شبكات توزيع الكهرباء

شبكات توزيع الكهرباء

تعد الشبكات الكهربائية أفضل وسيلة لنقل الطاقة من مصادرها البعيدة إلى مناطق الاستهلاك (مدن، قرى، معامل). يتألف نظام القدرة الكهربائية من مجموعة التجهيزات والأدوات التي تقوم بتحويل جميع أنواع الوقود إلى طاقة كهربائية ونقلها وتوزيعها إلى المستهلكين. يتألف هذا النظام من أربعة عناصر أساسية هي:

محطات توليد الطاقة الكهربائية، وخطوط النقل، وشبكات التوزيع، والمستهلكين.

تتوضع محطات توليد الطاقة الكهربائية لأسباب فنية واقتصادية بالقرب من مصادر الوقود (نفط، فحم حجري، غاز، أو مساقط المياه) وبالقرب من مخزون مائي كبير (نهر أو بحيرة) لتأمين تبريد محطة التوليد. ولهذه الأسباب تكون محطات التوليد بعيدة عن مناطق الاستهلاك. والشبكات الكهربائية هي العنصر الذي يربط بين محطات التوليد والمستهلكين.

أما محطات التحويل فهي عناصر من النظام الكهربائي التي توصل محطات التوليد مع شبكات النقل، كما تصل الشبكات ذات التوترات المختلفة بعضها مع بعض.

الأسس الفنية والاقتصادية لنقل وتوزيع الطاقة الكهربائية

تحدد قيمة الاستطاعة الفعالة المنقولة على خطوط نقل القدرة الكهربائية بين محطة توليد (1) ومركز استهلاك (2) بالعلاقة الفيزيائية الآتية:

تتناسب قيمة الاستطاعة المنقولة MW (P) طرداً مع جداء توتر الإرسال (V1) وتوتر الاستقبال (V2) وزاوية الاستطاعة (d) وتتناسب عكساً مع مفاعلة الخط (X). وكلما كان التوتر مرتفعاً كان بالإمكان نقل طاقة أكبر.

لذلك يعمد إلى رفع توتر الخطوط بوساطة المحولات الكهربائية إلى توترات عالية جداً 220 كيلو فولط/ 440 كيلو فولط/ 750 كيلو فولط. والعمل على إنقاص مفاعلة الخط (X) والتحريض بإضافة مكثفات على التسلسل في منتصف خط النقل.

وكما هو معروف، تزداد الكلفة التأسيسية وينخفض الضياع الكهربائي كلما ارتفع توتر خط النقل. والعكس صحيح وفق المنحني المبين في الشكل 1،

إذ يحسب التوتر الاقتصادي المناسب لتغذية حمولة /ما/ تابعاً لكلفة النقل، ولقيمة الحمل ولبعده عن منبع التغذية، والذي هو القيمة الدنيا للجمع بين منحني الضياع مع منحني الكلفة التأسيسية. والمنحنيات اللوغاريتمية المبينة في الشكل 2، والمحسوبة رياضياً تحدد قيمة توتر النقل والتوزيع -تابعاً للبعد /Km/ ولقيمة الحمل MW وبذلك تكون قيمة التوتر 20 كيلو فولط مثلاً لنقل استطاعة بحدود 30-50 ميغاواط إلى مسافة 50كم. في حين يعتمد التوتر 220 كيلو فولط لنقل استطاعة 200 ميغاواط إلى مسافة 180كم.

تصنيف الشبكات الكهربائية بحسب الوظيفة

شبكات النقل والارتباط للتوتر العالي جداً U.H.T

ويشمل التوترات 420 كيلو فولط و750 كيلو فولط وهي توفر ربط شبكات الدول بعضها مع بعض وتسمح بنقل استطاعات كبيرة جداً بحدود 2000-4000 ميغاواط إلى مسافات بعيدة جداً (1000-1500كم). وتؤمن تبادل الاستطاعة بين الدول بأوقات مناسبة. أما التوتر العالي T.H.T وهو بحدود 230 كيلو فولط فيؤمن نقل الاستطاعة على مجمل أراضي الدولة باستطاعة كبيرة ولعدة مئات من الكيلومترات.

تصمم هذه الخطوط على شكل شبكة أو حلقة لضمان استمرارية عالية في التغذية، ويبين الشكل 3 أن نظام شبكات الارتباط في الدولة الواحدة أو بين الدول يعتمد على النظام الحلقي (المؤلف من عدة حلقات).

