Confronting with problems in the result of rushing current in the reservoir banks

چكيده
 

براساس فصل سوم آيين‌نامه‌ي تكميلي تعرفه‌هاي برق ايران، شركت‌هاي برق براي متقاضيان قدرت بيش از 30 كيلووات برق را به صورت «ديماندي» واگذار مي‌كنند. براي چنين متقاضياني هم انرژي اكتيو (k Wh) و هم انرژي راكتيو (k VAR h)محاسبه و بهاي آن اخذ مي‌شود. مشتركان برق مي‌توانند انرژي راكتيو را راساً در محل خود به سادگي و با استفاده از خازن‌ها تأمين نموده و از پرداخت بهاي اين انرژي معارف شوند. همين مطلب باعث شده كه امروزه استفاده از خازن‌ها براي تأمين انرژي راكتيو و بهبود ضريب توان در مصارف مختلف، اعم از صنعتي و مسكوني متداول شود. سوييچينگِ خازن با يك جريان هجوميِ شديد همراه است. بدون خنثا كردن اثر اين جريان هجومي، خازن در معرض كاهش عمر مفيد و گاه حتي نابودي قرار مي‌گيرد. در اين مقاله، به روش‌هاي كاهش اين جريان هجومي در طراحي بانك‌هاي خازني پرداخته مي‌شود.

كليات
 

سهم عمده‌اي از توان در شبكه‌هاي برق از سوي بارهاي «اهمي ـ سلفي» مانند الكتروموتورها، ترانسفورماتورها، چوك‌ها و ... كه در آن‌ها سيم‌پيچ يا سلف، نقش اصلي را ايفا مي‌كند، دريافت مي‌شود. سلف‌ها مصرف كننده‌ي توان راكتيو هستند و اگر در همان محل قرارگيري‌شان اين توان توليد نشود، آن را از شبكه مي‌گيرند. اخذ توان راكتيو از شبكه زيان‌هاي زير را در پي دارد:
ـ اضافه شدن جريان مولد و در نتيجه نياز به مولدهايي با توان‌هاي بيش‌تر.

ـ چون جريان شبكه زياد مي‌شود، به سيم‌ها و كابل‌هايي با سطح مقطع بالاتر براي كاهش اُفت ولتاژ نياز است، كه اين موضوع هزينه‌ي سرمايه‌گذاري اوليه‌ي شبكه را افزايش مي‌دهد.
ـ اتلاف توان در شبكه‌هاي توزيع، تابعي از مقدار مؤثر جريان است. با اضافه شدن يك مولفه‌ي راكتيو به جريان خطوط، تلفات شبكه بالا مي‌رود. نتيجه‌ي اين اتلاف توان، كاهش ولتاژ مصرف‌كننده‌ها و پايين آمدن راندمان است.
خازن‌ها عامل جبران كننده‌ي توان راكتيو براي بارهاي سلفي بوده و به عنوان عامل تصحيح كننده‌ي ضريب قدرت، عمل مي‌كنند. با توليد قدرت كاپاسيتيو توسط خازنها، اثر مؤلفه‌هاي راكتيو كاهش و ضريب قدرت افزايش مي‌يابد؛ كه نتيجه‌ي آن براي مصرف‌كنندگان، صرفه‌جويي اقتصادي و براي شركت‌هاي برق، ايجاد شرايط فني مطلوب‌تر براي انتقال انرژي خواهد بود. به طور خلاصه، مزاياي استفاده از خازن‌ها عبارت‌اند از:

