محدودیت در سیستم‌های انتقال قدرت و راهکارهای رفع آن

در ۲۴ آوریل ۱۹۹۶ كمیسیون تنظیم قوانین انرژی فدرال آمریكا (FREC) دستورالعمل شماره ۸۸۸ رادر پاسخ به نیازها و سیاست‌ انرژی آمریكا منتشر كرد. دستورالعمل شماره ۸۸۸ شركت‌های برقی را موظف كرده كه فروش توان الكتریكی در آمریكا در بازار رقابتی انجام پذیرد. در این دستورالعمل هر شركت برقی كه صاحب خط انتقال بوده و كنترل و بهره‌برداری از آن را به عهده دارد، التزام یافته است كه باتعرفه یكسان و بدون تبعیض در مقابل پیشنهاد سایر شركتها برای استفاده از ظرفیت انتقال آن شركت برخورد كند. در همین ارتباط دستورالعمل شماره ۸۸۹ تهیه و صادر شده است كه در آن به ضرورت ایجاد نظام سیستم اطلاعاتی بهنگام جهت كنترل صاحبان تاسیسات انتقال و یا شركتهای وابسته به آنها را جهت جلوگیری از برخورد نابرابر در استفاده تاسیسات انتقال هر شركتی در انتقال توان الكتریكی سایرین نسبت به انرژی الكتریكی خود آن شركت اطمینان دهد.
انتظار می‌رود كه با صدور دستورالعمل‌های ۸۸۸ و ۸۸۹ و سایر قوانینی كه كمیسیون خدمات عمومی ایالتی (SCPS) در جهت تشویق و ترویج رقابت در صنعت‌برق منتشر كرده‌اند باعث افزایش نیاز به ایجاد ظرفیت‌های جدید خطوط انتقال و ایجاد آن شود. سیاستگزاران انرژی آمریكا (EPACT) اعلام كرده‌اند كه بهنگام محدود بودن ظرفیت انتقال، هر كدام از شركت‌های برق منطقه‌ای می‌تواند پیشنهاد افزایش ظرفیت انتقال را جهت تامین كلیه خدمات مورد نیاز به انتقال برق را بنماید.
با وجود این به دست آوردن مصوبه برای تعیین محل و مكان برای ساخت خطوط انتقال جدید، بخاطر ملاحظات زیست‌محیطی تاثیر سوء و پنهانی میدان‌های الكتریكی و مغناطیسی (EMC) برای سلامتی انسان و سایر ملاحظات نظیر كاهش قابل ملاحظه ارزش ملك و زمین در مسیر انتقال بسیار مشكل و پیچیده شده است.
بخاطر مسائل ذكر شده در ساخت خطوط جدید، بررسی استفاده بهینه از تاسیسات موجود از جمله افزایش ظرفیت‌های انتقال خیلی با اهمیت بوده و امكان استفاده از حداكثر ظرفیت انتقال موجود ارزش اقتصادی زیادی خواهد داشت.
در این مقاله نحوه چاره‌جویی و رفع محدودیت از ظرفیت انتقال با استفاده از تجهیزات موجود و با مقایسه مخارج آن در مقابل احداث خطوط جدید بحث شده است.
● سیستم الكتریكی بهم‌پیوسته
اجزای یك سیستم قدرت در یك شبكه بهم پیوسته معمولاً عبارتند از ایستگاههای تولید برق، خطوط انتقال، ایستگاههای فشار قوی، سیستم‌های فوق توزیع، توزیع و مصرف‌كننده‌ها.
سیستم انتقال معمولاً با انتخاب بالاترین ولتاژ و با داشتن چندین سطح ولتاژ در یك سیستم برگزیده می‌شود و انرژی الكتریكی را از نیروگاه به سیستم توزیع حمل می‌كند. قسمت اعظم سیستم انتقال از خطوط هوایی دارای جریان متناوب تشكیل شده است، ولی از خطوط هوایی جریان مستقیم (هوایی) و كابل‌های زیرزمینی و زیردریایی نیز استفاده می‌شود.
ترانس‌های قدرت در نیروگاهها برای افزایش ولتاژ جهت انتقال توان تولیدی و در سیستم توزیع برای كاهش ولتاژ توان تحویلی به سیستم توزیع و در جاهای دیگر برای بهم بستن سیستم‌های انتقال كه در سطوح ولتاژی مختلف طراحی شده‌اند بكار برده می‌شوند.
ایستگاههای نیروگاهی،‌ توان سیستم فوق توزیع و بخشی از سیستم كه بین شبكه‌های انتقال و توزیع است و عمدتاً صنایع بزرگ در آن ناحیه قرار دارند، تامین می‌كنند و بالاخره سیستم توزیع جریان الكتریكی به مصرف‌كننده‌های خانگی و تجاری و بعضی از مشتری‌های صنعتی كوچك را تامین می‌كنند.
ایستگاههای آنتن (switching stations) و ایستگاههای انتقال برای تبدیل انرژی الكتریكی به ولتاژهای مختلف، انتقال انرژی الكتریكی از یك خط به دیگری و تغییر جهت دادن جریان توان بهنگام ایجاد خطا در خطوط انتقال و یا سایر تجهیزات سیستم به كار برده می‌شوند.
كلیدهای فشار قوی جریان توان از آن بخش از تجهیزات كه تحت تاثیر خطا واقع شده و توسط رله‌های حفاظتی خطای مزبور تشخیص داده شده را قطع می‌كنند.
یك مركز كنترل در یك شبكه بهم پیوسته هماهنگی تمامی تجهیزات سیستم قدرت را بعهده داشته و مسوولیت بهره‌برداری از سیستم قدرت در یك ناحیه جغرافیایی را به عهده دارد.
