1. شرح تمثيل نظم القوي الكهربية وانواع محطات التوليد الكهربية Power System Representation

1- مكونات نظم القوي الكهربية

يوضح الشكل (1) مخططا مبسطا لمكونات نظام القوي الكهربي و ارتباط هذه المكونات مع بعضها. و فيما يلي شرحا لهذه المكونات. 


مكونات نظام القوي الكهربي و ارتباط هذه المكونات مع بعضها

شكل (1) : مخطط لنظام القوي الكهربي

1-1 محطات التوليد الكهربية 

1-1-1 محطات حرارية: Thermal Stations 

فى هذه المحطات يتم حرق الوقود التقليدي ( فحم بأنواعه المختلفة مازوت -  غاز طبيعي -  سولار ) لتسخين المياه فى غلايات (Boiler ) لإنتاج بخار ( Steam) ذي درجة حرارة وضغط عالي القيمة (Steam of high pressure and temperature)  ويفقد البخار طاقته فى إدارة التوربينات المتصلة بالمولدات الكهربية وبذلك يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربية وتقدر الكفاءة الكلية(Overall efficiency)  بحوالي 30 %، حيث أنها تشتمل على الكفاءة الحرارية وكفاءة المولدات. كذلك يمكن استخدام الطاقة الشمسية فى تسخين المياه لدرجات حرارة عالية لتوليد طاقة كهربية . و يمكن استخدام الطاقة الحرارية الناتجة من الإنشطار النووي (Nuclear fission) فى توليد طاقة كهربية وذلك فى محطات التوليد النووية (Nuclear Power Stations) .


1-1-2 المحطات المائية  Hydro- Electric Stations

فى هذه المحطات يتم استخدام طاقة إنحدار المياه بين مستويين مختلفي القيمة فى إدارة توربينات متصلة بمولدات كهربية وتنشئ هذه المحطات على الأنهار التى تحتوي على سدود وقناطر (Run of river plant ) . كما يمكن استخدام الطاقة الكهربية فى غير أوقات ذروة الأحمال الكهربية لرفع المياه وتخزينها فى أماكن مرتفعة ، ثم اعادة اسقاط المياه لإدارة توربينات وتوليد طاقة كهربية في أوقات الذروة وتسمي هذه المحطات المائية (Pump Storage Plant ) . وتتميز المحطات المائية بأنها غير ملوثة للبيئة وتكاليف التشغيل قليلة ( لانعدام استخدام وقود ) مع سرعة إمكانية دخولها فى الخدمة ولذلك فهي تستخدم كمحطات لتغطية الأحمال الكهربية فى أوقات الذرة (Peak load) .


1-1-3 محطات التوليد الغازية Gas Turbine Plants

تتميز هذه المحطات بقلة التكاليف الرئيسية للإنشاء Capital Cast بالمقارنة بالمحطات الحراية ولكن تكاليف التشغيل Running cast تكون مرتفعة و الكفاءة الكلية لتوليد الطاقة الكهربية أقل فهي فى حدود من 20 إلى 25 % لذلك تستخدم هذه المحطات لتغطية أحمال الذروة خاصة وإنها تتميز بسرعة التجهيز للتشغيل.  كما تستخدم مع المحطات الحرارية إن وجدت فى ذات المكان للتوليد باستخدتم الدورة المركبة (Combined cycle) لرفع الكفاءة الكلية للتوليد التى قد تصل إلى 50%. فى هذه الحالة . 

والوقود المستخدم فى هذه المحطات هو الغاز الطبيعي و  يمكن استخدام وقود آخر علي أن يتم استخدام الغازات الناتجة من الإحتراق فى إدارة التوربينات المتصلة بالمولدات الكهربية .


1-1-4 محطات الديزل Diesel Electric Stations 

تتميز هذه المحطات بقلة التكاليف الرئيسية Capital cost  و امكانية سرعة بدء وإنتهاء التوليد الكهربي  وعدم الاحتياج لكميات كبيرة من الماء للتبريد كما فى حالة المحطات الحرارية والغازية. وتستخدم هذه المحطات فى الأماكن التى يكون فيها سعر الوقود الزيتي أرخص من الفحم وبصورة عامة فهذه المحطات ذات قدرة كهربية محدودة (Small Capacity Plants) وتستخدم أيضًا كوحدات للطوارئ Emergency plant.


1-1-5  محطات أخريOther types of Power Stations 

يمكن استخدام طاقة الرياح فى إدارة توربينات متصلة بمولدات لتوليد الطاقة الكهربية وتقام هذه المحطات فى الأماكن التى تكون فيها سرعة الرياح عالية .  كذلك يمكن الاستفادة من طاقة المد والجزر لأمواج البحر لتوليد طاقة كهربية . والقدرة الكهربية لهذه المحطات ما زالت محدودة بالنسبة للمحطات الحرارية .


