مهندسی برق

مقدمه
 تلفات سیستم قدرت به سه گروه تلفات فنی ,تلفات غیر فنی و تلفات تجاری قابل دسته بندی می باشند. اگر کل تلفات را معادل تفاضل انرژی تولید شده و انرژی فروخته شده بگیریم باید تلفات تجاری را نیز به شرح زیر به آن بیافزائیم.

 تلفات تجاری + انرژی فروخته شده - انرژی تولید شده = تلفات کل

 در واقع در رابطه فوق داریم :

 تلفات غیر فنی + تلفات فنی = انرژی فروخته شده - انرژی تولید شده

   که تلفات فنی اصطلاحاً به آن دسته از تلفات انرژی اطلاق می شود که به حرارت تبدیل می گردند و عمدتاً به دلیل بهینه نبودن  سیستم و اجزاء آن صورت می گیرد در حالی که تلفات غیر فنی به تلفاتی گفته می شود که بیشتر جنبه اندازه گیری و محاسباتی دارند {7و8}. اما تلفات تجاری دارای ماهیتی متفاوت از دو نوع تلفات فنی و غیر فنی است و در واقع یک نوع هدر رفتن مستقیم انرژی نمی باشد بلکه به آن دسته از زیان های اقتصادی اطلاق می شود که در اثر قطع برق و یا مشکلات کیفیت توان دامنگیر تولیدکنندگان و مصرف کنندگان انرژی الکتریکی می گردد.
در این فصل هر یک از تلفات فوق با جزئیات بیشتری مورد تحلیل و تشریح قرار خواهند گرفت.

تلفات فنی
همانطور که اشاره شد تلفات فنی به دسته ای از تلفات سیستم قدرت گفته می شود که به نوعی منجر به تبدیل انرژی الکتریکی به حرارت، از آغاز تولید تا مرحله تحویل به مشترک می گردد.
تلفات فنی که در بسیاری از موارد به جای کل تلفات سیستم قدرت اشتباه گرفته می شود مشتمل بر طیف وسیعی از انواع تلفات می باشد که در ای بخش تحت دو عنوان تلفات انتقال و تلفات توزیع تشریح گردیده اند. معمولا تلفات سیستم تولید (نیروگاه ها) در زمره تلفات سیستم قدرت محاسبه نمی شوند و نیروگاه ها به عنوان واحدهای صنعتی تلقی می گردند که فروش برق به شبکه را بر عهده دارند و کلیه انرژی های مصرف شده در نیروگاه به عنوان مصرف داخلی آن لحاظ می گردد که بعضا قابل کاهش است. لذا بررسی انواع تلفات و طرق کاهش آن ها در نیروگاه ها، به طور مختصر در ضمیمه انتهای گزارش درج گردیده است.
تلفات در شبکه انتقال:
تلفات فنی در شبکه انتقال دارای ابعاد بسیار گسترده ای می باشد {7} که در این بخش مورد اشاره قرار خواهند گرفت:
 

تلفات ناشی از مقاومت خطوط
این نوع تلفات که در اثر مقاومت الکتریکی هادی در مقابل عبور جریان ایجاد می شود در واقع مهم ترین تلفات سیستم انتقال است و همانگونه که بعدا ملاحظه خواهد شد، سایر انواع تلفات انتقال به نحوی در افزایش این نوع تلفات سهیم می باشند.
این تلفات در یک سیستم سه فاز متقارن، تابعی از مقاومت AC خطوط و مجذور جریان موثر عبوری است. قطعا افزایش سطح مقطع هادی ها که منجر به کاهش مقاومت خطوط می شود با قیود اقتصادی محدود می گردد لذا پذیرفتن سطح استاندارد برای آن ها و بالطبع تلفات معین در این مورد اجتناب ناپذیر است. فرسودگی و عمر زیاد هادی ها (مس یا آلومینیوم)، رسانایی آنها را کاهش می دهد و منجر به افزایش تلفات می گردد. همچنین طول زیاد خطوط انتقال اگر چه در اکثر موارد ناگزیر می باشد علاوه بر افزایش سایر مشکلات انتقال، تلفات خطوط را بالا می برد.
باید متذکر شد که اتصال نامناسب هادی ها می تواند تاثیر قابل ملاحظه ای در افزایش مقاومت خطوط و بالطبع تلفات آنها داشته باشد.

