عدم توازن الجهد في شبكات الجهد العالي – نظام عمان الرئيسي المترابط
| شبكة | نظام عمان الرئيسي المترابط (سوء) - 132 نقل فرعي كيلو فولت |
| نقاط القياس | ثلاث محطات لشبكة الجهد العالي تغذي المناطق الصناعية الرئيسية الثلاث في شبكة المعلومات الإدارية في سلطنة عمان |
| المعلمات المقاسة | عدم توازن الجهد والتيار - مقارنة بحدود كود التوزيع الدولية والعمانية |
| نتيجة عدم توازن الجهد | ضمن الحدود - شبكة المرافق ذات الجهد العالي متوازنة بشكل جيد على مستوى النقل |
| المعايير المطبقة | IEEE 519 · في 50160 · كود التوزيع العماني |
| القيمة الرئيسية | يحدد خط الأساس: إمدادات الجهد العالي الخاصة بالمرافق نظيفة - أي اختلال في التوازن يظهر في محطات المعدات ينشأ في اتجاه مجرى النهر, وليس من نظام النقل |
| سياق الشبكة | تخدم شركة عمان MIS الأحمال الصناعية بما في ذلك صهر الألمنيوم, فُولاَذ, والأسمنت - جميعها عوامل تساهم بشكل كبير في اضطرابات PQ |
01 السياق والخلفية
تعرض دراسة الحالة هذه نتائج قياسات عدم توازن الجهد التي أجريت على مستوى النقل والنقل الفرعي في النظام الرئيسي المترابط في سلطنة عمان (سوء) — شبكة الكهرباء الرئيسية التي تخدم مراكز الأحمال الصناعية والحضرية الرئيسية في السلطنة. الدراسة التي أجراها البادي وآخرون. (2015), تم تقديمه في مؤتمر IEEE الدولي للتكنولوجيا الصناعية, هو أحد الحسابات القليلة المنشورة لتقييم عدم توازن الجهد المنهجي في 132 مستوى كيلو فولت الجهد العالي في شبكة الشرق الأوسط سريعة التصنيع.[1]
يتميز نظام المعلومات الإدارية في سلطنة عمان بمزيج الأحمال الذي يمثل تحديات كبيرة في جودة الأداء: الأحمال الصناعية الكبيرة بما في ذلك مصاهر الألومنيوم, مصانع الصلب, ومصانع الأسمنت - وكلها مصادر مهمة للتشوه التوافقي, بصيص, وعدم توازن الجهد - متصلان بنفس شبكة النقل التي تخدم العملاء السكنيين والتجاريين. يعد قياس عدم التوازن على مستوى الجهد العالي أمرًا ضروريًا لفهم ما إذا كان مصدر عدم التوازن الملحوظ في محطات المعدات الصناعية هو نظام نقل المرافق أو شبكة التوزيع الصناعية نفسها.
تركز معظم دراسات عدم توازن الجهد على شبكات توزيع الجهد المنخفض أو المتوسط - حيث تكون التأثيرات على المحركات والمعدات محسوسة بشكل مباشر. لكن عدم التوازن في أطراف الجهد المنخفض هو مجموع عدم توازن مستوى النقل بالإضافة إلى عدم توازن مستوى التوزيع بالإضافة إلى عدم توازن المنشأة الداخلية. يفصل القياس على مستوى محطة الشبكة ذات الجهد العالي مساهمة نقل المرافق عن مساهمات التوزيع والمنشأة. إذا كان مستوى الجهد العالي متوازنا, شبكة المرافق ليست هي السبب الجذري - يجب أن ينظر التحقيق في اتجاه مجرى النهر.
02 عدم توازن الجهد – النظرية والمؤشرات
التعريف - ما هو عدم توازن الجهد?
