theme wordpress
آموزش های پایه ای برقخطوط انتقال و توزیعسیستم های قدرت

ساختار صنعت برق و سیستم های قدرت امروزی

۲ – ۱ ساختار صنعت برق

 بخش عمده تولید برق در ایالات متحده توسط شرکت های یکپارچه شده متعلق به سرمایه گذاران (IOU) تولید می شود. بخش کوچکی از تولید متعلق به دولت مرکزی است مانند، TVA و BPA

در حال حاضر، سیستم برق ایالات متحده با دو نوع مقررات و آئین نامه جداگانه اداره می شود. یکی از آنها انجمن تنظیم انرژی دولت مرکزی (FERC) است که قیمت عمده فروشی برق، مناسبات و شرایط خدمات را تنظیم می کند، دیگری انجمن تضمین وثیقه و مبادله (SEC) است که ساختار تجارت صنعت برق را کنترل می نماید

سیستم انتقال شرکت های برق در ایالات متحده و کانادا به یکدیگر وصل شده و شبکه قدرت بزرگی را بوجود آورده است که سیستم قدرت بهم پیوسته آمریکای شمالی نامیده می شود. این شبکه قدرت به چندین تسهیلات اشتراکی قدرت تقسیم شده است. این تسهیلات اشتراکی قدرت شامل چندین شرکت مجاور و همسایه است که با همکاری یکدیگر موجب برنامه ریزی تولید به صورت اقتصادی می گردند. یک سازمان که به صورت خصوصی اداره و شورای قابلیت اعتماد برق آمریکای شمالی (NERC) نامیده می شود مسؤلیت حفظ استانداردها و قابلیت اعتماد سیستم را به عهده دارد. این شورا (NERC) با همکاری و تعاون هر یک از تولید کنندگان و توزیع کنندگان برق و برای تضمین قابلیت اعتماد سیستم کار می کند و خدمات خود را با همکاری FERC و دیگر سازمان ها مانند انستیتو برق ادیسون (EEI) هماهنگ می نماید. در حال حاضر، NERC چهار برق منطقه ای مجزا و مشخص دارد. این مناطق عبارتند از: شورای قابلیت اعتماد برق تگزاس (ERCOT)، شورای همکاری ایالت غربی (WSCC)، شبکه بهم پیوسته شرقی که شامل تمامی ایالتهای آمریکا و استان های کانادا واقع در شرق کوههای راکی (بجز تگزاس) است، و هیدرو – کبک که با شمال شرق خط ارتباطی dc دارد. این مناطق که از لحاظ الکتریکی مجزا هستند با یکدیگر تبادل قدرت دارند اما به صورت الکتریکی با هم سنکرون (همگام) نیستند.

صنعت برق در ایالات متحده از زمان آزاد شدن مقررات در مخابرات، گاز و صنایع دیگر، دچار تغییرات اساسی شده است. تجارت تولید برق سریعا به بازار وابسته می شود. این تغییری اساسی و مهم در صنعتی است که تا دهه قبل ویژگی آن انحصارات یکپارچه و بزرگ بوده است. پیاده سازی دسترسی اسان به انتقال، منجر به بازارهای عمده و خرده فروشی گردیده است، در آینده، احتمال دارد شرکت های برق به بخش های تولید، انتقال و خرده فروشی تقسیم شوند. امکان دارد که شرکت تولید کننده برق به جای توزیع کنندگان محلی مستقیما به مصرف کنندگان برق بفروشند. این امر می تواند موجب حذف انحصاری که در حال حاضر در اختیار توزیع کنندگان برق است گردد توزیع کنندگان به جای خرده فروشی برق می توانند خدمات خود را به عنوان توزیع کننده برق ارائه نمایند. احتمالا ساختار خرده فروشی توزیع قدرت شبیه ساختار جاری صنعت مخابرات و تلفن خواهد شد. مصرف کنندگان این انتخاب را خواهند داشت که از کدام یک از ژنراتورها برق خریداری نمایند. در صورتی که کل صنعت انرژی الکتریکی به صورت آزاد در آید آنگاه مصرف کنندگان نهایی می توانند از میان کلیه ژنراتورهای سرتاسر کشور یکی را انتخاب نمایند. دلال ها و بازاریاب های انرژی الکتریکی نقش مهمی را در این صنعت جدید و رقابتی ایفا خواهند نمود. در حال حاضر، توانائی خرده فروشی برق به مصرف کننده نهائی وجود دارد ولی این برنامه آزمایشی تنها در تعداد محدودی از ایالات ها اجرا می شود

