انواع سیستم های توزیع برق

سیستم توزیع یکی از بخش‌های اصلی سیستم قدرت است که مستقیماً به بار متصل می‌شود. امروزه موضوع تجمیع منابع انرژی تجدیدپذیر و پراکنده در سطح توزیع، یک موضوع مهم برای مهندسان سیستم قدرت است. علاوه بر این، پژوهش‌های شرکت‌های برق در جهت اعمال تکنیک‌های بهتر برای بهبود کیفیت توان و پایداری سیستم قدرت در شبکه توزیع است. در این آموزش، انواع سیستم های توزیع شامل شعاعی، حلقوی و مش را معرفی کرده و مباحثی از قبیل پیکربندی و مزایا و معایب آن‌ها را بیان خواهیم کرد.

سیستم توزیع چیست؟

در حالت کلی، سیستم توزیع یک سیستم الکتریکی بعد از پستی است که از سیستم انتقال تغذیه می‌شود و انرژی الکتریکی را به مصرف‌کننده نهایی تحویل می‌دهد. در واقع، سیستم توزیع، بین انتقال و مصرف قرار می‌گیرد. در سیستم‌های توزیع، معمولاً از تجهیزتی مانند ترانسفورماتور، مدارشکن و تجهیزات حفاظتی استفاده می‌شود. نخستین سیستم توزیع انرژی الکتریکی توسط توماس ادیسون ساخته شد که یک سیستم جریان مستقیم (DC) زیرزمینی بود.

 

یک سیستم توزیع از فیدرها (تغذیه‌کننده‌ها) و دیستریبیوترها (توزیع‌کننده‌ها) تشکیل می‌شود. نمودار تک‌خطی یک سیستم توزیع در شکل ۱ نشان داده شده است.

اساساً اگر سیستمی توان الکتریکی را در محلی توزیع کند، می‌توانیم آن را سیستم توزیع بنامیم.

فیدر (Feeder) یک هادی یا رسانا است که پست (یا مولد محلی) را به ناحیه‌ای متصل می‌کند که باید توان در آن توزیع شود (شکل ۲). ملاحظه اصلی در طراحی یک فیدر ظرفیت حمل جریان آن است.

توزیع‌کننده (Distributor) یک هادی است که برای تغذیه مصرف‌کنندگان از آن جریان گرفته می‌شود. جریان یک توزیع‌کننده ثابت نیست، زیرا بارگیری در مکان‌های مختلف و با فواصل متفاوت انجام می‌شود.

بر اساس ماهیت جریان، سیستم توزیع را می‌توان به دو دسته زیر تقسیم‌بندی کرد:

• سیستم توزیع جریان مستقیم (DC)
• سیستم توزیع جریان متناوب (AC)

امروزه، سیستم AC در سراسر دنیا گسترانیده شده است. دلیل این امر ساده‌تر و اقتصادی بودن آن نسبت به سیستم DC است.

سیستم توزیع AC

امروزه انرژی الکتریکی به فرم AC تولید، منتقل و توزیع می‌شود. یکی از مهمترین دلایل استفاده گسترده از AC نسبت به DC،‌ این واقعیت است که دامنه ولتاژ متناوب را می‌توان به سادگی و با استفاده از ترانسفورماتور تغییر داد. سیستم توزیع AC به دو بخش تقسیم می‌شود: سیستم توزیع اولیه (Primary distribution system) و سیستم توزیع ثانویه (Secondary distribution system).

سیستم توزیع اولیه

سیستم توزیع اولیه بخشی از سیستم توزیع AC است که در ولتاژهای بالاتری و برای برق‌رسانی به واحدهای بزرگ‌تر با مصرف بیشتر نسبت به مصرف‌کنندگان ولتاژ ضعیف کاربرد دارد. به این سیستم، سیستم توزیع فشار قوی نیز می‌گویند. شکل زیر یک پست توزیع فشار قوی را نشان می‌دهد.

 

 

سیستم توزیع ثانویه

سیستم توزیع ثانویه سیستمی فشار ضعیف است و در ولتاژ ۴۰۰ ولت بین دو فاز و ۲۳۰ ولت بین فاز و نول کار می‌کند. مدار توزیع اولیه توان را به پست‌های مختلف توزیع ثانویه تحویل می‌دهد. بارهای خانگی تکفاز به فاز و نول متصل هستند، در حالی که بارهای سه‌فاز، مانند برخی موتورها به فازها متصل می‌شوند. شکل زیر یک پست توزیع ثانویه را نشان می‌دهد.

انواع سیستم های توزیع AC

با توجه به نوع اتصال، سیستم توزیع را می‌توان به سه دسته تقسیم‌بندی کرد:

• سیستم شعاعی (Radial System)
• سیستم حلقوی (Ring System)
• سیستم مش (Mesh System)

در ادامه، هر یک از این سیستم‌ها را معرفی خواهیم کرد.

شبکه توزیع شعاعی

شبکه توزیع شعاعی رایج‌ترین پیکربندی مورد استفاده برای شبکه‌های توزیع توان الکتریکی است. شبکه شعاعی ساختاری شبیه به درخت دارد و حلقه‌های بسته در آن وجود ندارد. از آنجایی که حلقه بسته در شبکه شعاعی وجود ندارد، توان از یک شین به شین دیگر تحویل داده می‌شود. این ساختار ساده‌ترین و ارازن‌ترین ساختار برای یک شبکه توزیع الکتریکی است. اما در این توپولوژی، اگر خطی به هر دلیلی قطع شود، تأمین توان همه خطوط پایین‌تر از آن نیز با مشکل روبه‌رو می‌شود.

