توزيع برق

مقدمه
در دهه ۶۰ ظرفیت تولید انرژی الکتریسیته در آمریکا تقریبا دو برابر شد و میزان ۱۷۵GW به ۳۲۵GW رسید ( هر گیگاوات معادل ۱۰۹ وات است . ) پس میزان در سال ۱۹۷۴ به ۴۷۴GW و تا سال ۱۹۸۰ به ۶۰۰GW رسیده بود . در پایان سال ۱۹۹۳ ، از ۷۰۰GW نیز گذشت . پیش بینی می شود که تا سال ۲۰۱۰ تولید باید به میزان ۲۱۰GW افزایش یابد که در نتیجه میزان مصرف برق آمریکا به یک TW می رسد ( هر تراوات ۱۰۱۲ وات است . ) .

تنها ۲۰% ظرفیت فوق در حال احداث است .
مصرف رو به رشد الکتریسته معمولا بیشتر از تولید ناخالص داخلی است . با حرکت به سوی انحصار زدایی و رقابت فشرده این رشد باید به دقت پیش بینی شود . نظارت بر رعایت حریم خط انتقال و سرمایه گذاریهای کلان ایجاب می کند که رشد مصرف به دقت پیش بینی شود . از آنجایی که این عوامل هم در توزیع و هم در انتقال تاثیر گذارند ، در اینجا بین آنها تمایز قائل نمی شویم و به طور کلی صحبت می کنیم .

قبل از بحران انرژی سال ۱۹۷۴ ، مصرف الکتریسیته در آمریکا و غرب اروپا در مدت نزیدک به ۱۰ سال دو برابر شد که به معنی رشد سالانه ۷% است . تا چند سال بعد از ۱۹۷۴ ، عوامل متعددی این میزان رشد را به ۳% کاهش داد

. در حال حاضر ، میانگین رشد مصرف خانگی در حدود ۲% است . تا سال ۲۰۳۰ این میزان رشد در صورت افزایش مصرف از ۳۰% فعلی به ۵۰% پیش بینی شده افزایش فوق العاده ای خواهد داشت . افزایش جمعیت و به تبع آن افزایش تراکم باعث افزایش تراکم باعث افزایش این میزان می شود زیرا انرژی الکتریکی کم هزینه ، امن ، و ارزان است . بالا رفتن سطح زندگی مردم نیز عامل موثری در رشد مصرف برق است .

پیشگفتار
توانمندی شرکتهای خصوصی برق در دو دهه آینده به طور خاص وابسته به بهبود سیستمهای قدرتشان است . می توان کابلهای هوشمندی ساخت که در یافتن مکان خطا مفید باشند و هم بتوانند در مراحل اولیه آن را شناسایی کنند .

این باعث می شود رفع خطا در زمان بازبینی ادواری امکان پذیر شود ، پس از آنکه خسارات زیادی به بار آید . در صورتیکه سرمایه و تلاش لازم را برای توشعه و پیشرفت ترانسفورماتورها صرف کنیم می توانیم ترانسفورماتورهای کوچک تری بسازیم . نتیجه مستقیم این اقدام کاهش تلفات است . پیشرفتهای جدید در زمینه حل مشکل تجمع بارهای الکتریکی به دلیل حرکت روغن به مراحل موفقیت آمیزی رسیده است

. قادر خواهیم بود الکتریسیته را با کیفیت بهتر به مشتریانی که به کیفیت بالا نیاز دارند برسانیم . محدود کننده های جریان ، نه تنها از سیستم محافظت می کنند بلکه فشار وارد بر کلیدها را کاهش می دهند .مواد ابررسانا تلفات توان را کم می کنند و در نتیجه چگالی توان افزایش می یابد .

در تولید این مواد دقت خاصی به کار می رود . همانطور که در تولید مواد نمیه رسانا به دلیل مسمومیت زایی شدید انجام می شود . حتی اگر بی خطر بودن این مواد ثابت شود ، همواره عموم مردم در پذیرفتن آن دچار تردیدند و شرکتها باید به موقع به سوالهای آنها پاسخ دهند . افزایش آگاهی مردم در مودر میدانهای الکترومغناطیسی نیز باید مورد توجه قرار گیرد . خودکارسازی در توزیع برق رایح می شود و باعث بهبود تحویل توان می گردد.

هر سیستم قدرتی در آینده باید قابلیتهای زیر را داشته باشد :
• با راهبردهای مناسب در عرصه رقابت باقی بماند؛
• خدمات بهتری عرضه کند ؛
• مدیریت بهتری برای امکانات خود داشته باشد ؛
• عمر مقید تجهیزات را افزایش دهد ؛

• عیب یابی را بهبود بخشد ؛
• با قابلیت اطمینان بالاتر از تجهیزات نگهداری کند .
حال به بررسی تغییراتی که تا سال ۲۰۲۰ به وقوع خواهند رسید ؛ موارد دارای احتمال کمتر را تعیین و بر تغییرات اساسی و محتمل تاکید می کنیم . بیست سال زمان کوتاهی برای مشخص شدن تاثیرات تولید الکتریسیته به صورت غیر متمرکز است ولی سعی می کنیم بعضی از آثار آن را بررسی کنیم .

