بررسی تلفات در شبکه های توزیع و تولید و انتقال‎ برق و ارائه روشی برای کاهش تلفات در سیستم های توزیع و انتقال - 135 صفحه فایل ورد

بررسی تلفات در شبکه های تولید و توزیع و انتقال‎ برق و ارائه روشی برای کاهش تلفات در سیستم های توزیع و انتقال

135 صفحه فایل ورد

در شبکه های انتقال، انرژی الکتریکی به صور مختلفی به هدر می رود که بخش قابل توجه و مهم آن به صورت تلفات ژول در هادیها به هدر می روند. برای محاسبه تلفات انرژی در شبکه های انتقال اولین گام آگاهی از مقدار تلفات توان در ساعات پیک می باشد، این تلفات گرچه به دو عامل R و I وابسته می باشد اما وابستگی R به عوامل دیگر باعث می شود که محاسبه تلفات توان در یک خط انتقال ساده یا شبکه به سادگی میسر نباشد. دلیل پیچیدی محاسبات وابسته بودن مقاومت هادیها به دیگر عوامل محیطی و سیستمی می باشد. به طور کلی مقاومت هادیها تحت تاثیر سه عامل درجه حرارت محیط، تابش خورشید و جریان الکتریکی دچار تغییرات می شوند که همین عوامل تغییرات توان را به دنبال دارد. عوامل دیگری چون باد، باران، برف نیز در مقدار مقاومت هادیها موثرند ولی در ذیل سه عامل اصلی که پایدارتر و مداوم می باشند.

2-1-1- درجه حرارت محیط

درجه حرارت محیط در طول شبانه روز، هفته، ماه و فصل در دامنه وسیعی تغییر می کند، که تغییرات درجه حرارت محیط مستقیما باعث تغییرات مقاومت هادیها و در نتیجه تلفات توان می شود.

در تجزیه و تحلیل و محاسبه تلفات شبکه، برنامه کامپیوتری پخش بار وسیله مفیدی است که مورد استفاده مهندسین سیستم قرار می گیرد. از آنجا که تلفات توان مستقیما به مقاومت هادیها وابسته است لذا هر نوع بی دقتی در محاسبه تلفات توان گردد. بنابراین این مطلب بسیار مهم است که بدانیم مقاومت هادیهای خطوط انتقال و توزیع نیرو که در برنامه پخش بار مورد استفاده قرار می گیرند برای چه درجه حرارتی باید محاسبه شوند.

مروری بر روش های موجود نشان می دهد که عملا شیوه مشخص برای محاسبه مقاومت هادیها وجود ندارند و عمدا سلیقه ای است و برحسب مورد ممکن است مقاومت هادیها برای درجه حرارت های بین 20تا90 درجه سانتیگراد محاسبه گردد. که مسلما بی دقتی در این مرحله می تواند تلفات توان را به مراتب کمتر یا بیشتر از مقدار واقعی محاسبه نماید. گرچه هادیها تحت تاثیر سه عامل درجه حرارت محیط، تاثیر خورشید و جریان الکتریکی گرم می شوند و هر سه عامل نیز در طول شبانه روز تغییر می نمایند بنابراین لازم است به جای قرار دادن یک عدد به جای درجه حرارت هادی هر سه عامل به طور مجزا مشخص شوند.

پس برای دخالت دادن درجه حرارت محیط برای محاسبه مقاومت هادی باید به این سوال جواب داد که: «بررسی و محاسبه تلفات توان در چه درجه حرارت محیطی و بر چه مبانیی انتخاب گردد؟» در اینجا ابتدا باید مشخص گردد که هدف از محاسبه تلفات شبکه در چه منطقه، ماه یا فصلی است در صورتی که هدف محاسبه تلفات شبکه در ساعات پیک منطقه باشد مسلما ساعت پیک بار مناطق مختلف یک شبکه با هم فرق می کند پس باید در اولین گام ساعت پیک را برای منطقه مورد مطالعه معین نمود. برای کاهش خطای این مرحله لازم است منطقه موردنظر به چند ناحیه کوچکتر تقسیم و متوسط درجه حرارت ساعات پیک به عنوان درجه حرارت محیط منظور گردد.

