توزیع انرژی الکتریکی

مقدمه

در دهه ۶۰ ظرفیت تولید انرژی الکتریسیته در آمریکا تقریبا دو برابر شد و میزان ۱۷۵GW به ۳۲۵GW رسید ( هر گیگاوات معادل ۱۰⁹ وات است . ) پس میزان در سال ۱۹۷۴ به ۴۷۴GW و تا سال ۱۹۸۰ به ۶۰۰GW رسیده بود . در پایان سال ۱۹۹۳ ، از ۷۰۰GW نیز گذشت . پیش بینی می شود که تا سال ۲۰۱۰ تولید باید به میزان ۲۱۰GW افزایش یابد که در نتیجه میزان مصرف برق آمریکا به یک TW می رسد ( هر تراوات ۱۰¹² وات است . ) . تنها ۲۰% ظرفیت فوق در حال احداث است .

مصرف رو به رشد الکتریسته معمولا بیشتر از تولید ناخالص داخلی است . با حرکت به سوی انحصار زدایی و رقابت فشرده این رشد باید به دقت پیش بینی شود . نظارت بر رعایت حریم خط انتقال و سرمایه گذاریهای کلان ایجاب می کند که رشد مصرف به دقت پیش بینی شود . از آنجایی که این عوامل هم در توزیع و هم در انتقال تاثیر گذارند ، در اینجا بین آنها تمایز قائل نمی شویم و به طور کلی صحبت می کنیم .

قبل از بحران انرژی سال ۱۹۷۴ ، مصرف الکتریسیته در آمریکا و غرب اروپا در مدت نزیدک به ۱۰ سال دو برابر شد که به معنی رشد سالانه ۷% است . تا چند سال بعد از ۱۹۷۴ ، عوامل متعددی این میزان رشد را به ۳% کاهش داد . در حال حاضر ، میانگین رشد مصرف خانگی در حدود ۲% است . تا سال ۲۰۳۰ این میزان رشد در صورت افزایش مصرف از ۳۰%  فعلی به ۵۰% پیش بینی شده افزایش فوق العاده ای خواهد داشت . افزایش جمعیت و به تبع آن افزایش تراکم باعث افزایش تراکم باعث افزایش این میزان می شود زیرا انرژی الکتریکی کم هزینه ، امن ، و ارزان است . بالا رفتن سطح زندگی مردم نیز عامل موثری در رشد مصرف برق است .

 

پیشگفتار

توانمندی شرکتهای خصوصی برق در دو دهه آینده به طور خاص وابسته به بهبود سیستمهای قدرتشان است . می توان کابلهای هوشمندی ساخت که در یافتن مکان خطا مفید باشند و هم بتوانند در مراحل اولیه آن را شناسایی کنند . این باعث می شود رفع خطا در زمان بازبینی ادواری امکان پذیر شود ، پس از آنکه خسارات زیادی به بار آید . در صورتیکه سرمایه و تلاش لازم را برای توشعه و پیشرفت ترانسفورماتورها صرف کنیم می توانیم ترانسفورماتورهای کوچک تری بسازیم . نتیجه مستقیم این اقدام کاهش تلفات است . پیشرفتهای جدید در زمینه حل مشکل تجمع بارهای الکتریکی به دلیل حرکت روغن به مراحل موفقیت آمیزی رسیده است . قادر خواهیم بود الکتریسیته را با کیفیت بهتر به مشتریانی که به کیفیت بالا نیاز دارند برسانیم . محدود کننده های جریان ، نه تنها از سیستم محافظت می کنند بلکه فشار وارد بر کلیدها را کاهش می دهند .

مواد ابررسانا تلفات توان را کم می کنند و در نتیجه چگالی توان افزایش می یابد . در تولید این مواد دقت خاصی به کار می رود . همانطور که در تولید مواد نمیه رسانا به دلیل مسمومیت زایی شدید انجام می شود . حتی اگر بی خطر بودن این مواد ثابت شود ، همواره عموم مردم در پذیرفتن آن دچار تردیدند و شرکتها باید به موقع به سوالهای آنها پاسخ دهند . افزایش آگاهی مردم در مودر میدانهای الکترومغناطیسی نیز باید مورد توجه قرار گیرد . خودکارسازی در توزیع برق رایح می شود و باعث بهبود تحویل توان می گردد.

هر سیستم قدرتی در آینده باید قابلیتهای زیر را داشته باشد :

• با راهبردهای مناسب در عرصه رقابت باقی بماند؛
• خدمات بهتری عرضه کند ؛
• مدیریت بهتری برای امکانات خود داشته باشد ؛
• عمر مقید تجهیزات را افزایش دهد ؛
• عیب یابی را بهبود بخشد ؛
• با قابلیت اطمینان بالاتر از تجهیزات نگهداری کند .

حال به بررسی تغییراتی که تا سال ۲۰۲۰ به وقوع خواهند رسید ؛ موارد دارای احتمال کمتر را تعیین و بر تغییرات اساسی و محتمل تاکید می کنیم . بیست سال زمان کوتاهی برای مشخص شدن تاثیرات تولید الکتریسیته به صورت غیر متمرکز است ولی سعی می کنیم بعضی از آثار آن را بررسی کنیم .

 

 

انتقال و توزیع

اگرچه سابقاً هزینه های هنگفتی برای خطوط انتقال فشار قوی دارای ولتاژ بالاتر از ۳۵kv صرف می شد ، خطوط با ولتاژ کمتر از یا مساوی با ۳۵kv قیمتی حدود ۱ تا ۲ دلار به ازای هر فوت ( ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ دلار به ازای هر مایل ) کابل دارند . بنابراین کلیه طرحهایی که برای شروع به سرمایه گذاری زیاد احتیاج دارند حذف می شوند . ولی با افزایش تقاضا برای قابلیت اطمینان بیشتر ، اتلاف توان کمتر ، هزینه کار و نگهداری پایین و افزایش آگاهی از آثر زیست محیطی میدانهای الکترومغناطیسی و افزایش دوام و طول عمر کابل باید در انتظار طرحهای جدید بود . هر چند که این طرحها به هزینه اولیه زیادی نیاز دارند ، ناگزیر به اجرای آنهاییم .

از حدود ۲۰ تا ۲۵ سال پیش که کابلهای ارزان قیمت به کار رفتند تجارب زیادی به دست آمده است ؛ مثلا اینکه هزینه تعمیر ونگهداری این کابلها نیز زیاد خواهد بود . در مواردی که مدت زمانی کوتاه مورد نیاز است ، هزینه کم اولیه عامل تعیین کننده است . ولی برای برنامه های دراز مدت مواردی مانند قابلیت اطمینان ، دوام ، نگهداری و نصب و هزینه اولیه در سیستم قدرت کاملا مدرن حرف اول را می زند .

از ابتدای پیدایش صنعت برق عایق بندی اهمیت خاص داشته است و رساناهای خوبی مثل مس یا آلومینیوم ستون اصلی تحویل توان بوده اند . در مقیاس کوچک از سدیم استفاده شده است ولی به دلیل اشتعال آن در مجاورت هوا چندان مناسب نیست . ویژگیهای لازم عایق خوب عبارت اند از چگالی کم ، رسانایی نسبتا خوب ، هزینه کم و پایداری شیمیایی . به عبارت مطلوب است که خارج قسمت رسانایی بر چگالی حداکثر باشد . این عدد را می توان بر هزینه تقسیم کرد تا مقایسه ای از لحاظ قیمت نیز انجام شود . در این مقایسه سدیم مناسب به نظر می رسد البته اگر اکسید نمی شد زیرا رسانایی آن ۳/۱ مس و چگالی آن ۹/۱ مس و عدد مورد بحث برای آن ۳ برابر مس است . از آنجایی که برای کابلهای هوایی دی الکتریک اصلی هواست ، قدرت مکانیکی نیز با اهمیت است . در اینجا پلیمرهای رسانا مناسب به نظر می رسند البته از نظر شیمیایی ناپایدارند . در این باره بحث خواهیم کرد .

تحویل توان در بهره وری نقش مهمی دارد که رفته رفته اهمیت آن افزایش می یابد . در نیمه اول قرن حاضر ، افزایش ظرفیت خط انتقال مستقیما متناسب با ظرفیت محدود ژنراتور و نیروگاه بود . به دلیل مسائل اقتصادی و افزایش تقاضا ژنراتورهای دور بالا از ظرفیت و ولتاژ ۱MVA و ۱۰KV در دهه ۱۹۰۰ به ۱۵۰۰MVA و ۲۵KV تغییر کرده اند . با افزایش ظرفیت ژنراتورها و نیروگاهها ظرفیت خطوط انتقال نیز افزایش پیدا کرد . برای کاهش تلفات در خطوطی که اکنون توان بیشتری منتقل می کردند لازم شد که سطوح ولتاژ افزایش یابند . این ولتاژها در آمریکا از ۱۰KV به ۷۶۵KV رسید . لازمه این کار استفاده از ترانسفورماتورهای ظرفیت بالا برای اتصال ژنراتورها به شبکه انتقال بود . در کمتر از یک قرن ، ظرفیت خطوط انتقال از ۱MVA به بیش از ۱۵۰۰MVA رسید . این حد بالاترین توانی است که به دلیل محدودیت ناشی از قابلیت اطمینان ، روی یک خط می توان انتقال داد . خطر قطع این توان در صورت خرابی خط به همراه مسائل دیگر از مشکلات بزرگ شرکتهای برق است .

