هارمونیک های جریان در انتخاب باسبار ترانکینگ یا Busways

هارمونیک سوم

هارمونیک های جریان توسط اغلب مصرف کننده های مدرن و الکترونیک تولید می شوند. بارهای مدرن و الکترونیک در تمام بخش های صنعتی، تجاری و تاسیسات خانگی وجود دارند. بارهای غیر خطی از تجهیزات الکترونیک قدرت استفاده کرده که تولید کننده ی هارمونیک های جریان هستند. برخی از بارهای غیر خطی رایج عبارتنداز:

• تجهیزات صنعتی مانند ماشین های لحیم کاری، کوره های القایی، یکسو کننده ها و باتری شارژرها
• درایوهای سرعت متغیر یا Variable Speed Drives (VSDs) با موتورهای جریان متناوب یا مستقیم
• منابع تغذیه بدون وقفه یا Uninterruptible Power Supplies (UPS)
• تجهیزات فناوری اطلاعات مانند کامپیوتر، مانیتور، سرور، دستگاه کپی، چاپگر و غیره
• تجهیزات خانگی مانند تلوزیون، مایکروویو، لامپ های فلورسنت، دیمرهای چراغ و غیره

خارج شدن شکل موج جریان از حالت سینوسی بعلت وجود هارمونیک ها

بارهای الکترونیک امروز یک وجه مشترک کلی به نام “منبع تغذیه ی الکترونیک” دارند. از مزایای منابع تغذیه ی الکترونیک می توان به هزینه، راندمان و توانایی کنترل خروجی اشاره کرد. منابع تغذیه ی الکترونیک با توجه به مزایای ذکر شده،  در طیف گسترده ای از تجهیزات الکتریکی تکفاز و سه فاز مشاهده می شوند. هارمونیک های جریان بعلت یک پدیده ی طبیعی در نحوه ی دریافت جریان توسط منابع تغذیه ی الکترونیک ایجاد می شوند. این دستگاه ها جهت افزایش راندمان، جریان را برای انجام بخش کوچکی از چرخه ی الکتریکی دریافت می کنند. منابع تغذیه ی الکترونیک در مراکز کامپیوتر، بانک ها، مراکز داده های اینترنت و موارد مشابه به تعداد زیادی یافت می شوند.

جریان های غیر خطی یا هارمونیک های جریان تولید شده توسط این بارها مشکلات زیر را ایجاد می کنند:

• خارج شدن شکل موج ولتاژ از حالت سینوسی یا اختلال در ولتاژ که عامل اصلی خرابی در انواع تجهیزات الکترونیک است.
• افزایش تلفات: جریان rms بیشتر از جریان پایه یا اصلی مورد نظر در طراحی ها خواهد شد.
• خطر تشکیل رزونانس هنگامی که خازن های جبران ساز توان راکتیو وارد مدار می شوند.

جریان های هارمونیک سوم به شکل 150 یا 180 هرتز یا هارمونیک مضرب 3 در فرکانس های 50 و 60 هرتز، با عنوان هارمونیک سه گانه یا مضرب سه نیز شناخته می شوند. هارمونیک های مضرب 3 به صورت ویژه ای باعث افزایش جریان هادی نول در سیستم های سه فاز-چهار سیمه خواهند شد. هارمونیک های سوم و افزایش جریان هادی نول یکی از دلایل اصلی اهمیت در انتخاب طرح بهینه ی باسبار در ساختمان های اداری است. در نظر گرفتن میزان جریان نول و جلوگیری از اضافه بار شدن هادی خنثی در تاسیسات اداری بسیار مهم است.

جریان هادی خنثی در سیستم های سه فاز-چهار سیمه

تصویر زیر نحوه ی دریافت جریان غیر خطی از هادی های فاز و غیر خطی شدن جریان هادی خنثی در شبکه ی سه فاز-چهار سیمه را نمایش می دهد. این شبکه در حال تامین انرژی مورد نیاز بارهای تکفاز غیر خطی است.

نمونه هایی از تاسیسات که میزان هارمونیک ها یا THD در آن ها ناچیز یا زیاد است. میزان هارمونیک ایجاد شده در تاسیسات به نسبت بارهای تولید کننده ی هارمونیک در مقابل بارهای کلاسیک، بستگی دارد.

