ما هو الشبكة الكهربائية

التعريف

شبكة الكهرباء، وتُعرف أيضًا بشبكة الطاقة، هي شبكة شاملة تجمع وحدات إنتاج ونقل وتوزيع الطاقة. وظيفتها الرئيسية تسهيل نقل الطاقة الكهربائية من مصادر إنتاج الطاقة إلى المستخدمين النهائيين. يتم نقل كمية كبيرة من الكهرباء من محطات إنتاج الطاقة إلى مراكز الأحمال بجهد 220 كيلوفولت أو أعلى. الشبكة المكونة من هذه الخطوط الناقلة ذات الجهد العالي تُسمى الشبكة الفائقة. تقوم الشبكة الفائقة بتزويد الشبكة الفرعية بالطاقة، والتي تعمل عادة بجهد 132 كيلوفولت أو أقل.

أنواع شبكات الكهرباء

غالبًا ما تكون محطات الطاقة داخل شبكة الكهرباء قريبة من مصادر الوقود لتقليل تكاليف النقل في النظام. ومع ذلك، هذا يعني عادة أنهم يقعون بعيدًا عن المناطق السكانية الكثيفة. يتم خفض جهد الكهرباء العالي الذي يتم إنتاجه في هذه المحطات باستخدام محولات خفض الجهد في محطات التحويل قبل توزيعها على المستهلكين. يمكن تصنيف شبكات الكهرباء بشكل أساسي إلى نوعين:

الشبكة الإقليمية

تُنشأ الشبكة الإقليمية عبر ربط أنظمة النقل المختلفة ضمن منطقة جغرافية معينة عبر خطوط النقل. هذا النوع من الشبكات يهدف إلى تحسين توزيع وإدارة الطاقة على المستوى المحلي أو الإقليمي، مما يضمن تلبية احتياجات المنطقة من الكهرباء بكفاءة.

الشبكة الوطنية

تتكون الشبكة الوطنية من ربط شبكات إقليمية متعددة. توفر شبكة توزيع طاقة موحدة وممتدة عبر أرجاء الدولة بأكملها، مما يمكّن من نقل الكهرباء السلس بين المناطق المختلفة. يساعد هذا النظام المتصل في موازنة العرض والطلب على الطاقة في جميع أنحاء البلاد، مما يعزز الاستقرار والموثوقية العامة للشبكة.

أسباب الربط الشبكي

يوفر الربط بين شبكات الكهرباء العديد من المزايا الهامة. يسمح باستخدام الأمثل للموارد الطاقوية، مما يضمن توزيع الطاقة بكفاءة عبر المناطق المختلفة. يعزز هذا الربط أيضًا أمان تزويد الطاقة، حيث يمكن تعويض الأعطال في جزء من الشبكة بواسطة الطاقة من المناطق المتصلة الأخرى.

بالإضافة إلى ذلك، يساهم الربط الشبكي في كفاءة الاقتصاد والموثوقية العامة لنظام الطاقة. من خلال ربط محطات التوليد، يصبح من الممكن تقليل سعة الاحتياطي اللازمة في كل منطقة فردية. يوفر هذا النهج المشترك للموارد ليس فقط تكاليف الحفاظ على الطاقة الاحتياطية الزائدة ولكن أيضًا يحسن القوة والاستمرارية والأداء العام لشبكة الكهرباء.

عند حدوث زيادة مفاجئة في الحمل أو فقدان إنتاج الطاقة في منطقة معينة من شبكة الكهرباء، يمكن لهذه المنطقة سحب الطاقة من المناطق المجاورة المتصلة. ومع ذلك، لضمان الاتصالات الموثوقة، يكون هناك حاجة إلى كمية معينة من قدرة التوليد المعروفة باسم الاحتياطي الدوار. يتكون الاحتياطي الدوار من المولدات التي تعمل بسرعة طبيعية وجاهزة لتزويد الطاقة فور الحاجة إليها.

أنواع الاتصالات

يمكن تصنيف الاتصالات بين الشبكات الكهربائية بشكل أساسي إلى نوعين: الاتصال بالتيار المتردد عالي الجهد (HVAC) والاتصال بالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC).

