- معامل القدرة المنخفض يرفع القدرة الظاهرية والتيار، وتنقل شركات الكهرباء كلفته إلى المستهلك عبر محاسبة الطلب بالكيلوفولت أمبير أو تعديل بحسب معامل القدرة أو رسم على القدرة غير الفعالة.
- IEEE 519-2022 يضع حدود تشوه الجهد والتيار عند نقطة الربط المشتركة بين الشبكة والمستهلك، وحد تشوه التيار يتغير بحسب نسبة تيار القصر إلى تيار الحمل.
- تركيب مكثفات تحسين معامل القدرة في منشأة فيها توافقيات قد يسبب رنينًا يضخمها، لذلك تُدرس التوافقيات أولًا وتُستخدم مكثفات مزودة بمفاعلات عند الحاجة.
هذا المقال للتوعية الفنية العامة، وقرارات تركيب المكثفات والمرشحات تحتاج دراسة يجريها مهندس كهرباء مختص وفق لوائح شركة التوزيع في بلدك.
ما المقصود بجودة القدرة الكهربائية؟
جودة القدرة الكهربائية وصف لمدى اقتراب الجهد والتيار في المنشأة من الشكل المثالي: موجة جيبية نظيفة بتردد ثابت وجهد مستقر. وتشمل مشكلاتها انخفاض الجهد وارتفاعه والانقطاعات القصيرة، لكن مشكلتين تؤثران في التشغيل اليومي والفاتورة معًا هما معامل القدرة المنخفض والتوافقيات.
ويضع IEEE 519 أهدافًا لتصميم الأنظمة الكهربائية التي تضم أحمالًا خطية وغير خطية، وتُطبق حدوده عند نقطة الربط المشتركة، أي الواجهة بين الشبكة والمستهلك. [1] والأحمال غير الخطية، مثل محركات السرعة المتغيرة وأنظمة UPS والمقومات، هي مصدر التوافقيات الرئيسي. [6]
معامل القدرة: لماذا تدفع ثمن طاقة لا تؤدي عملًا؟
معامل القدرة هو نسبة القدرة الفعالة (kW) التي تؤدي العمل إلى القدرة الظاهرية (kVA) التي تمر في الكابلات والمحولات. وحين ينخفض بسبب الأحمال الحثية، تحتاج المنشأة تيارًا أكبر لتؤدي العمل نفسه، فتزيد الخسائر في الكابلات ويُستهلك جزء من سعة المحولات دون فائدة. [5]
وتنقل شركات الكهرباء كلفة هذه المعدات الأكبر والخسائر الناتجة عن التيار غير الفعال إلى المستهلك عبر غرامة معامل القدرة، وتُطبق عادة على جزء الطلب في الفاتورة. [5]
كيف يظهر معامل القدرة في الفاتورة؟
تختلف التعرفة من دولة إلى أخرى، لكن أثر معامل القدرة يدخل الفاتورة عادة بإحدى ثلاث طرق: محاسبة الطلب بالكيلوفولت أمبير، أو محاسبة الطلب بالكيلوواط مع تعديل بحسب معامل القدرة، أو رسم مباشر على القدرة غير الفعالة. [5]
ويوضح مثال منشور لشركة Eaton الفرق بين الطرق: منشأة طلبها 4,000 kW بمعامل قدرة 0.87 تُحاسب على 4,598 kVA إذا كانت التعرفة قائمة على الكيلوفولت أمبير، وعلى 2,268 kvar إذا كانت التعرفة تفرض رسمًا على القدرة غير الفعالة. [5] والفائدة لا تقتصر على الفاتورة، ففي الورقة نفسها حمل قدره 450 kW على محول سعته 500 kVA بمعامل قدرة 75%، أي نحو 600 kVA، ويحتاج رفعه إلى 95% نحو 250 kvar من المكثفات، وهو حل أفضل من استبدال المحول بالمقاس القياسي التالي 750 kVA. [5]
| طريقة المحاسبة | ما يُقاس | أثر معامل القدرة المنخفض |
|---|---|---|
| طلب بالكيلوفولت أمبير | أقصى kVA | kVA أعلى لنفس kW |
| kW مع تعديل | أقصى kW ومعامل القدرة | رفع الطلب المحتسب |
| رسم القدرة غير الفعالة | kvar أو kvarh | رسم مباشر على kvar |
وفي الخليج، تختلف المتطلبات حسب شركة التوزيع. في أبوظبي، تنص لوائح التمديدات الكهربائية 2020 الصادرة عن دائرة الطاقة (البند 4.1.7) على أن يبقى معامل القدرة بين 0.9 متأخر والواحد عند نقطة الربط، وأن تُستخدم معدات تحسين معامل القدرة عند الحاجة لتحقيق ذلك. [4] وفي بقية الإمارات ودول المجلس راجع لوائح شركة التوزيع وجدول تعرفتها قبل حساب الجدوى.
