متن موزیک و معدنی

انتقال انرژی الکتریکی و خطوط انتقال • مرجع معدن

امام حسین (ع) : بخشنده ترین مردم کسی است که در هنگام قدرت می بخشد.
یکشنبه ۱ بهمن ۱۳۹۶

انتقال انرژی الکتریکی و خطوط انتقال

دسته بندی : معدنی تاریخ : پنج شنبه ۹ شهریور ۱۳۹۶

انتقال انرژی الکتریکی:

فرآیند جابجایی توان الکتریکی را انتقال انرژی الکتریکی گویند. این فرآیند معمولاً شامل انتقال انرژی الکتریکی از مولد یا تولید کننده به پستهای توزیع نزدیک منطقهها یا مراکز تجمع صنایع اســـــت و از این پس یعنی تحویل انرژی الکتریکی به مصرف کننده‌ها در محدوده توزیع انرژی الکتریکی اســـــت. انتقال انرژی الکتریکی به ما اجازه میدهد تا به سادگی و بدون پذیرفتن هزینه حمل سوختها و همچنین جدای از آلودگی تولید انجام گرفته از سوختن سوختها در نیروگاه، از انرژی الکتریکی بهره بگیریم. حال آنکه در زیادی موارد انتقال منابع انرژی مانند باد یا آب سدها غیر ممکن اســـــت و تنها راه ممکن انتقال انرژی الکتریکی اســـــت.

به علت زیاد بودن میزان توان ، ترانسفورماتورها کمازیاد در ولتاژهای بالایی کار میکنند(۱۱۰ کیلوولت یا افزایش). انرژی الکتریکی معمولاً در فواصل دراز به وسیله خطوط هوایی انتقال مییابد. از خطوط زیر زمینی فقط در مناطق پر جمعیت منطقهی اســـــتفاده میشود و این به دلیل هزینه بالای راهاندازی و نگهداری و همچنین تولید توان راکتیو اضافی در این گونه خطوط اســـــت.

امروزه خطوط انتقال ولتاژ، افزایش شامل خطوطی با ولتاژ بلاتر از ۱۱۰ کیلوولت می‌شوند. ولتاژهای کاهش، نظیر ۳۳ یا ۶۶ کیلوولت به ندرت و برای تغذیه بارهای روشنایی در راههای طولانی مورد اســـــتفاده قرار می‌گیرند. ولتاژهای کاهش از ۳۳ کیلوولت معمولاً برای توزیع انرژی الکتریکی مورد اســـــتفاده قرار می‌گیرند. از ولتاژهای افزایش از ۲۳۰ کیلوولت با نام “ولتاژهای زیاد بالاً (extra high voltage) یاد می‌شود دلیل که افزایش تجهیزات مورد نیاز در این ولتاژها با تجهیزات ولتاژ پایین تکمیلاً متفاوتند.

تاریخچه:

سال‌ها پیش یعنی در سال‌های آغازین بهره گیری از انرژی الکتریکی، انتقال توان با همان ولتاژمصرف کننده‌ها انجام می‌گرفت و این به دلیل اســـــتفاده از توان الکتریکی به صورت DC بود، دلیل که در آن زمان هیچ راهی برای افزایش ولتاژ DC وجود نداشت و از آنجا که انواع مختلف مصرف کنندهها مثل لامپها یا موتورها نیازمند ولتاژهای مختلفی بودند برای هر یک باید از ژنراتوری جداگانه اســـــتفاده میانجام گرفت که این خود امکان اســـــتفاده از یک شبکه بزرگ برای تغذیه کلیه مصرف کننده‌ها را از بین می‌برد.

در جلسه گروه AIEE در ۱۶ می‌۱۸۸۸ نیکولا تسلا مقالهای را با نام «سیستم جدید موتورها و ترانسفورماتورهای متناوب» ارایه انجام و به بیان مزایای اســـــتفاده از این سیستم پرداخت. مدتی بعد شرکت «وستینگ هوس» پیشنهاد ساخت نخستین سیستم جریان متناوب را داد.