1-2  محطات المحولات الكهربية Substations 

تقوم محطات المحولات المرتبطة بمحطات التوليد برفع الجهد الكهربي بواسطة محولات المولدات Machine Transformer حيث أن أقصي قيمة لجهد التوليد تبلغ الآن حوالي 35 الف (كيلو)  فولت رغم التقدم فى استخدام المواد العازلة الكهربية . وتقام محطات التوليد فى أماكن قريبة من توفير الوقود والمياه وهذه ليست بالضرورة من مراكز الأحمال الكهربية و في الغالب يتم نقل الطاقة الكهربية مسافات كبيرة . لذلك يتم رفع الجهد الكهربي لتقليل الفاقد الكهربي فى خطوط النقل الكهربية. و يتم خفض الجهد الكهربي بنسبة معينة قرب مراكز الأحمال الكهربية من خلال ما يسمي بمحولات الشبكة Network Transformers. وتمتد الخطوط إلى محطات التوزيع Distribution Substations حيث يتم خفض الجهد الكهربي مرة ثانية ثم تمتد خطوط  التوزيع الرئيسية Primary feeders إلى محولات التوزيع Distribution Transformers .


1-3  خطوط النقل الكهربية Transmission Lines 

تمتد خطوط النقل الكهربي من محطات التوليد إلى المراكز الرئيسية للأحمال الكهربية Electrical load centers وهي بصورة عامة خطوط هوائية ثلاثية الأوجه Three phase transmission lines معلقة فى أبراج كما تستخدم الكابلات لنقل قدرة كهربية للتيار المستمر D.C. Power وخاصة عبر البحار للربط بين نظامين كهربيين  مختلفي التردد مثلا.


1-4  خطوط التوزيع الكهربي Distribution lines 

تستخدم الكابلات الارضية Underground cables لهذا الغرض إلا فى حالة تقليل التكلفة للخطوط فيمكن استخدام الخطوط الهوائية في الأماكن غير المزدحمة بالسكان ويمكن أيضًا استخدام الكابلات الهوائية .


1-5   الأحمال الكهربية Electrical Loads 

تنقسم الأحمال إلى أحمال استاتيكية Static Loads مثل المقاومات واللمبات وغيرها وأحمال ديناميكية Dynamic Loads مثل المحركات الكهربية  .


1-6  نظم الحماية والقطع Switchgear and Protection System 

يتم تزويد النظام الكهربي من نقطة التوليد إلى نقطة استخدام الطاقة الكهربيةبنظم الحماية سواء الخاصة بقيمة الجهد Voltage أو التيار Current  أو التردد Frequency  مع مجموعة الأجهزة المناسبة لفصل الدائرة الكهربية وقطع التيار بأمان .


1-7  أجهزة تحسين آداء النظام الكهربي Equipment for improving Performance of electric power systems                                                                              

يضاف للنظام الكهربي بعض الأجهزة لتحسين الآداء على سبيل المثال المكثفات Capacitors  لتحسين معامل القدرةالكهربية Power factor وغيرها من الأجهزة .


2-التمثيل الاحادي لنظم القوي الكهربية والرموز المستخدمة 

Single - line Diagram and Equipment Symbols                                     

الهدف من التمثيل الاحادي لنظم القوي الكهربية هو تجميع المعلومات الهامة والخاصة بالنظام وتتغير هذه المعلومات تبعًا لنوع الدراسة التى تجري على النظام. وبصورة عامة يتم تشغيل نظم القوي الكهربية ثلاثية الأوجه فى صورة متماثلة three phase balanced system  وعلي ذلك يمكن تمثيل النظام الثلاثي بدائرة واحدة فقط وتشمل أحد الأوجه One Phase وخط التعادل Neutral line  ويمكن من خلال هذه الدائرة معرفة معلومات الدوائر الأخري (الثانية والثالثة ) .

وتستخدم رموز قياسية Standard symbols  للتعبير عن مكونات النظام . فخطوط النقل الكهربية تمثل بخط مستقيم يصل بين طرفيه. و الأشكال رقم 4.3.2 تعطي رموز للآلات و المحولات الكهربية تبعًا للمواصفات القياسية 

  1. International Electro technical Commission IEC 

  2. American National Standard Institute ANSI 

  3. Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE.


3- كميات الوحدة Per-Unit Quantities 

تعرف كميات الوحدة بأنها عبارة عن النسبة بين الكميات الحقيقية Actual value  إلى كميات ينسب إليها Base Value  وعندما تضرب هذه النسبة فى الرقم 100 يتكون ما يعرف بالنسبة المئوية Percentage Value . وتتميز كميات الوحدة عن النسب المئوية أنه عند ضرب قيمتان تكون القيمة الناتجة معبر عنها أيضًا بالوحدة . ولكن فى حالة النسب المئوية لا بد أن يقسم الناتج على 100 حتى يكون الناتج أيضًا نسبة مئوية . وكميات الجهد والتيار والممانعة والقدرة الظاهرية 

(Voltage, current, impedance, and apparent power in KVA) كميات مرتبطة بعضها ببعض ، لذلك فإن إختيار القيم المنسوبة (base value) لكميتين يحدد مباشرة القيم المنسوبة للإثنين الآخرين. وبصورة عامة يتم إختيار الجهد KV والقدرة الظاهرية KVA كأساس تحدد فيه القيم المنسوبة الأخري. 

