یکسوساز قوسی-جیوه ای

ترجمه و تحقیق: رضاکیانی موحد

یکسوساز قوسی-جیوه ای در برمونستر سوئیس.

یکسوساز قوسی-جیوه ای نوعی یکسوساز است که برای تبدیل جریان متناوب ولتاژ بالا به جریان مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع یکسوسازها  در موتورهای صنعتی، قطارهای برقی، ترامواهای شهری و شبکه های انتقال HVDC مورد استفاده قرار می گیرند. قبل از ورود یکسوسازهای سیلیکونی به بازار یکسوسازهای قوسی-جیوه ای مطرح ترین یکسوساز در مصارف صنعتی بوده است.

یکسوساز قوسی-جیوه در دهه 1940

یکسوساز قوسی-جیوه ای در سال 1902 توسط پیتر کوپر هویت اختراع شد و در دهه های 1920 و 1930 در اروپا و آمریکای شمالی تکمیل شد. به نوعی می توان آغاز علم الکترونیک را به اختراع این قطعه نسبت داد.

کاربردها

با معمول شدن یکسوسازهای فلزی در دهه 1920 برای استفاده در ولتاژهای پایین، کاربرد یکوسازهای قوسی-جیوه ای به ولتاژهای بالاتر ،و به ویژه کاربرد در توانهای بالا، محدود شد.

یکسوسازهای قوسی-جیوه ای به صورت گسترده ای در دهه 1960 برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم در صنایع بکارگرفته شده اند. موارد استعمال آنها در منابع تغذیه ترامواهای برقی، قطارهای برقی، منبع ولتاژ متغیر برای رادیو بود. این یکسوسازها تا دهه 1950 برای تهیه جریان مستقیم در شبکه های توزیع جریان مستقیم در شهرها بکار برده می شدند. به هر حال، در دهه 1960 یکسوسازهای سیلیکونی ،دیود و تریستور، در تمام یکسوسازهای ولتاژ پایین و قدرت پایین جایگزین یکسوسازهای قوسی-جیوه ای شدند. در نهایت، در حدود 1975 یکسوسازهای سیلیکونی حتی در مواردی مانند خطوط انتقال مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) نیز یکسوسازهای قوسی-جیوه ای را از رده خارج کردند.

در حال حاضر یکسوسازهای قوسی-جیوه ای فقط در بعضی از معادن آفریقای جنوبی و کنیا و تعداد کمی از خطوط انتقال HVDC بکارگرفته می شوند.

طراحی

یکسوساز قوسی-جیوه ای در حباب شیشه ای

معروف ترین نوع یکسوساز قوسی-جیوه ای از یک حباب شیشه ای تخلیه شده از هوا به همراه یک حوضچه جیوه ای در کف آن ساخته می شود. این حوضچه جیوه ای نقش کاتد را بازی می کند. در این حباب شیشه ای بخار جیوه نقش اساسی را در یکسوسازی جریان متناوب بازی می کند. حباب شیشه ای دارای یک یا چند بازوی گرافیتی (کربنی) است که به عنوان آند بکار می روند. تعداد این بازوها بستگی به کاربرد یکسوساز قوسی-جیوه ای دارد. برای یکسوسازی یک جریان تک فاز از دو بازو استفاده می شود که به خروجی های ثانویه یک ترانسفورماتور سر وسط متصل می شوند. برای یکسوسازی جریان سه فاز از 3 یا 6 آند استفاده می شود تا ولتاژ خروجی یک دست تری حاصل شود. استفاده از یکسوسازی 6 فاز می تواند بازده ترانسفورماتور را بالاتر برده و خروجی صافتری تحویل دهد. در طی کار، قوس الکتریکی از کاتد به سمت آندی که ولتاژ بیشتری دارد جریان پیدا می کند. طراحی بازوها و حباب شیشه ای به صورتی است که قوسی بین آندها ایجاد نشود. ایجاد شدن قوس بین آندها اصطلاحا "آتش برگشتی" نام دارد و یک عامل اساسی در طراحی یکسوسازهای قوسی-جیوه ای می باشد.

