مزایای بانک خازن

در این مقاله با مزایای بانک خازن و جبران سازی توان راکتیو آشنا می‌شویم. در مقالات قبلی با مولفه‌های توان و مفهوم جبران سازی توان راکتیو آشنا شدیم. مهم‌ترین مزایای بانک خازن هم به صورت فنی و اقتصادی را می‌توان در پنج گروه دسته بندی کرد:

• انتخاب بهینه‌ی ماشین‌های الکتریکی
• انتخاب بهینه‌ی هادی‌ها
• کاهش تلفات
• کاهش افت ولتاژ
• مزایای اقتصادی

ضریب توان بارها

همانگونه که مشاهده کردید توقف تبادل توان راکتیو بین منبع و بارها می‌تواند در کاهش هزینه‌ها تاثیر مستقیم داشته باشد. این هزینه‌ها در گروه‌های مختلفی قرار داشته و شامل  کاهش تولید نیروی برق، کاهش آلودگی‌های زیست محیطی، انتخاب سایز کوچکتر تجهیزات، هادی‌ها، جریمه‌ها و غیره خواهند شد.

بارهای مختلف در صنعت دارای ضریب توان متفاوتی بوده و اغلب آن‌ها نیاز به جبران سازی دارند. ضریب توان برخی از بارها به عنوان نمونه در جدول زیر آورده شده است.

بار	ضریب توان یا \(Co{s_\varphi }\)
ترانسفورماتور در حالت بی باری	0.1 تا 0.15
سیستم های جوش با آرک	0.35 تا 0.6
لامپ های فلورسنت بدون جبران ساز	0.4 تا 0.6
سیستم های جوش مقاومتی	0.4 تا 0.6
درایو های DC	0.4 تا 0.75
کانورتور AC به DC	0.6 تا 0.95
سیستم های جوش با آرک به همراه جبران ساز	0.7 تا 0.8
الکتروموتورها	0.7 تا 0.85
کوره های ذوب القایی	0.75 تا 0.9
لامپ های فلورسنت با جبران ساز	0.9
درایو های AC	0.95 تا 0.97
بارهای مقاومتی	1

انتخاب بهینه ی ماشین های الکتریکی

یکی از مزایای بانک خازن انتخاب بهینه اسیز ماشین های الکتریکی در صنعت است.  در پروسه‌ی تولید و انتقال انرژی متناوب از ماشین‌های الکتریکی به صورت دوار و ثابت استفاده می‌شود. ماشین‌های دوار مانند ژنراتورها وظیفه‌ی تولید توان را داشته و اغلب در نیروگاه‌ها قرار دارند. قابل ذکر است اصطلاح تبدیل توان صحیح تر است زیرا توسط ژنراتور نیروی مکانیکی به الکتریکی تبدیل می‌شود.

خروجی ژنراتورها پس از تبدیل ولتاژ توسط ترانسفورماتور به شبکه‌ی سراری تزریق می‌شود. ترانسفورماتور یک ماشین الکتریکی ثابت بوده و در گروه‌های مختلفی در صنعت استفاده می‌شود. نفش اصلی این ماشین در شبکه‌های تولید و انتقال؛ تبدیل انرژی به سطوح مختلف ولتاژ و جریان است.

توان ژنراتورها و ترانسفورماتورها معمولا به صورت ظاهری و با واحدهای ولت آمپر، کیلو ولت آمپر و مگا ولت آمپر بیان می‌شود. روی ژنراتورها یک پلاک وجود داشته که ضمن مشخص کردن حداکثر توان ظاهری یا S، مقدار \(Cos\varphi \) و توان‌های اکتیو مجاز را شرح داده است.

در اصل این توان مشخص کننده‌ی ظرفیت حرارتی هادی‌ها به کار رفته در ماشین‌ بوده و مستقل از نسبت مولفه‌های اکتیو و راکتیو است.

