خازن ثابت برای ترانس

ترانسفورماتورهای قدرت بعلت ماهیت سلفی خود نیاز به جبران سازی توان راکتیو دارند. میزان توان راکتیو ترانس به درصد بارگیری آن بستگی داشته و به دو شکل کلی انجام می شود. در روش اول می توان یک خازن ثابت برای ترانس در نظر گرفته و مستقیم به خروجی فشار ضعیف آن متصل کرد. این خازن با عنوان خازن ثابت ترانس شناخته شده و وظیفه ی آن جبران سازی توان راکتیو مربوط به ترانس است. نکته بسیار مهم در این روش وجود سطح اتصال کوتاه بالا در خروجی ترانسفورماتور است. به عبارت دیگر اتصال هر تجهیزی به خروجی ترانس از نظر کابل و بریکر و فیوز باید با قدرت بسیار بالا انتخاب شود. در روش دوم میزان توان راکتیو مورد نیاز ترانس محاسبه شده و خازن ثابت مربوط به آن در بانک خازن فشار ضعیف قرار داده می شود. نکته مهم در این حالت بالا بردن کسینوس فی هدف رگولاتور بوده تا خازن ثابت ترانس را به عنوان جبران ساز تاسیسات دیگر در نظر نگیرد. هر دو روش فوق باعث افزایش ضریب توان سیستم و جلوگیری از هزینه های مستقیم و غیر مستقیم خواهد شد. در ادامه روش انتخاب خازن ثابت با توجه به قدرت ترانس و نحوه نصب آن را بررسی می کنیم.

ترانسفورماتور های داخلی

در کتاب پلن‌های الکتریکی روش‌های مختلف تحویل انرژی به مشترکین مانند فیدر اختصاصی، پست اختصاصی، لوازم اندازه‌گیری هوایی یا M.O.F و غیره را بررسی کردیم. حالت‌های ذکر شده به‌صورت ولتاژ اولیه بوده و مشترک باید کار تبدیل ولتاژ را در تاسیسات خود انجام دهد. به‌عنوان‌مثال تحویل انرژی به‌صورت فشار متوسط را در نظر بگیرید. این انرژی پس از حفاظت و اندازه‌گیری وارد محدوده‌ی متقاضی می‌شود. قابل ذکر است که بسیاری از شرکت ها و کارخانه ها درای پست داخلی بوده و جبران سازی توان راکتیو ترانس باعث کاهش هزینه ها و افزایش طول عمر تجهیزات آن ها خواهد شد.

با توجه به بزرگی شرکت و میزان توان دریافتی ممکن است یک یا چند پست به‌صورت داخلی وجود داشته باشد. در این پست‌ها ولتاژ فشار متوسط با ترانسفورماتور به ولتاژ مصرف تبدیل شده و به تأسیسات نهایی متصل می‌شود. قابل ذکر است که در برخی از تاسیسات ولتاژ فشار متوسط به سطح ولتاژ فشار متوسط دیگری نیز تبدیل می شود. به عنوان مثال با استفاده از ترانس های 20 به 11 یا 6.6 کیلو ولت ولتاژ اولیه برای اتصال به الکتروموتورهای فشار متوسط کاهش داده می شود.

در تحویل انرژی به‌صورت ولتاژ اولیه دو نکته‌ی مهم وجود دارد:

• اندازه‌گیری میزان انرژی مصرفی در سطح اولیه انجام می‌شود.
• با توجه به دیماند خریداری شده ممکن است متقاضی یک یا چند دستگاه ترانسفورماتور داشته باشد.

اندازه‌گیری در سطح اولیه به معنی سنجش توان قبل از تبدیل آن به سطوح دیگر است. به‌عبارت‌دیگر لوازم اندازه‌گیری یا کنتورها با توجه به دیماند متقاضی می‌توانند در سطح فشارقوی، فوق توزیع، فشار متوسط یا فشار ضعیف نصب شوند. در تمام این موارد توان راکتیو ترانسفورماتور نیز در اندازه گیری ها لحاظ خواهد شد. در تصویر بالا قرار گرفتن لوازم اندازه‌گیری در سطح فشار متوسط به‌صورت داخلی را مشاهده می‌کنید. این کار ممکن است به‌صورت هوایی و با M.O.F نیز انجام شود.

