کار اموزی تاسيسات الكتريكي

آشنايي كلي با سيستم قدرت الكتريكي .
تاريخچه
فكر استفاده از منابع انرژي موجود در طبيعت در راه انجام مقاصد، از روزگاران نخست با بشر همراه بوده است. در ابتدا تنها انرژي قابل استفاده صرفا نيروي بدني بود كه اين قدرت را در تمدن هاي پيشرفته به وسيله اهرم ها و قرقره ها به صورتهاي مختلف تبديل مي نمودند. اولين منابع انرژي خارجي كه شناخته شد، استفاده از قدرت حيوانات و آب و باد بود كه به منظور حمل بار، آماده ساختن زمين و كار انداختن آسياب ها به كار گرفته مي شدند.

تحول بزرگ در استفاده از منابع انرژي در حقيقت از زمان شناختن قدرت بخار آب توسط « جيمز وات» آغازشد كه با ساختن ماشين بخار توانست براي بشر عصر جديدي را آغاز نمايد. از اين پس سير تكاملي استفاده از منابع انرژي طبيعت به سرعت صورت گرفت. به طوري كه در حال حاضر با استفاده از توربين هاي آبي و بكاربردن قدرت اتمي در نيروگاههاي هسته اي، مسئله تبديل قدرتهاي عظيم تا حدود زيادي حل شده است.

پس از شناخت منابع انرژي و توليد قدرت، موضوع قابل استفاده بودن و سهولت بكارگيري اين انرژي پيش مي آيد.
براي اينكه انرژي توليد شده مفيد واقع شود بايد داراي خصوصياتي باشد كه عبارتند از:

قابليت انتقال آسان.
راندمان انتقال بالا.
سهولت بكارگيري عمومي.
قابليت كنترل توسط مصرف كننده .
قابليت تبديل به صورت هاي مختلف انرژي.

ويژگي هايي كه ذكر شد در انرژي الكتريكي بيش از ساير انرژي ها جمع مي باشد چراكه مثلا اگر انرژي مكانيكي را در نظر بگيريم، انتقال آن حتي به فاصله چند صد متر احتياج به تجهيزات فوق العاده زيادي دارد و علاوه بر اين راندمان انتقال آن نيز مناسب نمي باشد. در مرحله بعدي توزيع و كنترل آن براي مصرف كننده و تبديل آن به صورت‌هاي ديگر انرژي به صورت مستقيم بي نهايت مشكل و حتي در مواردي غير علمي است.

در صورتي كه انرژي الكتريكي با وجود پيشرفتهايي كه در اين فن حاصل شده كليه ويژگي‌هاي لازم را دارا مي باشد. كنترل آن توسط مصرف كننده صرفا به وسيله چند كليد امكان پذير بوده و تبديل آن به انواع انرژي ها از قبيل مكانيكي، نوراني، حرارتي، شيميايي و … با لوازمي كه ساخته شده در كمال سادگي و سهولت انجام مي گيرد. بالاتر اين كه در محل مصرف داراي هيچ گونه آلودگي محيطي نيست.

با عنايت به ويژگي هايي كه از انرژي الكتركي شناخته شد، فكر توليد و توزيع انرژي به صورت انرژي الكتريكي تقويت گرديد تا اين كه انرژي الكتريكي اول بار به صورت جريان دائم توليد و توزيع شد و اولين خط انتقال مربوط به آن در سال ۱۸۸۲ توسط «اسكار ميلر» و « مارلن ديرز» بين مونيخ و مير باخ كشيده شد.
مهمترين اشكالي كه در توليد و توزيع انرژي الكتريكي به صورت جريان دائم به چشم مي خورد، دشواري تبديل ولتاژ در اين سيستم بود، چون براي مصرف كننده احتياج به ولتاژ محدودي بود و از اين جهت خطوط انتقال و توزيع نيز نبايد در اين ولتاژ كار مي كردند و از اين نظر تلفات قدرت سيستم زياد بود،به خصوص وقتي كه تقاضاي قدرت الكتريكي در منطقه اي افزايش مي يافت.

در ولتاژ انتقال و توزيع محدود جريان دائم، دامنه جريان زياد مي گشت و اين امر باعث افزايش مجذوري تلفات قدرت و در نتيجه پايين آمدن بازده سيستم مي شد. براي رفع اين نقيصه با توجه به رابطه افت قدرت ۲p = R.I يا بايستي سطح مقطع خطوط را قطورتر انتخاب مي نمودند كه خود باعث قوي تر شدن دكل ها، بست هاي مكانيكي ودر نتيجه غير اقتصادي تر شدن سيستم مي شد يا اين كه به نحوي بايستي دامنه جريان انتقالي را كاهش مي دادند كه اين امر در جريان دائم با افزايش دامنه ولتاژ در توان ثابت انتقال امكان پذير نبود. پس بنا به دلايل فوق اين سيستم توزيع و انتقال انرژي در مسافتهاي طولاني و مقادير توان عظيم با مشكل مواجه شد و كارآيي خود را از دست داد.

با مطرح شدن ماشين هاي جريان متناوب سينوسي كه از نظر ساختمان و نحوه ساخت، نسبت به ماشين هاي جريان دائم ساده تر بودند و با عنايت به اين امر كه تغيير سطح ولتاژ در سيستم جريان متناوب به سهولت انجام مي پذيرد، براي توليد، انتقال و توزيع انرژي الكتريكي از سيستم تك فاز جريان متناوب سينوسي به جاي جريان دائم استفاده گرديد. علت انتخاب شك موج سينوسي علاوه بر سادگي توليد آن، ثابت ماندن شكل آن در تبديل ولتاژ توسط ترانسفورماتورها بود، زيرا در غير اين صورت شكل موجي جرياني كه در محل هاي مختلف در اختيار مصرف كننده ها قرار مي گرفت متفاوت مي شد و اشكالات زيادي در استفاده از انرژي الكتريكي پديد مي آمد.

