روشهای مطالعه و بهبود تلفات در شبکه های قدرت

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: با توجه به اینکه اکثر روشهای معمول در دنیا با شرایط جغرافیایی و آب و هوایی ایران سازگار نبوده و نتایج آن‌ها رضایتبخش نیست ضرورت تحقیق در این مورد با استفاده از منابع و اطلاعات داخلی و شرایط طبیعی ایران دوچندان می‌شود. در این مجموعه سعی شده با ارایه مطالب مذکور بر ضرورت توجه هر چه بیشتر به تحقیق در این زمینه صحه بگذاریم.

روشهای مطالعه و بهبود تلفات را باید به دو روش کوتاه مدت و بلند‌مدت تقسیم کرد.
در روشهای بلند‌مدت از نظر آماری و در روشهای کوتاه مدت بصورت فرمولی و عملی تلفات مورد بررسی قرار می‌گیرد و نهایتاً با استفاده از تلفیق این دو روش بهترین نتیجه حاصل می‌شود.
کاهش تلفات انرژی الکتریکی بکلی عبارت است از افزایش ظرفیت تولید و افزایش ظرفیت شبکه انتقال توزیع بدون آنکه در امرتولید سرمایه‌گذاری کرده باشیم. بعنوان مثال آماری را از نشریه آمارتفسیری صنعت‌برق ذکر می‌کنیم:

بر اساس آمار این نشریه کل تلفات در شبکه انتقال و توزیع ۷۶۰۱ میلیون کیلووات ساعت بیان شده است که میزان ۹ / ۱۳ درصد کل تولید را بیان می‌کند. اگر مصارف داخلی نیروگاه را هم به آن اضافه کنیم به عدد ۵ / ۲۰ درصد می‌رسیم این اعداد مقدار متوسط است و تلفات در پیک به مقداری حدود ۳۰ درصد هم می‌رسد، اما اگر همین ۹ / ۱۳ درصد را در نظر بگیریم ضرری که از این جانب به صنعت‌برق کشور تحمیل می‌شود بالغ بر ۶۰۰ میلیارد ریال در سال است. این امر نشان می‌دهد که هنوز تلفات با همه ابعادش شناخته شده نیست. بعنوان مثال تلفات چند کشور را در نظر می‌گیریم تا فاصله ما با بقیه کشور‌ها مشخص شود.
در سال ۱۳۶۰ تلفات شبکه توزیع ایران ۴ / ۱۵ درصد در ژاپن ۸ / ۵ درصد، کره جنوبی ۷ / ۶ درصد در فرانسه ۹ درصد در هندوستان ۵ / ۲۰ درصد بوده است در سال ۱۳۶۵ این آمار به نحو زیر است:

در ایران ۶ / ۱۲ درصد در ژاپن ۷ / ۵ درصد در کره جنوبی ۵ / ۶ درصد در فرانسه ۸ درصد در پاکستان ۰۹ / ۲۴ درصد در آلمان ۴ درصد در چین ۲ / ۸ درصد و هندوستان ۲۱ درصد بوده است بنابراین ما باید تلاش کنیم مقدار تلفات را به مرز عملی حداقل ۵ درصد برسانیم.
نکته‌ای که باید متذکر شویم این است که ازاین اعداد مقداری حدود دو سوم تلفات در شبکه توزیع است بنابراین بصورتی اجتناب‌ناپذیر باید اهم انرژی خود را صرف کاهش تلفات در شبکه توزیع کنیم و علل اساسی تلفات را ریشه‌یابی کنیم.

در عمل مدلهای موجودی که در دنیا ارایه شده بدلیل تفاوت اقلیمی و آ‌ب و هوایی کشور ما با کشورهایی که تحقیقاتی در آن‌ها انجام شده کاملاً با واقعیت منطبق نیست و باید تحقیقات کاملی در این زمینه ارایه شود. طبق گزارشی که کمیته تحقیقات وزارت نیرو ارایه کرده است نتایج Lood flow با واقعیت منطبق نیست یا در مناطقی که کویری است عواملی است که باعث ازدیاد تلفات کرونا می‌شود.

