لماذا تكون خطوط الطاقة العلوية فضفاضة على أعمدة المرافق وأبراج النقل؟

قد تلاحظ أن خطوط نقل الطاقة المعلقة على الأعمدة الكهربائية فضفاضة. وقد يخطر لك السؤال: لماذا لا تُثبَّت هذه الخطوط بإحكام على الأعمدة؟

دعونا نكتشف السبب وراء فضافة خطوط الطاقة على الأعمدة الكهربائية ولماذا يلزم وجود انحناء (ساج) في خطوط التوزيع والنقل. ولكن قبل أن نتعمق في ذلك، دعونا نلقي نظرةً على بعض النصائح المهمة التي ستساعدنا على الفهم بشكل أفضل.

نقل الطاقة

الطاقة هي المعدل الذي تُنفَّذ به الشغل. ويتم إنجاز الشغل عندما تغطي الطاقة الكهربائية مسافة ما. ومن هذا يمكننا أن نستنتج أن القدرة هي كمية الطاقة المنقولة لكل وحدة زمنية. ويمكن نقل الكهرباء عبر مسافات طويلة عبر خطوط النقل، التي تشكّل الوسيط المستخدم في نقلها.

تقاس القدرة الفعّالة عادةً بالواط. وعند نقل القدرة، يُفضَّل استخدام نقل الجهد العالي لتوفير الطاقة. فتولّد التيار الكهربائي حرارةً قد تكون ضارةً لأنها تؤدي إلى تآكل خطوط التوصيل الكهربائية وفشلها. ولحفظ القدرة المنقولة، ينبغي نقل التيار الكهربائي — الذي يولّد الحرارة ويساهم في تآكل الخطوط — بكميات أصغر، بينما يُنقل الجهد بكميات أكبر. وتُعرف هذه الطريقة بنقل القدرة عالي الجهد.

التوصيل والارتباط

أثناء نقل الطاقة الكهربائية، تُفقد بعض الطاقة الكهربائية إلى محيطنا لأن خطوط النقل ليست معزولة. ووفقًا لقانون أوم، فإن المقاومة (R) تتناسب طرديًّا مع طول الموصل (L)، أي أن زيادة طول الموصل تؤدي إلى زيادة مقاومته أيضًا. والهواء ليس موصلًا جيدًا، ولذلك لا يمكنه تبديد الحرارة الناتجة عن الخطوط الكهربائية بكفاءة.

ولهذا السبب، يتم تصميم الخطوط الكهربائية بحيث تكون أقطارها أكبر، مما يؤدي بدوره إلى خفض مقاومتها لتدفُّق التيار الكهربائي. وتتناسب المقاومة (R) عكسيًّا مع مساحة مقطع الموصل، وبالتالي فإن زيادة قطر الموصل تؤدي إلى خفض المقاومة، والعكس صحيح.

الأسلاك والكابلات الكهربائية

الكابلات والأسلاك الكهربائية هي موصلات، وتتكوّن في الغالب من أسلاك نحاسية، تُستخدم لنقل الكهرباء. ومع ذلك، فإن هذه الأسلاك لا تتكون من النحاس وحده. ولإضفاء الخصائص الميكانيكية المطلوبة، تُسخَّن الموصلات مع عنصر آخر لتكوين سبيكة. ولا يؤثر إضافته على توصيلية الموصل الكهربائية؛ بل يحسّن هذا العنصر الخصائص الميكانيكية للنحاس دون التأثير على توصيليته.

قانون جول للتسخين الكهربائي

لا وجود لمعدنٍ نقيٍ بالكامل. فدرجة نقاء أي معدن لا تبلغ أبداً ١٠٠٪، وبالتالي فإنه يمتلك مقاومة داخلية. ويُحسب الطاقة المستهلكة أو الحرارة الناتجة عند مرور التيار الكهربائي عبر الموصل باستخدام قانون جول للتسخين الكهربائي على النحو التالي:

• P = VI.t
• P = I ²Rt.

أشكال أخرى لقانون جول

• P = I²Rt
• P = VI.t … (R = V/I)
• P = W.t … (P = W = VI)
• P = V²t‏/R …. (I = V‏/R) باستخدام قانون أوم

وكما يتضح من المعادلة أعلاه، فإن الحرارة (P) الناتجة عن الإلكترونات المتحركة تتناسب طرديًّا مع المقاومة (R) والزمن (t) ومربع التيار (I²). وعندما يمر تيار كهربائي عبر موصل، فإنه يبدد جزءًا من الطاقة الكهربائية في البيئة المحيطة على شكل حرارة عند التغلب على المقاومة، والتي تعمل كحاجز أمام الإلكترونات المُهاجرة.

تأثير الطقس ودرجة الحرارة على الخطوط الكهربائية

تزيد مقاومة الموصل مع ارتفاع درجة الحرارة. ويحدث ذلك لأن ارتفاع درجة حرارة الموصل يؤدي إلى اكتساب الإلكترونات داخله طاقة أكبر، فيتحرك بعضها عشوائيًّا ما يؤدي إلى تصادمها مع الذرات الأخرى، مما ينتج عنه في النهاية توليد الحرارة.

قد تؤدي الحرارة الزائدة الناتجة عن الموصل إلى انصهاره. وفي الطقس الحار، تصبح الأسلاك أكثر فكًّا بسبب تمدد الموصل، بينما تنكمش الأسلاك في الطقس البارد.

الشد في الخطوط

الشد هو قوةٌ توجد في الحبل عندما يتعرَّض لقوتين متعاكستين في الاتجاه. ولذلك، فإن السلك المعلَّق على القطب يكون خاضعًا لقوة الشد، وسوف يزداد هذا الشد أكثر إذا شُدَّ السلك بشدة، مما قد يؤدي إلى انقطاع السلك بسهولة عند تعرضه لأي انكماش أو تمدد طفيف.

لماذا يُطلَب وجود الانحناء (الساج) في خطوط التوزيع والنقل؟

يشير الانحناء (الساج) في خطوط النقل إلى الانخفاض أو الانحناء الهابط في الكابلات بين هياكل الدعم (الأعمدة أو الأبراج) نتيجة تأثير الجاذبية. ويحدث هذا الانحناء كنتيجة طبيعية لوزن السلك وقوة الشد المؤثرة فيه.

أثناء نقل وتوزيع الكهرباء عبر أسلاك طويلة، تتشتَّت الحرارة. ويتم تقليل الحرارة الناتجة عن الموصل باستخدام نقل الجهد العالي. كما أن ظروف الطقس ودرجة الحرارة الداخلية للسلك تستلزم ترك خطوط الأسلاك مرتخيةً بعض الشيء.

إذا شُدّت خطوط الطاقة، وانخفضت درجة الحرارة، فقد يؤدي ذلك إلى انكماش خطوط النقل، ما يسبب زيادة التوتر في هذه الخطوط، وقد ينتج عنه تلفٌ فيها. ولذلك، تُترك الأسلاك عمدًا فضفاضة بحيث لا يتولد توتر مفرط قد يؤدي إلى تلف الأسلاك والكابلات، حتى في حالة حدوث الانكماش.

يجب أن تكون هناك درجة من الترخّي (الساج) في موصلات خطوط النقل لمنع ارتفاع درجة الحرارة وتقليل التوتر. ويضمن هذا الترخّي سلامة النظام الكهربائي وموثوقيته وطول عمره الافتراضي. كما يلعب دورًا محوريًّا في الحفاظ على الأداء السليم للنظام ومنع وقوع الحوادث والتلف.