فشارقوی جریان مستقیم
فشار-قوی جریان مستقیم یا اچ‌وی‌دی‌سی (به انگلیسی: High-voltage direct current یا HVDC) یا انتقال به صورت جریان مستقیم با ولتاژ بالا، نوعی سیستم انتقال انرژی الکتریکی است. این روش راهی نوین برای انتقال انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کلان است و در این زمینه جایگزین خوبی در مقابل روش سنتی (استفاده از جریان متناوب) به شمار می‌رود. فن‌آوری ساخت این نوع سیستم به دهه ۱۹۳۰ میلادی در سوئد بازمی‌گردد.
از اولین خطوط ساخته شده با این تکنولوژی می‌توان خط انتقال بین مسکو و کاشیرا در اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۵۱ میلادی و سیستم انتقال ۱۰ تا ۲۰ مگاواتی واقع در سوئد را نام برد که در سال ۱۹۵۴ میلادی به بهره‌برداری رسید. بزرگ‌ترین خط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی در حال حاضر خط انتقال اینگا-شابا با ضرفیت انتقال ۶۰۰ مگاوات و با طول حدود ۱۷۰۰ کیلومتر در کنگو واقع شده. این خط انتقال سد اینگا را به معدن مس شابا متصل می‌کند.
تاریخچه
اولین روش برای انتقال انرژی الکتریکی با جریان مستقیم توسط یک مهندس سویسی با نام رن تیوری (به انگلیسی: Rene Thury) ارائه شد. در این سیستم با سری کردن ژنراتورها و در نتیجه جمع جبری ولتاژهای تولیدی ولتاژ افزایش می‌یافت. هر ژنراتور در جریان ثابت می‌توانست انرژی الکتریکی تا ولتاژ ۵۰۰۰ ولت تولید کنند. بعضی از ژنراتورها دارای دو ردیف کلکتور بودند تا ولتاژ وارده بر روی هر کلکتور را کاهش دهند. این سیستم در سال ۱۸۸۹ میلادی در ایتالیا به وسیله شرکت Acquedotto de Ferrari-Galliera مورد استفاده قرار گرفت. در این خط انتقال توانی برابر ۶۳۰ کیلووات با ولتاژ ۱۴ کیلوولت تا مسافت ۱۲۰کیلومتر منتقل می‌شد. سیستم Moutiers-Lyon با همان مکانیزم به وسیله هشت ژنراتور متصل شده با دو ردیف کلکتور می‌توانست ولتاژ را تا ۱۵۰ کیلوولت افزایش دهد. این سیستم از سال ۱۹۰۶ تا ۱۹۳۶ مورد استفاده قرار گرفت. دیگر سیستمهای از این دست نیز تا دهه ۱۹۳۰ مورد استفاده قرار می‌گرفتند. عیب این سیستم‌ها در این بود که ماشینهای گردان (مولدها و مبدل‌های گردان) به تعمیر و نگهداری زیادی نیاز داشتند و در ضمن تلفات در این ماشین‌ها زیاد بود. استفاده از ماشینهای مشابه دیگر نیز تا اواسط قرن بیستم ادامه داشت، ولی با موفقیت کمی همراه بود.
یکی از روش‌هایی که برای کاهش ولتاژ مستقیم گرفته شده از خطوط انتقال مورد آزمایش قرار گرفت، استفاده از ولتاژ برای شارژ کردن باتری‌های سری بود. پس از شارژ شدن باتری‌ها در حالت سری آنها را در حالت موازی به هم اتصال می‌دادند و از آنها برای تغذیه بارها استفاده می‌کردند. با این حال از این روش فقط در دو طرح انتقال استفاده شد چراکه این روش به دلیل محدودیت ظرفیت باتری‌ها، مشکلات مربوط به تغییر وضعیت باتری‌ها از سری به موازی و پسماند انرژی در هر سیکل شارژ و دشارژ در باتری‌ها اصلاً اقتصادی نبود.
در طول سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۴۰ رفته رفته امکان استفاده از شبکه‌های کنترل شده به وسیله لامپ‌های قوس جیوه فراهم آمد. در ۱۹۴۱ در یک شبکه ۶۰ مگاوات به طول ۱۱۵ کیلومتر از لامپ‌های جیوه استفاده شد. این شبکه که یک شبکه کابلی برای تغذیه شهر برلین بود هرگز به بهره‌برداری نرسید چراکه در ۱۹۴۵ با فروپاشی آلمان فاشیستی طرح نیمه‌کاره رها شد. توجیه استفاده از خطوط زیرزمینی دیده نشدن آنها در حملات هوایی بود. با پایان یافتن جنگ جهانی دوم این طرح توجیه نظامی خود را از دست داد، تجهیزات و تأسیسات طرح نیز به شوروی برده شد و در آنجا مورد استفاده قرار گرفت.
نگرش کلی
کابلهای اچ‌وی‌دی‌سی اغلب در مرزهای ملی و برای مبادلات توان به کار می‌روند. اچ‌وی‌دی‌سی در اتصالات بین شبکه‌های ناسنکرون و کابلهای زیر دریا کاربرد دارد. نیروگاه‌های بادی داخل آب نیز نیازمند کابلهای زیر دریا هستند و توربین‌های آنها نیز ناسنکرون. از خطوط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی می‌توان در برقراری اتصالات بسیار بلند بین تنها دو نقطه استفاده کرد، برای مثال اطراف اجتماعات دور افتاده سیبری، کانادا و شمال اسکاندیناوی که در این موارد کاربرد این سیستم دارای هزینه‌های کمتر از خطوط معمولی است و منطقی به نظر می‌رسد.
ساختار سیستم
یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی که در آن دو مبدل ای‌سی به دی‌سی در یک ساختمان به کار رفته‌اند و انتقال به صورت اچ‌وی‌دی‌سی تنها بین خود ساختمان وجود دارد به عنوان یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی پشت به پشت معروف است. این یک ساختار عمومی برای اتصال دو شبکه غیر سنکرون است.
معمول‌ترین ساختار یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی، اتصال ایستگاه به ایستگاه است که در آن دو ایستگاه اینورتر/یکسوساز توسط یک اتصال اختصاصی اچ‌وی‌دی‌سی به هم متصل می‌شوند. این اتصال شبکه‌های غیر سنکرون در خطوط انتقال طولانی و در کابلهای زیر دریا، زیاد به کار می‌رود.
سیستم انتقال توان چند ترمینالهٔ اچ‌وی‌دی‌سی (که از سه ایستگاه یا بیشتر استفاده می‌کند) به علت هزینه‌های بالای ایستگاه‌های مبدل و اینورتر، از دو سیستم دیگر کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار ترمینال‌های چندگانه می‌تواند سری یا موازی و یا هیبرید (ترکیبی از سری و موازی) باشد. از ساختار موازی برای ایستگاه‌هایی با ظرفیت بالا استفاده می‌شود، در حالی که از ساختار سری برای ایستگاه‌های با ظرفیت کمتر استفاده می‌شود. سیستمهای تک قطبی نوعا ۱۵۰۰ مگاوات را حمل می‌کنند.
یک اتصال دوقطبی از دوسیم استفاده می‌کند، یکی در پتانسیل بالای مثبت و دیگری در پتانسیل بالای منفی. این سیستم دارای دو مزیت نسبت به اتصال تک‌قطبی است: اول اینکه می‌تواند توانی معادل دو برابر سیستم تک‌قطبی حمل کند که نوعا برابر ۳۰۰۰ مگاوات است ( جریان یکسان است اما اختلاف پتانسیل بین سیم‌ها دوبرابر است). دوم اینکه این سیستم می‌تواند با وجود خطا در یکی از سیم‌ها، و با استفاده از زمین به عنوان یک مسیر بازگشت به کار خود ادامه دهد.
اتصالات اچ‌وی‌دی‌سی چند ترمیناله که بیش از دو نقطه را به هم متصل می‌کنند ممکن هستند اما بندرت یافت می‌شوند. یک مثال از این اتصالات سیستم ۲۰۰۰ مگاواتی Hydro Quebec است که در سال ۱۹۹۲ میلادی افتتاح شد.
امروزه سیستمهای انتقال اچ‌وی‌دی‌سی اهمیت ویژه‌ای دارند و به دلیل ویژگی‌های خاص آنها روز به روز مورد توجه بیشتری قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها در انتقال توان توان برای فواصل طولانی، خطوط انتقال زیرزمینی طویل و اتصال بین دو شبکه‌ی قدرت بدون عبور اغتشاشات کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. یکی از مشکلات این خطوط قیمت بالای تجهیزات مبدل ای‌سی به دی‌سی است، با این وجود انتقال در بیش از ۶۰۰ کیلومتر و انتقال توسط کابل زیرزمینی بیشتر از ۵۰ کیلومتر، با اچ‌وی‌دی‌سی دارای توجیه اقتصادی است.
مزایای استفاده از خطوط مستقیم در مقابل متناوب
بزرگ‌ترین مزیت سیستم جریان مستقیم، امکان انتقال مقدار زیادی انرژی در مسافت‌های زیاد است و با تلفات کمتر (در مقایسه با روش انتقال ای‌سی) است. بدین ترتیب امکان استفاده از منابع و نیروگاه‌های دور افتاده مخصوصاً در سرزمین‌های پهناور به وجود می‌آید.
برخی از شرایطی که در آن استفاده از سیستم اچ‌وی‌دی‌سی به‌صرفه‌تر از انتقال ای‌سی است عبارت‌اند از:
کابلهای زیرآبی، به ویژه زمانی که به علت بالا بودن میزان ظرفیت خازنی، تلفات در سیستم ای‌سی بیش از حد زیاد می‌شود. (برای مثال شبکه کابلی دریای بالتیک به طول ۲۵۰ کیلومتر بین آلمان و سوئد)
انتقال در مسافت‌های طولانی و در مکان‌های بن‌بست به طوری که در یک مسیر طولانی شبکه فاقد هرگونه اتصال به مصرف کننده‌ها یا دیگر تولیدکننده‌ها باشد.
افزایش ظرفیت شبکه‌ای که به علت برخی ملاحظات امکان افزایش سیم در آن پر هزینه یا غیر ممکن است.
اتصال دو شبکه ای‌سی ناهماهنگ که در حالت ای‌سی امکان برقراری اتصال در آنها وجود ندارد.
کاهش دادن سطح مقطع سیم مصرفی و همچنین دیگر تجهیزات لازم برای برپاکردن یک شبکه انتقال در یک توان مشخص.
اتصال نیروگاه‌های دور افتاده مانند سدها به شبکه الکتریکی.
خطوط طولانی زیرآبی دارای ظزفیت خازنی زیادی هستند. در سیستم دی‌سی این ظرفیت خازنی تأثیر کمی بر روی عملکرد شبکه دارد اما از آنجایی که در مدارهای ای‌سی، خازن در مدار تقریباً به صورت یک مقاومت عمل می‌کند، ظرفیت خازنی در خطوط زیرآبی موجب ایجادشدن تلفات اضافی در مدار می‌شود و این استفاده از جریان دی‌سی را در خطوط زیر آبی به صرفه می‌کند.
در حالت کلی نیز جریان دی‌سی قادر به جابجایی توان بیشتری نسبت به جریان ای‌سی است چراکه ولتاژ ثابت در دی‌سی از ولتاژ پیک در ای‌سی کمتر است و بدین ترتیب نیاز به استفاده از عایق‌بندی کمتر و همچنین فاصله کمتر در بین هادی‌ها است که این امر موجب سبک شدن هادی و کابل و همچنین امکان استفاده از هادی‌های بیشتر در یک محیط مشخص می‌شود و همچنین هزینه انتقال به صورت دی‌سی کاهش می‌یابد.
افزایش پایداری شبکه
از آنجایی که سیستم اچ‌وی‌دی‌سی به دو شبکه ناهماهنگ ای‌سی امکان می‌دهد تا بهم اتصال یابند، این سیستم می‌تواند موجب افزایش پایداری در شبکه شود و از ایجاد پدیده‌ای به نام «خطای آبشاری» (به انگلیسی: Cascading failure) جلوگیری کند. این پدیده زمانی به وجود می‌آید که به علت بروز خطا در قسمتی از شبکه کل یا قسمتی از بار این بخش به بخش دیگری انتقال داده می‌شود و این اضافه‌بار موجب ایجاد خطا در قسمت دیگر شده و یا این بخش را در خطر قرار می‌دهد که به این ترتیب بار این بخش هم به قسمت دیگری انتقال داده می‌شود و این حالت ادامه پیدا می‌کند. مزیت شبکه دی‌سی ولتاژ بالا دراین است که تغییرات در بار که موجب ناهماهنگی در شبکه‌های ای‌سی می‌شود تأثیرات مشابهی را بروی شبکه اچ‌وی‌دی‌سی نمی‌گذارد، چراکه توان و مسیر جاری شدن آن در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی کنترل‌پذیر است و در صورت نیاز قابلیت کنترل اضافه‌بار در شبکه ای‌سی را دارد. این یکی از دلایل مهم تمایل برای ساخت این گونه شبکه‌هاست.
در این خطوط فقط به دو هادی نیاز هست که یکی با ولتاژ مثبت نسبت به دیگری با ولتاژ منفی نسبت به زمین، ولی در خطوط HV AC حداقل به سه هادی نیاز هست.
قابلیت اعتماد در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی بیشتر از اچ‌وی‌ای‌سی (به انگلیسی: HVAC) است؛ زیرا با وقوع خطا در یکی از دو هادی خط، هنوز هم می‌توان توان انتقالی را بدون هیچ گونه مشکلی از طریق هادی دیگر منتقل نمود.
این خط فضای کمتری نسبت خط اچ‌وی‌ای‌سی مشابه دارد
به دلیل کمتر بودن تعداد هادی نسبت به حالت ای‌سی، نیاز به پایه‌های کوچکتری است، بنابراین هزینه نصب خطوط هم کاهش می‌یابند.
خطوط اچ‌وی‌دی‌سی به عایق‌بندی کمتری نسبت به اچ‌وی‌ای‌سی دارد.
تلفات کرونا و تداخل رادیویی در اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از اچ‌وی‌ای‌سی است، به همین دلیل کابلهای دی‌سی ارزان‌تر از کابلهای ای‌سی می‌باشد.
مشکل حفظ حالت سنکرون بین دو سیستم ای‌سی که بوسیله یک خط اچ‌وی‌دی‌سی به هم متصل شده‌اند، وجود ندارد.
قدرت انتقالی از یک خط دی‌سی را می‌توان به راحتی توسط تریستورهای یکسوکننده آن کنترل نمود و در یک مقدار معین، ثابت نگه داشت.
اگر در یکی از دو شبکه ای‌سی که با یک خط دی‌سی به هم متصل شده‌اند، اتصال کوتاهی رخ دهد، جریان اتصال کوتاه به شبکه دیگر منتقل می‌شود؛ زیرا عموما جریان اتصال کوتاه، یک جریان راکتیو است که در سیستم دی‌سی جریان راکتیو منتقل نمی‌شود.
تلفات خطوط اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از خطوط اچ‌وی‌ای‌سی است زیرا الف- مقاومت ای‌سی بزرگتر از مقاومت دی‌سی می‌باشد. ب- جریان راکتیو در خطوط دی‌سی وجود ندارد.
در خطوط اچ‌وی‌ای‌سی، قدرت انتقالی برابر است که به موجب حالت‌های گذرای موجود در این خطوط، باید زاویه S در شرایط عادی کمتر از ۳۰ درجه باشد. بنابراین در خطوط ای‌سی با محدودیت‌هایی در ابتدای خط و قدرت انتقالی مواجه هستیم که برای رفع این مشکل از خازن‌های سری استفاده می‌شود. اما در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی محدودیت پایداری وجود نخواهد داشت.
هر چند که هزینه خطوط اچ‌وی‌دی‌سی، به دلیل هزینه‌های بالای مبدل‌های ای‌سی/دی‌سی و دی‌سی/ای‌سی بسیار زیاد است، اما برای خطوط طولانی بین ۶۰۰ تا ۹۰۰ کیلومتر و قدرت‌های بیش از ۱۰۰۰ مگاوات، هزینه‌های خطوط دی‌سی کمتر از خطوط ای‌سی خواهد بود. این موضوع برای کابلهای دی‌سی با ارقام کمتری مواجه‌است، به طوری که برای فاصله‌های بیش از ۵۰ تا ۱۰۰ اقتصادی‌تر است.
در زمان اتصال دو شبکه ای‌سی آسنکرون همان طور که در مورد پنجم نیز ذکر شده سیستم اچ‌وی‌دی‌سی استفاده می‌شود.
کنترل‌پذیری جریان برق افزایش خواهد یافت. سطح مسیر نیروی برق را می‌توان بسیار دقیق و وسیع کنترل نمود.
وجود منابع تولید انرژی دی‌سی درشبکه
عدم نیاز به کنترل فرکانس مشترک در شبکه
استفاده از زمین به عنوان سیم برگشت
نبودن اثر پوستی
در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی جریان به صورت یکنواخت در تماس سطح هادی پخش نمی‌شود و چگالی جریان در لایه خارجی هادی بیشتر است اما در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی با داشتن جریان دی‌سی یکنواخت جریان کل سطح مقطع هادی، دیگر اثر پوستی نداریم و از کل هادی بهره‌برداری صورت می‌گیرد.
علت‌های رایج‌شدن سیستم اچ‌وی‌ای‌سی
در انتقال توان الکتریکی، انتقال به روش دی‌سی بیش از آنکه یک قاعده باشد یک استثناست. محیط‌هایی وجود دارد که سیستم انتقال جریان مستقیم در آنها راه حل متعارف است مانند کابلهای زیر دریا و در اتصالات بین سیستمهای غیر سنکرون (با فرکانس‌های مختلف). اما برای در اغلب شرایط انتقال توان به صورت جریان متناوب کماکان مناسب است. در تلاش‌های اولیه انتقال توان الکتریکی، از جریان مستقیم استفاده می‌شد. اما به هر حال در این دوران سیستم جریان متناوب برای انتقال توان بین نیروگاه‌ها و ماشین آلات استفاده‌کننده از این انرژی بر سیستم انتقال توان جریان مستقیم فائق آمده. مزیت اصولی سیستم جریان متناوب قابلیت استفاده از ترانسفورماتور برای انتقال موثر سطح ولتاژ به کار رفته در توان انتقالی بود. با توسعه ماشینهای جریان متناوب موثر، مانند موتور القایی، استفاده از جریان متناوب معمول شد.
توانایی انتقال سطح ولتاژ یک امر مهم اقتصادی و فنی است که بایستی مد نظر قرار گیرد، با وجود اینکه ولتاژهای بالا سخت‌تر مورد استفاده واقع می‌شوند و خطرناک‌تر هستند، اما سطح جریان پایین‌تری که برای ولتاژهای بالا مورد نیاز است، برای یک سطح توان معین منجر به استفاده از کابلهای کوچکتر و تلفات توان کمتری به صورت گرما می‌شود. انتقال توان همچنین می‌تواند توسط ولتاژ حداکثر محدود شود. یک خط جریان مستقیم که در ولتاژ حداکثری برابر یک خط جریان متناوب کار می‌کند، می‌تواند توان بسیار بیشتری را به نسبت جریان متناوب تحت این محدودیت ولتاژ حمل کند. بنابراین با مناسب بودن ولتاژ بالا برای انتقال توان زیاد و مناسب بودن ولتاژ پایین‌تر برای بهره برداری‌های صنعتی و داخلی، استفاده از سیستم جریان متناوب به دلیل قابلیت تبدیل سطح ولتاژ آن به سطوح مختلف، برای انتقال توان عام شد. هیچ وسیله معادلی برای ترانسفورماتور در جریان مستقیم وجود ندارد و بنابراین به کارگیری ولتاژ مستقیم بسیار مشکل تر است.
مزیت‌های اچ‌وی‌دی‌سی بر اچ‌وی‌ای‌سی
علی رغم اینکه سیستم انتقال توان جریان متناوب پرکابردتر است اما در برخی از کاربردها، اچ‌وی‌دی‌سی ترجیح داده می‌شود:
تلفات کرونا . تداخل رادیویی در اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از اچ‌وی‌ای‌سی است. به همین دلیل کابلهای دی‌سی ارزان تر از کابلهای ای‌سی هستند.
قدرت انتقالی از یک خط دی‌سی را می‌توان به راحتی توسط تریستورهای یکسوکننده آن کنترل کرد.
تلفات خطوط دی‌سی کمتر از ای‌سی است زیرا اولا مقاومت ای‌سی>مقاومت دی‌سی. ثانیا جریان راکتیو در خطوط دی‌سی وجود ندارد
کابلهای زیر دریا برای انتقال توان زیاد در مسافت‌های بلند و بدون تپ‌های میانی و در مناطق دور افتاده اقتصادی‌تر هستند. خطوط بلند زیر دریا دارای ظرفیت خازنی بالایی هستند. این امر موجب می‌شود که توان جریان متناوب به سرعت و به شدت به صورت تلفات راکتیو و دی‌الکتریک حتی در کابلهای با طول ناچیز تلف شود.
افزایش ظرفیت یک شبکه برق در شرایطی که نصب سیم‌های اضافی مشکل‌زا یا هزینه بردار است با اچ‌وی‌دی‌سی ممکن می‌شود. اچ‌وی‌دی‌سی می‌تواند توان بیشتری در هر هادی انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین تر از ولتاژ حداکثر یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ تعیین کننده ضخامت عایق به کار رفته و فاصله بین هادی هاست. این روش، استفاده از سیم‌ها و مسیرهای موجود را برای انتقال توان بیشتر در منطقه‌ای که مصرف توانش بالاتر است را ممکن می‌سازد و موجب کاهش هزینه‌ها می‌شود.
امکان انتقال توان بین سیستمهای توزیع غیر سنکرون جریان متناوب
کاهش سطح مقطع سیم کشی و دکل‌های برق برای یک ظرفیت انتقال داده شده. اچ‌وی‌دی‌سی می‌تواند در هر هادی توان بیشتری را * نیاز به *عایق‌بندی کمتر، چرا که برای یک توان نامی معین، و ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین‌تر از حداکثر ولتاژ در یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ ضخامت عایق و فاصله‌گذاری بین هادی‌ها را تعیین می‌کند.