يعمل نظام الطاقة ثلاثي الطور بشكل مثالي بثلاثة أطوار جهد متساوية في الحجم ويفصل بينها بالضبط 120 درجة في زاوية الطور. يحدث عدم توازن الجهد عندما تختلف المقادير بين المراحل, تختلف زوايا الطور بين المراحل المتتالية عن 120 درجة, أو أن كلا الشرطين موجودان في وقت واحد.[1]
عمليا, ينشأ عدم التوازن من مزيج من عدم تناسق الشبكة (خطوط نقل غير منقولة, ممانعات المحولات غير المتكافئة) وتحميل عدم التماثل (الأحمال أحادية الطور, الأحمال غير المتوازنة على ثلاث مراحل, أفران القوس, أنظمة الجر). يمكن تحليل النظام ثلاثي الطور غير المتوازن الناتج إلى ثلاثة مكونات متسلسلة متماثلة باستخدام نظرية فورتسكو:
- مكون التسلسل الإيجابي - العنصر المتوازن الذي يدور للأمام (نفس دوران المولد)
- مكون التسلسل السلبي - مكون متوازن يدور للخلف (الدوران المعاكس للمولد)
- مكون التسلسل الصفري - ثلاث مراحل متساوية في الطور (لا دوران, موجود فقط في الأنظمة ذات الموصل المحايد)
تعريفان - IEC مقابل. NO
تعريف المكونات المتماثلة IEC (VUF = V₂/V₁ × 100%) هي الطريقة المفضلة عالميًا وتستخدم في EN 50160 وIEC 61000-2-2. يتطلب قياس الطور (كل من الحجم والزاوية) وهو التعريف الأكثر أهمية من الناحية المادية لأن جهد التسلسل السلبي مسؤول بشكل مباشر عن التأثيرات الضارة في المحركات وغيرها من المعدات ثلاثية الطور.[2]
تعريف نيما (أقصى انحراف لأي جهد طور عن المتوسط, مقسوما على المتوسط) يتطلب فقط قياسات حجم الجهد ويستخدم على نطاق واسع في أمريكا الشمالية للتقييمات الميدانية. لاختلالات صغيرة (أدناه تقريبًا 3%), كلا الطريقتين تعطي نتائج مماثلة عدديا. لاختلالات أكبر أو حالات عدم تناسق زاوية كبيرة, تعطي طريقة IEC وصفًا أكثر دقة.[3]
03 منهجية القياس
تم إجراء قياسات عدم توازن الجهد والتيار في ثلاث محطات شبكة الجهد العالي في شبكة المعلومات الإدارية في سلطنة عمان. تقوم كل محطة شبكة بتزويد إحدى المناطق الصناعية الثلاث الرئيسية في النظام, جعل نقاط القياس تمثل بيئة PQ عند السطح البيني بين نظام النقل وشبكة النقل/التوزيع الصناعية.[1]
اتبعت منهجية القياس المعايير الدولية لتقييم PQ عند الجهد العالي. التحدي الرئيسي في 132 كيلو فولت هو أن القياس المباشر غير ممكن - محولات الجهد والتيار (VTs وCTs) تُستخدم لخفض الإشارات إلى الفولتية والتيارات على مستوى الأداة, الأمر الذي يتطلب التحقق من فئة دقة محول الجهاز للتأكد من أن قيم عدم الاتزان المقاسة ليست نتيجة لأخطاء المحولات وليست عدم تناسق حقيقي في الشبكة.
في 132 كيلو فولت, ل 1% يتوافق عدم توازن الجهد مع فرق الجهد من مرحلة إلى مرحلة تقريبًا 760 في. محولات الصك مع فئة الدقة 0.2 أو من الأفضل حل هذا المستوى من عدم التوازن بشكل موثوق. فئة 0.5 يقدم VT عدم يقين في القياس بنسبة ± 0.5% - وهو ما يمكن مقارنته بعدم الاتزان الذي يتم قياسه. ولهذا السبب تتطلب قياسات عدم توازن الجهد العالي توثيقًا واضحًا لفئة دقة محولات الأجهزة, ولماذا ينبغي تفسير عدم التوازن الواضح عند مستوى الجهد العالي الذي يقل عن 0.5-1% بحذر.
