تصنيف أنظمة شبكات توزيع الكهرباء
يتم تقسيم الشبكة الكهربائية النموذجية إلى ثلاثة مكونات رئيسية: التوليد والنقل والتوزيع. يتم إنتاج الطاقة الكهربائية في محطات توليد الكهرباء، والتي غالباً ما تكون بعيدة عن مراكز الأحمال. نتيجة لذلك، يتم استخدام خطوط النقل لنقل الطاقة على مسافات طويلة.
للتقليل من خسائر النقل، يتم استخدام طاقة ذات فولتية عالية في خطوط النقل، وتتم تخفيض الفولتية في مركز الأحمال. ثم يقوم نظام التوزيع بتوصيل هذه الطاقة إلى المستخدمين النهائيين.
أنواع أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية
يمكن تصنيف نظام التوزيع بناءً على عدة معايير:
تصنيف حسب طبيعة التغذية
توجد الطاقة الكهربائية في شكلين: التيار المتردد والتيار المستمر. يتم تنظيم نظام التوزيع وفقًا لهذه الأنواع. يتم تقسيم نظام التوزيع بالتيار المتردد حسب مستوى الفولتية:
يوضح الرسم البياني التالي التخطيط النموذجي لنظام التوزيع الأساسي، والذي يظهر دوره في نقل الطاقة ذات الفولتية العالية قبل التحويل النهائي للفولتية.
يقوم نظام التوزيع الثانوي بتوصيل الطاقة على مستوى فولتية الاستخدام. يبدأ حيث ينتهي نظام التوزيع الأساسي - عادةً عند محول يخفض 11 كيلوفولت إلى 415 فولت لتوزيع مباشر للمستهلكين الصغار.
معظم المحولات في هذه المرحلة تتميز بربط أولي على شكل دلتا وثاني على شكل نجمة، مما يوفر نقطة محايدة مثبتة. هذا التكوين يمكّن نظام التوزيع الثانوي من استخدام تكوين ثلاثي الأطوار بأربع أسلاك.
يوضح الرسم البياني التالي تخطيط شبكة التوزيع الثانوية، مما يظهر كيفية تكييف الفولتية لتطبيقات المستخدم النهائي.
نظام التوزيع بالتيار المستمر
بينما تعتمد معظم الأحمال في نظام الطاقة على التيار المتردد، فإن بعض التطبيقات تتطلب طاقة كهربائية مستمرة، مما يتطلب استخدام نظام توزيع بالتيار المستمر. في هذه الحالات، يتم تحويل الطاقة المولدة بالتيار المتردد إلى تيار مستمر عبر مستقيم أو محولات دوارة. تشمل التطبيقات الرئيسية للتيار المستمر أنظمة الجر، المحركات الكهربائية المستمرة، شحن البطاريات، والترسيب الكهربائي.
يتم تصنيف نظام التوزيع بالتيار المستمر حسب تكوين السلك:
نظام التوزيع الثنائي السلك بالتيار المستمر
يستخدم هذا النظام سلكين: أحدهما ذو جهد موجب (سلك حي) والآخر ذو جهد سالب أو صفر. يتم ربط الأحمال (مثل المصابيح أو المحركات) بالتوازي بين السلكين، وهو مناسب للأجهزة ذات التكوين ثنائي الطرف. يُظهر الرسم البياني التالي هذا التكوين.
نظام التوزيع الثلاثي السلك بالتيار المستمر
نظام التوزيع الثلاثي السلك بالتيار المستمر
يستخدم هذا النظام ثلاثة أسلاك: سلكين حيين وسلك محايد، مما يوفر ميزة توفير مستويين من الجهد. إذا كان الأسلاك الحية على +V و -V، مع المحايد عند الجهد الصفر. يتم الحصول على V فولت بتوصيل الحمل بين سلك حي ومحايد، بينما يوفر التوصيل عبر الأسلاك الحية 2V فولت.
يسمح هذا التكوين بتوصيل الأحمال ذات الجهد العالي عبر الأسلاك الحية والأحمال ذات الجهد المنخفض بين سلك حي ومحايد. يُظهر الرسم البياني التالي رسم تخطيطي لنظام التوزيع الثلاثي السلك بالتيار المستمر.
تصنيف نظام التوزيع حسب طريقة الاتصال
يتم تصنيف نظام التوزيع إلى ثلاثة أنواع بناءً على طريقة الاتصال:
النظام الإشعاعي
في النظام الإشعاعي، يتم توصيل الطاقة من محطة التحويل إلى كل منطقة عبر خطوط تغذية منفصلة، مع تدفق الطاقة بشكل أحادي الاتجاه من الخط التغذية إلى الموزع. هذا التصميم بسيط وسهل التنفيذ ويحتاج إلى استثمار أولي أقل مقارنة بأنظمة أخرى.
ومع ذلك، فإن موثوقيته محدودة بشكل كبير: يمكن أن يؤدي فشل في أحد خطوط التغذية إلى إيقاف النظام بأكمله الذي يخدمه. كما يعاني من ضعف في تنظيم الجهد للمستهلكين البعيدين عن الخط التغذية، حيث تسبب تقلبات الأحمال تغيرات أكثر وضوحًا في الجهد. لهذا السبب، يتم استخدام الأنظمة الإشعاعية عادة فقط للتوزيع على مسافات قصيرة للمستهلكين القريبين من الخط التغذية. يُظهر الرسم البياني أحادي الخط لنظام الإشعاعي أدناه.
النظام الحلقي الرئيسي
في النظام الحلقي الرئيسي، يتم ربط محولات التوزيع في تكوين حلقة مغلقة، م alimented من محطة التحويل من طرف واحد. هذا التصميم يضمن لكل محول طريقين مختلفين إلى محطة التحويل، مما يعزز الزائدة والموثوقية. يُظهر الرسم البياني أحادي الخط للنظام الحلقي الرئيسي أدناه.
يمكن مقارنة هذا التكوين بخطين تغذية متوازيين. على سبيل المثال، إذا حدث عطل بين النقاط B و C، سيتم عزل الجزء بين B و C من النظام، ويمكن لمحطة التحويل تزويد الطاقة عبر طريقتين بديليتين.
يزيد هذا التصميم من موثوقية النظام ويقلل من تقلبات الجهد عند المستهلك النهائي، ويضمن أن كل قطاع حلقة يحمل تيارًا أقل - وبالتالي يتطلب مادة موصل أقل مقارنة بالنظام الإشعاعي.
نظام التوزيع المتصل
يتميز نظام التوزيع المتصل بحلقة مزودة بعدة محطات تحويل في نقاط مختلفة، مما يكسبه اسم "نظام التوزيع الشبكي". يُظهر الرسم البياني أحادي الخط لهذا النظام أدناه.
كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه، يتم تزويد الحلقة ABCDEFGHA من خلال محطتين تحويل في النقاط A و E. يعزز هذا التكوين موثوقية النظام بشكل كبير مقارنة بالأنظمة الحلقي والإشعاعي.
على الرغم من أن النظام المتصل يتمتع بجودة وكفاءة طاقة أفضل وحتى يقلل من طاقة الاحتياط، إلا أن تصميمه معقد ويحتاج إلى استثمار أولي أعلى بسبب الحاجة إلى محطات تحويل متعددة.
تصنيف أنظمة التوزيع حسب نوع البناء
نظام التوزيع تحت الأرض
كما يشير الاسم، يتم وضع الموصلات تحت الشوارع أو الأرصفة. على الرغم من أنه أكثر أمانًا من الأنظمة الجوية، فإنه يتكبد تكاليف أولية عالية بسبب الحفر والأنابيب والفتحات والأسلاك الخاصة. الأسلاك تحت الأرض أقل عرضة للأعطال وتوفر مزايا جمالية (عدم ظهورها)، ولكن اكتشاف وإصلاح الأعطال صعب. يتجاوز عمرها الخدمي 50 عامًا.
نظام التوزيع الجوي
يتم تركيب الموصلات على أعمدة خشبية أو خرسانية أو فولاذية في هذا التصميم التقليدي. رغم أنه أكثر عرضة للأعطال ومخاطر السلامة من الأنظمة تحت الأرض، فإنه يحتوي على تكاليف أولية أقل ومرونة أكبر لتوسيع الأحمال. يتم استخدام الهواء كوسيلة عازلة، مما يلغي الحاجة إلى أسلاك خاصة ويجعله قادرًا على حمل تيار أعلى. تعتبر عملية التركيب واكتشاف وإصلاح الأعطال بسيطة، مما يحافظ على تكاليف الصيانة منخفضة - رغم أنه قد يتدخل مع أنظمة الاتصال. يتجاوز عمره الخدمي 25 عامًا.
