بخشی از مقاله
کاربرد هاديهاي پرظرفيت در افزايش ظرفيت خطوط انتقال و تاثير آن در بهبود قابليت اطمينان شبکه
چکيده
در سالهاي اخيـر افـزايش روز افـزون ميـزان مصـرف انـرژي الکتريکي و در عين حال محدوديتهايي از جمله کمبـود فضـا، مشکلات اقتصادي و غيره جهت ايجاد خطوط انتقـال جديـد، موجب شده که محققان در پي يافتن راههايي اقتصادي و مؤثر جهت افزايش ميزان بهره برداري از خطوط انتقال باشند.
همچنين يکي ديگر از مسائل مهم که مـي بايسـت در طراحـي شبکه و انتخاب روش مناسب جهت افزايش ظرفيت خطـوط به آن توجـه شـود ، بهبـود امنيـت و قابليـت اطمينـان شـبکه مي باشد. لذا در اين مقاله به بررسي يکـي از راههـاي افـزايش ظرفيت خطوط انتقـال يعنـي اسـتفاده از هاديهـاي پرظرفيـت پرداخته شده است [١] در ادامه اين مقالـه بـه مبحـث قابليـت اطمينان شبکه انتقال پرداخته و در نهايـت بـا اسـتفاده از يـک شبکه نمونـه ميـزان تـاثير اسـتفاده از هاديهـاي پرظرفيـت در مقايسه با روشهاي متـداول جهـت افـزايش ظرفيـت خطـوط انتقال ، مورد بررسي قرار گرفته شده است
١- مقدمه
امروزه رشد روز افزون مصرف انرژي و مشکلات موجـود در اين زمينه از جمله مسائل اقتصادي ، کمبود فضا و غيره جهـت ايجاد نيروگاهها و خطـوط انتقـال جديـد، باعـث گرديـده تـا طراحان سيستم به فکر يافتن راه حلهايي جديد جهت استفاده حداکثر از ظرفيت خطوط انتقال بدون به خطر انداختن امنيت و قابليت اطمينان سيستم باشند. از اينرو در سـالهاي اخيـر راه حلهاي مختلفي در اين زمينه ارائه شـده اسـت کـه اسـتفاده از هاديهاي پرظرفيت که موضوع بحث اين مقاله مي باشد يکي از اين راه حلها مي باشد.
استفاده از اين هاديها به علت داشتن چند خاصيت مهم ، که در مقاله حاضر نيز به آنها اشاره شده است ، جهت افـزايش ظرفيـت سيستم ، بخصوص در مناطق شهري ، بسيار کارآمد بوده است .
در بخشهاي بعدي اين مقاله پس از ارائه توضيحاتي در مورد مشخصات اين نوع هاديها و بيان فوايد استفاده از آنهـا جهـت افزايش ظرفيت سيستم ، به مسأله حفـظ و بـالا بـردن قابليـت اطمينان سيستم و بررسي ميزان تاثير اين هاديها در بهبود ايـن پارامتر مهم نيز اشاره شده است .
٢- افزايش ظرفيت خطوط انتقال
افزايش ظرفيت خطوط انتقال هر ساله يکي از نيازهاي اساسي اين بخش از شبکه مي باشـد. بـا توجـه بـه امکانـات موجـود
دستيابي به اين مهم از چندين راه ممکن مي باشد :
١- افزايش سطح مقطع سيم ها
٢- افزايش تعداد باندلها
٣- افزايش تعداد خطوط
٤- استفاده از هاديهاي پرظرفيت
٥- استفاده از ادوات FACTS [٢]
افـزايش ظرفيـت خطـوط انتقـال بـا روشـهاي مـذکور داراي مشکلاتي است که در اينجا به تعدادي از آنها اشاره مي شود:
١- توسعه سيستم هاي انتقال و احداث خطوط جديد يکـي از راه حلهاي بالا بردن ظرفيت مـي باشـد کـه بـه لحـاظ موانـع اقتصادي بسياري که در سر راه انجام آن وجـود دارد ازجملـه عوامل محيطي ، شامل محدوديت در اشـغال فضـاي اضـافي و همچنين هزينه هاي سنگين ، راه حل مناسبي به شمار نمي آيد.
٢- بالا بردن سطح مقطع هاديها يا افزايش تعـداد بانـدلها نيـز يکي ديگر از اين روشها است که انجام آن نيازمند بازسازي و يا تقويت برجها بوده و امري هزينه بر مي باشد.
٣- اسـتفاده از ادوات FACTS نيـز يکـي ديگـر از روشـهاي افزايش ظرفيت خطوط انتقال مي باشد. ايـن روش بسـيار پـر هزينه بوده و به همين علت تا به حال به صورت عملـي تنهـا در نقاط معدودي از جهان بکار گرفته شده است .[٢]
از اينرو و با توجه به توضيحات ارائه شده در اين قسـمت بـه بررسي يک روش مؤثر و در عين حال کم هزينـه جهـت بـالا بردن ظرفيت خطـوط انتقـال کـه همـان اسـتفاده از هاديهـاي پرظرفيت مي باشد، پرداخته مي شود.
