نام و نام خانوادگی :

عنوان تحقیق کارآموزی:

طراحی پست 

نام مسئول کارآموزی:

نام استاد کارآموزی:

مقدمه:

مهندسی برق قدرت

مهندسی برق قدرت (Power engineering) یکی از زیر شاخههای اصلی مهندسی برق است که با سیستمهای قدرت به ویژه تولید, انتقال, توزیع توان الکتریکی, تبدیل انرژی الکتریکی به شکلهای دیگر انرژی و تجهیزات الکترومکانیکی سروکار دارد. این رشته همچنین شامل راهاندازی و تعمیر و نگهداری سیستمهای حرارتی برودتی و تجهیزات تولید توان الکتریکی مانند ژنراتورها و دیگر تجهیزات الکتریکی مورد استفاده در صنایع و یا ساختمانها بزرگ نیز میشود. شناسایی دیگر منابع جدید انرژی الکتریکی نیز از زیر شاخههای این رشته‌است.

برق قدرت

همانطور که در بالا اشاره شد عمده مباحث در مهندسی برق قدرت بر تولید, انتقال و توزیع انرژی الکتریکی و برخی تجهیزات مصرف کننده انرژی الکتریکی استوار است, که این خود شامل ترانسفورماتورها, ژنراتورها, موتورهای الکتریکی و تجهیزات الکترونیک قدرت است.

در بسیاری از کشورهای جهان, دولت شبکهای الکتریکی را به منظور اتصال کلیه مولدها و مصرف کنندههای الکتریکی راهاندازی میکند. این شبکه در اصطلاح «power grid» نامیده میشود. به وسیله این شبکه مصرف کنندههای الکتریکی میتوانند بدون متحمل شدن سختیها و هزینههای مربوط به تولید برق به صورت جداگانه, برق را از شبکه خریداری نمایند. در این میان یکی از وظایف مهندسین برق قدرت, طراحی و نگهداری شبکههای الکتریکی و مصرف کنندههای متصل شده به شبکه‌است. تجهیزات متصل شده به شبکه الکتریکی دراصطلاح «on-grid» نامیده میشوند. این تجهیزات میتوانند به شبکه, توان الکتریکی تزریق کرده یا برعکس از آن توان دریافت کنند یا حتی, هر دو کار را با هم انجام دهند.

مهندسین قدرت, فعالیتهایی را در زمینهی تجهیزات جدای از شبکه یا تجهیزات «off-grid» نیز انجام میدهند. دلیل استفاده نکردن از شبکه دراین نوع مصرف کنندهها عموماً ثابت نبودن این مصرف کنندههاست به صورتی که هزینه اتصال برای آنها در هر جابهجایی, امکان وصل به شبکه را برای آنها غیر ممکن میکند.

امروزه بیشتر شبکههای الکتریکی از توان الکتریکی به صورت سه فاز متناوب استفاده میکنند که دلیل اصلی این انتخاب سهولت در تولید, انتقال و توزیع انرژی الکتریکی بدین صورت است. البته معمولاً در مصرف کنندههای کوچک توزیع به صورت تک فاز صورت میگیرد که این به دلیل ضروری نبودن وجود سه فاز و همچنین ایمنی بیشتر برای این مصرف کنندههاست. با این وجود در صنایع و مصرف کنندههای توان بالا برای بالا بردن بهره بری و استفاده از موتورهای سه فاز, انرژی الکتریکی به صورت سه فاز توزیع میشود.

نقش ترانسفورماتور در سیستمهای انتقال بسیار مهم است چرا که ترانسفورماتورها درسیستم قدرت وظیفه تغییر دامنه ولتاژ را بر عهده دارند .افزایش ولتاژ به وسیله ترانسفورماتور به کاهش جریان میانجامد و طبق قانون توان الکتریکی (که توان با مجذور جریان متناسب است ) با کاهش جریان تا حد امکان میتوان تلفات را تا حد قابل ملاحظهای کاهش داد, بنابراین افزایش ولتاژ در خطوط انتقال به کاهش تلفات و درنتیجه افزایش بهره وری خطوط انتقال میانجامد.