اما ايده آل نبودن سيستم تك فازه در بهينه كردن ماشين هاي توليد و تبديل كننده انرژي الكتريكي و به ويژه عدم توانايي مطلوب آنها در ايجاد ميدان دوار و ساده كردن تبديل انرژي الكتريكي به مكانيكي، باعث به وجود آمدن مشكلاتي در بهره برداري ازاين سيستم گرديد . زماني كه «نيكلاتسلا» در سال ۱۸۸۸ مقاله اي راجع به سيستم تك فازه آشكار گشت.
به وجود آمدن سيستم دوفاز محققين را بر آن داشت كه راجع به سيستم هاي چند فازه به طور كلي تحقق نمايند و تعداد فازهاي سيستم بهينه را بدست آوردند. نيتجه اين تحقيقات به توليد، انتقال و توزيع انرژي الكتريكي به صورت سه فاز منجر گرديد. از اين رو پس از سال ۱۸۹۱ كه اولين خط انتقال سه فاز فرانكفورت و لاوفن نصب شد، توسعه سيستم هاي قدرت سه فاز رو به فزوني گذاشت و تا كنون نيز اساس توليد، انتقال و توزيع انرژي الكتريكي بر روي سيستم هاي سه فازه استوار است.

از مزاياي اين سيستم، بهينه شدن دستگاه هاي توليد و تبديل انرژي با اين روش و ثابت بودن قدرت لحظه اي مجموع سه فاز نسبت به زمان است. اين امر توليد گشتاور ثابت در روي محور موتورها و نياز به گشتاور ثابت براي ژنراتورها را باعث شد. علاوه بر اين، سيستم انتقال و توزيع انرژي سه فاز داراي بازده بالاتري نسبت به سيستم انتقال و توزيع تك فاز است.
توليد و مصرف انرژي الكتريكي

بعد از آن كه ويژگيهاي انرژي الكتريكي شناخته شد، واحدهاي كوچك عهده دار توليد و توزيع انرژي الكتريكي گرديدند. پيشرفت سريع در ساختن دستگاه هاي الكتريكي احتياجات بشري را مرتفع مي ساخت و مصرف انرژي الكتريكي را با نرخ زيادي روز افزون مي نمود. زياد شدن مصرف انرژي الكتريكي، وابستگي زياد احتياجات روزمره را به انرژي الكتريكي موجب گرديد و به همين دليل ضرورت تامين پايداري شبكه احساس شد.

بدين ترتيب توليد انرژي به صورت كوچك و واحدهاي منفرد مطرود و واحدهاي بزرگ توليد انرژي با يكديگر براي تامين برق مصرف كنندگان مرتبط گرديدند و از آن رو شبكه هاي به هم پيوسته به وجود آمدند. عامل ديگري كه در تسريع اين امر كمك نمود هم زمان نبودن پيك مصرف نيروگاه هاي مختلف در مكان هاي مختلف و در نتيجه امكان كمك كردن نيروگاه ها به يكديگر در توليد انرژي شبكه بود و در نتيجه بازده اقتصادي بالاتر و هزينه توليد انرژي الكتريكي را پايين مي آورد.

مساله اي كه ايجاد شبكه هاي انتقال هم پيوسته قدرت را باعث شد، علاوه بر عوامل فوق متمركز نبودن مناطق مصرف و منابع انرژي بود. البته در اين مورد از انرژي آب آبشارها و سدها مي توان بدون هيچ گونه بحث و توضيح اضافي نام برد. ليكن در مورد نيروگاه هاي حرارتي چون انتقال سوخت به خصوص سوختهاي مايع از طريق لوله ها باانتقال انرژي الكتريكي انجام مي شود كه طي اين محاسبات با توجه به نزديكي به مركز باز، هزينه سوخت، هزينه تلفات و مسائل زيست محيطي بهترين محل براي نيروگاه انتخاب مي شود.

به طور كلي براي تامين برق در حال حاضر معمولا از سه رده شبكه استفاده مي‌شود، رده اول، شبكه هاي انتقال كه داراي ولتاژهاي بيش از ۱۳۲ كيلو وات و به منظور انتقال قدرت هاي بزرگ در فواصل زياد به كار مي رود. رده دوم، شبكه هاي فوق توزيع، كه ارتباط بين پست ها و نيروگاه هاي داخل يك منطقه محدود را از نظر تامين انرژي بر عهده دارند و داراي ولتاژي بين ولتاژ شبكه انتقال و شبكه توزيع انرژي مي باشند. گاهي موارد به شبكه هاي فوق توزيع، شبكه زير انتقال نيز اطلاق مي شود. رده سوم، شبكه توزيع كه صرفا مصرف كننده ها به آن وصل مي گردند و ولتاژ اين شبكه براي مصرف كننده هاي كوچك در ايران ‌‌[V] 380 و براي مصرف كننده هاي بزرگ [KV]20 مي‌باشد. به طور كلي استانداري كه براي ولتاژ شبكه هاي مختلف در ايران انتخاب شده عبارتست از : [V]380 ، [KV] 20 ،[KV] 63 ،[KV] 132 ،[KV] 330 و [KV] 400 .

