مسائل و مشکلاتی که به خاطر عدم تعادل بار در شبکه های توزیع برای مصرف کننده گان و شبکه پیش می اید

چکیده :
همانطوری که مستحضر هستید , هدف از تولید , انتقال و توزیع انرژی الکتریکی سرویس دادن اصولی و مداوم به مشترکین شرکتهای برق منطقه ای می باشد . لذا , چون سیستم توزیع ۴۰۰ ولت در دسترس اغلب مردم بوده و از طرفی دارای بیشترین وسعت و تجهیزات می باشد , لازم است توجه خاصی به آن مبذول گردد .

در این جهت می بایستی مسائل فنی و اقتصادی سیستم توزیع را تواماً مورد بررسی قرار داده و دقیقاً مد نظر کارشناسان و متخصصین امر واقع گردد . بدیهی است این بررسی ها و دقت نظرها باعث افزایش کارایی و باز دهی تجهیزات سیستم فوق خواهد شد.
متاسفانه این مطلب از دید بسیاری از کارشناسان و متخصصین فنی دور مانده و در ایران به آن کمتر اهمیت داده می شود . زیرا اغلب آنها مسئله فوق را غیر قابل طرح انگاشته و تنها بررسی مشکلات نیروگاه ها و شبکه های انتقال را مورد توجه قرار می دهند و از این مهم غافل شده اند . در این تحقیق سعی شده است مسائل و مشکلاتی که به خاطر عدم تعادل بار در شبکه های توزیع برای مصرف کننده گان و شبکه پیش آمده تواما” با توجه به مسائل اقتصادی مطرح و مورد بررسی قرار گیرد .
همچنین مبحث تلفات انرژی الکتریکی به علت صدها میلیارد زیان سالیانه به صنعت برق چند سالی است در کانون توجه وزارت نیرو و متخصصان برق قرار دارد و تبعات و آثار زیان بار آن در شبکه چه از لحاظ فنی و چه از لحاظ بار مالی ایجاب می کند به طور گسترده ای مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و راه های عملی کاهش آن مشخص گردد . یکی از عوامل تلفات انرژی , نا متعادلی در توزیع بار می باشد که با تنظیم آن میتوان در جهت کاهش تلفات و بهینه سازی شبکه اقدام کرد.

اثرات عدم تعادل بار شبکه های توزیع
در اثر عدم تعادل بار در دو قسمت عمده شبكه يعني فازها و سيم نول تلفاتي ايجاد مي گردد . در حالت عدم تعادل بار مقدار تلفات در سیم های فاز ها بیشتر از حالت متعادل بوده و ضمنا” تلفات سیم نول نیز به آن اضافه می شود و بدلیل اینکه اصولا” سطح مقطع سیم نول کمتر از سیمهای فاز می باشد , بنابرای تلفات سیم نول بیشتر از سیم های فاز است .

 

• افت ولتاژ
در حالت نامتعادلي چون سیم نول دارای جریان می باشد , لذا علاوه بر ولتاژ طبیعی در فازها که بخاطر جریان بار وجود دارد مقدار ولتاز نول نیز افزایش یافته و اختلاف پتانسیل فاز و نول مقداری کمتر از حالت متعادل می شود .

• نامتعادلی ولتاژهای سه فاز :
چون در حالت عدم تعادل بار, با وجود یکسان بودن امپدانس فازها , جریان عبوری از آنها متفاوت می باشد , لذا افت ولتاژ های مختلفی در آنها بوجود آمده و در نتیجه ولتاژ نامتعادلی در نقطه بار خواهیم داشت که اثرات سوئی برای موتورها داشته که عبارتند از :
– کاهش کشتاور بار ودر نتیجه توان موتور

