محمد رياض اسماعيل
باحث
(Mohammed Reyadh Ismail Sabir)
الحوار المتمدن-العدد: 8726 - 2026 / 6 / 4 - 14:49
المحور:
الطبيعة, التلوث , وحماية البيئة ونشاط حركات الخضر
مقدمة
لندع مشاكل المنظومة الكهربائية في العراق جانباً؛ فالباحث ثاقب النظر يدرك جيداً أن إدارة هذه المنظومة تفتقر إلى الخبرة والمعرفة لإدارة شبكة "ترقيعية" تعاني من فقدان السيطرة عبر ربطات الضغط الفائق بين محطات التحكم، وغياب التناغم بين وحدات السيطرة المناطقية والسيطرة الرئيسية. فضلاً عن العجز الناجم عن عدم توفير الطاقة الدوّارة (Spinning Reserve) الضرورية لديمومة التجهيز الكهربائي المستقر، وزيادة اعتماديته واستمراريته. ولندع أيضاً مشكلة العجز في توليد الطاقة الناجمة عن نمو أحمال المستهلكين بشكل مضطرد، ونوع ومواصفات محطات التوليد المستحدثة.. لندع كل ذلك جانباً، ونتناول في هذا المبحث مشكلة "تلوث الكهرباء" في منظومات التجهيز، ونعني بها تشوّه الشكل الجيبي للجهد المتناوب المجهز للمستهلكين بسبب التوافقيات (Harmonics) الناتجة عن الأحمال غير الخطية، وما يترتب عليها من أضرار جسيمة.
إن تلوث المياه يحدث في المصدر وينتقل إلى المستهلكين وليس العكس، أما تلوث الكهرباء (تشوه الشكل الجيبي للموجات الكهربائية) فيحدث في المصدر، أو عند المستهلك، أو في المعدات الرابطة بينهما. وتكمن خطورة هذا التلوث في أنه ينتقل بالاتجاهين؛ أي من المصدر إلى المستهلك ومن المستهلك عائدًا إلى الشبكة ليؤثر في المستهلكين الآخرين.
لقد أدى تطور الشبكات الكهربائية ودخول أحمال حديثة وأجهزة إلكترونيات القدرة (Power Electronics) إلى تفاقم مشكلة التوافقيات في الشبكة الوطنية؛ ولم يعد تيار المغنطة في القلب المغناطيسي لوحدات التوليد هو السبب الوحيد لتشويه الموجة. ولا تبحث هذه الورقة في تفاصيل الحسابات الرياضية لتشوه الجهد الناجم عن أشباه الموصلات في الدوائر غير الخطية (Non-linear circuits) التي تسحب تيارات غير جيبية، بل يهمنا هنا فحص النتائج وتأثير هذا التشوه في كفاءة أداء معدات المستهلكين والشبكة، وهي مشكلة تتفاقم في ظل غياب السيطرة النوعية والتقييس للحد من التلوث الكهربائي.
يُعرَّف تشوه الجهد أو التيار بقيم الجذر التربيعي لمتوسط المربعات (RMS) بعد طرح الموجة الجيبية الأساسية. وأبسط طريقة للتعبير عن الحسابات الرياضية للتوافقيات هي حساب القيمة الإجمالية لتشوه الجهد عبر المعادلة التالية:
((V2)^2 )+√((V3)^2 )+√((V4)^2 )+⋯√((Vn)^2 ) √
حيث تمثل V_2 قيمة الـ RMS للجهد التوافقي من المرتبة الثانية، وV_3 للمرتبة الثالثة، وهكذا بالنسبة لبقية المراتب (V_n).
أسباب التلوث وتشوه الشكل الجيبي (التوافقيات)
تأخذ الأحمال المسببة للتشوه أشكالاً مختلفة في القطاعات الصناعية والسكنية؛ وفي كل الأحوال، من الأهمية بمكان تحديد مقدار التشوه الذي تسببه لجهد المصدر:
أولاً: الأحمال الصناعية
يمكن تقسيم الأحمال الصناعية غير الخطية إلى ثلاث مجموعات رئيسية:
الأحمال المباشرة: وتضم محركات التيار المتناوب الكبيرة، ومحولات التشغيل، ومصابيح التفريغ الغازي.
