مقالات كهربية للغير متخصصين او الطلاب

ما هي الكهرباء ؟

   الكهرباء هي إحدى صور الطاقة ، والطاقة في الكون أوجدها الله كالطاقات الناتجة عن الشمس تمد الأرض  بالدفئ والحياة للنبات والحيوان والإنسان ، الطاقة الحرارية ، الطاقة الضوئية ، الطاقة الكميائية ... الطاقة الناتجة من حركة الرياح .. الطاقة الناتجة من سقوط الماء عن ارتفاع كالشلالات والسدود .. الطاقة الناتجة عن حركة الموج والمد والجزر ..الطاقة الحرارية الكامنة بباطن الأرض والطاقة الناتجة عن الوقود الذي يستخرج من باطن الأرض والمسطحات المائية من فحم وغاز طبيعي وسولار ..

   يقوم الإنسان بتحويل الطاقة من صورة إلى أخرى لكي يلبي متطلباته، فالطاقة الكهربية تأتي من تحويل إحدى صور الطاقة الموجودة إلى الطاقة الكهربية ، كتحويل الطاقة الضوئية بأشعة الشمس أو بتحويل الطاقة الحرارية من أشعة الشمس او بتحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية دورانية ومنها إلى طاقة كهربية أو بتحويل طاقة وضع الماء على السدود أو الشلالات إلى طاقة حركية ميكانيكية ومنها إلى طاقة كهربائية أوتحويل طاقة الوقود الذي يستخرج من باطن الأرض والمحيطات والبحار إلى طاقة حرارية تحول الماء إلى صورة غازية بخار مضغوط نحصل منه على طاقة دورانية ميكانيكية ومنها على الطاقة الكهربائية ..أو تحويل طاقة الوقود مباشرة إلى طاقة حركية ميكانيكية ومنها نحصل على الطاقة الكهربائية ...

إذا ما الكهرباء إلا إحدى صور الطاقة ونحصل عليها من صورة أخرى للطاقة موجوة في الطبيعة أو تحويل طاقة إلى طاقة ...إلى الطاقة الكهربائية ، ومع الوقت تتطور سبل وإمكانيات تحويل واستغلال الطاقات فيمكن مثلا استغلال خطوات المشاة على الطريق أو إطارات السيارات على الطرق أو حركة بدالات الدراجات في الحصول على طاقة منها نحصل على طاقة كهربائية ، الفارق أن مصدر ما قد يعطيني طاقة نظيفة وآخر طاقة ملوثة ، طاقة كثيفة وآخر طاقة محدودة ، طاقة رخيصة وآخر طاقة مكلفة ..

إحدى صور الكهرباء موجودة في الطبيعة بشكل مباشر نتلمسها في طاقة البرق الذي يضيء السماء في لحظات ويضرب نقطة ما على الارض او في السماء يعقبها طاقة صوتية صوت الرعد المدوي فهي ظاهرة كهربية ينتج عنها ضوء اي البرق وصوت أي الرعد والظاهرة عموما تنتج لظروف مكان ما الجوية وحركة الهواء من أسفل لاعلى ودرجة حرارة المنخفضة جدا في الارتفاعات العالية حيث تتكون السحب او تتلقح .

لكن يبقى السؤال ما هي طاقة الكهرباء تلك ؟

كلمة السر هي الإلكترونات أو الجسيمات المشحونة

   الكهرباء موجودة في بنية المادة والمادة هي كل ما حولنا الابواب والنوافذ و الأحجار والتراب والرمل والماء والهواء والأشخاص والمعادن المختلفة ذهب نحاس حديد ألمونيوم ...الخ، فالمادة تتكون من جزيئات والجزيئات هي اتحاد الذرات والذرات هي فرااااغ كبير داخله نواة يدور حولها في مستويات او مدارات كمدارات الكواكب حول الشمس الكترونات والالكترونات تدور حول محورها أيضا لها إلا أنها كالكواكب حول الشمس ملتزمة بمداراتها بسبب جاذبية الشمس لها كذلك الالكترونات لها نفسس عدد البروتونات وتحافظ قوة التجاذب بينهما على بقاء الالكترون في مداره حول النواة ، والنواة تتكون من نيوترونات وبروتونات وكلاهما يتكون من كواركات .

المهم ان كل ما حولنا يتكون من ذرات والذرة تتكون مما سبق وتختلف من مادة او عنصر لآخر من حيث عدد البروتونات والنيترونات والالكترونات ونشاط الالكترونات .

