دانلود مقاله انتقال و توزیع برق

اختصاصی از سورنا فایل دانلود مقاله انتقال و توزیع برق دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

 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 .
پیش گفتار
توانمندی شرکتهای خصوصی برق در دو دهه آینده به طور خاص وابسته به بهبود سیستمهای قدرتشان 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 توشعه 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 نمیه 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 مودر 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 مقید 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 .

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 .
مقایسه سیستم انتقال هوایی و زیرزمینی
صرف نظر از هزینه های حریم خط انتقال ، هزینه احداث و نگهداری خطوط هوایی همواره کمتر از خطوط زیرزمینی است . در نواحی پرجمعیت به دلیل پیچیدگی مسئله حریم خطوط انتقال هزینه احداث خطوط هوایی به اندازه خطوط زیرزمینی است . ولی خطوط هوایی منبع اصلی انتقال توان نیستند . انواع کابلهای انتقال ظرفیت بالا به خصوص کابلهای زیرزمینی باید با صرف هزینه زیاد خنک شوند . خطوط هوایی به میزان کافی با هوای اطراف خود که نقش دی الکتریک نیز دارند خنک می شوند . بر خلاف هزینه کم خطوط هوایی ، به دلیل مسائل علمی ، زیست محیطی و زیبایی شناختی در آینده درصد کمتری از توان با خطوط هوایی منتقل خواهد شد . بنابراین ، به جز بهینه سازی خطوط هوایی موجود ، بیشتر توان انتقالی در آینده به صورت زیرزمینی خواهد بود .
به دلیل سادگی نصب و کم هزینگی و سهولت تعمیر ، خطوط انتقال هوایی از ابتدا تا کنون انتخاب غالب برای انتقال الکتریسیته بوده است . با این همه خطوط زیرزمینی به دلیل قابلیت اطمینان بالا کاربردهای زیادی در امریکا داشته است . اما این قابلیت اطمینان بالاتر به قیمت هزینه بالاتر به دست می آید . در خطوط هوایی احتمال وقوع خطا بیشتر است ، در عوض یافتن محل آن و تعمیر آن راحت تر است . مقایسه تعداد دفعات بروز نقص و مدت آن هزینه تعمیر خطوط هوایی و زیرزمینی مانند مقایسه سیب و پرتقال است در شرایط آب و هوایی متفاوت ؛ طبیعی است که بسته به شرایط محل یکی از این دو مناسب تر خواهد بود .
خطاهای خطوط هوایی بسته به عامل ایجاد آن از چند ثانیه تا چند روز طول می کشد . در خطوط دارای ولتاژ 138KV و کمتر ، 4 تا 6 خطا در سال هر 100 مایل باعث قطع برق می شوند . در حالت ایده آل تعداد خطاها در خطوط هوایی دارای ولتاژبالاتر ، در هر 100 مایل نباید از یک قطع برق به دلیل صاعقه و یک قطع برق به دلیل اضافه ولتاژ ناشی از کلید زنی فراتر رود . در هر دو حالت ، قطع کننده یک طرف خطا عمل می کند و خط به طور کامل از شبکه خارج نمی شود . معمولا در مورد دفعات بروز نقص و مدت زمان و هزینه آنها اطلاعات کمی منتشر می شود .
با توجه به آمار تام رونباو در EPRI در خطوط هوایی حدود 100 برابر خطوط زیرزمینی خطا رخ می دهد ، که بیشتر به دلیل بادهای شدید ، صاعقه ، و ضعیف شدن عایقها به دلیل گرد و غبار است . پخش شدن نمک در نواحی ساحلی علت عمده این خطاهاست . بیشتر اشکالات خطوط هوایی یک یا دو ثانیه طول می کشد و با محدود کننده ها و رله ها شناسایی و رفع می شوند . در خطوط زیرزمینی در هر سال در مسیری به طول 1000 مایل یک نقص رخ می دهد . این آمار در ولتاژهای بالای 138KV صادق است ، در حالی که در خطوط 46 و 69 و 155KV تعداد خطاها بیشتر است ، به دلیل اینکه کابلهای فوق یا مستقیما در زمین دفن می شوند یا با کابلهای توزیع در یک کانال قرار می گیرند . در این کابلها دفعات بروز خطا در هر سال در 500 مایل یکبار است . برای مقایسه لازم به ذکر است که در کابلهای توزیع در هر 100 مایل در هر سال یک خطا رخ می دهد .
آمار EPRI نشان داد خطوط زیرزمینی برای تعمیر به مدت زمانی بسیار بیشتر از زمان معمول یک هفته نیاز دارد و هزینه بسیار بیشتری می برد . این وضع بیشتر به دلیل سخت پیدا شدن محل خطا و نیاز به حفاری و همچنین نیاز به گروه با تجربه تعمیرات است که ممکن است در دسترس نباشد . به طور تخمینی ، هر خطای تکفاز بسته به شدت خرابی از 15000 تا 50000 دلار هزینه دارد .
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 .
