كيفية منع تقادم الكابلات الكهربائية العازلة بالبلاستيك في البيئات الرطبة؟

لماذا تسرع الرطوبة من تقدم عمر الكابلات المعزولة بالبلاستيك

التحلل المائي لعوازل PVC وXLPE تحت التعرض المستمر للرطوبة

تُظهر الكابلات الكهربائية المعزولة بمواد بلاستيكية مثل كلوريد البولي فينيل (PVC) أو البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) تدهورًا مع مرور الوقت عندما تتعرض باستمرار لمستويات عالية من الرطوبة. فالماء يتسلل فعليًا إلى المادة البلاستيكية، مما يؤدي إلى تكسير الروابط الكيميائية المهمة الموجودة في مجموعات الإستر داخل المواد البلاستيكية وغيرها من النقاط الضعيفة على طول سلاسل البوليمر. وعندما يتعلق الأمر بشكل خاص بكابلات PVC، فإن الرطوبة تسحب هذه المواد البلاستيكية، ما يجعلها أقل مرونة ويؤدي إلى مشكلات مثل التصلب وظهور شقوق دقيقة. كما تواجه كابلات XLPE مشكلات مماثلة، حيث يتسرب الماء إلى الأجزاء غير البلورية في المادة ويبدأ في إضعاف الروابط المتشابكة بين الجزيئات. وهذا يقلل بشكل أساسي من كفاءتها كعوازل كهربائية، وأحيانًا تنخفض فعاليتها بنسبة تصل إلى نحو 30٪ في المناطق الرطبة جدًا. ومن المثير للاهتمام أن عملية التحلل هذه تتسارع مع ارتفاع درجات الحرارة، وبشكل عام فإن معدل حدوثها يتضاعف مع كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية. وإذا أضيفت بعض الملوثات من الهواء مثل جسيمات الملح أو المواد الحمضية المختلطة مع الرطوبة، فإن هذه التفاعلات تتفاقم أكثر، وتُحدث مسارات يمكن أن تتسرب من خلالها الكهرباء. وإذا بقيت الكابلات في بيئات تتجاوز فيها الرطوبة 70٪ لفترات طويلة، فإن عمرها الافتراضي ينخفض بنحو النصف مقارنة بالظروف الجافة تمامًا. وهذا يزيد بطبيعة الحال من احتمالات حدوث أعطال في نظام الشبكة الكهربائية بأكمله.

كيف تؤدي الرطوبة بالتعاون مع الحرارة والأكسجين إلى تسريع انقسام سلسلة البوليمر

الرطوبة ليست العامل الوحيد هنا. في الواقع، فإنها تجعل الأمور تتقدم في العمر بشكل أسرع بكثير عند اتحادها مع الحرارة والأكسجين، في شراكة تكون في مجملها مدمرة إلى حد كبير. عندما يتسرب بخار الماء إلى مواد العزل، فإنه يساعد الأكسجين على التحرك عبرها بسهولة أكبر. وهذا يؤدي إلى ما يُعرف باسم انقسام السلسلة المؤكسد (oxidative chain scission)، حيث تبدأ الجذور الحرة المزعجة في تفكيك سلاسل البوليمر. والنتيجة؟ تشكل مجموعات كربونيلية تُحدث فوضى كبيرة في البنية الجزيئية. ولا ننسَ أن درجة الحرارة لها دورها أيضًا. فالدرجات الحرارية المرتفعة تُسرّع عمليتي التحلل المائي والأكسدة بمعدل أسّي. وتعمل الرطوبة نوعًا ما كنظام توصيل للحرارة وللعوامل التفاعلية الأخرى، دافعةً إياها لتعمّق أكثر داخل المواد مع مرور الوقت. كما أن التمدد والانكماش المستمرين الناتجين عن تغير مستويات الرطوبة يولّدان إجهادات ميكانيكية داخل المواد. وتؤدي هذه الإجهادات إلى تكوّن شقوق صغيرة تفتح أسطحًا جديدة عرضة للتلف الإضافي. وكل هذه العوامل مجتمعة تقلل من قوة الشد بنسبة تقارب 40 بالمئة مقارنة بعامل واحد فقط. وما نلاحظه عمليًا هو أن المواد تصبح هشّة قبل الأوان المتوقع، ويحدث انكماش في العزل، وترتفع الخسائر العازلة، وفي النهاية تحدث أعطال كهربائية في البيئات التي تظل فيها الرطوبة مرتفعة.