با توجه به سطح ولتاژ ورودی به تأسیسات بسیار بزرگ؛ ممکن است چندین مرتبه کاهش ولتاژ انجام شود. برای درک بهتر موضوع یک شرکت فولاد با ورودی 230 کیلوولت را در نظر بگیرید. در این تأسیسات ولتاژ به سطح پائین تر مثلا 63 و 20 تبدیل شده و با شبکه‌های داخلی توزیع می‌شود. همانطور که اشاره شد در تاسیسات داخلی ممکن است ولتاژهای دیگر مانند 33، 11، 6.6، 1 کیلو و غیره نیز وجود داشته باشند. به عنوان مثال مصرف‌کننده‌های نهایی در این‌گونه شرکت‌ها ممکن است به‌صورت فشار متوسط یا فشار ضعیف باشند. از این موارد می توان به الکتروموتورهای 11 یا 6.6 کیلوولت، کوره‌های القایی 1 کیلوولت یا مصرف‌کننده‌های فشار ضعیف 400 ولت اشاره کرد.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید در یک تأسیسات ولتاژ اولیه ممکن است چندین دستگاه ترانسفورماتور با توان‌های مختلف وجود داشته باشد. از طرفی لوازم اندازه‌گیری در سطح اولیه قرار گرفته و تمام تلفات و توان راکتیو تأسیسات را ثبت می‌کند. در این حالت توان راکتیو تمام ترانسفورماتورها به‌علاوه‌ی بارهای متصل شده به آن‌ها در هزینه‌ی نهایی صورتحساب تاثیر گذار خواهد بود.

ترانسفورماتورها از ماشین‌های الکتریکی بسیار مهمی هستند که به‌صورت دائم در مدار قرار می‌گیرند. به‌عنوان‌مثال هرگز یک ترانسفورماتور 230 یا 63 یا 20 کیلوولت در پایان شیفت کاری بی‌برق نخواهد شد. از طرفی این دستگاه‌ها نیز مانند الکتروموتورها از سیم‌پیچ تشکیل‌شده و نیاز به توان راکتیو دارند.همانطور که می دانید میزان توان راکتیو رابطه‌ی مستقیمی با بزرگی ترانس و درصد بارگیری آن دارد. درصورتی‌که توان راکتیو موردنیاز ترانسفورماتورها جبران نشود؛ ضریب توان در سطح اولیه کاهش پیدا کرده و جریمه‌ها منظور خواهند شد.

فرمول محاسبه خازن ثابت ترانس

نکته‌ی اصلی در طراحی جبران ساز انفرادی برای ترانسفورماتور؛ توجه به میزان بار آن است. در بخش‌های قبلی میزان جبران سازی توان راکتیو در الکتروموتورها تا 90 درصد حالت بی‌باری لحاظ شد. در ترانسفورماتورها نیز این قانون به شکل دیگری صادق است. میزان \({{\rm{Q}}_{\rm{c}}}\) جهت جبران سازی توان راکتیو ترانسفورماتور یا توان ظاهری \({{\rm{S}}_{\rm{r}}}\left[ {{\rm{kVA}}} \right]\) نباید از توان راکتیو دریافتی تحت حداقل بار بیشتر شود. این موضوع در ادامه بیشتر شرح داده خواهد شد. در نظر داشته باشید که بر خلاف الکتروموتورها با افزایش میزان بارگیری از ترانس ضریب توان آن کاهش پیدا می‌کند. به‌عبارت‌دیگر با افزایش بار ترانس؛ به خازن بزرگ‌تری برای اصلاح ضریب توان آن داریم.

به‌منظور محاسبه‌ی توان راکتیو موردنیاز ترانس از فرمول زیر استفاده می‌شود:
\[{Q_c} = \sqrt {{{\left( {\frac{{{I_0}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right)}^2} – P_{fe}^2} + K_L^2 \times \sqrt {{{\left( {\frac{{{u_k}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right)}^2} – P_{cu}^2} \;\]
در این فرمول:
• \({I_0}\% \) درصد جریان بی‌باری
• \(uk\% \) درصد ولتاژ اتصال کوتاه
• \({P_{fe}}\) تلفات آهنی
• \({P_{cu}}\) تلفات مسی
• \({K_l}\) درصد یا ضریب بارگیری
فرمول فوق کمی پیچیده بوده و نیاز به اطلاعات دقیق مانند درصد جریان بی‌باری، میزان تلفات آهنی و سلفی دارد. این اطلاعات معمولا در پلاک یا نیم پلیت ترانس درج نشده و باید در اسناد فنی به دنبال آن‌ها باشیم.
با توجه به پائین بودن میزان تلفات مسی و آهنی در ترانسفورماتورها می‌توان از آن‌ها صرف‌نظر کرد. با این کار فرمول خلاصه شده و به شکل زیر ارائه می‌شود:

\[{Q_c} \approx {\rm{\;}}\left( {\frac{{{I_0}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right) + K_L^2 \times \left( {\frac{{{u_k}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right)\left[ {kvar} \right]\]

