رویکردی نوین به اتصال متقاطع در خطوط کابل ولتاژ متوسط

چکیده

پوشش‌های کابل‌های زیرزمینی ولتاژ متوسط معمولاً در هر ایستگاه تبدیل به هم متصل می‌شوند و در زمین نیز متصل هستند. این وضعیت باعث ایجاد تلفات توان اضافی در پوشش‌ها می‌شود. مقاله حاضر به معرفی ایده‌ای جدید برای کاهش این تلفات توان ناشی از اتصال متقاطع پوشش‌ها می‌پردازد. این روش، اتصال متقاطع پوشش‌ها را تنها در ایستگاه‌های منتخب ولتاژ متوسط به پایین (MV/LV) پیشنهاد می‌کند و به جای روش‌های رایج که به نصب اتصالات اضافی در مسیر کابل نیاز دارند، به کار می‌رود. رویکرد پیشنهاد شده باعث کاهش چشمگیر در تلفات توان می‌شود در حالی که هزینه سرمایه‌گذاری نسبتاً پایین باقی می‌ماند. دو حالت مختلف در این مقاله بررسی شده است: یک شبکه شعاعی ساده نظری و یک بخش از یک شبکه باز واقعی. نتایج نشان‌دهنده کاهش قابل توجهی در تلفات توان در هر دو حالت است.

پس‌زمینه

خطوط کابل زیرزمینی از اجزای حیاتی سیستم‌های قدرت الکتریکی به شمار می‌آیند. این خطوط در دامنه وسیعی از ولتاژهای اسمی، از نصب‌های خانگی با ولتاژ پایین تا سیستم‌های انتقال فوق‌العاده بالا، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کابل‌ها معمولاً از نوع تک‌هسته‌ای برای ولتاژهای عملیاتی متوسط و بالا ساخته می‌شوند. کابل تک‌هسته‌ای از یک هسته رسانا، لایه‌های عایق و پوشش رسانا در یک آرایش کواکسیال تشکیل شده است. وجود پوشش رسانا نه تنها برای توزیع مناسب میدان الکتریکی در کابل ضروری است، بلکه مسیری را برای عبور جریان خطا فراهم می‌کند و همچنین با کاهش ولتاژ تماس، ریسک شوک الکتریکی را کاهش می‌دهد. در انتهای کابل، پوشش به زمین متصل می‌شود تا این اهداف محقق شوند. با این حال، این اتصال می‌تواند مسائل عملی خاصی را به همراه داشته باشد. جریانی که در هسته کابل عبور می‌کند، ولتاژی را در پوشش القا می‌کند. در صورتی که پوشش در هر دو انتهای کابل به زمین متصل باشد، یک مدار حلقه بسته شکل می‌گیرد و جریان القایی در پوشش جاری می‌شود. این جریان القایی موجب بروز چندین پدیده منفی می‌گردد. اولین اثر، تلفات توان اضافی است که کارایی انتقال توان را کاهش می‌دهد. دومین اثر، تبدیل این تلفات به گرماست که دمای کلی کابل را افزایش می‌دهد و بدین ترتیب ظرفیت حمل جریان را کاهش می‌دهد. برای مقابله با این پدیده‌ها و کاهش جریان القایی، تکنیک‌های مختلفی به کار گرفته می‌شود. کارآمدترین تکنیک، استفاده از طرح‌های زمین‌گذاری پیوسته متقاطع (cross-bonding) است. این نوع اتصال متقاطع پوشش‌ها به‌طور گسترده‌ای در کابل‌های زیرزمینی HV و UHV استفاده می‌گردد، در حالی که کاربرد آن در خطوط توزیع MV نسبتاً نادر است. دلیل این موضوع این است که طول و بار خطوط کابل HV معمولاً بسیار بیشتر از یک خط توزیع MV معمولی است. از این‌رو، مشکل تلفات توان اضافی و گرمای بیش از حد در نصب‌های HV بیشتر به چشم می‌آید و هزینه‌های مقابله با آن نیز عموماً به منافع مالی قابل توجهی منجر می‌شود.

ترتیبات شبکه ولتاژ متوسط و سیستم‌های زمین‌گذاری

شبکه ولتاژ متوسط به منظور تغذیه ایستگاه‌های ثانویه طراحی شده است، جایی که ترانسفورماتورهای MV/LV نصب می‌گردند. این شبکه می‌تواند در آرایش‌های مختلفی عملیاتی شود. رایج‌ترین این ترتیبات، شبکه‌های شعاعی و سیستم‌های حلقه‌ای هستند. سیستم‌های حلقه‌ای بیشتر برای شبکه‌های وسع به کار می‌روند که توسعه‌های بزرگ آتی را به همراه دارند. این سیستم‌ها می‌توانند به صورت باز یا بسته عمل کنند. از میان این دو نوع، سیستم‌های حلقه باز به دلیل هزینه کمتر، بیشتر استفاده می‌شوند. با این حال، باید توجه داشت که قابلیت اطمینان آنها به مراتب پایین‌تر است و احتمال قطع بیشتر می‌باشد.

روش‌های معمول اتصال متقاطع در کابل‌های MV

شیوه‌های رایج زمین‌گذاری غلاف‌های کابل‌های ولتاژ متوسط (MV) به ترتیب شبکه وابسته نیستند. همانطور که در مقدمه توضیح داده شده، معمولاً سه غلاف کابل تک‌هسته‌ای در هر دو انتهای کابل به یکدیگر متصل می‌شوند. این غلاف‌های متصل در یک انتهای خط کابل به سیستم زمین ایستگاه تأمین برق و در انتهای دیگر به سیستم زمین ایستگاه ثانویه MV/LV متصل می‌شوند. اگر در شبکه ایستگاه‌های بیشتری وجود داشته باشد، غلاف‌های یک خط کابل دیگر به زمین ایستگاه متصل شده و در نتیجه به غلاف‌های خط کابل قبلی پیوند می‌خورند. در طرف دیگر کابل، غلاف‌ها به سیستم زمین ایستگاه بعدی وصل می‌شوند. به این ترتیب، تمام غلاف‌ها به یکدیگر متصل شده و در نقاط متعددی زمین‌گذاری می‌شوند. شکل ۱ یک مثال ساده از یک شبکه حلقه باز را نشان می‌دهد که در آن غلاف‌های کابل در هر ایستگاه برق به یکدیگر متصل و زمین‌گذاری شده‌اند. در صورتیکه شبکه به‌صورت حلقه باز عمل کند، غلاف‌های کابل در نقطه اتصال، همانطور که در شکل ۱ در ایستگاه ثانویه ۶ مشاهده می‌شود، به یکدیگر متصل باقی خواهند ماند.

شکل ۱. ترتیب رایج شبکه حلقه باز ولتاژ متوسط

شکل ۲ جزئیات بیشتری از اتصال کابل در داخل یک ایستگاه ثانویه را به تصویر می‌کشد. هر کابل با یک ترمینیشن کابل به پایان می‌رسد که این امکان را فراهم می‌کند تا هسته کابل به تابلو کنترل متصل شود. غلاف‌ها از ترمینیشن کابل خارج شده و به یکدیگر متصل می‌شوند و از طریق هادی‌های زمین به الکترود زمین مرتبط می‌گردند. این زمین‌گذاری به جلوگیری از بروز ولتاژهای زائد در غلاف‌های با عایق کم، در صورت وقوع خطای فاز به زمین و یا به دلیل تأثیر ترانسفورماتوری هادی و غلاف کمک می‌کند.

شکل ۲. ترتیب زمین‌گذاری غلاف‌های کابل در ایستگاه ثانویه MV/LV

روش‌های توصیه‌شده برای اتصال متقاطع

کاهش جریان القایی در غلاف‌ها به دو روش قابل اجرا است. روش اول شامل اتصال یک نقطه‌ای می‌باشد، جایی که یکی از انتهای غلاف زمین‌گذاری می‌شود در حالی که انتهای دیگر جدا می‌ماند. این روش به حذف جریان القایی کمک می‌کند زیرا مدار باز باقی می‌ماند. با این حال، یکی از مشکلات عمده این راه‌حل این است که ولتاژ غلاف در انتهای غیرزمین‌گذاری می‌تواند به مقادیر غیرقابل قبول بالا برسد، به ویژه در هنگام بروز خطاها. بنابراین، این روش تنها برای خطوط کابل نسبتاً کوتاه پذیرفته شده و در عمل به ندرت استفاده می‌شود. مشکل ولتاژ بالای غلاف در زمان خطا می‌تواند با زمین‌گذاری غیرمستقیم غلاف‌های کابل از طریق استفاده از محدودکننده‌های ولتاژ غلاف (Sheath Voltage Limiters – SVLs) کاهش یابد. در این راه‌حل، یک هادی اضافی برای رسانایی زمین (Earth Conductivity Conductor – ECC) استفاده می‌شود تا پتانسیل بین انتهای کابل را متعادل کند. این راه‌حل برای کابل‌های طولانی مناسب نیست زیرا نصب SVLs ولتاژهای غلاف را در هنگام خطا کاهش می‌دهد در حالی که ممکن است ولتاژهای غلاف در طول عملکرد عادی خط به مقادیر حداکثر مجاز برسند.

راه‌حلی که تضمین می‌کند جریان‌های غلاف کاهش یابند و ولتاژهای غلاف در حین عملیات عادی و در زمان خطا پایین باقی بمانند، تقسیم طول کابل به سه (یا شش، یا نه و …) بخش تقریباً برابر است. غلاف‌ها در ابتدای بخش اول و در انتهای بخش سوم زمین‌گذاری می‌شوند. در میان دو اتصال میانی، غلاف‌ها به گونه‌ای عبور داده می‌شوند که در شکل ۳ نشان داده شده است. در نتیجه، سه غلاف به صورت سری با هادی‌های فازهای مختلف ارتباط برقرار می‌کنند و در نتیجه، برای بار متعادل، ولتاژ غلاف نزدیک به صفر خواهد بود. این روش موثر است، اما هزینه سرمایه‌گذاری را افزایش می‌دهد. این کار نیازمند نصب جوش‌های عایق غیرمعمول بین بخش‌های کابل است. غلاف‌ها می‌توانند با استفاده از جعبه‌های لینک ویژه، که به‌طور معمول برای کابل‌های HV بکار می‌روند، متصل شوند، در حالی که برای کابل‌های MV می‌توان از کابل‌های اتصال به‌طور مستقیم بین جوش‌ها استفاده کرد، همان‌طور که در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۳. اتصال متقاطع غلاف‌های معمولی

در حالی که اتصال متقاطع می‌تواند برای خطوط کابل جدید پیشنهاد شده و به کار رود، مدرن‌سازی سیستم‌های کابل موجود چالش‌های خاص خود را دارد. این فرآیند نیاز به حفاری کابل در یک موقعیت مشخص و حذف مقداری از خاک دارد. برای انجام چنین عملیاتی، لازم است که عمق دفن و موقعیت دقیق مسیر کابل مشخص باشد. بدون داشتن این اطلاعات، ابزارهای حفاری به‌طور مؤثر کار نخواهند کرد و ممکن است کابل آسیب ببیند. همچنین، در مناطق شهری، تقسیم خط کابل موجود به بخش‌های برابر ممکن است به دلیل زیرساخت‌های موجود مانند جاده‌ها، خطوط لوله و حقوق مالکیت غیرممکن باشد. بنابراین، این مقاله به بررسی روش‌های جایگزین برای اتصال متقاطع می‌پردازد که می‌تواند برای خطوط کابل MV موجود مورد استفاده قرار گیرد.

روش جایگزین اتصال متقاطع برای شبکه MV

ایده اتصال متقاطع جایگزین فرض می‌کند که نفوذ محدودی بر روی خط کابل موجود وجود دارد. هدف این است که جریان‌های غلاف را بدون حفاری کابل و بدون نصب جوش‌های اتصال متقاطع در زیر زمین در مسیر کابل کاهش دهیم. این کار می‌تواند با تغییر ترتیب سیستم زمین‌گذاری در ایستگاه‌های ثانویه انجام شود.

شبکه‌های MV معمولاً شامل تعدادی از ایستگاه‌های ثانویه هستند و فاصله بین ایستگاه‌های متوالی در مناطق شهری به‌ویژه کم است. به همین دلیل، می‌توان ایستگاه‌ها را به عنوان مکان‌هایی انتخاب کرد که خط کابل به سه بخش تقسیم می‌شود، همانطور که در اتصال متقاطع رایج بیان شد. ایده در شکل ۴ ارائه شده است. این شکل یک نمودار از یک شبکه شعاعی MV است که پنج ایستگاه را تأمین می‌کند. غلاف‌ها تنها در دو نقطه زمین‌گذاری می‌شوند؛ یعنی در ایستگاه تأمین در ابتدای خط کابل L1 و در انتهای خط کابل L5 در ایستگاه ۵. در تمام ایستگاه‌های میانی (ایستگاه‌های ۱-۴) غلاف‌های کابل به سیستم زمین ایستگاه متصل نیستند. در ایستگاه‌های انتخابی (مانند ایستگاه‌های ۱ و ۳) غلاف‌های کابل متقاطع می‌شوند. بدین ترتیب، خط کابل به سه بخش تقسیم می‌شود.

شکل ۴. ایده اتصال متقاطع جایگزین برای یک شبکه ولتاژ متوسط

انتخاب نقاط اتصال متقاطع

انتخاب نقاط اتصال متقاطع برای شبکه‌های واقعی ولتاژ متوسط (MV) به‌دلیل تفاوت طول خطوط کابل بین ایستگاه‌های فشار متوسط می‌تواند یک چالش بزرگ باشد. این اختلاف‌ طول می‌تواند به جریانات مختلفی در بخش‌های متوالی شبکه ولتاژ متوسط منجر شود.

ولتاژ عایق

ولتاژ عایق که در طول مشخصی القا می‌شود، برای سیستم متعادل به شکل زیر تعریف می‌گردد [۷]:

در اینجا:

• l – طول کابل،
• Dc – فاصله محوری بین کابل‌های مجاور،
• d – قطر متوسط عایق،
• Va، Vb، Vc – ولتاژهای القا شده در عایق‌های کابل در فازهای a، b، و c به ترتیب، برای هر یک کیلومتر،
• Ia، Ib، Ic – جریان‌های موجود در هسته‌های کابل‌ها،
• ω – فرکانس زاویه‌ای سیستم،
• a=ej120.

با فرض اینکه نوع کابل و تشکیل آن مشابه یکدیگر باشد، که برای شبکه ولتاژ متوسط (MV) امری رایج است، ولتاژهای القا شده در عایق‌ها به‌صورت مستقیم وابسته به جریانات در هسته‌های کابل و طول‌های آنها هستند. در یک خط ایده‌آل و متعادل، ولتاژ کل در انتهای کابل می‌تواند به مقدار Vr که مجموع ولتاژهای عایق در سه بخش کابل است، کاهش یابد. اگر بار به‌صورت متعادل باشد:

در این صورت ولتاژ نهایی Vr برابر با صفر خواهد بود:

اما در عمل، ولتاژ نهایی برابر با صفر نیست و انتظار می‌رود جریان اندکی در عایق‌ها وجود داشته باشد. این امر به دلیل عدم تعادل و وجود جریانات نابرابر در طول خط (عمدتاً به‌دلیل ظرفیت توزیع‌یافته خط) و همچنین فاصله‌های غیر یکنواخت بین کابل‌ها در مسیری مشخص است.

روش اتصال متقابل جایگزین

در حین اجرای روش اتصال متقابل جایگزینی که در این مقاله مطرح شده است، لازم است به این نکته توجه شود که جریانات در بخش‌های مختلف خط (از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر) لزوماً برابر نخواهند بود. بنابراین برای تصمیم‌گیری در مورد اینکه بهترین ایستگاه برای انجام اتصال متقابل کدام است تا ولتاژ نهایی Vr کاهش یابد، کافی نیست که فقط خط را به سه بخش مساوی تقسیم کنیم. در واقع، نه تنها طول بخش‌ها بلکه بارهای مربوط به هر بخش نیز باید مد نظر قرار گیرد.

با فرض اینکه کابل خط به n ایستگاه فشار نیرو می‌دهد، n بخش از کابل با طول‌های متفاوت وجود خواهد داشت. این بخش‌ها به مجموعه طول‌ها L (۶) تخصیص داده خواهند شد. به‌علاوه، هر بخش از خط جریانات بار متفاوتی دارد که به مجموعه جریانات I (۷) تخصیص داده خواهند شد.

هدف از بهینه‌سازی نقاط اتصال متقابل تقسیم مجموعه طول L به سه زیرمجموعه است که شامل بخش‌های خط کابل مرتبط با یک توالی خاص اتصال متقابل خواهد بود. زیرمجموعه‌ها به شرح زیر نامگذاری خواهند شد:

بنابراین، ایستگاه‌هایی که اتصال عایق‌ها در آن‌ها انجام می‌شود، شامل ایستگاه‌های i و j خواهد بود.

بار متعادل

با فرض اینکه بار در هر بخش از خط متعادل باشد، ولتاژ القا شده در طول کل خط به شکل زیر خواهد بود:

برای کاهش جریانات عایق، ولتاژ حاصل در طول کل سیستم کابل باید به حداقل ممکن برسد. این امر تنها در شرایط زیر میسر خواهد بود:

با این حال، تحقق این شرایط در سیستم قدرت واقعی گاهی دشوار یا حتی غیرممکن است؛ بنابراین روش اتصال متقابل جایگزین پیشنهاد شده نمی‌تواند به کاهش جریانات عایق به صفر منجر شود و به‌طور کامل اتلاف انرژی در عایق‌ها را از بین نخواهد برد. با این وجود، امکان وجود تقارن جزئی بین مجموع محصولات طول و جریانات برای بخش‌های خط کابل تخصیص‌یافته به یک توالی اتصال متقابل خاص وجود دارد.

مثال محاسباتی – شبکه رادئالی ساده

یک مثال ابتدایی و بسیار ساده، بر اساس مدل شبکه‌ای که در شکل ۴ نشان داده شده است، ارائه می‌شود. فرض بر این است که تمام بخش‌ها (از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر) دارای طول‌های مشخص شده در جدول ۱ هستند و در هر ایستگاه، تقاضای توان ۵۰۰ کیلووات وجود دارد. این امر به کاهش بارهای بخش‌های متوالی خط منجر می‌شود. ولتاژ نامی شبکه ۱۵ کیلوولت است. جداول ۱ شامل خلاصه‌ای از فرضیات برای تحلیل می‌باشد.

بدون اینکه محاسبات دقیقی در مورد جریان و سطوح ولتاژ انجام شود، می‌توان تخمین زد که جریانات بخش‌ها به‌طور متناسب با بارهای آنها تغییر می‌کند. اگر جریان در آخرین بخش را برابر با I5 = I در نظر بگیریم، آنگاه جریانات در بخش‌های قبلی به شکل زیر خواهند بود: I4 = ۲ I، I3 = ۳ I، I2 = ۴ I، I1 = ۵ I. طبق فرمول (۱۰)، مجموع محصولات طول و جریانات برای بخش‌های خط کابل که به یک توالی اتصال متقابل خاص تخصیص داده شده‌اند، باید برابر باشد.

مقادیر به‌دست‌آمده از محصولات طول بخش‌ها و جریانات در جدول ۲ آورده شده است. مشاهده می‌شود که برای یک اتصال متقابل ایده‌آل، به‌منظور برآورده کردن معادله (۱۰)، یک‌سوم از مجموع کل محصولات طول و جریانات باید به هر توالی اتصال متقابل تخصیص یابد. برای مورد تحلیل شده، یک‌سوم از مجموع کل محصولات طول و جریانات برابر با ۹.۳۳ I تعیین شده است. بدست آوردن چنین مقداری با استفاده از اتصال متقابل فقط در ایستگاه‌ها ممکن نیست، اما برای هر بخش اتصال متقابل می‌توان به مقادیر نزدیک به بهینه دست یافت. در مورد تحلیل شده، ایستگاه‌های ۱ و ۲ به‌عنوان مکان‌های بهینه برای انجام اتصال متقابل شناسایی شده‌اند. با این کار، مجموع محصولات طول و جریانات برای هر بخش نزدیک به هم و به ارزش بهینه ۹.۳۳ خواهد بود.

تحلیل دقیق این مورد بر روی مدلی که در نرم‌افزار PowerFactory ایجاد شده، انجام شده است. مدل سیستم کابل برای هر بخش شامل سه کابل تک‌هسته‌ای برای هر خط کابل می‌باشد. هر کابل با لایه‌های هدایت‌کننده و عایق در یک آرایش هم‌مرکز مدل‌سازی شده است. این لایه‌ها هسته و عایق را نمایندگی می‌کنند و با لایه‌های نیمه‌رسانا و عایق جدا شده‌اند. اتصالات بین کابل‌های تک‌هسته‌ای نیز با تعیین چیدمان و فاصله کابل مدل‌سازی شده است. توصیف دقیق مدلسازی سیستم کابل در PowerFactory در [۱۴] ارائه شده است.

مقایسه دو مورد

در این بخش، به مقایسه دو مورد پرداخته می‌شود. مورد اول، یک آرایش شبکه سنتی است که در آن پوشش‌ها در هر ایستگاه تغذیه به هم متصل و زمین‌دار شده‌اند، بدون هیچگونه اتصال متقاطع. اما در مورد دوم، پوشش‌ها در ایستگاه تغذیه و همچنین در آخرین ایستگاه ۵ به یکدیگر متصل و زمین‌دار شده‌اند و اتصال متقاطع در ایستگاه‌های ۱ و ۲ برقرار شده است، که این موارد در جدول ۲ نشان داده شده‌اند. شکل ۵، مقایسه جریان‌های پوشش برای هر دو مورد را به تصویر می‌کشد. در مورد اول، جایی که پوشش‌های هر کابل در انتها به هم متصل و زمین‌دار شده‌اند، جریان‌های پوشش به ویژه بالا هستند. در این بخش از کابل، حداکثر جریان به ۴۰ آمپر می‌رسد که تقریباً ۴۰ درصد از جریان هسته کابل را به خود اختصاص می‌دهد. به طوری که هر چه جریان هسته کابل کمتر باشد، جریان پوشش نیز به همان اندازه کاهش می‌یابد. اما در مورد دوم (شکل ۵-ب)، جریان‌های پوشش به طرز قابل توجهی نسبت به مورد اول کاهش یافته‌اند. این نکته نشان می‌دهد که روش پیشنهاد شده می‌تواند به طور مؤثری جریان‌های پوشش را محدود کند. لازم به ذکر است که محل‌های اتصال متقاطع پیشنهادی، هرچند جریانات را به طرز قابل توجهی کاهش داده‌اند، ولی برابر کردن کامل ولتاژهای القایی پوشش‌ها را تضمین نمی‌کند. کاهش جریان پوشش به نوبه خود منجر به کاهش تلفات توان و افزایش بهره‌وری انتقال توان می‌گردد، که نتیجۀ بسیار مطلوبی به شمار می‌آید. در شبکه مورد بررسی، تلفات توان در کل شبکه به میزان ۲۴ درصد کاهش یافته و از ۲۱ کیلووات به ۱۶ کیلووات رسیده است که نشان‌دهنده‌ی عملکرد مثبت روش پیشنهادی است.

استرس‌های اضطراری در زمین‌دار کردن پوشش‌های کابل

یکی از رایج‌ترین دلایل زمین‌دار کردن پوشش‌های کابل در نقاط مختلف، نگرانی اپراتورهای سیستم توزیع (Distribution System Operators یا DSO) از ولتاژهای القایی پوشش‌ها است. تحلیل نمونه موردی نشان می‌دهد که سطح این ولتاژها در حدی نیست که خطر جدی به دنبال داشته باشد. مطابق شکل ۶، ولتاژهای پوشش در حالت پایدار همواره زیر ۳۰ ولت باقی می‌مانند، که به مراتب کمتر از ولتاژ مجاز لمسی ۸۰ ولت است [۱۳]. در طول خرابی‌های زمین، ممکن است ولتاژهای بالاتری مشاهده شود؛ بنابراین نصب مبدل‌های پیک‌سنج (surge arresters) در ایستگاه‌های تغذیه، که پوشش‌ها در آن‌ها زمین‌دار نشده‌اند، ممکن است ضروری باشد. این موضوع در این مقاله به تفصیل بررسی نمی‌شود.

مثال محاسبه – شبکه واقعی باز

مثال موردی بعدی بر اساس بخشی از یک شبکه واقعی در لهستان ارائه می‌شود. آرایش شبکه و پارامترهای اساسی آن در شکل ۷ به نمایش درآمده است. این شبکه شامل شش ایستگاه ثانویه (S1، S2، S4، S5، S6 و S7) است که به مشتریان از طریق ترانسفورماتورهای MV/LV تأمین می‌شود. ساختار این شبکه باز است و دو نقطه اتصال باز در آن قابل مشاهده است (ایستگاه‌های S3 و S8). تأمین انرژی این شبکه از ایستگاه S0 انجام می‌شود. تمامی کابل‌ها از نوع آلومینیومی با هسته تک هستند و مساحت مقطع آن‌ها به ۱۲۰ یا ۲۴۰ میلی‌متر مربع می‌رسد. طول هر کابل به وضوح در نمودار نمایان شده است. پوشش‌ها نیز از نوار مسی ساخته شده و مساحت مقطع هر یک به ۵۰ میلی‌متر مربع می‌رسد.

بار ایستگاه

بار ایستگاهی که در اینجا بررسی می‌شود، بر اساس اندازه‌گیری‌های واقعی تقاضای برق ایستگاه‌های ثانویه در یک روز از سپتامبر ۲۰۱۷ تعیین شده است. جریان‌های به دست آمده برای هر ایستگاه در شکل ۸ به نمایش درآمده است. این جریان‌ها در طول روز تحت تأثیر نوسانات تقاضای برق تغییر می‌کنند. می‌توان مشاهده کرد که پروفایل‌های بار هر ایستگاه از لحاظ شکل و مقدار تفاوت‌های زیادی با هم دارند.

نتایج محاسبات

شکل ۹ نتایج محاسبات جریان‌های هسته کابل و جریان‌های پوشش برای وضعیت موجود را به تصویر می‌کشد، جایی که پوشش‌های هر بخش کابل در ایستگاه‌ها به هم متصل و زمین‌دار شده‌اند. به وضوح مشاهده می‌شود که بارگذاری کابل‌های هسته به تقاضای قدرت ایستگاه‌ها و توپولوژی شبکه بستگی دارد. کابل‌های نزدیک به ایستگاه تغذیه (یعنی ۰-۱ و ۱-۴) بیشترین بار را تجربه می‌کنند، در حالی که در کابل‌های متصل به نقاط باز (یعنی ۲-۳ و ۷-۸) تنها جریان شارژ کمی وجود دارد. جریان‌های پوشش نیز همانند جریان‌های هسته عمل می‌کنند.

در اینجا این سوال مطرح می‌شود که چگونه می‌توان بار متغیر را در فرایند انتخاب محل‌های اتصال متقاطع محاسبه کرد. نویسندگان پیشنهاد می‌کنند از میانگین مقدار جریان در طول دوره اندازه‌گیری استفاده شود. این کار منجر به میانگین‌های جریان ارائه شده در جدول ۳ می‌شود. تجزیه و تحلیل‌ها نشان می‌دهند که بالاترین بار مربوط به اولین بخش کابل (از ایستگاه تأمین ۰ به ایستگاه ۱) است. با توجه به اینکه این بخش همچنین طولانی‌ترین بخش نیز هست، حاصل‌ضرب طول و جریان میانگین برای آن بخش به مراتب بیشتر از سایر بخش‌ها خواهد بود. این نکته به وضوح نشان می‌دهد که تقسیم مساوی طول و حاصل‌ضرب‌های جریان در این حالت قابل اعمال نیست. مقدار بهینه (یک سوم مجموع کل طول‌ها و حاصل‌ضرب‌های جریان) برابر با ۲۳.۱۱ است، در حالی که حاصل‌ضرب محاسبه‌شده برای اولین بخش تقریباً دو برابر این مقدار است. با این حال، جدول ۳ پیشنهادی برای تقسیم شبکه به سه قسمت ارائه می‌کند. بر اساس این جدول، ایستگاه‌های اتصال متقاطع پیشنهادی S1 و S4 هستند. همچنین فرض بر این است که به دلایل ایمنی، پوشش‌ها در ایستگاه‌هایی که نقاط اتصال باز S3 و S8 وجود دارند، به هم متصل و زمین‌دار شده‌اند.

