هبوط جهد (توتر)

Voltage drop - Chute de tension

هبوط الجهد (التوتر)

 

يتم توليد الطاقة الكهربائية في محطات التوليد الكهربائية power generation plants التي يمكن أن تكون محطات توليد حرارية thermal power plants، أو محطات توليد مائية hydro power plants، أو محطات توليد بطاقة الرياح wind power plants أو محطات توليد شمسية solar power plants. وتُنقل الطاقة الكهربائية المولدة في هذه المحطات إلى مراكز الاستهلاك عبر شبكات كهربائية تتألف من خطوط نقل كهربائية وخطوط توزيع تعمل على توترات كهربائية عالية ومنخفضة متنوعة يتم الحصول عليها في محطات التحويل الكهربائية المختلفة transformer substations. ويكون لهذه الخطوط الكهربائية توترات نظامية محددة تُعرِّفها الهيئة الدولية للكهرباء IEC (International Electrical Comission)، تساوي 700 ك.ف، 400 ك.ف، 230 ك.ف، 132 ك.ف، 66 ك.ف، 20 ك.ف، 0.4 ك.ف. يُعرَّف هبوط التوتر بأنه الفرق بين قيمة التوتر الكهربائي الذي يطبق على بداية خط نقل كهربائي وبين قيمة التوتر الكهربائي الذي يظهر في نهاية هذا الخط عندما يتم نقل الطاقة الكهربائية على الخط المعتبر بين مركز التوليد generation center ومركز الاستهلاك load center وفق العلاقة الآتية: ΔU = U₁- U₂، حيث يمثل: U₁ توتر الإرسال وU₂ توتر استقبال وΔU هبوط التوتر.

هبوط التوتر في شبكات التيار المستمر voltage drop in D.C. circuits:

تتألف الشبكات الكهربائية التي تعمل بالتيار المستمر من ناقلين كهربائيين يصنعان عادة من النحاس أو من الألمنيوم. عندما يمر تيار كهربائي مستمر في هذه الشبكات فإن الناقل سيبدي مقاومة لمرور هذا التيار، وتعرّف هذه الخاصية الفيزيائية بوساطة قانون أوم Ohmبالعلاقة U = RI، حيث U يمثل التوتر النظامي للناقل، I التيار الكهربائي الذي يمر في الناقل وR المقاومة الكهربائية للناقل المستعمل في الخط الكهربائي. تتناسب قيمة المقاومة الكهربائية لناقل ما طرداً مع طول الناقل، وتتناسب عكساً مع سطح مقطع الناقل ومع المواصفات الفيزيائية للمعدن المصنوع منه الناقل. كما أثبتت التجارب أن المقاومة الكهربائية لناقل ما، محدد، تتناسب طرداً مع درجة حرارة الوسط المحيط به.

	الشكل (1) هبوط التوتر في دارة التيار المستمر

يعرف هبوط التوتر في شبكات التيار المستمر - كما هو مبين في الشكل (1) -

بالعلاقة:

ΔU = R_line. I

U = (R_line+ R_load). I

حيث R_line المقاومة الكهربائية لخط الناقل، R_load المقاومة الكهربائية لحمل المستهلك.

يمكن ملاحظة أنه لأجل مقاومة كهربائية كبيرة للناقل R_line ينتج هبوط توتر كبير، وبذلك سيكون التوتر الكهربائي U₂في نهاية الشبكة المغذية للحمل الكهربائي R_load صغيراً مقارنة بالتوتر في طرف الإرسال في بداية الشبكة المغذية U₁.

هبوط التوتر في شبكات التيار المتناوب voltage drop in AC circuits:

تتعقد الأمور في حالة الشبكات التي تعمل بالتيار المتناوب alternative circuits؛ إذ يظهر إضافة إلى أثر أوم Ohm effect الأثر التحريضي induction effect للتيار المتناوب، حيث يكون للناقل الكهربائي في التيار المتناوب عامل تحريض ذاتي self induction (L) يمثل تأثير تغيرات الحقل الكهرطيسي electromagnetic fieldالناتج من التيار المتناوب المار في الناقل، في المعادلة التي تحدد عمل الناقل في التيار المتناوب. يؤخذ عامل التحريض الذاتي L هذا في الحسبان في شبكات التيار المتناوب كما هو مبين في الشكل (2).