یك یا چند شركت برقی توسط یك مركز كنترل منطقه‌ای كنترل می‌شوند. هر مركز كنترل از طریق خطوط ارتباطی (tie) به سایر مراكز كنترل متصل است. با استفاده از ابزار ارتباطی مناسب (میترینگ و تله‌متری) مراكز كنترل از میزان تولید نیروگاهها، میزان بار خطوط انتقال و خطوط ارتباطی و نیرورسان به سیستم‌های مجاور و كلاً از شرایط سیستم آگاهی پیدا می‌كند. در مركز كنترل این اطلاعات برای اطمینان از پایایی سیستم بكار برده می‌شوند كه با دنبال كردن معیارهای پایایی (كفایت و امنیت) و حفظ میزان تبادل با سایر مراكز كنترل مطابق آنچه مطالعه و برنامه‌ریزی شده به این مهم نایل می‌شوند. برای اطمینان از كاركرد صحیح سیستم قدرت در یك شبكه بهم پیوسته موارد ذیل معمولاً باید در طراحی سیستم و بهره‌برداری از آن مورد توجه قرار گیرد:
مجموع تولید در هر لحظه باید برابر مصرف الكتریسیته و تلفات در سیستم انتقال و توزیع باشد.
الكتریسیته بر طبق قوانین فیزیكی در سیستم انتقال جریان پیدا می‌كند و نمی‌‌تواند روی خط خاصی هدایت شده و یا جریان یابد. (البته بدون استفاده از ابزار مخصوص)
سیستم باید طوری طراحی شود كه ظرفیت ذخیره مناسب در تولید و انتقال داشته باشد تا بهنگام پیشامد خطا بدون مشكل بكار خود ادامه بدهد.
● محدودیت‌ها در خطوط انتقال:
میزان توان روی یك خط انتقال حاصلضرب ولتاژ در جریان و همچنین در یك فاكتور سخت كنترل شونده به نام «ضریب قدرت» است. قدرت اضافی وقتی به صورت مطمئن قابل انتقال است كه ظرفیت انتقال كافی و قابل دسترس در تمام خطوط منشعب وجود داشته باشد و همچنین بهنگام پیشامد خطا در سیستم قابلیت حفظ پایداری آن باشد.
روی خطوط انتقال چند نوع محدودیت را می‌توان شناسایی كرد كه باعث محدود شدن ظرفیت انتقال سیستم می‌شوند كه از آن جمله می‌توان به محدودیت ناشی از ظرفیت حرارتی و یا به عبارتی محدودیت جریانی خط، محدودیتهای ولتاژی، محدودیتهای ناشی از شرایط بهره‌برداری و محدودیتهای تجهیزاتی از جمله تجهیزات حفاظتی اشاره كرد.● محدودیت انتقال ناشی از ظرفیت حرارتی و یا جریانی خطوط:
ظرفیت حرارتی مهمترین عامل محدودیت در قابلیت و توانایی انتقال توان در یك خط انتقال، كابل برق و یا ترانسفورماتور است. مقاومت خطوط انتقال در مقابل حركت الكترونها تولید گرما و حرارت كرده و بنابراین درجه حرارت واقعی روی خطوط انتقال علاوه بر شرایط آب و هوایی محیط، بستگی به میزان جریان عبوری از آن و سرعت عبور الكترونها دارد كه شرایط آب و هوایی شامل درجه حرارت محیط، سرعت باد و جهت آن بوده كه تاثیر زیاد در پراكنده شدن حرارت خط انتقال به هوای اطراف خط دارد. با وجود این ظرفیت حرارتی خطوط انتقال معمولاً بر مبنای درجه حرارت واقعی مشخص نشده بلكه بخاطر سادگی بر مبنای جریان عبوری از آن تعیین می‌شود.علت رعایت محدودیت حرارتی خطوط به این دلیل است كه گرم شدن بیش از اندازه‌ هادی‌ها منجر به ایجاد مشكلات ذیل شود:
خطوط انتقال در اثر حرارت زیاد مقاومت مكانیكی خود را از دست داده كه می‌تواند عمر مفید مورد انتظار آن را كاهش دهد.
خط انتقال منبسط شده و شكم خط در وسط یك اسپن (حد فاصل دو دكل) افزایش می‌یابد. اگر درجه حرارت به طور مداوم و طولانی مدت بالا باشد، خط انتقال به طور دایمی كشیده شده و باعث خواهد شد حاشیه اطمینان و امنیت خط نسبت به زمین كمتر از میزان مجاز ایمنی خط باشد.
عبور جریان اضافی بیشتر از ظرفیت حرارتی تنها برای مدت محدود می‌تواند مجاز باشد.
طبق تعریف ظرفیت نامی و نرمال یك خط انتقال، میزان جریانی است كه می‌تواند به مدت نامحدود از خط انتقال عبور كند. ظرفیت اضطراری میزان جریانی است كه می‌تواند از خط انتقال برای مدت مشخصی عبور كند.
در كابلهای زیرزمینی و ترانسهای قدرت نیز رعایت محدودیتهای حرارتی تجهیزات مزبور اجباری است كه در صورت عدم رعایت آن عمر عایقی هر كدام از این تجهیزات به طور قابل ملاحظه‌ای كاهش می‌یابد.
● محدودیت‌ انتقال ناشی از ولتاژ خطوط:
ولتاژ، كمیتی مشابه فشار، كمیتی برای نیروی محركه الكتریكی بوده كه حفظ میؤان آن، جهت حفظ تداوم عبور جریان الكتریسیته در خط انتقال ضروری است.
ولتاژ خط انتقال بهنگام تغییر در بار و یا خطا در خطوط و یا تجهیزات دیگر انتقال و توزیع می‌تواند تغییراتی داشته باشد. محدودیت در حداكثر سطح ولتاژ، بهنگام طراحی خط مشخص می‌شود كه اگر ولتاژ خط از حداكثر مقدار طراحی بیشتر شود منجر به ایجاد اتصال كوتاه و همچنین ایجاد موجهای مزاحم برای امواج رادیویی می‌شود و همچنین ممكن است باعث سوختن ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات ایستگاهها و یا تسهیلات مصرف‌كننده‌ها شود.
محدودیت در حداقل سطح ولتاژ نیز بستگی به میزان توان مورد نیاز مصرف‌كننده داشته كه در ولتاژ‌های پایین‌تر از آن تجهیزات مصرف‌كننده‌ها عملكرد غیرنرمال خواهند داشت و ممكن است باعث سوختن بعضی از وسایل مثل موتورها شود.