2-1-2- تاثیر تابش خورشید

توان تابشی خورشید بر سطح کره زمین برحسب اینکه، محل مورد مطالعه در چه منطقه ای باشد متفاوت می باشد. بنابراین توان دریافتی اجسام از خورشید تابعی است از موقعیت مکان آنها در روی زمین و موقعیت خورشید در آسمان. به طور کلی حداکثر مقدار انرژی که هادی از خورشید دریافت می کند را می توان از رابطه روبرو بدست آورد:           

که در این رابطه داریم:

= انرژی دریافتی توسط یک اینچ مربع از سطح

= کل انرژی وارده بر یک اینچ مربع از سطح

E= ضریب جذب سطحی

S= سطح آفتاب خور هادی به ازاء یک فوت از طول هادی یا اینچ مربع

K= ضریب ثابت متناسب با ارتفاع خط انتقال (مقدار آن در سطح دریا برابر یک و در ارتفاع 1500 متری برابر 15/1 و در ارتفاع 3000 متری برای 25/1 و در ارتفاع 4500 متری برابر 3/1 می باشد). به این ترتیب برحسب اینکه در چه وقت از روز هدف مطالعه توان ابشی خورشید باشد مقدار آن متفاوت می باشد.

انرژی دریافتی توسط هادی تابعی است از مشخصه و شرایط سطح هادی، افزایش درجه حرارت هادی تحت تاثیر خورشید را می توان از رابطه زیر بدست آورد.

در این رابطه d قطر هادی برحسب اینچ و بقیه پارامترها مطابق تعاریف قبل            می باشند به این ترتیب به کمک این رابطه می توان افزایش درجه حرارت هادیها را در اثر تاثیر مستقیم خورشید بدست آورد.

2-1-3- جریان الکتریکی

عبور جریان الکتریکی از هادیها باعث ایجاد تلفات ژول و درنتیجه ایجاد گرما در آنها می گردد که این عمل باعث افزایش دمای هادیها می گردد. میزان ازدیاد درجه حرارت هادی بستگی به مقدار جریان عبوری دارد و هرچه بر مقدار آن افزوده گردد درجه حرارت هادی نیز افزایش می یابد اما از آنجا که جریان عبوری از هادیها نمی تواند بیش از حد مجاز باشد درنتیجه درجه حرارت هادی نیز در حد مجازی که سازندگان توجیه می نمایند محدود می گردد.

ضمنا جریان مجاز هادی عبارتست از ماکزیمم جریانی که عبورش از هادی هیچگونه تغییری در مشخصات مکانیکی و کارآیی آنی بوجود نیاورد.

درجه حرارت مجاز هادیها بستگی به جنس آنها دارد اما برای هادیهای آلومینوم- فولاد متداول در شبکه های برق رسانی کشور مقدار آن حدود 90 درجه سانتی گراد است، بنابراین باید تلاش گردد با کنترل جریان در حد مجاز حرارت هادیها را کنترل نمود. همانطور که قبلا اشاره شد، درجه حرارت هادیهای بی بار برحسب اینکه در چه منطقه ای واقع شده باشد متفاوت می باشد.

در مناطق گرمسیر که درجه حرارت محیط به 55درجه می رسد و خورشید تا 15 درجه سانتیگراد می تواند درجه حرارت هادیهای قطور را افزایش دهد، درجه حرارت هادیهای بی بار حدود 70درجه سانتیگراد می باشد اما درجه حرارت هادی در یک منطقه سردسیر ممکن است 45 تا 55درجه سانتیگراد افزایش یابد. پس اگر قرار باشد حداکثر درجه حرارت هادی در 90 درجه سانتیگراد مهار گردد با توجه به ارقام قبل در مناطق گرمسیر جریان مجاز باید در حدی محدود گردد که تنها 20 درجه سانتیگراد هادی را گرمتر نماید حال آنکه در مناطق سردسیر جریان می تواند تا 45 درجه سانتیگراد نیز هادی را گرمتر نماید. این مطلب نشان می دهد که برحسب اینکه خطوط انتقال در چه مناطقی نصب شوند دارای ظرفیت متفاوتی می باشند (جریان مجاز در مناطق سردسیر از مناطق گرمسیر به مراتب بیشتر است). مطالب فوق الذکر نشان می دهند که عبور جریان الکتریکی نیز فاکتور موثری است در افزایش مقاومت هادیها. درصد افزایش مقاومت تابعی است از شرایط بارگذاری الکتریکی که در رابطه بحث شده قبل جریان الکتریکی برحسب مورد می تواند مقاومت هادیها را 15 تا 25 درصد افزایش دهد که اگر این مطلب مورد توجه قرار نگیرد تلفات نیز به همین نسبت دچار خطا می شود.

