بررسی گذراهای الکترومغناطيسی در کابل‌های قدرت

براي مدت بيش از يک قرن، خطوط هوايي[1] متداولترين واسط انتقال انرژي الکتريکي در تمامي سطوح ولتاژ و بخصوص در شبکه‌هاي فشار قوي (سيستمهاي انتقال) بوده‌اند. با اين وجود، مشاهده شده است که در سالهاي اخير طول و تعداد شبکه‌هاي کابلي در کشورهاي مختلف و بويژه در دانمارک، ژاپن و انگلستان، رشد چشمگيري يافته است. همزمان، روند رو به گسترش احداث نيروگاه‌هاي بادي در کرانة درياها که عمدتاً توسط کابل‌هاي ولتاژ بالاي AC  به شبکه‌هاي ساحلي متصل مي‌شوند، باعث گسترش روز افزون شبکه‌هاي کابلي گرديده است.

توسعة شبکه‌هاي کابلي جريان متناوب، انجام مطالعات حالت گذرا در اين سيستمها را نيز ضرورت بخشيده است. مطالعة حالات گذرا پيشينه‌اي به اندازة عمر سيستمهاي قدرت دارد. در ابتدا، مطالعة حالات گذراي سيستم‌هاي قدرت تنها به روش تحليلي انجام مي‌گرفت. استفاده از روشهاي تحليلي برای مطالعات حالات گذرا، باعث شده بود تا اين مطالعات منحصر به بررسی تعدادی از پديده‌هاي مهم و بنيادي شود.  با اين وجود، توسعة ابزارهاي مبتني بر کامپيوتر و بويژه بهبود سرعت و قابليتهاي نرم‌افزارهاي کامپيوتري، تجزيه و تحليل حالات گذراي پيچيده‌تر و نادرتر را هم ميسّر نمود.

بررسي پديده‌هاي گذرا از مدتها پيش بعنوان يک شاخة علمي تلقي شده و براي مثال کتاب “گذراهاي الکتريکي در سيستمهاي قدرت آقاي Greenwood” ، حدود 40 سال پيش تأليف شده است. با اين وجود، نقص بيشتر کتابهاي تأليف شده در اين زمينه آن است که از بررسي گذراهاي الکترومغناطيسی در کابل‌هاي جريان متناوب صرفنظر نموده‌اند. دليل اين موضوع هم کاربرد محدود کابل‌هاي جريان متناوب در سالهاي گذشته بوده است.

در اين کتاب، انواعي از گذراهاي الکترومغناطيسی (الکتريکی) که وقوع آنها در حين بهره‌برداري از کابل‌هاي جريان متناوب محتمل است، بررسي شده‌اند. کتاب بصورت يک “کتاب درسي” تأليف شده و در تدوين آن سعي شده است تا توضيحات مشروحي در خصوص پديده‌هاي مختلف گذرا بيان شده و سناريوهاي متنوعي از شکل‌گيري آنها ارائه گردد. ديدگاه مؤلفين آن بوده است که چنين رهيافتي موجب فهم بهتر اصول فيزيکي شده و در نتيجه خوانندگان محترم مي‌توانند مسائل تئوريک مطرح شده در کتاب را با پديده‌هاي عملي مختلفي که در هنگام بهره‌برداري از کابل‌ها‌ رخ مي‌دهد، تطبيق دهند.

يکي از مباحثی که در اين کتاب بررسی نشده است، روشهاي اندازه‌گيري گذراهاي الکتريکي است. روش اندازه‌گيري پديده‌هاي گذرا در کابل‌ها، به نوع پديدة اندازه‌گيري شونده، تجهيزات موجود و اين که چه نقاطي از کابل در معرض دسترسي قرار دارند، وابسته است. به همين دليل، خوانندگان محترم، براي کسب اطلاعات بيشتر مي‌توانند به مقالات فني و پايان نامه‌هايي که در اين خصوص تأليف شده است مراجعه نمايند.

با اين حال، مطالعة کتاب اخير نه تنها براي دانشجويان، بلکه براي مهندسيني که نياز به درک چالشها و مشکلات رايج در بهره‌برداري کابل‌های قدرت دارند نيز سودمند خواهد بود. به ويژه، مطالعة اين کتاب براي مدلسازي شبکه جهت انجام مطالعات حالات گذرا بسيار مفيد خواهد بود.

در فصل اول کتاب، تحت عنوان “توصيف اجزا”، لايه‌هاي مختلف کابل و وظيفة هر يک از آنها تشريح شده است. همچنين نحوة محاسبة پارامترهاي الکتريکي کابل شامل مقاومت، اندوکتانس، ظرفيت خازني و امپدانسهاي مؤلفة مثبت و مؤلفة منفي ارائه گرديده است. بعلاوه، نحوة اصلاح مشخصات فني ارائه شده براي کابل‌ها جهت انجام محاسبات دقيقتر، در همين فصل تبيين گرديده است.

در ادامة فصل، آرايشهای مختلف براي ‌هم‌بندي شيلد الکترومغناطيسي کابل‌ها (شامل ‌‌هم‌بندي در هر دو انتها[2] و ‌‌هم‌بندي ضربدري[3]) و روشهاي محاسبه و تخمين حداکثر جريان کابل‌های نصب شده (مدفون شده) در انواع (جنسهای) مختلف زمين (بر اساس محاسبات تبادل حرارتي) بررسي گرديده است.

همچنين، در انتهاي فصل اول، رآکتور موازی (شانت) که يکي از مهمترين المانهاي مورد استفاده در شبکه‌هاي کابلي است، تشريح شده و اثرات آن بعنوان يک عنصر مصرف کنندة توان رآکتيو  (که اين توان رآکتيو در کابل‌ها توليد مي‌شود) بررسي گرديده است.

در فصل دوم، تحت عنوان “گذراهاي ناشي از کليدزني در مدارات ساده”، اصول تبديل لاپلاس و نحوة کاربرد آن در مطالعة پديدة کليدزني در مدارات ساده‌، که داراي ترکيبي از منابع تغذية  AC و DC و بارهاي RL، RC و RLC هستند، تشريح شده است.

به عبارت ديگر، در اين فصل نحوة مطالعة تحليلي سيستمهاي ساده بيان شده است. اصول استخراج شده از اين فصل، در فصول بعدي کتاب، که به مطالعة پديده‌هاي گذراي پيچيده‌تر اختصاص دارند، مورد استفاده قرار گرفته است.

در فصل سوم، تحت عنوان “امواج سيار[4] و حوزة مودال[5] “، معادلات تلگرافچي[6] و نحوة محاسبة ماتريسهاي امپدانس حلقه و شاخه و ماتريس ادميتانس‌هاي موازي کابل، به صورت تابعي از فرکانس، تشريح شده است. همچنين، مودهاي مختلف کابل (تحليل مودال[7])، نحوة محاسبة امپدانس و سرعت هر مود و در انتها شکل وابستگي آنها به فرکانس، در اين فصل مطالعه مي‌گردد. کسب دانش “تحليل مودال” در بررسي پديده‌هاي گذراي کابل‌ها از اهميت فوق‌العاده‌اي برخوردار است. ممکن است خواننده اين طور تصور کند که چون در بيشتر موارد از نرم‌افزارهاي موجود براي تحليل مودال استفاده مي‌شود، پس همين که برنامه نويسان چنين نرم‌افزارهايي بر تئوري مودال مسلط باشند، کفايت خواهد نمود. با اين وجود، درک تعدادي از پديده‌هاي گذرا منوط به کسب دانش حداقلی در خصوص تئوري مودال خواهد بود. بر همين اساس، در اين فصل توضيحات مبسوطي در خصوص تحليل مودال ارائه شده است. در همين فصل، طيف فرکانسي کابل در آرايشها و هم‌بنديهاي مختلف قابل استفاده برای شيلد الکترومغناطيسي نيز مطالعه مي‌شود.

در فصل سوم، تحت عنوان “پديده‌هاي گذرا”، چندين پديدة الکترومغناطيسي گذرا که امکان وقوع آنها در کابل‌ها وجود دارد، تشريح شده‌اند. بر همين اساس، فصل اخير با بررسي پديدة برقدار کردن کابل[8] (براي شيلدهاي ‌هم‌بندي شده در دو انتها و شيلدهاي ‌‌هم‌بندي شده بصورت ضربدري) آغاز شده و شکل موج‌ها براي سناريوهاي مختلف وقوع گذرا ارائه خواهند شد. در ادامه، نحوة استفاده از تئوري مودال براي تشريح انواع گذراها توضيح داده مي‌شود. پس از آن، ساير پديده‌هاي گذرا نظير برقدار کردن دو کابل موازي، از دست رفتن نقطة گذر از صفر جريان[9] (به دليل مؤلفة DC جريان)، ولتاژ گذراي بازگشتي [10]و قوس مجدد [11] تشريح خواهند شد.

خطوط ترکيبي هوايي و کابلي [12] هم در طي همين فصل بررسي شده‌اند. در اين فصل، شرح داده شده است که چگونه مقدار اضافه ولتاژها در برخي ساختارهاي خاص (ترکيبي از خطوط هوايي و کابلي) افزايش قابل توجهي مي‌يابند. همچنين تأثير آرايش ‌هم‌بندي شيلد کابل‌ها بر دامنة اضافه ولتاژها در اين فصل مطالعه شده است. در ادامه، تعامل بين ظرفيت خازني کابل‌ها و ترانسفورماتورها (که عناصري القايي هستند) بررسي شده و سناريوهاي محتمل وقوع رزونانس و فرورزونانس بررسي خواهد شد.

در پايان اين فصل، پديدة اتصال کوتاه کابل‌ها، که به دليل امکان بازگشت جريان از شيلد کابل با مکانيزم اتصال کوتاه در خطوط هوايي تفاوت دارد، بررسي گرديده است. نشان داده خواهد شد که آرايشهای مختلف شيلد کابل، هم مقدار دامنة جريان اتصال کوتاه و هم مقدار ولتاژ گذرای بازگشتي را تحت تاثير قرار مي‌دهند.

فصل پنجم، تحت عنوان “مدلسازي سيستم و هارمونيکها”، با پيشنهاد روشی براي انتخاب قسمتی از شبکه که مدلسازی آن ضروری است، آغاز مي‌شود. اين روش، در مطالعة برقدار کردن کابل‌ها و اضافه ولتاژهاي گذرای بازگشتي کاربرد داشته و طبعاً داراي يکسري محدوديتهاست که در همين فصل بدان پرداخته شده است. بعلاوه، تکنيک جديدي جهت انجام محاسبات مورد نياز براي مطالعات طيف فرکانسي ارائه شده است که موجب مي‌شود طيفهای فرکانسي در زمان کوتاه‌تري محاسبه شوند.

در ادامة اين فصل نيز روشي نظام‌مند براي مطالعات هماهنگي عايقي خطوط انتقال پيشنهاد شده است. همچنين، فرضيات مدلسازي، شامل ميزان دقت و جزئيات مورد نياز براي مدلسازي مورد بررسي قرار گرفته است. در نهايت، اين فصل با ارائة يک مثال جامع و گام به گام در خصوص نحوة استفاده از روش پيشنهادي، خاتمه يافته است.

[1] -Overhead Lines

[2] -Both ends bonding

[3] -Cross bonding

[4] -Travelling waves

[5] -Modal domain

[6] -Telegrapher equations

[7] -Modal A\analysis

[8]-Cable energization

[9] -Zero missing

[10]-Transient Recovery Voltage (TRV)

[11] -Restrike

[12]-Hybrid Cable-OHLs