مقاله روشهای یخ زدایی خطوط فشار قوی خاص

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

روشهاي يخ زدايي خطوط فشار قوي خاص
چکيده
یکی از دغدغه های شرکت های برق منطقه ای در دنیا تجمع برف و یخ روی سیمهای خطوط انتقال برق در مناطق کوهستانی و برفگیر می باشد. کشورهایی چون کانادا، روسیه، چین، ژاپن، شمال اروپا ... در گیر این عامل طبیعی بوده و تهدیدی بر شبکه برق این کشورها به حساب می آید. چرا که نشست برف و یخ روی سیمها، یراق آلات و دکلهای خطوط مذکور، خاموشی های ناخواسته را در پی داشته و باعث تحمیل خسارات مالی فراوان می شود. در کشور ما نیز، بسیاری از خطوط هوایی گذرنده از مناطق کوهستانی و برفگیر، از این مشکل مستثنی نبوده و به دلیل شرایط سخت حاکم بر منطقه، مصرف کنندگان متحمل خاموشی های چندین روزه می شوند. خطوط انتقال و فوق توزیع گذرنده از مناطق کوهستانی استانهای اردبیل، کردستان، زنجان، چهارمحال و بختیاری، مازندران و حتی بخشی از خطوط کوهستانی اصفهان و ... با این مشکل درگیر بوده و در فصول سرد سال، خاموشی های ناخواسته دامنگیر خطوط مذکور بوده است. بمنظور مقابل با این پدیده در کشورهای درگیر، یکسری تحقیقات گسترده و نمونه های آزمایشگاهی به منظور یخ زدایی و جلوگیری از یخ زدگی سیمها و یراق آلات، انجام و کاربردی شده است. عمده روش های مرسوم بر سه پایه روشهای مکانیکی، گرمایی و اثرات ژولی استوار می باشد. روش های مکانیکی نسبت به روش های گرمایی و اثرات ژولی ارجهیت دارند. ولی به سبب محدودیت در دامنه کاربرد، شرکت های برق تمایل به استفاده از اثرات ژولی و گرمایی من جمله استفاده از روش اتصال کوتاه خطوط دارند. تنوع آب و هوایی در طول مسیر خطوط کشورهایی چون کانادا و سیبری یکسان بوده و استفاده از روش معمول اتصال کوتاه شرایط بهره برداری یکسانی دارد ولی تفاوت آب و هوایی برخی از خطوط انتقال و فوق توزیع موجود در ایران در یک روز یخبندان شرایط خاصی بوجود آورده و امکان استفاده از روش اتصال کوتاه بمنظور یخزدایی، شرایط خاص خود را خواهد داشت. لذا در این مقاله سعی می شود، ضمن بررسی مشکلات ناشی از نشست برف و یخ روی هادیها و یراق آلات یک خط نمونه فرضی فوق توزیع، به چگونگی طراحی و نحوه بهره برداری از آن پرداخته شود. ضمن اینکه با مدلسازی واقعی شبکه در نرم افزارهای دیگسایلنت و سیمولینک مطلب، امکان سنجی پیاده سازی روش های مبتنی بر اثرات ژولی و گرمایی با درنظر گیری تنوع دمایی و آب و هوایی حاکم بر منطقه روی خط نمونه بررسی گردد. در نهایت ضمن معرفی روش های کاربردی، پیشنهاداتی در خصوص کاهش اثرات مخرب یخ و برف برای خطوط مورد اشاره ارائه خواهد شد.

١- مقدمه
دو روش براي يخ زدايي خطوط انتقال و فوق توزيع وجود دارد که شامل روشهاي مکانيکي و گرمايي مي باشد. روش هاي مکانيکي براي شکستن يخ و تسريع در ريزش آن در خطوط انتقال و فوق توزيع کاربرد دارند. عموما اغلب روش هاي مکانيکي بر دو پايه استوارند، يکي از آنها مستقيما در شکست يخ نقش دارد و ديگري با توليد انرژي شوک ، ويبره و لرزش در سيم عمليات يخ زدايي را انجام مي دهند و در يخ زدايي سيمهاي گارد و فيبر نوري نقشي اساسي داشته و به انرژي کمتري نسبت به روش هاي گرمايي نياز دارد[١]. ولي با توجه به اينکه روش هاي گرمايي و بخصوص روش اثر ژول قابليت يخ زدايي قسمت هاي طولاني خط انتقال را داشته و همچنين نياز آنها به نيروي انساني در مقايسه با روش هاي مکانيکي کمتر است ، به اين دليل روش هاي گرمايي پرکاربردتر از روش هاي مکانيکي است . با اين وجود روش هاي مکانيکي همچنان مورد توجه برق هاي منطقه اي بوده و براي يخ زدايي قسمت هاي مهم و کوتاه شبکه برق به کار مي روند.
١-٢- انواع روشهاي مکانيکي:[٢]
١-٢-١- روش خراشيدن مستقيم يخ از روي سيمها با استفاده از :
الف - خراشنده هاي دستي مثل کشيدن طناب روي سيمها ب - استفاده از غلطک يا انبر متصل به يک طناب که توسط نيروي انساني روي سيمها کشيده مي شوند.
ج - استفاده از ربات هاي اتوماتيک ROV

