جودة الطاقة وتوزيعها في شبكة الطاقة

الجزء الأول: توزيع الطاقة - "نظام الطرق السريعة" للكهرباء

توزيع الطاقة هو المرحلة النهائية في توصيل الكهرباء من محطة التوليد إلى المستخدم النهائي (المنازل، الشركات، الصناعات). يشبه توزيع الطاقة شبكة الطرق المحلية والإقليمية التي تنقل البضائع من مستودع مركزي إلى باب منزلك.

المكونات الرئيسية لنظام التوزيع:

1. محطات التوزيع الفرعية: استقبال الطاقة ذات الجهد العالي من خطوط النقل واستخدام المحولات "لخفض" الجهد إلى مستويات أقل (على سبيل المثال، من 138 كيلو فولت إلى 13 كيلو فولت أو 4 كيلو فولت).

2. المغذيات الأساسية: الدوائر الرئيسية (عادةً على أعمدة خشبية أو تحت الأرض) التي تحمل طاقة الجهد المتوسط هذه عبر منطقة الخدمة.

3. محولات التوزيع: العلب الرمادية المألوفة على الأعمدة أو الصناديق الخضراء على الأرض. تُخفّض هذه العلب الجهد إلى مستوى الاستخدام النهائي (مثلاً، ١٢٠/٢٤٠ فولت للمنازل، و٤٨٠ فولت للمصانع).

4. خطوط التوزيع الثانوية: خطوط الجهد المنخفض التي تمتد من محول التوزيع إلى عداد العميل.

5. المفاتيح والصمامات وقواطع الدائرة: أجهزة الحماية التي تعمل على عزل الأقسام المعيبة لمنع الانقطاعات على نطاق واسع.

هدف توزيع الطاقة: توصيل الطاقة الكهربائية بشكل موثوق وفعال إلى كل عميل، مع الحد الأدنى من الانقطاعات وعلى مستوى الجهد القياسي.

الجزء الثاني: جودة الطاقة - "صحة" الكهرباء

جودة الطاقة هو مقياس لمدى توافق مصدر الطاقة الكهربائية مع الخصائص المثالية. مصدر الطاقة المثالي هو موجة جيبية مثالية ثابتة:

• مقدار الجهد (على سبيل المثال، 120 فولت)

• تكرار (60 هرتز في أمريكا الشمالية، 50 هرتز في العديد من الأماكن الأخرى)

• شكل موجة سلس وغير مشوه

عندما ينحرف العرض في العالم الحقيقي عن هذا المثل الأعلى، نواجه مشكلة "جودة الطاقة".

مشاكل جودة الطاقة الشائعة:

1. انخفاض الجهد (الانخفاضات):

   • ما هو: انخفاض في الجهد على المدى القصير (دورات تصل إلى دقيقة).

   • الأسباب: بدء تشغيل المحركات الكبيرة (مثل المصاعد ووحدات التكييف)، والأعطال في الخطوط المجاورة.

   • التأثيرات: قد يتم إعادة تعيين المعدات الحساسة مثل أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ومحركات السرعة المتغيرة أو تعرضها لخلل.

2. ارتفاع الجهد الكهربائي:

   • ما هو: زيادة في الجهد على المدى القصير.

   • الأسباب: انقطاع مفاجئ للتيار الكهربائي، ضربات البرق.

   • التأثيرات: يمكن أن يؤدي إلى تلف العزل وتقصير عمر المعدات.

3. التوافقيات :

   • ما هو: تشوهات الموجة الجيبية الأساسية، الناجمة عن مضاعفات صحيحة للتردد الأساسي.

   • الأسباب: الأحمال غير الخطية التي تسحب التيار على شكل نبضات بدلاً من السحب بسلاسة (على سبيل المثال، أجهزة الكمبيوتر، ومصابيح LED، ومحركات التردد المتغير، وأنظمة UPS).

   • التأثيرات: ارتفاع درجة حرارة المحولات والموصلات المحايدة، خلل في عمل المعدات الإلكترونية، فشل مجموعة المكثفات.

4. الأحداث العابرة (الطفرات والارتفاعات):

   • ما هو: دفعات قصيرة جدًا وعالية الطاقة من الجهد.

   • الأسباب: ضربات البرق، عمليات تبديل المرافق، التفريغ الكهروستاتيكي.

   • التأثيرات: أضرار فورية وكارثية للمكونات الإلكترونية.

5. الانقطاعات (الانقطاعات):

   • ما هو: فقدان كامل للجهد.

   • الأسباب: الأعطال (على سبيل المثال، سقوط شجرة على خط)، فشل المعدات.

   • التأثيرات: إغلاق العملية، فقدان البيانات، الإزعاج.

6. وميض:

   • ما هو: تغيرات سريعة وواضحة في شدة الضوء.