وظيفه شبكه الكتريكي
يك شبكه الكتريكي خوب بايد بتواند قدرت مصرفي مورد نياز مصرف كننده را تحت ولتاژ ثابت و فركانس ثابت تحويل دهد. ليكن در عمل ثابت نگهداشتن فركانس عملي نمي گردد و هميشه در عمل فركانس كه مشخص كننده، تعادل بين توليد و مصرف شبكه است داراي تغييراتي برابر ۵/۰ % مي باشد. دليل اين تغييرات مداوم فركانس، وجود تغييرات آني و پيوسته در مصرف كنندگان است كه به طور لحظه اي و به دلخواه از شبكه قطع و يا به آن متصل مي شوند.
در مورد ولتاژ هم بايد گفت كه ثابت نگهداشتن آن در اثر تغيير مصرف و در نتيجه تغيير افت ولتاژ غير عملي است و همواره دستگاه هاي الكتريكي بايد به طريقي ساخته شوند كه با تغييرات ۵% ولتاژ نامي نيز بتوانند به كار خود ادامه دهند.از اين نظر در اين زمينه براي شبكه هايي كه مصرف كننده اي بدان متصل مي گردد، براي ولتاژ تغييراتي تا محدوده فوق را مجاز مي دانند.

انتقال و توزيع انرژي الكتريكي
صورت هاي مختلف انرژي در زندگي اجتماعي و اقتصادي جوامع بشري نقش مهمي ايفا مي كنند، و اين امر با رشد جمعيت جوامع و بالا رفتن سطح زندگي مردم سالانه افزايش قابل توجهي دارد و مصرف انرژي به صورت عمده در شكلهاي مكانيكي، نوراني و حرارتي انجام مي پذيرد. معمولا انرژي هاي مصرفي مستقيما از منابع انرژي‌هاي خام، مانند انرژي حرارتي ناشي از سوختن ذغال سنگ يا نفت بدست نمي‌آيد، بلكه ابتدا انرژي خام به انرژي واسطي(كه معمولا انرژي الكتريكي است) تبديل شده و سپس به صورت هاي گوناگون مورد مصرف قرار مي گيرد. علت انتخاب انرژي الكتريكي به عنوان واسطه (انرژي ثانوي) به دلايل زير است:

۱- انرژي الكتريكي را مي توان به صورت كلان با هزينه كم و بازده خوب به وسيله خطوط انتقال انرژي الكتريكي به هر نقطه اي با سرعت زياد منتقل نمود و در آنجا توزيع كرد.
۲- انرژي الكتريكي را مي توان آسان تر و با بازده بيشتر به انرژي هاي نوراني، مكانيكي و حرارتي تبديل كرد.
۳- در محل مصرف ايجاد آلودگي محيطي نمي كند.
۴- دستگاه هاي تبديل انرژي الكتريكي به صورت هاي ديگر انرژي، داراي قابليت اطمينان بالاتر و ساختمان ساده تري هستند.
۵- امكان توسعه توليد، انتقال و توزيع انرژي الكتريكي ميسر مي باشد.

عليرغم امتيازاتي كه براي انرژي الكتريكي ذكر كرديم اين انرژي نقطه ضعف بزرگي دارد و آن اين است كه ذخيره كردن مقادير زياد آن از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نيست. به همين دليل ظريف نيروگاههاي توليد برق را هميشه با حداكثر مصرف پيش بيني شده و يا حتي بخاطر رعايت قابليت اطمينان چند درصد بيش از حداكثر مصرف پيش بيني شده، در نظر مي گيرند و گرچه ممكن است اين حداكثر مصرف در هر سال بيش از چند ساعت مورد نياز نباشد.
به دليل تغييرات مصرف انرژي الكتريكي در ساعات مختلف شبانه روز بيان اين نكته كه توليد و مصرف انرژي الكتريكي هم زمان است، طرح سيستم هاي انرژي الكتريكي و تدابير لازم جهت اقتصادي شدن بيشتر آن، بايستي با ضوابط دقيقي صورت گيرد.

سيستم انرژي الكتريكي
مجموعه تجهزات لازم جهت بهره برداري از انرژي خام، تاسيسات انرژي ناميده
مي شود. چنانچه به برداري از منابع انرژي خام به صورت الكتريكي باشد اين سيستم را سيستم انرژي الكتريكي مي نامند، به طور عام سيستم انرژي الكتريكي از سه زير سيستم، توليد انرژي الكتريكي، انتقال انرژي الكتريكي و توزيع انرژي الكتريكي، تشكيل
مي شود. هر كدام از اين زير سيستم ها داراي بخش هاي كوچك تر و ويژگي هاي خاص هستند كه متمايز از ديگران است. شكل (۱-۱) نمودار سيستم انرژي الكتريكي را نشان مي دهد.

طراحي سيستم توزيع
طراحي سيستم به منظور پاسخ گويي به رشد فزاينده تقاضاي مصرف انرژي الكتريكي توسط سيستم توزيع ضرورتي است كه بايد داراي دو ويژگي مقبوليت تكنولوژيكي و ترجيح اقتصادي باشد. گرچه كارهاي قابل توجهي در زمينه به كارگيري برخي روش هاي منظم در طراحي سيستم هاي توليد و انتقال انجام گرفته است وليكن كاربرد آنها در طراحي توزيع به فراموشي سپرده شده است. از طرف ديگر، در آينده شركت هاي بهره برداري برق بيش از گذشته نياز به يك ابزار طراحي سريع و اقتصادي دارند تا طرح هاي مختلف پيشنهادي براي توسعه سيستم و تاثيرات آنها بر روي مابقي سيستم را مورد ارزيابي قرار دهند و بتوانند انرژي الكتريكي را به صورت اقتصادي، مطمئن و ايمن براي مشتريان خود فراهم نمايند.
هدف اصلي طراحي سيستم توزيع، پاسخ گويي به رشد تقاضاي انرژي الكتريكي