با اســـــتفاده از ترانسفورماتور امکان اتصال مولدها به خطوط انتقال ولتاژ بالا و همچنین امکان اتصال خطوط ولتاژ بالا به شبکههای محلی توزیع فراهم انجام گرفت. با انتخاب فرکانسی معقول امکان تغذیه انواع بارها از جمله روشناییها و موتورها ایجاد میانجام گرفت. مبدل‌های گردان و بعدها لامپهای قوس جیوه و دیگر یکسو کنندههای جریان امکان اتصال مصرف کنندههای DC را با اســـــتفاده از یک نوع یکسو ساز به شبکه مهیا می‌ساختند. حتی مصرف کنندههای با فرکانسهای متفاوت هم میتوانستند با اســـــتفاده از مبدل‌های گردان به شبکه متصل شوند. با اســـــتفاده از نیروگاههای متمرکز برای تولید برق همچنین امکان صرفهجویی به وسیله تولید انبوه فراهم انجام گرفت و ضریب بار در هر نیروگاه امکان تولید با راندمان بالاتر را نیز ایجاد انجام به طوریکه امکان اســـــتفاده از برق با قیمت کاهشی برای مصرف کنندهها فراهم انجام گرفت. بدین ترتیب امکان به وجود آمدن یک شبکه بزرگ برای تغذیه انواع مختلفی از مصرف کننده‌ها پدید آمد.

با اســـــتفاده از نیروگاههای تعداد برابر بزرگ‌تر که به ناحیه بزرگی اتصال داده انجام گرفته بودند، قیمت پایان انجام گرفته تولید برق کاهش یافت و امکان اســـــتفاده از نیروگاههای با راندمان بالاتر فراهم انجام گرفت که میتوانستند بارهای مختلف را تغذیه کنند. همچنین بدین ترتیب ثبات تولید برق افزایش پیدا انجام و هزینه سرمایه گذاری در این بخش کاهش یافت و در نهایت امکان اســـــتفاده از منابع انرژی دور افتاده مثل نیروگاههای هیدروالکتریک و یا زغال سنگ معادن دور دست، بدون نیاز به پرداخت هزینه حمل و نقل سوختها فراهم انجام گرفت.

در خطوط انتقال ابتدایی از مقره‌های «pin-and-sleeve» اســـــتفاده می‌انجام گرفت. این مقره‌ها شبیه مقره‌هایی هستند که امروزه برای خطوط تلفن هوایی مورد اســـــتفاده قرار می‌گیرد. اســـــتفاده از این مقره‌ها دارای محدودیت بود دلیلکه تا ولتاژ ۴۰ کیلوولت قابل اســـــتفاده بودند. در سال ۱۹۰۷ ابداع مقره‌های بشقابی به وسیله هارولد باک (Harold W. Buck) از شرکت «Niagara Falls Power» امکان اســـــتفاده از مقره‌ها در ولتاژهای بالاتر را هم فراهم آورد به طوری که نخستین خط انتقال برای مقادیر بالای انرژی الکتریکی در ایالات متحده بین نیروگاه هیدروالکتریک آبشار نیاگارا و «بافالو» در نیویورک به وجود آمد. هم اکنون تندیس نیکولا تسلا برای قدردانی از همکاری او در راه انتقال انرژی الکتریکی در کنار آبشار نیاگارا قرار دارد.

در طول قرن بیستم ولتاژ انتقال رفته رفته افزایش یافت. در سال ۱۹۱۴ پنجاه پنج خط انتقال با ولتاژ زیاد از ۷۰ کیلوولت درحال اســـــتفاده بودند که در این میان افزایشین ولتاژ انتقال ۱۵۰ کیلوولت بود. نخستین خط انتقال سه فاز نیز با ولتاژ ۱۱۰ کیلو در آلمان بین لاچهامر و ریزا در سال ۱۹۱۲ راه‌اندازی انجام گرفت. در هفدهم آوریل ۱۹۲۹ نخستین خط انتقال ۲۲۰ کیلوولت در آلمان به بهره‌برداری رسید که در راهش از نزدیکی چهار منطقه عبور می‌انجام. در این خط دکل‌ها برای افزایش ولتاژ احتمالی تا ۳۸۰ کیلو ولت ساخته انجام گرفته بودند. نخستین خط انتقال ۳۸۰ کیلوولت در سال ۱۹۵۷ ساخته انجام گرفت، ده سال بعد یعنی در سال ۱۹۶۷ نخستین خط انتقال با ولتاژ زیاد بالای ۷۳۵ کیلوولت ساخته انجام گرفت. در نهایت در سال ۱۹۸۲ در اتحاد جماهیر شوروی خط انتقالی با ولتاژ ۱۲۰۰ کیلوولت ساخته انجام گرفت؛ این ولتاژ افزایشین ولتاژ مورد اســـــتفاده قرار گرفته در خطوط انتقال در جهان اســـــت. علت اســـــتفاده از چنین ولتاژ در شوروی پهناور بودن این کشور نسبت به تراکم منطقهها بود.