شبكات النقل بالتيار المستمر وبالتوتر العالي

يمكن للتيار المستمر في حالة الجهد العالي نقل القدرة الكهربائية إلى مسافات بعيدة تزيد على 600كم، ولاستطاعات كبيرة أكثر من 1500 ميغاواط. ويمكن بذلك تجنب جميع الصعوبات التي تعانيها خطوط وشبكات نقل القدرة بالتيار المتناوب الناشئة عن مفاعلة الخط، وعن مشاكل الأمواج العابرة. وتصبح المسافة التي يمكن نقل القدرة إليها غير محددة من الناحية الفنية.

يبين الشكل 4 شبكة لنقل القدرة الكهربائية بالتيار المستمر.

حيث G: مولدات للتيار المتناوب الثلاثي الطور.

T1: محولات رافعة للطاقة.

B وI: عناصر تقويم للتيار والحصول على تيار مستمر واسترجاعه.

L: خطوط نقل مكونة من خطين، الجهد بينهما هو 2U والجهد بين كل خط والحيادي هي U.

يوصل على التسلسل مع الخط مفاعلات R ذات مفاعلة ردية كبيرة. ولتخميد وتسوية نبضات التيار الخارجة من المقوم، توصل إلى نهاية الخط أجهزة تحويل عكسية I تقوم بتحويل التيار المستمر إلى متناوب. وبعدها يمر التيار إلى محولات خافضة T2 لتصل الاستطاعة إلى قضبان تجميع محطة التوزيع RS.

ومن أهم عيوب شبكات نقل القدرة بالتيار المستمر أن ثمن المقومات وأجهزة التحويل الموجودة في طرفي الخط مرتفع جداً، كما أن عملها معقد للغاية. غير أن استعمال التيار المستمر في نقل القدرة مناسب اقتصادياً من أجل الخطوط الطويلة جداً، وإن التوفير الحاصل في هذه الخطوط يعوض الكلفة العالية المبذولة في محطتي البداية والنهاية لتقويم التيار.

شبكات التوزيع للتوتر العالي

إن الانتقال من التوتر العالي جداً لشبكات الارتباط 220كيلو فولط إلى شبكات التوتر المتوسط وشبكات التوزيع 20 كيلو فولط يقود إلى استعمال توتر عال 66 كيلو فولط، وبذلك ينتج تسلسل التحويل 220/66/20 كيلو فولط ويستعمل التوتر 66 لتغذية المصانع الكبيرة، وتشكيل حلقة حول المدن لتغذية محطات التحويل 66/20 كيلو فولط المغذية للمدينة وفق الشكل المبسط رقم 5.

حيث تمثل المنطقة المنقطة سطح المدينة ومحطتي تحويل رئيسيتين 220/ 66كيلو فولط، تغذيان بدورهما المحطات a,b,c بتوتر 66/20 كيلو فولط. علماً أن كثافة الحمل السطحي في المدن Km2/MW وهي تمثل تزايد الاستطاعة المستهلكة MW تابعاً لمساحة المدينة مقاساً بالكيلو متر المربع (Km2) لاعتماد نظام الأبنية العالية وناطحات السحاب في المدن الكبيرة. لقد فرض إلغاء التوتر 66 كيلو فولط واستخدام نظام التحويل 20/220 كيلو فولط مباشرة إمكانية دخول التوتر 220كيلو فولط إلى المدينة بوساطة الكبلات.

شبكات التوزيع للتوتر المتوسط MT

ويشمل التوترات 20 كيلو فولط أو 33 كيلو فولط وهي تؤمن توزيع الطاقة الكهربائية في المدن بوساطة كبلات أرضية، وفي القرى والمعامل بوساطة شبكات كهربائية هوائية.

وكل كبل يغذي عادة 20 مركز تحويل (توتر متوسط/توتر منخفض) أي بتوتر20/ 4.0 كيلو فولط.

شبكات التوزيع في المدن

تتميز شبكات التوتر المتوسط في المدن بالأشكال النظامية القياسية الآتية:

- السنبلة EPI: ويتألف من مجموعة كبلات للتوتر 20 كيلو فولط تخرج من محطة التحويل 66/20 كيلو فولط المتوضعة على أطراف المدينة ويستخدم كبل احتياط لكل 6 كبلات خدمة ويقوم كبل الاحتياط بتغذية كل كبل عكسياً. عند حصول الأعطال على كبل يغلق القاطع مع كبل الخدمة وتؤمن التغذية العكسية وفق الشكل 6.

