بخشی از مقاله
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 م
س 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 .
در طراحی کابل به شکل غیر هم محور ، به دلیل اثر مقابل فازها برهم ، توان تلف شده بسیار بیشتر از سه برابر توان تلف شده در یک فاز است . قسمتهای ابررسانای درون نوار دور کابل به تلفات اضافه می کنند . حتی اگر کابلها به شکل هم محور باشند . میدان مغناطیسی و جریان گردابی زیادی درون روکش نقره
ای ایجاد می کنند ، زیرا ابررساناها روکش نقره ای را در برابر میدان مغناطیسی حفاظت نمی کنند . رساناهای تابیده شده بیشتر از رساناهای معمولی و صاف توان تلف می کنند . استفاده از تعداد زیادی ابررسانا یک مزیت کوچک و یک اشکال بزرگ به همراه دارد . مزیت آن این است که در صورت خرابی ابررسانا جریان از مسیرهای متعددی راه عبور دارد . ولی در عوض جریان گردابی بیشتری نیز تولید می شود . در صورت حضور دو یا تعداد بیشتری از ابررساناها ، جریان گردابی در صورت عبور از نوار نقره ای توان بسیار کمتری تلف می کند زیرا مقاومت آن محدود می کند . استفاده از چند ابررسانا برای ولتاژDC مناسب است نه برای AC . زیرا اجرای این طرح اولیه که با هدف کاهش اتلاف توان طراحی شده است بسیار مشکل خواهد بود به خصوص که بخواهیم با آن توان بیشتری نسبت به کابلهای معمولی منتقل کنیم .
برخلاف ضعفهای بسیار کابلهای غیر هم محور ، طرح آنها یک مزیت دارد . عایق آنها در دمای محیط قرار دارد . این واقعیت ، نصب انشعابات در مسیر خط را آسان می کند . ولی مشکل اتلاق توان بالای آن است که استفاده از آن را محدود می کند . کابل کشی سه فاز ابررسانای در درون لوله ها مشکل است به خصوص در محل انحنای لوله .
باید تحقیقات زیادی صرف نمونه های اولیه شود . ولی تا زمانی که مزیت ابررساناهای نسبت به کابلهای معمولی به ثبات نرسیده شروع این تحقیقات غیر ضروری به نظر می رسد .
در صورتیکه تنها کاهش تلفات مورد نظر باشد ، با کابلهای معمولی نیز امکان پذیر است زیرا با افزایش ولتاژ یا تعداد رساناها یا خطوط تلفات کاهش می یابند . ولی چگالی توان ، قابلیت اطمینان و هزینه تمام شده اولویت دارند . بنابراین ابررسانا باید به همان میزان که پیچیده تر می شود مطمئن تر نیز باشد و در عین حالی گران تر از کابلهای موجود نباشد ، دارای چگالی توان بیشتر و حتی اتلاف توان بیشتری دارد ولی لزوما دارای تلفات کمتر نیست . در حالی که خطوط کم مقاومت که درباره آن بحث خواهیم کرد بسیار ارزان است .
توزیع توان با خطوط کم مقاومت
خطوط رایج کم مقاومت
رسانایی الکتریکی با تعداد مسیرهای آزاد عبور الکترون در رسانا متناسب است که با کاهش دما به دلیل کاهش بی نظمی الکترونها افزایش می یابد . در طی رسیدن از دمای 300 درجه کلوین به 77 درجه کلوین تعداد مسیرهای عبور الکترونها در بیشتر مواد 10 برابر می شود . که تقریبا به میزان ناخالصی و دیگر اشکالات ساختار ماده بستگی ندارد . ( البته در ادامه خواهیم دید که یک استثنا نیز وجود دارد .) . نیتروژن مایع که در 77 درجه کلوین به جوش می آید خنک کننده سیستم های تحویل توان HTSL و سیستم های کم مقاومت است .