شتاب بالای صنعتی انجام گرفتن در قرن بیستم به سرعت انرژی الکتریکی را به یکی از زیر بناهای حیاتی اقتصادی در کشورهای صنعتی بدل انجام. بدین گونه ژنراتورهای محلی و شبکه‌های کوچک توزیع به سرعت جای خود را به شبکه‌های بزرگ تولید و انتقال انرژی دادند. با آغاز جنگ جهانی نخست به شتاب این تغییرات افزوده انجام گرفته و دولت‌ها به سرعت شروع به ساخت نیروگاه‌های بزرگ برای تولید انرژی الکتریکی مورد نیاز در کارخانه‌های اسلحه سازی انجامند. بعدها از این نیروگاه‌ها برای تغذیه مصرف کننده‌های منطقهی اســـــتفاده انجام گرفت.

انتقال انرژی در مقیاس‌های کلان:

مهندسین طراح خطوط انتقال در محاسبات مربوط به طراحی این خطوط، میزان توان انتقال یافته را تا جای ممکن افزایش می‌دهند، به صورت حتم ملاحظات و محدودیت‌هایی نیز مانند ایمنی شبکه، امکان گسترش شبکه، محدودیت‌های مربوط به راه و… در طراحی شبکه‌ها مدنظر قرار داده می‌شود.

راندمان خطوط انتقال با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد، دلیلکه این کار باعث کاهش یافتن جریان می‌شود. در انتقال توان با مقیاس زیاد راندمان دارای اهمیت زیاد بالایی اســـــت و تلفات افزایش از اســـــتاندارد می‌تواند خسارت زیادی به یک شبکه وارد انجامه و یا حتی اسفاده از آن را غیر اقتصادی کند و این اهمیت محاسبات و اســـــتانداردهای مربوط به تلفات را افزایش می‌دهد. بنابر این تلفات خطوط انتقال از پارامترهای اصلی محاسبات شبکه هستند.

به طور کلی شبکه انرژی الکتریکی از نیروگاه یا تولیدکننده، مدار یا شبکه انتقال و پست‌های تغییر ولتاژ تشکیل انجام گرفته‌اســـــت. انرژی معمولاً در طول خطوط انتقال به صورت سه فاز AC جابه‌جا می‌شود. اســـــتفاده از جریان DC برای انتقال نیازمند تجهیزات پرهزینه برای تبدیل نوع جریان اســـــت. به صورت حتم اســـــتفاده از این تجهیزات برای بعضی طرح‌های بزرگ قابل توجیه‌اســـــت. اســـــتفاده از انرژی الکتریکی به صورت تک فاز AC تنها در توزیع به مصرف کننده‌های خانگی و اداری کاربرد دارد دلیلکه در صنایع به دلیل اســـــتفاده از موتورهای سه فاز اســـــتفاده از انرژی الکتریکی به صورت سه فاز به‌صرفه‌تر اســـــت. به صورت حتم اســـــتفاده از سیستم‌های با افزایش از سه فاز نیز برای برخی کاربردهای خاص رایج اســـــت.

توان ورودی شبکه:

در نیروگاه‌ها توان الکتریکی با ولتاژ نسبتاً کمی (در نهایت ۳۰ کیلوولت) تولید می‌شود و سپس به وسیله ترانسفورماتورهای پست قدرت با توجه به طول راه و دیگر ملاحظات شبکه تا ولتاژی بین ۱۱۵ تا ۷۶۵ کیلوولت (در ایران این ولتاژ معمولاً ۴۰۰ کیلو ولت اســـــت) افزایش می‌یابد تا امکان انتقال آن در طول راههای طولانی فراهم شود.

خروجی شبکه انتقال:

با نزدیک انجام گرفتن خطوط انتقال به منطقهها و مراکز تجمع جمعیت برای ایجاد ایمنی، ولتاژ در تعداد مرحله کاهش می‌یابد. مراحل کاهش یافتن ولتاژ در شبکه‌های اســـــتاندارد ایران به ترتیب از kV۲۳۰/۴۰۰، kV۱۳۲/۲۳۰، kV۶۳/۱۳۲ و kV۲۰/۶۳ اســـــت. در مرحله نهایی یا مرحله توزیع ترانسفورماتورهای توزیع ولتاژ را از kV۲۰ به برق مصرفی یا ۲۳۱/۴۰۰ ولت کاهش می‌دهند. در دیگر کشورها نیز ولتاژ مصرف‌کننده‌ها بین ۱۰۰ تا ۶۰۰ ولت اســـــت.