   النواة متعادلة الشحنة الكهربية بسبب النيوترونات والبروتونات ، ، كل مادة تختلف عن أخرى من حيث ترابط الذرات مع بعضها ومن حيث التركيب النواة فمثلا ذرة الهيدروجين تحتوي على بروتون واحد ، بينما ذرة النحاس تحتوي على 29 بروتون ونظيرهم الذري من النيوترونات وهو موضوع مهم لتناول الطاقة النووية .

ما يهمنا هنا هو الالكترونات وما يهمنا هو عدد الالكترونات في مدار او يسمى مستوى التكافؤ وهو المستوى البعيد عن النواة المدار الخارجي فالالكترونات بهذا المستوى يمكن ان تتحرر من النواة وتصبح حرة وبالتالي يمكن ان ينتقل الالكترون أو الشحنة الكهربية من ذرة إلى أخرى إلى أخرى حتى تصل للمكان المطلوب بسرعة أقل من سرعة الضوء في حالة الانتقال خلال سلك مثلا .

إذا الكهرباء هي حركة الالكترونات وإنتاج الكهرباء هي إنتاج الالكترونات ونقلها هو نقل الالكترونات ...وبالتالي الإنسان لكي يحصل على الكهرباء كان عليه أن يجد طريقة للحصول على الالكترونات حرة الحركة وطريقة لنقلها والتحكم فيها ..

   فالبرق هو التالي لحركة شحنات أو الكترونات بين السحاب المشحون والأرض أو الأرض والسحاب

فالتيار الكهربي في ناقل كسلك ، يمكن تشبيهه كمثال لتيار الماء في ناقل كخرطوم – هنا حركة الالكترونات وهناك حركة جزيئات الماء – فالماء مدفوع بفرق الضغوط على طرفي الخرطوم والالكترونات مدفوعة بفرق الجهد على طرفي السلك .الماء له لمصدر او خزان محدود يمدنا بكمية معينة كبيرة او صغيرة وفي الطرف الآخر مستهلك يستهلك هذا الماء عبر الخرطوم من خلال دش أو حنفية أو رشاش ري أو سخانات مياة ولابد أن يناسبها ضغط الماء فالمطلوب لخرطوم مطافي يدمر الحنفية العادية بالمنازل ، كذلك للالكترونات أو للشحنة الكهربية مصدر قادر على امدادنا بكمية محدودة من الطاقة وفي الطرف الآخر مستهلك مصباح او سخان او ثلاجة او غسالة يناسبها الضغط او الجهد المنقول به هذه الالكترونات .

ولان كل شيء يحتوي على الالكترونات فكل شيء يعتبر مكهرب وكهربي ولكن في مستويات متفاوتة بسبب عدد الالكترونات وحساسيتها للقوى المؤثرة عليها قوة تحريرها أو درجة أو قوة ارتباط الكترون التكافؤ بالذرة – لذلك يمكن ان يصنف ما حولنا إلى ما هو قوي كهربائيا فيناسبه ان يطلق عليه كهربي أو موصل كهربي وهناك ما هو شبه موصل وهناك ما هو عازل ولكل منهم له أهميته واستخداماته .

فالموصل الكهربي او المادة ممتازة او جيدة التوصيل الكهربي هي القادرة على تمرير أو تحريك الالكترونات من خلالها بسلاسة وبأقل مقاومة او احتكاك تذكر وهي تلك تحتوي على الكترون واحد في مستوى التكافؤ للذرة التي تحدثنا عنه هذه المواد مثل الفضة والنحاس والألمونيوم .

بينما المواد سيئة التوصيل الكهربي او تسمى عازل فهي سيئة لكون مستوى التكافؤ ممتلئ بالالكترونات فتحتاط مجهود خارجي أكبر كي يستطيع تحرير تلك الالكترونات وجعلها تتنقل وتلك المواد مثل البلاستيك والزجاج والخشب .

ويوجد مواد شبه موصلة وهي بين ذلك وتلك فمستوى التكافؤ غير ممتلئ وغير فارغ يوجد 4 الكترونات بمجهود مقبول يمكن تحريرهم وتحويلها إلى مادة موصلة بينما تكون عازل إذا كان المجهود المبذول لتحرير الالكترونات متواضع أقل من المطلوب وهي مثل السيليكون والكربون .

