نیروی الکتریسیته تا حدودی به هوایی که نفس میکشیم شباهت دارد. چون هیچ وقت متوجه حضور آن نیستیم تا اینکه آن را از دست بدهیم. برق همیشه در اختیار ماست تا نیازهای ما را رفع کند.
تنها وقتی برق قطع میشود، در یک اتاق تاریک قدم میزنیم و ناخودگاه کلیدهای برق را فشار میدهیم متوجه اهمیت وجود آن در زندگی روزمره خودمان میشویم.
از انرژی برق برای گرم کردن، خنک کردن، فریز کردن، روشنایی، تولید صدا، سرگرمی، کار با کامپیوتر، موبایل و حتی خودروها استفاده میشود. بدون وجود برق، زندگی مدرن هم وجود ندارد.
انرژی برق از طریق یک سیستم اعجاب انگیز به اسم شبکه توزیع برق از نیروگاه به سمت خانهها هدایت میشود. این شبکه کاملاً عمومی است و معمولاً در حومه شهرها دکلهای بزرگ آن مشاهده میشود. در واقع این شبکه و دکلهای آن به قدری عمومی و همه جایی شده که نسبت به آن بی توجه شدیم. از آنجایی که خطوط انتقال برق همه جا هستند، کم کم مغز ما وجود آنها را نادیده میگیرد.
با اینکه اکثر ما شبکه برق را نادیده میگیریم، اما این شبکه به هیچ وجه کم اهمیت نیست. در مجموع 450 هزار مایل (724205 کیلومتر) خطوط برق ولتاژ بالا و 160 هزار مایل (257500 کیلومتر) خطوط انتقال برق هوایی در آمریکا وجود دارد که نیروگاههای برق را به منازل و کسب و کارها متصل میکنند. از آنجایی که نمیتوان برق را به صورت انبوه ذخیره کرد، باید تولید آن همزمان با مصرف انجام شود. شبکه توزیع برق باید به سرعت به تغییرات تقاضا واکنش نشان داده و انرژی برق را به صورت پیوسته تولید کرده و به بخشهای مورد نیاز هدایت کند.
شبکه برق هم رو به رشد و تکامل است. پیشرفتهای علمی و فنی باعث شده که حالا مردم بتوانند برق تولید شده در منزل – با استفاده از پنلهای خورشیدی یا ژنراتورهای بادی – را به شبکه متصل کرده و در قبال انجام این کار پول دریافت کنند. دولت فدرال آمریکا هم در حال طراحی یک شبکه برق هوشمند است که از فناوری دیجیتال برای مدیریت کارآمدتر منابع انرژی استفاده میکند. این پروژه منجر به توسعه شبکه برق شده و امکان دسترسی به منابع انرژی تجدید پذیر مثل انرژی زمینگرمایی و باد را فراهم میکنند.
در این مقاله به بررسی این تجهیزات میپردازیم که انرژی برق را به منازل میرسانند و اینکه چه مشکلاتی باعث قطع برق میشوند.
تولید انرژی برق از نیروگاه شروع میشود. تقریباً در همه موارد نیروگاه شامل یک ژنراتور برقی چرخان میشود. برای چرخش ژنراتور، انرژی لازم است – که ممکن است برای این کار از یک چرخ آبی در یک سد برق آبی استفاده شود یا یک موتور دیزلی بزرگ یا توربین گازی. ممکن است برای تولید بخار از سوزاندن زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی استفاده شود یا توسط یک رآکتور هستهای تولید شود.
تولید برق، بزرگترین منبع تولید گازهای گلخانهای در آمریکا است. به همین دلیل توسعه منابع انرژی تجدیدپذیر اهمیت زیادی دارد. در سال 2014، 67 درصد برق آمریکا از طریق سوختهای فسلی مثل گاز طبیعی و زغال سنگ تولید میشد. در این دوره انرژی برق آبی بزرگترین منبع انرژی تجدید پذیر بود که پس از آن خورشید، باد و انرژی زمین گرمایی قرار داشتند. در سال 2014، 6 درصد از برق آمریکا با استفاده از نیروگاههای آبی تولید میشد و انرژی خورشیدی، بادی، حرارتی با هم 5 درصد آن را تشکیل میدادند.