المُغيرات والعاكسات (Inverters and -convert-ers): وتشمل أنظمة التحكم في المحركات ذات السرعة المتغيرة (VFDs)، ومحركات التيار المستمر، وأنظمة التحكم في أفران الحث لمعامل الحديد التي تستخدم مزحزح التردد (Frequency Shift)، وأنظمة المقومات (Rectifiers) ذات القدرات العالية المستخدمة في الصناعات الكيميائية، بالإضافة إلى أنظمة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS).
المُنظِّمات (Regulators): وتشتمل على أنظمة التحكم الحراري وأحمال التسخين في أفران الحث المسيطر عليها بواسطة "الثايرستور" (Thyristor).
ثانياً: الأحمال المنزلية
تعتبر أجهزة التلفاز والشواحن الإلكترونية الحمل المشوِّه الرئيسي في المساكن، لا سيما في أوقات الذروة، بالإضافة إلى الأجهزة التالية:
الإنارة التفريغية ومصابيح التوفير (Discharge lighting).
مخفضات الإضاءة (Dimmers).
المحركات الحثية الصغيرة (المسيطر على سرعتها وغير المسيطر عليها)، مثل الخلاطات، ضواغط الثلاجات والمجمدات، ومضخات التدفئة والعدد الكهربائية.
وأخيراً، فإن أهم عنصر يولد التوافقيات في أنظمة التجهيز هو محولات القدرة ذات الخصائص المغناطيسية غير الخطية. وقد لوحظ في البلدان الصناعية المتقدمة، عبر الفحوصات الدورية طويلة الأمد، أن الجهد التوافقي من المرتبة الثالثة (Third Harmonic) يصل إلى أقصى مستوياته في الساعات المبكرة من النهار؛ ويعزى ذلك إلى ارتفاع تيار المغنطة في المحولات نتيجة التحميل الخفيف للشبكة، مما يؤدي إلى ارتفاع نسبي في جهد المنظومة وزيادة حدة التشوه.
تأثير التشوه في المنشآت والمعدات
إن تحديد حدود التشويه بالتوافقيات أمر متفق عليه دولياً لتجنب التأثيرات السلبية والتشويش غير المرغوب فيه على المعدات، وبخاصة أجهزة القياس دقيقة الحساسية. وتتلخص أبرز هذه التأثيرات في الآتي:
زيادة المفاقيد في المحركات الكهربائية: حيث تقل الممانعة (Reactance) للترددات التوافقية مقارنة بالتردد الأساسي (Fundamental Frequency)، مما يولد عزوماً كبحية معاكسة تقلل من كفاءة المحركات وتزيد حرارتها.
زيادة الخسائر في شبكة التجهيز: نتيجة مرور التيارات التوافقية في العناصر المقاومية (Resistive elements) للخطوط والكابلات.
ارتفاع نسبة الخطأ في مقاييس الطاقة (kWh): مما يؤدي إلى قراءات غير دقيقة لاحتساب استهلاك الطاقة للمستهلكين.
اضطراب أنظمة التحكم: ظهور عوارض وتشغيل خاطئ في المعدات التي تعتمد على تصفير الموجة الجيبية (Zero-Crossing) أو تتطلب اتزاناً تاماً للأطوار الثلاثة.
زيادة تحميل المتسعات (Overloading): حيث تقل ممانعة المتسعات تناسباً عكسياً مع ارتفاع التردد، مما يجعلها ممراً سهلاً للتيارات التوافقية العالية.
⚠️ تنبيه خطير: تكمن الخطورة الكبرى في الفقرة الأخيرة عند حدوث ظاهرة الرنين التوافقي (Harmonic Resonance) بين محاثة المنظومة ومتسعات تحسين معامل القدرة، مما يؤدي إلى تضخيم الجهود والتيارات وتدمير المعدات.
أما في أنظمة الاتصالات، فإن التأثيرات تتجسد في تشويه إشارات التحكم بالنبضات (Ripples) في منظومات القدرة، والتشويش على أنظمة إشارات السكك الحديدية اللاسلكية في التقاطعات (وهي منظومة لحسن الحظ غير موجودة لدينا في العراق حالياً).
بالإضافة إلى ذلك، هناك تأثير بالغ الأهمية على قياسات ومعايرات الأجهزة المختبرية الحساسة، ومنها أجهزة "الجهاز المركزي للتقييس والسيطرة النوعية"، حيث تؤدي التوافقيات إلى نتائج فحص مضللة وغير دقيقة.