مزیت‌های بهداشتی احتمالی اچ‌وی‌دسی بر اچ‌وی‌ای‌سی
برای مدتی این گمان وجود داشت که بین میدان القایی یک جریان متناوب (خصوصاً در فرکانس‌های عمومی خطوط که ۵۰ و ۶۰ هرتز است) و امراض خاصی ارتباط وجود دارد. یکی از خواص سیستم جریان مستقیم این است که دیگر چنین میدان‌های مغناطیسی متناوبی وجود ندارند. اخیرا در مطالعات آزمایشگاهی نشان داده شده‌است که چنین میدان‌های متناوبی منجر به افزایش اشباع رادیکال‌های آزاد در جرم خون حیوانات می‌شود (این افزایش می‌تواند توسط آنتی اکسیدان‌ها جلوگیری شود). رادیکال‌های آزاد به عنوان علل احتمالی تعدادی از بیماری‌ها شناخته شده‌اند. مزایای این سیستم تنها شامل آنهایی می‌شود که در معرض خطوط انتقال زندگی می‌کنند چرا که مشکلات احتمالی میدان‌های مغناطیسی با انتقال جریان متناوب جریان زیاد و نیز ترانسفورماتورها، موتورها و ژنراتورهای مرتبط با این جریان و حتی وسایل خانگی عادی مانند ماشین اصلاح الکتریکی با سیم‌پیچ و (خصوصا) مسواک‌های الکتریکی که به صورت القایی شارژ می‌شوند، ارتباط دارد.
کاربردهای ولتاژ بالای دی‌سی
انجام کارهای تحقیقاتی و مطالعاتی بر روی عایق‌ها
در فیزیک برای شتاب دهنده‌ها(به طور مثال برای شتاب دادن پروتون یا الکترون در تلویزیون)
در پزشکی برای تولید اشعه ایکس
در صنایع برای پالایش دود خروجی نیروگاه‌های حرارتی و کارخانه‌های سیمان و پاشیدن رنگ
در مخابرات برای دستگاه‌های پخش تلویزیونی
برای آزمایش کابل فشار قوی ای‌سی با طول زیاد (در صورت آزمایش با برق ای‌سی ظرفیت خازنی کابل به علت طول زیاد آن بالا رفته و جریان زیادی نیاز خواهیم داشت
معایب
مهم‌ترین عیب این سیستم گران بودن مبدل‌ها و همچنین محدودیت آنها در مقابل اضافه‌بارها است همچنین در خطوط کوتاه تلفات به وجود آمده در مبدل‌ها از یک شبکه ای‌سی با همان طول بیشتر است، بنابر این این سیستم در مسافت‌های کوتاه کاربردی ندارد و یا ممکن است صرفه‌جویی به وجود آمده در تلفات نتواند هزینه بالای نصب مبدل‌ها را جبران کند. در مقایسه با سیستمهای ای‌سی، کنترل این سیستم در قسمت‌هایی که شبکه دارای اتصالات زیادی است خیلی پیچیده‌است. کنترل توان جاری در یک شبکه پر اتصال دی‌سی نیازمند ارتباط قوی بین تمامی اتصال‌هاست چراکه همواره باید توان جاری در شبکه کنترل شود.
مبدل‌های گران قیمت: در هریک از دو انتهای خطوط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی نیاز به مبدل‌های گران قیمت است.
توان راکتیو دراخوستی: کانورترها نیاز به توان راکتیو دارند. هم مبدل ای‌سی به دی‌سی و هم در مبدل دی‌سی به ای‌سی، در هر کدام از کانورترها توان راکتیو تلف می‌شود. در حالت ماندگار توان مصرفی حدود ۵۰ درصد توان اکتیو انتقالی است. در حالت گذرا این مقدار ممکن ا ست بسیار بیشتر باشد. بنابراین منابع توان راکتیو نزدیک کانورترها مورد استفاده قرار می‌گیرند. منابع توان راکتیو در سیستمهای فشارقوی جریان متناوب معمولاً به صورت خازن‌های موازی هستند و بسته به تقاضای وارد بر خط ارتباطی جریان مستقیم و بر سیستم جریان متناوب، بخشی از منبع توان راکتیو ممکن است به صورت کندانسور سنکرون با جبرانگر استاتیکی توان راکتیو مورد نیاز را فراهم می‌آورند.
تولید هارمونیک‌ها : ایجاد هارمونیک توسط کانورترها در ولتاژها و جریان‌ها، ممکن است موجب اضاقه حرارت خازن‌ها و ژنراتورهای نزدیک شود. هارمونیک‌ها همچنین ممکن است موجب تداخل با سیستمهای مخابرات شود، از این رو در هر دو طرف جریان متناوب و مستقیم از فیلتر استفاده می‌گردد.
مشکل در کلیدهای قدرت: می‌دانیم که در باز شدن کلید، قوس الکتریکی ایجاد می‌شود و بر اثر دور شدن کنتاکت‌ها از یکدیگر طول قوس بزرگتر می‌شود .در جریان متناوب در هر نیم پریود جریان صفر می‌شود. در این لحظه قوس سرد شده، امکان خاموش شدن آن وجود دارد. برای سرد شدن قوس از روغن یا گاز اس‌اف‌سیکس کمک می‌گیرند. در جریان دائم جریان صفر نمی‌شود، لذا قوس الکتریکی بین کنتاکت‌ها را نمی‌توان خاموش کرد، آزمایشهایی برا خاموش کردن قوس دائم با ولتاژ فشار قوی، از راههای مختلف انجام شده‌است ولی به مرحله‌ی استفاده صنعتی نرسیده‌است. پس در حالت کلی کلید برای جریان دائم وجود ندارد به طوریکه نمی‌توان یک شبکه فشار قوی دائم ساخت و خطوط را به انتها ولتاژ دائم به متناوب و متناوب به دائم تبدیل می‌شود.
مشکل در تبدیل سطوح ولتاژ: از نقایص خطوط اچ‌وی‌دی‌سی یکی این است که باید از ولتاژ ای‌سی، ولتاز دی‌سی شده ساخت و هنوز ژنراتور فشارقوی ولتاژ دائم با قدرت کافی ساخته نشده‌است. دیگر آن که تبدیل ولتاژ که در جریان متناوب با ترانسفورماتور انجام می‌شود در جریان دائم امکان پذیر نیست و در حالت دی‌سی ترانسفورماتور عمل افزایش یا کاهش را به دلیل صفر بودن تغییرات شار در حالت دی‌سی نمی‌تواند انجام دهد.
هزینه‌های مربوط به انتقال دی‌سی
شرکت‌های بزرگ ایجاد کننده این گونه خطوط مانند ای‌بی‌بی یا زیمنس هزینه مشخصی از اجرای طرح‌های مشابه در مناطق مختلف اعلام نکرده‌اند چراکه این هزینه بیشتر یک توافق بین طرفین است. از طرف دیگر هزینه اجرای این گونه طرح‌ها به طور گسترده‌ای به خصوصیات پروژه مانند: میزان توان شبکه، طول خطوط، نوع شبکه(هوایی یا زیرزمینی)، قیمت زمین در منطقه مورد بحث و... بستگی دارد.
با این حال برخی از شاغلین در این زمینه اطلاعاتی را بروز داده‌اند که می‌تواند قابل اعتماد باشد. برای خط انتقال ۸ مگاواتی کانال انگلستان(به انگلیسی: English Channel) با طول تقریبی ۴۰ کیلومتر، هزینه مربوط به قرار داد اولیه به تقریباُ به صورت زیر است: (جدای از هزینه‌های مربوط به عملیات آماده سازی ساحل، هزینه‌های مربوط به مالکیت زمین‌ها، هزینه بیمه مهندسین و...)
پست‌های مبدل، باهزینه تقریبی ۱۱۰ میلیون پند
کابل زیرآبی+ نصب، با هزینه تقریبی ۱ میلیون پند به ازای هر کیلومتر
بنابراین برای احداث شبکه انتقال ۸ گیگاواتی در چهار خط، هزینه‌ای تقریبی برابر ۷۵۰ میلیون پند نیاز است که باید دیگر هزینه‌های مرتبط با ساخت و بهره‌برداری خط به ارزش ۲۰۰ تا ۳۰۰ میلیون پند را هم به آن اضافه کرد.
اتصالات در سامانه ای‌سی
خطوط انتقال ای‌سی تنها می‌توانند به خطوط ای‌سی که دارای فرکانس برابر و تطابق زمانی یا فازی هستند متصل شوند. خیلی از شبکه‌هایی که به ایجاد اتصال تمایل دارند (مخصوصا شبکه‌های متعلق به دو کشور متفاوت) دارای شبکه‌های ناهماهنگ هستند. شبکه سراسری انگلستان و دیگر کشورهای اروپایی با فرکانس ۵۰ هرتز کار می‌کنند اما هماهنگ نیستند یا برای مثال در کشوری مثل ژاپن شبکه‌ها ۵۰ یا ۶۰ هرتز هستند. در سراسر جهان مثال‌های زیادی از این دست وجود دارد. در این حالت اتصال شبکه‌ها به صورت ای‌سی غیرممکن یا پرهزینه‌است، اما در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی امکان ایجاد اتصال بین شبکه‌های این چنینی وجود دارد.
این امکان وجود دارد که ژنراتورهای وصل شده به یک شبکه انتقال بلند ای‌سی دچار بی‌ثباتی شده و موجب اختلال در هماهنگی شبکه شوند. سیستم اچ‌وی‌دی‌سی استفاده از ژنراتورهای نصب شده در مناطق دورافتاده را عملی می‌کند. ژنراتورهای بادی مستقر در مناطق دور افتاده با استفاده از این سیستم می‌توانند بدون اینکه خطر ایجاد ناهماهنگی در شبکه به وجود آورند به شبکه اتصال یابند.
به طورکلی گرچه اچ‌وی‌دی‌سی امکان اتصال دو شبکه متفاوت ای‌سی را فراهم می‌کند اما هزینه ماشین‌آلات و تجهیزات مبدل از ای‌سی به دی‌سی و برعکس واقعاً قابل توجه‌است، بنابراین استفاده از این سیستم بیشتر در شبکه‌هایی که توجیه اقتصادی داشته باشد انجام می‌گیرد (مسافت دارای توجیه پذیری اقتصادی در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی برای خطوط زیر آبی در حدود ۵۰ کیلومتر و برای شبکه‌های هوایی بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر است).
اتصالات بین شبکه‌های جریان متناوب
با بکارگیری ترانسفورماتور، تنها شبکه‌های جریان متناوب سنکرون را می‌توان به هم متصل کرد؛ یعنی شبکه‌هایی که با سرعت یکسان و فاز مشابه نوسان می‌کنند. بسیاری از مناطقی که مایل به اشتراک‌گذاشتن توان‌هایشان هستند دارای شبکه‌ای غیر سنکرون هستند. ارتباطات جریان مستقیم به چنین مناطقی این امکان را می‌دهد که به هم متصل شوند. سیستمهای جریان مستقیمی که بر پایه ترانزیستورهای آی‌جی‌بی‌تی هستند اتصال سیستمهای غیر سنکرون جریان متناوب را ممکن می‌سازند و نیز امکان کنترل ولتاژ متناوب و عبور توان راکتیو را فراهم می‌آورند. حتی یک شبکه سیاه را می‌توان به این روش به شبکه مورد نظر متصل کرد.
سیستمهای تولید توان نظیر باتری‌های فتوولتاییک تولید جریان مستقیم می‌کنند. توربین‌های آبی و بادی تولید جریان متناوبی در فرکانسی وابسته به سرعت شاره‌ای که آنرا به حرکت در می‌آورد، می‌کنند. در حالت اول جریان مستقیم ولتاژ بالا را می‌توان مستقیما برای انتقال توان به کار برد. در حالت دوم ما دارای یک سیستم غیر سنکرون هستیم که به همین دلیل پیشنهاد می‌شود که از یک اتصال جریان مستقیم استفاده کنیم. در هر یک از این حالات ممکن است تشخیص داده شود که انتقال اچ‌وی‌دی‌سی مستقیما از نیروگاه تولید کننده به کار ببرند، به ویژه در صورتی که سیستم در مناطق نامساعد قرار داشته باشد.
به طور کلی یک خط توان اچ‌وی‌دی‌سی دو منطقه جریان متناوب از شبکه توزیع برق را به هم متصل می‌کند. ابزارهای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم گران هستند و هزینه قابل توجهی را در انتقال توان به خود اختصاص می‌دهند. تبدیل از جریان متناوب به جریان مستقیم را یکسوسازی و تبدیل از جریان مستقیم به جریان متناوب را اینورژن می‌نامند. برای فاصله‌ای بیش از یک فاصله معین (که حدود ۵۰ کیلومتر برای کابلهای زیر دریا و احتمالا ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر برای کابلهای هوایی است) کاهش هزینه ناشی از به کار گیری تجهیزات الکترونیک قدرت برای سیستم جریان مستقیم از هزینه این تجهیزات بیشتر است و عملاً به کاربری این سیستم در خطوط هوایی بسیار بلند مقرون به صرفه‌است. چنین فاصله‌ای که در آن هزینه‌ها با درآمدها برابر می‌شود را یک فاصله‌ی یربه‌یر (مساوی) می‌نامند. علم الکترونیک همچنین اجازه می‌دهد که توسط کنترل اندازه و جهت جریان توان، شبکه برق را مدیریت کنیم. بنابراین یک مزیت اضافی وجود ارتباطات اچ‌وی‌دی‌سی پایداری افزایش یافته بالقوه در شبکه انتقال است.
یک سو سازی و اینورت کردن
سیستمهای اولیه از یکسوسازهای آرک-جیوه استفاده می‌کردند که قابل اعتماد نبودند. برای اولین بار شیرهای تریستوری در ۱۹۶۰میلادی به کار گرفته شدند. تریستور یک نیمه‌هادی حالت جامد مشابه دیود است اما با یک ترمینال کنترلی اضافی که از آن در یک لحظه معین در سیکل جریان متناوب برای دادن فرمان به تریستور استفاده می‌شود. امروزه از ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده (آی‌جی‌بی‌تی) نیز به جای تریستور استفاده می‌شود. به دلیل اینکه ولتاژ در اچ‌وی‌دی‌سی گهگاه حول ۵۰۰ کیلوولت است و از ولتاژ شکست دستگاه‌های نیمه‌هادی بیشتر است، مبدل‌های اچ‌وی‌دی‌سی با استفاده از تعداد زیادی نیمه‌هادی ساخته می‌شوند که سری شده‌اند. با این کار عملاً ولتاژی که روی هر نیمه هادی می‌افتد کاهش می‌یابد و می‌توان از نیمه هادی‌های با ولتاژ شکست پایین‌تر که ارزان‌تر نیز هستند استفاده کرد. برای دادن فرمان به تریستورها نیاز به یک مدار فرمانی داریم که با ولتاژی پایین عمل می‌کند و می‌بایست از مدار ولتاژ بالای سیستم جدا شود. این کار معمولاً به صورت اپتیکی یا نوری انجام می‌شود. در یک سیستم کنترل هایبرید تجهیزات الکترونیکی ولتاژ پایین پالس‌های نوری را در طول فیبرهای نوری به بخش ولتاژ بالا کنترل الکترونیکی ارسال می‌کنند. یک عنصر کلیدزنی کامل بدون در نظر گرفتن ساختارش عموما یک شیر خوانده می‌شود.
مبدل‌ها
سیستمهای یک سو سازی و اینورتری
یکسوسازی و اینورژن اساسا یک مکانیزم را دارا هستند. بسیاری از پست‌های برق بگونه‌ای ساخته شده‌اند تا بتوانند هم به صورت یکسوساز و هم به صورت اینورتر عمل کنند. در سر جریان متناوب یک دسته از ترانسفورماتورها قرار داده می‌شوند که اغلب سه ترانسفورماتور تک‌فاز جدا از هم هستند که ایستگاه مورد نظر را از تغذیه جریان متناوب جدا می‌کنند تا بتوانند یک زمین محلی را ایجاد کنند و نیز یک ولتاژ مستقیم نهایی صحیح را تضمین کنند. سپس خروجی این سه ترانسفورماتور به یک پل یکسوساز شامل تعدادی شیر وصل می‌شود. ساختار اصلی شامل شش شیر است که هر سه شیر هر سه فاز را به یکی از دو سر ولتاژ مستقیم وصل می‌کند. اما به هر حال در این سیستم، به دلیل اینکه هر ۶۰ درجه یک تغییر فاز داریم یا به عبارتی یک ولتاژ شش پالسه داریم، هارمونیک‌های این ولتاژ هم قابل ملاحظه‌اند. یک ساختار بهبود یافته این سیستم از ۱۲ شیر (که اغلب به عنوان سیستم ۱۲ شیره شناخته شده) استفاده می‌کند. در این سیستم جریان متناوب ورودی را قبل از ترانسفورماتورها به دو بخش تقسیم می‌کنیم. یک بخش را به یک اتصال ستاره از ترانسفورماتورها اعمال می‌کنیم و بخش دیگر را به یک اتصال مثلث از ترانسفورماتورها در نظر می‌گیریم. در این صورت شکل موج خروجی این دو ترانسفورماتور سه‌فاز با هم ۳۰ درجه اختلاف فاز خواهد داشت. حال ۱۲ شیری که داریم هر یک از این دو دسته سه فاز را به ولتاژ مستقیم وصل می‌کنند و در این صورت هر ۳۰ درجه یک تبدیل فاز خواهیم داشت، یا یک ولتاژ ۱۲ پالسه خواهیم داشت که این به معنی کاهش قابل ملاحضه هارمونیک‌ها است. علاوه بر تغییر دادن ترانسفورماتورها و شیرها، می‌توان توسط اجزا راکتیو، پسیو و مقاومتی مختلفی برای حذف هارمونیک‌های موجود بر روی ولتاژ مستقیم استفاده کرد.
اجزای مبدل‌ها
در گذشته مبدل‌های اچ‌وی‌دی‌سی از یکسوکننده‌های قوس جیوه که غیر قابل اطمینان بودند، برای انجام یکسوسازی استفاده می‌کردند و هنوز هم استفاده از این یکسوسازها در برخی مبدل‌های قدیمی ادامه دارد. از درگاه‌های تیریستوری اولین بار در دهه ۱۹۶۰ برای یکسوسازی استفاده شد. تریستور نوعی قطعه نیمه‌هادی شبیه دیود است، با این تفاوت که دارای یک پایه اضافی برای کنترل جریان عبوری است. امروزه از آی‌جی‌بی‌تی که نوعی تریستور است نیز برای یکسوسازی استفاده می‌شود. این قطعه دارای قابلیت‌های بهتری از تریستورهای عادی است و کنترل آن اسانتر است که این قابلیت‌ها موجب کاهش قیمت تمام شده یک درگاه می‌شود.
از آنجایی که ولتاژ استفاده شده در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی در بسیاری موارد از ولتاژ شکست انواع نیمه‌هادی‌ها بیشتر است، برای ساخت مبدل‌های اچ‌وی‌دی‌سی از تعداد زیادی قطعات نیمه هادی به صورت سری استفاده می‌کنند.
سیستم کنترل ولتاژ که با ولتاژ نسبتاً پایینی کار می‌کند و وظیفه انتقال دستورها قطع یا وصل را به دیگر اجزا دارد باید به طور کامل از قسمت ولتاژ بالا جدا شود. این کار عموماً با استفاده از سیستمهای نوری انجام می‌پزیرد. در یک سیستم کنترل مرکب، قسمت کنترل برای انتقال دستورها از پالس‌های نوری استفاده می‌کند. عمل حمل این پالس‌ها به وسیله فیبرهای نوری انجام می‌گیرد.
عنصر کاملاً کنترل شده را بدون توجه به اجزای تشکیل دهنده، «درگاه» (والو) می‌نامند.
سامانه تبدیل از ای‌سی به دی‌سی و بر عکس
در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی تیدیل از ای‌سی به دی‌سی و بر عکس تقریباً با تجهیزات مشابهی انجام می‌شود و در بسیاری پست‌های تبدیل، تجهیزات طوری نصب می‌شوند که بتوانند هر دو نقش را داشته باشند. قبل از وصل جریان ای‌سی به تجهیزات یکسوسازی ورودی مبدل از تعدادی ترانسفورماتور (ترانسفورماتور سربه‌سر) عبور می‌کند و سپس خروجی آنها به درگاه‌های یکسوسازی وارد می‌شود. دلیل استفاده از این ترانسفورماتورها ایزوله کردن پست تبدیل از شبکه ای‌سی و به وجود آوردن زمین (به انگلیسی: Earthing) داخلی است. در پست تبدیل وظیفه اصلی بر عهده درگاه‌هاست. در ساده‌ترین حالت یک یکسوساز از شش درگاه تشکیل شده‌است که دو به دو به فازهای ای‌سی متصل شده‌اند. ساختمان یکسوساز به صورتی است که هر درگاه در هر سیکل تنها در طول ۶۰ درجه هادی است و به این صورت وظیفه انتقال توان در هر سیکل ۳۶۰ درجه‌ای به طور مساوی بین شش درگاه تقسیم می‌شود. با افزایش درگاه‌ها تا ۱۲ عدد می‌توان یکسوساز را طوری طراحی کرد که هر ۳۰ درجه درگاه‌ها عوض شوند و بدین ترتیب ظرفیت یکسوسازی هر درگاه افزایش می‌یابد و هارمونیک‌های تولیدی یکسوساز به شدت کاهش می‌یابند.
دستگاه میگر HVDC Tester
میگر دستگاهی است که برای اندازه‌گیری مقاومتهای بسیار زیاد استفاده می‌شود. روشن عملکرد این دستگاه شبیه به اهم‌متر است با این تفاوت که به جای چند ولت چند کیلوولت بر روی قطعه مورد آزمایش اعمال کرده و در نتیجه قادر است مقاومتهای بسیار بالاتر را با دقت بهتر نشان بدهد. از طرفی این دستگاه قادر است نشت عایقی را که در اثر تغییر خواص مواد عایقی (به طور مثال کابل فشارقوی و یا مقره‌ها) را عیان نماید. قبل از راه‌اندازی شبکه‌های فشار متوسط، لازم است آن را مورد تست قرار داد. با توجه به توان کم این دستگاه در صورت خرابی شبکه هم آسیب زیادی به قطعات معیوب وارد نشده و هم شبکه از تنش حاصل از قطع و وصل کلیدزنی‌های نابجا در امان خواهد بود.
اصول عملکرد دستگاه
این دستگاه با استفاده از برق ۱۲ ولت یک باطری شارژی کار کرده و با تبدیل آن توسط مدار سوئیچینگ و کنترلهای پیوسته ولتاژی مناسب با میزان تنظیم شده توسط کاربر تولید می‌نماید. این ولتاژ توسط مدارهای کنترل جریان به شدت و سرعت کنترل می‌شود به طوری که به محض افزایش جریان از حد مجاز و یا اتصال کوتاه به سرعت ولتاژ مورد نظر تا حد مورد اطمینان کاهش می‌یابد. این عمل برای حفاظت سیستمهای درونی و همچنین قطعات مورد آزمایش می‌باشد.
