بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقايسه فني و اقتصادي کابل هاي ابررسانا (HTS) و کابل هاي معمولي (XLPE) در شبکه هاي توزيع برق
چکيده
پيشـرفتهاي تکنيکـي و اقتصـادي در انتقـال و توزيـع قـدرت الکتريکي مرهون توسعه فن آوريهاي نـو مـي باشـد. در حـال حاضر با ظهور ابررساناهاي دماي بالا انتظار مي رود کـه ايـن بخش از صنعت با تحولي عظيم روبرو شود. با رشد روزافزون مصرف الکتريسيته و محدوديتهاي مختلفي که در توليد، انتقال و توزيع الکتريکي وجـود دارد بايـد راههـاي جديـد را بـراي روبرويي يا افزايش مصرف جستجو کرد، يکـي از ايـن راههـا مي تواند جانشـين کـردن کابلهـاي HTS بـه جـاي کابلهـاي معمولي باشد که با اندازه و فضاي مشابه ، قدرت انتقالي را تـا چند برابر افزايش (٢ تا ٥ برابر بيشتر) و نيز تلفات را به طـور قابل ملاحظه اي کاهش ميدهد اگرکابلهاي ابررسانا(HTS) بـه لحاظ اقتصادي با صرفه باشند، ميتوانند نقش مهمـي در تـامين انرژي الکتريکي مراکز پرجمعيت داشته باشند. هـدف از ارايـه اين مقاله ، ضمن معرفي انواع کابل هاي ابررسـانا، بـه بررسـي فني و اقتصادي جايگزيني آنها با کابلهاي XLPE دردو فيـدر واقعي شبکه ٢٠ کيلو ولت در محيط پژوهش شهرستان اروميه با توجه به وضعيت فعلي و با در نظر گرفتن رشد بار آينده بـا انجام شبيه سازي پخش بار ودر نهايت ، نسبت به مقايسه نتايج حاصل از شبيه سازي (تلفات تـوان و انـرژي ، افـت ولتـاژ) و بررسي اقتصادي پرداخته است .
١- مقدمه
امروزه فن آوري ابررسانا به طور وسيعي در حال گسترش اسـت .
اين فن آوري پتانسـيل هـاي بـالايي دارد کـه مـي توانـد تغييـرات شديدي را در ميادين وابسته به آن ايجاد کنـد. صـرفه جـويي در مصرف انرژي ، يکي از مهم ترين نيازهاي کشورهاي صنعتي بوده و بودجه هاي زيادي صرف تحقيقات در زمينه کشف راه هاي تازه و موثرتر براي يافتن انرژي هاي ارزان و با ريسک کمتر مي شـود.
برپايه اين پديده ، بارهاي الکتريکي مي توانند بدون تلفات گرمايي از يک رسانا عبور کنند. بنابراين ابررسانايي با نقشي که مي توانـد در زمينه صرفه جويي در توليد و انتقال انـرژي الکتريکـي بـازي کند، در آينده بشر نقشي اساسي خواهد داشت و به همـين دليـل در سالهاي اخير بيش از ده هزار پژوهشگر با صرف هزينـه هـاي زياد، تحقيقات خود را روي موضوع ابررسانايي و کاربردهاي آن در علوم مختلف متمرکز ساخته اند. لذا در نظام برنامه ريـزي لازم ديديم تا با انجام مراحل پيش بيني و آينده نگـري و تنظـيم برنامـه جهت توسعه و اصلاح شـبکه توزيـع بـا اسـتفاده از جـايگزيني تکنولوژيهاي کابل ابررسانا و شبيه سازي واقعي در دو فيدر نمونه شهرستان اروميه اقدام ونسبت به مقايسه فني واقتصادي بپردازيم .
٢- ابررسانا
ابررسانا هدايت کننده کامل الکتريسيته هستند زماني کـه زيـر يک دماي بحراني سرد شـوند، همـه مقاومتشـان را در مقابـل عبورجريان الکتريکي از دست مي دهند، ويـک افـزايش قابـل توجــه در چگــالي ســيمهاي ابــررســانا ايجــاد مــي شــود.
کابلهاي ابررسانا کابلهـايي هسـتند کـه مقـدار زيـادي جريـان الکتريکــي را حمــل ميکنــد. در ســاختمان کابــل ابررســانا از تکنيکها و تجهيزاتي بـراي ايجـاد حفـره در اطـراف سـيمهاي ابررسانا استفاده مي کنند و نيتروژن مايع در بـين حفـره بـراي سرد کردن مواد ابررسانا، جاري ميشود اين باعـث ميشـود تـا کابلهاي ابررسانا در انتقال جريـان نسـبت بـه کابلهـاي مسـي معمولي از اهميت بيشتري برخوردار باشند.
يک کاربرد خوش آتيه اي که بـراي کابلهـاي ابررسـانا فـراهم خواهد شد، ايجاد بزرگراه الکتريکي با ظرفيـت بـالا و انتقـال انرژي الکتريکي با ولتاژ بالا مي باشد. بـازار توليـد بـه سـمت منافع بيشتر، افزايش تقاضا براي انرژي الکتريکي ، بزرگراههاي الکتريکي بهتر و کابلهاي با ظرفيـت بـالاتر حرکـت مـي کنـد.