نتایج نهایی

جدول ۳. تحلیل محل‌های اتصال متقاطع برای شبکه واقعی باز

شکل ۱۰ به نمایش جریان‌های پوشش و ولتاژهای پوشش برای یک شبکه با اتصالات متقاطع (بر اساس روش اتصالات متقاطع جایگزین ذکر شده در جدول ۳) می‌پردازد. در این شکل، کاهش جریانی کوچک (حدود ۲ آمپر) در بخش اول (۰-۱) به چشم می‌خورد. هرچند این تغییر بزرگ محسوب نمی‌شود، اما شبکه مورد بررسی و بار فرض شده، فرصت‌های زیادی را در اختیار نمی‌گذارد. علاوه بر این، شاخه‌ای که از ایستگاه ۱ به ایستگاه ۲ به ایستگاه ۳ متصل است، نسبتاً کوتاه است و یک حلقه بسته اضافی را ایجاد می‌کند (پوشش‌ها در نقطه اتصال S3 به هم متصل و زمین‌دار شده‌اند). لذا، جریان‌های پوشش در بخش‌های ۰-۱-۲-۳ نمی‌توانند به طور مؤثر کاهش یابند. در عوض، کاهش جریان پوشش در قسمت‌های دیگری از شبکه مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، در مسیر از ایستگاه S1 به S8، جریان پوشش به حدود ۱ آمپر کاهش می‌یابد، که این تغییر منجر به کاهش تلفات انرژی در شبکه از ۲۹.۷ کیلووات ساعت به ۲۷.۳ کیلووات ساعت می‌شود، که معادل ۸ درصد است.

نتایج

مشاهدات حاکی از آن است که شبکه‌ی تحلیل‌شده بار کمی دارد. داده‌های اندازه‌گیری که این تحلیل بر اساس آن انجام شده، در تابستان جمع‌آوری شده‌اند — زمانی که تقاضای برق در لهستان به‌طور معمول از زمستان کمتر است. به همین دلیل، انتظار می‌رود که در یک شبکه با بار سنگین‌تر، کاهش انرژی بیشتری مشاهده شود. در واقع، بهترین نتایج بهینه‌سازی زمانی به دست می‌آید که پروفایل‌های بار سالیانه ایستگاه‌های فشار متوسط/فشار پایین (MV/LV) به‌خوبی شناخته شده باشند.

کاهش روزانه انرژی برای بخشی کوچک از شبکه‌ای که مورد تحلیل قرار گرفته، برابر با ۲.۴ کیلووات ساعت (kWh) است. این مقدار معادل طول کلی خطوط کابل به میزان ۳.۸۸ کیلومتر (km) می‌باشد. بنابراین، به‌طور میانگین، کاهش روزانه انرژی به ازای هر کیلومتر حدود ۰.۶ کیلووات ساعت به ازای هر کیلومتر (kWh/km) برآورد می‌شود. با ضرب این مقدار در طول کلی خطوط کابل متوسط یکی از اپراتورهای توزیع (DSO)، می‌توان تقریبی از صرفه‌جویی انرژی به‌دست آورد. برای یکی از اپراتورهای توزیع لهستان، که طول کلی خطوط کابل ولتاژ متوسط آن به ۱۳۰۰۰ کیلومتر می‌رسد، صرفه‌جویی روزانه انرژی می‌تواند به بیش از ۷ مگاوات ساعت (MWh) برسد.

ارزیابی ولتاژ شیت (sheath) نیز برای پروفایل‌های بار روزانه فرضی انجام شده است. ولتاژهای شیت که در شکل ۱۰ ارائه شده‌اند، در سطح ایمنی باقی می‌مانند و به‌طور قابل‌توجهی زیر حد ۸۰ ولت (V) قرار دارند.

نتیجه‌گیری‌ها

روش اتصال متقاطع به‌عنوان یک جایگزین جذاب برای شبکه‌های موجود شناخته می‌شود. این روش به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای به کاهش تلفات انرژی در شبکه کمک می‌کند. از منظر هزینه، این راه‌حل نیز اقتصادی است، چرا که اتصال متقاطع شیت‌ها می‌تواند مستقیماً در محل انتهای خطوط کابل در ساختمان ایستگاه انجام شود، بدون اینکه نیازی به حفاری کابل و نصب مفصل‌ها و جعبه‌های لینک اضافی باشد.

موثر بودن کاهش تلفات انرژی همچنین به آرایش شبکه و بار آن وابسته است. هرچه خطوط کابل بار بیشتری داشته باشند، انتظار می‌رود که کاهش تلفات بیشتری نیز حاصل شود. در موارد پیچیده‌تر برای بهینه‌سازی، شبکه‌های حلقه باز با شاخه‌های کوتاه وجود دارند که اتصال و زمین‌کردن شیت‌ها در آخرین ایستگاه در شاخه، حلقه‌های بسته شیت را ایجاد می‌کند و در این حالت، کاهش جریان‌ها ممکن است غیرممکن باشد. با این حال، استفاده از روش پیشنهادی می‌تواند تلفات را محدود کند.

بهترین نتایج در کاهش تلفات انرژی برای خطوط کابل یک‌مسیره (بدون شاخه) مشاهده شده است، جایی که شیت‌ها تنها در دو نقطه، در ابتدای و انتهای خط، متصل و زمین شده‌اند.

تصمیم برای به‌کارگیری اتصال متقاطع شیت در شبکه، می‌بایست با تحلیل دقیق شبکه و بر اساس اطلاعات دقیق آرایش شبکه و پروفایل‌های بار انجام شود. پروفایل‌های بار به‌خصوص برای اطمینان از دقت تحلیل و ارزیابی سودآوری راه‌حل اهمیت زیادی دارند. صرفه‌جویی‌های انرژی برای یکی از اپراتورهای توزیع لهستان تقریباً می‌تواند به ۷ مگاوات ساعت (MWh) روزانه برسد که معادل صرفه‌جویی حدود ۲.۵ گیگاوات ساعت (GWh) سالیانه است.

مراجع

1. Popovic L M. Practical Methods for Analysis and Design of HV Installation Grounding Systems. Elsevier; 2018. doi:10.1016/C2017-0-01221-1.
2. Andruszkiewicz J, Lorenc J, Łowczowski K, Weychan A, Zawodniak J. Energy losses’ reduction in metallic screens of MV cable power lines and busbar bridges composed of single-core cables. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2019; 22:15–25. doi:10.17531/ein.2020.1.3.
3. Sobral A, Moura Â, Carvalho M. Technical Implementation of Cross Bonding on Underground High Voltage Lines Projects. 21st International Conference on Electricity Distribution, vol. 21, p. 6–9. Frankfurt 2011.
4. Dobrzynski K, Lubosny Z, Klucznik J, Noske S, Grala J. Cross- Bonding of MV Cable Lines for Energy Losses Decrease. Acta Energetica 2019 2/39. doi:10.12736/issn.2330-3022.2019204.
5. Li L, Yong J, Xu W. Single-Sheath Bonding—A New Method to Bond/Ground Cable Sheaths. IEEE Transactions on Power Delivery 2020;35:1065–8. doi:10.1109/TPWRD.2019.2929691.
6. CIGRE Working group B1.18. Special bonding of high voltage power cables. 2005.
7. IEEE Guide for Bonding Shields and Sheaths of Single-Conductor Power Cables Rated 5 kV through 500 kV. 2014. doi:10.1109/IEEESTD.2014.6905681.
8. Kehl L, Meier R, Quaggia D. Cross-bonding for MV cable systems: advantages and impact on accessories design. 25th International Conference on Electricity Distribution, Madrid 2019, p. 3–6.
9. Jakubowski J, Pasniewski M, Kibler M. Cross-Bonding in Middle Voltage Distribution Grids, as a Method of Energy Efficiency Improvement. 21-st International Conference on Electricity Distribution, Budapest 2011.
10. Gouramanis K V., Stasinos K, Papagiannis G K, Kaloudas C G, Papadopoulos T A. Methodology for the selection of long-medium-voltage power cable configurations. IET Generation, Transmission & Distribution 2013;7:526–36. doi:10.1049/iet-gtd.2012.0165.
11. Prévé C. Protection of Electrical Networks. London, UK: ISTE; 2006. doi:10.1002/9780470612224.
12. Bayliss C, Hardy B. Transmission and Distribution Electrical Engineering. Elsevier Ltd; 2007. doi:10.1016/B978-0-7506-6673-2.X5000-9.
13. EN 50522:2010 Earthing of power installations exceeding 1 kV A.C.
14. PowerFactory Technical Reference Documentation – Cable System. DIgSILENT 2021.

نویسنده: dr hab. inż. Jacek Klucznik، دانشگاه فنی گدانسک، دانشکده مهندسی برق و اتوماسیون، خیابان گ. نارتوویچا ۱۱/۱۲، ۸۰-۲۳۳ گدانسک، ایمیل: jacek.klucznik@pg.edu.pl;

منبع و شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۹۹ NR ۲/۲۰۲۳. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۳.۰۲.۱۰

منتشرشده توسط PQBlog

مهندس الکترونیک

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

هدف از اتصال متقاطع چیست؟

برای کاهش تلفات توان و بهبود کیفیت توان در سیستم‌های الکتریکی.

چگونه می‌توان تلفات توان را کاهش داد؟

با استفاده از روش‌های نوین از جمله اتصال متقاطع و طراحی بهینه شبکه.

اتصال متقاطع در کجا بیشتر استفاده می‌شود؟

در کابل‌های زیرزمینی ولتاژ بالا و فوق‌العاده بالا.

منبع: powerquality.blog