بنا به دلایل گفته شده در بالا, پستهای تغییر ولتاژ در سراسر شبکههای الکتریکی وجود دارند. این پستها ولتاژ را در نزدیکی مولدها افزایش داده و سپس با نزدیک شدن به مناطق مسکونی و یا مصرف کنندهها برای ایمنی مصرف کننده دوباره ولتاژ را در چند مرحله کاهش میدهند.

اجزا

مهندسی قدرت معمولاً به سه زیر شاخه اصلی تقسیم میشود:

 تولید

نوشتار اصلی: تولید انرژی الکتریکی

پدیده کرونا

پدیده کرونا :
یکی از پدیده هایی که در ارتباط با تجهیزات برقدار از جمله خطوط انتقال فشار قوی مطرح می شود، کرونا است. میدان الکتریکی در نزدیکی ماده رسانا می تواند به حدی متمرکز شود که هوای مجاور خود را یونیزه نماید. این مسئله می تواند منجر به تخلیه جزئی انرژی الکتریکی شود، که به آن کرونا می گویند. عوامل مختلفی ازجمله ولتاز، شکل و قطر رسانا، ناهمواری سطح رسانا، گرد و خاک یا قطرات آب می تواند باعث ایجاد گرادیان سطحی هادی شود که در نهایت باعث تشکیل کرونا خواهد شد. در حالتی که فاصله بین هادی ها کم باشد، کرونا ممکن است باعث جرقه زدن و اتصال کوتاه گردد. بدیهی است که کرونا سبب اتلاف انرژی الکتریکی و کاهش راندمان الکتریکی خطوط انتقال می گردد. پدیده کرونا همچنین سبب تداخل در امواج رادیویی می شود.

تعریف کرونا

تخلیه الکتریکی ایجاد شده به علت افزایش چگالی میدان الکتریکی ، کرونا نام دارد. در حالی که این تعریف بسیار کلی است و انواع پدیده کرونا را شامل می شود.

ولتاژ بحرانی

گرادیان ولتاژی که سبب شکست الکتریکی در عایق شده و به ازای آن، عایق خاصیت دی الکتریک خود را از دست می دهد، گرادیان ولتاژ بحرانی نامیده می شود. همچنین ولتاژی را که سبب ایجاد این گرادیان بحرانی می شود ولتاژ بحرانی می نامند.

ولتاژ مرئی کرونا

هرگاه ولتاز خط به ولتاژ بحرانی برسد، یونیزاسیون در هوای مجاور سطح هادی شروع می شود. اما در این حالت پدیده کرونا قابل روئیت نمی باشد. برای مشاهده کرونا، سرعت ذرات الکترون ها در هنگام برخورد با اتم ها و مولکول ها باید بیشتر باشید یعنی ولتاژ بالاتری نیاز است.

