محدود سازهای ابررسانایی جریان خطا

     علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهای ابررسانائی جریان خطا[1] نیز رده تازه‌ای از وسایل حفاظتی سیستم قدرت را ارائه می‌کنند که قادرند شبکه را از اضافه جریان‌های خطرناکی که باعث قطعی پر‌هزینه برق و خسارت به قطعات حساس سیستم می‌شوند حفاظت نمایند. اتصال کوتاه یکی از خطاهای مهم در سیستم قدرت است که در زمان وقوع، جریان خطا تا بیشتر از ۱۰ برابر جریان نامی افزایش می‌یابد و با رشد و گسترش شبکه‌های برق، به قدرت اتصال کوتاه شبکه نیز افزوده می‌شود. تولید جریان‌های خطای بزرگتر، ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القائی زیاد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات و همچنین کاهش قابلیت اطمینان شبکه را در پی دارد. لذا عبور چنین جریانی از شبکه احتیاج به تجهیزاتی دارد که توانایی تحمل این جریان را داشته باشند و جهت قطع این جریان نیازمند کلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم که هزینه‌های سنگینی به سیستم تحمیل می‌کند. اما اگر به روشی بتوان پس از آشکارسازی خطا، جریان را محدود نمود، از نظر فنی و اقتصادی صرفه جویی قابل توجهی صورت می‌گیرد. انواع مختلفی از محدود کننده‌های خطا تا به حال برای شبکه‌های توزیع و انتقال معرفی شده‌اند که ساده ترین آنها فیوزهای معمولی است که البته پس از هر بار وقوع اتصال کوتاه باید تعویض شوند. از آنجاییکه جریان اتصال کوتاه در لحظات اولیه به خصوص در پریود اول موج جریان، دارای بیشترین دامنه است و بیشترین اثرات مخرب از همین سیکل‌های اولیه ناشی می‌شود باید محدودسازهای جریان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گیرند. محدودکننده‌های جریان اتصال کوتاه طراحی شده در دهه‌های اخیر، عناصری سری با تجهیزات شبکه هستند و وظیفه دارند جریان اتصال کوتاه مدار را قبل از رسیدن به مقدار حداکثر خود محدود نمایند به طوری که توسط کلیدهای قدرت موجود قابل قطع باشند.

 این تجهیزات در حالت عادی، مقاومت کمی در برابر عبور جریان از خود نشان می‌دهند ولی پس از وقوع اتصال کوتاه و در لحظات اولیه شروع جریان، مقاومت آنها یکباره بزرگ شده و از بالا رفتن جریان اتصال کوتاه جلوگیری می‌کنند. این تجهیزات پس از هر بار عملکرد باید قابل بازیابی بوده و در حالت ماندگار سیستم، باعث ایجاد اضافه ولتاژ و یا تزریق هارمونیک به سیستم نگردند. محدودسازهای اولیه با استفاده از کلیدهای مکانیکی امپدانسی را در زمان خطا در مسیر جریان قرار می دادند. با ورود ادوات الکترونیک قدرت کلیدهای تریستوری برای این موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهای متعددی از جمله مدارهای امپدانس تشدید و ابررسانا، ارائه گردیده است.

---

[1] SFCL

ذخیره سازهای مغناطیسی انرژی SMES

      در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچ‌گونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی‌گیرد. بنابراین تولید شبکه ناچار به تبعیت از منحنی مصرف است که غیر اقتصادی می‌باشد. ابرسانای ذخیره کننده مغناطیسی انرژی وسیله‌ای است که برای ذخیره کردن انرژی، بهبود پایداری سیستم قدرت  و کم‌کردن نوسانات قابل استفاده می‌باشد. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می‌شود ذخیره می‌شود. ابرسانای ذخیره‌ کننده مغناطیسی انرژی هزاران بار قابلیت شارژ و دشارژ دارد بدون اینکه تغییری در خواص مغناطیسی آن ایجاد شود. ویژگی ابررسانایی سیم پیچ نیز موجب می‌شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بسیار بالا و در حدود % 95 باشد. اولین نظریه‌ها در مورد این سیستم در سال 1969 توسط فریه[1] مطرح شد. وی طرح ساخت سیم پیچ مارپیچی بزرگی را ارائه کرد که توانایی ذخیره انرژی روزانه برای تمامی فرانسه را داشت اما به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن پیگیری نشد. در سال 1971 تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین[2] برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل بین انرژی ذخیره شده و سیستم‌های چند فاز به ساخت اولین دستگاه انجامید. شرکت هیتاچی در سال 1986 یک دستگاه SMESبه ظرفیت 5 مگاژول را آزمایش کرد. در سال 1989 شرکتهای چوبو و هیتاچی ذخیره ساز مغناطیسی انرژی ساختند. در سال 1995 ذخیره ساز مغناطیسی انرژی به وسیله زیمنس ساخته شد. در سال 1998 نیز ذخیره ساز 360 مگاژول توسط شرکت ایستک[3] در ژاپن ساخته شد. از سال 2004  یک برنامه 10 ساله برای ساخت ذخیره ساز مغناطیسی با ابررسانای دما بالا در کره جنوبی آغاز شده است.

