الفرق بين انواع القدرة الكهربائية

الفرق بين انواع القدرة الكهربائية

أولاً: القدرة الظاهرية أو القدرة الكلية (S)

وهي تعبر عن القدرة الكهربائية الكلية للحمل وهي حاصل ضرب الجهد في التيار ، ولذا تقاس بالفولت أمبير أو بالكيلوفولت أمبير (KVA) ، فمثلا محول كهربائي سعته 500 كيلو فولت أمبير تعني أن قدرة هذا المحول الكلية أو الظاهرية هي 500 كيلوفولت أمبير أي أن حاصل ضرب الجهد على أطراف الملف الابتدائي في التيار الداخل يساوي هذا الرقم. (يُعَبرُ عن المحولات دائماً بدلالة القدرة الكلية لأن المحول جهاز كهربائي ساكن لا يستهلك التيار، - دخله تيار وجهد وخرجه تيار وجهد- أي أن الطاقة الكهربائية تمر بالمحول دون أن تتحول إلى صورة أخرى)

ثانياً: القدرة الفعالة (P)

وهي تعبر عن القدرة الحقيقة المستفاد بها في صورة حركة في المحركات أو في صورة ضوء في المصابيح أو في صورة حرارة في السخانات ... إلخ ، وهي حاصل ضرب الجهد في التيار في جيب تمام الزاوية بين الجهد والتيار ، وهي تقاس بالوات (W)أو بالكيلووات (KW) ، فمثلاً مصباح كهربائي متوهج قدرته 100 وات تعني أن هذا المصباح يستهلك تيار قيمته تساوي 100 وات مقسومة على حاصل ضرب الجهد في جيب تمام الزاوية ((220*1)/100) = 0.45 أمبير، وذلك ليعطي كمية ضوء محددة في حين لو أن المصباح قدرته 150 وات مثلاً ، سيسحب تيار أعلى = ((220*1)/150) = 0.68 أمبير ، ويعطي كمية ضوء أكبر.

ثالثا: القدرة الغير فعالة (Q)

وهي تعبر عن القدرة التي يستهلكها الحمل من دون أن تتحول إلى قدرة نافعة ، فمثلاً القدرة المستهلكة في مغنطة الملفات في المحركات الحثية هي قدرة غير فعالة لأن المحرك يستهلكها من دون أن تترجم إلى حركة ، وهي تقاس بالفار (VAR) أو بالكيلوفار (Kvar) ، وهي حاصل ضرب الجهد في التيار في جيب الزاوية بين موجة الجهد وموجة التيار .

تستهلك الأحمال الكهربية (المواتير-السخانات-الأفران- الخ) مركبتين من الطاقة الكهربية:

الطاقة الفعالة :وهى تقاس بالكيلووات ساعة Kwh ويرمز لها بالرمز(P ) وهى تتحول الى شغل ميكانيكى أو حرارة أو إضاءة

الطاقة الغير فعالة:وهى تقاس بالكيلوفارKVAR ويرمز لها بالرمز (Q) وتأخذ أحد الشكلين:

الطاقة الغير فعالة التي تتطلبها الدوائر الكهربية التأثيرية مثل المحولات والمحركات ...ألخ

الطاقة الغير فعالة التي تتطلبها الدوائر السعوية مثل مكثفات الكابلات ومكثفات القوى ....ألخ

ويعرف المجموع الاتجاهي لكل من القدرة الفعالة والغير فعالة بالقدرة الظاهرية ويرمز لها بالرمز(S)

وهى بالكيلو فولت امبير KVA) S=P+Q).

تقسم الاحمال الى ثلاثة انواع:

حمل مادي Resistance

حمل حثي Inductance

حمل سعوي Capacitance

ويستهلك النوع الاول القدرة الفعالة Active Power وتقاس بkW وهي التي تستهلكها معظم الاحمال العادية كالمنازل ويظهر النوعين الثاني والثالث في المصانع نتيجة لوجود الماتورات (المحركات) وهو الذي ينتج القدرة الغير فعالة Reactive Power وتقاس بVAR أو MVAR وهي قدرة ضارة تقلل من كفاءة التوليد وتؤدي الى خسارات في قدرة محطات التوليد

وعند جمع قيمة الحمل الكلي يتم جمعه جمعا مركبا Complex Function مما ينتج زاوية معينة Angle وعند حساب جيب تمام هذه الزاوية Cos Angle يظهر ما يسمى معامل القدرة Power Factor وهي قيمة بدون وحدة قياس قيمتها اقل او تساوي الواحد. وكلما اقتربت هذه القيمة من الواحد كلما قلت القدرة الغير فعالة وزادت القدرة الفعالة.

الموضوع منقول وقد نشرته للاهمية جزا الله كاتبه كل خير 

موضوع ذو صلة معامل القدرة وكيفية تحسين معامل القدرة 

Read More

أنظمة التغذية في الجهد المتوسط واشكالها

أنظمة التغذية في الجهد المتوسط واشكالها 

وظيفة المغذيات أن تصل بين محطة التوزيع الفرعية (الموزع) وبين محولات التوزيع المنتشرة فى أجزاء المدينة المختلفة، بمعنى آخر أنها تمثل شبكة التوزيع داخل مدينة أو قرية أو مجموعة قرى. و منظومة التوزيع هذه تقع بالكامل فى منطقة الجهد المتوسط .

أشكال منظومة التغذية

وتنقسم أشكال التوزيع فيها إلى عدة أنواع منها:

نظام الشبكات الإشعاعية

يعتبر (Radial Distribution System) أبسط نظام توزيع وأكثره انتشارا في منظومات التوزيع بالقرى والأرياف، وفيه تكون التغذية دائما من جهة واحدة فقط بينما الأحمال فى الجهة الأخرى.

ويتكون هذا النظام من مجموعة من الدوائر المستقلة التي تخرج من محطة المحولات مباشرة ليغذي كل منها منطقة محددة ، وكل دائرة تتكون من المغذي الرئيسي Primary Feeder وعليه قاطع CB مناسب ، ثم تتفرع منه فرعيات أخري وهي التي تتصل بمحولات التوزيع الشكل التالي، التى تخرج منها فرعيات الجهد المنخفض Secondary Feeders .

