توزيع برق

[javad jan]

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 .

[javad jan]

خوردگی سیم زمین و خنثی و محافظت از آن
در گذشته ، سیمهای مسی زمین و خنثی را معمولا به لوله های فلزی مدفونی که متعلق به دیگران بود متصل می کردند . اصلا جای نگرانی وجود نداشت ؛ زیرا خوردگی لوله ها به حدی کند بود که از آن صرف نظر می شد و هزینه آن را شخص صاحب لوله ها پرداخت می کرد .
ولی اکنون که این روش جایگذاری در زمین در دسترس نیست سیمهای مسی درمعرض خوردگی خوردگی قرار دارند و دلیل آن ولتاژ متناوب اعمال شده است . با جلوگیری از تبادل الکترون می توان از الکترولیز مس جلوگیری کرد .
بدون حفاظت کاتدی ، خوردگی مس به بروز شوک الکتریکی خطرناک در خدمه پست برق و همچنین مردم عادی و خراب شدن تجهیزات گران قیمت الکتریکی می انجامد . در آینده ، با افزایش سطح آگاهی و شکایات مردم لزوم کاهش خطر در این زمینه ضرورت بیشتری خواهد یافت . به دلیل افزایش استفاده از کابلهای توزیع زیرزمینی ، حفاظت کاتدی در آینده به شکل ضرورت نمایان می شود تا انتخاب معمولی .

[javad jan]

ترانسفورماتورها
ترانسفورماتورهای معمولی
ترانسفورماتورهای قدرت معمولی بازدهی بیش از 98 درصد دارند و معمولا در قابلیت اطمینان بسیار بالا بی رقیب اند . اگر 98 درصد بازده خوب باشد ، 2 درصد باقی مانده عمدتا به دلیل تلفات هسته است که در زمان بار کامل و چه در زمان بی باری کامل وجود دارند . پیشرفت جدید EPRI در ساخت هسته های نامنظم تلفات هسته را در زمان بی باری 60 تا 70 درصد کاهش داده که در نتیجه بازده کلی ترانسفورماتور در شبانه روز به بیش از 99 درصد می رسد ، زیرا تلفات هسته بیش از 50 درصد کاهش می یابد .
همواره ترانسفورماتورهای بزرگ فشار قوی که باید با حرکت روغن عایق بندی و خنک شوند مشکل زا بوده اند . در این ترانسفورماتورها روغن از میان سیم پیچها عبور می کند تا انتقال حرارت بهبود یابد و در عین حال سطح عایق افزایش یابد . حرکت روغن در ترانسفورماتور مشابه عملکرد دستگاه وان دوگراف بارهای الکتریکی را منتقل می کند . در ترانسفورماتور تجمع این بارها ایجاد ولتاژی می شود که از حد تحمل دی الکتریک عایق تجاوز می کند . قوسی که به دنبال خواهد داشت باعث از کار افتادن شدید ترانسفورماتور خواهد شد .
برای رفع این مشکل دو راه حل وجود دارد . اول اینکه رسانایی روغن را تا حدی بالا ببریم که با نشت بار الکتریکی از تجمع مقادیر زیاد بار جلوگیری شود . محدودیت این روش در ضعیف تر شدن قدرت دی الکتریکی است که همزمان با افزایش رسانایی روغن رخ می دهد . روش دیگر اضافه کردن ماده ای مانند بنزوتریازول 1 ، 2 ، 3 ، به روغن است که میزان تشکیل بارهای مجتمع را کاهش می دهد . ولی ماده فوق از رسانندگی روغن می کاهد و در نتیجه میزان نشست بار نیز کم می شود . روشهای جدید در ترکیب دو شیوه فوق نتایج امیدوارکننده ای به همراه داشته است . همزمان با کاهش میزان تولید بار قدرت دی الکتریکی ، روغن نیز در حد مطلوب نگه داشته می شود .
محفظه های مخصوص سیم پیچهای ترانسفورماتور همواره جایگزینی برای مواد قابل انفجار و اشتعال و احتمالا مایعات سمی مانند ( polychlorinated biphenyl ) PCB بوده اند . PCB بر اساس قوانین ایالتی آمریکا در دسته مواد آلاینده بسیار سمی و غیر قابل بازگشت به محیط زیست طبقه بندی شده است . در حال حاضر ، مایعات جایگزین PCB گران تر و قابل اشتعال ترند که خود ضرورت یافتن مواد جامد جایگزین را بیش از پیش آشکار می سازد . محفظه های فوق تاکنون موفقیت اندکی داشته اند . ولی استفاده از آنها دو منظوره است و باید دو کارکرد عایق بندی و خنک کردن را انجام دهند . از لحاظ عایقی باید عاری از هر
گونه حفره باشد که دلیل آن را در بخش عایق بندی کابلها بررسی کردیم . از لحاظ خنک کردن انتقال حرارت در عایقها بسیار کمتر از رساناهاست ، زیرا انتقال حرارت در دماهای عادی بسیار کندتر از انتقال الکترون است . ولی در دماهای بسیار پایین انتقال حرارت از انتقال الکترون نیز بیشتر می شود . پس برای ترانسفورماتورماتورهای دما پایین استفاده از محفظه های جامد مناسب است .