تلفات ناشی از فرسودگی تجهیزات
گذشت زمان خاصیت رسانایی هادی های مسی را کاهش داده و منجر به افزایش مقاومت وصل کلیدهای قدرت می گردد. تلفات آهنی هسته ترانسفورماتورها، CTها و PTها با افزایش عمر، فزونی می گیرند و همچنین تلفات عایقی تمامی تجهیزات به دلیل ضعف عایقی ناشی از طول عمر، به شدت بالا می رود.

تلفات کرونا
یکی از تلفات قابل توجه در سیستم های قدرت الکتریکی ولتاژ بالا (سیستم انتقال) تلفات کرونا است. پدیده کرونا که نتیجه یونیزاسیون هوای اطراف هادی دارای ولتاژ بالا است، به همراه هاله ای از نور بنفش رنگ و نویز آکوستیک و الکترومغناطیسی بوده و کاربرد زیادی در بسیاری از صنایع (به ویژه فیلترینگ) دارد، در خطوط انتقال ولتاژ بالا می تواند سهم عمده ای از توان را در خود تلف نماید {9و10}. قطعا استفاده از هادی های گروهی (باندل ها) تا حد زیادی در کاهش اینگونه تلفات موثر است. اما باید به خاطر داشت که گذشت زمان، در اثر خوردگی و رسوب آلاینده ها بر سطوح ولتاژ بالا از جمله خطوط انتقال، ناهمواریها و نقاط تیزی بر روی آنها ایجاد می کند که میدان الکتریکی اطراف خود و بالطبع پدیده کرونا را بشدت تقویت می نماید.

تلفات عایقی
عایقهای مورد استفاده در سیستم های ولتاژ بالا ی جریان متناوب عمدتا دو نوع تلفات جدی را متحمل می گردند:

جریان نشتی
جریان عبوری از سطح ولتاژ بالا به سطح ولتاژ پایین عایق که تابعی از مقاومت عایقی و اختلاف پتانسیل دو سر آن است را جریان نشتی می گویند. البته تلفات ناشی از این جریان که معمولا مقدار ناچیزی است تنها پس از افزایش عمر عایق و کاهش مقاومت الکتریکی آن قابل توجه می گردد. نقاط عایقی تخریب شده و یا نقاطی که به صورت صحیح ترمیم نشده اند می توانند در این خصوص بسیار صدمه پذیر باشند.
تلفات هیسترزیس
واضح است که عایق های مجاور با هادی های عبور دهنده جریان متناوب، متحمل شدت میدان مغناطیسی متناوبی، متناسب با آن جریان خواهند بود که طبیعتا در آنها تلفات هسیترزیس قابل توجهی ایجاد می کند. این تلفات به صورت قابل توجه در کابلهای جریان بالا مشاهده می شود.
 

تلفات ناشی از عدم تقارن فازها
در صورت وجود عدم تقارن فازها (که البته در سیستم انتقال بسیار ناچیز است) تلفات برآیند سه فاز بیش از حالت متقارن در سه فاز خواهد بود. به عبارت دیگر شباهت یکسان در مشخصات و پارامترهای الکتریکی فازهای یک خط که اغلب امری قطعی فرض می شود در عمل متفاوت خواهد بود. مهمترین عامل وقوع چنین مشکلی در شبکه انتقال، عدم جابجایی فازها به دلیل مشکلات فنی و اقتصادی می باشد.
تلفات ناشی از اضافه بار کابل ها، و ترانسفورماتور و سایر تجهیزات سیستم انتقال که به معنی عبور جریان بیش از مقدار نامی از آنها است تلفات توان اهمی در آنها را به صورت صعودی افزایش می دهد. البته باید متذکر شد که این افزایش تلفات اهمی، افزایش دمای تجهیزات نسبت به سطح نرمال و بالطبع افزایش تلفات عایقی و احیانا آهنی را نیز به دنبال خواهد داشت.
همچنین، اضافه بار شدن تجهیزات دارای هسته مغناطیسی غیر خطی از قبیل ترانسفورماتورها و CTهای اندازه گیری می تواند منجر به ورود نقطه کار آنها به ناحیه اشباع منحنی BH گردد که در نتیجه هارمونیک های رتبه پایین بویژه هارمونیک های مضارب 3 بر روی ولتاژ ایجاد می کنند که خود، همانگونه که بعدا ذکر خواهد شد منشاء تلفات بیشتری است.

