دروس جافاسكريبت بالعربي _ الحلقة ١

 شبكات التوزيع الكهربي

شكل يوضح شبكة الكهرباء 

 مقدمة

تنشأ الشبكة الكهربية عند نقطة إنتاج الكهرباء، و يتم إنتاج الكهرباء من خلال تحويل صورة من صور الطاقة إلى الطاقة الكهربائية.

و يوجد العديد من أنواع محطات إنتاج الكهرباء مثل المحطات الحرارية التى تعمل بالوقود الأحفوري مثل الفحم أو الغاز أو المازوت ..إلخ أو المحطات النووية أو محطات الطاقة الجديدة و المتجددة مثل محطات الطاقة الشمسية أو محطات الرياح و غيرها.

فى النطاق الصغير يتم نقل القدرة الكهربية المولدة مباشرة عن طريق قضبان التوصيل Busbars ، أو عن طريق الشبكة الموحدة أو شبكة النقل الموحدة في حالة القدرات الكبيرة و علي نطاق واسع و للمزيد من المعلومات عن الشبكة الموحدة من هنا.

و يتم توصيل القدرات المولدة على الشبكة مباشرة أو عن طريق محولات القوي الكهربية و ذلك يعتمد على قيمة الجهد المولد و قيمة جهد الشبكة التي يتم التوصيل عليها.

المرحلة التالية هى نقل الطاقة و تتم عادة من خلال خطوط النقل الهوائية Transmission Lines و التي تقوم بحمل القدرات الكهربية عبر مسافات طويلة حتي نصل إلى مراكز الأحمال حيث يتم عمل محطات محولات High Voltage Substations تقوم بخفض الجهد إلى قيم جهد التوزيع ، و يتم تغذية محطات المحولات من مصدرين أو أكثر و ذلك لتحسين الإعتمادية الكهربية لشبكة التوزيع الكهربية.

يتم نقل القدرة الكهربية عبر خطوط النقل عادة على جهود عالية أو فائقة من 132 - 800 كيلو-فولت، يتم الأن العمل بجهود ميجا فولت و لكن في المسافات البعيدة جداً حيث أنه كلما ذادت المسافة كلما كان أكثر إقتصادياً نقل القدرات الكهربية علي جهود أعلى.

ثم يتم تخفيض الجهد في محطات المحولات ليتم توزيعة عبر شبكات التوزيع و التي عادة ما تكون ذات مسافات صغيرة نسبياً و ذلك عادة ما يتم من خلال الكابلات الأرضية، حيث أن خواص العزل فى الكابلات الأرضية الثلاثية الأوجة تحد من قيم الجهود التى يمكن إستخدامها و الجهود المتوسطة تكون أفضل إقتصادياً  فى المسافات القصيرة.

شبكات توزيع الجهد المتوسط  Medium Voltage Networks

بصفة عامة يتم تغذيتها من مصدرين أو أكثر لتحسين المرونة و الإعتمادية في شبكات التوزيع، محطات التوزيع الرئيسية غالبا ما تقوم بتغذية شبكة توزيع محددة على سبيل المثال مصنع أو موقع معين أو شبكة توزيع حلقية فى مدينة.

يتم توزيع الكهرباء عادة فى مستوي جهد متوسط و يكون فى حدود 6.6 - 33 كيلو-فولت و ذلك عبر خطوط هوائية أو كابلات أرضية مدفونة ثلاثية الأوجة و في بعض الأحيان أحادية و لكن بشكل أقل.

أما توزيع الجهد المنخفض فيتم بشكل محدد علي منطقة بعينها و عبر مسافات قصيرة و هو خارج نطاق المقال الحالى.

مكونات شبكة التوزيع الكهربى

1. الجانب الثانوي من محولات خفض الجهد من الجهد العالى إلى الجهد المتوسط.
2. محطات و لوحات توزيع الجهد المتوسط.
3. كابلات و خطوط نقل الجهد المتوسط بما فى ذلك النهايات Terminations.
4. الجانب الإبتدائي لمحولات التوزيع.

جهد التوزيع يتم خفضه عبر محولات التوزيع إلي الجهد المنخفض و ذلك للإستخدام المنزلى أو التجاري أو لتشغيل المحركات الكهربية عبر مركز تحكم المحركات (Motor Control Center (MCC.

طبقاً للمواصفات القياسية IEC فإن:

• الجهد المنخفض أقل من 1000 فولت.
• الجهد المتوسط أكثر من 1000 و أقل من 35000 فولت.
• الجهد العالى أكثر من 35 KV.

تختلف المواصفات القياسية بين البلدان المختلفة و لكن هناك مواصفتان قياسيتان تحكمان الأمر و هما:

• IEC stander  و يتم العمل بها في أوروبا و الدول التي تعمل بنظام تردد 50Hz و فيها الجهد المنخفض 230/400 فولت.
• ANSI/IEEE و يتم العمل بها فى أمريكا الشمالية و الدول التى تعمل بنظام 60Hz و فيها يكون الجهد المنخفض 110/190 فولت.