[javad jan]

ترانسفورماتورهای فشرده
در ترانسفورماتورهای انتقال و توزیع ضرورت افزایش چگالی توان لازم و مسلم است . ترانسفورماتورهای انتقال قدیمی به قدری بزرگ اند که خنک کردنشان مشکلی اساسی به شمار می رود . در سطح توزیع لازم است که توان بیشتری را با ترانسفورماتوری به ابعاد قابل نصب در تونلهای زیرزمینی انتقال داد . نسبت دورهای سیم پیچهای اولیه و ثانویه ، افزاینده یا کاهنده بودن ترانسفورماتور را معین می کند . در ترکیبی خاص تنها از یک سیم پیچ استفاده می شود که به آن اتوترانسفورماتور گویند . با حرکت یک کنتاکتور روی سیم پیچ می توان نسبت ولتاژ را تغییر داد . اصل مهمی که همه ترانسفورماتورها بر اساس آن کار می کنند این است که ولتاژ القا شده متناسب است با میزان تغییرات شار نسبت به زمان ، یعنی dq / dt و یا معادل آن ، حاصل ضرب اندوکتانس در میزان تغییرات جریان نسبت به زمان است .
دو نکته مهم از این مطلب به دست می آید . اول اینکه در فرکانسهای بالا چگالی توان افزایش می یابد اما خالی از اشکال نیست . در نتیجه ، با ترانسفورماتور کوچک تر می توان کار کرد و همان میزان dq / dt رابا شار کمتر به دست آورد . مثلا در هواپیماها از فرکانس 400 هرتز استفاده می شود . ولی این روش معایبی دارد . چون با افزایش فرکانس ، امپدانس و تلفات ترانس افزایش و توان منتقل شده کاهش می یابد . راکتانس ترانسفورماتور و در نتیجه افت ولتاژ ترانسفورماتور با فرکانس نسبت مستقیم دارد . تلفات هیسترزیس ترانسفورماتور با فرکانس و تلفات جریان گردابی با توان دوی فرکانس متناسب است .
روش دیگر ، افزایش چگالی شار است . در ترانسفورماتور معمولی با استفاده از آهن لایه لایه به عنوان هسته مقاومت مغناطیسی مدار مغناطیسی کاهش می یابد . ولی حداکثر چگالی شار ، b ، به 10000 تا 20000 گاوس ( 1 تا 2 تسلا ) به دلیل اشباع هسته آهن محدود است . در زمان اشباع هسته قادر به متمرکز کردن شار نیست . برای کاهش هزینه و اندازه ترانسفورماتور ، ترانسفورماتور در نزدیکی حد اشباع در نظر گرفته می شود تا شار مورد نظر با حداقل ماده لازم در هسته به دست آید که بالقوه مشکل زاست .
توفان خورشیدی هم به صورت دائمی و هم به صورت گذرا در حال ارسال ذرات یونیزه به فضاست ، جریان دائمی توفان خورشیدی وارد شده بر یونیسفر و میدان مغناطیسی زمین ، اثر خطرناکی بر شبکه های برق رسانی ندارد . ولی تاثیر حالت گذرای توفان بر میدان مغناطیسی زمین باعث تشکیل جریانهای گذرا در خطوط طولانی شرقی – غربی واقع در نیمکره شمالی می شود ، که به اشباع هسته و آسیب زدگی ترانسفورماتور می انجامد . این مشکلات هر 11 سال یک بار در زمان ماکزیمم شدن توفانهای فوق رخ می دهد . در صورتی که تجهیزات نزدیک شبکه به خوبی زمین نشده باشد که با کوچک ساختن ترانسفورماتورها مغایرت دارد .
استفاده از دماهای بسیار پایین روش خوبی برای کوچک ساختن است . میزان اشباع آهن از 2 تسلا در 300k به 2/2 تسلا در صفر مطلق افزایش می یابد . آهن – کبالت که به شدت فرومغناطیس است به 2/5 تسلا در صفر مطلق می رسد . خوشبختانه ، بین دمای کوری که در آن ماده خاصیت فرومغناطیس خود را از دست می دهد و میزان اشباع آن ماده ارتباطی وجود ندارد . آهن و آهن – کبالت دمای کوری بالایی در حدود 1043k و 1240k دارند . جدول 2 نشان می دهد که مواد دارای دمای کوری پایین ترین میزان اشباع بالاتری دارند .

