توتر عالي
عرف الإنسان التوتر العالي High Voltage منذ لحظة تعرفه الكهرباء، حين قام الفيلسوف والعالم اليوناني تالس عام 600 قبل الميلاد بتوليد آلاف من الفولتات بوساطة حجر الكهرمان. كما تجلت الكهرباء للإنسان بالتوتر العالي منذ بدء الخليقة حين شاهد الصواعق وآثارها في الطبيعة.
وفي حين حددت نظم الأمان في المواصفات القياسية الكهربائية على أن كل ما تجاوز 1000 فولت هو توتر عالي، فقد صنفت الجهات التي تهتم بنقل الطاقة الكهربائية وتوزيعها التوترات التي تتجاوز 1000 فولت إلى توتر متوسط وعال وعال جداً. لكن تفسير التوتر العالي انطلاقاً من تحديد قيمة معينة للتوتر، وتسمية جميع قيم التوتر التي تزيد عنها بالتوتر العالي فيه شيء من التبسيط من وجهة نظر هندسة التوتر العالي، التي تنظر إلى التوتر العالي على أنه قيمة نسبية، وتعرفه انطلاقاً من آثاره. فيعد التوتر عالياً حين تؤدي الظواهر الفيزيائية الناتجة منه إلى إحداث تغيير في الوسط الذي يؤثر فيه هذا التوتر. كما هي الحال عند حدوث ظواهر تشرد أو انفراغ في الوسط العازل. وبذلك فإن مجال التوتر العالي يشمل وفق هذا التصور جميع ظواهر الخرق والانهيار في المواد العازلة، وما يرافق ذلك من عمليات كانفراغات القوس الكهربائية ولو نجمت عن توتر منخفض.
وسمي العلم الذي يهتم بدراسة التوتر العالي وآثاره هندسة التوتر العالي. وهو علم حديث نسبياً نشأ في بدايات هذا القرن، وساعد على فهم استخدام التوتر العالي في خدمة التقدم الصناعي والإنساني وتطويره.
بالرغم من أن العالم الألماني أوتو فون غوريكه (1602-1683) توصل إلى صنع آلة لتوليد توترات عالية منذ نهاية القرن السابع عشر فقد اتجه تطور الكهرباء بعد ذلك اتجاهاً آخر. وتوقف دور التوتر العالي منطلقاً لتطور الكهرباء منذ نهاية القرن الثامن عشر حتَّى أواخر القرن التاسع عشر. في حين احتل التيار الكهربائي مركز الصدارة في البحوث والاستخدامات الكهربائية بعد اكتشافات فولتا (1745-1827) وغالفاني (1737-1798)، وفاراداي (1791-1867)، وماكسويل (1831-1879) وسيمنس (1816-1892) وأديسون (1847-1931)، وبقيت استخدامات الكهرباء في نطاق التوتر المنخفض، الذي بلغت قيمته 110 فولت حتى عام 1890.
وبقي العمل بالتوتر العالي في تلك المرحلة مقتصراً على فئة من الفيزيائيين، يجرون عليه بعض التجارب. وجرى في أثناء ذلك تطوير صمامات كايسلر، ومصابيح الانفراغ الغازي، وأنابيب النيون وأنابيب الإضاءة وغيرها، وكلها تعمل بالتوتر العالي. ففي عام 1858 اكتشف بلوكنر الأشعة المهبطية، وتعمَّق هيتورف في عام 1869 في دراستها. وهنا بدأ التطور في استخدام التوتر العالي لتسريع الجزيئات. ومن صمامات هيتورف تم تطوير راسم الإشارة (1905-1923). ولم يقتصر تسريع الجزئيات على الإلكترونات، بعد أن اكتشف غولد شتاين عام (1886) الأشعة القنالية المرتبطة بتسريع أيونات موجبة. ويدخل بالطبع في نطاق حقول التسريع توليد أشعة رونتجن (1895) الناتجة من اصطدام إلكترونات سريعة بأجسام صلبة. ويدخل ضمن مجالات استخدام هذه الاكتشافات بعد ذلك، المجهر الإلكتروني، ومسرِّعات الجزيئات الحديثة كالمسرِّع الخطي والسيكروترون وغيرهما. واستفيد من جميع هذه الاكتشافات في مجالات واسعة في الصناعة والعلوم.