انتقال و توزیع
اگرچه سابقاً هزینه های هنگفتی برای خطوط انتقال فشار قوی دارای ولتاژ بالاتر از ۳۵kv صرف می شد ، خطوط با ولتاژ کمتر از یا مساوی با ۳۵kv قیمتی حدود ۱ تا ۲ دلار به ازای هر فوت ( ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ دلار به ازای هر مایل ) کابل دارند .

بنابراین کلیه طرحهایی که برای شروع به سرمایه گذاری زیاد احتیاج دارند حذف می شوند . ولی با افزایش تقاضا برای قابلیت اطمینان بیشتر ، اتلاف توان کمتر ، هزینه کار و نگهداری پایین و افزایش آگاهی از آثر زیست محیطی میدانهای الکترومغناطیسی و افزایش دوام و طول عمر کابل باید در انتظار طرحهای جدید بود . هر چند که این طرحها به هزینه اولیه زیادی نیاز دارند ، ناگزیر به اجرای آنهاییم

.
از حدود ۲۰ تا ۲۵ سال پیش که کابلهای ارزان قیمت به کار رفتند تجارب زیادی به دست آمده است ؛ مثلا اینکه هزینه تعمیر ونگهداری این کابلها نیز زیاد خواهد بود . در مواردی که مدت زمانی کوتاه مورد نیاز است ، هزینه کم اولیه عامل تعیین کننده است . ولی برای برنامه های دراز مدت مواردی مانند قابلیت اطمینان ، دوام ، نگهداری و نصب و هزینه اولیه در سیستم قدرت کاملا مدرن حرف اول را می زند .

از ابتدای پیدایش صنعت برق عایق بندی اهمیت خاص داشته است و رساناهای خوبی مثل مس یا آلومینیوم ستون اصلی تحویل توان بوده اند . در مقیاس کوچک از سدیم استفاده شده است ولی به دلیل اشتعال آن در مجاورت هوا چندان مناسب نیست . ویژگیهای لازم عایق خوب عبارت اند از چگالی کم ، رسانایی نسبتا خوب ، هزینه کم و پایداری شیمیایی . به عبارت مطلوب است که خارج قسمت رسانایی بر چگالی حداکثر باشد

. این عدد را می توان بر هزینه تقسیم کرد تا مقایسه ای از لحاظ قیمت نیز انجام شود . در این مقایسه سدیم مناسب به نظر می رسد البته اگر اکسید نمی شد زیرا رسانایی آن ۳/۱ مس و چگالی آن ۹/۱ مس و عدد مورد بحث برای آن ۳ برابر مس است . از آنجایی که برای کابلهای هوایی دی الکتریک اصلی هواست ، قدرت مکانیکی نیز با اهمیت است . در اینجا پلیمرهای رسانا مناسب به نظر می رسند

البته از نظر شیمیایی ناپایدارند . در این باره بحث خواهیم کرد .
تحویل توان در بهره وری نقش مهمی دارد که رفته رفته اهمیت آن افزایش می یابد . در نیمه اول قرن حاضر ، افزایش ظرفیت خط انتقال مستقیما متناسب با ظرفیت محدود ژنراتور و نیروگاه بود . به دلیل مسائل اقتصادی و افزایش تقاضا ژنراتورهای دور بالا از ظرفیت و ولتاژ ۱MVA و ۱۰KV در دهه ۱۹۰۰ به ۱۵۰۰MVA و ۲۵KV تغییر کرده اند . با افزایش ظرفیت ژنراتورها و نیروگاهها ظرفیت خطوط انتقال نیز افزایش پیدا کرد . برای کاهش تلفات در خطوطی که اکنون توان بیشتری منتقل می کردند لازم شد که سطوح ولتاژ افزایش یابند . این ولتاژها در آمریکا از ۱۰KV به ۷۶۵KV رسید .

لازمه این کار استفاده از ترانسفورماتورهای ظرفیت بالا برای اتصال ژنراتورها به شبکه انتقال بود . در کمتر از یک قرن ، ظرفیت خطوط انتقال از ۱MVA به بیش از ۱۵۰۰MVA رسید . این حد بالاترین توانی است که به دلیل محدودیت ناشی از قابلیت اطمینان ، روی یک خط می توان انتقال داد . خطر قطع این توان در صورت خرابی خط به همراه مسائل دیگر از مشکلات بزرگ شرکتهای برق است .

مقایسه سیستم انتقال هوایی و زیرزمینی
صرف نظر از هزینه های حریم خط انتقال ، هزینه احداث و نگهداری خطوط هوایی همواره کمتر از خطوط زیرزمینی است . در نواحی پرجمعیت به دلیل پیچیدگی مسئله حریم خطوط انتقال هزینه احداث خطوط هوایی به اندازه خطوط زیرزمینی است . ولی خطوط هوایی منبع اصلی انتقال توان نیستند .

