شبکه های توزیع

تاریخچه

در سال‌های آغازین استفاده از انرژی الکتریکی, ژنراتورهای جریان مستقیم "DC" با همان ولتاژ تولیدی به مصرف کننده‌ها متصل شده بودند و به این صورت تولید و انتقال برق با یک ولتاژ انجام می‌گرفت, چراکه هیچ راهی برای تغییر ولتاژ "DC" به جز تغییر ژنراتورها وجود نداشت. از آنجایی که لامپهای التهابی آن زمان تنها در ولتاژ ۱۰۰ ولت قابل استفاده بوده‌اند تنها راه ممکن تولید برق با این ولتاژ بود. همچنین در ولتاژ پایین نیاز به عایق‌کاری زیاد برای حفظ ایمنی نبود و به این صورت اولید و انتقال با ولتاژ 100 ولت صورت می‌گرفت که موجب به وجود آمدن تلفات قابل توجه در طول خطوط می‌شد.از همان ابتدا استفاده از مس به عنوان یک هادی بسیار معمول بود و این به دلیل هدایت الکتریکی و قیمت نسبتاً مناسب مس (امروزه با بالا رفتن قیمت مس از صرفه اقتصادی این فلز کاسته شده) نسبت به دیگر فلزات است. برای کاهش دادن جریان و در نتیجه کاهش میزان مصرف مس باید از ولتاژهای بالاتر در طول خطوط استفاده کرد. اما همانطور که گفته شد, هیچ روش قابل استفاده‌‌ای برای تغییر ولتاژ DC موجود در آن زمان وجود نداشت, بنابراین سیستم DC ادیسون به کابل‌های ضخیم و ژنراتورهای محلی نیاز داشت. فاصله آخرین مصرف کننده حداکثر باید 1.5 مایل از محل تولید می‌بود تا نیازی به استفاده از هادی‌های با سطح مقطع بسیار بالا نباشد.

ابداع جریان AC

پذیرش جریان الکتریکی متناوب "AC" با تغییرات بنیادی در زمینه برق همراه شد, چراکه ترانسفورماتورهای الکتریکی می‌توانستند ولتاژ را تغییر دهند و این, امکان افزایش طول خطوط انتقال فراهم را می‌کرد. با افزایش ولتاژ در طول خطوط, جریان الکتریکی کاهش یافته و بدین صورت, نیاز به استفاده از کابل‌های با سطح مقطع بالا و مولدهای محلی بر طرف می‌‌شد و در این صورت همچنین امکان تولید انرژی الکتریکی در فواصل دوراز مصرف کننده‌ها نیز فراهم می‌شد.در آمریکای شمالی سیستم‌های توزیع اولیه از ولتاژ ۲۲۰۰ ولت و از سیستم ستاره با سیم نول (corner grounded delta) استفاده می‌کردند. با گذشت زمان این ولتاژ رفته رفته افزایش یافت و به۲۴۰۰ ولت رسید. با گسترش شهرها سیستم ولتاژ به ۴۱۶۰/۲۴۰۰ ولت سه فاز ارتقا یافت. گرچه بعضی از شهرها و شهرک‌ها به استفاده از این ولتاژ ادامه دادند, اما بیشتر شهرها ولتاژ را به تدریج و در مراحلY7200/12470, Y7620/13200, Y14400/24940 و در نهایت Y19920/34500 افزایش دادند.در انگلستان و اروپا در گذشته استفاده از سیستم ولتاژ ۳۳۰۰ ولت رایج بوده. با گذشت زمان در انگلستان ولتاژ ابتدا به ۶٫۶kVو سپس به ۱۱kV افزایش یافت.سیستم‌های توزیع نیز در اروپا و آمریکای شمالی کاملاً متفاوت است. در آمریکای شمالی استفاده از تعداد زیادی ترانسفورماتور توزیع و در فواصل کم با مصرف کننده‌ها رایج‌ تر است. برای مثال در ایالات متحده از یک ترانسفورماتور توزیع «pole-mounted» برای تغذیه ۱ تا ۳ خانه استفاده می‌شود, در حالی که در انگلستان ترانسفورماتورهای توزیع توانی بین ۳۱۵ تا ۱۰۰۰ کیلوولت‌امپر دارند و کل یک محله را تغذیه می‌کنند. این به دلیل استفاده از ولتاژ بالاتر در اروپاست (۴۱۵ ولت به جای ۲۳۰ ولت). چراکه با این ولتاژ امکان انتقال توان الکتریکی با تلفات قابل قبول در مسافت‌های طولانی‌تری وجود دارد. ویژگی سیستم آمریکایی این است که در صورت بروز عیب در ترانسفورماتور فقط تعداد کمی از مصرف کننده‌ها از مدار خارج می‌شوند و ویژگی سیستم انگلیسی در متمرکزتر بودن تراسفورماتورهاست بدین صورت تراسفورماتورها کمتر و بزرگ‌تر هستند و با راندمان بالاتری کار می‌کنند و این تلفات انرژی را کاهش می‌دهد.

