چگونگی انتقال برق از نیروگاه ها به مصرف کنندگان

چگونگی انتقال برق از نیروگاه ها به مصرف کنندگان

یکی از مهم ترین مزایای انرژی الکتریکی ، سهولت در نقل و انتقال و توزیع این انرژی بسیار ارزشمند در مسافت های طولانی است که آن را در مقایسه با سایر صور انرژی، سهل الوصول تر جلوه می دهد و احتمالا به پرمصرف ترین شکل انرژی تبدیل می نماید.

نگاهی به تاریخچه انتقال انرژی الکتریکی

در سال های ابتدایی استفاده از انرژی الکتریکی ، فرایند انتقال توان الکتریکی با ولتاژ مصرف کنندگان صورت می گرفت که این مساله به دلیل استفاده از توان الکتریکی به صورت DC بود و با توجه به این که انواع مختلف دستگاه های مصرف کننده مثل موتورهای الکتریکی یا لامپ ها با ولتاژهای متفاوتی کار می کردند، نیاز به این بود که برای هر کدام از این مصرف کننده ها ژنراتور جداگانه ای مورد استفاده قرار گیرد و براساس همین مشکل، طراحی و بهره گیری از یک شبکه سراسری انتقال و توزیع برق، امکان پذیر نبود.

اولین موتور القایی جریان متناوب (AC)

در سال 1888، نیکولا تسلا مخترع و مهندس صرب تبار امریکایی، مقاله ای با عنوان «سیستم جدید موتورها و ترانسفورماتورهای متناوب» ارائه کرد و در نهایت با مجوز شرکت وستینگهاوس، اولین موتور القایی جریان متناوب (AC) را تولید نمود. در واقع استفاده از ترانسفورماتورها به عنوان یک مبدل، اتصال مولدهای جریان برق را به خطوط انتقال ولتاژ بالا و در نهایت امکان متصل شدن خطوط انتقال ولتاژ بالا به شبکه های توزیع محلی برق را میسر نمود. در واقع با این روش، امکان ایجاد یک شبکه بزرگ سراسری برای انتقال و توزیع انرژی الکتریکی فراهم گردید. در این روش، استفاده از نیروگاه های بزرگی که انتقال توان الکتریکی به مناطق گسترده ای را پوشش می دادند باعث کاهش هزینه ها و قیمت تمام شده تولید انرژی الکتریکی و افزایش ثبات تولید برق و کاهش یافتن هزینه های سرمایه گذاری در این فرایند شد که از هر لحاظ مزایای چشمگیری را فراهم می کرد.

انتقال و توزیع انرژی الکتریکی

در واقع ساختار شبکه های الکتریکی بر مبنای سه گروه از فعالیت ها شکل می گیرد:

• تولید (Generation)
• انتقال (Transmission)
• توزیع (Distribution)

به پروسه و فرآیند جابجایی توان الکتریکی، انتقال انرژی الکتریکی گفته می شود که در این فرایند، پس از تولید انرژی الکتریکی از مبدا، انتقال نیروی برق از نیروگاه یا مرکز مولد انرژی الکتریکی به پست های توزیع برق در نزدیکی شهرها انجام می گیرد. مرحله بعدی یعنی توزیع، فرایند رساندن انرژی الکتریکی به مصرف کنندگان است. انتقال انرژی الکتریکی به خاطر مزایایی همچون سهولت انتقال و عدم نیاز به تحمل هزینه های حمل انرژی که در مورد سایر انرژی ها و سوخت ها باید اعمال شود و همچنین آلودگی بسیار کمتر این شکل انرژی در مقایسه با سایر شکل های انرژی و سوخت، آن را به انرژی ارزشمند و در دسترسی تبدیل می کند، در عین حال انتقال بسیاری از منابع انرژی مثل آب پشت سدها و یا باد، عملا غیرممکن بوده و تنها انرژی قابل انتقال، در مقایسه با آنها، انرژی الکتریکی می باشد. در شبکه های سراسری انتقال و توزیع برق به دلیل محدودیت هایی که احداث نیروگاه ها و تولید برق در مناطق مختلف دارد، باید مساله بعد مسافت نیروگاه ها تا مصرف کننده ها به طریقی حل و فصل شود که همین مساله اهمیت خطوط انتقال انرژی الکتریکی را به وضوح نشان می دهد. در شبکه های انتقال و توزیع برق برای انتقال انرژی الکتریکی از نیروگاه ها تا مبادی شهری از خطوطی با سطح ولتاژ بالا استفاده می شود و روش انتقال برق به دلیل بالا بودن توان الکتریکی و زیاد بودن رشته سیم ها با استفاده از خطوط انتقال هوایی و دکل های برق است که در لینک ارائه شده به شرح و توضیح این روش پرداختیم.