مقایسه سیستم انتقال هوایی و زیرزمینی

صرف نظر از هزینه های حریم خط انتقال ، هزینه احداث و نگهداری خطوط هوایی همواره کمتر از خطوط زیرزمینی است . در نواحی پرجمعیت به دلیل پیچیدگی مسئله حریم خطوط انتقال هزینه احداث خطوط هوایی به اندازه خطوط زیرزمینی است . ولی خطوط هوایی منبع اصلی انتقال توان نیستند . انواع کابلهای انتقال ظرفیت بالا به خصوص کابلهای زیرزمینی باید با صرف هزینه زیاد خنک شوند . خطوط هوایی به میزان کافی با هوای اطراف خود که نقش دی الکتریک نیز دارند خنک می شوند . بر خلاف هزینه کم خطوط هوایی ، به دلیل مسائل علمی ، زیست محیطی و زیبایی شناختی در آینده درصد کمتری از توان با خطوط هوایی منتقل خواهد شد . بنابراین ، به جز بهینه سازی خطوط هوایی موجود ، بیشتر توان انتقالی در آینده به صورت زیرزمینی خواهد بود .

به دلیل سادگی نصب و کم هزینگی و سهولت تعمیر ، خطوط انتقال هوایی از ابتدا تا کنون انتخاب غالب برای انتقال الکتریسیته بوده است . با این همه خطوط زیرزمینی به دلیل قابلیت اطمینان بالا کاربردهای زیادی در امریکا داشته است . اما این قابلیت اطمینان بالاتر به قیمت هزینه بالاتر به  دست می آید . در خطوط هوایی احتمال وقوع خطا بیشتر است ، در عوض یافتن محل آن و تعمیر آن راحت تر است . مقایسه تعداد دفعات بروز نقص و مدت آن هزینه تعمیر خطوط هوایی و زیرزمینی مانند مقایسه سیب و پرتقال است در شرایط آب و هوایی متفاوت ؛ طبیعی است که بسته به شرایط محل یکی از این دو مناسب تر خواهد بود .

خطاهای خطوط هوایی بسته به عامل ایجاد آن از چند ثانیه تا چند روز طول می کشد . در خطوط دارای ولتاژ ۱۳۸KV و کمتر ، ۴ تا ۶ خطا در سال هر ۱۰۰ مایل باعث قطع برق می شوند . در حالت ایده آل تعداد خطاها در خطوط هوایی دارای ولتاژبالاتر ، در هر ۱۰۰ مایل نباید از یک قطع برق به دلیل صاعقه و یک قطع برق به دلیل اضافه ولتاژ ناشی از کلید زنی فراتر رود . در هر دو حالت ، قطع کننده یک طرف خطا عمل می کند و خط به طور کامل از شبکه خارج نمی شود . معمولا در مورد دفعات بروز نقص و مدت زمان و هزینه آنها اطلاعات کمی منتشر می شود .

با توجه به آمار تام رونباو در EPRI در خطوط هوایی حدود ۱۰۰ برابر خطوط زیرزمینی خطا رخ می دهد ، که بیشتر به دلیل بادهای شدید ، صاعقه ، و ضعیف شدن عایقها به دلیل گرد و غبار است . پخش شدن نمک در نواحی ساحلی علت عمده این خطاهاست . بیشتر اشکالات خطوط هوایی یک یا دو ثانیه طول می کشد و با محدود کننده ها و رله ها شناسایی و رفع می شوند . در خطوط زیرزمینی در هر سال در مسیری به طول ۱۰۰۰ مایل یک نقص رخ می دهد . این آمار در ولتاژهای بالای ۱۳۸KV صادق است ، در حالی که در خطوط ۴۶ و ۶۹ و ۱۵۵KV تعداد خطاها بیشتر است ، به دلیل اینکه کابلهای فوق یا مستقیما در زمین دفن می شوند یا با کابلهای توزیع در یک کانال قرار می گیرند . در این کابلها دفعات بروز خطا در هر سال در ۵۰۰ مایل یکبار است . برای مقایسه لازم به ذکر است که در کابلهای توزیع در هر ۱۰۰ مایل در هر سال یک خطا رخ می دهد .

آمار EPRI نشان داد خطوط زیرزمینی برای تعمیر به مدت زمانی بسیار بیشتر از زمان معمول یک هفته نیاز دارد و هزینه بسیار بیشتری می برد . این وضع بیشتر به دلیل سخت پیدا شدن محل خطا و نیاز به حفاری و همچنین نیاز به گروه با تجربه تعمیرات است که ممکن است در دسترس نباشد . به طور تخمینی ، هر خطای تکفاز بسته به شدت خرابی از ۱۵۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ دلار هزینه دارد .

 

مزایا و معایب خطوط انتقال زیرزمینی

خطوط انتقال زیرزمینی خود خنک کننده یا دارای خنک کننده جداگانه معمولا مشکلات زیست محیطی و زیبایی شناسی خطوط هوایی را ندارد ولی دارای معایب دیگری است . هزینه زیاد ساخت ، نصب و راه اندازی کابلهای زیرزمینی عمدتا به دلیل پیچیدگی فنی عایقهای فشار قوی لزوم خنک کردن ن است ( نشت روغن خنک کننده نیز یکی از مشکلات زیست محیطی این کابلهاست ) . هزینه نگهداری زیاد عمدتا به دلیل جریان عبوری زیاد در ولتاژهای بالا و خاصیت خازنی زیاد و بازده کم سیستمهای خنک کننده است . حفاری در زمین ، لوازم مخصوص و شناسایی مواد رسانای حرارت ، هزینه نصب خطوط انتقال زیرزمینی را تا حد قیمت کابل افزایش می دهد . کاهش چگالی توان توزیع در خطوط زیرزمینی به میزان فابل توجهی قیمت نصب را در مقایسه با خطوط انتقال کاهش می دهد .

با افزایش توان انتقالی تونلهای موجود انباشته یم شوند و توان تلفی نیز افزایش می یابد و نیاز به ماده پر کننده و جاذب رطوبت و سبک وزن احساس می شود . EPRI به تازگی واکس رقیقی تولید نموده که هدایت حرارت در درون خاک را یکنواخت می کند . در فصول بسیار گرم ، رطوبت داخل ماده پرکننده تبخیر می شود و فواصل هوایی باقی می گذارد که مقاومت حرارتی زیادی دارند . واکس رقیق شده درون حفره ها را پرمی کند و پلی ارتباطی برای انتقال حرارت ایجاد می کند . واکس رقیق محصول جانبی ارزان قیمت در فرایند پالایش نفت است و علاوه بر پایدار بودن ، همه جا در دسترس است . این روغن را می توان هم به صورت امولسیون و هم با حرارت دادن به ماده پر کننده افزود .

به دلیل اینکه خطوط زیرزمینی بر اثر عوامل مختلف اتلاف توان بیشتری نسبت به خطوط هوایی دارند ، ممکن است برای انتقال توان مساوی به سطح مقطعی حدود پنج برابر خطوط هوایی نیاز داشته باشند . در مجموع بسیاری از خطوط زیرزمینی تلفات کمتری نسبت به خطوط هوایی دارند . مقدار میانگین اتلاف در خط هوایی ۳۴۵ کیلو ولتی در هر ۱۰۰ مایل ۴/۴% و در خط زیرزمینی ۵/۳% است . ولی در ۵۰۰KV اتلاف خط هوایی در هر ۱۰۰ مایل ۵/۲% است . اتلاف خط هوایی ۴۰۰ کیلو ولت DC در هر ۱۰۰ مایل کمتر از ۱% است .

انتقال با خطوط ابررسانا

رسانای خوب عنصری اصلی در تحویل توان است و بهترین رسانای ابررساناهایند . تا اواخر سال ۱۹۸۶ ، پدیده ابررسانایی در دمایی بسیار نزدیک صفر مطلق اتفاق می افتاد . بالاترین دمای قابل قبول در آن ماده ابررسانا می شد برای ماده Nb₃ Ge در سال ۱۹۷۳ در ۲/۲۳ درجه کلوین ( دمای بحرانی ) به دست آمد و تا ۱۳ سال بالاترین دمای موجود بود . از سال ۱۹۷۳ تا ۱۹۸۶ ، گزارشهای متعددی از پدیده ابررسانایی ثبت شده ولی هیچ یک با آزمایش مجدد تایید نشده است . بنابراین دمای بحرانی در طول ۷۵ سال تنها ۱۹ درجه کلوین افزایش یافت . تقریب خطی نشان می دهد که تا رسیدن TICaBACuO به دمای ۱۲۵ درجه کلوین چهار قرن زمان لازم است ولی برخلاف انتظار جامعه علمی در سالهای ۱۹۸۶ و اوایل ۱۹۸۷ ، به فاصله چند ماه ، دمای بحرانی ۷۰ درجه افزایش یافت ؛ چنین انقلابهای علمی زیاد اتفاق نمی افتند ولی به موقع پیش می آیند .

ابررساناها تنها برای ولتاژ DC و چگالی جریان کمتر از حد معینی رسانایی بی نهایت دارند . ابررساناهای دما بالا در حالت عادی رساناهای ضعیفی اند و در هر دو حالت رسانایی حرارتی خوبی ندارند . در حالت AC ، در هر چگالی جرایان اتلاف توان در ابررسانا وجود دارد . در خطوط انتقال با کابلهای هم محور ، توان تلف شده بسیار کم است . جالب توجه اینکه این توان تلف شده با چگالی جریان نسبت عکس دارد . پس لازم است که هم در حالت AC و هم DC چگالی جریان تا حد امکان زیاد باشد . با این همه در مورد چگالی جریان ابررساناهای حجیم به اندازه دمای بحرانی آنها پیشرفت صورت نگرفته است ، زیرا ابررساناها در دمای عادی رساناهای ضعیفی اند و این مسئله استفاده آنها در مصارف فشار قوی را بیش از پیش مشکل می سازد .