الحدود المسموحة للفقد في الجهد

الحدود المسموحة للفقد في الجهد بلأكواد المختلفة 

هناك معادلات وجداول متنوعة او مخططات بيانية لحساب قيمة الجهد المفقود فيوجد جداول بالكود البريطاني والكود الدولي - او الافضل من الكتالوج الخاص بالكابل مباشرة - مرفق جدول السويدي وطريقة استخدام القيمة المستخلصة من الجدول - ومنه حساب نسبة الفقد الجهد ..لكن لاحظ بعض الجداول تحتاج الى ضرب القيمة المستخلصة في 2 للسينجل او جذر 3 للثري فيز

بالنسبة لحدود الفقد بالكود المصري الجهد عند مدخل التغذية او لوحة Service للمستهلك لا يتجاوز 5% بالزيادة او النقصان. في شبكة الجهد المنخفض و 10% لشبكة الجهد المتوسط .

الفقد في الجهد عند اي نقطة حمل بالتمديات لا يتعدى 2.5% ،

ولا يتعدى 5% في حالة المحركات وقد يزيد عنها حسب بيانات المحرك في فترة البدء .

الكود الدولي iec لا يتعدى 4% عند اي نقطة حمل بالتمديات من جهد المصدر .

وفي حالة المصدر بطارية حتى 50 فولت لا يزيد عن 10%

الكود الامريكي NEC

لمخارج الانارة والباور والتسخين لا يتعدى 3% من جهد الفيدر ، ولا يتعدى 5% من جهد Service  اي الفقد من اللوحة الرئيسية لاخر حمل باللينية لا يتعدى 5% .من جهدها .

لطلمبات الحريق لا يتعدى 5% من جهد المحرك المقنن وذلك عند عمله عند 115% من حمله ..او لا يتعدى 15% عند البدء 

اما عند الطوارئ فمسموح اي فقد باي قيمة .

الكود الانجليزي 

لاحمال الانارة لا يتعدى 3% من المصدر عند اخر مخرج 

الاحمال الاخرى لا يتعدى 5% 

وتزيد تلك النسبة في حالة وجود مصدر يتحكم فيه المستهلك كمحول يمكن تغيير التاب تشانجر الخاص به 

Voltage variations

فقد الجهد  voltage drop

مقدمة

الجهد المفقود في الحالة العادية او عند البدء :     كل معدة لها nominal value تعمل عندها بكفاءة بالاضافة لسماحية اعلى او اقل من تلك القيمة في حدود محددة اذا زاد الحد عن المسموح يتأثر عمل المعدة او الحمل بالاضافة الى تكاليف الفقد القدرة بشكل عام والتي ذهبت في الهواء دون استفادة حقيقية او تكاليف تبديده او التهوية او التبريد ..لذلك يجب المحافظة على حدود الفقد في الجهد في الحالة العادية .

وقيمة او تأثير الفقد في الجهد يختلف من نوع حمل لآخر..

   فمثلا انخفاض الجهد على اطراف محرك حثي بنسبة 10% فقط يجعل عزم البدء واقصى عزم ينخفض بنسبة 19% ، كما يقلل من سرعة الحمل الكامل بنسبة تصل الى 1% .. ويرفع من حرارة الملفات بنسبة قد تصل الى 15%

اما زيادة الجهد على لمبة متوهجة بنسبة 4% فقط يزيد من شدة اضاءتها 18% لكن يقلل من عمرها ليصبح 58% اي اعلى من النصف قليلا ..

   حدود الفقد في الجهد عند البدء قد تزداد عنها في الحالة العادية وحسب ما توصي به الداتا شيت للمعدة .

- اما الجهد المفقود بسبب تيار الخطأ    abnormal or fault current :

  سنفرق بين حالتين للعرض فقط  .. الاولى حدوث قصر أرضي في النظام المؤرض ..  يؤدي إلى انخفاض شديد في الجهد عند الوجه المعطوب .. وعند حدوث قصر بالشبكة البعيدة  ..  فإن الاحمال تتأثر بانخفاض في قيمة الجهد  او انحدار مؤقت او قصير لحين عمل القاطع .. والحالة الثانية الجهد الذي يظهر على المعدة بسبب حدوث قصر داخلها او داخل معدة أخرى مربوطة Bonded مع تلك المعدة اي جهد الصدمة وهو ناتج عن تيار الخطأ الذي يكون أعلى بكثير في معظم الحالات وبالتالي زيادة طفيفة في مقاومة الخط او مقاومة مسار العطل ترفع جهد الصدمة بشكل كبير جدا ..

   بالاضافة الى عامل آخر وهو الممانعة فهي تناسب مع طول الخط  ، المسافة بين موصل التيار المعطوب وموصل التيار الراجع ..ومع تغير التيار بالنسبة للزمن .. لذلك تنصح الاكواد بان يجمع موصل bonding او EGC مع باقي الموصلات في نفس الكابل او الماسورة .