تلفات ناشی از پخش بار نامناسب
پخش بار در سیستم انتفال متداول، متاثر از توپولوژی شبکه و برنامه ریزی تولیدهای واحدهای مختلف نیروگاهی است. ولی ساختار موجود شبکه و همچنین برنامه ریزی تولید مورد استفاده در بسیاری از مواقع بهترین حالت نیست و طبیعتا کمترین تلفات را شامل نمی شود.
در واقع می توان با ایجاد تغییر در ساختار شبکه به طرق مختلف و همچنین برنامه ریزی بهینه تولید، پخش بار سیستم را به شکلی تغییر داد که تلفاتی کمتر از مقادیر قبلی داشته باشد، که به آن پخش بار بهینه می گویند.

تلفات ناشی از عبور توان راکتیو
توان راکتیو مورد نیاز بار و عناصر ذخیره کننده انرژی سلف و خازن شبکه ( از جمله خود خطوط ، ترانسفورمرها و ... ) برحسب نوع بار در شبکه جاری می باشد . عبور توان راکتیو از شبکه علاوه بر بروز مشکلات جدی از قبیل اشغال ظرفیت شبکه و افت ولتاژ ، منجر به تلفات جدی انرژی نیز می گردد. نظر به اینکه تولید یا مصرف این نوع توان بر خلاف توان اکتیو نیازمند تامین انرژی از نیروگاه نمی باشد ، با تامین و مصرف آن در محل ، توسط بانک های خازنی با راکتورها ، می توان میزان عبور توان راکتیو از شبکه را کاهش داد که قطعا منجر به کاهش تلفات راکتیو شبکه می گردد .

تلفات ناشی از انتشار امواج الکترومغناطیسی در اشیاء فلزی 
نظر به اینکه انرژی الکتریکی در شبکه انتقال از نوع امواج الکترومغناطیس می باشد و با توجه به سطح بالای ولتاژ و جریان در آنها ، علی رغم فرکانس پایین سیستم قدرت ، همواره مقداری انرژی در ساختارها و پایه های فلزی مجاور هادی از طریق میادین قوی الکترومغناطیس القا شده و تلف می گردد.
البته بطور معمول بدلیل ناچیز بودن این درصد تلفات و مشکلات محاسباتی آن ، از این گونه تلفات صرفنظر می شود .

تلفات سیستم توزیع  
معمولا در کل سیستم های قدرت بالاترین سهم تلفات به سیستم توزیع اختصاص دارد که البته دلیل این امر را باید در گستردگی سطح و کثرت ادوات موجود در این سیستم ، به همراه ویژگیهای دیگری از جمله بارهای تکفاز و سطح ولتاژ پایین آن جستجو نمود.
در ادامه مهمترین موارد تلفات انرژی الکتریکی در سیستم های توزیع مورد مطالعه قرار گرفته اند.

تلفات ناشی از مقاومت خطوط  
مقاومت هادی ها همانند آنچه که در بحث تلفات انتقال مطرح گردید برجسته ترین عامل تلفات سیستم های توزیع می باشند . البته باید بخاطر داشت که در سیستم های توزیع مقاومت نسبی خطوط بالاتر است و بدلیل گستردگی و اتصالات متعدد، در صورت عدم رعایت صحت اتصالات ، این مقاومت و در نتیجه تلفات افزایش بیشتری خواهد داشت .