تغذیه ی دفترها:	تغذیه ی کارگاه ها:
تعداد بالایی از شارژرهای تولید کننده ی هارمونیک مانند سخت افزار کامپیوتر، اینورترها، لامپ های فلورسنت و غیره	ترکیبی از شارژرهای تولیدکننده ی هارمونیک با شارژرهای بدون اختلال مانند سخت افزار کامپیوتر، اینورترها، چراغ ها، لامپ های فلورسنت، موتورها، پمپ ها، هیترها و غیره
احتمال بالای وجود هارمونیک ها	احتمال پائین وجود هارمونیک ها
THD≥33%	THD>33%

در ادامه طیف هارمونیک های جریان هادی فاز و نول نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید هادی نول فقط دارای هارمونیک های سوم یا مضرب های سه یعنی 3، 9، 15 و غیره است. دامنه ی این جریان ها معادل سه برابر دامنه ی جریان های فاز است. با اندازه گیری جریان هادی نول مشاهده می شود که هارمونیک سوم بیشترین مقدار را داشته و ضرایب سوم یعنی هارمونیک های 9، 15، 21 و غیره به میزان قابل توجهی کاهش پیدا می کنند. در این شرایط مقدار rms هارمونیک های 9، 15، 21 و غیره کاهش شدیدی خواهد داشت.

در این مثال مقدار rms جریان عبوری از هادی خنثی یا نول معادل \(\sqrt{3}\) برابر یا 1.732برابر مقدار جریان عبوری از هادی فاز است. این مقدار تئوری تنها برای بارهایی به دست می آید که جریان دریافتی آن ها شبیه به تصاویر زیر باشد. در تاسیساتی که بارهای تقریبا خطی مانند موتورها، هیترها، لامپ های روشنایی و غیره وجود داشته باشد، مقدار rms جریان هادی خنثی به مراتب کمتر از  مقدار rms جریان های فاز خواهد بود.

هارمونیک های جریان ایجاد شده به صورت معمول در هادی نول یا خنثی بعلت تغذیه ی بارهای غیر خطی تکفاز	هارمونیک های جریان ایجاد شده به صورت معمول در هادی فاز بعلت تغذیه ی بارهای غیر خطی تکفاز

ضریب بار هادی خنثی یا نول یا Load factor of the neutral conductor

به منظور ارزیابی تاثیر هارمونیک 3 بر جریان هادی خنثی از شبیه سازی استفاده می شود. تصویر زیر شکل موج های مختلف جریان فاز را برای مقادیر متفاوتی از بارهای غیر خطی نشان می دهد. از آنجایی که بارهای خطی صرفا مقاومتی فرض می شوند، مقدار توان اکتیو ثابت باقی می ماند.

در ادامه جریان هادی خنثی یا نول محاسبه شده و با جریان هادی فاز برای مقادیر متفاوت هارمونیک سوم مقایسه می شود. ضریب بار هادی خنثی یا نول در تصویر زیر نشان داده شده است. این ضریب به شکل نسبت جریان هادی خنثی به جریان هادی فاز تعریف می شود.

در تاسیساتی که تعداد زیادی بار غیر خطی الکترونیک و تکفاز به یک هادی نول مشترک متصل شده باشند، ضریب بار بالایی در هادی نول ایجاد خواهد شد. وجود بارهای غیر خطی تکفاز ممکن است باعث افزایش جریان هادی نول حتی بیشتر از جریان هادی فاز شود. در این شرایط باید توجه ویژه ای به هادی خنثی و محاسبه ی سطح مقطع آن داشته باشید.

در اغلب تاسیسات سایز هادی نول کوچکتر از هادی های فاز در نظر گرفته می شود. این روش اصطلاحا هادی نول با سطح مقطع کاهش یافته یا reduced size neutral conductor نام دارد. در سیستم های آلوده به هارمونیک نباید از هادی نول با سطح مقطع کوچک استفاده شود. هنگام طراحی سیستم های فوق باید جریان عبوری از هر چهار هادی یعنی سه فاز بعلاوه نول در نظر گرفته شود.