[javad jan]

جدول 2 – مواد فرومغناطیس

نام ماده	میدان اشباع در صفر مطلق	دمای curie بر حسب کلوین
Dy	3/8	87
Ho	3/7	20
Er	¾	20
Tb	3/3	219
Gd	2/8	286-293
Fe0.65Co0/35	2/5	1240
Fe	2/2	1043
Co	1/8	1390
Ni	0/64	630

استفاده از ماده ای به نام دیسپروزیم به عنوان ماده اولیه هسته در و مواد دارای مقاومت کم مثل مس و آلومینیوم و حتی ماده شبه ابررسانایی چون باریم باید مورد بررسی قرار گیرند . قابلیت رساندن ابعاد دستگاه به بیش از نصف مقدار کنونی و چگالی توان بیشتر درون رسانا و همچنین کاهش اتلاف توان ارزش تحقیق و بررسی دارد . برخی از هزینه های تولید اکنون بسیار بالاست . در حال حاضر معلوم نیست که با افزایش تقاضای بازار تا چه حد هزینه های فوق کاهش می یابد .
نظریه ترانس ابررسانا در دمای جالب توجه نیست . زیرا تلفات توان زیاد در میدانهای شدید الکتریکی به همراه بازده پایین سیستم های خنک کننده که به ازای هر وات توان تولیدی 8 تا 10 وات توان مصرف می کننند غیر قابل قبول است . با افزایش شدت میدان که از حد اشباع هر ماده ای فراتر می رود می توان هسته ترانس را کلا حذف کرد . در اصل ، این کار با استفاده از مواد ابررسانا یا شبه ابررسانا یا مواد دارای مقاومت بسیار کم امکان پذیر است . ولی ، چنین ترانسفورماتوری با هسته هوایی دارای میدان گوشه ای بسیار زیادی خواهد بود که در عمل قابل قبول نیست . مثل تلفات القا شده در مواد رسانای مجاور و نگرانی شدید از آثار زیست محیطی ناشی از میدانهای الکترومغناطیسی . محبوس کرن میدان در محفظه ای با خاصیت مغناطیسی زیاد در فاصله ای که میدان القا شده در آن از میدان اشباع کمتر باشد نیز ابعاد و هزینه را زیاد می کند .

[javad jan]