الحدود المسموحة للتشويه بالتوافقيات
إن وضع حدود للتوافقيات يعد من المهام المعقدة في مرحلة التصميم، ولابد من إدراجها كشرط أساسي في مواصفات المشاريع الحديثة، بحيث لا يتم استلام المشروع إلا بعد التطابق الفيزيائي مع القيم التصميمية. وبسبب ظاهرة الرنين وتغير الأحمال المقاومية التي تعمل كخماد للتشويه (Damping effects)، فقد يظهر التشوه في نقاط بعيدة جداً عن مصدر الأحمال غير الخطية وبأحجام تختلف باختلاف ساعات اليوم.
وتحدد المواصفات القياسية الأوروبية (European Standards) هذه الحدود بدقة عبر فصل واضح بين جودة جهد التجهيز (مسؤولية الشبكة) وتيار التوافقيات المحقون (مسؤولية المستهلك):
1. حدود تشوه الجهد في شبكات التجهيز (EN 50160)
تحدد المواصفة EN 50160 خصائص الجهد لشبكات التوزيع العامة، حيث تشترط ألا يتجاوز التشوه التوافقي الكلي للجهد (THD_v) نسبة 8% في شبكات الجهد المنخفض والمتوسط خلال 95% من وقت القياس الأسبوعي. وتتوزع الحدود الفردية للمراتب كالتالي: المرتبة التوافقية الحد الأقصى المسموح للجهد
المرتبة 5 حتى 6%
المرتبة 7 حتى 5%
المرتبة 11 حتى 3.5%
المرتبة 13 حتى 3%
التوافقيات الثلاثية (Triplen Harmonics - المضاعفة للرقم 3): نظراً لخطورتها العالية وتراكمها في خط المتعادل (Neutral)، فإن حدودها صارمة جداً:
المرتبة 3 لا تتجاوز 5%،
والمرتبة 9 لا تتجاوز 1.5%.
2. حدود التيارات التوافقية لأجهزة المستهلكين (IEC/EN 61000)
تعتمد اللجان الأوروبية عائلة مواصفات IEC/EN 61000 للحد من تيارات التوافقيات المحقونة من المستهلكين:
الأجهزة الصغيرة (أقل من 16 أمبير) [EN 61000-3-2]: تقسم الأجهزة إلى 4 فئات:
Class A (الأجهزة ثلاثية الأطوار المتزنة والمنزلية): تُحدد الحدود بقيم مطلقة بالأمبير مثلاً: المرتبة الثالثة حدها (2.30) امبير ، والخامسة (1.14) امبير.
Class B (الأدوات المحمولة): حدودها هي نفس قيم الفئة A مضروبة في المعامل 1.5.
Class C (أجهزة الإنارة): تُحدد كنسبة مئوية من تيار الموجة الأساسية (المرتبة الثالثة حتى 30% مضروبة في معامل القدرة، والخامسة 10%).
Class D الحواسيب والشاشات بين W 75 و W 600): تُحدد الحدود بنسبة طردية بمقياس (mA/W).
المعدات الكبيرة (بين 16 و75 أمبير) [EN 61000-3-12]: تعتمد على قوة نقطة الربط ونسبة ممانعة الشبكة (R/X)، كلما كانت الشبكة أقوى (تيار قصر أعلى مقارنة بتيار الحمل)، سمحت المواصفة بنسبة تشوه توافقي كلي للتيار (THD_i) أعلى، وتتراوح الحدود عادة بين 13% وتصل حتى 48%.
📌 ملاحظة: في المشاريع الصناعية الكبرى، يُستأنس أيضاً بالمواصفة الأمريكية IEEE 519 لتحديد نسب تشوه تيار الطلب الكلي (TDD) عند نقطة الربط المشتركة (PCC)، لشموليتها في حسابات الأحمال الصناعية الضخمة.
متطلبات دراسة الشبكة المحلية
بناءً على ما تقدم، يغدو من الضروري قياس وبحث واقع شبكتنا الوطنية للوقوف على أربعة عوامل رئيسية:
التشوه المسموح به عالمياً: حيث تظهر القياسات العالمية تشوه جهد بحدود 2% في نقاط ربط الأحمال؛ وينبغي لنا رصد هذه القيم محلياً قبل تشريع الحدود القانونية.
