نقل وتوزيع الطاقة

يتم نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية من محطات التوليد إلى المستخدمين في شتى مواقعهم من خلال شبكة كهربائية معقدة تحتوي على عدد كبير من محطات تحويل الجهد المختلفة ومن خطوط النقل التي تنقل الطاقة الكهربائية بمستويات جهد مختلفة لا يقل عددها عن أربعة مستويات وذلك حسب حجم الشبكة والتوزع الجغرافي للمستخدمين. ويوجد عند كل محطة توليد محطة تحويل رئيسية تقوم برفع الجهد الذي ينتجه المولد والذي لا يتجاوز ثلاثين ألف فولت إلى جهد عالي تتحدد قيمته من طول خط النقل وكمية الطاقة المنقولة. إن الهدف من رفع الجهد الكهربائي عند نقل الطاقة الكهربائية هو لتقليل كمية الطاقة المفقودة في خطوط النقل حيث أن كمية الفقد تتناسب مع مربع التيار الذي تحمله هذه الخطوط ومن المعلوم أن رفع الجهد بنسبة معينة يقلل قيمة التيار بنفس النسبة على افتراض ثبات كمية الطاقة وعليه فإن كمية الفقد ستتناسب عكسيا مع مربع الجهد. ويعتمد اختيار قيمة جهد النقل على المسافة بين محطة التوليد وأماكن التوزيع وكمية الطاقة المنقولة فكلما زادت المسافة وزادت كمية الطاقة كلما تطلب الأمر زيادة الجهد. ويمكن تحديد قيمة الجهد الأمثل من خلال الموازنة بين كلفة محطات التحويل وخطوط النقل والتي تزداد مع زيادة قيمة الجهد وبين قيمة الطاقة المفقودة في خطوط النقل على مدى عمرها التشغيلي والتي تزداد مع انخفاض قيمة الجهد. وفي العادة تستخدم مستويات جهود محددة في صناعة محطات التحويل وخطوط النقل عالية الجهد تبدأ من 110 كيلوفولت وتنتهي بقيمة 765 كيلوفت وقد تتجاوز المليون فولت في بعض الخطوط الخاصة وذلك حسب طول الخط الذي يتراوح بين مائة كيلومتر وما يزيد عن ألف كيلومتر. وعند نهاية خط الجهد العالي يبدأ بتخفيض الجهد بشكل متدرج وليس دفعة واحدة كما هو الحال عند محطة التوليد حيث يتم إنشاء عدة محطات فرعية عند التجمعات السكنية والصناعية الكبيرة تخفض الجهد إلي مستوى الجهد المتوسط ( 33 كيلوفولت أو 66 كيلوفولت) وتقوم خطوط نقل الجهد المتوسط بتوزيع الطاقة الكهربائية على محطات فرعية أصغر حجما تتوزع عند مراكز ثقل التجمعات السكنية وتقوم هذه المحطات بدورها بتخفيض الجهد المتوسط إلى الجهد المنخفض ( 3300 فولت و 6600 فولت).

وأخيرا يتم توزيع الطاقة الكهربائية على البيوت والمصانع وغيرها من المرافق بعد أن يتم تخفيض الجهد المنخفض إلى مستوى الجهد الذي تعمل عليه مختلف الأجهزة الكهربائية المنزلية والصناعية وهو 110\190 فولت في النظام الأمريكي أو 220\380 فولت في النظام الأروبي من خلال محولات صغيرة تركب على الأعمدة. وتستخدم خطوط النقل بكافة مستوياتها نظام النقل ثلاثي الأطوار وما عدا خط النقل الذي يوزع الطاقة على المستخدمين فإن خط النقل يتكون من ثلاثة أسلاك من النحاس أو الألمنيوم معلقة من خلال عوازل من السيراميك أو الزجاج على أبراج فولاذية مختلفة الأحجام في حالة الجهد العالي والمتوسط وأعمدة فولاذية أو خشبية أو كيبلات أرضية في حالة الجهد المنخفض. أما خط النقل الذي يوزع الطاقة على المستخدمين فإنه يتكون من أربعة أسلاك ثلاثة منها تحمل جهود الأطوار الثلاث والرابع أرضي حيث توصل الكهرباء إلى المنازل والمكاتب من خلال خطين فقط أحدهما الأرضي أما المصانع والورش فيتم تزويدها بالطاقة من خلال الأسلاك الأربعة وذلك لأن بعض المعدات الصناعية كالمحركات الكهربائية الكبيرة لا تعمل إلا بثلاثة أطوار. ويتم احتساب كمية الطاقة الكهربائية التي يستهلكها المستخدم من خلال العدادات الكهربائية المثبتة في المنازل والمصانع والورش.