صرف نظر از اینکه چه نیرویی باعث چرخش ژنراتور میشود، ژنراتورهای برقی تجاری با هر ابعاد و اندازه ای، برق متناوب سه فاز تولید میکنند. برای آشنایی با این برق، اول باید با برق تک فاز آشنا شوید.
نیروگاه برق: جریان متناوب
آنچه که در منازل وجود دارد، برق تک فاز است. معمولاً برق مصرفی منازل به صورت تک فاز و از نوع 120 ولت AC است. اگر از یک نوسان سنج برای بررسی برق موجود در پریز دیواری استفاده کنید، متوجه میشوید که این برق یک موج سینوسی دارد و این موج بین -170 تا 170 ولت است. پیک این موج 170 و ولتاژ مؤثر آن، 120 ولت است.
نرخ نوسان برای موج سینوسی 60 سیکل در ثانیه است. به برق نوسان دار این چنینی برق AC یا جریان متناوب گفته میشود. یک نوع دیگر از جریان، جریان مستقیم یا DC است. باتریها جریان مستقیم تولید میکنند که یک جریان الکتریکی ثابت است و تنها در یک جهت حرکت میکند یعنی از قطب منفی به قطب مثبت باتری.
AC نسبت به DC برای شبکه توزیع برق حداقل سه مزیت دارد:
- ژنراتورهای برق بزرگ، انرژی AC تولید میکنند در نتیجه تبدیل آن به DC مستلزم طی کردن یک مرحله اضافه است.
- ترانسفورماتورها باید برای کار کردن جریان متناوب داشته باشند و خواهیم دید که شبکه توزیع برق به ترانسفورماتورها وابسته است.
- تبدیل جریان AC به DC راحت است اما تبدیل جریان DC به AC پرهزینه است در نتیجه اگر قرار باشد یکی از این دو را انتخاب کنیم، AC مناسب تر است.
بنابراین نیروگاههای برقی جریان AC تولید میکنند. در ادامه با برق AC تولید شده در نیروگاههای برقی آشنا میشویم.
نیروگاههای برق و برق سه فاز
نیروگاههای برق همزمان سه فاز مختلف جریان AC تولید میکنند و این سه فاز یک فاصله 120 درجه از هم دارند. از هر نیروگاه، چهار سیم خارج میشود: سه فاز و یک سیم اتصال به زمین یا نول.
اما چرا سه فاز؟ چرا دو یا چهار فاز نه؟! در برق یک و دو فاز 120 در لحظه در هر ثانیه وجود دارد که در آن موج سینوسی از ولتاژ صفر عبور میکند. در برق سه فاز، در هر لحظه یکی از سه فاز به قله نزدیک میشود. بنابراین موتورهای سه فاز پرقدرت (که در کاربردهای صنعتی استفاده میشوند) و وسایلی مثل تجهیزات جوشکاری سه فاز خروجی برق یکنواختی دارند. برق چهار فاز تغییر و بهبود چشمگیری نسبت به برق سه فاز ایجاد نمیکند اما باعث اضافه شدن یک سیم میشود در نتیجه برق سه فاز مناسب ترین گزینه است.
اما سیم زمینی که به آن اشاره شد چه نقشی دارد؟ شرکت تولید برق، از سیم زمین به عنوان یکی از سیمهای سیستم برق استفاده میکند. زمین رسانای خیلی خوب و بسیار عظیمی است در نتیجه یک مسیر بازگشت خوب برای برق ایجاد میکند (شرکتهای خودروسازی هم همین کار را انجام میدهند و از بدنه فلزی خودرو به عنوان یکی از سیمهای سیستم برق خودرو استفاده کرده و قطب منفی باتری را به بدنه خودرو متصل میکنند). زمین در شبکه توزیع برق همان زمینی است که روی آن راه میرویم یعنی خاک، صخره، آبها زیر زمینی و هر بخشی از سیاره زمین!