پروفیل ولتاژ در یك خط انتقال از پایانه فرستنده به پایانه گیرنده رو به كاهش است. افت ولتاژ در یك خط انتقال AC تقریباً با میزان جریان راكتیو كه از خط عبور می‌كند و همچنین با راكتانس خط رابطه دارد. راكتانس خط با طول خط نسبت مستقیم داشته و با افزایش طول خط میزان آن افزایش می‌یابد.
خازنها و راكتورهایی مطابق نیاز روی خطوط نصب می‌شوند كه به سهم خود میزان تغییرات ولتاژ را در خط كنترل می‌كنند. اهمیت كنترل ولتاژ و حفظ سطح جریان عبوری از آن در قابلیت حفظ مقدار توانی است كه می‌تواند به مصرف‌كننده تحویل داده شود.
● محدودیت انتقال در خطوط ناشی از مسایل بهره‌برداری از سیستم:
علت اصلی برای رعایت محدودیتهای انتقال ناشی از مسایل بهره‌برداری در یك شبكه بهم‌پیوسته بزرگ به طور عمده به جهت حفظ امنیت در پایایی آن سیستم است. این دلواپسی مربوط به حفظ تداوم عبور توان در كلیه حالات بهره‌برداری از جمله در پیشامد خطا در شبكه است.
الگو و خصوصیات عبور توان در خطوط انتقال و توزیع یك شبكه به هم پیوسته بهنگام تغییر درمیزان بار، تجدید در آرایش تولید، خارج از مدار بودن طبق برنامه بخشی از تجهیزات انتقال و یا توزیع و یا خارج شدن تجهیز و یا تجهیزاتی از شبكه بهنگام وقوع خطا، تجدید آرایش می‌یابد.
● عبور توان در شبكه:
موقعی كه یك شركت برق منطقه‌ای و یا دیسپاچینگ منقطه‌ای، توان الكتریكی را از یك نقطه به نقطه دیگر انقال می‌دهد، توان مزبور از تمامی مسیرهایی كه دو ناحیه را به هم وصل می‌كند، صرف‌نظر از اینك كه صاحب خط یا خطوط مزبور چه شركتی است عبور می‌كند. مقدار جریان كه از هر مدار سیستم انتقال عبور می‌كند بستگی به امپدانس مدارات مختلف دارد. امپدانس خط انتقال بستگی به طول خط و جزییات طراحی آن خط انتقال دارد. یك مسیر كم‌امپدانس سهم بیشتری از مجموع انتقال توان را نسبت به سایر مسیرهای با امپدانس بالا خواهد داشت.
در یك بازار رقابتی نیز موقعی كه یك شركت برق منطقه‌ای وارد یك معامله فروش عمده انرژی الكتریكی با سایر شكتهای برقی و یا غیر برقی و یا سایر مشتری‌ها می‌شوند. پروفورمایی را برای تعیین مسیر عبور توان از خطوط انتقال و یا سیستم‌هایی كه انتظار عبور جریان از آنها می‌رود، تهیه می‌شود كه در قرارداد به عنوان «مسیر قرارداد» از آن نام برده می‌شود. البته عبور و انتقال واقعی توان معامله شده نمی‌تواند لزوماً فقط از مسیر قرارداد عبور كند و ممكن است از مسیرهای موازی مسیر و یا مسیرهای قرارداد عبور كرده كه بستگی به شرایط آرایش تولید و انتقال بهنگام انتقال توان خواهد داشت. این مسیرها در قرارداد «مسیر‌های موازی عبور توان» نامیده می‌شوند.
موقعی كه سیستم‌های انتقال مجاور هم به طور مستقیم و یا غیر مستقیم از چندین مسیر به هم وصل باشند عبور توان می‌تواند وارد شبكه‌های سایر سیستمها شده وبعد به مقصد برگردد بنابراین مسیرهای حلقوی (loop) درست كند.
مسیرهای حلقوی و مسیرهای موازی، هر دو می‌توانند عاملی در جهت محدود شدن میزان انتقال توان انتقالی خود هر شركت در مقابل عبور توان سایر سیستم‌ها باشند.● بهره‌برداری پیشگیرانه به منظور حفظ امنیت سیستم:
محدودیت انتقال در خطوط همچنین می‌تواند ناشی از رعایت شرایط بهره‌برداری بهنگام پیشامد خطا و به منظور حفظ امنیت در شبكه باشد. شبكه‌های بهم پیوسته طوری طراحی شده و بهره‌برداری می‌شوند كه تداوم تامین نیاز مصرف‌كننده بهنگام پیشامدهای احتمالی خطا نظیر: از دست دادن تولید یك ژنراتور، خارج شدن یك خط انتقال و یا ایجاد خطا در هر كدام از تجهیزات سیستم، وجود داشته باشد.
روش‌های پیشگیرانه در بهره‌برداری بدین معنی است كه بهره برداری سیستم به طریقی انجام پذیرد كه با خروج هر كدام از تجهیزات فوق‌الذكر هیچ مشكلی در تداوم عبور توان نباشد. در این خصوص دستورالعملهای خاصی مد نظر قرار می‌گیرد كه هدف اصلی آن جلوگیری از ایجاد اغتشاش در یك ناحیه به علت ایجاد خطا در بخش دیگر است. (دستورالعمل‌هایی ویژه بهره‌برداری صادره از دفتر مطالعات سیستم مدیریت دیسپاچینگ ملی در شبكه ایران و یا دستور‌العمل‌هایی از كمیته پایایی الكتریكی شمال آمریكا (NERC) دستورالعمل‌های فوق‌الذكر نیازهای بهره‌برداری از سیستمی كه قابلیت و توانایی كار در شرایط احتمال وقوع یك حادثه را داشته باشد، مشخص می‌كند. البته توانایی كار و حفظ امنیت سیستم در شرایط احتمال وقوع بیش از یك پیشامد همزمان نیز می‌تواند در صورتی كه عملی باشد جز نیازهای بهره‌برداری باشد.
با اتخاذ و بكاربردن دستورالعمل‌های ذكر شده، امنیت بهره‌برداری سیستم افزایش و تواتر و فركانس وقوع اغتشاشات عمده در شبكه كم می‌شود.
لازمه بهره‌برداری پیشگیرانه، داشتن ظرفیت تولید كافی برای تامین انرژی بیش از نیاز مصرف و با ظرفیت خالی روی خطوط تبادل محدود در شبكه است كه در این صورت شبكه مزبور طوری بهره برداری می‌شود كه هر تجهیز آن در شرایط عادی بهره‌برداری كمتر از حد حرارتی خود و كمتر از حد اضطراری خود در بدترین شرایط پیشامد بارگذاری شده و ظرفیت ذخیره در آن شرایط مورد استفاده قرار گیرد.
● پایداری سیستم:
▪ مسایل پایداری سیستم‌های قدرت یكی دیگر از عوامل محدود‌كننده در بهره‌برداری است كه معمولاً به دو دسته تقسیم می‌شوند:
ـ سنكرون نگهداشتن تمام ژنراتورهای سیستم
ـ جلوگیری از سقوط ولتاژی
در یك شبكه بهم پیوسته، تمام ژنراتورها با یك سرعت هماهنگ شده كه فركانس ثابتی را تولید می‌كند، می‌چرخند. در ایالات متحده این فركانس ۶۰ و در كشور خودمان ۵۰ سیكل در ثانیه است. موقعی كه در سیستم انتقال خطایی ایجاد می‌شود، نیازمندی برای توان تولیدی ژنراتورها تغییر می‌كند و ممكن است باعث كاهش تولیدژنراتور شده و این در حالی است كه توان مكانیكی كه برای چرخاندن توربین بكار می‌رود ثابت مانده است. در نتیجه باعث شتاب در دور ژنراتور می‌شود رفع خطا، از طرق دیگر جریان توان را تغییر داده و توربین‌ها شروع به كاهش سرعت می‌كنند. نتیجه اینكار ایجاد نوسان در سرعت چرخش ژنراتور شده و در نتیجه در فركانس سیستم نوسان ایجاد می‌شود.
تا زمانی كه شرایط طبیعی سیستم و یا سیستم‌های كنترلی باعث میرایی نواسانات مزبور نشوند، سیستم ناپایدار خواهد بود. كه اصطلاحاً به آن «ناپایداری گذرا» گفته می‌شود و ممكن است باعث فروپاشی كل سیستم شود. به منظور اجتناب از ناپایداری گذرا، لازم است میزان تبادل روی خطوط تبادلی و نیرورسان محدود به میزان مشخص شده در مطالعات پایداری گذرا شود.
ناپایداری مانا و یا دینامیكی نیز در صورتی كه مقدار توان انتقالی روی یك خط انتقال و یا بخشی از شبكه كه نیروی سنكرونایزینگ یا میزان سطح اتصال كوتاه در آن كم و ضعیف و كم اثر باشد، می‌تواند ایجاد شود.
ناپایداری دینامیكی اتفاق ناخواسته و غیرمعقول است چرا كه به راحتی قابل پیشگیری است با وجود این ناپایداری دینامیكی نیز می‌تواند عامل محدودیت در انتقال توان باشد. ناپایداری دینامیكی معمولاً با ایجاد نوسانات كوچك در بخش تولید و انتقال با نوساناتی كه به عنوان اغتشاش محسوب نمی‌شود، آغاز شده و منجر به تولید فركانس‌های كم میكند و با تداوم آن منجر به تغییرات بزرگ در میزان ولتاژ و فركانس شده و در نهایت به فروپاشی شبكه منجر شود. ناپایداری ولتاژی موقعی در یك سیستم انتقال ایجاد می‌شود كه برای انتقال و مصرف توان راكتیو طراحی نشده باشد.
عبور دادن مقدار زیادی جریان راكتیو از خطوط بلند باعث افت شدید ولتاژ در سمت مصرف‌كننده می‌شود كه خود باعث می‌شود مصرف‌كننده‌ها جریان بیشتری بكشند. جریان اضافی باعث عبور بیشتر جریان راكتیو شده كه خود باعث افت ولتاژ مجدد در مصرف‌كننده می‌شود كه با ادامه این پروسه شبكه یا بخشی از آن دچار فروپاشی ولتاژی می‌شود.
محدودیتهایی كه در مورد خطوط انتقال توضیح داده شد، توانایی سیستم برای انتقال قدرت را محدود می‌كند و بنابراین از ضریب بكارگیری از تجهیزات شبكه موجود كاسته می‌شود. در بخش بعدی از گزارش امكان استفاده از روش‌هایی جهت افزایش ظرفیت خطوط انتقال موجود بحث شده است.
● راههایی برای كاستن از میزان محدودیت ناشی از ظرفیت حرارتی:
راههای زیادی برای كاستن از محدودیت‌های موجود انتقال در خطوط انتقال وجود دارد. با مروری بر پروسه بكار برده شده برای تنظیم ظرفیت حرارتی كنونی برای خطوط انتقال می‌توان راههای افزایش ظرفیت حرارتی را با مخارج كم و یا بدون آن انجام داد. در گذشته چنین مرسوم بوده كه با بكار بردن تقریب و ساده‌سازی میزان ظرفیت حرارتی خطوط را معین كرد، كه نتیجه آن كمترین میزان ممكن برای ظرفیت حرارتی با بالاترین ضریب اطمینان بود. روش‌های مدرن برای محاسبه ظرفیت حرارتی در شرایط مختلف این امكان را فراهم ساخته كه ظرفیتهای بالاتری برای ظرفیت حرارتی و تغییرات فیزیكی خط در نظر گرفته شود. بعلاوه محدودیت‌های توان برای خطوط كه منوط به رسیدن به درجه حرارت حداكثر هستند را می‌توان بااطلاعات بهنگام درجه حرارت محیط روی خط و اطلاعات میزان توان عبوری خط كه در مراكز كنترل موجود است محاسبه كرد.
