1- مقدمة:
تتمثل أهم شروط التصميم الأمثل لشبكات التغذية الكهربية للمنشآت الصناعية فى توفير عول عالى مع مراعاة اقتصاديات وجودة الطاقة الكهربية بالشبكة , وتحدد اقتصاديات المنظومة من خلال تقليص التكلفة السنوية بينما يتوقف مستوي عول التغذية على فئة عول الحمل الكهربي وخواص العملية الإنتاجية, إذ يؤدي التقدير غير الدقيق لتلك البيانات إما إلى خفض عول منظومة التغذية وإما إلى الزيادة غير ضرورية وبالتلى تكلفة عالية . وعمومًا فإنه على المصمم دراسة عدة مرادفات لمنظومة التغذية ويختار أنسبها من خلال دراسات الجدوى الفنية / الاقتصادية .
2- التغذية الكهربية:
2-1 متطلبات أساسية:
لتصميم منظومات التغذية الكهربية للمنشآت الصناعية توجد متطلبات أساسية يجب معرفتها و هى:
- نوعية المنشأة و الطلب على الطاقة الكهربية ( نوع التيار - الجهد - العول ..... وهكذا ).
- خواص البيئة المحيطة
- حساب الأحمال الكهربية لمجموعات مستهلكي الطاقة الكهربية و تحديد الجهد المناسب لشبكة التغذية للمنشأة
- تحديد عدد و قدرة و النوع الأمثل لمحولات القدرة بمحطة المحولات الرئيسية ومحولات التوزيع
- الربط بين محطة المحولات الرئيسية والموزع الرئيسي
- مخطط معدات التوزيع على الجهد العالي لمحطة المحولات الرئيسية (الموزع الرئيسي) ونوعية أكشاك المحولات .
- حساب تيارات القصر واختيار معدات القطع والوقاية فى شبكة الجهد المتوسط .
- حساب تيارات القصر فى شبكة الجهد المنخفض واختيار معدات الوقاية والقواطع
- تصميم شبكة الجهد المنخفض
- اختيار منظومة نقطة التعادل بالورش وفقًَا للخواص التكنولوجية لمستهلكي الطاقة الكهربية
- حساب منظومة التأريض بمحطة المحولات الرئيسية والموزع الرئيسي وأكشاك المحولات وكذا حساب وقاية المحطات من زيادة الجهود العابرة
2-2 متطابات إضافية
توجد متطلبات إضافية- طبقا لطبيعة الأحمال- يمكن تلخيصها فيما يلى :
- دراسة جودة الطاقة الكهربية و الإجراءات الكفيلة بالحفاظ على الجودة فى حدود المواصفات القياسية
- تعويض القدرة غير الفعالة
- حساب استهلاك الطاقة الكهربية واتخاذ الإجراءات الكفيلة للوصول بها إلى معدلات الاستهلاك القياسية
- خفض الفقد فى الطاقة واختيار الطرق والوسائل الكفيلة بذلك
- دراسة عول منظومة التغذية الكهربية وحساب الخسارة الناجمة عند انقطاع التيار
- دراسة حالات التشغيل غير كاملة الوجه للمنظومة وحساب تأثير ذلك على عمل المحركات الكهربية
- دراسة بدء حركة المحركات الكهربية وتأثير ذلك على منظومة التغذية الكهربية
- تنظيم وإجراء الصيانة الوقائية للمعدات الكهربية
- دراسة التحكم والقياس عن بعد لمنظومة التغذية الكهربية
2-3 متطلبات الجدوى و الأمان:
وتشمل :
- الجدوى الفنية / الاقتصادية لمنظومة الشبكات المعتمدة ومرادفات المعدات الكهربية المستخدمة
- الإجراءات اللازمة لتوفير الأمان أثناء تركيب المعدات الكهربية بمنظومة التغذية الكهربية ومتطلبات مقاومة الحريق والحفاظ على المنشأة .