حال ببینیم در آینده نزدیک ابررساناها چگونه پاسخگوی نیازهای صنعت تحویل توان خواهند بود . استفاده از خطوط ابررسانای دما پایین کاملا امکان پذیر است .  ولی هنوز صرفه اقتصادی آنها مبهم است . در کاربردی اساسی مانند یک خط تغذیه ، بازده سیستم خنک کننده بسیار مهم است . به ازای هر وات تلف شده در این خط ، سیستم خنک کننده ۷۰۰ وات توان مصرف می کند و در نتیجه از رقابت کنار می رود . ورشن است که هر قدر دمای بحرانی ابررسانا بالاتر باشد ، دمای کار کابل نیز بیشتر است و هزینه های خنک سازی کابل کاهش می یابد . مزیتی کوچک در دمای کار بالاتر این است که ظرفیت حرارتی کابل با توان سوم دمای مطلق متناسب است . در نتیجه ، ابررساناهای دما بالا که در دمای ۷۷ درجه کلوین به ازای هر وات تلف شده ۷۷ وات مصرف می کنند ، انتخاب مناسبی برای تحویل توان در برابر خطوط انتقال زیرزمینی معمول به نظر می رسند .

به مواد با نام BSCCO ( دارای فرمول Bi_1/6Pb_0/4Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ ) با دمای بحرانی حدود ۱۰۷ درجه کلوین ابررسانای دما بالا (HTS) گویند . به دلیل انتقال حرارت و رسانایی ضعیف این مواد در دمای عادی ، اجزای ابررسانا در درون بلورهای نقره قرار داده می شوند و حجم نقره حدود ۴ برابر خود ابررساناست . در عمل برای تحویل توان به کار گرفتن HTS کمترین دردسر و زحمت دارد . ( اگر چه خطوط ابررسانا دارای جریانهای زیاد و ولتاژ کم اند ، برای استفاده از آنها در سطح توزیع به دلیل هزینه زیاد تقاضایی وجود ندارد . ) . با این همه مشکلات فنی به قوت خود باقی است و ممکن است سیستم تحویل توان مطمئن تا ۲۰ سال دیگر به واقعیت نپیوندد .

عوامل مهم و قابل ذکر در انتخاب ماده مناسب HTS ولتاژمناسب عبارت اند از : میزان شکنندگی ، اتلاف توان و چگالی جریان بحرانی . تا کنون همه موارد HTS کاملا شکننده بوده اند . حتی اگر این مواد به کشل کابل بتوانند چگالی جریان زیادی ( در حدود ۱۰⁵ آمپر در هر سانتی متر مربع ) را از خود عبور دهند . اتلاف توان آنقدر زیاد است که برای جبران آن باید شکل کابل را عوض کرد . در صورتی که میدان مغناطیسی که کابل هم محور می بیند میدان ناشی از جریان درون کابل است که بر آن مماس است . پس در کابل هم محور ، توان اتلافی سه فاز سه برابر میزان اتلاف مربوط به یک فاز است زیرا فازها بر هم اثر متقابل ندارند .

در طراحی کابل به شکل غیر هم محور ، به دلیل اثر مقابل فازها برهم ، توان تلف شده بسیار بیشتر از سه برابر توان تلف شده در یک فاز است . قسمتهای ابررسانای درون نوار دور کابل به تلفات اضافه می کنند . حتی اگر کابلها به شکل هم محور باشند . میدان مغناطیسی و جریان گردابی زیادی درون روکش نقره ای ایجاد می کنند ، زیرا ابررساناها روکش نقره ای را در برابر میدان مغناطیسی حفاظت نمی کنند . رساناهای تابیده شده بیشتر از رساناهای معمولی و صاف توان تلف می کنند . استفاده از تعداد زیادی ابررسانا یک مزیت کوچک و یک اشکال بزرگ به همراه دارد . مزیت آن این است که در صورت خرابی ابررسانا جریان از مسیرهای متعددی راه عبور دارد . ولی در عوض جریان گردابی بیشتری نیز تولید می شود . در صورت حضور دو یا تعداد بیشتری از ابررساناها ، جریان گردابی در صورت عبور از نوار نقره ای توان بسیار کمتری تلف می کند زیرا مقاومت آن محدود می کند . استفاده از چند ابررسانا برای ولتاژDC  مناسب است نه برای AC . زیرا اجرای این طرح اولیه که با هدف کاهش اتلاف توان طراحی شده است بسیار مشکل خواهد بود به خصوص که بخواهیم با آن توان بیشتری نسبت به کابلهای معمولی منتقل کنیم .

برخلاف ضعفهای بسیار کابلهای غیر هم محور ، طرح آنها یک مزیت دارد . عایق آنها در دمای محیط قرار دارد . این واقعیت ، نصب انشعابات در مسیر خط را آسان می کند . ولی مشکل اتلاق توان بالای آن است که استفاده از آن را محدود می کند . کابل کشی سه فاز ابررسانای در درون لوله ها مشکل است به خصوص در محل انحنای لوله .

باید تحقیقات زیادی صرف نمونه های اولیه شود . ولی تا زمانی که مزیت ابررساناهای نسبت به کابلهای معمولی به ثبات نرسیده شروع این تحقیقات غیر ضروری به نظر می رسد .

در صورتیکه تنها کاهش تلفات مورد نظر باشد ، با کابلهای معمولی نیز امکان پذیر است زیرا با افزایش ولتاژ یا تعداد رساناها یا خطوط تلفات کاهش می یابند . ولی چگالی توان ، قابلیت اطمینان و هزینه تمام شده اولویت دارند . بنابراین ابررسانا باید به همان میزان که پیچیده تر می شود مطمئن تر نیز باشد و در عین حالی گران تر از کابلهای موجود نباشد ، دارای چگالی توان بیشتر و حتی اتلاف توان بیشتری دارد ولی لزوما دارای تلفات کمتر نیست . در حالی که خطوط کم مقاومت که درباره آن بحث خواهیم کرد بسیار ارزان است .

توزیع توان با خطوط کم مقاومت

خطوط رایج کم مقاومت

رسانایی الکتریکی با تعداد مسیرهای آزاد عبور الکترون در رسانا متناسب است که با کاهش دما به دلیل کاهش بی نظمی الکترونها افزایش می یابد . در طی رسیدن از دمای ۳۰۰ درجه کلوین به ۷۷ درجه کلوین تعداد مسیرهای عبور الکترونها در بیشتر مواد ۱۰ برابر می شود . که تقریبا به میزان ناخالصی و دیگر اشکالات ساختار ماده بستگی ندارد . ( البته در ادامه خواهیم دید که یک استثنا نیز وجود دارد .) . نیتروژن مایع که در ۷۷ درجه کلوین به جوش می آید خنک کننده سیستم های تحویل توان HTSL و سیستم های کم مقاومت است .

ده برابر شدن رسانایی اجازه عبور توانی معادل ۱۰ برابر را می دهد بدون اینکه توان تلف شده زیاد شود . علاوه بر تلفات مقاومتی و دی الکتریکی ، تلفات دیگری ناشی از نشت حرارت نیز وجود دارد . افزایش توان تلف شده در کل به دلیل توان تلف شده در سیستم خنک کننده است که به ازای هر وات تلفات در ۷۷ درجه کلوین ۱۰ وات مصرف می کند .

همه طرحهای تحقیقاتی سیستم های کم مقاومت تا به امروز با ولتاژ متناوب در نیتروژن مایع انجام شده اند . مهم ترین آن در ژاپن بوده است . در امریکا ، شرکت جنرال الکتریک و شرکت توان زیرزمینی در این زمینه فعالیت کرده اند ولی به دلیل مشکلات فنی و اقتصادی این طرح به صورت نیمه تمام رها شده است . طرحهای مشابه در کشورهای دیگر نیز به همین سرنوشت دچار شده اند . معمولا از رساناهای آلومینومی استفاده می شود ولی مس نیز کاربرد دارد . رسانایی هر دو فلز در دمای ۷۷ درجه کلوین ده برابر می شود . حال به بررسی سیستم دیگر می پردازیم که در بررسی مواد کم مقاومت در نظر گرفته نشده اند .

ابررسانایی

یکی از عناصری که در دمای ۷۷ درجه کلوین دارای بالاترین رسانایی نسبت به مواد دیگر است بریلیم نام دارد . این عنصر در دمای اتاق رسانایی ای در حد آلومینیوم دارد ولی در دمای ۷۷ درجه کلوین رسانایی آن ۱۰۰ برابر می شود . پس در دمای فوق بریلیم رسانایی حدود ۱۰ برابر مس یا آلومینیوم دارد . این کشف را رابینویتز در سال ۱۹۷۷ انجام داد . در سال ۱۹۹۰ ، مولر و همکارانش ابراز داشتند : « علی رغم سمی بودن بریلیم باید از آن در تحویل توان استفاده کرد . » آنها خاطر نشان ساختند که بریلیم تنها به صورت ذرات ریز معلق خطرناک است و وقتی در وسیله برقی به کار برود تقریبا بی خطر است .

چگالی کم بریلیم که در حدود ۱/۸gr/cm³ است نیز دلیل دیگر استفاده از آن به عنوان رسانا است . چگالی آن کمتر از چگالی آلومینیوم ۲/۷gr/cm³ و ۵ برابر کمتر از چگالی مس ۸/۹gr/cm³ ، همچنین کمتر از ۲ برابر چگالی سدیم ۰/۹۷gr/cm³ است و در هوا نمی سوزد . رسانایی بریلیم در دمای اتاق ۲ برابر رسانایی سدیم است . بنابراین در دمای ۷۷ درجه کلوین به قدری رسانایی آن بیشتر از بقیه موارد می شود که باید با دقت زیادی در سیستمهای انتقال کم مقاومت به کار رود و هزینه و میزان مسمومیت آن را در نظر گرفت . سمی بودن مشکلی است که تنها در زمان تولید وجود دارد و با تمهیدات پیش بینی شده برآن فائق آمده اند . هزینه تولید بریلیم در صورت ایجاد بازار برای تامین آن به شدت پایین خواهد آمد .

