آشنایی با خازن ها در شبکه توزیع

در این مقاله به کاربرد خازن ها در شبکه های توزیع برق می پردازیم و خواهیم دید که به چه نحوی با استفاده از بانک های خازنی، می توانیم میزان تلفات شبکه را پایین بیاوریم و توان راکتیو آن را بهبود بخشیم.

انواع توان در شبکه های توزیع

می دانیم در شبکه های جریان متناوب توان ظاهری که از مولدها دریافت می شود به دو بخش توان مفید و غیر مفید تقسیم می شود. نحوه این تقسیم به شرایط مدار بستگی دارد به این معنی که هر قدر ضریب توان CosΦ به یک نزدیکتر باشد سهم توان مفید بیشتراست. این اتفاق در مدارتی رخ می دهد که مصارف اهمی آن بیشتر است. مانند سیستم های روشنایی یا تولید گرما توسط انرژی برق. اما می دانیم که سهم عمده مصارف شبکه ها را مصرف کننده های (اهمی – سلفی) دریافت می کنند. مانند الکتروموتورها – ترانسفورماتورهای توزیع – چوک ها و.... که درآن ها سیم پیچ یا سلف نقش اصلی را ایفا می کند. در سیم پیچ ها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی توان همواره بین شبکه و سلف رد و بدل می شود. سلف در یک چهارم زمان تناوب توان دریافت می کند و در یک چهارم بعدی زمان، توان را به شبکه پس می دهد.

درست است که نتیجه ریاضی این عمل یعنی عدم مصرف انرژی زیرا توان داده شده به سلف با توان دریافت شده از آن برابر است، اما در عمل این اتفاق رخ نمی دهد، زیرا توان پس داده شده به شبکه امکان استفاده را برای مولد ایجاد نمی کند و این توان در هر حالتی از مولد دریافت شده است و برای رسیدن به مصرف کننده اهمی-سلفی از شبکه توزیع شامل : سیم ها-کابل ها و... عبور کرده است. نتیجه اینکه سلف توانی را از مولد دریافت می کند، اما این توان را به شبکه پس می دهد. این توان قابل استفاده نیست و در مسیر عبور تلف می شود، پس مقداری از توان تلف می شود. مصرف کننده های فوق برای انجام اینکار به توان مذکور نیاز دارند اما این توان برای شبکه مضر است و زیان های زیر را در پی دارد:

- اضافه شدن جریان مولد و درنتیجه نیاز به مولدهایی با توان های بیشتر

- نیاز به سیم ها و کابل هایی با سطح مقطع بالاتر برای کاهش افت ولتاژ به دلیل بالا رفتن جریان شبکه که این موضوع هزینه اولیه شبکه را افزایش می دهد.

- اتلاف توان در شبکه های توزیع بصورت حرارت روی می دهد در نتیجه هر کاری کنید نمی توانید از این اتلاف جلوگیری کنید. نتیجه این اتلاف توان ،کاهش ولتاژ مصرف کننده می باشد که این موضع راندمان مصرف کننده را پایین می آورد.

- نمی توان این توان را به مصرف کننده های اهمی سلفی تحویل نداد زیرا کار آن ها مختل می شود.

خازن ناجی شبکه های تولید و توزیع

توان هم در خازن ها بصورت توان غیر مفید است، درست مانند سلف ها، در یک چهارم پریود موج متناوب، توان دریافت می کنند و در یک چهارم بعدی توان را تحویل می دهند. پس خازن ها هم مانند سلف ها باعث افزایش توان راکیتو (غیر مفید) شبکه می شوند.

زمانی که خازن و سلف با هم در شبکه قرار گیرند اتفاق جالبی روی می دهد، این دو برعکس هم عمل می کنند! زمانی که سلف توان می گیرد خازن توان می دهد و زمانی که سلف توان می دهد خازن توان می گیرد. پس توان های غیر مفید این دو فقط یکبار از شبکه دریافت می شود و در زمان های بعد بین آن ها تبادل می شود، بدون اینکه مولد این توان را تحمل کند. پس مصرف کننده های اهمی سلفی توان راکتیو خود را دریافت می کنند و مولد و شبکه توزیع آن را تولید و پخش نمی کنند، زیرا این کار را خازن انجام می دهد. این خازن ها از حالا به بعد، خازن های اصلاح ضریب توان نام می گیرند و وظیفه آن ها تأمین توان راکتیو مورد نیاز مصرف کننده های اهمی سلفی است.