کاربردها و توانمندی‌های HVDC TESTER
جلوگیری از سوئیچینگ‌های مکرر در شبکه هنگام عیب‌یابی
تستهای فشارقوی درموارد تعمیرات در شبکه قبل از اتصال برق اصلی به سیستم جهت طمینان از عملکرد صحیح سیستم
جلوگیری از استهلاک تجهیزات گرانقیمت (ماشینهای عیب‌یاب) در مانورهای مکرر و متوالی
تستهای خطوط هوایی و عیب‌یابی در شبکه
بازبینی و نظارت مستمر در سیستمهای ولتاژ بالا
بالا بردن عمر مفید تجهیزات مصرفی در خطوط هوایی
تستهای استقامت عایقی دی‌سی جهت راه‌اندازی شبکه‌های توزیع
آزمایش‌ها عایق‌بندی ژنراتورها و الکتروموتورهای فشارقوی
تشخیص سلامت عایق هنگام انجام تعمیرات روی کابلهای زمینی
آزمایش مفصل‌بندی و سرکابلهای فشارقوی
امکان بازبینی و تستهای نظارتی هنگام تحویل و دریافت کالا از انبار تجهیزات
معرفی تجهیزات دستگاه
کلید اصلی دستگاه. حالت ۱ : تغذیه خارجی V DC۱۲ (باتری اتومبیل) حالت ۲ : تغذیه داخلی (باتری داخلی)
ولوم تنظیم ولتاژ خروجی؛
ولوم تنظیم زمان (تایمر)
نمایشگر ولتاژ خروجی
نمایشگر جریان خروجی مدار ولتاژ بالا
کلید فشاری روشن کردن خروجی فشارقوی
کلید فشاری خاموش نمودن فشارقوی دارای لامپ نمایشگر روشن بودن دستگاه (HV ON) به همراه فیوز ۲ آمپر
کلید تنظیم رنج آمپرمتر
ورودی تغذیه ۱۲ولت بیرونی
ریست تایمر
نمایشگر شارژ باتری
فیوز تغذیه بیرونی
خروجی فشارقوی
اتصال زمین
ورودی ۲۲۰ولت شارژ داخلی
خط انتقال هوایی
خط انتقال هوایی نوعی از خط انتقال است که در آن از دکلها و تیرها برای نگه داشتن کابلها بالای سطح زمین استفاده می‌شود. از آنجایی که در این گونه خطوط از هوا به عنوان عایق کابلها استفاده می‌شود این روش انتقال یکی از کم هزینه‌ترین و رایج‌ترین روش‌های انتقال است. دکلها و تیرهایی که برای نگهداشتن کابلها استفاده می‌شود می‌توانند از جنس چوب، فولاد، بتون، آلومینیوم و در برخی موارد پلاستیک مسلح باشند. به طور کلی کابلها مورد استفاده در خطوط هوایی از جنس آلومینیوم هستند (که البته با نواری از فولاد در داخل مسلح شده‌اند). از کابلهای مسی در برخی خطوط انتقال ولتاژ متوسط و ولتاژ پایین و محل اتصال به مصرف‌کننده استفاده می‌شود.
اختراع مقرههای جداکننده نقش مهمی در امکان افزایش ولتاژ انتقال در خطوط هوایی داشت. در سال‌های پایانی قرن ۱۹ میلادی بیشینه ولتاژ قابل انتقال با مقرههای سوزنی به ۶۹ کیلوولت می‌رسید اما امروزه امکان انتقال انرژی الکتریکی در ولتاژهای بالاتر از ۷۶۵ کیلوولت و حتی ولتاژهای بالاتر وجود دارد.
خطوط انتقال هوایی معمولاً با توجه به سطح ولتاژشان به این صورت طبقه‌بندی می‌شوند:
ولتاژ پایین: ولتاژهای پایین‌تر از ۱۰۰۰ ولت. مورد استفاده در اتصالات و ارتباطات به مصرف کننده‌های خانگی و تجاری کوچک.
ولتاژ متوسط (توزیع): ولتاژهای بین ۱ تا ۳۳ کیلو ولت. مورد استفاده برای انتقال در مناطق شهری یا روستایی.
ولتاژ بالا (انتقال میانی): ولتاژهای بین ۳۳ تا ۲۳۰ کیلوولت. مورد استفاده برای خطوط انتقال میانی.
ولتاژ خیلی بالا (انتقال): ولتاژهای بین ۲۳۰ تا ۸۰۰ کیلوولت. مورد استفاده برای خطوط انتقال طولانی.
ساختار
ساختار یک خط هوایی می‌تواند با توجه به نوع خط شکل‌های بسیار متفاوتی به خود بگیرد. این ساختار می‌توان به سادگی یک سری از تیرهای چوبی باشد که دارای یک یا چند میله صلیبی برای نگه داشتن کابلها باشد. در ولتاژهای بالا نگه دارنده کابلهای معمولاً یک دکل فلزی است که از شبکه منظمی از قطعات کوچکتر ساخته شده‌است. در مناطق دور افتاده و خاصی که امکان حمل دکلها از زمین وجود ندارد از تیرهای آلمینیومی استفاده می‌شود و آنها را با بالگرد به محل منتقل می‌کنند.
استفاده از هر روش با توجه به خصوصیات محیط و خط و همچنین وزن کابلها انجام می‌گیرد. در یک پروژه بزرگ انتقال ممکن است از انواع مختلفی از تیرها و دکلها استفاده شود. در محل‌های تغییر زاویه خط و محل‌های انتهای خط باید از روش‌های مختلفی برای نگه داشتن تیرها و دکلها استفاده شود و در این محل‌ها از تیرهای کاملا متفاوتی استفاده می‌شود. در محل‌های گذرگاه خط از یک جاده یا رودخانه مهم هم باید از دکل‌های خاصی استفاده کرد.
پیریزی دکلها انتقال می‌تواند بسیار پر هزینه باشد، به ویژه اگر زمین مانند زمین‌های مرطوب برای نگهداشتن دکل ضعیف باشد. در برخی موارد پی دکلها با استفاده از سیم‌های فولادی به دقت در پی محکم می‌شود.
مقره‌ها
مقره‌ها باید این قابلیت را داشته باشند که ولتاژ نامی شبکه و ولتاژهای لحظه‌ای ناشی از کلیدزنی یا رعدوبرق را تحمل کنند. در ساده‌ترین حالت می‌توان مقره‌ها را به دودسته تقسیم کرد مقرههای سوزنی شکل که هادی یا کابل را بالای خود نگه می‌دارند و مقرههای آویزان که کابل را از پایین می‌گیرند. تا ولتاژ ۳۳ کیلوولت استفاده از هر دو نوع متعارف است اما در ولتاژهای بالاتر از ۳۳ کیوولت بیشتر از مقرههای آویزان استفاده می‌شود. مقره‌ها معمولاً از جنس چینی، شیشه فشرده و یا پلاستیک ساخته می‌شوند.
مقرههای آویزی از چندین لایه یا بشقاب تشکیل شده‌اند که با افزایش تعداد لایه میزان ولتاژ قابل تحمل آنها افزایش می‌یابد. تعداد لایه‌های این مقره‌ها با توجه به خصوصیات مختلف خط مانند ولتاژ خط، احتمال برخورد رعد و برق، ارتفاع دکل و خصویات محیط مانند میزان رطوبت و آلودگی هوا انتخاب می‌شود. از طرف دیگر مقره‌ها باید از نظر مکانیکی استحکام کافی را برای تحمل وزن کابلها و همچنین فشار اضافی ناشی از برف یا باد داشته باشند.
مقرههای چینی ممکن است با لعابی نیمه‌هادی پوشیده شده باشند تا به این ترتیب جریان نشتی کوچکی (در حد چند میلی‌آمپر) از سطح مقره عبور کند. این جریان موجب گرم شدن سطح مقره و خشک نگه داشتن آن خواهد شد. این لایه نیمه‌هادی همچنین باعث خواهد شد تا در صورت ایجاد جرقه، جرقه مسیر طولانی‌تری را بر روی سطح مقره طی کند.
هادی‌ها
بالمارکر
برخی از خطوط انتقال هوایی دارای یک گوی تک‌رنگ در میانهٔ خود هستند که بالمارکر نام دارد، این توپ‌ها معمولا برای هشدار به هواپیماها یا هلیکوپترهایی که در حال فرود اضطراری هستند استفاده می‌شود تا با کابل‌هایی که از روی بزرگراه‌ها رد شده‌اند برخورد نکنند. وجود این توپ‌ها برای همخوانی با توصیه‌های ایکائو لازم است.
مقره
مَقَرّه یا گیرهٔ چینی پایه عایقی است که در دکل‌های انتقال برق در محل اتصال کابلهای برق با دکل بکار می‌رود.
در خطوط انتقال نیرو لازم است هادی‌های تحت ولتاژ به نحوی از برج‌ها ایزوله شوند و برای این کار از مقره‌ها استفاده می‌شود. این مقره‌ها دو وظیفه عمده دارند:
وظیفه اصلی مقره‌ها، ایزوله کردن هادی از بدنه برج می‌باشد. این مقره‌ها باید بتوانند بدون داشتن جریان نشتی، ولتاژهای بالای خطوط انتقال را از بدنه برج ایزوله نمایند.
مقره‌ها باید تحمل نیروهای مکانیکی حاصل از وزن هادی‌ها و نیروهای اعمالی ناشی از باد و یخ را داشته باشند.
جنس مقره‌ها و طراحی شکل آنها
متداول‌ترین جنس مقرههای مورد استفاده در صنعت برق عبارتند از
مقرههای چینی
این مقره‌ها از ترکیبات آلکالین و سیلیکات آلومینیوم ساخته شده‌است. جهت بالا بردن استقامت مکانیکی چینی به آن اکسید آلومینیوم اضافه می‌کنند. مقرههای چینی هم به صورت بشقابی و هم به صورت یکپارچه ساخته می‌شوند.
مقرههای شیشه‌ای
از شیشه نیز در ساخت مقره‌ها استفاده می‌شود ولی به دلیل پایین بودن استقامت مکانیکی شیشه لازمست به طریقی آن را تقویت نمود. یک روش، سرد کردن سریع شیشه پس از شکل دادن آن می‌باشد که با این روش سطح خارجی مقره سخت شده، موجب افزایش استقامت مکانیکی آن می‌شود. اشکال این نوع مقره‌ها این است که در مقابل ضربات مستقیم شکننده می‌باشد و با کوچکترین ضربه مستقیم، مقره کاملاً خرد می‌شود.
مقرههای پلاستیکی
این مقره‌ها از جنس پلاستیک و از ترکیبات شیمیائی اتیلن، پروپیلن و رزین می‌باشد. مزیت این مقره‌ها در دفع خوب آب می‌باشد زیرا پلاستیک این مزیت را دارد که قطرات آب روی سطح آن جاری نمی‌شود تا با قطرات دیگر ترکیب شده مسیری را برای هدایت قوس فراهم کند. در صورتی که در مقرههای چینی و شیشه‌ای آب به راحتی روی سطح مقره جاری می‌شود.
طراحی شکل مقره‌ها
ولتاژ اعمالی بر مقره‌ها و عملکرد آن در مقابل اضافه ولتاژها شکل و فرم مقره را تعیین می‌نماید. شکست الکتریکی بر روی مقره‌ها به دو صورت انجام می‌گیرد.
در داخل مقره جرقه‌ای زده شده و موجب سوراخ شدگی و از بین رفتن خاصیت عایقی مقره می‌شود.
تخلیه در سطح عایق صورت می‌گیرد و جرقه‌هایی در سطح آن زده می‌شود و به این ترتیب ارتباط الکتریکی در طرفین عایق برقرار می‌شود. که رطوبت و آلودگی در سطح مقره در این نوع تخلیه تاثیر گذارند.
مواردی که در ساخت مقره رعایت می‌شود به شرح زیر است:
سطح مقره باید کاملاً صاف و صیقلی باشد تا امکان نشستن گرد و غبار و آلودگی روی آن به حداقل برسد.
سطح مقره باید این قابلیت را داشته باشد که هنگام ریزش باران شسته شود و باران روی آن نماند.
جهت جلوگیری از جریان نشتی لازم است طول خزشی مقره‌ها (Creepage distance) افزایش یابد.
طول خزشی مقره عبارت است از کوتاهترین مسیری که لازمست جرقه برای رسیدن از ابتدا تا انتهای مقره طی کند. هر چه این مسیر طولانی تر باشد امکان ایجاد قوس کمتر می‌شود. افزایش این مسیر موجب سنگین شدن مقره می‌شود، بنابراین مقره را به صورت دندانه دندانه می‌سازند و به این ترتیب طول مقره را کوتاهتر بوده ولی مسیر عایقی آن افزایش می‌یابد.
چون تخلیه نوع اول موجب از بین رفتن مقره می‌شود باید به هر شکل ممکن از آن جلوگیری کرد. برای این کار باید فاصله بین قسمت‌های فلزی بالا (cap) و پایین (pin) به اندازه‌ای انتخاب شود تا قبل از وقوع جرقه در داخل مقره، جرقه سطحی زده شود و از تولید جرقه در داخل مقره جلوگیری شود.
نوع مقره باید با توجه به شرایط محیطی انتخاب شود و همچنین مسائل اقتصادی نیز در نظر گرفته شود.
انواع مختلف مقره‌ها
مقره‌ها بر حسب کاربرد و سطح ولتاژ به کار رفته انواع مختلفی دارند.
مقره چرخی
جنس این نوع مقره‌ها می‌تواند از چینی، شیشه یا پلاستیک باشد. این مقره‌ها به صورت یک شیاره یا دو شیاره می‌باشند و بیشتر در ولتاژهای توزیع(منظورولتاژهای فشار ضعیف 220تا400ولتمی باشد) کاربرد دارند. تعداد شیارها بستگی به سطح ولتاژ دارد.
مقره سوزنی
جنس این نوع مقره‌ها می‌تواند از چینی، شیشه یا پلاستیک باشد. از این نوع مقره در برج‌های میانی و تا ولتاژ ۳۳ کیلو ولت استفاده می‌شود. جهت ارتباط این نوع مقره‌ها با پایه فلزی، از یک فلز نرم تر به عنوان رابط استفاده می‌شود تا حرکات و تنش‌های ناگهانی باعث شکسته شدن مقره نشود. همچنین می‌توان این مقره را به صورت افقی نصب نمود.
مقره بشقابی
این نوع مقره از جنس شیشه و یا چینی و به شکل دیسک بوده و از نظر کاربرد نیز رایج‌ترین مقره در خطوط هوایی انتقال انرژی می‌باشد. این مقره‌ها به صورت زنجیره مقره استفاده می‌شوند که تعداد دیسک‌ها در زنجیر مقره بستگی به سطح ولتاژ، محل استفاده و اضافه ولتاژ دارد. ارتباط این دیسک‌ها با دیسک دیگر توسط دو قطعه فلزی که با پودر سیمان و شیشه و چسب مخصوص به مقره محکم می‌شود، صورت می‌گیرد. این نوع مقره بسته به نحوه اتصال به یکدیگر و با توجه به شکل آنها در انواع مختلف وجود دارد.
مقره بشقابی استانداد
این مقره خود انواع مختلفی دارد. مقرههای نوع کلاهکی (Ball & Socket Type Insulator) و مقرههای نوع شیار و زبانه (Tongue & Clevis Type Insulator).
مقره بشقابی ضد مه (Anti Fog Insulator)
این مقره در مناطق آلوده و مه آلود که به فاصله خزشی بیشتری نیاز دارند استفاده می‌شود. در این مقره شیارهای پایین بزرگتر از شیارهای مقرههای معمولی می‌باشد. ولی وزن آنها زیادتر بوده و موجب افزایش نیروی مکانیکی روی برج می‌شود.
مقرههای بشقابی آئرودینامیک (Aerofoil Insulator)
این مقره‌ها در مناطق بادگیر استفاده می‌شود زیرا سطح بادگیر کمتری نسبت به دیگر مقره‌ها دارد و در زنجیر مقره انحراف زاویه کمتری داشته و نیروهای وارده به برج کم می‌شود. به علت فاصله خزشی کم این نوع مقره، جهت حفظ ایزولاسیون در زنجیر مقره از تعداد بیشتری از این نوع استفاده می‌شود که اینکار باعث افزایش هزینه خواهد بود.
مقره زنگوله‌ای شکل (Bell Type Insulator)
این مقره به شکلی ساخته می‌شود که امکان نشستن گرد و خاک و آلودگی روی آن حداقل باشد. از این مقره در مناطق استفاده می‌شود که آلودگی زیاد است و باران کم می‌بارد.
مقرههای یکپارچه (Long rod Insulator)
این مقره‌ها به شکل استوانه‌ای بلند بوده که دارای شیارها و برآمدگی‌هایی است. جنس این مقره‌ها معمولاً از چینی و سرامیک است و به دو صورت توپر (solid core sylindrical posts) و تو خالی (Hollow Insulator) ساخته می‌شود. این مقره‌ها می‌توانند به صورت‌های مختلفی به هم وصل شوند. (عمودی یا مایل)
مقرههای بوشینگ (Bushing Insulator)
این نوع مقره‌ها مانند مقرههای یکپارچه می‌باشد با این تفاوت که قطر ابتدا و انتهای آن متفاوت است. از این نوع مقره در ترانس‌ها استفاده می‌شود که محل اتصال مقره به ترانس دارای قطر بیشتری است.
آرایش مقره‌ها در زنجیره
مقرههای بشقابی با توجه به نیروی مکانیکی و سطوح ولتاژ به صورت تیپ ساخته می‌شوند. با توجه به سطح ولتاژ و نیروی مکانیکی نحوه اتصال و تشکیل زنجیره مقره‌ها متفاوت و به شرح زیر است.
زنجیره مقرههای آویزی (Suspension String)
این نوع زنجیره مقره دارای انواع مختلف می‌باشد.
زنجیره مقره آویزی (I - String)
این زنجیره در مواردی استفاده می‌شود که نیروی مکانیکی چندان زیاد نباشد. معمولاً در هادی‌های تک سیمه از آن استفاده می‌شود.
زنجیره مقره آویزی دوبل (II - String)
در این فرم جهت بالا بردن استقامت مکانیکی، دو ردیف زنجیری مقره به موازات یکدیگر و به شکل II مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولاً در هادی‌های باندل از این تیپ استفاده می‌شود.
زنجیره مقره آویزی V شکل (V - String)
در مناطق با سرعت باد زیاد، نوسانات بوجود آمده بر روی زنجیره مقره و در نتیجه انحراف بیش از حد آن می‌تواند منجر به کاهش فاصله ایزولاسیون گردیده و در نتیجه بروز قوس الکتریکی و اختلال در برق رسانی را به دنبال آورد. جهت جلوگیری از این مشکلات در این مناطق از زنجیری مقره V استفاده می‌شود تا از نوسانات زنجیره مقره جلوگیری شود. در زنجیره مقره V شکل معمولاًٌ طول دو بازو برابر می‌باشد. اما در مواردی که به دلیل زاویه خط نیاز به بازوهای متفاوت باشد، می‌توان با کاهش و یا افزایش طول یک بازو به این حالت دست پیدا کرد. معمولاً زاویه بین دو بازو در زنجیره مقره بین ۹۰ تا ۱۰۰ درجه می‌باشد.
زنجیره مقره آویزی V شکل دوبل (Double V - String)
برای داشتن استقامت مکانیکی بیشتر، زنجیره مقره V شکل می‌تواند به صورت دوبل نصب شود.
زنجیره مقره کششی (Tension String)
در برج‌های کششی، مقره‌ها بصورت زنجیره مقره وظیفه اتصال هادی به برج را به عهده دارمد. این زنجیره مقره‌ها می‌توانند به صورت دوبل یا سه تایی و یا بیشتر مورد استفاده قرار گیرند که انتخاب آن بستگی به تعداد هادی‌های هر فاز و همچنین شرایط بارگذاری و نوع مقره دارد.
زنجیره مقره جامپر (Jumper Insulator String)
این زنجیره مقره، سیم جمپر ارتباطی فازها را در برج کششی به صورت آویزی نگه داشته و از حرکت جانبی آن جلوگیری می‌کند. نیروی مکانیکی وارده به این نوع زنجیره چندان قابل ملاحظه نیست.
قوس الکتریکی
قوس الکتریکی حالتی از تخلیه الکتریکی در هوا یا دیگر محیط‌هایی است که معمولاً نارسانا هستند.زمانی که جریان الکتریکی توسط هوای بین دو رسانا که مستقیماً با هم در تماس نیستند منتقل شود، قوس الکتریکی ایجاد می شود.این قوس به ولتاژ، هدایت الکتریکی محیط و فاصله بین دو رسانا بستگی دارد.
تاریخچه
سال ۱۸۰۲ دانشمندی روسی به نام واسیلی ولادیمیروویچ پتروف پی برد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل کنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود. و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولادیمیروویچ قوس ولتا نامیده شود.
فرایند
جریان الکتریکی از جاری شدن الکترون‌ها در یک مسیر رسانا به وجود می‌آید. هرگاه در چنین مسیری یک شکاف هوا (گاز) ایجاد شود جریان الکترونی و در نتیجه جریان الکتریکی قطع خواهد شد. چنانچه شکاف هوا به اندازه کافی باریک و اختلاف پتانسیل و شدت جریان زیاد باشد، گاز میان شکاف یونیزه شده و قوس الکتریکی برقرار می‌شود.
قوس الکتریکی برای روشنایی و جوشکاری بکار می‌رود.
تخلیه الکترواستاتیکی
تخلیه الکترواستاتیکی (ESD)، پدیدهٔ لحظه‌ای و ناگهانی از جریان الکتریکی است که میان دو جسم با پتانسیل الکتریکی متفاوت اتفاق می‌افتد. این اصطلاح معمولا در صنایع الکترونیک و دیگر صنایع برای توصیف گذر جریان الکتریکی ناخواسته که ممکن است به دستگاه‌های الکترونیکی آسیب زند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ESD یک مسئلهٔ مهم در الکترونیک حالت جامد، مثلا در تراشه است. مدارهای یکپارچه از مواد نیمه هادی مانند سیلیسیم و مواد عایقی مانند سیلیس ساخته شده اند. هر کدام از این مواد ممکن است بر اثر ولتاژ بالا آسیب دائم ببینند؛ در نتیجه، در حال حاضر تعدادی دستگاه آنتی‌استاتیک وجود دارند که از تولید استاتیک جلوگیری می‌کنند.
نیروگاه
نیروگاه برق (که با نام کارخانه برق هم شناخته می‌شود) مجموعه‌ای از تأسیسات صنعتی است که از آن برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.
وظیفه اصلی یک نیروگاه تبدیل انرژی از دیگر شکل‌های آن مانند انرژی شیمیایی، انرژی هسته‌ای، انرژی پتانسیل گرانشی و... به انرژی الکتریکی است. وظیفه اصلی در تقریباً همه نیروگاه‌ها بر عهده مولد یا ژنراتور است؛ ماشینی دوار که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای چرخاندن یک ژنراتور از راههای مختلفی تامین می‌شود و عموماً به میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.
