تمثيل نظم القوي الكهربية

تمثيل نظم القوي الكهربية
Power System Representation

1- مكونات نظم القوي الكهربية
يوضح الشكل (1) مخططا مبطسا لمكونات نظام القوي الكهربي و ارتباط هذه
المكونات مع بعضها. و فيما يلي شرحا لهذه المكونات.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

1-1 محطات التوليد الكهربية
1-1-1 محطات حراريةThermal 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) .

2-1-1 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 (
لإنعدام استخدام وقود ) مع سرعة امكانية دخولها فى الخدمة ولذلك فهي تستخدم
كمحطات لتغطية الأحمال الكهربية فى اوقات الذرة (Peak load)

3-1-1 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.

5-1-1 محطات أخري Other 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 .

3-1 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 فى 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 Vol***e 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 **** Value وعندما تضرب هذه النسبة فى الرقم
100 يتكون ما يعرف بالنسبة المئوية Percen***e 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
(Vol***e, current, impedance, and apparent power in KVA) كميات مرتبطة
بعضها ببعض ، لذلك فإن إختيار القيم المنسوبة (**** value) لكميتين يحدد
مباشرة القيم المنسوبة للإثنين الآخرين. وبصورة عامة يتم إختيار الجهد KV
والقدرة الظاهرية KVA كأساس تحدد فيه القيم المنسوبة الأخري.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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 :

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

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 .

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

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

مثال :

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

3 -phase Generator
Rating = 30 MVA
Vol***e = 13.8 KV
X” d = 15 %
Motors : Rating of motor 1 = 20 MVA
Rating of Motor 2 = 10 MVA
Vol***e of both = 12.5 KV
X’ d = 20 %
Transforms : Rating of each transformer = 35 MVA
Vol***e ratio 13.2 / 115 Y KV
X = 10 %
Transmission Line : X = 80 

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

Solution:
**** MVA = 30 MVA
**** vol***e in generator level = 13.8 KV
**** vol***e in transmission zone = 13.8/ 13.2 x 115 = 120 KV
**** vol***e in motor circuit = 120 x 13.2 /115 = 13.8 KV

X of T.L. = X in  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.

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]

» الأعطال في نظم القوي الكهربية
» نظم التغذية ونقل الطاقة الكهربية
» النظم الكهربية الغير متماثلة
» وقاية المولدات الكهربية
» خطوط نقل القوى الكهربية