وتتصل هذه الفرعيات بالمغذي الرئيسي عن طريق مصهرات (Fuses) حتى لا يتسبب حدوث أي خطأ في الفرعيات إلى فصل المغذي الرئيسي بالكامل ، وإن كان الواقع يقول أن هذا الاحتمال وارد جدا ، فقد لا يشعر الفيوز بالعطل ومن ثم تقع مسئولية فصل هذا العطل على القاطع الرئيسى فى المحطة ومن ثم تخرج جميع المحولات الفرعية المركبة على هذا المغذى.

الشكل 1 Radial system

نظام الـ Loop المفتوحة

فى هذا النظام يكون للمغذي الرئيسي مسار مغلق يبدأ من محطة التوزيع (الموزع) وينتهي فيها أيضا ، أي أن نهايتي الموزع تكونان داخل المحطة (الشكل 2)،  ومن ثم فالمغذيات تتمتع بميزة التغذية من جهتين على عكس نظام الـ Radial الذى يتمتع بتغذية من جهة واحدة فقط.

الشكل 2 Open Ring System

لاحظ أن الموزع نفسه يتم تغذيته من جهتين (خلايا رقم 9 و 10 و 5 و 6 ) كما فى الشكل ، وهذا أيضا لزيادة الاعتمادية. كما أن الـ BB المستخدم فى الشكل من النوع Sectionalized Single BB وهو الأكثر انتشارا (الخلتين 7 و 8 تعتبران خلايا ربط).

لاحظ هنا أن الـ Loop مفتوحة وذلك فى الظروف العادية للتشغيل من أجل تقليل قيمة تيار القصر، لأنه إذا كان الحلقة مغلقة وحدث عطل فإن تيار القصر سيغذى من جهتين (ومن مصدرين) وهذا يعنى أن قيمة تيار الـ Short Circuit سيكون مرتفعا ، أما إذا كانت الـ Loop مفتوحة فقد جمعنا بين الحسنيين : أن تيار القصر منخفض وفى نفس الوقت هناك مصدر تغذية احتياطى يمكن استخدامه وقت اللزوم فقط وذلك بغلق مفتاح الفصل الموجود فى الحلقة.

ويتكون هذا النظام من فيوزات أيضا على المحولات المتفرعة من الـ Loop (وقد يستخدم CB أيضا). بالإضافة إلى القاطع الرئيسي الموجود فى بداية الحلقة داخل محطة التوزيع )الموزع( والذى يفتح آليا في حالة فشل الفيوزات فى فصل العطل على الفرع . ويتم تغذية الأحمال بعد ذلك بواسطة الجزء الآخر من المغذي ، لذلك تصميم هذا المغذي يجب أن يتحمل أحمال الجزءين معا.

واضح أن العيب الأساسي لنظام Radial السابق قد تلاشي هنا ، وذلك بضمان استمرارية الخدمة للمستهلكين ولكن على حساب التكلفة العالية . وهذا النظام شائع الاستخدام فى المدن الرئيسية فقط. فى السابق لاحظ أن الخليتين خ 1 ،خ 12 تقومان بتغذية الـ Open Loop مع وجود سكينة مفتوحة فى أحد الأكشاك وذلك لزيادة الاعتمادية فى الشبكة ، فعند حدوث خلل فى أحد الكابلات يتم التغذية من المصدر الآخر.

والمحولات الفرعية فى هذا النظام تكون أكبر حجما من المنظومة السابقة ) Radial ( فلن تجد فى هذا النظام محولات بقدرة عشرات الـ kVA كما فى السابق .ويرتبط كل محول بالـ Loop من خلال ما يعرف بالـ RMU .

وقد تأتى تغذية الموزع جهة اليمين (خ 9 و خ 10) من محطة توزيع بينما تأتى التغذية جهة اليسار (خ 5 ،خ 6 ) من محطة واحدة ، وقد تكونان من مغذيات من نفس المحطة.

نظام الـ Loop المغلقة

فى هذا النظام تكون الحلقة مغلقة حتى فى الظروف العادية ، وهذا يؤدى لزيادة الاعتمادية فالمغذيات تكون هنا دائمة قادمة من محطتين مختلفتين، وبالطبع فاحتمالية أن تخرج كلتا المحطتين هو احتمال ضعيف وبالتالي فالاعتمادية أعلى.

لاحظ فى الشكل 3 أن المحولات الموجودة فى الـ Loop السفلى مثلا مغذاة من خليتين فى (الموزع ) Distribution S/S وهذا الموزع نفسه مغذى من خليتين مختلفتين فى الـ Sub Transmission العلوية ، وهذا يعطى مثالا على حجم التأمين لهذه الشبكات التى تجدها غالبا فى المناطق الهامة.

الشكل 3 Closed Loop system

ويتميز أيضا بأنه الأقل فى المفقودات ففى حالة التغذية الـ Radial يكون التيار فى الـ Sections الأولى من الخط مرتفعا جدا وهذا يتسبب فى ارتفاع قيمة مربع I مضروبا في R بينما لو كانت التغذية من جهتين فسيتوزع التيار بين الجهتين ولا يتراكم فى الأجزاء الأولى ومن ثم تقل المفقودات .

ويترتب على تحسن المفقودات أن يتحسن أيضا توزيع الجهد فلا تجد انخفاضا شديدا فى نهاية الخط كما فى حالة الـ Radial system

لكن بالطبع كل هذا على حساب التكلفة العالية ولذا لا تجد هذا النظام فى مصر إلا نادرا ، لكنه شائع فى دول الخليج. وأهم شئ فى هذا النظام أنه يحتاج إلى Synchronization .

لكن نظام الـ Closed Loop هو الأساسي فى منظومات الجهد الأعلى بدءا من 33kV فما فوق حيث يتم ربط محطات هذه الجهود دائما بنظام الحلقة المغلقة.

منقول من كتاب هندسة القوى الكهربائية للمؤلف أ.د. محمود الجيلاني 

Read More

الاستفادة من الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء

الاستفادة من الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء

يتناول هذا الموضوع الاستفادة من الطاقة الشمسية في توليد الطاقة الكهربائية بالنظام الكهروضوئي ونظام المركزات الشمسية. ويعرض امثلة للمحطات الكهروضوئية وانظمة ارتباطها بالشبكة الموحدة كما يتناول امثلة من انواع المحطات الشمسية الحرارية.

يتم الاستفادة من الطاقة الشمسية فى أغراض توليد الطاقة الكهربية عبر طريقتين أو نظامين :

1 - النظام الكهروضوئي: 

وذلك عبر استخدام الخلايا الكهرضوئية PV Cells تحويل الطاقة الضوئية الشمسية بشكل مباشر إلى كهرباء من خلال تعريض هذه الخلايا للطاقة الضوئية . ويمكن بهذه الطريقة أن نحصل على ما يقرب من 10 - 15 % من الطاقة الساقطة على المتر المربع فى صورة كهرباء مباشرة كما فى الأمثلة الموجودة فى الجزء التالى.

2 - كما يمكن استخدام نظام المركزات الشمسية:

وهى أنظمة تستخدم العدسات والمرايا لتركيز الأشعة الشمسية المتناثرة الحاملة للطاقة الحرارية نحو بقعة معينة ، ووفقاً لآليات متعددة و متنوعة يتم تحويل هذه الحرارة المركزة إلى طاقة كهربية وبالتالي ففي هذا النظام يتم الحصول على الطاقة الكهربية بشكل غير مباشر من الطاقة الشمسية. ونعرض هذا فى المثال الثانى من محطات الطاقة الجديدة.

أمثلة للمحطات الكهربية الكهروضوئية

نستعرض هنا أكبر محطات الطاقة الشمسية في العالم التى تستخدم الألواح الكهروضوئية بناءً على القدرة المنتجة من كل محطة:

1 - محطة ولاية أريزونا

تقع محطة (Agua Caliente Solar Project) الشكل التالي في مدينة يوما في ولاية أريزونا في الولايات المتحدة الأمريكية وهي إلى حد الآن أكبر محطة طاقة شمسية تعمل بتقنية الخلايا الكهروضوئية (PV Photovoltaic solar cell) وتمتد على مساحة تصل إلى 9.7 كم مربع ، و القدرة المركبة إلى الآن هي 400 ميجا وات ، وقد تم تركيب هذه المحطة من قبل شركة (First Solar) حيث تتألف هذه المحطة من 5 مليون لوح من الخلايا الشمسية الرقيقة (thin film) بقدرة تقريبية بين 75 - 77 وات لكل لوح.

Agua Caliente Solar Project

2- محطة شارنكا الهندية

تقع محطة (Charanka Solar Park) الشكل التالي في مدينة شارنكا في الهند ، وتمتد على مساحة تصل إلى 19.8 كم مربع، تعمل أيضا بتقنية الخلايا الكهرضوئية و القدرة المركبة فيه في نهاية عام 2014 وصلت إلى 300 ميجا وات وبتكلفة 280 مليون دولار.

Charanka Solar Park

3 - محطة فى الصين

تقع محطة (Huanghe Golmud Solar Park ) الشكل التالي ( في صحراء جولمود في مقاطعة (Qinghai) في الصين، وتمتد على مساحة 5.64 كم مربع. كانت أكبر محطة خلايا شمسية في العالم (PV Photovoltaic solar cell) عندما تم تركيبها في 2011 وتبلغ قدرتها 200 ميجا وات.

Huanghe Golmud Solar Park

ارتباط منظومة التوليد الشمسية بالشبكة الموحدة

تنوع الأنظمة الكهروضوئية تبعاً للنظام الكهربائي بمعنى ربطها أو عدم ربطها بالشبكة الكهربية ، حيث يوجد نظامان رئيسيان:

1 - نظام منفرد غير مرتبط مع الشبكة ( stand alone or off-Grid system ) الشكل التالي.

2- نظام مرتبط مع الشبكة الكهربية  Grid - connected system الشكل التالي.

وأيضا هذه الأنظمة نفسها من الممكن أن تحتوي على بطاريات لتخزين الطاقة وقت الحاجة إليها أثناء الليل ، أو قد لاتحتوي ، وذلك يعتمد على الغرض من إقامة النظام الكهرضوئي )تغذية منزل بالكهرباء ، توليد الكهرباء لتغذية مضخة المياه …….إلخ  ووفقاً لدراسة اقتصادية وإلى اعتبارات كثيرة. 

وقد يكون هناك نظام للتتبع الشمسى Sun Tracer من أجل الحصول على Max Power وقد تكون الخلايا مثبتة على اتجاه واحد كما فى الشكل التالي.

خلايا غير مزودة بمتتبع شمسى

المثال الثاني من محطات الطاقة الجديدة 

المحطات الشمسية الحرارية 

يمكن توليد الكهرباء باستغلال الحرارة المباشرة لأشعة الشمس، باتباع تقنية الكهرباء الحرارية الشمسية solar thermal electricity. وهذه المحطات البخارية تقوم بتركيز أشعة الشمس فوق مساحات شاسعة بواسطة مرايا مقعرة أو عدسات لامة هائلة، وتركز الأشعة الشمسية لتقع فوق مستقبلات خاصة بها سائل كالزيت يمتص الحرارة ويدور في الأنابيب لتسخين الماء وتحويله لبخار ، وهذا البخار يدير توربينات توليد الكهرباء. ويمكن الاستعانة في الأيام الغائمة أو بالليل بالمحروقات التقليدية كالفحم والنفط والغاز الطبيعي. ويتم بهذه الطريقة تقليل استخدام الوقود الملوث للبيئة.

الأنواع المختلفة من محطات الشمسية الحرارية

ومحطات التوليد هذه تعتمد واحدة من منظومات ثلاث مشهورة:

منظومة القطع المكافئ

هذا النوع يظهر فى الشكل التالي، وفيه يكون سطح المركزات الشمسية العاكس على شكل قطع مكافئ ويتم تركيز الإشعاع المباشر على مستقبل حرارى طولى مركب فى بؤر المركزات لتسخين الزيت (ناقل الحرارة).

والصورة لمحطة في أسبانيا وتعتبر أول محطة في أوروبا تستخدم تقنية المركزات الشمسية parabolic trough solar thermal حيث تم بناءها في 2009 وبقدرة مركبة تقدر ب 150 ميجاوات وتمتلك هذه المحطة خزان ملح مذاب، يتم فيه تخزين الطاقة الحرارية الناتجة عن الشمس خلال النهار لتبقى المحطة عاملة حتى في ساعات عدم وجود الشمس ، وقد بلغ إنتاج هذه المحطة 540 ميجا وات ساعة سنويا.

parabolic trough solar thermal

وأول محطة فى الشرق الأوسط من هذا النوع أنشئت فى مصر (الكريمات – جيزة) الشكل التالي باستخدام تكنولوجيا القطع المكافئ وتصل المساحة الإجمالية للمركزات الشمسية إلى حوالي 220 الف متر مربع ويتم توصيلها على التوالى والتوازى للحصول على درجة الحرارة المطلوبة ، ثم ينتقل الزيت الحرارى المغلى من هذه المركزات إلى مولد البخار التقليدى بالمحطة لإنتاج بخار مشبع بضغط حوالي 20 جوى ودرجة حرارة 400 درجة ، ثم يتم نقله كما فى المحطات البخارية العادية إلى المحمصات ليتكامل مع البخار الذى أنتج فى نفس المحطة ولكن بالوقود العادى (الغاز الطبيعى)، وبالتالي تنخفض نسبة الوقود العادى فى النهاية والأهم من ذلك انخفاض كمية الغازات المنبعثة من احتراقه.


ويوجد أيضا في أبو ظبي محطة شمس 1 بالقرب من مدينة زايد وقد تم تشغيلها فى 2013 وهي تتألف من 258000 ، مرآة على مساحة 2.5 كيلومتر مربع بقدرة إنتاجية تبلغ 100 ميجاوات.

محطة الكريمات

منظومة البرج المركزى

وفيها تستخدم أعداد هائلة من المرايا المسطحة الموزعة حول البرج المركزى الشكل التالي بحيث تنعكس الأشعة الساقطة على المرايا إلى البرج الذى يحتوى على الزيت (ناقل الحرارة).

وبالطبع يمكن إنتاج الكهرباء من هذه المحطات في الليل و بكفاءة عالية ، و ذلك بتخزين الفائض الحراري الكبير من الطاقة الشمسية في مادة ملحية تسمي الملح المذاب (Molten Salt) الذي يمكنه تخزين الطاقة الحرارية في خزانات و من ثم يتم إعادة استخدامها في الليل في عملية إنتاج البخار عن طريق عملية التبادل الحراري . كما يمكن إضافة الغاز أو مشتقات النفط كوقود ثانوي في حالة هبوب العواصف و الغبار و الأمطار و تسمي هذه العملية ب (Hybrid System) أى النظام المزدوج للتوليد.

منظومة القطع الدائرى

وفيها يتم تركيز الإشعاع الشمسى على المبادلات الحرارية فى بؤر المركزات الشمسية الشكل التالي. والمجمع Collector هو جهاز يستخدم لتحويل الطاقة الموجودة في أشعة الشمس أو الإشعاع الشمسي إلى صورة أكثر قابلية للاستخدام والتخزين .

المصدر : كتاب هندسة القوى الكهربائية

Read More

تعرف على المولد الكهربائي وكيفية توليد التيار الكهربائي

مكونات المولد الكهربى

يتناول هذا الموضوع المولد الكهربائي من حيث التركيب ومنظومة التبريد للمولدات وكيف يتم توليد المجال المغناطيسي بالمولدات والعناصر المرتبطة بمنظومة ال Excitation وكيف يتم التحكم أتوماتيكيا فى قيمة الجهد المولد ذو الجهد العالى (Powerformer)

أهم عنصر فى القسام الكهربى هو بالتأكيد المولد. وهو دائما من النوع المعروف بالـ  Synchronous Generator . ويتكون Synchronous Generator من جزئين أساسيين هما Rotor and Stator ، حيث توضع ملفات الـ Field فى الجزء الدوار Rotor الذى يتصل بالتربينة مباشرة ، وهى التى تعطيه الحركة فيدور، فيقطع الفيض المتولد فيه الملفات الموجودة داخل Stator، فيتولد بها جهد كهربى ، أو بمعنى آخر تتولد القدرة الكهربية التي ينتجها المولد والتى تستخدم فى تغذية الأحمال. 

ويتم تغذية ملفات المجال ( field) بتيار مستمر (dc voltage) عن طريق منظومة الإثارة Excitation System.

والشكل التالي يمثل أهم الأجهزة المتصلة بالمولد كما يظهر فى مخططات المحطة، ويليه شكل أكثر تبسيطا. وفيه تلاحظ أن المولد يغذى المحول الرئيسي للوحدة Generator Step Up Transformer ،GSUT كما يغذى أيضا مباشرة كلا من المحول المساعد Unit Auxiliary Transformer ، UAT و يغذى كذلك محول تغذية منظومة المجال المغناطيسي Excitation transformer .

لاحظ وجود مصادر تغذية خارجية External Source مركبة على دوائر المساعدات للمولد ، لأنه فى حالة خروج المولد من الخدمة لا يمكنه أن يسترجع التشغيل دون وجود المساعدات أولا ، وهذه المساعدات تحتاج لمصادر طاقة ، وبما أن المولد لم يرجع للخدمة بعد فلذلك احتجنا لوجود هذه المصادر الخارجية ، التى قد تكون مجرد اتصال بالشبكة العامة أو اتصال بمولد طوارئ بالمحطة.

