بکارگیری IGBTها جهت بهره‌برداری بهینه و ارتقاء کیفیت شبکه‌های توزیع نیروی برق

در این مقاله استفاده از گونه منحصر به فردی از ادوات الکترونیک قدرت به عنوان کلیدهای قدرت بسیار سریع مورد بررسی قرار گرفته و شبیه‌سازی شده است. ارزانتر شدن و گسترش روزافزون IGBT ها (ترانزیستورهای دو قطبی با گیت عایق شده) با ولتاژ شکست بالا تا حد 6500 ولت و جریان نامی حدود 700 آمپر این ایده را مطرح می‌سازد که با بکارگیری آنها به جای فیوزها و کلیدهای قدرت شبکه‌های فشار ضعیف و فشار متوسط که دارای عملکردی نامطمئن‌تر، کندتر و مخاطره‌آمیزتر هستند، قابلیت اطمینان شبکه های توزیع و سرعت سیستم حفاظتی را افزایش داده و هزینه بهره‌برداری از شبکه را تا حد قابل توجهی کاهش داد. از طرف دیگر مزایای IGBTها برای بکارگیری در محدودسازهای جریان خطا (FCL) و کلیدهای انتقال بار (SSTS) مورد بررسی قرار گرفته و توسط نرم‌افزار MATLAB شبیه‌سازی شده است.
استفاده از ادوات الکترونیک قدرت مدت زمانی است که در سیستم‌های قدرت مرسوم شده است. استفاده از چنین تجهیزاتی به علت بالا بودن سرعت دینامیک و تغییر مشخصه‌های ذاتی سیستم‌های قدرت سنتی، هر چند با محدودیت‌هایی مواجه است لیکن غیر قابل اجتناب است. در این مقاله ضمن بررسی ساختار میکروسکوپی و ماکروسکوپی IGBT ها به عنوان یکی از قطعات مطرح الکترونیک قدرت، عملکرد آنها در نقش‌های مختلفی چون کلید قدرت، محدود ساز جریان خطا و کلید انتقال بار الکترونیکی مورد بررسی و شبیه‌سازی قرار گرفته است.

مزایای کلیدهای قدرت الکترونیک:
در سال های اخیر به دلیل افزایش حساسیت بارها و آسیب‌پذیری آنها در قبال اختلالاتی چون کمبود ولتاژ، عدم امکان احداث خطوط جدید و ضرورت بهره‌برداری حلقوی از شبکه‌ها به دلیل محدودیت زمین پر تراکم شهری، افزایش قابل توجه جریان نامی و ولتاژ شکست تغذیه معکوس قطعات الکترونیک قدرت و کاهش قیمت این قطعات، افزایش سطوح جریان خطا و نیاز به کاهش زمان تداوم جریان خطا (برای جلوگیری از فروپاشی حرارتی تحهیزات)، گرانقیمت‌تر شدن تجهیزات سیستم قدرت و ضرورت اتخاذ تدابیری جهت افزایش عمر آنها، جایگزینی کلیدهای قدرت سنتی با انواع الکترونیکی (حالت جامد) در کانون توجه قرار گرفته است.

ساختار میکروسکوپی IGBT ها:
IGBT به عنوان یک ترانزیستور با قابلیت هدایت در ناحیه جریان – ولتاژ بالا و همچنین افت ولتاژ بایاس مستقیم متوسط (در حدود 8/1 ولت) قطعه ایده‌الی برای بکارگیری در شبکه توزیع محسوب می‌شود. در کل، ساختار IGBT مشابه تریستورها، متشکل از دو ترانزیستور دو قطبی NPN , PNP و یک MOSFET با گیت عایق شده است. در شکل‌های (1) و (2) ساختار لایه به لایه و سه بعدی یک IGBT نشان داده شده است. ساختار دو قطبی IGBT سبب می‌شود افزایش جریان نامی آن تا مقادیر حدود 700 آمپر فراهم شود.
قابلیت تطبیق انواع تجهیزات حفاظتی در مدار راه‌اندازی گیت IGBT ها یکی دیگر از مزایای آنها به شمار می‌رود. علاوه بر آن امکان تغییر حالت کلیدی مبتنی بر IGBT از وصل به قطع در هر لحظه (بر خلاف تریستورها) با استفاده از مدار راه‌اندازی گیت، مزیت آنها از نظر سرعت است.

عملکرد IGBT در حالت‌های وصل و قطع:
اعمال ولتاژ مثبت به گیت با مقداری بیش از ولتاژ آستانه سبب می‌شود که در مجاورت گیت، حامل‌های اکثریت لایه‌های n+,n- به داخل لایه p نفوذ کرده و از ایجاد اتصال بایاس معکوس pn- جلوگیری کنند. در این صورت اتصال باقیمانده بین n+,n- و P+(زیر لایه)، دارای بایاس مستقیم خواهد بود.
در حالت قطع وجود اتصال pn- با بایاس معکوس سبب عدم هدایت IGBT خواهد شد. تنها جریان موجود، جریان نشتی با مقداری در حدود میلی آمپر خواهد بود. وجود لایه n-  با ضخامت بالا نیز سبب می‌شود تا در هنگام بایاس معکوس اتصال pn- ، ضخامت ناحیه تهی به مقدار قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد و ولتاژ شکست معکوس  IGBT متناظر با آن بالا برود.

قابلیت‌های IGBT:
یکی از مزایای مهم IGBT، قابلیت روشن وخاموش شدن سریع است که ناشی از وجود حامل‌های اکثریت (الکترون‌ها) است.
در حال حاضر IGBT های تولید شده دارای آستانه فروپاشی حرارتی (I 2 t) در حدود 2.7*105 A2S هستند از این رو با توجه به حداکثر جریان اتصال کوتاه فعلی در شبکه‌های توزیع کشورمان (20 کیلوآمپر) است، نگرانی خاصی از نقطه‌نظر شکست حرارتی در مدت زمان تداوم جریان اتصال کوتاه وجود ندارد.

شبیه‌سازی عملکرد IGBT ها به عنوان کلیدهای قدرت:
شبیه‌سازی IGBT برای آگاهی از مقدار ولتاژ برگشتی در هنگام قطع کلید و نیز تحمل آن در برابر جریان اتصال کوتاه نیازمند بکارگیری مشخصه‌های دقیق‌ از نوع عناصر کتابخانه نرم‌افزارهای Spice است. شناسایی مقادیر بار و خطوط و تعیین ولتاژهای برگشتی و جریان‌های اتصال کوتاه برای تطبیق با مقادیر ارائه شده در Data Sheet قطعات نیز می‌تواند تا حدودی به فهم شرایط عملکرد واقعی IGBT ها کمک کند. در مدار شکل (5) که در نرم‌افزار Matlab پیاده شده، شرایط عمومی، عملکرد قطع و نحوه تاثیر آن در مدار شبیه‌سازی شده است. با این حال، اخیراً با درج مشخصه‌های قطعات الکترونیک قدرت در service pack نرم‌افزار Circuit Marker 2000، امکان شبیه‌سازی دقیق این قطعات نیز فراهم شده است.
مدار شکل (3) شامل دو IGBT با اتصال موازی معکوس و بار توان ثابت 5/7 کیلوواتی و توان سلفی 200 و خازنی 100 وار است. در لحظه t = 0.1 تحریک گیت قطع شده و کلیدها به حالت قطع در آمده‌اند. نمودار جریان‌ها و ولتاژهای مختلف نیز در شکل (4) نشان داده شده است.
تجزیه و تحلیل ساختار میکروسکوپی توزیع الکترون‌ها (شکل 5- الف) و حفره‌ها (شکل 5- ب) در یک IGBT در حالت وصل، محدودیت‌های پیش روی جریان مجاز را مشخص می‌کند. همچنین توزیع الکترون‌ها برای حالت وصل، در شکل    5-‌الف و توزیع حفره‌ها در شکل 5-ب نشان داده شده است. فضای نارنجی رنگ حجمی از کریستال است که مقدار حامل‌ها در آن متعادل بوده و لذا جریان در آن قسمت برقرار می‌شود. در شکل‌های (6) و (7) نتایج حاصل از شبیه‌سازی عملکرد کلید حالت جامد فوق با یک برقگیر شانت نشان داده شده است.