	الشكل (2) هبوط التوتر في دارة التيار المتناوب

ΔU = Z_line. I

تُعطى قيمة التوتر في شبكات التيار المتناوب بالعلاقة الآتية:

كما هو معروف فإن التيار المتناوب يغير اتجاهه في الدارة الكهربائية باستمرار في فترات زمنية متساوية تُسمّى الدور period (T). ويمثل عدد تغيرات اتجاه التيار في الدارة في ثانية واحدة تردد التيار frequency (f)، ويساوي هذا التردد 50 هرتزhertzفي غالبية دول العالم و60 هرتز في أمريكا واليابان وأستراليا ونيوزيلندا وبعض دول الخليج العربي.

يتعلق هبوط التوتر في شبكات التيار المتناوب بمقاومة أسلاك الناقل الكهربائي R، وسعتها الذاتية C، وعامل تحريضها الذاتي L، هي بمجملها تعرف كمية كهربائية خاصة بالتيار المتناوب تسمى الممانعة الكهربائية impedance (Z). وتتصرف الممانعة الكهربائية تجاه التيار المتناوب بشكل يشابه تصرف المقاومة R تجاه التيار في دارة التيار المستمر. وتُعطى علاقة هبوط التوتر في التيار المتناوب كما يأتي:

ΔU = Z_line. I

معالجة مسألة هبوط التوتر وتخفيف قيمته:

عندما يتم نقل الطاقة الكهربائية electrical energy (W_e1)على الخطوط الكهربائية فإن جزءاً من هذه الطاقة سيتحول إلى حرارة تنتشر في الناقل الكهربائي بفعل الأثر الأومي، وسيتحول جزء آخر منها إلى طاقة كهرطيسية بفعل الأثر التحريضي، تصرف لتوليد الحقل الكهرطيسي حول الناقل. وبذلك فإن الطاقة الكهربائية التي تصل إلى نهاية الخطوط الكهربائية (W_e2) والتي ستوضع تحت تصرف المستهلك للكهرباء ستكون أصغر من الطاقة الكهربائية التي ترسل من بداية الخط (W_e1). يسمى الفرق بين الطاقة الكهربائية المرسلة على الخطوط والطاقة الكهربائية التي تصل إلى نهاية الخطوط - الفاقد الكهربائي power loss

ΔWe = W_e2 - W_e1

وكلما ازداد الفاقد الكهربائي ΔWe كان مردود التوليد والنقل واستهلاك الطاقة الكهربائية في الشبكة الكهربائية أسوأ.

يمكن معالجة الفاقد الكهربائي عن طريق زيادة مقطع الناقل، الأمر الذي يؤدي إلى تخفيض مقاومته كثيراً، كما يمكن تخفيض الفاقد الكهربائي عن طريق زيادة توتر عمل الشبكة والخطوط الكهربائية. فلأجل استطاعة محددة يتم نقلها على الخطوط الكهربائية يؤدي رفع توتر الإرسال إلى خفض التيار المار في الخطوط الكهربائية ومن ثم إلى خفض هبوط التوتر في الشبكة؛ لكن مسألة رفع التوتر في الشبكات يسبب عدداً من المشكلات مثل مسألة توليد ظاهرة كورونا corona effectوالضياع الذي يرافقها، ومسألة انهيار العوازل المستعملة في الشبكات الكهربائية، ومسألة تأثير الحقل الكهرطيسي الناتج من التوتر العالي في التجهيزات وفي الكائنات الحية الموجودة بالقرب من الشبكات الكهربائية.

تعرف الاستطاعة الكهربائية المولدة بالعلاقة (W_e = I. E)، والاستطاعة المستهلكة في مقاومة الناقل الكهربائي المستعمل في الشبكة الكهربائية بالعلاقة (W= R_line. I * I). يمكن أن يتبين من هاتين العلاقتين: أنه لأجل استطاعة ثابتة يتم نقلها على الخطوط الكهربائية فإن هبوط التوتر والفاقد الكهربائي يتناقصان مع خفض قيمة التيار المار في الناقل الذي له مقاومة محددة R، لذلك يتم استخدام التوترات العالية في نقل الطاقة الكهربائية في الشبكات الكهربائية.

