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:
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:
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.
جدول ۱: طول عایق مورد نیاز برای سطح ولتاژ ۳۰۰ کیلوولت DC تحت سناریوهای مختلف آلودگی.
طول عایق مورد نیاز در سطح ولتاژ ۳۰۰ کیلوولت DC | سطح ۲% ESDD | |
کامپوزیت | شیشه | میلیگرم / سانتیمتر مربع |
۶/۲ متر | ۱/۳ متر | ۰۲/۰ |
۴/۳ متر | ۲/۴ متر | ۰۶/۰ |
۹/۳ متر | ۹/۲ متر | ۱/۰ |
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.
حداکثر ظرفیت انتقال توان DC در ۲۰ درجهی سانتیگراد | حداکثر جریان نامی DC در ۲۰ درجهی سانتیگراد | حداکثر دمای هادی | حداکثر فرونشستن هادی درطول ۳۳۰ متر | طول عایق مورد نیاز | سطح ۲% ESDD | |||||
مگاوات | آمپر | درجه ساتیگراد | متر | متر | میلیگرم / سانتیمتر مربع | |||||
کامپوزیت | شیشه | کامپوزیت | شیشه | کامپوزیت | شیشه | کامپوزیت | شیشه | کامپوزیت | شیشه | |
۱۵۷۳ | ۱۳۵۳ | ۲۶۲۲ | ۲۲۵۵ | +۸۴ | +۶۹ | ۱/۱۱ | ۶/۱۰ | ۶/۲ | ۱/۳ | ۰۲/۰ |
۱۱۸۳ | ۵۹۹ | ۱۹۷۲ | ۹۹۸ | +۵۹ | +۳۴ | ۲/۱۰ | ۴/۹ | ۴/۳ | ۲/۴ | ۰۶/۰ |
۸۷۶ | – | ۱۴۵۴ | – | +۴۴ | +۱۵ | ۸/۹ | ۸/۸ | ۹/۳ | ۹/۴ | ۱/۰ |
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.