العلامات الرئيسية لتدهور العوازل البلاستيكية في الكابلات الكهربائية الناتج عن الرطوبة

مؤشرات بصرية وميكانيكية: التشققات، وتغير اللون، وفقدان قوة الشد

عندما تتعرض الكابلات الكهربائية ذات العزل البلاستيكي لفترات طويلة للرطوبة العالية، تظهر عليها علامات مرئية للتلف. تبدأ تشققات دقيقة في التكون على الأسطح لأن الرطوبة تتدخل في حركة سلاسل البوليمر، مما يجعل المواد أكثر هشاشةً بشكل أسرع من المعتاد. كما يتغير اللون - وغالبًا ما يصبح أصفر أو يكتسب مظهرًا أبيض طينيًا. ويحدث هذا عندما تُفكك أشعة فوق البنفسجية المواد بشكل أسرع، خاصةً عند وجود الماء. تؤكد الاختبارات المعملية ذلك، حيث تُظهر أن العزل الذي يتشبع بالماء يفقد حوالي 40٪ من قوته الأصلية. تنفصل الروابط بين الجزيئات من خلال عملية تُعرف بالتحلل المائي في مواد PVC وXLPE على حد سواء. ومع ضعف هذه الكابلات، تصبح أقل قدرة بكثير على تحمل الإجهادات العادية الناتجة عن أعمال التركيب، والاهتزازات أثناء التشغيل، والعوامل البيئية الأخرى. وفي النهاية، تتعرض الموصلات الداخلية للخطر وتكون عرضة للعطل.

الأعراض الكهربائية: زيادة الفقد العازل، وانخفاض مقاومة العزل، وبدء التفريغ الجزئي

تدهور الأداء الكهربائي يُعد دليلاً قاطعًا على تسرب الرطوبة:

• خسارة الديlectric تزداد بنسبة 15–30%، ويمكن اكتشافها من خلال اختبار زاوية الهدر (tan-delta)
• مقاومة العزل تنخفض إلى أقل من 1 ميجا أوم/كم — وهو أقل بكثير من المعيار الصحي البالغ 1000+ ميجا أوم/كم — مما يؤدي إلى تيارات التسرب ومخاطر التشغيل الحراري غير الخاضع للسيطرة
• التفريغ الجزئي (PD) يبدأ عند حدود رطوبة نسبية منخفضة تصل إلى 30%، وغالبًا ما يصاحبه صوت طقطقة مسموع أو إشعاعات راديوية (RF)

تنشأ هذه الأعراض عن مسارات التأين الناتجة عن الرطوبة والتي تقلل عتبة الانهيار. وكما وثقت الدراسات المرجعية في مجال العوازل، فإن هذه المجموعة الثلاثية غالباً ما تكون مؤشراً على فشل عزل كارثي في المناطق ذات المناخ الرطب.

استراتيجيات الوقاية المُثبتة لكابلات الطاقة العازلة بالبلاستيك في المناخات الرطبة

تصميم الكابلات المقاومة للرطوبة: أغلفة محسّنة، مواد حشو طاردة للماء، وأشرطة حاجزية

يلعب هندسة المواد دورًا حيويًا باعتبارها الحماية الأمامية ضد التدهور البيئي. إن عملية البثق الثلاثي المستخدمة في غلاف XLPE تُنتج حاجزًا أكثر كثافة بشكل ملحوظ، ويقلل من انتقال بخار الماء بنسبة حوالي 80٪ مقارنةً بالمواد البلاستيكية العادية. عندما يتعلق الأمر بإبعاد الماء، فإن المعادن الكارهة للماء مثل السيليكا الغروية تُحدث فرقًا كبيرًا في منع امتصاص الرطوبة داخل العزل نفسه. وفي الحالات التي تتطلب أداءً عاليًا جدًا، يلجأ المهندسون إلى شرائط بوليمر ألمنيوم مغلفة توقف الرطوبة فعليًا من الانتشار على طول هيكل الكابل وعبره. وتضمن جميع هذه الخصائص مجتمعة أن تبقى قوة العزل الكهربائي أعلى بكثير من 15 كيلو فولت/مم، حتى بعد مرور 5000 ساعة في ظروف رطوبة نسبتها 95٪. وقد تم التحقق من هذه النتائج من خلال إجراءات الاختبار القياسية المنصوص عليها في المعيارين IEC 60811-504 وIEEE 532، مما يمنح المصنّعين ثقة كبيرة في موثوقية منتجاتهم.

