توزیع انرژی الکتریکی

توزیع انرژی الکتریکی با سیستم های مختلفی صورت می گیرد. سیستم های توزیع انرژی الکتریکی یا شبکه های توزیع بر اساس قوانین محلی و منطقه ای طراحی می شوند. شبکه های توزیع عمومی شامل دو بخش فشار متوسط و فشار ضعیف بوده و تغذیه کننده ی بارهای کوچک هستند. با افزایش توان درخواستی یا دیماند باید از پست یا فیدرهای MV استفاده کرد. میزان توان ارائه شده به شکل MV براساس قوانین شرکت های توزیع تعیین شده و در ایران معمولا تا 7 مگاوات است. در توان های بالاتر باید تمهیدات لازم جهت اتصال به شبکه های فوق توزیع یا انتقال در نظر گرفته شود.

در شبکه توزیع می توان از ترانسفورماتورهای تکفاز یا سه فاز استفاده کرد. شبکه ی MV در برخی از کشورها به صورت چهار سیمه توزیع شده و می تواند ترانسفورماتورهای تکفاز را تغذیه کند. در سیستم های چهار سیمه معمولا شبکه ی فشار ضعیف وجود ندارد. در این کشورها، هر مشترک فشار ضعیف یک ترانسفورماتور تکفاز یا سه فاز داشته و مستقیم به بوشینگ های LV آن متصل می شود.

در تصویر زیر بخش سبز رنگ معرف شبکه توزیع است. در نظر داشته باشید که شبکه های توزیع دارای سطوح ولتاژی مختلف بوده و این مقادیر در تمام استانداردها یکسان نخواهد بود. در استاندارد IEC شبکه ی فشار متوسط بین 1 تا 35 کیلو ولت و در استاندارد ANSI بین 1 تا 100 کیلو ولت است.  در ادامه دو روش کلی توزیع شبکه ی MV در کشورهای آمریکایی و اروپایی با یکدیگر مقایسه خواهد شد.

توزیع انرژی الکتریکی در آمریکای شمالی و مرکزی

نحوه‌ی اجرای تاسیسات الکتریکی در آمریکای شمالی و مرکزی با اروپا متفاوت است. در آمریکا شبکه فشار ضعیف عملا وجود نداشته و ارائه‌ی اشتراک سه فاز به ساختمان‌ها در مناطق مسکونی به ندرت انجام می‌شود. توزیع انرژی در این مناطق با سطح فشار متوسط انجام شده که عکس شیوه‌ی توزیع فشار ضعیف در اروپا است. شبکه‌های فشار متوسط در آمریکای شمالی و مرکزی به صورت سه فاز و چهار سیمه توزیع می‌شوند. این شبکه در طول مسیر خود، ترانسفورماتورهای تکفاز متعددی را تغذیه می‌کند. اولیه‌ی ترانسفورماتورهای تکفاز دارای دو بوشینگ بوده که به یکی از فازهای MV و هادی خنثی متصل می شود. خروجی ترانسفورماتورهای تکفاز به شکل سه سیمه بوده و توسط کابل سرویس در اختیار مشترک قرار خواهد گرفت. در ادامه دیاگرام شبکه توزیع به همراه ساختار ترانسفورماتور تکفاز بررسی شده است.

مدل شبکه توزیع در آمریکا

در تصویر زیر دیاگرام توزیع انرژی الکتریکی با سطح ولتاژ MV و به شکل چهار سیمه را مشاهده می کنید. این شبکه از یک ترانسفورماتور با ولتاژ اولیه ی 13.8 کیلو ولت تغذیه می شود.  ثانویه ی ترانسفورماتور اصلی به شکل ستاره ی زمین شده بوده و هادی خنثی آن در شبکه توزیع شده است. هادی خنثی یا نول در طول شبکه ی MV، بارها به زمین متصل خواهد شد. این حالت با اصطلاح اتصال زمین مکرر نیز شناخته می شود. خروجی ترانسفورماتور اصلی و شبکه ی متصل شده به آن دارای ولتاژ فازی و خطی 2.4 و 4.16 کیلو ولت است. در بالای تصویر قید شده است که ترانسفورماتورهای MV/LV نمایش داده شده در این شبکه دارای ساختمان یکسانی هستند.

اولین انشعاب از شبکه ی فوق شامل فازهای 2 و 3 به همراه هادی خثی است. این فرعی یک ترانسفورماتور توزیع تکفاز با ولتاژ اولیه ی 2.4 کیلو ولت را تغذیه می کند. اولیه ی ترانس به فاز شماره ی 3 و هادی خنثی متصل شده است. سیم پیچ فشار ضعیف ترانسفورماتور به شکل سه سیمه با ولتاژ 120/240 ولت می باشد. هادی خنثی یا نول بخش MV و LV در محل پست به صورت مشترک، زمین خواهند شد. اتصال زمین مکرر هادی خنثی از برقدار شدن آن هنگام تغذیه ی بارهای تکفاز جلوگیری می کند.

