کابل های HTS

.sOuDeH. · 15 بهمن، ۱۳۹۱

كابلهاي High Temperature Superconductor HTS

درتمامی جهان ، تأسیسات الکتریکی با یک چالش مواجه اند؛ عبور دادن مقدار بیشتری انرژی از درون شبکه های توزیع شهری برای رفع نیاز رو به افزایش مصرف کننده ها در قرن بیست و یکم.به علاوه، آنها باید مصرف کننده ها را از قطعی های نابهنگام در اثراین اضافه مصرف محافظت کنند.یک تکنولوژی انقلابی در ساخت کابلهای برق ابداع شده که مدعی است می تواند بر هر دو مشکل ذکرشده در بالا غلبه کند. کابلهای جدید از مواد ابررسانا درجه حرارت بالا یا HTS ساخته شده اند و می توانند انرژی الکتریکی 150 برابر یک سیم مسی معمولی با همان قطر را انتقال دهند.هنگامی که ابررسانا در یک کابل استفاده می شود مانند یک رسانای خیلی خوب عمل می کند البته در صورتی که چند شرط برای کارکرد آن رعایت شده باشد. مهمترین شرط این است که مواد ابررسانا باید در زیر درجه حرارت بحرانی خود قرار بگیرند تا خاصیت ابررسانایی خود را نمایش دهند. این امر سبب می شود که چنین کابلی نیاز به یک خنک کننده دائمی نیتروژن مایع داشته باشد. نیتروژن مایع نسبتا ارزان و از نظر محیط زیستی کم خطر است و می تواند جانشین روغنهایی شود که به صورت معمول در بسیاری از کابلهای توزیع در شهرها استفاده می شوند.

با استفاده از کمتر به بیشتر برسید: سیمهای نازک HTS می توانند تا 150 برابر یک سیم مسی با همان قطر انرژی الکتریکی را منتقل کنند.

نیم نگاهی به یک تکنولوژی جدید

مجله پاورمگزین با جک مک کال ، مدیر توسعه کسب و کار شرکت ابررسانای آمریکا (American Superconductor) مصاحبه ای انجام داده است. این کمپانی مسئول توسعه کابلهای جدید HTS بوده است. وی می گوید:"دانستن اصول کار کابلهای HTSنقطه خوبی برای بحث درباره مزایای آن است. این کابلها دارای 4 مشخصه هستند که آنها را از کابلهای معمولی مسی متمایز می کنند:1- ظرفیت انتقال توان بالا.2- امپدانس خیلی کم.3-سادگی نصب و راه اندازی.4- انتخاب گزینه محدود کننده جریان خودکار.مک کال توضیح می دهد که ظرفیت انتقال بالا به کابلهای HTS با هر ولتاژی این مزیت را می دهد تا 150 برابر توان را نسبت به سیمهای مسی مشابه انتقال دهد. برعکس، این امکان وجود دارد که یک کابل HTS بتواند در ولتاژی کمتر ،نسبت به کابلهای مسی، کار کند. به عنوان مثال، یک کابل 15کیلوولت HTS می تواند 100 مگاوات توان را انتقال دهد که برای انتقال این توان با کابلهای مسی باید از کابلی با ولتاژ69کیلوولت استفاده کنیم.امپدانس کمتر کابلهای HTS، در مقایسه با کابلهای مسی، سبب می شود که تلفات کمتری در شبکه داشته باشیم. در یک شبکه کابل HTSبه دلیل امپدانس کمتر جریان مسیرهای موازی خود را به خود جذب می کند و توان تلف شده در کابلهای موازی خود را نیز کاهش می دهد. البته توان استفاده شده در سیستم خنک کننده کابلهای HTSمقداری از این مزیت را خنثی می کند.براساس اظهارات مک کال ، 2مشخصه کابلهای HTS در کنارهم نیازهای نصب آنها را کاهش می دهند. اولین مشخصه این است که کابلهای HTS میدان مغناطیسی اندکی تولید می کنند. این امر نیازهای عملیاتی را کاهش می دهد و نیاز به کم کردن ظرفیت کابلها را هنگامی که قرار است در کنار دیگر کابلها یا در کانالهای زیرزمینی قرارگیرند برطرف می سازد. مزیتهای زیست محیطی و عمومی ناشی از فقدان میدانهای مغناطیسی نیز اینجا ظاهر می شوند. در ثانی، هنگامی که کابلها در لفاف سیستم خنک کننده قرارمی گیرند نیازی نیست تا ظرفیت کابل را به دلیل دفن در خاک، عمق و... کمتر از حد استاندارد در نظر بگیرند. بنابر این، کابلهای HTSدر مکانهایی که حق مالکیت صاحبان اماکن به دارندگان شبکه برق فشار می آورند بهترین گزینه هستند.مک کال اشاره می کند که یک اختراع مهم دیگر شرکت او طراحی کابلهایی با امکان محدود کردن جریان خطا هستند. این کابلها در هنگام کار امپدانس بسیار اندکی دارند اما هنگامی که خطایی در شبکه رخ می دهد و جریانهای اتصال کوتاه زیادی باید از کابل عبور کنند کابلهای HTSمقاومت بسیار زیادی از خود نشان می دهند که منجر به کم شدن جریانهای اتصال کوتاه می شود.