چنین حبابی می توند صدها کیلووات قدرت را به صورت یکسو تحویل دهد. یک یکسوساز 6 فاز 150 آمپری دارای حبابی در ابعاد تقریبی 600 میلیمتر ارتفاع و 300 میلیمتر قطر خارجی است. چنین یکسوسازی می تواند شامل چند کیلوگرم جیوه باشد. اندازه بزرگ حباب به دلیل رسانایی اندک شیشه اجباری است. بخار جیوه در قسمت بالایی حباب باید حرارت خود را از دست بدهد تا دوباره به صورت مایع درآمده و به حوضچه جیوه در پایین حباب سرازیر شود.

ظرفیت جریان یکسوساز قوسی-جیوه ای به وسیله قطر سیمهایی که به آندها و کاتد یکسوساز متصل هستند محدود می شود.

برای یکسوسازهای بزرگ از یک مخزن فلزی به همراه عایق سرامیکی برای ایجاد حوضچه جیوه استفاده می شود. این یکسوسازها دارای پمپهای تخلیه ای هستند که به صورت منظم هوایی که از محیط به درون حباب نشت می کند را از درون آن تخلیه می کنند. چنین یکسوسازهایی برای جریان 1800 آمپر و ولتاژ 150 کیلوولت طراحی شده اند.

هر دو یکسوساز شیشه ای و فلزی ممکن است که دارای شبکه های کنترل بین آند و کاتد باشند. این شبکه های اجازه می دهند تا یکسوساز تحت کنترل باشد، برای مثال، برای ایجاد یک تأخیر لحظه ای در زمانی که قوس از یک آند به آند دیگر منتقل می شود این شبکه خروجی ولتاژ را کنترل می کند. این گونه یکسوسازهای کنترل شونده قسمت اساسی یک اینورتور را تشکیل می دهند.

حرارت حباب شیشه ای ای باید به دقت کنترل شود. یک یکسوساز قوسی-جیوه ای نوعی دارای درجه حرارت 40 درجه سانتیگراد و فشار بخار جیوه در حدود 7 میلی پاسکال می باشد.

نحوه کارکرد

کارکرد یکسوساز قوسی-جیوه ای بر اساس یک تخلیه الکتریکی بین الکترودهای آند و کاتد از طریق بخار جیوه موجود در حباب شیشه ای می باشد. حوضچه جیوه به مانند یک کاتد خودبسنده عمل می کند که در طول زمان فرسوده نمی شود. جیوه می تواند الکترونها را به صورت آزادانه منتشرکند در صورتی که آندهای کربنی ،حتی اگر داغ هم شده باشند، قادر به این کار نیستند بنابراین عمل یکسوسازی اتفاق می افتد.

زمانی که یک قوس الکتریکی ایجاد شد الکترونها از سطح حوضچه جیوه جدا شده و سبب می شوند که بخار جیوه موجود در فضای حباب یونیزه شود. در نتیجه، یونها مسیری بین کاتد و آند ایجاد می کنند که جریان از طریق آن می تواند بسته شود. یونهای بخار جیوه به سوی حوضچه بازمی گردند و حرارت جیوه را بالا می برند. یونهای جیوه در هنگام یونیزاسیون سبب ایجاد نور مرئی و مقدار بیشتری اشعه ماورابنفش می شوند.

کاتد به بار متصل شده است و بار نیز به سر وسطی یک ترانسفورماتور سروسط متصل شده است. سرهای دیگر ترانسفورماتور به دو آند یکسوساز متصل هستند. هنگامی که ولتاژ در هر یک از آندها مثبت باشد جریان از طریق آن آند به سمت کاتد بسته می شود. به دلیل اینکه هر یک از آندها از یک سر ترانسفورماتور سر وسط تغذیه شده اند زمانی که یکی از آندها مثبت می شود دیگری منفی است و بالعکس.

یکسوساز قوسی-جیوه ای تک فاز کمتر مورد استفاده قرار می گیرد چرا که هر زمان که ولتاژ متناوب از نقطه صفر عبور می کند قوس الکتریکی خاموش می شود. به علاوه، ولتاژ خروجی این یکسوساز رایپل خیلی زیادی دارد که آن را برای بسیاری از موارد غیرقابل استفاده می کند. در نتیجه، در صنعت بیشتر از یکسوسازهای 2،3 یا 6 فاز استفاده می شود که ولتاژ خروجی صافتری ایجاد می کنند و کارایی بالاتری هم دارند.

استارت

یک یکسوساز قوسی-جیوه ای معمولی به وسیله یک قوس الکتریکی ولتاژ بالا که بین کاتد و الکترود استارت برقرار می شود شروع به کار می کند. به عبارت دیگر، الکترود استارت به کاتد وصل می شود (توسط بخار جیوه) و اجازه می دهد که جریان از یک مدار اندوکتیو عبور کند. هنگامی که جریان کاتد قطع شود یک ولتاژ القایی زیاد ایجاد می شود.اتصال موقت بین الکترود استارت و کاتد ممکن است به وسیله یک سیم پیچ خارجی ایجاد شود. این سیم پیچ می تواند نقش اندوکتانس استارت را باز یکند.

تحریک

به دلیل قطع موقت ولتاژ در نقطه صفر یا کاهش جریان خروجی ممکن است که قوس الکتریکی درون حباب خاموش شود. به همین دلیل بسیاری از یکسوسازهای قوسی-جیوه ای دارای یک الکترود اضافی هستند که یک قوس الکتریکی دائم ایجاد می کنند. نوعا، یک منبع تغذیه 2 یا 3 فاز چند آمپری به آندها کوچک تحریک متصل هستند. یک ترانسفورماتور موازی به قدرت چند ولت آمپر برای تغذیه این مدار استفاده می شود. تحریک یا "زنده نگه داشتن" جریان برای بسیاری از یکسوسازهای قوسی-جیوه ای ولتاژ بالا مورد نیاز است.

کنترل

استفاده از یک شبکه کنترل بین آند و کاتد اجازه می دهد تا جریان جاری شده بین این دو کنترل شود. در یکسوسازهایی که شبکه کنترل ندارند ممکن است که شروع فلوی جریان در زمانی که قوس الکتریکی ایجاد شده است به تأخیر بیافتد. شبکه کنترل اجازه می دهد تا ولتاژ خروجی چند یکسوساز با تغییر نقطه آتش تنظیم شوند و اجازه می دهد که یکسوساز قوسی-جیوه ای را به عنوان یک عنصر فعال در اینورتورهایی که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می کنند بکارببریم.

یک یکسوساز قوسی-جیوه ای 150 کیلوولت 1800 آمپری در ایستگاه تبدیل مانیتوبا هیدرو رادیسون آگوست 2003

مشکلات زیست محیطی

جیوه ماده ای به شدت سمی است که برای سلامتی انسان و محیط زیست زیان آور می باشد. استفاده از مقادیر زیاد جیوه در یکسوساز قوسی-جیوه ای و خطر نشت آن در صورت شکسته شدن حباب شیشه ای یک خطر بالقوه برای محیط زیست است. در بسیاری از ایستگاه های فشار قوی HVDC باید عملیات نظافت محوطه به دلیل نشت جیوه به صورت دوره ای انجام گیرد. در ضمن یکسوسازهای دارای مخزن فلزی نیز نیاز به پمپهای تخلیه دارند که سبب ورود بخار جیوه به هوای محیط می شوند.

بلک استارت

بلک استارت عبارت است از پروسه ای که در طی آن یک نیروگاه بدون تکیه بر یک منبع انرژی خارجی راه اندازی می شود.

معمولا، برق مورد نیاز یک نیروگاه توسط ژنراتورهای خود آن نیروگاه تأمین می گردد. اگر تمام ژنراتورهای اصلی یک نیروگاه از سرویس خارج شوند، برق مورد نیاز آن باید توسط خطوط انتقال متصل شده به نیروگاه تأمین شود. به هرحال، در طی یک قطعی برق سراسری، منبع برق خارجی برای راه اندازی نیروگاه در دسترس نخواهد بود. در نبود برق شبکه، برای راه اندازی مجدد نیروگاه نیاز به توانایی بلک استارت است.

برای رسیدن به بلک استارت، بعضی از نیروگاه ها دارای ژنراتورهای دیزل کوچکی ( به قدرت چند مگاوات) هستند که می توانند ژنراتورهای بزرگتر را با استفاده از برق آنها راه اندازی کنند. تولید نیرو توسط توربینهای بخار بزرگ نیاز به 10 درصد توان خروجی این توربینها برای راه اندازی بویلرها، بادبزنها و سیستمهای سوخترسانی دارد. از آنجا که تهیه چنین توان بزرگی به صورت آماده بکار اقتصادی نیست توان لازم برای راه اندازی آنها باید توسط خطوط انتقال و از نیروگاه های دیگر تأمین شود. اغلب از نیروگاه های آبی به عنوان منبع توان خارجی برای راه اندازی نیروگاههای دیگر استفاده می شود. یک نیروگاه هیدروالکتریک برای راه اندازی به توان اندکی (برای باز کردن دریچه های آب سد و تغذیه اکسایتر توربینها) نیاز دارد و در عوض می تواند توان زیادی را به شبکه تزریق نماید که برای راه اندازی نیروگاه های بزرگ فسیلی یا هسته ای بکارگرفته شود. استفاده از توربینهای گازی راه دیگری برای تزریق برق به شبکه پس از قطعی های گسترده می باشد.

مراحل یک بلک استارت

مراحل یک راه اندازی نوعی به صورت بلک استارت به صورت زیر است.

1.    از یک باتری برای روشن کردن یک دیزل ژنراتور کوچک در نیروگاه آبی استفاده می شود.

2.    خروجی دیزل ژنراتور برای راه اندازی نیروگاه آبی بکار برده می شود.

3.    توان الکتریکی خروجی نیروگاه آبی به شبکه تزریق می شود.

4.  توان الکتریکی نیروگاه آبی برای راه اندازی یکی از نیروگاه های فسیلی بار پایه بکاربرده می شود.

5.  توان الکتریکی تولید شده توسط نیروگاه فسیلی برای راه اندازی دیگر نیروگاه های متصل به شبکه استفاده می شود.

توان تولید شده نهایتا به شبکه سراسری تزریق شده و به مصرف کنندگان خواهد رسید. اغلب اوقات این مراحل به ترتیب انجام می شوند چرا که راه اندازی تمام نیروگاه ها در یک زمان امکان پذیر نیست. به ویژه، پس از یک قطع برق طولانی مدت در تابستان، تمام ساختمان ها گرم شده اند و اگر برق تمام مصرف کنندگان با هم وصل شود توان مصرف شده توسط دستگاه های تهویه از توانی که شبکه می تواند تحویل دهد بسیار بیشتر می شود. در فصول سرد سال نیز همین اتفاق به دلیل روشن کردن دستگاه های گرما زا خواهد افتاد.

در یک شبکه بزرگتر، بلک استارت اغلب با راه اندازی چند "جزیره" تولید (که هر یک شبکه ای محلی را تغذیه می کنند) صورت می گیرد و سپس این جزایر با همدیگر سنکرون شده و تمام آنها به صورت یک شبکه سراسری در خواهند آمد. نیروگاه های این شبکه باید قادر باشند تغییرات توان در لحظه سنکرون شدن با دیگر اجزای شبکه را تحمل کنند.

محدودیتهای بلک استارت

تمام نیروگاه ها برای استفاده در بلک استارت مناسب نمی باشند. توربینهای بادی برای این منظور بدترین هستند چرا که ممکن است در لحظه ی راه اندازی بادی وجود نداشته باشد. توربینهای بادی و توربینهای آبی کوچک اغلب به ژنراتورهای آسنکرون متصل هستند که توانایی تولید انرژی الکتریکی برای برق دار شدن شبکه را ندارند. واحدهای بلک استارت همچنین باید هنگامی که به بارهای رآکتیو بزرگ خطوط انتقال متصل می شوند پایدار بمانند. بسیاری از کنورترهای HVDC نمی توانند به یک شبکه قطع شده برق رسانی کنند چرا که خود برای کموتاسیون نیاز به توان الکتریکی دارند. این امر برای ایستگاه های HVDC بر پایه ی VSC[1] صادق نیست.

رضاکیانی موحد

---

[1] voltage-source converter

رادیو اف ام باند دو متر

یکی از دوستان تقاضای یک مدار فرستنده گیرنده داشتند. مداری در مجله های قدیمی ام پیداکرده ام که پی دی اف آن را می توانید از اینجا دانلود کنید. امیدوارم که به درد بخور باشد.