لاحظ 230 هو جهد الوجة و 400 جهد الخط

 أيهما أفضل الخطوط الهوائية أم الكابلات الأرضية

خط كهرباء هوائي جهد متوسط

الخطوط الهوائية أرخص بكثير من الكابلات الأرضية المدفونة في حالة المسافات الطويلة و ذلك لان الهواء يكون هو العازل المستخدم في العزل بين الفازات بالاضافة لان أعمال الحفر غير مطلوبة في هذه الحالة، الأعمدة الحاملة للموصلات في الخطوط الهوائية لها أيضا تكلفة معتبرة في التكلفة الكلية لانشاء الخط لذلك يتم إستخدام موصلات مصنوعة من الألمنيوم بدلاً من النحاس و ذلك لأن الألمنيوم أخف وزناً و أرخص ثمناً، و لكن النحاس يمكنه حمل تيار أكبر لكل مليمتر مربع لذلك لابد من عمل موازنة و دراسة أيهم أفضل للحصول على أفضل نتيجة و أقل سعر نظراً لوجود أكثر من عامل.

الخطوط الهوائية أيضاً و بطبيعة الحال معرضة لضربات الصواعق و التى تسبب زيادة مؤقتة surge فى الجهد على الخط و الذي يسبب تشريز على العوازل و بين الفازات Flashover و يتم تصميم العوازل لتفريغ هذه الشحنات إلى الأرض بواسطة Surge Arrestors و بالتالى تسبب خطورة أو تدمير أقل ما يكون في هذه المدة القصيرة ، أيضا يتم تركيب Auto-recloser  علي الخط لإستعادة تشغيلة بسرعة بشكل طبيعى بعد الضربة.

مميزات الخطوط الهوائية لنقل الكهرباء

1. أقل تكلفة من الكابلات الأرضية المدفونة في المسافات الطويلة.
2. أسهل فى تحديد أماكن الأعطال.

عيوب الخطوط الهوائية لنقل الكهرباء

1. أعلى تكلفة فى المسافات القصيرة مقارنة بالكابلات الأرضية.
2. معرضة لضربات الصواعق.
3. غير صديقة للبيئة (الطيور أكثر عرضة للصعق).
4. تحتاج إلى الكثير من الصيانة.
5. تحتاج إلى خبرات عالية و معدات خاصة للتركيب.

تستخدم الكابلات الأرضية بشكل أوسع فى التطبيقات الصناعية و لتوزيع الكهرباء داخل المدن و عبر المسافات القصيرة.

مميزات الكابلات الأرضية

1. أقل تكلفة في المسافات القصيرة.
2. غير معرضة لضربات الصواعق.
3. أكثر أماناً و صديقة للبيئة.
4. لا تحتاج لصيانة مكثفة.

عيوب الكابلات الأرضية

1. إرتفاع تكلفتها فى المسافات الطويلة.
2. صعوبة تحديد الأعطال.

لوحات توزيع الجهد المتوسط MV Switchgear

- المواصفات القياسية

كما سبق و أشرنا في أوروبا و الدول التي تعمل بنظام 50Hz تحكمها المواصفات القياسية IEC  أما في أمريكا الشمالية و الدول التى تعمل بنظام 60Hz  فتحكمها المواصفات القياسية ANSI / IEEE ، المواصفات و طريقة إختيار لوحة التوزيع تختلف من بلد لآخر لذلك من المهم أن تحدد ما هى المواصفات التي يتم إعتمادها من أجل التوصيف أو التي يستخدمها المُصَنِع، أيضاً إختلاف المواصفات يؤثر على سعر المعدات.

- طريقة تطبيق لوحة التوزيع  Switchgear Layout

يمكن تصميم لوحة التوزيع بعدة طرق و هذا يعتمد على الإعتمادية و درجة المرونة و مستوي تيار العطل المطلوب فمثلاً:

• قضيب توصيل واحد و بدون فواصل و بالتالى غير مرن و اعتمادية منخفضة.
• قضيب واحد و فاصل واحد --> تحسن في المرونة و الإعتمادية مع أقصى قيمة لتيار العطل في حالة توصيل موصل القضبان.
• قضيب واحد و ثلاث فواصل إعتمادية و مرونة ممتازة.
• قضبان مزدوجة مع فاصل أو أكثر يمثل مرونة  و إعتمادية جيدة و القضبان قد تحتاج إلى فاصل قبل الإنتقال من قضيب لآخر.

- القيم المقننة  Ratings

يتم تحديد القيم المقنن الكلية للوحة بناء على المواصفات الرئيسية الآتية:

1- الجهد الأسمى Nominal Voltage

هذا هو متوسط الجهد التصميمى للنظام على سبيل المثال 11 كيلو-فولت فتكون القيمة الفعلية للجهد متذبذة بين 10.5 و 11.5 (95-105%).

