برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

کاربرد عملی خازن گذاری بهینه در شبکه های فشار متوسط و تعمیم آن در شبکه های فشار ضعیف

شرح مقاله
چون بخش اعظم تلفات سیستم های قدرت در شبکه های توزیع صورت میگیرد، کاهش تلفات در این شبکه ها از اهمیت خاصی برخورداراست، یکی از روشهای مناسب در کاهش تلفات شبکه، نصب خازن در پستهای توزیع است.
از آنجایی که نصب خازن با تجهیزات جانبی و حفاظتی آن نیازمند سرمایه گذاری و صرف هزینه است، انتخاب نادرست مقدار، و محل نامناسب نصب آن باعث افزایش غیرضروری هزینه در شبکه توزیع می شود. برای جلوگیری از این هزینه لازم است، انتخاب مقدار خازن و محل مناسب نصب آن با مطالعه و دقت کافی صورت گیرد.
معمولاً در روشهای بهینه سازی که محاسبات نصب خازن را انجام میدهند، مشکلاتی مانند نبودن فضای کافی برای نصب خازن یا کمبود اکیپهای سرویس و نگهداری را در محاسبات منظور نمی کنند، در روش مورد بحث مقاله روندی تشریح می شود که با کمک آن می توان روشهای خازن گذاری را مطابق با محدودیتهای عملی شبکه اصلاح کرد. تعمیم روشهای خازن گذاری به شبکه فشار ضعیف باعث آزاد شدن ظرفیت خطوط فشار ضعیف می شود که احتمال اضافه بار بیشتری نسبت به شبکه های فشار متوسط دارد. با توجه به این موضوع که در ایران قیمت تمام شده خازنهای فشار ضعیف نسبت به خازنهای فشار متوسط (به دلیل ارزبری کمتری) کمتر است توجیه اقتصادی قوی تری برای خازن گذاری در فشار ضعیف وجود دارد. بنابراین از نظر اقتصادی بهتر است که ابتدا در فشار ضعیف خازن گذاری انجام شود و سپس اقدام به خازن گذاری در فشار متوسط کرد . این عمل علاوه بر صرفه اقتصادی ، باعث آزاد شدن بار ترانس های توزیع، کاهش تلفات در خطوط 400 ولت و کاهش افت و انشعابات می شود.
 
خازن گذاری در شبکه فشار متوسط
در خازن گذاری شبکه فشار متوسط از روش گردایان برداری استفاده شده است چون در روش مرجع1 مشکلات و محدودیتهای علمی نصب خازن در نظر گرفته نشده بود، برای تعمیم کاربردی کردن آن، باید خازن گذاری با سه محدودی زیرانجام شود:
الف- خازن گذاری روی تمامی پستهای فشار متوسط در فیدر فشار متوسط(با آزادی کامل روش مرجع(1).
ب- خازن گذاری با محدودیت نصب در بعضی پستها(به دلیل نبودن فضای کافی)
ج- خازن گذاری با تعداد از پیش تعیین شده(با تعیین حداکثر پستهای قابل خازن گذاری به دلیل محدودیت اکیپهای سرویس و نگهداری).
الف- خازن گذاری باآزادی کامل
در این حالت فرض بر این است که می توان در تمام پستها خازن نصب کرد. این حالت معمولاً در شبکه هایی پیش می آید، که پست زمینی دارند و فضای تمام پستهای زمینی اجازه نصب خازن را می دهد. البته در بعضی موارد می توان خازن را در کنار پستهای هوایی(در صورت لزوم بالای پایه ) نیز نصب کرد. در چنین مواردی برنامه خازن گذاری آزاد است، و فقط تابع هزینه است که مشخص می کند نصب خازن، در کجای شبکه باعث کم کردن هزینه می شود. تابع هزینه شامل هزینه تلفات، هزینه نصب خازن و هزینه آزاد شدن ظرفیت است. در روش مرجع(1) هزینه افت ولتاژ نیز در تابع هزینه آمده است این هزینه مقدار ریالی واقعی ندارد و فقط نمای ریالی از کیفیت برق تحویلی است. کاربرد آن بدون توجه به ملاحظات اقتصادی توجیه فنی ندارد و فقط در مواردی باعث سرعت گرفتن همگرایی عملیات می شود. از آنجایی که ضریب وزنی آن بسته به مورد ممکن است باعث همگرایی سریعتر یا واگرایی شود از کاربرد آن اجتناب شده است.
 