مشخصه برودتی

یکی از مشخصات عجیب کابلهای HTS این است که این کابلها حتما باید در دمای پایین کار کنند. در نتیجه این نیاز، کابلهای HTSبه گونه ای طراحی شده اند که یک سیستم ویژه خنک کننده دائما از آن پشتیبانی کند.مک کال می گوید:" تمام مواد ابررسانای شناخته شده دو وضعیت عادی و ابررسانا دارند. برای رسیدن به خاصیت ابررسانایی ماده باید در دمایی زیر دمای بحرانی خود قراربگیرد، جریانی کمتر از جریان بحرانی را عبور دهد و در محیطی با میدان مغناطیسی کمتر از میدان مغناطیسی بحرانی کارکند. سیستم خنک کننده ای باید در کابل وجود داشته باشد تا نیاز مواد ابررسانا را به دمای پایین تأمین کند. در کابلهای HTSنیتروژن مایع بین لایه های کابل جریان دارد تا آنها را به زیر دمای منفی 200درجه سانتیگراد برساند و به علاوه به عنوان یک عایق بین لایه مرکزی و لایه های بیرونی تر کابل عمل کند.یک کابل HTSاز چند سیم هم محور ابررسانا تشکیل شده است و عایق ایزولاسیون الکتریکی مغزی کابل را به همراه ماده خنک کننده انجام می دهد. این روش به طراحی "عایق سرد هم محور" معروف است. این کابل توسط نکسان ،یکی از بزرگترین تولید کنندگان کابل در جهان، طراحی و ساخته شده است.

سرماساز بزرگ-نیتروژن مایعی که بین سیمهای کابل HTS جریان دارد می تواند آنها را تا 200 درجه سانتیگراد زیر صفر خنک کند. نیتروژن مایع از فرآیند مایع سازی هوا گرفته می شود.

از آزمایشگاه تا دنیای واقعی

شرکتهای توزیع برق آمریکا استفاده از کابلهای HTS را آغازکرده اند. مک کال می گوید:" کابلهای ما مزیتهای خود را در شبکه های برق اثبات کرده اند و اکنون در شبکه ها مورد استفاده قرارمی گیرند. در طی دو سال گذشته 3 کابل HTS در آمریکا برقدار شده اند. امروزه کابلهای سوت وایر تا 3000 آمپر را تحت ولتاژ 13.2 کیلوولت در کلمبوس اوهایو انتقال می دهد. در سال 2006 شبکه برق سراسری در آلبانی نیویورک یک شبکه توزیع HTSرا برقدارکرد. دو کابل HTSنیز در کره و چین نصب شده اند.در آوریل 2008، شرکت لیپا اولین شبکه انتقال HTS تجاری جهان را نصب و برقدارکرد. کابل 138 کیلوولت طراحی شده توسط نکسان به طول نیم مایل توسط لیپا نصب شد و قویترین شبکه HTSجهان را بوجود آورد.

