تلفات در سيستم قدرت و راهكارهاي كاهش آن

[saghar... 6,666]

یکی از پارامترهای مهم در یک سیستم قدرت تلفات سیستم است که میزان بهینه بودن و راندمان و هزینه های طولانی مدت بهره برداری از سیستم را تعیین می نماید.اما در تعریف تلفات از دیدگاههای مختلف جملات مختلفی به کار برده شده است:یک دیدگاه در ارائه این تعریف دیدگاه شرکتهای برق میباشد که در بیان این گروه تلفات به تفاضل انرژی ورودی به انرژی مصرفی اطلاق می شود.در هر دو تعریف فوق تلفات شامل تلفات فنی و غیر فنی میباشد که تلفات فنی مربوط به ساختار ذاتی و نوع طراحی و اجرای سیستم قدرت میباشد و تلفات غیر فنی شامل تلفاتی است که در تجهیزات اندازه گیری و حفاظتی یک سیستم قدرت ایجاد می شود.

 

 

در يك ديدگاه عمومي تر تلفات عبارتست از آن بخش از توان الكتريكي كه به كار مفيد تبديل نشود.

اما از ديدگاه ملي تلفات انرژي الكتريكي شامل تمامي اتلافهاي انرژي الكتريكي در تمامي مراحل سيستم قدرت شامل بخشهاي توليد، انتقال و توزيع ميباشد و در اين تعريف نه تنها تلفات فني و غير فني بلكه تمامي الگوههاي غلط مصرفي از سوي مصرف كنندگان نيز شامل تلفات انرژي الكتريكي محسوب مي شود.

تلفات در يك سيستم قدرت از مجموع تلفات در هر سه قسمت توليد،انتقال و توزيع انرژي الكتريكي حاصل مي شود اما معمولا شركتهاي برق تلفات در بخش توليد را براي طراحيها و بهينه سازي سيستم در نظر نمي گيرند به همين دليل در اين گزيده هم براي بخش توليد به مختصر اشاره اي اكتفا مي شود.

 

در نيروگاهها تلفات بر اساس ساختار و نوع نيروگاه دسته بندي مي شوند.در نيروگاه هاي فسيلي كه بخش عمده و اصلي تلفات را در نيروگاههاي ما تشكيل ميدهند بيشترين بخش تلفات مربوط به نيروگاههاي گازي است كه علاوه بر اينكه در اين نيروگاهها چيزي حدود 80% انرژي ورودي به صورت تلفات گرمايي در فضاي نيروگاه منتشر مي شود. علاوه برآن ساختار اين نيروگاهها به گونه ايست كه فقط براي مدتي كوتاه و موقت و جهت تامين بار در ساعات پيك مصرف در مدار قرار ميگيرند و در صورت كاربرد آن در مدت زمان طولاني هزينه هاي مربوط به آسيب تجهيزات نيز به تلفات نيروگاه اضافه مي شود.البته اين مشكلات در نيروگاههاي بخار و به خصوص سيكل تركيبي تا حدودي بهبود پيدا نموده است كه همين امر باعث گرايش بيشتر سياستگذاران صنعت برق كشور به احداث نيروگاههاي سيكل تركيبي شده است.

در بخش انتقال يك سيستم قدرت عمده ترين تلفات شامل موارد زير ميباشند:

1- تلفات اهمي خطوط انتقال و فوق توزيع

2- تلفات ناشي از پديده كرونا در خطوط و پستها

3- تلفات ناشي از نشتي جريان

4- تلفات مربوط به ترانسفورمرهاي قدرت در پستها

5- تلفات ناشي از فرسودگي تجهيزات خطوط و پستها

6- تلفات ناشي از پخش بار نامناسب

7- تلفات ناشي از عبور توان راكتيو از خط انتقال

8- تلفات مربوط به تجهيزات پستها به خصوص راكتورها و تا حدودي كاپاسيتورها

در حوزه توزيع سيتم قدرت نيز عمده ترين تلفات شامل موارد زير مي باشند:

1- تلفات ناشي از ترانسفورمرهاي توزيع

2- تلفات ناشي از نامتعادلي بار

3- تلفات مربوط به شبكه هاي توزيع آلوده به هارمونيكهاي جريان

4- تلفات اهمي خط

5- تلفات ناشي از اتصال زمين نامناسب

6- تلفات ناشي از پايين بودن ضريب قدرت شبكه

[saghar... 6,666]

در اينجا در ابتدا به بررسي مهمترين عوامل تلفات در حوزه انتقال انرژي الكتريكي مي پردازيم:

در خطوط انتقال بيشترين قسمت از تلفات الكتريكي ، مربوط به تلفات اهمي خط است.هرچند در طراحي سيستم انتقال قدرت با ايده افزايش سطح ولتاژ انتقال،ميزان تلف توان اهمي خط را به ميزان قابل توجهي كاهش ميدهند ولي ملاحظات اقتصادي و همچنين افزايش تلفات در ابعاد ديگر باعث محدوديت افزايش سطح ولتاژ از يك ميزان معين ميشود.يك راهكار ديگر جهت كاهش تلفات اهمي خط افزايش مقطع هادي است كه اين امر نيز داراي محدوديت هاي اقتصادي و طراحي است.

تلفات ناشي از پديده كرونا نيز بخش از تلفات را در يك سيستم قدرت را شامل مي شود كه عمدتا در شبكه هاي انتقال با سطح ولتاژ بيش از 230 كيلو ولت بسته به ميزان رطوبت هوا و اوضاع جوي ميزان آن قابل چشم پوشي نخواهد بود راهكار كاهش تلفات كرونا باندل نمودن خط است كه عليرغم اينكه بار هزينه اي در اجرا دارد باعث كاهش شديد كرونا و همچنين افزايش ظرفيت و پايداري خط به دليل كاهش راكتانس خط و افزايش سوسپيتانس خط مي شود. ميزان تلفات مجاز كرونا در يك خط 230 كيلو ولت و در هواي خوب 6/. كيلو وات به ازاي هر كيلومتر و در يك خط 400 كيلو ولت 1 كيلو وات به ازاي هر كيلومتر است كه البته در هواي برفي و يخبندان اين ميزان ممكن است تا 10 برابر ميزان ذكر شده افزايش يابد.

پديده موسوم به نشتي جريان كه عمدتا شامل جريانهاي خزشي سطح مقره ها و تلفات عايقي يا دي الكتريكي ايزولاتورها مي باشند بخش ديگري از تلفات شبكه انتقال را رقم ميزنند.مهمترين عامل در بروز اين پديده نشست املاح آلوده و نمكي بر سطح مقره ها ميباشد كه با توجه به ميزان رطوبت هوا اين باعث افزايش رسانش مقره مي شود كه ممكن است علاوه بر نشت جريان موجب ايجاد قوس در سطح زنجيره مقره و در نتيجه تركيدگي(پنچري) مقره و در نهايت اتصال كوتاه و trip خط شود.اين موضوع به خصوص در مناطق نوار جنوبي كشور به خاطر وجود املاح زياد در هوا و همچنين شرجي بودن منطقه مشكلات بيشتري را به همراه دارد البته مناطق شمالي نيز داراي هواي شرجي هستند اما به خاط تميز بودن هوا از املاح صنعتي و نمكي و به خاطر حرارت موجود در زنجير مقره مشكل چنداني ايجاد نمي شود.راهكاري كه براي حذف و يا كاهش تلفات به شكل مذكور انديشيده مي شود اغلب مربوط به هنگام طراحي مقره است كه با زياد نمودن طول مسير جريان و طراحي فيزيكي مقره به صورت شيارهاي عميق بين دو برجستگي چتر مانند، اين مشكل به خاطر عدم نفوذ آسان رطوبت و آب با شيارهاي دروني تا حدودي بهبود ميابد اما اين شيارها در مناطق آلوده استعداد پذيرش آلودگي بيشتري را داراست.يك راه ديگر براي حل اين موضوع شستشوي دوره اي مقره ها در دوره هاي تعمير و نگهداري زمان بهره برداري از سيستم است كه يا با اعمال خاموشي در سيستم و توسط نيروي انساني صورت ميگيرد يا بدون خاموشي و توسط رباتهاي مخصوص اين كار،انجام مي پذيرد.

ميزان اتلاف توان ناشي از نشت جريان در مقره هاي خطوط انتقال وابسته به سطح ولتاژ انتقال،رطوبت و اوضاع جوي محيط و نوع آرايش زنجير مقره(كششي ، آويزي، v ،دوبل يا تكي) است.

تلفات ناشي از ترانسفورمرهاي قدرت در پستهاي انتقال و فوق توزيع بعد از تلفات اهمي خط بيشترين قسمت از تلفات كل سيستم قدرت را شامل مي شود.اين تلفات معمولا به صورت درصدي از ظرفيت نامي ترانسفورماتور بيان مي شود و همانگونه كه در درس ماشينهاي الكتريكي بارها به آن پرداخته ايد شامل دو قسمت تلفات ثابت يا بي باري و تلفات متغير يا بارداري مي باشد.

تلفات بي باري بخشي از تلفات ذاتي و ثابت ترانسفورماتور است كه ميزان آن به تكنولوژي و مواد به كار رفته در هسته آهني ترانسفورمر است و با بهبود كيفيت ورقهاي فولاد سليكوني به كار رفته در هسته طبق يك برآورد صورت گرفته ميتوان تا حدود3682/224 ميليون كيلووات ساعت انرژي در سال صرفه جويي نمود.

اما تلفات بارداري ترانسفورمر قدرت ناشي از ميزان بار مصرفي ترانسفورماتور است و شامل تلفات مسي(اهمي) سيم پيچهاي ترانس، تلفات فن ها،پمپ ها، تلفات ناشي از جريان فوكو در سيم پيچها و تلفات ناشي از فلوي سرگردان ايجاد شده در بخشهاي فلزي مانند تانك است.تلفات ترانسفورمرهاي قدرت معمولا در حدود 5/2% ظرفيت نامي ترانس بيان مي شود و جز بهينه سازي در طراحي و ساخت ترانس راهي ديگر جهت كاهش اين تلفات به كار نميرود و آن را جزئي بديهي و لاينفك در نظر ميگيرند البته ايجاد نقص در سيستم تهويه ترانسفورمر مي تواندافزايش تلفات ترانس را از اين ميزان قابل قبول به همراه داشته باشد كه جهت اين امر بايد صحت ادوات مختلف تهويه اي ترانس را به صورت دوره اي بررسي نمود.

فرسودگي تجهيزات يكي از عوامل مهم تلفات در كشور ما ميباشد. معمولا گذشت زمان خاصيت رسانايي هادي هاي مسي را كاهش داده و منجر به افزايش مقاومت وصل كليدهاي قدرت((breaker مي گردد. تلفات آهني هسته ترانسفورماتورها، ctها و cvtها با افزايش عمر روندي صعودي در پيش ميگيرند و همچنين تلفات عايقي تمامي تجهيزات به دليل ضعف عايقي ناشي از طول عمر، بشدت بالا مي رود. براي كاهش تلفات به اين شكل انجام خدمات مربوط به تعمير و نگهداري تجهيزات و تستهاي دوره اي منظم pm جهت كنترل فرسودگي قطعات عمدتا گران قيمتي كه در صنعت برق به كار ميروند بسيار ضروري و الزام آور مي باشد

تجهيزات به كار رفته در پستهاي فشار قوي نيز بخشي از تلفات لاينفك يك سيستم قدرت را شامل مي شوند كه عمده ترين اين تجهيزات راكتورها هستند كه چيزي در حدود 20 تا 30 درصد توان نامي خود را به شكل گرما هدر ميدهند هرچند تعداد راكتورهايي كه در شبكه انتقال به كار ميرود در مقايسه با ترانسفورماتورها بسيار كمتر و قابل چشم پوشي است ولي ميزان اتلاف توان نيز در آنها مقدار كمي نيست.بخش ديگر تلفات در تجهيزات پستها مربوط به كاپاسيتورها و ساير ادوات مانند ct ها و cvt ها است كه ميزان آن قابل چشم پوشي است.

از بخش انتقال در يك سيستم قدرت بگذريم وارد بخش توزيع خواهيم شد.جالب اينجاست كه در بخش توزيع عليرغم كاهش تجهيزات و ادوات به كار رفته در مقايسه با بخش انتقال و با در نظر گرفتن نسبتهاي مساوي از نظر طول مسير و ... تلفات در بخش توزيع به مراتب بيشتر از تلفات در بخش انتقال است كه دليل اين امر تعدد ترانسفورمرها در شبكه هاي توزيع است.

در بخش توزيع انرژي الكتريكي عمده ترين هدر دهنده انرژي ترانسفورماتورهاي توزيع هستند كه معمولا تلفات توان در شرايط استاندارد 5/2% ظرفيت اسمي ترانسفورماتور است.

نامتعادلي بار با افزايش تلفات اهمي در فازها و افزايش تلفات اهمي در نول نيز باعث افزايش تلفات اهمي مي شود كه تنها راهكار اين مقوله دقت در انشعاب گيري از فازها جهت مصرف كنندگان با توجه به ميزان مصرف عمومي آنهاست.

[saghar... 6,666]

سيستم زمين نامناسب و يا فرسوده نيز يك دليل ديگر افزايش تلفات در سيستم توزيع است،وجود اين مشكل باعث مي شود مقاومت الكتريكي زياد گشته و اين مساله در سيستم هاي نامتعادل منجر به عدم تعادل ولتاژ و تلفات انرژي ناشي از آن شود. تلفات ذاتي ترانسفورماتورها ، تجهيزات اندازه گيري و ...

همانطور كه مي دانيم ، سيستم توزيع بعنوان جبهه سيستم قدرت بطور جدي از بارهاي خود تاثير مي پذيرد .