١-٢-٢- روش شوک مکانيکي:
با اعمال اين روش ، شوک مکانيکي در طول سيم انتشار يافته و عمليات يخزدايي انجام مي گيرد.
روش هاي اعمال شوک به شرح ذيل مي باشد:
الف - اعمال ضربه به سيمها با ميله ي عايق . اين روش براي يخ زدايي يک اسپن موثر مي باشد.
ب - استفاده از هلي کوپتر و طناب داراي وزنه
ج - استفاده از دستگاه De-Icer Actuated Cartridge( DAC)
د- دستگاه Automatic Ice Control(AIC)
١-٣- روش هاي گرمايي
عامل اصلي اين روش در عمليات يخزدايي، گرماي داخلي هادي ها مي باشد ولي در برخي از روشهاي گرمايي از منابع خارجي نيز استفاده مي کنند. يکي از اين روش ها استفاده از تشعشع مي باشد، بخصوص امواج راديويي براي گرم کردن حدفاصل هادي و يخ .
١-٤- روش اثر ژول [٢]و[٥]
برخي از روش هاي اثرات ژولي عبارتند از:
• روش تغيير جريان بار
• روش کاهش ولتاژ، اعمال اتصال کوتاه
• روش هاديهاي با مقاومت متغير[٧]
• استفاده از ترانسفورماتورهاي ٥ PST
• استفاده از تلفات دي الکتريک
• يخ زدايي به روش HVDC
• استفاده از الکتروايمپالس
• استفاده از نيروهاي الکترومغناطيسي جريانهاي اتصال کوتاه
٢- بررسي امکان پياده سازي روش تلفات ژولي ناشي از جريان اتصال کوتاه خطوط داراي شرايط خاص
اتصال کوتاه کردن خطوط يکي از کارآمدترين روشهاي يخ زدايي در خطوط انتقال مي باشد. در اين روش پس از جدا نمودن بارهاي متصل به خط و برقراري اتصال کوتاه سه فاز در انتهاي آن ، ولتاژ کاهش يافته ٢٠ الي ٢٥% ولتاژ نامي روي خط تزريق مي شود[٢] و با عبور جريان نسبتا زياد از سيمهاي هوايي در مدت زمان مورد نياز و به دليل گرماي ايجاد شده ناشي از تلفات ژولي، يخ زدايي صورت مي پذيرد. البته براي اعمال اين روش بايد تحت کنترل باشد تا حين انجام عمليات يخ زدايي مشکلي پيش نيايد. اين روش در مناطقي چون شمال کانادا يا سيبري که کل مسير داراي دماي يکسان بوده و شرايط آب و هوايي متغيري ندارند مناسب مي باشد. ولي خطوطي وجود دارند که در طول مسير با تنوع آب و هوايي مواجه بوده و اعمال اين روش تحت شرايط خاص خواهد بود. در ايران نيز برخي خطوط گذرنده از مناطق کوهستاني داراي شرايط خاص مي باشند. مسير خط ٦٣ کيلوولت مورد مطالعه فرضي شکل ١ نمونه اي از خطوط فوق توزيع داراي شرايط خاص است که با سه ناحيه آب و هوايي درگير مي باشد.

شکل ١: نقشه تک خطي مسير

Zone1: حدفاصل پست مبدا تا ابتداي شروع ناحيه کوهستاني مي باشد که انباشت يخ در اين قسمت ناچيز فرض شده است .
Zone2: نشست يخ و برف روي هادي ها و يراق آلات اين ناحيه در فصول سرد و يخبندان شديد بوده و بخش اعظم مشکلات خط در اين ناحيه مي باشد.
Zone3: در اين بخش به دليل کاهش ارتفاع مسير و ورود خط به شرايط جوي معتدل هيچگونه انباشتي از يخ سنگين بر روي سيم محافظ و هادي وجود نداشته و داراي اختلاف دمايي برابر ١٠ الي ١٥ درجه با Zone2 مي باشد.
اگر فرض کنيم توان انتقالي خط در زمستانها در حدود ١ مگاوات باشد، جريان عبوري از سيم هادي و درجه حرارت هادي ناشي از عبور جريان با توجه به دماي محيط مسير خط در زمستان (٢٥- درجه سانتي گراد) توسط نرم افزار Ampacity به قرار زير محاسبه مي شود: [٣]