در صورتی که توان اکتیو را ثابت در نظر بگیریم، با کاهش توان راکتیو برآیند کلی سیستم یعنی توان ظاهری آن کاهش پیدا می‌کند. با کاهش توان ظاهری می‌توان ماشین‌های الکتریکی کوچکتری انتخاب کرده و یا از ماشین‌های موجود توان اکتیو بیشتری عبور داد.

برای درک بهتر این موضوع به جدول زیر توجه کنید. در ستون سمت راست جدول؛ توان ترانسفورماتورهای توزیع یا فشار متوسط از 63 تا 1250 کیلو ولت آمپر آورده شده است. همانطور که شرح داده شد این توان به صورت ظاهری یا S بوده و مستقل از مولفه‌های اکتیو و راکتیو بار است.

6 ستون بعدی جدول با\({\rm{Co}}{{\rm{s}}_{\rm{\varphi }}}\) مشخص شده و دارای مقادیر 0.5 تا 1 هستند. در این ستون‌ها میزان توان اکتیو مجاز هر ترانسفورماتور براساس کیلو وات درج شده است.

به‌عنوان‌مثال از یک ترانسفورماتور 250 کاوا در ضریب توان 0.7 می‌توان 175 کیلو وات توان اکتیو یا مفید دریافت کرد. با ثابت در نظر گرفتن توان اکتیو و ارتقاء \({\rm{Co}}{{\rm{s}}_{\rm{\varphi }}}\) از 0.7 به 0.9 می‌توان از ترانسفورماتور با یک سایز کوچکتر استفاده کرد. همانطور که مشاهده می‌کنید ترانس 200 کاوا در \({\rm{Co}}{{\rm{s}}_{\rm{\varphi }}}\) یا ضریب توان 0.9 می‌تواند 180 کیلو وات را به بار تحویل دهد.

توان ظاهری ترانسفورماتور(KVA)	توان ترانسفورماتور (KW)
	\({\bf{Co}}{{\bf{s}}_{\bf{\varphi }}}\)
	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
63	32	38	44	50	57	63
100	50	60	70	80	90	100
125	63	75	88	100	113	125
160	80	96	112	128	144	160
200	100	120	140	160	180	200
250	125	150	175	200	225	250
315	158	189	221	252	284	315
400	200	240	280	320	360	400
630	315	378	441	504	567	630
800	400	480	560	640	720	800
1000	500	600	700	800	900	1000
1250	625	750	875	1000	1125	1250

انتخاب بهینه هادی ها

انتخاب بهینه سایز هادی ها یکی دیگر از مزایای بانک خازن است. برای بیان ظرفیت هادی‌ها در انتقال انرژی الکتریکی مانند انواع خطوط، سیم، کابل، شینه و غیره اغلب از واحد آمپر استفاده می‌شود. آمپر و واحدهای دیگر آن مانند کیلو آمپر در واقع بیان کننده‌ی ظرفیت حرارتی هادی در برابر عبور جریان هستند. واحد کیلو آمپر در بیان استقامت هادی در برابر جریان‌های اتصال کوتاه نیز استفاده می‌شود.

به عبارت دیگر برای یک هادی تنها برآیند کلی جریان مهم بوده و تفاوتی ندارد که سهم مولفه‌های اکتیو و راکتیو آن چقدر است. با این شرایط می‌توان نتیجه گرفت که اصلاح ضریب توان برای انتخاب بهینه‌ی سایز هادی ها نیز مهم است زیرا اینکار  باعث کوچکتر شدن برآیند جریان در سیستم می‌شود.

مطالبی که در حال مطالعه ی آن هستید به صورت تصویری در دوره طراحی بانک خازن آموزش داده شده است. در این دوره تصویری با توان در جریان متناوب، مفهوم جبران سازی توان راکتیو، مزایای فنی و اقتصادی جبران سازی، مشخصات بانک خازن، محاسبه ضریب توان، محاسبه خازن از طریق قبض برق، انتخاب خازن برای الکتروموتور و ترانسفورماتور، انتخاب تجهیزات سوئیچ و حفاظت در بانک خازن و دستور العمل راه اندازی بانک خازن آشنا شده و چند بانک خازن را به صورت عملی بررسی و تست می کنیم. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص این دوره می توانید روی عبارت طراحی بانک خازن کلیک کنید.

