القدرة الكهرابئية إعداد املهندس مثىن حممد كاظم توفيق رئيس مهندسني املديرية العامة لتوزيع كهرابء الكرخ 2017 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق احملتوايت املقدمة 3 ............................................................................................ الفصل االول :دوائر التيار املتناوب (4 ........................................................... )AC دائرة مقاومة خالصة 4 .............................................................................. دائرة احملاثة 6 ...................................................................................... دائرة املتسعة 7 ..................................................................................... دائرة مقاومة وحماثة ومتسعة9 ........................................................................ الفصل الثاين :القدرة الكهرابئية 15 .................................................................... تصنيفات القدرة الكهرابئية 16 ...................................................................... -1القدرة احلقيقية أو الفعالة (16 ............................................ )Active power -2القدرة غري الفعالة (16 ................................................ )Reactive power -3القدرة الظاهرية (17 ................................................. )Apparent power القدرة يف الدوائر ثالثية الطور 17 .................................................................... -1يف حالة ربط (18 ..................................................................... )Y -2يف حالة ربط (∆) 19 ..................................................................... معامل القدرة )21 ..................................................... (Power factor = cos φ أتثري معامل القدرة املنخفض 25 ................................................................ 1 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق حتسني معامل القدرة (25 ...................................... )Improving Power Factor أتثري معامل القدرة املرتفع 31 ................................................................... معامل القدرة يف القابلوات وخطوط النقل 32 ..................................................... الفصل الثالث :إستخدام املتسعات يف الشبكة الكهرابئية 34 ............................................. قيم املتسعات وفق )34 ............................................ (IEEE Standard. 18-2002 تصنيفات جمموعات املتسعات (34 ............................................. )capacitor banks -1املتسعات الثابتة القيمة 35 ................................................................. -2املتسعات املتغرية القيمة (36 ......................................)switched capacitors تركيب جمموعات املتسعات (40 ................................................)capacitor banks املوقع األمثل جملموعة املتسعات على الشبكة 41 ...................................................... حماذير ربط املتسعات على الشبكة 41 ............................................................... املصادر42 .......................................................................................... 2 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق املقدمة ألن الطاقة الكهرابئية اجملهزة واملستهلكة تعد العنصر األساسي احملدد حلجم الشبكة وجناح أداءها ،ومعيار مقدار الربح واخلسارة املالية واإلستثمار يف الشبكة الكهرابئية .لذا سنقدم يف هذا الكراس املتواضع شرحاً عن عناصر الشبكة ونوع احلمل والقدرة الكهرابئية اليت يستهلكها يف شبكات التوزيع وكيفية إجراء حساابهتا واليت حيتاجها مهندسي التوزيع سواءً العاملني يف الشبكات اهلوائية أو يف الدراسات أو التصاميم وكذلك يف تشغيل الرباجميات املتخصصة بتحليل وختطيط الشبكات .