التوزيع الكهربي

Electrical Distribution

                                                                                                   

                                                                                        

- مكونات نظم التوزيع

يوضح شكل رقم (2) مكونات نظم التوزيع وهي :-

-          محطات التوزيع                             Distribution Substation   

-          الموزعات الابتدائية                                             Primary feeders 

-          محولات التوزيع                               Distribution Transformer

-          الموزعات الثانوية                           Secondary feeders

-          الأحمال الكهربية                           Electrical loads

- الموزعات الابتدائية

يمكن أن يقسم مخطط توصيلات هذه الموزعات إلى ثلاث أنواع:

2-1 النظام الإشعاعي Radial system

ويوضح شكل رقم (3) هذا النظام والعيب الأساسي هو انقطاع التغذية الكهربية عن الأحمال فى حالة حدوث عطل على الموزع أو أفرعه بالنسبة للأحمال الموجودة فى الجهة الأخرى من المصدر حيث أن التغذية من مصدر أحادي فقط. لكن هذا النظام يتميز بالبساطة فى التشغيل وفى نظم الحماية حيث تستخدم المصهرات عند اتصال الأفرع مع الموزع الرئيسي للحماية من القصر. و بيين شكل رقم (3) النظام القديم الذي يستخدم الكابلات الطويلة والنظام الحديث حيث تستخدم كابلات قصيرة لمحولات التوزيع وذلك لمراكز الأحمال الكبيرة .

2-2 النظام الحلقي

يوجد نوعان :

(أ)  الدائرة المفتوحة open loop : وهذا النظام هو الشائع استخدامه فى نظم التوزيع التى لا تتطلب درجة استمرارية للتغذية عالية طوال الوقت ويوضح شكل رقم (4) هذا النظام ويتصل الموزعات بجهاز قطع والوضع العادي له مفتوح وذلك لنقل التغذية من النوع الذي حدث فيه العطل إلى الموزع الآخر عند قفل هذا الجهاز .

(ب) الدائرة المغلقة closed loop : و تستخدم هذه التوصيلة لرفع درجة العول التي تغذي الأحمال الكهربية الهامة وعند حدوث عطل تفتح أجهزة القطع على جانبي العطل نتيجة إشارة المرحلات لها . فلا ينقطع مصدر التغذية عن بقية الأحمال الكهربية  كما هو موضح في شكل (5 ) .

شكل(3)

شكل (4)

شكل (5)

2-3 النظام الشبكي

يبين شكل (6) هذا النظام واستخدامه محدود فقط للأحمال الكهربية الهامة والتي تتطلب درجة عول عالية لأن التكلفة الاقتصادية لهذا النظام غالبًا ما تكون أكثر من النظامين السابقين بالإضافة إلى بعض الصعوبات فى التشغيل .

شكل (6)

1-      طلب المنظومة       

2-      متوسط الطلب

3-      أقصى قيمة للطلب

4-      عامل الطلب  

5-      عامل الحمل

1-                       كابلات الجهد المنخفض  Low Voltage Cables

1- مقدمة:

وظيفة الكابلات هى نقل الطاقة بطريقة سليمة من المصدر إلى أجهزة الاستخدام  وأثناء عملية نقل الطاقة تحدث بعض الظواهر مثل إرتفاع درجة حرارة الكابل نتيجة للمفاقيد وكذلك هبوط الجهد وتكوين المجالات الكهرومغناطيسية حول الكابل بالإضافة إلى الحث المتبادل بين دائرة الكابل والدوائر المجاورة .

2- المكونات :

تصنع الكابلات إما بقلب واحد Single Core  أو قلبين أو ثلاثة قلوب Three-Cores وربما أكثر من ذلك ويمكن القول بصفة عامة أن استخدام الكابلات ثلاثية القلب يؤدي إلى خفض التكاليف وخفض هبوط الجهد أما الكابل أحادي القلب فهو أكثر مرونة واسهل في التركيب والتوصيل وعلى ذلك فإن استخدام الكابلات وحيدة القلب يكون أفضل داخل المباني التجارية نظرًا لكثرة تعرض الكابل من انحنائات وكذلك كثرة التفريعات والتوصيلات على الكابل .و يتكون الكابل وحيد القلب من:

·         الموصل

·         العازل  

·         غطاء 

·         والحماية الخارجية .

 أما الكابل ثلاثي القلب فيتكون من:

·         الموصل

·         العازل

·         مادة الحشو

·         وحزام الربط  Belt   و ستارة Screen

·         الغطاء والحماية الخارجية .

2-1 القلب (الموصل ):

يصنع قلب الكابل من مادة عالية التوصيليه الكهربية و يستعمل النحاس أو الألومنيوم في صناعة الموصل للكابل وعادة ما يفضل استخدام موصلات النحاس لسبب خواصها الكهربية والميكانيكية والكيماوية الأفضل أما موصلات الألومنيوم فإنها تستخدم ايضًا على نطاق واسع بسبب رخص ثمنها وخفة وزنها بالنسبة للموصلات النحاس وذلك  لنفس قيمة  التيار . و في المبانى السكنية و المنشآت التجارية والإدارية  تستخدم الموصلات النحاسية المصمته حتى قطاع (16) مم 2 على الأكثر وتستعمل الموصلات المجدولة للقطاعات الأعلي من ذلك للحصول على المرونة وقد حددت اللجنة الدولية الكهروتقنية IEC المقياس العلمي للمقاومة Resistivity النحاس المخمر Annealed على أساس أن 1.724 ميكرو أوم  سم عند 20م تكافئ مقاومة 100% ويحتاج موصلات من الألومنيوم إلى 160% من قطاع الموصلات النحاسي للحصول على نفس التوصيل الكهربي ويجب الاحتياط عند استخدام الموصلات الألومنيوم من عوامل البيئة المحيطة .