در انتخاب هادی‌ها علاوه بر جریان نرمال؛ مسائل بسیار مهم دیگری مانند نوع عایق، ولتاژ قابل تحمل، نحوه‌ی احداث، سطح اتصال کوتاه، دمای محیط، کنارهم قرار گرفتن هادی‌ها و غیره نیز وجود دارد. نقش اصلاح ضریب توان ضریب توان در کاهش جریان عبوری از سیستم را می‌توان با یک مثال به وضوح دید. تصویر کنید یک شرکت 170 کیلو وات توان اکتیو با ضریب توان 0.7 دریافت می‌کند. طبق محاسبات زیر جریان در این بخش معادل 350 آمپر خواهد بود.

\[P = 170\;kw\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;Cos{\varphi _1} = 0.7\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;P = \sqrt 3 \times U \times I \times Cos\varphi \]

\[{{\rm{I}}_{0.7}} = \frac{P}{{\sqrt 3  \times {\rm{U}} \times {\rm{COS}}{{\rm{\varphi }}_1}}} \]

\[= \frac{{170 \times {{10}^3}}}{{\sqrt 3  \times 400 \times 0.7}} = 350.5{\rm{\;A}}\]

برای انتخاب سطح مقطع هادی‌ها می‌توان از جداول استاندارد استفاده کرد. توجه داشته باشید که مقادیر درج شده در جدول‌ها بر اساس طول، روش نصب، نوع عایق، حرارت و غیره بوده و ممکن است با یکدیگر متفاوت باشند.

به‌عنوان‌مثال به جدول صفحه‌ی بعد توجه کنید. در قسمت بالای جدول مشخص شده که این اطلاعات در خصوص هادی‌های نصب شده در نردبان یا سینی‌های استاندارد با تهویه هستند. در ستون سمت راست سطح مقطع کابل تک رشته از 25 تا 630 میلی‌متر آورده شده است. جریان عبوری از این هادی‌ها با توجه به نوع عایق و میزان تحمل دما با یکدیگر اختلاف دارد.

همانطور که مشاهده می‌کنید برای عبور جریان 350 آمپر باید از کابل 120 میلی‌متری با عایق XLP/EPR استفاده کرد. در صورتی که ضریب توان همین شرکت از 0.7 به 0.9 ارتقاء داده شود؛ جریان عبوری از سیستم معادل 272 آمپر خواهد بود.

\[{{\rm{I}}_{0.9}} = \frac{P}{{\sqrt 3  \times U \times {\rm{COS}}{{\rm{\varphi }}_2}}} \]

\[= \frac{{170 \times {{10}^3}}}{{\sqrt 3  \times 400 \times 0.9}} = 272.6{\rm{\;A}}\]جبران سازی توان راکتیو یا ارتقاء ضریب توان این شرکت باعث کاهش جریان کلی سیستم به مقدار 78 آمپر می‌شود. طبق جدول برای عبور این جریان می‌توان از هادی با دو سایز کوچکتر یعنی 70 میلی‌متر مربع استفاده کرد.

\[S(mm)^{2}\]
	Cu
	XLPE/EPR	PVC
	\({I_0}\left[ A \right]\)
25	141	114
35	176	143
50	216	174
70	279	225
95	342	175
120	400	321
150	464	372
185	533	427
240	634	507
300	736	587
400	868	689
500	998	789
630	1151	905

کاهش تلفات

نقش و مزایای بانک خازن در کاهش تلفات نیز مشهود است. میزان مقاومت فلز‌های مختلف در برابر عبور جریان الکتریکی متفاوت بوده ولی هرگز صفر نخواهد شد. با توجه به مقاومت هادی در برابر عبور جریان، پدیده‌ای با عنوان تلفات تعریف می‌شود. تلفات در یک هادی به میزان مقاومت آن و مربع جریان عبوری بستگی دارد.

به عبارت ساده‌تر با افزایش مقاومت یا جریان عبوری از هادی، مقداری از انرژی به حرارت تبدیل خواهد شد.

همانطور که می‌دانیم بروز هرگونه تلفات در سیستم باعث کاهش راندمان کلی آن می‌شود. از طرفی در مقاله های قبلی مشاهده کردید که با ثابت در نظر گرفتن توان اکتیو می‌توان از اصلاح ضریب توان برای کاهش جریان استفاده کرد.

تلفات در شبکه ی سه فاز به این صورت محاسبه می‌شود:

\[{\rm{\;}}p = 3 \times R \times {I^2}{\rm{\;}}\]

بخش \(3 \times {I^2}\) از فرمول فوق را می‌توان با جایگزاری مقادیر توان اکتیو، راکتیو و ولتاژ نیز به دست آورد. این روند در فرمول زیر آورده شده است:

\[I = \frac{S}{{\sqrt 3  \times U}} = \frac{{\sqrt {\left( {{P^2} + {Q^2}} \right)} }}{{\sqrt 3  \times U}} \to 3 \times {I^2} \]

\[= \frac{{\left( {{P^2} + {Q^2}} \right)}}{{{U^2}}}\]

• I جریان عبوری از هادی
• R مقاومت هادی
• S توان ظاهری سیستم
• P توان اکتیو سیستم
• Q توان راکتیو سیستم
• Un ولتاژ نامی منبع

پس از ارتقاء \(Cos\varphi \) یا P.F سیستم می‌توان از فرمول‌های زیر برای محاسبه‌ی تلفات حذف شده استفاده کرد. به عبارت دیگر این فرمول‌ها کاهش تلفات یا  پس از جبران سازی توان راکتیو را نمایش می‌دهند. در این فرمول‌های \(\rho 1\) تلفات قبل از جبران سازی، \(COS{\varphi _1}\) ضریب توان اولیه، \(\;{P_2}\)تلفات پس از جبران سازی و \(COS{\varphi _2}\) ضریب توان نهایی است.

\[p_{1}=R\times \frac{\left ( P^{2}+Q^{2} \right )}{U_{n}^{2}}=\frac{R}{U_{n}^{2}}\times S^{2}\]

\[=\frac{R}{U_{n}^{2}}\times \frac{P^{2}}{\left ( cos\varphi _{1} \right )^{2}}\]

\[\Delta p=p_{1}-p_{2}=\frac{R}{U_{n}^{2}}\times \frac{P^{2}}{ cos\varphi _{1} }-\frac{R}{U_{n}^{2}}\times \frac{P^{2}}{ cos\varphi _{2} }\]

\[\Delta p=p_{1}\times \left [ 1-\left ( \frac{cos\varphi _{1}}{cos\varphi _{2}} \right )^{2} \right ]\]

با قرار دادن مقادیر واقعی در فرمول‌های فوق می‌توان به این نتیجه رسید که ارتقاء ضریب توان یک سیستم از 0.7 به 0.9 باعث کاهش 39.5 درصدی تلفات خواهد شد.

برای سادگی محاسبه‌ی می‌توانید از جدول زیر نیز استفاده کنید. در این جدول میزان کاهش تلفات بر اساس درصد با ارتقاء ضریب توان از \(COS{\varphi _1}\) به مقادیر 0.9 یا 0.95 آورده شده است. همانطور که مشاهده می‌کنید با ارتقاء ضریب توان همان سیستم از 0.7 به 0.95 میزان کاهش تلفات حتی از 39.5 درصد نیز فراتر رفته و به 45.7 درصد می‌رسد. کاهش تلفات در سیم‌ها، کابل‌ها،خطوط انقال و توزیع انرژی باعث کاهش حرارت، افزایش راندمان، افزایش طول عمر و کاهش افت ولتاژ می‌شود. در جدول زیر میزان کاهش تلفات با توجه به ارتقاء ضریب توان را طبق منابع شرکت ABB مشاهده می‌کنید.

