بانک خازنی

خازنهای فشار ضعیف

خازنها عامل جبران کننده توان راکتیو برای بارهای سلفی بوده و به عنوان عامل تصحیح کننده ضریب قدرت، عمل می کنند. توانی را که مشترکان برق، مصرف می کنند متفاوت است، در نتیجه خصوصیات ضریب قدرت آنها نیز متفاوت است.

انرژی راکتیو در شبکه ها توسط اندوکتانس خطوط انتقال، ترانسفورماتورها، مدارهای الکترومغناطیسی موتورها و سایر مصرف کننده ها از قبیل لامپهای فلوئورسنت، یکسو سازها و سیستمهای الکترونیک، مصرف می شود که این موضوع، موجب کاهش ضریب قدرت (Power factor) شده و در نتیجه باعث کاهش انتقال انرژی اکتیو میشود.

با تولید قدرت کاپاسیتیو توسط خازنها، اثر مولفه های راکتیو کاهش و ضریب قدرت افزایش می یابد که نتیجه آن برای مصرف کنندگان برق، صرفه جویی اقتصادی و برای شرکتهای برق، ایجاد شرایط فنی مطلوبتر برای انتقال انرژی خواهد بود.

▪ نحوه عملکرد خازن:

استفاده از خازنها به عنوان تولیدکننده بار راکتیو به منظور تنظیم و کنترل ولتاژ و جلوگیری از نواسانات قدرت در شبکه ها و تصحیح ضریب قدرت در مصرف کننده ها به علت ارزانی و سادگی سیستم آن، بسیار متداول است. در یک مصرف کننده الکتریکی غیر اهمی بین ولتاژ و جریان، اختلاف فازی وجود دارد (φ1). جریانی که مصرف کننده از شبکه می کشد دو جزو اکتیو (IP) و راکتیو (Iq) دارد. حال اگر خازنی را به دو سر بار، متصل کنیم جریانی (Ic) از شبکه می کشد که در خلاف جهت جریان راکتیو بار است. لذا جریان راکتیوی که از شبکه کشیده میشود کاهش می یابد . در این شرایط زاویه جدید بین جریان و ولتاژ (φ2) تقلیل مییابد. به عبارت دیگر در شرایط جدید، ضریب توان  cos(φ2)بزرگتر شده است. هر اندازه زاویه کوچکتر باشد متناسب با آن، قدرت اکتیو بیشتر و قدرت راکتیو کمتر خواهد شد.

▪اتصال خازن به شبکه:

خازنهای اصلاح ضریب توان باید در شبکه بصورت موازی قرار گیرند . برای اینکار 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 خازنها باید از انواعی انتخاب شوند که بتوانند دایمی در مدار قرار گیرند پس باید بتوانند ولتاژ شبکه را تحمل کنند در محاسبه خازن از انواعی استفاده می شود که ولتاژ مجاز آنها 15% بیشتر از ولتاژ شبکه باشد .

▪ مزایای استفاده از خازن:

خازنهای مورد استفاده در شبکه های برق دارای اثرات مختلفی هستند که از جمله میتوان به این موارد اشاره کرد:

ـ کاهش مولفه پس فاز جریان مدار

ـ تنظیم ولتاژ و ثابت نگهداشتن آن به منظور جلوگیری از وارد آمدن خسارت به دستگاهها

ـ کاهش تلفات سیستم به دلیل کاهش جریان (R*I²)

ـ کاهش توان راکتیو در سیستم به دلیل کاهش جریان

ـ بهبود ضریب توان شبکه

ـ به تعویق انداختن و یا به طور کلی حذف کردن هزینه های لازم برای ایجاد تغییرات در سیستم

ـ افزایش درآمد ناشی از افزایش ولتاژ و جبران بار راکتیو

▪ ساختمان و حفاظت خازن:

قسمت اکتیو خازن شامل دو ورقه نازک آلومینیوم جدا شده توسط لایه های کاغذ اشباع شده از روغن عایق و مایع های مصنوعی سنتتیک (Synthetic) مانند بنزیل است. گاه به جای کاغذ از موادی چون پلیپرپیلن (Poly Propylene) نیز استفاده می کنند. این ورقه ها چند دور لوله شده و یک واحد خازن را تشکیل می دهند، یا تعدادی از این لایه ها روی یکدیگر قرار داده شده و آنها را مجموعاً در داخل یک مخزن مملو از مایع عایق، جاسازی کرده و دو انتهای خازن از طریق مقره به محیط خارج هدایت می شود. برای حفاظت حرارتی بانکهای خازنی از بی متال و رله های حرارتی که به بوبین کنتاکتور خازنها فرمان قطع می دهند استفاده می شود. تنظیم این رله ها در حد ۴۳/۱ برابر جریان نامی خازن است.

همچنین استفاده از فیوزهای HRC (High Rupture current) برای محافظت در مقابل اضافه جریان به عنوان مکمل حفاظت حرارتی متداول است. به منظور کاهش ولتاژ دو سرخازن پس از خارج شدن آنها از مدار از مقاومتهایی که به ترمینالهای خازن، بسته شده است استفاده می کنند. توان این مقاومتها متناسب با توان خازنها بین ۳۰ تا ۵۰ کیلو اهم است که میزان ولتاژ را در مدت سه دقیقه پس از قطع خازنها به میزان کم خطر (پایینتر از ۷۵ ولت) کاهش میدهند.

در حالتهای خاصی که خازن مستقیماً به سیم پیچهای الکتروموتور وصل می شود نیازی به مقاومت تخلیه نبوده و باید تا توقف کامل موتور از تماس با قسمتهای برق دار خازن، اجتناب شود.

▪انواع خازنهای قدرت:

1)   خازن روغنی: که برای استفاده در MV مناسب است. از ایرادات این خازن می توان به سنگینی، نشت روغن و تلفات بیشتر (3 تا 4 درصد ظرفیت خازن) اشاره نمود.

2)     خازن گازی: که می توان از آن در LV و MV استفاده کرد ولی قیمت بالائی دارد.

3)     خازن خشک یا سیلندری: که دارای مزیتهای زیر می باشد:

a.      طول عمر زیاد

b.      حجم کم

c.      تلفات کم

d.      سیستم خود ترمیمی

e.      غیر قابل انفجار و اشتعال

f.        سازگار با محیط زیست.

4)     خازن موتوری و روشنائی: از جمله مزایای این خازنها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

a.      افزایش گشتاور کاری در موتورها

b.      بهبود ضریب توان لامپهای تخلیه گازی و کاهش جریان الکتریکی

نکات:

• خازنها دارای مقاومت تخلیه هستند که بصورت موازی با آن بسته می شوند.
• ظرفیتهای متعارف موجد عبارتند از: 7.5، 15، 30و ... KVAR و نیز 12.5، 25، 50  و ... KVAR

▪ ملاحظات کلی در نصب خازنها:

محل نصب خازنها در یک سیستم برقی به مشخصات بار، بستگی دارد. برای بارهای متمرکز، خازنها در نزدیکی مرکز بار اما برای بارهای پراکنده، خازن در طول خط و مطابق با نیاز نصب می شود. خازنها با بدنه فلزی، اتصال زمین شده و یا اینکه توسط سیم خنثی، زمین می شوند. در موقع نصب سیم زمین به بدنه خازن باید توجه کرد که محل اتصال، فاقد رنگ بوده و از طرفی زنگ خوردگی نیز نداشته باشد.

به دمای خازنها در هنگام کار، توجه خاصی مبذول میشود، چون اثر مهمی در عمر خازن دارد. به این دلیل در روی پلاک خازنها حداقل و حداکثر دمای مجاز کار خازن توسط سازندگان، حک میشود.

چیدمان خازنها باید به ترتیبی باشد که تلفات گرمایی آنها توسط جا بجایی طبیعی هوا ) کنوکسیون) و طرق دیگر، تهویه شود. در این خصوص باید گردش هوا در اطراف هر واحد به راحتی امکان پذیر باشد. به این دلیل در بدنه تابلوی خازنها، فضای مناسب برای امکان تبادل هوا با محیط بیرون تعبیه میشود. این مطلب خصوصاً برای واحدهایی که در ستونهایی روی هم قرار گرفته اند، اهمیت خاصی پیدا می کند. در مجموع توصیه می شود خازنها در مقابل تشعشع مستقیم خورشید محافظت شوند.

علاوه بر موارد فوق بهتر است خازنها در محلی نصب و مورد بهره برداری قرار گیرند که دارای رطوبت زیاد نباشد. همچنین هوای محیطهای صنعتی که سبب خوردگی بدنه می شود از سایر عوامل مضر در طول عمر آنها محسوب می شود. کنتاکتور ها مرتباً با قطع و وصل خود خازنها را به مدار، وارد و یا از مدار، خارج می کنند.

لذا توصیه می شود از نوع مرغوب و با کیفیت، انتخاب و قدرت آنها حداقل ۵/۱ برابر قدرت خازنهای مربوط، باشد. خصوصاً سعی شود از کنتاکتور هایی استفاده شود که دسترسی به قطعات یدکی آنها آسان باشد. هر اتصال  )کنتاکت) نامطمئن در مدار خازن ممکن است باعث ایجاد جرقه های کوچکی شود که به نوبه خود نوساناتی با فرکانس بالا بوجود خواهد آورد. این مساله گاه خازنها را بیش از حد، گرم کرده و تحت تنش حرارتی قرار می دهد. از این رو بازدید منظم و تعویض به موقع پلاتین کنتاکتور ها توصیه می شود.

در کل، بهتر است علاوه بر بازدیدهای معمول، بانک خازنی ، هر سه ماه یکبار توسط افراد با صلاحیت فنی مورد بازرسی و سرویس قرار گیرد.

▪ تعیین ضریب توان ( (cosφ

 روشهای تعیین میزان ضریب توان عبارتند از:

الف) توسط دستگاه ضریب توانسنج: در این حالت ضریب توان مستقیماً قابل خواندن است.

ب ) با استفاده از مقدار مصرف ماهانه: ضریب توان در این روش با تقسیم توان راکتیو مصرفی به توان اکتیو مصرف شده در یک دوره کنتور خوانی، قابل محاسبه است.

ج) به کمک سنجش تعداد دور کنتورهای اکتیو و راکتیو: در این روش تعداد دور کنتورها در یک زمان معین، شمارش شده و سپس با داشتن عدد ثابت کنتورها ( تعداد دور به ازای یک کیلووات ساعت یا یک کیلو وار ساعت) ضریب توان متوسط محاسبه میشود.

برای دقت در اندازه گیری، آزمایش چندبار، تکرار و در نهایت حد وسط، محاسبه و ملاک عمل قرار میگیرد.

▪ محاسبه توان خازن:

پس از مشخص شدن مقدار ضریب توان موجود، محاسبه خازن برای جبران توان راکتیو و اصلاح ضریب توان، انجام میشود. معمولاً این جبرانسازی برای ضریب قدرت بین 0.85 تا 0.95 انجام میشود. از جبرانسازی ضریب قدرت بیش از 0.95 باید اجتناب شود. زیرا در این شرایط علاوه بر نیاز به میزان قابل ملاحظه ای از خازن برای تامین قدرت راکتیو، هادیها به دلیل عبور جریان زیاد راکتیو تحت تنش قرار گرفته و نیز ممکن است در شبکه مصرف کننده افزایش ولتاژ نامطلوبی ایجاد شود.

روشهای متداول برای محاسبه توان خازن مورد نیاز به این شرح است:

الف) روش ضریب قدرت تصحیح شده:

در این روش با استفاده از جدول و به کمک فرمول (توان خازن مورد نیاز=fXpXФC)، محاسبه میشود. مقدار Cos(φ1)  ضریب قدرت فعلی سیستم است که قبلاً روش محاسبه آن ذکر شد و Cos(φ2)ضریب قدرت مورد انتظار است.

ـ : ФC توان خازن مورد نیاز [KVAR]

ـ P: توان اکتیو مصرف کننده [KW]

ـ f: ضریب تبدیل (که از جدول به دست میآید)

ب) روش دوم محاسبه:

Q=Px(tgφ1-tgφ2)

در این فرمول، 1φ ضریب فعلی و 2φ ضریب است که میخواهیم به آن برسیم، همینطور P توان اکتیو میباشد.

ج ) روش استفاده از نمودار:

در این روش به کمک نمودار و با معلوم بودن توان اکتیو مصرف کننده و ضریب توان مورد انتظار، مقدار توان خازن مورد نیاز مشخص می شود.

▪روشهای جبرانسازی:

1-     انفرادی:

در این روش، خازن موازی با load قرار می گیرد. از این روش عمدتا برای جبرانسازی توان رآکتیو بی باری ترانسفورماتور، موتورهای دائم کار و موتورهای کم بار و یا با کابل طولانی استفاده می شود.

از مزایای آن می توان به پاک شدن شبکه داخلی از توان رآکتیو و مخارج کمتر اشاره کرد.

در عین حال معایب زیر نیز وجود دارند:

-         جبران سازی در تمام کارخانه پخش می شود.

-         نصب پیچیده تری دارد.

-         نظر به عدم توجه به ضریب همزمانی خازن بیشتری مورد نیاز است.

2-     گروهی:

برای دستگاههایی استفاده می شوند که بصورت گروهی (مصارف سلفی سنگین درصورت بکار گرفته شدن همزمان) نصب می شوند. در این روش بجای استفاده از خازنهای مختلف کوچک، از یک خازن بزرگ استفاده می شود.

این نوع جبران سازی، مشابه انفرادی، ولی اقتصادی تر می باشد. ولی تنها برای مصرف کننده های گروهی قابل استفاده می باشند.

3-     جبران سازی مرکزی:

در این روش، خازنها در ورودی برق اصلی قرار داده می شوند و تمام توان رآکتیو را پوشش می دهند. با این کار،‌کل توان خازن به پله های متعددی تقسیم شده و بوسیله یک رگولاتور و چند کنتاکتور، متناسب با توان مورد نیاز، خازنها وارد مدار می شوند.

از جمله مزایای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

-         کل سیستم قابل دید و کنترل می باشد.

-         از خازنها به نحو درستی استفاده می شود.

-         بدلیل توجه به ضریب همزمانی، از خازنهای کمتری استفاده می شود.

-         هارمونیک شبکه، با افزودن رآکتور به خازنها، کنترل می شود.

از معایب آن نیز قیمت بالاتر (بدلیل استفاده از رگولاتور) و نیز کم نشدن بار داخلی شبکه می باشد.

4-     مختلط:

در برخی موارد بهتر است بنا به دلایل اقتصادی، از هر سه روش فوق استفاده گردد.

▪ رگولاتور تصحیح ضریب قدرت:

از آنجا که هدف از نصب خازن، حذف بار راکتیو متغیر مصرف کننده در هر شرایط است، برای کنترل آن از رگولاتور تصحیح ضریب قدرت استفاده می شود.

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 و وصل به کنتاکتور ها صادر می کند. از جمله نکات قابل توجه در رگولاتور ها تنظیم مربوط به نسبت (C/K) است.

مقدار (C/K) عبارت است از نسبت تبدیل توان اولین پله خازن © به نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان (K) متصل به رگولاتور.

لذا پس از مشخص شدن توان راکتیو مورد نیاز باید آن را به نسبت مصارفی که در هر لحظه وارد مدار میشود پله بندی و رگولاتور مناسب با این مجموعه را انتخاب کرد .

نحوه پله بندی خازنها در مشخصات فنی رگولاتور ها ذکر میشود و بطور عمومی به یکی از سه روش زیر و متناسب با رفتار بار راکتیو مصرف کننده انتخاب میشود:

ـ (۱) ۱:۱:۱ …

ـ (2) ۱:۲:۲ …

ـ (۳) ۱:۲:۴:۸ …

از مشخصه های مهم دیگر رگولاتور ها مراحل عملکرد آنهاست. بعنوان نمونه در رگولاتور نوع ۵/۳ تعداد سه عدد خازن در پنج حالت مختلف میتوانند در مدار گیرند. بنابراین برای مقدار معینی از توان راکتیو خازنی، انتخابهای متنوعی می تواند صورت گیرد که میزان بار راکتیو که در هر مرحله وارد مدارد میشود و نیز نوع رگولاتور عامل موثر در طراحی بانکهای خازنی خواهد بود.

● نتیجه گیری:

امروزه خازنها به عنوان تصحیح کننده ضریب قدرت و تغذیه کننده توان راکتیو از اهمیت خاصی برخوردارند. وجود خازن نه تنها برای اصلاح ضریب قدرت شبکه سراسری برق ناشی از اندوکتانس خطوط انتقال انرژی و ترانسفورماتورها مفید است، بلکه نصب آن برای مصرف کنندگان فشار ضعیف، ضروری است.

اگر چه هزینه های اولیه سرمایه گذاری برای نصب بانکهای خازنی به نظر گران میرسد ولی در ظرف مدت ۱۸ تا ۳۰ ماه هزینه های فوق از محل صرفه جویی ضرر و زیان مندرج در صورتحسابهای دورهای مستهلک تصویه خواهد شد. در نتیجه توجیه و تشویق مشترکان برای نصب خازن، بهره وری دوسویه است که منافع حاصل از آن به نفع مشترکان و نیز شرکتهای برق خواهد بود