کابل های ابررسانا در خطوط انتقال و توزیع

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: در تمامی جهان، تأسیسات الکتریکی با یک چالش مواجه اند؛ عبور دادن مقدار بیشتری انرژی از درون شبکه‌های توزیع شهری برای رفع نیاز رو به افزایش مصرف کننده‌ها در قرن بیست و یکم. به علاوه، آن‌ها باید مصرف کننده‌ها را از قطعی‌های نابهنگام در اثراین اضافه مصرف محافظت کنند.

 

یک تکنولوژی انقلابی در ساخت کابلهای برق ابداع شده که مدعی است می‌تواند بر هر دو مشکل ذکرشده در بالا غلبه کند. کابلهای جدید از مواد ابررسانا درجه حرارت بالا یا HTS ساخته شده اند و می‌توانند انرژی الکتریکی ۱۵۰ برابر یک سیم مسی معمولی با همان قطر را انتقال دهند. هنگامی که ابررسانا در یک کابل استفاده می‌شود مانند یک رسانای خیلی خوب عمل می‌کند البته در صورتی که چند شرط برای کارکرد آن رعایت شده باشد. مهمترین شرط این است که مواد ابررسانا باید در زیر درجه حرارت بحرانی خود قرار بگیرند تا خاصیت ابررسانایی خود را نمایش دهند. این امر سبب می‌شود که چنین کابلی نیاز به یک خنک کننده دائمی نیتروژن مایع داشته باشد. نیتروژن مایع نسبتا ارزان و از نظر محیط زیستی کم خطر است و می‌تواند جانشین روغنهایی شود که به صورت معمول در بسیاری از کابلهای توزیع در شهر‌ها استفاده می‌شوند.

مجله پاورمگزین با جک مک کال، مدیر توسعه کسب و کار شرکت ابررسانای آمریکا (American Superconductor) مصاحبه‌ای انجام داده است. این کمپانی مسئول توسعه کابلهای جدید HTS بوده است. وی می‌گوید:" دانستن اصول کار کابلهای HTS نقطه خوبی برای بحث درباره مزایای آن است. این کابل‌ها دارای ۴ مشخصه هستند که آن‌ها را از کابلهای معمولی مسی متمایز می‌کنند: ۱ - ظرفیت انتقال توان بالا. ۲ - امپدانس خیلی کم. ۳ -سادگی نصب و راه اندازی. ۴ - انتخاب گزینه محدود کننده جریان خودکار.
مک کال توضیح می‌دهد که ظرفیت انتقال بالا به کابلهای HTS با هر ولتاژی این مزیت را می‌دهد تا ۱۵۰ برابر توان را نسبت به سیمهای مسی مشابه انتقال دهد.

برعکس، این امکان وجود دارد که یک کابل HTS بتواند در ولتاژی کمتر، نسبت به کابلهای مسی، کار کند. به عنوان مثال، یک کابل ۱۵ کیلوولت HTS می‌تواند ۱۰۰ مگاوات توان را انتقال دهد که برای انتقال این توان با کابلهای مسی باید از کابلی با ولتاژ ۶۹ کیلوولت استفاده کنیم.
امپدانس کمتر کابلهای HTS، در مقایسه با کابلهای مسی، سبب می‌شود که تلفات کمتری در شبکه داشته باشیم. در یک شبکه کابل HTS به دلیل امپدانس کمتر جریان مسیرهای موازی خود را به خود جذب می‌کند و توان تلف شده در کابلهای موازی خود را نیز کاهش می‌دهد. البته توان استفاده شده در سیستم خنک کننده کابلهای HTS مقداری از این مزیت را خنثی می‌کند.

براساس اظهارات مک کال، ۲ مشخصه کابلهای HTS در کنارهم نیازهای نصب آن‌ها را کاهش می‌دهند. اولین مشخصه این است که کابلهای HTS میدان مغناطیسی اندکی تولید می‌کنند. این امر نیازهای عملیاتی را کاهش می‌دهد و نیاز به کم کردن ظرفیت [ ۱]کابل‌ها را هنگامی که قرار است در کنار دیگر کابل‌ها یا در کانالهای زیرزمینی قرارگیرند برطرف می‌سازد. مزیتهای زیست محیطی و عمومی ناشی از فقدان میدانهای مغناطیسی نیز اینجا ظاهر می‌شوند. در ثانی، هنگامی که کابل‌ها در لفاف سیستم خنک کننده قرارمی گیرند نیازی نیست تا ظرفیت کابل را به دلیل دفن در خاک، عمق و... کمتر از حد استاندارد در نظر بگیرند. بنابر این، کابلهای HTS در مکانهایی که حق مالکیت صاحبان اماکن به دارندگان شبکه برق فشار می‌آورند بهترین گزینه هستند.
مک کال اشاره می‌کند که یک اختراع مهم دیگر شرکت او طراحی کابلهایی با امکان محدود کردن جریان خطا هستند. این کابل‌ها در هنگام کار امپدانس بسیار اندکی دارند، اما هنگامی که خطایی در شبکه رخ می‌دهد و جریانهای اتصال کوتاه زیادی باید از کابل عبور کنند کابلهای HTS مقاومت بسیار زیادی از خود نشان می‌دهند که منجر به کم شدن جریانهای اتصال کوتاه می‌شود.

