کتاب معرفی سیستم های قدرت الکتریکی به زبان ساده

مقدمه مولف

درباره کتاب

این کتاب بمنظور ایجاد یک نگرش کلی در افراد حرفه ای غیربرقی در زمینه سیستم های الکتریکی به هم پیوسته و بزرگ و با در نظر گرفتن اصطلاحات و مفاهیم برقی، ملاحظات طراحی، روش های ساخت، استاتدارهای صنعتی، عملکردهای اتاق کنترل در شرایط عادی و شرایط اضطراری، تعمیر و نگهداری، مصرف ارتباطات از راه دور و ایمنی، ارائه گردیده است. چندین مثال کاربردی، به همراه نقشه ها، تصاویر و عکس های متعددی جهت کمک به ایجاد این نگرش کلی نیز آورده شده است. هدف این کتاب ایجاد درک عمیق برای افرد حرفه ای غیربرقی از نحوه کارکرد سیستم های قدرت از تولید برق گرفته تا سیم کشی خانگی و مصرف آن توسط لوازم متصل می باشد.

این کتاب با معرفی مفاهیم اولیه و اصطلاحات الکتریکی مورد استفاده در صنعت، آغاز می گردد، و سپس با معرفی تولید انتقال و توزیع توان الکتریکی ادامه می یابد. خواننده این کتاب از جنبه های مهم یک سیستم قدرت به هم پیوسته آگاه می شود. موضوعات دیگر این کتاب شامل مدیریت انرژی، حفاظت از انرژی الکتریکی، ویژگی های مصرف و جنبه های نظارتی می باشد که به خوانندگان کمک می کند تا در زمینه سیستم های قدرت الکتریکی مدرن جهت برقراری ارتباط موثر با مهندسین، تولیدکنندگان تجهیزات، پرسنل این حوزه مقامات ناظر، لایی ها، سیاستمداران و کلا و تمامی افرادی که در صنعت برق فعالیت می کنند شناخت مناسبی داشته باشند.

خلاصه فصل ها

در این جا مرور مختصری از فصل ها ارائه شده است چرا که دانستن مکان موضوعات خاص و نحوه سازماندهی مطالب، به خواننده در درک مفاهیم کمک خواهد کرد. طرز بیان بکار گرفته شده در این کتاب، اصطلاحات واقعی صنعت را باز می تاباند.

فصل یک، بحث مختصر و در عین حال آموزنده ای از تاریخچه سیستم قدرتی که امروز می شناسیم، ارائه می دهد سپس نموداری کلی از سیستم به همراه توضیح مختصری درخصوص بخش های عمده یک سیستم قدرت الکتریکی آورده شده است. تعاریف کلی و اطلاحات رایج مانند ولتاژ، جریان، توان و انرژی نیز مورد بحث قرار گرفته است مفاهیم اساسی از قبیل جریان مستقیم و متناوب، تولید تکفاز و سه فاز، انواع بارها و راندمان سیستم قدرت نیز بمنظور تعیین مراحلی جهت یادگیری پیشرفته، مطرح گردیده است. برخی از فرمول های الکتریکی بسیار اساسی، در فصل اول و نقاط مختلف کتاب ارائه شده است. این فرمول بمنظور توضیح بهتر اصطلاحات و مفاهیم مربوط به سیستم هاب قدرت الکتریکی آورده شده اند. خواننده نباید نگران این فرمول های ریاضی باشد چرا که این فرمول ها تنها برای توضیح و توصیف روابط می باشند.

مفاهیم عمومی تولید، در فصل دوم ارائه گردیده است. این مفاهیم شامل قوانین فیزیکی است که موتورها و ژانراتورها را قادر به کار می سازد، و نیز محرک های اولیه ای که باعث چرخش روتور انواع ژنراتورها می گردد و هم چنین تجهیزات اصلی مربوط به تولید توان الکتریکی است. قوانین فیزیکی که در این فصل بحث شده، بعنوان قوانین پایه در تمامی سیستم های قدرت الکتریکی بکار می رود.