استفاده از IGBT ها به عنوان محدود ساز جریان خطا:
یکی از قابلیت‌های بسیار مهم IGBT، امکان محدودسازی جریان‌های خطا توسط آن است. به علت افزایش فوق‌العاده دمای IGBT در حین محدودسازی جریان خطا، امکان تداوم محدودسازی تنها در حدود چند ثانیه وجود دارد. با این وجود، همین زمان برای از مدار خارج کردن سایر ادوات سیستم توزیع کافی خواهد بود تا سیستم‌های حفاظتی وارد عمل شوند. استفاده از سیستم‌های خنک کننده نیز برای اطمینان از حفظ سلامت IGBT ها ضروری خواهد بود.
عملیات محدودسازی جریان خطا با استفاده از کنترل ولتاژ گیت انجام می‌شود. همچنین عملیات خنک توسط سیستم خنک کننده هوا – گلیکول می‌تواند منجر به افزایش قابلیت تحمل حرارتی IGBT ها شود. شکل (8) برخی آرایش‌های مختلف برای محدودسازی جریان خطا با استفاده از IGBT و سایر قطعات الکترونیک را نشان می‌دهند. در این شکل‌ها و شکل‌های بعد محدودسازها و کلیدهای IGBT به صورت Subsystem نمایش داده شده‌اند.

استفاده از IGBT ها به عنوان کلیدهای انتقال بار:
کلیدهای انتقال بار کلیدهایی هستند که وظیفه انتخاب بهترین گزینه تغذیه را برای یک بار حساس به عهده دارند. به عبارت دیگر، وظیفه دارند تا با تغییر منبع تغذیه، بار حساس را از اختلالات به وجود آمده در یک فیدر از قبیل کمبود یا بیشبود ولتاژ، هارمونیک، جریان اتصال کوتاه و سایر اختلالات کیفیت توان رهایی بخشند. در طراحی کلیدهای انتقال بار عوامل مهمی چون اختلاف فاز کلیدزنی دو کلید قطع و وصل (شکل 13)، میزان استقلال منابع تغذیه و ... موثرند که در این مقاله بدانها پرداخته نمی‌شود. در شکل (14) عملکرد دو متوالی دو کلید ( کلیدهای الکترونیکی) و در شکل (15) عملکرد با اختلاف فاز دوکلید (کلیدهای مکانیکی) نشان داده شده است.
شایان ذکر است که در کلیدهای انتقال بار مبتنی بر IGBT، برخلاف کلیدهای انتقال بار مبتنی بر تریستور، کموتاسیون قطعات در ایجاد انتقال فاز بین عملکرد نقشی نداشته و دارای مزیت غیر قابل چشم‌پوشی است.

بکارگیری موردی کلیدهای قدرت مبتنی بر IGBT در شبکه‌های موجود:
بکارگیری کلیدهای قدرت الکترونیکی در یک نقطه خاص از سیستم توزیع موجود برای آنکه بتوان از مزایای آن استفاده کرد بدون آنکه تغییرات گسترده را در سیستم ایجاد کرد، نیازمند بررسی و مطالعه دقیق شبکه است. برای مثال شکل 16 یک سیستم توزیع حلقوی را که به صورت شعاعی بهره‌برداری می‌شود نمایش می‌دهد. در این شبکه تنها نقاط 1 و 4، یعنی ابتدای فیدر تغذیه کننده بار حساس و باس سکشن شینه فشار متوسط قابلیت نصب کلید قدرت الکترونیکی را دارند؛ زیرا سرعت سریع عملکرد کلیدها قربانی عدم امکان تغییر تنظیم رله‌های اضافه جریان مربوط به کلیدهای کند کار مکانیکی نخواهد شد.
با این وجود باید توجه داشت که استفاده از کلیدهای قدرت الکترونیکی نیازمند جایگزینی همه کلیدهای مکانیکی و تجدید تنظیم رله‌های اضافه جریان برای افزایش سرعت عملکرد کلیدهای جدید خواهد بود. در این حالت به علت کاهش چشمگیر CTI مورد نیاز برای تنظیم رله‌ها، سرعت سیستم حفاظتی به نحو چشمگیری افزایش خواهد یافت.

نتیجه‌گیری:
در این مقاله نحوه عملکرد IGBT ها به عنوان یکی از مهمترین قطعات مطرح در الکترونیک قدرت سیستم‌های توزیع مورد بررسی قرار گرفت و مزایای آن تشریح شد. همچنین مشخص شد که بکارگیری این کلیدها در شبکه‌های توزیع فشار ضعیف و فشار متوسط تا محدوده ولتاژ 5 کیلوولت با هزینه بسیار پایینی انجام می‌گیرد و با توجه به منافع حاصل شده، ارزش سرمایه‌گذاری را دارد. این امر به خصوص برای حفاظت مدارهای مربوط به تجهیزات حساس و گرانقیمت که در مراکزی چون بیمارستانها وجود دارند بسیار مناسب است. همچنین در خصوص مشترکینی که دارای فیدرهای 3/3 کیلوولت هستند (مانند کارخانجات سیمان) بکارگیری این کلیدها دارای مزایای غیر قابل چشم پوشی خواهد بود.

بررسی خطاها در سیستمهای نامتعادل توزیع با سیم برگشتی زمین

اهمیت م قدار جریان اتصال كوتاه در طراحی سیستم زمین
شبكه، محل و تنظیمات تجهیزات حفاظتی شبكه، قدرت قطع
و وصل مدارشكن ها، انتخاب نوع تجهیزات سیستم توزیع و
بسیاری از موارد دیگر، سبب توجه روز افزون مهندسین برق
به لزوم برآورد دقیقتر آن شده است.

دانلود

سوئیچگر مناسب برای سیستم های توزیع زیر زمینی

شرکت S&C یک سوئیچگر توزیع زیرزمینی ( Underground Distribution Switchgear ) UDS ابداع نموده که با استفاده از آن عملیات دستی حذف گردیده، محافظت در مقابل جریان زیاد بخوبی انجام می شود. UDS با گاز SF6 عایق شده و کلیدهای آن دارای قدرت قطع 600 آمپر در فیدر اصلی و200 آمپر در فیدرهای فرعی می باشد. این کلیدها تا سطح ولتاژ 38 کیلوولت کاربرد دارد و سیستم کنترل آن از نوع میکروپروسسوری می باشد. تمام ساختارسیستم عایقی SF6 تحت آزمایش قرارگرفته است و ضد رطوبت و عوامل محیطی میباشد. کلید قطع کننده بار سه قطب با مدار سه فاز می باشد و می تواند بصورت سریع و آسان زمین کردن کابلها را انجام دهد. به علاوه سکسیونری در مدار، امکان رؤیت باز بودن مداروزمین شدن کابلهارا فراهم می سازد. نشانگر ولتاژ در این دستگاه که عملکرد صحیح ولتاژ کابل و بوشینگ ها را نشان می دهد، مخاطرات تماس با ولتاژهای بالا را هنگام عملکرد عادی سیستم محدود می سازد. این امرسطح مناسبی از ایمنی را در سوئیچگرهای ولتاژ متوسط ارائه می نماید. سیستم کنترل میکروپروسسوری اضافه جریان دستگاه (با توجه به منحنی های عملکرد سریع هماهنگ شده) بگونه ای طراحی شده است که حداکثر انعطاف پذیری و هماهنگی را با سایرسیستم های حفاظتی (رله های بالادست و فیوزهای پائین دست) دارا می باشد. سرعت قطع می تواند توسط کاربر به صورت متنوع از 1 کیلوآمپر تا 8 کیلوآمپر برای قطع سریع و یا با تأخیر ( 32 میلی ثانیه تا 96 میلی ثانیه ) تنظیم شود چرا که امکان تنظیم صدها منحنی قطع متفاوت وجود دارد. حداقل زمان پاک کردن خطا حدود 40 میلی ثانیه باشد. سیستم کنترل جریان زیاد این سوئیچگر توسط یک دستگاه PC قابل برنامه ریزی می باشد و میتواند به عنوان یک ثبات اطلاعات مربوط به 12 عملکرد اخیر هر یک از کلیدها را ثبت نماید. شکل زیر شمای کلی این سیستم را نشان می دهد :

شکل ( 1 )