برق سه فاز، از ژنراتور خارج شده و وارد یک پست انتقال در نیروگاه میشود. این پست از ترانسفورماتورهای بزرگ برای تبدیل ولتاژ ژنراتور به ولتاژ بسیار بالا و انتقال آن به فواصل دور استفاده میکند. ولتاژ مورد استفاده برای انتقال به راه دور بین 155 هزار تا 765 هزار ولت است. هر چقدر ولتاژ بیشتر باشد، انرژی کمتری در اثر مقاومت از بین میرود.
حداکثر فاصله انتقال معمولاً 483 کیلومتر است. خطوط انتقال ولتاژ بالا کاملاً قابل تشخیص هستند. این خطوط به شکل برجکهای فلزی بزرگی هستند که در امتداد هم قرار گرفته اند.
همه برجهای ولتاژ بالا، سه سیم برای سه فاز دارند. خیلی از برجها سیمهای دیگری هم دارند که از بالای آنها رد میشوند. اینها سیمهای اتصال به زمین هستند و کاربرد اصلی آنها گرفتن صاعقه است.
شبکه توزیع برق
برای اینکه امکان استفاده از برق در منازل یا کسب و کارها وجود داشته باشد، برق تولید شده در شبکه انتقال برق وارد شبکه توزیع میشود. این کار در چند مرحله انجام میشود. محلی که در آن تبدیل برق از حالت انتقال به توزیع صورت میگیرد، پست برق است. معمولاً پست برق دو یا سه قسمت دارد:
- ترانسفورماتورهایی که ولتاژ انتقال را (در محدوده ولتاژ دهها یا صدها هزار) به ولتاژ توزیع (معمولاً کمتر از 10 هزار ولت) کاهش میدهند.
- یک گذرگاه که برق توزیع را در جهتهای مختلف تقسیم میکند.
- مدارشکن و سوئیچهایی برای قطع اتصال پست از شبکه انتقال یا خطوط توزیع مجزایی که میتوان بر حسب نیاز آنها را از پست برق قطع کرد.
برق، از ترانسفورماتور وارد گذرگاه توزیع میشود که برق را روی خطوط توزیع محلی پخش میکند. گذرگاه هم ترانسفورماتورهای خاص خود را دارد که میتوانند بر حسب نیاز ولتاژ را افزایش یا کاهش دهند.
ممکن است در گذرگاه دو مجموعه خط توزیع جدا با دو ولتاژ مختلف داشته باشیم. ترانسفورماتورهای کوچکتر متصل به گذرگاه، برای یک مجموعه از این خطوط ولتاژ برق را به ولتاژ خط استاندارد (معمولاً 7200 ولت) کاهش میدهند و برق در جهت مخالف با ولتاژ بالاتر از ترانسفورماتور اصلی خارج میشود.
این بار که خارج از شهر رانندگی میکردید، میتوانید با دیدگاهی کاملاً متفاوت به خطوط برق نگاه کنید. در یک تیر برق معمولی سه سیم در قسمت بالا قرار دارند که مربوط به برق 3 فاز هستند. چهارمین سیم در این تیرها، برای اتصال به زمین استفاده میشود. در بعضی از موارد سیمهای دیگری مثل تلفن یا تلویزیون یا حتی خطوط اینترنت هم روی یک تیر برق قرار دارد.
خطوطی با ولتاژ بالاتر باید قبل از ورود به ساختمانهای مسکونی و اکثر مشاغل کاهش ولتاژ پیدا کنند. این فرایند معمولاً در یک پست دیگر یا ترانسفورماتورهای کوچکتر انجام میشود. مثلاً خیلی از مواقع یک باکس سبز رنگ بزرگ (حدود 1.8 متری) در نزدیک ورودی یک منطقه مشاهده میشود که کار کاهش ولتاژ را برای آن بخش انجام میدهد.
یکسری تنظیم کننده ولتاژ هم روی خط مشاهده میشود که زیرزمین یا روی هوا قرار دارند. تنظیم کنندههای زیر زمینی سه ترانسفورماتور شبیه به سطل زباله هستند که توسط دو تیرک سرپا نگه داشته میشوند. این تنظیم کنندهها، ولتاژ خط را تنظیم میکنند تا از نوسان شدید آن پیشگیری کنند. تنظیم کننده سعی میکند یک ولتاژ 7200 ثابت را روی سه سیم حفظ کند.