2-2- العازل :

تستخدم المواد البوليمرية Polymeric Materials الآن في صناعات جميع الكابلات المستخدمة فى المباني التجارية على اختلاف جهودها والمواد البوليمرية هى مواد مستخرجة من صناعات البتروكيماويات وهناك نوعان أساسيان من هذه المواد يستخدمان في صناعة عوازل الكابلات :

-            اللدائن الحرارية Thermoplastics:

وهي أنواع البوليمر تلين بالحرارة وتصلد بالبرودة . وأهم أنواعها البولي فينايل وكلوريد PVC ويتميز بخواص كهربية ممتازة حتى جهد 3 ك.ف : وهو غير مناسب للجهود الأعلي من ذلك إلا بأستخدام أنواع خاصة منها وكما ذكرنا فهو يتصلد بالبرودة ويلين بالحرارة ومن الأفضل عدم تعريضه لدرجات حرارة تقل عن الصفر أو تزيد عن 70 م بصفة مستمرة وهو يتميز أيضًا بخاصية الإطفاء الذاتي للهب فهو يحترق عندما يلمس اللهب مباشرة ولكنه ينطفئ بمجرد إبعاد مصدر اللهب وينتج عن احتراقه غازات سامة  ويجب الا تزيد درجة حرارة الموصل عن 160 درجة مئوية  أثناء فترات قصر الدائرة وإلا تلف العازل وهو يقاوم الأوزون بصورة جيدة ويتلف بتعرضه للكلور .

-            الجوامد الحرارية Thermosettings :

وهي المواد التى لا تلين بالحرارة حتى درجة حرارة إحتراقها أو تحللها وأهم أنواعها – البولي إيثلين التشابكي (XLPE) ويتميز بخواص كهربية وفيزيائية وكيميائية ممتازة ويمكن استخدامها في درجة حرارة مستمرة للموصل حتى 90 درجة مئوية وبدرجة حرارة 250 درجة مئوية في فترات قصر الدائرة وتعتبر مقاومته ممتازة للرطوبة ولغاز الأوزون الذي يتصاعد نتيجة لظاهرة الكرونا Coronaالناشئة من زيادة شدة المجال الكهربي للعازل ولكنه غير مقاوم للكلور وهو مادة صلدة جدًا غير قابلة للاشتعال تستخدم عادة في الكابلات ذات الجهد الأعلي من 3ك ف حيث أن استعمالها في الجهود الأقل من ذلك لا مبرر له  لارتفاع ثمنها

ويوضح الجدول رقم (1) أهم المواد البوليميرية المستخدمة في صناعة عوازل الكابلات وخواصها الكهربية والفيزيايئة بصفة عامة .

جدول (1) : المواد العازلة المستخدمة البوليميرية  في الكابلات
الاسم الشائع	الخواص الكهربية	الخواص الفيزيائية
الجوامد الحرلرية: البولي اثيلين التشايكي XLPE مطاط الثيلين بروبلين الناشف HEPR المطاط السيلوكوني SR النيوبرين	ممتاز ممتاز جيد متوسط	ممتاز ممتاز جيد جيد
اللدائن الحرارية : البولي فينايل كلورايد PVC البولي ايثلين PE النايلون	جيد ممتاز متوسط	جيد جيد ممتاز

2-3– الغلاف المعدني :

تشترط المواصفات المحلية والعالمية تزويد الكابل بغلاف معدني Shielding  (Metallic Sheath إذا تجاوز جهد الكابل حدًا معينًا (1ك ف طبقًا للمواصفات IEC-502 و2 ك ف طبقًا للمواصفة NEC – 1993) ويصنع الغلاف المعدني إما من مادة موصلة (رصاص -  سبيكة  رصاص -  سبيكة ألومنيوم ) أو من مادة شبه موصلة أو من الاثنين معًا ويصنع الغلاف المعدني على أشكال مختلفة منها:

-   شريط من النحاس أو الصلب يلف على العازل بطريقة لولبية

-   شريط معرج من النحاس يوضع على العازل بطريقة طولية ويثبت عن طريق اللحام الطولى .

-   أسلاك من النحاس تلف على العازل  العازل بطريقة لولبية

-   غلاف مصمت من الرصاص يتم إلصاقه بطول العازل عن طريق البثق Extruded Lead Sheath .

-   وتحتوي أنواع كثيرة من الكابلات على غلاف معدني داخلي يتم وضعه على الموصل أو قريبًا منه وغلاف معدني خارجي أي أن العازل يكون محاطًا بغلافين من الداخل والخارج .

-   ويحقق الغلاف المعدني مزايا عديدة منها :

-   حصر المجال الكهربي داخل الكابل

-   توفير مسار لتيار القصر الأرضي

-   خفض الاجهادات الكهربية على العازل وخاصة المجالات المماسة لسطح العازل التى تسبب في تلفه

-   الحد من التشويش على أجهزة الاتصالات

-   خفض مخاطر الصدمات الكهربية في حالة التأريض الجيد للكابل

-   حماية ميكانيكية وكيماوية وطبيعية لمادة العازل

2-4- الحماية الخارجية :

-   تستخدم الحماية الخارجية أو الغالاف الخارجي لحماية طبقات الكابل التى تحتها من ظروف البيئة والتركيب ويعتمد اختيار مادة الحماية الخارجية على نفس عوامل اختيار العازل أي على الخواص الكهربية والميكانيكية والفيزيائية والكيميائية كما يمكن تزويد الكابل بحماية معدنية أو غير معدنية أو الاثنين معًا :

o     الحماية غير المعدنية :

o     وهي إما على صورة سترة مبثوقة Extruded jacket على الغلاف المعدني من مادة XLPE , PVC أو غيرها وإما على شكل الياف عريضة مجدولة Fiber Braids تلف حول الغلاف المعدني وتصنع من الألياف الزجاجية أو الأسبستوس أو غيره . وتحتاج جميع الألياف إلى مادة مشبعة Saturant أو غامسة لتحقيق قدر من المقاومة ضد الرطوبة والمذيبات والـتآكل والعوامل الجوية وهناك أنواع خاصة من المواد المستخدمة في الحماية الخارجية لها خواص مقاومة لاتفاع درجة الحرارة وإبطاء اللهب ومقاومة الزيوت المذيبة .