 
ب- خازن گذاری با محدودیت نصب در بعضی پستها
عملاً در بسیاری از شبکه ها، کار خازن گذاری در تمام پستها عملی نیست. این موارد شامل حالتهای زیر است:
1- پستهای زمینی فشرده بدون جای کافی
2- پستهای زمینی که جای نصب تجهیزات خازن را ندارند.
3- پستهای هوایی که نصب خازن در آنها به هر دلیلی، ممکن نباشد.
درچنین حالتهایی باید بتوان در برنامه این محدودیت را وارد کرد این کار با تنظیم نمودن یک شاخص در اطلاعات مربوط به پست انجام می شود. برنامه این محدودیت را با بی نهایت گرفتن تابع هزینه گروه غیر قابل خازن گذاری انجام می دهد. این روش کار، نوعی بسط تابع حساسیت با ضرب کردن متغییر  در تابع حساسیت است . این متغییر به صورت زیر تعریف می شود:
 گروه I قابل خازن گذاری نیست.
 گروه I قابل خازن گذاری است.
ج- خازن گذاری با تعداد از پیش تعیین شده
در بعضی موارد تعداد کم پرسنل و امکانات تعمیر ونگهداری ،اجازه نصب تعداد زیاد خازن راحتی اگر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد ، نمی دهد در این حالت باید حداکثر تعداد پستهای قابل خازن گذاری را برای فیدر در برنامه منظور کرد. به عنوان مثال ممکن است یک فیدر شامل 27 پست باشد، از این 27 پست فقط 11 پست قابل خازن گذاری باشند و بخواهیم 5 پست از 11 پست را خازن گذاری کنیم سوال این است که درکدام 5 پست (یا کمتر) از 11 پست باید خازن نصب شود و مقدار آنها چقدر باشد؟
برای حل این مسئله بعد از بررسیهای به عمل آمده سه راه پیشنهاد شد که در زیر شرح داده می شود(n تعداد پستهای قابل خازن گذاری و m  تعداد مجاز خازن است):
1- حل تمام حالتهای ممکن و استخراج بهترین حالت
در این روش مسئله به تعداد m از n بار حل می شود.
2- 2+m حالت با بیشترین حساسیت پیدا کرده و پستهای قابل خازن گذاری فقط به همین تعداد در نظر گرفته می شود و سپس استخراج بهترین حالت از ترکیب m از m2 انجام می شود.
3- یافتن m حالت با بیشترین حساسیت و حل مسئله فقط برای همین m حالت .
در روش اول می توانیم مطمئن باشیم که حتماً به بهترین جواب می رسیم ولی ممکن است تعداد حالتها بسیار زیاد باشد. چون برنامه های خازن گذاری در اینجا به صورت off-line کار می کنند زیاد شدن زمان در حد قابل قبول مشکل عمده ای نیست. متاسفانه در بعضی موارد حل چنین روشی ممکن است بسیار طولانی باشد(چند ساعت). بنابراین باید حتماً یکی از روشهای 2 یا 3 انتخاب شود برای مقایسه این روشها با هم برای چند شبکه مختلف اجرای آزمایشی ترتیب داده شد. همانطور که از قبل پیش بینی شده بود اجراهای آزمایشی نشان داد که بدون استثناء در تمام موارد کمترین هزینه در m گره با بیشترین حساسیت واقع شده است.
طبق عملیات ذکر شده برنامه در حالت 3 ابتدا گره با بیشترین حساسیت را می یابد و سپس کار خازن گذاری را در آنها انجام می دهد.
 
اطلاعات ورودی برای محاسبات خازن گذاری فشار متوسط
1- اطلاعات شبکه (اتصالات شبکه، فاصله بین پستها ، امپدانس و راکتاس خطوط)
2- توان اکتیو و راکتیو پستها در فصلهای پربار، کم بار و متوسط
3- بهای انرژی مصرفی(کیلو وات ساعت/ ریال) و تخمین رشد سالیانه
4- بهای دیماند(کیلو وات / ریال)
5- بهای بانک خازنی(کیلو وار/ ریال)
6- بهای تجهیزات خازنها برحسب ریال
7- عمر مفید شبکه بر حسب سال.
8- نرخ بهره پولی برحسب درصد و ......
 
نحوه انجام کار خازن گذاری
خازن گذاری با توجه به بارهای اکتیو و راکتیو پستها در سه فصل پربار، کم بار و متوسط بطور همزمان انجام می شود.
1- فصل پربار: پیک بار در فصل پرباری(بسته به مناطق مختلف)
2- فصل متوسط: حداقل بار در فصل پرباری(بسته به مناطق مختلف)
3- فصل کم بار: حداقل بار در فصل کم باری(بسته به مناطق مختلف)
برنامه با توجه به فصل پربار شروع به خازن گذاری می کند (به صورت پله های خازن گذاری)
و بعد از پخش بار، اضافه ولتاژ غیر مجاز در سه فصل آزمایش می شود اگر در فصل پر بار و متوسط اضافه ولتاژ داشتیم برنامه به رفع اضافه ولتاژ می پردازد ( برداشتن آخرین پله خازن گذاری) و سپس به برنامه خاتمه می دهد ولی اگر در این دو فصل (پر بار و متوسط) اضافه ولتاژ غیر مجاز وجود نداشت برنامه در فصل کم با آزمایش اضافه ولتاژ غیر مجاز را انجام می دهد اگر در این حالت اضافه ولتاژ وجود نداشت برنامه به خازن گذاری ادامه می دهد و مراحل دوباره تکرار می شود . ولی اگر اضافه ولتاژ غیر مجاز وجود داشت برنامه درصدد رفع آن و یافتن یک بانک خازنی سوئیچ شونده فصلی بر می آید که این بانک خازنی در یکی از فصول( کم بار) از مدار خارج می شود و بقیه خازنهای منصوبه به بصورت ثابت خواهند بود .
 
نحوه انتخاب خازن سوئیچ شونده :
ابتدا تعداد پستهای خان گذاری شده و مقدار خازن هر پست محاسبه می شود و بر اساس شماره پست مقادیر خازن مرتب ( Sort) می شوند ( به ترتیب صعودی) با توجه به اطلاعات مرتب شده مقدار خازن اولین پست به طور کامل برداشته می شود و مقدار بار راکتیو پست برابر با مقدار بار راکتیو قبل از خازن گذاری در نظر گرفته می شود .سپس بعد از انجام پخش بار اضافه ولتاژ غیر مجاز آزمایش می شود اگر اضافه ولتاژ رفع شد همین پست را به عنوان بانک خازنی سوئیچ شونده علامت گذاری می شود و عملیات تکرار می شود ولی اگر اضافه ولتاژ غیر مجاز رفع نشد خازن محاسبه شده دوباره روی همان پست قرار داده می شود و برای پست بعدی عملیات تکرار می شود نحوه خازن گذاری در فلوچارت شکل (1) و انتخاب خازن سوئیچ شونده در فلوچارت شکل (2) آمده است .
 
