کابل های HVDC چیست ؟
هدف از اين مقاله آشنايي اوليه اي با سيستم هاي جريان مستقيم فشار قوی HVDC و کابل مورد استفاده در این سیستم ها است.
پس از معرفي مقدماتي اين سيستم و مزايا و معايب آن، کابل و عایق های متداول مورد استفاده , و تفاوت آن با ACHVDC تولید شده در دنیا معرفی شده است.
خطوط جریان مستقیم ولتاژ بالا HVDC , یک سیستم انتقال توان الکتریکی جریان DCHVDC ارزان تر و دارای تلفات کمتری باشند.
کابل های قدرت زیر آب , سیستم HVDC برخلاف سیستم های AC نیاز به جریان های زیاد جهت شارژ و دشارژ خازني در هر سيکل ندارند، اما در مسافت هاي کوتاه تر، هزینه بالا تر تجهیزات مورد استفاده در DC باعث می شود تا با وجود مزایای این خطوط , هنوز از سیستم های AC استفاده گردد.
یکی دیگر از مزایای سیستم های HVDC این است که انتقال توان , در سیستم های غیر سنکرون را نیز ممکن میسازد , همچنین از آنجا که اين سيستم ها از زاويه فاز بين منبع و مصرف کننده مستقل هستند مي تواند باعث تثبيت شبکه در مقابل اختلالات ناشي از تغييرات سريع ولتاژ گردد.
همچنين در سيستم هايي که داراي فرکانس های مختلف مانند 50 و 60 هرتز هستند نیز میتوان انتقال قدرت را بین آن ها توسط سیستم های HVDC انجام داد و این امر باعث بهبود پایداری شبکه و اقتصادی بودن آن می شود.
ولتاژ بالا در انتقال توان به دليل کاهش انرژي تلف شده در مقاومت سيم ، استفاده شده است , براي مقدار ثابت توان انتقالي ، دو برابر کردن ولتاژ يعني ارسال نيمي از جريان، و از آنجا که توان تلف شده در هادي، متناسب با توان دوم جريان عبوري از آن است و به ولتاژ بستگي ندارد، بنابراين دو برابر کردن ولتاژ يعني کاهش توان تلف شده به میزان 4 برابر , البته باید این نکته را نیز در نظر گرفت که با کاهش جريان، از مقاطع پايين تر استفاده مي شود و اين امر نيز خود باعث افزايش تلفات مي شود. اولين سيستم انتقال توان DC طویل به سال 1882 به میسباخ مونیخ برمیگردد که فقط 1/5 kw انتقال داده شد.
روش اولیه انتقال توان DC توسط مهندس سوئیسی رنه تور ارائه شد و در سال 1989 یک شرکت ایتالیایی آن را عملی کرد , در این سیستم برای افزایش ولتاژ از مجموعه های موتور-ژنراتور که به صورت سری قرار می گرفتند استفاده می شد.
شکل جدید انتقال HVDC با استفاده از فناوری گسترده از سال 1930 در سوئد و آلمان توسعه یافت.
از اولین سیستم های مورد استفاده میتوان در روسیه بین مسکو و کاشیرا در سال 1951 و بین گاتلند و سرزمین اصلی سوئد در سال 1954 نام برد.
بلند ترین خط HVDC در جهان , به طول 2071 کیلومتر , بین شانگهای و ژیانگ جیابا در جمهوری خلق چین با ولتاژ 800 kv و توان 6400 mw برقرار بود , اما طولانی ترین خط برنامه سال 2014-2013 به طول 2375 کیلومتر در برزیل برای اتصال پورتو ولو به سائو پائولو و شامل دو خط 600kv و 3150mw است.
مزایای کابل های HVDC
مهم ترین دلیل انتخاب HVDC نسبت به AC این است که برای انتقال مقادیر بالای توان الکتریکی در مسافت های طولانی نياز به هزينه سرمايه اي و تلفات کمتر است. با توجه به اينکه هزينه تجهیزات تبدیل HVDC قابل ملاحظه است , به دلیل کاهش هزينه هاي ناشي ازخط انتقال در مسيرهاي طولاني، هزينه ها به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابند.
خطوط HVDC به دلیل عدم نیاز به سه فاز نسبت به AC , نیاز به هادی کمتری دارد , از سویی به دلیل عدم وجود اثر پوستی در سیستم های HVDC می توان از هادی با قطر پایین تر استفاده کرد , این عوامل می تواند باعث کاهش زیادی در هزینه های یک طرح HVDC با مسیر طولانی شود.
