تقدير الاحمال الكهربائية في شبكات التوزيع

تمر مرحلة التصميم الأولية لأي شبكة كهربائية بتقدير الأحمال الكهربائية علي هذه الشبكة وذلك لتحديد الحمل الكلي تمهيداً لمعرفة كيفية تغذية هذه الأحمال كهربيا.

م. محمد فاروق فودة

وبصفة عامة يمكن تقسيم الأحمال الكهربائية التي تغذيها شبكات التوزيع إلى الأنواع الآتية:

• ‌أ- الأحمال الكهربائية لأنظمة الإنارة العامة.
• ‌ب- الأحمال السكنية وتشمل الإضاءة والسخانات وأجهزة التكييف والثلاجات…الخ.
• ‌ج- الأحمال التجارية وتشمل المطارات والمستشفيات والمباني الحكومية والمسارح والملاعب والفنادق والمواني…الخ.
• ‌د- الأحمال الصناعية: الأحمال الصناعية هي أحمال مركبة وتكون المحركات الحثية النسبة الأكبر من هذه الأحمال. وهذه الأحمال دالة في الجهد والتردد للنظام الكهربي وتمثل الجزء الأكبر من العمل الكلي للنظام الكهربي.

 

خصائص الأحمال الكهربائية

طلب المنظومة

هو متوسط الحمل الكهربي على المنظومة الكهربية خلال فترة زمنية محددة. ويمكن التعبير عن طلب المنظومة الكهربائية بالقدرة الظاهرية المطلوبة أو بالقدرة الفعالة للأحمال الكهربائية أو بالتيار الكلي للأحمال. ويفضل استخدام القدرة الظاهرية للأحمال بدلاً من استخدام القدرة الفعالة لأن استخدام القدرة الفعالة يتطلب معرفة معامل القدرة. .ومن المفيد جدا معرفة منحني الحمل اليوم وهو يمثل تغير الأحمال الكهربائية خلال 24 ساعة لليوم ومن المفيد هنا ذكر أن الطلب لأي حمل يختلف عن تقدير قيمة الحمل حيث إن تقدير الحمل هو القيمة المقننة للحمل والموجودة على اللوحة الرئيسية للحمل. شكل 1 يبين منحني الحمل اليومي.

متوسط الطلب

ويعرف بأنه متوسط القدرة لعمل خلال فترة زمنية محددة ويمكن حساب متوسط الطلب اليومي أو الشهري أو السنوي.

ويعطي متوسط الطلب بالعلاقة الآتية:

متوسط القدرة = (الطاقة الكهربية المستهلكة في فترة زمنية) /(عدد ساعات الفترة الزمنية).

أقصى قيمة الطلب

ويعرف بأنه أكبر قيمة للحمل خلال الـ 24 ساعة وتسمي الحمل الأقصى. ومن المعلوم أن أقصي طلب ليس أكبر طلب ولكن أكبر متوسط طلب قدرة يحدث خلال أي فترة زمنية صغيرة مثلاً دقيقة واحدة، 15 دقيقة، 30 دقيقة من دورة الحمل. في الغالب يتراوح الفاصل الزمني لأقصي طلب بين 15 و 30 دقيقة حول للحظة التي يبلغ عندها الطلب أقصي قيمة له.

من الضروري معرفة النقاط التالية لتحديد أقصى طلب:

• تحديد دورة الحمل تحت الدراسة.
• تحديد فترة أقصى طلب مطلوب حسابه.
• الطريقة المستخدمة لحساب متوسط الطلب خلال فترة زمنية.

ويستخدم أقصي طلب محسوب لتقدير سعة الشبكات وبالتالي التكلفة المطلوبة لتغذية شبكة أو جزء من شبكة. ومن الأسباب الرئيسية المهمة لاستخدام قيم أقصي طلب أن أغلب المعدات والأجهزة الكهربائية تصمم بحيث تتحمل من 100% إلي 120% زيادة حمل لفترة محدودة بدون حدوث أية آثار جانبية عكسية.

طريقة فيلاندر لحساب أقصي طلب:

معرفة طلب قدرة المستهلكين وتنوع أحمالهم في شبكة التوزيع مهمة جدا لعمليات التخطيط وتشغيل شبكات التوزيع ومن الطرق الرياضية المستخدمة لحساب أقصي طلب قدرة بمعرفة استهلاك الطاقة السنوي طريقة فيلاندر والتي تعرف كالآتي:

P = C₁ W + C₂ √w

حيث إن p = أقصي طلب قدرة (KW).