انواع کابلهای انتقال ظرفیت بالا به خصوص کابلهای زیرزمینی باید با صرف هزینه زیاد خنک شوند . خطوط هوایی به میزان کافی با هوای اطراف خود که نقش دی الکتریک نیز دارند خنک می شوند . بر خلاف هزینه کم خطوط هوایی ، به دلیل مسائل علمی ،

زیست محیطی و زیبایی شناختی در آینده درصد کمتری از توان با خطوط هوایی منتقل خواهد شد . بنابراین ، به جز بهینه سازی خطوط هوایی موجود ، بیشتر توان انتقالی در آینده به صورت زیرزمینی خواهد بود .

به دلیل سادگی نصب و کم هزینگی و سهولت تعمیر ، خطوط انتقال هوایی از ابتدا تا کنون انتخاب غالب برای انتقال الکتریسیته بوده است . با این همه خطوط زیرزمینی به دلیل قابلیت اطمینان بالا کاربردهای زیادی در امریکا داشته است . اما این قابلیت اطمینان بالاتر به قیمت هزینه بالاتر به دست می آید .

در خطوط هوایی احتمال وقوع خطا بیشتر است ، در عوض یافتن محل آن و تعمیر آن راحت تر است . مقایسه تعداد دفعات بروز نقص و مدت آن هزینه تعمیر خطوط هوایی و زیرزمینی مانند مقایسه سیب و پرتقال است در شرایط آب و هوایی متفاوت ؛ طبیعی است که بسته به شرایط محل یکی از این دو مناسب تر خواهد بود .

خطاهای خطوط هوایی بسته به عامل ایجاد آن از چند ثانیه تا چند روز طول می کشد . در خطوط دارای ولتاژ ۱۳۸KV و کمتر ، ۴ تا ۶ خطا در سال هر ۱۰۰ مایل باعث قطع برق می شوند . در حالت ایده آل تعداد خطاها در خطوط هوایی دارای ولتاژبالاتر ، در هر ۱۰۰ مایل نباید از یک قطع برق به دلیل صاعقه و یک قطع برق به دلیل اضافه ولتاژ ناشی از کلید زنی فراتر رود . در هر دو حالت ، قطع کننده یک طرف خطا عمل می کند و خط به طور کامل از شبکه خارج نمی شود . معمولا در مورد دفعات بروز نقص و مدت زمان و هزینه آنها اطلاعات کمی منتشر می شود .

با توجه به آمار تام رونباو در EPRI در خطوط هوایی حدود ۱۰۰ برابر خطوط زیرزمینی خطا رخ می دهد ، که بیشتر به دلیل بادهای شدید ، صاعقه ، و ضعیف شدن عایقها به دلیل گرد و غبار است . پخش شدن نمک در نواحی ساحلی علت عمده این خطاهاست . بیشتر اشکالات خطوط هوایی یک یا دو ثانیه طول می کشد

و با محدود کننده ها و رله ها شناسایی و رفع می شوند . در خطوط زیرزمینی در هر سال در مسیری به طول ۱۰۰۰ مایل یک نقص رخ می دهد . این آمار در ولتاژهای بالای ۱۳۸KV صادق است ، در حالی که در خطوط ۴۶ و ۶۹ و ۱۵۵KV تعداد خطاها بیشتر است ، به دلیل اینکه کابلهای فوق یا مستقیما در زمین دفن می شوند یا با کابلهای توزیع در یک کانال قرار می گیرند . در این کابلها دفعات بروز خطا در هر سال در ۵۰۰ مایل یکبار است . برای مقایسه لازم به ذکر است که در کابلهای توزیع در هر ۱۰۰ مایل در هر سال یک خطا رخ می دهد .

آمار EPRI نشان داد خطوط زیرزمینی برای تعمیر به مدت زمانی بسیار بیشتر از زمان معمول یک هفته نیاز دارد و هزینه بسیار بیشتری می برد . این وضع بیشتر به دلیل سخت پیدا شدن محل خطا و نیاز به حفاری و همچنین نیاز به گروه با تجربه تعمیرات است که ممکن است در دسترس نباشد . به طور تخمینی ، هر خطای تکفاز بسته به شدت خرابی از ۱۵۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ دلار هزینه دارد .

 

مزایا و معایب خطوط انتقال زیرزمینی
خطوط انتقال زیرزمینی خود خنک کننده یا دارای خنک کننده جداگانه معمولا مشکلات زیست محیطی و زیبایی شناسی خطوط هوایی را ندارد ولی دارای معایب دیگری است . هزینه زیاد ساخت

، نصب و راه اندازی کابلهای زیرزمینی عمدتا به دلیل پیچیدگی فنی عایقهای فشار قوی لزوم خنک کردن ن است ( نشت روغن خنک کننده نیز یکی از مشکلات زیست محیطی این کابلهاست ) . هزینه نگهداری زیاد عمدتا به دلیل جریان عبوری زیاد در ولتاژهای بالا و خاصیت خازنی زیاد و بازده کم سیستمهای خنک کننده است . حفاری در زمین ، لوازم مخصوص و شناسایی مواد رسانای حرارت ، هزینه نصب خطوط انتقال زیرزمینی را تا حد قیمت کابل افزایش می دهد . کاهش چگالی توان توزیع در خطوط زیرزمینی به میزان فابل توجهی قیمت نصب را در مقایسه با خطوط انتقال کاهش می دهد .

با افزایش توان انتقالی تونلهای موجود انباشته یم شوند و توان تلفی نیز افزایش می یابد و نیاز به ماده پر کننده و جاذب رطوبت و سبک وزن احساس می شود . EPRI به تازگی واکس رقیقی تولید نموده که هدایت حرارت در درون خاک را یکنواخت می کند . در فصول بسیار گرم ، رطوبت داخل ماده پرکننده تبخیر می شود و فواصل هوایی باقی می گذارد

که مقاومت حرارتی زیادی دارند . واکس رقیق شده درون حفره ها را پرمی کند و پلی ارتباطی برای انتقال حرارت ایجاد می کند . واکس رقیق محصول جانبی ارزان قیمت در فرایند پالایش نفت است و علاوه بر پایدار بودن ، همه جا در دسترس است . این روغن را می توان هم به صورت امولسیون و هم با حرارت دادن به ماده پر کننده افزود .

به دلیل اینکه خطوط زیرزمینی بر اثر عوامل مختلف اتلاف توان بیشتری نسبت به خطوط هوایی دارند ، ممکن است برای انتقال توان مساوی به سطح مقطعی حدود پنج برابر خطوط هوایی نیاز داشته باشند . در مجموع بسیاری از خطوط زیرزمینی تلفات کمتری نسبت به خطوط هوایی دارند . مقدار میانگین اتلاف در خط هوایی ۳۴۵ کیلو ولتی در هر ۱۰۰ مایل ۴/۴% و در خط زیرزمینی ۵/۳% است . ولی در ۵۰۰KV اتلاف خط هوایی در هر ۱۰۰ مایل ۵/۲% است . اتلاف خط هوایی ۴۰۰ کیلو ولت DC در هر ۱۰۰ مایل کمتر از ۱% است .

انتقال با خطوط ابررسانا
رسانای خوب عنصری اصلی در تحویل توان است و بهترین رسانای ابررساناهایند . تا اواخر سال ۱۹۸۶ ، پدیده ابررسانایی در دمایی بسیار نزدیک صفر مطلق اتفاق می افتاد . بالاترین دمای قابل قبول در آن ماده ابررسانا می شد برای ماده Nb3 Ge در سال ۱۹۷۳ در ۲/۲۳ درجه کلوین ( دمای بحرانی ) به دست آمد و تا ۱۳ سال بالاترین دمای موجود بود

. از سال ۱۹۷۳ تا ۱۹۸۶ ، گزارشهای متعددی از پدیده ابررسانایی ثبت شده ولی هیچ یک با آزمایش مجدد تایید نشده است . بنابراین دمای بحرانی در طول ۷۵ سال تنها ۱۹ درجه کلوین افزایش یافت . تقریب خطی نشان می دهد که تا رسیدن TICaBACuO به دمای ۱۲۵ درجه کلوین چهار قرن زمان لازم است ولی برخلاف انتظار جامعه علمی در سالهای ۱۹۸۶ و اوایل ۱۹۸۷ ، به فاصله چند ماه ، دمای بحرانی ۷۰ درجه افزایش یافت ؛ چنین انقلابهای علمی زیاد اتفاق نمی افتند ولی به موقع پیش می آیند .

ابررساناها تنها برای ولتاژ DC و چگالی جریان کمتر از حد معینی رسانایی بی نهایت دارند . ابررساناهای دما بالا در حالت عادی رساناهای ضعیفی اند و در هر دو حالت رسانایی حرارتی خوبی ندارند . در حالت AC ،

در هر چگالی جرایان اتلاف توان در ابررسانا وجود دارد . در خطوط انتقال با کابلهای هم محور ، توان تلف شده بسیار کم است . جالب توجه اینکه این توان تلف شده با چگالی جریان نسبت عکس دارد . پس لازم است که هم در حالت AC و هم DC چگالی جریان تا حد امکان زیاد باشد . با این همه در مورد چگالی جریان ابررساناهای حجیم به اندازه دمای بحرانی آنها پیشرفت صورت نگرفته است ، زیرا ابررساناها در دمای عادی رساناهای ضعیفی اند و این مسئله استفاده آنها در مصارف فشار قوی را بیش از پیش مشکل می سازد .

حال ببینیم در آینده نزدیک ابررساناها چگونه پاسخگوی نیازهای صنعت تحویل توان خواهند بود . استفاده از خطوط ابررسانای دما پایین کاملا امکان پذیر است . ولی هنوز صرفه اقتصادی آنها مبهم است .

در کاربردی اساسی مانند یک خط تغذیه ، بازده سیستم خنک کننده بسیار مهم است . به ازای هر وات تلف شده در این خط ، سیستم خنک کننده ۷۰۰ وات توان مصرف می کند و در نتیجه از رقابت کنار می رود . ورشن است که هر قدر دمای بحرانی ابررسانا بالاتر باشد ، دمای کار کابل نیز بیشتر است و هزینه های خنک سازی کابل کاهش می یابد . مزیتی کوچک در دمای کار بالاتر این است که ظرفیت حرارتی کابل با توان سوم دمای مطلق متناسب است .

در نتیجه ، ابررساناهای دما بالا که در دمای ۷۷ درجه کلوین به ازای هر وات تلف شده ۷۷ وات مصرف می کنند ، انتخاب مناسبی برای تحویل توان در برابر خطوط انتقال زیرزمینی معمول به نظر می رسند .
به مواد با نام BSCCO ( دارای فرمول Bi1/6Pb0/4Sr2Ca2Cu3O10 ) با دمای بحرانی حدود ۱۰۷ درجه کلوین ابررسانای دما بالا (HTS) گویند . به دلیل انتقال حرارت و رسانایی ضعیف این مواد در دمای عادی ، اجزای ابررسانا در درون بلورهای نقره قرار داده می شوند

و حجم نقره حدود ۴ برابر خود ابررساناست . در عمل برای تحویل توان به کار گرفتن HTS کمترین دردسر و زحمت دارد . ( اگر چه خطوط ابررسانا دارای جریانهای زیاد و ولتاژ کم اند ، برای استفاده از آنها در سطح توزیع به دلیل هزینه زیاد تقاضایی وجود ندارد . ) . با این همه مشکلات فنی به قوت خود باقی است و ممکن است سیستم تحویل توان مطمئن تا ۲۰ سال دیگر به واقعیت نپیوندد .
عوامل مهم و قابل ذکر در انتخاب ماده مناسب HTS ولتاژمناسب عبارت اند از : میزان شکنندگی ، اتلاف توان و چگالی جریان بحرانی . تا کنون همه موارد HTS کاملا شکننده بوده اند . حتی اگر این مواد به کشل کابل بتوانند چگالی جریان زیادی ( در حدود ۱۰۵ آمپر در هر سانتی متر مربع ) را از خود عبور دهند . اتلاف توان آنقدر زیاد است که برای جبران آن باید شکل کابل را عوض کرد . در صورتی که میدان مغناطیسی که کابل هم محور می بیند میدان ناشی از جریان درون کابل است که بر آن مماس است . پس در کابل هم محور ، توان اتلافی سه فاز سه برابر میزان اتلاف مربوط به یک فاز است زیرا فازها بر هم اثر متقابل ندارند .

در طراحی کابل به شکل غیر هم محور ، به دلیل اثر مقابل فازها برهم ، توان تلف شده بسیار بیشتر از سه برابر توان تلف شده در یک فاز است . قسمتهای ابررسانای درون نوار دور کابل به تلفات اضافه می کنند . حتی اگر کابلها به شکل هم محور باشند . میدان مغناطیسی و جریان گردابی زیادی درون روکش نقره ای ایجاد می کنند ، زیرا ابررساناها روکش نقره ای را در برابر میدان مغناطیسی حفاظت نمی کنند . رساناهای تابیده شده بیشتر از رساناهای معمولی و صاف توان تلف می کنند . استفاده از تعداد

زیادی ابررسانا یک مزیت کوچک و یک اشکال بزرگ به همراه دارد . مزیت آن این است که در صورت خرابی ابررسانا جریان از مسیرهای متعددی راه عبور دارد . ولی در عوض جریان گردابی بیشتری نیز تولید می شود .

در صورت حضور دو یا تعداد بیشتری از ابررساناها ، جریان گردابی در صورت عبور از نوار نقره ای توان بسیار کمتری تلف می کند زیرا مقاومت آن محدود می کند . استفاده از چند ابررسانا برای ولتاژDC مناسب است نه برای AC . زیرا اجرای این طرح اولیه که با هدف کاهش اتلاف توان طراحی شده است بسیار مشکل خواهد بود به خصوص که بخواهیم با آن توان بیشتری نسبت به کابلهای معمولی منتقل کنیم .

برخلاف ضعفهای بسیار کابلهای غیر هم محور ، طرح آنها یک مزیت دارد . عایق آنها در دمای محیط قرار دارد . این واقعیت ، نصب انشعابات در مسیر خط را آسان می کند . ولی مشکل اتلاق توان بالای آن است که استفاده از آن را محدود می کند . کابل کشی سه فاز ابررسانای در درون لوله ها مشکل است به خصوص در محل انحنای لوله .

باید تحقیقات زیادی صرف نمونه های اولیه شود . ولی تا زمانی که مزیت ابررساناهای نسبت به کابلهای معمولی به ثبات نرسیده شروع این تحقیقات غیر ضروری به نظر می رسد .
در صورتیکه تنها کاهش تلفات مورد نظر باشد ، با کابلهای معمولی نیز امکان پذیر است زیرا با افزایش ولتاژ یا تعداد رساناها یا خطوط تلفات کاهش می یابند . ولی چگالی توان ، قابلیت اطمینان و هزینه تمام شده اولویت دارند . بنابراین ابررسانا باید به همان میزان که پیچیده تر می شود مطمئن تر نیز باشد و در عین حالی گران تر از کابلهای موجود نباشد ، دارای چگالی توان بیشتر و حتی اتلاف توان بیشتری دارد ولی لزوما دارای تلفات کمتر نیست . در حالی که خطوط کم مقاومت که درباره آن بحث خواهیم کرد بسیار ارزان است .