وفي عام 1881 حدث التحول الرئيسي في تطور الكهرباء باتجاه التوتر العالي مرة أخرى، حين برهن مارسيل دبريه في باريس، أن نقل القدرات الكبيرة لا يمكن أن ينجح إلا باستخدام توترات عالية. وتبنى أوسكارفون ميلر تنفيذ هذه الفكرة، وعرض في معرض الكهرباء بميونخ عام 1882 مشروعاً لنقل القدرة من ميونخ إلى ميسباخ Muenchen-Miesbach بتوتر عال مستمر.
حدث إثر ذلك تطور سريع جداً في استخدام التوتر العالي. وخصوصاً بعد عام 1885؛ إذ توصَّل نيكولاس تسلا (1856-1945) مع علماء آخرين إلى اختراع المحول الكهربائي. وبعد اختراع المحرك الثلاثي الطور عام 1889 (دوليفو ـ دوبروفولسكي) قام اوسكار فون ميلر عام 1891 بنقل تيار ثلاثي الطور باستخدام توتر عالي 15 كيلو فولت بين لاوفن وفرانكفورت Lauffen -Frankfurt، وجرى تنفيذ هذا المشروع في معرض الهندسة الكهربائية في فرانكفورت. وتعد هذه العملية نقطة الانطلاق الجديدة لاستخدام نظم التيار الثلاثي الطور. وفي عام 1910 وضع فالدمار بيترسن أسس هندسة التوتر العالي الحالي.
ووضعت في عام 1912 أول منشأة لنقل القدرة بتوتر 120 كيلو فولط للعمل على نقل استطاعة 30 ميغا واط بين مدينتي لاوخ هامر ـ ريزا (Lauchhammer-Riesa) في ألمانيا. واستمرَّ هذا التطور السريع لاستخدام التوتر العالي بنقل التيار الثلاثي الطور، الذي وصل عام 1965 في كندا إلى 735 كيلو فولط لنقل استطاعة 200 ميغا واط. وتستخدم اليوم منشآت ذات توتر عالي متناوب ومستمر لنقل التيار ثلاثي الطور بتوترات تصل حتى 15 كيلوفولت.
أمّا بالنسبة لنقل التيار المستمر بوساطة التوتر العالي فقد جرت أولى العمليات التجريبية في عامي 1944 و1945 في المنشأتين التجريبيتين في ألمانية، بين ميسبورغ ـ ليرته Misburg-Lehrte بتوتر عالي مستمر ـ+40 كيلو فولت لنقل استطاعة 16ميغا واط لمسافة 5كم وبين إلبه وبرلين Elbe-Berlin بتوتر عالي مستمر ـ+200 كيلو فولت لنقل استطاعة 16ميغا واط لمسافة 115كم.
ونفّذ أول مشروع عملي اقتصادي (غير تجريبي) لنقل الطاقة بالتوتر العالي المستمر عام 1954، وذلك في تغذية جزيرة غوتلند Gotland بالطاقة الكهربائية من السويد بتوتر قدره 100كيلو فولت واستطاعة 20ميغا واط (بخط واحد والخط العائد هو الأرض) لمسافة 96كم. واستمر التطور في استخدام التوتر العالي المستمر لنقل الطاقة حتى وصل عام 1985 إلى استخدام توتر ـ+750 كيلو فولت لنقل استطاعة 600ميغاواط لمسافة 2400كم في مشروع شمال كازاخستان ـ وسط روسية.
استخدام التوتر العالي
إضافة إلى وجود التوتر العالي في الطبيعة وتسببه في عدد من الظواهر الطبيعية كظاهرة الصواعق مثلاً، نجد له استخدامات كثيرة في العديد من المجالات الهندسية، ويصادف في كثير من الحوادث التي تتعرض لها الشبكات والتجهيزات الكهربائية.