Generator SLD

وهذه بعض مواصفات للعناصر التى ظهرت فى الشكل السابق:

- Main generator: Turbo generator ، 19KV ، 0.85 pf ، 440 MVA ، 3000 rpm ، 50 Hz- 

- Main Step-Up Transformer: 19/500 KV ، 480 MVA ، two winding ، Shell Type ، ONAF- 

- Auxiliary Transformer: 19/6.6/6.6 KV ، 40 MVA ، Three winding ، Core Type ، ONAF

- Medium voltage switchgear: 6.6KV ، 2500 A ، 40KA short circuit capacity

- Isolated Phase Bus duct (IPB): that connecting Generator ، Aux Transformer and Main 

Transformer ، 19KV ، 16000A

وفيما يلى بعض التفاصيل عن مكونات المولد

العضو الثابت Stator والعضو الدوار Rotor

أما الـ stator فهو عبارة عن رقائق من الصلب السليكونى معزولة عن بعضها بمادة الميكا مكونة معا مجارى أو slots ملفات العضو الثابت كما فى الشكل التالي:

Stator

وهناك ملفات العضو الثابت Stator Windings : 

وهى الملفات التي تنشأ بداخلها القدرة لكهربية المتولدة وتتصل بالمحول الرئيسي مباشرة لنقل هذه القدرة للشبكة الكهربية الموحدة عن طريق محطة المحولات.

وأما الـ Rotor فهو أيضا عبارة عن رقائق من الصلب السليكونى معزولة عن بعضها بمادة الميكا مضغوطة ومركبة على عمود Shaft مكونة معا مجارى العضو الدوار كما فى الشكل التالي:

Rotor

وملفات المجال Field Windings : 

موجودة بالعضو الدوار وتتغذى من منظومة الإثارة Excitation System لتكوين المجال الكهربي اللازم لعملية توليد الكهرباء عن طريق Brushes ، وتتم عملية نقل الكهرباء إليها عن طريق فرش من الكربون تنقل التيار Field Current إلى الملفات الموجودة بالعضو الدوار .

منظومة التبريد للمولدات:

يحتاج المولد إلى منظومة تبريد بسبب الحرارة الناتجة عن المفاقيد الكهربية والمغناطيسية الناتجة عن مرور التيار الكهربي . ويتم التبريد عن طريق منظومتين :

منظومة الهيدروجين Hydrogen Plant .

ماء منزوع الأملاح Demi Water ضمن منظومة Stator Cooling

واستخدام الهيدروجين فى التبريد له ميزات وعيوب ، فمن ميزاته القدرة التبريدية العالية وأنه عازل جيد وأيضا له قدرة عالية على التوصيل الحرارى أكثر من أى غاز آخر ، لكن العيب الخطير أنه يشتعل وينفجر إذا اتحد مع الأكسجين حين تزيد نسبته فى الحيز المغلق عن ( 14 %) لاحظ أنه معزول تماما عن الأكسجين داخل المولد.

ومن هنا كان من أهم إجراءات السلامة عند حدوث عطل بالمولد سرعة طرد الهيدروجين من المولد وذلك بتوصيله بـ Vents عالية خارج المحطة فى الهواء الطلق وتسامى باللهجة المصرية عملية "التفنيت" ، وإلا ستنفجر الوحدة.

ودائما يكون هناك داخل محطة التوليد معمل لفصل الهيدروجين من الماء بالتحليل الكهربى ، ثم تعبئته فى اسطوانات كما فى الشكل التالي لاستخدامه إذا حدث تسريب للهيدروجين الأصلى.

اسطوانات غاز الهيدروجين بالمحطة

كيف يتم توليد المجال المغناطيسي؟

وبصفة عامة فإن الـ Generator عمليا يحتاج إلى ثلاث عناصر إضافية أخرى (سوى الـ Rotor and stator ) ليعمل بصورة صحيحة وهم :

 Exciter

 Permanent Magnet

 Automatic Voltage Regulator

العناصر المرتبطة بمنظومة ال Excitation

أما الـ Exciter ، فهو عبارة عن 3-phase generator صغير نسبيا مقارنة بالمولد الأصلى ، وهو ينتج جهد منخفض (حوالي 500 فولت)، وتيار عالي جدا (حوالي 5000 أمبير)، ويركب هذا المولد الصغير على نفس الـ Shaft الخاص بالمولد الأصلى الكبير. ووظيفته هو تغذية الـ Field الخاص بالمولد الأصلى بتيار DC ، وهو التيار الذى ينتج الفيض المغناطيسى الذى سيقطع ملفات الـ Stator لينتج فيها الكهرباء.

وهنا يبرز سؤالان:

الأول: كيف نحصل على تيار DC من داخل الـ Exciter رغم أنه مولد 3-phase ؟

الثانى : من أين يحصل المولد الصغير" Exciter " على تيار الـ Field الخاص به ؟

بالنسبة للسؤال الأول فإن التيار الـ 3-phase المولد من مغذى المجال ( الـ Exciter ) يتم عمل Rectification له لتحويله من تيار متردد إلى تيار مستمر عن طريق وحدة تحويل تركب داخل المولد.

أما بالنسبة للسؤال الثانى فإن ملفات الـ Field الخاصة بالـ Exciter فى الوضع الطبيعى تحصل على تيارها من المولد لأصلى. و لكن المولد الأصلى لم يبدأ العمل بعد انتظارا للتيار القادم من الـ Exciter ، وهو ما يشبه الفزورة القديمة :

من جاء أولا البيضة أم الدجاجة؟.

ولحل هذه المشكلة تزود المولدات بالـ 3-Phase Generator آخر قبل الـ Exciter ، وهو أصغر منه حجما (جهده حوالي 100 فولت)، لكنه يتميز بأنه مزود بمغناطيس دائم قوى Permanent Magnet ويسمى هذا المولد بالـ PMG ، حيث يولد هذا المغناطيس الدائم فيضا مغناطيسيا يكفى لبدء تشغيل PMG الذى سينتج 3-phase current يتم توحيده بواسطة دائرة توحيد مشابهة للمستخدمة مع الـ Exciter ليقوم بتغذية ملفات الـ Field الخاصة بالـ Exciter .