برای ایجاد محیط رقابتی در بازار برق تلاش های زیادی صورت گرفته تا افزایش بازده بیشتر شود بنابراین، صنعت برق با مشکلات جدیدی روبرو شده که یکی از با الویت ترین آنها قابلیت اعتماد، یعنی تغذیه مستمر و بدون وقفه به کلیه مصرف کنندگان برق است، تغییر ساختار و آزاد ساری شرکتهای برق همراه با پیشرفتهای اخیر در فن آوری موجب جلب بدون مقدمه و ایجاد فرصت هایی برای پژوهش در زمینه سیستم های قدرت گردیده و فرصت های جدیدی را برای مهندسان جوان سیستم های قدرت ایجاد کرده است

۳ – ۱ سیستم قدرت پیشرفته

 سیستم قدرت امروزی، شبکه ای است بهم پیوسته و پیچیده که در شکل ۱-۱ نشان داده شده است سیستم قدرت را می توان به چهار قسمت اصلی تقسیم نمود

  • تولید
  • انتقال و فوق توزیع
  • توزیع
  • بار
شکل ۱- عناصر سیستم قدرت
شکل ۱- عناصر سیستم قدرت

1-3-1 تولید

ژنراتورها (Alternators)

یکی از عناصر اصلی عرضه سیستم ها قدرت ژنراتور سه فار AC است که ژنراتور سنکرون یا مولد جریان متناوب نامیده می شود. ژنراتورهای سنکرون دارای دو میدان گردان سنکرون هستند.

یک میدان توسط نیروی چرخشی روتور در سرعت سنکرون و با جریان تحریک dc تولید و میدان دیگر در سیم پیچ های استاتور و به  وسیله جریان های آرمیچر سه فاز تولید می گردد. جریان dc برای سیم پیچ های

روتور از طریق سیستم تحریک فراهم می شود. در واحدهای قدیمی، تحریک شامل ژنراتورهای dc بود که روی همان محور ژنراتورAC نصب شده و تحریک را از طریق حلقه های لغزشی (Slip rings) تامین می کردند. سیستم های امروزی از یکسو ساز های گردان که سیستم های تحریک بدون جاروبک نامیده می شوند استفاده می کند. سیستم تحریک ژنراتور ولتاژ ژنراتور را در حد معینی حفظ کرده و توان راکتیو آن را کنترل می کند. به علت فقدان کموتاتور، ژنراتور های ac می توانند قدرت زیادی با ولتاژ بالا، مثلا ۳۰kV تولید کند. در یک نیروگاه، ظرفیت ژنراتورها می تواند از ۵۰MW تا ۱۵۰۰MW متغیر باشد

منبع توان مکانیکی که معمولا محرک اولیه نامیده می شود، می تواند توربین های آبی در زیر ریزش آب، توربین های بخار که انرژی آنها از سوخت هایی مانند زغال سنگ، گاز و مواد هسته ای تامین می گردد، توربین های گازی، یا گاهی اوقات موتورهای احتراقی درون سوز با سوخت نفتی باشد. ظرفیت تخمینی تولید نصب شده در ایالات متحده در سال ۱۹۹۸ در جدول ۱-۱ ارائه شده است

توربین های بخار در سرعت های نسبتا بالای ۳۶۰۰ یا ۱۸۰۰ دور در دقیقه(Rounds per minutes) (rpm) کار می کنند ژنراتورهایی که به این توربین ها وصل می شوند دارای روتور استوانه ای با دو قطب برای سرعت 3600rpm  و چهار قطب برای سرعت rpm ۱۸۰۰ هستند. توربین های آبی، به ویژه آنهایی که در فشار پائیین کار می کنند، دارای سرعت کمی هستند. ژنراتور آنها معمولا دارای رتور قطب برجسته با چندین قطب می باشد. در یک نیروگاه برای تامین قدرت مورد نیاز چندین ژنراتور به طور موازی به شبکه قدرت متصل هستند. آنها به یک نقطه مشترک که شین (BUS)نامیده می شود وصل می گردند.

