الطاقة الكهربائية ذات الطور المنفصل

نظام التوزيع أحادي الطور ثلاثي الأسلاك هو شكل من أشكال توزيع الطاقة الكهربائية أحادية الطور . وهو مكافئ التيار المتردد لنظام التيار المستمر ثلاثي الأسلاك الأصلي الذي طورته شركة إديسون للآلات . وتتمثل الميزة الرئيسية لتوزيع الطاقة أحادي الطور في أنه، بالنسبة لسعة طاقة معينة، يتطلب كمية أقل من مواد التوصيل مقارنةً بنظام أحادي الطور ثنائي الأسلاك. ^{[ 1 ]}

يُستخدم نظام التوزيع أحادي الطور على نطاق واسع في أمريكا الشمالية للمنازل والمنشآت التجارية الصغيرة. يوفر هذا النظام عادةً خطين للتيار المتردد بجهد 120 فولت، بينهما فرق طور 180 درجة (بالنسبة للخط المحايد)، بالإضافة إلى موصل محايد مشترك. يُوصل الخط المحايد بالأرض عند نقطة التوصيل المركزية للمحول .

في أمريكا الشمالية، تُوصل الدوائر الكهربائية المنزلية القياسية للإضاءة والأجهزة الصغيرة بين خط واحد والخط المحايد، مما يوفر جهد 120 فولت . أما الأجهزة ذات الاستهلاك العالي للطاقة، مثل الأفران والمجففات وسخانات المياه، فتُشغل بدوائر كهربائية بجهد 240 فولت ، موصولة بين خطي الـ 120 فولت . وتُوصل هذه الأحمال الكهربائية بجهد 240 فولت إما بشكل مباشر أو باستخدام مقابس مصممة خصيصًا لتكون غير قابلة للتبديل مع مقابس الـ 120 فولت .

تُستخدم أنظمة الطور المنفصل أيضًا في بعض التطبيقات المتخصصة لتقليل خطر الصدمة الكهربائية أو لتقليل الضوضاء الكهرومغناطيسية.

يحتوي محول كهربائي يغذي نظام توزيع ثلاثي الأسلاك على ملف إدخال (ابتدائي) أحادي الطور. أما ملف الإخراج (الثانوي) فيحتوي على نقطة مركزية موصولة بنقطة تعادل مؤرضة . وكما هو موضح في الشكل 1 ، فإن الجهد بين طرفي الملف والمركز يساوي نصف الجهد بين طرفي الملف. يوضح الشكل 2 مخطط المتجهات لجهود الخرج لمحول أحادي الطور منقسم. ولأن المتجهين لا يحددان اتجاه دوران محدد للمجال المغناطيسي الدوار ، فإن نظام أحادي الطور منقسم لا يُعد نظامًا ثنائي الطور.

في الولايات المتحدة وكندا، نشأت هذه الممارسة مع نظام توزيع التيار المستمر الذي طوره توماس إديسون . من خلال توصيل أزواج أو مجموعات من المصابيح على نفس الدائرة الكهربائية على التوالي، ومضاعفة جهد التغذية، انخفض حجم الموصلات بشكل كبير. عند وجود دائرتين كهربائيتين، لكل منهما أحمال مختلفة، يمكن استبدال السلك المشترك لكل دائرة بموصل واحد يعود إلى نقطة التفرع المركزية لجهد التغذية، مما يُثبّت جهود الدوائر الفرعية من التغيرات الناتجة عن تشغيل وإيقاف الأحمال. التيار المار في السلك المحايد هو فقط فرق التيار المتدفق من مجموعة أحمال إلى أخرى. يُقلل هذا الترتيب عدد الموصلات من أربعة إلى ثلاثة، بالإضافة إلى توفير كبير في تكاليف العمالة والمواد.

الجهد بين الخط والحيادي يساوي نصف الجهد بين الخطين. يمكن توصيل الإضاءة والأجهزة الصغيرة بين سلك الخط والحيادي. أما الأجهزة ذات القدرة العالية، مثل أجهزة الطهي، وأنظمة التدفئة، وسخانات المياه، ومجففات الملابس، ومكيفات الهواء، ومعدات شحن السيارات الكهربائية ، فتُوصل بموصلي الخط. هذا يعني أنه لتوفير نفس القدر من الطاقة، ينخفض ​​التيار إلى النصف. ويمكن استخدام موصلات أصغر مما هو مطلوب لو صُممت الأجهزة للعمل بالجهد المنخفض. ^{[ 2 ]}

إذا كان الحمل متوازنًا (أي أن التيار المسحوب من كل خط متساوٍ)، فلن يحمل الموصل المحايد أي تيار، وسيكون النظام مكافئًا لنظام أحادي الطرف بجهد مضاعف، حيث تحمل أسلاك الخط نصف التيار. في هذه الحالة، لن يكون هناك حاجة إلى موصل محايد على الإطلاق، ولكن سيكون ذلك غير عملي مع الأحمال المتغيرة؛ فمجرد توصيل المجموعات على التوالي سيؤدي إلى تباين مفرط في الجهد والسطوع عند تشغيل وإطفاء المصابيح.