راجني املوىل عز وجل أن يوفقنا خلدمة العراق العزيز. 3 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق الفصل االول :دوائر التيار املتناوب ()AC تكون عناصر الدوائر الكهرابئية يف التيار املستمر ( )DCعلى شكل مقاومات فقط ،بينما يف التيار املتناوب ( )ACفعناصر الدوائر الكهرابئية تكون على شكل ممانعات .واملمانعة هي املعارضة أو املعاوقة اليت يالقيها التيار املتناوب أثناء مروره يف املوصل ،وتنقسم إىل ثالثة أنواع (املقاومة ،والرادة احلثية وهي املمانعة اليت تبديها احملاثة، والرادة السعوية وهي املمانعة اليت تبديها املتسعة) .ووحدة قياس املمانعة هي األوم ويرمز له ).(Ω دائرة مقاومة خالصة يف هذه احلالة نالحظ أنه ال يوجد فرق طور بني التيار والفولتية ) (In phaseوقيمة القدرة تساوي حاصل ضرب التيار يف اجلهد وال أتخذ قيمة سالبة ألن حاصل ضرب سالبني موجب ،وترددها ضعف تردد املصدر ،ويسمى هذا النوع من القدرة ابلقدرة احلقيقية أو القدرة الفعالة ( .)Active powerويرمز للمقاومة ابحلرف ) (Rووحدة قياس املقاومة هي األوم ويرمز له ).(Ω 4 مثىن حممد كاظم توفيق.م القدرة الكهرابئية حساب قيمة املقاومة للموصل R= l A ρ = resistivity (or specific resistance) depends on conductor material and its temperature. (Ω. m) l = length of conductor (m) A = Actual conductor area (m2) ρ = 1.724 x 10-8 Ω. m ρ = 2.826 x 10-8 Ω. m for Copper for Aluminum ومن املعلوم عند زايدة درجة احلرارة تزداد قيمة املقاومة وبشكل طردي ووفق املعادلة أدانه حيث ميكن حساب ،) كمرجع واملتوفرة يف جداول األسـالك20Co( قيمة املقاومة ألي درجة حرارة إبستخدام قيمة املقاومة يف درجة .) واملذكور أدانه ولكل نوع من املوصالتα20( واملعامل احلراري للمقاومة عند نفس درجة احلرارة R2 = R1[1 + (t 2 − t1)] R1 = conductor resistance at temperature t1 °C (Ω) R2 = conductor resistance at temperature t2°C (Ω) α = temperature coefficient of resistance of conductor material t1 & t2 = different conductor temperatures (in °C) α20 = 0.00393 for Copper α20 = 0.00404 for Aluminum α20 = 0.00347 for Aluminum Alloy 5 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية حساب قيمة املقاومة من حساابت الفولتية والتيار وفق قانون أوم . . . . . . . . Ohm's law 𝑉 𝐼 =𝑅 دائرة احملاثة احلث ) (Inductanceهو خاصية فيزايئية تعكس قدرة امللف على تركيز الفيض املغناطيسي ،وتؤدي إىل ممانعة الدائرة الكهرابئية ألي تغيري يف التيار الكهرابئي .فاملقاومة تعارض مرور التيار بينما احملاثة تعارض التغيري يف مرور التيار ألن التيار متناوب وتتغري شدته لذا تعتمد الرادة احلثية (املمانعة بسبب احملاثة) على الرتدد .ويرمز للمحاثة ابحلرف ) (Lووحدة قياس احملاثة هي اهلنري ويرمز له ) .(Hويكون طور التيار املتناوب يف احملاثة املثالية متأخراً عن طور الفولتية مبقدار .º 90 6 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق ويعرف جيب متام زاوية فرق الطور بني التيار والفولتية مبعامل القدرة ( ،)power factorلذا فمعامل القدرة للمحاثة املثالية = صفر .أي إهنا ال تستهلك قدرة كهرابئية على شكل حرارة .واذا أخذان مقاومة السلك ابإلعتبار فإن فرق الطور سيقل عن º 90ويكون معامل القدرة صغري ولكن أكرب من الصفر .ونقول إن احملاثة الواقعية هلا معامل قدرة الحق ).)lagging power factor حساب قيمة احملاثة جملموعة من احملااثت حساب قيمة الرادة احلثية ( )Inductive Reactanceوفق املعادلة دائرة املتسعة السعة ) (capacitanceهي خاصية فيزايئية تعكس قدرة املتسعة أو املكثف على ختزين الشحنة الكهرابئية ،وتؤدي إىل ممانعة الدائرة الكهرابئية .وبذلك فهي عكس احملاثة ألن الرادة السعوية (املمانعة بسبب املتسعة) تتناسب عكسياً مع تردد التيار املتناوب .