– افزایش تلفات آهن در موتور ها
– افزایش لرزش در موتورها
● کاهش ظرفیت شبکه و ترانسفورماتور ها
بر اثر عدم تعادل بار ممکن است یکی از فازهای شبکه و یا ترانسفورماتور دارای شدت جریانی بیشتر از ظرفیت آن شود , در صورتیکه دو فاز دیگر دارای شدت جریانی کمتر از شدت جریان نامی آن می گردد , بنابراین در این حالت نمی توان از ظرفیت کامل شبکه و یا ترانسفورماتور استفاده نمود . علاوه بر اینکه عمر دستگاه و یا شبکه نیز کاهش می یابد .
● کاهش ایمنی مصرف کننده ها :
افزایش نامتعادلی سبب افزایش نول شبکه گشته و در پی آن ولتاژ نول نسبت به زمین افزایش می یابد و چونکه مصرف کنندگان اصولا” نول را بی خطر می دانند ممکن است در اثر تماس با آن سبب برق گرفتگی آنها و یا در بعضی موارد منجر به مرگ آنها شود.
● کاهش ایمنی برق رسانی به مشترکین :
با توجه به مسائل فوق مشاهده میشود عدم تعادل بار سبب می گردد که مصرف کنندگان از یک سیستم ایمنی و مطمئن برخوردار نبوده و. این مسئله دقیقا” در آماری که از شبکه اصفهان توسط گروه های ستاد سازندگی و آموزش وزارت نیرو در سال ۱۳۶۰ تهیه شده , بخوبی مشهود می باشد .

● اثرات اقتصادی :
با افزایش تلفات در شبکه , افزایش حرارت نیز همراه می باشد , لذا از نظر طول عمر تجهیزات و تعمیر و نگهداری آنها , هزینه ها افزایش یافته و ضمناً مقدار زیادی از توان که باید به مصرف کنندگان انتقال یابد و به فروش رسد به حرارت تبدیل و تلف می شود .

 

محاسبه تلفات توان در حالت نامتعادلي بار :
براي سادگی محاسبات ابتدا فرض می کنیم که بار در یک نقطه خط مطابق شکل زیر متمرکز باشد . همچنین از مقدار راکتانس خطوط نیز صرفنظر می شود .

در حالتیکه بار کاملا” اهمی بوده و ولتاژ و جریان دارای اختلاف فاز صرف باشند , تلفات در سیم های فاز برابر است با :
” حالت نا متعادل ”
” حالت متعادل ”
و در حالت متعادل می توان نوشت :

تفاوت تلفات در حالت متعدل برابر است با :
=(متعادل – ( نامتعادل
=

چونکه با توجه به نامساوی کوشی همواره رابطه زیر برقرار می باشد .

نامساوی فوق همواره درست است مگر اینکه ” ” باشد بنابراین تلفات سه فازی در حالت نامتعادل همیشه بیشتر از تلفات سه فاز در حالت متعادل است . این تلفات بدون در نظر گرفتن تلفات سیم نول بوده و چنانچه آن نیز منظور گردیده و سطح مقطع سیم نول نیز برابر فاز ها در نظر گرفته شود , داریم :

( نول + (فازها = (کل

) r (=(کل
(متعادل – (کل = ازدیاد تلفات

=

(تلفات سیم نول =
و اگر مقاومت نول دو برابر سیم فاز ها باشد ( سطح مقطع کوچک باشد معمولا” هست) مقدار ازدیاد تلفات بصورت زیر خواهد بود .
(تلفات سیم نول ) = ازدیاد تلفات

البته در این حالت چونکه مقاومت سیم نول دو برابر شده بنابراین تلفات سیم نول دو برابر خواهد شد و برای جریان ثابت نول ” ” ضریب می گردد که در مقایسه با بسیار بیشتر می یاشد . در جداول زیر تغییرات تلفات توان بر حسب برای حالتی که سطح مقطع سیم نول برابر سیم فاز با حالتیکه نصف سیم فاز می باشد مقایسه گردیده است .
۱۲۰ ۱۱۰ ۱۰۰ ۹۰ ۸۰ ۷۰ ۶۰ ۵۰ ۴۰ ۳۰ ۲۰ ۱۰ متوسط I /

۸۰ ۶۷ ۵۶ ۴۵ ۳۶ ۲۷ ۲۰ ۱۴ ۹ ۵ ۲ ۵/۱ افزایش تلفات توان ( درصد )

” حالتی که سطح مقطع سیم نول و فاز یکسان می باشد “

۱۲۰ ۱۱۰ ۱۰۰ ۹۰ ۸۰ ۷۰ ۶۰ ۵۰ ۴۰ ۳۰ ۲۰ ۱۰ متوسط I /
128 107 89 72 57 43 32 22 14 8 5/3 9/0 افزایش تلفات توان ( درصد )

” حالتی که سطح مقطع سیم نول نصف سیم فاز می باشد ” و می توان مقادیر را بصورت زیر نمایش داد .