الکتریکی که در این فصل بیان شده، جهت معرفی یک سیستم قدرت الکتریکی جامع، در سرتاسر کتاب استفاده شده است. در هنگام توصیف اصول تولید، انواع محرک های اولیه که برای چرخاندن محور ژانراتور مورد استفاده قرار می گیرند نیز شرح داده شده است محرک های اولیه ای که در این کتاب است شامل توربین های بخار، توربین های آبی و توربین های بادی می باشد. برخی از منابع انرژی الکتریکی غیرچرخان از قبیل سیستم های خورشیدی نیز توضیح داده شده اند. مسائل اساسی زیست محیطی مربوط به هریک از محرک های اولیه نیز ذکر گردیده است.

تجهیزات اصلی مربوط به هریک از انواع نیروگاه ها، مانند بویلرها، برج های خنک کننده، پمپ های تغذیه بویلرها، و سیستم های کم فشار و نیز شرح داده شده است. در این فصل خواننده باید فهم اساسی از اصول نیروگاه که مربوط به بخش تولید سیستم قدرت الکتریکی است، بدست آورد.

دلایل استفاده از خطوط توان ولتاژ بالا نسبت به خطوط توان ولتاژ پایین، در فصل سوم توضیح داده شده است. اجرا اساسی خطوط انتقال از قبیل هادی ها، عایق ها، فواصل هوایی و محافظ ها نیز در همین فثل بحث شده است. هم چنین هریک اط خطوط انتقال جریان مستقیم و خطوط انتقال جریان متناوب در حالت انتقال هوایی و یا زیرزمینی، مقایسه شده اند. در این فصل خواننده باید درک درستی از پارامترهای طراحی خطوط انتقال و مزایای استفاده از خطوط انتقال ولتاژ بالا برای انتقال کارآمد توان الکتریکی، کسب نماید.

فصل چهارم، تجهیزات مورد استفاده در پست ها را پوشش می دهد که انرژی الکتریکی ولتاژ بالا را به انرژی قابل استفاده برای توزیع و مصرف تبدیل می کنند. خود تجهیزات (یعنی ترانسفورماتورها، کلیدهای قدرت، کلیدهای قطع کننده تنظیم کنندها و غیره) و ارتباط آن ها با حفاظت سیستم، عملکردهای تعمیر و نگهداری، عملکردهای کنترل سیستم، نیز توضیح داده خواهد شد.

فصل پنجم، سیستم های توزیع اولیه به شکل های هوایی و زیرزمینی را از لحاظ نحوه طراحی، عملکرد و استفاده برای تامین مصارف خانگی، تجاری و صنعتی مورد بحث قرار می دهد، و بر روی سیستم توزیع بین پست و دستک مصرف کننده (یعنی تجهیزات ورودی سرویس مصرف کننده) تمرکز می نماید. پیکربندی خطوط انتقال زیرزمینی و هوایی به همراه دسته بندی ولتاژها و تجهیزات معمول مورد استفاده در سیستم های توزیع نیز توضیح داده شده است. در پایان این فصل، خوانده نسبت به نحوه طراحی و ساخت سیستم های توزیع که توان الکتریکی قابل اطمینان را برای مصرف کنندگان فراهم می نمایند، آگاه خواهد شد.

تجهیزاتی که بین بارهای واقعی (یعنی وسایل مصرفی) و تجهیزات ورودی سرویس مصرف کنندگان (یعنی دستک مصرف کننده) قرار می گیرند. نیز در فصل ششم مورد بحث قرار گرفته است. هم چنین تجهیزاتی که بمنظور اتصال بارها خانگی، تجاری و صنعتی بکار می روند، شرح داده شده است. تولید اضطراری و سیستم های تامین برق اضطراری به همراه مشکلات و مسائل و راه حل های آن، که به مصرف کنندگان بزرگ مربوط می شود نیز مطرح گردیده است.