o     الحماية المعدنية :

-   تظهر الحاجة إلى حماية خارجية معدنية إذا كان الكابل معرضًا لاجهادات ميكانيكية عالية أو مواد كيميائية قاسية أو اجهادات حرارية عالية أثناء قصر الدائرة . تتوفر الحماية الخارجية المعدنية بأشكال ومواد مختلفة ويستخدم في ذلك الصلب المجلفن والألومنيوم والبرونز والرصاص والنحاس ويتم عمل طبقة الحماية الخارجية على شكل تسليح Armouring بأحد التكوينات الآتية :

-   تسليح متواشج Interlock من الصلب المجلفن

-   غلاف معدني متعرج ملحوم طويلا على إمتداد الكابل

-   مغذي معدني من الرصاص أو النحاس أو الألومنيوم

-   أسلاك من الصلب تلف لولبيًا بإمتداد الكابل ويجب الرجوع إلى النشارات الفنية الخاصة بالكابلات للتعرف على الخواص الكهربية والميكانيكية لكل أنواع الحماية الخارجية

3-اختيار الكابل

يعتمد الاختيار السليم للكابل على عدة عوامل منها :

3-1- خواص الحمل :

وذلك من حيث جهد التشغيل وتيار الحمل المتواصل ودورة الحمل ومدي تجاوز التحميل في فترات الطوارئ والفترة الزمنية المسموح بها لتجاوز الحمل وكذلك حدود التغير في الجهد .

3-2– مقنن الجهد :

يجب تحديد قييمتين لجهد الكابل :

جهد التشغيل U وهوالجهد المقنن بين الموصل والأرض اثناء التشغيل العادي

جهد العزل UO وهو أقصي جهد خطي (line-to-line ) يمكن أن يتحمله الكابل عند استخدام الكابلات في نظام مؤرض فيمكن أن يكون (U=  √3 UO) أما في حالة الشبكات غيرالمؤرضة يجب أن تزيد قيمة U إلى 133% أو 173% من القيمة   √3U0وذلك نظرًا لإرتفاع جهد الكابل أثناء فترات القصر الأرضي .

3-3– مساحة مقطع الموصل :

يتم اختيار مساحة مقطع الموصل تبعًا لعدة عوامل على النحو التالي :

-       قدرة حمل التيار

-       تجاوز التحميل في فترات الطوارئ

-       حدود هبوط الجهد المسموح بها

-       خواص وتأثيرات تيارات القصر

-       شروط التركيب من حيث طريقة التركيب ودرجة حرارة الموصل والكابلات المجاورة وغيرها

-       متطلبات توصيل نهاية الكابل.

-        

يتم أولا تحديد مساحة مقطع الموصل تبعًا لقدرة حمل التيار وذلك من خلال جداول مصنع الكابلات يجب بعد ذلك تصحيح مساحة المقطع هذه تبعًا لظروف التركيب وإختلافها عن الظروف القياسية المناظر لها الجداول , فيجب استخدام معاملات خفض التقنين Derating Factors  على النحو  المعروف في النشرات الفنية الخاصة بالكابلات حتى يمكن تحديد المساحة الصحيحة لمقطع الموصل .

3-4  طريقة التركيب :

يمكن أن يدفن الكابل في الأرض مباشرة أو داخل مجاري كما يمكن أن يوضع على أرفف أو داخل أنابيب هوائية وفى جميع هذه الحالات يجب معرفة الحيز المخصص لمرور الكابلات ومدي تقاربها من بعضها خاصة إذا كانت هذه الكابلات تعمل على جهود مختلفة .

3-5- خواص حالات قصر الدائرة ونظام الحماية :

يجب تحديد قيم تيارات القصر ونظام الحماية على الكابل وأقصي فترة قصر دائرة يمكن أن يتعرض لها الكابل وذلك تبعًا لخواص وطريقة ضبط أجهزة الحماية .

3-6– البيئة المار فيها الكابل :

قد يمر مسار الكابل بمناطق ذات درجات حرارة مرتفعة مما يتطلب أنواعًا خاصة من العازل كما قد يمر الكابل بمناطق خطرة أو معرضة للحرائق أو الإنفجارات أو تحتوي على مواد كيماوية حارقة أو معرضة لإجهادات ميكانيكية عالية وفى مثل هذه الحالات يجب اختيار الكابل المناسب من حيث مواد العزل والحماية الخارجية أو التسليح الميكانيكي وقد يتطلب الأمر في بعض الأحيان اختيار كابل بمرونة عالية نظرًا لتعرض مساره للانحناءات الحادة المتكررة .

4-  مواصفات الكابلات :

بمجرد الإنتهاء من الاختيار المناسب للكابل فإن كتابة مواصفاته تصبح عملا روتنيًا بحيث تتضمن:

-          عدد الموصلات أو القلوب

-          مادة الموصل ومساحة مقطعه

-          نوع العازل

-          الجهد المقنن ( جهد التشغيل الطوري وجهد العزل ) .

-          طريقة الحماية بواسطة الغلاف المعدني

-          الحماية الخارجية

-          قدرة الكابل على احتمال تيارات القصر

-          أية تجهيزات مطلوبة أخري

5- احتياطيات التركيب :

تحتاج عملية تركيب الكابل إلى احتياطات خاصة لتجنب تلفه توجز فيما يلي :

-       الا يتم تركيب الكابلات التى تدخل مادة PVC في مكوناتها في الأجواء شديدة البرودة حيث يكون العازل أو  طبقة الحماية الخارجية شديد القصافة Brittle وسهل التعرض للشروخ

-       إن أحد العيوب الاساسية في موصلات الألومنيوم هو تكون طبقة صلدة رقيقة من الأكسيد على سطح الموصل ورغم أن هذه الطبقة تهيئ حماية ضد تآكل الموصل إلا أنها تتسبب في العديد من المشاكل خصوصًا عند عمليات اللحام والتوصيل وتثبيت نهايات الكابل وعلى ذلك فيجب إتباع النشرات الفنية الخاصة بتركيب كابلات الألومنيوم بكل دقة ويمكن الحصول على هذه النشرات من مصانع الكابلات .