مثال افتراضي: منشأة بمعامل قدرة 0.80
بأرقام للتوضيح: منشأة صناعية طلبها الأقصى 800 kW بمعامل قدرة 0.80.
- القدرة الظاهرية = 800 ÷ 0.80 = 1,000 kVA.
- لرفع معامل القدرة إلى 0.95 نحتاج قدرة تعويض = 800 × (tan φ1 − tan φ2) = 800 × (0.750 − 0.329) ≈ 337 kvar.
- القدرة الظاهرية الجديدة = 800 ÷ 0.95 ≈ 842 kVA، أي انخفاض نحو 16% في التيار.
- خسائر الكابلات تتناسب مع مربع التيار، فتنخفض إلى نحو (0.842)² ≈ 71% من قيمتها السابقة.
فإذا كانت التعرفة تحاسب على kVA، ينخفض الطلب المحتسب في كل فاتورة بنحو 158 kVA دون أي تغيير في الإنتاج. وتحسين معامل القدرة كثيرًا بعد 0.95 غالبًا غير مجدٍ اقتصاديًا. [5]
التوافقيات: من أين تأتي وكيف تُقاس؟
التوافقيات تيارات وجهود بترددات تساوي مضاعفات التردد الأساسي، مثل 250 هرتز للتوافقية الخامسة في شبكة 50 هرتز. وتولدها الأحمال غير الخطية التي تسحب تيارًا غير جيبي، وفي شبكات الجهد المنخفض تكون التوافقية الخامسة عادة أدنى التوافقيات المهيمنة رتبة. [6]
وهناك مقياسان يجب التمييز بينهما:
- THD: ينسب التوافقيات إلى المركبة الأساسية الحالية.
- TDD: ينسب التوافقيات حتى الرتبة 50 إلى أقصى تيار طلب، ولذلك لا يتطابق المقياسان إلا عند الحمل الكامل. [2]
والفرق عملي: منشأة تعمل بنصف حملها قد تُظهر THD مرتفعًا للتيار يبدو مقلقًا، بينما TDD الذي تُقارن به حدود IEEE 519 ضمن الحد.
وعلى مستوى الأجهزة، يضع IEC 61000-3-2 حدودًا لتيارات التوافقيات التي تبثها الأجهزة ذات تيار الدخل حتى 16 أمبير لكل طور والمتصلة بشبكات الجهد المنخفض العامة، وهو مرجع مفيد في مواصفات الشراء. [3]
حدود IEEE 519-2022: ماذا تقيس وأين؟
حدود تشوه الجهد في IEEE 519-2022 تعتمد على جهد الناقل عند نقطة الربط: [2]
| جهد الناقل | التوافقية المنفردة | THD |
|---|---|---|
| حتى 1 kV | 5.0% | 8.0% |
| أكثر من 1 kV حتى 69 kV | 3.0% | 5.0% |
| أكثر من 69 kV حتى 161 kV | 1.5% | 2.5% |
| أكثر من 161 kV | 1.0% | 1.5% |
أما حدود تشوه التيار في الأنظمة من 120 فولت إلى 69 كيلوفولت، فتتدرج بحسب نسبة أقصى تيار قصر إلى أقصى تيار حمل عند نقطة الربط (ISC/IL)، من TDD قدره 5% عندما تقل النسبة عن 20 إلى 20% عندما تتجاوز 1000. [2] أي أن المنشأة المتصلة بشبكة ضعيفة يُسمح لها بتشوه أقل.