بنابراین باید آزمایشات انجام گرفته در ایران با شرایط حاکم مطابق باشد تا به واقعیت نزدیک شویم. مساله دیگری که مطرح است مدیریت مصرف است. با مدیریت صحیح مصرف می‌توان به میزان قابل ملاحظه‌ای تلفات را کم کرد و توان مصرفی را آزاد کرد؛ بنابراین مدیریت مصرف و کاهش تلفات بصورت تنگاتنگی به هم مربوط هستند متذکر شویم مقدار تلفات شبکه توزیع حدود دو سوم کل تلفات است این مقدار چیزی حدود ۱۰ تا ۱۱ درصد و از لحاظ توان پیک حدود ۱۴ - ۱۵ درصد است.
بطور کلی این مقدار تلفات محصول علل مختلفی می‌تواند باشد که آن‌ها را می‌توان بطور اجمالی در غیرمهندسی بودن ارقام نجومی بالغ برچند صدهزار کیلومتری شبکه‌های فشار متوسط و فشار ضعیف و بار نامتناسب با شبکه یعنی بطور کلی عدم توجه به استاندارد و کیفیت برق تحویلی به مشترکان که فی‌المثل بایدهمراه با افت ولتاژ مجاز و با حداقل قطع برق در مواقع بروز حادثه در شبکه توزیع نیرو باشد دانست.

در مورد علل بروز تلفات می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• انتخاب غیربهینه محل پستهای ۲۰ kv کیلوولت، عدم تعادل بار فیمابین ترانسفورماتورهای مختلف توزیع
• پایین بودن ضریب قدرت بارهای عبوری از المانهای شبکه
• کاربرد وسیع سیمهای مقطع پایین بویژه در شبکه فشار ضعیف
• نداشتن طرح جامع توسعه شبکه
• عدم هماهنگی بین عرضه و تقاضا
• تسلط فرهنگ استادکاری در شبکه توزیع
• عدم اعمال جدی مدیریت بار
• برق‌های غیرمجاز

نصب برقگیرهای نامناسب در پست (برقگیرهای شاخکی پس از ایجاد جرقه دیگر مسیر جرقه بسته شده و باز نخواهد شد و یک مسیر دائمی جریان بوجود می‌آید و برای قطع این جریان حتماً‌باید پست را بی‌برق کنیم) که این خود خسارتهایی را بدنبال خواهد داشت. علاوه بر شناخت و اهتمام به مسائل ذکر شده که از علل بروز تلفات هستند باید برنامه‌های کوتاه مدت و بلند‌مدتی را هم مدنظر قرار داد. از جمله اقدامات کوتاه‌مدت موارد زیر است:
– ایجاد تقارن هر چه بیشتر در بار فازهای کلید کابل‌ها و خطوط هوایی ۲۲۰ ولتی توزیع نیرو با جابجایی لازم انشعابات مشترکان از روی فازهای پربارتر بر روی فازهای کم بارتر.
– استفاده از ترانسفورماتورهای با نسبت تبدیل برابر و مشخصات ترانسهای برابر
– یافتن نقاط ژرف الکتریکی و شارتل‌گذاری درآن نقاط نصب خازنهای کوچک ۵ تا ۲۰ کیلوواری در انتهای خطوط فشار ضعیف دارای افت ولتاژ زیاد.
– روشهای فوق احتیاج به سرمایه‌گذاری کمی از نظر تجهیزات دارد و عمدتاً به نیروی انسانی وابسته است با انجام کارهای فوق حدود ۲ تا ۳ درصد کاهش تلفات خواهیم داشت که از نظر توان حداقل معادل ۵۰۰ مگاوات آزادسازی ظرفیت خطوط و تولید است در مرحله بعدی باید به اقدامات بلندمدت توجه کرد که اهم آن‌ها به قرار زیر است:
– پیش‌بینی چگالی بار
– تهیه نقشه‌های وضع موجود شبکه فشار متوسط و ضعیف
– برقراری روش و گردش کار منظم آمارگیری
– تهیه و تصویب فلسفه سیستم توزیع
– ارتقاء سطح علمی کادر پرسنلی توزیع نیرو
– تکمیل استانداردهای مهندسی و کاربردی شبکه‌های توزیع نیرو
– ارتقاء سطح ضریب قدرت مصارف خانگی و تجاری که با توجه به بالا بودن درصد مصرف تجاری و خانگی در ایران و پایین بودن ضریب قدرت در این نوع مصارف رقم قابل توجهی خواهد بود.
– تامین اعتبارات ارزی و ریالی به حد کفایت
– مدیریت بار و مصرف
حال به یکی از انوع تلفات ناشی از کرونا می‌پردازیم:
با بررسی‌هایی که انجام شده است معلوم شده که تلفات کرونا در خطوط انتقال ایران ۵ / ۱۷ مگاوات است که در هوای بارانی این تلفات به مراتب افزایش می‌یابد و ممکن است این تلفات در سطح شبکه کشور به ۳۰۰ مگاوات هم برسد البته تلفات کرونا به شرایط جوی از قبیل: درجه حرارت هم وابسته است این تلفات در خطوط توزیع هم وجود دارد که عمدتاً خط توزیع ۲۰ کیلوولت است. برای بررسی تلفات کرونا تاریخچه محاسبه این نوع تلفات را متذکر می‌شویم:
در سال ۱۹۱۱ پروفسور پیک از نتایج آزمایشگاهی روی خطوط تلفات کرونا را بصورت نقاط بسیار پراکنده بدست آورد به دلیل پراکندگی زیاد curve fitting مناسبی بدست نیامد، ولی به هر حال فرمولی ارایه کردند در سال ۱۹۲۷ اقای پیترسون و در سال ۱۹۸۰، EPRI هر کدام فرمولی ارایه کردند. در همه موارد فوق بدلیل پراکندگی زیاد نقاط بدست آمده امکان بدست آوردن تابعی دقیق از منحنی مقدور نبود.

