انتقال و توزیع برق

توانمندی شرکتهای خصوصی برق در دو دهه آینده به طور خاص وابسته به بهبود سیستمهای قدرت آن است . می توان کابلهای هوشمندی ساخت که در یافتن مکان خطا مفید باشند و هم بتوانند در مراحل اولیه آن را شناسایی کنند . این باعث می شود رفع خطا در زمان بازبینی ادواری امکان پذیر شود ، پس از آنکه خسارات زیادی به بار آید . در صورتیکه سرمایه و تلاش لازم را برای توسعه و پیشرفت ترانسفورماتورها صرف کنیم می توانیم ترانسفورماتورهای کوچک تری بسازیم . نتیجه مستقیم این اقدام کاهش تلفات است . پیشرفتهای جدید در زمینه حل مشکل تجمع بارهای الکتریکی به دلیل حرکت روغن به مراحل موفقیت آمیزی رسیده است . قادر خواهیم بود الکتریسیته را با کیفیت بهتر به مشتریانی که به کیفیت بالا نیاز دارند برسانیم . محدود کننده های جریان ، نه تنها از سیستم محافظت می کنند بلکه فشار وارد بر کلیدها را کاهش می دهند .

مواد ابررسانا تلفات توان را کم می کنند و در نتیجه چگالی توان افزایش می یابد . در تولید این مواد دقت خاصی به کار می رود . همانطور که در تولید مواد نیمه رسانا به دلیل مسمومیت زایی شدید انجام می شود . حتی اگر بی خطر بودن این مواد ثابت شود ، همواره عموم مردم در پذیرفتن آن دچار تردیدند و شرکتها باید به موقع به سوالهای آنها پاسخ دهند . افزایش آگاهی مردم در مورد میدانهای الکترومغناطیسی نیز باید مورد توجه قرار گیرد . خودکارسازی در توزیع برق رایح می شود و باعث بهبود تحویل توان می گردد.

هر سیستم قدرتی در آینده باید قابلیتهای زیر را داشته باشد :

• با راهبردهای مناسب در عرصه رقابت باقی بماند ؛
• خدمات بهتری عرضه کند ؛
• مدیریت بهتری برای امکانات خود داشته باشد ؛
• عمر مفید تجهیزات را افزایش دهد ؛
• عیب یابی را بهبود بخشد ؛
• با قابلیت اطمینان بالاتر از تجهیزات نگهداری کند .

حال به بررسی تغییراتی که تا سال 2020 به وقوع خواهند رسید ؛ موارد دارای احتمال کمتر را تعیین و بر تغییرات اساسی و محتمل تاکید می کنیم . بیست سال زمان کوتاهی برای مشخص شدن تاثیرات تولید الکتریسیته به صورت غیر متمرکز است ولی سعی می کنیم بعضی از آثار آن را بررسی کنیم .

مقدمه

در دهه 60 ظرفیت تولید انرژی الکتریسیته در آمریکا تقریبا دو برابر شد و میزان 175GW به 325GW رسید ( هر گیگاوات معادل 10⁹ وات است . ) پس میزان در سال 1974 به 474GW و تا سال 1980 به 600GW رسیده بود . در پایان سال 1993 ، از 700GW نیز گذشت . پیش بینی می شود که تا سال 2010 تولید باید به میزان 210GW افزایش یابد که در نتیجه میزان مصرف برق آمریکا به یک TW می رسد ( هر تراوات 10¹² وات است . ) . تنها 20% ظرفیت فوق در حال احداث است .

مصرف رو به رشد الکتریسته معمولا بیشتر از تولید ناخالص داخلی است . با حرکت به سوی انحصار زدایی و رقابت فشرده این رشد باید به دقت پیش بینی شود . نظارت بر رعایت حریم خط انتقال و سرمایه گذاریهای کلان ایجاب می کند که رشد مصرف به دقت پیش بینی شود . از آنجایی که این عوامل هم در توزیع و هم در انتقال تاثیر گذارند ، در اینجا بین آنها تمایز قائل نمی شویم و به طور کلی صحبت   می کنیم .

قبل از بحران انرژی سال 1974 ، مصرف الکتریسیته در آمریکا و غرب اروپا در مدت نزیدک به 10 سال دو برابر شد که به معنی رشد سالانه 7% است . تا چند سال بعد از 1974 ، عوامل متعددی این میزان رشد را به 3% کاهش داد . در حال حاضر ، میانگین رشد مصرف خانگی در حدود 2% است . تا سال 2030 این میزان رشد در صورت افزایش مصرف از 30%  فعلی به 50% پیش بینی شده افزایش فوق العاده ای خواهد داشت . افزایش جمعیت و به تبع آن افزایش تراکم باعث افزایش تراکم باعث افزایش این میزان می شود زیرا انرژی الکتریکی کم هزینه ، امن ، و ارزان است . بالا رفتن سطح زندگی مردم نیز عامل موثری در رشد مصرف برق است .