اکثر مشاغل و خانهها فقط نیاز به برق تک فاز دارند بنابراین معمولاً مشاهده میشود که سه سیم در جاده اصلی وجود دارد و بعد در خیابانهای فرعی یک شاخه از آنها منشعب میشود. این انشعابها در تیرکهای برق را میتوان طوری تنظیم کرد که برای ساختمانهای تجاری و مسکونی برق تک یا دو فاز تولید کنند.
رسیدن برق به منازل
و در نهایت به سیمهایی میرسیم که برق را به منازل میرسانند. در مجموع یک مجموعه تیرک داریم که برق یک فاز (7200 ولت) و یک سیم زمین دارند (البته در بعضی از مناطق ممکن است برق 2 یا 3 فاز داشته باشیم). در هر خانه یک درام ترانسفورماتور وجود دارد که به تیرک برق متصل است.
در خیلی از مناطق حومه شهر، خطوط توزیع زیر زمین قرار داشته و در هر یک یا دو خانه، یک جعبه ترانسفورماتور سبز رنگ وجود دارد.
کار ترانسفورماتور کاهش ولتاژ از 7200 به 240 ولت است که در وسایل خانگی استفاده میشود. در ادامه یک بار دیگر نگاهی به این تیرکها خواهیم داشت تا ببینیم در آنها چه میگذرد:
- یک سیم لخت از بالای تیرک به پایین هدایت شده که سیم زمین است. همه تیرهای چراغ برق یکی از این سیمها دارند. هر زمان شرکت برق یک تیر جدید نصب میکند، مشاهده میکنید که سیم لخت با یک سیم پیچ در پایین تیر چراغ برق محکم شده و در تماس مستقیم با زمین است و تا عمق 1.8 تا 3 متری زیر زمین هدایت میشود. به این ترتیب یک اتصال قوی و محکم ایجاد میشود. اگر تیر چراغ برق را با دقت بررسی کنید، مشاهده میکنید سیمهای زمین با این روش به صورت مستقیم به زمین متصل شده اند.
- دو سیم وجود دارد که از ترانسفورماتور خارج میشود و سه سیم به منازل هدایت میشود. دو سیم خارج شده از ترانسفورماتور عایق و سیم سوم لخت است. سیم لخت اتصال زمین است. دو سیم عایق هر کدام ولتاژ 120 ولت دارند اما 180 درجه غیر هم فاز هستند در نتیجه تفاوت بین آنها 240 ولت است. این روش باعث میشود که کاربران بتوانند از لوازم 120 و 240 ولت استفاده کنند. سیمهای ترانسفورماتور به این صورت قرار گرفته اند:
ولتاژ 240 از طریق یک کنتور وارد منازل میشود که میزان مصرف برق را اندازه گیری و ثبت میکند تا شرکت برق بتواند هزینههای درست را از مشتریان دریافت کند. در سیستم قدیمی یک مأمور به صورت دورهای کنتور را بررسی میکرد. اما در کشورهای پیشرفته و شبکه برق هوشمندشان، میلیونها کنتور هوشمند نصب شده اند که مستقیماً با شرکت برق در تماس هستند. به این ترتیب شرکت برق علاوه بر خواندن میزان مصرف از راه دور، در صورت قطع برق بلافاصله متوجه شده و به این ترتیب فرایند عیب یابی شتاب پیدا میکند.
وسایل ایمنی: فیوز
فیوز و مدارشکن، یکسری دستگاه ایمنی هستند. فرض کنیم که شما فیوز یا مدار شکن در منزل ندارید و مشکلی در برق منزل شما ایجاد میشود. در این حالت ممکن است مشکل مثلاً به دلایل زیر به وجود آمده باشد:
- موتور یک فن بلبرینگ سوزانده، درگیر شده، دمای آن بیش از حد بالا رفته و ذوب میشود. به این ترتیب بین (سیم) برق و اتصال زمین یک اتصال مستقیم ایجاد میشود.