- أوراق المارغريت Péale De Marguere: اعتمد هذا النوع في المدن الساحلية حيث تفرض الشروط الطبوغرافية توضع محطة التحويل الرئيسية بعيداً عن مركز ثقل الحمولات في المدينة، وبعيداً عن البحر. وتُنشئ مراكز التوزيع 20كيلو فولط وتربط مع المركز الرئيسي بعدة كبلات مزدوجة، ويؤمن كل مركز توزيع تغذية عدة حلقات من الكبلات التي تتغذى من جهة واحدة، وتغذي كل حلقة مفتوحة 15-20 مركز تحويل 20/4.5 كيلو فولط وهو مبين في الشكل 7.

- التغذية المزدوجة Double Derivation: يُغذى في هذا النظام كل مركز تحويل 20/0.4 كيلو فولط بوساطة كبلين 20كيلو فولط أحدهما كبل خدمة والآخر احتياط، يتوضعان معاً في مجرى واحد، في حال الخدمة النظامية تكون جميع محطات التحويل 20/0.4 كيلو فولط مرتبطة مع هذين الكبلين، وتتغذى فعلياً من كبل الخدمة فقط. وفي حال حدوث عطل على كبل الخدمة تنتقل جميع مراكز التحويل آلياً إلى كبل الاحتياط بأتمتة قواطع الربط والفصل. يؤمن هذا النظام من الناحية الفنية استمرارية عالية في الخدمة. وقد بينت الدراسات الإحصائية أن استخدام هذا النظام يكون اقتصادياً في حال توافر الشرطين الآتيين:

- عندما تتجاوز كثافة الحمل السطحي 5 ميغاواط/كم2.

- عندما لا تكون الشبكات القديمة منتشرة بشكل كثيف.

يستخدم هذا النظام في تغذية المستهلك من الدرجة الأولى، الذي يتطلب استمرارية عالية في الخدمة (الشكل-.

شبكات التوزيع في الريف

يمثل الشكل 9 شبكة نموذجية شعاعية لشبكات التوتر 20 كيلو فولط المستخدمة في الريف حيث تغذى مجموعة قرى من محطتي تحويل 20/66 (T1, T2) كيلو فولط. ومن قضبان التجميع 20كيلو فولط تغذى خطوط 20كيلو فولط 20/4.0كيلو فولط المحمولة على أعمدة باستطاعات تراوح بين 40-63 كيلوفولط أمبير.

ويمكن توفير تغذية خلفية عند حصول الأعطال، وانقطاع التغذية من إحدى المحولات (K,T1)، بإغلاق قواطع مركبة مسبقاً على الشبكة لتوفير تغذية القرى في الحالات الطارئة.

شبكات التوزيع للتوتر المنخفض

يمثل الشكل 10 شبكة نظامية للتوتر المنخفض في المدن 220 فولط أو 380 فولط. ويبين الشكل عدة حلقات للشبكة لكنها شبكات مفتوحة. وانطلاقاً من مراكز التحويل 20-0.4 كيلو فولط المتوزعة ضمن المدينة في الحدائق، وأقبية الأبنية، تخرج كبلات التوتر المنخفض لتغذي الأبنية بشكل شعاعي بسيط.

المعلوماتية والتحكم المركزي بشبكات النقل والتوزيع

يتطلب استثمار أنظمة القدرة الكهربائية تطوير أنظمة حاسوبية تقوم بمجمل الأعمال والقرارات المحدودة، لطرق استثمار شبكات الارتباط للتوتر العالي جداً. واستحداث توازن كامل بين توليد الطاقة الكهربائية ونقلها وتوزيعها بوساطة الشبكات، وذلك ضمن الشروط الصغرى للكلفة مع توفير الحد الأعلى من الأمان في استمرارية التغذية وتوفير شروط تغذية نظامية للمستهلك من ثبات في قيم التوتر V والتردد Hz. وظهرت مع بدء استعمال الحاسوب أنظمة التنسيق. وكان أول نموذج رياضي لنظم التنسيق الاقتصادية dispatching economique يتضمن دراسة الحلول المثلى في الزمن الحقيقي في تشغيل الشبكات آخذين في الحسبان كلفة التوليد في المحطات، وكلفة الضياع في الشبكات والخطوط، ومتطلبات الأمان في الشبكات، والموثوقية في عملها، والعمل في الحالة النظامية للشركة. ويمكن في الحالات الطارئة اعتبار مركز التنسيق dispatching center الجملة العصبية حيث يمكن التحكم بكامل الشبكة في البلد من المركز الموجود عادة في العاصمة.

