وبلاگ

برای مدت بیش از یک قرن، خطوط هوایی[۱] متداولترین واسط انتقال انرژی الکتریکی در تمامی سطوح ولتاژ و بخصوص در شبکه‌های فشار قوی (سیستمهای انتقال) بوده‌اند. با این وجود، مشاهده شده است که در سالهای اخیر طول و تعداد شبکه‌های کابلی در کشورهای مختلف و بویژه در دانمارک، ژاپن و انگلستان، رشد چشمگیری یافته است. همزمان، روند رو به گسترش احداث نیروگاه‌های بادی در کرانه دریاها که عمدتاً توسط کابل‌های ولتاژ بالای AC  به شبکه‌های ساحلی متصل می‌شوند، باعث گسترش روز افزون شبکه‌های کابلی گردیده است.

توسعه شبکه‌های کابلی جریان متناوب، انجام مطالعات حالت گذرا در این سیستمها را نیز ضرورت بخشیده است. مطالعه حالات گذرا پیشینه‌ای به اندازه عمر سیستمهای قدرت دارد. در ابتدا، مطالعه حالات گذرای سیستم‌های قدرت تنها به روش تحلیلی انجام می‌گرفت. استفاده از روشهای تحلیلی برای مطالعات حالات گذرا، باعث شده بود تا این مطالعات منحصر به بررسی تعدادی از پدیده‌های مهم و بنیادی شود.  با این وجود، توسعه ابزارهای مبتنی بر کامپیوتر و بویژه بهبود سرعت و قابلیتهای نرم‌افزارهای کامپیوتری، تجزیه و تحلیل حالات گذرای پیچیده‌تر و نادرتر را هم میسّر نمود.

بررسی پدیده‌های گذرا از مدتها پیش بعنوان یک شاخه علمی تلقی شده و برای مثال کتاب “گذراهای الکتریکی در سیستمهای قدرت آقای Greenwood” ، حدود ۴۰ سال پیش تألیف شده است. با این وجود، نقص بیشتر کتابهای تألیف شده در این زمینه آن است که از بررسی گذراهای الکترومغناطیسی در کابل‌های جریان متناوب صرفنظر نموده‌اند. دلیل این موضوع هم کاربرد محدود کابل‌های جریان متناوب در سالهای گذشته بوده است.

در این کتاب، انواعی از گذراهای الکترومغناطیسی (الکتریکی) که وقوع آنها در حین بهره‌برداری از کابل‌های جریان متناوب محتمل است، بررسی شده‌اند. کتاب بصورت یک “کتاب درسی” تألیف شده و در تدوین آن سعی شده است تا توضیحات مشروحی در خصوص پدیده‌های مختلف گذرا بیان شده و سناریوهای متنوعی از شکل‌گیری آنها ارائه گردد. دیدگاه مؤلفین آن بوده است که چنین رهیافتی موجب فهم بهتر اصول فیزیکی شده و در نتیجه خوانندگان محترم می‌توانند مسائل تئوریک مطرح شده در کتاب را با پدیده‌های عملی مختلفی که در هنگام بهره‌برداری از کابل‌ها‌ رخ می‌دهد، تطبیق دهند.

یکی از مباحثی که در این کتاب بررسی نشده است، روشهای اندازه‌گیری گذراهای الکتریکی است. روش اندازه‌گیری پدیده‌های گذرا در کابل‌ها، به نوع پدیده اندازه‌گیری شونده، تجهیزات موجود و این که چه نقاطی از کابل در معرض دسترسی قرار دارند، وابسته است. به همین دلیل، خوانندگان محترم، برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توانند به مقالات فنی و پایان نامه‌هایی که در این خصوص تألیف شده است مراجعه نمایند.

با این حال، مطالعه کتاب اخیر نه تنها برای دانشجویان، بلکه برای مهندسینی که نیاز به درک چالشها و مشکلات رایج در بهره‌برداری کابل‌های قدرت دارند نیز سودمند خواهد بود. به ویژه، مطالعه این کتاب برای مدلسازی شبکه جهت انجام مطالعات حالات گذرا بسیار مفید خواهد بود.

در فصل اول کتاب، تحت عنوان “توصیف اجزا”، لایه‌های مختلف کابل و وظیفه هر یک از آنها تشریح شده است. همچنین نحوه محاسبه پارامترهای الکتریکی کابل شامل مقاومت، اندوکتانس، ظرفیت خازنی و امپدانسهای مؤلفه مثبت و مؤلفه منفی ارائه گردیده است. بعلاوه، نحوه اصلاح مشخصات فنی ارائه شده برای کابل‌ها جهت انجام محاسبات دقیقتر، در همین فصل تبیین گردیده است.

در ادامه فصل، آرایشهای مختلف برای ‌هم‌بندی شیلد الکترومغناطیسی کابل‌ها (شامل ‌‌هم‌بندی در هر دو انتها[۲] و ‌‌هم‌بندی ضربدری[۳]) و روشهای محاسبه و تخمین حداکثر جریان کابل‌های نصب شده (مدفون شده) در انواع (جنسهای) مختلف زمین (بر اساس محاسبات تبادل حرارتی) بررسی گردیده است.

همچنین، در انتهای فصل اول، رآکتور موازی (شانت) که یکی از مهمترین المانهای مورد استفاده در شبکه‌های کابلی است، تشریح شده و اثرات آن بعنوان یک عنصر مصرف کننده توان رآکتیو  (که این توان رآکتیو در کابل‌ها تولید می‌شود) بررسی گردیده است.

در فصل دوم، تحت عنوان “گذراهای ناشی از کلیدزنی در مدارات ساده”، اصول تبدیل لاپلاس و نحوه کاربرد آن در مطالعه پدیده کلیدزنی در مدارات ساده‌، که دارای ترکیبی از منابع تغذیه  AC و DC و بارهای RL، RC و RLC هستند، تشریح شده است.

به عبارت دیگر، در این فصل نحوه مطالعه تحلیلی سیستمهای ساده بیان شده است. اصول استخراج شده از این فصل، در فصول بعدی کتاب، که به مطالعه پدیده‌های گذرای پیچیده‌تر اختصاص دارند، مورد استفاده قرار گرفته است.

در فصل سوم، تحت عنوان “امواج سیار[۴] و حوزه مودال[۵] “، معادلات تلگرافچی[۶] و نحوه محاسبه ماتریسهای امپدانس حلقه و شاخه و ماتریس ادمیتانس‌های موازی کابل، به صورت تابعی از فرکانس، تشریح شده است. همچنین، مودهای مختلف کابل (تحلیل مودال[۷])، نحوه محاسبه امپدانس و سرعت هر مود و در انتها شکل وابستگی آنها به فرکانس، در این فصل مطالعه می‌گردد. کسب دانش “تحلیل مودال” در بررسی پدیده‌های گذرای کابل‌ها از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است. ممکن است خواننده این طور تصور کند که چون در بیشتر موارد از نرم‌افزارهای موجود برای تحلیل مودال استفاده می‌شود، پس همین که برنامه نویسان چنین نرم‌افزارهایی بر تئوری مودال مسلط باشند، کفایت خواهد نمود. با این وجود، درک تعدادی از پدیده‌های گذرا منوط به کسب دانش حداقلی در خصوص تئوری مودال خواهد بود. بر همین اساس، در این فصل توضیحات مبسوطی در خصوص تحلیل مودال ارائه شده است. در همین فصل، طیف فرکانسی کابل در آرایشها و هم‌بندیهای مختلف قابل استفاده برای شیلد الکترومغناطیسی نیز مطالعه می‌شود.

در فصل سوم، تحت عنوان “پدیده‌های گذرا”، چندین پدیده الکترومغناطیسی گذرا که امکان وقوع آنها در کابل‌ها وجود دارد، تشریح شده‌اند. بر همین اساس، فصل اخیر با بررسی پدیده برقدار کردن کابل[۸] (برای شیلدهای ‌هم‌بندی شده در دو انتها و شیلدهای ‌‌هم‌بندی شده بصورت ضربدری) آغاز شده و شکل موج‌ها برای سناریوهای مختلف وقوع گذرا ارائه خواهند شد. در ادامه، نحوه استفاده از تئوری مودال برای تشریح انواع گذراها توضیح داده می‌شود. پس از آن، سایر پدیده‌های گذرا نظیر برقدار کردن دو کابل موازی، از دست رفتن نقطه گذر از صفر جریان[۹] (به دلیل مؤلفه DC جریان)، ولتاژ گذرای بازگشتی [۱۰]و قوس مجدد [۱۱] تشریح خواهند شد.

خطوط ترکیبی هوایی و کابلی [۱۲] هم در طی همین فصل بررسی شده‌اند. در این فصل، شرح داده شده است که چگونه مقدار اضافه ولتاژها در برخی ساختارهای خاص (ترکیبی از خطوط هوایی و کابلی) افزایش قابل توجهی می‌یابند. همچنین تأثیر آرایش ‌هم‌بندی شیلد کابل‌ها بر دامنه اضافه ولتاژها در این فصل مطالعه شده است. در ادامه، تعامل بین ظرفیت خازنی کابل‌ها و ترانسفورماتورها (که عناصری القایی هستند) بررسی شده و سناریوهای محتمل وقوع رزونانس و فرورزونانس بررسی خواهد شد.

در پایان این فصل، پدیده اتصال کوتاه کابل‌ها، که به دلیل امکان بازگشت جریان از شیلد کابل با مکانیزم اتصال کوتاه در خطوط هوایی تفاوت دارد، بررسی گردیده است. نشان داده خواهد شد که آرایشهای مختلف شیلد کابل، هم مقدار دامنه جریان اتصال کوتاه و هم مقدار ولتاژ گذرای بازگشتی را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

فصل پنجم، تحت عنوان “مدلسازی سیستم و هارمونیکها”، با پیشنهاد روشی برای انتخاب قسمتی از شبکه که مدلسازی آن ضروری است، آغاز می‌شود. این روش، در مطالعه برقدار کردن کابل‌ها و اضافه ولتاژهای گذرای بازگشتی کاربرد داشته و طبعاً دارای یکسری محدودیتهاست که در همین فصل بدان پرداخته شده است. بعلاوه، تکنیک جدیدی جهت انجام محاسبات مورد نیاز برای مطالعات طیف فرکانسی ارائه شده است که موجب می‌شود طیفهای فرکانسی در زمان کوتاه‌تری محاسبه شوند.

در ادامه این فصل نیز روشی نظام‌مند برای مطالعات هماهنگی عایقی خطوط انتقال پیشنهاد شده است. همچنین، فرضیات مدلسازی، شامل میزان دقت و جزئیات مورد نیاز برای مدلسازی مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت، این فصل با ارائه یک مثال جامع و گام به گام در خصوص نحوه استفاده از روش پیشنهادی، خاتمه یافته است.

[۱] -Overhead Lines

[۲] -Both ends bonding

[۳] -Cross bonding

[۴] -Travelling waves

[۵] -Modal domain

[۶] -Telegrapher equations

[۷] -Modal A\analysis

[۸]-Cable energization

[۹] -Zero missing

[۱۰]-Transient Recovery Voltage (TRV)

[۱۱] -Restrike

[۱۲]-Hybrid Cable-OHLs

خرید از نشر الکترونیک آنی

اطلاعات بیشتر