اتصال خازن به شبکه

خازن های اصلاح ضریب توان باید در شبکه بصورت موازی قرار گیرند. برای این کار در شبکه های تکفاز باید به فاز و نول وصل شوند و در شبکه های سه فاز پس از اتصال بصورت ستاره یا مثلث آنگاه به سه فاز متصل می شوند.  این خازن ها باید از انواعی انتخاب شوند که بتوانند بصورت دائم در مدار قرار گیرند. پس باید بتوانند ولتاژ شبکه را تحمل کنند. در محاسبه خازن از انواعی استفاده می شود که ولتاژ مجاز آن ها 15% بیشتر از ولتاژ شبکه باشد.

محاسبه خازن

نقش خازن در شبکه کاهش توان راکتیو مصرف کنند های اهمی-سلفی از دید مولدها است. با این اتفاق ضریب توان مفید به یک نزدیک می شود. پس با کنترل ضریب توان امکان کنترل توان راکتیو وجود دارد. این کار به کمک یک کسینوس فی متر صورت می گیرد. یعنی به کمک کسینوس فی متر می توان دریافت که ضریب توان و در نتیجه توان راکتیو در چه وضعیتی قرار دارد. خازن مذکور باید برابر نیاز شبکه باشد در غیر اینصورت خود توان راکتیو از مولد دریافت می کند و همچنین سبب افزایش ولتاژ آن می شود. پس باید خازن مطابق نیاز شبکه محاسبه شود.

پرسش : شبکه به چه مقدار خازن نیاز دارد؟

پاسخ : مقداری که ضریب توان را به یک نزدیک کند. این مقدار خازن خود توان راکتیوی ایجاد می کند که توان راکتیو مصرف کننده اهمی-سلفی را جبران می کند. پس مقدار خازن به مقدار توان راکتیو مدار بستگی دارد. هر قدر این توان قبل از خازن گذاری بیشتر باشد، اندازه خازن نیز بزرگتر خواهد بود.

با توجه به مطالب گفته شده باید برای محاسبه خازن سه مقدار مشخص شود:

1. مقدار ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری

2. مقدار ضریب توان شبکه بعد از خازن گذاری که انتظار داریم شبکه به آن برسد

3. اندازه توان اکتیو

پس از تعیین این مقادیر، مراحل زیر را پی می گیریم. برای مقدار ضریب توان مطلوب مثلا عدد 9/0 مقدار خوبی است. حال دو مقدار ضریب توان داریم یکی ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری و دیگری ضریب توان مطلوب که می خواهیم با گذاردن خازن به آن برسیم. به کمک رابطه زیر مقدار توان راکتیو مورد نظر را که با آمدن خازن تأمین می شود محاسبه می کنیم ( توجه: در خرید خازن های اصلاح ضریب توان بجای فاراد برای تعیین ظرفیت خازن از میزان توان راکتیو آن خازن سخن گفته می شود).

هنگام استفاده از بانک های خازنی توزیع، در اکثر این موارد، عمل کنترل با استفاده ازکلیدهایی صورت می گیرد که بصورت دستی و با لحاظ کردن شرایط فصلی، خازن ها را وارد یا از مدارخارج می کنند. چنین کنترلی، مؤثر و کارا نیست، زیرا در شرایط پیک بار، سیستم توزیع دچار کمبود توان راکتیو و در شرایط بارکم، دچار اضافه توان راکتیو می شود. اگرچه بانک های خازنی توزیع، تک تک و کوچک هستند اما اثر مجموع آن ها بر سیستم قابل ملاحظه است. هدف از برنامه ای که از سوی اداره طراحی توزیع ارائه شده بود، ابداع سیستمی در دل سیستم مدیریت انرژی موجود بود که در آن بانک های خازنی در فیدرهای توزیع با توجه به میزان توان راکتیو مورد نیاز درپست ها انتخاب شوند.

ایده اصلی شرکت Stellar Dynamics Inc برای کنترل خازن های توزیع، اندازه گیری مقادیرتوان راکتیو و اکتیو در سطح پست های توزیع و سپس ارسال دستورات مناسب به تجهیزات کنترلی مخصوص نصب شده روی هر بانک خازنی توزیع است. تجهیزات لازم برای ارتباط کنترل کننده پست با سیستم دیسپاچینگ یعنی الگوریتم کنترل دینامیک بانک های خازنی توزیع DCC (Distribution Capacitor Control) ، امکان استفاده بهینه سیستم های انتقال و توزیع را فراهم می آورد.

DCC یک دستگاه کنترل است که با حذف یا کاهش جزء راکتیو و بهبود ضریب قدرت، ظرفیت شبکه را بالا می برد. با بهبود ضریب قدرت، جریان سیستم کم شده و سیستم امکان می یابد تا بار بیشتری را تغذیه کند. این مزیت به ویژه در مورد تجهیزاتی که ممکن است تحت تأثیر اضافه بار حرارتی قرار گیرند، اهمیت پیدا می کند. همچنین، بهبود ضریب قدرت به ژنراتور امکان می دهد تا توان اکتیو بیشتری را تولید کند. به علاوه در صورت پیش آمدن شرایط غیرعادی درمحل خازن ها، دستگاه DCC هشدارهای لازم را صادر می کند. ترانسفورماتور توزیع، نقطه کنترل طراحی شده در این الگوریتم است.

در سال 1996، نخستین DCC در یک پست 7/12 کیلو ولت سه فیدره در غرب بویس در آیداهو که مشکل توان راکتیو و افت ولتاژ داشت نصب شد. به عنوان بخشی از اتوماسیون خازنی، تعداد 14 بانک خازنی تحت کنترل قرار گرفتند. بخشی از این بانک ها از قبل وجود داشته و تعدادی دیگر تازه نصب شده بودند تا توان راکتیو اضافی تولید کنند. بعد از نوسانات اولیه، سیستم آنچه را از آن انتظار می رفت، عملی ساخت. جبران سازی کامل در پست توزیع دریک محدوده وسیع بار انجام گرفت.

اتوماسیون خازن در سال 1997 در 16پست و در سال 1998 در 14 پست دیگر نیز اجرا شد. پست هایی که در سال 1997، تحت اتوماسیون قرارگرفتند، از مدول ارتباطی Harris D-10 برای ارتباط با RTU استفاده می کردند. این مدول بصورت یک کنترل کننده خازن عمل می کند. درسال 1998 در آیداهو، شرکت برق این ایالت، تصمیم گرفت سیستم مدول ارتباطی Harris D-20 را طوری تغییر دهد که این ترمینال ها را قادر سازد تا توسط سیستم مدیریت انرژی برای کارهایی غیر ازکنترل خازن نیز مورد استفاده قرار گیرند. این کار باعث شد تا کنترل خازن با اضافه کردن یک نرم افزار ساده در پست هایی که دارای مدول D-20 برای کنترل، نظارت و اخذ داده هستند، انجام پذیرد.

قبل از نصب DCC، شکل موج بار راکتیو از تقاضای بار اکتیو پیروی می کرد. پس از نصب، الگوریتم کنترل باعث شد تا شکل بار راکتیو نسبت به منحنی بار اکتیو عکس شود که این موضوع باعث کاهش تلفات انتقال و بهبود رگولاسیون ولتاژ سیستم شد. هرچند با نصب خازن های ثابت نیز ممکن است چنین نتیجه ای حاصل شود اما با کار انجام شده، امکان تنظیم و کنترل در محدوده وسیعی از بارهای فصلی به شکل بهتری فراهم می شود. سیستم اتوماسیون خازنی بدون دخالت انسان، توان راکتیو را در هر یک از پست ها با پله های کوچک کنترل می کند به نحوی که راندمان کل سیستم بالا می رود. با نصب کنترل کننده بانک خازنی در یک پست، یک مگاوار توان راکتیو پشتیبان در آن شبکه توزیع (شامل ترانسفورماتور و فیدرهای مربوط به آن) بدست آمد. این کار با استفاده مؤثر از خازن های موجود و بدون نصب خازن های اضافی انجام گرفته است. در بیشتر نواحی روستایی به خصوص آن ها که با شبکه های شعاعی تغذیه می شوند، بهبود پروفیل ولتاژ باعث کاهش یا به تأخیر افتادن بازسازی می شود. اتوماسیون خازنی، زمان لازم برای کنترل دستی بانک های خازنی در فیدرهای طولانی را به نحو چشمگیری کاهش داده است.

منبع : مجله T&D