محدودیت‌ها:

مقدار توان قابل انتقال در یک خط انتقال یک مقدار محدود اســـــت و این محدودیت به ویژه با توجه به طول خط انتقال تغییر می‌کند. برای یک خط انتقال کوتاه حرارت تولید انجام گرفته بر اثر عبور جریان محدودیتی را ایجاد می‌کند دلیل که هرچه حرارت سیم‌ها افزایش شود افزایش خم می‌شوند و افزایش به زمین نزدیک می‌شوند که این نزدیکی به زمین در نهایت می‌تواند خطر آفرین شود همچنین ممکن اســـــت هادی‌ها بر اثر عبور جریان بالا ذوب شوند.

برای خطوط انتقال با طول متوسط (حدود ۱۰۰ کیلومتر) محدودیت افزایش در رابطه با میزان افت ولتاژ در طول خط اســـــت و در خطوط انتقال طولانی حیاتیترین مسئله حفظ ثبات در شبکه‌اســـــت. زاویه بین فازها در یک سیستم سه فاز مقادیری ثابت اســـــت که تغییر زیاد از حد آن در قسمتی از شبکه می‌تواند به بی‌ثباتی در کل شبکه الکتریکی بیانجامد و در طول خطوط انتقال زیاد طولانی اختلاف فاز با توجه به توان و تولید شبکه تغییر می‌کند و این نکته موجب محدودیت در میزان جریان قابل انتقال در یک خط طولانی انتقال خواهد انجام گرفت. برای بهبود ضریب توان در طول خطوط انتقال از تجهیزات ابداًح ضریب توان مانند خاخانوم‌ها اســـــتفاده می‌شود. در خطوط انتقال HVDC محدودیتی در رابطه با ضریب توان خط وجود ندارد و تنها محدودیت مربوط به افت ولتاژ و تلفات ژولی خط می‌شود.

HVDC

انتقال با جریان مستقیم یا HVDC برای انتقال انرژی الکتریکی در مقیاس‌های زیاد بزرگ و در طول راههای طولانی یا برای اتصال دو شبکه ناهماهنگ AC مورد اســـــتفاده قرار می‌گیرد. زمانی که انتقال انرژی الکتریکی باید در راههای طولانی صورت گیرد، انتقال به صورت DC به علت کاهش بودن تلفات اقتصادی‌تر اســـــت. در این حالت کاهش تلفات و هزینه‌های مربوط به آن می‌تواند هزینه تبدیل انرژی الکتریکی از AC به DC را جبران کند.

از دیگر مزایای اســـــتفاده از با ثبات انجامن دو شبکه اتصال AC متفاوت اســـــت. در صورتی که دو شبکه AC متفاوت برای مثال متعلق به دو کشور متفاوت به هم اتصال پیدا می‌کنند به علت ناهماهنگی شبکه‌ها ممکن اســـــت این اتصال با مشکلاتی نظیر ایجاد بی ثباتی در شبکه همراه باانجام گرفت اما با اســـــتفاده از سیستم اچ‌وی‌دی‌سی این مشکل بر طرف خواهد انجام گرفت، بدین ترتیب که در کشور فروشنده انرژی، انرژی الکتریکی به صورت DC درآمده و پس از طی راه انتقال در کشور مصرف کننده مجدد به صورت AC بازمی‌گردد.

خط انتقال هوایی:

خط انتقال هوایی نوعی از خط انتقال اســـــت که در آن از دکل‌ها و تیرها برای نگه داشتن کابل‌ها بالای سطح زمین اســـــتفاده می‌شود. از انجایی که در این گونه خطوط از هوا به عنوان عایق کابل‌ها اســـــتفاده می‌شود این روش انتقال یکی از کم هزینه‌ترین و رایج‌ترین روش‌های انتقال اســـــت. دکل‌ها و تیرهایی که برای نگهداشتن کابل‌ها اســـــتفاده می‌شود می‌توانند از جنس چوب، فولاد، بتون، آلمینیوم و در برخی موارد پلاســـــتیک مسلح باشند. به طور کلی کابل‌ها مورد اســـــتفاده در خطوط هوایی از جنس آلمینیوم هستند (که به صورت حتم با نواری از فولاد در داخل مسلح انجام گرفته‌اند). از کابل‌های مسی در برخی خطوط انتقال ولتاژ متوسط و ولتاژ پایین و محل اتصال به مصرف‌کننده اســـــتفاده می‌شود