مي باشد. به عبارتي نرخ رشد فزاينده بار و چگالي بارهاي زياد را مي توان با اضافه كردن سيستم توزيع جديد از طريق پست هاي فشار متوسط(فوق توزيع) برآورده كرد، به طوري كه داراي دو خصيصه مقبوليت تكنولوژيكي و ترجيح اقتصادي باشند. تمام اين عوامل و عوامل ديگري مانند كمبود زمين در مناطق شهري و مسائل زيست محيطي، طراحي بهينه سيستم هاي توزيع را مشكل مي سازند. طراحان سيستم توزيع بايد اندازه بار و موقعيت جغرافيايي آن را معين نمايند. سپس پست توزيع بايد به گونه اي از نظر اندازه و جا انتخاب شود كه ماكزيمم بار را با حداقل هزينه تلفات خطوط تغذيه كننده و ساختار سرويس دهد و در عين حال محدوديت هاي قابليت اطمينان در نظر گرفته شده باشد.
سيستم توزيع براي شركت بهره برداي برق به دو دليل داراي اهميت ويژه است :

۱- نزديكي به مصرف كننده و ۲- هزينه سرمايه گذاري بالا. از آنجا كه سيستم توزيع نزديكترين سيستم انرژي الكتريكي به مصرف كنندگان است وقوع خطا در آن سرويس‌دهي مصرف كننده را به طور مستقيم تحت تاثير قرار مي دهد، در حاليكه به طور مثال بروز خطا در سيستم هاي انتقال و فشار متوسط باعث قطع سرويس دهي به مصرف كنندگان نمي شود.
بنابراين طراحي سيتم توزيع از سطح مصرف كننده آغاز مي شود. عواملي مانند، تقاضاي بار، نوع بار، ضريب بار و ديگر مشخصات بار مصرف كننده نوع سيستم توزيع مورد نياز را ديكته مي نمايد.

ابتدا بايستي بارهاي مصرف كننده معين گردند و سپس به منظور تغذيه از طريق خطوط فشار ضعيف كه به پست فشار ضعيف متصل مي باشند دسته بندي مي شوند. سپس بارهاي ترانسفورماتورهاي توزيع با هم تركيب مي گردند تا تقاضاي بار سيستم فوق توزيع را معين كنند. بارهاي سيستم فوق توزيع به پست فشار قوي كه به سيستم انتقال متصل هستند ارجاع مي شوند. بارهاي سيستم توزيع، اندازه و موقعيت يا جايگيري پست ها فشار قوي و همچنين مسير عبور و ظرفيت خطوط انتقال را تعيين مي‌كند. به عبارت بهتر، خروجي هر گام در اين روند اطلاعات ورودي گام بعدي را فراهم مي سازد.

طراح سيستم توزيع، مساله طراحي سيتم توزيع را به مساله هاي كوچكتري خرد مي‌كند كه اين مسايل با روشها و تكنيك هاي در دسترس قابل حل باشند. شخص طراح، در صورت عدم وجود يك تكنيك پذيرفته شده، مي تواند مساله را به عنوان تلاشي در راه حداقل سازي هزينه خطوط فوق توزيع، پست ها، خطوط تغذيه كننده، انشعابها، هزينه تلفات و غيره تلقي كند. به هر حال، در اين فرآيند، طراح معمولا توسط مقادير مجاز دامنه ولتاژ، افت ولتاژ، نوسانات ولتاژ و غيره و همچنين تداوم سرويس دهي و قابليت اطمينان محدود مي گردد.
براي رسيدن به اين اهداف، شخص طراح، به منظور اضافه نمودن و يا بهينه سازي شبكه فوق توزيع، در مورد تعيين موقعيت و اندازه پستهاي فوق توزيع، مناطق سرويس دهي پست ها، اندازه خطوط تغذيه كننده و انشعاب ها، سطوح ولتاژ و افت ولتاژ در سيستم، موقعيت قرارگيري خازن ها و تنظيم كننده هاي ولتاژ و بارگيري ترانسفورماتورها و خطوط تغذيه كننده تصميم مي گيرد.

عوامل ديگري نيز وجود دارند كه بايد در نظر گرفته شوند، مثل، امپدانس ترانسفورماتورها، سطح عايقي سيستم، دسترسي به ترانسفورماتور يدك و پست سيار و نرخي كه مصرف كننده پرداخت مي نمايد. علاوه بر اينها با ابعاد بزرگ بايستي در نظر گرفته شوند، مثل زمان و مكان تقاضاي مصرف، تداوم و تواتر خروج آن، هزينه تجهيزات، بهره پول، هزينه فزاينده سوخت، قيمت صعودي و نزولي ديگر آلترناتيوهاي منابع توليد انرژي، تغيير شرايط اقتصادي اجتماعي و تمايل به افزايش تقاضاي كالا و خدمات، رشد يا كاهش جمعيت غير قابل پيش بيني منطقه اي، تغيير رفتار و آداب عمومي در نتيجه تغييرات تكنولوژيكي، ذخيره انرژي، تغيير شرايط اقتصادي مثل پيش بيني كاهش يا افزايش درآمد خالص (GNP)، تورم و برنامه هاي دولتي، استاني، شهري و محلي.

عوامل موثر در طراحي سيستم
تعداد و پيچيدگي مفروضات موثر در طراحي سيستم در نگاه اول متناقض به نظر
مي رسند تقاضاي رو به افزايش ظرفيت توان، ولتاژهاي توزيع بالاتر، اتوماسيون بيشتر و پيچيدگي كنترل بيشتر، در ابتداي فهرست چنين عواملي هستند. محدوديت هايي كه طراح نيز با آن مواجه است عبارت از كمبود زمين در مناطق شهري، مفروضات زيست محيطي، محدوديت انتخاب سوخت، عدم مطلوبيت افزايش نرخ انرژي و ضرورت حداقل سازي سرمايه گذاري و هزينه توليد مي باشد.