أفضل الممارسات الخاصة بالتركيب: الختم، والصرف، وتجنب فخاخ التكاثف

إن التنفيذ الميداني له أهمية مماثلة. يجب ختم النقاط الضعيفة - خاصةً نهايات الكابلات، والوصلات، ومداخل المواسير - لحمايتها من دخول الرطوبة:

• استخدم شريط المطاط الذاتي الاندماج عند نقاط الانتهاء لتكوين روابط دائمة ومقاومة للماء
• قم بتشغيل الكابلات بميل هابط يتراوح بين 1 إلى 2 درجة في الصواني أو القنوات لمنع تجمع المياه
• يجب تركيب المواسير بعيدًا عن المناطق التي تتعرض لتقلبات سريعة في درجة الحرارة (أكثر من 5°م/ساعة) للحد من التكاثف
  تتطلب نقاط دخول المواسير استخدام غlands ضغط مصنفة بدرجة حماية IP68، ويجب أن تحتوي صناديق التوصيل على أكياس مجفف السيليكا. وتُظهر بيانات الصيانة الصناعية أن هذه الممارسات تقلل الأعطال المرتبطة بالرطوبة بنسبة 60%.

الطلاءات الواقية والحواجز المقاومة للرطوبة المطبقة ميدانيًا في التطبيقات المُعاد تجهيزها

يمكن لأنظمة التشغيل الحالية أن تستفيد بشكل كبير من الحلول المطبقة بعد التركيب، مما يعني في كثير من الأحيان إطالة عمر التشغيل. إن حقن هلام السيليكون الثكسيوتروبيكي في الفراغات الموجودة داخل الغلاف يُنتج حاجزًا ذاتي الشفاء مذهلاً فعليًا، ويمنع تشققات صغيرة من الانتشار ويثبت أمام ضغط المياه. كما أن مادة البولي يوريثان ثنائية المكون تعمل أيضًا بكفاءة عالية، حيث تشكل طلاءات ناعمة لا تتآكل بسهولة حتى في الظروف الاستوائية القاسية التي تكون فيها الظروف صعبة جدًا على المعدات. ولا ينبغي لنا أن ننسى أيضًا المواد الأكريلاتية المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، فهي تتصلب بسرعة فائقة، أحيانًا في أقل من دقيقة ونصف، وتجعل الأسطح أكثر مقاومة للماء مع زوايا تماس تتجاوز 110 درجات. ما دام الجميع يتبع التعليمات الصادرة عن الشركات المصنعة، فإن هذا النوع من التعديلات عادةً ما يضيف ما بين ثماني إلى اثني عشر سنة إضافية من الخدمة قبل أن يحتاج أحد إلى استبدال الكابلات بالكامل.

اختيار وتحديد كابلات الطاقة العازلة بالبلاستيك المقاومة للرطوبة

عند تحديد الكابلات الكهربائية المعزولة بالبلاستيك للبيئات الرطبة، يجب إعطاء أولوية لبولي إيثيلين متصالب شبكي (XLPE) على البولي فينيل كلورايد (PVC) القياسي نظرًا لمقاومته الفائقة للتدهور الهيدروليتي والاستقرار طويل الأمد تحت إجهاد الرطوبة والحرارة. وتشمل معايير الاختيار الرئيسية ما يلي:

