منظومات نقل القوى الكهربائية

Electric Power Transmission Systems

 

تستخدم خطوط النقل الهوائية عادة في نقل القدرة الكهربائية من محطات التوليد إلى مناطق التوزيع، وتتكون خطوط النقل في حالة التيار المتردد من دائرة مفردة ثلاثية الوجه أو دائرة مزدوجة ثلاثية الوحه. لوجود عدد من المدن والقرى على مسافات متفاوتة فقد تم إنشاء شبكات نقل ذات جهود عالية وفائقة لنقل الطاقة من أماكن توليدها إلى مسافات بعيدة حيث توجد اماكن الاستهلاك.

وتصنع موصلات خط النقل عادة من النحاس أو الألومنيوم أو الألومنيوم المقوى بالصلب، كما تحمل هذه الموصلات على أبراج من الصلب أو الخرسانة أو الخشب على حسب الجهد المنقول عليها، أيضاً يتم استخدام عوازل كهربائية لعزل هذه الموصلات عن الأبراج، وتزداد القدرة المنقولة عبر الخط بزيادة الجهد الذي يعمل عنده الخط.

منظومات التوزيع الكهربائية

Electric Distribution Systems

منظومات التوزيع هي استقبال القدرة الكهربائية المرسلة من محطات التوليد عبر خطوط النقل وتوزيعها على المستهلكين باختلاف أنواعهم على جهود تتناسب مع أغراض الاستهلاك، ويتم ذلك من خلال محطات تحويل فرعية Substations لتحويل الجهود الفائقة (EHV) أو العالمية (HV) إلى جهود متوسطة (MV) أو جهود منخفضة (LV). وتستخدم كل من الموزعات الهوائية والكابلات الأرضية في منظومات التوزيع، وعلى الرغم من أن التوزيع باستخدام الكابلات الأرضية يتكلف أضعاف ما يتكلفه التوزيع باستخدام الموزعات الهوائية، فإن استخدام الكابلات الأرضية يعد ضرورة حتمية في حالة التوزيع في المناطق السكنية.

كما يتم التوزيع عادة على مرحلتين: التوزيع الأولي (الابتدائي) Primary distributionعلى جهود تتراوح بين KV 33 – KV 6.6 حسب الجهود القياسية المستخدمة في المنطقة.

ثم التوزيع الثانوي (المنخفض) Secondary distribution على جهود الاستخدام حيث يوجد نظامان .v 210/220 أو .v 220/ 380

نظرة عامة على المحولات

المحول هو آلة من آلات التيار المتردد الساكنة التي تستخدم في تحويل طاقة كهربائية ذات مستوى معين من الجهد (أو التيار) إلى طاقة كهربائية أيضاً ذات مستوى أخر من الجهد (أو التيار) دون وجود أي أجزاء دوارة في تركيب المحول.

وتتركب جميع المحولات من ثلاثة رئيسية هي:

الملف الابتدائي :Primary – Coil وهو ملف كهربي مصنوع من أسلاك من النحاس الأحمر المعزولة وذات عدد معين من اللفات (N) ويتصل دائماً بجهة استهلاك الطاقة بعد تغيير مستوى جهدها.

الملف الثانوي :Secondary – Coil وهو ملف كهربي مصنوع أيضاً من أسلاك من النحاس الأحمر المعزولة وذات عدد آخر من اللفات (N) ويتصل دائماً بجهة استهلاك الطاقة بعد تغيير مستوى الجهد.

وهذان الملفان معزولان عن بعضهما كهربياُ لكنهما مرتبطان مغناطيسياً عن طريق القلب الحديدي للمحول حيث يخترقهما نفس الفيض المغناطيسي المتردد.

قلب حديدي :iron – core يصنع من رقائق من الصلب السليكوني عالي النفاذية المغناطيسية يتولد فيه فيض مغناطيسي متردد عند مرور تيار متردد في الملف الابتدائي يعمل على توليد قوة دافعة كهربية في الملف الثانوي.