تفاوت بین «حفاظت سیستم» و «حفاظت فردی» (یعنی ایمنی) در ابتدای فصل هفتم شرح داده شده است که در ادامه اختصاصا به مبحث «حفاظت سیستم» پرداخته شده است. نحوه حفاظت سیستم های قدرت الکتریکی در مقابل خطاهای ایجاد شده در تجهیزات برخورد صاعقه، عملکردهای سهوی، و سایر اتفاقاتی که باعث ایجاد اختلال در سیستم می شود «حفاظت فردی» در فصل دهم توضیح داده شده است. سرویس قابل اطمینان به طراحی مناسب و بازدید دوره ای از سیستم های حفاظت رله ای بستگی دارد. این سیستم ها و رله های حفاظتی آن ها، برای خطوط انتقال، پست ها و خطوط توزیع تعریف می شوند. در این کتاب خواننده درخصوص نحوه طراحی سیستم قدرت الکتریکی جهت حفاظت از خودش اگاه می گردد.

فصل هشتم با توضیحی درخصوص سه شبکه اصلی قدرت در شمال آمریکا و نحوه تقسیمات جغرافیایی این شبکه ها و چگونگی عملکرد کنترل و تنظیم آن ها، آغاز می گردد. تاکید این فصل بر روی نحوه اتصال شرکت های برق شخصی جهت بهبود عملکرد، قابلیت اطمینان پایداری و امنیت شبکه قدرت می باشد. مباحث دیگر شامل تعادل بین تولید و مصرف، طراحی منابع و محدودیت های عملیاتی در شرایط عادی و شرایط اضطراری می باشد. در نهایت مفاهیم خاموشی، حذف بار، و سایر مسائل مربوط به قابلیت اطمینان، بعنوان راهکاری جهت حداقل کردن خاموشی ها، شرح داده شده است.

مراکز کنترل سیستم، در فصل نهم، بعنوان موضوعی مهم در عملکرد روزانه سیستم های قدرت الکتریکی مورد بحث قرار گرفته است. این فصل در مورد عملکردهای مرکز کنترل سیستم، پایش و استفاده از برنامه های کامپیوتری پیشرفته و سیستم های الکتریکی کنترل از راه دور جهت کنترل تجهیزات واقع در پست ها، خطوط قدرت و موقعیتا های بارهای واقعی، بحث می کند. این تجهیزات، سیستم قدرت را قادر می سازد تا بصورت اقتصادی توزیع بار نموده و تقاضای انرژی را پاسخ گو باشد و تجهیزات را طی عملکردهای تعمیر و نگهداری اضطراری و شرایط نرمال، کنترل نماید. توضیحات و کاربرد «کنترل نظارتی و اکتساب داده ها» و سیستم های مدیریت انرژی نیز در این فصل آورده شده است.

قابلیت ها و مزایای انواع مختلف سیستم های ارتباطی که برای برقراری ارتباط بین مراکز کنترل و واحهای کنترل از راه دور بکار می روند. شرح داده شده است. این سیستم های ارتباطی شامل فیبرهای نوری، مایکروویو، سیستم مخابراتی بین پست ها، مدارات رادیویی و مدارت خطوط مسی می باشد. روش های مورد استفاده جهت ارائه حفاظت رله ای با سرعت عملکرد بالا، مراکز خدمات مصرف کننده و سرویس های ارتباطی صوتی/ دیجیتالی نیز بطور اساسی توضیح داده شده است.

این کتاب با فصل ده به پایان می رسد که این فصل به ایمنی الکتریکی اختصاص داده شده است. حفاظت فردی و طرز کار بر روی سیستم قدرت الکتریکی تجهیزات حفاظت فردی از قبیل پوشش های عایق لاستیکی و تجهیزات لازم برای زمین کردن، به همراه روش های متداول ایمنی، نیز شرح داده شده است. شناخت و درک «افزایش پتانسیل زمین» ولتاژ تماس و «ولتاژ گام» پیام مهمی را در مورد اقدامات احتیاطی لازم الاجرا در اطراف خطوط قدرت، پست ها و حتی در اطراف مناطق مسکونی می رساند. لطفا توجه نمایید که در بعضی قسمت ها در فصل های مختلف، با ارائه توضیحات اضافی، برخی مفاهیم با جزئیات کامل توضیح داده شده اند. این قسمت ها باعنوان «مطالعات تکمیلی اختیاری» در کتاب مشخص شده اند و البته برخی مطالب نیز بدون این که ارزش متن کاهش یابد در این کتاب دیه نشده­ اند.