این محاسبات فقط برای یک حالت بسیار ساده شبکه در نظر گرفته شده بود و در صورتیکه برای حالتهای دیگر مانند بار بصورت گسترده در نقاط مختلف نیز محاسبه نمائیم , نتیجه فوق بدست آمده و همیشه مقدار تلفات توان در حالت عدم تعادل بیشتر از حالت تعادل خواهد بود و لازم به محاسبات کامپیوتری مخصوصا” در حالتی که ضریب قدرت توان نیست متفاوت بوده می باشد . در این مقاله هدف طریقه محاسبه تلفات توان نیست بلکه در بررسی احتمالی این تلفات بوده که

در شرکت برق منطقه ای اصفهان در ماههای اسفند , فروردین و اردیبهشت سال ۱۳۶۰ توسط گروهای ستاد سازندگی و آموزش بعمل آمده که در جداول و نمودار زیر عرضه گردیده است . لازم بذکر است که این اندازه گیریها در شرایط جنگی و در روز انجام شده و بدیهی است در حالت عادی بیشتر می باشد.

– جدول شماره (۱) :
این جدول که با توجه به اندازه گیری هایی بروی ۹۰۰ دستگاه ترانسفورماتور توزیع در ناحیه مرکزی برق منطقه ای اصفهان تنظیم یافته بعنوان یک نمونه می باشد و در صورتی که برق کلیه برقهای منطقه ای در سطح کشور تهیه گرد اعدادی باور نکردنی بدست خواهد داد که برخوردی جدی و اساسی به این مهم را لازم ضروری می نماید . در این جدول منظور از توان تلف شده میزان ازدیاد تلفات بخاطر عدم تعدل بار بوده و مدت محاسبه برای سه ماه در طول ۲۴ ساعت با نرخ هر kwh انرژی ۴ ریال می باشد .

قیمت
( ریال ) انرژی تلف شده
( kwh ) ازدیاد توان تلف شده

( kw ) بخش
۴/۵۴۳۳۹۸ ۶/۱۳۵۸۴۹ ۶۸/۱۸۸ ۱
۲/۴۰۴۳۵ ۸/۱۰۱۰۸ ۰۴/۱۴ ۲
۸/۵۳۵۹۹۶ ۲/۱۳۳۹۹۹ ۱۱/۱۸۶ ۳
۵۸۲۹۱۲ ۱۴۵۷۲۸ ۴/۲۰۲ ۴
۶/۱۳۲۳۲۷۳ ۴/۳۳۰۸۱۸ ۴۷/۴۵۹ ۵
۱۱۵۲۰۰ ۲۸۸۰۰ ۴۰ ۶
۴/۵۲۴۲۴۶ ۶/۱۳۱۰۶۱ ۱۸۲ ۷
۲۱۳۶۹۶ ۵۳۴۲۴ ۲/۷۴ کاوه

۴/۳۸۷۹۱۵۸ ۶/۹۶۹۷۸۹ ۹۳/۱۳۴۶ جمع کل

جدول شماره ( ۲ ) :
در این جدول بطور کتوسط مقدار درصد متوسط برای ترانسفورماتور مختلف عمومی و خصوصی بدست آمده و مقدار درصد افزایش متفاوت نیز به طور تقریبی محاسبه گردیده است .
افزایش تلفات ( درصد ) ترانسهای خصوصی ( تعداد ) ترانسهای عمومی ( تعداد) متوسط
( درصد )
۳/۲ ۲۰۴ ۴۷ ۱۰
۴۳/۴ ۲۴ ۱۰۲ ۲۰
۸/۱۰ ۱۹ ۱۱۶ ۳۰
۱۴ ۱۱ ۸۹ ۴۰
۲۸/۱۶ ۱۰ ۶۴ ۵۰
۸۸/۱۸ ۹ ۵۰ ۶۰
۰۵/۱۳ ۵ ۲۵ ۷۰

