تجهیزات و خطوط انتقال برق و هزینه های مرتبط با آن و راهکارهای کاهش این هزینه ها
انتقال انرژی نیاز به زیرساخت مناسب دارد و احداث شبکه‌های انتقال برق و زیرساخت‌های توزیع برق برای انتقال انرژی تولید شده از نیروگاه‌ها به مناطق مصرف انرژی ضروری است. این زیرساخت‌ها باید به روز رسانی شده و به توسعه برسند تا تأمین انرژی پایدار و بهینه را تضمین کنند. زیرساخت‌های لازم برای انتقال انرژی از محل تولید به محل مصرف شامل خطوط و تجهیزات انتقال برق، زیرساخت‌های نگهداری، کنترل و اندازه‌گیری میشود.
خطوط انتقال برق شامل سیم‌ها، پایه ها، و سازه‌های حمایتی هستند که انرژی تولیدی از نیروگاه‌ها را از منطقه تولید به منطقه مصرف منتقل میکنند. این زیرساخت از انتقال بهینه انرژی به نقاط مختلف و حفظ پایداری شبکه برق کمک می‌کند. احداث و نگهداری خطوط انتقال برق هزینه‌های گسترده‌ای دارد که به عوامل مختلفی بستگی دارد و شامل هزینه‌های مرتبط با طراحی، تهیه مواد، نصب تجهیزات، و ساختارهای حمایتی خطوط انتقال برق است و طول خط انتقال، نوع تجهیزات استفاده شده، و پیچیدگی شرایط محیطی ازعوامل تاثیرگذار روی این هزینه هاست.
تجهیزات انتقال برق شامل ترانسفورماتورها، سوئیچ‌ها، و تجهیزات کنترلی است که در سیستم انتقال برق به کنترل جریان و ولتاژ و مدیریت شبکه کمک میکنند. در ادامه به شرح کاملی از این تجهیزات می پردازیم.
ترانسفورماتورها:
ترانسفورماتورها به عنوان یکی از اجزای اصلی سیستم‌های انتقال و توزیع برق، جهت تغییر ولتاژ بین خطوط انتقال برق به کار می‌روند. انواع مختلفی دارند، در زیر به برخی انواع ترانسفورماتورها و ویژگی‌های آنها اشاره میشود:
- ترانسفورماتورهای توزیع:
ترانسفورماتورهای توزیع نقش مهمی در سیستم‌های انتقال و توزیع برق ایفا میکنند. این ترانسفورماتورها عمدتاً برای تنظیم ولتاژ برق از سطح انتقال به سطح توزیع به کار می‌روند. در زیر توضیحات بیشتری درباره ترانسفورماتورهای توزیع آورده شده است:
۱. هدف استفاده:
– ترانسفورماتورهای توزیع برای انتقال برق از سطح انتقال (که ولتاژ آن بالاتر است) به سطح توزیع (که ولتاژ آن پایین‌تر است) به کار می‌روند.
– مهمترین وظیفه آنها تغییر ولتاژ برق به مقداری مناسب برای استفاده در صنعت، شهری، یا مناطق روستایی است.
۲. ساختار و عملکرد:
– ترانسفورماتورهای توزیع دارای دو سیم پیچه هستند: پیچه اصلی (پیچه بالابر) و پیچه ثانویه (پیچه پایین‌بر).
مزایا:
– تغییر ولتاژ به صورت ایمن و مؤثر.
– عمر طولانی و نیاز به نگهداری کم.
– افت ولتاژ و توان‌های فراوانی را به حداقل می‌رسانند.
کاربردها:
– در شبکه‌های توزیع برق شهری، صنعتی و روستایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
– در ایستگاه‌های تقسیم بار برای تنظیم ولتاژ و توزیع به مصارف مختلف.
۳. انواع ترانسفورماتورهای توزیع:
– ترانسفورماتورهای روغنی: از روغن به عنوان عایق استفاده میکنند و عمدتاً در محیط‌های صنعتی استفاده می‌شوند.
۱. مزایا:
– عایق کاری خوب: روغن به عنوان یک عایق خوب در ترانسفورماتورهای روغنی عمل می‌کند.