مساله طراحي تلاشي در جهت حداقل سازي هزينه خطوط فوق توزيع، پست ها، خطوط تغذيه كننده انشعابها، هزينه تلفات و غيره مي باشد. در واقع، اين نيازمنديها و محدوديت ها مسئله طراحي بهينه سيستم توزيع را از قدرت حل شخص بدون تجربه خارج مي سازد.
پيش بيني بار

افزايش بار منطقه جغرافيايي كه توسط يك شركت بهره برداي برق سرويس دهي مي شود مهمترين عامل موثر در توسعه سيتم توزيع است. بنابراين پيش بيني افزايش بار و عكس العمل سيستم به اين افزايش بار در فرآيند طراحي ضروري است. دو محدوده زماني مهم در پيش بيني بار وجود دارد: بلند مدت، با افق زماني حدود ۱۵ تا ۲۰ سال و كوتاه مدت با افق زماني تا فواصل ۵ سال. به طور ايده آل اين پيش بيني ها بايد بارهاي آينده را با دقت و جزئيات پيش بيني نمايند و حتي تا سطح مصرف كنندگان حقيقي گسترش يابد، اما در عمل نياز به تفكيك كمتري است و جزئيات زياد لازم نيست.

عوامل موثر پيش بيني بار
۱- آلترناتيوم هاي منابع . ۲- چگالي بار . ۳- رشد جمعيت.
۴- اطلاعات تاريخي. ۵- عوامل جغرافيايي. ۶- استفاده از زمين.
۷- طرحهاي شهري. ۸- طرحهاي صنعتي. ۹- طرح هاي توسعه اجتماعي.

شاخص هاي اقتصادي، تاريخي و طرح هاي رسمي استفاده از زمين، همگي به عنوان اطلاعات ورودي در رويه پيش بيني عمل مي كنند. اطلاعات خروجي پيش بيني بار به صورت چگالي بار (كيلو وات آمپر بر متر مربع) براي پيش بيني هاي بلند مدت است. پيش بيني هاي كوتاه مدت نيازمند جزئيات كمتري هستند. چگالي بار متناسب با مختصات جدول بندي شده براي مناطق مورد نظر بوده و سپس از اين اطلاعات جدول بندي شده در طرح پيكره بندي سيستم كمك گرفته مي شود. جدول بندي پيش بيني بار يك وسيله مفيد طراحي براي آزمودن تمام مناطق جغرافيايي و در نظر گرفتن اعمال لازم جهت الگوهاي توسعه سيستم ارائه مي نمايد.

توسعه پست
طراح بر اساس اطلاعات ملموس و يا غير ملموس پيش بيني آينده يك سيستم، تصميم گيري مي كند. به طور مثال، بار پيش بيني شده، چگالي بار، و رشد بار ممكن است نياز به توسعه پست حاضر يا احداث يك پست جديد داشته باشد. در طرح توسعه سيستم، ساختار فعلي سيستم، ظرفيت و بارهاي پيش بيني شده نقش اساسي بازي مي‌نمايند.
برخي عوامل موثر در توسعه پست

۱- محدوديت خطوط تغذيه (ورود و خروج) ۲- عدم انعطاف انتقال.
۳- ولتاژ انتقالي . ۴- ظرفيت خط ارتباطي.
۵- پيش بيني بر. ۶- ظرفيت و ساختار فعلي.
۷- محدوديتهاي پروژه اي. ۸- اندازه فيزيكي و دسترسي به زمين.
۹- حصار فيزيكي. ۱۰- محدوديت اندازه موجوع.
۱۱- عوامل اقتصادي.
انتخاب مكان پست

فاصله از مركز بار و خطوط فوق توزيع موجود و همچنين ديگر محدوديتها مثل دسترسي به زمين، قيمت آن و برنامه هاي استفاده از زمين مهمترين آنها هستند.
فرآيند جايابي پست مي تواند با يك روند مورد يابي كه تمام مكان هاي ممكن براي موقعيت پست از درون ان عبور مي نمايد توسط عوامل زير توصيف گردد؛
عوامل موثر در انتخاب مكان پست

۱- چگالي بار . ۲- پيش بيني بار.
۳- موقعيت خطوط فوق توزيع. ۴- دسترسي به زمين.
۵- قيمت زمين. ۶- برنامه استفاده از زمين.
۷- موقعيت پست موجود. ۸- محدوديت خطوط تغذيه.

منطقه سرويس، ناحيه تحت ارزيابي است. ابتدا مورد يابي اوليه با استفاده از يك سري مفروضات اعمال مي شود، مثل ايمني، مهندسي، طراحي سيستم، عرف، اقتصاد و زيبايي. اين گام از انتخاب مكان، اصولا مناطقي را كه براي توسعه نامناسب هستند را مشخص مي كند. سپس منطقه سرويس براي يك مجموعه از مكان هاي كانديدا براي احداث پست مورد ارزيابي قرار مي گيرد.

مكان هاي كانديد در سه دسته اصلي تقسيم بندي مي شوند:
۱- مكان هاي نا مناسب مه براي توسعه در آينده مطلوب نيستند.
۲- مكان هايي كه داراي برخي ويژگي هاي مطلوب هستند، اما براي ارزيابي جزئيات در حين روند طراحي انتخاب نمي شوند.
۳- مكان هاي كانديدي كه بايستي با جزئيات بيشتي مطالعه گردند.
تاكيد بر روي هر كدام از فرضيات انتخاب مكان پست از سطح يه سطح و شركت به شركت فرق مي كند.
روند مكان يابي پست

– منطقه سرويس.
– مناطق كانديد ؛ الف- مكانهايي كه براي ارزيابي بعدي نگاه داشته اند.
ب- مناطق عير قابل استفاده.
– مكانهاي كانديد
– مكانهاي پيشنهادي.
ساير عوامل

وقتي بار ارجاعي به پست ها معين شد، در انتخاب ولتاژ، انتخاب مسير خطوط تغذيه كننده، تعداد خطوط تغذيه كننده، انتخاب اندازه هادي و هزينه كل را در نظر گرفت.
عوامل موثر بر برآورد هزينه توسعه سيستم توزيع
۱- بهره از دست رفته حين ساختن. ۲- هزينه سرانه.
۳- هزينه نصب. ۴- هزينه ساختار.
۵- هزينه ساختمان. ۶- هزينه مواد.
۷- هزينه تعمير. ۸- هزينه بهره برداري.
۹- هزينه هاي ماليات و متفرقه.

