شبکه توزیع برق
مقدمه مقاله
در دهه ۶۰ ظرفیت تولید انرژی الکتریسیته در آمریکا تقریبا دو برابر شد و میزان ۱۷۵GW به ۳۲۵GW رسید ( هر گیگاوات معادل ۱۰۹ وات است . ) پس میزان در سال ۱۹۷۴ به ۴۷۴GW و تا سال ۱۹۸۰ به ۶۰۰GW رسیده بود . در پایان سال ۱۹۹۳ ، از ۷۰۰GW نیز گذشت . پیش بینی می شود که تا سال ۲۰۱۰ تولید باید به میزان ۲۱۰GW افزایش یابد که در نتیجه میزان مصرف برق آمریکا به یک TW می رسد ( هر تراوات ۱۰۱۲ وات است . ) . تنها ۲۰% 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 گذاری های 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 ۱۹۷۴ ، مصرف الکتریسیته در آمریکا و غرب اروپا در مدت نزیدک به ۱۰ سال دو برابر شد که به معنی رشد سالانه ۷% است . تا چند سال بعد از ۱۹۷۴ ، عوامل متعددی این میزان رشد را به ۳% کاهش داد . در حال حاضر ، میانگین رشد مصرف خانگی در حدود ۲% است . تا سال ۲۰۳۰ این میزان رشد در صورت افزایش مصرف از ۳۰% فعلی به ۵۰% 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 .
پیشگفتار
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 ابر رسانا 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 ۲۰۲۰ 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 ۳۵kv صرف می شد ، خطوط با ولتاژ کمتر از یا مساوی با ۳۵kv قیمتی حدود ۱ تا ۲ دلار به ازای هر فوت ( ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ 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 ۲۰ تا ۲۵ 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 . ویژگی های 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 ۳/۱ مس و چگالی آن ۹/۱ مس و عدد مورد بحث برای آن ۳ 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 ۱MVA و ۱۰KV در دهه ۱۹۰۰ به ۱۵۰۰MVA و ۲۵KV تغییر کرده اند . با افزایش ظرفیت ژنراتورها و نیروگاه ها 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 ۱۰KV به ۷۶۵KV 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 ۱MVA به بیش از ۱۵۰۰MVA 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 زیر زمینی 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 ۱۳۸KV و کمتر ، ۴ تا ۶ خطا در سال هر ۱۰۰ مایل باعث قطع برق می شوند . در حالت ایده آل تعداد خطاها در خطوط هوایی دارای ولتاژبالاتر ، در هر ۱۰۰ 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 ۱۰۰ برابر خطوط زیر زمینی 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 ۱۰۰۰ مایل یک نقص رخ می دهد . این آمار در ولتاژهای بالای ۱۳۸KV صادق است ، در حالی که در خطوط ۴۶ و ۶۹ و ۱۵۵KV 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 ۵۰۰ مایل یکبار است . برای مقایسه لازم به ذکر است که در کابلهای توزیع در هر ۱۰۰ مایل در هر سال یک خطا رخ می دهد . و…………