شبکه شعاعی دارای ساختاری است که از یک گره پایه (جایی که تولید به آن متصل است) شروع می‌شود. خط نیز به این گره متصل شده و در ادامه این گره اصلی یا پایه گسترانیده می‌شود. این خط از فیدر اصلی شروع شده و به بارها متصل می‌شود. خطوط دیگر، انشعاب‌هایی از خط اصلی هستند و از این خط شروع می‌شوند. شبکه‌های توزیع با ساختار شعاعی را می‌توان به گونه‌ای، مانند تعمیمی از شبکه توزیع توان سنتی تحلیل کرد، زیرا یکی از رایج‌ترین پیکربندی سیستم توزیع است.

در پیکربندی عمومی یک ساختار شعاعی، ژنراتورها فقط در نقطه شروع قرار دارند و از طریق ترانسفورماتور توزیع به مرکز بار وصل می‌شوند. یک شبکه توزیع شعاعی نمونه در شکل 5 نشان داده شده است. در یک سیستم تویع شعاعی، تا زمانی که خطای رخ داده رفع نشود، تأمین برق تعدادی از مصرف‌کنندگان با مشکل روبه‌رو خواهد شد.

البته، از معایب سیستم توزیع شعاعی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. انتهای توزیع‌کننده‌‌ای که نسبت به نقطه تغذیه نزدیک‌ترین فاصله را دارد، بار زیادی را متحمل خواهد شد.
2. مصرف‌کنندگان به یک فیدر و یک توزیع‌کننده متکی و وابسته‌اند.
3. هنگامی که بار روی توزیع‌کننده تغییر کند، مصرف‌کنندگان انتهای توزیع‌کننده دچار نوسانات شدید ولتاژ‌می‌شوند.

به دلیل محدودیت‌هایی که بیان شد، این نوع سیستم توزیع تنها برای مسافت‌های کوتاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیستم شعاعی را می‌توان با افزودن شین‌های بیشتر گسترش داد.

شبکه توزیع حلقوی

در این سیستم توزیع، اولیه ترانسفورماتورهای توزیع یک حلقه تشکیل می‌دهند. مدار حلقه از  شین‌های پست‌ شروع می‌شود و پس از خدمت‌رسانی به منطقه مورد نظر به پست باز می‌گردد. نمودار تک‌خطی یک سیستم توزیع حلقوی در شکل ۶ نشان داده شده است.

 

 

از مزایای شبکه‌های حلقوی، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. مصرف‌کنندگان در معرض نوسان ولتاژ کمتری نسبت به سیستم شعاعی قرار خواهند گرفت.
2. سیستم بسیار قابل اطمینان است، زیرا هر توزیع‌کننده از طریق دو فیدر تغذیه می‌شود. در هنگام رخ دادن خطا روی هر بخش از فیدر، پیوستگی تأمین انرژی ادامه پیدا می‌کند.

از آنجایی که ابتدا و انتهای حلقه در محل مشابهی واقع شده‌اند، توان از هر دو مسیر حلقه به پست‌های  واقع در حلقه تحویل داده می‌شود. در صورت بروز خطا در کابل فیدر در هر نقطه‌ای در حلقه، بخش معیوب با عملکرد بریکر مدار محافظ جدا شده و در عین حال تأمین انرژی تمام پست‌های موجود در حلقه انجام می‌شود.

از مزایای دیگر سیستم حلقوی می‌توان به این مورد اشاره کرد که افت ولتاژ در پست‌های بار مختلف کاهش می‌یابد. همچنین، این سیستم یک منبع مطمئن است، بدین معنی که اگر مسیر اولیه از دست برود یک مسیر جایگزین برای هر بار در دسترس است.

شبکه توزیع مش

شکل زیر، نمودار تک‌خطی یک شبکه توزیع مش را نشان می‌دهد. سیستم‌های توزیع شعاعی و حلقوی را به راحتی می‌توان به مش ارتقا داد. توان انتقالی یک شبکه مش را می‌توان برای اطمینان و قابلیت کنترل، به یک نقطه تجمیع (اغلب یک پست) فرستاد. یکی از مزایای سیستم توزیع مش این است که با واحدهای تولید پراکنده (DG) و منابع تجدیدپذیر قابل ادغام است.

با استفاده از پیکربندی مش، تسهیم توان دقیق بارها امکان‌پذیر است. ساده‌ترین ساختار شبکه برای محافظت، ساختار شعاعی است، در حالی که شبکه توزیع مش دارای توان اتصال کوتاه بالاتری است. با این حال، یک شبکه مش دارای پروفایل ولتاژ نسبتاً متعادل و قابلیت اطمینان بالایی است و می‌تواند در حالت کار در جزیره‌ای به ریزشبکه تبدیل شود.

البته شبکه توزیع مش، معایبی نیز دارد. تأخیر ارتباطی یک پارامتر حساس بوده و مهم‌ترین موضوع در رابطه با شبکه‌های مش است که ممکن است منجر به ناپایداری شبکه شود. برای مثال، وقتی تأخیر زیاد باشد، قطب‌ها به سمت محور موهومی حرکت می‌کنند.

یکی دیگر از معایب سیستم‌های مش، هزینه بالای راه‌اندازی آن‌ها و همچنین، هزینه زیاد تعمیر و نگهداری‌شان است. /فرادرس