ابررسانا در سیم و کابل

در ایالات متحده، اروپا و ژاپن رقابت سختی بر روی تجارت تولید آینده کابل های ابررسانائی وجود دارد. قابلیت

هدایت جریان برق در کابل های HTSبالغ بر ۱۰۰ بار بیشتر از هادی های آلومینیومی و مسی متداول می

باشد. اندازه، وزن و مقاومت این نوع کابل ها از کابل های معمولی بهتر بوده و امروزه تولیدکنندگان تجهیزات

الکتریکی در سراسر دنیا سعی دارند با استفاده از تکنولوژی HTS باعث کاهش هزینه ها و افزایش ظرفیت و

قابلیت اطمینان سیستم های قدرت شوند.

● کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها استفاده از مواد ابررسانا در سیم بندی ترانسفورماتورها باعث ۵۰ %

کاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهای روغنی شده و به علاوه

تأثیر قابل توجهی نیز در افزایش بازده، کاهش افت ولتاژ و افزایش ظرفیت اضافه بار ترانسفورماتور دارد.

استفاده از ترانسفورماتورهای ابررسانا با توجه به حجم کم و عدم استفاده از روغن برای خنک سازی، نقش

قابل ملاحظه ای در بهبود فضای شهری و کاهش هزینه های زیست محیطی خواهد داشت.

 

● کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورهادرصورت استفاده از سیم های ابررسانا به جای سیم های مسی در

روتور ماشینهای القایی، تلفات، حجم، وزن و قیمت آنها کاهش قابل ملاحظه ای خواهد داشت و با افزایش

بازده، صرفه جویی قابل توجهی در انرژی الکتریکی صورت می گیرد.

 

کویل ژنراتورهای سنکرون نیز با مواد ابررسانای سرامیکی قابل ساخت می باشد که منجر به افزایش قابل

توجهی در بازده ژنراتور خواهد شد. به علاوه تکنولوژی ابررسانا امروزه در ساخت کندانسورهای سنکرون نیز

کاربرد دارد. کندانسورهای ابررسانا دارای بازده بیشتر، هزینه نگهداری کمتر و قابلیت انعطاف بهتری هستند.

 

● کاربرد ابررسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی در سیستم قدرت بین قدرت های الکتریکی تولیدی و

مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچ گونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد.

 

بنابراین تولید شبکه ناچار به تبعیت از منحنی مصرف است که غیر اقتصادی می باشد. ابرسانای ذخیره کننده

انرژی مغناطیسی (SMES) وسیله ای است که برای ذخیره کردن انرژی، بهبود پایداری سیستم قدرت و کم

کردن نوسانات قابل استفاده می باشد. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد

می شود ذخیره می شود. ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی هزاران بار قابلیت شارژ و دشارژ دارد

بدون اینکه تغییری در خواص مغناطیس آن ایجاد شود. ویژگی ابر رسانایی سیم پیچ نیز موجب می شود که

راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بسیار بالا و در حدود ۹۵ % باشد.

 

اولین نظریه ها در مورد این سیستم در سال ۱۹۶۹ توسط فریه مطرح شد. وی طرح ساخت سیم پیچ

مارپیچی بزرگی را که توانایی ذخیره انرژی روزانه برای تمامی فرانسه را داشت ارائه کرد که به خاطر هزینه

ساخت بسیار زیاد آن پیگیری نشد. در سال ۱۹۷۱ تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن

بحثهای بنیادی اثر متقابل بین انرژی ذخیره شده و سیستم های چند فاز به ساخت اولین دستگاه انجامید.

شرکت هیتاچی در سال ۱۹۸۶ یک دستگاه SMES به ظرفیت ۵ مگاژول را آزمایش کرد. در سال ۱۹۹۸ نیز

ذخیره ساز ۳۶۰ مگاژول توسط شرکت ایستک در ژاپن ساخته شد.

 

علاوه بر ذخیره سازی انرژی به منظور تراز منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، سیستم های مورد اشاره با

اهداف دیگری نیز مورد توجه قرار گرفته اند. بروز اغتشاشهای مختلف در شبکه قدرت از جمله تغییرات ناگهانی

بار، قطع و وصل خطوط انتقال و … به عدم تعادل سیستم می انجامد. در این شرایط انرژی جنبشی محور

ژنراتورهای سنکرون مجبور به تأمین افزایش انرژی ناشی از اختلال هستند و درصورت حفظ پایداری دینامیکی،

حلقه های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را برقرار می سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند

فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و… را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از

سیستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه

در مواقع مورد نیاز می توان مشکلات فوق را کاهش داد.

 

با توجه به اینکه در این سیستم انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا بر عکس تبدیل می شود،

ذخیره ساز ابررسانایی دارای پاسخ دینامیکی سریع می باشد و بنابراین می تواند در جهت بهبود عملکرد

دینامیکی نیز به کار رود. معمولاً واحدهای ابررسانایی ذخیره انرژی را در دو مقیاس ظرفیت بالا یعنی حدود

۱۸۰۰ مگاژول برای تراز منحنی مصرف، و ظرفیت پایین (چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و

بهبود پایداری سیستم می سازند. سیم پیچ ابررسانا از طریق مبدل به سیستم قدرت متصل و شارژ می

شود و با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابررسانا به طور پیوسته در بازهٔ وسیعی از

مقادیر ولتاژهای مثبت ومنفی قابل کنترل است. ورودی ذخیره ساز انرژی می تواند تغییرات ولتاژ شبکه، تغییر

فرکانس شبکه، تغییر سرعت ماشین سنکرون و… باشد و خروجی نیز توان دریافتی خواهد بود.

 

مهم ترین قابلیت SMESجداسازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره

برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد. در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز

تلفات دارد اما این تلفات می تواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC وDC انرژی

زیادی قابل ذخیره سازی است. بهترین دمای عملکرد برای دستگاههای مورد اشاره نیز ۵۰ تا ۷۷ درجه کلوین

است.

 

● کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جریان خطاعلاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهای ابررسانائی

جریان خطا یا SFCL نیز رده تازه ای از وسایل حفاظتی سیستم قدرت را ارائه می کنند که قادرند شبکه را از

اضافه جریانهای خطرناکی که باعث قطعی پر هزینه برق و خسارت به قطعات حساس سیستم می شوند

حفاظت نمایند.

 

اتصال کوتاه یکی از خطاهای مهم در سیستم قدرت است که در زمان وقوع، جریان خطا تا بیشتر از ۱۰ برابر

جریان نامی افزایش می یابد و با رشد و گسترش شبکه های برق، به قدرت اتصال کوتاه شبکه نیز افزوده می

شود. تولید جریانهای خطای بزرگتر، ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القائی زیاد در ژنراتورها،

ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات و همچنین کاهش قابلیت اطمینان شبکه را در پی دارد. لذا عبور چنین

جریانی از شبکه احتیاج به تجهیزاتی دارد که توانایی تحمل این جریان را داشته باشند و جهت قطع این جریان

نیازمند کلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم که هزینه های سنگینی به سیستم تحمیل می کند. اما اگر به

روشی بتوان پس از آشکارسازی خطا، جریان را محدود نمود، از نظر فنی و اقتصادی صرفه جویی قابل توجهی

صورت می گیرد.

 

انواع مختلفی از محدود کننده های خطا تا به حال برای شبکه های توزیع و انتقال معرفی شده اند که ساده

ترین آنها فیوزهای معمولی است که البته پس از هر بار وقوع اتصال کوتاه باید تعویض شوند. از آنجاییکه جریان

اتصال کوتاه در لحظات اولیه به خصوص در پریود اول موج جریان، دارای بیشترین دامنه است و بیشترین اثرات

مخرب از همین سیکل های اولیه ناشی می شود باید محدودسازهای جریان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا

در مدار قرار گیرند. محدودکننده های جریان اتصال کوتاه طراحی شده در دهه های اخیر، عناصری سری با

تجهیزات شبکه هستند و وظیفه دارند جریان اتصال کوتاه مدار را قبل از رسیدن به مقدار حداکثر خود محدود

نمایند به طوری که توسط کلیدهای قدرت موجود قابل قطع باشند.

 

این تجهیزات در حالت عادی، مقاومت کمی در برابر عبور جریان از خود نشان می دهند ولی پس از وقوع

اتصال کوتاه و در لحظات اولیه شروع جریان، مقاومت آنها یکباره بزرگ شده و از بالا رفتن جریان اتصال کوتاه

جلوگیری می کنند. 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 نگردند.

 

محدود سازهای اولیه با استفاده از کلیدهای مکانیکی امپدانسی را در زمان خطا در مسیر جریان قرار می

دادند. با ورود ادوات الکترونیک قدرت کلیدهای تریستوری برای این موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و

مدارهای متعددی از جمله مدارهای امپدانس تشدید و ابررسانا، ارائه گردیده است. محدودکننده های

ابررسانا در شرایط بهره برداری عادی سیستم یک سیم پیچ با خاصیت ابررسانایی بوده (مقاومت و افت ولتاژ

کمی را باعث می شود) ولی به محض وقوع اتصال کوتاه و افزایش جریان از یک حد معینی (جریان بحرانی)

سیم پیچ مربوط مقاومت بالایی از خود نشان می دهد و به همین دلیل جریان خطا کاهش می یابد.