منبع :      شرکت S&C

آدرس :     http://www.sandc.com

توجه به خوردگی در سیستم زمین ضرورتی انکارناپذیر در شبکه‌های توزیع

مهندس هوشنگ داداش‌زاده

 
تامین ایمنی در برابر برق گرفتگی انسان یا حیوان در بهره‌برداری از سیستم الکتریکی، ایجاد مسیری مناسب و مطمئن برای جریان عملیاتی با هدف تحریک لوازم حفاظتی به واکنش و یا تامین ایمنی در برابر برق گرفتگی هنگام انجام تعمیرات بر روی تجهیزات ضرورت وجود سیستم اتصال زمین در سیستم‌های الکتریکی را اجتناب‌ناپذیر ساخته است.
ماهیت مقاومت اتصال زمین‌ یک الکترود شامل:
1- مقاومت الکترود (فلز)
2- مقاومت تماس بین الکترود و فلز
3- مقاومت خاک
است. در صورت استفاده ازتجهیزات استاندارد و اجرای صحیح اتصالات، دو مقاومت اول خیلی کوچک بوده (معمولاً‌کسری از یک اهم) و می‌توانند در موارد عملی صرفنظر شوند بنابراین مقاومت خاک موردی است که باید به آن توجه بیشتری شود.
در عمل انتخاب بهترین محل برای احداث اتصال زمین یا محدوده آن مشکل است زیرا عواملی خارج ازکنترل متخصصان و کارشناسان برق محل احداث الکترود را مشخص می‌کند همچنین باید توجه داشت که مشخصات و املاح موجود در خاک یک منطقه رانیز نمی‌‌توان کلاً تغییر داد. بنابراین یکی از روشهای کاهش مقاومت خاک و به تبع آن کاهش مقاومت اتصال زمین استفاده از مواد کاهش‌دهنده مقاومت خاک است.
در این مقاله سعی شده به بحث خوردگی و کاهش عمر سیستم زمین پرداخته شود.

چگونگی کاهش مقاومت خاک توسط موارد کاهش‌دهنده مقاومت خاک:
1- مواد کاهش‌دهنده مقاومت زمین، دارای مقاومت ویژه بسیار کمی هستند همچنین این موارد دور الکترود پیچیده شده، باعث افزایش سطح آن شده و به علت مقاومت ویژه کم باعث کاهش مقاومت الکترود می‌شود.
2- موارد کاهش‌دهنده مقاومت زمین با داشتن ذرات ریز در میان خلل و فرج خاک پر شده و به دلیل دارا بودن قابلیت جذب رطوبت و انبساط بالا، سطح تماس الکترود و زمین را افزایش می‌دهند.
3- هنگامی که در اطراف الکترود از مواد کاهش‌دهنده مقاومت زمین استفاده می‌شود در اطراف الکترود مایع الکتریسیته‌دار شروع به حرکت می‌کند که این حرکت باعث ایجاد لایه‌ای در اطراف الکترود می‌شود که به آن لایه، لایه Permeation می‌گویند و یکی از مهمترین عوامل کاهش مقاومت خاک همین لایه Permeation است.

خوردگی در خاک
  برای آنکه سازه‌ای در خاک دچار خوردگی شود باید یک پیل خوردگی تشکیل شود حال با قبول این مطلب به بیان شرایطی می‌پردازیم که با واقع شدن آنها یک پیل خوردگی می‌تواند صورت گیرد:
الف- یک کاتد و یک آند باید وجود داشته باشد.
ب- باید بین آند و کاتد اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد.
ج- آند و کاتد باید در یک محیط رسانا قرار داشته باشند.
برای یک الکترود اتصال زمین مدفون شده در خاک شرایطی وجود دارد (فلزات غیر همجنس تغییر غلظت اکسیژن تغییر جنس خاک و ...) که به تشکیل نقاط آندی و کاتدی منجر می‌شود و شرایط الف و ب تامین می‌شوند و شرط ج با توجه به اینکه رطوبت موجود در خاک به عنوان یک الکترولیت محسوب می‌شود خود به خود فراهم است.

انواع پیلهای خوردگی درخاک

پیلهای ناشی از اتصال
فلزات غیر همجنس
(Dissimilar Metals Cell)
هر فلزی که درداخل الکترولیتی قرا رداده شود پتانسیلی نسبت به آن الکترولیت پیدا خواهد کرد که هر گاه یک الکترود دیگر به عنوان مرجع داشته باشیم به سادگی می‌توان اختلاف پتانسیل بین الکترود مرجع و فلز مورد نظر را اندازه‌گیری کرد چنانچه در سیستم اتصال زمین مثلاً اتصال بین ساختمان فولادی و مسی عایق نشده باشد، شرایطی برای تشکیل پیل فلزات غیر همجنس آماده بوده و عملاً‌خوردگی شدیدی در محل اتصال خواهیم داشت.

پیلهای تنشی (Stress Cell)
یکی از انواع پیلهایی که می‌تواند درالکترودهای اتصال زمین سبب خوردگی شود پیل تنشی است این پیل در نتیجه نصب نادرست الکترودها و ایجاد تنش‌های کششی و فشاری باقیمانده در آنها ایجاد می‌شود به عبارت دیگ نیروهایی که در هنگام نصب به الکترود وارد می‌شود سبب انحنا نسبتاً کمی در آنها می‌شوند سپس قسمتهایی از الکترود که تحت تنش کششی قرار دارند به صورت آند عمل کرده و قسمتهایی که تحت تنش فشاری قرار دارند به صورت کاتدی عمل می کنند و در نتیجه بوجود آمدن نواحی آندی و کاتدی باعث ایجاد پیل تنشی و خوردگی در الکترودهای اتصال زمین می شوند.

پیلهای اختلاف هوادهی خاک (پیلهای غلظتی اکسیژن)
هرگاه در اطراف الکترود، غلظت هوای موجود از نقطه ای به نقطه دیگر متفاوت باشد این نوع پیل خوردگی که شاید مهمترین پیل خوردگی باشد تشکیل می‌شود و عملاٌ این مورد زیاد اتفاق می‌افتد قسمتهایی که نفوذ هوا (اکسیژن) کمتر است نواحی آندی و قسمتهایی که نفوذ  هوا(اکسیژن) بیشتر باشد نواحی کاتدی هستند.
براساس آزمایشاتی که توسط مرکز استاندارد (National Bureau of Standard) در خاک دست خورده انجام گرفته مشخص شده که خوردگی در این نوع خاک تاثیر فاکتورهایی از قبیل مخلوط خاک، آلودگی خاک، مقاومت خاک، دمای خاک و PH و پتانسیل شیمیایی خاک ‌است. مخلوط خاک بوسیله نسبت شن، ماسه و رس که در خاک موجود هستند مشخص می‌شود که تغییر نسبت هر کدام می تواند به نوعی در خوردگی خاک موثر باشد، بدلیل اینکه این نسبتها خصوصیات خاک (الکترولیت) را تغییر می‌دهند به عنوان مثال خاک رس ، دارای دانه‌هایی ریز و حداقل فضای خالی در بین ذرات است که این امر باعث کاهش حرکت هوا و آب در بین ذرات می‌شود و وقتیکه مرطوب باشد اختلاف دمش را کم کند. دانه‌های ماسه ، اندازه بزرگتری داشته و اجازه عبور هوا را می‌دهد و رطوبت را پراکنده می کند. همچنین مخلوط خاک تاثیر مهمی در نفوذ نمک و گاز داشته و اساساٌ خاکهای ماسه‌ای نفوذ پذیری خوبی دارند.
خاک بطور کلی یک ماده آمفوتر است و بخاطر این موضوعات تغییرات PH آن بوسیله باران ناچیز است. نمک ماسه در بارندگی زیاد به دلیل نفوذ پذیری خوب ماسه ، شسته می شود که این مهم باعث تغییر PH محیط می‌شود. اما این تغییرات تاثیر کمی روی خوردگی خاک می گذارد.
خوردگی در خاک دست خورده به مراتب بیشتر از خوردگی در آن قسمت از خاک است که دست نخورده است و اصولاٌ در این قسمت خاک مستقل از شرایط خاک است.
نقش اکسیژن در خاک دست نخورده خیلی بیشتر از تاثیرات مقاومت خاک،PH و ... است. نفوذ اکسیژن در خاک دست نخورده مخصوصاٌ در سفره های آب زیرزمینی به اندازه کافی کم و از پدیده خوردگی جلوگیری می کند.