هنوز بررسی جدی در مورد این عنصر به عمل نیامده است .

فیبرهای گرافیک با پوشش فلزی

          با رسیدن به دمای ۲/۴ درجه کلوین از دمای ۳۰۰ درجه کلوین رسانایی بیشتر مواد ۱۰۰ الی ۱۰۰۰ برابر می شود . این افزایش به میزان خلوص و نحوه ساخت ماده بستگی دارد . هزار برابر شدن رسانایی به مفهوم افزایش قابل توجهی در انتقال DC  است . در مورد AC مشکلات دیگری وجود دارد . از آنجائیکه ضخامت رسانا با معکوس ریشه دوم رسانندگی متناسب است جریان عبوری با ریشه دوم مقاومت منتاسب می شود مگر اینکه رسانا بسیار نازک ساخته شود . مشکل دیگر این است که درجه خلوص بالای ماده که برای رسانایی زیاد در دمای پایین لازم است باعث کاهش استحکام رسانا می شود و علاوه بر هزینه لازم برای ساخت باید آن را از لحاظ مکانیکی تقویت کرد .

آلومینیوم خاص همواره در دسترس است ، آلومینیوم و دیگر عناصر مانند مس در ۴ درجه کلوین رسانایی ای معادل ۱۰۰۰۰ برابر دمای عادی دارند . برای مستحکم ساختن فلزات نیز روشهایی ابداع شده است . فلزات مس ، برنج ، نقره ، طلا ونیکل را به صورت صفحه ای روی فیبرهای گرافیت قرار می دهند . این روش را می توان برای فلزات دیگر نیز به کار برد ولی کارایی آلومینیوم و بریلیم هنوز نایید نشده است و به احتمال زیاد آنها نیز قابل استفاده خواهند بود . فیبرهای گرافیت به سبک وزنی و استحکام مکانیکی فوق العاده شهرت دارند . فیبرهای با قطر ۸ میکرون با لایه ای از فلز به ضخامت ۵/۰ میکرون پوشیده می شوند و در مجموع دارای چگالی ۲/۵gr/cm³ تا ۳gr/cm³ اند و قدرت کششی معادل ۴۵۰۰۰۰psi دارند . این مقادیر تنها ۸ تا ۱۰ درصد کمتر از فیبر گرافیت خالص است . این در حالی است که فولاد دارای قدرت کشش ۴۰۰۰۰ تا ۳۳۰۰۰۰psi است . بهترین سیم فولادی موجود تا ۴۶۰۰۰۰psi قدرت کشش دارد . پس اکنون امکان استفاده مستقیم از فیبرهای فوق یا قرار دادن آنها درون رساناها به منظور افزایش استحکام مانند آلومینیوم را ترجیح دهند . این فلز در دمای پایین ابررسانایی به عنوان پایدار کننده و به عنوان رسانا در سیستمهای کم مقاومت استفاده می شود . در دمای پایین در سیستمهای AC  از فیبرهای گرافیتی که با دی الکتریکهای نازک پوشیده شده اند نیز برای پایین نگه داشتن خاصیت القایی خط استفاده می شود .

اگر افزایش چگالی تواند هدف اصلی باشد ، پس دمای پایین تر از ۷۷ درجه کلوین کاربردهای فراگیر پیدا خواهد کرد . فیبرهای گرافیتی با پوشش فلزی هم در سیستم های کم مقاومت کاربرد دارد و هم در خطوط هوایی که وزن کم و قدرت کشش زیاد عوامل کلیدی اند . فیبرهای گرافیتی به دلیل وزن کم و پایداری مکانیکی زیاد در اتومبیل سازی و صنایع دیگر به کار می روند .

جالب تر از رساناهای تقویت شده با فیبرهای کرافیتی ، نانولوله های کربنی اند که قدرت کشش فوق العاده ای دارند و روزی جایگزین فیبرهای گرافیتی ضخیم در دوچرخه های بسیار سبک ، راکتهای تنیس و احتمالا تقویت کردن رسانا های برق خواهند شد . نانولوله ها را به سبب اندازه کوچک در حدود ۱۰ آنگستروم و دیواره هایی به ضخامت یک اتم به این نام می خوانند . قدرت جذب بالای نانولوله ها که ناشی از اثر موئینگی آنهاست باعث تلفیق آسان آنها با رساناهای الکتریکی و تقویت مکانیکی آنها می شود . نانولوله ها در ساخت سیم نیز کاربرد دارند و با آنها سیمهای نازکی می توان ساخت که در مدارهای میکروسکپی کاربرد دارند . هزینه ساخت نانولوله ها پایین و تولید آنها اقتصادی است .

FACTS

مبانی FACTS

          خطوط انتقال انعطاف پذیر ولتاژمتناوب ( FACTS ) فناوری پیشرفته و جدیدی است که با آن می توان ظرفیت کنونی سیستم های انتقال و توزیع را افزایش داد و در ضمن امپدانس خطوط را بسته به مقدار توانی که از این خطوط عبور می کند تغییر داد . با وجود روشهای مشابه کنونی مانند جبران کننده های توان راکتیو ، EPRI به گسترش نظریه FACTS کمک زیادی کرد . با پیشرفتهای اخیر در زمینه الکترونیک قدرت ، نرم افزارهای مخصوص شرکتهای برقی و ریز کامپیوترها و فیبرهای نوری که انتقال اطلاعات خوانده شده سیستم های فشار قوی را انجام  می دهند . FACTS به صورت عملی در آمد . نکته مهم در FACTS توانایی قطع و وصل سریع دقیق بانک ها ی خازنی بزرگ است که با پیشرفت های در زمینه کلیدهای حالت جامد امکان پذیر است . تایر یستورها ، که از معادل مکانیکی خود بسیار سریع تر ، دقیق تر و قابل اطمینان ترند : همچنین از سیستم تخلیه گاز نیز بهتر عمل می کنند . قطع و وصل با سیستم های دارای تایریستور زاویه فاز ، امپدانس و لتاژ و جریان را به نحوی کنترل می کند که با کلیدها و قطع کننده های مکانیکی ممکن نیست .این پیشرفت بزرگی است که به شرکت های برق امکان می دهیم بی دغدغه محدودیت دسترسی به خطوط انتقال و احداث خطوط انتقال بار خط را افزایش دهند . در قدرت های بالا نمی توان از توان اتلافی تایریستور وقتی در جهت مثبت جریان را عبور می دهد صرف نظر کرد . با این همه نیمه رساناهای با فاصله پهن باند ممکن است این مشکل را حل کنند . مطالعات دامنه دار نشان می دهد که با استفاده از FACTS می توان در هزینه ها صرفه جویی کرد . گزارشهای EPRI جلد اول و دوم EL 6943 مقالات کنفرانسهای FACTS و گزارشهای TR100504 از آن جمله اند .

حال به روشهای که FACTS را عملی می کنند اشاره می کنیم . اتصال بانکهای خازنی به صورت سری به خطوط انتقال هوایی باعث کاهش امتیاز این خطوط می شود . بدیهی است که در این فرایند راکتانس خازنی از راکتانس سلفی مدار سری منها می شود و در نتیجه امپدانس کل مدار کاهش می یابد . سلف بین خط و زمین قرار می گیرد تا از شدت ولتاژهای ضربه ای بکاهد . جبران کننده ثابت توان راکتیو در زمانی که افت ولتاژ پایداری سیستم را تهدید می کند سطح ولتاژ را افزایش می دهد . در اینجا تایریستور خازن را بین خط و زمین قرار می دهد . ممکن است به نظر برسد که اضافه کردن این خازن باعث کاهش ولتاژ خطو می شود ولی استفاده صحیح از خازن فوق باعث افزایش ضریب توان و در نتیجه افزایش ولتاژ می گردد . البته ولتاژ فوق به حدود ۲۰% بیشتر از میزان میانگین محدود می شود و در بعضی موارد خاص به ۵۰% بیشتر می رسد . وقتی افت ولتاژ خط به بیشتر از ۸۰% میانگین برسد کلید جدیدی به نام GTOخازن DC را وارد خط می کند که به صورت منظم ضربه های ولتاژ را به خط انتقال می فرستد تا اینکه به حد صحیح برسد .

FACTS می تواند امپدانس خط را عوض کند و در نتیجه بر توان ارسالی داخل سیستم یا بین چند سیستم تاثیر می گذارد و به طور عملی شبکه ملی می سازد . در این کاربرد لازم است تا ادوات FACTS به صورت کاملا منسجم کار کنند . با گسترش و پیچیده شدن سیستم ، تنظیم آن به حدی سریع و دقیق می شود که تنها کامپیوتر قادر به انجام آن است . در حال حاضر ، توزیع بار در خطوط DC ب االکترونیک قدرت انجام می شود زیرا هم ولتاژ و هم جریان را ایستگاه های یکسو ساز و معکوس کننده در دو طرف خط اندازه گیری می کنند . وقتی خط انتقال DC در شبکه AC قرار گیرد ، پایداری شبکه افزایش می یابد . FACTS هنچنین با فراهم کردن حالت گذرای میرا شونده مناسب باعث پایداری سیستم AC می شود . با استفاده از FACTS ، هارمونیکها که هم برای مصرف کننده و هم برای سیستم تولید برق خطرناک اند به شدت کاهش می یابند .

سیستمهای عامل FACTS

          حال باید دید که چه سیستم هایی از FACTS  استفاده کرده اند . در ۱۹۹۱ ، AEP کلید زنی یک سری بانک خازنی را روی خط ۳۴۵ کیلو ولت ویرجینیای غربی آزمایش کرد . به دنبال آن WAPA سیستم مشابهی را روی خط ۲۳۰ کیلو ولتی آریزونا نصب کرد که باعث افزایش توان انتقالی از ۳۰۰ مگاوات به ۴۰۰ مگاوات شد . اولین FACTS در ابعاد بزرگ روی خط ۵۰۰ کیلو ولت و ۲۵۰۰ مگاوات واقع در اورگون در ۱۹۹۳ به کار رفت که سیستم خازن سری بود و با تایریستور کنترل می شد . در ۱۹۹۵ تی وی ای مدل های GTO را معرفی کرد که قادر بودند حدود ۱۰۰ مگاوات را کنترل و جریان را در زمان دلخواه قطع کنند . با این همه بسیاری از شرکت های برق در به کارگیری این فناوری محتاط عمل کرده اند و در انتظار تولید وسایلی با هزینه کمتر و قابلیت اطمینان بالاترند و از سرمایه گذاریهای کلان در این زمینه خودداری می کنند .

توان الکتریکی سفارشی

در سال ۲۰۲۰ شرکتهای برق در زمینه توزیع انرژی الکتریکی با مشکلات فنی و تجاری مواجه خواهند شد . ماهیت روبه تغییر سیستمهای توزیع و مصرف کنندگان انرژی الکتریکی ، شرکتهای برق را وادار می کند که برای بقا در عرصه پررقابت امروزی اقدامهای متعددی انجام دهند . مشتریان خواهان خدمات مختلف و گسترده ای اند . شرکتها برای جلب رضایت مشتری و همچنین کسب سود کافی از نرم افزارهای مناسب استفاده می کنند . راهبردهای بازارهای غیر متمرکز در تحویل توان به اندازه وسایل مورد نیاز و تولید و انتقال توان سهم به سزایی دارند .

شمار رو به افزایشی از مصرف کنندگان وسایلی دارند که به کیفیت توان و بدتر از آن به قطع برق حساس اند . در آمریکا این خسارت حدود ۲۶ میلیارد دلار در سال است . علاوه بر این ، بسیاری از این وسایل باعث اغتشاش در سیستم قدرت می شوند . تا کنون رگولاتورها فضای بازار را به نفع فورش بیشتر الکتریسیته تغییر داده اند . ممکن است با تعیین جریمه برای کیفیت بد توان یا قابلیت اطمینان مجددا چنین کاری را انجام دهند .

استفاده گسترده از کنترلها و وسایل الکترونیک قدرت هم خوب است و هم بد . جنبه خوب آن بهبود سطح کیفی است . ولی باعث اضافه ولتاژهای زیاد با خاصیت سلفی می شود که هم برای مشتریان و هم برای تولید کنندگان مشکل زا است . همچنین ، موتورهایی با بازده بالا درایوهایی با قابلیت تنظیم سرعت و سیستم روشنایی جدید که محبوبیت زیادی به دست آورده اند باعث مشکلات مضاعف شده اند .

برای رفع این مشکل مدل جدیدی از اداوات حالت جامد که در آینده نزدیک آماده می شوند ، برای بهبود کیفیت عملکرد سیستم های قدرت طراحی شده است . قطعات الکترونیک قدرت قادرند در زمانی حدود چند میکروثانیه خاموش یا روشن شوند . در صورت بروز اغتشاش در یک فاز از سیستم سه فاز با انتقال توان از فازهای سالم به فاز آسیب دیده می توان بر مشکل غلبه کرد . همچنین توان را به وسایل ذخیره انرژی انتقال داد تا وقتی که سیستم از وضعیت نامناسب خود خارج شود . وسایل تولید کننده توان راکتیو این مشکل را رفع کرد . البته ژنراتورهای ابررسانا که به حالت کندانسور کار می کنند هیچ هارمونیکی منتشر نمی سازد .

خازنهای پیشرفته

وسایل قطع و وصل شونده سریع و توان بالا در قلب FACTS نهفته اند . خازنها موتورهای قوی FACTS اند . خازنهای قدیمی با کاغذ گرافیت جای خود را به خازنهای پیشرفته پلی پروپیلن (XLPE) داده اند و از آنجا که به سرمایه گذاری عظیمی محتاج اند و هزینه پستها به دلیل اندازه بزرگ آنها زیاد می شود ، مسئله طراحی خازنهایی با ابعاد کوچک ولی توان بالا و با کیفیت برتر در خور توجه است . شاید تصور کنید از زمانیکه لیدن ، خازن خود را درون پارچ طراحی کرد تا کنون پیشرفتهای زیادی در زمینه خازن انجام شده و اکنون جای زیادی برای پیشرفت نمانده است . ولی طراحی های جدیدی که در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس انجام شده نشان می دهد که ظرفیت خازنهای کوچکتیتانات سرب زیرکونیم ( PZT ) تولید شده است که ۳۶/۷j/cm³ انرژی ذخیره می کند . این رقم ۱۸۳ برابر خازنهای معمولی است که فقط ۰/۲j/cm³ انرژی ذخیره می کنند . خازنهای فوق در طور آزمایش ۱۰۰ میلیون بار با فرکانس ۱۰۰۰Hz پر و خالی شدند و هیچ گونه خرابی یا فرسودگی در آنها مشاهده نشد .

احتمال زیادی وجود دارد که عملکرد خارق العاده این خازنهای کوچک در ظرفیت و سطح ولتاژ بالاتر کاهش یابد . با این همه حتی اگر این ظریب ۱۸۳ برابر به ۱۰ کاهش یابد هزینه های استفاده از FACTS است . استفاده از خازنهای جبران ساز در کنار خط نیز باعث صرفه جویی زیادی می شود .

عایق های الکتریکی

          عایق دی الکتریک خوب باید دو خاصیت داشته باشد . اول اینکه مقاومت الکتریکی و قدرت دی الکتریکی مناسب را برای کاربرد مورد نظر داشته باشد . دوم ، از خواص حرارتی و مکانیکی مناسب برخوردار باشد . معمولا خاصیت سومی مربوط به میزان تلفات دی الکتریکی و ثابت دی الکتریک نیز مورد توجه است . در سیستمهای قدرت بسیار حیاتی است که خواص بالا در طول عمر مورد نظر و در شرایط محیط کاهش نیابند . توطیع توان به شدت به نحوه عملکرد این قطعات بستگی دارد .

هر عایقی با قدرت دی الکتریکی ۴۰ تا ۱۲۰KV/cm مناسب است . معمولا در عمل به دو دلیل از عایق هایی استفاده می کنند که قدرت الکتریکی شان به مراتب بیش از این باشد . دلیل اول اینکه قدرت دی الکتریکی با افزایش ضخامت ماده کاهش می یابد .( در بعضی موارد بیشتر و در بعضی دیگر کمتر ) .

دلیل دوم اینکه عدم یکنواختی در ساخت و مواردی نظیری ترک خوردگی و وجود حفره در زمان ساخت عایقهای بزرگ بیشتر پیش می آید . قدرت دی الکتریکی ماده میزان فشار الکتریکی است که بر روی سطح یا در درون دی الکتریک به وجود می آید . مواردی نظیر نم کشیدن و افزایش دما باعث ضعیف شدن آن می شود .

زمانی که دو دی الکتریک به صورت سری در میدان الکتریکی قرار گیرند ، فشار الکتریکی به نسبت ضرایب دی الکتریکی می یابد : E₂/E₁=K₁/K₂ . بنابراین ، میدان الکتریکی به نسبت ضرایب دی الکتریکی درون حفره معمولا ثابت دی الکتریکی واحد دارد ، ۲ تا ۳ برابر میدان دورن دی الکتریک است . به علاوه همان طور که در جدول ۱ می بینید ، قدرت دی الکتریکی درون حفره بسیار کمتر از مقدار آن در درون عایق است . پس بیشترین فشار به نقطه ضعیف که همان حفره است وارد می گردد . روشهایی نظیر تزریق روغن که بتواند حفره ها و شکافها را پر کند باعث افزایش ثابت دی الکتریک و همچنین قدرت دی الکتریکی آنها می شود .

یک حد نظری برای قدرت دی الکتریک زمانی روی می دهد که میزان تولید حرارت که به دلیل شتاب گرفتن و برخوردهای الکترونها پیش می آید از توان حرارتی عایق فراتر رود . به دنبال آن دی الکتریک بر اثر واپاشی حرارتی از کار می افتد . سازو کارهای دیگر باعث می شوند این حد نظری زودتر از زمان پیش بینی شده روی می دهد . ولی به دلیل وجود حفره ها ، به نظر یم رسد تمام فشار به نقطه ای وارد می شود که تحمل کمتری دارد . به دست آوردن دی الکتریک با قدرتهای بالا در آینده سخت خواهد بود ، زیرا ساخت فطعات بزرگ عایق بدون وجود حفره مشکل است . حتی اگر عایقها را از ابتدا بدون حفره بسازیم ، در دمای معمولی حفره هایی در آن ظاهر می شود . بلورهای کامل در بالاتر از دماهای بسیار پایین وجود ندارند ، زیرا با کاهش انرژی درونی ماده حفره هایی در آن به وجود می آید . با کاهش ضریب ایمنی و کار کردن در حوالی حد قدرت دی الکتریک می توان قدرت آن را افزایش داد . این عمل با استفاده از عایق بندی نازک تر و به همان نسبت افزایش طول عایق امکان پذیر است .

