تلفات در سیستم‌های قدرت

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: تلفات سیستم قدرت به سه گروه تلفات فنی تلفات غیر فنی و تلفات تجاری قابل دسته بندی می‌باشند. اگر کل تلفات را معادل تفاضل انرژی تولید شده و انرژی فروخته شده بگیریم باید تلفات تجاری را نیز به شرح زیر به آن بیافزائیم.

تلفات تجاری + انرژی فروخته شده - انرژی تولید شده = تلفات کل

در واقع در رابطه فوق داریم:

تلفات غیر فنی + تلفات فنی = انرژی فروخته شده - انرژی تولید شده

که تلفات فنی اصطلاحاً به آن دسته از تلفات انرژی اطلاق می‌شود که به حرارت تبدیل می‌گردند و عمدتاً به دلیل بهینه نبودن سیستم و اجزاء آن صورت می‌گیرد در حالی که تلفات غیر فنی به تلفاتی گفته می‌شود که بیشتر جنبه اندازه گیری و محاسباتی دارند. اما تلفات تجاری دارای ماهیتی متفاوت از دو نوع تلفات فنی و غیر فنی است و در واقع یک نوع هدر رفتن مستقیم انرژی نمی‌باشد بلکه به آن دسته از زیان‌های اقتصادی اطلاق می‌شود که در اثر قطع برق و یا مشکلات کیفیت توان دامنگیر تولیدکنندگان و مصرف کنندگان انرژی الکتریکی می‌گردد.
در این قسمت هر یک از تلفات فوق با جزئیات بیشتری مورد تحلیل و تشریح قرار خواهد گرفت.

تلفات فنی

همانطور که اشاره شد تلفات فنی به دسته‌ای از تلفات سیستم قدرت گفته می‌شود که به نوعی منجر به تبدیل انرژی الکتریکی به حرارت، از آغاز تولید تا مرحله تحویل به مشترک می‌گردد.
تلفات فنی که در بسیاری از موارد به جای کل تلفات سیستم قدرت اشتباه گرفته می‌شود مشتمل بر طیف وسیعی از انواع تلفات می‌باشد که در‌ای بخش تحت دو عنوان تلفات انتقال و تلفات توزیع تشریح گردیده اند. معمولا تلفات سیستم تولید (نیروگاه ها) در زمره تلفات سیستم قدرت محاسبه نمی‌شوند و نیروگاه‌ها به عنوان واحدهای صنعتی تلقی می‌گردند که فروش برق به شبکه را بر عهده دارند و کلیه انرژی‌های مصرف شده در نیروگاه به عنوان مصرف داخلی آن لحاظ می‌گردد که بعضا قابل کاهش است؛ لذا بررسی انواع تلفات و طرق کاهش آن‌ها در نیروگاه ها، به طور مختصر در ضمیمه انتهای گزارش درج گردیده است.

تلفات در شبکه انتقال:

تلفات فنی در شبکه انتقال دارای ابعاد بسیار گسترده‌ای می‌باشد که در این بخش مورد اشاره قرار خواهند گرفت.

تلفات ناشی از مقاومت خطوط
این نوع تلفات که در اثر مقاومت الکتریکی هادی در مقابل عبور جریان ایجاد می‌شود در واقع مهم‌ترین تلفات سیستم انتقال است و همانگونه که بعدا ملاحظه خواهد شد، سایر انواع تلفات انتقال به نحوی در افزایش این نوع تلفات سهیم می‌باشند.
این تلفات در یک سیستم سه فاز متقارن، تابعی از مقاومت AC خطوط و مجذور جریان موثر عبوری است. قطعا افزایش سطح مقطع هادی‌ها که منجر به کاهش مقاومت خطوط می‌شود با قیود اقتصادی محدود می‌گردد لذا پذیرفتن سطح استاندارد برای آن‌ها و بالطبع تلفات معین در این مورد اجتناب ناپذیر است. فرسودگی و عمر زیاد هادی‌ها (مس یا آلومینیوم)، رسانایی آن‌ها را کاهش می‌دهد و منجر به افزایش تلفات می‌گردد. همچنین طول زیاد خطوط انتقال اگر چه در اکثر موارد ناگزیر می‌باشد علاوه بر افزایش سایر مشکلات انتقال، تلفات خطوط را بالا می‌برد.
باید متذکر شد که اتصال نامناسب هادی‌ها می‌تواند تاثیر قابل ملاحظه‌ای در افزایش مقاومت خطوط و بالطبع تلفات آن‌ها داشته باشد.