ـ كاهش مؤلفه‌ي پس فاز جريان مدار.
ـ تنظيم ولتاژ و ثابت نگه داشتن آن به منظور جلوگيري از وارد آمدن خسارت به دستگاه‌ها.
ـ كاهش تلفات سيستم به دليل كاهش جريان.
ـ كاهش توان راكتيو در سيستم به دليل كاهش جريان. ـ بهبود ضريب توان شبكه.
ـ به تعويق انداختن و يا به طور كلي حذف كردن هزينه‌هاي لازم براي ايجاد تغييرات در سيستم.
‌ـ افزايش درآمد ناشي از افزايش ولتاژ و جبران بار راكتيو.
خازن‌هاي فشار ضعيف شامل دو ورقه‌ي نازك آلومينيوم جدا شده توسط لايه‌هاي كاغذ اشباع شده از روغن عايق و مايع‌هاي مصنوعي سنتتيك (Synthetic) مانند بنزيل هستند. گاه به جاي كاغذ از موادي همچون پلي پروپيلن (Poly Propylene) نيز براي اين منظور استفاده مي‌شود. اين ورقه‌ها چند دور لوله شده و يك واحد خازن را تشكيل مي‌دهند، يا تعدادي از اين لايه‌ها روي يكديگر قرار داده شده، مجموعاً در داخل يك مخزن مملو از ماده‌ي عايق جاسازي گرديده و دو انتهاي آن‌ها از طريق مقره كه به محيط خارج‌ هدايت مي‌شود.
از آن جا كه هدف از نصب خازن، حذف بار راكتيو متغير مصرف كننده در هر شرايط است، براي كنترل آن از رگولاتور تصحيح ضريب قدرت استفاده مي‌شود. رگولاتور، ترتيب به مدار آمدن و يا از مدار خارج شدن خازن‌ها در يك بانك خازني را تعيين كرده و متناسب با بار راكتيو مورد نياز، فرمان قطع يا وصل كنتاكتورها را صادر مي‌كند. از نكات درخور توجه در رگولاتورها، تنظيم مربوط به نسبت (C/K) است. مقدار (C/K) عبارت است از نسبت تبديل توان نخستين پله‌ي خازن (C) به نسبت تبديل ترانسفورماتور جريان (K) متصل به رگولاتور. از اين رو، پس از مشخص شدن توان راكتيو مورد نياز، بايد آن را به نسبت مصارفي كه در هر لحظه وارد مدار مي‌شود، پله‌بندي و رگولاتور مناسب با اين مجموعه را انتخاب كرد. نحوه‌ي پله‌بندي خازن‌ها در مشخصات فني رگولاتورها ذكر مي‌شود.

جريان هجومي و حذف آن در خازن‌هاي اصلاحگر ضريب توان
 

سوييچينگ يك خازن در حالت موازي با ديگر خازن‌ها باعث افزايش شديد جريان هجومي مي‌شود. اين مسأله با توجه به اين نكته است كه ولتاژ خازن بر اساس قانون KVL نمي‌تواند پرش داشته باشد، مگر آن كه جريان بسيار بزرگي از آن بگذرد. شكل 3-ب اين جريان را براي بانك خازني 5 واحدي شكل 3- الف، در لحظه‌اي كه واحد پنجم به مدار مي‌آيد، نشان مي‌دهد. در اين جا جريان نامي هر واحد 21 آمپر بوده است.
جريان همجومي تابعي‌ست از:
ـ ولتاژ باقي مانده‌ي خازن از وصل قبلي (به ويژه به هنگام سوييچينگ سريع در بانك‌هاي خازني خودكار). ـ قدرت اتصال كوتاه شبكه در محل نصب خازن.
ـ اندازه‌ي (سايز) خازن.

ـ مقاومت اُهميِ خازن و تجهيزات سوييچينگ توزيع و كابل‌هاي اتصال و كانكشن‌ها.
براي مثال، جريان هجومي زمان وصل براي دو نمونه خازن با كنتاكتورهاي مربوطه در جدول 2 آمده است. وصل كردن بانك خازني، بدون خنثا كردن اثر جريان هجومي، خازن‌ها را در حالت اتصال كوتاه قرار داده و عمر آن‌ها را كم مي‌كند. علاوه بر اين، از ديدگاه كيفيت توان نيز اضافه ولتاژهاي ديناميكي ناخوشايندي در شبكه ايجاد مي‌گردد كه براي ديگر تجهيزات نيز توليد اشكال مي‌كند. در پي اين اضافه ولتاژهاي ناخواسته، كه نمونه‌اي از آن‌ها را در شكل 4‌ آورده‌ايم، مشكلات عايقي براي تجهيزات الكتريكي همسايه و خود خازن پيش مي‌آيد.