2- الجهد المقنن Rated Voltage

هذا هو مستوى الجهد الذي يتوقع أن تتحملة المعدة بشكل مستمر فى الظروف العادية.

مثال: 12 كيلو-فولت للنظام الذى قيمته الأسمية 11 كيلو-فولت.

الجهد المقنن هو الجهد الذى يحدد خواص العزل للوحة، كل المكونات الرئيسية بما فى ذلك القواطع و القضبان و نهايات الكابلات ..إلخ لابد أن تقنن بهذا الجهد أو أعلى، و يقصد بالمكونات الرئيسية كل المكونات التى تشكل أو تكون جزءً من دائرة القوى الرئيسية للوحة بعكس دائرة التحكم.

فعلى سبيل المثال إذا تم تركيب قاطع 7.2 K.V فى لوحة 12 KV فهذا يعنى أن الجهد المقنن للوحة كلها أصبح 7.2 KV  أو بمعنى آخر يتحدد الجهد المقنن rated voltage  بأقل قيمة جهد مقنن لأي عنصر من عناصر اللوحة. فى التطبيق العملى يتم تقنين اللوحة بقيمة أعلى 10% من الجهد الأسمى المطلوب فمثلاً 12 KV للوحة 11KV. 

3- جهد التحمل الاقصى  Power Frequency Withstand Voltage 

هو قيمة الجهد على تردد Hz50 أو 60Hz الذي تتحمله لوحة التوزيع لمدة دقيقة واحدة، فمثلاً للوحة 12 ك.ف يكون جهد الإختبار 28 ك.ف ، يتم إستخدام هذا الإختبار لإثبات صلاحية العزل بعد التصنيع فى الإختبارات الروتينية.

أيضا يستخدم هذا الإختبار بعد التركيب فى الموقع قبل إطلاق الجهد الحقيقى على المعدة لإثبات التكامل بين المعدات و يسمى أيضا هذا الإختبار Pressure Test .

4-  جهد النبضة الكهربية    Impulse Voltage 

هو أقصى قيمة للجهد يمكن أن تتحملة المعدة في مدة زمنية صغيرة جداً كما فى حالة الصواعق أو التوصيل Switching أو أي من الظروف العابرة Transient فمثلاً 95 ك.ف بالنسبة للمعدة 12 ك.ف ، و يتم تطبيق نفس المبدأ السابق هنا بمعنى أن impulse voltage rated للوحة يتم تحديدة عن طريق أقل rated من مكونات اللوحة، يمكن التحكم في قيمة هذا الجهد عن طريق تركيب surge suppressor  و التى تحد من القيمة القصوى للنبضة.

و لتحديد قيمة الجهد الاقصى فى هذه الحاله الي 45 ك.ف مثلا فتقوم ال surge arrestor بتوصيل كمية كبيرة جداً من التيار للارض تصل الى 10 كيلو امبير.

و يتم تركيب ال surge arrestors  فى النقاط الانتقالية مثلا عند نقطة التوصيل بين الخط الهوائي و المحول و تكون أقرب ما يكون للمحول ، أيضا يتم تركيبها عند أطراف المحركات و عند نهايات الخطوط الهوائية و لها عدة أنواع:

• Rod spark gapped
• Multiple gapped arrestors
• Zinc (metal) oxide surge arrestor

عند تركيبها يتم الأخذ فى الإعتبار عدة عوامل منها مقننات الجهد و كثافة الصواعق و surge rating و ذلك في إطار التنسيق بين مكونات الشبكة الكهربية.

5- تيار الحمل الكامل Full Rated Current

هو أقصى تيار يمكن أن يمر بشكل مستمر من خلال لوحة التوزيع و بعكس مقنن الجهد فليس كل مكون من مكونات اللوحة يحتاج أن يكون له نفس مقنن التيار فكل قاطع أو سكينة سوف يكون لها مقنن تيار حمل حسب أقصى تيار متوقع المرور بها.

عادة ما يتم تقنين تيار قاطع الدخول  Incoming C.B و قضبان التوصيل Busbars بنفس القيمة و يتم الحصول علي هذه القيمة بجمع التيارات المقننة لقواطع الخروج ثم ضربها في معامل الحمل Load Factor or Diversity Factor و هذا المعامل قيمتة أقل من الواحد و يتم تحديدة حسب نوع الأحمال المتصلة باللوحة فالأحمال الفردية لن تعمل بقدراتها الكاملة فى نفس الوقت و بذلك ينتج معامل الحمل، و يتم التقدير الجيد لمعامل الحمل عن طريق النظر على القيم السابقة المسجلة للمغذيات ذات الأحمال المشابهة لو كانت هذه القيم متاحة.

و نظراً للعوامل الإقتصادية يتم إنتاج قواطع الجهد المتوسط بعدد قليل من القيم القياسية و علي حسب مواصفات IEC فهذه القيم تكون 630A,1250A,1600A,2000A and 2500A