-       عدم وجود أركان حادة لإنها قد  تتسبب في إتلاف الكابل اثناء سحبه داخل المجري.

-       عدم تعريض الكابل لقوي شد أكثر من المسموح بها اثناء عملية سحبه

-       إحكام قفل نهايات الكابل لمنع دخول الماء أو الرطوبة إلى داخله والوصول إلى قلبه وتزيد أهمية هذه النقطة إذا كان الكابل موضوعًا في بيئة معرضة للماء أو الرطوبة .

-       ألا يقل نصف قطر الثني للكابل عن الحد المسموح به

6- الاختبـــــــــــــــــــــارات :

رغم أن معظم الاختبارات الخاصة بالكابلات تتم في المصنع , إلا أنه يجب إجراء بعض الاختبارات عند استلام و بعد التركيب و من أهم هذه الاختبارات :

-       الأبعاد : يتم قياس قطر الموصل وسمك العزل والغلاف وباقي مكونات الكابل بعناية تامة عن الاستلام ويسعمل في ذلك ميكرومتر خاص . ويجب التأكد من أنها مطابقة للمواصفات المعطاة من المصنع كما يجب الاهتمام بسمك العازل بصفة خاصة ومطابقة ذلك بالمواصفات القياسية

-       مقاومة وسعة العازل : يتم قياس مقاومة العازل وسعته باستخدام أجهزة وطرق القياس العادية ويمكن إجراء هذا الاختبار بسهولة لقياس المقاومة بين كل موصل والغلاف وبين كل موصل والأرض وبين كل موصلين ويمكن إجراء هذا القياس بعد التركيب ثم بعد التشغيل على فترات دورية

-       اختبار الجهد العالي : يتم هذا الاختبار بتسليط جهد كهربي على الكابل ثم رفع هذا الجهد حتى أربعة أمثال جهد العزل المقنن لفترة 15 دقيقة وذلك إما على مرحلة واحدة أو عدة مراحل ويمكن إجراء هذا الاختبار باستخدام جهد ثابت أو جهد متردد ويفضل استخدام الجهد الثابت وخاصة بعد عملية تركيب الكابل .

Voltage Drop Calculations

The voltage drop of any insulated cable is dependent upon the route length under consideration (in meters), the required current rating (in amperes) and the relevant total impedance per unit length of the cable. The maximum impedance and voltage drop applicable to each cable at maximum conductor temperature and under a.c. conditions is given in the tables. For cables operating under dc conditions, the appropriate voltage drops may be calculated using the formula.

2 x route length x current x resistance x 10^-3.

The values detailed in the tables are given in m/V/Am, (volts/100 per ampere per metre), and the nominal maximum acceptable volt drop specified by the IEE Regulations is 2.5% of the system voltage, i.e. 0.025 x 415 = 10.5 volts for 3 phase working or 0.025 x 240 = 6.0 volts for single phase working.

oConsider a 3 phase system

The requirement may be for a load of 100A to be transmitted over a route length of 150m, the cable to be clipped to the wall and close protection provided. The rating tables in the IEE Regulations indicate that a 35mm copper conductor PVC SWA PVC cable would be suitable for the loading required, but the voltage drop
must be checked.

Volt drop = Y x current x length
= 1.1 x 100 x 150 millivolts
= 1.1 x 100 x 150 volts/1000
= 16.5 volts
where Y = value from tables in mV/A/m Unless a particular value of voltage drop, acceptable to the user, is
specified, the IEE Regulations figure of 10.5 volts must be adhered to.
Thus: total volt drop = 10.5 volts
10.5 = Y x 100 x 150
Therefore Y = 10.5/100 x 150
= 0.7/1000 volts/ampere/meters
Reference to the voltage drop tables indicates that the cable size with a voltage drop of 0.7/1000 V/A/m
(0.7mV/A/m) OR LESS is a 70mm copper conductor.
Therefore, in order to transmit a 3 phase current of 100A per phase over a route length of 150m, with a total voltage drop equal to or less than the statutory maximum 10.5 volts, the use would require a 70mm (cu.) multi core PVC. Conversely
The user may have 150m of 35mm (Cu.) multi core PVC cable and require to know what maximum current rating can be applied without exceeding the allowable voltage drop. The method is exactly the same as above,
viz:total drop = 16.6
= YxAxM
= 1.1 x A x 150/1000
from the tables Y = 1.1mV/A/m
=1.1/1000V/A/m
therefore A = 10.5 x 1000/1.1.x 150
=64 amperes
From the foregoing, it is apparent that knowing any two values of Y, A or m, the remaining, unknown value can
readily be calculated.

Circuit Breakers 2- القواطع الكهربية   

بالنسبه لموضوع (circuit breaker) فهى من اهم مكونات الشبكات الكهربية حيث لايوجد شبكه لاتحتوى على نوع بل عدة انواع من(circuit breaker)

ماهو الفرق بين CB القاطع الكهربى IS السكينه الكهربيه و LBS  سكينه قطع على حمل

اولا : (CIRCUIT BREAKER)CB:  القاطع الكهربى

هو معده كهربيه يقوم بتوصيل وفصل الدائرة الكهربيه فى الحالات العاديه ( وذلك أثناء المناورات أوعمل الصيانه) وفى حالات القصر( بأمر من أجهزة الوقايه ) ويستخدم ماده عازله لاطفاء الشرارة الحادثه أثناء الفصل ويسمى القاطع باسم هذه الماده ومن أنواعه قاطع الهواء جوى قاطع الهواء المضغوط القاطع الزيتى القاطع الغازى القاطع المفرغ من الهواء .