تلفات ناشی از فرسودگی تجهیزات
گذشت زمان خاصیت رسانایی هادی‌های مسی را کاهش داده و منجر به افزایش مقاومت وصل کلیدهای قدرت می‌گردد. تلفات آهنی هسته ترانسفورماتورها، CT‌ها و PT‌ها با افزایش عمر، فزونی می‌گیرند و همچنین تلفات عایقی تمامی تجهیزات به دلیل ضعف عایقی ناشی از طول عمر، به شدت بالا می‌رود.

تلفات کرونا
یکی از تلفات قابل توجه در سیستم‌های قدرت الکتریکی ولتاژ بالا (سیستم انتقال) تلفات کرونا است. پدیده کرونا که نتیجه یونیزاسیون هوای اطراف هادی دارای ولتاژ بالا است، به همراه هاله‌ای از نور بنفش رنگ و نویز آکوستیک و الکترومغناطیسی بوده و کاربرد زیادی در بسیاری از صنایع (به ویژه فیلترینگ) دارد

در خطوط انتقال ولتاژ بالا می‌تواند سهم عمده‌ای از توان را در خود تلف نماید  . قطعا استفاده از هادی‌های گروهی (باندل ها) تا حد زیادی در کاهش اینگونه تلفات موثر است. اما باید به خاطر داشت که گذشت زمان، در اثر خوردگی و رسوب آلاینده‌ها بر سطوح ولتاژ بالا از جمله خطوط انتقال، ناهمواری‌ها و نقاط تیزی بر روی آن‌ها ایجاد می‌کند که میدان الکتریکی اطراف خود و بالطبع پدیده کرونا را بشدت تقویت می‌نماید.

تلفات عایقی

عایقهای مورد استفاده در سیستم‌های ولتاژ بالا‌ی جریان متناوب عمدتا دو نوع تلفات جدی را متحمل می‌گردند:

جریان نشتی
جریان عبوری از سطح ولتاژ بالا به سطح ولتاژ پایین عایق که تابعی از مقاومت عایقی و اختلاف پتانسیل دو سر آن است را جریان نشتی می‌گویند. البته تلفات ناشی از این جریان که معمولا مقدار ناچیزی است تن‌ها پس از افزایش عمر عایق و کاهش مقاومت الکتریکی آن قابل توجه می‌گردد. نقاط عایقی تخریب شده و یا نقاطی که به صورت صحیح ترمیم نشده اند می‌توانند در این خصوص بسیار صدمه پذیر باشند. تلفات هیسترزیس
واضح است که عایق‌های مجاور با هادی‌های عبور دهنده جریان متناوب، متحمل شدت میدان مغناطیسی متناوبی، متناسب با آن جریان خواهند بود که طبیعتا در آن‌ها تلفات هسیترزیس قابل توجهی ایجاد می‌کند. این تلفات به صورت قابل توجه در کابلهای جریان بالا مشاهده می‌شود.

تلفات ناشی از عدم تقارن فاز‌ها

در صورت وجود عدم تقارن فاز‌ها (که البته در سیستم انتقال بسیار ناچیز است) تلفات برآیند سه فاز بیش از حالت متقارن در سه فاز خواهد بود. به عبارت دیگر شباهت یکسان در مشخصات و پارامترهای الکتریکی فازهای یک خط که اغلب امری قطعی فرض می‌شود در عمل متفاوت خواهد بود. مهمترین عامل وقوع چنین مشکلی در شبکه انتقال، عدم جابجایی فاز‌ها به دلیل مشکلات فنی و اقتصادی می‌باشد.
تلفات ناشی از اضافه بار کابل ها، و ترانسفورماتور و سایر تجهیزات سیستم انتقال که به معنی عبور جریان بیش از مقدار نامی از آن‌ها است تلفات توان اهمی در آن‌ها را به صورت صعودی افزایش می‌دهد. البته باید متذکر شد که این افزایش تلفات اهمی، افزایش دمای تجهیزات نسبت به سطح نرمال و بالطبع افزایش تلفات عایقی و احیانا آهنی را نیز به دنبال خواهد داشت.
همچنین، اضافه بار شدن تجهیزات دارای هسته مغناطیسی غیر خطی از قبیل: ترانسفورماتور‌ها و CT‌های اندازه گیری می‌تواند منجر به ورود نقطه کار آن‌ها به ناحیه اشباع منحنی BH گردد که در نتیجه هارمونیک‌های رتبه پایین بویژه هارمونیک‌های مضارب ۳ بر روی ولتاژ ایجاد می‌کنند که خود، همانگونه که بعدا ذکر خواهد شد منشاء تلفات بیشتری است.