نیروگاه حرارتی
در یک نیروگاه حرارتی انرژی مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن مولدها به وسیله حرارتی که معمولاً از سوختن سوخت‌ها به وجود می‌آید تامین می‌شود. بیشتر نیروگاه‌های حرارتی (در حدود ۸۶ درصد آنها) از بخار برای انتقال حرارت و ایجاد انرژی مکانیکی استفاده می‌کنند و به همین دلیل این نیروگاه‌ها را نیروگاه‌های بخاری نیز می‌نامند. بر طبق قانون دوم ترمودینامیک هرگز نمی‌توان تمامی انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرد بنابر این همیشه مقداری از حرارت اضافی در محیط آزاد می‌شود، حال اگر از این حرارت برای انجام فرایندهای صنعتی یا گرمایش ناحیه‌ای استفاده کنیم می‌توانیم راندمان استفاده از انرژی را بالا ببریم، این روش که در برخی تأسیسات حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم ترکیبی گرما و نیرو یا CHP نام دارد. یکی از کاربردهای این روش که بیشتر در خاورمیانه مورد استفاده قرار می‌گیرد استفاده از انرژی حرارتی اضافی برای نمک زدایی آب است.درنمک زدایی آب دریا نیازبه حجم زیاد بخاربا فشارکم می باشدکه ازچرخه ترکیبی بدون مشعل بایداستفاده کرد.
طبقه‌بندی
طبقه‌بندی نیروگاه‌ها براساس نوع سوخت مصرفی و عامل محرک به صورت زیر است.
طبقه بندی از نظر نوع منبع انرژی
نیروگاه هسته‌ای که از یک راکتور هسته‌ای برای تولید گرما و چرخاندن توربین‌های بخار استفاده می‌کند.
نیروگاه سوخت فسیلی که انرژی گرمایی مورد نیاز را از سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی یا زغال سنگ تامین می‌کند.
نیروگاه‌هایی که از منابع انرژی‌های تجدید پذیر استفاده می‌کنند وانرژی مورد نیاز خود را از انرژی بادی، انرژی خورشیدی، انرژی جزر و مد دریا، انرژی حرارتی موجود در آبهای اعماق زمین، و بیومس (سوزاندن ضایعات مزارع نیشکر، زباله‌های شهری، بیوگازها و دیگر منابع این چنینی) تامین می‌کند.
طبقه‌بندی از نظر نوع عامل محرک
توربین بخار: در این دستگاه‌ها از فشار دینامیکی بخار برای چرخاندن پره‌های دستگاه استفاده می‌شود. تقریباً همه توربین‌های بزرگ غیر آبی از این نوع هستند.
توربین گازی: در این دستگاه‌ها از گاز به عنوان عامل محرک استفاده می‌شود. به عبارت دیگر این توربین‌ها از فشار گازهای ناشی از سوختن سوخت‌ها برای به حرکت درآمدن استفاده می‌کنند. مزیت این توربین‌ها در قابلیت راه‌اندازی سریع آنهاست و از این رو برای جبران مصرف بالا در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) از آنها استفاده می‌شود اما با این حال هزینه‌های مربوط به این توربین‌ها بالاست و بنابراین استفاده از آنها محدود است.
چرخه مرکب: در این چرخه از ترکیبی از توربین‌های گازی و بخار استفاده می‌شود به این ترتیب که با سوختن سوخت از گازهای ایجاد شده برای به حرکت درآوردن توربین‌های گازی و از گرمای تولیدی از سوختن برای بخار کردن آب و به حرکت درآوردن توربین‌های بخار استفاده می‌شود. استفاده از این روش به علت بازده بالای آن به سرعت در حال افزایش است.
موتور احتراق داخلی: به طور کلی از این موتورها برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کوچک استفاده می‌شود. کاربرد این موتورها تنها به مناطق دورافتاده و سامانه‌های پشتیبانی مورد استفاده در بیمارستان‌ها، ساختمان‌های اداری و مراکز حساس محدود می‌شود. سوخت مورد استفاده در این موتورها را گازوئیل، نفت سنگین، گاز طبیعی و بیوگاز تشکیل می‌دهد.
خنک کنندگی
به دلیل محدودیت‌های موجود در اصول گرماپویشی (ترمودینامیک) هر نیروگاه گرمایی مقداری انرژی را به صورت انرژی اتلافی از دست می‌دهد. در نیروگاه‌های هسته‌ای و یا برخی نیروگاه‌های گرمایی بزرگ از لوله‌های بسیار بزرگ هذلولی شکل برای آزاد کردن حرارت و یا بخار آب در جو استفاده می‌شود. در پالایشگاه‌ها، صنایع نفتی و برخی از نیروگاه‌های حرارتی بزرگ از یک سامانهٔ خنک‌کنندگی با فشار هوا استفاده می‌شود. در این نوع سامانه با استفاده از گردش هوای مصنوعی که به وسیله یک بادزن ایجاد می‌شود، گرمای تولیدی از یک فرایند به آب منتقل می‌شود. در این روش به برج‌های خنک کننده بلند و هذلولی شکل نیاز نخواهد بود و سیستم خنک کننده بیشتر شبیه یک اتاقک مستطیل شکل است.
در بیابان‌ها و مناطق خشک نیاز به یک رادیاتور یا برج خنک‌کننده خشک خیلی ضروری‌تر است چرا که هزینه فراهم آوردن آب برای یک سامانهٔ خنک‌کنندگی با تبخیر آب بسیار بالا خواهد بود. استفاده از روش‌های خنک کنندگی خشک در مقایسه با روش‌های خنک کنندگی با تبخیر آب دارای بازده پایین‌تر و نیاز به مصرف انرژی بیشتر در فن‌هاست.
در مواردی که از نظر اقتصادی و محیط زیست مانعی وجود نداشته باشد، استفاده از آب دریا، دریاچه، رودخانه و در صورت امکان حوضچه‌های مصنوعی می‌توان مفیدتر باشد چرا که با این کار نیازی به ساخت برج‌های خنک کننده و یا پمپ کردن آب تا تبادل‌گرهای حرارتی نخواهد بود. البته باید به این نکته هم توجه داشت که آب بازگشتی از این فرایند می‌تواند موجب ایجاد آلودگی گرمایی گردد.
دیگر منابع انرژی
بجز استفاده از سوخت‌ها راههای دیگری نیز برای تولید انرژی الکتریکی وجود دارد، در این روش‌ها برای تامین انرژی اولیه از منابعی مانند انرژی موج، انرژی کشند، انرژی باد، انرژی تابش آفتاب یا انرژی پتانسیل گرانشی آب (هیدروالکتریسیته) استفاده می‌شود.
هیدروالکتریسیته
هیدروالکتریک یا تولید انرژی الکتریکی از انرژی پتانسیل گرانشی آب، فرایندی است که در آن با استفاده از نگه داشتن آب پشت یک سد و افزایش انرژی پتانسیل آن، از این انرژی پتانسیل برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. در این فرایند از توربین‌های آبی برای انتقال انرژی آب به مولدها استفاده می‌شود.
ذخیره انرژی هیدروالکتریک
این روش در واقع نوعی متعادل‌کننده مصرف در شبکه الکتریکی است که موجب کاهش یافتن هزینه تولید برق می‌شود. در این روش در طول ساعات کم مصرف شب از انرژی تولیدی نیروگاه برای پمپ کردن آب به مخازن بلند استفاده می‌شود و در واقع با این کار انرژی الکتریکی به انرژی پتانسیل آب تبدیل می‌گردد. با شروع ساعات پرمصرف یا ساعات اوج، چرخه وارونه خواهد شد یعنی آب موجود در مخازن پایین آمده و موجب تولید انرژی الکتریکی و ایجاد تعادل در شبکه می‌شود.
فشار-قوی جریان مستقیم یا اچ‌وی‌دی‌سی (به انگلیسی: High-voltage direct current یا HVDC) یا انتقال به صورت جریان مستقیم با ولتاژ بالا، نوعی سیستم انتقال انرژی الکتریکی است. این روش راهی نوین برای انتقال انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کلان است و در این زمینه جایگزین خوبی در مقابل روش سنتی (استفاده از جریان متناوب) به شمار می‌رود. فن‌آوری ساخت این نوع سیستم به دهه ۱۹۳۰ میلادی در سوئد بازمی‌گردد.
از اولین خطوط ساخته شده با این تکنولوژی می‌توان خط انتقال بین مسکو و کاشیرا در اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۵۱ میلادی و سیستم انتقال ۱۰ تا ۲۰ مگاواتی واقع در سوئد را نام برد که در سال ۱۹۵۴ میلادی به بهره‌برداری رسید. بزرگ‌ترین خط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی در حال حاضر خط انتقال اینگا-شابا با ضرفیت انتقال ۶۰۰ مگاوات و با طول حدود ۱۷۰۰ کیلومتر در کنگو واقع شده. این خط انتقال سد اینگا را به معدن مس شابا متصل می‌کند.
تاریخچه
اولین روش برای انتقال انرژی الکتریکی با جریان مستقیم توسط یک مهندس سویسی با نام رن تیوری (به انگلیسی: Rene Thury) ارائه شد. در این سیستم با سری کردن ژنراتورها و در نتیجه جمع جبری ولتاژهای تولیدی ولتاژ افزایش می‌یافت. هر ژنراتور در جریان ثابت می‌توانست انرژی الکتریکی تا ولتاژ ۵۰۰۰ ولت تولید کنند. بعضی از ژنراتورها دارای دو ردیف کلکتور بودند تا ولتاژ وارده بر روی هر کلکتور را کاهش دهند. این سیستم در سال ۱۸۸۹ میلادی در ایتالیا به وسیله شرکت Acquedotto de Ferrari-Galliera مورد استفاده قرار گرفت. در این خط انتقال توانی برابر ۶۳۰ کیلووات با ولتاژ ۱۴ کیلوولت تا مسافت ۱۲۰کیلومتر منتقل می‌شد. سیستم Moutiers-Lyon با همان مکانیزم به وسیله هشت ژنراتور متصل شده با دو ردیف کلکتور می‌توانست ولتاژ را تا ۱۵۰ کیلوولت افزایش دهد. این سیستم از سال ۱۹۰۶ تا ۱۹۳۶ مورد استفاده قرار گرفت. دیگر سیستمهای از این دست نیز تا دهه ۱۹۳۰ مورد استفاده قرار می‌گرفتند. عیب این سیستم‌ها در این بود که ماشینهای گردان (مولدها و مبدل‌های گردان) به تعمیر و نگهداری زیادی نیاز داشتند و در ضمن تلفات در این ماشین‌ها زیاد بود. استفاده از ماشینهای مشابه دیگر نیز تا اواسط قرن بیستم ادامه داشت، ولی با موفقیت کمی همراه بود.
یکی از روش‌هایی که برای کاهش ولتاژ مستقیم گرفته شده از خطوط انتقال مورد آزمایش قرار گرفت، استفاده از ولتاژ برای شارژ کردن باتری‌های سری بود. پس از شارژ شدن باتری‌ها در حالت سری آنها را در حالت موازی به هم اتصال می‌دادند و از آنها برای تغذیه بارها استفاده می‌کردند. با این حال از این روش فقط در دو طرح انتقال استفاده شد چراکه این روش به دلیل محدودیت ظرفیت باتری‌ها، مشکلات مربوط به تغییر وضعیت باتری‌ها از سری به موازی و پسماند انرژی در هر سیکل شارژ و دشارژ در باتری‌ها اصلاً اقتصادی نبود.
در طول سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۴۰ رفته رفته امکان استفاده از شبکه‌های کنترل شده به وسیله لامپ‌های قوس جیوه فراهم آمد. در ۱۹۴۱ در یک شبکه ۶۰ مگاوات به طول ۱۱۵ کیلومتر از لامپ‌های جیوه استفاده شد. این شبکه که یک شبکه کابلی برای تغذیه شهر برلین بود هرگز به بهره‌برداری نرسید چراکه در ۱۹۴۵ با فروپاشی آلمان فاشیستی طرح نیمه‌کاره رها شد. توجیه استفاده از خطوط زیرزمینی دیده نشدن آنها در حملات هوایی بود. با پایان یافتن جنگ جهانی دوم این طرح توجیه نظامی خود را از دست داد، تجهیزات و تأسیسات طرح نیز به شوروی برده شد و در آنجا مورد استفاده قرار گرفت.
نگرش کلی
کابلهای اچ‌وی‌دی‌سی اغلب در مرزهای ملی و برای مبادلات توان به کار می‌روند. اچ‌وی‌دی‌سی در اتصالات بین شبکه‌های ناسنکرون و کابلهای زیر دریا کاربرد دارد. نیروگاه‌های بادی داخل آب نیز نیازمند کابلهای زیر دریا هستند و توربین‌های آنها نیز ناسنکرون. از خطوط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی می‌توان در برقراری اتصالات بسیار بلند بین تنها دو نقطه استفاده کرد، برای مثال اطراف اجتماعات دور افتاده سیبری، کانادا و شمال اسکاندیناوی که در این موارد کاربرد این سیستم دارای هزینه‌های کمتر از خطوط معمولی است و منطقی به نظر می‌رسد.
ساختار سیستم
یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی که در آن دو مبدل ای‌سی به دی‌سی در یک ساختمان به کار رفته‌اند و انتقال به صورت اچ‌وی‌دی‌سی تنها بین خود ساختمان وجود دارد به عنوان یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی پشت به پشت معروف است. این یک ساختار عمومی برای اتصال دو شبکه غیر سنکرون است.
معمول‌ترین ساختار یک اتصال اچ‌وی‌دی‌سی، اتصال ایستگاه به ایستگاه است که در آن دو ایستگاه اینورتر/یکسوساز توسط یک اتصال اختصاصی اچ‌وی‌دی‌سی به هم متصل می‌شوند. این اتصال شبکه‌های غیر سنکرون در خطوط انتقال طولانی و در کابلهای زیر دریا، زیاد به کار می‌رود.
سیستم انتقال توان چند ترمینالهٔ اچ‌وی‌دی‌سی (که از سه ایستگاه یا بیشتر استفاده می‌کند) به علت هزینه‌های بالای ایستگاه‌های مبدل و اینورتر، از دو سیستم دیگر کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار ترمینال‌های چندگانه می‌تواند سری یا موازی و یا هیبرید (ترکیبی از سری و موازی) باشد. از ساختار موازی برای ایستگاه‌هایی با ظرفیت بالا استفاده می‌شود، در حالی که از ساختار سری برای ایستگاه‌های با ظرفیت کمتر استفاده می‌شود. سیستمهای تک قطبی نوعا ۱۵۰۰ مگاوات را حمل می‌کنند.
یک اتصال دوقطبی از دوسیم استفاده می‌کند، یکی در پتانسیل بالای مثبت و دیگری در پتانسیل بالای منفی. این سیستم دارای دو مزیت نسبت به اتصال تک‌قطبی است: اول اینکه می‌تواند توانی معادل دو برابر سیستم تک‌قطبی حمل کند که نوعا برابر ۳۰۰۰ مگاوات است ( جریان یکسان است اما اختلاف پتانسیل بین سیم‌ها دوبرابر است). دوم اینکه این سیستم می‌تواند با وجود خطا در یکی از سیم‌ها، و با استفاده از زمین به عنوان یک مسیر بازگشت به کار خود ادامه دهد.
اتصالات اچ‌وی‌دی‌سی چند ترمیناله که بیش از دو نقطه را به هم متصل می‌کنند ممکن هستند اما بندرت یافت می‌شوند. یک مثال از این اتصالات سیستم ۲۰۰۰ مگاواتی Hydro Quebec است که در سال ۱۹۹۲ میلادی افتتاح شد.
امروزه سیستمهای انتقال اچ‌وی‌دی‌سی اهمیت ویژه‌ای دارند و به دلیل ویژگی‌های خاص آنها روز به روز مورد توجه بیشتری قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها در انتقال توان توان برای فواصل طولانی، خطوط انتقال زیرزمینی طویل و اتصال بین دو شبکه‌ی قدرت بدون عبور اغتشاشات کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده‌اند. یکی از مشکلات این خطوط قیمت بالای تجهیزات مبدل ای‌سی به دی‌سی است، با این وجود انتقال در بیش از ۶۰۰ کیلومتر و انتقال توسط کابل زیرزمینی بیشتر از ۵۰ کیلومتر، با اچ‌وی‌دی‌سی دارای توجیه اقتصادی است.
مزایای استفاده از خطوط مستقیم در مقابل متناوب
بزرگ‌ترین مزیت سیستم جریان مستقیم، امکان انتقال مقدار زیادی انرژی در مسافت‌های زیاد است و با تلفات کمتر (در مقایسه با روش انتقال ای‌سی) است. بدین ترتیب امکان استفاده از منابع و نیروگاه‌های دور افتاده مخصوصاً در سرزمین‌های پهناور به وجود می‌آید.
برخی از شرایطی که در آن استفاده از سیستم اچ‌وی‌دی‌سی به‌صرفه‌تر از انتقال ای‌سی است عبارت‌اند از:
کابلهای زیرآبی، به ویژه زمانی که به علت بالا بودن میزان ظرفیت خازنی، تلفات در سیستم ای‌سی بیش از حد زیاد می‌شود. (برای مثال شبکه کابلی دریای بالتیک به طول ۲۵۰ کیلومتر بین آلمان و سوئد)
انتقال در مسافت‌های طولانی و در مکان‌های بن‌بست به طوری که در یک مسیر طولانی شبکه فاقد هرگونه اتصال به مصرف کننده‌ها یا دیگر تولیدکننده‌ها باشد.
افزایش ظرفیت شبکه‌ای که به علت برخی ملاحظات امکان افزایش سیم در آن پر هزینه یا غیر ممکن است.
اتصال دو شبکه ای‌سی ناهماهنگ که در حالت ای‌سی امکان برقراری اتصال در آنها وجود ندارد.
کاهش دادن سطح مقطع سیم مصرفی و همچنین دیگر تجهیزات لازم برای برپاکردن یک شبکه انتقال در یک توان مشخص.
اتصال نیروگاه‌های دور افتاده مانند سدها به شبکه الکتریکی.
خطوط طولانی زیرآبی دارای ظزفیت خازنی زیادی هستند. در سیستم دی‌سی این ظرفیت خازنی تأثیر کمی بر روی عملکرد شبکه دارد اما از آنجایی که در مدارهای ای‌سی، خازن در مدار تقریباً به صورت یک مقاومت عمل می‌کند، ظرفیت خازنی در خطوط زیرآبی موجب ایجادشدن تلفات اضافی در مدار می‌شود و این استفاده از جریان دی‌سی را در خطوط زیر آبی به صرفه می‌کند.
در حالت کلی نیز جریان دی‌سی قادر به جابجایی توان بیشتری نسبت به جریان ای‌سی است چراکه ولتاژ ثابت در دی‌سی از ولتاژ پیک در ای‌سی کمتر است و بدین ترتیب نیاز به استفاده از عایق‌بندی کمتر و همچنین فاصله کمتر در بین هادی‌ها است که این امر موجب سبک شدن هادی و کابل و همچنین امکان استفاده از هادی‌های بیشتر در یک محیط مشخص می‌شود و همچنین هزینه انتقال به صورت دی‌سی کاهش می‌یابد.
افزایش پایداری شبکه
از آنجایی که سیستم اچ‌وی‌دی‌سی به دو شبکه ناهماهنگ ای‌سی امکان می‌دهد تا بهم اتصال یابند، این سیستم می‌تواند موجب افزایش پایداری در شبکه شود و از ایجاد پدیده‌ای به نام «خطای آبشاری» (به انگلیسی: Cascading failure) جلوگیری کند. این پدیده زمانی به وجود می‌آید که به علت بروز خطا در قسمتی از شبکه کل یا قسمتی از بار این بخش به بخش دیگری انتقال داده می‌شود و این اضافه‌بار موجب ایجاد خطا در قسمت دیگر شده و یا این بخش را در خطر قرار می‌دهد که به این ترتیب بار این بخش هم به قسمت دیگری انتقال داده می‌شود و این حالت ادامه پیدا می‌کند. مزیت شبکه دی‌سی ولتاژ بالا دراین است که تغییرات در بار که موجب ناهماهنگی در شبکه‌های ای‌سی می‌شود تأثیرات مشابهی را بروی شبکه اچ‌وی‌دی‌سی نمی‌گذارد، چراکه توان و مسیر جاری شدن آن در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی کنترل‌پذیر است و در صورت نیاز قابلیت کنترل اضافه‌بار در شبکه ای‌سی را دارد. این یکی از دلایل مهم تمایل برای ساخت این گونه شبکه‌هاست.
در این خطوط فقط به دو هادی نیاز هست که یکی با ولتاژ مثبت نسبت به دیگری با ولتاژ منفی نسبت به زمین، ولی در خطوط HV AC حداقل به سه هادی نیاز هست.
قابلیت اعتماد در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی بیشتر از اچ‌وی‌ای‌سی (به انگلیسی: HVAC) است؛ زیرا با وقوع خطا در یکی از دو هادی خط، هنوز هم می‌توان توان انتقالی را بدون هیچ گونه مشکلی از طریق هادی دیگر منتقل نمود.
این خط فضای کمتری نسبت خط اچ‌وی‌ای‌سی مشابه دارد
به دلیل کمتر بودن تعداد هادی نسبت به حالت ای‌سی، نیاز به پایه‌های کوچکتری است، بنابراین هزینه نصب خطوط هم کاهش می‌یابند.
خطوط اچ‌وی‌دی‌سی به عایق‌بندی کمتری نسبت به اچ‌وی‌ای‌سی دارد.
تلفات کرونا و تداخل رادیویی در اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از اچ‌وی‌ای‌سی است، به همین دلیل کابلهای دی‌سی ارزان‌تر از کابلهای ای‌سی می‌باشد.
مشکل حفظ حالت سنکرون بین دو سیستم ای‌سی که بوسیله یک خط اچ‌وی‌دی‌سی به هم متصل شده‌اند، وجود ندارد.
قدرت انتقالی از یک خط دی‌سی را می‌توان به راحتی توسط تریستورهای یکسوکننده آن کنترل نمود و در یک مقدار معین، ثابت نگه داشت.
اگر در یکی از دو شبکه ای‌سی که با یک خط دی‌سی به هم متصل شده‌اند، اتصال کوتاهی رخ دهد، جریان اتصال کوتاه به شبکه دیگر منتقل می‌شود؛ زیرا عموما جریان اتصال کوتاه، یک جریان راکتیو است که در سیستم دی‌سی جریان راکتیو منتقل نمی‌شود.
تلفات خطوط اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از خطوط اچ‌وی‌ای‌سی است زیرا الف- مقاومت ای‌سی بزرگتر از مقاومت دی‌سی می‌باشد. ب- جریان راکتیو در خطوط دی‌سی وجود ندارد.
در خطوط اچ‌وی‌ای‌سی، قدرت انتقالی برابر است که به موجب حالت‌های گذرای موجود در این خطوط، باید زاویه S در شرایط عادی کمتر از ۳۰ درجه باشد. بنابراین در خطوط ای‌سی با محدودیت‌هایی در ابتدای خط و قدرت انتقالی مواجه هستیم که برای رفع این مشکل از خازن‌های سری استفاده می‌شود. اما در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی محدودیت پایداری وجود نخواهد داشت.
هر چند که هزینه خطوط اچ‌وی‌دی‌سی، به دلیل هزینه‌های بالای مبدل‌های ای‌سی/دی‌سی و دی‌سی/ای‌سی بسیار زیاد است، اما برای خطوط طولانی بین ۶۰۰ تا ۹۰۰ کیلومتر و قدرت‌های بیش از ۱۰۰۰ مگاوات، هزینه‌های خطوط دی‌سی کمتر از خطوط ای‌سی خواهد بود. این موضوع برای کابلهای دی‌سی با ارقام کمتری مواجه‌است، به طوری که برای فاصله‌های بیش از ۵۰ تا ۱۰۰ اقتصادی‌تر است.
در زمان اتصال دو شبکه ای‌سی آسنکرون همان طور که در مورد پنجم نیز ذکر شده سیستم اچ‌وی‌دی‌سی استفاده می‌شود.
کنترل‌پذیری جریان برق افزایش خواهد یافت. سطح مسیر نیروی برق را می‌توان بسیار دقیق و وسیع کنترل نمود.
وجود منابع تولید انرژی دی‌سی درشبکه
عدم نیاز به کنترل فرکانس مشترک در شبکه
استفاده از زمین به عنوان سیم برگشت
نبودن اثر پوستی
در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی جریان به صورت یکنواخت در تماس سطح هادی پخش نمی‌شود و چگالی جریان در لایه خارجی هادی بیشتر است اما در خطوط اچ‌وی‌دی‌سی با داشتن جریان دی‌سی یکنواخت جریان کل سطح مقطع هادی، دیگر اثر پوستی نداریم و از کل هادی بهره‌برداری صورت می‌گیرد.
علت‌های رایج‌شدن سیستم اچ‌وی‌ای‌سی
در انتقال توان الکتریکی، انتقال به روش دی‌سی بیش از آنکه یک قاعده باشد یک استثناست. محیط‌هایی وجود دارد که سیستم انتقال جریان مستقیم در آنها راه حل متعارف است مانند کابلهای زیر دریا و در اتصالات بین سیستمهای غیر سنکرون (با فرکانس‌های مختلف). اما برای در اغلب شرایط انتقال توان به صورت جریان متناوب کماکان مناسب است. در تلاش‌های اولیه انتقال توان الکتریکی، از جریان مستقیم استفاده می‌شد. اما به هر حال در این دوران سیستم جریان متناوب برای انتقال توان بین نیروگاه‌ها و ماشین آلات استفاده‌کننده از این انرژی بر سیستم انتقال توان جریان مستقیم فائق آمده. مزیت اصولی سیستم جریان متناوب قابلیت استفاده از ترانسفورماتور برای انتقال موثر سطح ولتاژ به کار رفته در توان انتقالی بود. با توسعه ماشینهای جریان متناوب موثر، مانند موتور القایی، استفاده از جریان متناوب معمول شد.
توانایی انتقال سطح ولتاژ یک امر مهم اقتصادی و فنی است که بایستی مد نظر قرار گیرد، با وجود اینکه ولتاژهای بالا سخت‌تر مورد استفاده واقع می‌شوند و خطرناک‌تر هستند، اما سطح جریان پایین‌تری که برای ولتاژهای بالا مورد نیاز است، برای یک سطح توان معین منجر به استفاده از کابلهای کوچکتر و تلفات توان کمتری به صورت گرما می‌شود. انتقال توان همچنین می‌تواند توسط ولتاژ حداکثر محدود شود. یک خط جریان مستقیم که در ولتاژ حداکثری برابر یک خط جریان متناوب کار می‌کند، می‌تواند توان بسیار بیشتری را به نسبت جریان متناوب تحت این محدودیت ولتاژ حمل کند. بنابراین با مناسب بودن ولتاژ بالا برای انتقال توان زیاد و مناسب بودن ولتاژ پایین‌تر برای بهره برداری‌های صنعتی و داخلی، استفاده از سیستم جریان متناوب به دلیل قابلیت تبدیل سطح ولتاژ آن به سطوح مختلف، برای انتقال توان عام شد. هیچ وسیله معادلی برای ترانسفورماتور در جریان مستقیم وجود ندارد و بنابراین به کارگیری ولتاژ مستقیم بسیار مشکل تر است.
مزیت‌های اچ‌وی‌دی‌سی بر اچ‌وی‌ای‌سی
علی رغم اینکه سیستم انتقال توان جریان متناوب پرکابردتر است اما در برخی از کاربردها، اچ‌وی‌دی‌سی ترجیح داده می‌شود:
تلفات کرونا . تداخل رادیویی در اچ‌وی‌دی‌سی کمتر از اچ‌وی‌ای‌سی است. به همین دلیل کابلهای دی‌سی ارزان تر از کابلهای ای‌سی هستند.
قدرت انتقالی از یک خط دی‌سی را می‌توان به راحتی توسط تریستورهای یکسوکننده آن کنترل کرد.
تلفات خطوط دی‌سی کمتر از ای‌سی است زیرا اولا مقاومت ای‌سی>مقاومت دی‌سی. ثانیا جریان راکتیو در خطوط دی‌سی وجود ندارد
کابلهای زیر دریا برای انتقال توان زیاد در مسافت‌های بلند و بدون تپ‌های میانی و در مناطق دور افتاده اقتصادی‌تر هستند. خطوط بلند زیر دریا دارای ظرفیت خازنی بالایی هستند. این امر موجب می‌شود که توان جریان متناوب به سرعت و به شدت به صورت تلفات راکتیو و دی‌الکتریک حتی در کابلهای با طول ناچیز تلف شود.
افزایش ظرفیت یک شبکه برق در شرایطی که نصب سیم‌های اضافی مشکل‌زا یا هزینه بردار است با اچ‌وی‌دی‌سی ممکن می‌شود. اچ‌وی‌دی‌سی می‌تواند توان بیشتری در هر هادی انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین تر از ولتاژ حداکثر یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ تعیین کننده ضخامت عایق به کار رفته و فاصله بین هادی هاست. این روش، استفاده از سیم‌ها و مسیرهای موجود را برای انتقال توان بیشتر در منطقه‌ای که مصرف توانش بالاتر است را ممکن می‌سازد و موجب کاهش هزینه‌ها می‌شود.
امکان انتقال توان بین سیستمهای توزیع غیر سنکرون جریان متناوب
کاهش سطح مقطع سیم کشی و دکل‌های برق برای یک ظرفیت انتقال داده شده. اچ‌وی‌دی‌سی می‌تواند در هر هادی توان بیشتری را * نیاز به *عایق‌بندی کمتر، چرا که برای یک توان نامی معین، و ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین‌تر از حداکثر ولتاژ در یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ ضخامت عایق و فاصله‌گذاری بین هادی‌ها را تعیین می‌کند.
مزیت‌های بهداشتی احتمالی اچ‌وی‌دسی بر اچ‌وی‌ای‌سی
برای مدتی این گمان وجود داشت که بین میدان القایی یک جریان متناوب (خصوصاً در فرکانس‌های عمومی خطوط که ۵۰ و ۶۰ هرتز است) و امراض خاصی ارتباط وجود دارد. یکی از خواص سیستم جریان مستقیم این است که دیگر چنین میدان‌های مغناطیسی متناوبی وجود ندارند. اخیرا در مطالعات آزمایشگاهی نشان داده شده‌است که چنین میدان‌های متناوبی منجر به افزایش اشباع رادیکال‌های آزاد در جرم خون حیوانات می‌شود (این افزایش می‌تواند توسط آنتی اکسیدان‌ها جلوگیری شود). رادیکال‌های آزاد به عنوان علل احتمالی تعدادی از بیماری‌ها شناخته شده‌اند. مزایای این سیستم تنها شامل آنهایی می‌شود که در معرض خطوط انتقال زندگی می‌کنند چرا که مشکلات احتمالی میدان‌های مغناطیسی با انتقال جریان متناوب جریان زیاد و نیز ترانسفورماتورها، موتورها و ژنراتورهای مرتبط با این جریان و حتی وسایل خانگی عادی مانند ماشین اصلاح الکتریکی با سیم‌پیچ و (خصوصا) مسواک‌های الکتریکی که به صورت القایی شارژ می‌شوند، ارتباط دارد.
کاربردهای ولتاژ بالای دی‌سی
انجام کارهای تحقیقاتی و مطالعاتی بر روی عایق‌ها
در فیزیک برای شتاب دهنده‌ها(به طور مثال برای شتاب دادن پروتون یا الکترون در تلویزیون)
در پزشکی برای تولید اشعه ایکس
در صنایع برای پالایش دود خروجی نیروگاه‌های حرارتی و کارخانه‌های سیمان و پاشیدن رنگ
در مخابرات برای دستگاه‌های پخش تلویزیونی
برای آزمایش کابل فشار قوی ای‌سی با طول زیاد (در صورت آزمایش با برق ای‌سی ظرفیت خازنی کابل به علت طول زیاد آن بالا رفته و جریان زیادی نیاز خواهیم داشت
معایب
مهم‌ترین عیب این سیستم گران بودن مبدل‌ها و همچنین محدودیت آنها در مقابل اضافه‌بارها است همچنین در خطوط کوتاه تلفات به وجود آمده در مبدل‌ها از یک شبکه ای‌سی با همان طول بیشتر است، بنابر این این سیستم در مسافت‌های کوتاه کاربردی ندارد و یا ممکن است صرفه‌جویی به وجود آمده در تلفات نتواند هزینه بالای نصب مبدل‌ها را جبران کند. در مقایسه با سیستمهای ای‌سی، کنترل این سیستم در قسمت‌هایی که شبکه دارای اتصالات زیادی است خیلی پیچیده‌است. کنترل توان جاری در یک شبکه پر اتصال دی‌سی نیازمند ارتباط قوی بین تمامی اتصال‌هاست چراکه همواره باید توان جاری در شبکه کنترل شود.
مبدل‌های گران قیمت: در هریک از دو انتهای خطوط انتقال اچ‌وی‌دی‌سی نیاز به مبدل‌های گران قیمت است.
توان راکتیو دراخوستی: کانورترها نیاز به توان راکتیو دارند. هم مبدل ای‌سی به دی‌سی و هم در مبدل دی‌سی به ای‌سی، در هر کدام از کانورترها توان راکتیو تلف می‌شود. در حالت ماندگار توان مصرفی حدود ۵۰ درصد توان اکتیو انتقالی است. در حالت گذرا این مقدار ممکن ا ست بسیار بیشتر باشد. بنابراین منابع توان راکتیو نزدیک کانورترها مورد استفاده قرار می‌گیرند. منابع توان راکتیو در سیستمهای فشارقوی جریان متناوب معمولاً به صورت خازن‌های موازی هستند و بسته به تقاضای وارد بر خط ارتباطی جریان مستقیم و بر سیستم جریان متناوب، بخشی از منبع توان راکتیو ممکن است به صورت کندانسور سنکرون با جبرانگر استاتیکی توان راکتیو مورد نیاز را فراهم می‌آورند.
تولید هارمونیک‌ها : ایجاد هارمونیک توسط کانورترها در ولتاژها و جریان‌ها، ممکن است موجب اضاقه حرارت خازن‌ها و ژنراتورهای نزدیک شود. هارمونیک‌ها همچنین ممکن است موجب تداخل با سیستمهای مخابرات شود، از این رو در هر دو طرف جریان متناوب و مستقیم از فیلتر استفاده می‌گردد.
مشکل در کلیدهای قدرت: می‌دانیم که در باز شدن کلید، قوس الکتریکی ایجاد می‌شود و بر اثر دور شدن کنتاکت‌ها از یکدیگر طول قوس بزرگتر می‌شود .در جریان متناوب در هر نیم پریود جریان صفر می‌شود. در این لحظه قوس سرد شده، امکان خاموش شدن آن وجود دارد. برای سرد شدن قوس از روغن یا گاز اس‌اف‌سیکس کمک می‌گیرند. در جریان دائم جریان صفر نمی‌شود، لذا قوس الکتریکی بین کنتاکت‌ها را نمی‌توان خاموش کرد، آزمایشهایی برا خاموش کردن قوس دائم با ولتاژ فشار قوی، از راههای مختلف انجام شده‌است ولی به مرحله‌ی استفاده صنعتی نرسیده‌است. پس در حالت کلی کلید برای جریان دائم وجود ندارد به طوریکه نمی‌توان یک شبکه فشار قوی دائم ساخت و خطوط را به انتها ولتاژ دائم به متناوب و متناوب به دائم تبدیل می‌شود.
مشکل در تبدیل سطوح ولتاژ: از نقایص خطوط اچ‌وی‌دی‌سی یکی این است که باید از ولتاژ ای‌سی، ولتاز دی‌سی شده ساخت و هنوز ژنراتور فشارقوی ولتاژ دائم با قدرت کافی ساخته نشده‌است. دیگر آن که تبدیل ولتاژ که در جریان متناوب با ترانسفورماتور انجام می‌شود در جریان دائم امکان پذیر نیست و در حالت دی‌سی ترانسفورماتور عمل افزایش یا کاهش را به دلیل صفر بودن تغییرات شار در حالت دی‌سی نمی‌تواند انجام دهد.
هزینه‌های مربوط به انتقال دی‌سی
شرکت‌های بزرگ ایجاد کننده این گونه خطوط مانند ای‌بی‌بی یا زیمنس هزینه مشخصی از اجرای طرح‌های مشابه در مناطق مختلف اعلام نکرده‌اند چراکه این هزینه بیشتر یک توافق بین طرفین است. از طرف دیگر هزینه اجرای این گونه طرح‌ها به طور گسترده‌ای به خصوصیات پروژه مانند: میزان توان شبکه، طول خطوط، نوع شبکه(هوایی یا زیرزمینی)، قیمت زمین در منطقه مورد بحث و... بستگی دارد.
با این حال برخی از شاغلین در این زمینه اطلاعاتی را بروز داده‌اند که می‌تواند قابل اعتماد باشد. برای خط انتقال ۸ مگاواتی کانال انگلستان(به انگلیسی: English Channel) با طول تقریبی ۴۰ کیلومتر، هزینه مربوط به قرار داد اولیه به تقریباُ به صورت زیر است: (جدای از هزینه‌های مربوط به عملیات آماده سازی ساحل، هزینه‌های مربوط به مالکیت زمین‌ها، هزینه بیمه مهندسین و...)
پست‌های مبدل، باهزینه تقریبی ۱۱۰ میلیون پند
کابل زیرآبی+ نصب، با هزینه تقریبی ۱ میلیون پند به ازای هر کیلومتر
بنابراین برای احداث شبکه انتقال ۸ گیگاواتی در چهار خط، هزینه‌ای تقریبی برابر ۷۵۰ میلیون پند نیاز است که باید دیگر هزینه‌های مرتبط با ساخت و بهره‌برداری خط به ارزش ۲۰۰ تا ۳۰۰ میلیون پند را هم به آن اضافه کرد.
اتصالات در سامانه ای‌سی
خطوط انتقال ای‌سی تنها می‌توانند به خطوط ای‌سی که دارای فرکانس برابر و تطابق زمانی یا فازی هستند متصل شوند. خیلی از شبکه‌هایی که به ایجاد اتصال تمایل دارند (مخصوصا شبکه‌های متعلق به دو کشور متفاوت) دارای شبکه‌های ناهماهنگ هستند. شبکه سراسری انگلستان و دیگر کشورهای اروپایی با فرکانس ۵۰ هرتز کار می‌کنند اما هماهنگ نیستند یا برای مثال در کشوری مثل ژاپن شبکه‌ها ۵۰ یا ۶۰ هرتز هستند. در سراسر جهان مثال‌های زیادی از این دست وجود دارد. در این حالت اتصال شبکه‌ها به صورت ای‌سی غیرممکن یا پرهزینه‌است، اما در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی امکان ایجاد اتصال بین شبکه‌های این چنینی وجود دارد.
این امکان وجود دارد که ژنراتورهای وصل شده به یک شبکه انتقال بلند ای‌سی دچار بی‌ثباتی شده و موجب اختلال در هماهنگی شبکه شوند. سیستم اچ‌وی‌دی‌سی استفاده از ژنراتورهای نصب شده در مناطق دورافتاده را عملی می‌کند. ژنراتورهای بادی مستقر در مناطق دور افتاده با استفاده از این سیستم می‌توانند بدون اینکه خطر ایجاد ناهماهنگی در شبکه به وجود آورند به شبکه اتصال یابند.
به طورکلی گرچه اچ‌وی‌دی‌سی امکان اتصال دو شبکه متفاوت ای‌سی را فراهم می‌کند اما هزینه ماشین‌آلات و تجهیزات مبدل از ای‌سی به دی‌سی و برعکس واقعاً قابل توجه‌است، بنابراین استفاده از این سیستم بیشتر در شبکه‌هایی که توجیه اقتصادی داشته باشد انجام می‌گیرد (مسافت دارای توجیه پذیری اقتصادی در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی برای خطوط زیر آبی در حدود ۵۰ کیلومتر و برای شبکه‌های هوایی بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر است).
اتصالات بین شبکه‌های جریان متناوب
با بکارگیری ترانسفورماتور، تنها شبکه‌های جریان متناوب سنکرون را می‌توان به هم متصل کرد؛ یعنی شبکه‌هایی که با سرعت یکسان و فاز مشابه نوسان می‌کنند. بسیاری از مناطقی که مایل به اشتراک‌گذاشتن توان‌هایشان هستند دارای شبکه‌ای غیر سنکرون هستند. ارتباطات جریان مستقیم به چنین مناطقی این امکان را می‌دهد که به هم متصل شوند. سیستمهای جریان مستقیمی که بر پایه ترانزیستورهای آی‌جی‌بی‌تی هستند اتصال سیستمهای غیر سنکرون جریان متناوب را ممکن می‌سازند و نیز امکان کنترل ولتاژ متناوب و عبور توان راکتیو را فراهم می‌آورند. حتی یک شبکه سیاه را می‌توان به این روش به شبکه مورد نظر متصل کرد.
سیستمهای تولید توان نظیر باتری‌های فتوولتاییک تولید جریان مستقیم می‌کنند. توربین‌های آبی و بادی تولید جریان متناوبی در فرکانسی وابسته به سرعت شاره‌ای که آنرا به حرکت در می‌آورد، می‌کنند. در حالت اول جریان مستقیم ولتاژ بالا را می‌توان مستقیما برای انتقال توان به کار برد. در حالت دوم ما دارای یک سیستم غیر سنکرون هستیم که به همین دلیل پیشنهاد می‌شود که از یک اتصال جریان مستقیم استفاده کنیم. در هر یک از این حالات ممکن است تشخیص داده شود که انتقال اچ‌وی‌دی‌سی مستقیما از نیروگاه تولید کننده به کار ببرند، به ویژه در صورتی که سیستم در مناطق نامساعد قرار داشته باشد.
به طور کلی یک خط توان اچ‌وی‌دی‌سی دو منطقه جریان متناوب از شبکه توزیع برق را به هم متصل می‌کند. ابزارهای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم گران هستند و هزینه قابل توجهی را در انتقال توان به خود اختصاص می‌دهند. تبدیل از جریان متناوب به جریان مستقیم را یکسوسازی و تبدیل از جریان مستقیم به جریان متناوب را اینورژن می‌نامند. برای فاصله‌ای بیش از یک فاصله معین (که حدود ۵۰ کیلومتر برای کابلهای زیر دریا و احتمالا ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر برای کابلهای هوایی است) کاهش هزینه ناشی از به کار گیری تجهیزات الکترونیک قدرت برای سیستم جریان مستقیم از هزینه این تجهیزات بیشتر است و عملاً به کاربری این سیستم در خطوط هوایی بسیار بلند مقرون به صرفه‌است. چنین فاصله‌ای که در آن هزینه‌ها با درآمدها برابر می‌شود را یک فاصله‌ی یربه‌یر (مساوی) می‌نامند. علم الکترونیک همچنین اجازه می‌دهد که توسط کنترل اندازه و جهت جریان توان، شبکه برق را مدیریت کنیم. بنابراین یک مزیت اضافی وجود ارتباطات اچ‌وی‌دی‌سی پایداری افزایش یافته بالقوه در شبکه انتقال است.
یک سو سازی و اینورت کردن
سیستمهای اولیه از یکسوسازهای آرک-جیوه استفاده می‌کردند که قابل اعتماد نبودند. برای اولین بار شیرهای تریستوری در ۱۹۶۰میلادی به کار گرفته شدند. تریستور یک نیمه‌هادی حالت جامد مشابه دیود است اما با یک ترمینال کنترلی اضافی که از آن در یک لحظه معین در سیکل جریان متناوب برای دادن فرمان به تریستور استفاده می‌شود. امروزه از ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده (آی‌جی‌بی‌تی) نیز به جای تریستور استفاده می‌شود. به دلیل اینکه ولتاژ در اچ‌وی‌دی‌سی گهگاه حول ۵۰۰ کیلوولت است و از ولتاژ شکست دستگاه‌های نیمه‌هادی بیشتر است، مبدل‌های اچ‌وی‌دی‌سی با استفاده از تعداد زیادی نیمه‌هادی ساخته می‌شوند که سری شده‌اند. با این کار عملاً ولتاژی که روی هر نیمه هادی می‌افتد کاهش می‌یابد و می‌توان از نیمه هادی‌های با ولتاژ شکست پایین‌تر که ارزان‌تر نیز هستند استفاده کرد. برای دادن فرمان به تریستورها نیاز به یک مدار فرمانی داریم که با ولتاژی پایین عمل می‌کند و می‌بایست از مدار ولتاژ بالای سیستم جدا شود. این کار معمولاً به صورت اپتیکی یا نوری انجام می‌شود. در یک سیستم کنترل هایبرید تجهیزات الکترونیکی ولتاژ پایین پالس‌های نوری را در طول فیبرهای نوری به بخش ولتاژ بالا کنترل الکترونیکی ارسال می‌کنند. یک عنصر کلیدزنی کامل بدون در نظر گرفتن ساختارش عموما یک شیر خوانده می‌شود.
