فكرة عامة عن المنظومةالكهربائية البسيطة
دور محطات التحويل في المنظومة الكهربائية
أنواع محطاتالتحويل
مكونات محطات التحويل
مفهوم محطات التحويل
تعتبرمحطات التحويل من إحدى المكونات الرئيسية لأي نظام كهربائي ، إذ ان المنظومةالكهربائية كما هو الحال في دارة كهربائية بسيطة تتكون من مصدر للطاقة وخطوط نقلهاوتوزيعها ومن ثم الجهة المستهلكة لها، و دور محطات التحويل في هذه المنظومة هو دوركبير له اهميته حيث يتمثل بتحويل الفولتيات من قيم لأخرى حتى يتم نقلها أو التعاملمعها بسهولة وسلامة كاملة.
من المعروف لدينا بان الطاقة الكهربائية توّلد فيمحطات التوليد المختلفة حيث يتم اختيار بنائها بناءً على قرب مصادر الوقود و المياهوذلك لمراعاة النواحي الاقتصادية في تكلفة توليد الطاقة الكهربائية ، وقد تكون هذهالمحطات بعيدة عن مراكز استهلاك الطاقة الكهربائية ، لذا لا بد من ضرورة نقل هذهالطاقة الى المستهلكين في اماكن تواجدهم رغم البعد ، مما يجعلنا نحتاج الى استخدامخطوط النقل الطويلة وضمن مسافات شاسعة لضمان وصول الطاقة الكهربائية من محطاتالتوليد الى مراكز الاستهلاك.
ان عملية نقل التيار الكهربائي عبر خطوط النقليترتب عليه فقد في الطاقة الكهربائية المنقولة (Power Losses) وذلك بسبب ان الجزءالمفقود يذهب في تسخين الموصلات الكهربائية ، وكلما زادت قيمة التيار الكهربائيالمار تزداد كمية الفقد في الطاقة المنقولة وهذا يتضح حسب المعادلة ( Ploss = I² * R ) ، اذا يمكن التقليل في الفقد اذا حاولنا تقليل المقاومة (R) ، علما بأن التقليلفي المقاومة يزيد لنا من المقطع العرضي للموصل(Cross Sectional Area) وبالتاليالزيادة في كمية الموصل وزيادة التكلفة المترتبة عليه وخاصة عند الاستخدام لمسافاتطويلة ، لذا قد تعتبر هذه الطريقة غير مجدية من النواحي الاقتصادية ، ومن هنا وجبعلينا التفكر في تقليل الفقد عن طريق تقليل قيم التيار وهذا يتم فعليا من خلال رفعقيم الفولتية الى قيم عليا باستخدام مبدأ عمل محولات القوى الكهربائية التي تقومبرفع قيم الفولتية وتخفيض قيم التيار او بالعكس مع ثبات قيم القدرة وبنفس التردد .
المحول الكهربائي:
المحول الكهربائي عبارة عن جهاز ستاتيكي ( غير متحرك ) وظيفته تحويل تيار متردد ذو فولتية معينة إلى تيار متردد اّخربفولتية اخرى (أعلى أو أقل ) مع ثبات القدرة والقيام بنقل الطاقة الكهربائية منأماكن توليدها الى أماكن استهلاكها ، و تقسم محولات القوى الى محولات رفع أو الىمحولات خفض وتكون وظيفتها إما بالرفع وإما بالخفض.
يتكون المحول الكهربائي منملف ابتدائي – عبارة عن سلك نحاسي معزول – يتصل طرفاه بمصدر التغذية ومن ملف ثانوي –عبارة عن سلك نحاسي معزول – يوصل طرفاه بالحمل الكهربائي او الجهة المستهلكةالمراد إمدادها بالقوة الدافعة الكهربائية ، ويتكون ايضا من قلب حديدي مغلق مصنوعمن الحديد المطاوع السيليكوني على شكل شرائح رقيقة معزولة عن بعضها البعض.