بتوصيل مجموعتي المصابيح بسلك محايد، ذي جهد متوسط ​​بين السلكين الحاملين للتيار، يتم تعويض أي اختلال في الحمل بتيار في السلك المحايد، مما يوفر جهدًا ثابتًا تقريبًا عبر المجموعتين. ويكون إجمالي التيار المار في الأسلاك الثلاثة (بما في ذلك السلك المحايد) دائمًا ضعف تيار التغذية للنصف الأكثر حملاً.

بالنسبة لتمديدات الأسلاك القصيرة المحدودة بقدرة الموصل على حمل التيار ، يسمح هذا باستبدال ثلاثة موصلات نصف الحجم بموصلين كاملين الحجم، باستخدام 75٪ من النحاس لنظام أحادي الطور مكافئ.

تُحدَّد مسارات الأسلاك الطويلة بحدود انخفاض الجهد المسموح به في الموصلات. ولأن جهد التغذية يتضاعف، يمكن للحمل المتوازن تحمّل ضعف انخفاض الجهد، مما يسمح باستخدام موصلات ذات حجم ربع الحجم الأصلي؛ وهذا يستهلك 3/8 من كمية النحاس المستخدمة في نظام أحادي الطور مكافئ.

عملياً، يتم اختيار قيمة متوسطة. على سبيل المثال، إذا اقتصر عدم التوازن على 25% من الحمل الكلي (نصف النصف) بدلاً من أسوأ حالة مطلقة وهي 50%، فإن الموصلات التي يبلغ حجمها 3/8 من حجم الموصل أحادي الطور ستضمن نفس الحد الأقصى لانخفاض الجهد، أي ما مجموعه 9/8 من موصل أحادي الطور واحد، و56% من النحاس الموجود في موصلين أحاديي الطور.

في ما يُسمى بنظام الطاقة المتوازن ، والذي يُطلق عليه أحيانًا "الطاقة التقنية"، يُستخدم محول عزل ذو نقطة مركزية لإنشاء مصدر طاقة منفصل بموصلات ذات جهد متوازن بالنسبة للأرض. والهدف من نظام الطاقة المتوازن هو تقليل التشويش المنتقل إلى الأجهزة الحساسة من مصدر الطاقة.

بخلاف نظام التوزيع ثلاثي الأسلاك، لا يتم توزيع السلك المحايد المؤرض على الأحمال؛ بل تُستخدم فقط توصيلات بين الخطوط بجهد 120 فولت . يُستخدم نظام الطاقة المتوازن فقط للتوزيع المتخصص في استوديوهات إنتاج الصوت والفيديو، ومحطات البث الصوتي والتلفزيوني، ومنشآت الأجهزة العلمية الحساسة.

يُحدد قانون الكهرباء الوطني الأمريكي قواعد تركيبات الطاقة التقنية. ^{[ 3 ]} لا يُسمح باستخدام هذه الأنظمة للإضاءة العامة أو غيرها من المعدات، وقد تستخدم مقابس خاصة لضمان توصيل المعدات المعتمدة فقط بالنظام. إضافةً إلى ذلك، تُولي أنظمة الطاقة التقنية اهتمامًا خاصًا لطريقة تأريض شبكة التوزيع.

من مخاطر استخدام نظام طاقة متوازن في تركيبات تستخدم أيضًا الطاقة التقليدية في نفس الغرف، احتمال قيام المستخدم بتوصيل النظامين معًا دون قصد عبر نظام وسيط لأجهزة الصوت أو الفيديو، والتي قد تكون بعض مكوناتها موصولة بنظامي طاقة مختلفين. يمكن تقليل احتمالية حدوث ذلك من خلال وضع ملصقات مناسبة على منافذ الطاقة المتوازنة، واستخدام نوع من مقابس الطاقة يختلف شكله عن مقبس نظام الطاقة التقليدي، وذلك لزيادة التمييز بينهما.

في مجال كهربة السكك الحديدية، يُستخدم نظام طاقة كهربائية ثنائي الطور على خطوط السكك الحديدية عالية السرعة ذات جهد 25 كيلوفولت تيار متردد . يمتد سلكان منفصلان على طول السكة: سلك توصيل القاطرة وسلك تغذية منفصل كهربائيًا. يُغذى كل سلك بجهد 25  كيلوفولت بالنسبة للأرض (نقطة التأريض المركزية)، بفارق جهد 50  كيلوفولت بينهما. تعمل محولات ذاتية على طول السكة على موازنة الأحمال بين سلكي التوصيل والتغذية، حيث يُغذى أحد قطبي السلك العلوي، بينما يُستخدم السلك الآخر لقسم آخر، مما يقلل من الفقد في المقاومة. انظر: نظام كهربة السكك الحديدية بجهد 25 كيلوفولت تيار متردد #2 × نظام محولات ذاتية بجهد 25 كيلوفولت

• حياد مشترك