ويمكن تشغيل القاطع يدويا أو كهربائيا أو ذاتيا بأشكال وطرق وتوصيلات مختلفة، وقد يكون  مزودا بعناصر حماية الدوائر الكهربائية (Fuses Or Relays) الكافية لحماية تلك الدائرة  المستخدم فيها،وتكون وظيفته إيصال التيار الكهربائي إلى الدارة الكهربائية حالة أنه يراد إيصاله ويقوم بفصل التيار الكهربائي- في حالة أنه يراد فصله . أما الفصل الذاتي (Automatic) فيقوم به القاطع في حالة حدوث دائرة قصرSC أو خطأ((Fault أو زيادة الحمل أو التيار أو في حالة هبوط الجهد أو زيادته غير ذلك من إشارات يتلقاها من الأنواع المختلفة من ال(Relays) .

ثانيا: : (ISOLATOR)IS السكينه الكهربيه

هى معده كهربيه تستخدم لتأكيد عزل الدائرة بعد أن يقوم القاطع بالفصل ولاتفصل على حمل (تيارات صغيرة جدا هى تيارات الشحن(

ثالثا:: (LOAD BREAK SWITCH)LBS سكينه قطع على حمل

هى معده كهربيه تستخدم لفصل وتوصيل التيار الكهربى فى الحالات العاديه وفىحالات القصر ولكن يعمل بأمر من المشغل ولايتصل باجهزة الوقايه وهو يتميز بانه ارخص من القاطع الكهربىو غير منتشراستخدامه ولكن يستخدم فى استخدامات خاصه .

(CIRCUIT BREAKER)

1- أجزاء القاطع :

أ) الملامس المتحرك :
ويكون من مادة جيدة التوصيل للكهرباء ووظيفته (مع الملامس الثابت) الوصل المباشر بين أطراف  المصدر الكهربائي وأطراف دائرة الحمل . وفي بعض القواطع خاصة ذات القدرات الكهربائية العالية تكون الملامسات المتحركة وكذلك الملامسات الثابتة ذات جزأين حيث يكون الجزء الثاني مضافا لوقاية الملامسات الرئيسية من آثار الشرر الكهربائي الذي يحصل عند الوصل و الفصل وتسمى الملامسات الأولى بالملامسات الرئيسية Main contact ، ويسمى الجزء الثاني من الملامس بملامسات امتصاص الشرر(ِِArcing contact ) ،ويتحكم الجزء الميكانيكي بحركة الملامس المتحرك حيث يقوم بوصله أو فصله عن الملامس الثابت حين نقوم بوصل أو فصل التيار الكهربائي للجزء الكهربائي.

ب) الملامس الثابت :
ويكون من مادة جيدة التوصيل للكهرباء ووظيفته مشتركة مع الملامس المتحرك، توجد هنالك ملامسات امتصاص شرر ثابتة تقابل ملامسات امتصاص الشرر المتحركة .

ج) الجزء الميكانيكي :
ويتحكم بحركة الملامس المتحرك ،حيث يقوم بوصله أو فصله بالملامس الثابت بعد أن يأخذ أمرا بذلك من الجزء الكهربائي ،ويأخذ الجزء الميكانيكي أشكالا وتركيبات وخواص تختلف باختلاف نوع القاطع و استخداماته وصناعته .
ومن أشكال الجزء الميكانيكي :
 (1) أن يكون تركيب ميكانيكي بسيط لزمبرك ،حيث يتم شحن الزمبرك بالبداية عند عملية الوصل وتفريغه عند عملية الفصل ، وهذا النوع شائع الاستعمال في القواطع البسيطة التركيب المستخدمة في دوائر كهربائية ذات تيارات مختلفة .وهذا النوع لا يمكن تشغيله أوتوماتيكيا إلا بإضافات خاصة.

  (2) أن يكون قلبا حديديا لملف مغناطيسي ذو تركيب ميكانيكي خاص:
حيث تتم عملية الوصل للقاطع بإيصال التيار الكهربائي للملف المغناطيسي حيث يتمغنط القلب المشدود بزمبرك بقوة أكبر من قوة شد الزمبرك ، وبالتالي يشحن الزمبرك الذي يستفاد من طاقة شحنه في عملية الفصل،و القلب بدوره يسحب معه الجزء الميكانيكي فتتم عملية الوصل ، وعندما نقوم بفصل التيار الكهربائي عن الملف تزول المغنطة فتقوم طاقة الشحن المخزونة في الزمبرك بإرجاع الزمبرك إلى وضعه الأصلي وبذلك تتم عملية الفصل .
وهذا النوع من القواطع شائع الاستعمال في دوائر التحكم (Control) التي تتعامل مع مصادر الجهود و التيارات المنخفضة و المتوسطة نسبيا ،وهذه يمكن تشغيله أوتوماتيكيا.

  (3)أن يكون آلة تشغيل ذات تركيب خاص وخواص معينة تناسب نوع الاستخدام حيث يمكن الاستفادة من طاقة شحن زمبركات خاصة بعملية الفصل أو الوصل ، ويتم الشحن إما يدويا(بتحريك جزء ميكانيكي معين ) ،أو كهربائيا (بواسطة محرك كهربائي) .وتتم عملية التشغيل أيضا إما يدويا(التحكم بحركة مزلاج مثلا) أو كهربائيا (استغلال الأثر المغناطيسي في التأثير على حركة المزلاج مثلا(
واستعمالات هذا النوع شائعة في قواطع الدوائر الكهربائية ذات الجهود العالية أو ذات التيارات العالية أو كلاهما. وهناك إمكانية تشغيل هذا النوع ذاتيا بالتحكم الكهربائي ، وكذلك يمكن التحكم به عن بعد (Remote control ) .

د) الجزء الكهربائي :
وهذا الجزء موجود فقط في القواطع التي يمكن تشغيلها كهربائيا ،وكما ذكر سابقا فإن وظيفة الجزء الكهربائي إما أن تكون لإعطاء أوامر الفصل و الوصل للجزء الميكانيكي وإما لشحن الزمبركات ،ويكون الجزء الكهربائي إما محرك كهربائي((Motor وإما أن يكون ملف مغناطيسي يتحكم بالجزء الميكانيكي بشكل مباشر أو غير مباشر.