انشعاب دوم از شبکه ی MV شامل  فاز 1 و هادی خنثی است. این شبکه تنها یک ترانسفورماتور تکفاز را تغذیه می کند. توزیع انرژی در فرعی سوم با فاز 2 و هادی نول انجام شده است. با توجه به تغذیه ی ترانسفورماتورهای تکفاز در شبکه های چهار سیمه باید به تعادل جریان اهمیت داده شود. قرار دادن ترانس های تکفاز متعدد روی یک فاز می تواند جریان آن  را افزایش داده و شبکه را از حالت تعادل خارج کند.

ترانسفورماتور تکفاز

تبدیل ولتاژ در شبکه های MV چهار سیمه توسط ترانسفورماتورهای تکفاز انجام می شود. اولیه یا فشار قوی ترانس توزیع 1p-3wire بین یکی از فازها و هادی خنثی یا نول قرار می گیرد. سیم پیچ ثانویه‌ی این ترانسفورماتورها دارای خروجی میانی بوده و یک منبع تغذیه‌ی تکفاز سه سیمه به شکل 120/240 ولت ایجاد می کند. خروجی میانی ترانسفورماتور تکفاز نقش هادی خنثی یا نول را در شبکه‌ی فشار ضعیف دارد. هادی خنثی فشار ضعیف و هادی خنثی فشار متوسط در فواصل منظم به زمین متصل می‌شوند.

اتصال زمین هادی‌های خنثی به صورت Solid و بدون مقاومت انجام می‌شود. ترانسفورماتورهای تکفاز MV/LV معمولا یک یا چند ساختمان را به صورت مستقیم تغذیه می‌کنند. اتصال مصرف کننده‌های فشار ضعیف به ترانسفورماتور به صورت مستقیم با کابل سرویس یا شبکه‌ی هوایی انجام می‌شود. در کشورهای این منطقه مدل‌های زیادی از توزیع انرژی الکتریکی استفاده می‌شود ولی روش شرح داده شده بسیار رایج است.

حفاظت اولیه در ترانسفورماتورهای تکفاز با فیوز کات اوت انجام می شود. با توجه به محدود بودن توان این ترانس ها نیازی به سیستم های پیچیده مانند رله های ثانویه برای هر ترانس نیست. در خطوط چهار سیمه از حفاظت های دیگر مانند ریکلوزر و سکشنالایزر استفاده می شود. ریکلوزرها و دیگر ادوات حفاظت خطوط در شبکه های چهار سیمه می توانند عملکرد مجزا برای هر فاز یا عملکرد سه فاز داشته باشند. یکی از فانکشن های حفاظتی مهم در خطوط چهار سیمه مربوط به تشخیص قطع هادی خنثی یا نول است. قطع هادی نول باعث بروز مشکلات زیادی مانند خاموشی و تغییرات ولتاژ خواهد شد.

توزیع انرژی الکتریکی در اروپا

در کشورهای آمریکای شمالی معمولا هر مشترک یک ترانسفورماتور تکفاز با توان پائین داشته که با کابل سرویس به بوشینگ های LV آن متصل می شود. در این روش شبکه ی LV عمومی مانند کشورهای اروپایی و ایران احداث نمی شود. در ایران و اروپا توزیع انرژی با هردو سطح ولتاژ MV و LV صورت می گیرد. در این کشورها شبکه های فشار متوسط به شکل سه فاز-سه سیمه و شبکه های فشار ضعیف به شکل سه فاز-چهار سیمه طراحی شده اند. جهت اتصال به شبکه ی MV سه سیمه می توان از ترانسفورماتورهای سه فاز و دوفاز با تکنولوژی های مختلف استفاده کرد.

در پست های عمومی یک یا چند ترانس سه فاز نصب شده که خروجی یا فیدرهای متعددی دارند. خروجی های ترانس سه فاز با شبکه های زمینی یا هوایی در معابر عمومی توزیع خواهد شد. در این حالت یک پست توزیع می تواند تعداد زیادی مشترک را تغذیه کند. مشترکین متصل شده به شبکه های عمومی LV اغلب مسکونی، تجاری و یا صنعتی با توان پائین هستند.

در مناطق دور افتاده و فاقد پست های عمومی، می توان از ترانس های دوفاز نیز استفاده کرد. این ترانس در سمت اولیه دارای 2 بوشینگ بوده که باید به دوفاز شبکه ی MV متصل شود. خروجی این ترانس با ولتاژ 230 در اختیار یک مشترک فشار ضعیف با دیماند کوچک قرار می گیرد. این ترانس ها در شبکه ی توزیع با عنوان ترانس تکفاز نیز شناخته می شوند. با افزایش دیماند یا توان درخواستی، دیگر امکان استفاده از ترانس های تکفاز وجود نداشته و باید از مدل های سه فاز استفاده شود.

ترانس های تکفاز از نظر تکنولوژی، توان و ولتاژ خروجی در مدل های بسیار متنوعی تولید می شوند. از ترانس های با توان پائین جهت تامین تغذیه ی تجهیزات کنترلی و حفاظتی مانند ریکلوزرها و سکشنالایزرها نیز استفاده می شود.

مدل شبکه توزیع در اروپا

در دیاگرام زیر نحوه ی تبدیل ولتاژ سطح بالاتر مانند 132 کیلو ولت به سطح فشار متوسط در کشورهای اروپائی را مشاهده می کنید. جهت کاهش ولتاژ HV به MV از ترانس قدرت با ولتاژ و اتصالات متفاوتی استفاده می شود. به عنوان مثال در پست های فوق توزیع ولتاژ 63 کیلو ولت به 20 کیلو ولت تبدیل خواهد شد. در نظر داشته باشید که اصطلاح فوق توزیع در استانداردهای IEC و ANSI مشخص نشده و یک سطح ولتاژ قرار دادی است. تبدیل ولتاژ MV می تواند با ترانسفورماتورهای دیگری به صورت مستقیم از ولتاژ انتقال نیز انجام شود.

در قسمت اول دیاگرام قید شده است که در ولتاژهای بالاتر از 72.5 کیلو ولت در پست‌های کشورهای اروپایی استفاده از سیم پیچ اولیه‌ی ستاره‌ی زمین شده با ثانویه‌ی مثلث معمول است. در این پست‌ها به منظور ایجاد نقطه‌ی خنثی در سمت ثانویه از یک راکتور زیگزاگ استفاده می‌شود. نقطه‌ی ستاره‌ی این ترانس توسط مقاومت به زمین متصل خواهد شد. راکتور زمین اغلب دارای یک سیم پیچ ثانویه‌ی سه فاز برای تامین مصرف داخلی پست نیز می‌باشد. این راکتور معمولا با عنوان ترانسفورماتور ارتینگ یا زمین شناخته می‌شود. ترانس های قدرت ممکن است دارای سیم پیچ سوم یا ثالثیه نیز باشند.

خروجی ترانسفورماتور HV/MV به شکل سه سیمه توزیع خواهد شد. این شبکه با عنوان های مختلفی مانند فیدر فشار متوسط، شبکه فشار متوسط، شبکه توزیع یا Mv Distribution Network نیز شناخته می شود. جهت تبدیل ولتاژ MV به سطح پائین تر یعنی فشار ضعیف می توان از ترانسفورماتورهای سه فاز و دوفاز استفاده کرد. ترانسفورماتورهای سه فاز در شبکه ی MV اغلب دارای اتصال مثلث به ستاره هستند. مرکز ستاره یا نوترال یا نول ترانس در سمت LV باید به صورت مستقیم و بدون هر گونه مقاومت به زمین متصل گردد. اتصال زمین در خروجی ترانس های دوفاز نیز صادق است. طبق تصویر یکی از هادی های ثانویه به زمین متصل شده و با عنوان نوترال، خنثی یا نول استفاده می شود.

مقایسه توزیع انرژی در اروپا و آمریکا

در تصویر زیر دیاگرام شبکه توزیع آمریکا و اروپا را مشاهده می کنید. دیاگرام سمت چپ مربوط به آمریکای شمالی با شبکه توزیع یا MV چهار سیمه است. سمت راست شبیه به شبکه توزیع ایران بوده که به شکل سه فاز-سه سیمه احداث می شود.

خصوصیات کلی دو نوع شبکه توزیع انرژی الکتریکی در کشورهای آمریکایی و اروپایی عبارتنداز:

• در آمریکای شمالی و مرکزی ترانسفورماتورها کوچک و تکفاز هستند.
• سیستم توزیع آمریکای شمالی و مرکزی شامل شبکه ی MV با تعداد زیادی ترانس کوچک MV/LV است.
• در آمریکا مشترکین به صورت مستقیم با کابل سرویس یا شبکه‌ی هوایی به ترانسفورماتور متصل می‌شوند.
• در اروپا ترانسفورماتورها با قدرت بالا و به صورت سه فاز هستند.
• در اروپا هر پست توزیع قادر است ولتاژ LV را در منطقه‌ای با شعاع تقریبی 300 متر تامین کند.
• در اروپا مشترکین به تابلوی LV داخل پست، لینک باکس‌های داخل منهول، تابلو‌های توزیع فرعی یا شبکه های هوایی متصل می‌شوند.