براساس فصل سوم آیین‌نامه‌‌ی تكمیلی تعرفه‌های برق ایران، شركت‌های برق برای متقاضیان قدرت بیش از ۳۰ کیلو‌وات برق را به صورت «دیماندی» واگذار می‌کنند. برای چنین متقا‌ضیانی، هم انرژی اکتیو (kWh) و هم انرژی راکتیو (kVARh) محاسبه و بهای آن اخذ می‌شود. مشترکان برق می‌توانند انرژی راكتیو را راساً در محل خود به سادگی و با استفاده از خازن‌ها تأمین کرده و از پرداخت بهای این انرژی معارف شوند. همین مطلب باعث شده كه امروزه استفاده از خازن‌ها برای تأمین انرژی راكتیو و بهبود ضریب توان در مصارف مختلف، اعم از صنعتی و مسكونی متداول شود. سوییچینگِ خازن با یك جریان هجومی شدید همراه است. بدون خنثی كردن اثر این جریان هجومی، خازن در معرض كاهش عمر مفید و گاه حتی نابودی قرار می‌گیرد. در این مقاله، روش‌های كاهش این جریان هجومی در طراحی بانک‌های خازنی بررسی می‌شود.
طراحی و پیاده‌سازی بانک خازنی از مهارت‌های بسیار ضروری و سودمند در صنعت برق است. در دوره برق صنعتی ماهر نحوه محاسبه، طراحی و ساخت تابلوی بانک خازنی به صورت کاملاً عملی و کاربردی آموزش‌داده شده است. در صورت تمایل به یادگیری این مهارت ارزشمند می‌توانید این دوره را تهیه کنید.
مقدمه
سهم عمده‌ای از توان در شبكه‌های برق از سوی بارهای «اهمی-سلفی» مانند الكتروموتورها، ترانسفورماتورها، چوک‌ها و … كه در آن‌ها سیم‌پیچ یا سلف، نقش اصلی را ایفا می‌كند، دریافت می‌شود. سلف‌ها مصرف‌كننده‌ی توان راکتیو هستند و اگر در همان محل قرارگیری‌شان این توان تولید نشود، آن را از شبكه می‌گیرند. اخذ توان راکتیو از شبكه زیان‌های زیر را در پی دارد:
ـ اضافه شدن جریان مولد و در نتیجه، نیاز به مولدهایی با توان‌های بیشتر.
ـ چون جریان شبكه زیاد می‌شود، به سیم‌ها و كابل‌هایی با سطح مقطع بالاتر برای کاهش اُفت ولتاژ نیاز است، كه این موضوع هزینه‌ی سرمایه‌گذاری اولیه‌ی شبكه را افزایش می‌دهد.
ـ اتلاف توان در شبكه‌های توزیع، تابعی از مقدار مؤثر جریان است. با اضافه شدن یک مولفه‌ی راکتیو به جریان خطوط، تلفات شبكه بالا می‌رود. نتیجه‌ی این اتلاف توان، كاهش ولتاژ مصرف‌كننده‌ها و پایین آمدن راندمان است.
خازن‌ها عامل جبران كننده‌ی توان راکتیو برای بارهای سلفی بوده و به عنوان عامل تصحیح‌كننده‌ی ضریب قدرت، عمل می‌كنند. با تولید قدرت کاپاسیتیو توسط خازن‌ها، اثر مؤلفه‌های راکتیو كاهش و ضریب قدرت افزایش می‌یابد؛ كه نتیجه‌ی آن برای مصرف‌كنندگان، صرفه‌جویی اقتصادی و برای شركت‌های برق، ایجاد شرایط فنی مطلوب‌تر برای انتقال انرژی خواهد بود.
به طور خلاصه، مزایای استفاده از خازن‌ها عبارت‌اند از:
ـ کاهش مؤلفه‌ی پس‌فاز جریان مدار.
ـ تنظیم ولتاژ و ثابت نگه داشتن آن به‌منظور جلوگیری از وارد آمدن خسارت به دستگاه‌ها.
ـ کاهش تلفات سیستم به دلیل کاهش جریان.
ـ کاهش توان راکتیو در سیستم به دلیل کاهش جریان.
ـ بهبود ضریب توان شبكه.
ـ به تعویق انداختن و یا به طور کلی حذف كردن هزینه‌های لازم برای ایجاد تغییرات در سیستم.
ـ افزایش درآمد ناشی از افزایش ولتاژ و جبران بار راکتیو.
خازن‌های فشار ضعیف شامل دو ورقه‌ی نازک آلومینیوم جدا شده توسط لایه‌های كاغذ اشباع شده از روغن عایق و مایع‌های مصنوعی سنتتیک (Synthetic) مانند بنزیل هستند. گاه به جای کاغذ از موادی همچون پلی‌پروپیلن (Polypropylene) نیز برای این منظور استفاده می‌شود. این ورقه‌ها چند دور لوله شده و یك واحد خازن را تشكیل می‌دهند، یا تعدادی از این لایه‌ها روی یکدیگر قرار داده شده، مجموعاً درون یک مخزن مملو از ماده‌ی عایق جاسازی گردیده و دو انتهای آن‌ها از طریق مقره كه به محیط خارج هدایت می‌شود. از آن‌جا كه هدف از نصب خازن، حذف بار راکتیو متغیر مصرف‌كننده در هر شرایط است، برای كنترل آن از رگولاتور تصحیح ضریب قدرت استفاده می‌شود. رگولاتور، ترتیب به مدار آمدن و یا از مدار خارج شدن خازن‌ها در یک بانک خازنی را تعیین کرده و متناسب با بار راکتیو مورد نیاز، فرمان قطع یا وصل كنتاكتورها را صادر می‌كند.
از نكات درخور توجه در رگولاتورها، تنظیم مربوط به نسبت (C/K) است. مقدار (C/K) عبارت است از نسبت تبدیل توان نخستین پله‌ی خازن (C) به نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان (K) متصل به رگولاتور. از این رو، پس از مشخص شدن توان راکتیو مورد نیاز، باید آن را به نسبت مصارفی كه در هر لحظه وارد مدار می‌شود، پله‌بندی و رگولاتور مناسب با این مجموعه را انتخاب كرد. نحوه‌ی پله‌بندی خازن‌ها در مشخصات فنی رگولاتورها ذكر می‌شود.
بیشتر بخوانید: در مقاله زیر با انواع خازن‌های اصلاح ضریب توان آشنا شوید.
جريان هجومی و حذف آن در خازن‌های اصلاح ضریب توان
سوئیچینگ یک خازن در حالت موازی با دیگر خازن‌ها باعث افزایش شدید جریان هجومی می‌شود. این مسأله با توجه به این نكته است كه ولتاژ خازن بر اساس قانون KVL نمی‌تواند پرش داشته باشد، مگر آن كه جریان بسیار بزرگی از آن بگذرد. شكل ۴-ب این جریان را برای بانک خازنی ۵ واحدی شكل ۴-الف، در لحظه‌ای كه واحد پنجم به مدار می‌آید، نشان می‌دهد. در این جا جریان نامی هر واحد ۲۱ آمپر بوده است. جریان هجومی تابعی‌ست از:
ـ ولتاژ باقی‌مانده‌ی خازن از وصل قبلی (به ویژه به هنگام سوئیچینگ سریع در بانک‌های خازنی خودكار). ـ قدرت اتصال كوتاه شبكه در محل نصب خازن.
ـ اندازه‌ی (سایز) خازن.
ـ مقاومت اُهمی خازن و تجهیزات سوئیچینگ توزیع و كابل‌های اتصال و كانكشن‌ها.
وصل كردن بانك خازنی، بدون خنثی كردن اثر جریان هجومی، خازن‌ها را در حالت اتصال كوتاه قرار داده و عمر آن‌ها را كم می‌كند. علاوه بر این، از دیدگاه کیفیت توان نیز اضافه ولتاژهای دینامیكی ناخوشایندی در شبكه ایجاد می‌شود كه برای دیگر تجهیزات نیز تولید اشكال می‌كند. در پی این اضافه‌ولتاژهای ناخواسته، كه نمونه‌ای از آن‌ها را در شكل ۵ آورده‌ایم، مشكلات عایقی برای تجهیزات الكتریكی همسایه و خود خازن پیش می‌آید.
در شكل ۶ یك نمونه خازن كه در اثر جریان هجومی بالا آسیب دیده و اتصالات سیم‌پیچ‌های آن قطع شده است، ملاحظه می‌شود. این اتفاق به دلیل وارد شدن نیروی الكترو‌مكانیكی بالای ناشی از جریان هجومی به خازن، به خصوص در ناحیه‌ی بین الكترودها و لایه‌ی فلزی جوشن‌های خازن پیش آمده است.
بیشتر بخوانید: برای آشنایی با کنتاکتور خازنی مقاله زیر را بخوانید
محاسبه‌ی جريان هجومی و نحوه‌ی مقابله با اثرات آن
برای محاسبه‌ی جریان هجومی در شکل ۴-الف، می‌توان از این رابطه استفاده كرد:
كه در آن،
ظرفیت اتصال كوتاه ترانسفورماتور، Q ظرفیت نامی خازن، و 
جریان نامی خازن است.
مثال:
برای خازنی با ظرفیت نامی ۵۰kVAR و ترانس ۱۶۰۰kVA و ولتاژ اتصال كوتاه ترانس برابر با ۵ درصد و 
داریم
یعنی جریان هجومی معادل ۳۵برابر جریان نامی است. معمولاً این جریان در همین حدود بوده و مقادیر نوعی آن بین ۱۰ تا ۴۰برابر جریان نامی است.
برای مقابله با اثرات جریان هجومی، یكی از راه‌های بسیار ساده و عملی، استفاده از یک سلف به طور سری با خازن است. بر اساس قانون KCL می‌دانیم كه جریان سلف پرش ندارد؛ پس می‌تواند برای محدود کردن جریان فزاینده‌ی خازن در لحظه‌ی وصل به شبكه، ابزار مناسبی باشد. بر این مبنا، كنتاكتور‌هایی مخصوص سوئیچینگ خازن ساخته شده‌اند كه مجهز به یک سلف محدود‌كننده‌ی کوچک با هسته‌ی هوایی هستند. شكل ۷ نمونه‌ای از این كنتاكتورها و شكل ۸ نتیجه‌ی استفاده از آن‌ها را در كاهش پيك جریان هجومی، برای یك پروژه‌ی نمونه نشان می‌دهد. ملاحظه می‌شود كه میزان جریان هجومی، بالغ بر ۸برابر كاهش داده شده است.
بیشتر بخوانید: در مقاله زیر فرمول‌های محاسباتی ضریب توان و نحوه سایزینگ اجزای مدار بانک خازنی را شرح داده‌ایم.
جمع‌بندی
در این نوشتار به جریان هجومی بانک خازنی اصلاح ضریب توان پرداخته شد و توضیح داده شد كه استفاده از روش‌های سنتی برای سوییچینگ آن‌ها چه تبعاتی می‌تواند برای ولتاژ و جریان مدار به همراه داشته باشد. راه‌حل ارائه شده، استفاده از كنتاكتورهای مجهز به سلف محدود‌كننده بود كه به افزایش عمر بانک‌های خازنی و كاهش اختلالات کیفیت توان در مدار می‌انجامد.
سوالات متداول
تأمین توان راکتیو به صورت محلی و کاهش ظرفیت اشغال‌شدۀ شبکه
در حال حاضر وزارت نیرو ضریب قدرت بیش از ۰/۹ را می‌پذیرد.
سرج ولتاژ ناشی از وصل خازن بسیار بالاتر از حالتی است که از کنتاکتورهای مخصوص خازن استفاده شود.
بله. مقدارش هم بین ۱۰ تا ۴۰ برابر جریان نامی آن است.
یک سوال مهم:
به نظر شما استفاده از روش‌های سنتی برای سوییچینگ چه تبعات دیگری می‌تواند برای ولتاژ و جریان مدار به همراه داشته باشد؟
منتظر نظرات شما هستیم
منابع
- راهنمای طرح و اجرای تاسیسات الكتريكی؛ ترجمه شاهرخ شجاعيان؛ ۱۳۸۶.
اگر به دنبال افزایش مهارت خود در زمینه برق صنعتی هستید،برای دریافت آموزش‌های رایگان در این حوزه، فقط کافیه فرم رو تکمیل کنید.