تلفات ناشی از عدم تقارن خطوط   
عدم تقارن خطوط در سیستم توزیع (که البته نه به دلیل متفاوت بودن مشخصات هادی های فازها بلکه به دلیل عدم جابجایی فازها بوجود می آید) منجر به ایجاد عدم تعادل شبکه از دیدگاه بار می شود که به نوبه خود عدم تعادل جریان فازها و تلفات ناشی از آن را به دنبال خواهد داشت.

تلفات ناشی از عدم تعادل فازها    
بارهای تک فاز سیستم توزیع به همراه عدم تقارن فازها باعث می شود که بعضا عدم تعادل شدید در پی داشته باشد .
از طرف دیگر عدم تعادل فازها منجر به جریان سیم نول می شود که در نتیجه تلفات انرژی در این سیم نیز به تلفات افزوده می گردد.

تلفات ناشی از اتصال زمین نامناسب
سیستم زمین نامناسب و یا فرسوده، مقاومت الکتریکی زیادی پیدا می کند و این مساله در سیستم های نامتعادل منجر به عدم تعادل ولتاژ و تلفات انرژی ناشی از آن خواهد شد.

 تلفات ذاتی ترانسفورماتورها ، تجهیزات اندازه گیری و ...
همانند سیستم انتقال، در شبکه های توزیع نیز توان عبوری در سر راه خود از تجهیزات متعددی عبور می نماید که هر یک بر حسب نوع، تکنولوژی ساخت و عمر خود درصدی از انرژی را تلف می نمایند .
بیشترین تلفات این بخش متعلق به ترانسفورماتورهای توزیع است که بطور گسترده در سیستم بکار گرفته می شوند .

تلفات عایقی تجهیزات     
اگرچه سطح ولتاژ پایین در سیستم توزیع ، تلفات عایقی تجهیزات را نسبت به سایر انواع تلفات کمرنگ می سازد لیکن با توجه به گستردگی و کثرت تجهیزات دارای این تلفات، در مجموع، این نوع تلفات قابل ملاحظه خواهد بود .

تلفات ناشی از اضافه بار تجهیزات      
اضافه بار تجهیزات توزیع نیز همانند تجهیزات سیستم انتقال، منجر به افزایش صعودی تلفات در آنها می گردد.
همچنین ایجاد هارمونیک ها (بویژه هارمونیک های مضارب 3) بدلیل وارد شدن به ناحیه اشباع ترانسفورماتورها و تلفات مرتبط به آنها از تبعات این افزایش بار از مقادیر نامی خواهد بود .

تلفات ناشی از ضریب بار پایین      
طبیعتا وجود پیک در منحنی بار روزانه مناطق مختلف توزیع ، علاوه بر تحمیل هزینه های هنگفت ، برنامه ریزی شبکه جهت تامین بار ساعات پیک را مشکل می نماید و تلفات تحمیل شده به شبکه را افزایش خواهد داد .

تلفات ناشی از هارمونیک ها       
همانطور که می دانیم ، سیستم توزیع بعنوان جبهه سیستم قدرت بطور جدی از بارهای خود تاثیر می پذیرد .
بسیاری از بارهای جدید سیستم قدرت دارای ماهیت غیر خطی می باشند . این بارها که بدلیل پیشرفت صنعتی و مزایای خود هر روزه در حال افزایش می باشند ، عمدتا از تجهیزات الکترونیک قدرت استفاده می کنند که جریان غیر سینوسی از شبکه اخذ می نمایند . موارد عمده این تجهیزات عبارتند از لامپهای کم مصرف ، UPS ها ، کامپیوتر ها ، ASDها و ...
از طرف دیگر همانگونه که قبلا نیز اشاره شد بارهای الکتریکی دارای هسته آهن اشباع پذیر ، نظیر ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی، در صورت اضافه بار شدن، با ورود به ناحیه غیر خطی منحنی مغناطیسی خود جریان مغناطیس کنندگی غیر خطی از شبکه اخذ می کنند که ایجاد هارمونیک (بویژه هارمونیک های مضارب 3) از مضرات آن است.