پیل های ناشی از اتصال میله های نو و کهنه
هنگامی که قسمتی از یک میله کهنه با قسمت جدیدی تعویض شود یا یک میله کهنه با یک میله نو اتصال یابد، بخاطر وجود محصولات خوردگی بر روی نقاط کهنه، یک پیل خوردگی تشکیل شده به نحوی که میله های تازه نواحی آندی و میله کهنه نواحی کاتدی را تشکیل می‌دهند. این اتفاق بیشتر در الکترودهای نوع میله ای اتفاق می افتد.

پیلهای حرارتی
تغییرات دما در طول الکترود ها باعث بوجود آمدن آند و کاتد در میله شده، به این صورت که در قسمتهایی که دما بالا است، لایه های اکسیدی سریعتر، تشکیل شده ولی در قسمتهایی که در دمای پایین‌تر قرار دارند، لایه‌های اکسیدی هنوز تشکیل نشده و آند می‌شوند و پیلی موسوم به پیل حرارتی بوجود می آورند.
به طور مثال،‌ گازی که بلافاصله از ایستگاههای گاز خارج می شود، گاز داغ بوده و حرارت ناشی از گاز داغ، به لوله‌های انتقال گاز هدایت شده و در نتیجه باعث افزایش دما در لوله‌هایی که در فواصل نزدیک به ایستگاههای گاز قرار دارند می شود. افزایش دما در لوله‌ها سبب ایجاد پوسته‌ای اکسیدی در روی لوله‌هایی که در نواحی نزدیک به ایستگاههای گاز قرار دارند شده و این نواحی نسبت به لوله‌های دورتر که به علت دمای پایین تر هنوز لایه‌های اکسیدی روی آنها تشکیل نشده، کاتد شده و لوله‌های سرد که لایه‌های اکسیدی روی آنها ایجاد نشده آند است.

پیل حاصل از شرایط مختلف خاک
چنانچه ترکیب خاک محیط اطراف الکترودها از منطقه ای به منطقه دیگر اختلاف داشته باشد در این صورت اختلاف پتانسیل در این مناطق بوجود آمده و پیل خوردگی تشکیل خواهد شد.

خوردگی ناشی از جریان های سرگردان
جریان سرگردان جریانی است مستقیم یا یکسو (dc) که از منابع مختلفی است که مهمترین منابع تولید آن، خطوط راه آهن، جریان مربوط به یک سیستم حفاظت کاتدی بر روی تاسیسات حفاظت نشده مجاور و ... است در برخی موارد مقدار و اندازه این جریانها ممکن است به حدی زیاد باشند که به آسانی نتوان آن راخنثی کرد. مخصوصاٌ در حالاتی که این جریانها در موقع تخلیه ، سطوحی را نسبت به محیط اطراف تا چند ولت مثبت کنند.
علاوه بر جریانهای سرگردان متغیر که گفته شد ممکن است جریانهای سرگردان دائمی نیز وجود داشته باشد که اغلب ناشی از وجود جریانهای اعمال شده به سیستم‌های حفاظت کاتدی تاسیسات معینی هستند این جریانها به سهولت می توانند به تاسیسات مجاور وارد شوند، مخصوصاٌ در مواردی که حفره های آندی تاسیسات حفاظت شده در نزدیکی تاسیسات مجاور قرار گرفته باشند در این شرایط تاسیساتی که تحت حفاظت کاتدی قرار نگرفته اند در داخل میدان سرگردان قرار می گیرند بطوری که زمین نسبت به آن مثبت شده و در نتیجه این اختلاف پتانسیل مثبت جریانها وارد آن شده و چون مسیر فلزی وجود ندارد تا این جریانها به منبعی که آن را تولید کرده برگرداند لذا اجباراٌ باید به زمین تخلیه شوند که منجر به خوردگی در همین نواحی که جریانها خارج می‌شوند خواهد شد.
اما براساس نظر یولیگ (Uhlig) خوردگی بوسیله جریان سرگردان متناوب کمتر از خوردگی بوسیله جریان مستقیم است نتیجه خوردگی فرکانسها کم بیشتر از خوردگی در فرکانسهای بالا است براساس تخمین این  داشمند برای فلزاتی از قبیل فولاد، مس،‌سرب در فرکانس 60 هرتز جریان متناوب ،‌میزان خوردگی یک درصد از مقدار جریان مستقیم است.

خوردگی میکروبی
خوردگی میکروبی یکی از مشکلات جدی صنایع است و باعث خسارات شدیدی در تاسیسات صنعتی شده است در این نوع خوردگی میکروارگانیسم ها واسطه عمل هستند فعالیت بیولوژیکی میکروارگانیسمها در محیط های مختلف از جمله خاک، آب،‌دریا و ... در خوردگی موثر هستند. میکروارگانیسمهای موثر در خوردگی شامل باکتریهای هوازی، غیرهوازی و قارچها هستند باکتریهای هوازی شامل باکتریهای اکسیدکننده گوگرد، اکسیدکننده آهن، اکسیدکننده آمونیاک و باکتریهای مصرف کننده مواد نفتی و ... هستند.
باکتریهای اکسیدکننده گوگرد،  ترکیبات گوگردی عنصر گوگرد را به یون سولفات و اسید سولفوریک تبدیل کرده و می توانند شرایط بسیار خورنده ای را ایجاد کنند این باکتریها غالباٌ در میادین نفتی، سیستم لوله کشی فاضلاب حاوی ترکیبات گوگردی و ...  وجود  دارند و در لوله ها و سیستم فاضلاب باعث خوردگی سریع لوله های سیمانی می شوند.
باکتریهای اکسیدکننده آهن، آهن دوظرفیتی را از محلول جذب کرده و آن را به صورت هیدروکسید فریک در اطراف دیواره های سلولی خود حبس می کنند رشد باکتریهای آهن غالباٌ باعث ایجاد تاولهایی روی سطوح فولاد شده که منجر به خوردگی فلز می شود باکتریهای اکسیدکننده آمونیاک با اکسیدکننده آمونیاک و تولید اسید نیتریک باعث خوردگی آهن و اکثر فلزات دیگر می شوند این عمل در خاکهایی که در آنها کودهای آمونیاکی به مقدار زیاد مصرف می شود و در زیر آن خطوط لوله قرار دارند ممکن است باعث خوردگی شود باکتریهای مصرف کننده مواد نفتی با تجزیه و تخریب پوششهای قیری لوله های حفاظت لوله ها در مقابل خوردگی را از بین برده و باعث تسریع در خوردگی می شود قارچها با تولید اسیدهای آلی از جمله اسید سیتریک و اسید استیک و رشد روی سطوح اجسام و ایجاد محیط مناسب برای سایر میکروارگانیسمها می توانند باعث خوردگی سطوح فلزات شوند از بین باکتریهای موثر در خوردگی یک گروه بی هوازی بسیار خورنده به نام باکتریهای احیاکننده سولفات است.

باکتریهای احیاکننده سولفات از دیدگاه خوردگی
مکانیزمهای متعددی برای خوردگی فلزات بوسیله باکتریها پیشنهاد شده است دو فرآیند اصلی به عنوان عامل خوردگی فلزات قابل تصور است:
-1 تماس میکروارگانیسمها با سطح فلز واکنشهای خوردگی را شروع یا تسهیل می‌کنند.
2- محصولات متابولیکی ترشح شده ممکن است از لحاظ شیمیایی فعال بوده و فلز را حل کند.
مکانیزم اصلی خوردگی آهن توسط باکتریهای احیاکننده سولفات به وسیله تئوری دی پلاریزاسیون کاتدی اولین بار بوسیله ولوگن کوهن و اندرولوگ در سال 1934 بیان شده است.
فلز در محیط آبی با از دست دادن الکترون به یون فلز مثبت دپلاریزه می شود الکترودهای آزاد شده پروتونهای حاصل از تجزیه آب را به هیدروژن اتمی احیا می‌کند و هیدروژن اتمی یا ملکولی روی سطح فلز باقی می ماند این باکتریها دائماٌ لایه هیدروژن را که به طور معمول فلز را در مقابل خوردگی حفاظت می کند از روی سطح فلز به وسیله اکسیداسیون با سولفات به عنوان گیرنده الکترون بر می دارند نتیجه فرایند اکسیداسیون و تولید گاز H2S است. سپس سطح فلز در مقابل حمله آب و سولفید آسیب پذیر می شود و تعدادی از یونهای آهن با سولفید واکنش انجام داده و FeS تشکیل می شود و بقیه یونها تشکیل هیدروکسید آهن را تشکیل می دهند.
تمام گونه های  باکتریهای احیاکننده سولفات که قادر به مصرف هیدروژن مولکولی هستند بالقوه خورنده هستند در مطالعات تجربی نشان داده است که باکتریهای احیاکننده سولفات در محیطهای دریایی دی سولفوویبریو ولگایس دارای میل ترکیبی شدید با هیدروژن را در غلظت‌های بسیار کمی از محیط اخذ کنند جذب هیدروژن همیشه با واسطه آنزیم هیدروژناژ انجام می شود فعالیت و مصرف هیدورژن و در نتیجه خوردگی فلزات توسط این باکتریها در حضور مواد آلی (مثل لاکتات) افزایش می یابد که ممکن است در اثر تخریب رشد باکتری و یا تولید سولفید بیشتر (در اثر واکنش موادآلی با سولفات)‌باشد.
مکانیزمهای مختلف خوردگی پیشنهاد شده پیچیدگی فرآیند را نشان می دهد اما به نظر می رسد مکانیزم کلاسیک دی پلاریزاسیون و فعل و انفعال سولفید هیدروژن با فلز دو فرایند شیمیایی اساسی در خوردگی بی هوازی هستند.