ويرمز للمتسعة ابحلرف ) (Cووحدة قياس السعة هي الفاراد ويرمز له ) .(Fويكون طور التيار املتناوب يف املتسعة املثالية متقدماً على طور الفولتية مبقدار .º 90 7 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق وكما سبق يعرف جيب متام زاوية فرق الطور بني التيار والفولتية مبعامل القدرة ( ،)power factorلذا فمعامل القدرة للمتسعة املثالية = صفر .أي إهنا ال تستهلك قدرة كهرابئية على شكل حرارة .واذا أخذان مقاومة العازل بني لوحي املتسعة ابإلعتبار فإن فرق الطور سيقل عن º 90ويكون معامل القدرة صغري ولكن أكرب من الصفر .ونقول إن املتسعة الواقعية هلا معامل قدرة متقدم ).)leading power factor حساب قيمة السعة جملموعة من املتسعات حساب قيمة الرادة السعوية ( )Capacitive Reactanceيكون وفق املعادلة 8 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق دائرة مقاومة وحماثة ومتسعة حتسب قيم املمانعات على التوايل وحتسب قيم املمانعات على التوازي 9 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 10 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 11 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 12 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 13 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 14 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية الفصل الثاين :القدرة الكهرابئية يف دوائر ( (Active and reactive powerوعملياً قلما جتد دائرة مقاومة خالصة إال وختتلط معها رادة حثية أو سعوية ألن األجهزة حباجة اىل جماالت كهرابئية ومغناطيسية يف احملركات واحملوالت وغريها. )والقدرة ليست حاصل ضرب التيار مع اجلهد فقط بل يدخل عامل آخر يسمى عامل القدرة وهو جيب متام الزاوية بني اجلهد والتيار .الحظ شكل موجة التيار يبني أتخريها عن موجة اجلهد بزاوية )φ 𝜑 𝑠𝑜𝑐 ∗ 𝑉 ∗ 𝐼 = 𝑃 وإذا كانت الدائرة ثالثية األطوار تكون املعادلة 𝜑 𝑠𝑜𝑐 ∗ 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑃 = √3 15 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق تصنيفات القدرة الكهرابئية تصنف القدرة الكهرابئية من حيث اجنازها للشغل أو الطاقة الفعالة اىل ثالث أصناف -: -1القدرة احلقيقية أو الفعالة ()Active power وهي القدرة الفعلية اليت تنجز شغل( )workأو طاقة فعالة .أي اليت تستهلك يف الدائرة بواسطة املقاومة ) )Rويرمز هلا ( )Pووحدة قياسها (.)Watt -2القدرة غري الفعالة ()Reactive power وهي القدرة العائدة اىل املصدر وذلك لنشوء اجملال املغناطيسي /الكهرابئي وتالشيه (بواسطة الرادة احلثية والسعوية )Xويرمز هلا ( )Qووحدة قياسها ( )Volt-Amps-Reactiveوختتصر ) .(VARوقد تنجم عن متسعة أو عن حماثة أو كالمها .يف احلقيقة ميكن القول أهنما متعاكستان يف االجتاه (من الطبيعة األساسية للمتسعة وامللف حيث أن املتسعة يكون فيها أسبقية التيار واحملاثة يكون فيها ختلف التيار) ومتفقتان يف التأثري على الدائرة الكهرابئية .وليس هلا فائدة بل جمرد أهنا تؤدي إىل زايدة التيار اجملهز من املصدر .وميكن متثيلها على شكل كأس حيث متثل الرغوة فيه القدرة غري الفعالة ووجودها ميأل حيز من الكأس بدون أي فائدة. 16 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق -3القدرة الظاهرية ()Apparent power وهي القدرة املسحوبة من املصدر (بواسطة املمانعة )Zويرمز هلا ( )Sووحدة قياسها ( .)VAوهي حاصل ضرب اجلهد والتيار وعدم اخذ فرق الطور بينهما يف االعتبار ،أو حاصل اجلمع اجلربي للقدرة الفعالة والقدرة الغري الفعالة. القدرة يف الدوائر ثالثية الطور 17 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية -1يف حالة ربط ()Y تكون قيم الفولتية والتيار للخط وللطور كما موضحة أدانه وعند تطبيق معادلة حساب القدرة لكل طور على حدة 𝜑 𝑃 = 𝐼𝑝 ∗ 𝑉𝑝 ∗ cos ولألطوار الثالثة جتمع قدرة كل طور من األطوار الثالثة 𝜑 𝑃 = 3 ∗ 𝐼𝑝 ∗ 𝑉𝑝 ∗ cos وعند تعويض قيم الفولتية والتيار