یکی از مشخصات عجیب کابلهای HTS این است که این کابل‌ها حتما باید در دمای پایین کار کنند. در نتیجه این نیاز، کابلهای HTS به گونه‌ای طراحی شده اند که یک سیستم ویژه خنک کننده دائما از آن پشتیبانی کند.
مک کال می‌گوید:" تمام مواد ابررسانای شناخته شده دو وضعیت عادی و ابررسانا دارند. برای رسیدن به خاصیت ابررسانایی ماده باید در دمایی زیر دمای بحرانی خود قراربگیرد، جریانی کمتر از جریان بحرانی را عبور دهد و در محیطی با میدان مغناطیسی کمتر از میدان مغناطیسی بحرانی کارکند. سیستم خنک کننده‌ای باید در کابل وجود داشته باشد تا نیاز مواد ابررسانا را به دمای پایین تأمین کند. در کابلهای HTS نیتروژن مایع بین لایه‌های کابل جریان دارد تا آن‌ها را به زیر دمای منفی ۲۰۰ درجه سانتیگراد برساند و به علاوه به عنوان یک عایق بین لایه مرکزی و لایه‌های بیرونی‌تر کابل عمل کند.

یک کابل HTS از چند سیم هم محور ابررسانا تشکیل شده است و عایق ایزولاسیون الکتریکی مغزی کابل را به همراه ماده خنک کننده انجام می‌دهد. این روش به طراحی "عایق سرد هم محور" معروف است. این کابل توسط نکسان، یکی از بزرگترین تولید کنندگان کابل در جهان، طراحی و ساخته شده است.

 

 

 نیتروژن مایعی که بین سیمهای کابل HTS جریان دارد می‌تواند آن‌ها را تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد زیر صفر خنک کند. نیتروژن مایع از فرآیند مایع سازی هوا گرفته می‌شود.

از آزمایشگاه تا دنیای واقعی

شرکتهای توزیع برق آمریکا استفاده از کابلهای HTS را آغازکرده اند. مک کال می‌گوید:" کابلهای ما مزیتهای خود را در شبکه‌های برق اثبات کرده اند و اکنون در شبکه‌ها مورد استفاده قرارمی گیرند. در طی دو سال گذشته ۳ کابل HTS در آمریکا برقدار شده اند. امروزه کابلهای سوت وایر تا ۳۰۰۰ آمپر را تحت ولتاژ ۱۳. ۲ کیلوولت در کلمبوس اوهایو انتقال می‌دهد. در سال ۲۰۰۶ شبکه برق سراسری در آلبانی نیویورک یک شبکه توزیع HTS را برقدارکرد. دو کابل HTS نیز در کره و چین نصب شده اند.
در آوریل ۲۰۰۸، شرکت لیپا اولین شبکه انتقال HTS تجاری جهان را نصب و برقدارکرد. کابل ۱۳۸ کیلوولت طراحی شده توسط نکسان به طول نیم مایل توسط لیپا نصب شد و قویترین شبکه HTS جهان را بوجود آورد.

 

 

شبکه نصب شده توسط لیپا با ۵۷۴ مگاوات توان قادر است تا مصرف برق ۳۰۰ هزار مصرف کننده خانگی و تجاری را در ناسائو و سوفولک کانتی نیویورک تأمین کند. این خط ۱۳۸ کیلوولتی دارای ۳ کابل جداگانه HTS می‌باشد که به صورت موازی با هم کار می‌کنند و در آوریل ۲۰۰۸ رسما به شبکه پیوسته اند.

 

براساس اظهارات مک کال شرکت کون اد در حال نصب یک شبکه با ظرفیت ۴۰۰۰ آمپر به همراه محدود کننده خودکار جریان در مانهاتان نیویورک می‌باشد و شرکت انترژی در مراحل اولیه نصب یک خط به ظرفیت ۲۰۰۰ آمپر در نیواورلئان است.

مک کال اشاره می‌کند که کابلهای HTS نیازهای ویژه‌ای دارند که برای کابلهای معمولی درنظرگرفته نمی‌شوند. شبکه‌ای که از این گونه کابل‌ها استفاده می‌کند باید دارای پستهای ثابتی باشند تا دسترسی به تعمیرات دوره‌ای سیستم خنک کننده را تضمین کنند. در کابلهای دارای محدودیت جریان خودکار باید تنظیم رله‌های حفاظتی شبکه به دقت انجام گیرد و امپدانسهای کابل در حالت وجود خطا کاملا درنظرگرفته شود. درعوض نیازی نیست تا ضرایب کم کردن جریان را در هنگام نصب در کانال‌ها و یا زیر زمین بر این کابل‌ها اعمال کنیم.
او تأکید می‌کند که محصولات شرکتشان را می‌توان در هر جای شبکه‌های انتقال بکارگرفت. سیستم HTS عبارت است از کابلها، کابلشوها، سیستم خنک کننده و کنترلرهای مربوطه. به صورت عمومی، کابلهای HTS باید در پستهای برق به کابلشوهایی وصل شوند که از کابلشوهای عادی بکارگرفته شده در کابلهای مسی بزرگتر می‌باشند. در پستهای برق باید فضای مورد نیاز برای سیستم خنک کننده نیز در نظر گرفته شود.

مک کال می‌گوید:" قیمت تمام شده کابلهای HTS امروزه خیلی گران است که علت عمده آن حجم تولید اندک آن‌ها می‌باشد. " او اضافه می‌کند که نسل دوم این کابل‌ها بسیار ارزانتر تمام خواهند شد و اگر هزینه کیلوآمپر-متر آن نسبت به کابلهای مسی سنجیده شود تولید انبوه آن حتی از کابلهای مسی نیز به صرفه‌تر خواهد شد.
قیمت کابلهای HTS باید با مزیتهای آن‌ها سنجیده شود. به عنوان نمونه، یک کابل HTS می‌تواند جانشین ۸ کابل مسی شود که نیاز به کندن خیابان‌ها را کاهش می‌دهد یا تعداد دژنکتورهای شبکه را کم می‌کند و تمامی این مزایا باید در هنگام بررسی پروژه در نظر گرفته شوند. هرچه کابلهای HTS بیشتری بکارگرفته شوند ظرفیت شبکه بالاتر می‌رود و در نتیجه قیمت کابل و سیستم خنک کننده کاهش خواهدیافت و ارزش اقتصادی سیستم بالاتر خواهدرفت.
مک کال می‌گوید: "درخواستهای اولیه خیلی باارزش خواهند بود. " او می‌افزاید:" کابلهای HTS در ابتدا باید ارزش خود را در محیط شهری، که به قدرت بالا نیاز است و مالکین اجازه عبور کابلهای قدرت را به سختی می‌دهند، نشان دهد. هر چه قیمت تولیدی کاهش پیداکند قدرت رقابت آن‌ها بیشتر و بیشتر خواهد شد به ویژه در فواصل کوتاه و متوسط با قدرت بالا که امروزه کابلهای زیرزمینی با ولتاژ بالا در آن‌ها بکارگرفته می‌شوند.

شبکه‌های قدرت آمریکا دوره‌ای از سرمایه گذاری و طراحی مجدد را در چند دهه آینده از سرخواهندگذراند. نیاز به اضافه کردن خطوط انتقال جهت اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر به شبکه سراسری بیشتر خواهدشد. به هرحال، افزایش ساده جمعیت یا نیازهای جدید صنعتی مانند استفاده از اتوموبیلهای برقی مصرف برق را در مناطق شهری به صورت معنی داری بالاخواهد برد و فشار بیش از اندازه‌ای را به شبکه‌های برق وارد خواهد ساخت.
مک کال می‌گوید:" بزرگترین چالش در راه گسترش کابلهای HTS همانا مسئله آموزش و اطلاع رسانی به کارخانه هاست. بیشتر افرادی که درگیر برنامه ریزی و مهندسی پروژه‌ها هستند اطلاعاتی از ویژگی‌های منحصر به فرد و توانایی‌های کابلهای HTS ندارند.
دست کم در هر تأسیسات الکتریکی یک مشکل وجود دارد که استفاده از کابلهای HTS را شاید نه بهترین گزینه، اما گزینه‌ای باارزش و مناسب می‌سازد. تا زمانی که این کابل‌ها به عنوان جزء فعالی از شبکه‌های برق درنیایند گسترش واقعی تأسیسات و شبکه‌های انتقال رخ نخواهدداد.

این کابل‌ها ابتدا برای تقویت شبکه‌های برق شهری و افزایش قابلیت اعتماد و بالابردن ظرفیت تأسیسات بدون ساختن کردن پستهای برق جدید بکارخواهندرفت. این امر ممکن است که با استفاده از کابلهای HTS برای تزریق مقدار زیادی توان از خطوط انتقال به مراکز مصرف ادامه پیداکند. حذف تراکم شبکه‌های برق و خطوط پراکنده شده در مناطق قدم منطقی بعدی خواهد بود. به علاوه، انیستیتو تحقیقات برق قدرت قبلا استفاده از کابلهای HTS را برای انتقال جریان مستقیم (HVDC) تا فاصله ۶۰۰ مایل و با ظرفیت ۱۰ گیگاوات بررسی کرده است.

شرکتهای تولید کننده بهبود روشهای تولید کابل HTS را ادامه خواهد داد و همچنین ظرفیت هر کابل را بالا و بالاتر خواهند برد. همچنین کار بر روی روشهای خنک سازی مؤثرتر و کم هزینه‌تر دنبال خواهدشد. این ابداعات تا آنجا ادامه پیداخواهند کرد تا تقاضا برای این کابل‌ها افزایش پیداکند و کارخانه‌های بیشتری به تولید آن روی آورند.