بررسی خوردگی در مواد شیمیایی کاهش دهنده مقاومت خاک:

الف – ماده رسان ارت (SAN-EARTH)
همانگونه که گفته شد در شرایط عادی وقتی که فلزی در زمین دفن می شود یک واکنش الکترولیتی رخ می دهد و فلز در معرض جریان الکتریکی مثبت قرار می‌گیرد این واکنش که از هدایت یونی ناشی می شود موجب خوردگی شدید در فلز می‌شود.  در صورت استفاده از سان ارت این شرایط بوجود نمی آید پوشاندن فلز با سان ارت واکنش الکترولیتی را کاهش داده و از خوردگی فلز جلوگیری می کند. سان ارت یک ماده هادی سنباده مانند است که از مواد مقاوم شیمیایی تولید می شود.
همچنین هنگامی که دو فلز مختلف مثل مس و آهن بر روی هم نصب می شوند عمل گالوانیزه کردن آنها ضرورت می یابد که خوردگی ناشی از فلز آند را در پی دارد این مشکل غالباً درهنگام نصب الکترود زمین سیم مسی یا صفحات مسی بروز پیدا می‌کند در صورتی که الکترود با سان ارت پوشانده شود این مشکل بکلی برطرف شده واز خوردگی پیشگیری می‌شود.
تا به امروز معمول بود که برای کاهش مقاومت زمین پودر کارامل (کک) در اطراف الکترود ارت می‌پاشیدند اما  این شیوه باعث جاری شدن جریان الکتریکی از هادی زمین به پودر کارامل (کک) شده و در نتیجه باعث خوردگی الکترولیتی در الکترود می‌شود این امر در بلندمدت باعث آسیب‌دیدگی سیستم زمین می شود زیرا پودر کارامل (کک) تا حدودی استیکی بوده و به همین دلیل مثل مواردی که فلز برای مدت طولانی در خاک اسیدی دفن شده باشد خوردگی ایجاد می‌کند از این رو برغم کارایی پودر کارامل (کک) در کاهش مقاومت زمین زیاد مورد استفاده قرار نمی‌گیرد استفاده از سان ارت که 98 درصد آن کربن ترکیب شده با سیمان است جهت پوشاندن الکترودهای آهن و مس تا حدود زیادی خوردگی را  کاهش می‌دهد. مس و آهن در هنگامی که در محیط جامددفن شده باشند عموماً خوردگی ایجاد نمی‌کنند وپدیده خوردگی در الکترودهای مسی پوشیده شده با سیمان سان ارت بطوربالقوه حذف می‌شود از طرف دیگر الکترودهای آهنی قبل از سفت شدن هادی سیمانی تا حدودی در معرض خوردگی گالوانیک قرار می‌گیرند این مقاومت از این حقیقت ناشی می‌شود که پتانسیل طبیعی الکترود سان ارت کمتر از مس و بیشتر از آهن است در آهن خوردگی یک لایه نازک اکسید هیدرات تشکیل می‌دهد که متعاقباً مانع از خوردگی بیشتر شده واز وارد شدن صدمات جدی به الکترود جلوگیری می‌کند ضمن آنکه اثر زیادی بر مقاومت تماس بر جای می‌گذارد بدین خاطر ترکیب سیم مسی ومیله آهنی مورد استفاده درهادی سیمان سان ارت کارایی خوبی دارد.

ب- مارکونیت (Marconite)
مارکونیت ذاتاً یک بتون رسانا است که در آن ترکیبات کربن‌دار جایگزین ترکیبات طبیعی در مخلوط بتون شده است مارکونیت بعضی از خصوصیات بنتونیت را دارا است مثلاً با فلزات معینی موجب خوردگی کمی می‌شود و مقاومت مخصوص پایینی دارد این ماده کربن‌دار به شکل بلوری بوده و توسط موادی حاوی مقدار کمی سولفور و کلرید پوشانده شده است. در مدتی که مارکونیت به شکل ژله‌ای است (مقاومت مخصوص در این حالت 0،001 اهم- متر) کمی باعث خوردگی فلزات آهن و مس می‌شود ولی هنگامی که بتون سفت می‌شود نه تنها خوردگی متوقف می‌شود بلکه به عنوان یک لایه محافظ از الکترود زمین در مقابل مواد شیمیایی دیگر محافظت می‌کند وقتی که مارکونیت با بتون مخلوط می شود مقاومت مخصوص آن به کمتر از 1/0 اهم متر می‌رسد عمر این ماده بیش از 20 سال است.

ج- لوم (lom):
این ماده خاصیت جذب رطوبت تا چندین برابر بنتونیت را دارا بوده و دارای تاثیر یکنواخت و دائمی بر روی محیط است در این ماده به علت وود نمک‌های خنثی اثر خوردندگی بر روی میله ارت وجود نداشته، ضمن اینکه حضور این نمک‌ها همراه با رطوبت محیط، شرایط الکترولیتی و یونی مناسب و کاملاً هادی را فراهم می‌کند.

د- بنتونیت (Bentonith)
ماده طبیعی قهوه‌ای زیتونی کمرنگی که به مقدار 5 برابر وزن خود می‌تواند آب را جذب کند و پس از آن تا 30 برابر حجم اولیه‌اش فضا اشغال می‌کند. اسم شیمیایی آن سدیم مونت موریلونیت است.
خاک بنتونیت یک خاک رس طبیعی است که شامل اتمهای آلومینیوم منظم شده هشت وجهی فشرده شده بین اتمهای سیلیکون نامنظم چهار وجهی است با اضافه کردن آب قابلیت مقاومت مخصوص خاک بنتونیت خیلی کاهش می‌یابد (5/2 اهم متر در 300 درصد رطوبت) این امر به طور عمده به علت فرآیند الکترولیتیک که بین آب، Na2o (سودا) و (پتاس) و Cao (آهک) ودیگر نمکهای معدنی که یونیزه شده و یک الکترولیت قوی ایجاد می‌شود.

