تعتبر سرعة نقل الكهرباء بشكل عام مساوية لسرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية., ذلك بالقول, سرعة الضوء. لكن, من خلال الملاحظات, تم اكتشاف أنه عندما تفقد مدينة بأكملها الطاقة لليلة واحدة ثم يتم استعادتها, أضواء المدينة لا تعمل في نفس الوقت. يتم تشغيل بعض الأضواء قبل البعض الآخر, وحتى بعض مناطق المدينة بها أضواء تضاء قبل غيرها. يمكن أن يصل الفارق الزمني بين الأضواء التي تضاء أولاً وتلك التي تضاء لاحقًا إلى سبع أو ثماني ثوانٍ أو أكثر. كيف يمكن تفسير هذا? ما هي سرعة نقل الكهرباء عبر الكابلات?
سرعة الضوء تقريبية 300,000 كيلومترا في الثانية, في حين أن الطول الإجمالي لكابلات التوزيع في مدينة كبيرة لا يتجاوز 10,000 كيلومترات. لذلك, نظريا, يجب ألا يزيد الفارق الزمني في إضاءة جميع أضواء المدينة عن ثانية واحدة. لفهم هذه المشكلة, يجب علينا تحليل مبادئ نقل الكهرباء.
جدول المحتويات
مبادئ نقل الكهرباء
مفهوم خاطئ: الكهرباء تساوي الموجات الكهرومغناطيسية
التيار الكهربائي في الكابلات, سواء مستمرة أو متناوبة, هي حركة ناقلات الشحنة, ذلك بالقول, الإلكترونات. على الجانب الآخر, تتضمن الموجات الكهرومغناطيسية حركة المجالات الكهربائية والمغناطيسية (المجالات التي ليست مواد مادية). وفقا للنظرية النسبية, يمكن توحيد المجالات الكهربائية والمغناطيسية في مجال واحد “حقل كهرومغناطيسي” في مواقف مختلفة, لكننا لن نخوض في التفاصيل هنا. التدفقات الحالية من خلال الموصلات, بينما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية عبر الوسائط أو الفراغ.
مفهوم خاطئ: سرعة التيار تساوي سرعة الضوء مقسومة على الجذر التربيعي لحاصل ضرب ثابت العزل الكهربائي والنفاذية المغناطيسية.
سرعة الضوء مقسومة على الجذر التربيعي لحاصل ضرب ثابت العزل الكهربائي والنفاذية المغناطيسية تعطي سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الوسط. أسلاك الرصاص ليست متوسطة, ولكن المعادن. لا يمكن للموجات الكهرومغناطيسية أن تنتشر عبرها موصلات الكابلات الكهربائية. لكن, ومن المهم أن نلاحظ أنه في ظروف معينة, يمكن أن تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية على سطح الموصلات, ما يعرف بالموجات السطحية, رغم أن ذلك لا علاقة له بنقل الكهرباء في هذا السياق.
سرعة التيار الكهربائي
في مقطع مستمر من كابل موصل, عند تطبيق تيار كهربائي, يتم إنشاء مجال كهربائي بين طرفي الموصل. يحمل هذا المجال الكهربائي معلومات حول التغيرات في مصدر المجال بسرعة قريبة من سرعة الضوء.. يمكن لهذه المجالات الكهربائية أن تحرك حركة الإلكترونات الحرة, مما يؤدي إلى ظهور تيار كهربائي.
لا تتطلب هذه العملية انتقال الإلكترونات من أحد طرفي الموصل إلى الطرف الآخر لتكوين التيار الكهربائي.. إنه مشابه لفتح صنبور الماء., حيث يتدفق الماء فورًا عند فتح الصنبور, دون الحاجة إلى انتقال الماء من الخزان إلى الصنبور. إن السرعة التي تنتقل بها الطاقة من طرف إلى آخر ترجع إلى المجال الكهربائي, وليس للإلكترونات.
حيث أن تكوين التيار الكهربائي ينطوي على الإنشاء السريع للمجال الكهربائي, التي تتحرك عمليا بسرعة الضوء, وسرعة التيار الكهربائي تساوي تقريبا سرعة الضوء.
نقل الطاقة في الكابلات الكهربائية
قدرة نقل الكابل
مع أن سرعة التيار الكهربائي قريبة من سرعة الضوء, قدرة نقل الكابلات الكهربائية محدودة. قدرة خطوط نقل الطاقة الكهربائية يعتمد على عدة عوامل, بما في ذلك مستوى جهد الخط, مساحة المقطع العرضي للموصلات, الظروف البيئية وطول الخط, من بين أمور أخرى. الصيغة الأكثر استخدامًا لحساب سعة الخط هي:
سعة الخط = الجهد × مساحة مقطع الموصل × عامل سعة النقل
يتم قياس القدرة عادة بالكيلووات (كيلوواط) ميجافيوس (ميغاواط), الجهد بالكيلو فولت (كيلو فولت), ومساحة المقطع العرضي للموصل بالمليمتر المربع (مم 2). عامل سعة النقل هو قيمة تجريبية تأخذ في الاعتبار الخصائص التقنية والظروف البيئية للخط..