ماهیت کرونا

هنگامی که میدان الکتریکی سطح هادی از ولتاژ بحرانی بیشتر شده باشد، بهمن الکترونی بوجود خواهد آمد که بوجود آورنده تخلیه کرونای قابل روئیت در سطح هادی است. همواره تعداد کمی الکترون آزاد در هوا به علت مواد رادیو اکتیو موجود در سطح زمین و اشعه کیهانی، وجود دارد. زمانی که هادی در هر نیمه از سیکل ولتاژ متناوب برقدار می شود، الکترون های هوای اطراف سطح آن بوسیله میدان الکترواستاتیک شتاب پیدا می کند. این الکترون ها که دارای بار منفی هستند در نیمه مثبت به طرف هادی شتاب پیدا می کنند و در نیمه منفی از آن دور می شوند. سرعت الکترون آزاد بستگی به شدت میدان الکتریکی دارد. اگر شدت میدان الکتریکی خیلی زیاد نباشد برخورد بین الکترون و مولکول هوا نظیر O2 و یا N2 نرم خواهد بود به این معنی که الکترون از مولکول هوا دور شده و به آن انرژی نمی دهد. به عبارت دیگر اگر شدت میدان الکتریکی از یک مقدار بحرانی معین بیشتر باشد، هر الکترون آزاد در این میدان سرعت کافی بدست می آورد به طوری که برخوردش با مولکول هوا غیر الاستیک خواهد بود و انرژی کافی بدست می آورد که به یکی از مدارهای الکترون های دو اتم موجود در هوا برخورد کند. این پدیده یونیزاسیون نام دارد و مولکولی که این الکترون از دست می دهد تبدیل به یک یون مثبت می شود. الکترون نخستین که بیشتر سرعتش را در برخورد از دست داده و الکترونی که مولکول هوا را رانده است هر دو در میدان الکتریکی شتاب می گیرند و هر کدام از آنها در برخورد بعدی توانایی یونیزه کردن یک مولکول هوا را خواهند داشت. بعد از برخورد دوم 4 الکترون به جلو می آیند و به همین ترتیب تعداد الکترون ها بعد از هر برخورد دو برابر می شود. در تمام این مدت الکترون ها به سمت الکترود مثبت می روند و پس از برخوردهای بسیار تعدادشان بطور چشم گیری افزایش می یابد. این مسئله فرایندی است به وسیله آن بهمن الکترونی ایجاد می شود، هر بهمن با یک الکترون آزاد که در میدان الکترواستاتیک قوی قرار دارد آغاز می شود. شدت میدان الکترواستاتیک اطراف هادی همگن نیست. ماکزیموم شدت آن در سطح هادی و میزان شدت با دور شدن از مرکز هادی کاهش می یابد. بنابراین با افزایش ولتاژ هادی در ابتدا تخلیه الکتریکی فقط در سطح بسیار نزدیک ان رخ می دهد. در نیمه مثبت ولتاژ الکترون ها به سمت هادی حرکت می کنند و هنگامیکه بهمن الکترونی ایجاد شد بطرف سطح هادی شتاب می گیرند. در نیمه منفی، بهمن الکترونی از سطح هادی به سمت میدان ضعیف تر جاری می شود تا هنگامی که میدان آنقدر ضعیف شود که دیگر نتواند الکترون ها را شتاب دهد تا به سرع یونیزاسیون برسند. یون های مثبت باقی مانده در بهمن الکترونی به طرف الکترود مثبت حرکت می کنند. با این وجود به دلیل جرم زیادشان که 50000 برابر جرم الکترون است بسیار کند حرکت می کنند. با داشتن بار مثبت این یون ها، الکترون جذب کرده و هرگاه یکی از آنها بتواند الکترون جذب نماید دوباره تبدیل به مولکول هوای خنثی می شود. سطح انرژی یک یون خنثی کمتر از یون مثبت مربوطه است و در نتیجه با جذب الکترون مقداری انرژی از مولکول منتشر می شود. انرژی آزاد شده درست به اندازه انرژی نخستین است که لازم بود برای جدا کردن الکترون از مولکول استفاده گردد. این انرژی بصورت موج الکترومغناطیس منتشر می شود و برای مولکول های O2 و N2 در طیف نور مرئی قرار دارد.

بهترین زمان برای مشاهده کرونا

کرونا در فضای آزاد بعد از یک روز بارانی تا قبل از زمانی که سطوح برقدار خشک شده باشند قابل مشاهده است. پس از خشک شدن کرونا مشاهده نمی شود. نقاط در معرض کرونا با رطوبت خود را بهتر نشان می دهند. باد می تواند فعالیت کرونا را کاهش دهد. کرونا می تواند در اثر قندیل هم ایجاد شود. موتورهای الکتریکی، ژنراتورها و تابلو های داخلی می توانند کرونای شدید تری ار وسایل خارجی پست ها ایجاد نمایند. تشکیل هوای یونیزه در فضای بسته و عدم حرکت هوا پدیده کرونا را تسریع می کند و ولتاژهایی را ایجاد می کند که در ان کرونا رخ دهد موتورها و ژنراتور ها می توانند با توجه به وجود فن های خنک کننده شان هوایی با فشار های گوناگون ایجاد کنند.