تمت مقارنة بيانات عدم الاتزان المقاسة بالحدود المحددة في كود توزيع الكهرباء العماني وفي المعايير الدولية المعمول بها — EN 50160 (حد: VUF ≥ 2% إلى 95% من أي فترة أسبوع واحد) ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات 519-2014 (الذي يتناول الحدود التوافقية ولكنه يشير إلى نفس الشيء 2% عتبة عدم التوازن لأغراض التخطيط).[2][4]
04 النتائج الرئيسية
عدم توازن مستوى ناقل الحركة - ضمن الحدود
كانت قياسات اختلال الجهد والتيار في جميع محطات الشبكة ذات الجهد العالي الثلاث في شبكة المعلومات الإدارية العمانية ضمن الحدود المحددة في كود التوزيع العماني والمعايير الدولية المعمول بها (في 50160, IEEE 519). نظام النقل, على الرغم من أنها تخدم أحمالًا صناعية كبيرة وربما غير متوازنة, حافظت على تماثل الجهد ثلاثي الطور داخل 2% عتبة VUF عند نقاط قياس محطة الشبكة.[1]
| نقطة القياس | عدم توازن الجهد (VUF) | في 50160 حد | حد الكود العماني | الامتثال |
|---|---|---|---|---|
| محطة الشبكة أ – المنطقة الصناعية 1 | ضمن الحد — لم يتم نشر القيمة الدقيقة | ≥ 2% (95النسبة المئوية) | ≥ 2% | متوافق |
| محطة الشبكة ب – المنطقة الصناعية 2 | ضمن الحد — لم يتم نشر القيمة الدقيقة | ≥ 2% (95النسبة المئوية) | ≥ 2% | متوافق |
| محطة الشبكة ج – المنطقة الصناعية 3 | ضمن الحد — لم يتم نشر القيمة الدقيقة | ≥ 2% (95النسبة المئوية) | ≥ 2% | متوافق |
| مصدر: Albadi et al. (2015). القياسات عند 132 محطات شبكة كيلوفولت في عمان MIS. القيم العددية الدقيقة غير منشورة في ملخص متاح للجمهور; تم تأكيد حالة الامتثال. | ||||
تعتبر حقيقة أن شبكة عمان MIS ذات الجهد العالي ضمن حدود عدم التوازن على مستوى محطة الشبكة بمثابة نتيجة أساسية مهمة. وهذا يعني أنه إذا لوحظت مشاكل عدم توازن الجهد في محطات المعدات الصناعية في هذه المناطق - ارتفاع درجة حرارة المحرك, سوء تشغيل مرحل الحماية, مشاكل بنك المكثف - المصدر ليس نظام نقل المرافق. إنها شبكة التوزيع الصناعية بين محطة الشبكة والمعدات: التحميل غير المتكافئ على مرحلة واحدة, مغذيات غير منقولة, الصمامات مكثف في مهب, أو أحمال المحركات ثلاثية الطور غير متوازنة. تقوم الأداة بتوفير إمدادات متوازنة. يؤدي هذا على الفور إلى إعادة توجيه التحقيق الهندسي من المنشأة إلى المنشأة.
عدم الاتزان الحالي — مؤشر منفصل
تم قياس عدم التوازن الحالي أيضًا جنبًا إلى جنب مع عدم توازن الجهد. عدم الاتزان الحالي هو كمية من جانب التحميل - وهو يعكس عدم تناسق الأحمال المتصلة بدلاً من عدم تناسق شبكة الإمداد. يشير جهد الإمداد المتوازن مع تيارات الحمل غير المتوازنة إلى أن الأحمال أحادية الطور أو الأحمال غير المتساوية ثلاثية الطور تخلق تدفقات تيار غير متماثلة في نظام التوزيع, والتي بدورها تنتج اختلالات صغيرة في الجهد من خلال مقاومة الشبكة.[1]
تعتمد العلاقة بين عدم التوازن الحالي وعدم توازن الجهد على مقاومة الشبكة عند نقطة القياس. في محطة الشبكة ذات الجهد العالي (ارتفاع مستوى ماس كهربائى, مقاومة منخفضة المصدر), حتى عدم توازن التيار الكبير الناتج عن الأحمال الصناعية لا ينتج عنه سوى عدم توازن صغير في الجهد في الحافلة - وهذا هو السبب في أن قياسات الجهد العالي تكون ضمن الحدود على الرغم من أن شبكة التوزيع النهائية قد تظهر عدم توازن أكثر أهمية عند مستويات الجهد المنخفض.
05 آثار عدم توازن الجهد
تقدم الدراسة مراجعة شاملة للآثار السلبية لعدم توازن الجهد, والتي تشكل الأساس المنطقي الهندسي ل 2% حد VUF في المعايير الدولية:[1]
المحركات الحثية هي الضحية الأكثر حساسية
المحركات الحثية هي نوع المعدات الأكثر تأثراً بعدم توازن الجهد. مكون الجهد التسلسلي السلبي (V₂) يدفع مجالًا مغناطيسيًا دوارًا في الاتجاه المعاكس لمجال التسلسل الإيجابي. في الإطار المرجعي الدوار, يدور حقل التسلسل السلبي بسرعة مضاعفة تقريبًا - يوفر الدوار مقاومة منخفضة جدًا لهذا المكون, مما يؤدي إلى تيارات دوارة كبيرة ذات تسلسل سلبي من جهد تسلسل سلبي صغير.