– خنک‌کنندگی: روغن به خوبی حرارت تولید شده در ترانسفورماتور را انتقال میدهد.
– عملکرد پایدار در شرایط مختلف: توانایی کارکرد در شرایط محیطی مختلف از جمله دما و رطوبت را داراست.
۲. معایب:
– احتمال نشت روغن: این ترانسفورماتورها با مشکل احتمال نشت روغن مواجه هستند.
– اندازه و وزن بالا: نسبت به ترانسفورماتورهای خشک، این نوع ترانسفورماتورها اندازه و وزن بیشتری دارند.
– نیاز به فضای اضافی برای جلوگیری از خطرات احتمالی نشت روغن.
– ترانسفورماتورهای خشک: بدون استفاده از روغن یا گاز به عنوان عایق عمل میکنند و اغلب در مکان‌هایی که استفاده از روغن ممنوع یا مشکل است، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مقایسه ترانسفورماتورهای روغنی و خشک از نظر مزایا و معایب نشان میدهد که هر یک از این انواع ترانسفورماتور دارای ویژگی‌ها و کاربردهای خاصی هستند. در زیر به مقایسه دقیق این دو نوع ترانسفورماتور پرداخته شده است:
۱. مزایا:
– بدون روغن: از عایق‌های خشک برای جلوگیری از نیاز به روغن استفاده میکنند.
– نگهداری آسان: به دلیل عدم وجود روغن، نگهداری و تعمیرات آسان‌تر و اقتصادی‌تر هستند.
– احتمال کمتر نشت: به دلیل عدم وجود روغن، خطر نشت کمتر است.
۲. معایب:
– کمترین خنک‌کنندگی: نسبت به ترانسفورماتورهای روغنی، توانایی خنک‌کنندگی کمتری دارند.
– مناسب برای کاربردهای محدودتر: بیشتر در محیط‌های خشک و با دماهای پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با توجه به نیازها و شرایط محیطی، انتخاب بین ترانسفورماتورهای روغنی و خشک بستگی به موارد خاص هر کاربرد دارد. همیشه تصمیم بهتر از طریق مشاوره با متخصصان ترانسفورماتور و شناخت دقیق از نیازهای سیستم خود به دست می‌آید.
– ترانسفورماتورهای گازی: ترانسفورماتورهای گازی یا همان ترانسفورماتورهای گاز‌دار Gas-Insulated Transformers یا GIS) ) نوعی ترانسفورماتورهستند که مواد عایق میانه بین پیچ‌ها و هسته آن گاز است و به جای عایق‌های سنتی نفتی یا عایق‌های جامد مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولاً گاز مورد استفاده در این ترانسفورماتورها گاز سولفورهگزا فلوراید ( (SF6است که خواص عایقی عالی دارد.
مزایا:
– طراحی فشرده: ترانسفورماتورهای گازی نسبت به ترانسفورماتورهای سنتی با عایق روغنی دارای طراحی فشرده‌تری هستند که برای نصب در مناطق شهری با فضای محدود مناسب هستند.
– کاهش نیاز به نگهداری: طراحی محافظت شده باعث کاهش نیاز به نگهداری میشود.
– مقاومت الکتریکی بالا: گاز SF6 مقاومت الکتریکی بالایی دارد که امکان انجام تنظیمات الکتریکی را فراهم می‌کند.
– تقویت ایمنی: محفظه مهر و مومی به افزایش ایمنی کمک می‌کند با جلوگیری از فرار گاز و کاهش خطر آتش سوزی.
کاربردها:
– نصب‌های شهری: ترانسفورماتورهای گازی به عنوان یک انتخاب مناسب برای نصب در مناطق شهری با فضای محدود شناخته شده‌اند.