امروزه در بعضی كشورها، درجه حرارت خط را با استفاده از آشكارسازهایی كه روی خطوط انتقال تعبیه شده است، اندازه‌گیری كرده و به مركز كنترل ارسال می‌كنند. قیمت تقریبی برای بكار بردن سنسورهایی به این منظور برای هر دستگاه در حدود ۰۰۰/۷۰ دلار است.چونكه محدودیت حرارتی یك خط انتقال تابع تجهیزات نصب شده روی خط است كه قبل از همه داغ می‌شوند بعضاً افزایش قابل توجه در ظرفیت حرارتی خط منوط به تعویض بعضی از تجهیزات كم‌قیمت خط خواهد شد. تعویض یك ترانس جریان، یك سكسیونر و یا یك كلید خیلی كم‌هزینه‌تر از احداث خط جدید خواهد بود. قطعاتی كه باید تعویض شوند را نیز می‌توان در جای دیگر سیستم به كار برد. ضمناً در شرایطی قابل قبول است كه حداكثر درجه حرارت قابل قبول را بالاتر از میزان مجاز با قبول كم شدن عمر مفید خط، انتخاب كرد. در این كار ممكن است فاصله خمش و شكم خط طوری زیاد شود كه نباید این افزایش منجر به كاهش فاصله مجاز سیم به زمین شود. اگر فواصل غیر كافی نسبت به زمین در تعداد محدودی از اسپن‌های دكل‌ها ایجاد شود تعویض برج‌ها در افزایش ارتفاع آنها به منظور حفظ فاصله توجیه اقتصادی خواهد داشت و یا اینكه با نرده‌كشی و حصاركشی مسیر عبور انسان و وسایل نقلیه و … را از آن قسمت از خط غیرقابل دسترس می‌كنند. اگر فواصل غیركافی در تمام طول خط اتفاق بیفتد، افزایش ارتفاع برج‌ها خیلی گران قیمت تمام خواهد شد. البته بعضی از مواقع امكان دارد با تغییر فواصل دكل‌ها و سیم‌كشی‌ دوباره بتوان فواصل مجاز را نسبت به زمین افزایش داد. همچنین با مانیتور كردن فاصله مجاز خط نسبت به زمین می‌توان ظرفیت انتقال خط را با تحمل درجه حرارت‌های بالاتر و جریان بیشتر افزایش داد. در این زمینه دو روش وجود دارد یكی روش مستقیم و دیگری غیر مستقیم.
در روش مستقیم فاصله sag در وسط اسپن دو دكل با استفاده از اطلاعات واقعی از كشش افقی و درجه حرارت محیط كه به وسیله سنسورهای مخصوص كه روی برج‌ها تعبیه می‌شود، تعیین می‌شود. با به كار بردن این روش مركز كنترل می‌تواند محدودیت واقعی را با تعیین میزان جریان مجاز روی خط در شرایط واقعی خط مشخص كند.
روش غیر مستقیم مستلزم انتقال اطلاعات مربوط به درجه حرارت، سرعت باد و مكانهای بحرانی sag به مركز كنترل به وسیله هر سیستمی از جمله رادیو و یا تلفن دارد. با این اطلاعات مركز كنترل میزان sag خط را محاسبه كرده و هر گونه روند شرایط خطرناكی را مشخص می‌كند.
واضح است كه گرانترین روش برای كاستن از محدودیت‌های حرارتی روی یك خط انتقال، تعویض هادی خطوط با سیم‌های دارای مقطع بزرگتر از طریق اضافه كردن رشته‌هایی به سیم‌های قبلی و یا اضافه كردن یك یا چند سیم و ایجاد باندل است. در این روش باید پایه‌های برج‌ها از نظر تحمل شرایط جدید مورد بررسی قرار گیرد.
معمولاً برج‌ها طوری طراحی می‌شوند كه تحمل وزن سیمهای آن را با در نظر گرفتن وزن میزان یخی كه احتمالاً روی آنها تشكیل می‌شود را كند. این برج‌ها هم‌چنین تحمل نیروهای جانبی كه بعضی وقتها نیروی قابل توجهی با وزش باد روی خط ایجاد می‌كند را دارند بنابراین تقویت اساسی این برج‌ها و احتمالاً پایه سیمانی آن لازم خواهد بود. افزایش تعداد رشته‌های هادی خط و یا باندل كردن برای افزایش ظرفیت انتقال همچنین نیازمند افزودن ظرفیت‌های تجهیزات پست ایستگاههای برق دو انتها نیز بوده تا بدینوسیله تجهیزات مزبور به عنوان عامل محدود كننده عمل نكند.
● راههایی برای كاستن از محدودیت ناشی از ولتاژ خطوط انتقال:
مطابق استاندارد، خطوط انتقال می‌توانند در شرایط نرمال ۵± درصد تغییر ولتاژ داشته باشند. استاندارد و ولتاژهای بكار برده شده در شركتهای صنعت‌برق در ایران در حال حاضر عبارتند از ۱۱و ۲۰و ۳۳و ۶۳و ۱۳۲و ۲۳۰و ۴۰۰ كیلوولت.ارتقا ولتاژ خط انتقال به دو بخش می‌تواند تقسیم شود:
ـ افزایش ولتاژ بهره‌برداری در یك سطح ولتاژ
ـ تغییر به سطح ولتاژ بالاتر
افزایش ولتاژ بهره‌برداری در یك سطح ولتاژ تكنیكی است كه دهها سال است بكار برده می‌شود. اگر سیستمی در شرایط كم باری به حد بالای محدودیت خود نرسد، ولتاژ بهره‌برداری را می‌توان بدون تغییر در عایق سیستم، بالاتر برد كه لازمه آن افزایش ولتاژ ژنراتور‌ها است و همچنین با تغییر تپ در ترانسفورماتورها می‌توان به این مهم دست یافت حتی ممكن است بعضی از ترانس‌‌ها را به منظور تولید ولتاژ جدید بهره‌برداری جایگزین كرد.در این شرایط هماهنگی با سیستم‌های مجاور لازم و ضروری بوده تا از عبور جریان راكتیو اضافی به سیستم‌های مجاور به خاطر افزایش ولتاژ جلوگیری كرد.