کابلهای توزیع

کابلهای کششی

          کابلهای کششی تولید شده از مس یا آلومینیوم بخش اعظم سیستم های توزیع را تشکیل می دهند . این کابل ها به مواد عایق نظیر روغن نیاز ندارند که نشست و وارد شدن آن به محیط زیست مشکل آفرین باشد . در ولتاژهای ۱۳۸ و ۲۳۹ کیلوولت گرایش زیادی برای استفاده بیشتر از این کابل ها در سیستم های توزیع وجود داشت تا اینکه کابل های نسبتا جدید از جنیس کاغذ – پلی پروپلین – کاغذ و روغن برای ولتاژهای ۱۱۵ کیلوولت تا ۳۴۵ کیلوولت رایج شد . بنابراین تحقیقات گسترده ای در زمینه تولید کابل های کششی تا سطح ولتاژ ۳۴۵ کیولولت آغاز شد زیرا این کابل ها در مقایسه با کابل های دارای عایق نوار سلولز با روغن فشار پایین و فشار بالا هزینه ساخت کمتری دارند و نصب و نگهداری آنها آسان تر است . ولی دشواری ساخت رشته های به هم تابیده تولید این کابل ها را در سطوح ولتاژ بالا کند کرده است . اما استفاده از آنها در ولتاژهای پایین تر چنین دشواری در پی ندارد . تولید حقیقی عایقها به شکل رشته های کشیده شده ، در کابل های که متحمل دمای کمی اند کاربرد دارد زیرا از شدت میدان الکتریکی در ضریب دی الکتریک کمی دارد جلوگیری می کند .

از سه نوع دی الکتریکی که معولا استفاده می شود پلی اتیلن اتصال عرضی در مقایسه با اتیلن پروپیلن قدرت دی الکتریک بیشتری دارد و XLPE نسبت به پلی اتیلن ارجحیت دارد زیرا پلی اتیلن زودتر از XLPE خاصیت کشسانی خود را از دست می دهد . برخی اوقات اتیلن پروپیلن به دلیل انعطاف پذیری بیشتر در نواحی سردسیر کاربرد دارد . نفوذ آب به طور خاص و نفوذ میدان الکتریکی به طور کلی همچنان مشکل زاست . مواد جدیدی که بتوانند جلوی نفوذ آب را بگیرند ، همچنین کابل های ضد آب در دست مطالعه اند . کابل ها با تزریق سیلیسیم یا مواد دیگر قادرند در مقابل نفوذ آب بهتر مقاومت می کنند . یکی از پروژه های EPRI مطالعه تاثیر اضافه کردن گاز فشرده SF₆ به کابل هایی است که تحت نفوذ آب قرار گرفته اند تا بتوان با این روش عمر مفید کابل ها را افزایش داد . مشکل دیگر کابل های زیرزمینی این است که به دلیل نامعلوم منفجر می شوند . یکی از روشهای رفع این مشکل عایق بندی کابل ها به طرق مختلف است که در بخش بعدی آمده است .

عایق های پیشرفته پلیمری

از زمان تولید کابل های پلی اتیلن و پلی پروپیلن شاهد پیشرفت چندانی در زمینه کابل های قدرت نبوده ایم . آیا دلیل آن این است که بهترین دی الکتریکها را در ۲۵ سال پیش کشف کرده ایم و در حال حاضر جایی برای پیشرفت نیست ؟ این دلیل چندان هم بی ربط نیست چرا که به راستی نیز چنین بوده است و تیتانات باریم ثابت دی الکتریکی فوق العاده زیاد و خواص فروالکتریکی قابل توجهی دارد . یا شاید هم دلیل آن این باشد که تولید کننده هرگز حاضر نمی شود محصول جدیدی را وارد بازار پایدار محصولات قبلی خود کند و برای خود رقیب ایجاد کند ؟

عایق های پیشرفته با قدرت دی الکتریک بهتر باعث نازک تر شدن کابل های دیواری می شوند که از دو جهت مفید است . اول اینکه نازکی آنها باعث می شود از درون کانال های فعلی کابل های بیشتری عبور کنند و ظرفیت آنها افزایش یابد . به علاوه ، نازک تر شدن کابل ها باعث انعطاف پذیرتر شدن آنها می شود و کابل ها راحت تر از درون کانال ها عبور می کنند . با این همه این عمل جنبه منفی نیز دارد . در قدرت دی الکتریک بالاتر ، افت ولتاژ درون کابل تغییر نمی کند ولی میدان الکتریکی قوی تر باعث تشدید نفوذ آب و میدان الکتریکی به درون کابل می شود مگر اینکه خود ماده در برابر آن مقاوم باشد .

پلیمرهای مورد استفاده در کابل های کششی ، متیل پنتین ، پلی مید و سندیوتاکتیک پلی استیرن است . روش دیگر استفاده از پلیمرهای غیر ترموپلاستیک به صورت ورقه ای است . پلی کونیولین یا ایساریل ۲۵ را نیز می توان به صورت ورقه ای به کار برد . به منظور بهبود خواص دی الکتریک از سیلیسیمهای قابل اتصال یا رزینهای پلی بوتادین برای پر کردن حفره های درون عایق کابل استفاده می شود . همه مواد فوق تحت آزمایشهای تسریع شده برای تعیین طول عمر عایق انجام می شود . در انتها ، باید هزینه تولید کابل کمتر از ۱ تا ۲ دلار به ازای هر فوت کابل است . البته خواص دی الکتریکها تفاوت اساسی ندارد ولی هزینه ساخت آنها کمتر است .

ثابت دی الکتریک به سه دلیل باید کوچک باشد . اول اینکه میدان الکتریکی در داخل حفره ها حداقل شود . دوم ، تلفات دی الکتریکی که با ثابت دی الکتریک متناسب است کاهش یابد . سوم ، ظرفیت خازنی کابل پایین بیاید و جریانهای نشتی به حداقل برسند . اگر چه مقایسه اطلاعات دی الکتریکی که به دلیل متفاوت بودن شرایط آزمایش دشوار است ، رعایت چهار مورد زیر در انتخاب ماده عایقی جدید باعث افزایش ۲۵ درصدی ظرفیت کابل می شود :

• قدرت دی الکتریکی بیشتر از ۱۰⁵V/cm ؛
• ثابت دی الکتریکی کوچک تر از ۵/۳ ؛
• حداکثر تلفات کمتر از ۱۰^-3 ؛
• دمای عایق در زمان کار بیشتر از

انفجارهای زیرزمینی

یافتن محل و رفع علل انفجارهای زیرزمینی در نقاط توزیع و انتقال بسیار ضروری است . این حوادث از این لحاظ اهمیت دارند که باید طوری جلوی وقوعشان را قبل از گسترش گرفت . می دانیم که در محل قوس ، هیدروکربنهای بزرگ به هیدروکربنهای کوچک شکسته می شوند که قابل انفجارند . معمولا ، به دلیل اتصالات ضعیف ، موادی نظیر پلی اتیلن و پلی پروپلن گازهای بی نظیر استیلن ، متان ، اتیلن ، پروپیلن و جز آن تولید می شوند که در محیط های بسته تولید انفجار می کنند . در نتیجه انتقال توان در آینده نزدیک دچار مشکل خواهد شد . مگر اینکه اتصالات ضعیف کاملا برطرف شوند . در بدترین حالت از عایق جدید کاملا عاری از هیدروژن استفاده می گردد . مثل تفلون ، کاپتون یا Kel-F ( جدول ۱ ) .

• قدرت اشتغال شامل مواد حاصل از قوس الکتریکی نمی شود .
• هر هزار ولت بر میلی متر برابر با چهل هزار ولت بر سانتی متر است .
• هر هزار پوند بر اینچ معادل ۹/۶ میلیون پاسکال است .

حل مشکل انفجارهای زیرزمینی

در اجزای مختلف سیستم های تحویل توان ، گازها و مواد سمی قابل اشتعال و انفجار تولید می شود . بعد از وقوع انفجار ، تعیین نوع گاز بسیار مشکل و در مواردی غیر ممکن است . مثلا ، انفجارهای شدیدی در نقاط تقسیم و تونلهای زیرزمینی در نزدیکی درپوشهای کانال رخ داده است . حادثه ای تلخ باعث مرگ زنی گشت که در نزدیکی درپوش مشغول رانندگی بود .

مایعات ، گازها و ذرات قابل انفجار و اشتعال به روشهای مختلف به وجود می آیند . این گازها برخی اوقات به دلیل شکست بر اثر قوس الکتریکی ، هیدرولیز یا شکست بر اثر حرارت پدید می آیند . دلیل تشکیل این گازها به اندازه تشخیص حجم گاز و جلوگیری از تجمع بیش از حد آن ، در جلوگیری از این انفجارها موثر است . برای رفع این مشکل انفجار زیرزمینی روشهای زیر به کار می رود .

• جلوگیری از تجمع گازها و مواد آتش زا و نگه داشتن آن زیر حد خطرناک ؛
• علت یابی انفجار ( انفجار تصادفی بوده است یا عمدی ) ؛
• تشخیص نوع گازهای تولید شده قبل و بعد از انفجار ، اولین قدم برای جلوگیری از تکرار این وقایع .

تا زمان تحقق و بررسی روشهای فوق باید با تقویت مصالح تونلها از آثار این انفجارها کاست .

یافتن محل خطا

          یافتن محل خطا در سیستم پیچیده توزیع شهری کاری سخت و وقت گیر است . یکی از روشهای پر استفاده تخلیه خازن درون کابل است . افراد متخصص با استفاده از گوشیهای دقیق آوای ناشی از قوس را شناسایی می کنند . این روش به روش صوتی معروف است . از آنجا که در این روش برای یافتن محل خطا به تشکیل قوس نیاز نیاز است ، باید ولتاژ و جریان شدیدی به کابل اعمال شود که احتمالا باعث صدمه بیشتر می شود . روش دیگر روش گرادیان زمین است . منبع ولتاژ به کابل متصل می شود و سعی می کنند جریان نشتی در محل خطا را با اندازه گیری تفاوت گرادیان ولتاژ شناسایی کنند . این روش به مکانهای کوچک محدود می شود و همواره پاسخ صحیحی نمی دهد .