فتوليد استطاعات كبيرة وتوزيعها اقتصادياً على مناطق مختلفة بوساطة شبكات التوزيع يتطلب رفع توتر الآلات والمحولات والأسلاك وأجهزة القطع والوصل وغيرها. وتخطت هندسة الاتصالات والإلكترونيات في استخداماتها حدود التوتر المنخفض، إضافة إلى حاجة منشآت الفيزياء الذرية وأجهزة الرونتجن إلى التوتر العالي. وهذه هي الحال أيضاً في كثير من التطبيقات الهندسية العلمية الأخرى، كتنقية الغازات ومسرعات الجزيئات وما شابه ذلك. وفيما يلي بعض مجالات استخدام التوتر العالي حسب تصنيف التوتر العالي إلى توتر متناوب ومستمر ونبضي.
التوتر العالي المتناوب
1ـ نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية:
يعد نقل الطاقة الكهربائية وتوزيعها من أهم مجالات استخدام التوتر العالي، لمكانته في الاقتصاد القومي وللحاجة المتزايدة إلى الطاقة الكهربائية، إذ يتضاعف الاستهلاك كل سبع سنوات. ويترتب على ذلك توليد استطاعات كبيرة في محطات التوليد المتمركزة أحياناً في أماكن بعيدة جداً ونقلها وتوزيعها إلى مراكز الاستهلاك. ويتطلب ذلك رفع التوتر المستخدم بما يتناسب مع هذا الوضع.
ولا يكون التوتر العالي في هذه الحالة الغاية الأساسية إنما وسيلة لغاية أخرى، هي نقل الطاقة الكهربائية. وهي وسيلة ضرورية وإن لم تكن محببة، لما تنتج من مشاكل معقدة.
إن فكرة استخدام التوتر العالي في نقل الطاقة وتوزيعها ليست معقدة وترجع إلى أن نقل طاقة كهربائية كبيرة إلى مسافات بعيدة، باستخدام توتر منخفض، يتطلب جعل مقاطع خطوط النقل كبيرة إلى حد لا يمكن تنفيذه عملياً لتكاليفه وضخامة الجهود المطلوبة، يضاف إلى ذلك الفاقد الكبير في الطاقة على هذه الخطوط من جراء مرور تيارات كبيرة فيها.
ولذلك فقد اتجه الاهتمام إلى خفض قيمة التيار المار في خطوط النقل، وجعل مقاطعها صغيرة. ووجد حل لهذه المشكلة باستخدام التوترات العالية.إذ تبين الحسابات الرياضية أنه عند رفع توتر النقل لاستطاعة كهربائية معينة بمقدار ألف مرة، فإن قيمة التيار المار في خط النقل تنخفض بمقدار ألف مرة، ويمكن عندئذ تصغير مقطع هذا الخط بمقدار مليون مرة.
2ـ نشوء توترات عالية زائدة لها تردد الشبكة في شبكات التيار ثلاثي الطور:
عند حدوث أعطال في الشبكة أو نتيجة لعمليات فصل أو وصل، يمكن أن تنتج في الشبكة الثلاثية الطور توترات زائدة عالية لها تردد الشبكة كما هي الحال مثلاً عند فصل أحمال الشبكة، إذ يمكن أن يصل التوتر عند نهاية خطوط النقل الطويلة نتيجة لظاهرة فيرانتي إلى قيم عالية جداً وغير مقبولة. وتزداد هذه القيم كلما ازداد طول خط النقل، وكذلك في حالات القصر الأرضي إذ يزداد توتر الخطوط السليمة وفقاً لطريقة التأريض[ر].
3ـ التوترات المتناوبة عالية التردد :
تغذى أجهزة الإرسال بتوترات عالية ذات ترددات عالية تتناسب مع طول الموجة، وعند ازدياد طول الموجة فإن شروط الانتشار تسوء، مما يتطلب رفع استطاعة الإرسال إلى قيم عالية ملائمة، يتم تحقيقها برفع التوتر.