در حال حاضر، كل ظرفیت تولید برق در حدود ۷۶۰۰۰۰MW است. با فرض اینکه جمعیت ایالات متحده ۲۷۰ میلیون نفر باشد، خواهیم داشت:

برای درک اهیمت این عدد، فرض کنید متوسط قدرت یک نفر تقریبا ۵۰W باشد. بنابراین قدرت ۲۸۱۵۹ معادل است با

مصرف سالانه انرژی (kWh) در ایالت متحده در حدوداست. دارائی سرمایه گذاری شده در شرکت های متعلق به سرمایه گذاران (IOU) در حدود ۲۰۰ میلیارد دلار است و آنها تقریبا نیم میلیون نفر را استخدام کرده اند.

با تاکیدی که این روزها بر ملاحظات زیست محیطی و صرفه جوئی در سوخت های فسیلی می شود منابع بیشماری برای استفاده از انرژی دست نخورده خورشید و زمین جهت جایگزینی تولید قدرت مورد نیاز در نظر گرفته شده است، برخی از این منابع جایگزین که تا حدودی نیز مورد استفاده قرار گرفته اند عبارتند از: انرژی خورشیدی، زمین گرمایی، باد، امواج دریا و گاز تولیدی از فضولات حیوانات(Biomass)، در آینده، حیات تولید عمده قدرت به گداخت هسته ای(Nuclear fusion) بستگی خواهد داشت، گداخت هسته ای، اگر از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه و قابل کنترل باشد، می تواند از منبع فراوان سوخت خود یعنی آب انرژی تمیز تولید کند

تولید توان برق در نیروگاه
تولید توان برق در نیروگاه

ترانسفورماتورها

 عنصر اصلی دیگر سیستم قدرت ترانسفورماتور است. این وسیله قدرت را با بازده بسیار بالا از یک سطح ولتاژ به سطح ولتاژ دیگری انتقال می دهد. قدرت انتقالی به ثانویه تقریبا همان قدرت اولیه است، به جز تلفات ترانسفورماتور و حاصلضرب VI در سمت ثانویه که تقریبا همان مقدار سمت اولیه است. بنابراین، با استفاده از یک ترانسفورماتور افزاینده با نسبت دور a  ، جریان ثانویه به نسبت به1/a کاهش خواهد یافت. این عمل موجب کاهش تلفات در خط انتقال می گردد و انتقال قدرت را در فواصل طولانی میسر می سازد

نیازمندی های عایقی و دیگر مشکلات عملی طراحی، ولتاژ تولید را به مقادیر پائین مثلا 30KV محدود می سازد. بنابراین، ترانسفورماتورهای افزاینده برای انتقال قدرت استفاده می شوند. در سمت

دریافت (انتهای )خطوط انتقال، ترانسفورماتورهای کاهنده جهت کاهش ولتاژ به مقادیر مناسب برای توزیع و مصرف بکار می روند. در یک سیستم پیشرفته برق، امکان دارد قدرت چهار یا پنج مرتبه میان ژنراتور و مصرف کننده نهانی دچار این تغییرات گردد

ترانسفورماتور پارامترهای آن و گروه برداری ترانسفورماتور
ترانسفورماتور

جدول ۱-۱ ظرفیت نصب شده تولید

۲ – ۳ – ۱ انتقال و فوق توزیع

 هدف شبکه انتقال هوایی اینست که انرژی الکتریکی را از واحدهای تولید در نواحی مختلف به سیستم توزیع که در نهایت بار را تامین می نماید انتقال دهد. خطوط انتقال(Transmission) ، شرکت های برق مجاور را نیز به یکدیگر متصل می کنند که این اتصال نه تنها موجب توزیع اقتصادی قدرت در نواحی طی شرایط عادی  می شود بلکه در شرایط اضطراری، انتقال قدرت میان نواحی را نیز میسر می سازد