تلفات ناشی از پخش بار نامناسب

پخش بار در سیستم انتفال متداول، متاثر از توپولوژی شبکه و برنامه ریزی تولیدهای واحدهای مختلف نیروگاهی است. ولی ساختار موجود شبکه و همچنین برنامه ریزی تولید مورد استفاده در بسیاری از مواقع بهترین حالت نیست و طبیعتا کمترین تلفات را شامل نمی‌شود.
در واقع می‌توان با ایجاد تغییر در ساختار شبکه به طرق مختلف و همچنین برنامه ریزی بهینه تولید، پخش بار سیستم را به شکلی تغییر داد که تلفاتی کمتر از مقادیر قبلی داشته باشد، که به آن پخش بار بهینه می‌گویند.

تلفات ناشی از عبور توان راکتیو

توان راکتیو مورد نیاز بار و عناصر ذخیره کننده انرژی سلف و خازن شبکه (از جمله خود خطوط، ترانسفورمر‌ها و ...) برحسب نوع بار در شبکه جاری می‌باشد. عبور توان راکتیو از شبکه علاوه بر بروز مشکلات جدی از قبیل: اشغال ظرفیت شبکه و افت ولتاژ، منجر به تلفات جدی انرژی نیز می‌گردد. نظر به اینکه تولید یا مصرف این نوع توان بر خلاف توان اکتیو نیازمند تامین انرژی از نیروگاه نمی‌باشد، با تامین و مصرف آن در محل، توسط بانک‌های خازنی با راکتور‌ها، می‌توان میزان عبور توان راکتیو از شبکه را کاهش داد که قطعا منجر به کاهش تلفات راکتیو شبکه می‌گردد.

تلفات ناشی از انتشار امواج الکترومغناطیسی

در اشیاء فلزی نظر به اینکه انرژی الکتریکی در شبکه انتقال از نوع امواج الکترومغناطیس می‌باشد و با توجه به سطح بالای ولتاژ و جریان در آن‌ها، علی رغم فرکانس پایین سیستم قدرت، همواره مقداری انرژی در ساختار‌ها و پایه‌های فلزی مجاور هادی از طریق میادین قوی الکترومغناطیس القا شده و تلف می‌گردد

البته بطور معمول بدلیل ناچیز بودن این درصد تلفات و مشکلات محاسباتی آن، از این گونه تلفات صرفنظر می‌شود.

تلفات سیستم توزیع

معمولا در کل سیستم‌های قدرت بالاترین سهم تلفات به سیستم توزیع اختصاص دارد که البته دلیل این امر را باید در گستردگی سطح و کثرت ادوات موجود در این سیستم، به همراه ویژگیهای دیگری از جمله بارهای تکفاز و سطح ولتاژ پایین آن جستجو نمود.
در ادامه مهمترین موارد تلفات انرژی الکتریکی در سیستم‌های توزیع مورد مطالعه قرار گرفته اند.



تلفات ناشی از مقاومت خطوط

مقاومت هادی‌ها همانند آنچه که در بحث تلفات انتقال مطرح گردید برجسته‌ترین عامل تلفات سیستم‌های توزیع می‌باشند. البته باید بخاطر داشت که در سیستم‌های توزیع مقاومت نسبی خطوط بالاتر است و بدلیل گستردگی و اتصالات متعدد، در صورت عدم رعایت صحت اتصالات، این مقاومت و در نتیجه تلفات افزایش بیشتری خواهد داشت.