کاربرد مفيد ديگري که در آينده براي کابلهاي ابررسانا خواهد بود، توزيع انرژي زياد است .امروزه افزايش دادن توليد انـرژي در منطقه شهري باعث نصب کابلهـا و تجهيـزات در پسـتهاي جديد ميشود. با توجه به احتياجات جدي و شرايط نـامسـاعد پستهاي جديد مناطق شهري ، يک کابل ابررسانا قادر به انتقـال قدرتي يکسان با ولتاژ ثابت بوده که نياز به داشتن يـک پسـت جديد نخواهد بود.
٣- انواع کابل هاي ابررسانا
کابل هاي ابررسانا بايد سرد شوند تـا دمـاي لازم بـراي فعـال شدن و کارآيي را بدست بياورند و اين دما باعث تفکيک ايـن کابل ها بشرح زير شده است .
١- کابل هاي ابررساناي دماي پـايين LTS: دمـاي لازم بـراي ابررسانا شدن اين کابلها، ٨ درجـه کلـوين مـي باشـد بنـابراين دماي بهره برداري پايين کابل هاي LTS باعث افـزايش هزينـه خنک سازي شده و با توسعه کابل هاي ابررسـانا کـه منجـر بـه کشف وتوليد کابل هاي ابررساناي دماي بالا HTS شده است .
٢- کابـل هـاي ابرسـاناي دمـاي بـالا HTS: دمـاي لازم بـراي ابررسانا شدن ٦٥ درجه کلوين بوده که از نظر دي الکتريک به صورت هاي متفاوت ساخته مي شوند.
٣-١- انواع کابل HTS از نظر دي الکتريک
کابل هاي ابررسانا بر اساس دي الکتريک طراحـي شـده بـه دو نوع , دي الکتريک سـرد(CD)٣ الکتريـک گـرم (RTD)٤ و دي
ساخته مي شوند، همچنين اين کابل ها به دو گروه تک هسته و سه هسته ، دسته بندي مي شوند. که ولتاژ اسمي آنهـا از kV ٢٤ به kV ٢٢٥ ميرسد. هر دو نوع داراي مزاياي ويـژه خـود بـوده که استفاده از آن در کاربردهاي ويژه بر ديگري ارجحيت دارد.
.
٣-١-١-کابلهاي دي الکتريک گرم
کابل هاي با عايق گرم تکفاز بوده و طرح نسبتا ساده اي دارنـد و قسمت مرکزي اين کابل بصورت کانال بوده و از داخـل آن ماده خنک کننده عبور مـي کنـد و اطـراف آن بـا سـيم HTS پوشاننده مي شود و بين اين دو يک غلاف عايقي جاي گرفتـه و روي عايق نيز يک پوشش حفاظتي وجود دارد و در نهايـت کل مجموعه داخل يک لوله قرار مي گيرد . کابلهـاي ابررسـانا بـا دي الکتريک گرم (RTD)، بيشترين تشابه با کابلهـاي متـداول را دارنـد و جريان مجاز آنها در محدوده ٢ تا ٤ کيلو آمپـر مـي باشـد. شـکل (١) يک کابل ابررساناي دي الکتريک گرم را نشان ميدهد. [١]
شکل ١- کابل ابررساناي دي الکتريک گرم
٣-١-٢-کابل دي الکتريک سرد
ساختارهاي مختلفي براي کابل با عايق سرد بر اساس تعداد لايه ها و مکان حرکت ماده خنک کننده وجود دارد . در يک سـاختار، هـر فاز داراي يک مجراي خنک کننده احاطـه شـده بـا حفـاظ و سـيم HTS وجود دارد.
ساختار ديگر کابل دي الکتريک سرد بصورت سيمهاي کواکسـيال بوده که ، حاوي يک هادي ابررساناي دما بالا کـه توسـط نيتـروژن مايع در بين حفره خالي قابـل انعطـاف و يـک رسـاناي برگشـتي ابررسانا دما بالا که توسط جاري شدن نيتروژن مايع سرد مي شوند.
شکل ٢: کابل ابررساناي دي الکتريک سرد
پيامد اين طرح ، فـراهم آمـدن ظرفيـت بيشـتر، کـاهش بيشـتر تلفات و عدم نياز به سيالات دي الکتريک مي باشـد شـکل (٢)، کابل ابررساناي دي الکتريک سرد را نشان مي دهد .
کابل سه رشته HTS ، يکي ديگر از ساختارهاي کابل با عايق سرد مي باشد، در اين طرح هادي جديـد بـا تمرکـز برکـاهش هزينه تکنولوژي و تضـمين قابليـت اطمينـان بوسـيله کـاهش هزينه هاي مواد سرد کننده ، تلفات حرارتي و الکتريکي ايجـاد شده است . ايده اين کار، کاهش مقدار سيم HTS مورد نياز و نياز به خنک شدن با استفاده از سطح خنک کننـدگي مشـترک بوده و به اين ترتيب ، طرح سه هادي هم محور که در آن هـر سه هادي دور يک هسته مشترک قـرار ميگيرنـد، ايجـاد شـده است و حذف ميدان الکتريکي بـا جـدا کـردن ١٢٠ درجـه اي فازهاي هم مرکز ميسر گرديده است . بنـابـراين از يـک شـيلد مسي بطور مشترک براي حمل جريان نول اسـتفاده مـي شـود.
