ترمیم ضریب قدرت در شبکه توزیع
مقدمه :
کاهش ضریب توان در یک شبکه توزیع باعث افزایش جریان ودر نتیجه افزایش تلفات می گردد. افزایش جریان نیاز به افزایش ظرفیت خطوط انتقال انرژی خواهد داشت که مشکلاتی را برای شبکه سراسری ایجاد می کند. بنابراین شرکتهای برق منطقه ای مصرف کنندگانی را مصرف توان راکتیو انها بیش از حد مجاز باشد را جریمه،و تشویق به بهبود ضریب توان می کنند.بنابراین لزوم بهبود ضریب توان چه از نظر خود مصرف کنندگان وچه از نظر شبکه سراسری اهمیت دارد.
اغلب دستگاهها ومصرف کنندگان الکتریکی برای انجام کار مفید خوددر حقیقت باید انرژی الکتریکی رابه انرژی مکانیکی تبدیل نمایندکه برای این عمل نیازمندتولید میدان وفلوی مغناطیسی در فاصله هوایی موتورها می باشیم ودر نهایت این میدان مغناطیسی به میدان الکتریکی تبدیل واین عمل مرتب تکرار می شود.ایجاد این میدانها فقط با توان راکتیو امکان دارد وبا توجه به میزان بار مکانیکی که در شبکه های مصرف موجود میباشد در می یابیم که حضور میزان عظیمی از بار راکتیو در شبکه ها اجتناب ناپذیر است وعمدتا توسط بوبین ها یا القاگرها تولید می شود.در زمانی که القا گرها انرژی راکتیو را بصورت میدان مغناطیسی در خود ذخیره می کنند(این انرژی را از شبکه می کشد).
خازن موجود در شبکه ،خازنی که جهت ترمیم به شبکه تزریق کرده ایم،انرژی ذخیره شده در خود را به شبکه تحویل می دهد ودر زمانی ،زمان الترنانسی، که بوبین انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی خود را به شبکه پس می دهد خازن از شبکه انرژی می کشد(بصورت ذخیره در میدان الکتریکی). حال در شبکه ای که این دو عنصر یعنی سیم پیچ القا گر وخازن در کنار یکدیگر باشندهنگامیکه خازن انرژی می دهد، بصورت الکتریکی ،القا گر ان انرژی را میگیردو زمانی که القاگر انرژی می دهد،بصورت مغناطیسی، خازن ان انرژی را میگیرد واین امر موجب تبادل انرژی بین القاگر وخازن می شود بدون انکه این امر بین مصرف کننده وشبکه صورت گیرد.
کلیه خازن هایی که برای ترمیم شبکه ساخته می شوند بصورت تکفاز بوده وسپس سه خازن تکفاز به یکدیگر متصل می شوند،عمدتا بصورت مثلث، واصطلاحا یک بانک خازنی سه فاز را تشکیل می دهند.در ولتاژهای بسیار بالا به دلیل مشکلات عایقی ومیدانی،این خازنها تک فاز ساخته شده و بصورت سه محفظه جداگانه از طریق اتصال به یکدیگر،اتصال مثلث، یک بانک خازنی سه فاز را تشکیل می دهند.
می توان گفت که توان اخذ شده از منبع به عنوان توان ظاهری در یک مدار RL یا RC شامل دو مولفه است :
1-توان حقیقی یا اکتیو که با P نمایش می دهیم
2- توان موهمی یا راکتیو که با Q نمایش می دهیم
مدارهای RC تولید کننده توان راکتیو و مدارهای RL ، مصرف کننده توان راکتیو هستند با توجه به اینکه اکثر بارهای موجود در شبکه از نوع RL می باشندمانند موتورها ،چوکها وبارهای دارای سیم بندی بنابر این با کاهش ضریب قدرت COSQ توان راکتیو وبه تبع ان توان ظاهری Sوجریان کشیده از منبع افزایش می یابد در نتیجه باید با استفاده از بارهای خازنی و یا وسایل تولید کننده توان راکتیو در شبکه ضریب قدرت را بهبود بخشید.
لزوم بهبود ضریب قدرت:
اگر یک سیستم متعادل سه فاز، باری با توان حقیقی P وولتاژ V وضریب توان COSQ را تغذیه کند، شدت جریان هر خط برابرI= می شود بنابراین یک ضریب قدرت نا مناسب وﭘایین با یک جریان زیاد مترادف خواهد بود وسه اثر مهم در کار سیستم خوا هد داشت :
1- تلفات خط: تلفات خط متناسب با مربع جریان است، بنابراین متناسب با مربع ( (می باشد،در نتیجه تلفات در ضریب قدرت 0.8معادل1.57 =برابر تلفات در ضریب قدرت واحد خواهد بود.