تلفات ناشی از عدم تقارن خطوط

عدم تقارن خطوط در سیستم توزیع (که البته نه به دلیل متفاوت بودن مشخصات هادی‌های فاز‌ها بلکه به دلیل عدم جابجایی فاز‌ها بوجود می‌آید) منجر به ایجاد عدم تعادل شبکه از دیدگاه بار می‌شود که به نوبه خود عدم تعادل جریان فاز‌ها و تلفات ناشی از آن را به دنبال خواهد داشت.


تلفات ناشی از عدم تعادل فاز‌ها

بارهای تک فاز سیستم توزیع به همراه عدم تقارن فاز‌ها باعث می‌شود که بعضا عدم تعادل شدید در پی داشته باشد.
از طرف دیگر عدم تعادل فاز‌ها منجر به جریان سیم نول می‌شود که در نتیجه تلفات انرژی در این سیم نیز به تلفات افزوده می‌گردد.

تلفات ناشی از اتصال زمین نامناسب

سیستم زمین نامناسب و یا فرسوده، مقاومت الکتریکی زیادی پیدا می‌کند و این مساله در سیستم‌های نامتعادل منجر به عدم تعادل ولتاژ و تلفات انرژی ناشی از آن خواهد شد.



تلفات ذاتی ترانسفورماتور‌ها، تجهیزات اندازه گیری و ...
همانند سیستم انتقال، در شبکه‌های توزیع نیز توان عبوری در سر راه خود از تجهیزات متعددی عبور می‌نماید که هر یک بر حسب نوع، تکنولوژی ساخت و عمر خود درصدی از انرژی را تلف می‌نمایند.
بیشترین تلفات این بخش متعلق به ترانسفورماتورهای توزیع است که بطور گسترده در سیستم بکار گرفته می‌شوند.

تلفات عایقی تجهیزات

اگرچه سطح ولتاژ پایین در سیستم توزیع، تلفات عایقی تجهیزات را نسبت به سایر انواع تلفات کمرنگ می‌سازد لیکن با توجه به گستردگی و کثرت تجهیزات دارای این تلفات، در مجموع، این نوع تلفات قابل ملاحظه خواهد بود.

تلفات ناشی از اضافه بار تجهیزات

اضافه بار تجهیزات توزیع نیز همانند تجهیزات سیستم انتقال، منجر به افزایش صعودی تلفات در آن‌ها می‌گردد.
همچنین ایجاد هارمونیک‌ها (بویژه هارمونیک‌های مضارب ۳) بدلیل وارد شدن به ناحیه اشباع ترانسفورماتور‌ها و تلفات مرتبط به آن‌ها از تبعات این افزایش بار از مقادیر نامی خواهد بود.

تلفات ناشی از ضریب بار پایین

طبیعتا وجود پیک در منحنی بار روزانه مناطق مختلف توزیع، علاوه بر تحمیل هزینه‌های هنگفت، برنامه ریزی شبکه جهت تامین بار ساعات پیک را مشکل می‌نماید و تلفات تحمیل شده به شبکه را افزایش خواهد داد.

تلفات ناشی از هارمونیک‌ها

همانطور که می‌دانیم، سیستم توزیع بعنوان جبهه سیستم قدرت بطور جدی از بارهای خود تاثیر می‌پذیرد

بسیاری از بارهای جدید سیستم قدرت دارای ماهیت غیر خطی می‌باشند. این بار‌ها که بدلیل پیشرفت صنعتی و مزایای خود هر روزه در حال افزایش می‌باشند، عمدتا از تجهیزات الکترونیک قدرت استفاده می‌کنند که جریان غیر سینوسی از شبکه اخذ می‌نمایند. موارد عمده این تجهیزات عبارتند از: لامپهای کم مصرف، UPS‌ها، کامپیوتر‌ها، ASD‌ها و ...
از طرف دیگر همانگونه که قبلا نیز اشاره شد بارهای الکتریکی دارای هسته آهن اشباع پذیر، نظیر ترانسفورماتور‌ها و موتورهای الکتریکی، در صورت اضافه بار شدن، با ورود به ناحیه غیر خطی منحنی مغناطیسی خود جریان مغناطیس کنندگی غیر خطی از شبکه اخذ می‌کنند که ایجاد هارمونیک (بویژه هارمونیک‌های مضارب ۳) از مضرات آن است.