با افزایش توان انتقالی تونلهای موجود انباشته یم شوند و توان تلفی نیز افزایش می یابد و نیاز به ماده پر کننده و جاذب رطوبت و سبک وزن احساس می شود . EPRI به تازگی واکس رقیقی تولید نموده که هدایت حرارت در درون خاک را یکنواخت می کند . در فصول بسیار گرم ، رطوبت داخل ماده پرکننده تبخیر می شود و فواصل هوایی باقی می گذارد که مقاومت حرارتی زیادی دارند . واکس رقیق شده درون حفره ها را پرمی کند و پلی ارتباطی برای انتقال حرارت ایجاد می کند . واکس رقیق محصول جانبی ارزان قیمت در فرایند پالایش نفت است و علاوه بر پایدار بودن ، همه جا در دسترس است . این روغن را می توان هم به صورت امولسیون و هم با حرارت دادن به ماده پر کننده افزود .
به دلیل اینکه خطوط زیرزمینی بر اثر عوامل مختلف اتلاف توان بیشتری نسبت به خطوط هوایی دارند ، ممکن است برای انتقال توان مساوی به سطح مقطعی حدود پنج برابر خطوط هوایی نیاز داشته باشند . در مجموع بسیاری از خطوط زیرزمینی تلفات کمتری نسبت به خطوط هوایی دارند . مقدار میانگین اتلاف در خط هوایی 345 کیلو ولتی در هر 100 مایل 4/4% و در خط زیرزمینی 5/3% است . ولی در 500KV اتلاف خط هوایی در هر 100 مایل 5/2% است . اتلاف خط هوایی 400 کیلو ولت DC در هر 100 مایل کمتر از 1% است .
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 .
ابررساناها تنها برای ولتاژ DC و چگالی جریان کمتر از حد معینی رسانایی بی نهایت دارند . ابررساناهای دما بالا در حالت عادی رساناهای ضعیفی اند و در هر دو حالت رسانایی حرارتی خوبی ندارند . در حالت AC ، در هر چگالی جرایان اتلاف توان در ابررسانا وجود دارد . در خطوط انتقال با کابلهای هم محور ، توان تلف شده بسیار کم است . جالب توجه اینکه این توان تلف شده با چگالی جریان نسبت عکس دارد . پس لازم است که هم در حالت AC و هم DC چگالی جریان تا حد امکان زیاد باشد . با این همه در مورد چگالی جریان ابررساناهای حجیم به اندازه دمای بحرانی آنها پیشرفت صورت نگرفته است ، زیرا ابررساناها در دمای عادی رساناهای ضعیفی اند و این مسئله استفاده آنها در مصارف فشار قوی را بیش از پیش مشکل می سازد .
حال ببینیم در آینده نزدیک ابررساناها چگونه پاسخگوی نیازهای صنعت تحویل توان خواهند بود . استفاده از خطوط ابررسانای دما پایین کاملا امکان پذیر است . ولی هنوز صرفه اقتصادی آنها مبهم است . در کاربردی اساسی مانند یک خط تغذیه ، بازده سیستم خنک کننده بسیار مهم است . به ازای هر وات تلف شده در این خط ، سیستم خنک کننده 700 وات توان مصرف می کند و در نتیجه از رقابت کنار می رود . ورشن است که هر قدر دمای بحرانی ابررسانا بالاتر باشد ، دمای کار کابل نیز بیشتر است و هزینه های خنک سازی کابل کاهش می یابد . مزیتی کوچک در دمای کار بالاتر این است که ظرفیت حرارتی کابل با توان سوم دمای مطلق متناسب است . در نتیجه ، ابررساناهای دما بالا که در دمای 77 درجه کلوین به ازای هر وات تلف شده 77 وات مصرف می کنند ، انتخاب مناسبی برای تحویل توان در برابر خطوط انتقال زیرزمینی معمول به نظر می رسند .
به مواد با نام BSCCO ( دارای فرمول Bi1/6Pb0/4Sr2Ca2Cu3O10 ) با دمای بحرانی حدود 107 درجه کلوین ابررسانای دما بالا (HTS) گویند . به دلیل انتقال حرارت و رسانایی ضعیف این مواد در دمای عادی ، اجزای ابررسانا در درون بلورهای نقره قرار داده می شوند و حجم نقره حدود 4 برابر خود ابررساناست . در عمل برای تحویل توان به کار گرفتن HTS کمترین دردسر و زحمت دارد . ( اگر چه خطوط ابررسانا دارای جریانهای زیاد و ولتاژ کم اند ، برای استفاده از آنها در سطح توزیع به دلیل هزینه زیاد تقاضایی وجود ندارد . ) . با این همه مشکلات فنی به قوت خود باقی است و ممکن است سیستم تحویل توان مطمئن تا 20 سال دیگر به واقعیت نپیوندد .
عوامل مهم و قابل ذکر در انتخاب ماده مناسب HTS ولتاژمناسب عبارت اند از : میزان شکنندگی ، اتلاف توان و چگالی جریان بحرانی . تا کنون همه موارد HTS کاملا شکننده بوده اند . حتی اگر این مواد به کشل کابل بتوانند چگالی جریان زیادی ( در حدود 105 آمپر در هر سانتی متر مربع ) را از خود عبور دهند . اتلاف توان آنقدر زیاد است که برای جبران آن باید شکل کابل را عوض کرد . در صورتی که میدان مغناطیسی که کابل هم محور می بیند میدان ناشی از جریان درون کابل است که بر آن مماس است . پس در کابل هم محور ، توان اتلافی سه فاز سه برابر میزان اتلاف مربوط به یک فاز است زیرا فازها بر هم اثر متقابل ندارند .

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله   52 صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید