أنظمة نقل القدرة الكهربائية وكيفية عملها

التعرف على طبيعة أنظمة نقل القدرة الكهربائية وكيفية عملها:

تظهر هناك بعض الأسئلة المتعلقة بخطوط النقل الكهربائية، وذلك من حيث طبيعتها وأساس عملها، حيث لا يمكن تخزينها، على الأقل ليس اقتصادياً بأي كميات ملحوظة (بخلاف ما تجده في البطارية)، وما يعنيه هذا هو أنه يجب توليد الكهرباء وتوفيرها في نفس اللحظة التي تحتاج إليها، لذلك؛ فإن نظام النقل، والذي يوفر لنا الكهرباء بسرعة مذهلة تبلغ 186 ألف ميل في الساعة (تقريباً سرعة الضوء).

وكما هو على أرض الواقع؛ فإن النظام الكهربائي يتضمن التوليد والنقل والتوزيع، حيث ظهرت الحاجة إلى النقل بالجملة مع تزايد الطلب على الكهرباء وأصبحت محطات الطاقة الصغيرة التي لا تخدم إلا المنطقة المحلية غير كافية، كما تم تشغيل “محطات توليد الطاقة” الأحدث والأكبر، لكنها كانت بعيدة عن مراكز التحميل الخاصة بها، كما كانت خطوط النقل هي الطريقة الوحيدة لتوصيل الطاقة إلى حيث كانت مطلوبة.

أيضاً؛ فإن ربط محطات التوليد عن بعد بالعملاء كان مصحوباً بمشكلة صغيرة، بحيث يجب أن تنتقل الكهرباء عبر الأسلاك، والتي تخلق مقاومة لتدفق الطاقة وتؤدي هذه المقاومة إلى خسائر صغيرة في كمية الطاقة المنقولة، كما أنها ليست صفقة كبيرة لمسافات قصيرة جداً، ولكن كلما زاد طول السلك؛ زادت المقاومة وزادت الخسائر.

كما يتمثل حل مشكلة المقاومة في زيادة الجهد أو “الضغط”، والذي يتم عنده دفع الكهرباء عبر الأسلاك، بحيث أنه كلما زاد الجهد؛ كان النظام قادراً على التغلب على المقاومة وتقليل الخسائر بشكل أفضل، واليوم ومع انتقال الطاقة لمئات أو آلاف الأميال من مكان توليدها؛ تضمن خطوط الجهد العالي التي تبلغ (230) أو (500 أو (765) كيلوفولت توصيل الكهرباء بسرعة وبأقل قدر من فقدان الطاقة.

لماذا تستخدم الأبراج لنقل القدرة الكهربائية؟

بينما يمكن أن تنتقل الكهرباء في بعض الأحيان تحت الأرض، غالباً ما تتضمن أنظمة النقل “السائبة” استخدام الأسلاك العلوية، حيث أن السؤال الشائع المطروح حول الأسلاك العلوية، وخاصة أثناء عملية التخطيط، هو سبب الحاجة إلى مثل هذه الأبراج الفولاذية الكبيرة، لذلك فإن الجوابان الأساسيان هما الأمان والموثوقية.

وبسبب الفولتية العالية المستخدمة، تضع اللوائح المحلية والولائية متطلبات معينة حول كيفية بناء خطوط النقل، وذلك في المقام الأول لصالح السلامة، حيث يتضمن أحد هذه المتطلبات الرئيسية مدى ارتفاع الأسلاك عن الأرض التي يجب أن تكون عند أدنى نقطة لها (المعروفة باسم “الخلوص”)، كما يمكن أن تختلف متطلبات التخليص على نطاق واسع، ولكن نطاق (60-150) قدماً شائعاً.

ومع متطلبات الارتفاع تأتي حاجة تكميلية للثبات، حيث يجب أن تتحمل أبراج وخطوط النقل مجموعة من المحن البيئية، وذلك من الرياح العاتية إلى درجات الحرارة المتجمدة، حيث قد تتسبب رواسب الجليد والثلج في انهيار خط أو برج، ونتيجة لذلك؛ تُبنى أبراج الجهد العالي عادةً لتحمل ما يسمى بعواصف (50 أو 100) عام لضمان أن الظروف الجوية لا تعيق تدفق الخدمة الكهربائية.

ماذا يحدث داخل خطوط نقل القدرة؟

تنتقل الطاقة عبر الأسلاك عن طريق التيار المتردد أو التيار المباشر، وكلاهما له مزاياهما، ومع ذلك؛ فإن “التيار المتردد ثلاثي الأطوار” هو الطريقة الأكثر شيوعاً المستخدمة في جميع أنحاء العالم، وفي انتقال التيار المتردد (AC)، تعكس حركة الشحنة الكهربائية اتجاهها بشكل دوري، وفي نظام التيار المتردد ثلاثي الأطوار، تحمل الأسلاك ثلاثة تيارات متناوبة تصل إلى قيم الذروة في أوقات مختلفة.