 

عمل فوق در زمان کوتاهی انجام می پذیرد و نیاز به سیستم کشف خطا نمی باشد. برآورد اولیه بخش ابر

رسانائی EPRI نشان می دهد که استفاده از محدودسازهای ابررسانائی جریان یک بازار فروش با درآمد حدود

۳ تا ۷ میلیارد دلار در ۱۵ سال آینده به وجود خواهد آورد.

 

● سوئیچهای ابررسانابا تغییر در شدت میدان مغناطیسی، امکان تغییر در وضعیت جسم ابررسانا از

ابررسانایی به مقاومتی و برعکس امکانپذیر است. بنابراین از مواد ابررسانا جهت انجام سوئیچینگ یا کلیدزنی

نیز می توان بهره گرفت. تحقیقات اولیه در این زمینه از اواخر دهه ۱۹۵۰ میلادی آغاز شد و کوششهایی برای

استفاده از سوئیچ های ابررسانا در مدارها و حافظه کامپیوترهای بزرگ صورت گرفت.

 

باک در سال ۱۹۵۶ مداری با نام کرایوترون شامل یک سیم پیچ نیوبیوم با دمای بحرانی ۳/۹ درجه کلوین و

هسته ای از سیم تانتالوم با دمای بحرانی ۴/۴ درجه کلوین معرفی نمود که با توجه دمای ۲/۴ درجه کلوین

هلیوم مایع، امکان تغییر وضعیت سیم تانتالوم در اثر ایجاد جریان الکتریکی و درنتیجه میدان مغناطیسی در

سیم پیچ نیبیوم وجود داشت.

 

با توسعه دانش نیمه هادی، توجه به سوئیچهای ابررسانا کاهش یافت اما حجم و تلفات کمتر، و سرعت بالاتر

تراشه های ابررسانا نسبت به تراشه های نیمه هادی، استفاده از سلولهای کرایوترونی و جایگزینی ابررسانا

به جای مدارهای مسی را برای ساخت ابرکامپیوترهای بسیار سریع و کم تلفات، حتی با وجود پیشرفتهای

صنعت نیمه هادی توجیه پذیر می سازد.

 

علاوه بر سلولهای کرایوترونی که با سرعت ۱/۰ میکروثانیه در ساخت حافظه و تراشه های الکترونیک قابل

استفاده است، از اتصالات جوزفسون که مبنای عملکرد آنها، اثر تونل زنی است نیز برای ساخت سوئیچ های

بسیار سریع و با سرعت ۱/۰ نانوثانیه (فرکانس ۱۰ گیگاهرتز) استفاده شده اما درمورد تکنولوژی ساخت آنها

به تعداد زیاد، پژوهشها ادامه دارد.

 

● ابررساناها و ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی: اصول کلی

ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی (MHD) که از سال ۱۹۵۹ پژوهش هایی برای تولید برق به وسیله آنها

شروع شده و هنوز ادامه دارد، بر این اساس است که جریان گاز پلاسما (بسیار داغ) یا فلز مذاب از میان

میدان مغناطیسی قوی عبور داده می شود.

 

با عبور گاز داغ یا فلز مذاب، در اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی موجود، یونهای مثبت و منفی به سمت

الکترودهایی که در بالا و پایین جریان گاز پلاسما یا فاز مذاب قرار دارند، جذب می شوند و مانند یک ژنراتور

جریان مستقیم، تولید الکتریسیته را باعث می شوند. قدرت الکتریکی این ژنراتور جریان مستقیم با اینورترهای

الکترونیک قدرت، به برق جریان متناوب تبدیل و به شبکه متصل می شود.

 

با توجه به هزینه بالای تولید الکتریسیته در ژنراتورهای MHD، استفاده از آنها تنها به منظور یکنواختی منحنی

مصرف در زمانهای پرباری شبکه مفید است. سیم پیچ های بزرگ ابررسانا که از مواد ابررسانای متعارف مانند

آلیاژ نیوبیوم تیتانیوم ساخته شده اند برای تولید میدان های مغناطیسی بسیار قوی مناسب و قابل استفاده

است.

 

اگر فاصله دو الکترود ۱/۰ متر، سرعت یونها ۴۰۰ متر بر ثانیه و میدان مغناطیسی ۵ تسلا باشد، ولتاژ خروجی

۲۰۰ ولت خواهد بود و در طول کانال ۶ متری و با قطر یک متر، ۴۰ مگاوات انرژی قابل تولید است. مزیت اصلی

ژنرتورهای MHD وزن نسبتاً کم آنها در مقایسه با ژنراتورهای متعارف است که استقبال از کاربرد آنها را در

صنایع هوایی و دریایی موجب شده است.