- یک سیم برق در یک لامپ شل شده و مستقیماً برق را به زمین متصل میکند.
- یک موش عایق سیم را جویده و باعث اتصال بین برق و زمین میشود.
- یک نفر تصادفاً سیم برق را با جارو میکشد و باعث بریده شدن سیم و اتصال سیم برق و زمین میشود.
- یک نفر در حال آویزان کردن یک عکس در اتاق نشیمن خودش است و تصادفاً میخ را روی سیم برقی که از دیوار عبور میکند میزند و باعث اتصال مستقیم برق به زمین میشود.
وقتی خط برق 120 ولت مستقیماً به زمین متصل میشود، باعث انتقال حداکثری جریان برق از این اتصال میشود. به این ترتیب دستگاه یا سیم دیوار دچار جرقه یا آتش سوزی میشود (در این شرایط سیم داخل دیوار مثل المنتی که داخل یک بخاری برقی قرار دارد، بشدت داغ میشود).
فیوز، یک دستگاه ساده است و طوری طراحی شده که در چنین شرایطی به شدت داغ و سوزان شود. در فیوز، یک لایه نازک فویل یا سیم وجود دارد که وقتی جریان برق زیادی از آن عبور میکند، بلافاصله تبخیر میشود. به این ترتیب جریان برقی که از سیم عبور میکند بلافاصله قطع شده و مانع از داغ شدن بیش از حد آن میشود. هر زمان فیوز دچار سوختگی شد باید تعویض شود و به همین دلیل امروزه کمتر از آن در منازل استفاده میشود.
مدارشکن از سربار ایجاد شده استفاده میکند تا از یک سوئیچ عبور کند و به این ترتیب مدارشکنها قابلیت چند بار استفاده را دارند. برق از طریق یک پنل مدارشکن وارد منزل میشود. در پنل مدارشکن دو سیم اصلی وجود دارد که از ترانسفورماتور به مدارشکن اصلی وارد میشوند. مدارشکن اصلی به شما امکان میدهد که هنگام نیاز کل پنل را قطع کنید. در این سیستم همه سیمهای مربوط به پریزهای برق و چراغهای خانه یک فیوز یا مدارشکن مجزا دارند.
اگر مدارشکن فعال باشد، در این صورت جریان برق از سیم داخل دیوار گذر کرده و در نهایت به مقصد نهایی یعنی پریز برق وارد میشود.
سیستمهای انرژی تجدید پذیر متصل به شبکه برق
برای کاربرانی که در مناطق آفتابی زندگی میکنند، خرید پنل خورشیدی مقرون به صرفه است. مثلاً توسان در آریزونا به طور میانگین بیش از 3800 ساعت انرژی خورشیدی در هر سال دارد. در گذشته اگر به دنبال تولید انرژی برق با استفاده از منابع تجدید پذیر مثل پنلهای خورشیدی یا توربینهای بادی بودید، باید حتماً خارج از شبکه کار میکردید یعنی برق منزل خودتان را از شبکه شرکت برق جدا میکردید.
حالا به لطف پیشرفتهای فناوری و تغییر سیاستها و مقررات، (در آمریکا) اکثر شرکتهای برق و ایالتها به کاربران امکان میدهند که خودشان برق تولید کنند و همزمان به شبکه برق اصلی متصل باشند.
در این روش جدید، باید از یک کنتور برقی تخصصی و یکسری تجهیزات وارونه سازی جریان برق استفاده کنید. به این ترتیب مالکان خانهها میتوانند از منابع تجدیدپذیر مثل انرژی باد و خورشید در کنار برقی که از شبکه دریافت میکنند، استفاده کنند تا اگر مثلاً هوا ابری باشد، در تاریکی نمانند و هر چقدر خواستند از شبکه اصلی برق بگیرند.
بهتر اینکه اگر مالکان خانهها بتوانند برقی بیشتر از نیازشان تولید کنند، شرکت برق، برق تولیدی مازاد را از آنها خریداری میکند.
