كاهش ميدان مغناطيسي وسايل برقي

ابداع روشهاي اقتصادي براي كم كردن ميدان مغناطيسي ناشي از سيستم قدرت و اجزاء آن به ويژه در داخل و خارج پست‌هاي برق مورد علاقه شركتهاي برق بوده و موضوع پروژه‌اي است كه در حال حاضر بر روي آن فعاليت مي‌شود. روش‌هاي كاهش ميدان مغناطيسي مورد بحث شامل نصب محافظ، روش‌هاي جبران سازي و تغيير طراحي شينه‌ها، ترانسفورماتورهاي قدرت و ديگر وسايل برقي است. از روش‌هاي جديد
محاسبه و تحليل ميدانها
مبتني بر روش‌هاي المان محدود سه بعدي FEM3-Dimensional Finite Element Methods و روش‌هاي بهينه‌سازي نيز استفاده شده است.

اثرات بيولوژيكي:
براي مدت بيش از بيست‌سال موضوع اثرات نامطلوب ميدان‌هاي مغناطيسي برق صنعتي (فركانس 50 يا 60 هرتز) بر سلامتي انسان مورد بحث و بررسي قرار گرفته است اما نتيجه اين بحث و بررسي، تاكنون بطور قطعي مشخص نشده است. بعضي از مطالعات اپيديمولوژي نشان مي‌دهد كه براي اشخاصي كه در نزديكي اين ميدانها زنديگي مي‌كنند ممكن است خطراتي ايجاد شود.
مسوولين سوئدي، جانب احتياط رارعايت كرده و توصيه مي‌كنند كه در صورت تجاوز ميدان مغناطيسي از مقدار عادي (نرمال) بايد شدت اين ميدان‌ها را كاهش داد.
ميدان‌هاي مغناطيسي برق صنعتي مي‌توانند درعملكرد دستگاه‌هاي حساس الكترونيكي و دستگاه‌هاي پرتاب الكترون Electron Beam مانند صفحه‌هاي تلويزيون و كامپيوتر دخالت كنند. اين تداخل امواج براي ميدان‌هاي مغناطيسي با شدت بالاتر از 0.6 ~ 0.5 ميكروتسلا صورت مي‌گيرد. اين تداخل امواج در بافت‌هاي بيولوژيكي انسان نيز رخ مي‌دهد.
مقادير نمونه شدت ميدان مغناطيسي در يك اطاق قرار گرفته روي محل نصب ترانسفورماتور قدرت از 4.4 ميكروتسلا تا 1.1 ميكروتسلا متغير است.
شكل (1) نحوه تداخل ميدانهاي مغناطيسي را با تجهيزات الكترونيكي مجاور آن نشان ميدهد و شكل (2) توزيع شدت ميدان مغناطيسي ناشي از يك پست تبديل ولتاژ را كه در يك منطقه مسكوني واقع شده است نشان مي‌دهد.
شكل (1): نحوه تداخل ميدانهاي مغناطيسي با تجهيزات الكترونيكي

شكل (2): شدت ميدانهاي مغناطيسي ناشي از يك پست تبديل ولتاژ در يك منطقه مسكوني


اتوماسيون كنترل بانكهاي خازني در شبكه‌هاي توزيع
شركت برق آيداهو واقع در ايالت ايداهوي آمريكا، در سال 1996 برنامه‌اي را براي تصحيح ناكارايي جبران‌سازي توان راكتيو كه منجر به كاهش ولتاژ در سيستم توزيع شده بود، شروع كرد. ضمن اينكه در پيك مصرف، مشكل نگهداري حاشيه مطمئن توان راكتيو سيستم نيز وجود داشت. اگر چه جبران‌سازي بار راكتيو رابه شيوه‌هاي مختلفي مثلاً در محل توليد انرژي، با استفاده از كندانسورهاي سنكرون و يا در محل پستها و در شبكه توزيع (با استفاده از بانكهاي خازني) مي‌توان انجام داد، اما بهترين شيوه براي جبران سازي بار راكتيو، استفاده از بانكهاي خازني در محل بار است.
هنگام استفاده از بانك‌هاي خازني توزيع، در اكثر اين موارد، عمل كنترل با استفاده از كليد‌هايي صورت مي‌گيرد كه بصورت دستي و با لحاظ كردن شرايط فصلي، خازنها را وارد يا از مدار خارج مي‌كنند. چنين كنترلي، موثر و كارا نيست زيرا در شرايط پيك بار، سيستم توزيع دچار كمبود توان راكتيو و در شرايط بار كم، دچار اضافه توان راكتيو مي شود. اگر چه بانك‌هاي خازني توزيع، تك‌تك و كوچك هستند اما اثر مجموع آنها بر سيستم قابل ملاحظه است. هدف از برنامه‌اي كه از سوي اداره طراحي توزيع ارايه شده بود، ابداع سيستمي در دل سيستم مديريت انرژي موجود بود كه در آن بانكهاي خازني در فيدرهاي توزيع باتوجه به ميزان توان راكتيو مورد نياز در پست‌ها انتخاب شوند.