3- البيانات الأساسية لإختيار شبكات النغذية:
يجب توافر البيانات التالية :
- المخطط العام للمنشأة الصناعية مبينًا عليه مواقع الورش وطرق النقل الداخلي والمساحات الخضراء والمواسير فى باطن الأرض والمباني الأخرى .
- الخواص التكنولوجية لعمليات الإنتاج بالمنشأة والورش المختلفة وتقديرات تأثير انقطاع التيار على العملية الإنتاجية .
- الأحمال الكهربية للورش فى صورة القدرة المركبة (القدرة المقننة ومعامل القدرة والكفاءة والجهد المقنن ) فى كل منها وزمن دورة التشغيل للمعدات التى تعمل بمنظومة تشغيل متكررة
- منحنيات الأحمال (الفعالة وغير الفعالة ) للمنشأة والورش المختلفة خلال أيام العمل صيفًا وشتاءًا
- خواص استهلاك الطاقة الكهربية وتأثيرها على جودة لطاقة الكهربية
- مخطط مواقع المعدات بالورش وبيانات خواص البيئة بالورش (مستوي احتراق مواد البناء والمباني ورطوبة الجو وتواجد مواد كيميائية فعالة .. وهكذا )
- البيانات التالية عن مصادر التغذية الكهربية المتاحة للمنشأة :
- (محطات توليد أو محطات محولات ) وقدراتها
- معاوقة مصدر التغذية و قدرة القصر على قضبان المصدر أو سعة القطع لقواطع المصدر
- الجهد على قضبان مصدر التغذية
- القدرة المتاحة من المصدر للمنشأة
- المسافة بين مصدر التغذية والمنشأة
- مقدار القدرة غير الفعالة المتاحة من مصادر التغذية للمنشأة فى حالتي الحمل القصوى والدنيا
- فى حالة إعادة تأهيل منظومة تغذية موجودة بالمنشأة يجب توفير مخطط المنظومة وبيانات المعدات الكهربية المستخدمة ونوع وأحجام الموصلات والكابلات والبارات
4- اختيار مصادر التغذية
تعتبر محطات التوليد وشبكات الربط والتوزيع لشركة الكهرباء مصادر التغذية الرئيسية للمنشآت الصناعية . وفى حالة وجود مجموعات خاصة من الأحمال الكهربية (أفران قوس كهربي .. مثلا ) أو عدم كفاية قدرة المصدر الرئيسي , يتم بناء محطات توليد خاصة بالمنشأة والتى تتحدد سعتها بالهدف من إنشائها ويمكن أن تتأرجح فى حدود واسعة وتبني هذه المحطات من النوع الحراري فى المنشآت بأحمال حرارية كبيرة ويتحدد الموقع الأمثل لبناء محطة التوليد الخاصة فى مركز الأحمال الكهربية وفى حالة تطابق مركز الأحمال الكهربية مع موقع أحد مباني الإنتاج أو مركز حركة نقل داخلي يتم تحريك محطة التوليد الخاصة إلى موقع أقرب ما يكون من مركز الأحمال الكهربية .
وفى حالة المنشآت الصناعية بأحمال فئة "عول أولي " يجب توفير مصدرين مستقلين على الأقل للتغذية . ويعتبر كل من جزئي القضبان المقسمة أو مجموعة من مجموعات منظومة قضبان أحد محطتي توليد أو محطتي محولات مصدر تغذية مستقل فى حالة تغذية كل منها من مصدر تغذية مستقل مع عملها آليًا بنظام 2 من 3 .كذلك تعتبر محطات التوليد الخاصة بالمنشآت الصناعية مصادر تغذية مستقلة فى حالة عدم ربطها بالشبكة الموحدة أو فى حالة تجهيز الرابط ليعمل مع المحطة والشبكة بنظام 2 من 3 .