اثر پوستی
اثر پوستی مبین افزایش مقاومت اهمی هادی ها در مقابل عبور جریان متناسب نسبت به جریان DC بدلیل شار مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد شده در اثر جریان است . در واقع مطابق این اثر ، مقاومت اهمی هادی و بالتبع تلفات الکتریکی آن با افزایش فرکانس جریان عبوری افزایش می یابد. بنا بر این بدیهی است که افزایش سطح THD جریان که به معنی افزایش میزان مولفه های جریان با فرکانس های بالاتر است مستقیما تلفات اهمی را ازطریق اثر پوستی افزایش می دهد. واضح است که این تلفات در تمامی هادی های حامل جریان، حتی سیم پیچ های ترانسفورماتورها نیز وجود دارد .

تلفات آهنی
تلفات آهنی در هسته ترانسفورماتورهای قدرت و اندازه گیری و همچنین ماشین ها، تابعی از فرکانس ولتاژ اعمال شده به آنها است . بنابراین وجود هارمونیک های ولتاژ در سیستم ، این تلفات را بشدت افزایش می دهد .

تلفات عایقی 
تلفات عایقی تجهیزات نیز عمدتا ناشی از تلفات هیسترزیس در آنها است، که خود تابعی از فرکانس ولتاژ کار است . لذا این نوع تلفات نیز در اثر وجود هارمونیک ها ، رشد خواهد داشت .

تلفات از طریق سیم نول 
هارمونیک مضارب 3 در نقطه نول اتصالات ستاره، یکدیگر را خنثی نمی کنند بلکه با یکدیگر جمع شده و جریان قابل توجهی از سیم نول عبور می دهند که تلفات سیم نول را بشدت بالا می برد .
 

تلفات غیر فنی
همانگونه که قبلا اشاره شد ، تلفات غیر فنی به قسمتی از تلفات انرژی اتلاق می شود که در دسته تلفات فنی جای نمی گیرند و بیشتر جنبه خطاهای محاسباتی و اندازه گیری دارند .
در این قسمت ، انواع تلفات غیر فنی در یک سیستم قدرت مرور گشته و هریک از آنها مختصرا توضیح داده خواهد شد .

استفاده غیر مجاز از برق
موارد متعددی از استفاده های غیر مجاز یا اصطلاحا برق دزدی وجود دارد که در زیر به آنها اشاره می شود :

دستکاری در لوازم اندازه گیری و کنتورها 
برخی مواقع مشترکین بصورت غیر مجاز کنتورهای خود را باز نموده و با دستکاری آن ، اعداد قرائت شده را به نفع خود تغییر می دهند و یا اینکه با به هم زدن تنظیم آن اعداد قرائت شده توسط کنتور را دچار خطا می کنند .

معیوب نمودن کنتورها 
معبوی نمودن کنتورها و اجتناب از آگاه سازی به موقع مسئولین باعث ثبت نشدن مقادیر مصرفی طی حداقل یک دوره مصرف می گردد.

خارج کردن کنتورها از مدار 
خارج نمودن کنتور از مدار بصورت کامل یا جزئی، سهم زیادی از انرژی مصرف شده را از پروسه اندازه گیری خارج می نماید .

عدم قرائت صحیح کنتورها 
عدم قرائت صحیح کنتورها توسط مامورین می تواند باعث بی اثر شدن سیستم تعرفه چند نرخی گردد.
در واقع ثبت مقدار انرژی مصرفی به میزان کمتر از مقدار واقعی می تواند نرخ تعرفه مشترک را از ردیف مشترکین پر مصرف به کم مصرف منتقل نماید .
 

 انشعاب گیری مستقیم از شبکه های برق
این مورد که برخلاف سایر موارد قبل ، معمولا جلوه ای کاملا آشکار دارد ، مشتمل بر مصرف کنندگانی میگردد که بدون داشتن حق امتیاز و مجوز قانونی و نصب کنتور از طرف شرکت برق ، بطور خود سرانه از طریق اتصالات سطحی ، از خطوط هوایی انرژی استفاده می نمایند .