این عکس نصب اولین مرحله کابل HTS را در لانگ ایسلند نشان می دهد.

شبکه نصب شده توسط لیپا با 574 مگاوات توان قادر است تا مصرف برق 300 هزار مصرف کننده خانگی و تجاری را در ناسائو و سوفولک کانتی نیویورک تأمین کند. این خط138 کیلوولتی دارای 3 کابل جداگانه HTS می باشد که به صورت موازی با هم کار می کنند و در آوریل 2008 رسما به شبکه پیوسته اند.

پیشگام در صنعت برق- اولین شبکه قدرت HTS جهان در لانگ ایسلند نصب شده است.این سیستم از 3 کابل مجزا تشکیل شده است که در کانالی به عمق 1.2 متر جای گرفته اند.

براساس اظهارات مک کال شرکت کون اد در حال نصب یک شبکه با ظرفیت 4000 آمپر به همراه محدود کننده خودکار جریان در مانهاتان نیویورک می باشد و شرکت انترژی در مراحل اولیه نصب یک خط به ظرفیت 2000 آمپر در نیواورلئان است.

نیازهای عملیاتی ویژه

مک کال اشاره می کند که کابلهای HTS نیازهای ویژه ای دارند که برای کابلهای معمولی درنظرگرفته نمی شوند. شبکه ای که از این گونه کابلها استفاده می کند باید دارای پستهای ثابتی باشند تا دسترسی به تعمیرات دوره ای سیستم خنک کننده را تضمین کنند. در کابلهای دارای محدودیت جریان خودکار باید تنظیم رله های حفاظتی شبکه به دقت انجام گیرد و امپدانسهای کابل در حالت وجود خطا کاملا درنظرگرفته شود. درعوض نیازی نیست تا ضرایب کم کردن جریان را در هنگام نصب در کانالها و یا زیر زمین بر این کابلها اعمال کنیم.او تأکید می کند که محصولات شرکتشان را می توان در هر جای شبکه های انتقال بکارگرفت. سیستم HTS عبارت است از کابلها، کابلشوها، سیستم خنک کننده و کنترلرهای مربوطه. به صورت عمومی، کابلهای HTS باید در پستهای برق به کابلشوهایی وصل شوند که از کابلشوهای عادی بکارگرفته شده در کابلهای مسی بزرگتر می باشند. در پستهای برق باید فضای مورد نیاز برای سیستم خنک کننده نیز در نظر گرفته شود.

ملاحضات اقتصادی

مک کال می گوید:" قیمت تمام شده کابلهای HTS امروزه خیلی گران است که علت عمده آن حجم تولید اندک آنها می باشد." او اضافه می کند که نسل دوم این کابلها بسیار ارزانتر تمام خواهند شد و اگر هزینه کیلوآمپر-متر آن نسبت به کابلهای مسی سنجیده شود تولید انبوه آن حتی از کابلهای مسی نیز به صرفه تر خواهد شد.قیمت کابلهای HTS باید با مزیتهای آنها سنجیده شود. به عنوان نمونه، یک کابل HTS می تواند جانشین 8 کابل مسی شود که نیاز به کندن خیابانها را کاهش می دهد یا تعداد دژنکتورهای شبکه را کم می کند و تمامی این مزایا باید در هنگام بررسی پروژه در نظر گرفته شوند. هرچه کابلهای HTS بیشتری بکارگرفته شوند ظرفیت شبکه بالاتر می رود و در نتیجه قیمت کابل و سیستم خنک کننده کاهش خواهدیافت و ارزش اقتصادی سیستم بالاتر خواهدرفت.مک کال می گوید: "درخواستهای اولیه خیلی باارزش خواهند بود." او می افزاید:" کابلهای HTS در ابتدا باید ارزش خود را در محیط شهری ،که به قدرت بالا نیاز است و مالکین اجازه عبور کابلهای قدرت را به سختی می دهند، نشان دهد. هر چه قیمت تولیدی کاهش پیداکند قدرت رقابت آنها بیشتر و بیشتر خواهد شد به ویژه در فواصل کوتاه و متوسط با قدرت بالا که امروزه کابلهای زیرزمینی با ولتاژ بالا در آنها بکارگرفته می شوند.