خازن گذاری در شبکه فشار ضعیف:
در شبکه فشار ضعیف با توجه به محدویت اطلاعات و تغییرات شدید آن در شبانه روز و فصول مختلف ، بهینه سازی به شکل زیر انجام می شود . با انجام یک رشته محاسبات که شرح ان در زیر خواهد آمد، بهترین حالت برای خازن گذاری فشار ضعیف به صورت زیر محاسبه شده است:
مقدار خازن نصبی را برابر نصف بار راکتیو کل قیدر در زمان پیک بار گرفته و مکان نصب آن جایی در نظر گرفته می شود که بار راکتیو فیدر در آن مکان یک سوم کل بار ابتدای فیدر باشد .یعنی دو سوم بار راکتیو کل فیدر، بین محل پست ومحل نصب خازن باشد .
محاسبات توجیهی خازن گذاری فشار ضعیف:


 
 


برای اثبات این که چرا باید مقدار خازن، نصف بار راکتیو پیک انتخاب شود ، از منحنی بار سالانه فرضی استفاده شده است که سعی شده است اطلاعات آن حتی المقدور و نزدیک به واقعیت باشد .
کل سال به سه فصل معتدل- گرم – سرد تقسیم شده است ( شکل 3) و مصرف بار در فصلهای مختلف در جدول (1) آمده است. با توجه به جدول (1) مصرف سه فصل، بار سالانه مطابق جدول (2) تنظیم و سپس منحنی بار سالانه شکل (4) طبق جدول (3) ترسیم می شود .
با توجه به منحنی شکل (4) تلفات انرژی سالانه را می توان با استفاده از رابطه (1) محاسبه کرد.

مقدار خازن نصبی را در سه حالت زیر بررسی می کنیم:
1- برابر یا نصف مقدار بار راکتیو پیک بار.
2- برابر با سه چهارم بار راکتیو پیک بار
3- برابر با یک دوم بار راکتیو پیک بار
مقدار درصد کاهش تلفات با کمک رابطه های 2 تا4 محاسبه می شود . در شکلهای (5)،(6)،(7) توان ظاهری و بار راکتیو شبکه مورد مطالعه بعد از نصب فرضی خازن نشان داده شده است.

با بررسی روابط مشخص می شود که وقتی مقدار خازن را به اندازه سه چهارم بار راکتیو پیک می گیریم کاهش تلفات 20% وقتی به اندازه یک دوم بار راکتیو پیک می گیریم کاهش تلفات 32% است ولی زمانی که خازن را برابر بار راکتیو پیک می گیریم نه تنها کاهش تلفات نداریم بلکه افزایش تلفات نیز به وجود می آید .
 
 
 
نتیجه محاسبات فشار ضعیف:
با مقایسه منحنی و محاسبات به دست آمده ، برای کاهش تلفات دیده می شود که بهترین حالت برای تعیین مقدار خازن ،حالت «ج» است. یعنی مقدار خازن باید برابر با نصف بار راکتیو پیک در نظر گرفته شود .
تعیین مکان نصب خازن در فشار ضعیف:
فیدر زیر را در نظر بگیرید.

برای تعیین محل نصب مناسب خازن محاسبات زیر را انجام می دهیم :
الف) محاسبه مصرف بار راکتیو هر گروه(...و q1,q2,q3)
ب) محاسبه مجموع بار راکتیو ورود به هر گروه(Q1,Q2,…)
ج) مجموع کل بارهای راکتیو عبوری از ابتدای فیدرQ1

مقدار خازن انتخابی برابر است با Q=  -1/2Q1 برای پیدا کردن مکان نصب خازن مجموع بار راکتیو ورود به هر گدام (Q1,Q2,…) را با یک سوم بار کل راکتیو عبوری از ابتدای فیدر (1/3Q1) مقایسه می کنیم هر کدام که به این مقدار نزدیکتر باشد همان تیر (گروه) را به عنوان مکان نصب خازن انتخاب می کنیم (2)
نتیجه گیری :
انجام محاسبات خازن گذاری وکاربرد عملی آن در شبکه های توزیع، در نظر گرفته نکات فنی و محدودیت های شرکت های توزیع ازاهمیت زیادی برخوردار است .علاوه بر آن کاربرد خازن در شبکه های فشار ضعیف باعث کمتر شدن تلفات و بالا رفتن بهره وری در شرکت های توزیع می شود کاربرد روشهای ذکر شده در مقاله، امکان بکارگیری عملی محاسبات بهینه سازی و نصب خازن را به صورتی صحیح فراهم می کند.
 
 
بخش دوم:
کاهش اضافه ولتاژ های ناشی از کلید زنی خازن در شبکه های توزیع
 
خلاصه :
در این مقاله تاثیر عملکرد بانکهای خازنی بر روی ولتاژ شبکه بررسی می گردد این بررسی شامل مطالعه حالت گذاری ناشی از کلید زنی بانکهای خازنی می باشد به کمک این مطالعه تاثیر نامطلوب کلید زنی بانک های خازنی بر تجهیزات الکترونیکی مورد بررسی قرار می گیرد و سه راح حل برای این مشکل ارائه می گردد .
 