آشکار شدن کرونا

صدای هیس مانند قابل شنیدن، ازن، اسید نیتریک (در صورت وجود رطوبت در هوا ) که بصورت گرد کدر سفید جمع می شود و نور (قوی ترین تشعشع در محدوده ماوراء بنفش و ضعیف ترین ان در ناحیه نور مرئی و مادون قرمز که می تواند با چشم غیر مسلح نیز در تاریکی با دوربین های ماوراء بنفش دیده شود) از نشانه های کرونای الکتریکی می باشند. تخلیه بار ناشی از بهمن الکترونی در آزمایشگاه، به سه طریق مختلف مشاهده می شود. بهترین راه تشخیص کرونای مرئی است که به صورت نور بنفش از نواحی با ولتاژ اضافی ساطع می شود.

دومین راه شناسایی کرونای صدادار است که در حالی که شبکه مورد مطالعه در ولتاژی بالاتر از آستانه کرونا باشد صدایی به صورت هیس هیس قابل شنیدن است. امواج صوتی تولید شده به وسیله اغتشاشات موجود در هوای مجاور محل تخلیه بار، به وسیله حرکت یون های مثبت به وجود می آیند.


سومین و مهمترین راه مشاهده از نظر اثرات الکتریکی است که منجر به اختلال رادیویی می شود. حرکت الکترون ها (بهمن الکترونی) سبب ایجاد جریان الکتریکی و در نتیجه به وجود آمدن میدان مغناطیسی و الکترواستاتیکی در مجاورت ان می شود. شکل گیری سریع و انی بودن این میدان ها ولتاز فرکانس بالایی در نزدیک آنتن رادیویی القا می کند و منجر به اختلال رادیویی می شود.

انواع کرونا

سه نوع مختلف از کرونا وجود دارد که در نمونه تست EHV در آزمایشگاه مشخص می شود: تخلیه پر مانند، تخلیه قلم مویی و تخلیه تابشی.
تخلیه پر مانند، دیدنی ترین آنهاست و علت نامگذاری هم این است که به شکل پر تخلیه می شود. زمانیکه در تاریکی مشاهده شود دارای تنه متمرکزی حول هادی است که قطر این هاله نورانی بنفش رنگ از چند اینچ در ولتازهای پایین تر تا یک فوت و بیشتر در ولتازهای بالا تغییر می کند. بروز آثار صوتی این نوع به صورت هیس هیس بوده و به راحتی توسط یک ناظر با تجربه تشخیص داده می شود. در تخلیه قلم مویی پرچمی از نور به صورت شعاعی از سطح هادی خارج می شود. طول این تخلیه ها از کمتر از یک اینچ در ولتاژ های پایین تا 1 تا 2 اینچ در ولتاژهای بالا تغییر می کند. صدای همراه با ان صدایی در پس زمینه مانند صدای سوختن است. تخلیه تابشی نور ضعیفی دارد که به نظر می رسد سطح هادی را در بر گرفته است ولی مانند نوع قلم مویی برجسته نیست. همچنین ممکن است در نواحی بحرانی سطح عایق ها در زمان بالا بودن رطوبت رخ دهد. معمولا صدایی با این نوع تخلیه همراه نیست.