5- اختيار شبكة التغذية الرئيسية:
تقسم المشآت طبقا للقدرة المركبة إلى منشآت كبيرة (75ميجا وات وأكثر ) ومنشآت متوسطة القدرة ( 5-57 ميجا وات ) و منشآت صغيرة (حتى 5 ميجا وات ) و عموما فإن شبكة التغذية الرئيسية في المنشآت صغيرة و متوسطة القدرة تصمم بمركز واحد لاستقبال الطاقة الكهربية ( محطة محولات رئيسية أو موزع رئيسي ) , وفى حالة تواجد أحمال فئة "عول أولي " تجزأ قضبان محطة الاستقبال ويتم تغذية كل جزء من خط مستقل وتصمم شبكة التغذية الرئيسية بمركز استقبال أو أكثر بالمنشآت الصناعية كبيرة القدرة التى تكون معظم أحمالها من الفئة " عول أولي " وفى حالة وجود مجموعة أحمال كبيرة القدرة وذات طبيعة خاصة أو عندما يتم تطوير المنشأة على مراحل قد يكون من الأجدى اقتصاديا تغذية مجموعة أحمال المرحلة التالية من مركز استقبال منفصل خاصة عندما تقوم مراكز الاستقبال بوظيفتي التحويل وتوزيع الشبكة الداخلية.
فى المنشآت متوسطة وكبيرة القدرة والتى تستقبل التغذية من شبكات الربط (66 ك ف ) والنقل (220ك ف ) يجب التوسع فى استخدام منظومات التغذية العميقة والتى تتميز بوصول الجهد العالي إلى أقرب ما يمكن إلى مراكز الأحمال , حيث تخترق خطوط التغذية العميقة حدود المنشأة وتخرج منها تفريغات إلى عدة محطات محولات تغذية عميقة تقام بالقرب من مراكز الأحمال , وعمومًا فإن محطات محولات التغذية العميقة تبني بمنظومات مبسطة بدون قواطع أو قضبان على الجهد العالي وتتكون أرخص منظومات التغذية العميقة فقط من سكاكين تأريض وسكاكين فصل الحمل على الجهد العالي .
ويتم توزيع الطاقة الكهربية بمعدات توزيع جهد متوسط نمطية وتبني التغذية العميقة على شكل خطوط هوائية رئيسية شكل رقم (1) - أو على شكل خطوط إشعاعية هوائية أو كابلات أرضية - شكل رقم (2) . وتنفذ التغذية العميقة بخطوط هوائية جهد عالي فى البيئات الاعتيادية وقليلة التلوث , وتستخدم الكابلات الأرضية فى الأجواء الأكثر تلوثًا , وتمتاز منظومات التغذية العميقة الإشعاعية بمرونة وسهولة التشغيل مقارنة بالمنظومات ذات الخطوط الرئيسية حيث أن عطب أو إصلاح أحد الخطوط أو المحولات لا يؤثر على عمل محطات المحولات الأخرى .
6- اختيار محطة المحولات الرئيسية :
تصمم محطة المحولات الرئيسية وفقًا للقدرة المركبة للمنشأة ومستوي عول تغذيتها ونوعية الأحمال وتوزيعها داخل حدود المنشأة وكذلك طبقًا لمتطلبات الإنتاج ومنظومات التشغيل وعمومًا فإن محطة المحولات الرئيسية تشتمل على محول واحد أو عدة محولات ومعدات القطع على الجهد العالي والمتوسط وأبسط المحطات تلك التى لا تحتوي على معدات قطع على الجهد العالي حيث تبني
هذه المحطات من وحدات مدمجة (محول متكامل مع سكاكين الفصل على الجهد العالي ) ويمكن استخدامها على جميع الجهود .
وعندما يستحيل استخدام الوحدات المدمجة بدون قواطع وقضبان تصمم محطات المحولات الرئيسية بمجموعة واحدة من القضبان المجزأة على الجهد العالي - شكل رقم (3) وتستخدم محطات المحولات الرئيسية المحتوية على قواطع على الجهد العالي فى حالات نادرة فى المحطات عالية القدرة والتى تحتوي على العديد من مغذيات الخروج والدخول شاملة الخطوط العابرة وتصبح هذه المحطات عالية التكلفة فى حالة توفير مجموعتي قضبان على الجهد العالي إضافة إلى تعقيد منظومات تشغيلها ولتوفير مرونة أكثر فى أعمال الفصل والتعشيق , تبني المحطات الرئيسية بمنظومة قضبان رئيسية وأخري انتقالية إلا أن هذا النوع من المحطات غير شائع الاستخدام بالمنشآت الصناعية وينتشر فى محطات المحولات الكبيرة بالمناطق حيث تحتوي على أعداد كبيرة من مغذيات الدخول والخروج .
وينتشر استخدام منظومات القضبان المجزأة على الجهد المتوسط فى محطات المحولات الرئيسية - شكل رقم (4) - ويعتمد عدد أجزاء القضبان على عدد مغذيات الدخول والخروج ومنظومة توزيع القوي الكهربية داخل المنشأة وفى غالبية الأحوال لا يزيد عدد أجزاء القضبان عن جزئين حيث يعمل كل جزء منفصلا فى حالة التشغيل الاعتيادية ويغذي من خط أو محول مستقل .
وتعمل المحطة ذات القضبان المجزأة بنظام 2 من 3 آليًا مما يسمح باستخدامها فى المنشآت الصناعية بأي مستوي عول , و يذكر أن أبسط المنظومات وأقلها تكلفة تحوي قضبان غير مجزأة إلا أن هذه المنظومة تستخدم فى تغذية الأحمال الكهربية فئة "عول ثالثة " ذلك أنه عند حدوث قصر على القضبان أو عند صيانتها ينقطع التيار عن جميع أحمال المحطة.
ويتم اختيار عدد محولات القوي والقدرة المقننة لها بمحطة المحولات الرئيسية ومحولات التوزيع بورش المنشأة على أسس فنية / اقتصادية وذلك لتأثيرها الكبير على اقتصاديات شبكات التغذية الكهربية للمنشأة الصناعية وتتلخص مؤشرات اختيار المحولات فى عول التغذية والقدرة الكهربية ويتحدد المرادف الأمثل من خلال مقارنة الاستثمارات والتكلفة السنوية لعدة مرادفات وحتى يتم تشغيل منظومات التغذية الكهربية بيسر و يجب التركيز على اختيار ليس أكثر من قدرتين مقننتين للمحولات الرئيسية (بخلاف محولات الخدمة ) مما يؤدي إلى قلة المخزون الاحتياطي وتيسير عملية إحلال المحولات المعطوبة ومن الأفضل - كلما أمكن استخدام محولات بسعة موحدة .
8- اختيار شبكات التوزيع الداخلية:
من خصائص شبكات التوزيع الداخلية كثرة تفرعها واحتوائها على أعداد كبيرة من أجهزة الوقاية مما يؤثر بشدة على المؤشرات الفنية والاقتصادية وعول منظومات التغذية الكهربية ولبناء شبكات التوزيع الداخلي بشكل أمثل يجب مراعاة : الشكل التنفيذي للمراكز الرئيسية للشبكة ومسار الطاقة الكهربية وتيارات القصر وذلك من خلال إعداد عدة مرادفات لتصميم الشبكة كما يجب أن يهتم المصمم بتوفير حلول مناسبة لتغذية أحمال القوي والإضاءة ليلا وفى أيام العطلات والأعياد ولتحقيق الاحتياطي المتبادل يوصي بتوفير كباري قضبان وكابلات بين أكشاك الورش المتقاربة وكذلك بين المغذاة من محولات توزيع مختلفة .
8-1 الأسس العامة فى اختيار شبكات التوزيع الداخلية :
فى الحالة العامة تبني شبكات التوزيع الثانوية بعدة مراحل إلا أنه من غير المجدي بناء منظومات شبكات بأكثر من 2-3 مراحل توزيع تفاديًا لتعقيد توافق معدات القطع والوقاية ويوصي ببناء شبكات بمرحلة توزيع واحدة بالمنشآت الصناعية ذات قدرة مركبة صغيرة .