وبالتالي فالقصة تبدأ كما فى الشكل التالي من PMG الذى يغذى الـ Exciter الذى سينتج تيارا يتم توحيده ليكون هو تيار الـ Field للمولد الأصلى الكبير. مع ملاحظة أن التيار الناتج من المولد الأصلى سيخصص جزء منه لتغذية ملفات Field لـ Exciter بدلا من PMG الذى يتم فصله بعد مرحلة البدء . والشكل التالي يلخص هذه المراحل جميعا.

مخطط أجزاء المولد

أما الشكل الحقيقى لهذه العناصر فتظهر فى الشكل التالي:

صورة محطة توليد

كيف يتم التحكم أتوماتيكيا فى قيمة الجهد؟

أثناء التشغيل الطبيعى فإننا نحتاج إلى الـ (Automatic Voltage Regulator (AVR الذى يقوم بضبط قيم الجهد عند أطراف المولد عند حدوث أى تغيرات غير طبيعية. وهو عبارة عن لوحة إلكترونية تحتوي على دوائر لتوحيد التيار وتحويله من تيار متردد AC (قادم من ملفات العضو الثابت)، إلى تيار مستمر (DC) يتصل بنظام الـ Excitation الرئيسي للمولد حيث تستخدم بعد رفع قيمة الجهد للمولد إلى القيمة المقننة كما فى الشكل التالي.

والـ AVR يتحكم أتوماتيكيا فى نظام الـ Excitation بغرض تثبيت جهد المولد والتغلب على التغيرات المحدودةنسبيا فى قيمة الجهد.

إذا استشعر الـ AVR وجود تغير فى الفولت على أطراف المولد فإن حجم هذا التغير فى الجهد يترجم إلى تيار وإشا رة للثيرستور ويغير قيمة الـ Firing angle للثيرستور داخل الـ Exciter من أجل زيادة قيمة تيار المجال، وبذلك يزداد الفيض المغناطيسي ، ومن ثم يتم تعويض نقص جهد المولد الرئيسي كما فى الشكل التالي:

منظومة التحكم فى جهد المولد

جميع المولدات الكهربية المستخدمة فى الأنواع السابقة تصمم بحيث يكون جهد التوليد فى المحطات التقليدية فى حدود 20 kV ، أما فى محطات الطاقة الجديدة فيكون غالبا أقل من ذلك (فى محطات الرياح يصل إلى 690V فقط) .

لكن الجديد الآن أن بعض الشركات بدأت فى إنتاج مولدات الجهد العالى (High Voltage Generators) ويطلق عليها اسم Powerformers .

والمولد ذو الجهد العالى ) Powerformer ( كما فى الشكل  8 والشكل 9 ، هو أحد التقنيات الحديثة فى مجال توليد الطاقة الكهربية ، وقد تم تصميم أول Powerformer بواسطة شركة ABB بسويسرا فى الخامس والعشرين من فبراير عام 1998 . 

وتعتمد فكرة عمل الـ Powerformer على تصميم مولد لتوليد الطاقة على جهود عالية تصاااال إلى 400 كيلوفولت. ويتيح هذا التصميم توصيل الـ Powerformer على الشبكة الموحدة مباشرة دون الحاجة لاستخدام المحول الرفع للجهد (Step-up Transformer).

الشكل 8

الشكل 9

المولد ذو الجهد العالى (Powerformer)

ويستخدم هذا المولد فى ملفات الجزء الثابت (Stator) كابلات XLPE والتى تتحمل الجهود العالية كما فى الشكل (10)  بدلا من استخدام الملفات ذات المقطع المستطيل (Rectangular Conductors) والتي تستخدم فى المولدات التقليدية. أما بالنسبة للملف الدوار (Rotor) فلا يوجد أى فرق بينه وبين المولدات التقليدية من حيث التصميم.

كابلات الـ XLPE ذات الجهد العالى فى ملفات الـ Stator للـ Powerformer

وفيما يلى بعض من المميزات الناتجة من استخدام الـ Powerformer :

1. الكفاءة الكلية لمحطات التوليد التى تستخدم الـPowerformer تزيد قليلا (بنسبة 1.5 بالمئة تقريبا) عن المحطات ذات المولدات التقليدية.

2. لكن الميزة الأساسية هى أن التكلفة الكلية الثابتة ( Total Fixed Cost) لمحطات التوليد التى تعتمد على الـ Powerformer أقل بكثير من التكلفة للمحطات ذات المولدات التقليدية لنفس قدرات التوليد.

فعلى سبيل المثال فقد تم عمل دارسة على محطة مائية فى الهند إنتاجها السنوى حوالى 3200 جيجاوات ساعة. المحطة التقليدية تتكون من 4 تربينات مائية و 4 مولدات ، و 12 محول أحادى الوجه رافع للجهد (Single-phase Step-up Transformer). وتم عمل الدراسة عن طريق إستبدال المولدات والمحولات بـ 4 من الـ Powerformers مما أدى إلى توفير ما يقرب من 24 بالمئة من التكلفة الكلية الثابتة وكذلك تكلفة الصيانة للمحطة.

3. استخدام الـ Powerformer يؤدى إلى توفير القدرة الكهربية غير الفعالة التى كانت ستضيع داخل محولات رفع الجهد.

4. استخدام الكابلات ذات المقطع الدائرى فى ملفات الـ Stator بدلا من الموصلات ذات المقطع المستطيل يؤدى إلى توزيع منتظم للمجال الكهربيى على الكابلات داخل الـ Stator للمولد مما يؤدى للإستغلال الأمثل للمولد وإمكانية رفع جهود التوليد دون ظهور إجهادات زائدة على العزل للكابلات.

المصدر: كتاب هندسة القوى الكهربائية.