ايده اصلي شركت Stellar dynamics Inc براي كنترل خازن‌هاي توزيع، اندازه‌گيري مقادير توان راكتيو و اكتيو در سطح پست‌هاي توزيع و سپس ارسال دستورات مناسب به تجهيزات كنترلي مخصوص نصب شده روي هر بانك خازني توزيع است. تجهيزات لازم براي ارتباط كنترل‌كننده پست با سيستم ديسپاچينگ يعني الگوريتم كنترل ديناميك
بانك‌هاي خازني توزيع DCC (Distribution Capacitor Control)، امكان استفاده بهينه سيستم‌هاي انتقال و توزيع را فراهم مي‌آورد.
DCC يك دستگاه كنترل است كه با حذف يا كاهش جزء راكتيو و بهبود ضريب قدرت، ظرفيت شبكه را بالا مي‌برد. با بهبود ضريب قدرت، جريان سيستم كم شده و سيستم امكان مي‌يابد تا بار بيشتري را تغذيه كند. اين مزيت به ويژه در مورد تجهيزاتي كه ممكن است تحت تاثير اضافه بار حرارتي قرار گيرند، اهميت پيدا مي‌كند. همچنين، بهبود ضريب قدرت به ژنراتور امكان مي‌دهد تا توان اكتيو بيشتري را توليد كند. به علاوه در صورت پيش‌ آمدن شرايط غيرعادي در محل خازنها، دستگاه DCC هشدارهاي لازم را صادر مي‌كند. ترانسفور توزيع، نقطه كنترل طراحي شده در اين الگوريتم است.
در سال 1996، نخستين DCC دريك پست 7/12 كيلوولت سه فيدره در غرب بويس (Boise) در آيداهو كه مشكل توان راكتيو و افت ولتاژ داشت نصب شد. به عنوان بخشي از اتوماسيون خازني، تعداد 14 بانك خازني تحت كنترل قرار گرفتند. بخشي از اين بانك‌ها از قبل وجود داشته و تعدادي ديگر تازه نصب شده بودند تا توان راكتيو اضافي توليد كنند. بعد از نوسانات اوليه، سيستم آنچه را از آن انتظار مي‌رفت، عملي ساخت. جبران سازي كامل در پست توزيع در يك محدوده وسيع بار انجام گرفت.
اتوماسيون خازن در سال 1997 در 16 پست و در سال 1998 در 14 پست ديگر نيز اجرا شد. پست‌هايي كه در سال 1997، تحت اتوماسيون قرار گرفتند، از مدل ارتباطي Harris D-10 براي ارتباط با RTU استفاده مي‌كردند. اين مدل به صورت يك كنترل‌كننده خازن عمل مي‌كند. در سال 1998 در آيداهو، شركت برق اين ايالت، تصميم گرفت سيستم مدل ارتباطي Harris D-20 را طوري تغيير دهد كه اين ترمينالها را قادر سازد توسط سيستم مديريت انرژي براي كارهايي غير از كنترل خازن نيز مورد استفاده قرا رگيرند. اين كار باعث شد تا كنترل خازن با اضافه كردن يك نرم‌افزار ساده در پست‌هايي كه داراي مدل D-20 براي كنترل، نظارت و اخذ داده هستند ، انجام پذيرد. شكل (1) نتيجه عملكرد يك DCC براي كنترل توان راكتيو را در پستي در ناحيه بويس نشان مي‌دهد.
قبل از نصب DCC شكل موج بار راكتيو از تقاضاي بار اكتيو پيروي مي‌كرد. بعد از نصب، الگوريتم كنترل باعث شد تا شكل بار راكتيو نسبت به منحني بار اكتيو عكس شود كه اين موضوع باعث كاهش تلفات انتقال و بهبود رگولاسيون ولتاژ سيستم شد. هر چند با نصب خازن‌هاي ثابت نيز ممكن است چنين نتيجه‌اي حاصل شود اما با كار انجام شده، امكان تنظيم و كنترل در محدوده وسيعي از بارهاي فصلي به شكل بهتري فراهم مي‌شود. سيستم اتوماسيون خازني بدون دخالت انسان، توان راكتيو را در هر يك از پست‌ها با پله‌هاي كوچك كنترل مي‌كند به نحوي كه راندمان كل سيستم بالا مي‌رود. با نصب كنترل‌كننده بانك خازني در يك پست، يك مگاوار توان راكتيو پشتيبان در آن شبكه توزيع (شامل ترانسفورماتور و فيدرهاي مربوط به آن) بدست آمد. اين كار با استفاده موثر از خازن‌هاي موجود و بدون نصب خازن‌هاي اضافي انجام گرفته است. در بيشتر نواحي روستايي به خصوص آنها كه با شبكه‌هاي شعاعي تغذيه مي‌شوند، بهبود پروفيل ولتاژ باعث كاهش يا به تاخير افتادن بازسازي مي‌شود.
اتوماسيون خازني، زمان لازم براي كنترل دستي بانك‌هاي خازني در فيدرهاي طولاني را به نحو چشمگيري كاهش داده است.

دورنماي كاربرد تجهيزات ابررسانايي در شبكه‌هاي قدرت
در سالهاي اخير تمايل شديدي نسبت به كاربرد ابررساناهاي از نوع پر دما (HTS) و كم دما (LTS) در سيستم‌هاي قدرت پيدا شده است. با موفقيت‌هاي حاصله در فن‌آوري ابررساناها انتظار مي‌رود كه در طي چند دهه آينده مصارف صنعتي آن به بازار وارد شود.
در آمريكا، برنامه سيستم‌هاي قدرت ابررسانايي كه از طرف دپارتمان انرژي (DOE) اجرا مي‌شود وسايل و تجهيزات زير را از ابر رساناي نوع HTS ساخته و مورد آزمايش قرار داده است.
 محدودساز جريان خطا (FCL) با ولتاژ 4/2 كيلوولت
 موتور سنكرون به قدرت 200 اسب‌بخار
 كابل انتقال بطول 50 متر
 يك سيم‌پيچي نمونه ژنراتور براي طراحي روتورهاي از نوع پيشرفته
موسسه DOE فعاليتهاي خود را عمدتاً بر كاربرد ابررساناي HTS متمركز كرده است. مهمترين مزيت ابررساناي HTS بر نوع LTS حذف هليوم كريوژن (Helium Cryogen) مايع و صرفه‌جويي در هزينه به علت عدم نياز به سيستم خنك‌سازي هليوم است. در حال حاضر هنوز هزينه و قيمت هاديهاي HTS بالا بوده و بدون كاهش آن تجاري شدن تجهيزات مربوطه مشكل خواهد بود. تمايل شركتهاي برق براي بكارگيري تجهيزات ابررسانايي در شبكه‌هاي قدرت تا حد زيادي به نحوه عملكرد، قابليت اطمينان و سهولت تعميرات آنها در مقايسه با تجهيزات سنتي بستگي دارد.
ويژگي‌هاي بهبود راندمان و كاهش هزينه عمر كه بطور سنتي از مهمترين برجستگي‌هاي تجهيزات ابررسانايي شناخته مي‌شد امروزه از اهميت دومي برخوردار هستند. البته افزايش راندمان موتورهاي ابررسانايي هنوز يك ويژگي‌ مهم بوده بگونه‌اي كه 2 درصد افزايش راندمان مي‌تواند بسيار موثر باشد.
كاربرد وسيع تجهيزات ابررسانايي در سيستم‌هاي قدرت باعث فروش اين تجهيزات در سطح جهان تا رقم 100 ميليارد دلار تا سال 2010 خواهد شد.
البته در آمريكا به علت خصوصي‌سازي توليد و انتقال انرژي الكتريكي تمايل شركتهاي برق براي كنترل و افزايش راندمان ديگر چندان جدي نيست چرا كه در فضاي جديد مي‌توانند تلفات سيستم را به عنوان بخشي از هزينه‌هاي بهره‌برداري در نظر بگيرند.
ميزان تاثير وبهبود ناشي از بكارگيري تجهيزات ابررسانايي در سيستم قدرت را مي‌توان با يك تحليل ساده محاسبه و ارزيابي كرد. كليه سيستمهاي قدرت بصورت يك سيستم تبديل انرژي از مرحله تبديل سوختهاي فسيلي به انرژي الكتريكي، انتقال و تحويل آن به مصرف‌كنندگان عمل مي‌كنند. راندمان بخش تبديل انرژي بين 30 تا 50 درصد است كه كمترين راندمان در فرآيند عملكرد سيستم‌هاي قدرت است. در حال حاضر سيستم قدرت آمريكا با بكارگيري 32 واحد كواد (Quad) از انرژي فسيلي مي‌تواند 10 واحد كواد انرژي الكتريكي به بخش مصرف‌كنندگان تحويل دهد، بطوري كه هر كواد انرژي (BTU1015) معادل با فروش 20 ميليارد دلار انرژي الكتريكي با نرخ $/KWh 07/0 است. موتورهاي الكتريكي 64 درصد مصرف انرژي الكتريكي آمريكا را تشكيل مي‌دهند كه معادل با 4/6 كواد انرژي است، به طوري كه 50 درصد آن توسط موتورهاي بزرگتر از 1000 اسب‌بخار مصرف مي‌شود.
چنانچه طي 10 تا 20 سال آينده بكارگيري موتورهاي بزرگ ابررسانايي با 2 درصد افزايش در راندمان گسترش يابد، صرفه حاصل از كاهش هزينه انرژي الكتريكي حدود 1/0 كواد يا 2 ميليارد دلار در سال خواهد شد. مسلماً‌ اين امر باعث صرفه‌جويي معادلي در بخش سوخت و كاهش آلاينده‌هاي ناشي از تبديل انرژي خواهد شد.
موتورهاي بزرگتر از 1000 اسب‌بخار انتخاب بسيار مناسبي براي بكارگيري فن‌آوري ابررسانايي جهت افزايش راندمان هستند.
در بخش انتقال و توزيع (T&D) قابليت براي كاهش تلفات تا ميزان 7 تا 10 درصد با بكارگيري فن‌آوري ابررسانايي بسيار جذاب است. هزينه يك خط انتقال هوايي سنتي برابر 100000 دلار بر مايل است درحالي كه هزينه كابل زيرزميني از نوع ابررسانايي با همان ظرفيت برابر 5/1 تا 2 ميليارد دلار بر مايل است.
در بخش انتقال و توزيع شركتهاي برق رفته رفته به كاربرد فناوري ابررسانايي در محدود سازهاي جريان خطا (FCL) و ترانسفورماتورها علاقمند مي‌شوند. محدود سازهاي جريان خطا از نوع ابررسانايي (SCFCL) توانايي محدود كردن صدمات ناشي از جريان‌هاي بزرگ و گذراي خطا به تجهيزات پستها را دارا هستند.
آزمايشهاي موفق اخير ژاپن و اروپا بر روي ترانسفورماتورهاي HTS، بيانگر تمايل شركتهاي برق براي بكارگيري اين نوع ترانسفورماتورها در شبكه‌هاي قدرت به واسطه مزاياي اقتصادي، زيست‌محيطي و بهبود عملكرد آنها در مقايسه با ترانسفورماتورهاي سنتي است.
يك بررسي درباره استفاده از ترانسفورماتورهاي ابررسانايي در شبكه‌هاي توزيع نشان مي‌دهد كه كاربرد نسبتاً وسيع آنها براي قدرتهاي بيشتر از MVA 30 مي‌تواند تلفات شبكه توزيع را نسبتاً به نصف مقدار فعلي (4 تا 5 درصد) تقليل دهد. اين كاهش تلفات به ميزان 2 درصد متناظر با صرفه‌جويي در انرژي است كه در آمريكا برابر 2/0 كواد و معادل با فروش 4 ميليارد دلار انرژي الكتريكي در سال است.
بكارگيري وسيع ژنراتورهاي ابررسانايي با 8/0 درصد بهبود در راندمان آنها طي 10 تا 20 سال آينده مي‌تواند سبب صرفه‌جويي در انرژي الكتريكي به ميزان 1/0 كواد شود بعلاوه اينكه باعث صرفه‌ بيشتر در سوخت فسيلي و انتشار آلاينده‌هاي محيطي مي‌شود.
صرفه كل حاصل در انرژي الكتريكي بواسطه بكارگيري ترانسفورماتور، موتور و ژنراتورهاي ابررسانايي برابر 4/0 كواد خواهد شد كه معادل 8 ميليارد دلار فروش انرژي در سال است.
قابل توجه است كه يك كواد صرفه‌جويي در سوخت باعث كاهش 238000 تن گاز NOX و 412000 تن گاز SOX و 68530000 تن گاز CO2 خواهد شد كه معادل با 26800000 تن كربن است.
از ديگر صرفه‌هاي مرتبط با كاهش آلاينده‌ها كاهش ماليات‌هاي ناشي از آنها است بگونه‌اي كه براي گاز SOX كاهش مقدار 100 دلار در هر تن، در سال باعث 40 ميليون دلار صرفه خواهد شد وبراي كربن كاهش 100 دلار در هر تن نيز باعث 7/2 ميليارد دلار صرفه در سال خواهد شد.
منبع : ماهنامه صنعت برق ارديبهشت 1385