أبواق مقوسة

تُستخدم موصلات القوس الكهربائي (أو أبواق التقوس ) لحماية العوازل أو أجهزة التبديل في أنظمة نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي من التلف أثناء حدوث الوميض الكهربائي ، وذلك بتوفير مسار عبر الهواء مصمم لحدوث الوميض قبل أسطح العزل. يمكن أن تتسبب الفولتية الزائدة على خطوط النقل، نتيجةً للكهرباء الجوية أو الصواعق أو الأعطال الكهربائية، في حدوث أقواس كهربائية عبر العوازل (وميض كهربائي) مما قد يُلحق الضرر بها. وبالمثل، يمكن أن تتسبب الظروف الجوية أو الظواهر العابرة التي تحدث أثناء التبديل في تكوّن قوس كهربائي في مسار فصل المفتاح أثناء تشغيله. توفر أبواق التقوس الكهربائي مسارًا لحدوث الوميض الكهربائي يتجاوز سطح الجهاز المحمي. ^{[ 1 ]} عادةً ما تُركّب هذه الأبواق على جانبي العازل، أحدهما متصل بجزء الجهد العالي والآخر بالأرض ، أو عند نقطة فصل مفتاح التلامس. وكثيرًا ما تُرى هذه الأبواق على سلاسل العوازل في الخطوط الهوائية، أو لحماية جلبات المحولات .

يمكن أن تتخذ القرون أشكالاً مختلفة، مثل القضبان الأسطوانية البسيطة، أو حلقات الحماية الدائرية، أو المنحنيات المحددة، والتي تُعرف أحيانًا باسم "الركائب".

تتعرض معدات الجهد العالي ، وخاصةً تلك المثبتة في الخارج، مثل خطوط نقل الطاقة الهوائية ، عادةً لارتفاعات جهد عابرة ، قد تنجم عن ظواهر مثل الصواعق ، أو أعطال في معدات أخرى، أو ارتفاعات مفاجئة في التيار أثناء إعادة تشغيل الدائرة. ^{[ 2 ]} تُعدّ أحداث ارتفاع الجهد هذه غير قابلة للتنبؤ، ولا يمكن منعها تمامًا بشكل عام. وتُعتبر نقاط توصيل خطوط النقل، حيث يتصل خط النقل بقضيب التوزيع أو جلبة المحول، الأكثر عرضةً لخطر ارتفاع الجهد نظرًا لتغير المعاوقة المميزة عند هذه النقطة. ^{[ 3 ]}

يُستخدم العازل الكهربائي لفصل الأجزاء الموصلة، ويتعرض باستمرار، في ظروف التشغيل العادية، لمجال كهربائي عالٍ يشغل الهواء المحيط بالجهاز. قد تؤدي حالات الجهد الزائد إلى تجاوز المجال الكهربائي لقوة العزل الكهربائي للهواء، مما ينتج عنه تشكل قوس كهربائي بين الأجزاء الموصلة وعلى سطح العازل. ^{[ 1 ]} تُعرف هذه الظاهرة باسم الوميض الكهربائي. يُقلل تلوث سطح العازل من مقاومته للانهيار ويزيد من احتمالية حدوث الوميض الكهربائي. في أنظمة نقل الطاقة الكهربائية، من المفترض أن تكتشف المرحلات الوقائية تشكل القوس الكهربائي وتفتح قواطع الدائرة تلقائيًا لتفريغ الدائرة وإخماد القوس. في أسوأ الأحوال، قد تستغرق هذه العملية عدة ثوانٍ، يكون خلالها سطح العازل على اتصال وثيق ببلازما القوس عالية الطاقة . يُلحق هذا ضررًا بالغًا بالعازل، إذ يُمكن أن يُرسب مواد موصلة على سطحه، وقد يُؤدي إلى تحطيم الأقراص الزجاجية أو الخزفية الهشة، مما يُسبب عطلًا تامًا. من ناحية أخرى، قد يتضرر بوق القوس الكهربائي بسبب القوس، ولكن ما لم يتآكل بعيدًا جدًا بحيث لا يوفر مسارًا مفضلًا، فإنه سيظل يحمي العازل.