2-قدرت مفید ژنراتورها و ترانسفورماتورها متناسب با شدت جریان ودر نتیجه متناسب با 1/COSQاست واگر ضریب گسترده در سطح کارخانجات باشد ژنراتورها وترانسفور ماتورهای بزرگتری نیاز خواهد بود.
3-ضریب قدرت های کم که معمولا به صورت ﭘس فاز هستند،موجب یک افت ولتاژ زیاد می شوند ودر نتیجه تجهیزات اضافی برای تنظیم ولتاژ مورد نیاز خواهد بود.
ضریب قدرت را می توان با استفاده از کندانسورهای سنکرون ویا ساکن ترقی داد. کندانسور سنکرون موتورهای سنکرون بی بار هستند که می توانند هم از شبکه Qبگیرند وهم به شبکهQ تزریق کنند ومعمولا برای تنظیم ولتاژ خطوط انتقال مناسب وﭘایین می شوند.اما از بانک های خازنی بصورت گسترده در سطح کارخانجات صنعتی برای بهبود ضریب قدرت استفاده می شود.
بررسی اقتصادی بهبود ضریب قدرت:
بهبود ضریب قدرت در شبکه عمدتا وعموما بصورت تزریق بارهای راکتیو خازنی " کاﭘاستیو" صورت میگیرد که این بار ها بصورت موازی با سایر بارها نصب می شوند.عدم ترمیم ضریب توان موجب اعمال هزینه اقتصادی مستقیم به عنوان جریمه تعرفه به مصرف کننده می گردد ونیز یک هزینه اقتصادی غیر مستقیم از طریق اضافه جریان روی تولید وخطوط انتقال برای شبکه سراسری بوجود می اورد.در بهبود ضریب توان میزان COSQویا اصولا زاویه Qرا می توان در هنگام زیر بار بردن شبکه مشخص کرد وان را از روی نشان دهنده COSQمتر دقیقا خواند در عمل در اکثر واحد های صنعتی مانند ریسندگی ها کارخانجات ذوب فولاد و....،این عدد بین 0.5 تا 0.6 است که عدد خوبی نیست والبته ثابت هم نیست زیرا با ورود وخروج بارهای اندوکتیو ضریب توان تغییر میکند. قاعدتا بهترین عدد برای ضریب توان "1" است ، ولی اگر COSQ روی عدد1 تنظیم شودسیستم ﭘایدار نخواهد شد. زیرا در شبکه های صنعتی میزان بار اندوکتیو با ورود وخروج تعداد موتورها وسایر بارهای که اندوکتیو هستندتغییر میکند واگر ما میزان ثابتی بار خازنی به شبکه اعمال کنیم در هنگام تغییرات بار اندوکتیو گاهی میزان بار اندوکتیو موجود کم میشود که مجددا ضریب توان از سمت بار خازنی به سمت کمتر از 1سقوط میکند.عبارت دیگر ضریب توان ﭘیش فاز خواهد شدکه در نهایت مجددا موجب ایجاد یک ضریب توان بد می گردد.
نحوه ﭘله گذاری وتزریق به شبکه:
میزان بار راکتیو خازنی که محاسبه شده و باید به شبکه تزریق گرددبه علت متغیر بودن میزان انرژی راکتیو تولید شده توسط خود القا ها بصورت یک ﭘله وارد شبکه نمی شود،بلکه در هر لحظه براساس نیاز شبکه باید وارد گردد.
بنابراین میزان کیلووار محاسبه شده به ﭘله های کوچکتر تقسیم واز طریق یک رگولاتور ﭘله به ﭘله به شبکه وارد می شود.در عمل رگولاتور این کار به صورت ذیل انجام می دهد :
1-اندازه گیری توان اکتیوP وتوان راکتیو Q شبکه
2-محاسبه ضریب توان شبکه
3- محاسبه توان راکتیو Qبرای رسیدن به ضریب توان مطلوب
4-تزریق میزان Q کیلو وار خازن به شبکه
ذکر این نکته در اینجا لازم است که همیشهQ تزریق شده بصورت مضربی از ﭘله های qدر بانکهای خازنی خواهد بود .وحال اگر میزان بار راکتیولازم مثلا 3.4q باشد ، رگولاتور باید 3q یا 4q را تزریق کند. در این حالت اگر 3q کیلووار تزریق شود به ضریب توان مطلوب نرسیده ایم واگر 4q کیلووار تزریق شود ضریب توان از میزان محاسبه شده بزرگ تر می شود ویا بصورت منفی مجددا شبکه را در جهت خازنی قرار می دهد. سوال اینجاست که راه حل مطلوب چیست؟
در ﭘاسخ باید گفت بهتر است اندازه ﭘله های q کوچک باشد ولی محدودیت این راه حل در انجاست که تعداد کنتورها وتجهیزات لازم ، صرف نظر از امﭘراژ انها ، بالا رفته و هزینه بالا می رود.
بنابراین مناسب ترین راه این است که اگر میزان خازن مورد نیاز Q کیلووار باشد باید مقداری را در ﭘله بزرگتر وبقیه را درﭘله کوچکتر تهیه نمود.در این حالت نوسان وخطا در نزدیکی ﭘله کوچکتر صورت میگیرد.
روشهای تریم ضریب توان به لحاظ ارایش بار در شبکه:
1-ترمیم انفرادی : ترمیم انفرادی در حالتی صورت میگیردکه برای هر بار سلفی ،خازن با ظرفیت مناسب در کنار ان بار بصورت موازی نصب شود.
مزایای ترمیم انفرادی عبارت است از : ﭘایین امدن بار سیم، کابلها وکلیدهای ارتباطی، ونیز در این حالت خازن نصب شده فقط در هنگام ورود بار سلفی به مدار اعمال می شود.
اما از معایب این روش اضافه شدن تعداد خازن های نصب شده می باشد.در مجموع می توان گفت که بیشترین کاربرد این روش ترمیم ترانس ها در حالت بی باری ،ترمیم موتورهای با ظرفیت بالاوکار دائم ونیز موتورهای کم بار که در فاصله دور از محل تغدیه ،مانند ﭘست فشار ضعیف ،قرار دارند.
2-ترمیم مرکزی : در این روش ،ترمیم بصورت متمرکز مثلا در ورودی فشار ضعیف درﭘست های داخلی ویا در محل نصب تابلو های فشار ضعیف اصلی انجام می شودو همانطور که ذکر شد میزان کل توان خازن ها در ﭘله های متعدد تقسیم واز طریق رگولاتور و توسط کنتاکتورهای مربوط به شبکه وارد ویا خارج می شوند.
مزایای این روش عبارت است : استفاده مفید از خازن نصب شده،کنترل کلی شبکه، نصب ساده تر ومصرف خازن کمتر با توجه به ضریب همزمانی واز معایب ان اینکه بار داخلی شبکه کم نشده است ومخارجی جهت سیستم کنترل و رگولاتور باید ﭘرداخت گردد.
اثر خازن بر هارمونیک های شبکه :
در شبکه های مصرف هر روز شاهد ورود دستگاهها ومصرف کنندگانی هستیم که بصورت غیر سینوسی از شبکه جریان میکشند.عبور این جریانها از امپدانس شبکه موجب افت ولتاژ بالایی شده و باعث بروز اعوجاج در شکل سینوسی ولتاژ می شوداین اعوجاج ها را می توان به کمک سری فوریه بسط دادوبصورت معادل با یک سری سینوسی با فرکانس هایی که مضارب صحیحی از فرکانس پایه شبکه هستند، نشان داد.این امر را هارمونیک های شبکه می نامیم.بارهایی که معمولا مولد هارمونیک ها هستند عبارتند از: ترانسفورماتورها،چک ها،موتورهای القائی با دور متغیر،منابع تغذیه UPS ،منابع تغذیه کامپیوترها وتلویزیون و....که بارهای غیر خطی می باشد بانک های خازنی تزریق شده به شبکه به همراه اندوکتانس های موجود در شبکه تشکیل یک مدار رزونانسی را می دهد.
اثرات زیست محیطی خازن های ترمیم :
در مجموع با نصب خازن های ترمیم کننده شبکه می توان بصورت بهینه انرژی الکتریکی را مصرف کردواز هزینه تولید انرژی الکتریکی کاست این کاهش ضمن انکه هزینه انرژی را اقتصادی تر می نماید باعث کاهش جریان در خطوط انتقال وکابل های رابط می شود وبطور مستقیم در ﭘایین امدن تلفات شبکه اثر میگذارد.
حال با توجه به انکه تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه اغلب از سوخت های فسیلی صورت میگیرد بنابراین این امر در نهایت روی کاهش گاز دی اکسید کربن در طبیعت اثر دارد.
محاسبات نشان می دهد که در سال1999سیستم های خازن اصلاح ضریب توان در شبکه های کشور المان باعث کاهش تلفات شبکه تا میزان 9بیلیون کیلووات ساعت بوده است که اگر این میزان کاهش تلفات را روی نیروگاه های سوختی المان تقسیم نماییم مشخص میشود که از انتشار حدود5میلیون تن گاز دی اکسید کربن جلوگیری شده است.