توزیع توان با خطوط کم مقاومت
خطوط رایج کم مقاومت
رسانایی الکتریکی با تعداد مسیرهای آزاد عبور الکترون در رسانا متناسب است که با کاهش دما به دلیل کاهش بی نظمی الکترونها افزایش می یابد . در طی رسیدن از دمای ۳۰۰ درجه کلوین به ۷۷ درجه کلوین تعداد مسیرهای عبور الکترونها در بیشتر مواد ۱۰ برابر می شود . که تقریبا به میزان ناخالصی و دیگر اشکالات ساختار ماده بستگی ندارد . ( البته در ادامه خواهیم دید که یک استثنا نیز وجود دارد .) . نیتروژن مایع که در ۷۷ درجه کلوین به جوش می آید خنک کننده سیستم های تحویل توان HTSL و سیستم های کم مقاومت است .

ده برابر شدن رسانایی اجازه عبور توانی معادل ۱۰ برابر را می دهد بدون اینکه توان تلف شده زیاد شود . علاوه بر تلفات مقاومتی و دی الکتریکی ، تلفات دیگری ناشی از نشت حرارت نیز وجود دارد . افزایش توان تلف شده در کل به دلیل توان تلف شده در سیستم خنک کننده است که به ازای هر وات تلفات در ۷۷ درجه کلوین ۱۰ وات مصرف می کند .

همه طرحهای تحقیقاتی سیستم های کم مقاومت تا به امروز با ولتاژ متناوب در نیتروژن مایع انجام شده اند . مهم ترین آن در ژاپن بوده است . در امریکا ، شرکت جنرال الکتریک و شرکت توان زیرزمینی در این زمینه فعالیت کرده اند ولی به دلیل مشکلات فنی و اقتصادی این طرح به صورت نیمه تمام رها شده است . طرحهای مشابه در کشورهای دیگر نیز به همین سرنوشت دچار شده اند . معمولا از رساناهای آلومینومی استفاده می شود ولی مس نیز کاربرد دارد . رسانایی هر دو فلز در دمای ۷۷ درجه کلوین ده برابر می شود . حال به بررسی سیستم دیگر می پردازیم که در بررسی مواد کم مقاومت در نظر گرفته نشده اند .

ابررسانایی
یکی از عناصری که در دمای ۷۷ درجه کلوین دارای بالاترین رسانایی نسبت به مواد دیگر است بریلیم نام دارد . این عنصر در دمای اتاق رسانایی ای در حد آلومینیوم دارد ولی در دمای ۷۷ درجه کلوین رسانایی آن ۱۰۰ برابر می شود . پس در دمای فوق بریلیم رسانایی حدود ۱۰ برابر مس یا آلومینیوم دارد . این کشف را رابینویتز در سال ۱۹۷۷ انجام داد . در سال ۱۹۹۰ ، مولر و همکارانش ابراز داشتند : « علی رغم سمی بودن بریلیم باید از آن در تحویل توان استفاده کرد . » آنها خاطر نشان ساختند که بریلیم تنها به صورت ذرات ریز معلق خطرناک است و وقتی در وسیله برقی به کار برود تقریبا بی خطر است .

چگالی کم بریلیم که در حدود ۱/۸gr/cm3 است نیز دلیل دیگر استفاده از آن به عنوان رسانا است . چگالی آن کمتر از چگالی آلومینیوم ۲/۷gr/cm3 و ۵ برابر کمتر از چگالی مس ۸/۹gr/cm3 ، همچنین کمتر از ۲ برابر چگالی سدیم ۰/۹۷gr/cm3 است و در هوا نمی سوزد . رسانایی بریلیم در دمای اتاق ۲ برابر رسانایی سدیم است . ب

نابراین در دمای ۷۷ درجه کلوین به قدری رسانایی آن بیشتر از بقیه موارد می شود که باید با دقت زیادی در سیستمهای انتقال کم مقاومت به کار رود و هزینه و میزان مسمومیت آن را در نظر گرفت . سمی بودن مشکلی است که تنها در زمان تولید وجود دارد و با تمهیدات پیش بینی شده برآن فائق آمده اند . هزینه تولید بریلیم در صورت ایجاد بازار برای تامین آن به شدت پایین خواهد آمد .

هنوز بررسی جدی در مورد این عنصر به عمل نیامده است .
فیبرهای گرافیک با پوشش فلزی
با رسیدن به دمای ۲/۴ درجه کلوین از دمای ۳۰۰ درجه کلوین رسانایی بیشتر مواد ۱۰۰ الی ۱۰۰۰ برابر می شود .