در حالت عام، سطوح ولتاژهاي فوق توزيع و توزيع توسط سياست گذاري شركت تعيين مي گردد و به دليل استاندارد كردن و عوامل اقتصادي طراح آزادي زيادي در انتخاب اندازه هاي لازم و نوع و ظرفيت تجهيزات ندارد. به طور مثال طراح مي تواند ترانسفورماتور توزيع را از داخل ليست ترانسفورماتورهايي كه در حال حاضر در شركت موجود است، بازاء سطوح ولتاژي كه قبلا توسط شركت تثبيت شده است انتخاب نمايد.

تكنيك هاي نوين طراحي سيستم توزيع
امروزه اكثر طراحان سيستم توزيع الكتريكي در صنعت از برنامه هاي كامپيوتري مانند برنامه هاي پخش بار، برنامه هاي پخش بار شعاعي يا حلقوي، برنامه هاي محاسبات جريان اتصال كوتاه و جريان عيب، محاسبات افت ولتاژ و برنامه هاي محاسبه امپدانس كل سيستم، همچنين ابزارهايي ديگر مانند پيش بيني بار، تنطيم ولتاژ، طراحي خازن، قابليت اعتماد و الگوريتم هاي انتخاب و جايابي بهينه استفاده مي كنند، وليكن، در حالت كلي، مفهوم عام استفاده از اطلاعات خروجي هر برنامه به عنوان ورودي برنامه بعدي را به كار نمي برند. كامپيوترها محاسبات را به دقت انجام مي دهند و مهندسين طراح فقط باز بيني و مقايسه را انجام مي دهند. نه انجام محاسبات را، وليكن براي استنتاج مهندسي راهي جز استنباط شخص مهندس وجود ندارد.

شكل (۱) نمودار بلوكي فرآيند طراحي سيستم توزيع را كه اكثر شركت هاي بهره برداري از آن استفاده مي كنند، نشان مي دهد. اين فرآيند در هر سال از يك دوره بلند مدت (۲۰-۱۵ سال) يك بار تكرار مي گردد. در اين رويه تلاشي براي تغيير، مطابق سليقه طراحي هر شركت بهره برداري انجام نشده است و روند عامي است. همان طوري كه نمودار نشان مي دهد روند طراحي داراي دو شاخه اصلي است : پيش بيني بار و ساختار طراحي سيستم توزيع، توسعه پست و انتخاب مكان پست.

ساختار طراحي از سطح مصرف كننده شروع مي شود. نوع تقاضاي مصرف، ضريب بار و ديگر مشخصات بار مصرف كننده، نوع سيستم توزيع مورد نياز را ديكته مي نمايد. ابتدا بار مصرف كننده تعيين مي گردد سپس خطوط فشار ضعيف كه به ترانسفورماتور توزيع متصل مي گردند مشخص مي شوند. بارهاي ترانسفورماتور توزيع با هم تركيب مي شوند تا تقاضاي مصرف روي سيستم فوق توزيع را معين كنند. بارهاي سيستم فوق توزيع سپس به پست انتقال فشار قوي ارجاع مي شود. بارهاي سيستم توزيع، موقعيت و اندازه پست ها و همچنين ظرفيت و مسير خطوط توزيع را مشخص مي كند.

شايد چيزي كه واضح نباشد اين است كه پيمودن يك چنين رويه مستقيمي ممكن نيست. رويه عامتر اين است كه بر حسب اطلاعات پيش بيني بار، يك تحليل مشخصه عملكرد براي سيستم انجام مي شود تا چگونگي توانايي سيستم موجود را براي پاسخگويي به فزايش بار جديد نسبت به قواعد مورد نظر شركت بسنجد. اين تحليل نياز به گام دوم رويه دارد، يعني ابزارهايي مانند پخش بار سيستم توزيع، پروفيل ولتاژ و برنامه تنظيم ولتاژ مي باشد. قواعد پذيرش كه سياستگذاري شركت آن را مشخص
مي كند، اجبار به مصرف كننده و محدوديت هاي اضافي كه مي تواند به صورت زير باشد:

۱- تداوم سرويس دهي.
۲- حداكثر افت ولتاژ مجاز در پيك بار به دورترين مصرف كننده در سيستم توزيع فشار ضعيف .
۳- ماكزيمم نزول ولتاژ متناسب با راه اندازي يك موتور با مشخصه جريان راه اندازي مشخص در دورترين نقطه شبكه فشار ضعيف.
۴- حداكثر قله بار مجاز.
۵- قابليت اطمينان سرويس دهي.
۶- تلفات سيستم.

همان طوري كه نمودار شكل (۱) نشان مي دهد اگر نتايج تحليل مشخصه عملكرد نشان دهد كه سيستم موجود براي برآوردن تقاضاي مصرف مناسب نيست، پس سيستم موجود به توسعه با تغيير و اضافات جزئي در سيستم نياز دارد، يا به يك پست جديد نياز است تا ساخته شود كه بتواند پاسخ گوي تقاضاي مصرف آتي باشد. .

