پروژه کارآموزی آشنایی کلی با سیستم قدرت الکتریکی

تاسیسات الکتریکی

آشنایی کلی با سیستم قدرت الکتریکی .

تاریخچه

فکر استفاده از منابع انرژی موجود در طبیعت در راه انجام مقاصد، از روزگاران نخست با بشر همراه بوده است. در ابتدا تنها انرژی قابل استفاده صرفا نیروی بدنی بود که این قدرت را در تمدن های پیشرفته به وسیله اهرم ها و قرقره ها به صورتهای مختلف تبدیل می نمودند. اولین منابع انرژی خارجی که شناخته شد، استفاده از قدرت حیوانات و آب و باد بود که به منظور حمل بار، آماده ساختن زمین و کار انداختن آسیاب ها به کار گرفته می شدند.

تحول بزرگ در استفاده از منابع انرژی در حقیقت از زمان شناختن قدرت بخار آب توسط « جیمز وات» آغازشد که با ساختن ماشین بخار توانست برای بشر عصر جدیدی را آغاز نماید. از این پس سیر تکاملی استفاده از منابع انرژی طبیعت به سرعت صورت گرفت. به طوری که در حال حاضر با استفاده از توربین های آبی و بکاربردن قدرت اتمی در نیروگاههای هسته ای، مسئله تبدیل قدرتهای عظیم تا حدود زیادی حل شده است.

پس از شناخت منابع انرژی و تولید قدرت، موضوع قابل استفاده بودن و سهولت بکارگیری این انرژی پیش می آید.

برای اینکه انرژی تولید شده مفید واقع شود باید دارای خصوصیاتی باشد که عبارتند از:

قابلیت انتقال آسان.

راندمان انتقال بالا.

سهولت بکارگیری عمومی.

قابلیت کنترل توسط مصرف کننده .

قابلیت تبدیل به صورت های مختلف انرژی.

ویژگی هایی که ذکر شد در انرژی الکتریکی بیش از سایر انرژی ها جمع می باشد چراکه مثلا اگر انرژی مکانیکی را در نظر بگیریم، انتقال آن حتی به فاصله چند صد متر احتیاج به تجهیزات فوق العاده زیادی دارد و علاوه بر این راندمان انتقال آن نیز مناسب نمی باشد. در مرحله بعدی توزیع و کنترل آن برای مصرف کننده و تبدیل آن به صورت‌های دیگر انرژی به صورت مستقیم بی نهایت مشکل و حتی در مواردی غیر علمی است.

در صورتی که انرژی الکتریکی با وجود پیشرفتهایی که در این فن حاصل شده کلیه ویژگی‌های لازم را دارا می باشد. کنترل آن توسط مصرف کننده صرفا به وسیله چند کلید امکان پذیر بوده و تبدیل آن به انواع انرژی ها از قبیل مکانیکی، نورانی، حرارتی، شیمیایی و ... با لوازمی که ساخته شده در کمال سادگی و سهولت انجام می گیرد. بالاتر این که در محل مصرف دارای هیچ گونه آلودگی محیطی نیست.

با عنایت به ویژگی هایی که از انرژی الکترکی شناخته شد، فکر تولید و توزیع انرژی به صورت انرژی الکتریکی تقویت گردید تا این که انرژی الکتریکی اول بار به صورت جریان دائم تولید و توزیع شد و اولین خط انتقال مربوط به آن در سال 1882 توسط «اسکار میلر» و « مارلن دیرز» بین مونیخ و میر باخ کشیده شد.

مهمترین اشکالی که در تولید و توزیع انرژی الکتریکی به صورت جریان دائم به چشم می خورد، دشواری تبدیل ولتاژ در این سیستم بود، چون برای مصرف کننده احتیاج به ولتاژ محدودی بود و از این جهت خطوط انتقال و توزیع نیز نباید در این ولتاژ کار می کردند و از این نظر تلفات قدرت سیستم زیاد بود،به خصوص وقتی که تقاضای قدرت الکتریکی در منطقه ای افزایش می یافت.

در ولتاژ انتقال و توزیع محدود جریان دائم، دامنه جریان زیاد می گشت و این امر باعث افزایش مجذوری تلفات قدرت و در نتیجه پایین آمدن بازده سیستم می شد. برای رفع این نقیصه با توجه به رابطه افت قدرت 2p = R.I  یا بایستی سطح مقطع خطوط را قطورتر انتخاب می نمودند که خود باعث قوی تر شدن دکل ها، بست های مکانیکی ودر نتیجه غیر اقتصادی تر شدن سیستم می شد یا این که به نحوی بایستی دامنه جریان انتقالی را کاهش می دادند که این امر در جریان دائم با افزایش دامنه ولتاژ در توان ثابت انتقال امکان پذیر نبود. پس بنا به دلایل فوق این سیستم توزیع و انتقال انرژی در مسافتهای طولانی و مقادیر توان عظیم با مشکل مواجه شد و کارآیی خود را از دست داد.

با مطرح شدن ماشین های جریان متناوب سینوسی که از نظر ساختمان و نحوه ساخت، نسبت به ماشین های جریان دائم ساده تر بودند و با عنایت به این امر که تغییر سطح ولتاژ در سیستم جریان متناوب به سهولت انجام می پذیرد، برای تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی از سیستم تک فاز جریان متناوب سینوسی به جای جریان دائم استفاده گردید. علت انتخاب شک موج سینوسی علاوه بر سادگی تولید آن، ثابت ماندن شکل آن در تبدیل ولتاژ توسط ترانسفورماتورها بود، زیرا در غیر این صورت شکل موجی جریانی که در محل های مختلف در اختیار مصرف کننده ها قرار می گرفت متفاوت می شد و اشکالات زیادی در استفاده از انرژی الکتریکی پدید می آمد.

اما ایده آل نبودن سیستم تک فازه در بهینه کردن ماشین های تولید و تبدیل کننده انرژی الکتریکی و به ویژه عدم توانایی مطلوب آنها در ایجاد میدان دوار و ساده کردن تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی، باعث به وجود آمدن مشکلاتی در بهره برداری ازاین سیستم گردید . زمانی که «نیکلاتسلا» در سال 1888 مقاله ای راجع به سیستم تک فازه آشکار گشت.

به وجود آمدن سیستم دوفاز محققین را بر آن داشت که راجع به سیستم های چند فازه به طور کلی تحقق نمایند و تعداد فازهای سیستم بهینه را بدست آوردند. نیتجه این تحقیقات به تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی به صورت سه فاز منجر گردید. از این رو پس از سال 1891 که اولین خط انتقال سه فاز فرانکفورت و لاوفن نصب شد، توسعه سیستم های قدرت سه فاز رو به فزونی گذاشت و تا کنون نیز اساس تولید، انتقال و توزیع انرژی الکتریکی بر روی سیستم های سه فازه استوار است.

از مزایای این سیستم، بهینه شدن دستگاه های تولید و تبدیل انرژی با این روش و ثابت بودن قدرت لحظه ای مجموع سه فاز نسبت به زمان است. این امر تولید گشتاور ثابت در روی محور موتورها و نیاز به گشتاور ثابت برای ژنراتورها را باعث شد. علاوه بر این، سیستم انتقال و توزیع انرژی سه فاز دارای بازده بالاتری نسبت به سیستم انتقال و توزیع تک فاز است.

تولید و مصرف انرژی الکتریکی

بعد از آن که ویژگیهای انرژی الکتریکی شناخته شد، واحدهای کوچک عهده دار تولید و توزیع انرژی الکتریکی گردیدند. پیشرفت سریع در ساختن دستگاه های الکتریکی احتیاجات بشری را مرتفع می ساخت و مصرف انرژی الکتریکی را با نرخ زیادی روز افزون می نمود. زیاد شدن مصرف انرژی الکتریکی، وابستگی زیاد احتیاجات روزمره را به انرژی الکتریکی موجب گردید و به همین دلیل ضرورت تامین پایداری شبکه احساس شد.

بدین ترتیب تولید انرژی به صورت کوچک و واحدهای منفرد مطرود و واحدهای بزرگ تولید انرژی با یکدیگر برای تامین برق مصرف کنندگان مرتبط گردیدند و از آن رو شبکه های به هم پیوسته به وجود آمدند. عامل دیگری که در تسریع این امر کمک نمود هم زمان نبودن پیک مصرف نیروگاه های مختلف در مکان های مختلف و در نتیجه امکان کمک کردن نیروگاه ها به یکدیگر در تولید انرژی شبکه بود و در نتیجه بازده اقتصادی بالاتر و هزینه تولید انرژی الکتریکی را پایین می آورد.