ه) العازل بين الأقطاب :
وهذا الجزء تزداد أهميته كلما كان التعامل مع مصادر جهود وتيارات أعلى إذ يعمل هذا الجزء بمثابة حاجز يمنع التماس بين الأقطاب وبالتالي يمنع حدوث دوائر القصر (Short circuit ) بينها . والسبب الرئيسي لحدوث التماس بين الأقطاب هو الشرر الكهربائي الذي يحصل لحظة الفصل و الوصل .ونجد أن العازل في القواطع الصغيرة السعة هو عبارة عن نوع خاص من الزيوت العازلة ،وفي بعض الأنواع يكون هذا العازل غازا خاملا ضمن غرف مفرغة من الهواء ، وهناك العازل المحيط الذي تكون وظيفته عزل الأقطاب عن الأرض أو الجسم الذي تركب عليه وهو مهم جدا كعازل الأقطاب.

2-  الشرر الكهربائي في القاطع الكهربائي :

تتعرض ملامسات القاطع عند لحظة الوصل لمرور تيار كهربائي عالي نسبيا يسمى(starting current) أو (Inrush current) تعتمد قيمته على الجهد المطبق في الدائرة وعلى محصلة مقاومات الحمل. و هذا التيار اللحظي يكون أضعاف قيمة تيار تشغيل الحمل لذا فإن الحمايات الموجودة يجب أن لا تفصل القاطع عند مرور هذا التيار اللحظي ويجب أن يضبط ال(ٍSetting ) لها ليعطي (Delay time ) معين . ولهذا يجب أن تكون ملامسات القاطع ذات درجة تحمل مناسبة لتحمل ذلك التيار .
وتحدث الشرارة الكهربائية على ملامسات كل قطب عند لحظة تماسها كذلك عند لحظة ابتعادها،وسبب حدوث هذه الشرارة هو تأين الهواء (كسر عازليته) الموجود ضمن مسافة معينة و في لحظة معينة بين الملامس المتحرك والملامس الثابت بسبب فرق الجهد الموجود بينهما،وتزداد هذه الشرارة كلما ازداد الفرق وكذلك كلما ازداد تشبع الهواء بالرطوبة و الغبار.

*خطورة الشرر في القواطع الكهربائية :

يعتبر الشرر الحاصل في القواطع الكهربائية خطرا للأسباب التالية :

1) ) لأنه يسبب صهرا أو رفعا في درجة حرارة الملامسات و بالتالي إتلافها ويزداد تأثير ذلك كلما ازداد ت كمية الشرارة .
 (2) قد تسبب انحرافا تدريجيا في العازل الموجود بين الأقطاب إذا كان من النوع الصلب وبالتالي إتلافه وتوصيل الأقطاب ببعضها بواسطة الكربون المتكون نتيجة الاحتراق مما يؤدي إلى حدوث(Short circuit) بين الأقطاب .


3-  فكرة عملها:-

تقوم فكرة عمل(circuit breaker) على نظرية التمدد الحرارى فمع زيادة مرور التيار الكهربى فى الدائرة وذلك فى حالة حدوث عطل, نجد ان درجة حرارة الدائرة ترتفع وبالتالى يقوم  جزء معين من القاطع بالتمدد فيضغط على ميكانزم معين يقوم بفصل القاطع وبالتالى فصل التيار عن  الدائرة.
ايضا يوجد قواطع تعمل بنظرية الفصل المغناطيسى وذلك عن طريق ملف موجود داخل (circuit breaker) هذا الملف يتحول الى مغناطيس وذلك عند مرور تيار عالى نسبيا هذا التيار ناتج من حدوث عطل كبير  فى الشبكة مثل ال(short circuit), فيقوم هذا المغناطيس بجذب نقط تلامس القاطع وبالتالى فصله.

4- انواع (circuit breaker)


يوجد عدة انواع من القواطع:

1-  قواطع الضغط المنخفض LV C.B

أولا": القواطع الكهربائية MINIATURE CIRCUIT BREAKER MCB:
لحماية دوائر التوزيع النهائية حيث يكون القاطع اقرب ما يكون للأحمال حيث تقوم القواطع MINIATURE CIRCUIT BREAKER بحماية الأحمال ودوائر التوزيع وكذلك الحد من الاجهادات الحرارية والميكانيكية التي تنشأ من تيارات القصر عن طريق الحد من قيمتها أثناء فصل الدائرة فتعطي تيار مقنن من 0.5 أمبير إلى 125 أمبير بسعة قطع 1ك أمبير حتى 10ك أمبير ويتوافر لدى المؤسسة.

ثانيا": القواطع الكهربائية MOLDED CASE CIRCUIT BREAKER MCCB:
التيار المقنن لهذه القواطع من 100 أمبير حتى 1600 أمبير بسعة قطع من 18ك حتى 65ك أمبير.
وتنقسم هذه القواطع من ناحية الاستخدام إلى: النوع الأول: لوقاية الكابلات المغذية لأحمال اعتيادية.

النوع الثاني: لوقاية المولدات والأشخاص والكابلات الطويلة.

النوع الثالث: لوقاية بادئات حركة المحركات الكهربائية.