4- مقایسه عملی خوردگی بین ذغال و نمک بنتونیت و ..
در یک تحقیق عملی جهت بررسی خوردگی، با ساخت یک نوع پیل که در یک قسمت آن از خاک منطقه و در قسمت دیگر مخلوط منطقه، کلر، سولفات و انواع موادشیمیایی از قبیل نمک و ذغال و بنتونیت ریخته تا تاثیرات دمش مورد ارزیابی قرار گیرد.
واکنش خوردگی مس بصورت انتقال الکترون از خاک به سمت مخلوط بوده که نتیجه آن خوردگی مس در خاک است. در‌ آزمایشات انجام شده، آند الکترود واقع در خاک و کاتد الکترود واقع در مخلوط است. پتانسیل منطقه که مورد دمش قرار می‌گیرد به دلیل تشکیل لایه غیر فعال افزایش یافته و موجب کاهش خوردگی می‌شود.
دمش هوا خوردگی مس رادر نسبت کلر به سولفات 2 به 1 چگونه افزایش می‌یابد تقریباً سرعت خوردگی در مقایسه باخاک و بنتونیت حدود 10 برابر افزایش پیدا کرده است. در مدت زمان آزمایش هر چند که با گذشت زمان سرعت خوردگی کم شده است ولی باز مقادیر بالایی را نشان می‌دهد اشکال 9 تا 18 استفاده از مواد کاهش‌دهنده مقاومت خاک متفاوت مورد استفاده در عمل را نشان می‌دهد در جایی که از خاک بنتونیت استفاده شده است با توجه به توانایی بالای جذب رطوبت خاک بنتونیت و بخاطر کوچکی اندازه ذرات آن و عدم توانایی نفوذ اکسیژن به درون خاک موجب کاهش خوردگی در این محیط می‌شود تحقیقات نشان داده است که اضافه کردن زغال سرعت خوردگی را نسبت به محیط بنتونیتی تا 5 برابر افزایش می‌دهد دلیل آن افزایش وجود سولفید در زغال‌ و واکنش گالوانیکی بین زغال و مس است.
افزودن نمک طعام به مواد کاهش‌دهنده مقاومت خاک به دلیل وجود کلر، خوردگی مس را تا 7 برابر نسبت به محیط بنتونیتی افزایش می‌دهد بنا بر یافته بوردا در صورت استفاده از مخلوط زغال و خاک، بهترین ترکیب مخلوطی از زغال درشت وخاک است. بر اساس نتایج بدست آمده در این تحقیق خاک بنتونیت ازنظر کاهش سرعت خوردگی بهترین جواب برای پشت بند است.
استفاده از مواد کاهش‌دهنده مقاومت خاک متفاوت تاثیرات متفاوتی را بر روی خوردگی آهن نشان می‌دهد هنگامی که از خاک بنتونیت استفاده می‌شود سرعت خوردگی کمتری رانسبت به حالتی که از خاک رس و زغال‌ و نمک استفاده می‌شود مشاهده می‌شود.
سرعت خوردگی آهن در مقایسه با حالت بدون استفاده از بنتونیت حدود 12 برابر افزایش را نشان می‌دهد زغال بخاطر وجود سولفید و نمک بخاطر وجود کلر باعث افزایش خوردگی می‌شود.

نتیجه‌گیری و پیشنهادات
1- دمش هوا خودرگی مس را در نسبت 2 به 1 کلر و سولفات افزایش می‌دهد.
2- خوردگی مس، در خاک بانسبت 2 به 1 کلروسولفات حدود 10 برابر خوردگی درخاک بنتونیتی است.
3- سرعت خوردگی مس در خاک و زغال حدود 5 برابر نسبت به خاک بنتونیت افزایش دارد
4- اضافه کردن نمک به خاک و زغال سرعت خوردگی را نسبت به بنتونیت حدود 7 برابر افزایش می‌دهد.
5- خوردگی آهن در نسبتهای بالا از کلرید و سولفات بوسیله مکانیزم اختلاف دمش کنترل می‌شود
6- سرعت خوردگی آهن در خاک همراه با نسبت کلرید و سولفات 2 به 1 حدود 12 برابر خوردگی در خاک بنتونیتی است.
7- سرعت خوردگی آهن در خاک بنتونیت حدود 2 برابر سرعت خوردگی مس است اما با گذشت زمان به سمت یکی شدن پیش می‌رود.
8- با توجه به اینکه خوردگی یکنواخت میله مهم است استفاده از میله با قطر ضخیم‌تر عمر میله‌ها را افزایش می‌دهد و مدت زمان استفاده را زیاد می‌کند.
9- در خاکهای بسیار خورنده تغییر درمحیط اطراف الکترود و حفرچاه استفاده از ترکیب خاک بنتونیت می‌تواند سرعت خوردگی الکترودها را کمتر کند و عمر مفید میله‌ها راافزایش دهد.
10- بهتر است که محل اتصال سیم به الکترود‌ها کاملاً بوسیله مواد عایق پوشیده شوند.
11- در زمینهای بسیار خورنده بهتر است روی الکترود ارت حدود 50 گرم منیزیم جوش داده شود زیرا منیزیم بصورت آند فداشونده عمل کرده و تا مادامیکه منیزیم وجود داشته باشد خوردگی مس شروع نخواهد شد.
12- توصیه می‌شود استفاده از نمک و ذغال با هم بصورت سنتی استفاده نشود وبه جای آن از مواد شیمیایی که در بالا ذکر شد استفاده شود که مزایای بسیاری نسبت به ذغال دارند

منبع : ماهنامه صنعت برق

توزیع تولید با استفاده از میکروتوربین‌ها

هزینه انتقال و توزیع برق سهم بالائی از هزینه تولید انرژی را در بر می گیرد این میزان برای شبکه های رایج تا 500 دلار به ازای هر KW  می رسد. در مسیر انتقال و توزیع الکتریسیته تا 7% انرژی هدر می رود بنابراین چنانچه توزیع تولید جایگزین انتقال و توزیع الکتریسیته گردد هزینه انرژی الکتریکی به مقدار قابل توجهی کاهش خواهد یافت. در صنعت برق آمریکا در دهه 1990 توزیع تولید گسترش بیشتری یافته بطوریکه 20% نیروگاههای جدیدالتاسیس از نوع واحدهای کوچک می باشند. براساس اطلاعات موجود در حدود 10 GW از نیروگاههای موجود در گستره 1-10 MW می باشند که حدود 80% آن را نیروگاههای دیزلی (رفت و برگشت) تشکیل می دهند. قسمت اعظم واحدهای کوچک تولید برق توسط کارخانه کاترپیلار (Caterpillar) ساخته شده اند. جنرال الکتریک (GE) ، زیمنس و ABB نیز در این زمینه با کاترپیلار رقابت دارند موتورهای رفت و برگشتی از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه بوده و قطعات یدکی و سرویس آنها نیز به سادگی در سراسر دنیا در دسترس است ولی نکته منفی این ماشینها نگهداری و آلودگی ایجاد شده توسط آنهاست. گرچه تلاشهای زیادی در زمینه بهبود این دو مسئله برای ماشینهای رفت و برگشتی می شود ولی میکروتوربینها از لحاظ نگهداری و ایجاد آلودگی وضعیت بهتری در مقایسه با موتورهای دیزلی دارند.
زمانیکه میکروتوربین مدل 330 توسط کپستون ارائه شد موجب معرفی فن آوری جدید میکروتوربین گردید. البته تاکنون یک تعریف دقیق برای میکروتوربین نشده است ولی معمولا" این لفظ برای توربین های گازی با سرعت بالا در گستره قدرت 15-300 KW بکار می‌رود. صنعت میکروتوربین در چند تکنولوژی توربین های گازی کوچک، مولدهای کمکی و اتوموبیل های توربو مطرح گردید. هسته اصلی یک میکروتوربین قسمت توربین - کمپرسور است که با سرعت بسیار بالا دوران می کند (در مدل Capstone 330 سرعت دوران 96000rpm  می باشد) و در امتداد آن ژنراتور با سرعت بالا وجود دارد که دارای مغناطیس های دائمی است. یک پارامتر کلیدی جهت کاهش اصطکاک استفاده از یاتاقانهای هوائی یا بعبارتی یاتاقانهای گازی است که ضمن کاهش اصطکاک عمر یاتاقان را نیز افزایش داده و امکان داشتن سرعت بالا را فراهم می کند.
ژنراتور سرعت بالا برق با فرکانس بالا (در مدل Capstone 330 ، 1600 HZ) تولید کرده و فرکانس برق تولیدی به روش الکترونیکی به مقدار مناسب کاهش می یابد.
بطور کلی میکروتوربین دو مزیت عمده دارد یکی کاهش تزریق آلاینده ها به محیط و دیگر کاهش تعمیرات در مقایسه با مولدهای دیگر می باشد. در جدول زیر مقادیر تولیدی
 THC , CO , NOx  (هیدروکربورها) برای چند نمونه مقایسه شده است .
    همانطور که ملاحظه می شود میزان ذرات اشاره شده در محصولات خروجی میکروتوربین کمترین است.
در ارتباط با تعمیرات تجربه نشان داده که میکروتوربین ها نیاز به تعمیرات بسیارکمی دارند. بطور نمونه یک واحد میکروتوربین در Tulsa بعد از 20000 ساعت کار تنها نیاز به تعویض فیلترهای هوا داشته است. بعلاوه میکروتوربین ها سبک وکوچک هستند و عملکرد آنها با لرزش کم و تولید صدای اندک همراه است.
نکته دیگری که برای میکروتوربین ها وجود دارد چگونگی اتصال به شبکه سراسری برق است. این مسئله به کمک الکترونیک و میکروپروسسورها تا حد زیادی مرتفع شده و همچنان در حال پیشرفت می باشد. البته به غیر از مسئله تکنیکی اشاره شده در صنعت برق آمریکا جهت اتصال به شبکه، شرایط حداقلی لازم است که این نیز مسئله ای برای میکروتوربین ها وجود دارد ولی این شرایط در حال بهبود بوده و ارتباط میکروتوربین ها با شبکه سراسری آسانتر شده است.
مسئله دیگری که در گسترش میکروتوربین ها مطرح است هزینه تمام شده می باشد این هزینه برای یک واحد تا 1100 دلار بازاء هر KW می باشد گرچه این مبلغ کمتر از مقادیر مربوط به واحدهای توزیع قدرت مشابه مانند توربین های بادی و پیل سوختی است ولی از میزان 500 دلار مربوط به واحدهای دیزلی بیشتر است. چنانچه میکروتوربین ها به تعداد زیاد مورد استفاده قرار گیرند هزینه اشاره شده در بالا کاهش یافته و با هزینه مربوط به انواع دیزلی قابل رقابت بوده بخصوص که از لحاظ تعمیرات بسیار بهتر از واحدهای دیزلی می باشند.
ترکیب میکروتوربین ها با تجهیزات ذخیره انرژی (مانند باطری ها و چرخ لنگرها) موجب بهبود کیفی برق تولیدی و افزایش قابلیت  سیستم خواهد شد. امکانات ایجاد شده توسط شبکه اینترنت و کامپیوترهای حساس موجب افزایش کارآئی صنعت تولید برق شده است. البته تولید برق تنها مسئله میزان KWh نیست بلکه بیشتر مسئله کیفیت و قابلیت در مدار بودن برق تولیدی است. بیشتر قطعی برق در شبکه ها در قسمت توزیع می باشد که بهترین راه حل این مسئله توزیع تولید می باشد. با توجه به آلودگی کم میکروتوربین ها و بخصوص عدم استفاده از روغن در یاتاقانها امکان استفاده از محصولات خروجی توربین در بعضی فرآیندهای صنعتی وجود دارد و می توان از این واحدها در سیستم های تولید مشترک قدرت و حرارت بنحو مناسب استفاده کرد. در اینصورت راندمان کلی واحد تا 70-80% افزایش خواهد یافت. استفاده بعنوان شارژر باطری در بعضی از اتومبیل های جدید (باتوجه به آلودگی کم) مورد توجه قرار گرفته که این مورد بطور عملی در نوعی اتوبوس در آمریکا استفاده شده و نتیجه مثبت داشته است

منبع : ماهنامه صنعت برق

نحوه بهینه‌سازی سیستم‌های توزیع

بهینه‌سازی سیستم‌های توزیع یکی از مباحث بنیادی و اساسی مدیران، کارشناسان و کارکنان و ... شبکه‌های تولید است. در مقاله زیر که به وسیله مهندس شهرام جمشید عینی یکی از کارشناسان صنعت برق به رشته تحریر درآمده است؛ موضوع بهینه‌سازی سیستم‌های توزیع مورد بحث قرار گرفته و استفاده از محدودکننده ابررسانایی جریان خط در سیستم توزیع شعاعی برای بهبود مساله افزایش دینامیکی ولتاژ در بهینه‌سازی شبکه توزیع بازگو شده است.
مساله کیفیت توان با توجه به افزایش آگاهی مصرف‌کننده‌ها و رشد بارهای حساس در سیستم قدرت، یکی از موارد مورد توجه شرکتهای توزیع برق است. دلایل اصلی اهمیت موضوع کیفیت توان در سیستم‌های توزیع امروزی به قرار زیر است:
1- بارهای جدید نسبت به تغییرات کمی و کیفی برق دارای حساسیت بیشتری شده‌اند و این به دلیل استفاده از اجزای میکروپروسسوری و تجهیزات الکترونیک قدرت در این بارها است که نسبت به اغتشاشات توان حساسیت بالایی دارند.
2- افزایش توجه به بازده در سیستم قدرت که باعث به کار بردن تجهیزات بازده بالا درایوهای موتور با سرعت قابل تنظیم و خازنهای شنت که به منظور اصلاح ضریب توان به کار می‌روند که در نتیجه این امر سطح اتصال کوتاه بالا رفته و مصرف‌کننده‌ها نسبت به قابلیت سیستم حساستری می‌شوند.
3- افزایش بیشتر آگاهیهای مصرف‌کننده‌های انتهایی درمورد مسائل کیفیت توان که باعث توجه بیشتر شرکتهای توزیع برق به مشکلات کیفیت توان می‌شود. اتصالات داخلی در سیستم قدرت بیشتر شده و مسائل کیفیت توان بالا رفته و اهمیت بالایی پیدا کرده است.

افزایش دینامیکی ولتاژ
پارامترهای کیفیت توان در یک سیستم قدرت عبارتند از: کاهش دینامیکی ولتاژ، افزایش دینامیکی ولتاژ، عدم تعادل ولتاژ، هارمونیکها، شکاف ولتاژ و مولفه DC و افزایش مقدار موثر یا جریان بین 8/1-1/1 پریونت در فرکانس برای مدت زمان 5/0 سیکل تا یک دقیقه به عنوان افزایش دینامیکی ولتاژ تعریف شده است و علل ایجاد آن اولاً شرایط خطا در سیستم قدرت است که باعث افزایش موقتی ولتاژ در خطوط بدون خطا می‌شود و ثانیاً قطع بارهای پرمصرف و یا وصل یک بانک خازنی است. از دلایل اصلی ایجاد افزایش دینامیکی ولتاژ در سیستم قدرت است. تجهیزاتی نظیر DVRها- ادوات FACT و محدودکننده‌های جریان خطا، بارهای سیستم را در مقابل اثرات سوء افزایش دینامیکی ولتاژ حفاظت می‌کنند.
افزایش دینامیکی ولتاژ اغلب نسبت به کاهش دینامیکی ولتاژ مخرب‌تر است. شرایط افزایش دینامیکی ولتاژ باعث شکست عایقی در تجهیزات بار و تولیدکننده توان می‌شود. این تاثیرات به صورت تدریجی و تجمعی است و اگر زمان آن بیشتر از سه سیکل باشد تاثیرات آن در روشنایی لامپ قابل ملاحظه است. احتمال وقوع افزایش دینامیکی ولتاژ بسیار کمتر از کاهش دینامیکی ولتاژ است معمولاً همراه ایجاد خطا در سیستم به وجود می‌آید. افزایش دینامیکی ولتاژ در اثر خطای تکفاز در سیستم توزیع سه فاز رخ می‌دهد که باعث افزایش موقت ولتاژ در فازهای سالم می‌شود. این مورد به ویژه در سیستم‌های زمین نشده یا سیستم‌های مثلث نمود دارد که یک تغییر اتفاقی در مرجع زمین باعث افزایش ولتاژ در فازهای سالم می‌شود. در یک سیستم زمین نشده ولتاژهای فاز به زمین در فازهای سالم برابر 73/1 پریونت در حالت خطا خواهد بود.