للخط (اليت وجدانها فيما سبق) بدالً من الطور 𝑝𝑉𝑉𝐿 = √3 18 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية 𝐿𝑉 √3 = 𝑝𝑉 𝑝𝐼 = 𝐿𝐼 ينتج 𝜑 ∗ cos 𝐿𝑉 √3 ∗ 𝐿𝐼 ∗ 𝑃 = 3 𝜑 𝑃 = √3 ∗ 𝐼𝐿 ∗ 𝑉𝐿 ∗ cos -2يف حالة ربط (∆) تكون قيم الفولتية والتيار للخط وللطور كما موضحة أدانه 19 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية وعند تطبيق معادلة حساب القدرة لكل طور على حدة كما يف احلالة السابقة 𝜑 𝑃 = 𝐼𝑝 ∗ 𝑉𝑝 ∗ cos ولألطوار الثالثة جتمع قدرة كل طور من األطوار الثالثة 𝜑 𝑃 = 3 ∗ 𝐼𝑝 ∗ 𝑉𝑝 ∗ cos وعند تعويض قيم الفولتية والتيار للخط (اليت وجدانها فيما سبق) بدالً من الطور 𝑝𝑉 = 𝐿𝑉 𝑝𝐼𝐼𝐿 = √3 𝐿𝐼 √3 = 𝑝𝐼 ينتج 𝜑 𝑠𝑜𝑐 ∗ 𝐿𝑉 ∗ 𝐿𝐼 √3 ∗𝑃 =3 𝜑 𝑃 = √3 ∗ 𝐼𝐿 ∗ 𝑉𝐿 ∗ cos هذه هي املعادلة العامة حلساب القدرة الكهرابئية وتنطبق على الربط ( )Yو (∆) للدوائر الثالثية الطور. 20 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق معامل القدرة )(Power factor = cos φ هو جيب متام زاوية إزاحة الطور بني التيار واجلهد ويعترب أنسب معامل حلساب قيم القدرة الفعالة والغري الفعالة من التيار واجلهد ،أو هو النسبة بني املقاومة واملمانعة أو هو النسبة بني القدرة الفعالة والقدرة الظاهرية .ويف اهلندسة الكهرابئية العملية أصبح هذا املعامل رمزاً ألستهالك القدرة ونوعها. 21 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق من خالل خمطط مثلث املمانعة وعند ضرب قيم مثلث املمانعة بـ ـ ( )I 2لكل طور ينتج -: 22 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية ويسمى املخطط التايل مثلث القدرة ).(Power triangle 𝑉∗𝐼= 𝑆 𝜑 𝑠𝑜𝑐 ∗ 𝑉 ∗ 𝐼 = 𝑃 𝜑 𝑛𝑖𝑠 ∗ 𝑉 ∗ 𝐼 = 𝑄 ويف حالة شبكة ثالثية الطور 𝐿𝑉 ∗ 𝐿𝐼 ∗ 𝑆 = √3 𝜑 𝑠𝑜𝑐 ∗ 𝐿𝑉 ∗ 𝐿𝐼 ∗ 𝑃 = √3 𝜑 𝑛𝑖𝑠 ∗ 𝐿𝑉 ∗ 𝐿𝐼 ∗ 𝑄 = √3 23 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 24 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق أتثري معامل القدرة املنخفض إن إخنفاض معامل القدرة عن ( )1أي زايدة قيمة الزاوية بني الفولتية والتيار يسبب -: أوالً :إرتفاع قيمة القدرة الظاهرية ( )KVAبسبب وجود القدرة غري احلقيقية ( )KVARوابلتايل إرتفاع التيار اجملهز مما يؤدي اىل إختناق يف املغذايت واخلطوط واحملوالت ذات احلمولة العالية وهذا قد يسبب حاالت إطفاء متكررة أو ضرر ابملعدات وحل اإلختناق يعين كلفة عالية. اثنياً :زايدة اخلسائر يف الشبكة بسبب زايدة التيار .ألن اخلسائر تتناسب مع مربع التيار. اثلثاُ :زايدة إحندار اجلهد بسبب زايدة التيار .ألن إحندار الفولتية يتناسب طردايً مع التيار. حتسني معامل القدرة ()Improving Power Factor عند حتسني معامل القدرة ورفعه اىل قيمة قريبة من ( )1وليس ( )1ستكون القدرة الظاهرية ( )KVAقريبة جداً من القدرة احلقيقية املستهلكة ( )KWوالقدرة غري احلقيقية ( )KVARستكون قليلة جداً .وهذا يعين خفض قيمة التيار اجملهز وابلتايل تقليل اخلسائر وتقليل قيمة إحندار اجلهد اي رفع قيمة الفولتية .وكما يف املخططني التاليني-: 25 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 26 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق ومبا إن أغلب األمحال الكهرابئية هي أما حمركات أو حموالت وملفات األجهزة الكهرابئية أو إانرة وتدفئة وكل هذه أمحال حثية ومقاومية مضافاً هلا حموالت وأسالك الشبكة الكهرابئية واليت هلا مقاومة وحماثة أيضاً .أما القابلوات فلها طبيعة سعوية وكذلك خطوط النقل أما يف خطوط التوزيع اهلوائية فيهمل التأثري السعوي لضآلته .لذا فأبسط الطرق لتحسني معامل القدرة هو إضافة املتسعات ،فاملتسعة أو املكثف هو اجلهاز األفضل عملياً واقتصادايً لتحسني معامل القدرة فهي تنتج قدرة سعوية غري فعالة واليت هي عكس القدرة احلثية الغري فعالة متاماً .ابالختيار الدقيق لسعة املكثف املطلوب وموقعه على الشبكة من املمكن أن نلغي أو نقلل أتثري القدرة الغري فعالة لألمحال احلثية وأتثرياهتا السلبية على الشبكة. 