1- مقدمه:
مطالعه مسائل کیفیت توان در سالهای اخیر به دلیل گسترش استفاده از تجهیزات الکترونیکی حساس، به موضوع مهمی در صنعت برق تبدیل شده است .در سالهای گذشته اعتشاشات، قطعی های کوتاه مدت در ولتاژ ، و سایر مسائل کیفیت توان در مقایسه با سالهای اخیر، که از تجهیزات حساس به ولتاژ استفاده فراوانی می شود اهمیت چندانی نداشت . امروزه به دلیل استفاده گسترده از وسائل الکترونیکی، هر حادثه ای در شبکه قدرت ممکن است باعث بروز قطعی در یک تجهیز حساس و از کار افتادن یک سیستم صنعتی و در نتیجه بروز خسارات فراوانی گردد (7) آمار نشان می دهد میزان بارهای الکترونیکی از 20% ( در سال 1985) به 50% تا 60% ( در سال 2000) افزایش داشته اند . این افزایش اهمیت بهبود کیفیت توان ارائه شده به مصرف کننده را نشان می دهد (2)
برای بهبود کیفیت توان باید منابع مربوط به اغتشاشات را شناخت تا بتوان آنها را کنترل کرد عواملی که می توانند بر روی کیفیت توان تاثیر بگذاری عبارتند از (4) .
1) بر قرار کردن بانکهای خازنی
2) راه اندازی موتورهای الکتریکی
3) بر قرار کردن ترانسفورماتور
4) بر قرار کردن خط
5) عملکرد مبدل ها
6) اتصال کوتاه مستقیم
7) اتصال کوتاه با مقاومت جرقه
8) رفع خطا
9) پدیده فرور زوناس
امروزه بانکهای خازنی در شبکه های قدرت دارای استفاده فراوانی هستند و برای جبرانسازی توان راکتیو، بهبود ولتاژ سیستم و همچنین آزاد سازی ظرفیت خطوط و ترانسفورماتورها بهترین راه حل میباشند عمده مسائل کیفیت توان ناشی از بکار گیری خازن به گذراهای پدید آمده از کلید زنی خازن مربوط می شود .(2)
 
2- کلید زنی خازن:
ورود و خروج بانکهای خازنی از متداولترین کارهایی است که روزانه در سیستم های قدرت انجام می شود این عمل باعث بروز گذراهایی در ولتاژ و جریان سیستم قدرت می شود در لحظه کلید زنی به دلیل اینکه ولتاژ خازن نمی تواند بهصورت آنی تغییر کندیک تغییر سریع در ولتاژ باس رخ می دهد که میزان تغییر ولتاژ پس از چند نوسان رفع می گردد.(6)
 
کلید زنی خازن را می توان به دو دسته تقسیم کرد (2)
1- کلید زنی معمولی بانکهای خازنی
2- کلید زنی بانکهای خازنی پشت به شت (Back to Back)
2-1- کلید زنی معمولی بانکهای خازنی :
در این نوع کلید زنی هیچ بانک خازنی برقرار در نزدیکی بانک خازنی که باید کلید زنی شود وجود ندارد. در شکل (1) یک شبکه نمونه نشان داده شده است که شکل موج ولتاژ در یاس 2 به هنگام کلید زنی خازنی C1 شبیه سازی شده است . نتایج شبیه سازی درشکل (2) آورده شده است . اطلاعات شبکه نیز در جدول (1) وجود دارد شبیه سازی فوق و بقیه شبیه سازی های این مقاله با نرم افزار Emtp انجام گرفته است .
همانطور که از شکل (2) مشخص است میزان اضافه ولتاژ در این شبکه در یاس 2 از 4/1 پریونیت تجاوز نمی کند .

همچنین در این نوع کلید زنی پله ولتاژ از صفر عبور نمی کند و یا به عبارت دیگر پلاریته ولتاژ در لحظه کلید زنی تغییر نمی کند (2)

 

 
برای بدست اوردن فرکانس نوسانات ناشی از کلید زنی خازن ، لازم است که شکل موج اغتشاش ناشی از کلید زنی خازن از شکل موج اصلی ولتاژ جدا شود. با توجه به تبدیل فوریه سریع سیگنال که در شکل (3) نشان داده شده فرکانس غالب نوسان در این نوع کلید زنی 930 هرتز است .

 
 
 
 
 
 
2-2- بر قرار کردن بانکهای خازنی پشت به پشت :
بر قرار کردن پشت به پشت بانکهای خازنی زمانی اتفاق می افتد که یک بانک خازنی در نزدیکی یک بانک خازنی دیگر که برقرار است کلیدزنی شود شکل موج ولتاژ باس 3 که ناشی از این نوع کلید برقرار کردن خازن می باشد در شکل (4) نشان داده شده است که در آن خازن C2 پس از بسته شدن خازن C1 بسته می شود از این شکل مشخص است میزان اضافه ولتاژ در این نوع کلید زنی از 5/1 پریونیت تجاوز نمی کند . همچنین شکل موج ولتاژ به هنگام کلید زنی خازن تغییر پلاریته نمی دهد ( با فرض اینکه شارژ اولیه خازن صفر باشد )(2)

برای استخراج فرکانس نوسانات در ابن نوع کلید زنی نیز شکل موج اغتشاش از شکل موج اصلی ولتاژ جدا شده و از آن تبدیل فوریه سریع گرفته شده است همانطور که از شکل (5) مشخص است فرکانس غالب این نوع کلید زنی بدلیل اینکه یک خازن بر قرار دیگر در شبکه وجود دارد یا فرکانس نوسانات نوع اول کلید زنی خازن متفاوت است.

 
 
 
 