مبدل‌ها
سیستمهای یک سو سازی و اینورتری
یکسوسازی و اینورژن اساسا یک مکانیزم را دارا هستند. بسیاری از پست‌های برق بگونه‌ای ساخته شده‌اند تا بتوانند هم به صورت یکسوساز و هم به صورت اینورتر عمل کنند. در سر جریان متناوب یک دسته از ترانسفورماتورها قرار داده می‌شوند که اغلب سه ترانسفورماتور تک‌فاز جدا از هم هستند که ایستگاه مورد نظر را از تغذیه جریان متناوب جدا می‌کنند تا بتوانند یک زمین محلی را ایجاد کنند و نیز یک ولتاژ مستقیم نهایی صحیح را تضمین کنند. سپس خروجی این سه ترانسفورماتور به یک پل یکسوساز شامل تعدادی شیر وصل می‌شود. ساختار اصلی شامل شش شیر است که هر سه شیر هر سه فاز را به یکی از دو سر ولتاژ مستقیم وصل می‌کند. اما به هر حال در این سیستم، به دلیل اینکه هر ۶۰ درجه یک تغییر فاز داریم یا به عبارتی یک ولتاژ شش پالسه داریم، هارمونیک‌های این ولتاژ هم قابل ملاحظه‌اند. یک ساختار بهبود یافته این سیستم از ۱۲ شیر (که اغلب به عنوان سیستم ۱۲ شیره شناخته شده) استفاده می‌کند. در این سیستم جریان متناوب ورودی را قبل از ترانسفورماتورها به دو بخش تقسیم می‌کنیم. یک بخش را به یک اتصال ستاره از ترانسفورماتورها اعمال می‌کنیم و بخش دیگر را به یک اتصال مثلث از ترانسفورماتورها در نظر می‌گیریم. در این صورت شکل موج خروجی این دو ترانسفورماتور سه‌فاز با هم ۳۰ درجه اختلاف فاز خواهد داشت. حال ۱۲ شیری که داریم هر یک از این دو دسته سه فاز را به ولتاژ مستقیم وصل می‌کنند و در این صورت هر ۳۰ درجه یک تبدیل فاز خواهیم داشت، یا یک ولتاژ ۱۲ پالسه خواهیم داشت که این به معنی کاهش قابل ملاحضه هارمونیک‌ها است. علاوه بر تغییر دادن ترانسفورماتورها و شیرها، می‌توان توسط اجزا راکتیو، پسیو و مقاومتی مختلفی برای حذف هارمونیک‌های موجود بر روی ولتاژ مستقیم استفاده کرد.
اجزای مبدل‌ها
در گذشته مبدل‌های اچ‌وی‌دی‌سی از یکسوکننده‌های قوس جیوه که غیر قابل اطمینان بودند، برای انجام یکسوسازی استفاده می‌کردند و هنوز هم استفاده از این یکسوسازها در برخی مبدل‌های قدیمی ادامه دارد. از درگاه‌های تیریستوری اولین بار در دهه ۱۹۶۰ برای یکسوسازی استفاده شد. تریستور نوعی قطعه نیمه‌هادی شبیه دیود است، با این تفاوت که دارای یک پایه اضافی برای کنترل جریان عبوری است. امروزه از آی‌جی‌بی‌تی که نوعی تریستور است نیز برای یکسوسازی استفاده می‌شود. این قطعه دارای قابلیت‌های بهتری از تریستورهای عادی است و کنترل آن اسانتر است که این قابلیت‌ها موجب کاهش قیمت تمام شده یک درگاه می‌شود.
از آنجایی که ولتاژ استفاده شده در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی در بسیاری موارد از ولتاژ شکست انواع نیمه‌هادی‌ها بیشتر است، برای ساخت مبدل‌های اچ‌وی‌دی‌سی از تعداد زیادی قطعات نیمه هادی به صورت سری استفاده می‌کنند.
سیستم کنترل ولتاژ که با ولتاژ نسبتاً پایینی کار می‌کند و وظیفه انتقال دستورها قطع یا وصل را به دیگر اجزا دارد باید به طور کامل از قسمت ولتاژ بالا جدا شود. این کار عموماً با استفاده از سیستمهای نوری انجام می‌پزیرد. در یک سیستم کنترل مرکب، قسمت کنترل برای انتقال دستورها از پالس‌های نوری استفاده می‌کند. عمل حمل این پالس‌ها به وسیله فیبرهای نوری انجام می‌گیرد.
عنصر کاملاً کنترل شده را بدون توجه به اجزای تشکیل دهنده، «درگاه» (والو) می‌نامند.
سامانه تبدیل از ای‌سی به دی‌سی و بر عکس
در سیستم اچ‌وی‌دی‌سی تیدیل از ای‌سی به دی‌سی و بر عکس تقریباً با تجهیزات مشابهی انجام می‌شود و در بسیاری پست‌های تبدیل، تجهیزات طوری نصب می‌شوند که بتوانند هر دو نقش را داشته باشند. قبل از وصل جریان ای‌سی به تجهیزات یکسوسازی ورودی مبدل از تعدادی ترانسفورماتور (ترانسفورماتور سربه‌سر) عبور می‌کند و سپس خروجی آنها به درگاه‌های یکسوسازی وارد می‌شود. دلیل استفاده از این ترانسفورماتورها ایزوله کردن پست تبدیل از شبکه ای‌سی و به وجود آوردن زمین (به انگلیسی: Earthing) داخلی است. در پست تبدیل وظیفه اصلی بر عهده درگاه‌هاست. در ساده‌ترین حالت یک یکسوساز از شش درگاه تشکیل شده‌است که دو به دو به فازهای ای‌سی متصل شده‌اند. ساختمان یکسوساز به صورتی است که هر درگاه در هر سیکل تنها در طول ۶۰ درجه هادی است و به این صورت وظیفه انتقال توان در هر سیکل ۳۶۰ درجه‌ای به طور مساوی بین شش درگاه تقسیم می‌شود. با افزایش درگاه‌ها تا ۱۲ عدد می‌توان یکسوساز را طوری طراحی کرد که هر ۳۰ درجه درگاه‌ها عوض شوند و بدین ترتیب ظرفیت یکسوسازی هر درگاه افزایش می‌یابد و هارمونیک‌های تولیدی یکسوساز به شدت کاهش می‌یابند.
دستگاه میگر HVDC Tester
میگر دستگاهی است که برای اندازه‌گیری مقاومتهای بسیار زیاد استفاده می‌شود. روشن عملکرد این دستگاه شبیه به اهم‌متر است با این تفاوت که به جای چند ولت چند کیلوولت بر روی قطعه مورد آزمایش اعمال کرده و در نتیجه قادر است مقاومتهای بسیار بالاتر را با دقت بهتر نشان بدهد. از طرفی این دستگاه قادر است نشت عایقی را که در اثر تغییر خواص مواد عایقی (به طور مثال کابل فشارقوی و یا مقره‌ها) را عیان نماید. قبل از راه‌اندازی شبکه‌های فشار متوسط، لازم است آن را مورد تست قرار داد. با توجه به توان کم این دستگاه در صورت خرابی شبکه هم آسیب زیادی به قطعات معیوب وارد نشده و هم شبکه از تنش حاصل از قطع و وصل کلیدزنی‌های نابجا در امان خواهد بود.
اصول عملکرد دستگاه
این دستگاه با استفاده از برق ۱۲ ولت یک باطری شارژی کار کرده و با تبدیل آن توسط مدار سوئیچینگ و کنترلهای پیوسته ولتاژی مناسب با میزان تنظیم شده توسط کاربر تولید می‌نماید. این ولتاژ توسط مدارهای کنترل جریان به شدت و سرعت کنترل می‌شود به طوری که به محض افزایش جریان از حد مجاز و یا اتصال کوتاه به سرعت ولتاژ مورد نظر تا حد مورد اطمینان کاهش می‌یابد. این عمل برای حفاظت سیستمهای درونی و همچنین قطعات مورد آزمایش می‌باشد.
کاربردها و توانمندی‌های HVDC TESTER
جلوگیری از سوئیچینگ‌های مکرر در شبکه هنگام عیب‌یابی
تستهای فشارقوی درموارد تعمیرات در شبکه قبل از اتصال برق اصلی به سیستم جهت طمینان از عملکرد صحیح سیستم
جلوگیری از استهلاک تجهیزات گرانقیمت (ماشینهای عیب‌یاب) در مانورهای مکرر و متوالی
تستهای خطوط هوایی و عیب‌یابی در شبکه
بازبینی و نظارت مستمر در سیستمهای ولتاژ بالا
بالا بردن عمر مفید تجهیزات مصرفی در خطوط هوایی
تستهای استقامت عایقی دی‌سی جهت راه‌اندازی شبکه‌های توزیع
آزمایش‌ها عایق‌بندی ژنراتورها و الکتروموتورهای فشارقوی
تشخیص سلامت عایق هنگام انجام تعمیرات روی کابلهای زمینی
آزمایش مفصل‌بندی و سرکابلهای فشارقوی
امکان بازبینی و تستهای نظارتی هنگام تحویل و دریافت کالا از انبار تجهیزات
معرفی تجهیزات دستگاه
کلید اصلی دستگاه. حالت ۱ : تغذیه خارجی V DC۱۲ (باتری اتومبیل) حالت ۲ : تغذیه داخلی (باتری داخلی)
ولوم تنظیم ولتاژ خروجی؛
ولوم تنظیم زمان (تایمر)
نمایشگر ولتاژ خروجی
نمایشگر جریان خروجی مدار ولتاژ بالا
کلید فشاری روشن کردن خروجی فشارقوی
کلید فشاری خاموش نمودن فشارقوی دارای لامپ نمایشگر روشن بودن دستگاه (HV ON) به همراه فیوز ۲ آمپر
کلید تنظیم رنج آمپرمتر
ورودی تغذیه ۱۲ولت بیرونی
ریست تایمر
نمایشگر شارژ باتری
فیوز تغذیه بیرونی
خروجی فشارقوی
اتصال زمین
ورودی ۲۲۰ولت شارژ داخلی
خط انتقال هوایی
خط انتقال هوایی نوعی از خط انتقال است که در آن از دکلها و تیرها برای نگه داشتن کابلها بالای سطح زمین استفاده می‌شود. از آنجایی که در این گونه خطوط از هوا به عنوان عایق کابلها استفاده می‌شود این روش انتقال یکی از کم هزینه‌ترین و رایج‌ترین روش‌های انتقال است. دکلها و تیرهایی که برای نگهداشتن کابلها استفاده می‌شود می‌توانند از جنس چوب، فولاد، بتون، آلومینیوم و در برخی موارد پلاستیک مسلح باشند. به طور کلی کابلها مورد استفاده در خطوط هوایی از جنس آلومینیوم هستند (که البته با نواری از فولاد در داخل مسلح شده‌اند). از کابلهای مسی در برخی خطوط انتقال ولتاژ متوسط و ولتاژ پایین و محل اتصال به مصرف‌کننده استفاده می‌شود.
اختراع مقرههای جداکننده نقش مهمی در امکان افزایش ولتاژ انتقال در خطوط هوایی داشت. در سال‌های پایانی قرن ۱۹ میلادی بیشینه ولتاژ قابل انتقال با مقرههای سوزنی به ۶۹ کیلوولت می‌رسید اما امروزه امکان انتقال انرژی الکتریکی در ولتاژهای بالاتر از ۷۶۵ کیلوولت و حتی ولتاژهای بالاتر وجود دارد.
خطوط انتقال هوایی معمولاً با توجه به سطح ولتاژشان به این صورت طبقه‌بندی می‌شوند:
ولتاژ پایین: ولتاژهای پایین‌تر از ۱۰۰۰ ولت. مورد استفاده در اتصالات و ارتباطات به مصرف کننده‌های خانگی و تجاری کوچک.
ولتاژ متوسط (توزیع): ولتاژهای بین ۱ تا ۳۳ کیلو ولت. مورد استفاده برای انتقال در مناطق شهری یا روستایی.
ولتاژ بالا (انتقال میانی): ولتاژهای بین ۳۳ تا ۲۳۰ کیلوولت. مورد استفاده برای خطوط انتقال میانی.
ولتاژ خیلی بالا (انتقال): ولتاژهای بین ۲۳۰ تا ۸۰۰ کیلوولت. مورد استفاده برای خطوط انتقال طولانی.
ساختار
ساختار یک خط هوایی می‌تواند با توجه به نوع خط شکل‌های بسیار متفاوتی به خود بگیرد. این ساختار می‌توان به سادگی یک سری از تیرهای چوبی باشد که دارای یک یا چند میله صلیبی برای نگه داشتن کابلها باشد. در ولتاژهای بالا نگه دارنده کابلهای معمولاً یک دکل فلزی است که از شبکه منظمی از قطعات کوچکتر ساخته شده‌است. در مناطق دور افتاده و خاصی که امکان حمل دکلها از زمین وجود ندارد از تیرهای آلمینیومی استفاده می‌شود و آنها را با بالگرد به محل منتقل می‌کنند.
استفاده از هر روش با توجه به خصوصیات محیط و خط و همچنین وزن کابلها انجام می‌گیرد. در یک پروژه بزرگ انتقال ممکن است از انواع مختلفی از تیرها و دکلها استفاده شود. در محل‌های تغییر زاویه خط و محل‌های انتهای خط باید از روش‌های مختلفی برای نگه داشتن تیرها و دکلها استفاده شود و در این محل‌ها از تیرهای کاملا متفاوتی استفاده می‌شود. در محل‌های گذرگاه خط از یک جاده یا رودخانه مهم هم باید از دکل‌های خاصی استفاده کرد.
پیریزی دکلها انتقال می‌تواند بسیار پر هزینه باشد، به ویژه اگر زمین مانند زمین‌های مرطوب برای نگهداشتن دکل ضعیف باشد. در برخی موارد پی دکلها با استفاده از سیم‌های فولادی به دقت در پی محکم می‌شود.
مقره‌ها
مقره‌ها باید این قابلیت را داشته باشند که ولتاژ نامی شبکه و ولتاژهای لحظه‌ای ناشی از کلیدزنی یا رعدوبرق را تحمل کنند. در ساده‌ترین حالت می‌توان مقره‌ها را به دودسته تقسیم کرد مقرههای سوزنی شکل که هادی یا کابل را بالای خود نگه می‌دارند و مقرههای آویزان که کابل را از پایین می‌گیرند. تا ولتاژ ۳۳ کیلوولت استفاده از هر دو نوع متعارف است اما در ولتاژهای بالاتر از ۳۳ کیوولت بیشتر از مقرههای آویزان استفاده می‌شود. مقره‌ها معمولاً از جنس چینی، شیشه فشرده و یا پلاستیک ساخته می‌شوند.
مقرههای آویزی از چندین لایه یا بشقاب تشکیل شده‌اند که با افزایش تعداد لایه میزان ولتاژ قابل تحمل آنها افزایش می‌یابد. تعداد لایه‌های این مقره‌ها با توجه به خصوصیات مختلف خط مانند ولتاژ خط، احتمال برخورد رعد و برق، ارتفاع دکل و خصویات محیط مانند میزان رطوبت و آلودگی هوا انتخاب می‌شود. از طرف دیگر مقره‌ها باید از نظر مکانیکی استحکام کافی را برای تحمل وزن کابلها و همچنین فشار اضافی ناشی از برف یا باد داشته باشند.
مقرههای چینی ممکن است با لعابی نیمه‌هادی پوشیده شده باشند تا به این ترتیب جریان نشتی کوچکی (در حد چند میلی‌آمپر) از سطح مقره عبور کند. این جریان موجب گرم شدن سطح مقره و خشک نگه داشتن آن خواهد شد. این لایه نیمه‌هادی همچنین باعث خواهد شد تا در صورت ایجاد جرقه، جرقه مسیر طولانی‌تری را بر روی سطح مقره طی کند.
هادی‌ها
بالمارکر
برخی از خطوط انتقال هوایی دارای یک گوی تک‌رنگ در میانهٔ خود هستند که بالمارکر نام دارد، این توپ‌ها معمولا برای هشدار به هواپیماها یا هلیکوپترهایی که در حال فرود اضطراری هستند استفاده می‌شود تا با کابل‌هایی که از روی بزرگراه‌ها رد شده‌اند برخورد نکنند. وجود این توپ‌ها برای همخوانی با توصیه‌های ایکائو لازم است.
مقره
مَقَرّه یا گیرهٔ چینی پایه عایقی است که در دکل‌های انتقال برق در محل اتصال کابلهای برق با دکل بکار می‌رود.
در خطوط انتقال نیرو لازم است هادی‌های تحت ولتاژ به نحوی از برج‌ها ایزوله شوند و برای این کار از مقره‌ها استفاده می‌شود. این مقره‌ها دو وظیفه عمده دارند:
وظیفه اصلی مقره‌ها، ایزوله کردن هادی از بدنه برج می‌باشد. این مقره‌ها باید بتوانند بدون داشتن جریان نشتی، ولتاژهای بالای خطوط انتقال را از بدنه برج ایزوله نمایند.
مقره‌ها باید تحمل نیروهای مکانیکی حاصل از وزن هادی‌ها و نیروهای اعمالی ناشی از باد و یخ را داشته باشند.
جنس مقره‌ها و طراحی شکل آنها
متداول‌ترین جنس مقرههای مورد استفاده در صنعت برق عبارتند از
مقرههای چینی
این مقره‌ها از ترکیبات آلکالین و سیلیکات آلومینیوم ساخته شده‌است. جهت بالا بردن استقامت مکانیکی چینی به آن اکسید آلومینیوم اضافه می‌کنند. مقرههای چینی هم به صورت بشقابی و هم به صورت یکپارچه ساخته می‌شوند.
مقرههای شیشه‌ای
از شیشه نیز در ساخت مقره‌ها استفاده می‌شود ولی به دلیل پایین بودن استقامت مکانیکی شیشه لازمست به طریقی آن را تقویت نمود. یک روش، سرد کردن سریع شیشه پس از شکل دادن آن می‌باشد که با این روش سطح خارجی مقره سخت شده، موجب افزایش استقامت مکانیکی آن می‌شود. اشکال این نوع مقره‌ها این است که در مقابل ضربات مستقیم شکننده می‌باشد و با کوچکترین ضربه مستقیم، مقره کاملاً خرد می‌شود.
مقرههای پلاستیکی
این مقره‌ها از جنس پلاستیک و از ترکیبات شیمیائی اتیلن، پروپیلن و رزین می‌باشد. مزیت این مقره‌ها در دفع خوب آب می‌باشد زیرا پلاستیک این مزیت را دارد که قطرات آب روی سطح آن جاری نمی‌شود تا با قطرات دیگر ترکیب شده مسیری را برای هدایت قوس فراهم کند. در صورتی که در مقرههای چینی و شیشه‌ای آب به راحتی روی سطح مقره جاری می‌شود.
طراحی شکل مقره‌ها
ولتاژ اعمالی بر مقره‌ها و عملکرد آن در مقابل اضافه ولتاژها شکل و فرم مقره را تعیین می‌نماید. شکست الکتریکی بر روی مقره‌ها به دو صورت انجام می‌گیرد.
در داخل مقره جرقه‌ای زده شده و موجب سوراخ شدگی و از بین رفتن خاصیت عایقی مقره می‌شود.
تخلیه در سطح عایق صورت می‌گیرد و جرقه‌هایی در سطح آن زده می‌شود و به این ترتیب ارتباط الکتریکی در طرفین عایق برقرار می‌شود. که رطوبت و آلودگی در سطح مقره در این نوع تخلیه تاثیر گذارند.
مواردی که در ساخت مقره رعایت می‌شود به شرح زیر است:
سطح مقره باید کاملاً صاف و صیقلی باشد تا امکان نشستن گرد و غبار و آلودگی روی آن به حداقل برسد.
سطح مقره باید این قابلیت را داشته باشد که هنگام ریزش باران شسته شود و باران روی آن نماند.
جهت جلوگیری از جریان نشتی لازم است طول خزشی مقره‌ها (Creepage distance) افزایش یابد.
طول خزشی مقره عبارت است از کوتاهترین مسیری که لازمست جرقه برای رسیدن از ابتدا تا انتهای مقره طی کند. هر چه این مسیر طولانی تر باشد امکان ایجاد قوس کمتر می‌شود. افزایش این مسیر موجب سنگین شدن مقره می‌شود، بنابراین مقره را به صورت دندانه دندانه می‌سازند و به این ترتیب طول مقره را کوتاهتر بوده ولی مسیر عایقی آن افزایش می‌یابد.
چون تخلیه نوع اول موجب از بین رفتن مقره می‌شود باید به هر شکل ممکن از آن جلوگیری کرد. برای این کار باید فاصله بین قسمت‌های فلزی بالا (cap) و پایین (pin) به اندازه‌ای انتخاب شود تا قبل از وقوع جرقه در داخل مقره، جرقه سطحی زده شود و از تولید جرقه در داخل مقره جلوگیری شود.
نوع مقره باید با توجه به شرایط محیطی انتخاب شود و همچنین مسائل اقتصادی نیز در نظر گرفته شود.
انواع مختلف مقره‌ها
مقره‌ها بر حسب کاربرد و سطح ولتاژ به کار رفته انواع مختلفی دارند.
مقره چرخی
جنس این نوع مقره‌ها می‌تواند از چینی، شیشه یا پلاستیک باشد. این مقره‌ها به صورت یک شیاره یا دو شیاره می‌باشند و بیشتر در ولتاژهای توزیع(منظورولتاژهای فشار ضعیف 220تا400ولتمی باشد) کاربرد دارند. تعداد شیارها بستگی به سطح ولتاژ دارد.
مقره سوزنی
جنس این نوع مقره‌ها می‌تواند از چینی، شیشه یا پلاستیک باشد. از این نوع مقره در برج‌های میانی و تا ولتاژ ۳۳ کیلو ولت استفاده می‌شود. جهت ارتباط این نوع مقره‌ها با پایه فلزی، از یک فلز نرم تر به عنوان رابط استفاده می‌شود تا حرکات و تنش‌های ناگهانی باعث شکسته شدن مقره نشود. همچنین می‌توان این مقره را به صورت افقی نصب نمود.
مقره بشقابی
این نوع مقره از جنس شیشه و یا چینی و به شکل دیسک بوده و از نظر کاربرد نیز رایج‌ترین مقره در خطوط هوایی انتقال انرژی می‌باشد. این مقره‌ها به صورت زنجیره مقره استفاده می‌شوند که تعداد دیسک‌ها در زنجیر مقره بستگی به سطح ولتاژ، محل استفاده و اضافه ولتاژ دارد. ارتباط این دیسک‌ها با دیسک دیگر توسط دو قطعه فلزی که با پودر سیمان و شیشه و چسب مخصوص به مقره محکم می‌شود، صورت می‌گیرد. این نوع مقره بسته به نحوه اتصال به یکدیگر و با توجه به شکل آنها در انواع مختلف وجود دارد.
مقره بشقابی استانداد
این مقره خود انواع مختلفی دارد. مقرههای نوع کلاهکی (Ball & Socket Type Insulator) و مقرههای نوع شیار و زبانه (Tongue & Clevis Type Insulator).