استاندارد ولتاژ انتقال در ایالات متحده توسط انستیتو استاندارد ملی آمریکا (American national standard institue)(ANSI) مشخص می گردد. خطوط انتقال که با ولتاژی بیش از ۶۰kV کار می کنند به صورت زیر استاندارد شده اند ولتاژ خط به خط

  1. ۶۹ کیلو ولت
  2. ۱۱۵ کیلو ولت
  3. ۱۳۸ کیلو ولت
  4. ۱۶۱ کیلو ولت
  5. ۲۳۰ کیلو ولت
  6. ۳۴۵ کیلو ولت
  7. ۵۰۰ کیلو ولت
  8. ۷۶۵ کیلو ولت

معمولا ولتاژهای انتقال بیش از ۲۳۰kV به عنوان ولتاژ فوق فشار قوی (EHV) شناخته می شوند

شکل ۱-۱ طرح کلی سیستم انتقال و توزیع را نشان می دهد، خطوط انتقال فشار قوی به پستها منتهی می گردند که پست های فشار قوی، پست های دریافت یا پست های اولیه نامیده میشوند. وظیفه بعضی از پست ها کلیدزنی برای ورود و خروج مدارها است که پست های کلیدزنی نامیده می شوند. در پست های اولیه، ولتاژ به مقدار مناسب تری برای بخش بعدی انتقال قدرت به بار کاهش می یابد. ممکن است بار مصرف کنندگان صنعتی بسیار بزرگ از طریق سیستم انتقال تامین شود.

بخشی از سیستم انتقال که پست های فشار قوی را از طریق ترانسفورماتورهای کاهنده به پست های توزیع وصل می کند شبکه فوق توزیع(Sub-transmission) نامیده می شود. مرز مشخص و واضحی برای جداسازی سطوح ولتاژ انتقال و فوق توزیع وجود ندارد. برای مثال، سطح ولتاژ فوق توزیع در محدوده ۶۹kV الی ۱۳۸kV قرار دارد. بار بعضی از مصرف کنندگان بزرگ از طریق سیستم فوق توزیع تأمین می گردد. برای حفظ ولتاژ خط انتقال معمولا بانک های خازنی و راکتوری در پست ها نصب می گردند.

انتقال برق
انتقال برق

۳ – ۳ – ۱ توزیع

 سیستم توزیع(Distribution) بخشی از سیستم قدرت است که پست های توزیع را به تجهیزات برق در محل مصرف کننده متصل می کند. معمولا خطوط توزیع اولیه در محدوده ۴kV تا 34.5 kV بوده و بار را در مناطق جغرافیایی کاملا تعریف شده تامین می کنند. برخی از مصرف کنندگان صنعتی مستقیما از طریق تغذیه کننده های  (Feeders)(فیدرهای) اولیه تأمین می شوند.

شبکه توزیع ثانویه ولتاژ را برای مصرف کنندگان تجاری و خانگی کاهش می دهد. خطوط و کابل هایی که کمتر از چند صد فوت طول دارند قدرت را به هر یک از مصرف کنندگان تحویل می دهند. ولتاژهای سیستم توزیع ثانویه که اکثر مصرف کنندگان را تغذیه می کنند عبارتند از: ۲۴۰/۱۲۰V یکفاز با سه سیم؛ ۲۰۸ / ۱۲۰V سه فاز ستاره با چهار سیم؛ V۴۸۰ / ۲۷۷ سه فاز ستاره با چهار سیم، قدرت مورد نیاز مصارف مسکونی بوسیله ترانسفورماتور کاهنده ۲۰۸/120 V  با استفاده از خط سه فاز از طریق تغذیه کننده اولیه تأمین می گردد.

سیستم های توزیع به صورت هوایی و زمینی هستند. رشد سیستم توزیع زیرزمینی بسیار سریع بوده است و حدود ۷۰٪ ساخت و سازهای جدید خانگی از طریق شبکه زیرزمینی تأمین می شوند.

