توزيع برق

[javad jan]

سیستمهای عامل facts
حال باید دید که چه سیستم هایی از facts استفاده کرده اند . در 1991 ، aep کلید زنی یک سری بانک خازنی را روی خط 345 کیلو ولت ویرجینیای غربی آزمایش کرد . به دنبال آن wapa سیستم مشابهی را روی خط 230 کیلو ولتی آریزونا نصب کرد که باعث افزایش توان انتقالی از 300 مگاوات به 400 مگاوات شد . اولین facts در ابعاد بزرگ روی خط 500 کیلو ولت و 2500 مگاوات واقع در اورگون در 1993 به کار رفت که سیستم خازن سری بود و با تایریستور کنترل می شد . در 1995 تی وی ای مدل های gto را معرفی کرد که قادر بودند حدود 100 مگاوات را کنترل و جریان را در زمان دلخواه قطع کنند . با این همه بسیاری از شرکت های برق در به کارگیری این فناوری محتاط عمل کرده اند و در انتظار تولید وسایلی با هزینه کمتر و قابلیت اطمینان بالاترند و از سرمایه گذاریهای کلان در این زمینه خودداری می کنند .

[javad jan]

توان الکتریکی سفارشی
در سال 2020 شرکتهای برق در زمینه توزیع انرژی الکتریکی با مشکلات فنی و تجاری مواجه خواهند شد . ماهیت روبه تغییر سیستمهای توزیع و مصرف کنندگان انرژی الکتریکی ، شرکتهای برق را وادار می کند که برای بقا در عرصه پررقابت امروزی اقدامهای متعددی انجام دهند . مشتریان خواهان خدمات مختلف و گسترده ای اند . شرکتها برای جلب رضایت مشتری و همچنین کسب سود کافی از نرم افزارهای مناسب استفاده می کنند . راهبردهای بازارهای غیر متمرکز در تحویل توان به اندازه وسایل مورد نیاز و تولید و انتقال توان سهم به سزایی دارند .
شمار رو به افزایشی از مصرف کنندگان وسایلی دارند که به کیفیت توان و بدتر از آن به قطع برق حساس اند . در آمریکا این خسارت حدود 26 میلیارد دلار در سال است . علاوه بر این ، بسیاری از این وسایل باعث اغتشاش در سیستم قدرت می شوند . تا کنون رگولاتورها فضای بازار را به نفع فورش بیشتر الکتریسیته تغییر داده اند . ممکن است با تعیین جریمه برای کیفیت بد توان یا قابلیت اطمینان مجددا چنین کاری را انجام دهند .
استفاده گسترده از کنترلها و وسایل الکترونیک قدرت هم خوب است و هم بد . جنبه خوب آن بهبود سطح کیفی است . ولی باعث اضافه ولتاژهای زیاد با خاصیت سلفی می شود که هم برای مشتریان و هم برای تولید کنندگان مشکل زا است . همچنین ، موتورهایی با بازده بالا درایوهایی با قابلیت تنظیم سرعت و سیستم روشنایی جدید که محبوبیت زیادی به دست آورده اند باعث مشکلات مضاعف شده اند .
برای رفع این مشکل مدل جدیدی از اداوات حالت جامد که در آینده نزدیک آماده می شوند ، برای بهبود کیفیت عملکرد سیستم های قدرت طراحی شده است . قطعات الکترونیک قدرت قادرند در زمانی حدود چند میکروثانیه خاموش یا روشن شوند . در صورت بروز اغتشاش در یک فاز از سیستم سه فاز با انتقال توان از فازهای سالم به فاز آسیب دیده می توان بر مشکل غلبه کرد . همچنین توان را به وسایل ذخیره انرژی انتقال داد تا وقتی که سیستم از وضعیت نامناسب خود خارج شود . وسایل تولید کننده توان راکتیو این مشکل را رفع کرد . البته ژنراتورهای ابررسانا که به حالت کندانسور کار می کنند هیچ هارمونیکی منتشر نمی سازد .