3- اثرات کلید زنی خازن بر روی مصرف کننده ها :
گذارهای ناشی ازکلید زنی خازن معمولا در طرف تولید کننده اهمیت چندانی ندارد اما همانطور که در شکلهای (3) و (5) نشان داده شد بدلیل پائین بودن فرکانس این اضافه ولتاژهای گذرا از ترانسفورماتور کاهنده به طرف مصرف کننده منتقل می شوند و ممکن است بصورت ولتاژهایی با دامنه بزرگ در طرف مصرف کننده ظاهر شوند .
این اضافه ولتاژهای گذرا می توانند باعث ایجاد قطعی (بسته به دامنه اضافه ولتاژ) درمصرف کنندگانی شوند که از عناصر الکترونیک قدرت و کنترل کننده های دور موتور استفاده می کنند این مشکل از تغییر ولتاژ باس dc که اینورتر مربوطه از آن تغذیه می شود ناشی می گردد. زمانی که ولتاژ باس dc از میزان معینی بالاتر رود وسیله حفاظتی باعث قطع شدن موتور می گردد .(3)
4- راههای کاهش اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی خازن :
همانطور که نشان داده شد بر قرار کردن خازن ها باعث بروز اضافه ولتاژهایی در شبکه می گردد که در ذیل سه روش برای کاهش این اضافه ولتاژ ها اشاره و بررسی می گردد این سه روش عبارتند از :
1- استفاده از برقگیر
2- استفاده از کلید زنی همزمان بانکهای خازنی
3- استفاده از فیلتر به جای خازن جبرانسار برای بررسی هر کدام از روشهای فوق از شبکه نمونه شکل (1) استفاده شده است به این شبکه یک ترانسفورماتورv 400/kv 20 اضافه شده است و دو نوع بار به صورت مجزا به خروجی این ترانسفور ماتور متصل و اثرات کلید زنی خازن بر روی آنها و همچنین تاثیر هر کدام از سه روش بالا برود اضافه ولتاژهای به وجود آمده در ولتاژ هر مصرف کننده به هنگام کلید زنی خازن نشان داده شده است این شبکه در شکل (6) آورده شده است .

 
به دلیل اینکه یکسو ساز تمام موج تکفاز در اغلب لوازم الکترونیکی استفاده می شود این یکسو ساز با یک بار RL به عنوان بار نمونه اول انتخاب شده است همچنین یکسو ساز تمام موج سه فاز نیز بدلیل اینکه برای تغذیه اینورتر های کنترل کننده دور موتور که امروزه در صنعت کاربردهای فراوانی دارند استفاده می شود به عنوان بار نمونه دوم انتخاب شده است مشخصات این دو نوع بار و ترانسفور ماتور کاهنده در جدول (2) آورده شده است .


4-1- استفاده از برقگیر :(1)
4-1-1- برای کاهش اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی خازن در باس مربوط به خازن (باس 2) برقگیر قرار می دهیم .
برای نشان دادن اثر برقگیر بر روی ولتاژ بار در یکسوسازهای تکفاز وس سه فاز تمام پل اشاره شده در جدول (2) یک برقگیر سه فاز با منحنی مشخصه شکل (7) در باس 2 نصب شده و نتایج شبیه سازی درشکل (9) نشان داده شده است همچنین در شکل (8) ولتاژ دو سر بار در هرنوع یکسو ساز بدون اعمال هیچکدام از روشهای فوق آورده شده است همانطور که از این شکل مشخص است میزان اضافه ولتاژ به وجود آمده از کلید زنی خازن در باس 2 دریکسوساز تکفاز تقریبا 62/1 پریونیت و در یکسوساز سه فاز تقریبا 97/1 پریونیت است .
 
 

 


 
پس از نصب برقگیرها این اضافه ولتاژ به 36/1 پریونیت در یکسوساز تکفاز و 46/1 پریونیت در یکسو ساز سه فاز می رسد.

 
4-1-2- در شبیه سازی دوم برقگیرها را روی باس 3 قرار می دهیم . برقگیرها دارای همان مشخصه های بند 4-1-1- هستند با توجه به شکل موج ولتاژ هر کدام از دو نوع مصرف کننده که در شکل (10)آورده شده است ملاحظه می شود که میزان اضافه ولتاژ دوسر بار در یکسوساز  تک فاز تقریبا 21/1 پریونیت و در یکسو ساز سه فاز 65/1 پریونیت است .

 

 
4-1-3- در بررسی دیگر برقگیرهای کوچک(metal oxide naristor varistor) در خروجی ترانسفورماتور v 400/kv 20 قرار می دهیم .منحنی مشخصه این برقگیرها در شکل (11) نشان داده شده است با توجه به شکل موج ولتاژ دو سر هر کدام از دو نوع مصرف کننده که در شکل (12) آورده شده است دیده می شود که میزان اضافه ولتاژ دو سر بار در یکسوساز تکفاز 39/1 پریونیت و در یکسوساز سه فاز 43/1 پریونیت است .

 
 
 
4-1-4- علاوه بر اینکه در باس 2( در طرف kv 20) از برقگیر استفاده می کنیم در خروجی ترانسفورماتور (نزدیک بار) نیز از برقگیرهای اشاره شده و در بند 4-1-3 استفاده می کنیم نتایج شبیه سازی که درشکل (13) آورده شده است نشان می دهد که میزان اضافه ولتاژ دو سر بار در یکسوساز تکفاز 22/1 پریونیت و در یکسو ساز ساز فاز 20/1 پریونیت می باشد .

 
نتایج حاصل از این 4 شبیه سازی بیانگر این است که استفاده از روش چهارم بیشترین کاهش را در اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی خازن ایجاد می کند اما باید کرد که نصب برقگیر درطرف 20 کیلو ولت( در باس 2) بر عهده شرکت برق می باشد در حالیکه نصب برقگیر در خروجی ترانسفورماتور (نزدیک بار) بر عهده مصرف کننده می باشد با این وجود شرکت برق موظف است برای ارائه یک ولتاژ سالم به مصرف کننده در باسبار خازن برقگیر نصب نماید تا از وارد کردن خسارات احتمالی بر مصرف کننده در اثر کلید زنی خازن جلوگیری نماید در جدول (3) خلاصه نتایج شبیه سازی های انجام شده با برقگیر آورده شده است .
4-2- استفاده از کلید زنی همزمان :(5)
منظور از کلید زنی همزمان خازنها بر قرار کردن خازنهای هر فاز در لحظه عبور از صفر باشد گذاری قابل ملاحظه ای پدید نخواهد آمد. در صورتی خازنها دارای شارژ اولیه باشند کلیدها باید زمانی بسته شون که ولتاژ شبکه با شارژ الویه خازنها برابر باشد در شبکه با شارژ اولیه خازنها برابر باشد . در شبکه نمونه شکل (1) خازن C1 با همین روش کلید زنی شده و نتایج آن در شکل (4) نشان داده شده است .