Read More

تعرف على الشبكات الكهربائية الموحدة

الشبكات الكهربية الموحدة

تاريخها، اهميتها، الربط الكهربائي بين الدول العربية واهم ميزات الربط 

أنشأ توماس إيدسون أول محطة لتوليد الكهرباء فى العالم فى نيويورك بأمريكا فى 1882 ، وقد نجح أخيرا، بعد محاولات عديدة فاشلة ، فى توليد تيار كهربى مستمر. وهو صاحب العبارة الأشهر : "أنا لم أفشل ولكنى نجحت في اكتشاف عشرة آلاف طريقة فاشلة". 

وكانت مصر أول دولة عربية دخلتها الكهرباء على شكل مولدات ديزل (وليس محطات توليد) فى 1863 فى عهد الخديوى اسماعيل ، لكن أول محطة توليد كهربية عمومية كانت فى 1895 زمن الاحتلال الانجليزى .

أما الدول العربية ، فالعراق عرف الكهرباء فى 1917 خلال فترة الاحتلال الإنجليزى أيضا ، وكانت بغداد مضاءة بالكامل فى 1928، أما السعودية فقد بدأت باستخدام مولدات الديزل فى أوائل العشرينات .

واستخدمت الكهرباء ضمن شبكة كهربية عمومية فى الكويت في عام 1934 م بعد أن كانت لسنوات تستخدم مولدات الديزل فى استخدامات محدودة ، و في عام 1951 م تم إنشاء أول محطة توليد بمنطقة الشويخ ، وكان جهد الشبكة الكهربية حينها لا يتجاوز ( 11000 ) فولت ، ومع التطور الزمنى أصبح الآن بالكويت رغم صغر مساحتها شبكة قوية بقدرة تتجاوز 13 جيجاوات وبجهد يصل إلى kV 400 .

وأول شبكة كهربية عربية موحدة تضم مستويات مختلفة من الجهود ووحدات توليد متعددة ومتنوعة كانت فى مصر، فقبل إنشاء وزارة الطاقة الكهربية في مصر عام 1964 كان هناك العديد من الشركات والهيئات المسؤولة عن توليد الكهرباء. وكانت بعض أنواع التيارات المستخدمة في مجال التوزيع من النوع الـ DC ، والبعض الآخر كان AC بنوعيه (phase-1 و  3-phase ) . بل كان البعض منهم يعمل على تردد (40Hz)  ، والبعض الآخر على تردد (50Hz)  . وكان جهد التوزيع في بعض المناطق مثل الاسكندرية (110 V)، وفى مناطق أخرى كان الجهد 220V .وبالتالي كان لابد قبل إنشاء شبكة الكهرباء الموحدة التي بإمكانها ربط جميع الشبكات مع بعضها البعض أن يتم أولا توحيد وتنسيق الترددات والجهود التي تأتي من محطات توليد الكهرباء المختلفة، وكذلك توحيد وتنسيق الجهود المستخدمة في النقل والتوزيع.

والآن ، فإن أكبر شبكة كهربية موحدة فى الشرق الأوسط هى الشبكة السعودية ، حيث بلغت قدرات التوليد المتاحة من الكهرباء فى السعودية 65506 ميجاوات بنهاية 2014 ، وبذلك تعد السعودية أكبر منتج للطاقة الكهربية في الشرق الأوسط وشمال أفريقيا تمتلك السعودية أكثر من 50 محطة توليد بأنواع وقود متنوعة ، ويشكل إنتاج المملكة أكثر من 25 % من إنتاج 18 دولة عربية مجتمعة .

بينما تأتى مصر فى المرتبة الثانية من حيث قدرات التوليد بالشبكة الموحدة ، حيث يبلغ إجمالى القدرة المركبة بها حوالي 36000 ميجاوات (2016)، وتقوم بإنتاج ونقل وتوزيع الطاقة على مستويات الجهود المختلفة (500 ، 400، 220 ، 132 ، 66 ، 33 ، 22 ، 11 ك فولت) من خلال محطات التوليد المختلفة بالشبكة (بخارية ، غازية، مركبة ، مائية ، رياح ، شمسية). وتأتى بعد ذلك الإمارات والعراق والكويت والجزائر على الترتيب ثم بقية الدول العربية.

أهمية الشبكات الكهربية الموحدة

فى كل دول العالم يتم ربط محطات التوليد داخل كل دولة معا بشبكة نقل جهد عالى ، بحيث تصبح جميع المولدات تصب فى شبكة واحدة ، وجميع الأحمال تأخذ من نفس هذه الشبكة ، وبالتالى فأنت فى مصر مثلا عندما تقول مثلا أن الكهرباء فى بيتى تأتى من محطة شبرا الخيمة لأنك تسكن بجوار هذه المحطة فهذا خطأ ، والصحيح أن الكهرباء تأتيك من الشبكة الموحدة .

والهدف واضح من هذا الأسلوب فى ربط محطات التوليد معا ، فلو كانت كل محطة مسئولة عن مدينة معينة ، فإن خروج هذه المحطة من الخدمة لأي سبب يعنى فقد الطاقة الكهربية بالكامل فى هذه المدينة ، بينما فى حال ربط المحطات معا ، فإن خروج وحدة توليد يمكن فى معظم الأحيان تعويضها بسهولة من الاحتياطى الموجود فى بقية المحطات المتصلة بالشبكة.

وتتمثل الفائدة الأساسية لربط عدة شبكات كهربية معا في تقليل القدرة الاحتياطية المركبة في كل شبكة ، وبالتالي إلى تخفيض الاستثمارات التى تنفق لبناء محطات جديدة لتلبية الطلب ، دون المساس بدرجة الأمان والاعتمادية في الشبكات المرتبطة. ويؤدي الربط إلى التقليل من الاحتياطي spinning reserve، ويهدف الربط أيضا إلى الاستفادة من إقامة محطات التوليد في المواقع المناسبة لها ، بحيث تكون أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية نتيجة مثلا لتوفر وقود رخيص فائض صعب التصدير أو صعب التخزين في إحدى الدول المرتبطة .

ويهدف الربط أيضا إلى التقليل من تلوث البيئة ، فالجدير بالملاحظة أن معظم محطات التوليد الجديدة فى أوروبا على سبيل المثال تنشأ فى شرق أوروبا الفقير وليس فى غربها الغنى الذى يريد الكهرباء دون تلوث .

الربط الكهربى بين الدول العربية

وإدراكاً لهذه الفوائد ، فقد قام عدد محدود من الدول العربية منذ أوائل الخمسينيات بربط شبكاتهم الكهربية معا. ودول المغرب العربي كان لها السبق فى ذلك ، فعلى سبيل المثال ، تم ربط الجزائر بتونس بدءاً من عام 1952 بخط ربط على جهد 90 ك.ف. وذلك لأغراض الطوارئ فقط ، مثل حدوث أعطال فنية أو عند ارتفاع الطلب بصورة مفاجئة في إحدى الشبكات يمنعها من توفير الطاقة للأحمال الموجودة على شبكتها . وتم ربط المغرب والجزائر بخط ربط على جهد 220 ك.ف في عام 1979 . وبالإضافة إلى الربط القائم بين الجزائر والمغرب على جهد 220 ك.ف. ، قامت الدولتان أيضا بربط شبكات الكهرباء فيهما ، على جهد 400 ك.ف. ، وذلك من خلال خط هوائي بقدرة حوالي MW 900 . وقد دخل هذا الخط في الخدمة عام 2009.

أما دول الخليج فإنهم يرتبطون معا بشبكة واحدة أيضا ، ويوضح الشكل 1 - 1 المخطط العام لشبكة الربط لدول مجلسالتعاون الخليجي. وقد نفذ مشروع الربط على ثلاث مراحل ، بحيث تم في المرحلة الأولى ربط محطة الزور في الكويت بمحطة الفاضلي في المملكة العربية السعودية ، وبمحطة الجسرة في البحرين ، ومحطة الدوحة الجنوبية في قطر ، كل ذلك على جهد 400 ك.ف. وتشكل هذه الخطوط الجزء الشمالي من الربط. أما في المرحلة الثانية ، فتم ربط شبكات الإمارات وعمان ، التي تشكل الجزء الجنوبي. وفي المرحلة الثالثة ، يتم ربط الجزء الشمالي بالجزء الجنوبي .

(ملحوظة: لا توجد خطوط HVDC فى أى جزء من الشبكة لأن الشبكة كلها تردد 50HZ ، رغم أن هناك اختلاف فى التردد بين السعودية وبقية الدول، إلا أن ربط السعودية بالشبكة يتم داخل محطة الفاضلى نفسها بواسطة Back to Back Inverter/Converter sets بدون أى مسافة بينهما)

شبكة الربط الخليجي الموحد

وتوجد حاليا شبكة ربط للكهرباء في مصر والأردن وسوريا ولبنان وليبيا وفلسطين (تم الربط بين الشبكة الكهربية الاردنية مع الشبكة الفلسطينية من خلال مغذي 33 ك.ف من محطة تحويل السويمة بالأردن إلى أريحا بفلسطين ، وهناك ربط كهربى محدود بين غزة مع مصر)، وكان يفترض ضم العراق وتركيا ولكن حالت الظروف السياسية دون ذلك ، والشكل التالي يمثل المخطط العام المفترض لمشروع الربط بين هذه الثمانية دول.

وتفصيليا ، ترتبط مصر كهربيا بالأردن منذ عام 1998 ، عن طريق خط هوائي جهد 500 kV يعبر إلى سيناء من السويس ويمتد حتي الحدود المصرية في طابا ، وداخل محطة طابا يوجد محول بقدرة 750 ميجا ، وجهد 500/400 kV ، ثم تتصل فى المرحلة الأخيرة بشبكة الأردن من خلال كابل بحري بطول 13.3 كم لعبور خليج العقبة على عمق 850 م إلى نقطة الربط بالشبكة الأردنية على جهد 400 kV ، وهذا الكابل البحرى مكون من أربعة فازات ( ثلاثة فى الخدمة والرابع احتياطى يستخدم عند خروج أى Phase لدواعى الصيانة أو بسبب عطل). وتتضمن منظومة الربط أيضا محطات محولات بكل من السويس و طابا.

ملحوظة : الأردن مرتبط بسوريا ، وسوريا مرتبطة بلبنان ، وهذا يعنى أن جميع هذه الدول مرتبطة بمصر.

كما تم تنفيذ الربط أيضا بين مصر و ليبيا على جهد 220 KV ، و تم التشغيل في 28 مايو 1998 ، و كان بين محطة مطروح في مصر و محطة طبرق في ليبيا. اولجزء الخاص بالربط مع ليبيا يبدو على شاشات مركز التحكم القومى كما فى الشكل التالي:

أهم ميزات الربط الكهربى

الميزة الأساسية لهذا الربط يظهر بقوة عند حالات الااا Blackout (الإظلام التام) حيث يفيد هذا الربط فى عملية ال (Restoration ) استعادة الطاقة . وأحيانا تظهر أهميتها فى تبادل الطاقة وقت الذروة ، لكن هذه الميزة الأخيرة لا تظهر إلا إذا كانت الدول المشتركة متباعدة فى خطوط الطول حتى لا تحدث الذروة فيها فى وقت واحد فتصعب عملية التبادل ( مالم تكن الدولة لديها إنتاج كبير يفوق استهلاكها الأقصى ، كما هو الحال مثلا فى قطر التى لديها حوالى 3 جيجاوات فائض إنتاج وهى أكبر دولة عربية فى فائض الإنتاج)، أما فى الظروف العادية فحجم التبادل بين الدول محدود كما يظهر من الجدول التالي الذى يمثل الطاقة المباعة والواردة لمصر من ليبيا والأردن وسوريا ولبنان.

المصدر : هندسة القوى الكهربية للمؤلف : أ.د. محمود الجيلاني 

Read More