• تكوين المادة : يحتفظ XLPE بنسبة 85٪ من قوة الشد الأولية بعد 1000 ساعة عند 90°م/85٪ رطوبة نسبية (وفقًا لبروتوكول الشيخوخة المتسارعة IEEE 532)
• دمج الحاجز : تقلل الكابلات المزودة بأشرطة حاجزية ألومنيوم-بوليمرية عرضية لمنع دخول الرطوبة من تسرب الماء بنسبة 97٪ مقارنةً بالتصاميم غير المزودة بحاجز
• التغليف : تتفوق أغلفة البولي إيثيلين متوسطة أو عالية الكثافة (MDPE/HDPE) على البولي فينيل كلورايد (PVC) في الرطوبة المستمرة – حيث تُظهر فقدانًا أقل بنسبة 40٪ في الفقد العازل بعد خمس سنوات من التعرض الميداني الاستوائي

يجب أن تتضمن عملية التحقق ما يلي:

• الشهادة من جهة خارجية وفقًا لمعيار UL 1277 (للكابلات الكهربائية) أو IEC 60502-2 (للفولتية المصنفة حتى 30 كيلوفولت)، مع التحقق الصريح من الأداء في الأماكن الرطبة
• اختبارات الشيخوخة المتسارعة التي تحاكي 20 عامًا من الخدمة في المناخات الاستوائية (مثل دورة 85°م/85% رطوبة نسبية وفقًا لمعيار IEC 60068-2-30)
• قياسات التفريغ الجزئي 5 بيكومتر عند الجهد المقنن، تؤكد سلامة العزل والواجهات

تجنب الكابلات التي تحتوي على مواد حشو ماصة للرطوبة (مثل الطين غير المعالج أو السليلوز). حدد طلاءات هلام السيليكون المطبقة مصنعياً عند نقاط الطرفية في المواقع المعرضة للتكون. بالنسبة للتحديثات، يمكن لطلاءات البولي يوريثان القائمة على المذيبات المطبقة ميدانيًا - بعد إعداد السطح وفقًا لمعيار ASTM D3359 - أن تستعيد بفعالية مقاومة الرطوبة للكابلات المتدهورة.

الأسئلة الشائعة

ما أنواع عزل البلاستيك الأكثر عرضة للرطوبة؟

الكابلات الكهربائية المعزولة بالبلاستيك التي تستخدم كلوريد متعدد الفينيل (PVC) ومتعدد الإيثيلين المتصالب (XLPE) هي الأكثر عرضة للرطوبة لأنها معرّضة للتدهور الهيدروليتي تحت التعرض المستمر للرطوبة.

كيف تؤثر الرطوبة العالية على عمر الكابلات الكهربائية المعزولة بالبلاستيك؟

يمكن أن تؤدي الرطوبة العالية إلى تقليل عمر الكابلات الكهربائية المعزولة بالبلاستيك بشكل كبير، أحيانًا إلى النصف تقريبًا مقارنةً بالظروف الجافة. ويُسرّع التدهور الناتج عن الرطوبة، بالاشتراك مع درجة الحرارة والأكسجين، انفصال سلاسل البوليمر، مما يؤدي إلى فشل ميكانيكي و كهربائي.

ما هي الإجراءات الوقائية التي يمكن اتخاذها لحماية الكابلات الكهربائية المعزولة بالبلاستيك من الرطوبة؟

تشمل الإجراءات الوقائية استخدام تصاميم كابلات مقاومة للرطوبة مع غلاف محسن، ومواد حشو طاردة للماء، وأشرطة حاجزة. وتشمل ممارسات التركيب المثلى إغلاق النقاط المكشوفة وضمان تصريف مناسب لتفادي تجمع المياه. كما يمكن أيضًا تطبيق طلاءات واقية وحواجز ضد الرطوبة على الأنظمة الحالية.

لماذا يجب إعطاء أولوية للكابلات المصنوعة من البولي إيثيلين المتقاطع (XLPE) على الكابلات المصنوعة من كلوريد البولي فينيل (PVC) في البيئات الرطبة؟

يجب إعطاء أولوية لـ XLPE على PVC نظرًا لمقاومته الفائقة للتدهور الهيدروليكي واستقراره الأفضل على المدى الطويل تحت إجهاد الحرارة والرطوبة، حيث يحتفظ بما يصل إلى 85% من قوة الشد الأولية بعد التعرض لفترة طويلة.