تعالج مسألة هبوط التوتر في شبكات الاتصالات عن طريق استخدام مقاومة سالبة ومنبع للقوة المحركة الكهربائية مربوطة على التسلسل في بداية شبكة الاتصالات؛ بحيث يشكل منبع القوة المحركة الكهربائية والمقاومة مضخماً ذا عامل تضخيم يساوي K = 2، وبذلك يكون توتر في بداية شبكة الاتصالات مساوياً لتوتر الدخل مضافاً إليه قيمة هبوط التوتر على مقاومة ناقل شبكة الاتصالات ويبين الشكل (3) ذلك، حيث:

	الشكل (3) معالجة هبوط التوتر في دارة الاتصالات
	الشكل (4) تغيرات التوتر في دارة اتصالات

R = - R_line مقاومة هبوط التوتر على الخط

E_H القوة المحركة الكهربائية المساعدة

 U_nالتوتر الذي تعطيه القوة المحركة المساعدة ويساوي:

U_n= - 2.R. I = 2. R_line. I

وبذلك يبقى التوتر في نهاية شبكة الاتصالات U_L مساوياً التوتر في بداية الإرسال R_int.

الآثار السلبية لهبوط التوتر:

تظهر الآثار السلبية لهبوط التوتر على مختلف التجهيزات والمعدات والآلات التي تتم تغذيتها من الشبكة الكهربائية. يكون توتر التغذية الكهربائية في شبكات التوزيع في غالبية دول العالم مساوياً 110ف أو220ف، فإذا كان هبوط التوتر ΔU كبيراً فإن قيمة التوتر في نهاية الشبكة - الذي يستعمل لتغذية مختلف فئات المستهلكين - ستنخفض إلى القيمة U₂ = U₁ - ΔU، وقد تكون هذه القيمة غير كافية مثلاً لتأمين إقلاع المحركات التحريضية وتأمين دورانها، كما أنها تسبب إضاءة مصابيح الإنارة[ر: المصباح] إضاءَة باهتة أو تسبب تذبذب إنارة أنابيب الفلورسنت. كما أن هبوط التوتر يسبب ظهور خطوط عرضية معتمة في شاشة التلفاز. ويؤدي استمرار هبوط التوتر إلى حالات تشغيل غير مستقرة للحواسب والأجهزة الطبية والمعدات الإلكترونية، ويزداد التيار المار في العناصر الإلكترونية مما يؤدي إلى زيادة تسخينها ومن ثم تلفها أو انتقالها إلى حالات عمل غير مستقرة.

وتعتمد الهيئات الوطنية للكهرباء مواصفات محددة، توصي فيها باعتماد قيمة معينة ومسموحة لهبوط التوتر. وتوصي غالبية الهيئات الوطنية بألا يزيد هبوط التوتر في شبكات التغذية الكهربائية من منبع التغذية حتى المعدات والتجهيزات التي تمثل المستهلك الكهربائي عن 5٪ من قيمة توتر العمل النظامي لشبكة التغذية.

سميح الجابي

الموضوعات ذات الصلة:

توزيع الكهرباء (شبكات ـ) ـ الطاقة الكهربائية ـ محطات توليد الطاقة الكهربائية ـ المحول الكهربائي ـ مركز تحويل الطاقة الكهربائية ـ المصباح.

مراجع للاستزادة:

- سميح الجابي، نبيل الجابي، استثمار التجهيزات الكهربائية (منشورات جامعة دمشق، 1998).

- شوقي البطل، خالد زيدان، تصميم الشبكات الكهربائية (منشورات جامعة دمشق، 2000).

- علي حمزة، حسان سويدان، هندسة نظم القدرة الكهربائية (منشورات جامعة دمشق، 2006).

---

- التصنيف : التقنيات (التكنولوجية) - النوع : تقانة - المجلد : المجلد الواحد والعشرون - رقم الصفحة ضمن المجلد : 371 مشاركة :