از تولید تا توزیع
از تولید تا توزیع
از تولید تا توزیع برق
از تولید تا توزیع برق

۴ – ۳ ۱ بار

بارهای سیستم های قدرت به صنعتی، تجاری و خانگی تقسیم بندی می شوند. بارهای صنعتی بسیار بزرگ از طریق سیستم انتقال و بارهای صنعتی بزرگ مستقیما از طریق شبکه فوق توزیع تامین می گردند. بارهای صنعتی کوچک به شبکه توزیع اولیه وصل می شوند. بارهای صنعتی بارهایی مرکب هستند و موتورهای القائی قسمت اعظم این بارها را تشکیل می دهند. این بارهای مرکب تابع ولتاز و فرکانس بوده و بخش اصلی بار سیستم را تشکیل می دهند. بخش بزرگی از بارهای تجاری و خانگی شامل روشنائی، گرمایش و سرمایش است. این بارها مستقل از فرکانس بوده و توان راکتیو ناچیزی مصرف می کنند

توان حقیقی بارها بر حسب کیلووات یا مگاوات بیان می گردد. اندازه بار در طی روز متغیر بوده و قدرت باید مطابق تقاضای مصرف کننده تامین شود

منحنی بار روزانه یک شرکت برق ترکیب تقاضاهایی است که گروه های مختلف مصرف کنندگان نیاز دارند، بیشترین مقدار بار در طی یک دوره ۲۴ ساعته را اوج(Peak) با حداکثر تقاضا(Maximum demand) می نامند. برای تامين اوج بار که فقط در طی چند ساعت رخ می دهد ژنراتورهای کوچکتری راه اندازی می شوند. برای ارزیابی سود مندی نیروگاه، ضریب بار تعریف(Load Factor) می گردد. نسبت بار متوسط در طی یک دوره زمانی مشخص به اوج بار را که در همان دوره زمانی رخ می دهد ضریب بار می گویند. ضرایب بار را می توان برای یک روز، یک ماه با یک سال تعیین نمود. از آنجانی که یک سال نشان دهنده یک چرخه زمانی کامل است ضریب بار سالانه مفید ترین شکل ضریب بار است. ضریب بار روزانه عبارتست از

ضریب بار روزانه

اگر صورت و مخرج رابطه (۱-۱) را در یک دوره ۲۴ ساعته ضرب کنیم، خواهیم داشت

ضریب بار روزانه ۲

ضریب بار سالانه برابر است با

ضریب بار سالیانه

معمولا تنوعی در اوج بار مربوط به دسته های مختلف بارها وجود دارد که ضریب بار کل سیستم را بهبود می بخشد. برای اینکه نیروگاهی به طور اقتصادی کار کند باید دارای ضریب بار سیستم زیادی باشد. در حال حاضر صرایب بار سیستم در محدوده ۵۵ تا ۷۰ درصد قرار دارند

شرکت های برق از چند ضریب دیگر نیز استفاده می کنند. ضریب استفاده نسبت حداکثر تقاضا به ظرفیت نصب شده است و ضریب نیروگاه نسبت تولید سالانه انرژی به ظرفیت نیروگاه*8760 ساعت است این ضرایب نشان دهنده چگونگی بهره برداری و بکارگیری ظرفیت سیستم هستند

مرجع:

بررسی سیستم های قدرت تالیف هادی سعادت ترجمه احد کاظمی- شهرام جدید- حیدر علی شایانفر (خرید و مطالعه این کتاب بسیار مفید پیشنهاد می گردد)

محسن ترابی

مهندس برق قدرت، فوق لیسانس برق قدرت از دانشگاه سراسری یزد، موسس ماه صنعت، متخصص در ژنراتور، دیزل، طراحی و ساخت موتورهای الکتریکی، سنکرون و سیستم های حفاظت الکتریکی به خصوص حفاظت ژنراتور. دارای گواهی ثبت اختراع ساخت موتور PMSM‌ معکوس گرد. هدف از ایجاد این وبسایت و مقالات آن آموزش در راستای توسعه ی صنعت برق کشور عزیزمان ایران می باشد و سعی می کنم مقالات کاربردی در راستای این هدف در وبسایت انتشار بدهم

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن