گسترش مداوم توان تولیدی از باد، باعث ایجاد تقاضای رو به رشد بر ظرفیت پویایی سیستم­های انتقال می­شود، از این رو، تأسیسات به طور دقیق نظارت می­کنند که چگونه می­توان خطوط موجود سیستم را به طور موثر تر مورد استفاده قرار دهند. در این راستا، یک روش جذاب برای افزایش ظرفیت انتقال توان خط موجود، تبدیل آن از AC به DC است. به عنوان مثال، یک مطالعه امکان سنجی ارائه شده در Cigre Session در سال ۲۰۰۸ در پاریس نشان داد که ظرفیت انتقال حرارتی خطوط ۳۰۰ کیلوولت در نروژ می­تواند از ۷۰ به ۸۰ درصد با تبدیل به DC افزایش یابد. محاسبات برای این واقعیت که بسیاری از خطوط AC نمی­توانند در محدودیت حرارتی خود (به دلیل محدودیت های پایداری) کار کنند، این افزایش ظرفیت نسبی حتی ممکن است بیشتر نیز شود.

این مقاله INMR از سال ۲۰۱۰، توسط J. Lundquist و I. Gutman در سوئد و K. Halsan از Statnett در نروژ، تعدادی از این جنبه­ها را مورد بحث قرارند.

جنبه های عایق مرتبط با تبدیل AC به DC عبارتند از:

• عایق­های خطی
• عملکرد در شرایط صاعقه و
• ترخیص ایمن

هنگام تبدیل خط، ضروری است که از فاصله عمودی بین بازوی برج و زمین به طور موثر و بدون آسیب رساندن به قابلیت اطمینان یا امنیت استفاده کنید. این فاصله عمودی از سه جزء تشکیل شده است: طول عایق، شکم هادی و فاصله ایمنی هادی تا زمین (شکل ۱ را ببینید). بنابراین، هر سه مورد به شدت با ظرفیت خط انتقال توان ارتباط دارند.

شکل ۱: استفاده از فاصله عمودی بین بازوی برج و زمین.

طول عایق به ولتاژ خط بستگی دارد، در حالیکه شکم هادی به نرخ جریان خود بستگی دارد. شکم هادی بزرگتر اجازه می دهد تا دمای هادی و نرخ جریان نیز بالاتر باشد. پایش ایمنی به زمین توسط کد­های ایمن محلی و در برخی موارد استانداردهای بین المللی تعیین می­شود. ترخیص مورد نیاز به طور مستقیم به سطح ولتاژ یا به طور غیر مستقیم وابسته به طول عایق می­باشد.

واضح است که عایق های طولانی­تر، ولتاژ بالاتر را فراهم می­کنند، اما فضای کمتری را برای شکم گرفتن هادی ایجاد می­کنند، بنابراین چنین موضوعی باعث کاهش نرخ جریان نیز می­شود. برای به حداکثر رساندن ظرفیت توان یک خط تبدیل شده از AC به DC، لازم است تعادل مطلوب و بهینه بین ولتاژ و نرخ جریان را پیدا کنید. از لحاظ اقتصادی، برای بهترین ترکیب ممکن است ولتاژ بالاتر و نرخ جریان پایین­تر را انتخاب کنید تا این که تلفات توان به حداقل برسد.

در این فرآیند بهینه سازی، طول عایق مورد نیاز یک پارامتر مهم است. اگر برای مقادیر مشابه ولتاژ، مقره­های کوتاه­تر ­بتواند استفاده شود، این اجازه می­دهد تا شکم هادی با نرخ ترخیص به زمین ایمن بیشتر شود. علاوه بر این، اگر ترخیص ایمن مورد نیاز متناسب با طول عایق باشد، عایق­های کوتاه­تر، فضای بیشتری را برای شکم گرفتن هادی فراهم می­کنند.

عایق­های خطوط تبدیل شده

به خوبی شناخته شده است که می­توان از کلاهک و پین عایق برای کاربرد AC به دلیل مسائل مربوط به خوردگی استفاده نکرد. در حالی که مقره­های چینی که به شکل میله­های طولانی باشند در این مورد کمتر مشکل ساز هستند. انتخاب های معمول برای خطوط DC امروزه یا مقره­های شیشه­ای هستند و یا عایق­های کامپوزیتی.

عملکرد آلودگی نسبی عایق­های چینی و کامپوزیتی برای کاربرد DC با استفاده از روش لایه­های جامد و بدون بهبود در خاصیت هیدروفوبیکی پیش از شرایط­ یابی در عایق­های نوع کامپوزیتی به دست آمد. سپس یافته ها به شرایط آلودگی مختلفی که بر کشور نروژ با استفاده از یک رویکرد اندازه­گیری آماری تأثیر گذاشت، اعمال گشت:

• عملکرد آلودگی به واسطه ۵۰٪ ولتاژ تخلیه­ی الکتریکی به ازای هر واحد از طول عایق به عنوان عملکرد سطح آلودگی (SDD) در آزمون بیان شده است.
• عملکرد آلودگی عایق­ها سپس با توصیف آماری از شدت­های آلودگی مختلف با توجه به سطح ۲%ESDD ترکیب شده است.

پس از آن، طول عایق مورد نیاز با استفاده از یک روش اندازه­گیری آماری توسعه یافته در STRI و با فرض های زیر تعیین شود:

سطح­های ۲% ESDD با میزان­های ۰۲/۰ میلیگرم بر سانتیمتر مربع، ۰۶/۰ میلیگرم بر سانتیمتر مربع و ۱۰/۰ میلیگرم بر سانتیمتر مربع، به ترتیب با سطوح کم، متوسط و زیاد با محدوده­ی سختی آلودگی متوسط با درنظر گرفتن استاندارد نسخه­ی اصلاح شده­ی IEC 60815-1 انتخاب شدند.

• نرخ تخلیه­ی الکتریکی به دلیل آلودگی قابل قبول به میزان ۱/۰ درصد در سال برای یک خط با طول ۱۰۰ کیلومتر در نظر گرفته شده است که ۱۰ حادثه­ی آلودگی در سال را شامل می شود.

جدول ۱: طول عایق مورد نیاز برای سطح ولتاژ ۳۰۰ کیلوولت DC تحت سناریوهای مختلف آلودگی.

برای نشان دادن تأثیر سطح آلودگی و طول عایق بر روی ظرفیت انتقال توان، فرض بر این بود که یک خط انتقال با هادی دو مداره ۳۰۰ کیلوولتی، به دو قطبی ۳۰۰ کیلوولت DC تبدیل می شود تا منطبق با محدودیت های کرونا و اثر میدان باشد. در خط تبدیل شده (که در شکل ۲ نشان داده شده است) فاز مرکزی زمانی که یک قطب خارج از عملکرد است، به عنوان یک بازگشت فلزی به کار می­رود.

برای سه سطح آلودگی، طول مورد نیاز عایق شیشه ای و کامپوزیتی بر اساس نتایج آزمایش محاسبه شد. در این مورد، ترخیص ایمن به زمین در یک مقدار ثابت ۸ متر، مستقل از طول عایق فرض شد.

حداکثر شکم رسانای مجاز برای طول خط معمول بین برج ۳۳۰ متری تعیین شد. حداکثر دمای هادی مربوط به محاسبه حداکثر نرخ جریان DC برای دمای محیط +۲۰ درجه سانتیگراد بود. در نهایت، حداکثر ظرفیت انتقال توان DC در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد برای یک ولتاژ با سطح DC 300 کیلوولت، تعیین شد.

از جدول ۲، واضح است که عایق کامپوزیت فضای بیشتری برای شکم هادی نیاز دارد ولی ظرفیت انتقال توان در مقایسه با عایق شیشه­ای بیشتر است.

شکل ۲: خط ۳۰۰ کیلوولت AC تبدیل شده به ± ۳۰۰ کیلوولت DC.جدول ۲: حداکثر ظرفیت انتقال توان DC در سطح ولتاژ ± ۳۰۰ کیلوولت به عنوان عملکرد طول عایق در سطوح مختلف آلودگی.

عملکرد در شرایط صاعقه­ی خطوط تبدیل شده

قابلیت اطمینان عملیاتی در هنگام تبدیل از AC به DC تحت تاثیر نه تنها عملکرد آلودگی عایق، بلکه از لحاظ عملکرد در شرایط رعد و برق خط قرار می­گیرد. (اضافه ولتاژ ناشی از کلیدزنی، دگر پس از تبدیل شدن حائز اهمیت نمی­باشد).

تأثیر اولیه بر نرخ شکست در برابر رعد و برق از تغییر در طول عایق حاصل می­شود، که پس از آن خطر تخلیه الکتریکی معکوس در بین عایق ها را تحت تاثیر قرار می دهد. تأثیرات دیگر بر عملکرد در برابر صاعقه از طریق تبدیل از AC به DC ایجاد می شود. به عنوان مثال، بیشتر پالس­های رعد و برق به محافظ سیم ها و نوک برج های انتقال برخورد کرده و باعث ایجاد ولتاژ منفی در برج (از آنجا که اکثریت پالس­های صاعقه از قطب منفی هستند) می­شود. این بدان معنی است که بالاترین اضافه ولتاژ تمایل دارد که در قطب مثبت DC عایق رخ دهد، به همین دلیل اضافه ولتاژ آماری بر عایق­های تبدیل شده به DC بالاتر از اضافه ولتاژ در شرایطAC است.

یکی دیگر از اثرات منفی، ناشی از پالس صاعقه به قطب هادی ها می­باشد، که به همین ترتیب موجب افزایش اندازه ولتاژ در عایق­های روی قطب منفی DC می­شود. در نتیجه، نرخ تخلیه الکتریکی معکوس بر روی قطب مثبت و نرخ شکست محافظ در قطب منفی پس از تبدیل، کمی افزایش می­یابد (فرض می­شود از طول عایق یکسان استفاده می­شود).

با این حال، همانگونه که قبلا نشان داده شده است، طول عایق DC را باید با توجه به شرایط آلودگی انتخاب کرد. اثر طول عایق بر میزان نرخ شکست در برابر رعد و برق از یک خط قبل و بعد از تبدیل با استفاده از برنامه­ی تخمینگر خط (LPE)، که هر دو نوع خطوط AC و همچنین خطوط تبدیل شده به DC را دربر می­گیرد، محاسبه شد.

با استفاده از تراکم تخلیه الکتریکی به زمین ۵/۰ در هر کیلومتر مربع، مقاومت پای برج میانگین ۱۰۰ Ω، مقاومت خاک ۱۰۰۰ Ωm و اجازه یونیزاسیون خاک، میزان و نرخ شکست خط در برابر رعد و برق برای خط AC موجود و همچنین برای خط تبدیل شده­ی مجهز به عایق­های کامپوزیتی DC محاسبه شد. نتایج برای طیف وسیعی از طول­های عایقی مختلف تحت سناریو­های مختلف آلودگی در شکل ۳ نشان داده شده است.

در شکل ۳ دیده می­شود که عملکرد رعد و برق بر روی خط تبدیل شده­ی تحت آلودگی شدید بسیار بهتر از خط اصلی AC است. در نتیجه، نیاز به کاهش طول عایق وجود دارد و این عمل منجر به عملکرد غیر قابل قبول در شرایط صاعقه نمی­شود. با این حال، پس از آن نیاز به عایق­های کارآمد تر DC از نظر عملکرد آلودگی در واحد طول می­باشد.

شکل ۳: نرخ شکست در شرایط رعد و برق با توجه به طول عایق کامپوزیتی برای خط AC موجود و برای خط DC تبدیل شده در سناریوهایی با میزان مختلف آلودگی.

نتیجه­گیری

عایق­های کامپوزیتی تبدیل را از AC به DC جذاب تر می­کند، زیرا اجازه می دهد که فاصله عمودی بین خطوط روی بازوهای برج و زمین بر روی خط موجود بهتر مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، در سطوح آلودگی بالاتر، عایق ها ممکن است بلندتر از آنچه که واقعا از یک نقطه نظر عملکرد در شرایط صاعقه و رعد و برق مورد نیاز است، باشد. بنابراین تبدیل خطوط انتقال AC به DC به این ترتیب از کامپوزیت DC طراحی شده برای کارآیی عایقی بسیار بالا در شرایط آلوده بهره می­برد.