دورنمای آینده

شبکه های قدرت آمریکا دوره ای از سرمایه گذاری و طراحی مجدد را در چند دهه آینده از سرخواهندگذراند. نیاز به اضافه کردن خطوط انتقال جهت اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه سراسری بیشتر خواهدشد. به هرحال، افزایش ساده جمعیت یا نیازهای جدید صنعتی مانند استفاده از اتوموبیلهای برقی مصرف برق را در مناطق شهری به صورت معنی داری بالاخواهد برد و فشار بیش از اندازه ای را به شبکه های برق وارد خواهد ساخت.مک کال می گوید:" بزرگترین چالش در راه گسترش کابلهای HTSهمانا مسئله آموزش و اطلاع رسانی به کارخانه هاست. بیشتر افرادی که درگیر برنامه ریزی و مهندسی پروژه ها هستند اطلاعاتی از ویژگی های منحصر به فرد و توانایی های کابلهای HTSندارند. دست کم در هر تأسیسات الکتریکی یک مشکل وجود دارد که استفاده از کابلهای HTSرا شاید نه بهترین گزینه اما گزینه ای باارزش و مناسب می سازد. تا زمانی که این کابلها به عنوان جزء فعالی از شبکه های برق درنیایند گسترش واقعی تأسیسات و شبکه های انتقال رخ نخواهدداد.این کابلها ابتدا برای تقویت شبکه های برق شهری و افزایش قابلیت اعتماد و بالابردن ظرفیت تأسیسات بدون ساختن کردن پستهای برق جدید بکارخواهندرفت. این امر ممکن است که با استفاده از کابلهای HTS برای تزریق مقدار زیادی توان از خطوط انتقال به مراکز مصرف ادامه پیداکند. حذف تراکم شبکه های برق و خطوط پراکنده شده در مناطق قدم منطقی بعدی خواهد بود. به علاوه، انیستیتو تحقیقات برق قدرت قبلا استفاده از کابلهای HTS را برای انتقال جریان مستقیم (HVDC)تا فاصله 600 مایل و با ظرفیت 10 گیگاوات بررسی کرده است.شرکتهای تولید کننده بهبود روشهای تولید کابل HTS را ادامه خواهد داد و همچنین ظرفیت هر کابل را بالا و بالاتر خواهند برد. همچنین کار بر روی روشهای خنک سازی مؤثرتر و کم هزینه تر دنبال خواهدشد. این ابداعات تا آنجا ادامه پیداخواهند کرد تا تقاضا برای این کابلها افزایش پیداکند و کارخانه های بیشتری به تولید آن روی آورند."

.sOuDeH. · 15 بهمن، ۱۳۹۱

تعداد مواد HTS که تا به حال شناخته شده‌اند چندان زیاد نیست و از این تعداد تنها دو گروه به لحاظ اقتصادی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این دو گروه شامل BSCCO (یا هادی نسل اول) و YBCO (یا هادی نسل دوم) می‌باشد که نام آنها نمایان‌گر ترکیب شیمیایی آنها است. هر دو گروه از نوعی سرامیک ساخته می‌شوند که به دلیل شکنندگی، مانند هادی‌های فلزی قابلیت شکل بندی خوبی ندارند. علاوه بر این ترتیب قرارگیری کریستال‌های موجود در سرامیک، باید در راستای طول هادی باشد و وجود هر گونه آلودگی در آن باعث افزایش مقاومت می‌شود. بنابراین ساخت یک کابل ابررسانا بلند چندان ساده نیست.در شکل زیر دو گروه اصلی این سیم‌ها نشان داده شده است. هر یک از این سیم‌ها، چگالی توان بالا و مقاومت الکتریکی کمی دارند، اما تفاوت آنها در نوع ماده ابررسانا، تکنولوژی ساخت و کاربرد آنها است.