انتقال و توزیع

اگرچه سابقاً هزینه های هنگفتی برای خطوط انتقال فشار قوی دارای ولتاژ بالاتر از 35kv صرف می شد ، خطوط با ولتاژ کمتر از یا مساوی با 35kv قیمتی حدود 1 تا 2 دلار به ازای هر فوت ( 5000 تا 10000 دلار به ازای هر مایل ) کابل دارند . بنابراین کلیه طرحهایی که برای شروع به سرمایه گذاری زیاد احتیاج دارند حذف می شوند . ولی با افزایش تقاضا برای قابلیت اطمینان بیشتر ، اتلاف توان کمتر ، هزینه کار و نگهداری پایین و افزایش آگاهی از آثر زیست محیطی میدانهای الکترومغناطیسی و افزایش دوام و طول عمر کابل باید در انتظار طرحهای جدید بود . هر چند که این طرحها به هزینه اولیه زیادی نیاز دارند ، ناگزیر به اجرای آنهاییم .

از حدود 20 تا 25 سال پیش که کابلهای ارزان قیمت به کار رفتند تجارب زیادی به دست آمده است ؛ مثلا اینکه هزینه تعمیر ونگهداری این کابلها نیز زیاد خواهد بود . در مواردی که مدت زمانی کوتاه مورد نیاز است ، هزینه کم اولیه عامل تعیین کننده است . ولی برای برنامه های دراز مدت مواردی مانند قابلیت اطمینان ، دوام ، نگهداری و نصب و هزینه اولیه در سیستم قدرت کاملا مدرن حرف اول را می زند .

از ابتدای پیدایش صنعت برق عایق بندی اهمیت خاص داشته است و رساناهای خوبی مثل مس یا آلومینیوم ستون اصلی تحویل توان بوده اند . در مقیاس کوچک از سدیم استفاده شده است ولی به دلیل اشتعال آن در مجاورت هوا چندان مناسب نیست . ویژگیهای لازم عایق خوب عبارت اند از چگالی کم ، رسانایی نسبتا خوب ، هزینه کم و پایداری شیمیایی . به عبارت مطلوب است که خارج قسمت رسانایی بر چگالی حداکثر باشد . این عدد را می توان بر هزینه تقسیم کرد تا مقایسه ای از لحاظ قیمت نیز انجام شود . در این مقایسه سدیم مناسب به نظر می رسد البته اگر اکسید نمی شد زیرا رسانایی آن 3/1 مس و چگالی آن 9/1 مس و عدد مورد بحث برای آن 3 برابر مس است . از آنجایی که برای کابلهای هوایی دی الکتریک اصلی هواست ، قدرت مکانیکی نیز با اهمیت است . در اینجا پلیمرهای رسانا مناسب به نظر می رسند البته از نظر شیمیایی ناپایدارند . در این باره بحث خواهیم کرد .

تحویل توان در بهره وری نقش مهمی دارد که رفته رفته اهمیت آن افزایش می یابد . در نیمه اول قرن حاضر ، افزایش ظرفیت خط انتقال مستقیما متناسب با ظرفیت محدود ژنراتور و نیروگاه بود . به دلیل مسائل اقتصادی و افزایش تقاضا ژنراتورهای دور بالا از ظرفیت و ولتاژ 1MVA و 10KV در دهه 1900 به 1500MVA و 25KV تغییر کرده اند . با افزایش ظرفیت ژنراتورها و نیروگاهها ظرفیت خطوط انتقال نیز افزایش پیدا کرد . برای کاهش تلفات در خطوطی که اکنون توان بیشتری منتقل می کردند لازم شد که سطوح ولتاژ افزایش یابند . این ولتاژها در آمریکا از 10KV به 765KV رسید . لازمه این کار استفاده از ترانسفورماتورهای ظرفیت بالا برای اتصال ژنراتورها به شبکه انتقال بود . در کمتر از یک قرن ، ظرفیت خطوط انتقال از 1MVA به بیش از 1500MVA رسید . این حد بالاترین توانی است که به دلیل محدودیت ناشی از قابلیت اطمینان ، روی یک خط می توان انتقال داد . خطر قطع این توان در صورت خرابی خط به همراه مسائل دیگر از مشکلات بزرگ شرکتهای برق است .

مزایا و معایب خطوط انتقال زیرزمینی

خطوط انتقال زیرزمینی خود خنک کننده یا دارای خنک کننده جداگانه معمولا مشکلات زیست محیطی و زیبایی شناسی خطوط هوایی را ندارد ولی دارای معایب دیگری است . هزینه زیاد ساخت ، نصب و راه اندازی کابلهای زیرزمینی عمدتا به دلیل پیچیدگی فنی عایقهای فشار قوی لزوم خنک کردن ن است ( نشت روغن خنک کننده نیز یکی از مشکلات زیست محیطی این کابلهاست ) . هزینه نگهداری زیاد عمدتا به دلیل جریان عبوری زیاد در ولتاژهای بالا و خاصیت خازنی زیاد و بازده کم سیستمهای خنک کننده است . حفاری در زمین ، لوازم مخصوص و شناسایی مواد رسانای حرارت ، هزینه نصب خطوط انتقال زیرزمینی را تا حد قیمت کابل افزایش می دهد . کاهش چگالی توان توزیع در خطوط زیرزمینی به میزان فابل توجهی قیمت نصب را در مقایسه با خطوط انتقال کاهش می دهد .