انتظار می رود که روش خطایابی سریع EPRI قطعات معیوب کابلهای توزیع زیرزمینی را بدون نیاز به جستجوی دستی بیابد و به آسانی آنها را از خود خطا محل خطا به صورت الکترونیکی مشخص می شود . احتمالا با بررسی دقیق فیلترهای فرکانس بالای تشکیل شده در محل خطا روش فوق در مورد مدارهای نسبتا پیچیده نیز پاسخگوست . اگر این روش موفقیت آمیز باشد ، به دلیل هزینه پایین در آینده برای یافتن محل خطا به کار خواهد رفت . در حال حاضر شرکت EPRIZ&AT&T در حال بررسی ورشهای جدید خطایابی فوق العاده دقیق برای شبکه های دارای اتصالات Y وT اند . در این روش از زمان بندی دقیق سیگنالهای الکتریکی استفاده می شود .

خطایاب امپدانس بالا ساخت GE در حال حاضر در بازار موجود است و قادر است که خطاهای خطرناکی را شناسایی کند که در گذشته امکان شناسایی آنها وجود نداشت . این خطایاب به صورت عمده در ایستگاههای فرعی نصب می گردد و خطای کابلهای زیرزمینی و هوایی را شناسایی می کند . علاوه بر فناوری فوق رله های خطای اضافه جریان ، زمین و همچنین جریان پایین و ولتاژهای پایین نیز در محل نصب می گردند .

کابلهای هوشمند

کابلهای انتقال و توزیع به دلایل مختلفی از جلمه پوسیدگی و خرابی عایق ، اضافه جریان و جز آن از کار می افتند . خطایابها در صورتی به یافتن محل خطا در شبکه کابلی کمک می کنند که قسمت بزرگی تحت تاثیر خطا قرار گیرد . مطلوب است که محل دقیق خطا در لحظات اولیه تشخیص داده شود تا با اقدام پیشگیرانه از گسترش آن به نقاط دیگر جلوگیری کرد .

کابلهای هوشمند قادرند با حسگرهای میکروسکوپی خطاها را در مراحل اولیه شناسایی کنند ؛ همچنین پس ازوقوع خطا به آسانی محل آن را گزارش کنند . با تشخیص خطا در مراحل اولیه آن و تعیین محل دقیق آن می توان در زمان نگهداری ادواری از کابل مشکلات را برطرف کرد . با وجود اینکه نکات فنی باید در طراحی در نظر گرفته شود ، این مسائل اقتصادی است که استفاده یا عدم استفاده از این کابلها را در آینده تعیین می کند . لازم است هزینه اقدامات پیشگیرانه قبل از وقوع خطا و در نتیجه جلوگیری از صرف هزینه اضافی در زمان قطع برق ، یافتن محل خطا و سپس تعمیر کابل و یا تعویض آن در صورت لزوم را هم برآورد کرد . البته کابلهای هوشمند جایگاه واقعی خود را در مدارهایی می یابند که کیفیت توان از اولویت برخوردار باشد .

خوردگی سیم زمین و خنثی و محافظت از آن

          در گذشته ، سیمهای مسی زمین و خنثی را معمولا به لوله های فلزی مدفونی که متعلق به دیگران بود متصل می کردند . اصلا جای نگرانی وجود نداشت ؛ زیرا خوردگی لوله ها به حدی کند بود که از آن صرف نظر می شد و هزینه آن را شخص صاحب لوله ها پرداخت می کرد .

ولی اکنون که این روش جایگذاری در زمین در دسترس نیست سیمهای مسی درمعرض خوردگی خوردگی قرار دارند و دلیل آن ولتاژ متناوب اعمال شده است . با جلوگیری از تبادل الکترون می توان از الکترولیز مس جلوگیری کرد .

بدون حفاظت کاتدی ، خوردگی مس به بروز شوک الکتریکی خطرناک در خدمه پست برق و همچنین مردم عادی و خراب شدن تجهیزات گران قیمت الکتریکی می انجامد . در آینده ، با افزایش سطح آگاهی و شکایات مردم لزوم کاهش خطر در این زمینه ضرورت بیشتری خواهد یافت . به دلیل افزایش استفاده از کابلهای توزیع زیرزمینی ، حفاظت کاتدی در آینده به شکل ضرورت نمایان می شود تا انتخاب معمولی .

ترانسفورماتورها

ترانسفورماتورهای معمولی

ترانسفورماتورهای قدرت معمولی بازدهی بیش از ۹۸ درصد دارند و معمولا در قابلیت اطمینان بسیار بالا بی رقیب اند . اگر ۹۸ درصد بازده خوب باشد ، ۲ درصد باقی مانده عمدتا به دلیل تلفات هسته است که در زمان بار کامل و چه در زمان بی باری کامل وجود دارند . پیشرفت جدید EPRI در ساخت هسته های نامنظم تلفات هسته را در زمان بی باری ۶۰ تا ۷۰ درصد کاهش داده که در نتیجه بازده کلی ترانسفورماتور در شبانه روز به بیش از ۹۹ درصد می رسد ، زیرا تلفات هسته بیش از ۵۰ درصد کاهش می یابد .

همواره ترانسفورماتورهای بزرگ فشار قوی که باید با حرکت روغن عایق بندی و خنک شوند مشکل زا بوده اند . در این ترانسفورماتورها روغن از میان سیم پیچها عبور می کند تا انتقال حرارت بهبود یابد و در عین حال سطح عایق افزایش یابد . حرکت روغن در ترانسفورماتور مشابه عملکرد دستگاه وان دوگراف بارهای الکتریکی را منتقل می کند . در ترانسفورماتور تجمع این بارها ایجاد ولتاژی می شود که از حد تحمل دی الکتریک عایق تجاوز می کند . قوسی که به دنبال خواهد داشت باعث از کار افتادن شدید ترانسفورماتور خواهد شد .

برای رفع این مشکل دو راه حل وجود دارد . اول اینکه رسانایی روغن را تا حدی بالا ببریم که با نشت بار الکتریکی از تجمع مقادیر زیاد بار جلوگیری شود . محدودیت این روش در ضعیف تر شدن قدرت دی الکتریکی است که همزمان با افزایش رسانایی روغن رخ می دهد . روش دیگر اضافه کردن ماده ای مانند بنزوتریازول ۱ ، ۲ ، ۳ ، به روغن است که میزان تشکیل بارهای مجتمع را کاهش می دهد . ولی ماده فوق از رسانندگی روغن می کاهد و در نتیجه میزان نشست بار نیز کم می شود . روشهای جدید در ترکیب دو شیوه فوق نتایج امیدوارکننده ای به همراه داشته است . همزمان با کاهش میزان تولید بار قدرت دی الکتریکی ، روغن نیز در حد مطلوب نگه داشته می شود .

محفظه های مخصوص سیم پیچهای ترانسفورماتور همواره جایگزینی برای مواد قابل انفجار و اشتعال و احتمالا مایعات سمی مانند ( polychlorinated biphenyl ) PCB بوده اند . PCB بر اساس قوانین ایالتی آمریکا در دسته مواد آلاینده بسیار سمی و غیر قابل بازگشت به محیط زیست طبقه بندی شده است . در حال حاضر ، مایعات جایگزین PCB گران تر و قابل اشتعال ترند که خود ضرورت یافتن مواد جامد جایگزین را بیش از پیش آشکار می سازد . محفظه های فوق تاکنون موفقیت اندکی داشته اند . ولی استفاده از آنها دو منظوره است و باید دو کارکرد عایق بندی و خنک کردن را انجام دهند . از لحاظ عایقی باید عاری از هر

گونه حفره باشد که دلیل آن را در بخش عایق بندی کابلها بررسی کردیم . از لحاظ خنک کردن انتقال حرارت در عایقها بسیار کمتر از رساناهاست ، زیرا انتقال حرارت در دماهای عادی بسیار کندتر از انتقال الکترون است . ولی در دماهای بسیار پایین انتقال حرارت از انتقال الکترون نیز بیشتر می شود . پس برای ترانسفورماتورماتورهای دما پایین استفاده از محفظه های جامد مناسب است .

ترانسفورماتورهای فشرده

در ترانسفورماتورهای انتقال و توزیع ضرورت افزایش چگالی توان لازم و مسلم است . ترانسفورماتورهای انتقال قدیمی به قدری بزرگ اند که خنک کردنشان مشکلی اساسی به شمار می رود . در سطح توزیع لازم است که توان بیشتری را با ترانسفورماتوری به ابعاد قابل نصب در تونلهای زیرزمینی انتقال داد . نسبت دورهای سیم پیچهای اولیه و ثانویه ، افزاینده یا کاهنده بودن ترانسفورماتور را معین می کند . در ترکیبی خاص تنها از یک سیم پیچ استفاده می شود که به آن اتوترانسفورماتور گویند . با حرکت یک کنتاکتور روی سیم پیچ می توان نسبت ولتاژ را تغییر داد . اصل مهمی که همه ترانسفورماتورها بر اساس آن کار می کنند این است که ولتاژ القا شده متناسب است با میزان تغییرات شار نسبت به زمان ، یعنی DQ / DT و یا معادل آن ، حاصل ضرب اندوکتانس در میزان تغییرات جریان نسبت به زمان است .