[javad jan]

خازنهای پیشرفته
وسایل قطع و وصل شونده سریع و توان بالا در قلب FACTS نهفته اند . خازنها موتورهای قوی FACTS اند . خازنهای قدیمی با کاغذ گرافیت جای خود را به خازنهای پیشرفته پلی پروپیلن (XLPE) داده اند و از آنجا که به سرمایه گذاری عظیمی محتاج اند و هزینه پستها به دلیل اندازه بزرگ آنها زیاد می شود ، مسئله طراحی خازنهایی با ابعاد کوچک ولی توان بالا و با کیفیت برتر در خور توجه است . شاید تصور کنید از زمانیکه لیدن ، خازن خود را درون پارچ طراحی کرد تا کنون پیشرفتهای زیادی در زمینه خازن انجام شده و اکنون جای زیادی برای پیشرفت نمانده است . ولی طراحی های جدیدی که در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس انجام شده نشان می دهد که ظرفیت خازنهای کوچکتیتانات سرب زیرکونیم ( PZT ) تولید شده است که 36/7j/cm³ انرژی ذخیره می کند . این رقم 183 برابر خازنهای معمولی است که فقط 0/2j/cm³ انرژی ذخیره می کنند . خازنهای فوق در طور آزمایش 100 میلیون بار با فرکانس 1000Hz پر و خالی شدند و هیچ گونه خرابی یا فرسودگی در آنها مشاهده نشد .
احتمال زیادی وجود دارد که عملکرد خارق العاده این خازنهای کوچک در ظرفیت و سطح ولتاژ بالاتر کاهش یابد . با این همه حتی اگر این ظریب 183 برابر به 10 کاهش یابد هزینه های استفاده از FACTS است . استفاده از خازنهای جبران ساز در کنار خط نیز باعث صرفه جویی زیادی می شود .

[javad jan]

عایق های الکتریکی
عایق دی الکتریک خوب باید دو خاصیت داشته باشد . اول اینکه مقاومت الکتریکی و قدرت دی الکتریکی مناسب را برای کاربرد مورد نظر داشته باشد . دوم ، از خواص حرارتی و مکانیکی مناسب برخوردار باشد . معمولا خاصیت سومی مربوط به میزان تلفات دی الکتریکی و ثابت دی الکتریک نیز مورد توجه است . در سیستمهای قدرت بسیار حیاتی است که خواص بالا در طول عمر مورد نظر و در شرایط محیط کاهش نیابند . توطیع توان به شدت به نحوه عملکرد این قطعات بستگی دارد .
هر عایقی با قدرت دی الکتریکی 40 تا 120KV/cm مناسب است . معمولا در عمل به دو دلیل از عایق هایی استفاده می کنند که قدرت الکتریکی شان به مراتب بیش از این باشد . دلیل اول اینکه قدرت دی الکتریکی با افزایش ضخامت ماده کاهش می یابد .( در بعضی موارد بیشتر و در بعضی دیگر کمتر ) .
دلیل دوم اینکه عدم یکنواختی در ساخت و مواردی نظیری ترک خوردگی و وجود حفره در زمان ساخت عایقهای بزرگ بیشتر پیش می آید . قدرت دی الکتریکی ماده میزان فشار الکتریکی است که بر روی سطح یا در درون دی الکتریک به وجود می آید . مواردی نظیر نم کشیدن و افزایش دما باعث ضعیف شدن آن می شود .
زمانی که دو دی الکتریک به صورت سری در میدان الکتریکی قرار گیرند ، فشار الکتریکی به نسبت ضرایب دی الکتریکی می یابد : E₂/E₁=K₁/K₂ . بنابراین ، میدان الکتریکی به نسبت ضرایب دی الکتریکی درون حفره معمولا ثابت دی الکتریکی واحد دارد ، 2 تا 3 برابر میدان دورن دی الکتریک است . به علاوه همان طور که در جدول 1 می بینید ، قدرت دی الکتریکی درون حفره بسیار کمتر از مقدار آن در درون عایق است . پس بیشترین فشار به نقطه ضعیف که همان حفره است وارد می گردد . روشهایی نظیر تزریق روغن که بتواند حفره ها و شکافها را پر کند باعث افزایش ثابت دی الکتریک و همچنین قدرت دی الکتریکی آنها می شود .
یک حد نظری برای قدرت دی الکتریک زمانی روی می دهد که میزان تولید حرارت که به دلیل شتاب گرفتن و برخوردهای الکترونها پیش می آید از توان حرارتی عایق فراتر رود . به دنبال آن دی الکتریک بر اثر واپاشی حرارتی از کار می افتد . سازو کارهای دیگر باعث می شوند این حد نظری زودتر از زمان پیش بینی شده روی می دهد . ولی به دلیل وجود حفره ها ، به نظر یم رسد تمام فشار به نقطه ای وارد می شود که تحمل کمتری دارد . به دست آوردن دی الکتریک با قدرتهای بالا در آینده سخت خواهد بود ، زیرا ساخت فطعات بزرگ عایق بدون وجود حفره مشکل است . حتی اگر عایقها را از ابتدا بدون حفره بسازیم ، در دمای معمولی حفره هایی در آن ظاهر می شود . بلورهای کامل در بالاتر از دماهای بسیار پایین وجود ندارند ، زیرا با کاهش انرژی درونی ماده حفره هایی در آن به وجود می آید . با کاهش ضریب ایمنی و کار کردن در حوالی حد قدرت دی الکتریک می توان قدرت آن را افزایش داد . این عمل با استفاده از عایق بندی نازک تر و به همان نسبت افزایش طول عایق امکان پذیر است .

