تعتبر ظاهرة التشجير المائي (Water Treeing) مشكلة تحدث في العزل الكهربائي للكيابل ذات الجهد العالي وكذلك المتوسط، المدفونة تحت الأرض والتي تستخدم مواد عازلة بوليمرية مثل البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) وبولي كلوريد الفينيل (PVC).
كيف تحدث هذه الظاهرة؟
يمكن وصف وتلخيص التشجير المائي في نقطتين أساسيتين كالتالي:
- دخول الماء إلى الكيبل:
يمكن لجزيئات الماء من البيئة المحيطة (التربة) أن تتسرب إلى الكيبل عبر غلافه الخارجي نتيجة عيوب ميكانيكية أو تلفيات أو حتى عيوب تصنيعية. مع مرور الوقت، يمكن للرطوبة أن تنتشر في طبقة العزل، خصوصًا في البيئات الرطبة أو الكيابل المغمورة بالمياه.
- تشكّل الأشجار المائية:
عندما يتم تنشيط الكيبل وتشغيله، تتعرض الطبقة العازلة إلى مجالات كهربائية. وبسبب وجود تلفيات أو عيوب تصنيعية، تصبح المجالات المغناطيسية غير منتظمة. تتأثر جزيئات الماء داخل العزل بهذه المجالات وتبدأ في تكوين قنوات أو فراغات صغيرة داخل المادة العازلة. تبدأ هذه القنوات كفراغات صغيرة ثم تتوسع وتنمو في شكل متفرع يشبه الأشجار أو الجذور، ولهذا سُميت بـ “التشجير المائي”.
ما أنواع التشجير المائي؟
أ. الأشجار المائية المتنفذة: تنمو هذه الأشجار عادةً من سطح العزل الخارجي باتجاه المركز، وتبدأ غالبًا من مناطق دخول الرطوبة أو العيوب الموجودة في العزل.
ب. أشجار مائية على شكل ربطة عنق (Bow-Tie): تتكون هذه الأشجار داخل العزل نفسه ولا تبدأ بالضرورة من السطح، وهي أصغر حجمًا وأكثر تمركزًا.
ما الآثار المحتملة للتشجير المائي على الكيبل؟
أ. تدهور قوة العزل: مع نمو الأشجار المائية، يتدهور العزل الكهربائي، مما يقلل من قدرته على تحمل الجهد العالي.
ب. زيادة خطر الفشل الكهربائي: لا يؤدي التشجير المائي إلى فشل فوري، لكنه يضعف العزل مع مرور الوقت. في النهاية، قد يتعرض الكيبل لتفريغ جزئي أو انهيار كهربائي كامل، مما يؤدي إلى تعطله.
كيف يتم الكشف والحد من التشجير المائي؟
من الصعب اكتشاف التشجير المائي في مراحله المبكرة. يتم استخدام تقنيات مثل اختبار التفريغ الجزئي أو قياس الفقد العازل لتقييم حالة العزل. يتم تصنيع الكابلات الحديثة باستخدام مواد مقاومة للماء وتقنيات تصنيع متقدمة لتقليل حدوث التشجير المائي. كما أن استخدام مركبات تمنع دخول الماء واتباع طرق تركيب صحيحة للكيبل يساهم في تقليل المخاطر.
هنا مقطع توضيحي محاكاةً للتشجير المائي في أحد العوازل المشهورة وهو زجاج الأكريليك. كما نرى يصل العازل إلى مرحلة انهيار العزل عند توسع هذه القنوات مع وجود جهد عالٍ.
بشكل عام، يعتبر التشجير المائي مشكلة كبيرة في الكيابل المدفونة القديمة، حيث يؤدي إلى تقليل العمر الافتراضي للكيبل وفي النهاية إلى فشله وانهيار العازل، مما يستلزم صيانة أو استبدال مكلف. مع تقدم التكنولوجيا وزيادة الطلب على أنظمة الطاقة عالية الكفاءة، أصبح من الضروري اعتماد تقنيات حديثة في تصنيع وتركيب الكيابل للحد من هذه الظاهرة. إضافة إلى ذلك، يلعب الكشف المبكر والصيانة الدورية دورًا حاسمًا في إطالة عمر الكيابل وتقليل التكاليف المرتبطة بإصلاحها أو استبدالها. الاهتمام بتطوير مواد عزل مقاومة للماء وتطبيق معايير تركيب صارمة سيعزز من موثوقية أنظمة الطاقة ويقلل من المخاطر التشغيلية على المدى الطويل.
المراجع:
- IEC 60840. “Power Cables with Extruded Insulation and Their Accessories for Rated Voltages” Above 30 kV (Um = 36 kV) up to 150 kV (Um = 170 kV) – Test Methods and Requirements.” International Electrotechnical Commission (IEC), (2011).
- Nexans. “Water Treeing Phenomenon in Polymeric Insulated Power Cables.” Nexans Technical Report, (2020).
- Yoshimura, N. “Mechanisms of Water Treeing in Polymer Insulation: A Review.” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, (1997).