4ـ توترات الاختبار:
يجري في مخابر التوتر العالي توليد توترات عالية متناوبة تصل حتى 2ميغا فولط. وتُختبر فيها التجهيزات والمواد والعوازل والعناصر الكهربائية المختلفة المستخدمة في شبكات التوتر العالي ومنشآتها.
التوتر المستمر العالي
1ـ نقل القدرة بالتوتر العالي المستمر:
من المعروف أن نقل القدرة إلى مسافات بعيدة بوساطة التوتر الثلاثي الطور يرتبط بصعوبات كثيرة، في مقدمتها أثر الاستطاعة الردية الناتجة، وصعوبة المحافظة على الاستقرار في حالة التشغيل العادي، وعند حدوث أعطال. ولما كانت هذه الصعوبات غير موجودة عند النقل بالتوتر المستمر العالي، فقد وُسّعت شبكات الارتباط التي تجاوزت حدود الدولة الواحدة لتشمل قارات بأكملها (شبكة الارتباط الأوربية).
ويكفي في هذا المجال لتوضيح التطور السريع في استخدام التوتر العالي المستمر المقارنة بين المحاولة الأولى التجريبية عام 1945، التي نفذت بين ميسبورغ وليرته في ألمانية، وبين مشروع نقل القدرة الهائل الذي نفذ (بعد ثلاثين عاماً فقط من تلك المحاولة) بين كابورا باسا (موزمبيق) وجنوب إفريقية بتوتر ـ+ 533كيلو فولت (1066كيلو فولت) واستطاعة 1920ميغا واط ولمسافة 1414كم.
2ـ توترات الاختبار المستمرة:
تختار الأجهزة والعناصر المستخدمة في هندسة التوتر العالي عموماً بالتوتر المستمر العالي، وخاصة إذا كان لهذه الأجهزة والأدوات المختبرة سعة ذاتية كبيرة. ويتوجب في مثل هذه الحالات إجراء اختبارات العزل بالتوتر المستمر العالي، وذلك لأن إجراءها بالتوتر المتناوب يتطلب توفير استطاعة ردية كبيرة جداً. وتصل قيم توترات الاختبارات عادةً حتى حدود 2ميغاواط.
3ـ التجهيزات الكهربائية الساكنة (إلكتروستاتيكية):
شاع في السنوات الأخيرة استخدام التوتر العالي في المجالات الصناعية المختلفة. فثمة تجهيزات كهربية ساكنة لتصفية غازات المداخن في المصانع، تُسقط فيها جزيئات الرماد والهباب الناعمة الموجودة في الغازات المنطلقة، بوساطة حقل كهربائي ساكن قوي. كما يجري في عمليات الطلاء الكهربائي الساكن نقل جزيئات الطلاء ووضعها على الجسم المطلوب طلاؤه بوساطة التوتر العالي. تعمل تجهيزات التنقية الكهربائية الساكنة بتوترات في حدود 100كيلو فولت تقريباً وتيارات شدتها حتى عدة مئات من الميلي أمبير. وتعمل تجهيزات الطلاء الكهربائية الساكنة بتوترات في حدود عدة آلاف من الفولتات وتيارات شدتها في حدود 10ميكرو أمبير.
4ـ مسرعات الجزئيات:
يستخدم التوتر العالي المستمر في تغذية مسرعات الجزئيات في مجالات الفيزياء الذرية والطب الكهربائي. وهي تعتمد من حيث المبدأ على تسريع العناصر الذرية (إلكترونات، أيونات، نويترونات) بوساطة توترات مستمرة عالية جداً تصل قيمتها إلى عدة ملايين من الفولتات (ميغافولط).
نحتاج لتسريع حاملات الشحنة في صمامات مفرغة أحياناً إلى توترات عالية جداً. كما هي الحال في راسم إشارة بالأشعة المهبطية وصمامات شاشة التلفزيون (25كيلو فولت) وصمامات رونتجن (200كيلو فولت) والمجهر الإلكتروني (3ميغا فولت).