روش دیگر برای بر قرار کردن همزمان خازنهایی که به صورت ستاره زمین نشده می باشند روش 5 ملی ثانیه می باشد زمانی که ولتاژ دو فاز با هم مساوی هستند کلید مربوط به این دو فاز بسته می شود که مسلما گذرای قابل ملاحظه ای نخواهد داشت پس از 5 میلی ثانیه ولتاژ نقطه ستاره بانک خازنی برابر با متوسط ولتاژ دو فاز یعنی صفر خواهد بود که با ولتاژ فاز سوم نیز برابر است بستن کلید فاز سوم در این لحظه نیز با گذرای مهمی همراه نخواهد بود این روش به شبکه نمونه شکل (1) به منظور کلید زنی خازن C1 اعمال شده و نتیجه شبیه سازی در شکل (15) آورده شده است.



 
 
4-3- استفاده از فیلترهای هارمونیکی:(1)
در این روش بجای استفاده از خازن تنها از یک فیلتر که شامل سلف و خازن است استفاده می شود به گونه ای که این مجموعه علاوه بر این که در فرکانس قدرت توان راکتیو را جبران می کند از بروز اضافه ولتاژهای ناشی از برقرار کردن خازن نیز جلوگیری می نماید . در شبکه نمونه شکل (6) خازن متصل به باس 2 با مقادیر مختلف اندوکتایس سری شده و میزان اضافه ولتاژهای ناشی ازکلیدزنی خازن در جدول (4) آورده شده است همچنین شکل موج ولتاژ دو سر بار برای دو حالتی ک اندوکتانس های mh 25وmh 75 با خازن سری شده است برای هر دو نوع یکسوساز (تکفاز وسه فاز) شبیه سازی شده و نتایج حاصله در شکل (16) آورده شده است .


 
 
همانطور که از شکلهای فوق مشخص است با افزایش اندوکتانس ، میزان اضافه ولتاژهای پدید آمده در ولتاژ با هر دو نوع یکسوساز به میزان قابل توجهی کاهش می یابد با این وجود باید دقت کرد که رزوناس سلف با خازن باعث تقویت برخی ها رمونیکهای خاص نگردد همچنین میزان اندوکتانس به اندازه ای نباشد که فیلتر در فرکانس قدرت بجای جبران توان راکتیو، مصرف کننده آن باشد .

5- نتیجه گیری :
در این مقاله سه روش برای کاستن از اضافه ولتاژهای ناشی از کلید زنی خازن ارائه گردید با توجه به نتایج به دست آمده از شبیه سازی ها ، استفاده از کلید سنکرون برای بر قرار کردن بانکهای خازنی بهترین راه حل می باشد چرا که هیچگونه اضافه ولتاژی در شکبه قدرت وافزایش استفاده ناز بانکهای خازنی و همچنین قیمت بالای این کلید ها از لحاظ اقتصادی استفاده از این روش برای تمامی بانکهای خازنی مناسب نخواهد بود .
استفاده از برقگیر و فیلتر های هارمونیکی، اضافه ولتاژها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد همانطور که از جداول 3و4 مشخص است استفاده از فیلتر بجای خازن میزان اضافه ولتاژ را در خروجی یکسوساز سه فاز به 17/1 پریونیت می رساند در حالیکه در یکسوساز تکفاز کمترین مقدار اضافه ولتاژ 25/1 پریونیت خواهد بود .
با استفاده از برقگیر حداقل اضافه ولتاژ در خروجی یکسوساز تکفاز 22/1 پریونیت و در خروجی یکسوساز سه فاز 20/1 پریونیت خواهد بود که در نتیجه استفاده از برقگیر برای یکسوساز سه فاز مناسب خواهد بود اما برای یکسو ساز تکفاز کافی نیست از ترکیب روش سوم بند 1-4 ( استفاده از فیلترهارمونیکی) میزان اضافه ولتاژ در خروجی یکسوساز تکفاز به 16/1 پریونیت می رسد که ترکیب این دو روش برای کاهش اضافه ولتاژ در یکسوساز تکفاز مناسب خواهد بود .
همانطور که قبلا نیز اشاره شده نصب فیلترهای هارمونیکی به جای خازن وظیفه شرکت برق می باشد اما اضافه کردن برقگیر در خروجی ترانسفورماتور بر عهده مصرف کننده است.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
بخش سوم:
خازن گذاری در مصارف صنعتی و کارخانجات
توان اکتیو:
در یک بار اهمی خالص بدون قسمت سلفی یا خازنی، مثل بخاری برقی، جریان صفر و ولتاژ روی هم قرار می گیرد (شکل 1). جریان و ولتاژ در این حالت اصطلاحاً هم فاز هستند از ضرب مقادیر لحظه ای ولتاژ (u) و جریان (I) شکل توان اکتیو لحظه ای محاسبه می شود فرکانس توان دو برابر فرکانس شبکه است و کاملاً در قسمت بالا (مثبت) واقع می شود.
چون حاصلضرب دو عدد منفی همیشه عددی مثبت است:
 (+P)= (-1).(-V)
توان اکتیو به فرمی غیر الکتریکی (مثل حرارت، نور، توان مکانیکی) تغییر شکل می یابد و از طریق کنتور ثبت می شود در بار اهمی خالص توان اکتیو از حاصلضرب مقدار موثر جریان (I) و ولتاژ (U) محاسبه می شود.
 

 
 
 
 
 
 
 
توان اکتیو و راکتیو:
در عمل، بیشتر اوقات بار خالص اهمی وجود ندارد بلکه قسمت سلفی نیز به آن اضافه می گردد این مطلب در تمامی مصرف کنندگانی که به میدان مغناطیسی احتیاج دارندمثل موتور اسنکرون، راکتور و ترانسفورماتور صادق است. همچنین مبدلهای و یکسو سازه ها برای کموتاسیون محتاج توان راکتیو هستند جریانی که میدان مغناطیسی را به وجود می آورد و باعث تغییر قطب های آن می گردد. مصرف نشده بلکه به عنوان جریان راکتیو بین بار و ژنراتور رفت و آمد می کند همانطوری که در شکل 2 نشان داده شده است عبور از صفر ولتاژ و جریان دیگر بر روی یکدیگر قرار نمی گیرند و تاخیری بین آن دو وجود دارد در فاصله بارهای اندوکتیو جریان بعد از ولتاژ حرکت کرده و در بارهای خازنی جریان جلوتر از ولتاژ حرکت می کند در این وضعیت از رابـــــطه(P) = (U).(I)  مقدار توان لحظه ای محاسبه می شود چرا که اگر یکی از دو عدد منفی باشد، حاصل منفی می گردد.
مثالی با تاخیر فاز  انتخاب شده این اختلاف فاز برابر ضریب توان 0.707 است بخشی از منحنی توان در محدوده منفی قرار می گیرد در این حالت توان راکتیو اینگونه محاسبه می شود:
 

 
 
 
 
 
 
 
 
توان راکتیو:
در موتورها و ترانسفورماتورهای  بی بار اگر تلفات کابلها، آهن و اصطحلاک نادیده گرفته شود. آنچه باقی می ماند تنها توان راکتیو سلفی است.
در صورتی که منحنی های ولتاژ و جریان با یکدیگر 900  اختلاف فاز داشته باشند نیمی از منحنی توان در ناحیه مثبت و نیمی دیگر در ناحیه منفی قرار می گیرد در این حالت توان اکتیو صفر است چون ناحیه مثبت و ناحیه منفی برابر هستند توان راکتیو که برای به وجود آوردن میدان الکترومغناطیسی بین ژنراتور و مصرف کننده در حال نوسان است از رابطه درون کادر زیر به دست می آید:

 
 
 
 
 
 
 
توان ظاهری:
توان ظاهری یک شبکه مشخص کننده میزان بار پذیری آن شبکه است.
ژنراتور، ترانس ها، کلیدها، فیوزها و مقاطع سیم ها و کابلها می بایستی برای توان ظاهری شبکه انتخاب گردند.
توان ظاهری حاصلضرب مقدار ولتاژ و جریان بدون در نظر گرفتن اختلاف فاز آنها است.
توان ظاهری از جمع هندسی توان موثر و توان راکتیو به دست می آید.
ضریب توان:
از کسینوس زاویه اختلاف فاز جریان و ولتاژ می توان اجزاء ظاهری و موثری توانها، ولتاژها و جریانها را محاسبه نمود در عمل ضریب توان بدین صورت تعریف می شود.
در دستگاههای الکتریکی اصولاً ضریب توان برای بار کامل نوشته می شود از آنجایی که شبکه برای توان ظاهری خاصی طراحی شده است لذا سعی بر این است که مقدار توان ظاهری حتی الا مکان پایین نگهداشته شود در صورتی که خازنهای مناسب به صورت موازی و در کنار مصرف کننده نصب شوند بخشی از توان راکتیو بین خازن و مصرف کننده نوسان کرده و باقی مانده  از شبکه کشیده می شود که میزان بارگذاری راکتیو شبکه را کاهش می دهد در صورتی که به وسیله جبران سازی، ضریب توان به 1 برسد در شبکه تنها جریان موثر وجود خواهد داشت.
 
چرا جبران سازی؟
 
توان راکتیوی که بین ژنراتور و مصرف کننده و در حال نوسان است در شبکه به گرما مبدل می شود مولدها، ترانسها کابلها، سیم کشیها و کلیدها نیز بر اثر آن تحت اضافه بار قرار گرفته که تلفات و افت ولتاژ را به همراه دارند در صورت زیاد بودن مقدار توان اکتیو مصرفی ممکن است کابلها و سیمها، توان انتقال جریان برق را نداشته باشند و لازم باشد که کابلها و سیم های دارای مقاطع بزرگتری به کار گرفته شوند.
از نظر وزارت نیرو کوچک بودن ضریب توان، هزینه های تولید، انتقال و توزیع؛ مخارج سرمایه گذاری و نگهداری تجهیزات در شبکه تولید برق را افزایش می دهد این مخارج به هزینه قبض های برق مصرف کننده ها اضافه می شود به همین دلیل در مجاورت کنتور یک کنتور راکتیو نیزنصب می شود.
مزایای خازن گذاری:
استفاده اقتصادی از
1)ژنراتورها
2)ترانسها
3)سیم ها و کابلها
4)کلیدها
5)کاهش تلفات و افت ولتاژ: در نتیجه مخازن کم انرژی
 
جبران سازی انفرادی:
در ساده ترین فرم، یک خازن با مقدار مناسب، موازی هر مصرف کننده سلفی نصب می شود بدین وسیله به صورت چشمگیری از بار سیم ها  و کابلها کم می شود باید دقت کرد که خازن فقط در محدوده زمانی فعالیت دستگاهها مورد استفاده واقع شود در ضمن نصب خازن برای جبران سازی انفرادی دستگاهها ساده نیست(از قبیل مسایلی چون مکان و یامخارج مونتاژ و نصب آن).
 
کاربرد:
جهت جبران سازی توان راکتیو بی باری ترانسفورماتورها
برای موتورهای دائم کار
برای موتورهای کم بار یا با کابل طولانی
 
مزایا:
شبکه داخلی کاملا از جریان راکتیو پاک می شود.
مخارج کمتر بر حسب KVAR
 
معایب:
جبران سازی در تمام کارها پخش شده است.
 