ضریب همزمانی و تنوع توان جذب شده توسط چنین بارهایی به صورت کلی محدود است. اگر سطح مقطع هادی خنثی با هادی های فاز برابر باشد، تنها در سخت ترین شرایط میزان جریان عبوری آن از هادی فاز بیشتر خواهد شد. روش معمول در شرایط بسیار سخت، استفاده از هادی خنثی به شکل 200% است. این نکته بخشی از مقررات برق یا ساختمان ها نبوده اما توسط برخی از سازمان مانند Copper Development Association ها توصیه می شود.

در تاسیسات با توان بالا مانند بزرگتر از 100 کیلو ولت آمپر یا بزرگتر از 150 آمپر، عوامل مختلفی در کاهش ضریب بار هادی خنثی نقش دارند:

• تجهیزات فناوری اطلاعات با کیفیت بسیار بالا مانند ایستگاه های کاری، سرورها، روترها، رایانه های شخصی، منابع تغذیه بدون وقفه و غیره شامل مدارهای جبران سازی توان راکتیو بوده که تولید جریان های هارمونیک 3 را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
• تغذیه ی تجهیزات تهویه مطبوع در ساختمان های بزرگ توسط شبکه سه فاز که تولید کننده ی هارمونیک های مضرب 3 نیست.

تجهیزات روشنایی فلورسنت با بالاست الکترونیک یا مغناطیسی، تولید کننده ی هارمونیک های مضرب سوم هستند که توسط هارمونیک تولید شده توسط کامپیوترهای شخصی تغییر فاز پیدا می کند. ترکیب این دو هارمونیک با یکدیگر باعث حذف جزئی آن ها خواهد شد. 

نصب دو هادی خنثی در سیستم های کابلی به صورت مستقیم در سیستم های باسداکت قابل اجرا نیست. علت عدم اجرای این روش در سیستم باسداکت، تفاوت انتشار حرارت آن با مدارهای کابلی است.

تاثیرات هارمونیک های جریان بر هادی های مدار

گردش جریان های هارمونیک به چند دلیل باعث ایجاد گرمای اضافی در هادی ها می شود:

• گرمای تولید شده نتیجه ی سطح بالایی از جریان های هارمونیک مضرب 3 است در مقایسه با جریان نسبتا ناچیزی که در بارهای متعادل خطی از هادی نول عبور می کند.
• گردش تمام مضرب های هارمونیک ها باعث افزایش اثرات پوستی و تلفات گردابی در تمام هادی ها و در نتیجه افزایش دمای آن ها می شود.

نمایش خطر گرمای بیش از حد با انتخاب سایز استاندارد سیستم باسداکت در حضور سطح بالایی از هارمونیک سوم

مدل سازی جداگانه ی تلفات ایجاد شده توسط هر مضرب هارمونیک، تاثیر مجموع جریان های هارمونیک در سیستم باسبار ترانکینگ را نشان می دهد. اندازه گیری حرارت تولید شده در سیستم باسبار هنگام وجود هارمونیک های جریان با فرکانس های مختلف نیز حائز اهمیت است. از این رویکرد برای مقایسه ی دو نوع متفاوت شینه استفاده شده است. هردو شینه دارای سطح مقطع یکسان برای هادی های فعال هستند. طبق تصویر، یکی از این شینه ها دارای هادی خنثی 200 درصد و دیگری دارای هادی خنثی 100 درصد است.

با قرار دادن سیستم های باسبار فوق در شرایط برابر از نظر جریان، هارمونیک و غیره می توان میزان افزایش دمای آن ها را تست کرد. در شرایط یکسان، سیستم باسبار با 4 هادی هم اندازه افزایش دمای کمتری در مقایسه با سیستم باسبار با هادی خنثی 200 درصدی خواهد داشت. در نظر داشته باشید که سطح مقطع کل هردو سیستم بسبار با یکدیگر برابر است. سیستم باسبار با 4 هادی هم اندازه با این وضعیت سازگارخواهد بود. تاکید می شود که هنگام انتخاب سایز سیستم باسبار باید میزان جریان عبوری از هادی خنثی در نظر گرفته شود.

