19. نظم التغذية ونقل الطاقة الكهربية Supply Systems & Transmission of Electrical Energy

1- اختيار دوائر التغذية Choice of Supply Circuits 

1-1 تغذية بجهد يساوي جهد المولد 

يعتمد اختيار  المخطط الكهربي لمحطات القوي على طبيعة الأحمال وأهمية استمرار التغذية لها ، كذلك على المرونة فى التشغيل وسهولة إجراء الصيانة للمعدات الكهربية ، ويوجد عديد من المخططات المنفذة لكن بصور رئيسية يمكن اعتبارها تندرج من إحدى المخططات الأساسية أو إنها عبارة عن خليط منها. وتندرج هذه المخططات من دائرة واحدة إشعاعية بسيطة إلى عدة دوائر متداخلة للمحافظة على استمرارية التغذية الكهربية ويعني ذلك زيادة فى استخدام نظم الحماية وبالتالي زيادة فى التكلفة الاقتصادية مع تعقيد فى التشغيل .


يوضح شكل  (1) عدة أنظمة للقضبان (Buses) والتى تتصل بمغذيات (Feeders) ذات جهد يساوي جهد التوليد ، والجزء (a) من الشكل يمثل أبسط المخططات الكهربية والتى يمكن أن نقطع التغذية عن الأحمال لفترة . ويوجد جهاز قطع (circuit breaker) للمولد ، كذلك على كل مغذي لتوصيل الأحمال والحماية فى حالة القصر . ويوجد على كل مغذي أيضًا مفتاح فصل disconnecting switch والهدف  منه هو الحماية الأحتياطية back up  عند إجراء صيانة فى جهاز القطع المفتوح علي المغذي. و في أغلب الأحيان يتصل هذا المفتاح بالأرضي للحماية وتسريب أي شحنة متبقية.


 فى الجزء (b) من الشكل يستخدم قضيبان وأجهزة القطع والمفاتيح وذلك للأحمال التي تتطلب استمرارية فى التغذية ويمكن إجراء صيانة لجهاز قطع المولد أو القضيب دون انقطاع للتغذية وتوفير الحماية للأشخاص الذين يقومون بعمليات الصيانة.

 والجزئان (c) ، (d) مخططان أقل فى المرونة من (b) .


عند استخدام قضيبان للتوزيع يمكن أن يصل بينهم جهاز قطع Selector breaker لاختيار قضيب التغذية كذلك يعمل فى حالة عطل جهاز قطع المغذي كحماية أحتياطية فى حالة القصر على المغذي .

19. نظم التغذية ونقل الطاقة الكهربية   Supply Systems & Transmission of Electrical Energy


شكل (1)


ويستخدم جهاز قطع على القضيب bus - tie breaker وذلك عند التغذية بأكثر من مولد بحيث ينتهي كل مولد على جزء من القضيب و ذلك لتجنب فرق الجهد في القيمة و الزاوية علي جزئي القضيب خلال المفاعلة عند انقطاع التغذية من أحد المولدات والتى تسبب تيارات دوارة فى الدائرة circulating current .

و الجزئان (f) ، (e) يبيان مخططا أكثر تطورًا.

وفى كل المخططات السابقة لا بد من توافر محولات التيار والجهد التى تغذي أجهزة الحماية . كذلك أجهزة القياس للكميات الكهربية مثل التيار والجهد و وحدات التحكم التى تمكن مشغل النظام operator من توصيل أو فصل أي معدة كهربية . كذلك لا بد من توفر قضيب التأريض Ground Bus لتأريض المغذيات أثناء الصيانة لها أو الإصلاح . كذلك قد توجد حوائط عازلة للنيران Fire walls بين أجزاء القضبان منعًا لامتداد النيران إلى كل الأجزاء .


1-2 تغذية من خلال محولات رفع الجهد 

فى هذه الحالة تستخدم المحولات لرفع جهد التوليد وتوجد عدة مخططات بينهما شكل (2) حيث يمكن أن يرتبط كل مولد بمحول ثم بمغذي ، جزء (a) من الشكل . أو تتم تغذية المولدات على قضيب تخرج منه مغذيات ذات جهد يساوي جهد التوليد والأخري على محولات لرفع الجهد ، جزء (b) من الشكل ، والجزء (c) من نفس الشكل يوضح مخططا يسمح باستمرارية التغذية طوال الوقت أما الشكل (d) فيسمح بمرونة فى التشغيل مع استخدام عدد أقل من أجهزة القطع عن الحالة (c) .