این افزایش به میزان خلوص و نحوه ساخت ماده بستگی دارد . هزار برابر شدن رسانایی به مفهوم افزایش قابل توجهی در انتقال DC است . در مورد AC مشکلات دیگری وجود دارد . از آنجائیکه ضخامت رسانا با معکوس ریشه دوم رسانندگی متناسب است جریان عبوری با ریشه دوم مقاومت منتاسب می شود مگر اینکه رسانا بسیار نازک ساخته شود . مشکل دیگر این است که درجه خلوص بالای ماده که برای رسانایی زیاد در دمای پایین لازم است باعث کاهش استحکام رسانا می شود و علاوه بر هزینه لازم برای ساخت باید آن را از لحاظ مکانیکی تقویت کرد .

آلومینیوم خاص همواره در دسترس است ، آلومینیوم و دیگر عناصر مانند مس در ۴ درجه کلوین رسانایی ای معادل ۱۰۰۰۰ برابر دمای عادی دارند . برای مستحکم ساختن فلزات نیز روشهایی ابداع شده است . فلزات مس ، برنج ، نقره ، طلا ونیکل را به صورت صفحه ای روی فیبرهای گرافیت قرار می دهند .

این روش را می توان برای فلزات دیگر نیز به کار برد ولی کارایی آلومینیوم و بریلیم هنوز نایید نشده است و به احتمال زیاد آنها نیز قابل استفاده خواهند بود . فیبرهای گرافیت به سبک وزنی و استحکام مکانیکی فوق العاده شهرت دارند . فیبرهای با قطر ۸ میکرون با لایه ای از فلز به ضخامت ۵/۰ میکرون پوشیده می شوند و در مجموع دارای چگالی ۲/۵gr/cm3 تا ۳gr/cm3 اند و قدرت کششی معادل ۴۵۰۰۰۰psi دارند

. این مقادیر تنها ۸ تا ۱۰ درصد کمتر از فیبر گرافیت خالص است . این در حالی است که فولاد دارای قدرت کشش ۴۰۰۰۰ تا ۳۳۰۰۰۰psi است . بهترین سیم فولادی موجود تا ۴۶۰۰۰۰psi قدرت کشش دارد .

پس اکنون امکان استفاده مستقیم از فیبرهای فوق یا قرار دادن آنها درون رساناها به منظور افزایش استحکام مانند آلومینیوم را ترجیح دهند . این فلز در دمای پایین ابررسانایی به عنوان پایدار کننده و به عنوان رسانا در سیستمهای کم مقاومت استفاده می شود . در دمای پایین در سیستمهای AC از فیبرهای گرافیتی که با دی الکتریکهای نازک پوشیده شده اند نیز برای پایین نگه داشتن خاصیت القایی خط استفاده می شود .

اگر افزایش چگالی تواند هدف اصلی باشد ، پس دمای پایین تر از ۷۷ درجه کلوین کاربردهای فراگیر پیدا خواهد کرد . فیبرهای گرافیتی با پوشش فلزی هم در سیستم های کم مقاومت کاربرد دارد و هم در خطوط هوایی که وزن کم و قدرت کشش زیاد عوامل کلیدی اند . فیبرهای گرافیتی به دلیل وزن کم و پایداری مکانیکی زیاد در اتومبیل سازی و صنایع دیگر به کار می روند .

جالب تر از رساناهای تقویت شده با فیبرهای کرافیتی ، نانولوله های کربنی اند که قدرت کشش فوق العاده ای دارند و روزی جایگزین فیبرهای گرافیتی ضخیم در دوچرخه های بسیار سبک ، راکتهای تنیس و احتمالا تقویت کردن رسانا های برق خواهند شد .

نانولوله ها را به سبب اندازه کوچک در حدود ۱۰ آنگستروم و دیواره هایی به ضخامت یک اتم به این نام می خوانند . قدرت جذب بالای نانولوله ها که ناشی از اثر موئینگی آنهاست باعث تلفیق آسان آنها با رساناهای الکتریکی و تقویت مکانیکی آنها می شود . نانولوله ها در ساخت سیم نیز کاربرد دارند و با آنها سیمهای نازکی می توان ساخت که در مدارهای میکروسکپی کاربرد دارند . هزینه ساخت نانولوله ها پایین و تولید آنها اقتصادی است .
FACTS
مبانی FACTS
خطوط انتقال انعطاف پذیر ولتاژمتناوب ( FACTS ) فناوری پیشرفته و جدیدی است که با آن می توان ظرفیت کنونی سیستم های انتقال و توزیع را افزایش داد و در ضمن امپدانس خطوط را بسته به مقدار توانی که از این خطوط عبور می کند تغییر داد . با وجود روشهای مشابه کنونی مانند جبران کننده های توان راکتیو ، EPRI به گسترش نظریه FACTS کمک زیادی کرد . با پیشرفتهای اخیر در زمینه الکترونیک قدرت ، نرم افزارهای مخصوص شرکتهای برقی و ریز کامپیوترها و فیبرهای نوری که انتقال اطلاعات خوانده شده سیستم های فشار قوی را انجام می دهند