بينما في حالة المحولات الذاتية يكون هناك ملف واحد يقوم بعمل كل من الملفين الابتدائي والثانوي.

من المعلوم أن الاستخدام السائد للمحولات هو أنها أجهزة تستخدم لرفع أو خفض الجهد في منظومات القوى الكهربائية بغرض نقل وتوزيع قدرات كبيرة، ومع التطور الكبير في هذه المنظومات وزيادة التعقيد في تركيبها وترابطها وخاصة منظومات نقل القدرة على جهود عالية وفائقة ظهرت الحاجة إلى متطلبات جديدة في صناعة المحولات يمكن تلخيصها فيما يلى :
1- الحاجة إلى تصميم محولات تعمل مع جهود فائقة مما يعنى استخدام طرق ذات كفاءة عالية فى عز هذه المحولات وتبريدها , إضافة إلى قدرة هذه المحولات على التعامل مع الظواهر التى ظهرت حديثا فى منظومات القوى الكهربائية مثل التوفقيات Harmonics والأحمال اللاخطية وغيرها .
2- الحاجة إلى استخدام وسائط عزل وتبريد غير قابلة للاحتراق ــــ كما فى حالة زيوت التبريد المعدنية الأكثر شيوعا واستخداما فى تبريد وعزل المحولات ــــ وخاصة فى محولات التوزيع التى تخدم الأماكن المأهولة بالسكان أو الأماكن الخطرة والتوسع فى استخدام المحولات الجافة المبردة بالهواء أو بعض الغازات العازلة .
3- تنوع أحجام المحولات وقدراتها بدءا من المحاولات العملاقة وانتهاء بمحولات الأجهزة الالكترونية الصغيرة إضافة إلى الاستخدامات المتعددة للمحولات فى القياس والحماية والتحكم .
4- تزويد المحولات الحديثة بأجهزة تحكم تعمل بالحاسبات لمسايرة التطورات الكبيرة فى مجالات التحكم والتشغيل .
ويمكن تصنيف المحولات بطرق عديدة تفيد فى تحديد مواصفاتها عند الحاجة , ومن أهم الطرق المستخدمة فى تصنيف المحولات مايلى :
أ- على حسب عدد الأوجه للمحول :
• محولات أحادية الوجه Single Phase transformers .
• محولات سداسية الأوجه Six phase transformers .
ب- على حسب الاستخدام للمحولات :
محولات القدرة Power transformers :
وهى المحولات العملاقة التى تستخدم فى رفع أو خفض الجهد فى محطات التحويل المربوطة بخطوط نقل الطاقة الكهربائية .
محولات التوزيع
distribution transformers
وهى محولات خفض تستخدم فى تغذية الأحمال فى شبكات التوزيع .
محولات القياس
instrument transformers