---

[1] Ferrier

[2] Wiscansin

[3] ISTEC

ترانسفورماتورهای ابررسانا( HTS )

     استفاده از مواد ابررسانا در سیم بندی ترانسفورماتورها نیز باعث % ۵۰ کاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهای روغنی شده و به علاوه تأثیر قابل توجهی نیز در افزایش بازده، کاهش افت ولتاژ و افزایش ظرفیت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهای ابررسانا با توجه به حجم کم و عدم استفاده از روغن برای خنک سازی، نقش قابل ملاحظه ای در بهبود فضای شهری و کاهش هزینه‌های زیست محیطی خواهد داشت. شرکت بروکر[1] آمریکا ساخت ابررساناهای دما بالا را از سال 2008 در آلمان آغاز کرده است. در شکل زیر نمونه ترانسفورماتور ابررسانا شرکت بروکر را مشاهده می‌کنید.

اولین ترانسفورماتور ابررسانای دما-بالا  5/10 کیلوولت به 400 ولت، سه فاز به ظرفیت 630 کیلوولت آمپر و روش خنک سازی LN2(77 کلوین) با هسته غیربلورین در جهان است که در سال 2005 در شبکه قدرت سینکیانگ[2] بهره‌برداری شد و دارای قابلیت  اطمینان عملکرد بالا در دراز مدت است. سیم استفاده شده از نوع Bi2223 است و سیم پیچ اولیه به صورت سلونوئید و ثانویه پنکیک دوبل[3] است(شکل زیر(2)). این دومین ترانس ابررسانای شرکت ABB بوده که چنین عملکردی دارد.

---

[1] Bruker

[2] Xinjiang

[3] Double pancake

طولانی‌ترین (بلندترین) کابل ابررسانای جهان

      در تاریخ 19 ژانویه 2012 اعلام شد که پروژه امپا سیتی[1] شروع شد، گروهRWE  و شرکای آن برای جایگزینی مدرن‌ترین کابل فشارقوی ابررسانا به طول یک کیلومتر که به دو پست انتقال در شهر روهر[2] متصل شده شروع به کار کرده‌اند و در سال2013 کابل ابررسانا را زیر زمین قرار خواهند داد. این به عنوان طولانی‌ترین کابل ابررسانای نصب شده در جهان خواهد بود. به عنوان بخشی از این پروژه، موسسه تکنولوژی کارلسروهه[3] مواد ابررسانا و عایقی مناسب را آنالیز خواهد کرد. کابل سه فاز متحدالمرکز 10 کیلوولت به ظرفیت انتقال 40 مگاوات و با استفاده از ابررسانای سرامیکی توسط شرکت نگزانس تولید خواهد شد. این پروژه همچنین به عنوان اولین ترکیب یک کابل ابررسانا با محدود کننده جریان خطای ابررسانا مقاومتی برای حفاظت در برابر اضافه بار خواهد بود. این پروژه می‌تواند نوید بخش یک بعد کاملا جدید در بازسازی شبکه‌های درون شهری باشد. در میان مدت، این امر منجر به بهره‌وری بیشتر و همچنین کاهش هزینه‌های عملیاتی و نگهداری و به طور همزمان کاهش استفاده از زمین می‌شود. مطالعات شرکت نگزانس نشان داد که کابلهای ابررسانا تنها راه معقول و منطقی برای کابل‌های فشار قوی در شبکه برق شهری است که استفاده از آنها به این معنی است که منابع و زمین پست‌های انتقال می‌توانند از میان برداشته شوند(صرفه جویی). شکل زیر شمای فیزیکی از ساختار کابل ابررسانای نام برده است

---

[1] Ampa City

[2] Ruhr city of Essen

[3] Karlsruhe Institute of Technology