تأثير مستوى الجهد
يشير مستوى الجهد إلى الجهد المستخدم في خط نقل الطاقة الكهربائية.. بشكل عام, تتمتع خطوط النقل ذات مستويات الجهد الأعلى بقدرة أكبر. وذلك لأن الجهد العالي يمكن أن يقلل من التيار الكهربائي و, لذلك, تقليل فقدان الطاقة في الخط. لكن, لاس خطوط الكهرباء ذات الجهد العالي كما أنها تتطلب قدرًا أكبر من العزل وإجراءات أمنية إضافية. لذلك, عند اختيار مستوى الجهد, مجموعة متنوعة من العوامل تحتاج إلى النظر فيها بشكل شامل.
اختيار منطقة المقطع العرضي
تشير منطقة المقطع العرضي للموصل إلى حجم المقطع العرضي للموصلات في خط نقل الطاقة الكهربائية.. يجب أن يستوفي اختيار منطقة المقطع العرضي للموصل شرطين: أولاً, يجب أن تكون قادرة على تحمل الحمل الحالي المطلوب و, ثانية, يجب التأكد من بقاء درجة حرارة السائق ضمن النطاق الآمن. كل عادة, مع زيادة مساحة المقطع العرضي للموصل, تزداد أيضًا سعة الخط, و لكن في نفس الوقت, وهذا يمكن أن يزيد من تكاليف وخسائر نقل الطاقة..
النظر في عامل قدرة الإرسال
عامل سعة النقل هو قيمة تجريبية تستخدم لمراعاة الخصائص التقنية والظروف البيئية للخط.. ويتأثر هذا العامل بعدة عوامل, كمادة الموصلات, طول الخط, درجة الحرارة المحيطة, سرعة الرياح, من بين أمور أخرى. يمكن تطبيق عوامل مختلفة لقدرة النقل على أنواع مختلفة من الخطوط لتعكس قدرات النقل الخاصة بكل منها..
مثال عملي
لفهم حساب قدرة نقل الخط بشكل أفضل, يمكننا استخدام مثال عملي. لنفترض أن لدينا خط نقل بمستوى جهد قدره 110 كيلو فولت, مساحة المقطع العرضي للموصل 300 ملم² وعامل سعة النقل 0.9.
وفقا لصيغة الحساب المذكورة أعلاه, يمكننا تحديد قدرة هذا الخط:
السعة = 110 كيلو فولت × 300 مم² × 0.9 = 29.7 ميغاواط
لذلك, قدرة خط النقل هذا 29.7 ميغاواط.
لماذا لا يتم استعادة الكهرباء في نفس الوقت?
في الحقيقة, يعود سبب استعادة الكهرباء على مراحل بعد انقطاع التيار الكهربائي عن المدينة إلى أن شبكة الكهرباء عبارة عن نظام معقد يتكون من العديد من الكابلات., وحدات تحكم, المرحلات والمكونات الأخرى. على الرغم من أن الإرسال الحالي سريع, تتضمن العملية حسابات في وحدات التحكم واستجابات المرحلات, ما يستغرق وقتا.
كل عادة, لحظة بدء تشغيل المعدات, التيار مرتفع جدا, في بعض الأحيان أكثر من عشرة أضعاف تيار التشغيل العادي. إذا تم تفعيل جميع الأجهزة على نفس الخط في نفس الوقت, مما لا شك فيه أن التيار اللحظي العالي سيؤدي إلى تنشيط أجهزة الحماية, الأمر الذي من شأنه أن يؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي.
بجانب, الكهرباء للمدينة تأتي من خطوط إمداد متعددة. إنها خطوط الكابلات تحت الأرض وينبغي أيضًا تشغيلها على مراحل لتجنب التأثيرات الكبيرة على مرافق إمدادات الكهرباء ذات المستوى الأعلى..
باختصار, مع أن سرعة نقل الكهرباء عبر الكابلات تساوي عمليا سرعة الضوء, إعادة الكهرباء إلى المدينة بعد انقطاع التيار الكهربائي لا تتم على الفور بسبب تعقيد الشبكة الكهربائية والحاجة إلى تنسيق الحمل وموازنته بشكل آمن. تلعب أنظمة التحكم وأجهزة الحماية دورًا حاسمًا في ضمان استعادة الكهرباء بطريقة آمنة ومسيطر عليها إلى أجزاء مختلفة من المدينة, تجنب التحميل الزائد والتخفيضات غير المتوقعة.