. FACTS به صورت عملی در آمد . نکته مهم در FACTS توانایی قطع و وصل سریع دقیق بانک ها ی خازنی بزرگ است که با پیشرفت های در زمینه کلیدهای حالت جامد امکان پذیر است . تایر یستورها ، که از معادل مکانیکی خود بسیار سریع تر ، دقیق تر و قابل اطمینان ترند : همچنین از سیستم تخلیه گاز نیز بهتر عمل می کنند . قطع و وصل با سیستم های دارای تایریستور زاویه فاز ، امپدانس و لتاژ و جریان را به نحوی کنترل می کند که با کلیدها و قطع کننده های مکانیکی ممکن نیست .این پیشرفت بزرگی است که به شرکت های برق امکان می دهیم ب

ی دغدغه محدودیت دسترسی به خطوط انتقال و احداث خطوط انتقال بار خط را افزایش دهند . در قدرت های بالا نمی توان از توان اتلافی تایریستور وقتی در جهت مثبت جریان را عبور می دهد صرف نظر کرد . با این همه نیمه رساناهای با فاصله پهن باند ممکن است این مشکل را حل کنند . مطالعات دامنه دار نشان می دهد که با استفاده از FACTS می توان در هزینه ها صرفه جویی کرد . گزارشهای EPRI جلد اول و دوم EL 6943 مقالات کنفرانسهای FACTS و گزارشهای TR100504 از آن جمله اند

.
حال به روشهای که FACTS را عملی می کنند اشاره می کنیم . اتصال بانکهای خازنی به صورت سری به خطوط انتقال هوایی باعث کاهش امتیاز این خطوط می شود . بدیهی است که در این فرایند راکتانس خازنی از راکتانس سلفی مدار سری منها می شود و در نتیجه امپدانس کل مدار کاهش می یابد . سلف بین خط و زمین قرار می گیرد تا از شدت ولتاژهای ضربه ای بکاهد . جبران کننده ثابت توان راکتیو در زمانی که افت ولتاژ پایداری سیستم را تهدید می کند سطح ولتاژ را افزایش می دهد

. در اینجا تایریستور خازن را بین خط و زمین قرار می دهد . ممکن است به نظر برسد که اضافه کردن این خازن باعث کاهش ولتاژ خطو می شود ولی استفاده صحیح از خازن فوق باعث افزایش ضریب توان و در نتیجه افزایش ولتاژ می گردد . البته ولتاژ فوق به حدود ۲۰% بیشتر از میزان میانگین محدود می شود و در بعضی موارد خاص به ۵۰% بیشتر می رسد . وقتی افت ولتاژ خط به بیشتر از ۸۰% میانگین برسد کلید جدیدی به نام GTOخازن DC را وارد خط می کند که به صورت منظم ضربه های ولتاژ را به خط انتقال می فرستد تا اینکه به حد صحیح برسد .

FACTS می تواند امپدانس خط را عوض کند و در نتیجه بر توان ارسالی داخل سیستم یا بین چند سیستم تاثیر می گذارد و به طور عملی شبکه ملی می سازد . در این کاربرد لازم است تا ادوات FACTS به صورت کاملا منسجم کار کنند . با گسترش و پیچیده شدن سیستم ، تنظیم آن به حدی سریع و دقیق می شود که تنها کامپیوتر قادر به انجام آن است

. در حال حاضر ، توزیع بار در خطوط DC ب االکترونیک قدرت انجام می شود زیرا هم ولتاژ و هم جریان را ایستگاه های یکسو ساز و معکوس کننده در دو طرف خط اندازه گیری می کنند . وقتی خط انتقال DC در شبکه AC قرار گیرد ، پایداری شبکه افزایش می یابد . FACTS هنچنین با فراهم کردن حالت گذرای میرا شونده مناسب باعث پایداری سیستم AC می شود . با استفاده از FACTS ، هارمونیکها که هم برای مصرف کننده و هم برای سیستم تولید برق خطرناک اند به شدت کاهش می یابند .

سیستمهای عامل FACTS
حال باید دید که چه سیستم هایی از FACTS استفاده کرده اند . در ۱۹۹۱ ، AEP کلید زنی یک سری بانک خازنی را روی خط ۳۴۵ کیلو ولت ویرجینیای غربی آزمایش کرد . به دنبال آن WAPA سیستم مشابهی را روی خط ۲۳۰ کیلو ولتی آریزونا نصب کرد که باعث افزایش توان انتقالی از ۳۰۰ مگاوات به ۴۰۰ مگاوات شد .

اولین FACTS در ابعاد بزرگ روی خط ۵۰۰ کیلو ولت و ۲۵۰۰ مگاوات واقع در اورگون در ۱۹۹۳ به کار رفت که سیستم خازن سری بود و با تایریستور کنترل می شد . در ۱۹۹۵ تی وی ای مدل های GTO را معرفی کرد که قادر بودند حدود ۱۰۰ مگاوات را کنترل و جریان را در زمان دلخواه قطع کنند . با این همه بسیاری از شرکت های برق در به کارگیری این فناوری محتاط عمل کرده اند و در انتظار تولید وسایلی با هزینه کمتر و قابلیت اطمینان بالاترند و از سرمایه گذاریهای کلان در این زمینه خودداری می کنند .