[javad jan]

کابلهای توزیع
کابلهای کششی
کابلهای کششی تولید شده از مس یا آلومینیوم بخش اعظم سیستم های توزیع را تشکیل می دهند . این کابل ها به مواد عایق نظیر روغن نیاز ندارند که نشست و وارد شدن آن به محیط زیست مشکل آفرین باشد . در ولتاژهای 138 و 239 کیلوولت گرایش زیادی برای استفاده بیشتر از این کابل ها در سیستم های توزیع وجود داشت تا اینکه کابل های نسبتا جدید از جنیس کاغذ – پلی پروپلین – کاغذ و روغن برای ولتاژهای 115 کیلوولت تا 345 کیلوولت رایج شد . بنابراین تحقیقات گسترده ای در زمینه تولید کابل های کششی تا سطح ولتاژ 345 کیولولت آغاز شد زیرا این کابل ها در مقایسه با کابل های دارای عایق نوار سلولز با روغن فشار پایین و فشار بالا هزینه ساخت کمتری دارند و نصب و نگهداری آنها آسان تر است . ولی دشواری ساخت رشته های به هم تابیده تولید این کابل ها را در سطوح ولتاژ بالا کند کرده است . اما استفاده از آنها در ولتاژهای پایین تر چنین دشواری در پی ندارد . تولید حقیقی عایقها به شکل رشته های کشیده شده ، در کابل های که متحمل دمای کمی اند کاربرد دارد زیرا از شدت میدان الکتریکی در ضریب دی الکتریک کمی دارد جلوگیری می کند .
از سه نوع دی الکتریکی که معولا استفاده می شود پلی اتیلن اتصال عرضی در مقایسه با اتیلن پروپیلن قدرت دی الکتریک بیشتری دارد و xlpe نسبت به پلی اتیلن ارجحیت دارد زیرا پلی اتیلن زودتر از xlpe خاصیت کشسانی خود را از دست می دهد . برخی اوقات اتیلن پروپیلن به دلیل انعطاف پذیری بیشتر در نواحی سردسیر کاربرد دارد . نفوذ آب به طور خاص و نفوذ میدان الکتریکی به طور کلی همچنان مشکل زاست . مواد جدیدی که بتوانند جلوی نفوذ آب را بگیرند ، همچنین کابل های ضد آب در دست مطالعه اند . کابل ها با تزریق سیلیسیم یا مواد دیگر قادرند در مقابل نفوذ آب بهتر مقاومت می کنند . یکی از پروژه های epri مطالعه تاثیر اضافه کردن گاز فشرده sf₆ به کابل هایی است که تحت نفوذ آب قرار گرفته اند تا بتوان با این روش عمر مفید کابل ها را افزایش داد . مشکل دیگر کابل های زیرزمینی این است که به دلیل نامعلوم منفجر می شوند . یکی از روشهای رفع این مشکل عایق بندی کابل ها به طرق مختلف است که در بخش بعدی آمده است .