مبدأ عمل المحول الكهربائي:
ومبدأ العمل يعتمد على الحثالكهرومغناطيسي – إذ ان من احدى المزايا الهامة للتيار المتردد مقارنة بالتيارالمستمر إمكانية تغيير فولتيته بسهولة بواسطة الحث الكهرومغناطيسي- في توليد القوىالدافعة الكهربائية في كلا الملفين وتعتمد قيمها على عدد اللفات في كلا الملفين إذان العلاقة بينها طردية كماهي موضحة في المعادلة التالية:
(E1/E2 = N1/N2)
إذانه وبعد الإغلاق لدارة الملف الثانوي وتوصيلها بالحمل الكهربائي فإن التيار المارفي الملف الابتدائي يحدث سيلا مغناطيسيا متناوبا في القلب الحديدي يقوم بدورهبتوليد القوى الدافعة الكهربائية في كل لفة من كلا الملفين.
المنظومةالكهربائية البسيطة
محطات التوليد (: (Power Plants التي تقوم بتوليد وانتاج الطاقة الكهربائية ضمن فولتيات لا تتجاوز ( 25Kv ).
محطات التحويل (نقل)/ محولات الرفع ((Substations/Step-Up Power transformers:
التي تقوم برفع فولتيةالطاقة المولدة في محطات التوليد إلى فولتية الشبكة الكهربائية المقررة.
خطوطالنقل الكهربائي ذات الفولتيات العالية / شبكات النقل (High Voltage Transmission Lines): التي يتم عن طريقها نقل الطاقة الكهربائية المولدة في محطات التوليد الىمحطات التحويل (الخفض) المنشأة بالقرب من مناطق الاستهلاك وهي إما ان تكون عبارة عنشبكات هوائية (Overhead Lines) او كوابل ارضية (Earthing Cables).
محطات التحويل ( نقل )/ محولات الخفض ((Substations/Step-Down transformers:
التي تبنى بالقربمن مناطق الاستهلاك وهي تقوم بخفض فولتية الشبكة الكهربائية العالية إلى فولتيةمتوسطة وذلك تمهيدا لتوزيعها عبر خطوط شبكات التوزيع .
خطوط التوزيع الكهربائيذات الفولتيات المتوسطة / شبكات التوزيع (Medium Voltage Transmission Lines) : التي يتم عن طريقها نقل الطاقة الكهربائية إلى محطات التوزيع المنتشرة في مناطقالاستهلاك وهي إما ان تكون عبارة عن شبكات هوائية (Overhead Lines) او كوابل ارضية (Earthing Cables).
محطات التحويل (توزيع رئيسية)/ محولات الخفض ((Substations/Step-Down transformers: وهي تبنى في المناطق السكنية الكثيفةوبالقرب من الصناعيين المتوسطين و تقوم هذه المحطات بخفض فولتية الشبكة الكهربائيةالمتوسطة إلى فولتية متوسطة اخرى اقل لتوزيعها الى المستهلكين الصناعيين المتوسطينو محطات التوزيع الفرعية.
محطات التحويل (توزيع فرعية)/ محولات الخفض ((Substations/Step-Down transformers: التي تقوم بخفض فولتية الشبكة الكهربائيةالمتوسطة إلى فولتية منخفضة وهي تبنى بالقرب من المستهلكين المنزليين و التجاريين والصناعيين الصغار.
خطوط التوزيع الكهربائي ذات الفولتيات المنخفضة / شبكاتالتوزيع (Low Voltage Transmission Lines): التي يتم عن طريقها نقل الطاقةالكهربائية إلى المستهلك مباشرة وهي إما ان تكون عبارة عن شبكات هوائية (Overhead Lines) او كوابل ارضية (Earthing Cables).
المستهلك (Consumer) : وهو إماان يكون مستهلك منزلي او تجاري او زراعي او صناعي او خدمات.
دور محطات التحويل في نقل وتوزيع الطاقةالكهربائية
أولاً)- إيجاد وتوفير الربط الكهربائي الإقليميلشبكات النقل ما بين الدول المتجاورة مما يزيد من كفاءة واعتمادية الأنظمةالكهربائية من حيث انتاج وتبادل الطاقة الكهربائية بين الدولالمتجاورة.
ثانياً)- إيجاد نقاط الربط المشتركة لمحطات التوليد عن طريقربطها بشبكة النظام الكهربائي الموحد من خلال رفع فولتية مولدات الطاقة الكهربائيةفي محطات التوليد الى فولتية شبكة النظام الموحدة ، وبالتالي التمكن من نقل الطاقةالكهربائية المولدة الى مراكز الاستهلاك.
ثالثاً)- القيام بتخفيض قيمالفولتية العالية و المتوسطة عند مراكز الاستهلاك ضمن الحدود والمتطلبات المناسبةللمستهلك.
رابعاً)- تنظيم فولتية الشبكة الكهربائية عن طريق مبدلات التفريعة (Tape Changers) المركبة داخل محولات القوى وعن طريق المكثفات (Capacitors) والمحاثات (Reactors) المتواجدة في محطات التحويل ذات القدرات العاليةوالمتوسطة.
خامساً)- حماية الدوائر الكهربائية المرتبطة بالنظام الكهربائي مثلدوائر المحولات و دوائر الخطوط عن طريق انظمة الحماية التي تكفل لنا حصر الأجزاءالمتضررة جراء الاعطال دون التأثير بالأجزاء الاخرى ، وبالتالي الاستمرارية في نقلوتوزيع الطاقة الكهربائية.
سادساً)- فصل الدوائر الكهربائية مثل دوائرالخطوط ودوائر المحولات عند الحاجة لإجراءات الصيانة والفحوصات المبرمجة أو عندالحاجة للتوسعة والتركيبات الاضافية عن طريق المفاتيح الكهربائية المتواجدة فيمحطات التحويل .
أنواع محطاتالتحويل
تقسم محطات التحويل إلى قسمين رئيسيين وهما موضحان كمايلي :
أولا- محطات النقل :
وهي المحطات التي تقوم بتحويل فولتية النظامالكهربائي من فولتية عالية إلى فولتية عالية اخرى أو إلى فولتية متوسطة وهي إما انتكون :
محطات رفع وخاصة التي تكون مجاورة لمحطات التوليد ، حيث تقوم برفعفولتية المولدات الى فولتية الشبكة الوطنية الموحدة .
محطات خفض والتي تقومبتحويل الفولتية العالية الى فولتية عالية اخرى ذات قيمة أقل أو الى فولتية متوسطةتمهيدا لتوزيعها على مراكز الاستهلاك.
تقسم محطات النقل من حيث طبيعة و تصميمالمحطة الى قسمين وهما :
1) محطات النقل الخارجية : وهي التي تكون جميع دوائرهاللفولتية العالية في المساحات الخارجية والعازل المحيط بها هو الهواء الخارجيالمحيط ، وأما دوائر الفولتية المتوسطة فتكون داخل مباني خاصة بها والعازل المحيطهو المطاط الصناعي أو البلاستيك المقوى وهي أكثر الانواع انتشارا فيالمملكة…
2) محطات النقل الداخلية : وهي التي تكون جميع مكوناتها موجودة داخلمباني خاصة بها ، حيث تكون معدات ودوائر الفولتية العالية موجودة ضمن انابيب معدنيةمعزولة عن بعضها البعض باستخدام غاز سادس فلوريد الكبريت (SF6) ، وأما دوائرالفولتية المتوسطة فتكون في غرف مخصصة لها ومعزولة بالمطاط الصناعي أو البلاستيكالمقوى… وتسمى هذه المحطات ايضا بمحطات النقل الداخلية التقليدية كون ان محولاتهامتواجدة في الهواء الطلق خارج المباني وموصولة بالقضبان العمومية ومعدات الفولتيةالعالية عن طريق الشبكات الارضية.
ثانيا- محطات التوزيع :
وتقسم محطاتالتوزيع الى محطات توزيع رئيسية ومحطات توزيع فرعية وهي موضحة كما يلي :-
محطاتالتوزيع الرئيسية : وهي التي تقوم بتحويل فولتية شبكة التوزيع الرئيسية من فولتيةمتوسطة الى فولتية متوسطة اخرى ذات قيمة أقل ، وهي إما ان تكون من حيث تصميم المحطة :-
محطات خارجيــة : بحيث تكون جميع دوائرها الرئيسية لكلا الفولتيتينموجودة في الساحات الخارجية والوسط العازل هو الهواء الخارجي المحيط وأما معداتالقياس والحماية فتكون داخل مباني خاصة.
محطات داخليـــة : بحيث تكون جميعدوائرها الرئيسية لكلا الفولتيتين موجودة داخل مبنى خاص باستثناء محولات القوىويكون الوسط العازل للمعدات هو المطاط الصناعي أو البلاستيك المقوى.
محطاتالتوزيع الفرعية : وهي التي تقوم بتحويل فولتية شبكة التوزيع الرئيسية من فولتيةمتوسطة الى فولتية منخفضة تتناسب مع توزيعها على الاحياء السكنية والتجاريةوالخدماتية وغيرها ، وهي إما ان تكون :
محطات داخليـــة : وهذه المحطات يمكنتركيبها ضمن حاويات معدنية مجمعة ومجهزة لتوصيل الخطوط الكهربائية لها بحيث توضععلى قواعد مصممة لها ، ويمكن تركيبها وتصميمها داخل مباني مخصصة أو تحت الشوارعوالارصفة.
محطات خارجيــة : وهذه المحطات تركب في الخارج بحيث قد تكون مركبة علىالأعمدة الكهربائية أو قد تكون مركبة على قواعد أرضية .
مكونات محطات التحويل
أولا- مكونات محطات النقل :
الأجزاء الرئيسة :
1) المحولات (Transformers) : وهي على عدة انواع كمايلي :
المحولات الرئيسية ( محولات القوى ) : وتعمل هذه المحولات على رفع الفولتيةالقادمة من المصدر أو القيام بخفضها وذلك قبل إرسالها عبر الشبكات الكهربائية أوالى محطات التوزيع وهي ذات قدرات عالية .
المحولات المساعدة ( محولات التأريض ) : وهي المحولات التي تكون مرافقة لمحولات القوى الرئيسية ذات القدرة العالية أوالمتوسطة ، ولها عدة فوائد نذكرها كما يلي :
تأمين نقطة تعادل للدارة الثانويةفي محولات القوى .
تزويد احتياجات محطة التحويل بالطاقة الكهربائية كالإنارةوالتدفئة والتبريد والشواحن .
محولات القياس : وهي محولات التيار ومحولاتالفولتية والتي تستخدم لإغراض القياس والحماية وذلك عن طريق تخفيض قيم التياروالفولتية الى قيم مناسبة وحسب المتطلبات الفنية (110V/1A).
2) المفاتيحالكهربائية :
وهي المفاتيح الكهربائية التي تقوم بإجراء عمليات الفصل و الوصلوعمليات العزل و التأريض للاجزاء والدوائر الكهربائية في محطات التحويل ، وهي موضحةكمايلي :
القواطع الآلية (Circuit Breakers) :
وهي القواطع التي تقوم بفصل ووصل التيار الكهربائي للمعدات الكهربائية في الظروف الطبيعية عند الحاجة للصيانة اوالتركيبات الاضافية وفي الظروف غير الطبيعية بسبب الأعطال اللحظية أو الدائمة وهيمهيأة لإطفاء القوس الكهربائي الناتج عن عملية فصل التيار الكهربائي ، ولها عدةأنواع من حيث آلية العمل وطريقة ومادة العزل .
المستعزلات اليدوية (Isolators) :
وهي المستعزلات المستخدمة لتأمين العزل المرئي للدائرة الكهربائية بعد إجراءفصلها بالقاطع الآلي مسبقاً ، إذ يوجد نظام تقافل كهربائي(Interlock) ما بين القاطعالآلي والمستعزل اليدوي بحيث يضمن عدم فتح المستعزل اليدوي إلا بعد فصل الدائرةبالقاطع الآلي وذلك بسبب ان العازل اليدوي لا يمكن به إطفاء الشرارة الناتجة بسببفصل التيار الكهربائي .
مفاتيح التأريض (Earthing Switches) :
وهي المفاتيحالمصاحبة للمستعزلات اليدوية وتستخدم من أجل تاريض الجزء المفصول والمعزول وذلكلتأمين الحماية للعاملين على معدات الدوائر الكهربائية عند عمليات الصيانة والفحصلها.
3) القضبان العمومية :
وهي مخصصة لتجميع الطاقة الكهربائية القادمة منالمصدر تمهيدا لتوزيعها على الاحمال والمحولات ودوائر الخطوط ، وتقسم القضبانالعمومية إلى عدة أقسام وأنظمة تعتمد على قدرة المحطة المغذية وهي :
نظامالقضبان المفرد : والذي يستخدم في المحطات ذات القدرات المنخفضة والفولتياتالمتوسطة .
نظام القضبان المزدوج : والذي يستخدم في المحطات ذات القدرات العاليةوانظمة الفولتية العالية وذلك من أجل الاستفادة من توزيع ونقل الاحمال الكهربائيةفي حالات الصيانة على الدوائر الكهربائية في المحطة وبالتالي استمرارية التغذيةللاحمال الكهربائية.
نظام القضبان الحلقي : والذي يستخدم في المحطات ذات القدراتالعالية وانظمة الفولتية الفائقة ويتكون من عدة مفاتيح كهربائية مربوطة مع بعضهاالبعض على التوالي ،و تربط عدة دوائر كهربائية وذلك من أجل الاستفادة من توزيع ونقلالاحمال الكهربائية في حالات الصيانة على الدوائر الكهربائية في المحطة وبالتالياستمرارية التغذية للاحمال الكهربائية.
4) المواسعات والمحاثات : وهي تستخدملتنظيم الفولتية عن طريق التحكم بالقدرة المراكسة الناتجة في النظام الكهربائي بسببتغير الأحمال إما عن طريق سحبها (إمتصاصها) بالمحاثات أو تعويضها (توليدها) بالمواسعات.
5) حارفات الصواعق الكهربائية : وتستخدم لحماية المحولات والمحاثاتمن الزيادة في الفولتية.
الأجزاء الثانوية :
أجهزة الحماية والقياس : التي تقوم بحماية الدوائر الكهربائية وقياس القيم الكهربائية.
لوحات التحكمومعدات الاتصالات : التي تقوم بالتحكم بتشغيل الاجهزة والمعدات الكهربائية إما عنطريق مركز المراقبة والتحكم باستخدام معدات الاتصالات المتوفرة في المحطة أو مباشرةمن داخلها عن طريق شخص يكون مخول ومكلف بذلك.
دوائر التيار المستمر والتيارالمتردد.
أجهزة الفحص ومعدات السلامة والاطفاء وأجهزة التكييف والتبريدوالتدفئة.
عدادات الطاقة الكهربائية ولوحات تسجيل الاعطال ولوحات الاشارةوالانذار.
نظام التأريض العلوي والسفلي والعوازل الداعمة وأبراج المعدات.
ثانياً- محطات التوزيع :
مكونات محطات التوزيع الرئيسية :
المحولات (Transformers) : وتقسم الى نوعين كمايلي :
محولات القوى (Power Transformers) : تقوم بخفض الفولتية المتوسطة الى قيم متوسطة أقل تمهيدا لتوزيعها على المستهلكين .
محولات التأريض (Earthing Transformers): ولها نفس مبدأ عمل محولات التأريض فيمحطات النقل.
المواسعات (Capacitors) : التي تتحكم بالقدرة المراكسة وبالتاليتنظيم الفولتية وتحسين معمل القدرة.
لوحات المبدلات (Changers Panels) : وهيتتكون من :
قواطع الدارة الكهربائية : تقوم بالفصل والوصل للدوائر الكهربائية فيالظروف الطبيعية وغير الطبيعية.
محولات القياس : التي تقوم بخفض قيم التياروالفولتية من اجل اجهزة الحماية والقياس.
القضبان العمومية: المخصصة لتجميعالطاقة الكهربائية وهي من النوع المفرد.
حارفات الصواعق (Surge Arrestors): حماية معدات محطة التحويل من الزيادة في الفولتية.
لوحات التحكم والقياسوالحماية ولوحات الاشارة والانذار.
معدات الاتصالات والتأريض.
دوائر التيارالمستمر والتيار المتردد وأجهزة الفحص والسلامة والإطفاء.
الفولتيةالمنخفضة