   ويلاحظ ذلك  عند تسريب تيار الصاعقة حيث يكون معدل تغير التيار مع الزمن عالي جدا وبالتالي الجهد الناتج عن الممانعة او الحث يكون هو المؤثر واي زيادة في طول المسار يكون مؤثر جدا ..

   كما ان مسار تيار العطل بالموصل يختلف عن مرور في الارض فللارض طبيعة خاصة ويكون تدرج الجهد كبير وخطير فيظهر خطر جهد الخطوة الجهد المفقود عند النقطتين اسفل القدمين ..

ت تغير الجهد – فقد الجهد ..

الاكواد او المواصفات المهمة المتعلقة بهذا الموضع هي IEEE1100 , IEEE1159 وعليها يعتمد الكود المصري للتوزيع ..

إنحدار الجهد :

Voltage sags- او يطلق عليه في أوروبا Voltage dips : وهو انحدار أو إنخفاض في موجة الجهد لفترة قصيرة ، تستمر نصف سيكل أو قد يصل أحيانا إلى عدد مئات من السيكلس اي الى دقيقة .فهو عبارة عن أحد أشكال short Duration variations

قيمة الانخفاض في الهد تكون بين 10:90% من قيمة الجهد RMS .

ولاحظ 60%Sag تعني 40% Dip ففي حالة 100V فكليهما يعني ان الجهد اصبحت قيمته 60v

ما يميز انحدار الجهد عن باقي الانقاطعات انه لا يحدث بشكل متقطع ولكنه يحدث فجأة ويستمر فترة قصيرة ثم يختفي . كما انه يحدث أكثر من أي اضطراب آخر في شبكات التوزيع او النقل .

أسباب حدوثه : إما يحدث بسبب Utility كحدوث أحد الأعطال بنظام النقل يؤدي لظهور تلك المشكلة عند المستهلك الى حين عمل القاطع ، أو يحدث بسبب المستهلك عند تشغيل محركات كبيرة او أحمال كبيرة معا .والانحدار الناتج عن شبكات النقل يستمر فترة أقصر .

اضراره : انخفاض الطاقة المنقولة للأحمال ، توقف المحركات فجأة وزياد حرارتها ، توقف اجهزة التحكم لالكترونية في السرعة .

حماية الاحمال من ذلك الاضطراب : يتم استخدام المعدات المناسبة لمنع تغير الجهد على الأحمال خلال تلك الفترة القصيرة مثل UPS أو flywheels ، او Ferroresonant transformers ، او Dynamic voltage resistors .

حسب IEEE1100 يقسم الانحدار في الجهد حسب فترة بقاؤه إلى :

Instantaneous ويستمر من نصف سيكل إلى 30 سيكل

Momentary ويستمر من 30 إلى 150 سيكل عند تردد 50 هرتز

Temporary ويستمر من 150 سيكل اي من 3 ثواني إلى دقيقة

إنتفاخ الجهد Voltage Swells أو يسمى momentary overvoltages :

يعتبر short duration Voltage variations وهو ارتفاع الجهد لقيمة أعلى من 110% من قيمته الاسمية ويستمر لعدد من السيكلس أقل من دقيقة ، وينطبق نفس التصنيف الزمني اعلاه بـIEEE1100 على Swell أيضا .

هو يعتبر عكس sags .. ويحدث بمعدل أقل من sags ..ومن أشهر أسبابه هو L-G faults .. مثل ضربة البرق لخط نقل ، أو سقوط فرع شجرة او شجره على خط وعمل قصر بالارض ..

اضراره : يسبب ارتفاع حرارة المعدات وانخفاض عمرها

ظاهرتان مشابهتان لما سبق ولكنهها تدوم مدة اطول وهي :over voltages and under voltages

Under voltages

هو انخفاض الجهد الى قيمة أقل من 90% من قيمته الاسمية اي هو فولتج دروب < -10% .. ولزمن أكبر من دقيقة .

ويحدث بسبب ادخال أحمال عالية معا ، او فقد خط النقل الاساسي لمنطقة ما ،

اضراره : فشل عمل الحاسبات ، وتأثر شدة الانارة ، وانخفاض عمر المحركات

علاج المشكلة : استخدام منظمات الجهد عند المستهلك ، وزيادة اعتمادية الشبكة .

Long Duration Over voltages

هي تشبه swell في ارتفاع قيمة الجهد ، ولكنها تختلف في مدة بقائها حيث تدوم عدد أكبر السيكلس أكثر من دقيقة .