ونقطة الربط المشتركة هي الواجهة بين الشبكة والمستهلك، واعتبار نقطة داخلية نقطة ربط مشتركة لا يتوافق مع غرض المعيار الأصلي. [2] والمعيار الساري هو إصدار 2022، وقد اعتُمد في 26 سبتمبر 2024 طلب تفويض مشروع (PAR) لمراجعته، وسيحل الإصدار الجديد محله عند صدوره. [1]
وفي أبوظبي، تحيل لوائح التمديدات حدود الاضطرابات ومنها التوافقيات إلى الملحق 1 من كود التوزيع، وتُلزم المالك بتركيب مرشحات أو معدات أخرى إذا تجاوزها. [4]
حين تلتقي التوافقيات بمكثفات تحسين معامل القدرة
هنا يقع الخطأ الأكثر كلفة. بنك المكثفات مع محاثة الشبكة يكوّن دائرة رنين قد تضخم التوافقيات الصادرة عن محركات السرعة المتغيرة، فتسبب زيادة الحمل وارتفاع الحرارة وارتفاع الجهد في المعدات المتصلة. [6] لذلك فإن تصحيح معامل القدرة بالمكثفات وحدها صعب في وجود تشوه توافقي، ويحتاج دراسة هندسية دقيقة. [5]
والحل الشائع هو المكثفات المزودة بمفاعلات توليف (Detuned) تنقل نقطة الرنين بعيدًا عن التوافقيات الموجودة. ومن الخيارات النموذجية مفاعل 7% بنقطة رنين عند الرتبة 3.78 للبيئات شديدة التوافقيات، ومفاعل 5.65% عند الرتبة 4.2 للبيئات المتوسطة. [6]
خطوات عملية لتدقيق جودة القدرة
- 1الفاتورةطريقة المحاسبة ومعامل القدرة الشهري
- 2القياسعند نقطة الربط لفترة تمثيلية
- 3الحسابTHD للجهد وTDD للتيار
- 4المقارنةحدود IEEE 519 ولوائح التوزيع
- 5المعالجةمكثفات أو مفاعلات أو مرشحات
- 6التحقققياس ثانٍ ومتابعة الفاتورة
- ابدأ بالفاتورة: حدد طريقة المحاسبة واستخرج معامل القدرة لكل شهر.
- قِس عند نقطة الربط بجهاز تحليل جودة القدرة لفترة تمثل دورة التشغيل الكاملة، لا لساعة واحدة.
- احسب THD للجهد وTDD للتيار بعد تحديد ISC وIL.
- قارن بحدود IEEE 519 ولوائح شركة التوزيع.
- اختر المعالجة بناءً على القياس: مكثفات عادية إذا كانت التوافقيات منخفضة، ومكثفات بمفاعلات أو مرشحات إذا كانت مرتفعة.
- تحقق بقياس ثانٍ بعد التركيب وتابع الفواتير التالية.
الخلاصة
جودة القدرة الكهربائية ليست شأنًا فنيًا منفصلًا عن الإدارة المالية، فمعامل القدرة يظهر في الفاتورة والتوافقيات تظهر في أعطال المعدات. قِس أولًا عند نقطة الربط، وافهم طريقة محاسبة تعرفتك، ولا تركّب مكثفات قبل معرفة مستوى التوافقيات.
أسئلة شائعة
ما الحد الأدنى المقبول لمعامل القدرة؟
يختلف حسب الدولة وشركة التوزيع. في أبوظبي مثلًا تشترط لوائح التمديدات الكهربائية 2020 أن يبقى معامل القدرة بين 0.9 متأخر والواحد عند نقطة الربط.
ما الفرق بين THD وTDD؟
THD ينسب التوافقيات إلى المركبة الأساسية الحالية للتيار، أما TDD فينسبها إلى أقصى تيار طلب، لذلك يتطابقان فقط عند الحمل الكامل، وحدود التيار في IEEE 519 تستخدم TDD.
هل يمكن رفع معامل القدرة إلى 1 تمامًا؟
ممكن فنيًا، لكن تحسينه كثيرًا بعد 0.95 غالبًا غير مجدٍ اقتصاديًا، والمطلوب هو البقاء ضمن النطاق الذي تحدده لوائح شركة التوزيع.
هل تنطبق حدود IEEE 519 على كل لوحة داخل المصنع؟
لا. الحدود وُضعت لنقطة الربط المشتركة بين الشبكة والمستهلك، واعتبار نقطة داخلية نقطة ربط مشتركة لا يتوافق مع غرض المعيار الأصلي، وإن كان القياس الداخلي مفيدًا لتحديد مصادر التوافقيات.
ما المعيار الذي يحدد توافقيات الأجهزة الصغيرة؟
IEC 61000-3-2، ويضع حدودًا لتيارات التوافقيات التي تبثها الأجهزة ذات تيار الدخل حتى 16 أمبير لكل طور والمتصلة بشبكات الجهد المنخفض العامة.
المراجع
- IEEE Standards Association. P519 — Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems (2024)
- Comsys AB (powerquality.blog). Power quality – IEEE 519-2022 (2023)
- اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC). IEC 61000-3-2:2018+AMD1:2020+AMD2:2024 CSV — Limits for harmonic current emissions (equipment input current ≤ 16 A per phase) (2024)
- دائرة الطاقة، أبوظبي. The Electricity Wiring Regulations (2020) (2020)
- Eaton. How to Lower Your Electrical Bill Without Reducing Energy Usage (2006)
- Powerside. Safeguard Against Resonance with Low Voltage Detuned Capacitor Banks
دورات مقترحة