مقره بشقابی ضد مه (Anti Fog Insulator)
این مقره در مناطق آلوده و مه آلود که به فاصله خزشی بیشتری نیاز دارند استفاده می‌شود. در این مقره شیارهای پایین بزرگتر از شیارهای مقرههای معمولی می‌باشد. ولی وزن آنها زیادتر بوده و موجب افزایش نیروی مکانیکی روی برج می‌شود.
مقرههای بشقابی آئرودینامیک (Aerofoil Insulator)
این مقره‌ها در مناطق بادگیر استفاده می‌شود زیرا سطح بادگیر کمتری نسبت به دیگر مقره‌ها دارد و در زنجیر مقره انحراف زاویه کمتری داشته و نیروهای وارده به برج کم می‌شود. به علت فاصله خزشی کم این نوع مقره، جهت حفظ ایزولاسیون در زنجیر مقره از تعداد بیشتری از این نوع استفاده می‌شود که اینکار باعث افزایش هزینه خواهد بود.
مقره زنگوله‌ای شکل (Bell Type Insulator)
این مقره به شکلی ساخته می‌شود که امکان نشستن گرد و خاک و آلودگی روی آن حداقل باشد. از این مقره در مناطق استفاده می‌شود که آلودگی زیاد است و باران کم می‌بارد.
مقرههای یکپارچه (Long rod Insulator)
این مقره‌ها به شکل استوانه‌ای بلند بوده که دارای شیارها و برآمدگی‌هایی است. جنس این مقره‌ها معمولاً از چینی و سرامیک است و به دو صورت توپر (solid core sylindrical posts) و تو خالی (Hollow Insulator) ساخته می‌شود. این مقره‌ها می‌توانند به صورت‌های مختلفی به هم وصل شوند. (عمودی یا مایل)
مقرههای بوشینگ (Bushing Insulator)
این نوع مقره‌ها مانند مقرههای یکپارچه می‌باشد با این تفاوت که قطر ابتدا و انتهای آن متفاوت است. از این نوع مقره در ترانس‌ها استفاده می‌شود که محل اتصال مقره به ترانس دارای قطر بیشتری است.
آرایش مقره‌ها در زنجیره
مقرههای بشقابی با توجه به نیروی مکانیکی و سطوح ولتاژ به صورت تیپ ساخته می‌شوند. با توجه به سطح ولتاژ و نیروی مکانیکی نحوه اتصال و تشکیل زنجیره مقره‌ها متفاوت و به شرح زیر است.
زنجیره مقرههای آویزی (Suspension String)
این نوع زنجیره مقره دارای انواع مختلف می‌باشد.
زنجیره مقره آویزی (I - String)
این زنجیره در مواردی استفاده می‌شود که نیروی مکانیکی چندان زیاد نباشد. معمولاً در هادی‌های تک سیمه از آن استفاده می‌شود.
زنجیره مقره آویزی دوبل (II - String)
در این فرم جهت بالا بردن استقامت مکانیکی، دو ردیف زنجیری مقره به موازات یکدیگر و به شکل II مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولاً در هادی‌های باندل از این تیپ استفاده می‌شود.
زنجیره مقره آویزی V شکل (V - String)
در مناطق با سرعت باد زیاد، نوسانات بوجود آمده بر روی زنجیره مقره و در نتیجه انحراف بیش از حد آن می‌تواند منجر به کاهش فاصله ایزولاسیون گردیده و در نتیجه بروز قوس الکتریکی و اختلال در برق رسانی را به دنبال آورد. جهت جلوگیری از این مشکلات در این مناطق از زنجیری مقره V استفاده می‌شود تا از نوسانات زنجیره مقره جلوگیری شود. در زنجیره مقره V شکل معمولاًٌ طول دو بازو برابر می‌باشد. اما در مواردی که به دلیل زاویه خط نیاز به بازوهای متفاوت باشد، می‌توان با کاهش و یا افزایش طول یک بازو به این حالت دست پیدا کرد. معمولاً زاویه بین دو بازو در زنجیره مقره بین ۹۰ تا ۱۰۰ درجه می‌باشد.
زنجیره مقره آویزی V شکل دوبل (Double V - String)
برای داشتن استقامت مکانیکی بیشتر، زنجیره مقره V شکل می‌تواند به صورت دوبل نصب شود.
زنجیره مقره کششی (Tension String)
در برج‌های کششی، مقره‌ها بصورت زنجیره مقره وظیفه اتصال هادی به برج را به عهده دارمد. این زنجیره مقره‌ها می‌توانند به صورت دوبل یا سه تایی و یا بیشتر مورد استفاده قرار گیرند که انتخاب آن بستگی به تعداد هادی‌های هر فاز و همچنین شرایط بارگذاری و نوع مقره دارد.
زنجیره مقره جامپر (Jumper Insulator String)
این زنجیره مقره، سیم جمپر ارتباطی فازها را در برج کششی به صورت آویزی نگه داشته و از حرکت جانبی آن جلوگیری می‌کند. نیروی مکانیکی وارده به این نوع زنجیره چندان قابل ملاحظه نیست.
قوس الکتریکی
قوس الکتریکی حالتی از تخلیه الکتریکی در هوا یا دیگر محیط‌هایی است که معمولاً نارسانا هستند.زمانی که جریان الکتریکی توسط هوای بین دو رسانا که مستقیماً با هم در تماس نیستند منتقل شود، قوس الکتریکی ایجاد می شود.این قوس به ولتاژ، هدایت الکتریکی محیط و فاصله بین دو رسانا بستگی دارد.
تاریخچه
سال ۱۸۰۲ دانشمندی روسی به نام واسیلی ولادیمیروویچ پتروف پی برد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل کنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود. و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولادیمیروویچ قوس ولتا نامیده شود.
فرایند
جریان الکتریکی از جاری شدن الکترون‌ها در یک مسیر رسانا به وجود می‌آید. هرگاه در چنین مسیری یک شکاف هوا (گاز) ایجاد شود جریان الکترونی و در نتیجه جریان الکتریکی قطع خواهد شد. چنانچه شکاف هوا به اندازه کافی باریک و اختلاف پتانسیل و شدت جریان زیاد باشد، گاز میان شکاف یونیزه شده و قوس الکتریکی برقرار می‌شود.
قوس الکتریکی برای روشنایی و جوشکاری بکار می‌رود.
تخلیه الکترواستاتیکی
تخلیه الکترواستاتیکی (ESD)، پدیدهٔ لحظه‌ای و ناگهانی از جریان الکتریکی است که میان دو جسم با پتانسیل الکتریکی متفاوت اتفاق می‌افتد. این اصطلاح معمولا در صنایع الکترونیک و دیگر صنایع برای توصیف گذر جریان الکتریکی ناخواسته که ممکن است به دستگاه‌های الکترونیکی آسیب زند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ESD یک مسئلهٔ مهم در الکترونیک حالت جامد، مثلا در تراشه است. مدارهای یکپارچه از مواد نیمه هادی مانند سیلیسیم و مواد عایقی مانند سیلیس ساخته شده اند. هر کدام از این مواد ممکن است بر اثر ولتاژ بالا آسیب دائم ببینند؛ در نتیجه، در حال حاضر تعدادی دستگاه آنتی‌استاتیک وجود دارند که از تولید استاتیک جلوگیری می‌کنند.
نیروگاه
نیروگاه برق (که با نام کارخانه برق هم شناخته می‌شود) مجموعه‌ای از تأسیسات صنعتی است که از آن برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.
وظیفه اصلی یک نیروگاه تبدیل انرژی از دیگر شکل‌های آن مانند انرژی شیمیایی، انرژی هسته‌ای، انرژی پتانسیل گرانشی و... به انرژی الکتریکی است. وظیفه اصلی در تقریباً همه نیروگاه‌ها بر عهده مولد یا ژنراتور است؛ ماشینی دوار که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای چرخاندن یک ژنراتور از راههای مختلفی تامین می‌شود و عموماً به میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.
نیروگاه حرارتی
در یک نیروگاه حرارتی انرژی مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن مولدها به وسیله حرارتی که معمولاً از سوختن سوخت‌ها به وجود می‌آید تامین می‌شود. بیشتر نیروگاه‌های حرارتی (در حدود ۸۶ درصد آنها) از بخار برای انتقال حرارت و ایجاد انرژی مکانیکی استفاده می‌کنند و به همین دلیل این نیروگاه‌ها را نیروگاه‌های بخاری نیز می‌نامند. بر طبق قانون دوم ترمودینامیک هرگز نمی‌توان تمامی انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرد بنابر این همیشه مقداری از حرارت اضافی در محیط آزاد می‌شود، حال اگر از این حرارت برای انجام فرایندهای صنعتی یا گرمایش ناحیه‌ای استفاده کنیم می‌توانیم راندمان استفاده از انرژی را بالا ببریم، این روش که در برخی تأسیسات حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم ترکیبی گرما و نیرو یا CHP نام دارد. یکی از کاربردهای این روش که بیشتر در خاورمیانه مورد استفاده قرار می‌گیرد استفاده از انرژی حرارتی اضافی برای نمک زدایی آب است.درنمک زدایی آب دریا نیازبه حجم زیاد بخاربا فشارکم می باشدکه ازچرخه ترکیبی بدون مشعل بایداستفاده کرد.
طبقه‌بندی
طبقه‌بندی نیروگاه‌ها براساس نوع سوخت مصرفی و عامل محرک به صورت زیر است.
طبقه بندی از نظر نوع منبع انرژی
نیروگاه هسته‌ای که از یک راکتور هسته‌ای برای تولید گرما و چرخاندن توربین‌های بخار استفاده می‌کند.
نیروگاه سوخت فسیلی که انرژی گرمایی مورد نیاز را از سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی یا زغال سنگ تامین می‌کند.
نیروگاه‌هایی که از منابع انرژی‌های تجدید پذیر استفاده می‌کنند وانرژی مورد نیاز خود را از انرژی بادی، انرژی خورشیدی، انرژی جزر و مد دریا، انرژی حرارتی موجود در آبهای اعماق زمین، و بیومس (سوزاندن ضایعات مزارع نیشکر، زباله‌های شهری، بیوگازها و دیگر منابع این چنینی) تامین می‌کند.
طبقه‌بندی از نظر نوع عامل محرک
توربین بخار: در این دستگاه‌ها از فشار دینامیکی بخار برای چرخاندن پره‌های دستگاه استفاده می‌شود. تقریباً همه توربین‌های بزرگ غیر آبی از این نوع هستند.
توربین گازی: در این دستگاه‌ها از گاز به عنوان عامل محرک استفاده می‌شود. به عبارت دیگر این توربین‌ها از فشار گازهای ناشی از سوختن سوخت‌ها برای به حرکت درآمدن استفاده می‌کنند. مزیت این توربین‌ها در قابلیت راه‌اندازی سریع آنهاست و از این رو برای جبران مصرف بالا در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) از آنها استفاده می‌شود اما با این حال هزینه‌های مربوط به این توربین‌ها بالاست و بنابراین استفاده از آنها محدود است.
چرخه مرکب: در این چرخه از ترکیبی از توربین‌های گازی و بخار استفاده می‌شود به این ترتیب که با سوختن سوخت از گازهای ایجاد شده برای به حرکت درآوردن توربین‌های گازی و از گرمای تولیدی از سوختن برای بخار کردن آب و به حرکت درآوردن توربین‌های بخار استفاده می‌شود. استفاده از این روش به علت بازده بالای آن به سرعت در حال افزایش است.
موتور احتراق داخلی: به طور کلی از این موتورها برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کوچک استفاده می‌شود. کاربرد این موتورها تنها به مناطق دورافتاده و سامانه‌های پشتیبانی مورد استفاده در بیمارستان‌ها، ساختمان‌های اداری و مراکز حساس محدود می‌شود. سوخت مورد استفاده در این موتورها را گازوئیل، نفت سنگین، گاز طبیعی و بیوگاز تشکیل می‌دهد.
خنک کنندگی
به دلیل محدودیت‌های موجود در اصول گرماپویشی (ترمودینامیک) هر نیروگاه گرمایی مقداری انرژی را به صورت انرژی اتلافی از دست می‌دهد. در نیروگاه‌های هسته‌ای و یا برخی نیروگاه‌های گرمایی بزرگ از لوله‌های بسیار بزرگ هذلولی شکل برای آزاد کردن حرارت و یا بخار آب در جو استفاده می‌شود. در پالایشگاه‌ها، صنایع نفتی و برخی از نیروگاه‌های حرارتی بزرگ از یک سامانهٔ خنک‌کنندگی با فشار هوا استفاده می‌شود. در این نوع سامانه با استفاده از گردش هوای مصنوعی که به وسیله یک بادزن ایجاد می‌شود، گرمای تولیدی از یک فرایند به آب منتقل می‌شود. در این روش به برج‌های خنک کننده بلند و هذلولی شکل نیاز نخواهد بود و سیستم خنک کننده بیشتر شبیه یک اتاقک مستطیل شکل است.
در بیابان‌ها و مناطق خشک نیاز به یک رادیاتور یا برج خنک‌کننده خشک خیلی ضروری‌تر است چرا که هزینه فراهم آوردن آب برای یک سامانهٔ خنک‌کنندگی با تبخیر آب بسیار بالا خواهد بود. استفاده از روش‌های خنک کنندگی خشک در مقایسه با روش‌های خنک کنندگی با تبخیر آب دارای بازده پایین‌تر و نیاز به مصرف انرژی بیشتر در فن‌هاست.
در مواردی که از نظر اقتصادی و محیط زیست مانعی وجود نداشته باشد، استفاده از آب دریا، دریاچه، رودخانه و در صورت امکان حوضچه‌های مصنوعی می‌توان مفیدتر باشد چرا که با این کار نیازی به ساخت برج‌های خنک کننده و یا پمپ کردن آب تا تبادل‌گرهای حرارتی نخواهد بود. البته باید به این نکته هم توجه داشت که آب بازگشتی از این فرایند می‌تواند موجب ایجاد آلودگی گرمایی گردد.
دیگر منابع انرژی
بجز استفاده از سوخت‌ها راههای دیگری نیز برای تولید انرژی الکتریکی وجود دارد، در این روش‌ها برای تامین انرژی اولیه از منابعی مانند انرژی موج، انرژی کشند، انرژی باد، انرژی تابش آفتاب یا انرژی پتانسیل گرانشی آب (هیدروالکتریسیته) استفاده می‌شود.
هیدروالکتریسیته
هیدروالکتریک یا تولید انرژی الکتریکی از انرژی پتانسیل گرانشی آب، فرایندی است که در آن با استفاده از نگه داشتن آب پشت یک سد و افزایش انرژی پتانسیل آن، از این انرژی پتانسیل برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. در این فرایند از توربین‌های آبی برای انتقال انرژی آب به مولدها استفاده می‌شود.
ذخیره انرژی هیدروالکتریک
این روش در واقع نوعی متعادل‌کننده مصرف در شبکه الکتریکی است که موجب کاهش یافتن هزینه تولید برق می‌شود. در این روش در طول ساعات کم مصرف شب از انرژی تولیدی نیروگاه برای پمپ کردن آب به مخازن بلند استفاده می‌شود و در واقع با این کار انرژی الکتریکی به انرژی پتانسیل آب تبدیل می‌گردد. با شروع ساعات پرمصرف یا ساعات اوج، چرخه وارونه خواهد شد یعنی آب موجود در مخازن پایین آمده و موجب تولید انرژی الکتریکی و ایجاد تعادل در شبکه می‌شود.
1:53 am
کاربرد شیمی
در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم، کشفیاتی در زمینهٔ زیست‌شناسی صورت گرفت که از آنها می‌توان به کشف بزاق و نحوهٔ تبدیل نشاسته به شکر اشاره کرد. ولی هنوز جزئیات شیمیایی دقیقی دربارهٔ آنها شناخته‌نشده‌بود. در قرن نوزدهم لویی پاستور در حین تحقیق دربارهٔ تخمیر شکر به الکل متوجه شد که عملیات تخمیر توسط یک ماده موجود در مخمر کاتالیز می‌شود. او گفت: «تخمیر الکلی وابسته به حیات یاخته‌های موجود در مخمر است نه مرگ یا فاسد شدن یاخته‌ها»
سال ۱۸۷۸ ویلهلم کان، دانشمند آلمانی آنزیم را کشف کرد. کشف آنزیم پلی میان شیمی و زیست‌شناسی بود.* اما موفقیت اصلی در اکتشافات زیست‌شناسی زمانی به دست آمد که در سال ۱۹۵۳ جیمز واتسون و فرانسیس کریک توانستند ساختار مارپیچ دی‌ان‌ای را با مدل‌هایی الهام‌گرفته از دانش شیمی و پراش پرتو ایکس که روزالیند فرانکلین آن را انجام داد، توجیه کنند.
در همان سال آزمایش میلر-یوری نشان داد که آمینواسیدها واحدهای سازندهٔ پروتئین هستند که خود می‌توانند بر اساس فرایندهای طبیعی کهن روی زمین، از مواد اولیهٔ ساده‌تر ساخته‌شوند.
در سال ۱۹۸۳ کری مولیس روشی برای تولید دی‌ان‌ای ابداع کرد که انقلابی در فرایندهای شیمیایی بود و به واکنش زنجیره پلیمراز یا PCR معروف است.
کاربرد شیمی در صنعت
در اواخر قرن نوزدهم یک تحول عظیم در بهره‌برداری از نفتی که از زمین استخراج می‌شد، رخ داد. در ابتدا از نفت برای تولید موادی که جایگزینی برای روغن نهنگ بود، استفاده می‌شد. تولید گسترده و پالایش نفت سبب به وجود آمدن سوخت‌های مایعی همچون گازوئیل و سوخت دیزل، حلال‌های شیمیایی، آسفالت، روان‌ساز، واکس و بسیاری از محصولاتی که در دنیای مدرن کاربرد دارند مانند فیبر، پلاستیک، چسب، آمونیاک، شوینده‌ها و دارو شد. استفادهٔ روزافزون از صنعت شیمی سبب پیدایش رشتهٔ مهندسی شیمی برای اولین بار در مؤسسه فناوری ماساچوست در سال ۱۸۸۱ شد.
در میانهٔ قرن بیستم کنترل ساختار الکترونیکی مواد نیمه‌رسانا با ساخت شمش‌های بسیار خالص سلیسیوم و ژرمانیوم بسیار مهم شده‌بود. بررسی ترکیب شیمیایی و کنترل غلظت عناصر سازندهٔ نیمه‌رساناها باعث اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۵۱ شد. این دستاورد سبب ساخت تراشه‌ها برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی مانند کامپیوتر شد.
مواد شیمیایی
مواد شیمیایی، موادی‌اند که ترکیبی خاص دارند. شیمی‌دانی به نام جوزف پراست این مفهوم را در سده ۱۸ پس از آزمایش‌ها و کار روی ترکیباتی مانند مس کربنیت بکار برد. او نتیجه گرفت همهٔ نمونه‌ها از یک ترکیب، یک نوع ساختمان دارند و این نمونه‌ها از همهٔ ابعاد مانند یکدیگرند و این ابعاد مطابق با میزان عناصر موجود در ترکیب، متغیرند. این قضیه اکنون به قانون ثابت ترکیب مشهور است.
بعدها با پیشرفت روش‌ها برای ترکیب شیمیایی، مخصوصا در شیمی آلی، کشف شمار بیشتری از عناصر شیمیایی و فراگیری فنون نو در تجزیه شیمیایی که از آن برای تصویه عناصر و ترکیبات از مواد شیمیایی بکار می‌بردند، راهنمایی برای پایه‌گذاری شیمی نوین بود. این مفاهیم در بسیاری از کتاب‌های شیمی تعریف شده‌اند.
یک نمونهٔ رایج در تعریف مواد شیمیایی، آب است. این ماده همه جا ویژگی یکسان دارد و نسبت هیدروژن به اکسیژن آن همیشه به یک اندازه است؛ یعنی نمونه آن چه از رودخانه گرفته شود و چه در آزمایشگاه ساخته‌شود، یک ویژگی دارد. مواد شیمیایی که در یک فرآیند با هم واکنش می‌دهند دیگر نمی‌توانند از هم جدا شوند و در طبیعت مواد شیمیایی که خالص یافت شوند بسیار نادر هستند. شماری از این نوع مواد شیمیایی عبارتند از: الماس، طلا، سدیم کلرید و شکر (ساکارز). بطور کلی مواد شیمیایی از سه نوع جامد، مایع و گاز تشکیل می‌شوند و ممکن است که مواد شیمیایی با تغییر فشار و حرارت به شکل‌های مختلف خود درآید.
ترکیب شیمیایی
ترکیب شیمیایی عبارت است از گروهی از مواد شیمیایی که از دو یا چند عنصر شیمیایی مختلف که به وسیلهٔ پیوند شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند و می‌توانند بوسیله واکنش شیمیایی به مواد ساده تبدیل گردند. ترکیبات شیمیایی مختلف، ساختمان شیمیایی مختلفی دارند؛ به عبارت دیگر، هر ترکیب نسبت اتمی یکسانی دارد که باعث می‌شود که بصورت خاصی بوسیله پیوند شیمیایی آرایش یابد. ترکیبات شیمیایی ممکن است بصورت ترکیب مولکولها باشد که در اینصورت مولکولها با پیوند کووالانسی در کنار هم قرار می‌گیرد؛ همچنین ممکن است بصورت املاح باشد و بوسیله پیوند یونی به هم پیوند یابند؛ اگر ترکیب مورد نظر فلزات باشد پیوند بین ذره‌های آن پیوند فلزی و اگر از ترکیبات کمپلکس باشد، پیوند بین ذرات آن پیوند داتیو خواهد بود.عناصر شیمیایی خالص، در گروه ترکیبات شیمیایی قرار نمی‌گیرند حتی اگر آنها از دو یا چند اتم از یک نوع عنصر تشکیل شده باشند (مانند H۲ و S۸)
عناصر با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا به حالات پایدارتر برسند. آنها به حالت پایدار می‌روند وقتی که به بیشترین تعداد الکترون و بیشترین سطح انرژی خود رسیده باشند که معمولاً تعداد ۲ یا ۸ ظرفیت الکترون است. به همین دلیل گازهای نجیب غالبا واکنش نشان نمی‌دهند:آنها ظرفیت ۸ الکترون دارند (بجز هیدروژن که فقط به ۲ ظرفیت الکترونی نیاز دارد تا به حالت پایدار برسد).