- ترانسفورماتورهای قدرت (انتقال):
ترانسفورماتورهای قدرت نقش حیاتی در سیستم‌های انتقال و توزیع برق دارند. این ترانسفورماتورها عمدتاً برای انتقال انرژی برق از نیروگاه‌ها به شبکه‌های انتقال و سپس به سیستم‌های توزیع و مصارف نهایی به کار می‌روند. در زیر به شرح مهمترین ویژگی‌ها و نقش ترانسفورماتورهای قدرت پرداخته شده است:
۱. هدف استفاده:
– ترانسفورماتورهای قدرت برای تغییر ولتاژ برق به منظور انتقال به فواصل بلند از نیروگاه‌ها به شبکه‌های انتقال و سپس به سیستم‌های توزیع و مصارف نهایی استفاده می‌شوند.
۲. ساختار و عملکرد:
– ترانسفورماتورهای قدرت دارای دو یا چند پیچه هستند: پیچه اصلی (پیچه بالابر) و پیچه ثانویه (پیچه پایین‌بر).
۳. انواع ترانسفورماتورهای قدرت:
– ترانسفورماتورهای انتقال: جهت انتقال انرژی برق به فواصل بلند استفاده می‌شوند و ولتاژ آنها معمولاً بسیار بالاست.
– ترانسفورماتورهای توزیع: برای انتقال انرژی به فواصل کمتر و در سطح شهری و صنعتی به کار می‌روند و ولتاژ آنها کمتر از ترانسفورماتورهای انتقال است.
۴. مزایا:
– انتقال انرژی با افت ولتاژ کم.
– افزایش یا کاهش ولتاژ به شکل مستمر و به صورت اتوماتیک.
– عمر طولانی و نیاز به نگهداری کم.
۵. معایب:
– اندازه و وزن بالا: برخی از ترانسفورماتورهای قدرت به دلیل توان بالا، اندازه و وزن بسیار بالایی دارند.
– نیاز به مکان‌های ویژه برای نصب و نگهداری.
۶. کاربردها:
– استفاده اصلی این ترانسفورماتورها در نقاط انتقال انرژی بین نیروگاه‌ها، ایستگاه‌های انتقال، و سیستم‌های توزیع برق است.
ترانسفورماتورهای قدرت با توجه به توان، نیازهای ولتاژی، و شرایط محیطی، به صورت اختصاصی برای هر نقطه انتقال و توزیع طراحی و استفاده می‌شوند. این ترانسفورماتورها جزء اجزای اساسی سیستم‌های انتقال و توزیع برق به شمار می‌آیند.
ترانسفورماتورهای یکپارچه (Compact):
ترانسفورماتورهای یکپارچه یا همان Compact Transformersنوعی ترانسفورماتور هستند که به دلیل طراحی خاص و اندازه کوچک، معمولاً برای فضاها و نقاط محدود به کار می‌روند. در زیر به شرح مهمترین ویژگی‌ها و کاربردهای ترانسفورماتورهای یکپارچه پرداخته شده است:
۱. هدف استفاده:
– ترانسفورماتورهای یکپارچه با طراحی کوچک و یکپارچه خود به منظور استفاده در فضاهای محدود و نیازهای خاص ساخته شده‌اند.
۲. ساختار و عملکرد:
– این ترانسفورماتورها به صورت یکپارچه و با اندازه کوچک‌تر و وزن سبک‌تر نسبت به ترانسفورماتورهای سنتی ساخته می‌شوند.
– توان ولتاژی و جریانی که این ترانسفورماتورها توانسته‌اند پوشش دهند معمولاً کمتر از ترانسفورماتورهای بزرگ و سنتی است.
۳. مزایا:
– اندازه کوچک و وزن سبک: این ترانسفورماتورها مناسب برای فضاهای محدود و نیازهای کاربردی خاص هستند.
– نصب و استفاده آسان: به دلیل اندازه کوچک، نصب و نگهداری آنها نسبت به ترانسفورماتورهای بزرگتر ساده‌تر است.
– قابلیت تنظیم ولتاژ: برخی از ترانسفورماتورهای یکپارچه دارای قابلیت تنظیم ولتاژ هستند.
۴. کاربردها:
– در ایستگاه‌های تقسیم بار، که نیاز به ترانسفورماتورهای کوچک و مؤثر برای توزیع برق به مصارف مختلف دارند.
