقصى حد دون الحاجة إلى تصاريح إضافية أو الاستحواذ على الأراضي.

أمان وموثوقية فائقة للألياف: يوفر OPGW مسارًا آمنًا ماديًا وكهربائيًا للألياف. نظرًا لوجودها في الجزء العلوي من البرج، فلا يمكن الوصول إليها إلى حد كبير، كما أنها محمية من التلف العرضي والتخريب والسرقة. علاوة على ذلك، يوفر الغلاف المعدني القوي مناعة ممتازة ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، والذي يكون شديدًا في بيئة الجهد العالي. وينتج عن ذلك رابط اتصال يتمتع بموثوقية لا مثيل لها وتكامل البيانات.

الكفاءة الاقتصادية: في حين أن التكلفة الأولية لـ OPGW أعلى من الأسلاك الأرضية التقليدية، إلا أنها تلغي الحاجة إلى بناء أو استئجار أو صيانة بنية تحتية منفصلة للاتصالات. "التكلفة الإضافية" لإضافة وظيفة الألياف ضئيلة مقارنة بالقيمة الهائلة لشبكة البيانات التي تنشئها. إنها حالة كلاسيكية للبناء بشكل أكثر ذكاءً، وليس أصعب.

الخلاصة: العمود الفقري لمستقبل مرن وذكي

السلك الأرضي البصري هو أكثر بكثير من مجرد سلك بسيط؛ إنه مكون متعدد الوظائف ومهم للغاية في نقل الطاقة الحديثة. وظيفتها الأساسية الأولى باعتبارها درع واقي هو أمر أساسي، فهو يوفر المرونة اللازمة لتحمل غضب الطبيعة وأخطاء النظام الداخلي. وظيفتها الأساسية الثانية باعتبارها الجهاز العصبي الرقمي يعد تحويليًا، حيث يوفر العمود الفقري للبيانات عالي السرعة والموثوقية الذي يتيح الوعي الظرفي والأتمتة السريعة والتحكم الذكي المطلوب لشبكة الطاقة في القرن الحادي والعشرين.

من خلال فهم هاتين الوظيفتين المتشابكتين، يمكن للمرء أن يدرك لماذا أصبحت OPGW هي التكنولوجيا المفضلة للمرافق في جميع أنحاء العالم. إنه مثال مثالي للهندسة الأنيقة: حل تحديين أساسيين - الحماية والاتصالات - من خلال حل واحد متآزر قوي وموثوق وجاهز للمستقبل.