2- قواطع الضغطالمتوسط MV C.B و قواطع الضغط العالى HV C.B ومنها:

-oil C.B  *

-Gaz C.B *

-FS6 C.B *وهو الاكثر استخداما في الشبكات

* القواطع المفرغة هوائيا Vacum C.B

5- كيفية اختيار القواطع الكهربية C.B selection 

يتم اختيار القواطع على بعض المعايير :
-  1 الجهد المقنن للقاطع
 -2 التيار المقنن للقاطع
3-  سعة القطع I_cu
4-  عدد الأقطاب
-5  نوع المعدة
  -6التوافق مع المواصفات العالميةIEC

أولاً: سعة القطع

لمعرفة سعة القطع يجب معرفة الأتي:

1-I_cu التيار الأقصى لقطع القصر ويجب اختبار القاطع بعدها
2-I_cw التيار المقنن الذي يتحملة القاطع لفترة زمنية قصيرة
3- I_n التيار المقنن
4- I_r تيار الفصل الحراري
5- I_m تيار الفصل المغناطيسي

6- I_csالتي يتحملها القاطع ثلاث مراتمتتالية يفصل بينها زمن قدره ثلاث دقائق ويجب بعدها اختبار القاطع     "Icu" التيار التشغيلي لفصل القصر وهي نسبة مئوية من

7- I_sc أقصى تيار قصر يمكن حدوثه.

                                                                                   S.C calculation          حسابات تيارات القصر

لحساب تيار القصر عن طريق المعادلة الآتية :
Isc=VL/(Z*3^0.5)

ثانيا: نوع المعدة

يختلف منحنى الحماية المستخدم حسب نوع المعدة وفى الأتي بيان لذلك:

المنحنى"B": يختار لوقاية المولدات والأشخاص والكابلات الطويلة  Im="3:5"IN

المنحنىC"": يختار لوقاية الكابلات المغذية لأحمال اعتيادية   Im="5:10"In

المنحنى""D, K: يختار لوقاية الكابلات المغذية لأحمال ذات تيار التعشيق العالي(محولات الجهد المنخفض والمحركات)
Im="10:14"In

المنحنى "MA": يختار لوقاية بادئات حركة المحركات الكهربية  Im=12.5In

كيفية الاختيار

1-      لكي يتم الاختيار يتم اختيار "I_n"اكبر من تيارات الأحمال حيث إن"I_n " اكبر من أو يساوى تيار القطع الحراري ويتحدد ذلك حسب ضبط القاطع

2-      يتم اختيار Icu أكبر بكثير من I_sc
3- يتم اختيار المنحنى اللازم للمعدة
4- ندخل الجداول أو الكاتولوجات لاختيار القاطع المناسب لكل من( (I_n, V, I_cu وعدد الأقطاب ونوع المعدة
50 اخيرا يجب التأكد من عدد مرات القطع المكانيكى والكهربى وكذلك هل وجود الإنتقائيةبين القوطع المختلفة

مثال على كيفية اختيار القاطع

اختيار بعض قواطع الخط الثاني

نجد عند القاطع الرئيسي أن تيار القصر يساوى 25KA وكذلك أقصى تيار للحمل يساوى 150A والجهد المقنن380V
من كتالوجات شركة Schneider
نختارNS250H حيث أن التيار المقنن للقاطع اقرب تيار لتيار الحمل بقيمة أكبرو Icu=70 KA

بالنسبة للقاطع عند خط الإنتاج، يتم حساب تيار القصر
من الجدول وبمعرفة طول الكابل
L=80 m , a=185mm , Isc=25KA at up stream
From table Isc=11KA
FROM Schneider catalogue
We can select NS250N where ICU=36 KA

تحسين معامل القدرة

 كان للتوسع الكبير فى استخدام الطاقة الكهربية فى مجالات شتى في حياتنا العملية والتزايد المستمر للاحمال الصناعية سببا فى انخفاض معامل القدرة في الشبكات الكهربائية  لذلك وجب تحسين معامل القدرة للشبكات سواء شبكات الجهد المتوسط او المنخفض وابسط وارخص وسيلة لتحسين معامل القدرة هى استخدام مكثفات القدرة  وهى تعمل على توفير طاقة غير فعالة اضافية ومفيدة للشبكة مع تقليل الفقد الكهربى على الكابلات والخطوط\ وكذلك خفض تيار التحميل للكابلات والخطوط وبالتالى زيادة العمر الافتراضى لها

ولكن ماهو

هى ببساطة هى النسبة بين القدرة الكهربية التى نستفيد منها فى الحمل والقدرة الكهربية الكلية التى يسحبها الحمل
او هى النسبة بين القدرة الفعالة والقدرة الظاهرة
او هى جيب تمام الزاوية المحصورة بين الجهد والتيار (جتا ) للحمل
او هى جيب تمام (جتا )(cos ) زاوية معاوقة الحمل

الاحمال الكهربية

تتكون الاحمال الكهربية في اى منظومة قوى من ثلاث انواع مميزة

1- الاحمال التى يكون معامل القدرة لها يساوى الوحدة وهى التى تستهلك قدرة فعالة فقط وهى تكون عبارة عن مقاومات او ما يكافؤها
ويكون التيار الذى تسحبه فى توافق مرحلى مع جهد المنظومة
ويعتبر هذا النوع من الاحمال هو الافضل دائما حيث يكون التيار الذى تسحبه من مصدر التغذية او المولدات وبالتالى التيار الذى يمر على خطوط التغذية هو اصغر تيار يكفى لتغذية هذا الحمل

2- الاحمال التى لها معامل قدرة اقل من الواحد متاخر
وهى تسحب نوعين من القدرة
أ- قدرة فعالة
ب- قدرة غير فعالة وهى القدرة الحثية
هذا النوع من الاحمال يسحب تيار كهربى متأخر عن الجهد بزاوية معينة تسمى زاوية الاختلاف المرحلى
جيب تمام هذه الزاوية (جتا ) هو معامل القدرة لهذا الحمل
هذا التيار له مركبتين بالنسبة للجهد
احدهما تكون متطابقة مع الجهد وتسمى مركبة التيار الفعالة( وهى تمثل القدرة الفعالة المسحوبة )
والاخرى تكون متعامدة مع الجهد وتسمى مركبة التيار الغير فعالة ( وهى تمثل القدرة الغير فعالة المسحوبة )
لذلك فان التيار الذى يسحبه الخمل من المصدر يتاثر بقيمة معامل القدرة
حيث انه كلما قل معامل القدرة بالنسبة للحمل كلما زاد التيار المسحوب والعكس
حيث يبلغ التيار اقل قيمة له عندما يكون معامل القدرة يساوى واحد
بمعنى اخر كلما قلت مركبة التيار الغير فعالة وبالتالى القدرة الغير فعالة للحمل كلما كان معامل القدرة اعلى وبالتالى التيار المسحوب اقل
وذلك افضل بالنسبة لخطوط النقل وكذلك مولدات القدرة