[javad jan]

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 ؟
عایق های پیشرفته با قدرت دی الکتریک بهتر باعث نازک تر شدن کابل های دیواری می شوند که از دو جهت مفید است . اول اینکه نازکی آنها باعث می شود از درون کانال های فعلی کابل های بیشتری عبور کنند و ظرفیت آنها افزایش یابد . به علاوه ، نازک تر شدن کابل ها باعث انعطاف پذیرتر شدن آنها می شود و کابل ها راحت تر از درون کانال ها عبور می کنند . با این همه این عمل جنبه منفی نیز دارد . در قدرت دی الکتریک بالاتر ، افت ولتاژ درون کابل تغییر نمی کند ولی میدان الکتریکی قوی تر باعث تشدید نفوذ آب و میدان الکتریکی به درون کابل می شود مگر اینکه خود ماده در برابر آن مقاوم باشد .
پلیمرهای مورد استفاده در کابل های کششی ، متیل پنتین ، پلی مید و سندیوتاکتیک پلی استیرن است . روش دیگر استفاده از پلیمرهای غیر ترموپلاستیک به صورت ورقه ای است . پلی کونیولین یا ایساریل 25 را نیز می توان به صورت ورقه ای به کار برد . به منظور بهبود خواص دی الکتریک از سیلیسیمهای قابل اتصال یا رزینهای پلی بوتادین برای پر کردن حفره های درون عایق کابل استفاده می شود . همه مواد فوق تحت آزمایشهای تسریع شده برای تعیین طول عمر عایق انجام می شود . در انتها ، باید هزینه تولید کابل کمتر از 1 تا 2 دلار به ازای هر فوت کابل است . البته خواص دی الکتریکها تفاوت اساسی ندارد ولی هزینه ساخت آنها کمتر است .
ثابت دی الکتریک به سه دلیل باید کوچک باشد . اول اینکه میدان الکتریکی در داخل حفره ها حداقل شود . دوم ، تلفات دی الکتریکی که با ثابت دی الکتریک متناسب است کاهش یابد . سوم ، ظرفیت خازنی کابل پایین بیاید و جریانهای نشتی به حداقل برسند . اگر چه مقایسه اطلاعات دی الکتریکی که به دلیل متفاوت بودن شرایط آزمایش دشوار است ، رعایت چهار مورد زیر در انتخاب ماده عایقی جدید باعث افزایش 25 درصدی ظرفیت کابل می شود :
· قدرت دی الکتریکی بیشتر از 24.10⁵V/cm ؛
· ثابت دی الکتریکی کوچک تر از 5/3 ؛
· حداکثر تلفات کمتر از 10^-3 ؛
· دمای عایق در زمان کار بیشتر از

[javad jan]

انفجارهای زیرزمینی
یافتن محل و رفع علل انفجارهای زیرزمینی در نقاط توزیع و انتقال بسیار ضروری است . این حوادث از این لحاظ اهمیت دارند که باید طوری جلوی وقوعشان را قبل از گسترش گرفت . می دانیم که در محل قوس ، هیدروکربنهای بزرگ به هیدروکربنهای کوچک شکسته می شوند که قابل انفجارند . معمولا ، به دلیل اتصالات ضعیف ، موادی نظیر پلی اتیلن و پلی پروپلن گازهای بی نظیر استیلن ، متان ، اتیلن ، پروپیلن و جز آن تولید می شوند که در محیط های بسته تولید انفجار می کنند . در نتیجه انتقال توان در آینده نزدیک دچار مشکل خواهد شد . مگر اینکه اتصالات ضعیف کاملا برطرف شوند . در بدترین حالت از عایق جدید کاملا عاری از هیدروژن استفاده می گردد . مثل تفلون ، کاپتون یا Kel-F ( جدول 1 ) .

[javad jan]

جدول 1- خواص عایق های مختلف

ماده عایقی	قدرت دی الکتریکی ( 104V/mil )	ثابت دی الکتریک	استحکام مکانیکی ( 104Ib/in2)	اشتعال پذیری
Lexan	8-16	3	8	خود – خاموش کن
Kaptan H	3-8	3	22	خود – خاموش کن
Kel-F	2-6	2-3	5	ندارد
Mylar	4-16	3	20	دارد
Parylene	6-10	2-3	10	دارد
Polyethylene	1-17	2	4-6	دارد
Teflon	1-7	2	4-5	خیلی پایین
Air(1 atm.amm)	0/1	1	0	ندارد

· قدرت اشتغال شامل مواد حاصل از قوس الکتریکی نمی شود .
· هر هزار ولت بر میلی متر برابر با چهل هزار ولت بر سانتی متر است .
· هر هزار پوند بر اینچ معادل 9/6 میلیون پاسکال است .