مساله ای که ایجاد شبکه های انتقال هم پیوسته قدرت را باعث شد، علاوه بر عوامل فوق متمرکز نبودن مناطق مصرف و منابع انرژی بود. البته در این مورد از انرژی آب آبشارها و سدها می توان بدون هیچ گونه بحث و توضیح اضافی نام برد. لیکن در مورد نیروگاه های حرارتی چون انتقال سوخت به خصوص سوختهای مایع از طریق لوله ها باانتقال انرژی الکتریکی انجام می شود که طی این محاسبات با توجه به نزدیکی به مرکز باز، هزینه سوخت، هزینه تلفات و مسائل زیست محیطی بهترین محل برای نیروگاه انتخاب می شود.

به طور کلی برای تامین برق در حال حاضر معمولا از سه رده شبکه استفاده می‌شود، رده اول، شبکه های انتقال که دارای ولتاژهای بیش از 132 کیلو وات و به منظور انتقال قدرت های بزرگ در فواصل زیاد به کار می رود. رده دوم، شبکه های فوق توزیع، که ارتباط بین پست ها و نیروگاه های داخل یک منطقه محدود را از نظر تامین انرژی بر عهده دارند و دارای ولتاژی بین ولتاژ شبکه انتقال و شبکه توزیع انرژی می باشند. گاهی موارد به شبکه های فوق توزیع، شبکه زیر انتقال نیز اطلاق می شود. رده سوم، شبکه توزیع که صرفا مصرف کننده ها به آن وصل می گردند و ولتاژ این شبکه برای مصرف کننده های کوچک در ایران ‌‌[V] 380 و برای مصرف کننده های بزرگ [KV]20 می‌باشد. به طور کلی استانداری که برای ولتاژ شبکه های مختلف در ایران انتخاب شده عبارتست از : [V]380 ، [KV] 20 ،[KV] 63 ،[KV] 132 ،[KV] 330 و [KV] 400 .

وظیفه شبکه الکتریکی

یک شبکه الکتریکی خوب باید بتواند قدرت مصرفی مورد نیاز مصرف کننده را تحت ولتاژ ثابت و فرکانس ثابت تحویل دهد. لیکن در عمل ثابت نگهداشتن فرکانس عملی نمی گردد و همیشه در عمل فرکانس که مشخص کننده، تعادل بین تولید و مصرف شبکه است دارای تغییراتی برابر 5/0 %  می باشد. دلیل این تغییرات مداوم فرکانس، وجود تغییرات آنی و پیوسته در مصرف کنندگان است که به طور لحظه ای و به دلخواه از شبکه قطع و یا به آن متصل می شوند.

در مورد ولتاژ هم باید گفت که ثابت نگهداشتن آن در اثر تغییر مصرف و در نتیجه تغییر افت ولتاژ غیر عملی است و همواره دستگاه های الکتریکی باید به طریقی ساخته شوند که با تغییرات 5%  ولتاژ نامی نیز بتوانند به کار خود ادامه دهند.از این نظر در این زمینه برای شبکه هایی که مصرف کننده ای بدان متصل می گردد، برای ولتاژ تغییراتی تا محدوده فوق را مجاز می دانند.

انتقال و توزیع انرژی الکتریکی

صورت های مختلف انرژی در زندگی اجتماعی و اقتصادی جوامع بشری نقش مهمی ایفا می کنند، و این امر با رشد جمعیت جوامع و بالا رفتن سطح زندگی مردم سالانه افزایش قابل توجهی دارد و مصرف انرژی به صورت عمده در شکلهای مکانیکی، نورانی و حرارتی انجام می پذیرد. معمولا انرژی های مصرفی مستقیما از منابع انرژی‌های خام، مانند انرژی حرارتی ناشی از سوختن ذغال سنگ یا نفت بدست نمی‌آید، بلکه ابتدا انرژی خام به انرژی واسطی(که معمولا انرژی الکتریکی است) تبدیل شده و سپس به صورت های گوناگون مورد مصرف قرار می گیرد. علت انتخاب انرژی الکتریکی به عنوان واسطه (انرژی ثانوی) به دلایل زیر است:

1- انرژی الکتریکی را می توان به صورت کلان با هزینه کم و بازده خوب به وسیله خطوط انتقال انرژی الکتریکی به هر نقطه ای با سرعت زیاد منتقل نمود و در آنجا توزیع کرد.