Accc

نسل جدید هادی های بکاررفته در خطوط انتقال توان هادی های ACCC [1] نام دارند. این هادی های از هسته ای از جنـس کامپوزیت به همراه چند هادی ذوزنقه ای شکل آلومینیومی ،که به دور هسته تابانده شده اند، تشکیل می شود. هسته ی کامپوزیتی هادی های ACCC 25 درصد قوی تر و 60 درصد سبکتر از هسته ی فولادی هادی های سنتی ACSR می باشد. همین امر سبب می شود که بتوان هادی آلومینیومی تابانده شده در اطراف هسته را به مقدار 28 درصد افزایش داد بدون اینکه در قطر کلی هادی یا وزن آن تغییری ایجاد شود.

هادی های ACCC طراحی شده اند تا به صورت دائم در خطوط هوایی انتقال نیرو و در درجه حرارتهای بالا کار کنند. تلفات توان در این هادی ها بسیار کمتر از هادی های سنتی بکارگرفته شده در خطوط انتقال توان می باشد. به دلیل استقامت نسبت به وزن زیاد  این هادی می توان آن را در اسپن های بلند بکار گرفت.

مزایای هادی ACCC نسبت به هادی های ACSR عبارتند از:

افزایش توان انتقال یافته

در شرایط یکسان هادی ACCC می تواند در حدود 28 درصد بیش از هادی ACSR توان الکتریکی را منتقل کند. هسته کمپوزیت این هادی اجازه می دهد تا هادی را در درجه حرارت 180 درجه سانتیگراد بکارگرفت. همین امر اجازه می دهد تا جریانی دو برابر هادی های ACSR را از هادی های ACCC عبور داد.

کم بودن سگ سیم در حرارت های بالا

ضریب انبساط طولی هادی ACCC 8 بار کمتر از هادی ACSR مشابه اش می باشد درحالیکه هسته کمپوزیتی این هادی ها در حدود 2.5 بار سبک تر از فولاد بکار رفته در هادی ACSR است. ضریب انبساط طولی اندکی که این هادی دارد سبب می شود که در هنگام بالارفتن درجه حرارت هادی افزایش سگ سیم از بین برود. این مسئله در طراحی برجها، مقره ها و فشارهای وارد شده بر آنها از جانب هادی های بکارگرفته شده نقشی اساسی بازی می کند.

بازده انرژی

استفاده از آلومینیوم با رسانایی بیشتر سبب کاهش توان تلف شده می شود. استفاده از هادی ACCC در درجه حرارتهای بالاتر اجازه می دهد تا توانهای بالاتری را توسط خط انتقال منتقل کرد. با توجه به کاهش 35 درصدی توان تلف شده در هادی ACCC استفاده از این هادی هزینه خطوط انتقال را به صورت معنی داری کاهش می دهد.

کاهش کشش در برجها

کم شدن سگ اولیه در هنگام نصب هادی سبب می شود که کشش وارد شده بر مقره های کششی در برجهای ضعیف تر در حین بهره برداری از خط انتقال کمتر شود و اجازه می دهد که در طراحی خطوط جدید از برجهای کوچکتری استفاده کرد و در هزینه های ساخت خط انتقال صرفه جویی کرد.

بهینه سازی خطوط انتقال

خطوط انتقال موجود را می توان توسط هادی های ACCC با کمترین هزینه بهینه سازی کرد بدون اینکه نیاز باشد به ساختار برجهای خط انتقال دست برده شود. این امر سبب می شود که بتوان از طریق خط انتقال توان بیشتری را منتقل کرد. خطوط جدید را می توان با تعداد کمتری برج طراحی کرد که کاهش زیادی در وقت و هزینه اجرای پروژه خواهد داد.

نصب آسان

نصب هادی های ACCC به همان طریقه سنتی هادی های ACSR صورت می پذیرد و نیاز به همان ابزار و سخت افزار دارد. برای نصب این هادی ها نیاز نیست که ابزارهای گران قیمت و ویژه ای خریداری شود و یا دوره های آموزشی جدیدی برای پرسنل برگزار کرد.

مقاومت در برابر خوردگی

هسته کمپوزیت هادی های ACCC در برابر شرایط محیطی به خوبی مقاومت می کند. این هادی زنگ زده یا فرسوده نمی شود. همین امر استفاده از هادی ACCC را در محیطهایی که شرایط آب و هوایی سختی دارند مناسب ساخته است.

با توجه به مزایای ذکر شده انتظار می رود که در آینده هادی های ACCC در خطوط انتقال انرژی به کلی جایگزین هادی های سنتی ACSR شوند.

رضاکیانی موحد

---

[1] -(Aluminum Conductor Composite Core)