حال براساس محاسبات انجام شده ، افزايش درجه حرارت سيم هادي با عبور جريان فوق و لحاظ نمودن ساير پارامترها برابر با c١٥٤٠ خواهد بود. در نتيجه درجه حرارت هادي عبارت است از:
CONDUCTOR.TEMP2515.409.60
لذا همانطور که ملاحظه مي گردد درجه حرارت هادي در کمترين درجه حرارت محيطي بسيار پايين بوده و فاکتور مهم ريزش برف و يخ از روي هادي توسط درجه حرارت سيم هادي عملا از بين مي رود.
ضمن اينکه براي داشتن درجه حرارت c١٠ براي ذوب يخ از روي سيم هادي در درجه حرارت محيطي c٢٥- بايستي در حدود ٤٠ مگاوات (٤٠٧ آمپر) از خط انتقال داده شود که بدليل پايين بودن بار منطقه امکان پذير نيست .
٢-١- سناريوهاي اعمال اتصال کوتاه
يکي از روش هايي که توسط شرکت JME در يخ زدايي خطوط ١١٠ کيلوولت به کار رفته است ، تغذيه آنها توسط ولتاژ ٢٢ کيلوولت و اتصال کوتاه کردن انتهاي خط با يکسري تمهيدات خاص مي باشد[٩]. با اين تجربه ، هدف ايجاد اتصال کوتاه سه فاز روي خط مورد نظر براي توليد جريان يخ زدايي مي باشد. جريان اتصال کوتاه را نمي توان از طريق اتصال کوتاه نمودن ولتاژ نامي توليد نمود چرا که ممکن است صدماتي در پي داشته باشد. لذا با توجه به در دسترس بودن ولتاژ ٢٠ کيلوولت در محدوده شرکتهاي برق ايران ، از اين ولتاژ مي توان براي توليد جريان مورد نياز استفاده نمود.
در اين پروژه فرض مي شود که پست مبدا فاقد فيدر ٢٠ کيلوولت است ، براي تامين اين ولتاژ مي توان دو سناريو تعريف نمود.

٢-١-١- سناريوي١: استفاده از خطوط ٢٠ کيلوولت مجاور پستهاي ٦٣.٢٠ کيلوولت با طول کوتاه
جهت انجام اين سناريو مي توان از خطوط مجاور خط مورد مطالعه که از ساير پستهاي همجوار تغذيه مي شوند، استفاده کرد، به شرط اينکه حين اعمال اتصال کوتاه کليه مصرف کنندگان اين خط از مدار خارج شده باشند. به منظور کنترل و بهره برداري صحيح بهتر است توسط فيدراختصاصي يا فيدر رزرو موجود در پست سناريوي مذکور پياده سازي شود.
نتايج شبيه سازي سناريوي فوق به کمک نرم افزار ديگسايلنت در جدول ٦ ارائه شده است . روش چنين است که پس از ترسيم شبکه قدرت پست ٤٠٠.٢٣٠.٦٣ مبدا در نرم افزار ديگسايلنت و وارد نمودن پارامترهاي الکتريکي و اطلاعات مورد نياز شبکه و خطوط مورد مطالعه ، شبيه سازي سناريوي ١ مطابق شکل ٢ ذيل صورت مي پذيرد:

شکل ٢- نمودار تک خطي و روش پياده سازي سناريوي ١
الف – ابتدا بريکرهاي طرفين خط مورد مطالعه CB١ و CB٢ قطع و کليه سکسيونرهاي طرفين خط باز شوند. ضمنا با بستن سکسيونر ارت سمت خط در پست مقصد، اتصال کوتاه سه فاز به هم برقرار مي گردد.
ب - ارتباطات الکتريکي خط ٢٠ کيلوولت اختصاصي مربوط به پست مجاور به ابتداي خط ٦٣ کيلوولت پست مبدا برقرار مي شود. هادي پيشنهادي اين خط سيم هاينا بوده ضمن اينکه مي توان از يک خط اختصاصي با هادي لينکس نيز استفاده نمود. طول اين خط با سيم هاينا تا ابتداي خط ٦٣ کيلوولت ٥ کيلومتر با مشخصات الکتريکي جدول ٤ فرض شده است :

طول خط ٦٣ کيلوولت نيز ٤٥ کيلومتر با مشخصات جدول ٥ قابل مشاهده مي باشد.

در اين سيستم کليه خروجي هاي ٢٠ کيلوولت روي يک ترانسفورماتور
٦٣.٢٠ منتقل و يک ترانسفورماتور قدرت مستقل بار مورد نياز خط مذکور را تا زمان اتمام عمليات يخ زدايي تامين خواهد نمود.
با وصل کليد CB٣ و تغذيه خط از طريق فيدر اختصاصي و اعمال اتصال کوتاه در انتهاي مدار خط مذکور، جريان اتصال کوتاه ٦٥٠ آمپر توليد مي شود. نتايج حاصله در خروجي نرم افزار ديگسايلنت در جدول ٦ ارائه شده است .