فقدان سیستم اندازه گیری 
در یک سیستم قدرت بعضا بارهایی وجود دارند که بدلیل غیر اقتصادی بودن و یا کم توجهی فاقد سیستم اندازه گیری می باشند . بدیهی است که انرژی مصرفی این بارها اگرچه تولید و انتقال یافته است ، غیر قابل اندازه گیری خواهد بود بنابراین در زمره تلفات غیر فنی جای می گیرد. برخی از اینگونه تلفات به شرح زیرند :

 روشنایی معابر 
در برخی موارد روشنایی معابر فاقد سیستم اندازه گیری است .

 مصارف کشاورزی  
بعضا تعرفه ارزان قیمت بخش کشاورزی منجر به عدم توجه کافی در نصب کنتور برای اینگونه بارها گردیده است .

 مصارف موسسات دولتی و منازل مسکونی 
ممکن است موسسات و ادارت دولتی و یا پادگان هایی وجود داشته باشند که فاقد سیستم اندازه گیری انرژی الکتریکی وروردی باشند . همچنین باید منازل مسکونی سازمانی وابسته به آنها را نیز به این گروه افزود .
 

 تلفات تجاری
این تلفات بصورت غیر مستقیم به مصرف انرژی وابسته اند . در واقع صرفنظر از موارد برق دزدی و موارد اندازه گیری نشده ، دسته ای دیگر از تلفات غیر فنی وجود دارند که مرتبط با ناکارآمد بودن سیستم محاسبات و سایر مشکلات جنبی می باشند و اصولا ضررهای اقتصادی را شامل می گردند . عمده ترین موارد این دسته به شرح زیرند :

  قبوض پرداخت نشده  
عدم پرداخت به موقع قبوض از طرف مشترکین منجر به تاخیر در بازگشت سرمایه و درنتیجه باعث ضرر شرکت برق خواهد شد .

 صدور قبوض نادرست   
محاسبات و یا سایر اشتباهات که منجر به صدور قبوض نادرست می گردد ، می تواند دقت صورت گرفته درسایر مراحل اندازه گیری را بی ثمر نماید و بخشی از بازگشت درآمد ناشی از فروش انرژی را هدر دهد .

 قرائت ناهمزمان کنتورها  
قرائت ناهمزمان کنتورها با روش های فعلی که توسط نیروی انسانی و با مراجعه حضوری در محل صورت می گیرد ، صرفنظر از اینکه مشکلاتی را درخصوص مسائل برنامه ریزی و توسعه شبکه ایجاد می کند موجب تبعیض در محاسبه بهای انرژی مشترکین و احیانا ضرر شرکت برق خواهد شد .

 عدم نظارت بر دیماند خریداری شده توسط مصرف کننده   
در بسیاری از بارهای صنعتی ممکن است توان مصرفی، بالاتر از سقف دیماند مورد توافق باشد و عدم نظارت بر این مساله می تواند منجر به اضافه بارشدن شبکه از طرف مشترکین و در نتیجه ، زیان شرکت برق گردد.

 انرژی توزیع نشده   
عدم توانایی سیستم در هر مرحله از تولید ، انتقال یا توزیع در تحویل انرژی به یکدیگر به نحوی که نتوانند آن را مطابق قرارداد در اختیار مشترک قرار دهند عملا به این معنی است که تمامی سرمایه های صرف شده در راستای احداث نیروگاه و شبکه جهت تامین بار ، بدلیل فروش نرفتن انرژی ، بلا استفاده مانده است که این طبیعتا نوعی زیان اقتصادی محسوب می شود .

 خسارات ناشی از قطع بار یا مشکلات کیفیت توان    
خارج از استاندارد بودن کیفیت برق تخویلی به مشترک و یا قطع بار بدون هماهنگی و رضایت مشترکین می تواند به تجهیزات و محصولات آنها صدماتی وارد نماید که طبیعتا پرداخت این زیان ها به عهده شرکت برق خواهد بود .