ويجب ربط تصميم شبكات التوزيع بمنظومة الإنتاج التكنولوجي للمنشأة وذلك بتغذية الأحمال الكهربية لخطوط الإنتاج المتوازية من مصادر مستقلة حتى لا يتوقف خطا الإنتاج عند أحد مصدري التغذية وتغذية معدات الإنتاج المترابطة من مصدر تغذية واحد لضمان توقفها جميعًا فى نفس الوقت عند فصل التغذية الكهربية .
وعند تنفيذ شبكات التوزيع الداخلية للمنشأة الصناعية يجب استعراض مرادفات تحقق أمثل استخدام للوحات التوزيع وأقل طول لمغذيات الشبكة وأقصي اقتصاديات لمعدات القطع والوقاية .
8-2 اختيار شبكات التوزيع الداخلية للمنشآت الصناعية
تبني شبكات التوزيع الثانوية للمنشأة الصناعية إما بمنظومة المغذيات الرئيسية أو بمنظومة إشعاعية أو خليط من المنظومتين يتم اختيار المنظومة طبقًا لعول الأحمال الكهربية ومواقعها على المخطط العام للمنشأة وخواص منظومة التشغيل .
فى المنظومات الإشعاعية تنتقل الطاقة الكهربية مباشرة من مصدر التغذية إلى المستهلك وغالبًا ما تنفذ هذه المنظومات بمراحل توزيع لا تزيد عن مرحلتين وفى المنشآت الصناعية الصغيرة والمتوسطة تبني منظومات التوزيع الإشعاعية بمرحلة توزيع واحدة لتغذية الأحمال الممركزة المنتشرة فى جميع الاتجاهات من مركز التغذية و تحقق منظومات التوزيع الإشعاعية تجزئة عميقة لكل منظومة التغذية الكهربية ابتداء من مصدر التغذية وانتهاء بقضبان الجهد المنخفض فى أكشاك محولات الورش - شكل رقم (5).و تغذي محطات المحولات والموزعات بأحمال فئة " عول أولي " بخطين إشعاعين على الأقل خارجين من جزئي قضبان مصدر التغذية وتغذي أكشاك المحولات ( 400 - 630ك ف أ ) المنتشرة بعيدًا عن مصدر التغذية مع غياب أحمال كهربية فئة " عول أولي وثانية " بمغذي إشعاعي واحد دون احتياطي مع ضمان الإصلاح السريع للمغذي بتوفير طريقة مناسبة لمد الكابلات أما بالنسبة للورش بأحمال فئة " عول ثانية " فتغذي بواسطة مغذيين على التوازي مع توفير سكينيتين لكل كابل ( شكل رقم 5 ).
تستخدم الشبكات الإشعاعية بمرحلتي توزيع وذلك ببناء موزعات بينية فى شبكة توزيع المنشآت الصناعية الكبيرة والمتوسطة حيث تغذي مراكز الأحمال الكبيرة من خلال موزعات - شكل رقم (6) - إذا ليس من المجدي تحميل مركز التغذية الرئيسي للمنشأة المكون من خلايا توزيع مكلفة بأعداد كبيرة من مغذيات الخروج قليلة التحميل وتغذي أكشاك محولات الورش من الموزعات البينية بدون قضبان على الجهد المتوسط ويتم توصيلها بالكابل أو من خلال سكينة فصل الحمل مع توفير أجهزة القطع والوقاية داخل الموزع .
تستخدم شبكات التوزيع بمغذيات رئيسية فى حالة كثرة مراكز الأحمال وعدم جدوى استخدام الشبكات الإشعاعية و تتمثل الميزة الأساسية فى الشبكات بمغذيات رئيسية فى قلة أعداد مواقع الفصل والتعشيق وتزداد جدوى هذه الشبكات عندما تنتشر أكشاك المحولات على مساحة المنشأة فى خطوط شبكة مستقيمة مما يتيح المد المباشر للكابل الرئيسي من مصدر التغذية إلى الأكشاك بأقصر الطرق .