3- الاحمال التى معامل القدرة لها اقل من الواحد متقدم

وهى التى يكون معامل القدرة اقل من الواحد ولكن متقدم اى عكس الحالة السابقة
وهذه الاحمال تسحب قدرة فعالة وتعطى قدرة غير فعالة
التيار المسحوب بواسطة هذه الاحمال يكون متقدم على الجهد بزاوية معينة
ويكون له مركبتان
احدهما فى اتجاه الجهد وتسمى مركبة التيار الفعلية وهى تممثل القدرة الفعالة المسحوبة من المصدر
والاخرى تكون متعامدة مع الجهد ولكن متقدمة عليه وتسمى المركبة الغير فعالة وهى تمثل القدرة الغير فعالة المعطاة للمصدر

الاحمال الموجودة على اى منظومة قوى كهربية هى خليط من هذه الانواع الثلاثة والتيارات المارة على خطوط النقل من المولدات الى الاحمال تكون نتيجة لمحصلة هذه الانواع
فاذا تمكنا من جعل النوع رقم 3 يساوى النوع رقم 2 فان محصلة الاحمال على الشبكة سوف يكون من النوع رقم 1 فيصبح معامل القدرة للشبكة يساوى واحد وبالتالى التيار اقل مايمكن
وذلك لان النوع رقم 2 والنوع رقم 3 يلاشى بعضهما البعض\
ولكن تنفيذ ذلك عمليا شبه مستحيل
وذلك لعدم ثبات قيم الاحمال مع الزمن
لذلك يتم العمل على الوصول بمعامل القدرة الى اقرب ما يكون من الواحد عن طريق التحكم المستمر فى قيمة محصلة الاحمال الموجودة على المنظومة
وهو ما يسمى تحسين معامل القدرة
وبما ان معظم الاحممال الموجودة علي اي منظومة من النوع رقم 2 فان تحسين معامل القدرة يت باضافة احمال من النوع 3 الى المنظومة (مكثفات )

يتبع

سبق ان قلنا ان معظم الاحمال الموجودة هى من النوع رقم 2 اي يسحب قدرة فعالة وقدرة غير فعالة من المصدر
وقلنا ايضا انه كلما زادت القدرة الغير فعالة المسحوبة بواسطة الحمل كلما قل معامل القدرة لهذا الحمل

وقلنا ايضا ان التيار المسحوب بواسطة الحمل يتناسب عكسيا مع معامل القدرة
وقلنا ان تحسين معامل القدرة يتم عن طريق تقليل القدرة الغير فعالة المسحوبة بواسطة الحمل
وقلنا اننا يجب ان نحسن معامل القدرة حتى نقلل التيار وبالتالى نقلل الفقد على الخطوط وبالتالى تقليل الفقد فى الجهد وبالتالى تحسين الجهد فى المنظومة بالكامل

ولكن لماذا تسحب الاحمال قدرة غير فعالة وهل يمكن ان تستغنى عنها

بالطبع فان الاحمال لا يكن ان تستغنى عن القدرة الغير فعالة لانها تستخدمها فى تكوين المجال المغناطيسى الاساسى فى تشغيل هذه الاحمال , فالمحركات التاثيرية مثلا تحتاج لتشغيلها الى قدرة غير فعالة واحد كيلو فار تقريبا لكل واحد كيلو وات قدرة فعالة تقريبا
علي سبيل المثال
محرك قدرته 50 حصان ( 37 كيلووات) 1500 لفة فى الدقيقة يحتاج لتشغيله الى 27 كيلوفار تقريبا
والمحول الذى قدرته 500 كيلوفولت امبير وجهد 12 كيلوفولت يحتاج عند الحمل الكامل الى 32.5 كيلو فار ليقوم بعمله
اى ان هذه الاحمال لا يمكن ان تستغنى عن القدرة الغير فعالة

اذا كيف يتم تحسين معامل القدرة لها

ان تحسين معامل القدرة للاحمال لا يعنى ابدا تقليل القدرة الغير فعالة للحمل
ولكن يعنى تقليل القدرة الغير فعالة التى يسحبها هذا الحمل من المولدة وذلك عن طريق توفير مصدر اخر للقدرة الغير فعالة المطلوبة للحمل
ويتم ذلك بتوصيل حمل من النوع رقم 3 ( مكثف ) على التوازى مع هذا الحمل فتكون النتيجة ان هذا الحمل يحصل على القدرة الفعالة من المولد اما القدرة الغير فعالة فيحصل عليها من الحمل الاخر
وبالتالى يكون الحملين بالنسبة للمولد عبارة عن حمل من النوع رقم واحد او اقرب ما يكون اليه

الخلاصة ان تحسين معامل القدرة يتم عن طريق توصيل مكثفات على التوازى مع الاحمال المراد التحسين لها

مميزات تحسين معامل القدرة

1- الاعفاء من دفع غرامة انخفاض معامل القدرة
2- تخفيض الفقد فى الكابلات والخطوط
3- تحسين جهد الشبكة
4-  زيادة قدرة النقل للخطوط والكابلات
5- زيادة القدرة المتاحة فى المحولات المغذية في الشبكة
6- تقليل التحميل على المولدات

العوامل التى يعتمد عليها اختيار المكثف المناسب

1- الحمل بالكيلووا ت او التيار لكل فازة
2- جهد وتردد المنظومة
3- شكل المنظومة احادية او ثلاثية
4- معامل القدرة الجديد المراد لوصول اليه
5- معامل القدرة الاصلى