ترانسفورماتورهای فرورزونانس
فرورزونانس مسئله پیچیده الکتریکی است که معمولا در ترانسفورماتورهای توزیع پیش می آید و به دلیل عملکرد تک فاز به وجود می آید و ترانسفورماتورهای بزرگ توزیع دچار آن نمی شوند . ترانسفورماتورهای جدید و کم تلفات بیشتر در معرض آن قرار می گیرند . این پدیده زمانی به وجود می آید که در مدار rlc ولتاژ رزونانس دو سر سلف و خازن از ولتاژ منبع تغذیه بیشتر شود . اضافه ولتاژهای ناشی از فرورزونانس 125 تا 146 درصد ولتاژ نامی اند . این اضافه ولتاژها باعث قطع شدن ترانسفورماتورها ، ادوات جنبی و حتی وسایل برقی مصرف کنندگان می شود . فرورزونانس پدیده ای آشوب مانند است و در یک مدار ، تحت شرایط مساوی ، پاسخهای مختلفی ایجاد می کند و پاسخ مدار از شکل موج غیر سینوسی به شکل موج دیگری تغییر می یابد .
یک راه جلوگیری از پدیده فرورزونانس استفاده از کلیدهای سه فاز برای قطع یا وصل ترانسفورماتورهای توزیع است . روش دیگر ، استفاده از ترانسفورماتورهای سه تایی با سیم پیچی اولیه ستاره زمین شده است . روش سوم ، استفاده از سه ترانسفورماتور تک فاز به صورت سیم پیچی اولیه ستاره زمین شده است . راه دیگر که در سیستمهای قدرت آینده به کار می رود ترانسفورماتورهای توزیع حالت جامد است .

[javad jan]

ترانسفورماتورهای حالت جامد ( SST )
در سال 1980 ، باورز و همکارانش SST ای ( Solid-State Transformer ) با قابلیت افزایش و کاهش ولتاژ ساختند . این ترانسفورماتور با روش PWM بدون استفاده از القاگرهای بزرگ ولتاژ خروجی را تنظیم می کند . درحال حاضر ، در ولتاژهای کوچک تر از 1 کیلوولت ترانسهای حالت جامد مبتنی بر فناوری کلید زنی دو طرفه قادر به تبدیل ولتاژ و تنظیم حرارت بهتر طراحی کرد به طوری که می توان آنها را در ابعاد کوچکتر و تنظیم حرارت بهتر طراحی کرد به طوری که نسبت به مولفه DC ناشی از توفانهای مغناطیسی زمین حساس نباشند . ولی در ولتاژهای بالاتر ، تلفات توان نیز چند برابر می شود و استفاده از این ترانسفورماتور برای توزیع و انتقال را غیر عملی می کند . هر قدر که ولتاژ افزایش یابد ، تلفات بیشتر می شود . هیچ دلیلی وجود ندارد که پیشرفتهای بیشتر نتواند مشکل افت ولتاژ در مسیر رفت را حل کند زیرا کلیدهای حالت جامد که قادرند ولتاژهای بیشتر از 1 کیلوولت را تحمل کنند باعث افت ولتاژ می شوند .
ترانسفورماتور حالت جامد محصول مبدلهای چاپر ولتاژ AC است که آن قطعات موج سینوسی 60 هرتزی به قطعاتی بریده شده اند و هر نیمه موج که 33/8 میلی ثانیه طول می کشد به چند تکه دیگر ، هر کدام اندکی بیشتر از یک میلی ثانیه ، تقسیم شده اند . این موج بدست آمده حاوی هارمونیک ولتاژ فرکانس پایین است . در حال حاضر مبدل کوانتومی ، تشدید سری ( QSRC:Quantum Series Resonant Coverter ) هر قطعه 833 میلی ثانیه ای را به حدود دوازده نیم موج فرکانس بالا با دامنه موج 60 هرتز تقسیم می کند . مجموع این موجهای 720 هرتزی اندکی از موج 60 هرتزی بیشتر است و در نتیجه توان انتقال یافته ، قابل توجه است . روش QSRC هارمونیک های فرکانس پایین را حذف می کند .
سیستم قطع و وصل ایده آل دوطرفه بدون توجه به وضعیت بار ، بازده را به حدود 95% می رساند . اگر اتلاف توان در ولتاژهای بالا کاهش یابد ، استفاده از SST مزایای زیادی خواهد یافت . هزینه اولیه این سیستم در حال حاضر قابل تخمین نیست ، زیرا این ترانسفورماتورها در ابعاد وسیع و انبوه تولید نمی شوند . به علاوه قابلیت اطمینان و عملکرد این ترانسفورماتورها در شرایط بحرانی نظیر اتصال کوتاه ، پارگی سیم و اضافه بار به اندازه کافی بررسی نشده است . گرچه در اوایل دهه 80 مراحل اولیه این کار از آمریکا آغاز شد . در حال حاضر بیشتر فعالیتها خارج از آمریکا انجام می شود