   • الأسباب: الأحمال الدورية ذات التغيرات السريعة (على سبيل المثال، أفران القوس، اللحامات الكبيرة).

   • التأثيرات: إجهاد العين والإزعاج؛ يمكن أن يكون مشكلة لعمليات التصنيع الحساسة.

الرابط الحاسم: كيف يتفاعل توزيع الطاقة وجودة الطاقة

العلاقة تكافلية، وغالبًا ما تكون عدائية. نظام التوزيع هو مصدر من و حل إلى العديد من مشاكل جودة الطاقة.

1. نظام التوزيع كمصدر للمشاكل:

• أعطال في الشبكة: يمكن أن يؤدي قصر الدائرة الكهربائية على بعد أميال في وحدة التغذية بالتوزيع إلى انخفاض الجهد الذي يؤثر على كل عميل متصل بهذا المغذي.

• عمليات التبديل: عندما تقوم الشركة بإعادة تكوين الشبكة لعزل خطأ أو إجراء صيانة، فقد يتسبب ذلك في حدوث جهد مؤقت أو انقطاعات قصيرة.

• تفاعلات التحميل: إن تشغيل عميل صناعي كبير (مثل المصنع الذي يحتوي على محركات كبيرة) يمكن أن يؤدي إلى انخفاض الجهد والتوافقيات التي تنتشر مرة أخرى عبر نظام التوزيع وتؤثر على جيرانها.

2. نظام التوزيع ضحية للمشاكل:

• التوافقيات التي يولدها العميل: يؤدي انتشار الأحمال غير الخطية (مثل الإلكترونيات الحديثة) في المنازل والشركات إلى إعادة توزيع التوافقيات في نظام التوزيع، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المعدات الكهربائية، مثل المحولات والمكثفات، وتعطلها قبل الأوان.

• عامل القدرة الضعيف: يمكن للأحمال الصناعية مثل المحركات الحثية أن تتسبب في انخفاض معامل القدرة، مما يجبر الشركة على توليد ونقل تيار أكبر مما هو مفيد بالفعل، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة وانخفاض الجهد في شبكة التوزيع.

3. نظام التوزيع كحل:
يعمل المهندسون وشركات المرافق على تحسين نظام التوزيع بشكل مستمر لتعزيز جودة الطاقة.

• منظمات الجهد: ضبط مستوى الجهد تلقائيًا على طول المغذيات للحفاظ عليه ضمن الحدود المقبولة.

• بنوك المكثفات: يتم تركيبها على الأعمدة أو في محطات الطاقة الفرعية لتصحيح معامل القدرة، مما يحسن تنظيم الجهد ويقلل الخسائر.

• محددات تيار الخطأ وأجهزة إعادة الإغلاق المتقدمة: الأجهزة التي يمكنها عزل الأخطاء بسرعة مع الحد الأدنى من التأثير على بقية الشبكة.

• مراقبة جودة الطاقة: تركيب أجهزة استشعار في جميع أنحاء الشبكة لتحديد مصدر أحداث جودة الطاقة وتحديد موقعها وتشخيصها.

السياق الحديث: طريق ذو اتجاهين

تقليديًا، كانت الطاقة تتدفق في اتجاه واحد: من المرافق إلى المستهلك. أما اليوم، ومع صعود موارد الطاقة الموزعة (DERs) مثل الطاقة الشمسية على أسطح المنازل، وطاقة الرياح، وتخزين الطاقة بالبطاريات، أصبح نظام التوزيع معقدًا ومتشابكًا. وهذا يطرح تحديات جديدة في جودة الطاقة:

• ارتفاع الجهد: عندما يقوم منزل مزود بألواح شمسية بتوليد طاقة أكبر مما يستهلك، فإنه يدفع الجهد مرة أخرى إلى الشبكة المحلية، مما قد يتسبب في زيادة الجهد للمنازل المجاورة.

• التوافقيات المستحثة بواسطة العاكس: يمكن أن تكون العاكسات المستخدمة في الألواح الشمسية والبطاريات مصدرًا للتوافقيات إذا لم يتم تصميمها وتصفيتها بشكل صحيح.

لذا،

• توزيع الطاقة هي البنية التحتية المادية المصممة للتسليم بشكل موثوق.

• جودة الطاقة هو المقياس لمدى "نظافة" وثبات الطاقة المقدمة.

لا يمكن لنظام كهربائي موثوق أن يكون قائمًا دون مراعاة كليهما. فنظام التوزيع المتين هو أساس جودة الطاقة، بينما قد تُسبب جودة الطاقة الرديئة ضغطًا على البنية التحتية للتوزيع وتُلحق بها الضرر. في عالمنا الحديث، الرقمي، والمعتمد على الطاقة المتجددة، أصبحت إدارة تفاعلهما أكثر أهمية من أي وقت مضى.