نخستين نمونه کامل طـرح سـه محـوري در آزمايشـگاه ملـي
(ريدگــه ) همکــار توســعه اولتــرا در ســال ٢٠٠٢ ، طراحــي وآزمايش شد .در شکل (٣ )، طرح کابل ابررسانا با هادي سـه
رشته اي ، نشان داده شده است . [١]
شکل ٣ : طرح کابل ابررسانا سه رشته
همچنين ظرفيت بالاي حمل جريان اين سيمها، استفاده از آنها را در نقاطي از شبکه که پهناي کمتري دارنـد ممکـن ميسـازد همچنين هزينه ساخت نوع با عايق گرم نسبت به نوع با عـايق سرد کمتر مي باشد. از آنجاييکه در سيم با عايق گـرم غـلاف رسانا وجود ندارد حساسيت در مقابل ميـدان هـاي مغناطيسـي خارجي بيشتر است و در نتيجه تلفات در آن بيشتر خواهدبود.
٤-شبيه سازي پخش بار در دو فيدر نمونه
شبيه سازي پخش بار در محدوده دو فيدر واقعي در شهرسـتان اروميه ، در سال هاي ٨٧ الي سال ٩٦ با توجه به رشدبار منطقه ، با کابل هاي XLPE و با جـايگزيني کابـل HTS انجـام شـده است . فيدرهاي ٢٠ کيلوولت نمونه عبارتند از:
فيدرF١٠: اين فيدر با کابل ٢٠ کيلولت زميني بـه سـطح مقطـع ١٥٠×٣ ميليمترمربع از پست فوق توزيع نيروگاه گازي اروميـه خارج ودر پست مقابل توانير بطرف پست هـاي توزيـع ، اس ، شهرام ، اقبـال ، ميـدان گنـدم ، عسـگر آبـادي ، پزشـکيان ، پـنج توماني ، راهنمايي ، استاد برزگر، برق ٢، برق ١ و نصـرت ادامـه داشته و امکان تبادل بار با فيدر ٣ پسـت سيارعرشـلو در پسـت نصرت وجود دارد. پيک بار فيدر در سـال ٨٦ بـه ٦.٢ مگـاوات رسيده است . اين فيدر تغذيه بار هاي خانگي ، تجاري ، عمومي در مرکز شهر را بعهده دارد.
فيدرF11: اين فيدر باکابل زميني سـطح مقطـع ٩٥×٣ ميليمتـر مربع از پست فوق توزيع نيروگاه گـازي اروميـه خـارج و در پست توزيع اس ، بطرف پستهاي زميني توزيع بلـوار زنجيـر، آرامگاه ، فلکه مهاباد، وسط مهاباد، عسگرآبادي ، برق ١، بـرق ٢، زايشگاه ، ابن سينا، آذربايجان ، لشگر، هنرستان ، بهداشت ، دانش ، طرزي ، صدرو بانک سپه ادامه دارد. کابل زميني بـين پسـتهاي اس و بلوار زنجير وآرامگاه و فلکه مهاباد تا ابن سينا به سـطح مقطع ٥٠×٣ ميليمتر ميباشد. پيک بار اين فيدر در سال ٨٦ بـه ٨.٣ مگاوات رسيده است . اين فيدر نيز مانند فيدرF10 تغذيـه بار هاي خانگي ، تجاري ، عمومي در مرکز شهر را بعهده دارد.
٤-١- رشد بار در محيط پژوهش
رشد بار سالانه در سال n از رابطه تقريبي زير محاسبه ميشود.
Pn توان الکتريکي مورد نياز در سال n ، P1 بـار موجـود در زمان حال ، رشد بار منطقه به درصد و n سال مـورد نظـر مي باشد. با توجه به رشدبار سالانه در شهرسـتان اروميـه (٩%) توان الکتريکي مورد نياز در سـالهاي ٨٧ تـا ٩٦ از رابطـه (١)، محاسبه ونتايج آن در جدول (١) مشخص شده است .
٤-٢- مشخصات کابل HTS استفاده شده در شبيه سازي
مشخصات کابل ابررساناي مورد استفاده در شبيه سازي ، کابـل HTS با دي الکتريک سرد، سه فاز، ٣٤.٥ کيلوولت ، ٨٠٠ آمپر،
٤٨ مگاولت آمپر که توسط شرکت سوپرپاور (SuperPower) کشور آلباني تست و آزمـايش شـده اسـت . جـداول (٢)، (٣)، (٤)، (٥)، مشخصات کابل ابررسانا ونتـايج ايـن آزمايشـات را نشان ميدهند.[٢] جدول (٦) نيز پارامترهاي الکتريکي کابلهـاي ابررسانا وXLPE رانشان داده است .