اثر پوستی
اثر پوستی مبین افزایش مقاومت اهمی هادی‌ها در مقابل عبور جریان متناسب نسبت به جریان DC بدلیل شار مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد شده در اثر جریان است. در واقع مطابق این اثر، مقاومت اهمی هادی و بالتبع تلفات الکتریکی آن با افزایش فرکانس جریان عبوری افزایش می‌یابد. بنا بر این بدیهی است که افزایش سطح THD جریان که به معنی افزایش میزان مولفه‌های جریان با فرکانس‌های بالاتر است مستقیما تلفات اهمی را ازطریق اثر پوستی افزایش می‌دهد. واضح است که این تلفات در تمامی هادی‌های حامل جریان، حتی سیم پیچ‌های ترانسفورماتور‌ها نیز وجود دارد.

تلفات آهنی
تلفات آهنی در هسته ترانسفورماتورهای قدرت و اندازه گیری و همچنین ماشین ها، تابعی از فرکانس ولتاژ اعمال شده به آن‌ها است؛ بنابراین وجود هارمونیک‌های ولتاژ در سیستم، این تلفات را بشدت افزایش می‌دهد. تلفات عایقی
تلفات عایقی تجهیزات نیز عمدتا ناشی از تلفات هیسترزیس در آن‌ها است، که خود تابعی از فرکانس ولتاژ کار است؛ لذا این نوع تلفات نیز در اثر وجود هارمونیک‌ها، رشد خواهد داشت.

تلفات از طریق سیم نول
هارمونیک مضارب ۳ در نقطه نول اتصالات ستاره، یکدیگر را خنثی نمی‌کنند بلکه با یکدیگر جمع شده و جریان قابل توجهی از سیم نول عبور می‌دهند که تلفات سیم نول را بشدت بالا می‌برد.

تلفات غیر فنی
همانگونه که قبلا اشاره شد، تلفات غیر فنی به قسمتی از تلفات انرژی اتلاق می‌شود که در دسته تلفات فنی جای نمی‌گیرند و بیشتر جنبه خطاهای محاسباتی و اندازه گیری دارند.
در این قسمت، انواع تلفات غیر فنی در یک سیستم قدرت مرور گشته و هریک از آن‌ها مختصرا توضیح داده خواهد شد.

استفاده غیر مجاز از برق
موارد متعددی از استفاده‌های غیر مجاز یا اصطلاحا برق دزدی وجود دارد که در زیر به آن‌ها اشاره می‌شود.

دستکاری در لوازم اندازه گیری و کنتور‌ها
برخی مواقع مشترکین بصورت غیر مجاز کنتورهای خود را باز نموده و با دستکاری آن، اعداد قرائت شده را به نفع خود تغییر می‌دهند و یا اینکه با به هم زدن تنظیم آن اعداد قرائت شده توسط کنتور را دچار خطا می‌کنند.

معیوب نمودن کنتور‌ها
معبوی نمودن کنتور‌ها و اجتناب از آگاه سازی به موقع مسئولین باعث ثبت نشدن مقادیر مصرفی طی حداقل یک دوره مصرف می‌گردد.

خارج کردن کنتور‌ها از مدار
خارج نمودن کنتور از مدار بصورت کامل یا جزئی، سهم زیادی از انرژی مصرف شده را از پروسه اندازه گیری خارج می‌نماید.

عدم قرائت صحیح کنتور‌ها
عدم قرائت صحیح کنتور‌ها توسط مامورین می‌تواند باعث بی اثر شدن سیستم تعرفه چند نرخی گردد.
در واقع ثبت مقدار انرژی مصرفی به میزان کمتر از مقدار واقعی می‌تواند نرخ تعرفه مشترک را از ردیف

مشترکین پر مصرف به کم مصرف منتقل نماید

انشعاب گیری مستقیم از شبکه‌های برق
این مورد که برخلاف سایر موارد قبل، معمولا جلوه‌ای کاملا آشکار دارد، مشتمل بر مصرف کنندگانی میگردد که بدون داشتن حق امتیاز و مجوز قانونی و نصب کنتور از طرف شرکت برق، بطور خود سرانه از طریق اتصالات سطحی، از خطوط هوایی انرژی استفاده می‌نمایند.