اگر تصميم به توسعه سيستم موجود با اضافات جزئي در آن باشد يك ساختار شبكه اضافي جديد طراحي و تحليل مي گردد تا سطح مطلوبيت لازم بدست آيد. اگر ساختار جديد نامناسب بود، يك بار ديگر تكرار مي شود تا يك مورد مطلوب پيدا شود. هزينه هر ساختار محاسبه مي شود.اگر هزينه زياد بود يا مشخصه عملكرد مناسب بدست نيامد تصميم كلي توسعه يا ساخت دوباره ارزيابي مي گردد. اگر نتيجه تصميم، احداث يك پست بود بايد مكاني براي آن انتخاب شود. اگر هزينه مكان انتخابي زياد بود، تصميم توسعه يا احداث نياز به ارزيابي بيشتري دارد. اين فرآيند وقتي پايان مي گيرد كه ساختار مطلوبي بدست آيد كه پايخ مسايل امروز يا آتي را با هزينه قابل قبول دارا باشد. خيلي از گام هاي توصيف شده در رويه بالا مي تواند با استفاده از كامپيوتر انجام شود.

مدل هاي طراحي سيستم توزيع
در حالت كلي، طراحي سيستم توزيع رويه پيچيده اي راه علت داشتن متغيرهاي زياد ديكته مي كند و يك وظيفه سنگين نمايش رياضي را به دليل داشتن نيازمندي ها و محدوديت هائي كه توسط ساختار سيستم مشخص مي شود، تحميل مي كند.
بنابراين مدل هاي رياضي توسعه يافته اند تا سيستم را با آنها نمايش داده و طراحان سيستم توزيع بتوانند اين مدل ها را بكار گيرند تا الگوهاي توسعه بهينه را تعيين و تحقق نمايند. به طور مثال با انتخاب :

– موقعيت بهينه پست.
– توسعه بهينه پست.
– اندازه هاي بهينه ترانسفورماتورهاي پست.
– انتقال بهينه بار بين پست ها و مراكز تقاضاي بار.
– مسير و اندازه بهينه خطوط تغذيه به منظور تغذيه بارهاي داده‌شده، انجام مي شود. در عين‌حال در هر‌يك از موارد فوق با محدوديت‌هاي زيادي به منظور حداقل‌كردن‌ ‌هزينه كل روبرو مي باشيم. برخي تكنيك هاي تحقيق در عمليات براي اين وظيفه عبارتند از:

۱- روش سياست گزينه اي ؛ كه توسط آن يك تعداد از ويژگي‌ها مقايسه مي گردند و بهترين گزينه انتخاب مي شود.
۲- روش جداسازي؛ كه در آن يك مساله بزرگ به چندين مساله كوچك تقسيم و هر كدام جداگانه حل مي گردد.
۳- روش هاي برنامه ريزي خطي و برنامه ريزي عدد صحيح ، كه قيود محدوديتي غير خطي را خطي مي نمايد.
۴- روش برنامه ريزي ديناميك ؛ هر كدام از اين روش ها داراي مزايا و معايب خود مي باشد. به خصوص در طراحي بلند مدت تعداد زياد متغيرها مشكلي جدي
مي باشد.

شبكه هاي توزيع و پخش انرژي
اشكال مختلف شبكه هاي توزيع انرژي
شبكه هاي الكتريكي بر حسب رده ولتاژي كه مورد بهره برداري قرار مي گيرند، متفاوت مي باشند. شبكه هاي الكتريكي به طور كلي در سه رده ولتاژي فشار قوي، فشار متوسط و فشار ضعيف دسته بندي مي شوند. شبكه فشار قوي يا شبكه انتقال انرژي در رده ولتاژهاي ۱۳۲،۲۳۰ و ۴۰۰ كيلو ولت و بالاتر مي باشد. شبكه فشار متوسط يا شبكه فوق توزيع در رده ولتاژي ۶۳ كيلو ولت است. شبكه فشار ضعيف يا شبكه توزيع در رده ولتاژهاي ۲۰ كيلو ولت و ۴۰۰، ۲۳۰ ولت است.
در طراحي يك شبكه توزيع انرژي كه مي تواند متعلق به يك كارخانه صنعتي، ساختمان هاي مسكوني بزرگ، يك محله و حتي قسمتي از يك شهر بزرگ باشد، نكات زير را بايد مد نظر قرار داد:

۱- تلفات توان الكتريكي كمترين مقدار را داشته باشد.
۲- وسايل و تجهيزات بكار برده شده كمترين مقدار ممكنه باشد.
۳- حفاظت شبكه با كمترين استفاده از وسايل حفاظتي تامين شود.
۴- طرح تا حد امكان ساده باشد.
۵- قابليت اطمينان شبكه بالاترين مقدار ممكنه را دارا باشد.
كوشش براي دست يابي به تمامي شرايط بالا كه تا حدودي نيز با يكديگر مغاير هستند، باعث بوجود آمدن شبكه هاي مختلف گشته است. هر كدام از اين شبكه ها داراي مزايا و معايبي هستند كه به طور مفصل آنها رادر زير مورد بررسي قرار خواهيم داد.

الف) شبكه باز
در اين نوع شبكه، تغذيه انرژي از يك نقطه انجام مي پذيرد. يعني چنين شبكه اي از يك سوء تغذيه مي شود، و گاهي موارد به آن شبكه يك سوء تغذيه نيز مي گويند. در اين نوع شبكه محل تغذيه كننده اصلي مي تواند توسط دو خط موازي نيز تغذيه شده باشد و ازاين تابلوي اصلي انشعاب هايي (خطوط تغذيه كننده) انرژي را از تابلو تقسيم اصلي به مصرف كننده ها يا تابلوهاي تقسيم كوچكتر حمل نمايند، اين انشعاب ها شعاعي شكل مي باشند.