محدودکننده جریان خطا
توسعه روزافزون سیستم‌های توزیع انرژی الکتریکی به دلیل نیاز به بالابودن ظرفیت آنها سبب تولید جریانهای خطای بزرگتر و در نتیجه ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القایی زیاد در ژنراتورها ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات و همچنین کاهش قابلیت اطمینان شبکه می‌شود. لذا عبور چنین جریانی از شبکه نیاز به تجهیزاتی دارد که توانایی تحمل این جریان را داشته باشند و برای قطع این جریان نیازمند کلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم که هزینه‌های سنگینی به سیستم تحمیل می‌کند. از آنجایی که جریان اتصال کوتاه در لحظات اولیه به ویژه 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. این تجهیزات در حالت عادی مقاومت کمی در برابر عبور جریان از خود نشان می‌‌دهند، اما پس از وقوع اتصال کوتاه و در لحظات اولیه شروع جریان مقاومت آنها یکبار بزرگ شده و از بالارفتن 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 نشوند. روشهای محدودکردن جریان خطا را می‌توان به چهار گروه اصلی دسته‌بندی کرد:
1- محدودسازی امپدانسی با کلید مکانیکی با عملکرد بسیار سریع در موقع خطا یک امپدانس (مقاومت یا سلف) جهت کاهش جریان به صورت سری وارد مدار می‌شود. کلید مکانیکی مورد استفاده امپدانس وارد می‌شود و دامنه جریان خطا را محدود می‌کند.
2- محدودکننده جریان نوع فیوز: به محض اتصال کوتاه در شبکه عنصر فیوزی در مدت زمان معین ذوب شده و با قطع خود محدودساز را وارد مدار می‌کند. به خاطر اینکه فیوز مورد استفاده غیرقابل بازیابی بوده و تعویض آن بعد از وقوع خطا ضروری است. همینطور طولانی‌بودن و متغیربودن زمان عملکرد و در نتیجه قابلیت اطمینان پائین آنها محدودسازهای فیوزی کمتر کاربرد دارند.
3-محدودکننده‌های‌امپدانسی و موارد تشدید با سوئیچ تریستوری، در این محدودکننده‌ها عموماً از یک سلف و خازن به صورت سری- موازی و یا ترکیبی از آنها استفاده می‌شود. شکل قرارگیری این عناصر به گونه‌ای است که در حالت عادی سیستم امپدانس بسیار کم را دارا هستند و در هنگام بروز خطا امپدانس تشدید با سوئیچ تریستوری وارد مدار می‌شود. برای عملکرد صحیح مدار لازم است ابتدا خطا توسط آشکارساز تشخیص داده شود و بعد گیت تریستورها آتس شوند که منجر به کندی عملکرد محدودساز خواهد شد. به علاوه مدارهای تریستوری معمولاً باعث تزریق‌ هارمونیکهای زیادی به سیستم می‌شوند که زیانبار بوده و استفاده از آنها را با محدودیت مواجه ساخته است.
4- محدودکننده‌های ابررسانا: این نوع محدودکننده جریان در شرایط بهره‌برداری عادی سیستم شامل یک سیم پیچ است که در دمای 180 درجه سانتیگراد نگهداری می‌شود. سیم‌پیچ ابررسانا در دمای مورد اشاره دارای خاصیت ابررسانایی بوده و مقاومت و افت ولتاژ بسیار کمی را باعث می‌شود اما به محض وقوع اتصال کوتاه و افزایش جریان از یک حد معینی که جریان بحرانی نامیده می‌شود، سیم‌پیچ مربوط گرم شده و بعد از حالت گذرا مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد و به همین دلیل جریان خطا کاهش می‌یابد. عمل فوق در زمان کوتاهی انجام می‌پذیرد و نیاز به سیستم کشف خطا نیست و می‌توان اظهار کرد که آشکارکننده خطا در این محدودسازها جریان بحرانی خود سیم‌پیچی ابررسانا است محدودکننده‌های ابررسانا هر چند از سرعت خوبی برخوردار هستند
اما برای بازیابی حالت ابر رسانا و وصل مجدد به زمان نسبتاً  زیادی نیازمندند، با ارائه محدودسازهای نوع عبور شار (FLUX LOCK)  که به جای جریان بحرانی- با افزایش عبور شار مغناطیسی، به شرایط محدودسازی می‌رسند و در نتیجه افزایش گرما اتفاق نخواهد افتاد.

مشکل سرعت بازیابی
محدودکننده‌های جریان تا حدود زیادی مرتفع شده است البته هزینه ساخت محدودسازهای نوع عبور شار با توجه به نیاز به حجم بالای مواد ابر رسانا افزایش خواهد یافت. مزایای مهم استفاده از محدودسازهای نوع ابر رسانایی را می‌توان به شرح ذیل بیان کرد:
کاهش خسارات ناشی از اتصال کوتاه در شبکه
 با وقوع اتصال کوتاه در شبکه اضافه جریان ایجاد شده تا زمان عملکرد رله‌ها و قطع مدار توسط کلیدهای قدرت که گاهی تا چند سیکل طول می‌کشد، ادامه خواهد یافت؛ وجود چنین جریانی حتی در زمان کوتاه می‌تواند منجر به ایراد خسارات به تجهیزات موجود در شبکه شود، استفاده از محدودسازها که با افزایش جریان خطا از مقدار مشخصی مقابله می‌کنند خسارتهای احتمالی را به حداقل می‌رساند.
کاهش هزینه کلیدهای قدرت و فیوزها
 جریان خطا بر روی ترانسفورماتورهای متداول می‌تواند 10 تا 20 برابر جریان حالت ماندگار (نامی) ترانسفورماتور باشد؛ با طراحی یک محدودساز ابررسانائی می‌توان مقدار جریان خطا را به 3 تا 5 برابر جریان نامی تجهیزات محدود کرد. همچنین این نوع محدودسازهای جریان، تلفات انرژی ذخیره شده را کاهش داده و انعطاف‌پذیری بهتری را در استفاده از کلیدهای قدرت و فیوزهای با سرعت پائین‌تر فراهم می‌کنند.
 تعویق سرمایه‌گذاری برای توسعه سیستم
 با توجه به نیاز مداوم به توسعه شبکه لازم است ظرفیت وسایل موجود شبکه‌های برق به منظور جوابگویی به افزایش تقاضای برق افزایش داده شود. با افزایش ظرفیت شبکه سطح اتصال کوتاه نیز افزایش یافته و استفاده از تجهیزات سریعتر و با قدرت تحمل جریانهای بالاتر ضروری خواهد بود. وجود محدودساز جریان در شبکه می‌تواند مانع از افزایش سطح اتصال کوتاه شده و نیاز به افزایش پرهزینه و اساسی ظرفیت تجهیزات در پست خواهد شد.
 افزایش قابلیت اطمینان در شبکه
 با توجه به محدودسازی جریان خطا از 10 تا 20 برابر نامی به 3 تا 5 برابر- احتمال خروج خطوط کاهش یافته و قابلیت اطمینان سیستم افزایش می‌یابد.
 افزایش کیفیت توان و کاهش تلفات در سیستم قدرت
 وقوع اتصال کوتاه متناسب با محل وقوع می‌تواند منجر به بروز پدیده‌هایی مانند کاهش دینامیکی ولتاژ (Sag) افزایش دینامیکی ولتاژ (sewll) وقفه خروج خطوط انتقال- تغییرات فرکانس و یا حتی خروج زنجیره‌ای نیروگاهها و در نهایت فروپاشی شبکه شود. با استفاده از محدودسازها جریان اتصال کوتاه در سیستم کنترل شده و شاخصهای کیفیت توان بهبود می‌یابد. محدودسازهای شناخته شده از ابررسانای نسل دوم که کاملاً مقاومتی باشند می‌توانند جایگزین راکتورهای خط انتقال شده و با افت ولتاژ ناشی از راکتورها در خطوط و تلفات ناشی از آنها در شبکه مقابله می‌شود.
به علاوه هیچ نیازی به تصحیح خازنی نیست و اینگونه محدودسازیها در شرایط عادی سیستم غیرفعال باقی می‌مانند. محدودسازهای ابررسانایی در مقایسه با انواع تریستوری و اینورتری نیاز به آشکارسازی خطا نداشته و منجر به تزریق هارمونیک به شبکه نیز نمی‌شوند. سیم‌پیچهای ابررسانا با و یا بدون هسته آهنی مورد استفاده قرار گرفته‌اند در این محدودسازها جریان خطا سه وظیفه عمده محدودکننده‌های جریان یعنی تشخیص خطا منحرف کردن جریان خطا و محدودسازی آن
به وسیله سیم‌پیچ ابررسانا انجام می‌گیرد.

جمعبندی
بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد که در زمان ووقع یک خطای تکفاز در فازهای سالم سیستم توزیع ولتاژ بالاتر رفته و مساله افزایش دینامیکی ولتاژ رخ می‌‌دهد؛ به عنوان یک راه حل برای بهبود مسئله افزایش دینامیکی ولتاژ قراردادن یک محدودکننده جریان خطا در سیستم توزیع پیشنهاد شده محدودکننده جریان خطا به محض وقوع خطا امپدانس بالایی را وارد مدار می‌کند. قراردادن محدودکننده جریان خطا باعث کاهش میزان جریان در فاز دچار خطا شده و به دنبال آن سبب بهبود افزایش دینامیکی ولتاژ نیز می‌شود.

مهندس شهرام جمشید عینی- کارشناس صنعت برق