		\(COS{\varphi _1}\)
		0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	0.95
\[\Delta p%\]	از \(COS{\varphi _1}\) به 0.9	80.2	69.1	55.6	39.5	20.9	–	–
	از \(COS{\varphi _1}\) به 0.95	82.3	72.3	60.1	45.7	29.1	10.2	–

کاهش افت ولتاژ

عبور جریان از هادی‌ها علاوه‌بر تلفات باعث افت ولتاژ نیز می‌شود. به‌عبارت ساده‌تر مقداری از انرژی منبع بعلت وجود مقاومت در هادی‌ها از بین رفته و به مصرف کننده‌ی نهایی نمی‌رسد. در صورتی که مقاومت هادی‌ها یا جریان عبوری از آن‌ها افزایش پیدا کند، تلفات و افت ولتاژ در سیستم نیز بیشتر خواهد شد. قابل ذکر است در خطوط انتقال مولفه‌های اهمی و سلفی در میزان افت ولتاژ موثر است.

با توجه به پذیرفته نبودن افت ولتاژهای شدید در تاسیسات الکتریکی، باید تدابیر خاصی برای کنترل این پدیده در نظر گرفت. یکی از موثر ترین روش‌ها برای کنترل افت ولتاژ؛ کاهش مولفه‌های راکتیو و در نتیجه جریان عبوری از سیستم است. در این روش با ثابت فرض کردن توان اکتیو یا P، افزایش ضریب توان باعث کاهش جریان و در نتیجه افت ولتاژ خواهد شد. افت ولتاژ خط  به صورت فاز با فاز یا Line to Line در یک شبکه‌ی سه فاز به این صورت محاسبه می‌شود:

\[\Delta U=\sqrt{3}\times I\times \left ( R\: cos\varphi +X\: sin\varphi \right )=\frac{P}{U_{n}}\times \left ( R+X\: tan\varphi \right )\]

• R و X به ترتیب مقاومت و راکتانس خط
• P توان اکتیو انتقالی
• I جریان
• Un ولتاژ نامی

همانطور که مشاهده می‌کنید میزان افت ولتاژ یا  به مقاومت اهمی، راکتانس سلفی و جریان عبوری از شبکه بستگی دارد. طبق تصویر زیر جبران سازی توان راکتیو باعث کاهش جریان و در نتیجه کاهش تاثیر این دو مولفه در ولتاژ نهایی خواهد شد.

مزایای اقتصادی

یکی دیگر از مزایای بانک خازن توجیه اقتصادی آن می‌باشد.  طبق برآوردهای انجام شده در اجرای تاسیسات الکتریکی، بخش عمده‌‌ای از هزینه‌ها مربوط به تهیه‌ی تجهیزات مانند ترانسفورماتورها، ژنراتورها، کابل‌ها، بریکرها، تابلوها و غیره است. همانگونه که در قسمت‌های قبل شرح داده شد با جبران سازی توان راکتیو و در نتیجه انتخاب سایز کوچکتر تجهیزات؛ .مقدار قابل توجهی از سرمایه صرف جویی می‌شود.

در نظر داشته باشید که این موارد تنها مربوط به شرکت‌های تولید، انتقال و توزیع انرژی نشده و می‌تواند در هزینه‌ی تمام شده‌ی تمام پروژه‌ها دخیل باشد. تصویر کنید در حال محاسبه‌ی بار و انتخاب تجهیزات برای یک شرکت بزرگ هستید. این شرکت‌ها می‌توانند چندین مگاوات انرژی مصرف کرده و دارای پست یا فیدرهای اختصاصی باشند.