[javad jan]

حل مشکل انفجارهای زیرزمینی
در اجزای مختلف سیستم های تحویل توان ، گازها و مواد سمی قابل اشتعال و انفجار تولید می شود . بعد از وقوع انفجار ، تعیین نوع گاز بسیار مشکل و در مواردی غیر ممکن است . مثلا ، انفجارهای شدیدی در نقاط تقسیم و تونلهای زیرزمینی در نزدیکی درپوشهای کانال رخ داده است . حادثه ای تلخ باعث مرگ زنی گشت که در نزدیکی درپوش مشغول رانندگی بود .
مایعات ، گازها و ذرات قابل انفجار و اشتعال به روشهای مختلف به وجود می آیند . این گازها برخی اوقات به دلیل شکست بر اثر قوس الکتریکی ، هیدرولیز یا شکست بر اثر حرارت پدید می آیند . دلیل تشکیل این گازها به اندازه تشخیص حجم گاز و جلوگیری از تجمع بیش از حد آن ، در جلوگیری از این انفجارها موثر است . برای رفع این مشکل انفجار زیرزمینی روشهای زیر به کار می رود .
· جلوگیری از تجمع گازها و مواد آتش زا و نگه داشتن آن زیر حد خطرناک ؛
· علت یابی انفجار ( انفجار تصادفی بوده است یا عمدی ) ؛
· تشخیص نوع گازهای تولید شده قبل و بعد از انفجار ، اولین قدم برای جلوگیری از تکرار این وقایع .
تا زمان تحقق و بررسی روشهای فوق باید با تقویت مصالح تونلها از آثار این انفجارها کاست .

[javad jan]

یافتن محل خطا
یافتن محل خطا در سیستم پیچیده توزیع شهری کاری سخت و وقت گیر است . یکی از روشهای پر استفاده تخلیه خازن درون کابل است . افراد متخصص با استفاده از گوشیهای دقیق آوای ناشی از قوس را شناسایی می کنند . این روش به روش صوتی معروف است . از آنجا که در این روش برای یافتن محل خطا به تشکیل قوس نیاز نیاز است ، باید ولتاژ و جریان شدیدی به کابل اعمال شود که احتمالا باعث صدمه بیشتر می شود . روش دیگر روش گرادیان زمین است . منبع ولتاژ به کابل متصل می شود و سعی می کنند جریان نشتی در محل خطا را با اندازه گیری تفاوت گرادیان ولتاژ شناسایی کنند . این روش به مکانهای کوچک محدود می شود و همواره پاسخ صحیحی نمی دهد .
انتظار می رود که روش خطایابی سریع epri قطعات معیوب کابلهای توزیع زیرزمینی را بدون نیاز به جستجوی دستی بیابد و به آسانی آنها را از خود خطا محل خطا به صورت الکترونیکی مشخص می شود . احتمالا با بررسی دقیق فیلترهای فرکانس بالای تشکیل شده در محل خطا روش فوق در مورد مدارهای نسبتا پیچیده نیز پاسخگوست . اگر این روش موفقیت آمیز باشد ، به دلیل هزینه پایین در آینده برای یافتن محل خطا به کار خواهد رفت . در حال حاضر شرکت epriz&at&t در حال بررسی ورشهای جدید خطایابی فوق العاده دقیق برای شبکه های دارای اتصالات y وt اند . در این روش از زمان بندی دقیق سیگنالهای الکتریکی استفاده می شود .
خطایاب امپدانس بالا ساخت ge در حال حاضر در بازار موجود است و قادر است که خطاهای خطرناکی را شناسایی کند که در گذشته امکان شناسایی آنها وجود نداشت . این خطایاب به صورت عمده در ایستگاههای فرعی نصب می گردد و خطای کابلهای زیرزمینی و هوایی را شناسایی می کند . علاوه بر فناوری فوق رله های خطای اضافه جریان ، زمین و همچنین جریان پایین و ولتاژهای پایین نیز در محل نصب می گردند .