شیمی ترکیبی
شیمی ترکیبی (به انگلیسی: Combinatorial Chemistry) به سنتز سریع و یا شبیه‌سازی کامپیوتری تعداد زیادی از مولکولها یا مواد مختلف با ساختاری مرتبط گفته می‌شود؛ برای سنتز عمدتاً ربات‌ها و روش‌های استاندارد پاسخ استفاده می‌شود. در سنتز ترکیبی، تعداد ترکیبات ساخته‌شده به صورت نمایی با تعداد مراحل شیمیایی افزایش می‌یابد. تولید مولکولهای پیچیده زیستی یکی از مباحث مهم در شیمی ترکیبی می‌باشد.
شیمی خوراک
شیمی خوراک یا شیمی تغذیه (به انگلیسی: Food Chemistry) ، شاخه‌ای از دانش بنیادین شیمی است که به بررسی و مطالعه‌ی فرایندها و برهم‌کنش‌های شیمیایی همه اجزای زیستی و غیر زیستی خوراکی‌ها می‌پردازد. این دانش ، مشترکات بسیاری با زیست‌شیمی از قبیل کربوهیدراتها ، لیپیدها و پروتئینها دارد ، اما بخش‌های فراتری نظیر رنگ ، مزه ، افزودنی‌های غذایی ، مواد معدنی ، آب ، آنزیم‌ها و ویتامین‌ها را نیز شامل می‌گردد.
شیمی دارویی
شیمی دارویی (به انگلیسی: Medicinal Chemistry یا Pharmaceutical Chemistry) نام شاخه‌ای از دانش بنیادین شیمی است که به بررسی و استفاده از ترکیبات شیمیایی با هدف درمان، در سیستمهای زیستی می‌پردازد.
این دانش از دانش‌های پایه در داروسازی به شمار می‌رود و بخش گسترده‌ای از داروها از مطالعات در این زمینه حاصل می‌شوند.
شیمی سبز
شیمی سبز، که شیمی پایدار نیز نامیده می‌شود، فلسفه تحقیقاتی شیمی و مهندسی شیمی است که هدف آن طراحی محصولات و فرایندهایی می‌باشد که با محیط زیست سازگار بوده و خطرات ناشی از مواد شیمیایی به حداقل برسد. در حالی که شیمی محیط زیست، شیمی محیط زیست طبیعی است و از مواد شیمیایی آلاینده در طبیعت بحث می‌کند، شیمی سبز به دنبال کاهش و جلوگیری از آلودگی در محیط زیست می‌باشد.
شیمی فراذره‌ای
شیمی فراذره‌ای یا شیمی مهمان-میزبان (به انگلیسی: Supramolecular chemistry) ، شاخه‌ای از دانش شیمی است که به بررسی سیستمهای شیمیایی در تعداد زیادی از مولکولهای یک ماده و همچنین مطالعه نیروهای بین مولکولی می پردازد و در سال ۱۸۷۳ توسط یوهان دیدریک وان در والس پیشنهاد شد. این شاخه از دانش همچنین با نام‌های شیمی سوپرامولکولی ، یا شیمی فرامولکولی نیز شناخته می‌گردد.
شیمی غیرحرفه‌ای
شیمی غیرحرفه‌ای (به انگلیسی: Amateur chemistry) یا شیمی در خانه (به انگلیسی: home chemistry) دنبال کردن دانش شیمی به عنوان یک سرگرمی شخصی است. نباید شیمی غیرحرفه‌ای را با شیمی پنهانی اشتباه گرفت. در این شیمی افراد به صورت پنهانی به ساخت گونه‌های مختلف دارو با درصد کنترل شده از مواد مخدر یا دیگر مواد می‌پردازند.[a] از شیمیدانهای غیرحرفه‌ای مهم می‌توان به اولیور ساکس و سر ادوارد الگار اشاره کرد.
گذشته
گذشتهٔ شیمی غیرحرفه‌ای و تاریخ شیمی با هم مشترک اند. به عبارت دیگر پیشگامان در دانش شیمی مانند رابرت بویل و آنتوان لاووازیه همگی از کسانی بودند که از تحقیقات خود هیچ درآمدی نداشتند و این مطالعه و تحقیق تنها به عنوان یک سرگرمی برای آنها بود. تنها پس از انقلاب صنعتی و گسترش دانشگاه‌ها به عنوان مرکزهای تحقیقاتی بود که تفاوت آشکاری میان دانشمندان حرفه‌ای و غیرحرفه‌ای ایجاد شد. با این حال پیشرفت دانشمندان غیرحرفه‌ای تا سدهٔ ۱۹ میلادی نیز ادامه داشت. برای نمونه در سال ۱۸۸۶ چارلز مارتین هال فرایند جداسازی آلومینیم از اکسید آن را در میان کارهای روزانهٔ خود در انبار چوب پشت خانه‌اش بدست آورد.
شیمی به عنوان سرگرمی
در سدهٔ 20 میلادی شیمی به عنوان یک سرگرمی در آمده‌است و در همین ارتباط آزمایشگاه‌ها و مرکزهای فروش وسایل مورد نیاز آزمایش نیز فراهم شده‌است. برای نمونه لینوس پاولینگ در سن یازده سالگی هیچ مشکلی برای تهیهٔ پتاسیوم سیانید نداشت. با این حال به دلیل بیشتر شدن توجه به بحث تروریسم، مواد مخدر و حفظ امنیت، سازندگان این مواد علاقه‌ای به فروش مواد شیمیایی به شیمی دانان غیرحرفه‌ای نشان نمی‌دهند. درنتیجه امکانات مجموعه‌های شیمی پایین آمده و دسترسی به مواد شیمیایی بسیار کمتر از گذشته شده‌است و موادی مانند واکنشگرهای ناب از دسترس افراد به دور قرار گرفته‌اند.
شیمی دانان غیرحرفه‌ای پرآوازه
وینت سرف یکی از پدران اینترنت، گوردون مور یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل و دیوید پاکارد یکی از ایجادکنندگان شرکت هیولت پاکارد، همگی در گذشته از شیمیدانان غیرحرفه‌ای بودند.
عصب شناس بریتانیایی اولیور ساکس در جوانی یک شیمیدان غیرحرفه‌ای بود همانگونه که در دفترچه خاطراتش خود را توصیف کرده‌است بر آن نام «خاطرات یک پسربچهٔ شیمیدان» را گذاشته‌است.
لینوس پاولینگ برندهٔ جایزهٔ نوبل شیمی در جوانی شیمی را به صورت غیرحرفه‌ای تجربه می‌کرد.
ولفرم ریسرچ از بنیانگذاران شرکت تئودور گری از کسانی بود که در جوانی به صورت غیرحرفه‌ای به شیمی علاقه نشان می‌داد و به جمع آوری عنصرهای شیمیایی می‌پرداخت. وی بعدها جایزهٔ ایگ‌نوبل را در شیمی دریافت کرد و او همواره از آن به عنوان یک افتخار بزرگ یاد می‌کرد. وی در مجلهٔ پاپیولار ساینس یک ستون می‌نویسد و در آن از تجربه‌های شخصی خود در زمینهٔ شیمی در خانه می‌گوید.
هومر هیکخم، موشک‌ساز غیرحرفه‌ای (Amateur rocketeer) و بعدها مهندس ناسا، به همراه دوستانش توانست با ابزاری که در خانه در دسترس داشت موشک‌های کوچک تولید کند. او برای این کار از شوره یا نیترات پتاسیم، شکر و زینکوشاین استفاده کرد. زینکوشاین خود از ترکیب روی، گوگرد و اتانول درست شده‌است.
سر ادوارد الگار در پشت باغچه اش یک آزمایشگاه کوچک شیمی ساخته بود و در آن جا تجربه می‌کرد.
محدودیت‌ها
کانادا
در کانادا بخش گسترده‌ای از واکنشگرهای ناب مانند نیتریک اسید و آب اکسیژنه به دلیل انفجاری بودن، ممنوع است.
آلمان
در آلمان به شیمیدانهای غیرحرفه‌ای یورش برده شد تا مبادا مواد شیمیایی غیرمجاز با خود داشته باشند.
در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم، کشفیاتی در زمینهٔ زیست‌شناسی صورت گرفت که از آنها می‌توان به کشف بزاق و نحوهٔ تبدیل نشاسته به شکر اشاره کرد. ولی هنوز جزئیات شیمیایی دقیقی دربارهٔ آنها شناخته‌نشده‌بود. در قرن نوزدهم لویی پاستور در حین تحقیق دربارهٔ تخمیر شکر به الکل متوجه شد که عملیات تخمیر توسط یک ماده موجود در مخمر کاتالیز می‌شود. او گفت: «تخمیر الکلی وابسته به حیات یاخته‌های موجود در مخمر است نه مرگ یا فاسد شدن یاخته‌ها»
سال ۱۸۷۸ ویلهلم کان، دانشمند آلمانی آنزیم را کشف کرد. کشف آنزیم پلی میان شیمی و زیست‌شناسی بود.* اما موفقیت اصلی در اکتشافات زیست‌شناسی زمانی به دست آمد که در سال ۱۹۵۳ جیمز واتسون و فرانسیس کریک توانستند ساختار مارپیچ دی‌ان‌ای را با مدل‌هایی الهام‌گرفته از دانش شیمی و پراش پرتو ایکس که روزالیند فرانکلین آن را انجام داد، توجیه کنند.
در همان سال آزمایش میلر-یوری نشان داد که آمینواسیدها واحدهای سازندهٔ پروتئین هستند که خود می‌توانند بر اساس فرایندهای طبیعی کهن روی زمین، از مواد اولیهٔ ساده‌تر ساخته‌شوند.
در سال ۱۹۸۳ کری مولیس روشی برای تولید دی‌ان‌ای ابداع کرد که انقلابی در فرایندهای شیمیایی بود و به واکنش زنجیره پلیمراز یا PCR معروف است.
کاربرد شیمی در صنعت
در اواخر قرن نوزدهم یک تحول عظیم در بهره‌برداری از نفتی که از زمین استخراج می‌شد، رخ داد. در ابتدا از نفت برای تولید موادی که جایگزینی برای روغن نهنگ بود، استفاده می‌شد. تولید گسترده و پالایش نفت سبب به وجود آمدن سوخت‌های مایعی همچون گازوئیل و سوخت دیزل، حلال‌های شیمیایی، آسفالت، روان‌ساز، واکس و بسیاری از محصولاتی که در دنیای مدرن کاربرد دارند مانند فیبر، پلاستیک، چسب، آمونیاک، شوینده‌ها و دارو شد. استفادهٔ روزافزون از صنعت شیمی سبب پیدایش رشتهٔ مهندسی شیمی برای اولین بار در مؤسسه فناوری ماساچوست در سال ۱۸۸۱ شد.
در میانهٔ قرن بیستم کنترل ساختار الکترونیکی مواد نیمه‌رسانا با ساخت شمش‌های بسیار خالص سلیسیوم و ژرمانیوم بسیار مهم شده‌بود. بررسی ترکیب شیمیایی و کنترل غلظت عناصر سازندهٔ نیمه‌رساناها باعث اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۵۱ شد. این دستاورد سبب ساخت تراشه‌ها برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی مانند کامپیوتر شد.
مواد شیمیایی
مواد شیمیایی، موادی‌اند که ترکیبی خاص دارند. شیمی‌دانی به نام جوزف پراست این مفهوم را در سده ۱۸ پس از آزمایش‌ها و کار روی ترکیباتی مانند مس کربنیت بکار برد. او نتیجه گرفت همهٔ نمونه‌ها از یک ترکیب، یک نوع ساختمان دارند و این نمونه‌ها از همهٔ ابعاد مانند یکدیگرند و این ابعاد مطابق با میزان عناصر موجود در ترکیب، متغیرند. این قضیه اکنون به قانون ثابت ترکیب مشهور است.
بعدها با پیشرفت روش‌ها برای ترکیب شیمیایی، مخصوصا در شیمی آلی، کشف شمار بیشتری از عناصر شیمیایی و فراگیری فنون نو در تجزیه شیمیایی که از آن برای تصویه عناصر و ترکیبات از مواد شیمیایی بکار می‌بردند، راهنمایی برای پایه‌گذاری شیمی نوین بود. این مفاهیم در بسیاری از کتاب‌های شیمی تعریف شده‌اند.
یک نمونهٔ رایج در تعریف مواد شیمیایی، آب است. این ماده همه جا ویژگی یکسان دارد و نسبت هیدروژن به اکسیژن آن همیشه به یک اندازه است؛ یعنی نمونه آن چه از رودخانه گرفته شود و چه در آزمایشگاه ساخته‌شود، یک ویژگی دارد. مواد شیمیایی که در یک فرآیند با هم واکنش می‌دهند دیگر نمی‌توانند از هم جدا شوند و در طبیعت مواد شیمیایی که خالص یافت شوند بسیار نادر هستند. شماری از این نوع مواد شیمیایی عبارتند از: الماس، طلا، سدیم کلرید و شکر (ساکارز). بطور کلی مواد شیمیایی از سه نوع جامد، مایع و گاز تشکیل می‌شوند و ممکن است که مواد شیمیایی با تغییر فشار و حرارت به شکل‌های مختلف خود درآید.
ترکیب شیمیایی
ترکیب شیمیایی عبارت است از گروهی از مواد شیمیایی که از دو یا چند عنصر شیمیایی مختلف که به وسیلهٔ پیوند شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند و می‌توانند بوسیله واکنش شیمیایی به مواد ساده تبدیل گردند. ترکیبات شیمیایی مختلف، ساختمان شیمیایی مختلفی دارند؛ به عبارت دیگر، هر ترکیب نسبت اتمی یکسانی دارد که باعث می‌شود که بصورت خاصی بوسیله پیوند شیمیایی آرایش یابد. ترکیبات شیمیایی ممکن است بصورت ترکیب مولکولها باشد که در اینصورت مولکولها با پیوند کووالانسی در کنار هم قرار می‌گیرد؛ همچنین ممکن است بصورت املاح باشد و بوسیله پیوند یونی به هم پیوند یابند؛ اگر ترکیب مورد نظر فلزات باشد پیوند بین ذره‌های آن پیوند فلزی و اگر از ترکیبات کمپلکس باشد، پیوند بین ذرات آن پیوند داتیو خواهد بود.عناصر شیمیایی خالص، در گروه ترکیبات شیمیایی قرار نمی‌گیرند حتی اگر آنها از دو یا چند اتم از یک نوع عنصر تشکیل شده باشند (مانند H۲ و S۸)
عناصر با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا به حالات پایدارتر برسند. آنها به حالت پایدار می‌روند وقتی که به بیشترین تعداد الکترون و بیشترین سطح انرژی خود رسیده باشند که معمولاً تعداد ۲ یا ۸ ظرفیت الکترون است. به همین دلیل گازهای نجیب غالبا واکنش نشان نمی‌دهند:آنها ظرفیت ۸ الکترون دارند (بجز هیدروژن که فقط به ۲ ظرفیت الکترونی نیاز دارد تا به حالت پایدار برسد).
شیمی ترکیبی
شیمی ترکیبی (به انگلیسی: Combinatorial Chemistry) به سنتز سریع و یا شبیه‌سازی کامپیوتری تعداد زیادی از مولکولها یا مواد مختلف با ساختاری مرتبط گفته می‌شود؛ برای سنتز عمدتاً ربات‌ها و روش‌های استاندارد پاسخ استفاده می‌شود. در سنتز ترکیبی، تعداد ترکیبات ساخته‌شده به صورت نمایی با تعداد مراحل شیمیایی افزایش می‌یابد. تولید مولکولهای پیچیده زیستی یکی از مباحث مهم در شیمی ترکیبی می‌باشد.
شیمی خوراک
شیمی خوراک یا شیمی تغذیه (به انگلیسی: Food Chemistry) ، شاخه‌ای از دانش بنیادین شیمی است که به بررسی و مطالعه‌ی فرایندها و برهم‌کنش‌های شیمیایی همه اجزای زیستی و غیر زیستی خوراکی‌ها می‌پردازد. این دانش ، مشترکات بسیاری با زیست‌شیمی از قبیل کربوهیدراتها ، لیپیدها و پروتئینها دارد ، اما بخش‌های فراتری نظیر رنگ ، مزه ، افزودنی‌های غذایی ، مواد معدنی ، آب ، آنزیم‌ها و ویتامین‌ها را نیز شامل می‌گردد.
شیمی دارویی
شیمی دارویی (به انگلیسی: Medicinal Chemistry یا Pharmaceutical Chemistry) نام شاخه‌ای از دانش بنیادین شیمی است که به بررسی و استفاده از ترکیبات شیمیایی با هدف درمان، در سیستمهای زیستی می‌پردازد.
این دانش از دانش‌های پایه در داروسازی به شمار می‌رود و بخش گسترده‌ای از داروها از مطالعات در این زمینه حاصل می‌شوند.
شیمی سبز
شیمی سبز، که شیمی پایدار نیز نامیده می‌شود، فلسفه تحقیقاتی شیمی و مهندسی شیمی است که هدف آن طراحی محصولات و فرایندهایی می‌باشد که با محیط زیست سازگار بوده و خطرات ناشی از مواد شیمیایی به حداقل برسد. در حالی که شیمی محیط زیست، شیمی محیط زیست طبیعی است و از مواد شیمیایی آلاینده در طبیعت بحث می‌کند، شیمی سبز به دنبال کاهش و جلوگیری از آلودگی در محیط زیست می‌باشد.
شیمی فراذره‌ای
شیمی فراذره‌ای یا شیمی مهمان-میزبان (به انگلیسی: Supramolecular chemistry) ، شاخه‌ای از دانش شیمی است که به بررسی سیستمهای شیمیایی در تعداد زیادی از مولکولهای یک ماده و همچنین مطالعه نیروهای بین مولکولی می پردازد و در سال ۱۸۷۳ توسط یوهان دیدریک وان در والس پیشنهاد شد. این شاخه از دانش همچنین با نام‌های شیمی سوپرامولکولی ، یا شیمی فرامولکولی نیز شناخته می‌گردد.
شیمی غیرحرفه‌ای
شیمی غیرحرفه‌ای (به انگلیسی: Amateur chemistry) یا شیمی در خانه (به انگلیسی: home chemistry) دنبال کردن دانش شیمی به عنوان یک سرگرمی شخصی است. نباید شیمی غیرحرفه‌ای را با شیمی پنهانی اشتباه گرفت. در این شیمی افراد به صورت پنهانی به ساخت گونه‌های مختلف دارو با درصد کنترل شده از مواد مخدر یا دیگر مواد می‌پردازند.[a] از شیمیدانهای غیرحرفه‌ای مهم می‌توان به اولیور ساکس و سر ادوارد الگار اشاره کرد.
گذشته
گذشتهٔ شیمی غیرحرفه‌ای و تاریخ شیمی با هم مشترک اند. به عبارت دیگر پیشگامان در دانش شیمی مانند رابرت بویل و آنتوان لاووازیه همگی از کسانی بودند که از تحقیقات خود هیچ درآمدی نداشتند و این مطالعه و تحقیق تنها به عنوان یک سرگرمی برای آنها بود. تنها پس از انقلاب صنعتی و گسترش دانشگاه‌ها به عنوان مرکزهای تحقیقاتی بود که تفاوت آشکاری میان دانشمندان حرفه‌ای و غیرحرفه‌ای ایجاد شد. با این حال پیشرفت دانشمندان غیرحرفه‌ای تا سدهٔ ۱۹ میلادی نیز ادامه داشت. برای نمونه در سال ۱۸۸۶ چارلز مارتین هال فرایند جداسازی آلومینیم از اکسید آن را در میان کارهای روزانهٔ خود در انبار چوب پشت خانه‌اش بدست آورد.
شیمی به عنوان سرگرمی
در سدهٔ 20 میلادی شیمی به عنوان یک سرگرمی در آمده‌است و در همین ارتباط آزمایشگاه‌ها و مرکزهای فروش وسایل مورد نیاز آزمایش نیز فراهم شده‌است. برای نمونه لینوس پاولینگ در سن یازده سالگی هیچ مشکلی برای تهیهٔ پتاسیوم سیانید نداشت. با این حال به دلیل بیشتر شدن توجه به بحث تروریسم، مواد مخدر و حفظ امنیت، سازندگان این مواد علاقه‌ای به فروش مواد شیمیایی به شیمی دانان غیرحرفه‌ای نشان نمی‌دهند. درنتیجه امکانات مجموعه‌های شیمی پایین آمده و دسترسی به مواد شیمیایی بسیار کمتر از گذشته شده‌است و موادی مانند واکنشگرهای ناب از دسترس افراد به دور قرار گرفته‌اند.
شیمی دانان غیرحرفه‌ای پرآوازه
وینت سرف یکی از پدران اینترنت، گوردون مور یکی از بنیانگذاران شرکت اینتل و دیوید پاکارد یکی از ایجادکنندگان شرکت هیولت پاکارد، همگی در گذشته از شیمیدانان غیرحرفه‌ای بودند.
عصب شناس بریتانیایی اولیور ساکس در جوانی یک شیمیدان غیرحرفه‌ای بود همانگونه که در دفترچه خاطراتش خود را توصیف کرده‌است بر آن نام «خاطرات یک پسربچهٔ شیمیدان» را گذاشته‌است.
لینوس پاولینگ برندهٔ جایزهٔ نوبل شیمی در جوانی شیمی را به صورت غیرحرفه‌ای تجربه می‌کرد.
ولفرم ریسرچ از بنیانگذاران شرکت تئودور گری از کسانی بود که در جوانی به صورت غیرحرفه‌ای به شیمی علاقه نشان می‌داد و به جمع آوری عنصرهای شیمیایی می‌پرداخت. وی بعدها جایزهٔ ایگ‌نوبل را در شیمی دریافت کرد و او همواره از آن به عنوان یک افتخار بزرگ یاد می‌کرد. وی در مجلهٔ پاپیولار ساینس یک ستون می‌نویسد و در آن از تجربه‌های شخصی خود در زمینهٔ شیمی در خانه می‌گوید.
هومر هیکخم، موشک‌ساز غیرحرفه‌ای (Amateur rocketeer) و بعدها مهندس ناسا، به همراه دوستانش توانست با ابزاری که در خانه در دسترس داشت موشک‌های کوچک تولید کند. او برای این کار از شوره یا نیترات پتاسیم، شکر و زینکوشاین استفاده کرد. زینکوشاین خود از ترکیب روی، گوگرد و اتانول درست شده‌است.
سر ادوارد الگار در پشت باغچه اش یک آزمایشگاه کوچک شیمی ساخته بود و در آن جا تجربه می‌کرد.
محدودیت‌ها
کانادا
در کانادا بخش گسترده‌ای از واکنشگرهای ناب مانند نیتریک اسید و آب اکسیژنه به دلیل انفجاری بودن، ممنوع است.
آلمان
در آلمان به شیمیدانهای غیرحرفه‌ای یورش برده شد تا مبادا مواد شیمیایی غیرمجاز با خود داشته باشند.
ساعت : 1:53 am | نویسنده : admin
|
آزمایشگاه شیمی |
مطلب قبلی