در شكل 5 يك نمونه خازن كه در اثر جريان هجومي بالا آسيب ديده و اتصالات سيم‌پيچ‌هاي آن قطع شده است، ملاحظه مي‌گردد. اين اتفاق به دليل وارد شدن نيروي الكترومكانيكي بالاي ناشي از جريان هجومي به خازن، به خصوص در ناحيه‌ي بين الكترودها و لايه‌ي فلزي جوشن‌هاي خازن پيش آمده است.

محاسبه‌ي جريان هجومي و نحوه‌ي مقابله با اثرات آن
 

براي محاسبه‌ي جريان هجومي در وضعيتي مانند شكل 6، مي‌توان از اين رابطه استفاده كرد:
كه در آن، Sk ظرفيت اتصال كوتاه ترانسفورماتور، Q ظرفيت نامي خازن، و IN جريان نامي خازن مي‌باشد.
مثال:
براي خازني با ظرفيت نامي kVAR 50 و خروجي ترانس kVA 1600 و ولتاژ اتصال كوتاه ترانس برابر با 5 درصد و A72=IN داريم:
يعني جريان هجومي معادل 35 برابر جريان نامي‌ست. معمولاً اين جريان در همين حدود بوده و مقادير نوعي آن بين 10 تا 40 برابر جريان نامي‌ست.

براي مقابله با اثرات جريان هجومي، يكي از راه‌هاي بسيار ساده و عملي، استفاده از يك سلف به طور سري با خازن است. بر اساس قانون KCL ميدانيم كه جريان سلف پرش ندارد؛ پس مي‌تواند براي محدود كردن جريان فزاينده‌ي خازن در لحظه‌ي وصل به شبكه، ابزار مناسبي باشد. بر اين مبنا، كنتاكتورهايي مخصوص سوييچينگ خازن ساخته شده‌اند كه مجهز به يك سلف محدود كننده‌ي كوچك با هسته‌ي هوايي هستند. شكل 7 نمونه‌اي از اين كنتاكتورها را نشان مي‌دهد.
شكل 8 نتيجه‌ي استفاده از كنتاكتورهاي فوق را در كاهش پيك جريان هجومي، براي يك پروژه‌ي نمونه نشان مي‌دهد. ملاحظه مي‌شود كه ميزان جريان هجومي، بالغ بر 8 برابر كاهش داده شده است.

نتيجه‌گيري
 

در اين نوشتار به جريان هجومي بانك خازني اصلاحگر ضريب توان پرداخته شد و توضيح داده شد كه استفاده از روش‌هاي سنتي براي سوييچينگ آن‌ها چه تبعاتي مي‌تواند براي ولتاژ و جريان مدار به همراه داشته باشد. راه‌حل ارائه شده، استفاده از كنتاكتورهاي مجهز به سلف محدودكننده بود كه به افزايش عمر بانك‌هاي خازني و كاهش اختلالات كيفيت توان در مدار مي‌انجامد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- عضو هيأت علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد خميني‌شهر
 

منابع
- Damping of Inrush Current in Low-Voltage PFC Equipment Low-Voltage PFC-Application note 2001
- راهنماي طرح و اجراي تأسيسات الكتريكي؛ نوشته‌ي گروه ABB؛ ترجمه‌ي شاهرخ شجاعيان؛ 1386.
ماهنامه‌ي دانش نما، شماره 171-170، تير ـ مرداد 88