وهى محولات خافضة للجهد أو التيار وتستخدم مع أجهزة القياس والتحكم والحماية بغرض عزلها عن الدوائر الحاملة للجهود والتيارات العالية للعمل بأمان.
محولات التأريض
earthing transformers
وهى محولات تستخدم لايجاد مسار أرضى فى المنظومات الموصلة على شكل دلتا غير مؤرضة , وهى مفيدة بالنسبة للحماية من الأخطاء الأرضية وتعرف باسم محولات الزجزاج Zig-Zag
المحولات صغيرة القدرة والتى تستخدم مع الأجهزة المنزلية الصغيرة أو الأجهزة الالكترونية أو الأجهزة الطبية
ج- على حسب طريقة التبريد للمحولات
المحولات الجافة
Dry-type transformers
وهى محولات يتم تبريدها عن طريق الهواء كوسيط أساسى للتبريد والعزل أو بعض الغازات العازلة غير القابلة للاشتعال مثل غاز الفلوروكاربون (C.F) .
المحولات المغمورة فى الزيت
Oil filled transformers
وهى محولات يتم تبريدها عن طريق الزيت المعدنى كوسيط أساسى للتبريد والعزل أو بعض السوائل الأخرى المقاومة للحريق مثل الأسكاريل askarel أو مائع السليكون Silicone fluid وتعتبر المحولات المغمورة فى الزيت من أكثر المحولات استخداما فى شبكات التوزيع متوسطة ومنخفضة الجهد .
المحول كجهاز تحكم
Transformer as a control device
للوصول إلى السعة العالية فى نقل القدرة الكهربائية وكذلك التقليل من كمية الفقد فى القدرة أثناء عملية النقل يجب أن تنقل هذه القدرات على جهود عالية أو فائقة القيمة , وعلى الجانب الآخر فإنه ليس من الملائم عمليا أن يتم توليد جهود عالية من محطات التوليد مباشرة , ومن هنا يبرز الدور الهام للمحولات فى تحقيق السعات المطلوبة فى عمليات نقل القدرة الكهربائية الحالية المستقبلية عن طريق رفع الجهود .
إضافة إلى ماسبق فإن المحاولات تستخدم فى عزل وحدات التوليد الموجودة بالمحطات عن الموجات الجهدية العابرة والتى تنشأ من الاضطرابات الجوية (البرق) وتكون على شكل موجات عابرة ذات بدايات جهدية عالية وسرعة انتشار أقل من سرعة الضوء بقليل, وتقوم المحولات بعكس هذه الموجات عند أطرافها وحماية المولدات من التأثير الضالا لهذه الموجات.
كما تستخدم المحولات كأجهزة إضافية للتحكم فى كل من القدرة الفعالية غير الفعالة فى منظومات القوى الكهربائية , وكما ذكر سابقا فإن الاستخدام الرئيسى للمحولات فى هذه المنظومات هو تغيير الجهد من مستوى إلى آخر . على سبل المثال حينما تستخدم هذه المحولات لرفع جهد التوليد إلى مستوى جهد النقل على خطوط نقل القدرة أو خفضه على مراحل تدريجية وتغذية شبكات لتوزيع والأحمال . إلا أنه يمكن استخدام بعض المحولات للحصول على ضبط وتنظيم قيمة الجهد فى حدود +_ (؟) 10% وأخرى لترحيل وتنظيم زاوية الطور لجهد الخط حيث تعتبر مثل هذه المحولات من أهم عناصر التحكم فى منظومات القوى الكهربائية , وفى بعض الحالات تستخدم بعض المحولات لتنظيم كل قيمة وزاوى الطور للجهد معاً.
وعادة يتم تنظيم وتغيير الجهد بالمحولات عن طريق عد اللفات للمحول سواء بتغير عدد لفات الملف الابتدائى , أو تغيير عدد لفات الملف الثانوى , أو تغيير عدد لفات الملفين معا, ويؤدى ذلك إلى تغير نسبة التحويل للمحول Voltage rtransformation ratio والحصول على جهد متغير على أطراف المحول عن طريق نقاط تقسيم tapping points على ملفات المحول , وتوجد طريقتان لتغيير نقاط التقسيم فى المحولات كما يلى :
1- فى حالة فصل المحول عن مصدر تغذية Off Load Tap Changing