انتقال با خطوط ابررسانا

رسانای خوب عنصری اصلی در تحویل توان است و بهترین رسانای ابررساناهایند . تا اواخر سال 1986 ، پدیده ابررسانایی در دمایی بسیار نزدیک صفر مطلق اتفاق می افتاد . بالاترین دمای قابل قبول در آن ماده ابررسانا می شد برای ماده Nb₃ Ge در سال 1973 در 2/23 درجه کلوین ( دمای بحرانی ) به دست آمد و تا 13 سال بالاترین دمای موجود بود . از سال 1973 تا 1986 ، گزارشهای متعددی از پدیده ابررسانایی ثبت شده ولی هیچ یک با آزمایش مجدد تایید نشده است . بنابراین دمای بحرانی در طول 75 سال تنها 19 درجه کلوین افزایش یافت . تقریب خطی نشان می دهد که تا رسیدن TICaBACuO به دمای 125 درجه کلوین چهار قرن زمان لازم است ولی برخلاف انتظار جامعه علمی در سالهای 1986 و اوایل 1987 ، به فاصله چند ماه ، دمای بحرانی 70 درجه افزایش یافت ؛ چنین انقلابهای علمی زیاد اتفاق نمی افتند ولی به موقع پیش می آیند .

عایق های پیشرفته پلیمری

از زمان تولید کابل های پلی اتیلن و پلی پروپیلن شاهد پیشرفت چندانی در زمینه کابل های قدرت نبوده ایم . آیا دلیل آن این است که بهترین دی الکتریکها را در 25 سال پیش کشف کرده ایم و در حال حاضر جایی برای پیشرفت نیست ؟ این دلیل چندان هم بی ربط نیست چرا که به راستی نیز چنین بوده است و تیتانات باریم ثابت دی الکتریکی فوق العاده زیاد و خواص فروالکتریکی قابل توجهی دارد . یا شاید هم دلیل آن این باشد که تولید کننده هرگز حاضر نمی شود محصول جدیدی را وارد بازار پایدار محصولات قبلی خود کند و برای خود رقیب ایجاد کند ؟

کابلهای هوشمند

کابلهای انتقال و توزیع به دلایل مختلفی از جلمه پوسیدگی و خرابی عایق ، اضافه جریان و جز آن از کار می افتند . خطایابها در صورتی به یافتن محل خطا در شبکه کابلی کمک می کنند که قسمت بزرگی تحت تاثیر خطا قرار گیرد . مطلوب است که محل دقیق خطا در لحظات اولیه تشخیص داده شود تا با اقدام پیشگیرانه از گسترش آن به نقاط دیگر جلوگیری کرد .

کابلهای هوشمند قادرند با حسگرهای میکروسکوپی خطاها را در مراحل اولیه شناسایی کنند ؛ همچنین پس ازوقوع خطا به آسانی محل آن را گزارش کنند . با تشخیص خطا در مراحل اولیه آن و تعیین محل دقیق آن می توان در زمان نگهداری ادواری از کابل مشکلات را برطرف کرد . با وجود اینکه نکات فنی باید در طراحی در نظر گرفته شود ، این مسائل اقتصادی است که استفاده یا عدم استفاده از این کابلها را در آینده تعیین می کند . لازم است هزینه اقدامات پیشگیرانه قبل از وقوع خطا و در نتیجه جلوگیری از صرف هزینه اضافی در زمان قطع برق ، یافتن محل خطا و سپس تعمیر کابل و یا تعویض آن در صورت لزوم را هم برآورد کرد . البته کابلهای هوشمند جایگاه واقعی خود را در مدارهایی می یابند که کیفیت توان از اولویت برخوردار باشد .

• معرفی
• انتقال و توزیع
• مقایسه سیستم انتقال هوایی و زیرزمینی
• مزایا و معایب خطوط انتقال زیرزمینی
• انتقال با خطوط ابررسانا
• توزیع توان با خطوط انتقال کم مقاومت
• خطوط رایج کم مقاومت
• ابررسانایی
• فیبرهای گرافیت با پوشش فلزی
• خطوط انتقال انعطاف پذیر ولتاژ متناوب (FACTS)
• مبانی FATCS
• سیستم های عامل FATCS
• توان الکتریکی سفارشی
• خازنهای پیشرفته
• عایقهای الکتریکی
• کابلهای توزیع
• کابلهای کششی
• عایقهای پیشرفته پلیمری
• انفجار زیرزمینی
• حل مشکل انفجارهای زیرزمینی
• یافتن محل خطا
• کابلهای هوشمند
• خوردگی سیم زمین و سیم خنثی و محافظت از آن
• ترانسفورماتورها
• ترانسفورماتورهای معمولی
• ترانسفورماتورهای فشرده
• ترانسفورماتورهای فرورزونانس
• ترانسفورماتورهای حالت جامد