فصل اول: بررسی اجمالی، اصطلاحات فنی و مفاهیم اساسی

اهداف فصل

بحث و تبادل نظر درباره تاریخچه برق

مروری اساسی بر سیستم برق امروزی

اصطلاحات و مفاهیم اساسی مورد استفاده در صنعت برق

توضیح واژه های کلیدی ولتاژ، جریان، توان و انرژی

بحث در مورد ماهیت الکتریسیته و روابط بین اطلاحات

توصیف سه نوع بار مصرفی و مشخصات آن ها

فصل دوم: تولید

اهداف فصل

توصیف اینکه چگونه در حضور میدان مغناطیسی در هادی ولتاژ ایجاد می شود.

توضیح اینکه چگونه در حضور میدان مغناطیسی در سه هادی ولتاژ سه فاز ایجاد می شود.

توصیف اینکه چگونه جریان عبوری از یک سیم پیچ باعث ایجاد میدان مغناطیسی می شود.

بحث در مورد اینکه چگونه روتور ژانراتور برای تولید برق میدان مغناطیسی ایجاد می کند.

توصیف سه جز مهم ژانراتور

توضیح تولید زمان واقعی

بحث در مورد دو نحوه اتصال متقارن سیم پیچ های ژانراتور (ستاره یا مثلث)

بحث در مورد مدلهای مختلف نیروگاه ها (برای مثال بخاری، هسته ای، بادی و...)

توصیف مدل های مختلف محرک اولیه نیروگاه ها

توصیف نحوه تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریسیته

بحث در مورد تبدیل منابع انرژی مختلف به انرژِ الکتریسیته

توضیح ملاحظات زیست محیطی برای نیروگاه های مختلف

فصل سوم: خطوط انتقال

اهداف فصل

بیان دلیل استفاده از خطوط انتقال با ولتاژ بالا (فشار قوی)

تشریح انواع، اندازه، جنس و خصوصیات مختلف هر هادی

بحث درباره انواع عایق های استفاده شده در هادی های هوایی و زیرزمینی

شناخت سطوح ولتاژی رایج در سیستم انتقال توان الکتریکی

بحث درباره ویژگی ها و مشخصات طراحی های مختلف خطوط انتقال الکتریکی (عایق، فاصله هوایی، عملکرد در برابر صاعقه و...)

بیان تفاوت های بین خطوط انتقال متناوب و مستقیم از لحاظ طراحی، قابلیت اطمینان، کاربردها و مزایا

بحث درباره سیستم های انتقال هوایی وزیرزمینی

فصل چهارم: پست های برق

اهداف فصل

شناخت تجهیزات اصلی پست ها

توضیح هدف و عملکرد هریک از تجهیزات

توضیح انواع مختلف ترانسفورماتورها

توضیح عملکرد رگولاتورهای ولتاژ و تب چنجرها

دانستن مزایا و معایب تجهیزات گازی و روغنی

توضیح انواع مختلف کلیدهای قدرت و چگونگی عملکرد آنها

توضیح اهداف استفاده از خازن ها، راکتورها و جبران کننده های توان راکتیو در سیستم های قدرت

توضیح تجهیزات موجود در ساختمان های کنترلی

توضیح برنامه های موثر تعمیر و نگهداری پیشگیرانه مورد استفاده برای تجهیزات پست

فصل پنجم: توزیع

اهداف فصل

تشریح مسایل پایه ای سیستم های توزیع هوایی و زیرزمینی

بحث در مورد چگونگی عملکرد شعاعی فیدرهای توزیع

بحث در مورد مزایا و معایب اتصال ستاره در مقابل اتصال مثلث

تشریح فیدرهای توزیع مثلث و ستاره زمین شده و مدارهای جانبی آن ها

تشریح چگونگی اتصال بانک های ترانسوفرماتورهای سه فاز

تشریح چگونگی تولید ولتاژ 240/120 ولت متناوب توسط ترانسفورماتورهای توزیع

توضیح درباره تجهیزات سیستم های زیرزمینی مختلف

تشریح اتصالات سیم سرویس ثانویه

فصل ششم: مصرف

اهداف فصل

توضیح دسته های مصرف انرژی (مسکونی، تجاری، و صنعتی) و مشخصه های مصرف آن ها

توضیح بازده سیستم قدرت و ضریب توان

بحث درباره مدیریت سمت تقاضا

توضیح انواع مختلف اندازه گیری توان الکتریکی

بحث درباره تجهیزات ورودی سیستم مسکونی، تابلوها و پیکربندی مدارهای انشعاب

توضیح نحوه سیم کشی روشنایی خانگی، جعبه تقسیم سیم ها، پریزهای قطع مدار خطای زمین و مدارهای 240 ولت متناوب