Base current in A = (Base KVA) / (Base KV)


Base impedance in Ω = (Base voltage in KV) 2 x 1000 / (Base in KVA)

=  (Base voltage in KV) 2 / (Base in MVA)


وفى حالة الدوائر ذات الثلاثة أوجه المتماثلة Balanced three phase circuit  تحل هذه الدوائر باستخدام مكافئ الدائرة الاحادية (line -  to -  neutral equivalent circuit)   والتى يستخدم فيها جهد الوجه والقدرة الظاهرية للوجه الواحد . ولكن بصورة عامة يعطي دائمًا الجهد الكهربي للخط (Line Voltage)  و القدرة الظاهرية الكلية  (3- phase KVA )  لذلك يتم الحساب طبقا للتالي: 

Base current in Amperes =  (Base KVA (3 phase) x √3 / (3 x Base line voltage in KV)

= (Base KVA (3 phase) / √3 (Base line voltage in KV)  


Base impedance =  (Base line voltage in KV/ √3) 2 x 1000/ (Base KVA)/3

= (Base line voltage in KV  / (Base MVA)

وهذه العلاقة مماثلة لحالة التمثيل للوجه الاحادي Single phase  . 

ولتغيير القيم المنسوبة لها كميات الوحدة (per unit quantities )  تتبع العلاقة التالية فى حالة حساب الممانعة :

Zpu new = Zpu old x (KV base old / KV base new )2 x (MVA base new / MVA base old)



و يمكن تلخيص مميزات كميات الوحدة فى الآتي :

  1. يعطي المصنع قيمة الممانعة للمعدات الكهربية بالوحدة أو كنسبة منسوبة للجهد والقدرة الظاهرة المقننة للجهاز Name plate rating 
  2. تقع قيم الممانعة لمعدات كهربية متماثلة (Same type ) ومختلفة فى القيمة المقننة للسعة Different rating  فى مدي ضيق بحيث يمكن من الجداول تحديد قيمة مناسبة فى حالة عدم توافر قيمة الممانعة للمعدة الكهربية 
  3. عند إعطاء قيمة الممانعة بالأوم لابد من ذكر قيمة الجهد الكهربي المنسوب له هذه الممانعة كما فى حالة المحول الكهربي ولكن عند إعطاء القيمة بالوحدة فستكون متساوية بالنسبة لطرفي المحول .
  4. طريقة توصيل الملفات فى المحولات ثلاثية الأوجه لا تؤثر على قيمة الممانعة مقدرة بالوحدة فى الدائرة المكافئة .

ويوضح المثال المرفق طريقة تمثيل مكونات الشبكة و حساب كميات الوحدة لها.

تمثيل المحولات الكهربية احادي الوجه

شكل (2) : تمثيل المحولات الكهربية احادي الوجه


تمثيل المحولات الكهربية ثلاثي الوجه


شكل (3) : تمثيل المحولات الكهربية ثلاثي الوجه








شكل (4) : تمثيل المحركات و المولدات  الكهربية

شكل (4) : تمثيل المحركات و المولدات  الكهربية

مثال : 

Single line diagram of a model system

Single line diagram of a model system


3 -phase Generator 

Rating = 30 MVA

Voltage = 13.8 KV

X” d = 15 %

Motors : Rating of motor 1 = 20 MVA

Rating of Motor 2 = 10 MVA

Voltage of both = 12.5 KV

X’ d = 20 %

Transforms : Rating of each transformer = 35 MVA

Voltage ratio 13.2 Δ/ 115 Y KV

X = 10 %

Transmission Line : X = 80 Ω


Draw the single line diagram with all reactance marked in per unit. Select the generator rating as base in the generator circuit. 


Solution: 

Base MVA = 30 MVA

Base voltage in generator level = 13.8 KV

Base voltage in transmission zone  = 13.8/ 13.2 x 115 = 120 KV

Base voltage in motor circuit = 120 x 13.2 /115 = 13.8 KV


X of T.L. =  X in  Ω x MVA b / ( KVb)2

= 80 x 30 / (120)2  = 0.167 p.u.

X of Transformer = 10/100 x 30/35 x (13.2/13.8)2 = 0.0784 p.u.

X of motor1 = 20/100 x 30/20 x (12.5/13.8 )2 = 0.246 p.u.

X of motor1 = 20/100 x 30/10 x (12.5/13.8 )2 = 0.492 p.u.