2- أهمية خطوط نقل الطاقة الكهربية :

تستخدم خطوط النقل Transmission lines لنقل الطاقة الكهربية من أماكن التوليد سواء محطات مائية حرارية -  غازية -  نووية وغيرها إلى أماكن مراكز الأحمال الكهربية. كذلك تستخدم الخطوط -  تسمي خطوط الربط Tie line  - لربط نظم القوي الكهربية .


3- نظم وجهد خطوط نقل الطاقة الكهربية :

3-1 النقل باستخدام الجهود المنخفضة والتيار المستمر Transmission by low voltage direct current

3-1-1 النظام الإشعاعي Radial system 

هذه أول طريقة استخدمت لنقل الطاقة الكهربية ويوضح شكل (3) رسما تخطيطيا للنظام وتحدد مساحة مقطع الكابل على أساس قيمة التيار المسموح بمروره ( Current carrying capacity ) كذلك التغيرات فى الجهد عند الأحمال الكهربية لا تزيد عن نسبة معينة ( 5% - 6 %)  (Voltage regulation) . والعيب الرئيسي لهذا النظام هو انقطاع التغذية عن الأحمال على موزع إذا حدث به عطل .

شكل (2)


شكل (3)




3-1-2 النظام الحلقي Ring system 

يوضح شكل (4) مخطط هذا النظام والذي يمكن فيه تجنب انقطاع التغذية عن الأحمال إذا حدق عطل فى الموزع حيث تتم التغذية من الجهة الأخرى كذلك يمكن أن يغذي الحلقة أكثر من مولد ، كما هو موضح فى شكل (5) .

شكل (4) : نظام تغذية حلقي من مصدر احادي

شكل (4) : نظام تغذية حلقي من مصدر احادي


نظام تغذية حلقي من مصادر متعددة

شكل (5) : نظام تغذية حلقي من مصادر متعددة


3-1-3 نظام تلاقي الأسلاك Wire system 

في حالة نقل طاقة كهربية كبيرة يتطلب ذلك خطوط نقل ذات مقطع كبير (cross section area) وبالتالي تكلفة عالية . لذا يمكن أن يستخدم نظام تلاقي الأسلاك كما هو موضح فى شكل رقم (6) حيث تتم التغذية فى الدائرة N-1 من خلال المولد الأول ، والدائرة N-2 من خلال المولد الثاني . ويتصل فقط خط التعادل للمولدين بعضهما ببعض وبالأرض. لذلك يحمل الخط N  الفرق فى التيار ويمكن بذلك تقليل مساحة مقطع السلك الي حد معين حيث انه بتقليل مساحة المقطع سوف ترتفع مقاومة السلك وبالتالي يزيد فرق الجهد وتزيد قيمة جهد الأرض (Earth potential) وفى الغالب يستخدم خط كهربي N ذو مساحة مقطع تساوي نصف مساحة مقطع الخطوط الخارجية (1-2) .

نظام ثلاثي الأسلاك

شكل (6): نظام ثلاثي الأسلاك


 ولتحديد نسبة الوفر فى المادة الموصلة فى نظام ثلاث أسلاك إلى نظام سلكين  يفرض أن :-

V: voltage between the wires in 2 – wire case I and between the outer and the neutral in 3 - wire case II

P: Power transmitted 

R1: Resistance per unit length for case I.

R2: Resistance per unit length of outer wires in case II 


Resistance of the neutral = 2 R 2 per unit length

I in 2- wire case = P/V

Power loss = 2 I 2 R = 2 (P/V) 2  R1

I in 3- wire case, and assume equal loads ,i.e I1 = I2, I through N=0

I = P / (2V)

Power loss = 2 ( P /2V)2 R2

For equal power loss :

2 / (P/V )2 R1 = 2 ( P/2V)2 R2

R2 = 4 R1

Cross section of the outer is ¼ of that in the 2- wire 

Copper ratio:

3 – wire = (2 x  ¼ ) + (1/2  x ¼ ) = = 31.25

2 – wire 2 x 1 16


Reduction in case of using 3 – wire = 68.75 % 


If the neutral has the some cross section as the outer, the ratio is :

3 – wire = (2 x ¼ ) + (1 x ¼ ) = = 37.5 %

2 – wire 2 x 1         8


Reduction in case of using 3 – wire = 62.5 %


وإذا لم تتساوى الأحمال فى الخطوط الخارجية فى نظام ثلاث أسلاك فإن الوفر سوف يقل. لذلك يفضل أن تكون الأحمال متماثلة فى الدائرتين .