توضیح مسائل رایج در راه اندازی موتورهای بزرگ و نحوه راه اندازی نرم در کاستن از فلیکر

بحث درباره تجهیزات ورودی سرویس صنعتی، سیم بندی تجهیزات، ژانراتورهای اضطراری و سیستم های تامین توان مستمر و بدون قطعی.

فصل هفتم: حفاظت سیستم

اهداف فصل

توضیح در مورد تفاوت «حفاظت از سیستم» و «حفاظت شخصی»

توضیح در مورد تفاوت بین رله های «الکترومکانیکی» و الکترونیکی»

توضیح مفهوم جریان و زمان معکوس

توصیف مدار تک خطی و استفاده از آن ها

مفهوم ناحیه حفاظت

تفاوت بین تجهیزات حفاظت از سیستم های انتقال، پست، توزیع و تولید

توصیف مراحل سنکرون کردن یک ژانراتور در یک شبکه

فصل هشتم: سیستم های قدرت به هم پیوسته

اهداف فصل

توضیح درباره اینکه چرا سیستم های قدرت به هم پیوسته بهتر از نواحی کنترل مجزاست

توضیح درباره شبکه اصلی در آمریکای شمالی

تعریف واژه بهره بردار مستقل سیستم و اهداف آنها

توضیح توابع و وظایف مراجع ایجاد تعادل

توضیح درباره میزان برنامه ریزی توان و انتقال آن بر حسب قیود خطوط

توضیح قابلیت اطمینان و پایداری و کنترل ولتاژ شبکه قدرت

بحث در مورد ظرفیت تولید و تقاضای سیستم

توضیح در مورد اهداف رزرو چرخان و تامین توان راکتیو

توضیح درباره میزان ظرفیت اضافه ژانراتور که می تواند فروخته شود

توضیح شرایطی که برای حفظ یک شبکه قدرت قابل اطمینان، نیاز به پایش دارد

بحث درباره آنچه که اپراتورهای کنترل سیستم برای جلوگیری از یک اختلال بزرگ باید انجام دهند

توضیح درباره رویدادهای تحمیلی به سیستم در هنگام بروز یک خطای بزرگ

فصل نهم: مراکز کنترل سیستم و ارتباطات راه دور

اهداف فصل

توضیح اهمیت مراکز کنترل سیستم های الکتریکی

توضیح راجع به تجهیزات استفاده شده در مراکز کنترل سیستم

توضیح SCADA (کنترل نظارتی و اکتساب داده)

توضیح درخصوص نظارت و کنترل اپراتورهای سیستم

توضیح چگونگی کنترل از راه دور تجهیزات پست

توضیح آنچه که سیستم مدیریت انرژی انجام می دهد

شرح نرم افزارهای مورد استفاده توسط اپراتورهای سیستم

شرح انواع سیستم های ارتباط از راه دور استفاده شده در SCADA

توضیح دلیل استفاده بیش از بیش شرکت های برق از فیبر نوری

فصل دهم: حفاظت فردی (ایمنی)

اهداف فصل

توضیح «حفاظت فردی» در عبارت ایمنی سیستم های قدرت الکتریکی

توضیح درباره آسیب پذیری افراد در برابر برق

توضیح درباره نحوه ایجاد ایمنی برای افراد از طریق «ایزولاسیون»

توضیح درباره نحوه ایمن بودن افراد در یک «ناحیه هم پنانسیل»

توضیح افزایش پتانسیل زمین

توضیح درباره اهمیت ولتاژهای «تماسی» و «گام»

توضیح درباره چگونگی ایمنی تعمیرات خطوط، در هنگام «برقدار» بودن یا «زمین شدن»

توضیح درباره مفهوم «کلیدزنی»

توضیح «خطرات ایمنی» در خانه