شبكه باز خود به چندين نوع تقسيم مي شود. در نوع اول اين شبكه، هر مصرف كننده توسط يك خط جداگانه از تابلو به طور مستقيم تغذيه مي گردد. در چنين شبكه‌اي قابليت اطمينان بالا است زيرا در صورت پديد آمدن خطايي در هر يك از انشعاب ها فقط همان مصرف كننده بدون برق مي ماند، به همين ترتيب تلفات الكتريكي هر يك از انشعاب ها كوچك باقي مي ماند زيرا از هر يك از انشعاب ها شدت جريان يك مصرف كننده عبور داده مي شود.(شكل ۲)

در نوع دوم اين شبكه، چندين مصرف كننده به وسيله يك خط تغذيه مي شوند. بديهي است در چنين شبكه اي در صورت پديد آمدن خطايي در هر يك از انشعاب ها مصرف كننده هايي كه از اين انشعاب تغذيه مي شوند بدون برق مي مانند. و علاوه بر آن خط انشعاب بايدداراي سطح مقطع متناسب با مجموعه شدت جريان مصرف كننده‌هايي كه بر روي اين خط بسته شده اند، باشد. بالطبع تلفات انرژي و افت ولتاژ در اين خط انشعاب دار بزرگتر خواهد بود.(شكل ۳)

با اين توضيح ديده مي شود كه در شبكه نوع يك، تلفات توان و افت ولتاژ كمتر و قابليت اطمينان كار بالاتر است ليكن ميزان وسايل و لوازم بكار برده شده بيشتر بوده، از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه است. در شبكه نوع دو، تلفات توان و افت ولتاژ بيشتر و قابليت اطمينان كار نسبت به شبكه نوع يك پايين تر است. اما ميزان وسايل و تجهزات بكار برده شده نسبت به شبكه نوع يك كمتر بوده و از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه تر است.
با توجه به پايين بودن قابليت اطمينان كار شبكه هاي نوع دو، از اين نوع شبكه ها در كارخانه ها و تاسيسات صنعتي براي مصرف كننده هاي داراي توان الكتريكي كوچك و به ويژه مساوي استفاده مي نمايند.

در مواردي كه مصرف كننده ها داراي توان الكتريكي بزرگ و به ويژه نامساوي باشند، بهتر است كه هر مصرف كننده به طور مستقيم به تابلوي تقسيم اتصال داده شود.
به طور مثال، يك مورد از شبكه هاي باز نوع دو، در دهات و قصبات و شبكه هاي توزيع برق منازل شهري است كه در آن چندين مصرف كننده به وسيله يك انشعاب تغذيه مي شوند. در اين مورد خاص هر مصرف كننده عبارت است از يك واحد مسكوني كه اكثرا داراي مصرف روشنايي هستند. چنانچه مصرف كننده هاي هر يك از خطوط انشعاب از فواصل نسبتا طولاني از تابلو تقسيم اصلي قرار گرفته باشند مي توان توان سطح مقطع تغذيه را با كم شدن تعداد مصرف كننده ها كوچك كرد.
بر طبق استاندارد، چنانچه سطح مقطع تغيير پذيرد و كم شود بايد در هر نقطه انشعاب فيوزي تعبيه گردد و اگر خط هوايي باشد (پخش انرژي در نواحي شهري و دهات وقصبات) اين فيوزها در سر تيري كه انشعاب از آن انجام مي گيرد نصب

مي شود. بديهي است كه تعويض يا ترميم چنين فيوزهايي كاري دشوار و پر هيزنه است و به همين دليل به ندرت تغيير سطح مقطع در پخش انرژي نواحي شهري انجام مي‌پذيرد.پس بطور كلي شبكه هاي باز داراي مزايا و معايب زير مي باشند.

مزايا:
۱- شبكه هاي باز به دليل سادگي ساختار، قابل درك بوده و به سهولت به اجزاي آن آشنايي پيدا مي شود.
۲- كليه نواقص و معايب آنها را به طور سريع مي توان يافت و رفع كرد.
۳- توان اتصال كوتاه به علت تغذيه شبكه از يك سو، كم مي باشد.

معايب:
۱- قابليت اطمينان در حال كار كم است.
۲- تلفات مي توان در مقايسه با يك شبكه از دو سو تغذيه شده، بيشتر مي باشد.
۳- به منظور محدود كردن تلفات توان الكتريكي بايد سطح مقطع بزرگي را انتخاب كرد و بنابراين مواد اوليه بيشتر بايدبكار برود.
ب) شبكه هاي بسته
۱- شبكه از دو سو تغذيه

اگر در يك شبكه از نقطه انتهاي شبكه را به يك تابلوي تقسيم اصلي ديگر اتصال دهيم در اين صورت شبكه از دو سو تغذيه مي شود. و بدين ترتيب قابليت اطمينان كار شبكه به طور قابل توجهي افزايش مي يابد. زيرا در صورت از كار افتادن يكي از خطوط تغذيه كننده، شبكه از سمت ديگر انرژي يافت مي كند. بديهي است كه شرط اصلي محاسبه شبكه براي تغذيه از يك سمت است. يعني سطح مقطع سيم هاي اصلي بايد براي حالتي محاسبه گردد كه شبكه از يك سو تغذيه گردد. شبكه هاي از دو سو تغذيه، در مواردي كه شبكه به طور طولي گسترش يافته است داراي كاربرد وسيعي مي باشد.

به طور مثال در شبكه هاي با طول زياد، و به طور نمونه در كارخانه هايي كه داراي سالن هاي نسبتا طويل باشند، يا در دهات و قصبات و نواحي شهري كه به طور طولي گسترش يافته اند. زيرا طرح شبكه اي با تغذيه از يك سو براي چنين مناطق افت ولتاژ زيادي در طول خط به همراه دارد(شكل ۴).

در شبكه از دو سو تغذيه، مصرف كننده ها از دو منبع انرژي كه در دو انتهاي خط اتصال يافته اند، انرژي دريافت مي دارند. و اگر خطايي در يكي از مصرف كننده ها به وجود آيد، بلافاصله اين مصرف كننده توسط وسايل حفاظتي از شبكه جدا مي گردد و مابقي مصرف كنندگان به كار خود ادامه مي دهند. نكته قابل ذكر اين است كه ولتاژ دو انتهاي شبكه بايد تقريبا با هم برابر باشند.