ELEC4U

www.elec4u.blogfa.com

آشنایی با بانک های خازنی

می دانیم در شبکه های جریان متناوب توان ظاهری که از مولدها دریافت می شود به دو بخش توان مفید و غیر مفید تقسیم می شود . نحوه این تقسیم به شرایط مدار بستگی دارد به این معنی که هر قدر ضریب توان CosΦ به يك نزدیکتر باشد سهم توان مفید بیشتراست . این اتفاق در مدارتی رخ می دهد که مصارف اهمی آن بیشتر است .مانند سیستمهای روشنایی یا تولید گرما توسط انرژی برق . اما می دانیم که سهم عمده مصارف شبکه ها را مصرف کننده های (اهمی – سلفی ) دریافت می کنند . مانند الکتروموتورها – ترانسفورماتورهای توزیع – چوکها و .... که درآنها سیم پیچ یا سلف نقش اصلی را ایفا می کند . در سیمپیچها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی توان همواره بین شبکه و سلف رد و بدل می شود . سلف در یک چهارم زمان تناوب توان دریافت می کند و در یک چهارم بعدی زمان ، توان را به شبکه پس می دهد .

می دانیم در شبکه های جریان متناوب توان ظاهری که از مولدها دریافت می شود به دو بخش توان مفید و غیر مفید تقسیم می شود . نحوه این تقسیم به شرایط مدار بستگی دارد به این معنی که هر قدر ضریب توان CosΦ به يك نزدیکتر باشد سهم توان مفید بیشتراست . این اتفاق در مدارتی رخ می دهد که مصارف اهمی آن بیشتر است .مانند سیستمهای روشنایی یا تولید گرما توسط انرژی برق . اما می دانیم که سهم عمده مصارف شبکه ها را مصرف کننده های (اهمی – سلفی ) دریافت می کنند . مانند الکتروموتورها – ترانسفورماتورهای توزیع – چوکها و .... که درآنها سیم پیچ یا سلف نقش اصلی را ایفا می کند . در سیمپیچها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی توان همواره بین شبکه و سلف رد و بدل می شود . سلف در یک چهارم زمان تناوب توان دریافت می کند و در یک چهارم بعدی زمان ، توان را به شبکه پس می دهد .

درست است که نتیجه ریاضی این عمل یعنی عدم مصرف انرژی زیرا توان داده شده به سلف با توان دریافت شده از ان برابر است اما در عمل این اتفاق رخ نمی دهد زیرا توان پس داده شده به شبکه امکان استفاده را برای مولد ایجاد نمی کند و این توان در هر حالتی از مولد دریافت شده است . و برای رسیدن به مصرف کننده اهمی – سلفی از شبکه توزیع شامل : سیمها – کابلها و ... عبور کرده است. نتیجه اینکه سلف توانی را از مولد دریافت می کند اما این توان را به شبکه پس می دهد . این توان قابل استفاده نیست و در مسیر عبور تلف می شود . پس مقدار از توان تلف می شود . مصرف کننده های فوق برای انجام اینکار به توان مذکور نیاز دارند اما این توان برای شبکه مضر است و زیانهای زیر را در پی دارد :

 -اضافه شدن جریان مولد و درنتیجه نیاز به مولدهایی با توانهای بیشتر

 - چون جریان شبکه زیاد می شود به سیمها و کابلهایی با سطح مقطع بالاتر برای کاهش افت ولتاژ نیاز است که این موضوع هزینه اولیه شبکه را افزایش می دهد .

 - اتلاف توان در شبکه های توزیع بصورت حرارت روی می دهد در نتیجه هر کاری کنید نمی توانید از این اتلاف جلوگیری کنید . نتیجه این اتلاف توان ،کاهش ولتاژ مصرف کننده می باشد که این موضع راندمان مصرف کننده را پایین می آورد .

 - نمی توان این توان را به مصرف کننده های اهمی سلفی تحویل نداد زیرا کار آنها مختل می شود .