علت افزایش ولتاژ در خطوط انتقال

در فرایند انتقال انرژی الکتریکی ، بخشی از این انرژی تبدیل به حرارت می شود که به آن «تلفات انرژی در شبکه» می گویند. برای کاهش تلفات انرژی در شبکه، ولتاژ شبکه های انتقال انرژی توسط ترانسفورماتور افزاینده، زیاد می شود و در انتهای شبکه، توسط ترانسفورماتور یا مبدل کاهنده، کاهش می یابد تا به میزان مناسب برای مصرف کننده برسد. هرچه ولتاژ بالاتر باشد جریان متناوب کمتر خواهد بود که این مساله، باعث کاهش اندازه کابل موردنیاز برای  انتقال و در نتیجه کاهش مقدار تلفات انرژی در شبکه می شود.

این یک قاعده کلی است که اگر ولتاژ دو برابر شود، انرژی قابل انتقال، بدون افزایش تلفات در شبکه، چهاربرابر می شود. بنابراین برای افزایش بازده انتقال، نیاز به افزایش ولتاژ توسط مبدل های افزاینده وجود دارد.

بالا بودن مقدار توان الکتریکی در این فرایند، باعث می شود که ترانسفورماتورها در ولتاژهای بالایی در حد 110 کیلوولت یا بیشتر کار کنند که این سطح از انرژی الکتریکی توسط خطوط انتقال هوایی منتقل می شود. برای توزیع انرژی الکتریکی در مناطق مسکونی نیز از خطوط انتقال زمینی استفاده می شود که در لینک ارائه شده دلایل بهره گیری از این روش در مناطق مسکونی شرح داده شد. استفاده از ولتاژهای کمتر از 110 کیلوولت مانند 33 یا 66 کیلوولت به ندرت و بیشتر برای تغذیه بارهای روشنایی در مسافت های طولانی انجام می گیرد. ولتاژ های پایین تر از 33 کیلوولت نیز معمولا برای توزیع انرژی الکتریکی در مناطق شهری استفاده می شوند.

توان ورودی شبکه انتقال

در نیروگاه‌های مولد جریان برق، توان الکتریکی با ولتاژ نسبتا پایین (حداکثر 30 کیلوولت) تولید می شود و به  وسیله مبدل ها یا ترانسفورماتورهای افزاینده، براساس بعد مسافت تا ولتاژی در حدود 115 تا 765 کیلوولت (در ایران معمولا مقدار این ولتاژ 400 کیلوولت است) افزایش می یابد تا انتقال انرژی در مسیرهای طولانی امکان پذیر شود.

توان خروجی شبکه انتقال

در نزدیکی مناطق مسکونی و مراکز تجمع جمعیت، برای ایجاد ایمنی و همچنین با توجه به توان مورد نیاز مصرف کنندگان، ولتاژ کاهش می یابد. ترتیب مراحل کاهش دادن این ولتاژ در شبکه های توزیع برق ایران معمولا به این صورت است: 400/230 کیلوولت، 230/132 کیلوولت، 132/63 کیلوولت و 63/20 کیلوولت در نهایت و در نقطه توزیع نهایی برق، ترانسفورماتورهای کاهنده، مقدار ولتاژ را از 20 کیلوولت تا حد برق مصرفی (400/231 ولت) کاهش می دهند.

در کشورهای دیگر، ولتاژ مصرف کننده ها بین 100 تا 600 ولت می باشد.

شبکه های توزیع انرژی الکتریکی، نقطه تلاقی با مصرف کنندگان انرژی الکتریکی و مشترکین برق است که اشکالات این شبکه ها باعث می شود از دید مشترکین، به منزله مشکلات کل صنعت برق تلقی شود. این مشکلات اغلب به دلیل افزایش روز افزون مشترکین، عقب ماندگی تکنولوژیک در صنعت برق و عدم مدیریت و پیش بینی این روند روز افزون، دامنگیر سیستم توزیع انرژی الکتریکی می شوند که قطعا با مدیریت صحیح و پیش بینی روند پیش رو قابل حل هستند.