قيمة التحمل (Withstanding Capability): يجب أن تضمن الحدود الموضوعة سلامة المعدات، بحيث تكون أقل من عتبة التحمل القصوى التي تسبب تلف الأجهزة الكهربائية.
الاختراق والتغلغل (Penetration): دراسة كيفية انتقال التشوه عبر مستويات الجهد المختلفة. فإذا كان التشوه عند جهد 132 كيلو فولت هو 2%، يجب فحص واحتساب النسبة المنعكسة منه على سواعد التوزيع المنخفض للمستهلكين.
نظم تأريض نقطة المحايد (Neutral Grounding): عند تشغيل النظام بنقاط محايد متعددة مؤرضة، تمر تيارات توافقية ضخمة (خاصة من المرتبة الثالثة) بين نقاط التأريض. وتشير الفحوصات إلى أن المولدات تنتج جهوداً توافقية من المرتبة الثالثة تتراوح بين 2.5% في الحمل الخفيف وتصل إلى 6% عند أقصى تحميل، مما يتسبب في مرور تيارات عالية عبر ممانعة النظام تؤدي إلى سخونة ملفات المولدات ومحولات التأريض ومقاوماته.
الأحمال الحديثة المستجدة وتحديات المستقبل
ثمة أحمال غير خطية يتزايد الاعتماد عليها حالياً ومستقبلاً، وتطلب رقابة خاصة:
لوحات التحكم الإلكترونية ومسيطرات الثايرستور: وهي المحرك الأساسي لحقن التيارات الدخيلة في شبكات التوزيع.
شواحن السيارات الكهربائية والعواكس: تشهد السيارات الكهربائية نمواً متسارعاً؛ ويتم شحنها ليلاً (وقت التحميل الخفيف للمحولات)، مما يسبب توافقيات حادة في الشبكة تشابه تأثير التلفاز الملون ولكن بسعات أضخم بكثير. ومن المفترض فرض معايير على المستوردين لتسويق شواحن مجهزة بمرشحات (Filters) تحد من التوافقيات إلى مستويات مقبولة.
الاستنتاجات والتوصيات
إن وضع حدود مرضية للتوافقيات يتطلب تعاوناً وثيقاً بين المنشأة العامة لتوزيع الطاقة الكهربائية والمستهلكين (في القطاعات الصناعية، التجارية، والسكنية)، إلى جانب وضع مواصفات قياسية صارمة وموصوفة بدقة للمعدات المستوردة بناءً على المعايير العالمية.
وتوصي هذه الورقة بضرورة تشكيل لجنة عمل موحدة ودائمة تضم ممثلين عن القطاعات الصناعية، والوزارات الخدمية، ودوائر التوزيع، بالتعاون مع اتحاد الصناعات العراقي والجهاز المركزي للتقييس والسيطرة النوعية؛ لتكون النواة الأساسية في وضع الكوابح الفنية والتشريعية لإيقاف هذا التلوث الكهربائي وحماية البنية التحتية للاقتصاد الوطني.
#محمد_رياض_اسماعيل (هاشتاغ)
Mohammed_Reyadh_Ismail_Sabir#
ترجم الموضوع
إلى لغات أخرى - Translate the topic into other
languages
الحوار المتمدن مشروع
تطوعي مستقل يسعى لنشر قيم الحرية، العدالة الاجتماعية، والمساواة في العالم
العربي. ولضمان استمراره واستقلاليته، يعتمد بشكل كامل على دعمكم.
ساهم/ي معنا! بدعمكم بمبلغ 10 دولارات سنويًا أو أكثر حسب إمكانياتكم، تساهمون في
استمرار هذا المنبر الحر والمستقل، ليبقى صوتًا قويًا للفكر اليساري والتقدمي،
انقر هنا للاطلاع على معلومات التحويل والمشاركة
في دعم هذا المشروع.
كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية
على الانترنت؟
|
ارسل هذا الموضوع الى صديق
|
حفظ - ورد
|
بحث
|
إضافة إلى المفضلة
|
للاتصال بالكاتب-ة
اليوتيوب
لينكدإن
تيلكرام
تمبلر
بلوكر
الموبايل