آنچه که ما باید انجام دهیم و بهترین روش برای بدست آوردن تلفات کرونا است استفاده از روش شبکه‌های عصبی برای تعیین این تلفات است. چون شبکه عصبی تابع خاصی را نشان نمی‌دهد و برای ارتباط پراکنده بهم و بعبارت دیگر برای curve fitting به ما جواب می‌دهد. برای این کار باید روی دکل‌ها ایستگاه‌های اندازه‌گیری ایجاد کنند تا به این ترتیب تلفات کرونا اندازه‌گیری شود تا در نهایت به جوابهای دقیقی برسیم چرا که استفاده از فرمولهای معمولی به دلیل پایین بودن دقت در خروجی برنامه شبکه عصبی تاثیر داشته و آنرا دچار خطا می‌کند.

(در مورد شبکه عصبی باید بگوییم که وقتی روی دکل‌ها از دستگاه‌های اندازه‌گیری استفاده کنیم در حقیقت یک شبکه کامل اندازه‌گیری یا در حقیقت شبکه‌ای از اعصاب را بوجود آورده‌ایم که این اعصاب حس‌کننده میزان تلفات کرونا هستند و اطلاعات لازم را به مرکز شبکه که همان مرکز تجزیه و تحلیل اطلاعات است می‌فرستند.)

نکته مهمی که در اینجا باید متذکر شد این است که هر چند تلفات کرونا در مقایسه باتلفات ژولی خیلی کم است، ولی در ساعات پیک بار تاثیر مهمی در سطح کاری دارد و لذا در طراحی خطوط سعی می‌شود که همزمان بودن پدیده کرونا با بار پیک مدنظر قرار گیرد.
موارد دیگر تلفات شامل تلفات ژولی یا اهمی و تلفات در پست‌های تبدیل و … است، ولی چون بیشترین تلفات در شبکه توزیع است اهم کوشش را روی این مبحث متمرکز می‌کنیم:
در بررسی تلفات خطوط توزیع یک سری عوامل فنی و غیرفنی دخالت دارند که علاوه بر مواردی که در صفحه ۲ به آن‌ها پرداخته شد موارد زیر را نیز می‌توان به آن‌ها اضافه کرد:
از عوامل غیرفنی می‌توان به موارد دیگر زیر اشاره کرد:
– عدم نصب کنتورهای روشنایی معابر
– عدم کنترل و نظارت بر کنتورهای منصوبه
– عدم نصب کنتور مصارف شرکت‌ها و منازل سازمانی آنان
عوامل فنی که به آن‌ها اشاره نشده هم به مواردزیر می‌توان اشاره کرد:
عدم استفاده از ترانسفورماتورهای با قدرت مناسب درشبکه‌های توزیع با توجه به اینکه می‌دانیم حداکثر راندمان یک ترانسفورماتور در ۷۰ درصد بار نامی آن است و بنابراین باید سعی کنیم همیشه مقدار بار ترانس حوالی ۷۰ درصد بار نامی باشد و یا میانگین بار ترانس درحدود ۷۰ درصد با بهره‌برداری صحیح‌تر و تلفات کمتر باشد.