خازن ناجی شبکه های تولید و توزیع

توان هم در خازنها بصورت توان غیر مفید است درست مانند سلفها در یک چهارم پریود موج متناوب ،توان دریافت می کنند و در یک چهارم بعدی توان را تحویل می دهند پس خازنها هم مانند سلفها باعث افرایش توان راکیتو ( غیر مفید )  شبکه می شوند اما اتفاق بامزه زمانی روی می دهد که خازن و سلف با هم در شبکه قرار گیرند.
این دو برعکس هم عمل می کنند . یعنی زمانی که سلف توان می گیرد خازن توان می دهد و زمانی که سلف توان می دهد خازن توان می گیرد . پس توانهای غیر مفید این دو فقط یکبار از شبکه دریافت می شود و در زمانهای بعد بین آنها تبادل می شود بدون اینکه مولد این توان را تحمل کند . پس مصرف کننده های اهمی سلفی توان راکتیو خود را دریافت می کنند و مولد و شبکه توزیع آنرا تولید و پخش نمی کنند زیرا این کار را خازن انجام می دهد . این خازنها از حالا به بعد ، خازنهای اصلاح ضریب توان نام می گیرند و وظیفه آنها تامین توان راکتیو مورد نیاز مصرف کننده های اهمی سلفی است .

اتصال خازن به شبکه

خازنهای اصلاح ضریب توان باید در شبکه بصورت موازی قرار گیرند . برای اینکار در شبکه های تکفاز باید به فاز و نول وصل شوند و در شبکه های سه فاز پس از اتصال بصورت ستاره یا مثلث آنگاه به سه فاز متصل می شوند . این خازنها باید از انواعی انتخاب شوند که بتوانند دایمی در مدار قرار گیرند پس باید بتوانند ولتاژ شبکه را تحمل کنند در محاسبه خازن از انواعی استفاده می شود که ولتاژ مجاز آنها 15% بیشتر از ولتاژ شبکه باشد .

محاسبه خازن

نقش خازن در شبکه کاهش توان راکتیو مصرف کنند های اهمی – سلفی از دید مولدها است . با این اتفاق ضریب توان مفید به یک نزدیک می شود . پس با کنترل ضریب توان امکان کنترل توان راکتیو وجود دارد . این کار بکمک یک کسینوس فی متر صورت می گیرد . یعنی بکمک کسینوس فی متر می توان دریافت که ضریب توان و در نتیجه توان راکتیو در چه وضعیتی قرار دارد .

خازن مذکور باید برابر نیاز شبکه باشد در غیر اینصورت خود توان راکتیو از مولد دریافت می کند و همچنین سبب افزایش ولتاژ آن می شود . پس باید خازن مطابق نیاز شبکه محاسبه شود . پرسش : شبکه به چه مقدار خازن نیاز دارد ؟

پاسخ : مقداری که ضریب توان را به یک نزدیک کند . این مقدار خازن خود توان راکتیوی ایجاد می کند که توان راکتیو مصرف کننده اهمی – سلفی را جبران می کند . پس مقدار خازن به مقدار توان راکتیو مدار بستگی دارد . هر قدر این توان قبل از خازن گذاری بیشتر باشد ، اندازه خازن نیز بزرگتر خواهد بود .

با توجه به مطالب گفته شده باید برای محاسبه خازن سه  مقدار مشخص شود :

یک – مقدار ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری

دو – مقدار ضریب توان شبکه بعد از خازن گذاری که انتظار داریم شبکه به آن برسد

سه - اندازه توان اکتیو

پس از تعیین این مقادیرمراحل زیر را پی می گیریم . برای مقدار ضریب توان مطلوب مثلا عدد 9/0 مقدار خوبی است . حال دو مقدار ضریب توان داریم یکی ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری و دیگری ضریب توان مطلوب که می خواهیم با گذاردن خازن به آن برسیم . بکمک رابطه زیر مقدار توان راکتیو مورد نظر را که با آمدن خازن تامین می شود محاسبه می کنیم . ( توجه : در خرید خازنهای اصلاح ضریب توان بجای فارد برای تعیین ظرفیت خازن از میزان توان راکتیو آن خازن سخن گفته می شود).