من أسباب حدوثه : توصيل المكثفات Capacitors switching .. او ازالة احمال خصوصا ليلا - او انخفاض وضع التاب بالمحول

حل تلك المشكلة : هو التأكد من الضبط الصحيح ل tap changer - توصيل inductors بالشبكة لحظة انخفاض الاحمال المؤثر .

Transients or surges

وقد يطلق عليها أيضا مصطلح Spikes وهو غير دقيق – هي تغير مفاجأ في الجهد او التيار بالزيادة او النقصان ويزيد او يقل بمعدل سريع جدا خلال زمن بالميكرو ثانية ..ويوجد نوعان من Transient .. وهما : impulsive and oscillatory

والفرق ان oscillatory يصل الى قيمته القصوى او يعود للقيمة الطبيعية بشكل ابطأ من impulsive حيث تميل الموجة للتقلب 0.5 الى 3 سيكل حتى تصل الى ضعف القيمة الاسمية للجهد او التيار .

ومن أسباب impulsive transient lightning strokes. – ومن أسباب oscillatory transient هو عملية الفصل والتوصيل المفاجأ لخطوط النقل والأحمال الكبيرة .. أو lightning strokes going into resonance والتي تنتج من تفاعلها مع مكثفات الشبكة .

Interruptions

هو فقد تام للجهد حيث ينخفض الجهد الى قيمة أقلمن 10% من قيمته الأسمية ، وتصنف المواصفة IEEE1159 تلك الانقطاعات من حيث المدة إلى momentary, temporary, and long-duration interruption

Momentary فقد جهد فيزة او أكثر لمد من 0.8 ملي ثانية الى 3 ث

Temporary, or short-duration : هو interruption لمدة من 3ث الى 1 دقيقة .

Long-duration, or sustained : هو interruption يدوم لمدة أكبر من دقيقة .

وأضرار هذا الاضطراب : تكلفة كبيرة للقطاعات الصناعية والتجارية بسبب توقف الانتا خصوصا المعدات التي تتأثر ولا تستطيع العمل مع فقد الجهد ولو لفترة قصيرة ، بالاضافة الى وقت اصلاح سبب الرئيسي للاضطراب .

علاج هذه المشكلة زيادة اعتمادية الشبكة ، وتوفير مصدر بديل عند المستهلك .

بعض التعريقات من IEEE1159

3.4 impulsive transient: A sudden nonpower frequency change in the steady-state condition of voltage or

current that is unidirectional in polarity (primarily either positive or negative).

3.7 long-duration root-mean-square (rms) variation: A variation of the rms value of the voltage or

current from the nominal for a time greater than 1 min. The term is usually further described using a

modifier indicating the magnitude of a voltage variation (e.g., undervoltage, overvoltage, voltage

interruption).

3.8 momentary interruption: A type of short-duration root-mean-square (rms) voltage variation where the

complete loss of voltage (<0.1 pu) on one or more phase conductors is for a time period between 0.5 cycles

and 3 s.

3.9 root-mean-square (rms) variation: A term often used to express a variation in the rms value of a

voltage or current measurement from the nominal. See: sag, swell, momentary interruption, temporary

interruption, sustained interruption, undervoltage, overvoltage

#HMD

3.10 short-duration root-mean-square (rms) variation: A variation of the rms value of the voltage or

current from the nominal for a time greater than 0.5 cycles of the power frequency but less than or equal to

1 min. When the rms variation is voltage, it can be further described using a modifier indicating the

magnitude of a voltage variation (e.g., sag, swell, interruption) and possibly a modifier indicating

the duration of the variation (e.g., instantaneous, momentary, temporary).

3.11 sustained interruption: A type of long-duration root-mean-square (rms) voltage variation where the

complete loss of voltage (<0.1 pu) on one of more phase conductors is for a time greater than 1 min.

3.12 temporary interruption: A type of short-duration root-mean-square (rms) variation where the

complete loss of voltage (<0.1 pu) on one or more phase conductors is for a time period between 3 s and

1 min.

3.13 voltage change: A variation of the root-mean-square (rms) or peak value of a voltage between two

consecutive levels sustained for definite but unspecified durations.

3.14 voltage fluctuation: A series of voltage changes or a cyclical variation of the voltage envelope.

3.15 voltage interruption: The disappearance of the supply voltage on one or more phases. It is usually

qualified by an additional term indicating the duration of the interruption (e.g., momentary, temporary,

sustained).

3.16 waveform distortion: A steady-state deviation from an ideal sine wave of power frequency

principally characterized by the spectral content of the deviation.

#HMD

To Be continued