توزیع یکفازه فشار ضعیف در شهر‌ها و روستاها:
عدم تعادل بار فاز‌ها در شبکه فشار ضعیف و برقدار شدن سیستم نول شبکه که به تبع آن ضمن کاهش راندمان ترانس قسمتی از انرژی نیز توسط نول تلف می‌شود.
فرسودگی شبکه و مواد دیگر…؛ بنابراین راههای کاهش تلفات بصورت زیر پیشنهاد می‌شود:
۱ - ایجاد تعادل و تعدیل بار کابل‌ها و خطوط فشار متوسط و فشار ضعیف (اعمال مدیریت کنترل بار)
۲ - کاهش طول کابل‌ها و خطوط و افزایش سطح مقطع آن‌ها (البته باید مبحث اقتصاد مهندسی نیز در نظر گرفته شود)
۳ - ایجاد شبکه‌های توزیع بر اساس محاسبات مهندسی
۴ - دقت عمل مصالح و اصلاح تا حد استاندارد در لوازم اندازه‌گیری
۵ - جمع‌آوری و جلوگیری از برق‌های غیرمجاز
۶ - تعمیرات اساسی زمان‌بندی شده
۷ - احداث شبکه‌های فشار ضعیف بصورت سه‌فاز (احداث شبکه بصورت پنج سیمه ضمناً مقطع نول و فاز یکسان باشد)
۸ - بالانس کردن شبکه‌ها (تعادل بار فازها)
۹ - استاندارد کردن کابلهای ورودی و خروجی مطابق با ظرفیت ترانسفورماتور‌ها و بار آن‌ها
۱۰ - نصب ترانسفورماتور در مرکز ثقل بار
۱۱ - شاخه بری درختان بمنظور جلوگیری از برخورد شاخه‌های درختان با شبکه‌های فشار متوسط و فشار ضعیف
۱۲ - کامل کردن ارت در شبکه‌ها
۱۳ - تست کردن روغن ترانس‌ها
۱۴ - سرویس منظم و شستشوی شبکه‌های آلوده ورفع فرسودگی‌ها و خوردگی‌های شبکه
۱۵ - استفاده بهینه از ظرفیت ترانسفورماتور‌ها در حدود ۱۷ درصد بار نامی آن‌ها
۱۶ - بکارگیری خطوط باندل در کاهش تلفات بخصوص در مناطق گرمسیر
۱۷ - رعایت اصول فنی در هنگام برقراری اتصالات الکتریکی
۱۸ - سیم‌کشی داخلی به مشترکان تحت ضوابط و مطابق با استاندارد
۱۹ - نصب خازن در محلهای مناسب

لذا چنانچه وضع بهره‌برداری از شبکه‌های توزیع به همین منوال ادامه یابد و به عواملی از قبیل: عدم بالانس خطوط، وجود خطوط طولانی، تداخل شاخه درختان با شبکه‌های برق، خطای زیاد در لوازم اندازه‌گیری بعلت نامناسب بودن محل نصب آنها، عدم رسیدگی و تعمیر و نگهداری به موقع از شبکه‌ها، عدم تناسب قدرت ترانسفورماتورهای منصوبه با بار مصرفی و … توجه نشود تلفات بخش توزیع رو به فزونی خواهد بود و طولی نخواهد کشید که شبکه‌های جدید هم مستهلک و پرهزینه خواهد شد؛ لذا باید بطور جدی و پیگیر رسیدگی به شبکه‌های توزیع مورد توجه قرار گیرد. مناسب‌ترین روش برای جلوگیری از استهلاک شبکه‌های توزیع و کاهش تلفات، تهیه و اجرای یک برنامه منظم و مشخص بهره‌برداری و تعمیر و نگهداری است.

یک قسمت از تلفات در فیدرهای ۲۰ کیلوولت است برای محاسبه این تلفات می‌توان در یک روز بخصوص تمام کنتورهای منصوبه روی ترانسفورماتورهای فیدر را قرائت کرد سپس در یک دوره مشخص با قطع فیدر مزبور دوباره قرائت کنتور ترانسفورماتور‌ها و ابتدای فیدر را انجام داد برای جایی که تعداد فیدر‌ها زیاد است می‌توان از روش کامپیوتری استفاده کرد، به این ترتیب که برای هر فیدر نقاط مصرف را گره در نظر می‌گیریم و اطلاعات از قبیل: شماره گره ابتدا، شماره گره انتها، فاصله دو گره متوالی، نوع و سطح مقطع سیم یا کابل بین دو گره، نوع گره (تی‌اف یا ترانس) بار ترانس، ظرفیت ترانس، ظرفیت خازن یا اتوبوستر (در صورت وجود انواع مصرف کشاورزی، عمومی، صنعتی، تجاری) و ضریب قدرت را جمع‌آوری کرد.