الاتصال بالتيار المتردد عالي الجهد (HVAC)

في الاتصال HVAC، يتم ربط نظامين من التيار المتردد (AC) عبر خط نقل AC. من أجل الاتصال الناجح لنظامي AC، من الضروري الحفاظ على تردد مراقب بدقة في كلا النظامين. على سبيل المثال، في نظام 50 هرتز، يقع نطاق التردد المقبول عادة بين 48.5 هرتز و 51.5 هرتز. يُشار إلى هذا النوع من الاتصالات بأنه الاتصال المتزامن أو الربط المتزامن، حيث يخلق اتصالًا صلبًا بين نظامي AC.

رغم استخدامه الواسع، فإن الاتصال AC يواجه عدة تحديات، ومن أهمها:

• انتشار اضطرابات التردد: بما أن الاتصال بين شبكة AC وأخرى هو متزامن، فإن أي تذبذبات في التردد في نظام واحد تنتقل بسرعة إلى النظام الآخر. قد يؤدي هذا إلى عدم استقرار في الشبكة المتصلة.

• تأثير التذبذبات في الطاقة: يمكن للتذبذبات في الطاقة في نظام AC أن تؤثر بشكل كبير على النظام الآخر. قد تؤدي التذبذبات الكبيرة في الطاقة إلى تشغيل الأجهزة الواقية بشكل متكرر، مما قد يؤدي إلى أعطال كبيرة في النظام. وفي الحالات الشديدة، قد يؤدي هذا إلى انهيار كامل للشبكة المتصلة بالكامل.

• زيادة مستويات الأعطال: يمكن أن يزيد ربط نظام AC موجود بنظام آخر عبر خط اتصال AC من مستوى الأعطال. يحدث هذا لأن الخط الموازي الإضافي يقلل من التفاعل المكافئ للنظام المتصل. ومع ذلك، إذا تم ربط نظامي AC بنفس خط الأعطال، فإن مستوى الأعطال لكل نظام فردي يبقى دون تغيير.

الاتصال بالتيار المستمر عالي الجهد (HVDC)

يوفر الربط بالتيار المستمر (DC tie) ربطًا أكثر مرونة بين نظامي AC المرتبطين. على عكس الاتصالات HVAC، تكون الربطات DC غير متزامنة (غير متزامنة). يأتي نهج الربط HVDC مع العديد من المزايا المميزة:

• استقلال التردد: الطبيعة غير المتزامنة لنظام الربط DC تسمح بربط شبكات AC تعمل بنفس التردد أو بأتردادات مختلفة. تسمح هذه الميزة الفريدة بتجميع أنظمة AC المختلفة بينما تسمح لكل نظام بالحفاظ على معايير التردد الخاصة به والعمل بشكل مستقل.

• التحكم الدقيق في تدفق الطاقة: يمكن للروابط HVDC التحكم بسرعة وموثوقية في حجم واتجاه تدفق الطاقة من خلال ضبط زاوية التشغيل للمحوّلات. يعزز هذا الآلية الدقيقة للتحكم في حدود الاستقرار العابر للنظام المتصل، مما يضمن نقل الطاقة بشكل أكثر موثوقية.

• تسوية التذبذبات في الطاقة: من خلال ضبط تدفق الطاقة عبر الربط DC، يمكن للروابط HVDC تسوية التذبذبات في الطاقة في الشبكات AC المتصلة بسرعة. يحسن هذا بشكل فعال الاستقرار الكلي للشبكة الكهربائية، مما يقلل من خطر الأعطال المتسلسلة ويحسن مرونة النظام.

في العصر الحديث، يتم استبدال الشبكات الكهربائية التقليدية بشكل متزايد بشبكات ذكية. تستفيد الشبكات الذكية من العدادات الذكية والأجهزة الذكية لتوفير كفاءة تشغيلية أفضل وإدارة أفضل للطلب وأداء عام محسن مقارنة بنظيراتها التقليدية.