(أى عند اللاحمل) , حيث تكون نقاط التقسيم ومفاتيح تغيير الخطوة داخل جسم المحول أما التغيير فيتم يدويا عن طريق ذراع أو مقبض مخصص لذلك أعلى جسم المحول , شكل (14) سبين كيفية استخدام نقاط التقسيم فى بداية الملف أو فى منتصف الملف على مرحلتين أو أربع مراحل .
وبعد إتمام عملية التغيير يعاد توصيل المحول إلى مصدر التغذية حيث تعود خدمة توصيل الكهرباء إلى المستهلكين.
2- أثناء وجود المحول فى الخدمة On Load tap Changing
(أى فى حالة تحميل المحول) يتم التغيير بدون فصل مصدر التغذية أى بدون فصل خدمة الكهرباء عن المستهلكين وذلك عن طريق نقط تلامس متحركة ومفاتيح فصل وتوصيل بالإضافة إلى ممانعة  حيث توصل نقطة المنتصف للممانعة بنقطة المنتصف للملف الابتدائى مثلا.
عند وضع التشغيل العادى تكون نقطتا التلامس a,b ثابتتين عن الوضع 2 والمفاتيح 1c , 2c مغلقة لتغيير نقطة التقسيم من 2 إلى 3 عند انخفاض جهد الابتدائى يفتح المفتاح 2c وتنقل نقطة التلامس b إلى الوضع 2 ثم يغلق 2c ويفتح المفتاح 1c وتنقل النقطة a إلى الوضع 3 وبذلك يكون قد تم التغيير الكامل من الوضع 2 إلى الوضع 3.
كما يمكن تغيير أوضاع نقاط التقسيم يدويا أو ميكانيكيا بواسطة محرم كهربائى يعمل على تغيير أوضاع نقاط التقسيم الثلاثة أوجه للمحول فى نفس اللحظة, وأيضا يمكن إتمام ذلك عن طريق أجهزة تحكم عن بعد أو محلية على جسم المحول.
محولات التنظيم للتحكم فى مقدار الجهد
Regulating transformers for voltage maginitue control
يتم تنظيم وتغيير قيم الجهد باستخدام محولات تعزيز booster transformers حيث تحتوى هذه المحولات على ملف يوصل على التوالى مع الدائرة الكهربائية المطلوب تغيير أو التحكيم فى الجهد بها (تعزيز أو زيادة الجهد) بينما يعمل الملف الآخر للمحول كملف تغذية بالطاقة.
شكل (16) يوضح محول تنظيم وتحكم فى قيمة الجهد حيث تستخدم ثلاثة محولات تعزيز توصل ملفاتها الابتدائية على التوازى مع المصدر من خلال محول نفسى ثلاثى الأوجه, بينما توصل ملفاتها الثانوية على التوالى مع الحمل أو الخط , ويستخدم هذا النوع غالبا لتحسين جهد خطوط النقل إذا كان فقد الجهد بها مرتفعا.
يمكن التحكم فى قيمة قيمة الزيادة أو التعزيز فى الجهد عن طريق التحكم فى وضع النقطة المنزلقة على ملف المحول النفسى التى بدورها تتحكم فى قيمة جهد الملف الابتدائى لمحول التعزيز مما يتيح التحكم فى قيمةv  ∆ التى تضاف إلى جهد الخط, إضافة إلى التحكم فى فيض أو سريان القدرة الفعالة فى خد النقل.
محولات التنظيم للتحكم فى زاوية طور الجهد
Regulating transformers for voltage phase control
يتم التحكم فى مقدار القدرة المنقولة عبر خطوط النقل من خلال التحكم فى كل من قيمة الجهد وزاوية الطور للجهد , شكل (17) يوضح إحدى الدوائر المستخدمة لتحقيق ذلك الغرض حيث توضع الثلاثة ملفات المحتوية على نقاط التقسيم على نفس القلب الحديدى ويضبط ذلك الوضع بحيث يتولد بها جهود تصنع زاوية مقدارها 90O مع جهد الوجه الموصل إلى نقطة المنتصف للملف المقسم. كمثال يزداد جهد الوجه Van بمقدار مركبة الجهد V an ∆ التى تكون فى نفس اتجاه أو تصنع زاوية 180 مع جهد الخط Vbc – (شكل 18) يوضح مخطط المتجهات للجهود الأصلية و, ∆ an V , ∆ bn v , Van , Van ∆ cn V , وقيم التغير فى هذه الجهود bn cn V  , an V ∆ , ∆ V ∆ إضافة إلى الجهد بعد التغيير cn V  , an V ∆ , ∆ bn V ∆ والتى يتضح أنها قد حدث لها تغيير محدود فى القيمة وزاوية الطور.