3-2 النقل باستخدام الجهود العالية ومميزاتها Advantages of High Voltage

إذا تم زيادة الجهد الكهربي بمعامل ضربm  (MULTIPLIER) ، حيث m أكبر من الواحد ، فإن كمية المادة المستخدمة فى خطوط النقل سوف تقل بنسبة 1/m2 وذلك لنفس قيمة القدرة المنقولة والفاقد فى القدرة الكهربية . حيث أنه إذا زاد الجهد بمعامل ضرب m فإن التيار سوف يقل بمعامل ضرب 1/m لنفس قيمة القدرة المنقولة وحيث أن الفقد فى الطاقة يساوى المقاومة مضروبة فى مربع التيار لذلك فإنه لنفس قيمة القدرة المفقودة (ohmic loss) سوف تكون المقاومة m2 القيمة السابقة وبالتالي تكون المادة 1/m2 فقط . لكن بزيادة جهد خطوط النقل فلابد من استخدام أبراج وعوازل وأجهزة قطع أعلي فى التكلفة لذلك يجب عمل دراسة فنية واقتصادية لتحديد قيمة الجهد الأمثل optimal transmission voltage طبقًا لكل نظام .


3-2-1 النقل باستخدام التيار المتردد Transmission by alternating current

يتيح استخدام التيار المتردد إمكانية رفع الجهد باستخدام محولات القدرة الكهربية وتوجد نظم عديدة للنقل يتم إيضاحها فى الأجزاء التالية :-

3-2-1-1 نظام أحادي الوجه -  سلكان أو ثلاثة Single phase Two and three - wire systems

يوضح شكل رقم (7) الحالات المختلفة المستخدمة فى النقل حيث يظهر الملف الثانوي للمحول فى الشكل . وفى هذه الحالة أيضًا يتميز النقل بثلاث أسلاك عن النقل بسلكين كما هو الحالي عند استخدام التيار المستمر .

نظام أحادي الوجه -  سلكان أو ثلاثة Single phase Two and three - wire systems

شكل (7) 


3-2-1-2 نظام ثنائي الوجه -  ثلاث أو أربع أسلاك 

تحتوي مولدات الجهد ثنائي الوجه على ملفين متعامدين لذلك تتعامد القوة الدافعة الكهربية المتولدة فى الملفين  ، وشكل رقم (8) يوضح نظام ثلاثي ورباعي الأسلاك حيث يتم فى الأخير تقسيم الملفات إلى جزأين متساويين mid point وتوصيل نقط التقسيم.  والنقل باستخدام هذا النظام محدود للغاية .

نظام ثنائي الوجه -  ثلاث أو أربع أسلاك

شكل (8) : نظلم ثنائي الوجه

3-2-1-3 نظام ثلاثي الأوجه -  ثلاث أو أربع أسلاك 

يمثل النظام ثلاثي الأوجه ثلاثي الأسلاك الغالبية العظمي من نظم النقل . و توصيل الملفات علي شكل نجمة أو دلتا ، شكل (9). 

نظام ثلاثي الأوجه -  ثلاث أو أربع أسلاك

شكل (9) : نظام ثلاثي الأوجه


 وللمقارنة بين كمية المادة الموصلة لخطوط النقل فى هذه الحالة وحالة النقل باستخدام التيار الثابت –2 سلك يفترض تساوى القيمة العظمي للجهد بين الخط والأرضي فى الحالتين .


Let E voltage between conductors in d-c. , I is current 

Power = E I 

Loss = 2 R2 I

R : resistance of each wire per unit length for DC system 


For star connected 3 phase, maximum voltage E,

r.m.s value = E / √ 2

I’ is the r.m.s. value of the line current

Power = 3/√ 2  E I’ cos φ

Loss = 3 R’ I’2

R’ : resistance per wire for 3 phase system

For same transmitted power:

E I = 3/√ 2  E I’ cos φ

And same power loss:

2 R I= 3 R’ I’2


Hence R = R’ / ( 3  cos2 φ )


Each wire in the 3 phase system has a cross section = 1 / ( 3  cos2 φ ) of that in the DC system. As there are 2 conductors in the DC system and 3 in the 3 phase system , then the DC system requires (3/2) / (1/  ( 3  cos2 φ )) = 0.5 as much material.