يعاب على الشبكات بمغذيات رئيسية انخفاض عولها مقارنة بالشبكات الإشعاعية بسبب عدم إمكانية توفير منظومات احتياطية على الجهد المنخفض للأكشاك أحادية المحول عند تغذيتها من مغذي رئيسي واحد ويوصي بعدم تغذية أكثر من 2-3 أكشاك محولات (1000 – 2500 ك ف أ ) أو أكثر من 4-5 كشك محولات (250 – 630 ك ف أ ) من مغذي رئيسي واحد ولرفع عول الشبكات بمغذيات رئيسية يتم تطويرها إلى أحد الشكلين التاليين طبقًا لعول التغذية المحقق :
- شبكات متعددة المغذيات الرئيسية بدون احتياطي لتغذية الأحمال فئة "عول ثالثة " - شكل لرقم (7) .
- شبكات متعددة المغذيات الرئيسية المتداخلة ذات العول المرتفع لتغذية باقي فئات العول - شكل رقم (8) .
a) تغذية من مصدر واحد b) تغذية من مصدرين
تفضل الشبكات ثنائية المغذيات الرئيسية المتداخلة لتغذية أكشاك المحولات بالورش أو الموزعات بقضبان مجزأة Fdr2 , Fdr1 – شكل رقم (8) أو أكشاك الورش نائية المحولات بدون قضبان على الجهد المتوسط Fdr4 , Fdr3 - شكل رقم (8) . ويعمل جزءًا قضبان كشك المحولات أو الموزع منفصلين فى حالة التشغيل الاعتيادية . وفى حالة حدوث عطل على أي من أكشاك المحولات على المغذي الرئيسي أو بالموزع تنقل تغذيتها إلى المغذي الرئيسي الباقي بالخدمة .
وفى التصميمات الفعلية قليلا ما يستخدم الشكل الإشعاعي فقط أو الشكل بمغذيات رئيسية فقط وإنما يستخدم توليفة من كليهما للاستفادة من مزايا كل منهما فى بناء منظومة تغذية كهربية بأعلى جدوى فنية اقتصادية .
9- اختيار شبكات التغذية الكهربية بالورش (الحهد المنخفض)
تبني شبكات الورش بالمنشآت الصناعية على جهود حتى 1 كيلو ف ( 380 ف هو الجهد الأكثر شيوعًا ) ومن أهم العوامل التي تؤثر فى اختيار منظومات شبكات الورش مستوي العول المطلوب لتغذية الأحمال- منظومات عملها - مواقعها داخل حدود الورشة - قيم التيار - الجهود المقننة وهناك أهمية خاصة لبيئة مباني الإنتاج التى تقسمها المواصفات القياسية وفقًا لخواص البيئة المحيطة إلى مباني لجو معتدل - حارة - رطبة مبللة - مبللة بشدة - متربة - فعالة كيميائيًا - مناطق قابلة للحريق والانفجار .
وتقسم شبكات الورش إلي شبكات بمغذيات رئيسية وإشعاعية ويسمي مغذي شبكات الورش الخارج من خلية التوزيع جهد منخفض على ثانوي محول التوزيع والمخصص لتغذية أحمال ممركزة كبيرة أو شبكة التوزيع داخل الورش بالمغذي الرئيسي وتصمم المغذيات الرئيسية بسعات كبيرة حتى 6300 أمبير ويخرج منها كثير من التفريعات شكل (9) . وفى أكشاك المحولات التى تحوي محولين تربط مجموعات محول المغذي الرئيسي بواسطة كباري بقاطع كهربي الشكل رقم (10) لتوفير احتياطي متبادل , تتكون منظومات التغذية الإشعاعية من مجموعة مغذيات شبكة الورش الكهربية والتى تخرج من خلية التوزيع جهد منخفض على ثانوي المحول وتخصص لتغذية أعداد قليلة من الأحمال المنشرة فى مختلف مواقع الورشة (شكل رقم (11)) و تستخدم منظومات التوزيع الإشعاعية للورش عند تعذر استخدام المنظومات بمغذيات رئيسية .