از دیگر راههای افزایش ولتاژ در یك سطح ولتاژ كه در رفع محدودیت توانایی انتقال خطوط موثر هستند، كنترل جریان راكتیو است. برای این كار از دو منبع راكتیو یعنی خازن و راكتور كه به ترتیب اولی جریان راكتیو تولید و دومی مصرف می‌كند، می‌توان استفاده كرد. نصب خازن‌ها و راكتورها در نقاط مهم و استراتژیك سیستم انتقال و یا توزیع راه چاره‌ای برای كنترل جریان توان راكتیو است كه در نتیجه آن می‌شود انتقال توان را افزایش داد.
تغییر ولتاژ از یك سطح به سطح دیگر غالباً به دوباره سازی اساسی خط انتقال نیاز دارد. در ولتاژ‌های بالاتر فاصله عایقی بیشتری بین خطوط و تجهیزات زمین شده، شامل برج‌ها احتیاج است. افزایش تعداد بشقابهای مقره‌ها و همچنین ایجاد تغییرات دیگر، بارگذاری افقی (transverse) روی برجها را افزایش می‌دهد. این تغییرات نیازمند تقویت ساختمان برج‌ها و پایه آنها خواهد بود. با افزایش سطح ولتاژ، ظرفیت نامی حرارتی كه به اندازه سطح مقطع سیم بستگی دارد، تغییر خواهد كرد. افزایش سطح ولتاژ یك خط مخارج تغییرات در پایانه متصل به خط را به همراه خواهد داشت. اگر شبكه متصل به خط در همان سطح ولتاژ قبلی بماند، افزایش سطح ولتاژ خط به دو ترانسفورماتور در دو پایانه انتهایی خط مزبور نیاز خواهد داشت. معمولاً افزایش سطح ولتاژ یك خط در حال بهره‌برداری از نظر اقتصادی با صرفه نیست.
● سایر روشها برای افزایش ظرفیت انتقال:
▪ سایر روشهایی كه تا حدودی می‌توانند محدودیتهای انتقال توان را تخفیف دهند عبارتند از:
ـ تبدیل برج‌های تك‌مداره به برجهای چند مداره
ـ تبدیل خطوط با جریان متناوب به خطوط جریان مستقیم فشار قوی
بیشتر مدارات انتقال روی خطوط ۲۳۰ كیلوولت و به پایین دو مداره ساخته می‌شوند. خطوط با ولتاژهای بالاتر معمولاً به صورت تك‌‌مداره ساخته می‌شوند. برای تبدیل خط تك‌مداره به یك خط دو مداره نیاز است كه افزایش اساسی هم در هر عرض مسیر و هم در ارتفاع برج داده شود كه مخارج بالایی را به دنبال دارد.
از طرف دیگر تبدیل یك خط AC به HVDC و یا تعویض آن موقعی در نظر گرفته می‌شود كه توان با میزان قابل توجهی به یك مسافت نسبتاً طولانی انتقال یابد. سیستم‌های HVDC جهت اتصال به سیستم AC احتیاج به ایستگاه‌های كنورتور و اینورتور دردو پایانه در دو انتها دارد. توان در مبدا از AC به DC تبدیل شده و در انتها دوباره به AC تبدیل می‌شود.اگر توان انتقالی قابل توجه و زیاد باشد، انتقال آن با مدارات HVDC نسبت به مدارات AC مزیتهایی را دارد. در HVDC می‌توان میزان توان انتقالی را بدون توجه به ملاحظات مرسوم در خطوط AC كه به آن متصل هستند را كنترل كرد. اگر خطوط HVDC با خطوط AC موازی باشند، خروج خط موازی AC باعث اضافه بار شدن خط HVDC نمی‌شود ولی با وجود این خروج خط HVDC میزان بار خط AC را افزایش می‌دهد. خطوط HVDC تنها دارای مقامت بوده ولی فاقد راكتانس همراه خطوط AC هستند، بنابراین نسبت به خطوط AC كمتر افت ولتاژ دارند. از معایب اصلی خطوط HVDC احتیاج این خطوط به ایستگاههای تبدیل در دو انتها بوده كه بسیار گرانقیمت هستند و بكار بردن این نوع خطوط را جز در مسافتهای طولانی غیر اقتصادی می‌كند. در این نوع خطوط مسایل مربوط به ناپایداری مرسوم در خطوط AC وجود ندارد.
چاره‌جویی برای رفع محدودیت‌های انتقال توان ناشی از مسایل بهره‌برداری:
● تغییر جریان توان:
همانطوری كه قبلاً اشاره شد، توزیع جریان توان در یك شبكه انتقال بستگی به امپدانس خطوط مختلف دارد. اگر جریان توان در سیستم انتقال را بتوان تغییر داد طوری كه بارگذاری خطوط دارای وضعیت بحرانی كمتری شود، انتقال توان بیشتری روی خطوط مجاز خواهد بود. بعضی وقتها جریان توان در سیستم انتقال با تغییر در اتصالات خطوط در ایستگاههای مختلف برای افزایش جریان توان در بعضی از خطوط كم‌بار و كاهش آن در بعضی از خطوط پربار امكان‌پذیر است. بعضی از تغییرات در آرایش تجهیزات مثل باز كردن و یا بستن بعضی از كلید‌های فشار قوی به سرمایه‌گذاری جدیدی نیاز ندارد ولی بعضی از نیازها برای تغییرات در آرایش تجهیزات نیازمند سرمایه‌گذاری كوچكی مثل افزایش تعدادی كلید برای افزایش قابلیت انجام مانورهای مختلف در یك ایستگاه را دارد.
غالباً بین نواحی مختلف سیستم مسیرهای چندگانه وجود دارد كه غالباً در این مسیرها یك خط زودتر از دیگر خط‌ها اضافه بار می‌شود. جهت كنترل مشكل مزبور می‌توان از رگلاتور تغییر زاویه بار استفاده كرد. این وسیله خیلی شبیه ترانسفورماتور بوده و جریان روی خط مورد نظر را نسبت به بار سایر خطوط موازی با آن را تنظیم می‌كند. البته این وسیله گرانقیمت است. (قیمت ظرفیت ۳۰۰ مگاولت آمپری آن با قابلیت تغییر زاویه ۶۰ ± درجه در حدود ۰۰۰/۰۰۰/۳ دلار است)
جریان توان راكتیو را با كم كردن امپدانس خط به وسیله خازن‌های سری و یا با افزودن امپدانس با وارد كردن راكتورهای سری می‌توان تغییر داد.
خازن‌های سری معمولاً در خطوط بلند بكار برده می‌شوند تا امپدانس خط را كم كند و بنابراین افت ولتاژ در خط را كم كرده و در نتیجه آن، تلفات خط بخاطر كاسته شدن از توان راكتیو كم می‌شود. خازنها، جریان توان در خط را افزایش داده و از میزان جریان در خطوط موازی دیگر می‌كاهند. قیمت یك خازن سری ۵۰۰ كیلوولتی، ۵۷۰ مگاواری اخیراً در حدود ۰۰۰/۰۰۰/۱۰دلار هزینه داشته است. راكتورهای سری میزان جریان توان روی یك خط را كاهش می‌دهد كه در صورت عدم استفاده از آن احتمال اضافه شدن خط مزبور وجود دارد. البته از راكتورهای سری نسبت به خازن‌های سری كمتر استفاده می‌شود. از راكتورهای سری معمولاً برای كاهش جریان اتصال كوتاه استفاده می‌شود. عیب اصلی در استفاده از راكتورهای سری افزایش افت ولتاژ و نهایتاً كاستن از قابلیت انتقال توان روی خطوط است.
● تغییر در فلسفه بهره‌برداری:
روند بهره‌برداری پیشگیرانه، كه در مبحث محدودیتهای بهره‌برداری سیستم مورد بحث قرار گرفت، حصول اطمینان از عدم نیاز به واكنش دیگری غیر از رفع خطا در مقابل پیشامد‌های احتمالی است. موقعی كه خطایی ایجاد می‌شود سیستم باید توانایی پاسخگویی و ادامه كار داشته باشد بدون اینكه وسیله‌ای اضافه بار شود و یا مسایل ولتاژی و ناپایداری در آن وجود داشته باشد. این روش با رویه سیستم «اصلاح سریع سیستم» متفاوت است كه نیاز به عكس‌العمل فوری مثل باز كردن و یا بستن كلید خاصی یا حذف مستقیم بخشی از بار و یا تولید و یا سایر اعمال مشابه بعد از وقوع پیشامد را دارد، بنابراین كارایی سیستم در روش پیشگیرانه كافی و حتی محافظه‌كارانه است.
بهره‌برداری در شرایط «اصلاح سریع» نسبت به شرایط بهره‌برداری با در نظر گرفتن مسایل پیشگیرانه سیستم كمتر مطمئن است اما اجازه انتقال توان بیشتر را در شرایط نرمال بهره‌برداری میسر می‌سازد.
میزان نیاز به اصلاح سریع سیستم بعضی مواقع بقدری پیچیده می‌شود كه وقتی یك خطا در سیستم ایجاد می‌شود، سیستم مزبور دچار فروپاشی می‌شود.
تغییر جریان توان و حذف بار در سیستم به منظور كم كردن میزان بار بحرانی روی یك خط بعد از وقوع یك خطای احتمالی، توان انتقالی را نسبت به شرایط نرمال افزایش می‌دهد.
بهبود میزان جریان توان باید در مقابل هزینه‌های فروپاشی سیستم موقعی‌كه شرایط اصلاح سریع سیستم بعد از یك حادثه به درستی كار نكند، مقایسه می‌شود. با تكنولوژی‌های موجود می‌توان به روش‌های اصلاح‌كننده بجای روش‌های پیشگیرانه سوق پیدا كرد.
علاوه بر سیستم‌های حذف بار كه دارای مدارات نسبتاً ساده هستند از تكنولوژی‌هایی كه به عنوان سیستم قابل انعطاف در انتقال (FACTS)AC معروف هستند نیز می‌توان برای تخفیف محدودیت‌های بهره‌برداری خطوط كه سیستم در شرایط پیشگیرانه در سیستم بكار برده می‌شوند، استفاده كرد. با استفاده از تجهیزات FACTS یا به عبارتی استفاده از كلید‌های الكترونیك قدرت وجهت تامین كنترل سریع و مناسب بهنگام تغییر حالت در جریان توان كه در هر پیشامد نسبت به شرایط نرمال ایجاد می‌شود و یا حتی در شرایط نرمال به خاطر تغییر در مصرف ممكن است ایجاد شود بكار برده می‌شود. تجهیزات FACTS را می‌توان برای كم كردن جریان بار خط اضافه بار شده بكار برد و یا در افزایش استفاده از ظرفیت اضافی انتقال در سایر مسیرها از آن سود جست.
با این كار ظرفیت انتقال و توزیع به تجهیزات انتقال موجود در شرایط نرمال افزایش می‌یابد. بعضی از كاربردهای FACTS اخیراً در كشورهای مختلف اجرا شده و در مدار هستند و بعضی دیگر در مراحل ساخت هستند. (در شبكه برق ایران نیز از مدارات سیستم حذف بار استفاده شده است)● افزایش محدودیت ناشی از مطالعات پایداری:
امروزه طرحهای مختلف برای افزایش توانایی سیستم برای مقابله با ناپایداری گذرا در سیستم قدرت قابل اجرا است. این اقدامات عمدتاً عدم تناسب بین توان تولیدی و مصرفی در نواحی مختلف در سیستم قدرت را كم می‌كند.ذیلاً بعضی از روشهای بكار رفته در جهت میرایی نوسانات گذرا توضیح داده می‌شود:
توربین‌های نسبتاً ساده گازی و سیكل تركیبی كه در نقاط مختلف سیستم پراكنده هستند می‌توانند پایداری سیستم را به علت سرعت زیاد پاسخ آنها به تغییرات سیستم بهبود بخشند. این ژنراتورها با اینرسی كم و با محركه مكانیكی دارای عكس‌العمل سریع، پذیرای تغییرات سریع در بخش تولید نسبت به واحدهای با سوخت فسیلی قدیمی دارند. تولید در نقاط مختلف و پراكنده علاوه بر كاهش انتقال توان بین نواحی مختلف سیستم قدرت، باعث كاهش عدم تبادل توان در هر ناحیه می‌شود و علاوه بر آن باعث یكنواختی در اینرسی كل سیستم می شود و نهایتاً با پاسخ سریعتر اینگونه ژنراتورها، می‌توان تغییرات در مصرف‌كننده‌ها را در همان ناحیه بهتر پوشش داد.كنترل پایداری گذرا بوسیله دو نوع سیستم كنترلی در ژنراتورها انجام می‌شود:
۱ـ AVR رگلاتور ولتاژ كه مشخصاً برای نگهداری ولتاژ در یك میزان ثابت در خروجی ژنراتور بدون توجه به سطح نیاز مصرف‌كننده بكار برده می‌شود. AVR‌ها بهنگام وقوع خطا در حفظ سیستم قدرت در چارچوب و محدوده پایداری نقش اساسی دارند.
۲ـ گاورنر كه خروجی توان مكانیكی توربین‌های ژنراتورها را كنترل و تنظیم می‌كند. اگر سرعت روتور ژنراتور در یك نیروگاه بخاری كاهش یابد، گارونر جریان بخار به توربین را افزایش می‌دهد كه باعث افزایش توان مكانیكی به ژنراتور می‌شود و برعكس، افزایش سرعت روتور با كاهش جریان بخار و توان مكانیكی توربین تلافی می‌شود. سیستم‌های كنترل برای حفظ سرعت سنكرون ژنراتورها در یك ناحیه و بهبود كارایی پایداری تمام سیستم بكار می‌رود.
پایداری گذرا ما بین دو ناحیه با بیشتر از یك خط انتقال بلند می‌تواند با افزودن یك و یا چند ایستگاه كلیدزنی افزایش یابد. برای مثال اگر یكی از دو خط موازی و بلند در اثر خطا از مدار خارج شود، بجای مسیر قبلی حالا مسیری با امپدانس دو برابر (دویست در صد) آنچه قبل از خارج شدن خط مزبور داشته،‌خواهد داشت كه می‌تواند اثر خیلی جدی در ناپایداری سیستم داشته باشد. اگر یك ایستگاه كلید‌زنی (switching station) در وسط هر دو خط ایجاد شود، در هر پیشامدی كه روی یكی از خطوط ایجاد شود خطوط باقیمانده پس از خارج شدن خط خطا‌دار دارای ۱۵۰ درصد امپدانس اولیه خط خواهد بود.اینكار سهم مهمی در حفظ پایداری سیستم و افزایش قابل توجهی در انتقال توان سیستم خواهد داشت.
پایداری گذرا دغدغه و نگرانی اصلی اپراتورهای سیستم بوده، چرا كه بیشترین و مرسوم ترین منبع ناپایداری سیستم است و بخاطر تغییرات در شرایط بهره‌برداری، بیشترین تغییرات در محدودیت‌های پایداری ایجاد می‌كند. اگر محدودیت‌های سیستم را برای شرایط واقعی و به غیر از آنچه به صورت offline محاسبه می شود بتوان محاسبه كرد،‌ سیستم را می‌توان نزدیكتر به محدودیت مورد نیاز و بهینه بهره برداری كرد. این محاسبات احتیاج به اطلاعات بهنگام داشته كه اندازه‌گیری لحظه‌ای و فوری از شرایط واقعی بار سیستم تولید و آرایش سیستم انتقال را تامین كند. بعضی از شركتهای برقی مطالعات امنیت شبكه در مقابل پدیده‌های دینامیكی به صورت offline را هر روز بر اساس اطلاعات پیش بینی شرایط بهره‌برداری برای روز اینده را انجام می‌دهند. نتیجه این بررسی‌ها كه معمولاً نصف شب انجام می‌گیرد، به منظور تعیین شرایط بهره‌برداری ایمن در مركز كنترل برای بهره برداری سیستم قدرت در روز آینده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ارزیابی و تشخیص نتایج مطالعات دینامیكی، تمام فرضیات محافظه‌كارانه در خصوص شرایط بهره‌برداری آینده را به علت استفاده از اطلاعات واقعی و بهنگام در شرایط بهره‌برداری سیستم را حذف می‌كند.
۱۲- نتیجه‌گیری:
انتظار می‌رود شركتهای تولید برق در آینده نزدیك در یك محیط رقابتی وارد بازار خرید و فروش برق شوند و بنابراین به دنبال كاستن از هزینه‌های خود خواهند شد. در چنین محیطی تمایل برای افزایش ظرفیت انتقال با بهنگام كردن و اصلاح خطوط موجود مورد توجه قرار گرفته، چرا كه می‌تواند با هزینه‌های به مراتب كمتر از ساخت یك خط انتقال جدید، در یك فاصله زمانی كوتاهتر فراهم شود، ضمن اینكه ساختن یك خط انتقال جدید علاوه بر مسایل ذكر شده از دیدگاه زیست‌محیطی، ملاحظات و اثرات مخرب EMF روی بدن انسان و سلامتی او و كاسته شدن احتمالی ارزش زمین حاوی خط انتقال، به مراتب دشوارتر از قبل شده است.
ظرفیت انتقال سیستم در صورتی می‌تواند افزایش یابد كه محدودیت‌های سیستم شامل محدودیت حرارتی، ولتاژی و بهره‌برداری از خطوط انتقال موجود با بعضی از راهكارهای ذكر شده در این گزارش از میان برداشته شود. همچنانكه صنعت برق كشور برای وارد شدن در بازار رقابتی تولید توسعه می‌یابد و با هدف امكان افزایش میزان خرید و فروش كلی آن، انتظار می‌رود كه اپراتورهای سیستم انتقال در آینده، صرفنظر از اینكه متعلق به گروه بهره‌برداری مستقل (ISO)، یا گروه انتقال منطقه‌ای (RTG,s)، و یا گروه POWER POOL و یا متعلق به شركتهای تولید برق هستند، علاقمند در افزایش بكارگیری از ظرفیت خطوط انتقال موجود با بكار بردن بعضی از راهكارهای ذكر شده در این گزارش خواهند شد.

عبدالحمید فرزام بهبودی

منبع : ماهنامه صنعت برق