٣- هاديهاي پرظرفيت
طي سي سـال گذشـته ، هاديهـاي پرظرفيـت جهـت افـزايش ظرفيت خطوط انتقال در بسياري از نقاط دنيا، مورد استفاده و بهره برداري قرار گرفته اند. استفاده از اين هاديهـا جهـت بـالا بردن ظرفيت خطوط مزاياي بسـياري دارد کـه از جملـه آنهـا مي توان به موارد زير اشاره کرد:
١- افزايش ظرفيت خط بدون تغيير در سـطح مقطـع و وزن سيم
٢- افزايش ظرفيت خط بدون تغيير در مقـدار افتـادگي سيم ، حريم و تحمل برجها
٣- صرف هزينه و وقت کم (زيرا تنها نياز بـه تعـويض سيم ها وجود دارد).
از اينرو استفاده از آنها بخصوص در مناطقي بـا شـرايط آب و هوايي خاص مانند مناطق بسيار باد خيز، حاوي توده هاي يـخ متراکم و يا داراي خاکي روان بسـيار مناسـب مـي باشـد. ايـن هاديها داراي انواع مختلفي مي باشند که در اين مقاله به بررسي دو نــوع آن بــا نامهــاي ZTACIR و GZTACSR پرداختــه مي شود.
[1] ( Invar Type ) ZTACIR -1-3
تفاوت عمده اين نوع هاديها و سيمهاي ACSR معمـولي در هسـته آنهاسـت . هسـته ايـن نـوع هـادي از يـک نـوع آليـاژ مخصوص (INVAR) که ترکيبي از فولاد و نيکـل مـي باشـد، ساخته شده است . يکي از خصوصيات مهم ايـن نـوع آلياژهـا اين است که داراي مقاومت زيـاد بـوده و همچنـين در مقابـل تغييرات درجه حرارت بسيار مقاوم مي باشند.
٣- ٢- GTACSR يا GZTACSR (Gap Type ) [١]
اين نوع هاديها داراي ساختاري يکپارچه مي باشند که در شکل زير نمايش داده شـده اسـت . سـطح مقطـع ذوزنقـه اي شـکل سيمهاي آلومينيومي در لايه مياني آنها، نزديـک هسـته ، باعـث ايجاد فضايي خالي ميان هسته فولادي و لايه هاي آلومينيـومي مي شود که اين فضاي خالي با ماده مخصوصي که براي تحمل دماي بالاتر از ٢٠٠ درجه سانتي گراد طراحي شـده اسـت ، پـر مي شود. در شکل ٣، رابطه ميان اندازه فلش سيم در اين نوع هاديها در مقايسه با هادي معمولي با بالا رفتن درجه حرارت نشـان داده شده است .
با توجه به توضيحات فوق جهت روشن تـر شـدن موضـوع ، مقايسه ميان اين هاديها با هاديهـاي موجـود از جهـت ميـزان فلش سيم ، ظرفيت و مقاومـت AC آنهـا، در جـدول ١ آورده شده است . [١]
شکل (١) شماي مقطع هادي ZTACIR
شکل (٢) شماي مقطعي هادي GZTACSR
شکل (٣): رابطه فلش سيم با افزايش دما در هاديهاي پرظرفيت و هادي معمولي
همچنين جهت ارزيابي تقريبـي هزينـه ، در جـدول ٢، هزينـه افزايش ظرفيت يک خط ٢٣٠ کيلوولت با طول ١٥ کيلومتر بـا فرض احداث يک خـط جديـد بـا اسـتفاده از هـادي ACSR معمولي و يا تعويض هاديهاي خط با نوع پرظرفيت آن مقايسه شده است .[١]
همانگونه که در جـداول آورده شـده نشـان داده شـده اسـت ، استفاده از اين نوع هاديها بـه جهـت تشـابه در سـطح مقطـع ، وزن ، فلش سيم و حريم با سيم هاي موجـود در جريـان هـاي زياد و همچنين هزينه کمتر، در مقايسه بـا روشـهاي معمـول ، بسيار سودمند تر مي باشد.
٤- روش هاي ارزيابي قابليت اطمينان شبکه هاي مرکـب توليد و انتقال
يک شبکه ي مرکب ١ توليد و انتقال در شکل ٤ نشان داده شده است . ژنراتورها و بارها در نقاط مختلف سيستم انتقال واقع شده اند. در ارزيابي ريسک اين شبکه ها بايد به وضعيت فراهمي ژنراتورها، ايزوله شدن شين ها، سطح بارگيري خطوط انتقال و محدوده ي مجاز ولتاژ شين ها توجه کرد. به عبارت ديگر، تحليل سيستم مرکب ، فراتر از تحليل اتصال توليد و مصرف است . هنگام تحليل اين شبکه ها، بايد محاسبات پخش بار، تحليل پيش آمد٢، اعمال ترميمي ٣ را درنظر گرفت . رفع اضافه بار، بازبرنامه ريزي توليد٤، ريزش بار و عمليات هاي سوئيچينگ ، مهم ترين اعمال ترميمي هستند. جهت انجام محاسبات بايد خروج مستقل و خروج هم علت مولفه هاي سيستم ، خروج ناشي از پايانه ي تجهيزات و ساير خروج هاي وابسته ، وضعيت آب و هوا، عدم قطعيت و ارتباط و
همبستگي بار شينها، مدلسازي حالات کارکرد با ظرفيت غير نامي و ساير محدوديت هاي سيستم را بايد در نظر گرفت .