بسياري از بارهاي جديد سيستم قدرت داراي ماهيت غير خطي مي باشند . اين بارها كه بدليل پيشرفت صنعتي و مزاياي خود هر روزه در حال افزايش مي باشند ، عمدتا از تجهيزات الكترونيك قدرت استفاده مي كنند كه جريان غير سينوسي از شبكه اخذ مي نمايند . موارد عمده اين تجهيزات عبارتند از لامپهاي كم مصرف ، ups ها ، كامپيوتر ها ، asdها ، درايوها ، تجهيزات سوئيچينگ و...

از طرف ديگر بارهاي الكتريكي داراي هسته آهن اشباع پذير ، نظير ترانسفورماتورها و موتورهاي الكتريكي ، در صورت اضافه بار شدن ، با ورود به ناحيه غير خطي منحني مغناطيسي خود جريان مغناطيس كنندگي غير خطي از شبكه اخذ مي كنند كه ايجاد هارمونيك ( بويژه هارمونيك هاي مضارب 3 ) از مضرات آن است. وجود جريانهاي آلوده به اين هارمونيكها علاوه بر اينكه باعث اختلال در ابزار مهندسي پزشكي و صدمه به خازنهاي اصلاح ضريب توان در كارخانجات صنعتي و...ميشود بدليل وجود مولفه هايي مزاحم از جريان باعث افزايش تلفات اهمي نيز ميشود تاجاييكه گاهي ممكن است دامنه مولفه سوم جريان تا حدود بيش از 20% دامنه اصلي جريان برسد.تنها راه حذف اين مولفه هاي مزاحم اجبار نمودن توليدكنندگان اين هارمونيكها به حذف هارمونيكهاي توليدي خود با استفاده از فيلترهاي مخصوص (عمدتا پايين گذر) در مصرف كنندگان بزرگ و كارخانجات صنعتي است كه البته عليرغم قيمت بالاي اين فيلترها خود اينگونه مصرف كنندگان جهت كاهش هزينه برق مصرفي خود به كاربرد اين فيلترها تمايل دارند.

پايين بودن ضريب قدرت بدليل همراه ساختن و افزايش مولفه سلفي جريان در خط كه عملا فقط يك افزايش دامنه بيهوده جريان است وعلاوه بر كاهش دامنه ولتاژ مصرف كنندگان كار مفيدي را نيز صورت نميدهد يك دليل ديگر تلفات در شبكه توزيع است كه چاره هميشگي آن كاربرد خازنهاي اصلاح ضريب توان بوده و هست.البته خود اين خازنها چيزي در حدود 0.1% تا 0.2% توان نامي خود را به خاطر نشت دي الكتريكي مصرف مي كنند و معمولا هزينه استفاده از اين خازنها را نيز به عنوان تلفات راكتيو خط در نظر مي گيرند.

عوامل خارجي موثر بر ميزان تلفات الكتريكي در يك سيستم قدرت:

1- درجه حرارت محيط: افزايش دما معمولا ذاتا باعث افزايش ميزان جريان درخواستي از منبع ميشود

2-توان دريافتي از تابش خورشيد: توان دريافتي از خورشيد باعث گرمتر شدن قطعات و قسمتهاي فلزي تجهيزات ميگردد كه نتيجه آن افزايش جريان ورودي به تجهيزات و فزوني يافتن تلفات در سيستم است تا جاييكه مجموعه عوامل ناشي از درجه حرارت و تابش خورشيد و اضافه بار (در محدوده مجاز) ميتواند بسته به شرايط تا 6/1 برابر، جريان ورودي را افزايش دهد.

3-فركانس: افزايش فركانس به دليل اثر پوستي افزايش مقاومت الكتريكي تجهيزات را رقم ميزند كه در نتيجه باعث افزايش توان هدر رفته مي شود.

4-تغييرات ضريب قدرت: ضريب قدرت سلفي پايين علاوه بر افت ولتاژ با همراه ساختن مولفه راكتيو جريان افزايش تلفات را در پي دارد از سوي ديگر ضريب قدرت خازني نيز خود افزايش ولتاژ و آسيب به تجهيزات و افزايش جريان و تلفات را در پي دارد كه در نتيجه بايد همواره ضريب قدرت در محدوده سلفي و كمي كمتر از يك نگاه داشت.

5-دامنه ولتاژ: افزايش دامنه ولتاژ انتقال در يك سيستم قدرت افزايش تلفات كرونا و تلفات ناشي از نشتي جريان را به دنبال دارد.

6-ميزان رطوبت: افزايش رطوبت هوا افزايش شديد تلفات كرونا را باعث مي شود تا جاييكه در هواي برفي و يخبندان تلفات كرونا تا 10 برابر هواي مناسب و معمولي افزايش ميابد علاوه بر آن رطوبت در صورت همراه بودن هوا با املاح صنعتي و نمكي باعث افزايش نشتي جريان نيز مي شود.

7-ميزان آلودگي هوا: وجود آلودگي در هوا باعث افزايش نشتي جريان از سطح مقره ها مي گردد.