برای محاسبه تاثیر جریان الکتریکی و مقدار مقاومت هادی ها می توان از رابطه زیر استفاده نمود:

در این روابط:

= افزایش درجه حرارت هادی در اثر عبور جریان I

I= جریان عبوری از هادیها به آمپر

= مقاومت هادی در درجه حرارت محیط (اهم بر فوت)

= درجه حرارت (درجه سانتی گراد)

D= قطر هادی برحسب اینچ

M= ثابتی برای هادیها که مقدار آن برای هادیهای ACSR برابر با 228 و برای هادی های مسی برابر با 234 است.

2-1-4- تاثیر فرکانس

به طور کلی هرچه فرکانس افزایش یابد جریان بیشتری از سطوح نزدیکتر به پوسته هادیها عبور می کند، درنتیجه مقاومت هادی افزایش می یابد چون سطح مقطع موثر آن در مقابل عبور جریان کم می شود. این مطلب که به اثر پوستی هادی مشهور است باعث می شود تا مقاومت AC هادیها، نسبت به مقاومت DC آنها افزایش یابد, این تغییرات برای هادیهائی با مقطع بالا مانند Martin-135lKCM حدود دو درصد می باشد، دما برای هادیهایی با مقاطع کم (نظیر هادی Oriole-336KCM یا مقاطع کوچکتر از آن)، مقاومت AC و DC هادیهای ACSR را می توان تقریبا معادل هم در نظر گرفت یا به عبارت دیگر در این سری محاسبات می توان از اثر پوستی در محاسبه مقاومت هادیها صرفنظر نمود. برای محاسبه مقدار مقاومت الکتریکی AC یک هادی در فرکانس f می توان از رابطه زیر استفاده کرد:

در این رابطه  مقاومت هادی در جریان DC و  مقاومت هادی در جریان AC می باشد، K نیز تابعی است از متغیر X که مقدار آن در جدول 1- پیوست آورده شده است و پارامتر X نیز از رابطه زیر بدست می آید:

 پرمابیلیته هادی می باشد که مقدار آن برای هادیهای غیرمغناطیسی برابر یک می باشد، لذا با جای گذاری مقادیر f و  مقدار X از رابطه زیر بدست می آید:

از بین هادیهای استاندارد کشور تا حد هادی Oriole مقاومت AC و DC تقریبا با هم برابرند (یا هادیهایی با قطرهای کمتر از 20 میلی متر) و برای مقاطع بزرگتر مقاومت AC هادی افزایش می یابد و وقتی قطر هادی به 36 میلی متر می رسد (بزرگترین مقطع هادی استاندارد) مقاومت AC حدود دو درصد بیشتر از حالت DC  می باشد.

2-1-5- تعیین درجه حرارت هادی

با توجه به آنچه گفته شده درجه حرارت محیط، تابش خورشید و جریان الکتریکی می توانند مقاومت هادیها را در حد وسیعی تغییر دهند، که نسبت ماکزیمم مقاومت نسبت به مقدار مینیمم آن ممکن است به حدود 6/1 هم برسد. اما در شرایط کار متعارف این رقم کمتر می باشد. بنابراین برای اینکه بتوان مطالعه را دقیق تر انجام داد باید به نکات زیر توجه نمود:

الف) درجه حرارت محیط

که بستگی به زمان و ساعت مطالعه دارد و چنانچه مطالعه و بر روی یک خط انتقال در شرابط پیک بار باشد باید دما در همان شرایط مدنظر قرار گیرد و ضمنا برای یک خط لزوما یک دمای مشخص در نظر نمی گیریم و می توان برحسب عبور خط از مناطق با شرایط اقلیمی متفاوت، متوسط دما را در نظر گرفت.

ب) تابش خورشید

فاکتور دیگر افزایش درجه حرارت هادی تحت تاثیر تابش مستقیم خورشید می باشد، که این افزایش در شب صفر و در ظهر شرعی ماکزیمم می باشد پس برحسب اینکه پیک مصرف یک منطقه در شب باشد یا روز محاسبات تلفات را تحت تاثیر قرار می دهد.

ج) جریان الکتریکی

جریان الکتریکی عاملی است که می تواند مقاومت هادیها را تا درصد بالایی افزایش دهد. در مورد شبکه های شعاعی امکان محاسبه جریان عبوری میسر می باشد ولی در شبکه های به هم پیوسته باید با اعمال تغییراتی در برنامه کامپیوتری پخش بار به این مهم دست یافت.