موثرترین راه حل= کاهش چگالی جریان عبوری در تمام هادی ها با انتخاب سایز مناسب سیستم باسبار به همراه یک هادی نول یا خنثی

روش انتخاب ساده شده سیستم باسبار

اولین گام در انتخاب سیستم باسبار ترانکینگ، تعیین کردن جریان فاز و سطح جریان هارمونیک سوم است. تاکید می شود که میزان جریان هارمونیک سوم بر روی جریان هادی خنثی یا نول و در نتیجه بر سایز تمام تجهیزات موجود در تاسیسات الکتریکی تاثیر گذار است. هنگام طراحی و سایزینگ سیستم های زیر باید به جریان نرمال و جریان های هارمونیک توجه شود:

• سوئیچبرد
• سوئیچگیر حفاظت و توزیع کننده
• کابل ها و سیستم های باسبار ترانکینگ

سه حالت زیر بر اساس برآورد سطح هارمونیک سوم تعریف شده است:

A) سطح هارمونیک سوم کمتر از 15 درصد \(ih3\le 15\%\)

در این حالت هادی خنثی بدون بارگذاری در نظر گرفته شده و سطح مقطع هادی های فاز بر اساس جریان نرمال آن ها انتخاب خواهد شد. طبق قوانین IEC در سطح مقطع های بزرگتر از 16 میلی متر مس و 25 میلی متر آلومینیوم، ممکن است هادی خنثی یا نول کوچکتر از هادی های فاز باشد.

B) سطح هارمونیک سوم بین 15 تا 33 درصد \(15\%<ih3\le 33\%\)

با قرارگیری هارمونیک سوم بین 15 تا 33 درصد، هادی خنثی به عنوان هادی حامل جریان در نظر گرفته می شود. در این شرایط باید جریان عملکردی سیستم به 84 درصد کاهش داده شده یا سایز باسبار بزرگتر انتخاب شود. به عبارت دیگر هنگام انتخاب سایز سیستم ترانکینگ باید جریان هادی فاز را بر 0.84 تقسیم کرده و مقدار جدید را در نظر بگیرید. روش فوق منجر به انتخاب سیستم ترانکینگ با ظرفیت بالاتر نسبت به میزان درخواستی خواهد شد. تاکید می شود که سایز هادی نول در این سیستم باید با هادی فاز برابر باشد.

C) سطح هارمونیک سوم بالاتر از 33 درصد \(ih3>33\%\)

هادی خنثی در این شرایط نیز به عنوان هادی حامل جریان در نظر گرفته می شود. هنگام وجود هارمونیک سوم با سطح بیشتر از 33 درصد، توصیه شده که هادی های فاز و نول با سایز مساوی انتخاب شوند. تاکید می شود که هنگام انتخاب سایز هادی خنثی باید به جریان آن توجه کنید. روش فوق منجر به انتخاب سیستم ترانکینگ با ظرفیت بالاتر نسبت به میزان درخواستی معمولا تا 2 برابر خواهد شد.

مثال

در جدول زیر پیشنهاد اشنایدر الکتریک برای انتخاب سایز باسبار ترانکینگ های سری KT در سه سطح مختلف آورده شده است. ستون اول از سمت راست مربوط به جریان نرمال سیستم است. در ستون های بعدی پیشنهادی سیستم باسبار ترانکینگ بر اساس هارمونیک ها را مشاهده می کنید:

جریان بر اساس A	بدون هارمونیک	سطح هارمونیک معمول	سطح هارمونیک بسیار بالا
1000	KTC1000	KTC1000HRB	KTC1350HRB
1350	KTC1350	KTC1350HRB	KTC1600HRB
1600	KTC1600	KTC1600HRB	KTC2000HRB
2000	KTC2000	KTC2000HRB	KTC2500HRB
2500	KTC2500	KTC2500HRB	KTC3200HRB
3200	KTC3200	KTC3200HRB	KTC4000HRB
4000	KTC4000	KTC4000HRB
5000	KTC5000