إن شبكات الكهرباء أنظمة بالغة الحساسية فكل مكون من مكوناتها يحس بأي حدث كهربائي يحدث في أي جزء من أجزائها خلال فترة زمنية بالغة القصر حيث تنتشر تأثيرات هذا الحدث في الشبكة بسرعة تقرب من سرعة الضوء. فعلى سبيل المثال فعندما يقوم شخص بكبس زر لإضاءة مصباح كهربائي في بيته فإن جميع محطات التوليد المرتبطة بالشبكة تحس بهذا الحدث وتزيد من عزم محركاتها لتوفير كمية الطاقة التي يحتاجها هذا المصباح لكي يضيئ. إن وصل الأحمال الكهربائية (electric loads) بالشبكة وفصلها عنها عمليات تحدث بشكل كبير ومتكررعلى مدار الساعة وهي عمليات قد تؤثرعلى وضعية الشبكة من حيث قيم ترددها وجهدها وتزامن مولداتها ولكنها في الغالب لا تخرجها من حالة الاستقرار. إن الأحداث التي قد تسبب مشاكل للشبكة وقد تؤدي بها للخروج من حالة الاستقرار هو حدوث دوائر قصر (short circuits) فيما بين أسلاكها أو بين الأسلاك والأرض أو تعرض بعض محطات التوليد ومحطات التحويل لعطل مفاجئ. وعادة ما يتم حماية الشبكة من دوائر القصر التي تحدث فيها باستخدام الفيوزات (fuses) والقواطع الآلية(automatic circuit breakers) والفواصل اليدوية (manual switch). وتوجد أجهزة الحماية هذه في كل جزء من أجزاء الشبكة فعند المستخدمين يوجد في كل منزل أو مصنع عدد كبير من الفيوزات والقواطع لحماية الشبكة الداخلية للمصلحة من الخراب بسبب دوائر القصر الشائعة الحدوث. وفي كل محطة تحويل رئيسية أو فرعية يوجد أجهزة حماية مماثلة ولكن بقدرات أكبر من تلك التي عند المستخدمين تحمي الشبكة من دوائر القصر التي تحدث في خطوط النقل التابعة لها. وفي كل محطة توليد توجد معدات حماية معقدة تحمي المولدات من دوائر القصر التي تحدث في داخلها أو خارجها وتوجد في محطات التوليد كذلك أحمال اصطناعية تمتص الطاقة الكهربائية التي يولدها المولد في حالة فصله عن الشبكة أو حين تخف الأحمال الحقيقة بشكل مفاجيء. إن ضمان استقرار الشبكات الكهربائية تحت الظروف المختلفة عملية بالغة التعقيد وإن عدم أخذ الاحتيطات اللازمة قد يؤدي إلى خروج الشبكة من حالة الاستقرار وبالتالي الإنهيار التام. ولهذا يوجد في جميع الشبكات الحديثة مراكز متعددة للمراقبة والتحكم (monitor and control centers) تقوم بمراقبة جميع مكونات الشبكة من محطات توليد ومحطات تحويل وخطوط نقل رئيسية وذلك من خلال شبكة اتصالات رقمية تمتد مع امتداد الشبكة وتقوم كذلك بالتحكم بأنظمة الحماية فيها عن بعد إما بشكل يدوي من قبل المهندسين أو بشكل آلي من قبل الحواسيب.