باتری خانگی
یکی از نقطه ضعفهای سیم انرژی خورشیدی متصل به شبکه سنتی این است که مصرف کنندگان بیشتر برق را صبح و عصرها استفاده میکنند در حالی که تولید انرژی خورشیدی وسط روز اوج میگیرد. در واقع کاربران انرژی تولید شده هنگام روز را به شرکت برق فروخته و شبها پس میگیرند. در سال 2015 شرکت تسلا تولید کننده خودرهای برقی از سیستم Powerwall رونمایی کرد. این سیستم شامل یک باتری لیتیوم یونی نصب شده روی دیوار بود که چندین کیلووات برق تولید شده با انرژی خورشیدی در منزل را ذخیره کرده و آماده استفاده نگه میدارد.
چه مشکلاتی باعث قطع برق میشود؟
چهاردهم آگوست سال 2004، حدود ساعت 4 عصر بخش وسیعی از شرق آمریکا و کانادا دچار خاموشی شد. این قطع برق گسترده 50 میلیون نفر را در 8 ایالت آمریکا و اونتاریوی کانادا در خاموشی فرو برد. در بعضی از مناطق این خاموشی تا دو روز ادامه داشت.
گرچه خاموشیهایی با این عظمت به ندرت رخ میدهند اما باعث جلب توجه نسبت به نقاط ضعف شبکه برق میشوند. شبکه برق آمریکا – کانادا از سه شبکه مجزا تشکیل شده است: شبکه غربی، شرقی و ERCOT (که به آن تگزاس هم گفته میشود). در این سه شبکه، صدها نیروگاه برق باید تولید برق کنند تا به صورت پیوسته با تغییر تقاضا در سطح جهان تطبیق پیدا کنند.
اگر یکی از شبکه های برق از کار بیفتد، یک خط انتقال ولتاژ بالا قطع شود و یا یک ژنراتور دچار مشکل شود در این صورت باید سایر بخشها جای خالی آن را جبران کنند. معمولاً این مسئله باعث ایجاد مشکل نمیشود اما وقتی تقاضا برای برق بالا باشد – شبیه اتفاقی که در عصر تابستانی سال 2003 رخ داد – شکست در بخشهایی از برق میتواند باعث مشکلات آبشاری شود که منجر به قطع میلیونها کاربر میشود.
دلیل قطعی برق سال 2003، ترکیبی از خطای انسانی، نقص کامپیوتر و رشد بیش از حد درختان نزدیک خطوط برق بود. مشکل وقتی شروع شد که چند ژنراتور در اوهایوی شمالی به خاطر مشکلات فنی خاموش شدند. به این ترتیب بار شبکه به ژنراتورهای نزدیک آن منتقل شد اما درختان رشد کرده با خطوط برق هوایی برخورد کرده و باعث بروز مشکل در سیمهای برق شدند. شرکتهای برق منطقه هم سیستم نظارت لازم را نداشتند در نتیجه نتوانستند شدت وخامت اوضاع را تشخیص دهند تا اینکه ژنراتورهای کل منطقه دچار سربار شده و از کار افتادند.
مثل مدار شکن، اجزای شبکه برق هم وقتی بار شبکه به شکل خطرناک افزایش پیدا کند، خاموش میشوند. در نتیجه بار به سایر اجرای شبکه منتقل شده و آنها هم خاموش میشوند. همین مسئله منجر به شکل گیری یک اثر دومینو مانند میشود که باعث خاموشی گسترده میشود.
گرچه میتوان خطای انسانی و نقص کامپیوتری را کاهش داد اما برای پیشگیری از آب و هوای بد نمیتوان کار زیادی کرد. دلیل اصلی خاموشیهای برق در آمریکا، شرایط بد آب و هوایی – بادهای عظیم، صاعقه، برف سنگین – است.
امیدواریم این بار که در مسیر جاده خطوط برق به چشمتان خورد یا وقتی یک لامپ را خاموش و روشن میکنید، دقت بیشتری به آنچه در این شبکه عظیم رخ میدهد داشته باشید. بی شک شبکه توزیع برق یک سیستم خارق العاده است.