با توجه به اهداف مطالعه ، ريسک سيستم مرکب را مي توان به سه صورت مختلف ارزيابي کرد:
١- خرابي تصادفي مولفه هاي سيستم توليد و سيستم انتقال در نظر گرفته مي شود. اين حالت ، عمومي ترين حالت ارزيابي ريسک است .
٢- فقط خرابي تصادفي تجهيزات انتقال در نظر گرفته مي شود؛ سيستم توليد نيز ١٠٠% قابل اطمينان در نظر گرفته مي شود. هدف چنين مطالعاتي ، ارزيابي ريسک سيستم انتقال است و ممکن است بعضي پست ها را به صورت کامل و با درنظر گرفتن آرايش تجهيزات آن ها مدل کرد.
٣- فقط خرابي تجهيزات سيستم توليد در نظر گرفته مي شود؛ سيستم انتقال نيز ١٠٠% قابل اطمينان در نظر گرفته شود. از آنجاکه در اين موارد، محدوديت هاي شبکه ي انتقال را نيز درنظر مي گيرند، نتايج آن با نتايج بررسي سيستم توليد-مصرف تفاوت خواهد داشت .
شکل (٤) يک سيستم مرکب نمونه
٤-١-روند اصلي
ارزيابي ريسک سيستم هاي مرکب ، چهار مرحله ي مهم دارد:
تعيين مدهاي خرابي مولفه ها و مدل منحني بار، انتخاب حالت هاي سيستم ، تحليل حالات سيستم و محاسبه ي شاخص هاي قابليت اطمينان . اين مطالعات را مي توان با استفاده از روش سرشماري حالت ها يا شبيه سازي مونت کارلو انجام داد.اين دو روش از رهيافت هاي متفاوتي ، حالت سيستم را انتخاب مي کنند و روابط محاسبه ي شاخص هاي ريسک اين دو روش متفاوت است . روش هاي تحليل حالت هاي انتخاب شده ي سيستم ، مستقل از نوع انتخاب حالات سيستم است ؛ اين مرحله شامل پخش بار، تحليل پيش آمدها و پخش بار بهينه است . روند انجام اين محاسبات ، در شکل ٥ نشان داده شده است .
٤-٢- مدل هاي خرابي مولفه
واحدهاي توليد طبق مدل هاي دو حالته يا چند حالته بيان مي شوند. هر شين ممکن است شامل بيش از يک ژنراتور باشد. هنگام استفاده از شبيه سازي مونت کارلو مي توان انتقال حالت ژنراتورهاي مجزاي هر شين را بررسي کرد و هنگام استفاده از روش سرشماري حالت ها، تعداد حالات سيستم با افزايش تعداد ژنراتورها و تعداد حالات کارکرد در ظرفيت غيرنامي ١ آن ها، به صورت نمايي افزايش مي يابد. جهت کاهش حجم محاسبات ، به جاي استفاده از مدل انتقال حالت براي هر ژنراتور به صورت مجزا، هر کدام از شينهاي متصل به سيستم توليد با استفاده از يک جدول احتمال ظرفيت توليد بيان مي شود.
خطوط هوايي ، کابل ها، ترانسفورمرها، خازن ها و راکتورها، مهم ترين مولفه هاي شبکه ي انتقال هستند. اين مولفه ها، عمدتا توسط مدل هاي دو حالته (کارکرد طبيعي ، خراب ) بيان مي شوند. خطوط HVDC ممکن است توسط مدل هايي شامل حالت کارکرد در ظرفيت غيرنامي بيان شوند. در مدل خروج تجهيزات انتقال مي توان خروج هم علت ٢ خطوط هوايي و تجهيزاتي که در حريم آن ها قرار مي گيرند يا تجهيزاتي که در يک گروه حفاظتي قرار مي گيرند را نيز بيان کرد.
انشعاب گيري از شبکه ي انتقال را نيز بايد توسط مدل خروج گروهي مولفه ها مدلسازي کرد. در موارد خاص مي توان از مدل هاي خروج هاي وابسته به محيط ، خروج هاي متوالي و خروج تجهيزات پست ها نيز استفاده کرد. در صورت لزوم بايد خروج هاي برنامه ريزي شده ي تجهيزات را نيز بيان کرد. در صورتيکه سن تجهيزات سيستم قدرت مورد نظر باشد،
بايد خرابي تجهيزات بر اثر فرسايش آن ها را نيز درنظر گرفت .
شکل (٥) الگوريم ارزيابي ريسک سيستم هاي مرکب
٤-٣- مدل هاي منحني بار