فقدان سیستم اندازه گیری
در یک سیستم قدرت بعضا بارهایی وجود دارند که بدلیل غیر اقتصادی بودن و یا کم توجهی فاقد سیستم اندازه گیری می‌باشند. بدیهی است که انرژی مصرفی این بار‌ها اگرچه تولید و انتقال یافته است، غیر قابل اندازه گیری خواهد بود بنابراین در زمره تلفات غیر فنی جای می‌گیرد. برخی از اینگونه تلفات به شرح زیرند.

روشنایی معابر
در برخی موارد روشنایی معابر فاقد سیستم اندازه گیری است.

مصارف کشاورزی
بعضا تعرفه ارزان قیمت بخش کشاورزی منجر به عدم توجه کافی در نصب کنتور برای اینگونه بار‌ها گردیده است.

مصارف موسسات دولتی و منازل مسکونی
ممکن است موسسات و ادارت دولتی و یا پادگان هایی وجود داشته باشند که فاقد سیستم اندازه گیری انرژی الکتریکی وروردی باشند. همچنین باید منازل مسکونی سازمانی وابسته به آن‌ها را نیز به این گروه افزود.

تلفات تجاری
این تلفات بصورت غیر مستقیم به مصرف انرژی وابسته اند. در واقع صرفنظر از موارد برق دزدی و موارد اندازه گیری نشده، دسته‌ای دیگر از تلفات غیر فنی وجود دارند که مرتبط با ناکارآمد بودن سیستم محاسبات و سایر مشکلات جنبی می‌باشند و اصولا ضررهای اقتصادی را شامل می‌گردند. عمده‌ترین موارد این دسته به شرح زیرند:

قبوض پرداخت نشده
عدم پرداخت به موقع قبوض از طرف مشترکین منجر به تاخیر در بازگشت سرمایه و درنتیجه باعث ضرر شرکت برق خواهد شد.

صدور قبوض نادرست
محاسبات و یا سایر اشتباهات که منجر به صدور قبوض نادرست می‌گردد، می‌تواند دقت صورت گرفته درسایر مراحل اندازه گیری را بی ثمر نماید و بخشی از بازگشت درآمد ناشی از فروش انرژی را هدر دهد.

قرائت ناهمزمان کنتور‌ها
قرائت ناهمزمان کنتور‌ها با روش‌های فعلی که توسط نیروی انسانی و با مراجعه حضوری در محل صورت می‌گیرد، صرفنظر از اینکه مشکلاتی را درخصوص مسائل برنامه ریزی و توسعه شبکه ایجاد می‌کند موجب تبعیض در محاسبه بهای انرژی مشترکین و احیانا ضرر شرکت برق خواهد شد.

عدم نظارت بر دیماند خریداری شده توسط مصرف کننده
در بسیاری از بارهای صنعتی ممکن است توان مصرفی، بالاتر از سقف دیماند مورد توافق باشد و عدم نظارت بر این مساله می‌تواند منجر به اضافه بارشدن شبکه از طرف مشترکین و در نتیجه، زیان شرکت برق گردد.

انرژی توزیع نشده
عدم توانایی سیستم در هر مرحله از تولید، انتقال یا توزیع در تحویل انرژی به یکدیگر به نحوی که نتوانند آن را مطابق قرارداد در اختیار مشترک قرار دهند عملا به این معنی است که تمامی سرمایه‌های صرف شده در راستای احداث نیروگاه و شبکه جهت تامین بار، بدلیل فروش نرفتن انرژی، بلا استفاده مانده است که این طبیعتا نوعی زیان اقتصادی محسوب می‌شود

خسارات ناشی از قطع بار یا مشکلات کیفیت توان
خارج از استاندارد بودن کیفیت برق تخویلی به مشترک و یا قطع بار بدون هماهنگی و رضایت مشترکین می‌تواند به تجهیزات و محصولات آن‌ها صدماتی وارد نماید که طبیعتا پرداخت این زیان‌ها به عهده شرکت برق خواهد بود.

 

سایت هادی حداد خوزانی