میزان اختلاف نتیجه‌ی دو فرمول بالا با یک مثال بررسی می‌شود. تصور کنید به‌منظور جبران سازی توان راکتیو یک دستگاه ترانسفورماتور 630 کاوا نیاز به خازن داشته باشیم. این ترانس در 60 درصد بار نامی کار کرده و مشخصات آن عبارت است از:

\[{{\rm{I}}_0}{\rm{\% }} = 1.8{\rm{\% }}\]

\[{{\rm{u}}_{\rm{k}}}{\rm{\% }} = 4{\rm{\% }}\]

\[{{\rm{P}}_{{\rm{cu}}}} = 8.9{\rm{\;kW}}\]

\[{{\rm{P}}_{{\rm{fe}}}} = 1.2{\rm{\;kw}}\]

\[{Q_c} = \sqrt {{{\left( {\frac{{{I_0}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right)}^2} – P_{fe}^2}  + K_L^2 \times \sqrt {{{\left( {\frac{{{u_k}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right)}^2} – P_{cu}^2} \]

\[{Q_c} = \sqrt {{{\left( {\frac{{1.8{\rm{\% }}}}{{100}} \times 630} \right)}^2} – {{1.2}^2}}  + {0.6^2} \times \sqrt {{{\left( {\frac{{4{\rm{\% }}}}{{100}} \times 630} \right)}^2} – {{8.9}^2}}  = 19.8{\rm{\;}}kvar\]

میزان خازن به دست آمده از طریق فرمول اول معادل 19.8 کیلو وار است.

در صورت استفاده از فرمول دوم میزان خازن 20.4 کیلو وار خواهد بود:

\[{Q_c} = \left( {\frac{{{I_0}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right) + K_L^2 \times \left( {\frac{{{u_k}{\rm{\% }}}}{{100}} \times {S_r}} \right)\]

\[{Q_c} = \left( {\frac{{1.8{\rm{\% }}}}{{100}} \times 630} \right) + {0.6^2} \times \left( {\frac{{4{\rm{\% }}}}{{100}} \times 630} \right) = 20.4{\rm{\;}}kvar\]

میزان اختلاف در خازن‌های به دست آمده حدود 0.6 کیلو وار بوده که قابل پذیرش است. در نظر داشته باشید که این خازن جهت اتصال به سیم‌ پیچ ثانویه‌ ترانس بوده و در سمت اولیه‌ی آن قرار نمی‌گیرد.

شرکت‌های سازنده به‌منظور ساده‌تر کردن انتخاب خازن جدول‌هایی را ارائه می‌کنند. به‌عنوان‌مثال در ادامه میزان توان راکتیو موردنیاز بر اساس کیلو وار؛ جهت اتصال به سیم‌پیچ ثانویه‌ی ترانس‌های روغنی از شرکت ABB با قدرت 50 تا 400 کاوا را مشاهده می‌کنید. در این جدول ولتاژ اتصال کوتاه، درصد جریان بی‌باری، تلفات مسی و تلفات آهنی نیز آورده شده است. در ادامه خازن‌ها بر اساس درصد بارگیری از 0 تا 100 درصد پیشنهاد شده‌اند.

جدول خازن مورد نیاز ترانس

در این بخش جدول خازن مورد نیاز ترانس های روغنی ABB در بارگیری های مختلف آورده شده است. برای کنترل اطلاعات جدول‌ها لطفا ترانسفورماتور 630 کاوا روغنی را در نظر بگیرید. طبق جدول این ترانسفورماتور در 50 درصد بار نامی به خازن 17 کیلو وار و در 75 درصد بار نامی به خازن 25 کیلو وار نیاز دارد. میانگین این اعداد معادل 21 کیلو وار خازن در 62.5 درصد بارگیری خواهد بود. همان‌طور که مشاهده می‌کنید مقدار به دست آمده از طریق فرمول‌ها در 60 درصد بار نامی معادل 19.8 تا 20.4 بوده و با جدول زیر مطابقت دارد.