در خطوط HVDC , بسته به سطح ولتاژ و جزئیات ساختار آن , تلفات خط انتقال در حدود 3/5 درصد در هر 1000 کیلومتر است , که این تلفات ز یک سیستم انتقال AC کمتر است.
سیستم های HVDC ممکن است به دلیل مزایای فنی دیگری نیز مورد استفاده قرار گيرند. از جمله، به وسيله اين خطوط مي توان انتقال توان را به صورت خودکار در شرايط گذرا بين دو سيستم جدا از هم کنترل کرد، بدون اينکه اختلالات در يکي، بر روي ديگري تأثير بگذارد.
معایب های کابل های HVDC
معایب HVDC در تبدیل , سوئیچینگ , کنترل , در دسترس بودن و نگهداری است , سیستم های HVDC به دلیل تجهیزات اضافی مورد نیاز نسبت به سیستم های AC کمتر در دسترس هستند.
ایستگاه های تبدیل ولتاژ AC به DC و بلعکس , گران هستند و گاه ممکن است براي مسيرهاي کوتاه به دليل تجهيزات اضافي مورد نیاز , تلفات در آن ها از کل تلفات در یک خط انتقال AC بیشتر شود.
اجرای طرح HVDC نیاز به نگهداری قطعات یدکی بسیاری دارد که اغلب به صورت انحصاري جهت يك سيستم مورد نياز است , همچنین در این سیستم ها فناوری نسبت به AC سریع تر تغيير مي کند و اين سيستم ها کمتر استاندارد شده اند. در مقايسه با سیستم های AC , سیستم های چند ترمیناله دارای پیچیدگی بیشتری هستند.
ساخت کلید های قطع زیر بار HVDC بسیار سخت است، زيرا در برخي مکانيسم ها بايد جريان به صفر برسد. در غير اين صورت جرقه آنقدر زياد است که امکان سوئيچينگ مطمئن را فراهم نمي کند.
کابل HVDC
از سال 1990 با توسعه فناوری ساخت مبدل ها , ساخت کابل های HVDC نیز گسترش یافت , امروزه کابل های با ولتاژ تا حدود 300kv با عایق اکسترود شده و تا 600kv با نوار های کاغذی اشباع شده توليد مي شود و البته پروژه هايي نيز با سطح ولتاژ 800kv در حال انجام هستند.
ساختار کابل های مورد استفاده در HVDC با کابل های AC تفاوتی ندارد , اما نیاز های فیزیکی و تست هاي مورد نياز آنها متفاوت است. استانداردي براي آنها تدوين نشده و بر اساس درخواست و توصیه های بین المللی مانند الکترا (با شماره های 171 و 72 و 68 و 189 و...) تولید می شوند.
عموما کابل های AC و DC ولتاژ بالای مورد استفاده برای مسیر های طولانی , به شرح زیر است :
سیستم های AC
عایق اکسترود شده :
عایق پر شده با روغن :
سیستم های DC :
بیشتر کابل های HVDC برای اتصال زیر دریایی استفاده می شوند , زیرا در فاصله بیش از 30 کیلومتر , AC دیگر نمی تواند مورد استفاده قرار گيرد. طولاني ترين کابل زيردريايي امروز کابل norned بین نروژ و هلند است که حدود 580 کیلومتر طول دارد و توان نامی آن 700 مگاوات است.
کابل هاي مورد استفاده در زير دريا و در زير زمين در مقايسه با کابل هاي مورد استفاده در خطوط هوايي، داراي ظرفيت خازني بيشتري هستند که به دليل ضخامت کم عايق يا دي الکتريك آن است. خازن با طول کابل افزايش مي يابد و اين خازن با مصرف کننده به صورت موازي قرار گرفته است. هنگامي که جريان متناوب در کابل استفاده مي شود، به جريان اضافي براي شارژ اين خازن نياز دارد. گردش اين اضافه جريان باعث ايجاد تلفات گرمايي در هادي کابل و بالا رفتن دماي آن مي شود و به صورت تلفات دي الکتريك در کابل ظاهر می شود.
حال آن که اگر جریان DC مورد استفاده قرار بگيرد، اين خازن فقط زمان برق دار شدن يا هنگام تغيير ولتاژ شارژ می شود , برای کابل های قدرت AC در زیر دریا تمام جریان قابل تحمل براي اين شارژ خازني مورد نياز است. در نتيجه خازن کابل باعث محدوديت در طول کابل و حداکثر توان قابل تحمل مي شود.