نتیجه گیری

ساختمان های اداری اغلب به هارمونیک های مضرب 3 آلوده بوده و سطوح بالایی از جریان های هارمونیک در آن ها وجود دارد. جریان هارمونیک های مضرب 3 به ویژه هارمونیک سوم، ریشه ی اصلی اضافه بار شدن هادی خنثی یا نول می باشد. عملکرد سیستم باسبار ترانکینگ استاندارد، با گردش جریان های هارمونیک به شکل عمیقی تجزیه و تحلیل شده است. با توجه به اطلاعات حاصل از مطالعات، یک روش ساده جهت انتخاب سیستم ترانکینگ در حضور هارمونیک پیشنهاد می شود. این راه حل به صورت ویژه ای بر سایز هادی خنثی متمرکز شده است.

بررسی سطح مقطع یک سیستم ترانکینگ استاندارد بدون هارمونیک و در حضور هارمونیک

هادی خنثی 200 درصدی راه حل بهینه نیست

سیستم های باسبار ترانکینگ با اندازه ی یکسان تمام هادی ها یا به عبارت دیگر اندازه ی یکسان هادی نول با فازها، کاملا با اختشاشات ناشی از هارمونیک ها سازگار هستند. این طراحی تا زمانی معتبر است که از اضافه بار شدن هادی خنثی جلوگیری کند. به عبارت دیگر سایز مناسب هادی ها مخصوصا هادی خنثی با توجه به جریان های هارمونیک انتخاب شده و به کل سیستم اعمال خواهد شد.

بررسی وضعیت عملکرد دو طرح باسبار ترانکینگ برای اطمینان بیشتر

در ادامه اطلاعات مربوط به مقایسه ی بین دو ساختار باسبار ترانکینگ آورده شده است. شرایط تست ها برای هردو مورد کاملا یکسان و به شرح زیر است:

• جریان فاز یا IL برابر با 1600 آمپر
• سطح هارمونیک سوم مساوی با 33 درصد
• جریان هادی خنثی یا IN برابر با 1520 آمپر

با قرار گرفتن هردو طرح در شرایط یکسان، سیستم باسبار ترانکینگ با 4 هادی هم سایز، افزایش دمای کمتری در مقایسه با سیستم باسبار ترانکینگ با هادی خنثی 200 درصدی خواهد داشت. در نظر داشته باشید که سطح مقطع هردو سیستم ترانکینگ در مجموع یکسان است. سیستم باسبار با 4 هادی هم اندازه با این وضعیت سازگارخواهد بود. تاکید می شود که هنگام انتخاب سایز سیستم باسبار باید میزان جریان عبوری از هادی خنثی در نظر گرفته شود.

جدول مقایسه ی بین سیستم ترانکینگ با هادی خنثی دوبل و سیستم ترانکینگ با 4 هادی هم اندازه

افزایش دما °K	هادی خنثی 200 درصد	هادی خنثی 100 درصد
هادی های فاز به صورت میانگین	63.5	41.5
هادی خنثی	56	39
بدنه (حداکثر)	55	39
سطح مقطع هادی ها	هادی خنثی 200 درصد	هادی خنثی 100 درصد
سطح مقطع هادی فاز (میانگین)	960	1200
سطح مقطع هادی نول	1920	1200
جمع کل سطح مقطع	4800	4800

در این آزمایش سطح مقطع مجموع تمام هادی های هردو سیستم ترانکینگ با هم برابر و معادل 4800 میلی متر مربع است. با بررسی اطلاعات فوق مشاهده می کنید که دوبرابر کردن سطح مقطع هادی خنثی به منظور جلوگیری از افزایش دما، مفید نیست.

رویکرد سیستمی و منسجم

رویکرد مربوط به باسبار ترانکینگ های نصب شده در شبکه ی آلوده به هارمونیک، یک رویکر راه حل محور است. سیستم باسبار با شرایط فوق بهینه می شود ولی باید با تجهیزات متصل شده به آن نیز مطابقت داشته باشد. از تجهیزات تعیین کننده ی مشخصات سیستم ترانکینگ می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• واحدهای انشعاب یا Tap-off unit
• بریکرها
• تعداد کابل ها

محتوای این مقالات برگرفته از کتاب تاسیسات فشار ضعیف (طرح های ارتینگ و RCD) 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.