التقانات الحديثة والمستقبلية في تطوير شبكات النقل والتوزيع الكهربائي

من أهم التطورات التقانية التي حدثت عام 1999 في مجال نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية هو استخدام كبلات كهربائية ذات ناقلية فائقة للتوتر (24 كيلو فولط) Superconductor في توزيع القدرة الكهربائية في المدن، وبدأت عدة شركات في ديترويت في أمريكة وفي فرنسة وفي اليابان باستخدام هذه الكبلات.

تفسر نظريتا ميكانيك الكم mechanique quantique ونظرية مزدوجة كوبر Pairs de Copper ظاهرة الناقلية الفائقة وهي الظاهرة التي تصبح فيها مقاومة الكبل المؤلف من مزيج (معدني-خزفي) مساوية للصفر عند الحرارة المنخفضة جداً (-196ْم) أي عند حرارة الآزوت السائل. ويمثل الشكل 11 نموذج هذه الكبلات.

يتألف كبل الناقلية الفائقة من أسلاك مبسطة من خليطة المعادن الآتية (أكسيد النحاس، بيزموت، سترونتيوم، كالسيوم، رصاص، إيتيريوم، وباريوم) وهي خليطة ذات طبيعة خزفية. تجدل هذه الصفائح حول أنبوب يمر فيه باستمرار الآزوت السائل بدرجة (-196 ْم) وتغلف الشرائح عوازل كهربائية متينة وعوازل حرارية فعالة تمنع الآزوت من فقدان برودته، إضافة إلى أنبوب فولاذي يؤمن الحماية الخارجية. يعمل هذا الكبل على توتر 24 كيلو فولط ويسمح بمرور استطاعة بحدود 100 ميغاواط.

إن كبل الناقلية الفائقة يحل محل تسعة كبلات نحاسية بمقطع قدره 285مم2 لكل كبل. علماً أن قطر كبل الناقلية الفائقة، لا يزيد على 10سم ويكون فارق الوزن بين التسعة كبلات النحاسية والكبل والناقلية الفائقة على طول 120 متر مثيراً للدهشة، إذ يبلغ وزن الكبل ذو الناقلية الفائقة 110كغ في حين يبلغ وزن الكبلات النحاسية التسعة المكافئة 8220كغ أي إن وزن كبل الناقلية الفائقة أقل 74 مرة. إن كبلات الناقلية الفائقة تبقى أغلى ثمناً من الكبلات النحاسية، ولكن لأنها تستطيع نقل عدة أضعاف من الاستطاعة المارة في الكبلات النحاسية، إضافة إلى إمكانية استخدامها في أقنية الكبلات القديمة ذاتها من دون الحاجة إلى حفر وتركيب أقنية جديدة، وخاصة في الأماكن التي تكون فيها كثافة سكانية عالية، مع عدم وجود أماكن لإمداد كبلات جديدة تجعل استخدامها خياراً أفضل.

لقد برهنت عروض التركيب والتشغيل لمثل هذه الكبلات، على نجاح تجاري كامل. وبينت الدراسات الاقتصادية أن كبلات الناقلية الفائقة سوف تغطي 50% من الكبلات المطمورة خلال السنوات العشر القادمة.

إضافة إلى ما سبق، وعلى مستوى التوتر العالي جداً، فقد طورت شركات سويدية-سويسرية كبلات تعمل على توتر 500 كيلو فولط تمرر في أقنية واسعة تحت الأرض قادرة على منافسة الخطوط الهوائية للتوتر العالي جداً المماثلة فنياً واقتصادياً.

» شبكات الكهرباء
» لوحات الكهرباء MDB / DB / SDB
» يعلن مركز لؤلؤة اتحاد العرب بالتضامن مع أكاديمية ابداع عن دورة *اعداد مهندس الكهرباء *