عایق کابل HVDC
با گسترش ساخت کابل HVDC , فناوری ساخت آمیزه مورد استفاده در این کابل ها نیز از سال 1990 بهبود یافت , مواد مورد استفاده در عايق و نيمه هادي بايد طوري طراحي شوند که حداقل شارژ انباشته شده در فضا را داشته باشند. اين مواد بايد کاملا تمیز باشند تا باعث بهبود عملکرد الکتريکي شوند. سطح بين هادي و عايق و سطح بين عايق و حفاظ و همچنين سطح نيمه هادي بکار رفته باید کاملا صاف باشد تا با بهترین عملکرد باعث کاهش استرس های الکتریکی شود.
در کابل های HVDC از عایق کاغذی اشباع شده با روغن استفاده می شود و اولین کابل تولید شده با این روش در سال 1954 , نشان داد که مشخصات این کابل بعد از 32 سال , مشابه کابل نو است , اما میتوان از عایق XLPE نیز برای این منظور استفاده کرد که مزايايي نسبت به عايق هاي کاغذي دارد
که عبارتند از :
کمتر، هزينه اجرايي کمتر، سهولت تعمير و نگهداري، تحمل درجه حرارت بیشتر (XLPE جهت دمای 90 درجه در مقابل دمای 60 الی 70 درجه برای عایق های کاغذی) و سازگاری با محیط (به دلیل عدم نشت روغن به محیط) , اما در عمل XLPE را به دلیل کاهش قابل توجه تحمل شکست , نمی توان بدون تغییر در برنامه های کاربردی کابل HVDC مورد استفاده قرار داد.
در کاهش تحمل شکست DC عایق XLPE , باور بر این است که این اتفاق ناشی از وارونگی تنش و انباشتگی شارژ فضا است.
نشريات و مقالات بسياري راههاي تغيير پلي اتيلن براي جلوگيري از انباشتگي شارژ فضا براي کاربرد های Dc را اعلام کرده اند , XLPE 80 با خواص بهبود یافته در سال 1999 در یک کابل kv 50 و mv در گاتلندتوسط شرکت abb بکار گرفته شد.
این شارژ فضا را مي توان به وسيله يك تله فيزيکي تشکيل شده بين مرزهاي فاز کریستال و آمورف و یا با تغییر ساختار عناصر شیمیایی استفاده شده در فرمولاسیون ایجاد کرد.
كابل بالتيك :
کابل بالتیک , یکی از مهم ترین کابل های دریایی HVDC تولید شده است , این کابل جهت ارتباط شبکه سوئد و آلمان از طریق دریای بالتیک در سال 1994 توسط شرکت کارلز کرونا abb تولید شد.
عایق پر شده با روغن :
کابل مذکور در متراژ پیوسته حدود 130kg در کمتر از 20ماه تولید شد.
ساختار اين کابل شامل لايه هايي به شرح زير است :
NorNed كابل
اين کابل جهت اتصال شبکه نروژ به سيستم سوخت فسيلي هلند مورد استفاده قرار گرفت و با 580 کیلومتر خط انتقال , طولانی ترین کابل دریایی مورد استفاده در دنیاست و در سال 2007-2008 آماده اجرا شد , این خط انتقال 700mw و 450 kv و به صورت سیستم دو قطبی نصب شد.
کل تلفات در توان انتقالی 600mw , برابر یا 3/7 درصد است , کابل این پروژه به صورت دو بخش کم عمق و عمیق بوده که قسمت کم عمق توسط شرکت abb و قسمت عميق آن به وسيله شرکت نگزانس تولید شده است.
کابل تولید شده توسط شرکت abb به صورت زیر ارائه شد
هادی مسی با مقطع 2790mm , عایق , نیمه هادی , عایق , نیمه هادی , نوار فابریک , غلاف سربی , روکش پلی اتیلن MDPE , نوار بدینگ , لایه تقویت کننده , دو لایه رشته های فولادی گالوانیزه , روکش نهایی الیاف pp
جنس عایق آن کاغذ mi , مشابه کابل بالتیک است که بیش از 90 درصد کابل های دریایی از این سیستم استفاده میکنند.
جنس روکش آن نیز مانند کابل بالتیک از الیاف PP به صورت قیراندود استفاده شده است , کابل تمام شده با قطر 107mm و وزن 2/35kg/m است , در کنار مسائل الکتریکی موارد مهم در طراحی کابل HVDC شامل عمق آب , عمق دفن , مقاومت حرارتی آب و تغییرات سالیانه دمای زیر آب است.