دو نکته مهم از این مطلب به دست می آید . اول اینکه در فرکانسهای بالا چگالی توان افزایش می یابد اما خالی از اشکال نیست . در نتیجه ، با ترانسفورماتور کوچک تر می توان کار کرد و همان میزان DQ / DT رابا شار کمتر به دست آورد . مثلا در هواپیماها از فرکانس ۴۰۰ هرتز استفاده می شود . ولی این روش معایبی دارد . چون با افزایش فرکانس ، امپدانس و تلفات ترانس افزایش و توان منتقل شده کاهش می یابد . راکتانس ترانسفورماتور و در نتیجه افت ولتاژ ترانسفورماتور با فرکانس نسبت مستقیم دارد . تلفات هیسترزیس ترانسفورماتور با فرکانس و تلفات جریان گردابی با توان دوی فرکانس متناسب است .

روش دیگر ، افزایش چگالی شار است . در ترانسفورماتور معمولی با استفاده از آهن لایه لایه به عنوان هسته مقاومت مغناطیسی مدار مغناطیسی کاهش می یابد . ولی حداکثر چگالی شار ، B ، به ۱۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ گاوس ( ۱ تا ۲ تسلا ) به دلیل اشباع هسته آهن محدود است . در زمان اشباع هسته قادر به متمرکز کردن شار نیست . برای کاهش هزینه و اندازه ترانسفورماتور ، ترانسفورماتور در نزدیکی حد اشباع در نظر گرفته می شود تا شار مورد نظر با حداقل ماده لازم در هسته به دست آید که بالقوه مشکل زاست .

توفان خورشیدی هم به صورت دائمی و هم به صورت گذرا در حال ارسال ذرات یونیزه به فضاست ، جریان دائمی توفان خورشیدی وارد شده بر یونیسفر و میدان مغناطیسی زمین ، اثر خطرناکی بر شبکه های برق رسانی ندارد . ولی تاثیر حالت گذرای توفان بر میدان مغناطیسی زمین باعث تشکیل جریانهای گذرا در خطوط طولانی شرقی – غربی واقع در نیمکره شمالی می شود ، که به اشباع هسته و آسیب زدگی ترانسفورماتور می انجامد . این مشکلات هر ۱۱ سال یک بار در زمان ماکزیمم شدن توفانهای فوق رخ می دهد . در صورتی که تجهیزات نزدیک شبکه به خوبی زمین نشده باشد که با کوچک ساختن ترانسفورماتورها مغایرت دارد .

استفاده از دماهای بسیار پایین روش خوبی برای کوچک ساختن است . میزان اشباع آهن از ۲  تسلا در ۳۰۰K به ۲/۲ تسلا در صفر مطلق افزایش می یابد . آهن – کبالت که به شدت فرومغناطیس است به ۲/۵ تسلا در صفر مطلق می رسد . خوشبختانه ، بین دمای کوری که در آن ماده خاصیت فرومغناطیس خود را از دست می دهد و میزان اشباع آن ماده ارتباطی وجود ندارد . آهن و آهن – کبالت دمای کوری بالایی در حدود ۱۰۴۳K  و ۱۲۴۰K دارند . جدول ۲ نشان می دهد که مواد دارای دمای کوری پایین ترین میزان اشباع بالاتری دارند .

 

 

استفاده از ماده ای به نام دیسپروزیم به عنوان ماده اولیه هسته در  و مواد دارای مقاومت کم مثل مس و آلومینیوم و حتی ماده شبه ابررسانایی چون باریم باید مورد بررسی قرار گیرند . قابلیت رساندن ابعاد دستگاه به بیش از نصف مقدار کنونی و چگالی توان بیشتر درون رسانا و همچنین کاهش اتلاف توان ارزش تحقیق و بررسی دارد . برخی از هزینه های تولید اکنون بسیار بالاست . در حال حاضر معلوم نیست که با افزایش تقاضای بازار تا چه حد هزینه های فوق کاهش می یابد .

نظریه ترانس ابررسانا در دمای  جالب توجه نیست . زیرا تلفات توان زیاد در میدانهای شدید الکتریکی به همراه بازده پایین سیستم های خنک کننده که به ازای هر وات توان تولیدی ۸ تا ۱۰ وات توان مصرف می کننند غیر قابل قبول است . با افزایش شدت میدان که از حد اشباع هر ماده ای فراتر می رود می توان هسته ترانس را کلا حذف کرد . در اصل ، این کار با استفاده از مواد ابررسانا یا شبه ابررسانا یا مواد دارای مقاومت بسیار کم امکان پذیر است . ولی ، چنین ترانسفورماتوری با هسته هوایی دارای میدان گوشه ای بسیار زیادی خواهد بود که در عمل قابل قبول نیست . مثل تلفات القا شده در مواد رسانای مجاور و نگرانی شدید از آثار زیست محیطی ناشی از میدانهای الکترومغناطیسی . محبوس کرن میدان در محفظه ای با خاصیت مغناطیسی زیاد در فاصله ای که میدان القا شده در آن از میدان اشباع کمتر باشد نیز ابعاد و هزینه را زیاد می کند .

ترانسفورماتورهای فرورزونانس

فرورزونانس مسئله پیچیده الکتریکی است که معمولا در ترانسفورماتورهای توزیع پیش می آید و به دلیل عملکرد تک فاز به وجود می آید و ترانسفورماتورهای بزرگ توزیع دچار آن نمی شوند . ترانسفورماتورهای جدید و کم تلفات بیشتر در معرض آن قرار می گیرند . این پدیده زمانی به وجود می آید که در مدار RLC ولتاژ رزونانس دو سر سلف و خازن از ولتاژ منبع تغذیه بیشتر شود . اضافه ولتاژهای ناشی از فرورزونانس ۱۲۵ تا ۱۴۶ درصد ولتاژ نامی اند . این اضافه ولتاژها باعث قطع شدن ترانسفورماتورها ، ادوات جنبی و حتی وسایل برقی مصرف کنندگان می شود . فرورزونانس پدیده ای آشوب مانند است و در یک مدار ، تحت شرایط مساوی ، پاسخهای مختلفی ایجاد می کند و پاسخ مدار از شکل موج غیر سینوسی به شکل موج دیگری تغییر می یابد .

یک راه جلوگیری از پدیده فرورزونانس استفاده از کلیدهای سه فاز برای قطع یا وصل ترانسفورماتورهای توزیع است . روش دیگر ، استفاده از ترانسفورماتورهای سه تایی با سیم پیچی اولیه ستاره زمین شده است . روش سوم ، استفاده از سه ترانسفورماتور تک فاز به صورت سیم پیچی اولیه ستاره زمین شده است . راه دیگر که در سیستمهای قدرت آینده به کار می رود ترانسفورماتورهای توزیع حالت جامد است .

ترانسفورماتورهای حالت جامد ( SST )

در سال ۱۹۸۰ ، باورز و همکارانش SST ای ( Solid-State Transformer  ) با قابلیت افزایش و کاهش ولتاژ ساختند . این ترانسفورماتور با روش PWM بدون استفاده از القاگرهای بزرگ ولتاژ خروجی را تنظیم می کند . درحال حاضر ، در ولتاژهای کوچک تر از ۱ کیلوولت ترانسهای حالت جامد مبتنی بر فناوری کلید زنی دو طرفه قادر به تبدیل ولتاژ و تنظیم حرارت بهتر طراحی کرد به طوری که می توان آنها را در ابعاد کوچکتر و تنظیم حرارت بهتر طراحی کرد به طوری که نسبت به مولفه DC ناشی از توفانهای مغناطیسی زمین حساس نباشند . ولی در ولتاژهای بالاتر ، تلفات توان نیز چند برابر می شود و استفاده از این ترانسفورماتور برای توزیع و انتقال را غیر عملی می کند . هر قدر که ولتاژ افزایش یابد ، تلفات بیشتر می شود . هیچ دلیلی وجود ندارد که پیشرفتهای بیشتر نتواند مشکل افت ولتاژ در مسیر رفت را حل کند زیرا کلیدهای حالت جامد که قادرند ولتاژهای بیشتر از ۱ کیلوولت را تحمل کنند باعث افت ولتاژ می شوند .

ترانسفورماتور حالت جامد محصول مبدلهای چاپر ولتاژ AC است که آن قطعات موج سینوسی ۶۰ هرتزی به قطعاتی بریده شده اند و هر نیمه موج که ۳۳/۸ میلی ثانیه طول می کشد به چند تکه دیگر ، هر کدام اندکی بیشتر از یک میلی ثانیه ، تقسیم شده اند . این موج بدست آمده حاوی هارمونیک ولتاژ فرکانس پایین است . در حال حاضر مبدل کوانتومی ، تشدید سری ( QSRC:Quantum Series Resonant Coverter ) هر قطعه ۸۳۳ میلی ثانیه ای را به حدود دوازده نیم موج فرکانس بالا با دامنه موج ۶۰ هرتز تقسیم می کند . مجموع این موجهای ۷۲۰ هرتزی اندکی از موج ۶۰ هرتزی بیشتر است و در نتیجه توان انتقال یافته ، قابل توجه است . روش QSRC هارمونیک های فرکانس پایین را حذف می کند .

سیستم قطع و وصل ایده آل دوطرفه بدون توجه به وضعیت بار ، بازده را به حدود ۹۵% می رساند . اگر اتلاف توان در ولتاژهای بالا کاهش یابد ، استفاده از SST مزایای زیادی خواهد یافت . هزینه اولیه این سیستم در حال حاضر قابل تخمین نیست ، زیرا این ترانسفورماتورها در ابعاد وسیع و انبوه تولید نمی شوند . به علاوه قابلیت اطمینان و عملکرد این ترانسفورماتورها در شرایط بحرانی نظیر اتصال کوتاه ، پارگی سیم و اضافه بار به اندازه کافی بررسی نشده است . گرچه در اوایل دهه ۸۰ مراحل اولیه این کار از آمریکا آغاز شد . در حال حاضر بیشتر فعالیتها خارج از آمریکا انجام می شود .