27 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق حيث إن ( )φ1متثل الزاوية ملعامل القدرة قبل التصحيح و( )φ2متثل الزاوية ملعامل القدرة بعد التصحيح أي بعد وضع املتسعة .وقيمة حاصل طرح ( )tanφ1–tanφ2تسمى معامل الضرب للقدرة احلقيقية -عند ثبوهتا - للحصول على القدرة غري احلقيقية للمتسعة وفق معامل القدرة املطلوب ،وتعطى يف جداول خاصة لسهولة احلساابت وكما يف جدول ( )2التايل 28 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 29 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق 30 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق أتثري معامل القدرة املرتفع يف حالة وجود املتسعات على الشبكة وعند احلمل الواطئ ( )light loadسواء ابلنسبة للمغذايت ذات احلمل غري العايل أو يف بعض األوقات اليت يكون اإلستهالك قليل جداً كما حيدث يف فصلي الربيع واخلريف ويف أوقات متأخرة من الليل ،فإن القدرة الظاهرية ( )KVAستنخفض ومعها القدرة غري احلقيقية ( )KVARاليت ستنخفض أيضاً ،ويتغلب التأثري السعوي على التأثري احلثي وسريتفع معامل القدرة ويتجاوز قيمة ( )1وحينها سيتحول اىل متقدم ( .)leadingوهذا حيمل خماطر إرتفاع الفولتية الواصلة هناية اخلط ،وابلتايل تضرر العوازل أو عطب مكوانت الشبكة واألجهزة .وكما موضح يف املخطط الطوري التايل -: 31 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق وتزداد احلالة خطورة عند احلالة العابرة ( )Transientأي عند اإلطفاء والتشغيل .وللوقاية من هذه احلالة الضارة ينبغي احلذر عند وضع متسعات اثبتة على الشبكة لتحسني معامل القدرة ،وحساب قيمة احلمل الواطئ ( light )loadلكي اليتجاوز معامل القدرة قيمة ( )1ويتحول اىل متقدم ( )leadingوهذا يعين ختفيض قيمة املتسعة وابلتايل أتثريها يف محل الذروة لتحسني معامل القدرة يكون قليل نسبياً .أو بدالً من املتسعات الثابتة ،إستخدام متسعات متغرية القيمة حسب احلمل ومعامل القدرة من خالل جهاز سيطرة ( )controllerمرتبط مع جمموعة املتسعات وكما سيأيت احلديث عنه. معامل القدرة يف القابلوات وخطوط النقل املتسعة كما هو معلوم هي عبارة عن موصلني بينهما عازل وعند تسليط جهد معني على املوصلني حيدث جمال كهرابئي بينهما .لذا وبسبب اجملاالت الكهرابئية بني األطوار وبينها وبني األرض يظهر التأثري السعوي كمتسعات ومهية ومربوطة على شكل ( )shunt capacitorsكما موضحة يف الشكل أدانه. تكون قيمة السعة ( )Capacitanceقليلة جداً يف خطوط التوزيع اهلوائية فتهمل ،وتكون أعلى يف القابلوات حيث يكون أتثريها قليالً على معامل القدرة (يرفع من قيمة معامل القدرة املتأخر ( )laggingبسبب األمحال 32 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق احلثية) .وتزداد مع طول املوصل (اخلط اهلوائي والقابلو) فيظهر التأثري على اخلط اهلوائي عندما يكون طوله أكثر من 80كيلومرت أي يف خطوط نقل الطاقة) ،يوجد أتثري حثي أيضاً بسبب اجملاالت املغناطيسية لذا يتم متثيله مبحاثة ( ،)Inductanceبينما املقاومة تكون قليلة جداً ميكن إمهاهلا وكما يف الشكل. ويف احلاالت اليت يكون فيها اخلط طويل أو احلمل قليل فإن معامل القدرة سيتحول اىل متقدم ()leading والفولتية هناية اخلط سرتتفع لتكون أعلى من بداية اخلط وهذه الظاهرة تسمى ظاهرة فريانيت (،)Ferranti effect وكما أوضحنا سابقاً خطورة هذه احلالة على معدات الشبكة واملستهلك .ولعالج هذه املشكلة يتم وضع ملفات أو حمااثت تسمى ( )shunt reactorsعلى خطوط النقل لتنتج قدرة حثية غري فعالة واليت هي عكس القدرة السعوية الغري فعالة متاماً .ابالختيار الدقيق لسعة احملاثة املطلوبة وموقعها على الشبكة من املمكن أن نلغي أو نقلل أتثري القدرة الغري فعالة للمتسعة الومهية يف اخلط وأتثرياهتا السلبية على الشبكة .ويكون عملها معاكس لعمل املتسعات ( )capacitorsعلى الشبكة ألن احلالة السلبية هنا هي معامل قدرة متقدم ( )leadingبسبب احلمل السعوي ( )capacitive loadويعاجل بوضع حمااثت ،عكس احلالة السلبية السابقة حيث كان معامل قدرة متأخر ( )laggingبسبب احلمل احلثي ( )inductive loadيعاجل بوضع متسعات. ولو كان طول اخلط آالف الكيلومرتات فإن التيار اجملهز أكثره سيذهب اىل املتسعات الومهية بني األطوار وسيجد رادة حثية عالية يف طريقه وابلتايل سوف لن يصل منه هناية اخلط إال تيار قليل بينما الفولتية سرتتفع بسبب معامل القدرة املتقدم ( ،)leadingولذا يتم نقل الطاقة الكهرابئية للمسافات اهلائلة اليت تبلغ آالف الكيلومرتات من خالل خطوط نقل للتيار املستمر ( )DCللتخلص من الرادة احلثية والسعوية. 33 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية الفصل الثالث :إستخدام املتسعات يف الشبكة الكهرابئية بعد أن ذكران سابقاً إن املتسعة أو املكثف هو اجلهاز األفضل عملياً واقتصادايً لتحسني معامل القدرة ،وشرحنا كيفية حساب قيمة املتسعة املطلوبة لتحسني معامل القدرة ،نوضح اآلن املتسعات املوجودة على الشبكة ونوعيها وطبقة التحكم هبا. قيم املتسعات وفق )(IEEE Standard. 18-2002 قيم متسعات اجلهد الواطئ 0.4كي.يف 2.5 KVAR, 5 KVAR, 7.5 KVAR, 10 KVAR, 15 KVAR, 20 KVAR, 25 KVAR, 50 KVAR قيم متسعات اجلهد املتوسط 11كي.يف 50 KVAR, 100 KVAR, 150 KVAR, 200 KVAR, 300 KVAR, 400 KVAR, 800 KVAR, 700 KVAR, 600 KVAR, 500 KVAR, تصنيفات جمموعات املتسعات ()capacitor banks توجد املتسعات على الشبكة يف مواضع خمتلفة فيمكن أن تكون يف احملطة أو يف الكيوسك أو على الشبكة، وميكن تصنيف جمموعات املتسعات من حيث كوهنا ثالثية الطور أو أحادية الطور (ابلنسبة لشبكات التوزيع غري متوازنة أي اليت حتوي تفرعات أحادية الطور وثنائية الطور) .وميكن تصنيفها من حيث اجلهد أي متسعات اجلهد الواطئ ومتسعات اجلهد املتوسط ومتسعات اجلهد العايل .وأيضاً ميكن تصنيفها من حيث موقعها فأما تكون معلقة على األعمدة ( )pole mountedأو أرضية (.)pad mounted 34 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية pole mounted pad mounted وأيضاً ميكن تصنيفها من حيث اإلستخدام فقد تكون بقيم اثبتة أي إنه اليطرأ تغيري على قيمتها مع الوقت وتغري احلمل ،وقد تكون قيمة املتسعات قابلة للتغيري ،حبيث تكون قيمتها الداخلة يف اخلدمة تتغري بتغري احلمل. -1املتسعات الثابتة القيمة كما ذكران فعند وضع متسعات اثبتة على الشبكة لتحسني معامل القدرة ،ينبغي حساب قيمة احلمل الواطئ ( )light loadلكي اليتجاوز معامل القدرة قيمة ( )1ويتحول اىل متقدم ( )leadingوهذا يعين ختفيض قيمة املتسعة .وأيضاً تستخدم يف احلاالت اليت يكون فيها تغري احلمل ( )KVARفصلياً .فمثالً عندما يكون املتوقع ان 35 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق تكون قيمة ( )KVARيف فصل الصيف عالية بسبب إستخدام مكيفات اهلواء (وهي أمحال حثية) ،ويقابل ذلك ) (KVARذات قيمة واطئة يف فصل الشتاء ،عند ذلك تكون قيمة املتسعة املطلوبة يف فصل الشتاء أقل منها يف فصل الصيف ،والتغيري املطلوب يكون مومسياً لذلك ويف هذه احلالة يكون أكثر أماانً وأقتصادايً إستخدام املتسعات الثابتة وإخراج املتسعات وإدخاهلا للخدمة أو تغيري قيمتها فصلياً بطريقة يدوية حيث تكون أقل كلفة ابملقارنة مع بقية الطرق األخرى . -2املتسعات املتغرية القيمة ()switched capacitors وأيضاً تسمى الطريقة األوتوماتيكية ( )automaticلتغيري قيمة املتسعات وحسب التيار ،القدرة غري الفعالة، اجلهد ،درجة احلرارة ،الوقت (صباحاً ,مساءاً ,عصراً ـ ـ ـ ـ ـ ) واألكثر شيوعاً يف اإلستخدام هو معيار التيار ألن ذلك يعكس قيمة احلمل بصورة مباشرةً كما سيأيت مفصالً. إن العديد من العاملني يف هذا اجملال قد يفضل إستخدام الطريقة اليدوية لوجود عدد من السلبيات يف الطريقة األوتوماتيكية منها مثالً عدم دخول متسعة طور معني اىل اخلدمة (بسبب حصول عطل فيها) مما يؤدي اىل حالة عدم التوازن وهذا إن حصل فسيكون أسوء من حالة عدم وجود متسعة .وهناك إحتمال عدم إجراء التغيري يف املتسعة بتغيري احلمل بسبب عطل فين يف منظومات السيطرة ( )controllerوذلك أيضاً ميثل سلبية كبرية ،فيتطلب فحص دوري ملنظومات السيطرة (.)controller منظومات السيطرة والتحكم ابملتسعات املتغرية ()controller تتضمن هذه املنظومات حمولة صغرية وأجهزة إلكرتونية ومتحسسات ووحدة معاجلة مركزية ووحدة ذاكرة وبرانمج خاص (وبعضها تتضمن معدات إتصال مبركز سيطرة يف الشبكات املؤمتتة والذكية) .وهناك طرق خمتلفة تستخدم يف السيطرة والتحكم ابملتسعات املتغرية إلدخاهلا وإخراجها من الشبكة وحسب احلاجة .وكما أييت -: 36 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق -1التوقيت الزمين :طريقة تعتمد إدخال املتسعات للعمل وإخراجها وفق توقيت زمين .أي يف الساعة اليت تكون القدرة غري احلقيقية املسحوبة عالية ومعامل القدرة منخفض يتم إدخال املتسعات ويف الساعة اليت تكون القدرة غري احلقيقية املسحوبة منخفضة ومعامل القدرة عايل يتم إخراجها من العمل .مع مراعاة أايم العطل والتغريات الفصلية خالل السنة .ويعترب هذا النوع من أرخص أنواع منظومات التحكم لكنه ابلوقت نفسه قليل الدقة بسبب إحتمالية اخلطأ إثناء برجمة التوقيت أو عدم دقة الساعة أو حصول بعض التغريات غري املتوقعة يف توقيت األمحال إخنفاضاً أو إرتفاعاً. -2درجة احلرارة :طريقة سهلة تعتمد على درجة احلرارة يف إدخال املتسعات للعمل وإخراجها .فعندما ترتفع درجة احلرارة يتم إدخال املتسعات للعمل ويتم إخراجها عندما تنخفض درجة احلرارة ألن إرتفاع درجة احلرارة يعين إرتفاع احلمل والقدرة غري احلقيقية املسحوبة. -3مستوى اجلهد :طريقة تعتمد إدخال املتسعات للعمل وإخراجها وفق مستوى اجلهد .فعندما ينخفض اجلهد اىل قيمة معينة تسمى ( )threshold minimum voltageيتم إدخال املتسعات للعمل ومن مث إخراجها عندما يرتفع اجلهد اىل قيمة معينة أخرى تسمى ( .)threshold maximum voltageتعترب هذه الطريقة مناسبة جداً طاملا ان أحد أهداف وضع املتسعات هو التقليل من هبوط اجلهد .وأهم أهداف إستخدام املتسعات املتغرية هو السيطرة على اجلهد ضمن احلدود املسموح هبا وعدم اإلرتفاع جتاوزاً لتلك احلدود. -4مستوى القدرة غري احلقيقية ( : )KVARطريقة تعتمد إدخال املتسعات للعمل وإخراجها حسب قياس مستوى القدرة غري احلقيقية ( .)KVARفعندما ترتفع القدرة غري احلقيقية ( )KVARاملسحوبة اىل قيمة معينة يتم إدخال املتسعات للعمل ويتم إخراجها عندما تنخفض القدرة غري احلقيقية ()KVAR 37 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق املسحوبة اىل قيمة معينة أخرى .تعترب هذه الطريقة األكثر دقة لتخفيض تيار القدرة غري احلقيقية املسحوب. وعند ضبط منظومة حتكم وفق مستوى ( )KVARاملسحوبة جملموعة متسعات على خط واحد ينبغي ضبط املتسعة األبعد أي األخرية على اخلط لتكون ذات أقل مدة إنتظار ( )delayوتزداد هذه املدة تدرجيياً ابإلقرتاب من بداية اخلط أي احملطة الثانوية يعين ستكون أقرب متسعة إىل احملطة الثانوية هي ذات أكثر مدة إنتظار ( .)delayأي إن املتسعة األخرية ستدخل اىل العمل أوالً بينما املتسعة األقرب اىل احملطة سيكون دخوهلا اىل العمل آخراً. -5مستوى معامل القدرة :طريقة تعتمد إدخال املتسعات للعمل وإخراجها بقياس مستوى معامل القدرة. وهي مشاهبة للطريقة السابقة ولكن جهاز القياس يعتمد على مستوى معامل القدرة بدالً من مستوى القدرة غري احلقيقية ( .)KVARوهي اندرة اإلستعمال من قبل شركات ودوائر التوزيع. -6مستوى التيار :طريقة تعتمد إدخال املتسعات للعمل وإخراجها بقياس مستوى التيار اخلارج من املتسعة اي مستوى احلمل .فعندما يرتفع احلمل اىل قيمة معينة يتم إدخال املتسعات للعمل ويتم إخراجها عندما ينخفض احلمل اىل قيمة معينة أخرى .هذه الطريقة تعترب أقل دقة من طريقة مستوى القدرة غري احلقيقية ( )KVARألن هذه الطريقة تعتمد على احلمل الذي يعطي القدرة الظاهرية ( )KVAولكن إعتيادايً احلمل العايل يسحب قدرة غري حقيقية ( )KVARعالية. أكثر أنواع املتسعات لديها منظومة حتكم تعتمد أكثر من طريقة واحدة بل رمبا مجيع األنواع أعاله ،وميكن ضبطها أبكثر من طريقة وخيار يف الوقت نفسه .