در نمای نزدیک شکل سمت چپ ساختار داخلی سیم HTS ، که ترکیبی از چند رشته (نسل اول یا 1G) است نمایش داده شده است. این سیم محصول شرکت AMSC است و حدود 20 کشور در سطح دنیا در کاربردهای مختلف از آن استفاده می‌کنند. شکل سمت راست نیز ساختار نسل دوم (2G) سیم‌های ابررسانای شرکت AMSC که دارای 344 یا 348 هادی ابررسانا است، نشان می‌دهد. این محصول از سال 2005 به بازار معرفی شد و دارای 100 متر طول و عرض 4 سانتیمتر مطابق شکل زیر می‌باشد.

این سیم‌ها همان‌طور که قبلاً اشاره شد در مقایسه با سیم‌های سنتی مسی، چگالی توان بالایی دارند و کاربردهای بسیاری در تجهیزات الکتریکی دارند. خوشبختانه کریستال‌های موجود در ابررسانای BSCCO با استفاده از فشار مکانیکی مناسب،

در وضعیت مطلوب قرار می گیرند ولی به دلیل استفاده از نقره در ساختار این ابررسانا، قیمت تمام شده آن نسبت به مس خیلی بیشتر می‌باشد. هادیهای YBCO نسبت به BSCCO ارزانتر هستند. یک ابررسانای HTS حدوداً قادر به حمل جریان تا 150 برابر یک هادی مسی معمولی است. در شکل زیر مقدار سیم مسی و نوار HTS لازم برای انتقال توان یکسان مقایسه شده است.

یکی از خواص مهم ابررساناها، مقاومت الکتریکی بالا به ازای دمای بیشتر از دمای بحرانی یا در اثر افزایش بیش از حد میدان مغناطیسی اطراف آن می‌باشد. در صورتی که بتوان دمای یک ابررسانا را کاهش داد، این حد میدان مغناطیسی قابل تحمل افزایش می یابد. همچنین نوسانات موجود در میدان مغناطیسی باعث کاهش هدایت در ابررسانا می‌شود. پس می‌توان گفت ابررساناها در برابر جریان AC (جریان متناوب) از خود مقاومت نشان می‌دهند. بنابراین در کاربردهای جریان متناوب HTS (ترانسفورماتور، کابل انتقال انرژی الکتریکی و ...) نیاز به طراحی دقیق‌تر و دمای عملکرد پایین‌تری است.

به دلیل داشتن چگالی جریان بیشتر و مقاومت کمتر، هادی‌های HTS می‌توانند جایگزین مس (و دیگر هادی‌های فلزی) در کابل‌های برق و کاربردهایی که در آنها از میدان‌های مغناطیسی قوی استفاده می‌شود (برای مثال آهنرباهای الکتریکی، ترانسفورماتور، ژنراتور و موتورهای الکتریکی) شوند. با وجود این مزایا و همچنین قیمت رو به کاهش ابررساناها، قیمت بسیار بالای تجهیزات مورد نیاز برای تبرید ابررسانا (شامل قسمت‌های خنک کننده)، به لحاظ اقتصادی قابل توجه است. می‌توان نتیجه گرفت که زمانی استفاده از ابررسانا مقرون به صرفه است که سود استفاده از مزایای آنها بیشتر از هزینه سیستم سرمایشی باشد. مخصوصاً در مواردی که به جز ابررسانا، تجهیزات دیگری نیز به دمای بسیار پایین نیاز داشته باشند.

با توجه به خصوصیتهای الکتریکی ومغناطیسی ابررساناها، تجهیزات مختلفی ساخته شده و پروژه‌های متعدد تحقیقاتی نیز برای توسعه کاربرد آنها در زمینه‌های گوناگون در دست انجام است. شکل زیر محدوده کاری کاربردهای ابررساناها را با توجه به ملزومات جریانی، دمایی و میدانی نشان می‌دهد.