با مشخص کردن آمار فوق تنهابار ترانس است که دقیقاً مشخص نبوده و همواره در حال تغییر است. برای بدست آوردن این داده‌ها از روش اندازه‌گیری مستقیم و پیوسته و یا با توجه به بار پیک و نوع مصرف و ضریب بار می‌توان استفاده کرد و ضریب قدرت را هم بر حسب نوع مصرف حدس زد و اطلاعات را کامل کرد. برای محاسبه تلفات در شبکه فشار ضعیف نیز لازم است هر ترانس یک فایل ایجاد کرده و مانند روش فوق را بدست آورد. با این اقدامات می‌توان فیدر‌ها و پستهایی را که دارای تلفات بالایی هستند شناسایی کرده و با نصب خازن و اصلاح شبکه تلفات را تقلیل دهیم؛ بنابراین اشکالاتی که در محاسبه تلفات بوجود می‌آمد مثل عدم قرائت همزمان کنتور‌ها از بین می‌رود، اما در زمینه خطای کنتور‌ها و برنامه پخش بار که برای اجرا نیاز به داشتن مقادیر همزمان MW,MVAR بار دارد، این خطا را با استفاده از کنتورهای با کیفیت بالا و روش‌های صحیح اندازه‌گیری کاهش داد همچنین آموزش صحیح و مهارت اپراتور‌ها باعث کاهش تلفات خواهد شد. کنترل و اصلاح ولتاژ و استفاده از جبران‌کننده میزان تلفات را کاهش می‌دهد.

نکته‌ای که در مورد خطای اندازه‌گیری کنتور‌ها باید متذکر شویم خطای ضریب کنتور است. در تحویل کنتور به مشترکان شرکت برق از کنتورهای ۱۵ A. برای تحویل اشتراک ۲۵ A. استفاده می‌کند که با توجه به اینکه این کنتور مثلاً برای جبران ۱۵ A. طراحی شده است و با توجه به اینکه اینگونه نصب بدلیل داشتن ضریب ۴ کنتور مثلاً برای مصارف خانگی است باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری خواهد شد و این مطلب باید همواره مدنظر قرار گیرد. همچنین باید خطای وجود گردو غبار و کثیفی کنتور که می‌تواند خطای مثبت یا منفی ایجاد کنند نیز مدنظر قرار گیرد.
یکی از عوامل تلفات در شبکه توزیع عدم تقارن بار است که قبلاً به آن اشاره شده است لیکن این مطلب از آن جهت حائز اهمیت است که بصورت‌های زیر موجب تلفات می‌شود:

الف- عبور جریان اضافی از سیم نول و افزایش تلفات بصورت RI^2
ب- ایجاد جریانهای صفر و منفی در شبکه
بر اثر ایجاد جریانهای صفر و منفی تلفات در موتور‌ها و ژنراتور‌ها افزایش یافته و ترانس‌ها به اشباع نزدیکتر می‌شوند؛ که این خود سبب افزایش تلفات و کاهش ظرفیت باردهی آن‌ها می‌شود. روش‌هایی که می‌توان در ضمیمه کاهش تلفات ناشی از عدم تقارن بار پیشنهاد کرد عبارتند از:
الف- استفاده از سیم‌های با مقطع بالاتر در سیم نول در جاهایی که عدم تقارن بار زیاد و غیرقابل کنترل است.
ب- آموزش سیمبان‌ها و کارگران شرکت برق و ملزم کردن آن‌ها به تقسیم‌بندی مناسب مشترکان روی فازهای شبکه فشار ضعیف
ج- متعادل کردن شبکه از دید ترانسهای توزیع (استفاده از جبران‌کننده‌های سلفی و خازنی و ….) از موارد دیگری که در کاهش تلفات موثر است به تغییر استانداردهای معماری و شهرسازی با نظارت درانشعاب تکنولوژی و ... است. همچنین استفاده از لامپهای کم‌مصرف باعث صرفه‌جویی زیادی در مصرف انرژی می‌شود که مصرف کمتر یعنی بار کمتر و در نتیجه تلفات کمتری را به همراه دارد.

از جمله عوامل تشدید تلفات علاوه بر موارد ذکر شده قبلی موارد زیر نیز مطرح می‌شود:
– بکار بردن کلمپهای آلیاژ آهن در خطوط ۲۰ کیلوولت روستایی و تلفات بیشتر نسبت به کلمپهای آلومینیومی بدلیل ایجاد جریانهای هیسترزیس و فوکو.
– استفاده از شبکه‌های شعاعی بجای شبکه‌های به هم پیوسته فشار ضعیف و متوسط
– نداشتن ایمان و انگیزه کاری بعضی از کارکنان و عدم امکان نظارت و کنترل آن‌ها