المعدات والأنظمة المتضررة الأخرى
- مقومات ومحركات ثلاثية الطور — ينتج جهد الإمداد غير المتوازن زوايا توصيل غير متساوية في الثنائيات المعدلة أو الثايرستور, توليد أوامر توافقية غير مميزة وزيادة تموج الإنتاج
- محولات الكهرباء - تزيد تيارات التسلسل السلبي من خسائر اللف والتشبع الأساسي. حماية المحولات (المرحلات التفاضلية) قد تنتج رحلات زائفة في ظل ظروف عدم التوازن الشديدة
- مكثفات تصحيح معامل القدرة — تنتج الفولتية غير المتوازنة توزيعًا غير متساوٍ للتيار التفاعلي عبر مراحل المكثف. يعد الصمام المنفوخ في إحدى مراحل بنك المكثف سببًا ومضخمًا لعدم توازن الجهد
- أنظمة الحماية - تعتمد مرحلات المسافة وأنظمة الحماية التفاضلية على افتراضات الجهد المتوازن. يمكن أن يؤدي عدم التوازن المستمر إلى سوء تشغيل التتابع أو إزالة الحساسية
- قياس الطاقة — تتطلب الأنظمة غير المتوازنة قياسًا حقيقيًا على ثلاث مراحل. تؤدي تكوينات القياس أحادية الطور أو المكونة من عنصرين إلى حدوث أخطاء في القياس في ظل ظروف غير متوازنة
06 تقنيات التخفيف
تستعرض الدراسة أساليب التخفيف الرئيسية لعدم توازن الجهد, والتي تنقسم إلى ثلاث فئات بناءً على نقطة تطبيقها:[1]
| تقنية | آلية | ينطبق على | نطاق التكلفة |
|---|---|---|---|
| موازنة التحميل | إعادة توزيع الأحمال أحادية الطور عبر المراحل لمعادلة سحب التيار لكل مرحلة | المرافق التجارية والصناعية; مغذيات الجهد المنخفض السكنية | منخفض - التدبير التشغيلي |
| نقل الشبكة | الدوران المنهجي لمواقع موصل الطور على طول الخط لموازنة الممانعات المتبادلة على الطول الكامل | خطوط نقل الجهد العالي مع عدم التماثل الهندسي المتأصل | متوسطة - تكلفة البناء |
| معوض VAR ثابت (SVC) | حقن طاقة تفاعلية يمكن التحكم فيه بشكل مستقل في كل مرحلة لتعويض الطلب التفاعلي غير المتماثل | كبيرة الأحمال على مرحلة واحدة (أفران القوس, الجر, التدفئة التعريفي) | عالية – 1-5 مليون دولار أمريكي |
| STATCOM | محول مصدر الجهد مع التحكم في كل مرحلة - استجابة أسرع من SVC, أداء أفضل في ظل عدم التوازن الديناميكي | الأحمال الصناعية مع عدم الاتزان المتغير بسرعة | عالية – 2-8 مليون دولار أمريكي |
| تخفيض سرعة المحرك | تعمل المحركات التي تعمل تحت تصنيف لوحة الاسم للحفاظ على الهوامش الحرارية في ظل عدم الاتزان المستمر - وليس التخفيف ولكن إجراء وقائي | تركيبات المحركات الموجودة حيث لا يمكن القضاء على عدم التوازن | صفر رأس المال - تكلفة الإنتاج |
| محول سكوت-تي أو لو بلان | يحول الحمل على مرحلة واحدة (الجر) إلى معادل متوازن على مرحلتين, الحد من عدم توازن الشبكة من إمدادات السكك الحديدية | أنظمة الجر الكهربائية للسكك الحديدية | متوسطة - تكلفة المحولات |
قبل تحديد أي معدات تعويض نشطة لعدم توازن الجهد, تتمثل الخطوة الأولى دائمًا في إجراء تدقيق منهجي للأحمال — تحديد الأحمال أحادية الطور التي تسبب عدم التوازن, وما إذا كانت إعادة التوازن بينها عبر المراحل ممكنة. في العديد من المنشآت الصناعية, إن عدم الاتزان هو ببساطة نتيجة لإضافات الأحمال التاريخية أحادية الطور إلى أي مرحلة كانت لديها سعة احتياطية في وقت التثبيت. إن عملية إعادة التوازن المنهجية لا تكلف شيئًا من رأس المال ويمكن أن تقلل من عدم التوازن بنسبة 50-80٪ قبل النظر في أي إلكترونيات طاقة.
07 منظور جودة الطاقة
تحتل هذه الدراسة مكانة محددة وقيمة في أدبيات دراسة الحالة PQ: إنه أحد الحسابات القليلة المنشورة لقياس عدم توازن الجهد المنهجي على مستوى نقل الجهد العالي في شبكة التصنيع السريعة. النتيجة أن شبكة عمان MIS للجهد العالي تقع ضمن الحدود الدولية - على الرغم من أنها تخدم بشكل كبير, يوفر احتمال عدم توازن الأحمال الصناعية - خط أساس مهم.