كما يمكن أيضاً تصنيف الأنظمة ثلاثية الطور على أنها أنظمة دائرة مفردة أو مزدوجة، كما تعني الدائرة المزدوجة أن هيكل النقل يحمل مجموعتين من خطوط النقل، وكل واحدة بها ثلاثة موصلات (أسلاك)، وفي أنظمة التيار المباشر (DC).

كما يكون تدفق الشحنة الكهربائية في اتجاه واحد فقط. يعمل النظام بجهد أقصى ثابت، والذي يمكن أن يسمح لممرات خطوط النقل الحالية ذات الموصلات ذات الحجم المتساوي بنقل طاقة أكبر بنسبة 100٪ إلى منطقة استهلاك أعلى من التيار المتردد.

كما تعتبر أنظمة التيار المتردد ثلاثية الطور أقل تكلفة من أنظمة التيار المستمر لمسافات أقصر (أقل من 400 ميل)، لذلك تقدم قدرة (AC) أيضاً بعض المزايا من حيث “التصعيد والتنحي”، والتي يمكن أن تجعلها بديلاً أفضل عندما يكون هناك العديد من الاتصالات الوسيطة في الخط لخدمة المجتمعات على طول مسارها.

وللمسافات الأطول، وحتى للمسافات الأقصر حيث لا توجد صنابير وسيطة؛ تتمتع أنظمة التيار المستمر بميزتين بالإضافة إلى قدرتها على توفير طاقة أكبر بشكل كبير، وذلك من حيث:

أولاً: تكون تكلفة بنائها أقل لأنها لا تحتاج إلى عدد كبير من الأسلاك مثل الأنظمة ثلاثية الطور.

ثانياً: أنها أكثر كفاءة من حيث منع الخسائر الكهربائية بسبب المقاومة في الخطوط.

ثالثاً: تقدم أنظمة التيار المستمر أيضاً مزايا تتعلق بالموثوقية.

كما أن التغييرات في الحمل التي قد تتسبب في جعل بعض أجزاء شبكة التيار المتردد غير متزامنة وتؤدي إلى فشل متتالي في الشبكة لن يكون لها نفس التأثير على نظام (DC)، وعلاوة على ذلك، وفي مثل هذا السيناريو؛ فقد يمكن استخدام وصلة (DC) لتحقيق الاستقرار في شبكة التيار المتردد.

كما أن أنظمة التيار المستمر لها أيضاً عيوبها، لا سيما من حيث التكلفة والمعدات المرتبطة بتصعيد الجهد وتنحيه، ولكن نظراً لفوائد التيار المستمر ككل، فقد يفكر العديد من مشغلي أنظمة الطاقة في الاستخدام الأوسع لأنظمة التيار المستمر.

تصعيد وتنحي القدرة الكهربائية عبر الأبراج:

في حين أن الكهرباء التي تمر عبر الأسلاك عالية الجهد قد يكون لها قوة (230) أو (500) أو (765) كيلوفولت؛ فهذه ليست الطريقة التي يبدأ بها “التدفق من مصدر التوليد”، ولا كيف ينتهي عندما تصل الكهرباء إلى منزلك، وفي الواقع، لن يكون الأمر آمناً من أي من الطرفين إذا كان الأمر كذلك.

وفي داخل نظام النقل، تلعب المحطات الفرعية والمحولات أدواراً رئيسية عن طريق زيادة الجهد من المولد إلى خطوط النقل السائبة وتنحيه من خطوط النقل إلى الخطوط المحلية التي توزع الطاقة إلى منزلك، وخاصةً عندما يتم توليد الطاقة؛ فإنها تترك مصدر محطة الطاقة عند حوالي 20 كيلوفولت.

كما تقوم المحولات بعد ذلك بزيادة الجهد إلى المستوى المناسب للنقل، حيث يشبه إلى حد كبير استخدام المضخة لزيادة ضغط الماء في الأنبوب، وعندما تصل الكهرباء إلى مركز تحميل، تقوم المرافق المحلية بتوصيلها إلى الأحياء والشركات عن طريق التنحي عن الجهد الكهربائي من خلال المحطات الفرعية وإرسالها عبر شبكة من خطوط التغذية (أو التوزيع).

وأخيراً تعمل الفولتية لخطوط التوزيع الأولية بين (2.4 – 34.5) كيلوفولت، ثم ينخفض ​​الجهد مرة أخرى من خلال “محولات التوزيع” إلى المستويات السكنية (120 – 240) فولت.