در جدول زیر ولتاژ اتصال کوتاه، درصد جریان بی‌باری، تلفات مسی و تلفات آهنی ترانسفورماتورهای خشک ABB به همراه میزان خازن در بارگیری 0 تا 100 درصد پیشنهاد شده‌اند.

تنظیم رگولاتور پس از نصب خازن ثابت ترانس

برای نصب خازن در خروجی ترانسفورماتور باید از کابل، تابلو و ادوات حفاظتی مانند بریکر یا فیوز استفاده کرد. در نظر داشته باشید که سطح اتصال کوتاه در این قسمت بسیار بالا بوده و نیاز به تجهیزات قدرتمندی داریم.

بهترین حالت برای نصب خازن ترانسفورماتور، در نظر گرفتن یک پله‌ی ثابت در بانک خازن است. با این کار نیازی به تابلو و کابل‌های اضافی نبوده و سرویس و نگهداری نیز ساده‌تر می‌شود. در این حالت تنها یک نکته‌ی مهم وجود دارد: رگولاتور نباید ظرفیت این پله ی ثابت را در نظر بگیرید.

به عبارت ساده‌تر قرار دادن خازن ثابت در بانک باعث افزایش ضریب توان سیستم می‌شود. این ضریب توان توسط رگولاتور اندازه‌گیری شده و با توجه به آن خازن‌های کمتری وارد مدار می‌شود. در نظر داشته باشید که این خازن‌ها مربوط به جبران سازی پس از ترانس بوده و توان راکتیو خود ترانسفورماتور را پوشش نمی‌دهند.

برای رفع این مشکل می‌توان ضریب توان هدف را در رگولاتور افزایش داد. با این کار رگولاتور خازن‌های بیشتری را وارد مدار می‌کند تا به ضریب توان هدف برسد. برای درک بهتر این موضوع همان ترانس 630 کاوا روغنی را در نظر بگیرید. طبق جدول این ترانس در 50 درصد بارگیری به یک خازن 17 کیلو وار نیاز دارد. \(\;{Q_t}\)را می‌توان در بخش فشار ضعیف نصب کرد به شرطی که رگولاتور بانک خازن آن را برای ارتقاء ضریب توان بار در نظر نگیرد. این پروسه با تنظیم ضریب توان هدف با مقدار بیشتر از 0.9 کامل می‌شود.

تصور کنید ترانس در 50 درصد بار و با ضریب توان 0.8 در حال کار باشد. در این صورت میزان توان ظاهری جدید و توان اکتیو عبارت است از:

\[S = 0.5 \times {S_r} = 0.5 \times 630 = 315{\rm{\;}}kVA\;\;\;\;\;\;\;P = S \times co{s_\varphi } = 315 \times 0.8 = 252{\rm{\;}}kW\]

طبق محاسبات زیر و جهت ارتقاء ضریب توان بار از 0.8 به 0.9 به 68 کیلو وار خازن نیاز است:

\[{Q_r} = P \times \left( {tg\left( {co{s^{ – 1}}0.8} \right) – tg\left( {co{s^{ – 1}}0.9} \right)} \right) = 252 \times \left( {0.75 – 0.48} \right) = 68{\rm{\;}}kvar\]

مجموعه‌ی خازن موردنیاز عبارت است از 17 کیلو وار برای ترانس و 68 کیلو وار برای بارها:

\[{Q_c} = {Q_r} + {Q_t} = 68 + 17 = 85{\rm{\;}}kvar\]

طبق فرمول زیر باید ضریب توان هدف جدید محاسبه شده و در رگولاتور تنظیم شود:

\[Cos{\varphi _{new}} = cos\left( {t{g^{ – 1}}\left( {tg\left( {co{s^{ – 1}}0.8} \right) – \frac{{{Q_c}}}{P}} \right)} \right)\]

\[Cos{\varphi _{new}} = cos\left( {t{g^{ – 1}}\left( {tg\left( {36.87} \right) – \frac{{85}}{{252}}} \right)} \right) = cos\left( {t{g^{ – 1}}\left( {0.75 – 0.34} \right)} \right) = 0.925\]