۹۷/۱۱ ۱ ۲۰ ۸۰
۲۴/۱۲ ۵ ۱۲ ۹۰
۶۷/۱۸ ۵ ۲۱ ۱۰۰
۸۸/۵۸ ۹ ۳۷ بیش از ۱۰۰
۵۱/۲۰ ۳۰۲ ۵۸۳
و نمودار آن نیز در زیر آورده شده است .

محاسبات و جداول فوق نشان می دهد که با افزایش نامتعا

دلی در سیستم توزیع , تلفات انرژی بمقدار زیادی بالا می رود و انرژی تولید شده که باید به مصرف کنده تحویل داده شود , به مقدار زیادی در شبکه از بین رفته و تنها اثرات سوء آن باقی می ماند . با توجه به تعداد مصرف کنندگان و اندازه گیریهای انجام شده در برق منطقه ای اصفهان چنانچه بطور تقریب برای تمامی سطح کشور بمدت یکسال محاسبات انجام پذیرد , مقادیر یصورت زیر خواهد بود .
همانطوریکه گفته شد اندازه گیریهای حاصله برای تعداد ۹۰۰ دستگاه ترانسفورماتور در مدت سه ماه اسفند ، فروردین و اردیبهشت در موقع روز انجام گرفته و حالا که حدود ۱۲۰۰۰ ترانسفورماتور توزیع در شرکت برق منطقه ای اصفهان نصب شده , مقدار کل توان تلف شده برابر ۱۷۹۴۷ کیلو وات و برای کل ایران ۹۳٫۳۳۹٫۰۰۰ می باشند , مقدار کل توان تلف شده برابر ۱۸۸٫۱۱۱ کیلو وات می گردد و مشاهده می شود حدود ۱۸۸ مگا وات تلفات قدرت بخاطر عدم تعدلل بار وجود خواهد داشت .
مقدار کل انرژی تلف شده در شبکه اصفهان برای مدت یکسال با توجه به تعداد ترانسفورماتور های نصب شده برابر ۵۰۴۲۹ مگا وات ساعت و قیمت ان تقریبا” ۲۰۰ میلیون ریال ساعت که قیمت آن تقریبا” ۲ میلیارد ریال تخمین زده می شود . بدیهی است قیمت منظور شده بر اساس کیلو وات

ساعت ۴ ریال بوده و در صورتیکه اسهلاک سرمایه و مقدار سرمایه گذاری وزارت نیز محاسبه شود . مقدار فوق بسیار زیادتر خواهد بود. البته قابل ذکر و توجه است که در برق منطقه ای اصفهان گروهی تشکیل و پس از بررسیهای مسئله فوق نسبت به راه حل آن اقدام نمودند و حتی الامکان نسبت به متعادل نمودن فاز ها بخصوص در موقع پیک بار اقدام گردید که در بسیاری از مواقع اثرات مثبت و نتايج خوبی را به همراه داشت .

افت ولتاز در حالت عدم تعادل بار :

 

در شکل فوق داریم :

و در نتیجه ,

مشاهده می شود در حالت عدم تعادل بار افت ولتاژ به اندازه افزایش می یابد و و در صورتی که سطح مقطع سیم نصف سیم فاز باشد به اندازه افزایش می یابد و چنانچه مقدار یا که ولتاژ سیم نول می باشد از مقدار ۵۰ ولت که مقدار ولتاز ایمنی برای انسانهها بوده , تجاوز نماید ممکن است خطرات جانی برای مصرف کنندگان بهمراه داشته باشد و در بسیاری موارد سبب مرگ انسانها بشود .
در صورتیکه بار بصورت مختلط و گسترده در طول خط بخش باشد می توان مقدار افت ولتاژ در شبکه را از رابطه تجربی زیر بدست آورد .

V : افت ولتاژ در حالت عدم تعادل بار
: افت ولتاژ در حالت تعادل بار
n : تعداد مصرف کننده های تکفاز مربوط به فاز ها
d: ماکزیمم دیماند هر مصرف کننده ( بر حسب آمپر)

نتیجه گیری :
عدم تعادل بار در شبکه های توزیع خود یکی از معضلات شبکه بوده که متاسفانه از نظرها دور مانده به طور جدی با آن برخورد نشده و همین امر باعث افزایش هزینه های جاری شبکه های توزیع گردیده و دنبال آن اثرات نامطبوعی را برای مصرف کنندگان داشته و دارد . در صورتی که این مشکل حل شود به جای هدر رفتن توان تولیدی می توان به مصرف کنندگان سرویس بهتری را عرضه نمود و از هزینه های ثابت شبکه نیز بهتر استفاده کرد. به جز موارد فوق همان طوری که ذکر شد تنها افت ولتاژ و افت توان از اثرات سوء نامتعادلی بار نیست بلکه سبب عدم ایمنی سيم نول نیز گردیده که خود از نظر ایمنی انسانها بسیار مهم و در خور تعمق است .

بنابراین میبایستی هر چه سریعتر نسبت به رفع این مشکل اقدام نمود و لازم است :
– در هر شرکت برق منطقه ای سیستمی تشکیل و نسبت به اندازه گیری شدت جریان فازها و نول اقدام و میزان عدم تعادل بار محاسبه و بررسی شود .
– نسبت به رفع نامتعادلی شبکه های توزیع اقدام کرد.
– براي ايجاد تعادل تنها مي توان از تعادل هاي موضعي استفاده نمود و در طول هاي كوچك اين تعادل را برقرار كرد . زیرا در یک شبکه با انواع بارهای صنعتی , خانگی , کشاورزی , تجاری و غیره ایجاد یک تعادل برای کلیه فیدرها بسیار مشکل است چگونه ضریب همزمانی و استفاده از میزان قدرت هر مشترک در دسترس نیست ولی می توان این کار با پستهای ۴۰۰/۲۰٫۰۰۰ ولت انجام داد مصرف کنندگان را طوری بین فازها تقسیم نمود که حتی الامکان عدم تعادل بار حذف شود.
ضمنا” مشترکین جدید را نیز از طریق فاز های کم بارتر تغذیه نمود که لازمه ان اندازه گیری متناوب بار در فازها و نول می باشد .

بدیهی است برای نامتعدلی های ناگهان و زیاد نیز می توان بصورت عالی و ضربتی عمل کرد و امید است با همکاریی و همفکری صاحب نظران و متخصصین وزارت نیرو و شرکت های برق منطقه ای نسبت به رفع این مشکل با مطالعه دقیق تر شبکه, اقدام گردد.

اثر کاربرد لامپهای پر بهره و کم مصرف
کمبود نیروی برق در سطح کشور باید به طریق منطقی و اقتصادی رفع گردد. برا

ساس آمار وزارت نیرو حداکاثر قدرت تولید برق در سال ۱۳۷۵ بالغ بر ۱۰۹۳۹ مگا وات بوده که با آن توجه به خاموشیهای اعمال شده , قدرت مورد نیاز برابر ۱۱۶۵۰ مگاوات برآورد شده است . شکی نیست که برای رفع کمبود برق در دراز مدت و با توجه به روند آتی رشد بار , باید با بررسی همه جانبه به توسعه نیروگاه ها همت گماشت . اما نباید از وجود راه حلهای جانبی جهت کاهش قله مصرف صرفه جویی در مصرف انرژی غافل ماند . با نگاهی به آمار منتشر شده به وسیله وزارت نیرو ملاحظه می گردد از مقدار ۴۹۱۷۵ میلیون کیلو وات ساعت انرژی مصرفی در سال ۱۳۷۰ تنها ۳/۲۹ درصد سهم مصارف صنعتی و کشاورزی بوده و مابقی مربوط به مصارف خانگی , عمومی , روشنایی معابر و اماکن میباشد . مسلما” مبلغ قابل ملاحظه ای از انرژی فوق مربوط به تامین روشنایی است که به طور عمده با استفاده از لامپهای رشته ای تامین می گردد .