تُشكّل أبواق التقوس فجوة شرارة عبر العازل بجهد انهيار أقل من جهد مسار الهواء على طول سطح العازل، لذا فإن زيادة الجهد ستؤدي إلى انهيار الهواء وتكوّن قوس كهربائي بين أبواق التقوس، مما يحوّل مساره بعيدًا عن سطح العازل. ^{[ 3 ]} يُعدّ القوس الكهربائي بين الأبواق أكثر تحملاً للمعدات، إذ يُتيح وقتًا أطول لاكتشاف العطل وإزالة القوس بأمان بواسطة قواطع الدائرة عن بُعد. تُشجّع هندسة بعض التصاميم القوس الكهربائي على الابتعاد عن العازل، مدفوعًا بتيارات متزايدة نتيجة تسخين الهواء المحيط. ومع حدوث ذلك، يزداد طول المسار، مما يُبرّد القوس ويُقلّل المجال الكهربائي، ويؤدي إلى انطفاء القوس تلقائيًا عندما يعجز عن عبور الفجوة. يمكن لتصاميم أخرى الاستفادة من المجال المغناطيسي الناتج عن التيار العالي لدفع القوس بعيدًا عن العازل. ^{[ 4 ]} يُعرف هذا النوع من الترتيب باسم " الانطفاء المغناطيسي" .

قد تُعامل معايير التصميم وأنظمة الصيانة أبواق التقوس الكهربائي كمعدات قابلة للاستهلاك، فهي أرخص وأسهل استبدالًا من العازل، الذي قد يؤدي تعطله إلى تدمير كامل للمعدات التي يعزلها. وقد يؤدي تعطل سلاسل العوازل على الخطوط الهوائية إلى قطع الخط، مما يترتب عليه آثار بالغة على السلامة والتكاليف.

تلعب أبواق التقوس دورًا في عملية ربط حماية النظام بخصائص أجهزة الحماية، والمعروفة بتنسيق العزل . يجب أن توفر هذه الأبواق، من بين خصائص أخرى، مقاومة شبه لانهائية أثناء ظروف التشغيل العادية لتقليل فقد التيار التوصيلي، ومقاومة منخفضة أثناء الوميض، ومقاومة فيزيائية لدرجات الحرارة العالية للقوس الكهربائي. ^{[ 5 ]}

مع ازدياد جهد التشغيل، يجب إيلاء المزيد من الاهتمام لمبادئ التصميم هذه. عند الجهود المتوسطة، يمكن الاستغناء عن أحد القرنين، إذ قد تكون المسافة بينهما صغيرة بما يكفي لعبور طائر عند هبوطه. ^{[ 6 ]} بدلاً من ذلك، يمكن تركيب فجوات مزدوجة تتكون من قسمين على جانبي العازل. ^{[ 3 ]} أما أنظمة توزيع الجهد المنخفض، حيث يكون خطر حدوث الشرارة الكهربائية أقل بكثير، فقد لا تستخدم قرون الشرارة على الإطلاق.

يؤدي وجود قرون التقوس الكهربائي بالضرورة إلى اضطراب توزيع المجال الكهربائي الطبيعي عبر العازل نظرًا لسعتها الصغيرة ولكن المهمة . والأهم من ذلك، أن حدوث وميض كهربائي عبر قرون التقوس يُنتج عطلًا أرضيًا يؤدي إلى انقطاع الدائرة الكهربائية حتى يتم إصلاح العطل بواسطة قاطع الدائرة. لهذا السبب، يمكن استبدال قرون التقوس بمقاومات غير خطية تُعرف باسم المقاومات المتغيرة (الفاريستورات) في المواقع الحرجة. ^{[ 3 ]}

إذا لم يتم تثبيت القرون بشكل صحيح، فقد يحدث تسخين مقاوم ضار أثناء حدوث الشرارة الكهربائية.

تُركّب أحيانًا أبواق الحماية من القوس الكهربائي على مفاتيح التبديل والمحولات المعزولة بالهواء لحماية ذراع المفتاح من أضرار القوس الكهربائي. فعندما يقطع مفتاح الجهد العالي دائرة كهربائية، قد يتشكل قوس كهربائي بين نقاط تلامس المفتاح قبل أن يتم قطع التيار . صُممت هذه الأبواق لتحمّل القوس الكهربائي بدلًا من أسطح تلامس المفتاح نفسه. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

لا ينبغي الخلط بين أبواق التقوس وحلقات الكورونا (أو حلقات التدرج المماثلة) وهي عبارة عن تجميعات حلقية الشكل تحيط بالموصلات أو قطع الأجهزة غير المنتظمة الأخرى الموجودة على المعدات ذات الجهد العالي. تهدف حلقات الكورونا وحلقات التدرج إلى معادلة الجهد المتراكم وإعادة توزيعه بعيدًا عن المكونات التي قد تتعرض لتراكم موضعي وتفريغات مدمرة، على الرغم من أنه في بعض الأحيان قد يتم تركيب أي من الجهازين بالقرب من مجموعة أبواق التقوس.