6ـ الشحن الكهربائي الساكن:
إذا اتصلت مادتان عازلتان لكل منهما ثابت عازلية مختلفين اتصالاً جيداً يحدث بينهما انتقال لبعض حاملات الشحنة (إلكترونات وأيونات)، وتتكون ما تسمى بطبقة هيلم هولتز المزدوجة. وتقع توترات التلامس الناتجة بين العازلين في حدود حتى 1000ميلي فولت، وإذا فصل الجسمان أحدهما عن الآخر ينتج بينهما توتر عال، ذلك لأن قيمة الشحنة تبقى ثابتة.وتصل التوترات هنا إلى قيم تتجاوز 100كيلو فولت وتصل حتى ميغاواط.
ومن الأمثلة على هذه الظاهرة البرق والصواعق (فصل الشحنات في الغيوم)، وظاهرة شحن النسج والورق في مصانع النسيج والمطابع، حيث تنشأ قوى ترابط مزعجة بين الخيوط واللفائف نتيجة للشحنات السطحية، وكذلك شحن الأشخاص والسيارات والمواد المختلفة، نتيجة لاستخدام مواد عالية العزل، وأخيراً شحن السوائل المتدفقة (كالبنـزين مثلاً).
التوترات النبضية العالية:
وهي توترات لها شكل نبضي أحادية القطبية منها:
1ـ توتر الصواعق النبضي أو التوترات التجاوزية الخارجية:
وتنشأ هذه التوترات نتيجة لإصابة خطوط النقل الهوائية إصابة مباشرة أو غير مباشرة بالصواعق. وللنوع الأول أهمية خاصة لخطوط التوتر العالي. وللنوع الثاني أهمية خاصة لخطوط الاتصالات. فعند ما تصيب صاعقة خط النقل الهوائي مباشرة تنشأ موجات مسافرة بمطال كبير جداً يصل حتى ميغا واط. أمّا في حالة حدوث إصابة غير مباشرة فإن الشحنات الناتجة بالتأثير على خط النقل تجري على خط النقل بصورة موجة مسافرة في حدود 100كيلوفولت. ويقع الزمن الجبهي لموجة البرق النبضية غالباً في حدود 1ميكرو ثانية.
2ـ توتر فصل وصل نبضي أو التوترات التجاوزية الداخلية:
تنشأ هذه التوترات نتيجة لعمليات فصل أو وصل في الشبكة. ويراوح مطال هذه التوترات بين ضعفي القيمة العظمى للتوتر الاسمي و ثلاثة أضعافه. ويزداد الإجهاد الناتج من هذه التوترات كلما ازدادت قيمة التوتر الاسمي للشبكة. ويحدد بذلك القيمة الحدية العظمى الممكنة لتوتر تشغيل شبكات التوتر العالي ثلاثية الطور (التي تقع حسب التطور الحالي في حدود 1100كيلو فولت). أما قيمة الزمن الجبهي لهذه التوترات النبضية الناتجة فتقع في حدود 100ميكرو ثانية.
3ـ توترات الاختبار النبضية:
يجب أن يتوافق الاختبار النبضي للأجهزة والأدوات المستخدمة في شبكات التوتر العالي مع الإجهادات المتوقعة عليها مستقبلياً. ولذلك فقد صممت مولدات نبضية تعطي مخبرياً توترات نبضية مشابهة لتلك الناتجة من التوترات العالية التجاوزية الداخلية والخارجية المذكورة في الفقرتين السابقتين. وتعطي هذه المولدات توترات تصل حتى بضعة ملايين من الفولتات، ولها شكل محدد زمنياً اتفق عليه وفق النظم الهندسية العالمية (VDE 0433-3,IEC-Pub1.60) باعتبارها مشابهة للموجات النبضية الفعلية الناتجة على خطوط النقل، نتيجة للتوترات التجاوزية الداخلية والخارجية.