توزیع و انواع شبکه ها

 شبکه‌‌های توزیع معمولاً به دو صورت دسته‌‌بندی می‌‌شوند:

1. شعاعی (Radial)
2. اتصال یافته (Interconnected)

شبکه شعاعی

در شبکه شعاعی خطوط توزیع پس از جدا شدن از پست توزیع به منبع دیگری متصل نمی‌‌شوند. از این روش معمولاً در شبکه‌‌های روستایی با مصرف کننده‌‌های دور افتاده استفاده می‌‌شود.

شبکه های اتصال یافنه

 از شبکه‌‌های اتصال یافته معمولاً در شهرها استفاده می‌‌شود. در این شبکه مسیرهای توزیع دارای دو یا چند اتصال به مسیرهای دیگر هستند بنابراین مصرف کننده‌‌ها چندین مسیر برای اتصال به منبع دارند.نقاط اتصال در شبکه اتصال یافته معمولاً باز هستند. اعمال دستور بسته یا باز شدن اتصال‌‌ها معمولاً به وسیله «دیسپاچینگ» صورت می‌‌گیرد. کارایی این اتصال‌‌ها معمولاً در مواقع بروز مشکل در خط مشخص می‌‌شود. در صورتی که قسمتی از خط به علت خرابی غیر قابل استفاده باشد به وسیله وصل و قطع تعدادی از اتصال‌‌ها می‌‌توان قسمت معیوب را از بقیه قسمت‌‌ها جدا کرده و دیگر قسمت‌‌ها را تغذیه نمود. هر یک از خطوط جدا شده از پست توزیع دارای کلید مدار‌‌شکن (دژنکتور) برای قطع مدار در موقع بروز اشکال هستند.

انواع خطوط

ممکن است در داخل هر شبکه انواع مختلفی از خطوط مثل خطوط هوایی یا کابلی وجود داشته باشد. البته استفاده از خطوط کابلی در کشورهای پیشرفته درحال افزایش است چراکه در این خطوط کابل‌‌ها در مسیر دیده نمی‌‌شوند و این کمک شایانی به افزایش معیارهای زیبایی به ویژه در شهرهای بزرگ با شبکه‌‌های توزیع درهم پیچیده می‌‌کند. اما با این حال قیمت تمام شده برای ایجاد خطوط کابلی به مقدار قابل توجهی از خطوط هوایی بیشتر است, تکنولوژی احداث آنها بالاست و همچنین این خطوط از نظر قیمت و راحتی تعمیر و نگهداری نیز با خطوط هوایی قابل مقایسه نیستند و این بزرگ‌ترین مانع برای گسترش این خطوط در کشورهای در حال توسعه‌است.

خصوصیات شبکه

خصوصیات برق تحویلی به مصرف کننده‌‌ها به صورت یک تعهد از طرف تولیدکننده بوده وثابت است. برخی از خصوصیات شبکه عبارت‌اند از:

1. امروزه تمامی منابع و ژنراتورهای الکتریکی AC هستند.
2. مصرف کننده‌‌هایی که از انرژی الکتریکی به صورت DC و در مقادیر بالا استفاده می‌‌کنند مانند برخی از راه‌‌آهن‌های برقی, مراکز تلفن و یا بعضی صنایع مانند صنایع ذوب آلمینیوم باید از ژنراتورهای DC یا تجهیزات یکسوساز استفاده کنند.
3. ولتاژ تحویلی شامل تلرانس نیز می‌‌شود(معمولاً حدود ۱۰ درصد)
4. فرکانس معمول تولیدی ۵۰ یا ۶۰ هرتز است. در حالی که در بعضی خطوط راه‌‌آهن برقی از فرکانس۱۶-۲/۳ Hz و در بعضی از صنایع و معادن از ۲۵ Hz استفاده می‌‌شود.
5. پیکره‌‌بندی فازها, که شامل تک فاز و چند فاز (شامل دو یا سه فاز) می‌‌شود.
6. مصرف کننده‌‌ها نیز باید دارای خصوصیات خاصی در شبکه باشند به طوریکه انحراف از این خصوصیات برای تولید کننده زیانبار است بنابراین برای انحراف از برخی از این خصوصیات جریمه در نظر گرفته شده:
7. حداکثر بار, که با توجه میزان حداکثر مصرف در دوره‌‌ای مشخص تعیین می‌‌شود.
8. ضریب بهره خط انتقال (نسبت بار نامی به حداکثر بار در یک دوره زمانی), که نشان دهنده درجه بهروری از تجهیزات خط است(هرچه این ضریب به یک نزدیکتر باشد بهره‌‌وری تجهیزات خط بالاتر است).
9. ضریب توان بار اتصال یافته که نسبت توان اکتیو مصرف شده توسط بار به توان راکتیو آن است.
10. حداکثر جریان اتصال کوتاه
11. بیشترین میزان و فرکانس جریان لحظه‌‌ای