فمثالً ميكن ضبط املتسعة على إخنفاض اجلهد وإرتفاع درجة احلرارة أو إرتفاع احلمل ...وهكذا .وبعض الشركات تقدم متسعات هلا منظومة حتكم تعتمد أكثر من طريقة واحدة 38 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق للتحكم ولكن جعل التحكم وفق مستوى اجلهد هو املهيمن على ابقي طرق التحكم نظراً ألمهية احملافظة على مستوى اجلهد ضمن احلد املسموح به. لتقليل حجم منظومة السيطرة والتحكم وتقليل الكلفة تكون املتحسسات وأجهزة القياس مثبتة على طور واحد فقط حىت لوكانت جمموعة املتسعات ( )capacitor bankثالثية األطوار ،مما يتطلب أن تكون األمحال متوازنة على األطوار الثالثة يف اخلط. 39 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق تركيب جمموعات املتسعات ()capacitor banks جمموعات املتسعات ( )capacitor banksتتضمن إضافة اىل املتسعات أجهزة محاية مثل مانعة الصواعق ( )arrestersحتمي املتسعات من الشرارة الكهرابئية عند حصول إرتفاع اجلهد وفواصم ( )fusesلفصل املتسعات من الشبكة يف حال حصول عطل الدائرة القصرية ( )short circuitحلمايتها من التيار العايل جداً أو فصل املتسعة املعطوبة فقط حلماية الشبكة .أما يف املناطق ذات تيار عطل عايل ( )high fault-currentفتستخدم أنواع من الفواصم (.)current-limiting fuses ابلنسبة للمتسعات املتغرية فهي إعتيادايً حتتوي على فواصل زيتية أو مفرغة من اهلواء ( )vacuumإضافة اىل منظومة السيطرة والتحكم. 40 القدرة الكهرابئية م .مثىن حممد كاظم توفيق املوقع األمثل جملموعة املتسعات على الشبكة إن املوقع األفضل للمتسعة هو قرب احلمل كما هو معلوم ألن املتسعة تؤثر عما قبلها ،ولكن ألسباب تقنية واقتصادية فقد يصعب نشر املتسعات عند املستهلكني لذا كان لزاماً البحث عن املوقع االنسب واالفضل ألن موقع املتسعة اذا مل يكن مناسباً قد يكون غري مفيد أو ذو أتثري سليب .وتشري بعض الدراسات اىل إن من املناسب إعتماد إستخدام متسعة ذات قدرة غري حقيقية ) (KVARيساوي 2/3من الـقدرة غري احلقيقية ) (KVARالكلية للمغذي ،وأن يكون مكان املتسعة على بعد 2/3من طول املغذي من بداية املغذي (احملطة الثانوية) وتسمى هذه الطريقة بقاعدة الـ ( 2/3الثلثني) .وهناك برامج حاسوبية تقوم بدراسة وحساب حالة الشبكة وإقرتاح مواقع للمتسعات. حماذير ربط املتسعات على الشبكة فإضافة اىل اخلطورة اليت ذكرانها من إحتمال إرتفاع معامل القدرة اىل قيمة ( )1وحتوله اىل متقدم ()leading واىل إمكانية عطب متسعة طور واحد فقط مما يؤدي اىل عدم التوازن بني األطوار ،فقضية احلالة العابرة ( )Transientعند تشغيل واطفاء املتسعات اليت تؤدي اىل شحن وتفريغ املتسعات وتغري قيمة الرادة السعوية بسبب التذبذب يف احلالة العابرة ( ،)Transientوهناك حمذور آخر بسبب التوافقيات ( )Harmonicsحيث ميكن أن يؤدي ربط املتسعات مع وجود احملوالت اىل حالة رنني خطرية عند دخول املتسعات يف العمل ففي هذه احلالة التوافقيات اليت تنتج بسبب األجهزه الالخطية سوف تتضاعف .إن إشكالية التضخم او التضاعف للتوافقيات تصبح اكرب من مسألة اضافة قدرة غري حقيقية ( )KVARاىل املنظومة اليت تتضمن مقدار مهم من احلمل الالخطي .هذه احملاذير تتطلب دراسة علمية مفصلة عند وضع املتسعات على الشبكة. 41 م .مثىن حممد كاظم توفيق القدرة الكهرابئية املصادر -1معامل القدرة /POWER FACTORاملهندس حممد احلريرى 2- A Guide for the Plant Engineer - Power Factor Correction\ Eaton Corporation\ 2004 3- 3phase circuits – circuit theory\ Huseyin Bilgekul 4- THE INDUSTRIAL WIKI\ BASIC AC POWER 5- Electrical Power Systems\ D. Das\ New Age In.Ltd., Publishers\ 2006 -6البحث السنوي للمديرية العامة لتوزيع كهرابء الكرخ /قسم التخطيط والدراسات/إستخدام املكثفات من النوع املتغري يف حموالت التوزيع اهلوائية2012/ -7خصائص وإستخدامات األسالك /م.مثىن حممد كاظم2009 / -8جمموعة مقاالت يف مواقع إنرتنيت ابللغتني العربية واإلنكليزية 42