نسب پیچیده
به طور کلی به خازن بیشتری نیاز است چونکه توجهی به ضریب هم زمانی نمی شود.

 
جبران سازی گروهی:
دستگاههایی که به صورت گروهی نصب شده اند به صورت جمعی جبران سازی می شوند به جای خازنهای مختلف کوچک یک خازن مناسب بزرگ نصب می شود.
 
کاربرد:
برای مصارف سنگین سلفی در صورتی که با هم به کار گرفته شوند.
 
مزایا:
شبیه جبران سازی انفرادی ولی اقتصادی تر
 
معایب:
فقط برای مصرف کننده های گروهی که با هم کار می کنند قابل استفاده است.

 
 
 
 
 
جبران سازی مرکزی:
کل جبران سازی به صورت متمرکز مثلاً در ورودی فشار ضعیف نصب می شود بدین طریق تمام توان راکیتو مورد نیاز پوشش داده می شود کل توان خازن به پله های متعدد تقسیم شده و به وسیله یک رگولاتور توان راکتیو از طریق کنتاکتورها، بسته به وضعیت بار به مدار وارد یا خارج می شوند.
این روش امروزه در بیشتر مواقع مورد توجه قرار می گیرد چرا که جبران سازی مرکزی بدین طریق می تواند به آسانی تحت کنترل قرار گیرد تنظیم کننده های راکتیو مدرن می توانند دائماً وضعیت کلیدها، ضریب توان و جریان اکیتو و راکیتو و همچنین هارمونیک های موجود در شبکه را تحت نظارت قرار دهند به طور کلی با این روش به دلیل در نظر گرفتن هم زمانی در تمام کارخانه توان خازنی کمتر نسبت به جبران سازی انفرادی یا گروهی نیاز است در این روش جریان راکتیو سیمها و کابلها به کاررفته در شبکه درونی از طریق جبران سازی کم نمی شوند یعنی اگر سطح مقاطع کابلها و سیمهای بار به اندازه کافی بزرگ باشد دیگر مزیتی به شمار نمی رود.
 
کاربرد:
در صورتی که مقاطع سیم ها و کابلهای داخل کارخانه ایجاد مشکل نکنند همیشه قابل استفاده است.
 
مزایا:
کل سیستم مقابل دید بوده و آسان قابل کنترل است
استفاده مفید از توان خازن نصب شده
نصب ساده در اغلب اوقات
مصرف کمتر خازن چون ضریب هم زمانی در نظر گرفته می شود
در صورت وجود هارمونیک در شبکه، دارای مخارج مناسب تری است زیرا خازنها آسانتر به سلف مجهز می شوند.
 
معایب:
بار داخلی شبکه کم نمی شوند.
مخارج اضافی برای تنظیم اتوماتیک سیستم

 
 
 
 
جبران سازی مخلوط:
به دلیل اقتصادی اغلب مقرون به صرفه است که هر سه روش بالا را با یکدیگر استفاده نمود.

 
تعرفه های جریان:
برای مصرف کنندگان کوچک قوانین تعرفه ای مشخصی از سوی شرکتهای برق منطقه ای اعلام می شود در صورتی که برای مصرف کنندگان بزرگ قراردادهای مخصوصی بسته می شود.
در بیشتر این قرار دادها مخارج برق از اجزاء زیر تشکیل شده است.
توان اکتیو [KW]- اندازه گیری توسط کنتور ماکسی متر مثلاً ماکزیمم در هر 15 دقیقه
توان موثر [KWH]- اندازه گیری توسط کنتور راکتیو چند تعرفه (اغلب تعرفه روز و شب جداست).
توان راکتیو [KVARH]- اندازه گیری توسط کنتور راکتیو چند تعرفه که بخشی از آن تعریف روز و شب جدا دارد.
در حال حاضر زمانی مخارج انرژی راکتیوی محاسبه می شود که بار راکیتو بیشتر از 50% بار اکیتو باشد این مطابق ضریب توان 0.9 است منظور این نسبت که ضریب توان از 0.9 هرگز نباید بیشتر باشد این ضریب توان به عنوان پایه ضریب توان در متوسط ماهانه صدق می کند. در بعضی از مناطق برق      منطقه ای ضرایب توان دیگری مثل 0.9 اعمال می نماید.
در انواع تعرفه ها توان با KW محاسبه نمی شود بلکه با KWA محاسبه می گردد در این صورت مخارج توان راکیتو در قیمت توان مستتر است برای پایین آوردن مخارج در این مورد می بایستی سعی بر آن شود تا ضریب توان به 1 افزایش یابد کلاً باید از این نقطه نظر به موضوع نگاه کرد که در هر صورت انتخاب قدرت جبران سازی مناسب، از پرداخت مخازن اضافی جلوگیری می شود.
 
تخمین کلی:
نوع مصرف کننده
قدرت نامی خازن
موتورهای دارای جبران سازی انفرادی
35- 40% توان موتور
ترانسهای جبران سازی انفرادی
2.5% ظرفیت ترانس (در ترانسهای قدیمی 5%)
جبران سازی مرکزی
33-25% توان ترانس با هدف   0.9 =cos
50-40% توان ترانس با هدف         1 =cos
در ادامه درباره این موضوع بحث می شود که چطور توان جبران سازی مورد نیاز را می توان به دست آورد بعضی مواقع اطمینان صد در صد به صحت نتیجه محاسباتی وجود ندارد در این موارد می توان از روی تخمین بررسی کرد که نتیجه محاسبه شده تا چه حد به حقیقت نزدیک است.                     تا زمانی که مصرف کننده های نصب شده خارج از عرف معمولی نباشند. چنین تخمینی هایی به طور کلی نزدیک به اعدادواقعی هستند.
 

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :