كنتاكتور خازنی Capacitor Switching Contactor

کنتاکتور خازنی یکی از مهم ترین تجهیزات محدود کننده ی جریان اولیه خازن می باشد. خازن در لحظه ی اول اتصال به شبکه دارای ولتاژ صفر و جریان حداکثر می باشد. با این شرایط خازن در یک زمان کوتاه؛ جریان هجومی سنگینی با فرکانس بالا دریافت می کند. این جریان سنگین با فرکانس بالا می تواند باعث بروز اشکالاتی مانند تحریک و عملکرد سیستم های حفاظتی، سوختن فیوزها، قطع بریکرها، اختلال در سیستم های مخابراتی، اندازه گیری، نوسان شدید ولتاژ  و غیره شود. در این مقاله راه های مقابله با این جریان هجومی توسط کنتاکتور خازنی و راکتور را بررسی می کنیم و با کاربرد آن ها آشنا می شویم.

نقش خازن در مدار

همانطور که می دانید بیشتر بارهای موجود در تاسیسات الکتریکی سلفی بوده و به توان راکتیو نیاز دارند. از طرفی دریافت توان راکتیو از شبکه ی عمومی مجاز نبوده و شامل جریمه های سنگینی می شود. به همین علت جبران سازی یا تامین توان راکتیو در تاسیسات بزرگ، بسیار مقرون به صرفه تر از پرداخت جریمه ها می باشد. همانطور که در مقالات بخش طراحی بانک خازن شرح داده شد به منظور تامین توان راکتیو می توان از خازن در حالت های انفرادی، گروهی و یا متمرکز استفاده کرد.

حالت متمرکز یا بانک خازن، بهترین حالت جبران سازی در تاسیسات بزرگ است. بانک خازن شامل تجهیزات خاصی مانند کنترلر، سیستم حفاظتی، خازن ها، فیلترهای جذب هارمونیک، کنتاکتور خازنی، نمایشگر ها و … می باشد. در این روش کنترلر یا رگولاتور خازنی به صورت دائم میزان توان راکتیو مورد نیاز را اندازه گیری کرده و بر اساس آن تعدادی خازن را وارد مدار و یا از آن خارج می کند. به بیان دیگر وارد و خارج کردن خازن ها به مدار توسط تجهیزات سوئیچ یا کنتاکتور خازنی و با فرمان مستقیم رگولاتور خازنی انجام می شود. این عمل در حالت های کاری به صورت مکرر انجام شده و یک خازن ممکن است بارها و بارها به مدار آورده و سپس از مدار خارج شود. در تصویر زیر دیاگرام الکتریکی بانک خازن بدون در نظر گرفتن سیستم های حفاظتی و کنترلی را مشاهده می کنید.

جریان هجومی خازن

خازن در لحظه ی اول اتصال به شبکه، دارای ولتاژ صفر و جریان حداکثر می باشد. با این شرایط، خازن در یک زمان کوتاه؛ جریان هجومی سنگینی با فرکانس بالا دریافت می کند. این جریان به مدل جبران سازی و تعداد خازن ها بستگی داشته و در بانک های خازنی می تواند تا 180 برابر جریان نامی هر خازن با فرکانسی بین 3 تا 15 کیلو هرتز رخ دهد. این جریان سنگین با فرکانس بالا می تواند باعث بروز اشکالاتی مانند تحریک و عملکرد سیستم های حفاظتی، سوختن فیوزها، قطع بریکرها و یا اشکالات دیگر مانند بروز عیب در کنتاکتور خازنی، اختلال در سیستم های مخابراتی، اندازه گیری، نوسان شدید ولتاژ  و … شود. از طرفی سوئیچ خازن‌ها باعث ایجاد اضافه ولتاژهای شدید در مدار می‌شود که میزان آن به ظرفیت توان راکتیو و موقعیت قرارگیری بانک خازن بستگی دارد. نحوه‌ی محاسبه‌ی میزان اضافه ولتاژ با توجه به موقعیت قرارگیری بانک خازن به دو صورت انجام می‌شود.

در حالت اول بانک خازن با توان \({Q_c}\) بلافاصله در خروجی ترانس با قدرت ظاهری  \({S_r}\) و درصد ولتاژ اتصال کوتاه  \({U_{cc}}{\rm{\% }}\)  قرار گرفته است. با تصور اتصال اولیه‌ی ترانس به یک شبکه‌ی نامحدود، میزان اضافه ولتاژ برابر است با:

حالت دوم نصب بانک خازن در قسمتی از تأسیسات را بررسی می‌کند. در این حالت قدرت اتصال کوتاه مقدار مشخصی داشته و با Scc نمایش داده می‌شود. میزان اضافه ولتاژ در یک محل خاص با قدرت اتصال کوتاه مشخص عبارت است از:

میزان اضافه جریان ناشی از سوئچینگ در لحظات اولیه به میزان اندوکتانس شبکه‌ی بالادست و تعداد خازن‌های سوئیچ شده بستگی دارد. در بانک‌های خازن مستقل رابطه‌ی بین جریان اتصال کوتاه یا Icc شبکه‌ی بالادست و اندوکتانس L0 به این صورت بیان می‌شود:

\[{L_0} = \frac{{{U_n}}}{{\sqrt 3 \times \omega \times {I_{cc}}}}\]

استانداردهای IEC 62271-100 و IEC 60831-1 فرمول‌های زیر را جهت محاسبه‌ی پیک جریان هجومی در سوئیچ یک خازن ارائه کرده‌اند. در این رابطه اندوکتانس بانک خازن بسیار کوچک‌تر از اندوکتانس شبکه‌ی و به‌صورت L<<L0 در نظر گرفته شده است:

\[{\rm{\;}}{i_p} = {U_n} \times \sqrt {\frac{2}{3} \times \frac{C}{{{L_0} + L}}} \approx {U_n} \times \sqrt {\frac{2}{3} \times \frac{C}{{{L_0}}}} \approx {I_{cn}} \times \sqrt {\frac{{2 \times {S_{cc}}}}{{{Q_c}}}} \]

برای سوئیچ و کنترل جریان هجومی خازن می توان علاوه بر کنتاکتور خازنی، از تجهیزات اضافی مانند راکتورهای سری، واحد خازنی و یا هر دو استفاده کرد. با اضافه کردن این تجهیزات؛ جریان هجومی به صورت قابل توجه ای کاهش یافته و از چند صد برابر به حدود چند برابر جریان نامی می رسد.

به عنوان مثال در تصویر زیر، جریان هجومی یک خازن 50 کیلو وار در شبکه ی 690 ولت که توسط اسیلوسکوپ اندازه گیری شده است را مشاهده می کنید.  با توجه به این که جریان نرمال این خازن حدود 40 آمپر است، در صورت عدم استفاده از تجهیزات مهار کننده جریان هجومی به 4000 آمپر یعنی حدود 100 برابر این جریان می رسد (گزینه ی a).

با اضافه کردن راکتور سری، جریان هجومی به حدود 500 آمپر یا 12 برابر جریان نامی کاهش داده می شود (گزینه ی b). در بهترین حالت یعنی استفاده از راکتور سری و واحد خازنی، جریان هجومی به حدود 200 آمپر یا 5 برابر جریان نامی خواهد رسید. (گزینه ی c)

راکتور سری می تواند با دو منظور کاهش جریان هجومی و جبران سازی هارمونیک مورد استفاده قرار بگیرد. این سیم پیچ دارای 6 سر بوده و به صورت سری با ورودی اصلی و یا هر پله از خازن های قدرت قرار می گیرد.

در این روش از خاصیت مقاومت سلف در برابر تغییرات شدید جریان استفاده شده و میزان جریان هجومی تا حد قابل قبولی کنترل می شود. توجه داشته باشید که برای تهیه ی راکتور مناسب باید به کاتالوگ شرکت های سازنده مراجعه کنید. در تصویر زیر یک نمونه راکتور سری را مشاهده می کنید.

طبق تصویر زیر در اتصال راکتور به هر پله از خازن، ابتدا سیم های سه فاز ازسیستم حفاظتی مانند فیوز یا بریکر عبور کرده و وارد کنتاکتور خازنی می شود. در مرحله ی بعد خروجی کنتاکتور به ورودی راکتور و در نهایت خروجی آن به خازن متصل می شود. در این حالت با سوئیچ هر کنتاکتور خازنی، ابتدا جریان وارد راکتور و سپس وارد خازن می شود.

ساختمان کنتاکتور خازنی

یکی دیگر از راه های کنترل جریان هجومی خازن، سری کردن مقاومت با آن است. با این کار می توان زمان شارژ را افزایش و در نتیجه جریان اولیه را کاهش داد. از طرفی استفاده از مقاومت به صورت دائم باعث افزایش حرارت و مصرف توان اکتیو شده و باید بلافاصله پس از راه اندازی خازن، آن را از مدار خارج کرد. برای ایجاد مقاومت در مسیر خازن در یک زمان کوتاه، می توان از واحد خازنی استفاده کرد. واحد های خازنی به صورت تکی و یا مونتاژ شده روی کنتاکتور در بازار موجود می باشد. طبق تصویر زیر، واحد خازنی روی کنتاکتور قرار گرفته و با پلاتین های قدرت آن به صورت موازی قرار می گیرد. پلاتین های واحد خازنی از نوع وصل سریع بوده و با مقاومت هایی سری شده است.

در این روش با اعمال ولتاژ به بوبین کنتاکتور خازنی، ابتدا پلاتین های واحد خازنی بسته شده و خازن را با جریان کنترل شده شارژ می کنند. پس از شارژ اولیه، پلاتین های قدرت بسته شده و دیگر جریانی از واحد های خازنی عبور نمی کند. واحد خازنی از نظر خارج شدن از مدار به دو گروه تقسیم می شود. گروه اول بلافاصله پس از وصل پلاتین های قدرت از مدار خارج می شوند اما در گروه دوم، پلاتین های واحد خازنی با وصل پلاتین های قدرت نیز در مدار باقی می مانند. پلاتین های این مدل از نوع قطع سریع بوده و هنگام قطع، زود از پلاتین های قدرت باز می شود. با این کار هنگام قطع کنتاکتور، جریانی از واحد خازنی عبور نخواهد کرد. در تصویر زیر چند نمونه از انواع کنتاکتور خازنی را مشاهده می کنید.

انتخاب کنتاکتور خازنی

استفاده از کنتاکتورهای خازنی باعث کاهش جریان ناشی از سوئچینگ می‌شود. علاوه بر این واحد‌های خازنی در کنترل استرس خازن و اضافه ولتاژ‌ها نیز مؤثر هستند. تهیه‌ و انتخاب کنتاکتور به‌منظور سوئیچ خازن به دو صورت کلی انجام می‌شود. در برخی از برندها مانند LS واحد خازنی به‌صورت مجزا ارائه شده و باید آن را روی کنتاکتورهای معمولی مونتاژ کنید. در این حالت ابتدا باید جریان نامی کنتاکتور را بر اساس ظرفیت خازن مشخص کرده و در ادامه واحد خازنی مناسب برای آن را تهیه کنید.

در برخی دیگر از شرکت‌ها مانند زیمنس؛ کنتاکتورهای خازنی به‌صورت مونتاژ شده ارائه می‌شوند. در این حالت نیازی به محاسبه‌ی جریان خازن نیست زیرا سایز کنتاکتورها دقیقا بر اساس ظرفیت خازن‌ و با واحد کیلو وار بیان می‌شود. به‌عنوان‌مثال می‌توانید یک کنتاکتور برای سوئیچ خازن 10 کیلو وار در ولتاژ خاصی را تهیه کنید. در خصوص نحوه‌ی استفاده از کنتاکتورهای معمولی در سوئیچ خازن‌ها نظریه‌های دیگری نیز وجود دارد. به‌عنوان‌مثال برخی از شرکت اعلام می‌کنند که کنتاکتورهای آن‌ها می‌تواند جریان‌های هجومی را بدون نیاز به واحد اضافی تحمل کند. از طرفی برخی از منابع حذف واحدهای خازنی در صورت استفاده از راکتورهای سری را توصیه می‌کنند.

در هر صورت کنتاکتورهای معمولی یا خازنی که برای سوئیچ در بانک‌های خازن استفاده می‌شوند باید پایداری مناسب در برابر جریان لحظه‌ای وصل، جریان قطع و حداکثر جریان خازن در شرایط کاری یا  را داشته باشند. طبق استاندارد IEC میزان حداکثر جریان یا \({I_{cmax}}\) در خازن‌های کمتر از 100 کیلو وار معادل 1.43 و در خازن‌های بیشتر از 100 کیلو وار معادل 1.36 برابر جریان کامل است. این مقادیر در منابع دیگر ممکن است کمی متفاوت ارائه شود.

هنگام انتخاب سایز کنتاکتور خازنی این موارد را در نظر بگیرید:

• استفاده از کنتاکتور خازنی و راکتورها باعث کاهش جریان هجومی خواهد شد.
• کاهش جریان هجومی هنگام سوئیچ باعث تنش در فیوز، بریکر، کابل و غیره می‌شود.
• هارمونیک‌ها و غیره می‌توانند باعث اضافه جریان خازن بین 30 تا 45 درصد شوند.
• ظرفیت خازن می‌تواند بین 5 تا 15 درصد تلورانس داشته باشد.
• تلورانس ظرفیت و اضافه‌جریان‌ها می‌تواند باعث افزایش آمپراژ عبوری تا 1.5 برابر شود.

هنگام انتخاب تجهیزات سوئیچ به این نکته توجه داشته باشید که عدم کنترل جریان اولیه‌ی خازن توسط راکتیو یا کنتاکتور خازنی باعث ایجاد تنش شدید در خازن، تحریک و عملکرد سیستم‌های حفاظتی، سوختن فیوزها و قطع بریکرها می‌شود.