– در صنایع خاص و اتوماسیون، جایی که فضا محدود و نیاز به تنظیم ولتاژ وجود دارد.
ترانسفورماتورهای یکپارچه به دلیل اندازه کوچک و وزن سبک، مختص فضاهای محدود و نیازهای خاصی هستند. این ترانسفورماتورها به عنوان یکی از اجزای مهم در سیستم‌های برق و اتوماسیون برای افزایش بهره‌وری و انجام وظایف خاص به کار می‌روند.
هر نوع ترانسفورماتور بر اساس نیازها و محیط کاربردی خود مزایا و معایب خاصی دارد. انتخاب نوع مناسب ترانسفورماتور بر اساس شرایط خاص سیستم برق و نیازهای انتقال و توزیع انرژی اهمیت زیادی دارد.
تجهیزات حفاظت:
تجهیزات حفاظت در خطوط انتقال برق برای محافظت از تجهیزات و انسان‌ها در مواجهه با حوادث ناخواسته مانند اتصال کوتاه، افت ولتاژ، یا افزایش جریان و… استفاده می‌شوند. این تجهیزات با شناسایی خطاها و حوادث به سرعت و به صورت اتوماتیک عملکرد میکنند تا خسارت به تجهیزات و افراد را کاهش دهند. در زیر به شرح تجهیزات حفاظت خطوط انتقال برق پرداخته شده است:
۱. رله‌های حفاظت:
– این رله‌ها به صورت اتوماتیک عملکرد دارند و به تشخیص خطاها مانند اتصال کوتاه، افت ولتاژ، جریان بیش از حد، و … می‌پردازند.
– رله‌های حفاظت بر اساس استانداردهای تعیین شده برای حفاظت از تجهیزات و خطوط برق تنظیم می‌شوند.
۲. ترمینال‌ها و سوئیچ‌های حفاظتی:
– ترمینال‌ها و سوئیچ‌های حفاظتی به صورت مکانیکی یا الکتریکی جهت قطع و وصل سریع خطوط برق در صورت حادثه به کار می‌روند.
۳. ترانسفورماتورهای حفاظتی:
– این ترانسفورماتورها وظیفه تغییر ولتاژ جهت اندازه‌گیری جریان و ولتاژ در خطوط را دارند تا اطلاعات لازم برای تشخیص حوادث به رله‌های حفاظت منتقل شود.
۴. کمپانساتورهای دینامیک:
– برای مدیریت ولتاژ در خطوط انتقال از کمپانساتورهای دینامیک استفاده میشود تا افت ولتاژ در سیستم‌ها جلوگیری شود.
۵. سیستم‌های مانیتورینگ:
– سیستم‌های مانیتورینگ مدام وضعیت خطوط را نظارت کرده و در صورت وقوع حوادث، اطلاعات را به تجهیزات حفاظت اطلاع می‌دهند.
۶. سوئیچ‌های خودکار:
– سوئیچ‌های خودکار برای اتصال و قطع خودکار خطوط در شرایط خاص و زمان‌های اضطراری به کار می‌روند.
۷. کنترل‌ها و تجهیزات اتوماسیون:
– تجهیزات اتوماسیون و کنترل‌ها برای مدیریت اتوماتیک خطوط و ایستگاه‌های انتقال برق به کار می‌روند.
این تجهیزات حفاظت، ایمنی سیستم‌های برق را حفظ کرده و در مواجهه با حوادث احتمالی سریعاً و به صورت اتوماتیک عمل میکنند تا خسارت‌ها را به حداقل برسانند.
تجهیزات کنترل و کمکی:
تجهیزات کنترل و کمکی در خطوط انتقال برق برای مدیریت و کنترل بهینه‌تر جریان برق، تنظیم ولتاژ، و مدیریت عملیات انتقال انرژی بین ایستگاه‌ها به کار می‌روند. این تجهیزات نقش مهمی در بهره‌وری و پایداری سیستم‌های برق ایفا میکنند. در زیر به شرح تجهیزات کنترل و کمکی در خطوط انتقال برق پرداخته شده است:
۱. سیستم‌های کنترل:
– سیستم‌های کنترل مسئول مدیریت عملیات کلان شبکه برق و تنظیم پارامترهای مختلف مانند ولتاژ، جریان، و توان هستند.
– این سیستم‌ها از الگوریتم‌ها و منطق کنترلی برای اجرای تصمیمات بهینه بر اساس وضعیت شبکه استفاده میکنند.
۲. واحدهای کنترل کننده فرکانس (Governor):
– این واحدها به تنظیم سرعت ژنراتورها و ایستگاه‌ها بر اساس نیازهای فرکانس شبکه برق می‌پردازند تا تطابق تولید و مصرف انرژی حفظ شود.
۳. کنترل‌های ولتاژ (Voltage Control):
– این کنترل‌ها واحدهای تنظیم ولتاژ در نقاط مختلف شبکه برق هستند تا ولتاژ در سطوح مشخصی نگهداری شود.
۴. تجهیزات کمکی:
– ترمینال‌ها و تجهیزات کمکی برای مدیریت انرژی و تجهیزات در ایستگاه‌های انتقال به کار می‌روند.
– این تجهیزات شامل کمپانساتورها، ترانسفورماتورهای کمکی، باتری‌ها و سیستم‌های UPS می‌شوند.
۵. سیستم‌های ارتباطات:
– سیستم‌های ارتباطات برای انتقال داده‌ها و اطلاعات بین ایستگاه‌ها، زیرسیستم‌های کنترل، و تجهیزات مختلف استفاده می‌شوند.
۶. مانیتورینگ و ابزار دقیق:
– دستگاه‌های مانیتورینگ و ابزار دقیق برای نظارت بر وضعیت تجهیزات، اندازه‌گیری جریان، ولتاژ و سایر پارامترهای سیستم به کار می‌روند.
۷. تجهیزات حفاظت و کنترل:
– تجهیزات حفاظت و کنترل برای تشخیص و مقابله با حوادث ناخواسته مانند اتصال کوتاه، افت ولتاژ و … مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تمام این تجهیزات کنترل و کمکی با همکاری و هماهنگی با سیستم‌های حفاظتی و مانیتورینگ، ایمنی و بهره‌وری شبکه برق را افزایش می‌دهند. این تجهیزات بر اساس تکنولوژی‌های پیشرفته جهت بهبود عملکرد و اطمینان‌پذیری سیستم‌های برق به‌کار می‌روند.
خطوط انتقال برق:
خطوط انتقال برق از جمله اجزای حیاتی در سیستم‌های برق هستند که برای انتقال انرژی برق از منبع تولید به مصارف نهایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این خطوط اغلب به صورت یک سیستم شبکه‌ای و پیچیده، بر روی ایستاه‌ها و ستون‌ها قرار گرفته و نقل قدرت برق را امکان‌پذیر می‌سازند. در زیر به شرح اجزای مهم خطوط انتقال برق پرداخته شده است:
۱.انواع خطوط انتقال:
– خطوط انتقال مستقیم (Overhead Lines) :خطوطی که بر روی ستون‌ها یا برج‌ها نصب شده و به وسیله سیم‌های هوایی منتقل میشود.
– خطوط زیرزمینی (Underground Cables): خطوطی که در زیر زمین قرار دارند و انرژی برق را به وسیله کابل‌های زیرزمینی انتقال می‌دهند.
- ویژگی‌های خطوط انتقال:
– ولتاژ عملیاتی: خطوط انتقال برق معمولاً با ولتاژ‌های بسیار بالا عمل میکنند تا از افت انرژی در مسافت‌های طولانی جلوگیری شود.
– ساختار و مواد: ساختار خطوط انتقال از جنس موادی مانند فولاد، آلومینیوم، و یا مخلوطی از این مواد استفاده می‌کند.
تأثیر نیروگاه‌های تجدیدپذیر برهزینه‌های تجهیزات و خطوط انتقال برق
نیروگاه‌های تجدیدپذیر مانند نیروگاه خورشیدی، نیروگاه بادی و هیدروالکتریک به طور قابل توجهی بر ساختار و هزینه‌های تجهیزات و خطوط انتقال برق تأثیر می‌گذارند. این تأثیرات می‌توانند در چند زمینه مهم مشاهده شوند:
۱. تولید برق ناپایدار:
– نیروگاه‌های تجدیدپذیر بر پایه باد، خورشید یا آب، تولید برق ناپایداری دارند که به دلیل شرایط آب و هوایی متغیر و تغییرات در سطح تابش خورشید یا سرعت باد اتفاق می‌افتد.
– این ناپایداری توسط سیستم‌های انتقال برق باید مدیریت شود تا پایداری و امنیت شبکه برق حفظ شود. که در مقاله گذشته با عنوان ” یک روش طراحی موثر برای نیروگاه های فتوولتائیک خورشیدی ” راه حل آن ارائه شده است. به منظور تعدیل نوسانات تولید نیروگاه‌های تجدیدپذیر، فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی نیز در شبکه برق معرفی می‌شوند. این ذخیره‌سازی ممکن است هزینه‌های اضافی برای نصب و نگهداری داشته باشد.
- بهبود زیرساخت‌ها:
– با توسعه نیروگاه‌های تجدیدپذیر، نیاز به بهبود و توسعه زیرساخت‌های انتقال برق نیز احساس میشود. این شامل افزایش ظرفیت و بهبود کیفیت خطوط انتقال و تجهیزات مرتبط است.
- کاهش افت ولتاژ:
– نیروگاه‌های تجدیدپذیر مانند نیروگاه‌های خورشیدی و بادی در نواحی دور از مراکز مصرف نصب می‌شوند. این نیروگاه‌ها می‌توانند افت ولتاژ را در نواحی دورتر از مراکز تولید انرژی کاهش دهند. کاهش افت ولتاژ ممکن است نیاز به احداث خطوط انتقال با قطر بزرگتر را کاهش داده و هزینه‌های احداث و نگهداری را در خطوط انتقال برق کاهش دهد.
- کاهش ازدحام:
کاهش ازدحام در سیستم انتقال برق به معنای کاهش ترافیک و فشار در شبکه انتقال برق است و می‌تواند به عنوان یک مزیت مهم در نتیجه استفاده از نیروگاه‌های تجدیدپذیرمثل نیروگاه خورشیدی و بادی در سیستم انرژی مدنظر قرار گیرد. برخی از جنبه‌های کاهش ازدحام کاهش افت شبکه بین نقاط تولید و مصرف است. این اقدام ممکن است باعث کاهش طول خطوط انتقال و ازدحام مرتبط با آنها شود. نیروگاه‌های تجدیدپذیر معمولاً از منابع محلی انرژی مانند نور خورشید در نیروگاه خورشیدی یا باد در نیروگاه بادی بهره می‌برند. استفاده از این منابع محلی نیاز به انتقال انرژی از مناطق دورتر را کاهش میدهد که می‌تواند هزینه‌های انتقال و از دست دادن انرژی را به حداقل برساند.
همچنین، استفاده از تکنولوژی‌های هوشمند و سیستم‌های اتوماسیون در اداره شبکه انتقال برق می‌تواند به بهبود بهره‌وری و مدیریت ازدحام در شبکه برق کمک کند. این تدابیر می‌توانند در کاهش هزینه‌های انتقال انرژی و افزایش پایداری سیستم تأثیرگذار باشند.
تأثیرات دقیق بر هزینه‌های تجهیزات و خطوط انتقال برق با توجه به مکان، نوع نیروگاه تجدیدپذیر، و شرایط محیطی متفاوت خواهد بود. این تأثیرات باید به عنوان یکی از عوامل در برنامه‌ریزی و طراحی سیستم انتقال برق در نظر گرفته شوند.
بنابراین، تأثیر نیروگاه‌های تجدیدپذیر بر هزینه‌ها و ساختار تجهیزات و خطوط انتقال برق نیازمند مدیریت دقیق، فناوری‌های پیشرفته و توسعه زیرساخت‌های مناسب است.
نویسنده: مهدی پارساوند