من منظور هندسة المرافق, الفكرة الأساسية هي حجة المعاوقة: تتمتع حافلة الشبكة ذات الجهد العالي بقدرة دائرة قصر عالية, مما يعني أن جهدها قاسٍ ومقاوم للتشويه الناتج عن تيارات الحمل غير المتوازنة. نفس تيار الحمل الذي ينتج أ 2% قد ينتج VUF الموجود على وحدة تغذية منخفضة الجهد المنخفض 0.1–0.2% فقط من VUF عند 132 حافلة كيلو فولت. وهذا ما يفسر سبب ظهور نظام النقل متوازنًا بينما تواجه المعدات المتصلة بالتوزيع اختلالًا كبيرًا في التوازن - وينشأ عدم التوازن عن طريق الممانعات والأحمال على مستوى التوزيع, لا تنتقل من نظام الجهد العالي.
المكان الذي تقيس فيه عدم توازن الجهد يحدد ما تجده. قياس في 132 محطة شبكة كيلو فولت – تجد إمدادات متوازنة. قياس في 11 ناقل توزيع كيلو فولت - قد تجد 0.5-1.5% VUF من عدم تناسق وحدة التغذية. قم بالقياس عند أطراف المحرك في منشأة صناعية - قد تجد 2-4% VUF من خلل الحمل الداخلي. القياسات الثلاثة كلها صحيحة، فهي تقيس أشياء مختلفة. التقييم الهندسي الذي ينتهي “إمدادات المرافق متوازنة” من قياس الجهد العالي, دون قياس في محطات المعدات, يفتقد القصة بأكملها.
البادي وآخرون. توضح الدراسة بالضبط هذا النوع المنهجي, قياس PQ المشار إليه بالمعايير على مستوى الإرسال والذي نادرًا ما يتم نشره ولكنه مهم للغاية لتخطيط المرافق. تؤكد البيانات الأساسية لنظام المعلومات الإدارية في سلطنة عمان أن شبكة النقل ليست مصدر مشاكل عدم توازن الجهد المبلغ عنها في المناطق الصناعية التي تخدمها - وهو اكتشاف له آثار تشغيلية مباشرة: يجب أن يركز الجهد الهندسي على شبكة التوزيع وإدارة أحمال المنشأة, وليس على نظام النقل. هذا هو منظور المنفعة الذي تفتقده معظم دراسات PQ من جانب المنشأة.
المراجع
- البادي م.ح, الهنائي AS, Al-Badi AH, الريامي م.س, الهنائي إس إم, العبري RS. “عدم التوازن في أنظمة الطاقة – مراجعة ودراسة حالة لنظام المعلومات الإدارية في عمان.” وقائع مؤتمر IEEE الدولي للتكنولوجيا الصناعية (ICIT 2015), إشبيلية, إسبانيا, ص. 1407-1411, مسيرة 2015. دوى: 10.1109/ICIT.2015.7125294
- في 50160:2010+A3:2019. خصائص الجهد للكهرباء التي توفرها شبكات الكهرباء العامة. CENELEC, بروكسل.
- رقم إم جي-1-2021. المحركات والمولدات. الرابطة الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية, روسلين, فرجينيا.
- IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 519-2022. معيار IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية. IEEE, نيويورك, NY, 2022.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) - جزء 2-2: مستويات التوافق للاضطرابات ذات التردد المنخفض في أنظمة الإمداد العامة ذات الجهد المنخفض. IEC, جنيف.
البادي م.ح, الهنائي AS, Al-Badi AH, الريامي م.س, الهنائي إس إم, العبري RS. “عدم التوازن في أنظمة الطاقة – مراجعة ودراسة حالة لنظام المعلومات الإدارية في عمان.” IEEE آي سي آي تي 2015, ص. 1407-1411.
دوى: 10.1109/ICIT.2015.7125294 · عرض على الباحث الدلالي →
يتم تقديم دراسة الحالة هذه في شكل ملخص وتعليق للأغراض التعليمية. المنشور الأصلي عبارة عن ورقة مؤتمر IEEE; حقوق الطبع والنشر مملوكة لـ IEEE. قسم منظور PQ (قسم 7) ومخططات SVG هي محتوى تحريري أصلي لـ IPQDF بواسطة Denis Ruest, ماجستير. (مُطبَّق), عين المهندس. (متقاعد.). لا تدعي IPQDF تأليف البحث الأصلي.