نوع تعرفه میلیون کیلو وات ساعت درصد از کل فروش
خانگی و بار فروش ۱۹۳۵۰ ۳/۳۹
عمومی ۱۳۶۰۹ ۷/۳۷
صنعتی ۱۰۶۳۷ ۶/۲۱
کشاورزی ۳۷۹۲ ۷/۷
اماکن متبرکه و آرد و نان ۵۸۱ ۲/۱
روشنایی معابر ۱۲۰۶ ۵/۲

جمع کل فروش ۴۹۱۷۵ ۱۰۰

جدول ۱

۱- مقایسه ی لامپهای رشته ای , فلوئوذستن و کم مصرف :
جدول ۲ خصو.صیات مربوط به سه نوع لامپ رشته ای , فلوئورستن و کممصرف
نوع لامپ توان مصرفی (وات ) طول عمر ( ساعت ) شار نوری ( لومن ) قیمت جهانی لامپ قیمت تمام شده با ارز شناور ( ریال )

رشته ای ۱۰۰ ۱۰۰۰ – ۵۰۰ ۱۲۰۰ ۲۰سنت ۳۶۰
فلوئورسنت
( کامل ) ۲۰ ۶۰۰۰ ۱۲۰۰ ____ ۵۰۰۰
کم مصرف الکترونیکی ۲۰ ۸۰۰۰ ۱۲۰۰ ۱۰ دلار ۶۴۰۰
جدول ۲
برای اینکه مقایسه لامپهای فوق به راحتی صورت گیرد فرض میکنیم تامین شار نوری برابر ۱۲۰۰ لومن برای مدت ۸۰۰۰ ساعت مورد نظر باشد . هزینه مورد نیاز جهت تامین روشنایی به میزان فوق بشرح زیر میباشد :

الف – لامپ رشته ای :
تعداد لامپهاي مورد نياز ۸ = ۱۰۰۰ : ۸۰۰۰

قیمت لامپ مورد نیاز ( ریال ) ۲۸۸۰= ۸ × ۳۶۰
انرژی مورد نیاز جهت تامین روشنایی ( واتساعت ) ۸۰۰۰۰۰= ۱۰۰× ۸۰
هزینه انرژی ( ریال ) ۶۸۰۰= ۵/۸ × ۸۰۰
هزینه تامین روشنایی مورد نیاز ( ریال ) ۹۶۸۰= ۲۸۸۰+ ۶۸۰۰

ب – لامپ فلوئورسنت :
تعداد لامپ مورد نیاز ۳۳/۱= ۶۰۰۰= ۸۰۰۰
قیمت لامپ مورد نیاز ( ریال ) ۶۶۵۰=۵۰۰۰×۳۳/۱
انرژی مورد نیاز جهت تامین روشنایی ( واتساعت ) ۱۶۰۰۰۰= ۲۰×۸۰۰۰
هزینه انرژی ( ریال ) ۱۳۶۰ = ۵/۸ ×۱۶۰
هزینه تامین روشنایی مورد نیاز ( ریال ) ۸۰۱۰ = ۶۶۵۰+ ۱۳۶۰

 

ج – لامپ کم مصرف الکترونیکی :
تعداد لامپ مورد نیاز ۱= ۸۰۰۰= ۸۰۰۰
قیمت لامپ مورد نیاز ( ریال ) ۶۴۰۰= ۶۴۰۰× ۱
انرزی مورد نیاز جهت تامین روشنایی ( واتساعت ) ۱۶۰۰۰۰= ۲۰×۸۰۰۰
هزینه انرژی ( ریال ) ۱۳۶۰=۵/۸ ×۱۶۰
هزینه تامین روشنایی ( ریال ) ۷۷۶۰=۶۴۰۰+۱۳۶۰