3-2-1-4 نظام سداسي الأوجه Alternating Current Six Phase Systems

يتكون النظام السداسي من إثنين من النظام الثلاثي متصلين بحيث يكون كل وجه من إحدى النظم الثلاثية مزاح بزاوية 180 درجة من الوجه المقابل فى النظام الثلاثي الثاني . ويوضح شكل (10) نظام سداسي مكون من مجموعتان من الملفات متصلة دلتا والجزء (a) يبين حالة نظام سداسي ذو 6 أسلاك والجزء (b) نظام سداسي ذو 7 أسلاك كذلك معطي شكل متجهات الجهود. ويمكن أيضًا تكوين النظام من مجموعتين من الملفات كل واحد ذو توصيل نجمة. وجدول ( 1) يبين مقارنة بين النظم المختلفة لحالة التيار المتردد بفرض أحمال متماثلة نفس قيمة الجهد بين الأسلاك ونفس قيمة مساحة المقطع والقيم منسوبة لحالة وجه واحد ذي سلكين .


نظام سداسي الأوجه Alternating Current Six Phase Systems

شكل (10)


جدول (1)

Voltage Drop (Approximate)

Power Loss

Amount of conductor

Type of AC system

1.0

1.0

1.0

2- wire

Single Phase

0.25

0.25

1.5

3-wire

0.5

0.5

1.5

3-wre

Two Phase

0.25

0.25

2

4-wire

0.25

0.25

2.5

5-wire

0.167

0.167

1.5

3-wire *

Three Phase

0.5

0.5

1.5

3-wire **

0.167

0.167

2

4-wire

0.042

0.042

3

6-wire

Six Phase

0.042

0.042

3.5

7-wire

* Star voltage same as single phase

** Delta voltage same as single phase

3-2-2 النقل باستخدام التيار المستمر 

فى الآونة الأخيرة زاد استخدام خطوط نقل ذات جهد مستمر وإن كان لازال محدود نسبيًا وذلك للميزات العديدة للتيار الثابت وكذلك للتقدم فى أجهزة ونظم إلكترونيات القوي التى تقوم بتحويل التيار المتغير إلى تيار ثابت والعكس وأول استخدام لهذه الخطوط كان للكابلات الممدودة أسفل مياه البحار كما توجد خطوط هوائية. ومن ميزات هذه الخطوط قلة الفقد فى القدرة المنقولة حيث ينعدم الفقد فى المفاعلة لانعدام وجودها أصلا كذلك يقل الفقد فى الجهد لنفس السبب السابق.


ولا توجد مشاكل الاتزان الكهربي مهما كان طول الخط الكهربي كما هو الحال عندما يحمل الخط تيار مترد لأن التيار ثابت القيمة . كذلك تسبب محطات تحويل التيار المتغير إلى تيار ثابت والعكس تلوث بالتوافقيات Harmonics فى المناطق المحيط بهذه المحطات فى الشبكة . 


4- النظم المتعددة لتغذية الشبكات الكهربية 

شكل رقم (11) يوضح بعض مخططات التغذية لشبكات النقل والجزء a يمثل التغذية المجزأة على القضبان fully sectionalized supply ويمتاز بدرجة عول عالية reliability  ومرونة flexibility ، ولا تنقطع التغذية إذا حدث عطل أو صيانة فى أحد الخطوط one circuit  حيث تقوم الدائرة الأخرى بالتغذية والجزء (b) يمثل التغذية من خلال حلقة looped in supply وفى هذه الحالة تستخدم أجهزة قطع اقل فى العدد بالنسبة للحالة (a) وأيضًا فى هذه الحالة يمكن التغذية المستمرة للأحمال حتى فى حالة عطل أو صيانة فى أحد الخطوط لكن تشغيل المرحلات Relays يتم بصورة أصعب من الحالة (a) .


أما المخطط فى الجزء (c) فهو أقل فى التكلفة من الحالة (a) وأقل قليلا من الحالة (b) ويستخدم فى حالة ما إذا كان قطع التغذية لفترة وجيزة لا يضر . وضبط تشغيل المرحلات أصعب وقد يكون لإزالة قصر لا بد من عمل أكثر من جهاز قطع ، وبصورة عامة فى الشبكات الكبيرة تكون عبارة عن خليط من المخططات السابقة.

19. نظم التغذية ونقل الطاقة الكهربية   Supply Systems & Transmission of Electrical Energy


شكل (11)