در شرکت‌های بزرگ معمولا انرژی به صورت فشار متوسط تحویل شده و اصطلاحا به آن‌ها مشترک ولتاژ اولیه گفته می‌شود. این به معنی تهیه‌ی تمام تجهیزات  برای توزیع و تبدیل ولتاژ مانند تابلوهای فشار متوسط، کابل‌های فشار متوسط، ترانسفورماتورها، تابلوهای اصلی فشار ضعیف، کابل‌های فشار ضعیف، تابلوهای فرعی و غیره توسط متقاضی است. در این شرایط انتخاب بهینه تجهیزات می‌تواند باعث صرفه جویی بسیار زیادی شود. قابل ذکر است انرژی در شرکت‌های کوچک به صورت فشار ضعیف و در شرکت‌های بسیار بزرگ با سطوح بالاتر از فشار متوسط تحویل می‌شود.

پس از اجرای تاسیسات باید آن‌ها را برقدار کرد. این کار با پرداخت هزینه‌های اشتراک و اتصال به شبکه‌های الکتریکی با سطوح ولتاژی مختلف انجام می‌شود. از نظر شرکت‌های ارائه کننده‌ی انرژی قوانین خاصی برای مصرف وجود دارد. به‌عنوان‌مثال در صورت تجاوز از قدرت خریداری شده و یا ایجاد توان راکتیو بیش از حد، آن‌ها می‌توانند علاوه بر هزینه‌ی انرژی؛ جریمه‌هایی را در صورت حساب لحاظ کنند. این جریمه‌ها با آیتم‌های مختلفی مانند تجاوز از قدرت، بدی مصرف، ضریب زیان و غیره در صورت حساب ها درج می‌شود.

همانطور که مشاهده می‌کنید جبران سازی توان راکتیو می‌تواند در کاهش هزینه‌های مربوط به جریمه نیز تاثیر مستقیم داشته باشد. به عبارت دیگر با نگه داشتن توان راکتیو تاسیسات درحد استاندارد می‌توانید ضمن کوچک‌تر کردن تجهیزات از جریمه‌های بدی مصرف نیز جلوگیری کنید.

شرکت های توزیع برای دریافت توان راکتیو با ضریب توان کمتر 0.9 تعرفه هایی برای اعمال جریمه دارند. توجه داشته باشید که این تعرفه‌ها با توجه به کشور، قوانین، شرکت توزیع کننده، سطح ولتاژ شبکه و میزان مصرف ممکن است متفاوت باشد.

به صورت کلی یکی از بندهای قرارداد دریافت انرژی یا خرید اشتراک پرداخت وجه در قبال توان راکتیو در محدوده ی ضریب توان 0.7 تا 0.9 است. در این قرارداد ضریب توان بالای 0.9 مشمول پرداخت هزینه نخواهد بود. قابل ذکر است که با کاهش ضریب توان به مقدار کمتر از 0.7، شرکت های توزیع می توانند متقاضی را ملزم به نصب سیستم جبران سازی توان راکتیو در تاسیسات کنند.

در بخش‌های قبلی اثبات شد که داشتن ضریب توان متوسط ماهانه‌ی 0.9 به معنی دریافت انرژی راکتیو کمتر یا معادل 50 درصد انرژی اکتیو است. به عبارت دیگر هر متقاصی تنها می‌تواند به ازای مصرف هر کیلو وات، نیم کیلو وار انرژی راکتیو به شبکه تزریق کند. در صورتی که ضریب توان تا مقدار  0.9 اصلاح شود، هیچ هزینه ای بابت انرژی راکتیو مصرفی پرداخت نخواهد شد.

محتوای این مقالات برگرفته از کتاب جبران سازی توان راکتیو تالیف مثلث زرد می باشد. این کتاب دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد غیرمجاز بوده و پیگرد قانونی دارد.