W = استهلاك الطاقة السنوي (KWH)

C₁, C₂ = ثوابت تعتمد علي تصنيف المستهلك.

وتمتاز هذه الطريقة بأنها تعطي العلاقة بين أقصي طلب قدرة واستهلاك الطاقة لأحمال جزئية ولا تتحقق هذه العلاقة عند استخدامها لمجموعة أحمال غير متجانسة أي أن هذه الطريقة غير مناسبة لطبيعة أحمال مختلفة على مدى اليوم أو السنة.

وكذلك فإن هذه الطريقة تعطي نتائج سيئة عند حساب أقصى طلب لمستهلك واحد لمجموعة تتكون من عدد قليل من المستهلكين.

 

عامل الطلب

عامل الطلب على المنظومة الكهربية: هو النسبة بين أقصى طلب للمنظومة الكهربية والأحمال على المنظومة الكهربية، والأحمال على المنظومة هي مجموعة الأحمال المقننة لجميع المعدات والأجهزة التي تغذي بالمنظومة الكهربية, لابد من ملاحظة أن توصيل الأحمال بالمنظومة الكهربية لا يعني أن كل الأحمال تعمل في نفس الفترة الزمنية لذلك فإن معامل الطلب دائما أقل من الواحد.

ويكون الغرض من معرفة عامل الطلب هو تقدير حصة الحمل الكلي الموصل والمطلوب تغذيته فى نفس الوقت وعادة يكون أقصى حمل لمجموعة من الأحمال أقل من مجموع قدرات هذه الأحمال وهذا راجع إلى الآتي:

• اختيار سعة المعدات الكهربية أكبر من المطلوب الفعلي وذلك للتغلب على بعض حالات زيادة الحمل.
• نادرا ما يكون عمل مجموعة الأحمال عند أقصي حمل في نفس الوقت.

مثال: منزل يحتوي على المصابيح الآتية.

3 مصابيح قدرة 60 و 10 وات ومصابيح قدرة 40 و4 وات, ومصابيح قدرة 100 و5 وات مصابيحقدرة 10 وات.

بفرض أن عداد الطلب يشير خلال 30 دقيقةلقيمة أقصى طلب 650 W احسب عامل الطلب.

الحل: الحمل الكلي لمصابيح الإضاءة = 60 × 3 + 10 × 40 + 100 × 40 + 10 × 5= 1030 وات.

أقصي طلب خلال 30 دقيقة هو 650W.

عامل الطلب = 650/ 1030 = 0,631 = 63,1%

 

عامل الحمل

عامل الحمل هو النسبة بين متوسط الحمل وأقصى حمل خلال فترة زمنية محدودة ويمكن حسابه طبقا للمعادلة الآتية:

عامل الحمل = الطاقة الفعلية المستهلكة / (KWH) [ أقصي طلب (kw) × الفترة الزمنية (Hr).

يخضع عامل العمل السنوي لمحطات التوليد للمعادلة التالية:

عامل الحمل السنوي = عدد الوحدات العاملة في السنة/ (أقصى عدد وحدات يمكن أن تعمل.

عامل الحمل السنوي = عدد الوحدات العاملة في السنة/ (أقصى طلب قدرة × 8760).

عامل العمل الشهري = عدد الوحدات العاملة في الشهر/ (أقصى طلب قدرة × 24 × 30).

بينما يخضع عامل الحمل لمعدات المستهلك للمعادلة الآتية:

عامل الحمل السنوي = عدد الوحدات المستهلكة في السنة/ (أقصى طلب × 8760).

عامل الحمل الشهري = عدد الوحدات المستهلكة في الشهر/ (أقصى طلب ×24 × 30).

إذن عامل الحمل اليومي = عدد الوحدات العاملة في اليوم/ (أقصى طلب ×24).

عموما فإن عامل الحلم يساوي النسبة بين متوسط القدرة إلى أقصى طلب في سنة أو شهر أو يوم.

مثال: يوضح شكل (2) منحنى حمل خلال يوم.

أحسب عامل الحمل اليومي.

الحل: بأخذ قراءة القدرة المقابلة لكل ساعة ويقسم مجموعها على 24 ساعة نحصل على:

متوسط القدرة = kw 97.5

أقصى طلب خلال 30 دقيقة في الفترة = AB 270 kw.

إذن عامل العمل اليومي = 97.5 / 270 = 36.1%

جدول رقم (1): منحني الحمل اليومي

جدول رقم (2): منحني حمل خلال يوم

جدول رقم (3): منحني الحمل اليوميلشبكة

 

عامل التواقت

ويسمى أيضا عامل التطابق من الضروري معرفة قيمة أقصى قدرة منقولة في كل أفرع الشبكة الكهربية وذلك للحصول على تصميم جيد لشبكة التوزيع. وحيث إن أقصى حمل لأي فرع بالشبكة الكهربية وليس بالضرورة حدوثه في نفس لحظة حدوث الحمل الأقصي في الأفرع الباقية لشبكة التوزيع لذا فإن عادة ما يكون أقصى حمل كلي لمصدر التغذية أقل من مجموع أقصى حمل لجميع الأحمال الفردية المغذاة من هذا المصدر.

ومن المهم والضروري جدا أن يؤخذ هذا التنوع أوالتباين في الاعتبار عند تصميم الشبكات الكهربية ويقيس عامل التواقت تنوع الأحمال (Load diversity) ويعرف كالآتي:

عامل التواقت = أقصى حمل كلي/مجموع أقصي حمل في كل أفرع الشبكة.

كذلك يعرف عامل التواقت بأنه مقلوب عامل التباين أي أن:

عامل التواقيت = 1/عامل التباين.

ويكون عامل التواقيت أقل من الواحد الصحيح أو يساوي الواحد إذا كانت الأحمال القصوى لجميع أفرع الشبكة متزامنة.

عامل التباين

عامل التباين هوالنسبة بين مجموع أقصى طلب لكل حمل من الأحمال والطلب الأقصى للحمل الكلي بفرض أنP₁, P₂, P₃, … P_nهم الطلب الأقصى للأحمال و P_Sهوالطلب الأقصى للحمل الكلي فإن عامل التباين لمجموعة الأحمال هو:

عامل التباين =    P_S/ (P_n ……. P₁, P₂, P₃)

من الواضح من المعادلة السابقة أن معامل التباين أكبر من الواحد ويساوي الواحد فقط فيحالة أن تكون جميع الطلبات القصوى للأحمال متزامنة.

مثال: إذا كانت القيم المقاسة على عدادات أقصى طلب للأحمال هي 595, 160, 380, 435, 504, 620 وات على التوالي وأن عداد أقصى طلب على مصدر التغذية سجل القيمة 900w وذلك نتيجة الطلب الأقصى لكل حمل لا يحدث في نفس وقت الأقصى لباقي الأحمال. احسب عامل التباين.

الحل: مجموع الطلب الأقصى للأحمال = 620 + 504 + 435 + 380 + 160 + 595 = 2694 وات.

عامل التباين = 2694 / 900 = 2,99

عامل السعة

أو عامل النفع أو عامل الوحدة الصناعية وهو النسبة بين الطاقة الفعلية الكلية المنتجة أو المستخدمة لفترة زمنية مخصصة وأقصي طاقة مقننة للوحدة الصناعية والتي تعمل عندها بصفة مستمرة عامل الوحدة الصناعية السنوية = الطاقة الحقيقية المولدة سنويا/ أقصي طاقة للوحدة الصناعية.

 

جدول رقم (1) عامل الطلب لبعض الأحمال السكنية والتجارية وبعض الأحمال الصناعية

نوع الحمل	عامل الطلب
سكن به من 5-3 حجرات	0,8 –  0,6
سكن به أكثر من 5 حجرات	0,65 – 0,45
متاجر (بدون تكييف)	0,8 – 0,6
مسارح (بدون تكييف)	0,5
دور السينما (بدون تكييف)	0,9 – 0,7
المستشفيات (الإضاءة – التعقيم – الغسالات)	0,9
الأجهزة الطبية والأحمال الأخرى	0,4
الأحمال الصناعية	0,6
محركات أغراض عامة, أوناش, مضخات	0,3
محركات مصانع الورق, تكرير البترول	0,6
محركات مصانع الغزل والنسيج, مصانع الكيماويات	0,9
أفران قوسية	1,0
لحمات قوسية	0,3

 

 

جدول رقم (2) الأحمال القياسية لأنظمة الإنارة للمرافق المختلفة

المرافق	الحمل (وات / متر مربع)
المدارس	32,28
البنوك	21,52
المستشفيات	21,52
الفنادق	21,52
المتاجر	32,28
المساجد	10,76
مواقف السيارات	5,37
المطاعم	21,52
المكاتب	53,8
المستودعات	2,7
المسارح	10,76

 

جدول رقم (3) متوسط الأحمال الكهربية لبعض الأجهزة المنزلية

المعدة الكهربية	الحمل المقنن (وات)	حمل البدء (وات)
راديو (FM / AM)	200 – 500	200 – 500
مروحة	200	600
تليفزيون	400 – 300	400 – 300
فرن ميكرويف	700	1000
مكيف هواء (BTU 12000)	3250	5000
مروحة فرن بمحرك شفط hp/3/1	600	1800
مكنسة كهربائية	600	750
ثلاجة	800	2400
مجمد (ديب فريزر)	500	1500
منشار دائري	2500 – 1000	4600 – 2300
منشار دائري 6 بوصة	800	1000
كشافات إضاءة الشوارع	1000	1000
مثقاب كهربائي 0,5 بوصة	1000	1250
محمصة الخبز (توستر)	1200	1200
جهاز تحضير القهوة	1200	1200
مضخة مياه 1/2 حصان	1000	3000
مسخن حراري سطحي	1500	1500
سخان مياه	5000	5000
شاحن بطاريات 12 فولت تيار مستمر	120	120

 

تنوع الحمل

هو الفرق بين مجموع أقصى حمل لعدد من الأحمال الفردية وبين ذروة الحمل الكلي أي أن:

تنوع الحمل = مجموع أقصى طلب للأحمال – أقصى طلب للحمل الكلي.

مثال: يوضح شكل (3) منحني الحمل اليومي لأحمال صناعية وأخرى سكنية كذلك الحمل اليومي الكلي تغذي من شبكة من شبكة كهربية احسب.

أ- عامل التباين.

ب- تنوع الحمل.

ج- عامل التطابق.

الحل: من الشكل نجد أن:

الأحمال الصناعية: الحمل الأقصى 2000 kw عند الساعة 5 P.M

الأحمال السكنية: الحمل الأقصى 2000 kwعند الساعة 9 P.M

للشبكة: الحمل الأقصى 3000 kwعند الساعة 6.5 P.M

1- عامل التباين = مجموع أقصى طلب/أقصى طلب لشبكة

= (2000 + 2000) / 3000 = 1,33

2- تنوع الحمل = مجموع أقصى طلب للحمل الصناعي والسكني- أقصى طلب للشبكة

= (2000 + 2000) – 3000 = 1000 kw

3- عامل التطابق = 1/ عامل التباين.

1/ 1,33 = 0,752

خصائص الأحمال

يمتاز كل حمل في الشبكة الكهربية بخصائص معينة, أي أن الحمل يتغير بطريقة معينة على مدى اليوم وخلال السنة، وتعتمد التغيرات في الأحمال على عوامل مختلفة تصنف كالآتي:

1- عوامل التقنيات الكهربية.

2- عوامل المناخ وحالة الجو.

3- عوامل العادات الفردية منها ساعات العمل وحجم العائلة في الأحمال السكنية وأحيانا تصنف على أنها ” عوامل غير مباشرة “.

تغييرات الحمل

من المهم للغاية معرفة منحنيات الأحمال لكل مستهلك والتيتستخدم لتصميم الشبكات وعمليات التشغيل وتصنيف منحنيات الأحمال إلى:

1- منحنيات الحمل اليومي.

2- منحنيات الحمل السنوي.

ولحساب أحمال مفردة ومتنوعة فإنه يلزم استخدام منحنيات الأحمال لتصنيف الأحمال المختلفة ثم تضاف المنحنيات معا للحصول على منحنى حمل متنوع، ومعنى ذلك أنه يلزم إجراء ثلاث خطوات هي:

• قياس الأحمال المختلفة.
• تحليل الأحمال.
• التنبؤ بقيمة طلب الحمل من منحنيات الأحمال.

جدول رقم 1 يبين عامل الطلب لبعض الأحمال السكنية والتجارية وبعض الأحمال الصناعية:

وتبين الجداول رقم 2 و 3 الأحمال القياسية أو النوعية لإنظمة الإنارة والأجهزة الكهربية وبعض المباني المتخصصة.