گزارش کاراموزی هارمونيك هاي بانكهاي خازني

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
گزارش کاراموزي هارمونيك هاي بانكهاي خازني در 44 صفحه ورد قابل ويرايش

مقدمه :

از دير باز، بكارگيري بانك هاي خازني بعنوان يك ضرورت در طراحي فيدرهاي توزيع پذيرفته شده است . ملاحظاتي كه در طراحي منظور مي‎شوند معمولاً فاكتورهاي سنتي نظير حفظ ولتاژ ، ضريب قدرت و آزادسازي ظرفيت مي‎باشد . اما از آنجا ييكه در سيستم هاي مشتركين امروزي از ادوات الكترونيك قدرت استفاده مي‎شود بنابراين طراحي شبكه توزيع در آينده شامل ملاحظات مربوط به كيفيت توان نيز خواهد بود .

كلمه «كيفيت توان » معاني مختلفي دارد ، شايد به تعداد توصيفاتي كه براي بيان اثرات آن بر عملكرد شبكه بكار مي روند .

شركت برق ممكن است كيفيت توان را به عنوان قابليت اطمينان توصيف كند وبا استناد به آمار ادعا كند كه سيستم به ميزان 95% .99 قابل اطمينان مي‎باشد . اغلب كارخانجات سازنده ، كيفيت توان را به عنوان مشخصات مورد انتظار منبع تغذيه تعريف مي كنند . بنابراين چنين تعريفي از ديدگاه سازندگان مختلف كاملاً متفاوت است كه از مشكلات كيفيت توان تاثير مي پذيرد و بهترين تعريف ، تعريفي است كه در آن ديدگاه مصرف كننده نيز لحاظ شده باشد . با توجه به اين موضوع ، تعريف زير اغلب بكاربرده مي‎شود :

« هر مشكل بوجود آمده بر روي توان كه ناشي از ولتاژ ، جريان و تغييرات فركانس بوده و منجر به خروج يا عملكرد نامطلوب تجهيزات مشتركين گردد ، يك مشكل كيفيت توان محسوب مي‎شود » .

وقايع زيادي در سيستم موجب ايجاد مسأله كيفيت توان مي گردند . اغلب تجزيه و تحليل اين وقايع مشكل مي‎باشد بدليل اين حقيقت كه اختلال حاصل ممكن است مربوط به عمليات كليد زني يا خطاي تجهيزات شبكه قدرت در محلي كه صدها مايل با نقطه تحت بررسي فاصله دارد ، ايجاد شده باشد .

در اين فصل اثر بانك هاي خازني در ايجاد اغتشاشات كيفيت توان در شبكه توزيع ، بررسي مي‎گردند.

كليد زني مكرر بانك هاي خازني در سيستم توزيع همراه با افزايش بكارگيري تجهيزات حساس توسط مصرف كنندگان توان ، توجه ويژه به رخداد وقايع زير را لازم مي دارد :

1.افزايش گذراهاي كليد زني خازني ؛

2.قطع ناخواسته راه اندازي تنظيم كننده سرعت ؛

اين امر بخصوص در شرايطي كه شركت ها جرايم سنگيني براي ضريب قدرت قرار داده و به موجب آن ، مشتركين را به نصب خازنهاي تصحيح ضريب قدرت ترغيب مي نمايند ، بسيار مهم است .

امروزه ، بارهاي غيرسنتي از قبيل راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت بخاطر ويژگي هايي نظير بهبود بازه و انعطاف پذيريشان ، به تعداد زياد بكاربرده مي‎شوند . اين نوع بار به اضافه ولتاژهاي ناشي از كليد زني خازني بسيار حساس است .

عمده ترين روشهايي كه براي كنترل اين گذراها بكار مي روند عبارتند از: استفاده از روشهاي كنترل كليد زني ( وصل سنكرون ، وصل با مقاومت /سلف ) و يا بكارگيري اندوكتانسهاي سري كه اغلب همانند يك Chock رفتار مي كنند .

بعلاوه ، اين بارها اغلب جريان هارمونيكي زيادي را توليد نموده و مي‎توانند سطوح اعوجاج ولتاژ غير قابل قبولي را در شبكه توزيع صنعتي و سيستم برقرساني ايجاد نمايد . تركيب خازنها و امپدانس سطح اتصال كوتاه سيستم با هم رزونانس ايجاد كرده و مي‎تواند سطوح هارمونيكي را به بالاتر از حد قابل قبول افزايش دهد . معمول ترين راه حل براي مسائل هارمونيكي ، بكارگيري فيلترهاي هارمونيكي مي باشند .





2-5) كليد زني خازن توزيع :

الف - مرور كلي:

كليدزني خازني واقعه اي معمول در سيستم هاي توزيع بوده و گذراهاي ناشي از آن ، عموماً براي تجهيزات شبكه مشكل ساز نمي باشند . اما اگر مشترك خازنهاي تصحيح ضريب قدرت فشار ضعيف داشته باشد ، اين گذراها مي‎توانند در تأسيسات وي افزايش يابند ، بعلاوه حتي اگر مشتركين از اين خازنها استفاده نكنند ممكن است در اثر اين گذراها ، قطع ناخواسته راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت ، اتفاق افتد . از آنجائيكه ولتاژ خازن نمي تواند بصورت آني تغيير كند ، انرژي دار كردن يك بانك خازني ، افت سريع ( به سمت صفر ) در ولتاژ سيستم ايجاد مي‎كند كه بلافاصله بدنبال آن ، يك ولتاژ بازيابي سريع ( Overshoot ) و نهايتاً گذراي نوساني بر روي شكل موج اصلي ايجاد مي گردد .

پيك دامنه ولتاژ ، به ولتاژ سيستم در لحظه انرژي دار شدن بستگي دارد . در بدترين شرايط ، پيك ولتاژ مي‎تواند به دو برابر پيك ولتاژ سيستم برسد . اما معمولاً دامنه به علت وجود بارهاي متصل به سيستم و ميراسازي در سيستم ( وجود المانهاي مقاومتي ) كمتر از اين مقدار خواهد بود . در شبكه‎هاي توزيع معمول ، سطوح اضافه ولتاژ در محدودة 1/1تا 6/1 پريونيت مي باشند. معمولاً فركانسهاي گذاري ناشي از كليد زني خازني در شبكه توزيع در حدود (hz ) 10000-300 است .

اضافه ولتاژهاي گذرا شبكه توزيع را تهديد نمي كنند ، زيرا دامنه هاي پيك شان پايين تر از سطحي است كه تجهيزات حفاظتي ضربه اي از قبيل برقگير را وادار به عمل نمايد . اما اين گذراها به دليل فركانس نسبتاً پاييني كه دارند از ترانسفورماتور كاهنده عبور كرده و بار مشتركين را تحت تأثير قرار مي دهند . اضافه ولتاژهاي ثانويه ايجاد شده ، موجب افزايش قابل توجه ولتاژ يا قطع ناخواسته در راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت مي‎شوند .

مشكلات كيفيت توان ناشي از كليدزني خازن توزيع شامل خروج و يا خرابي تجهيزات مشتركين ( بخاطر اضافه ولتاژ زياد ) ، قطع ناخواسته راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت و يا خاموشي تجهيزات در ساير فرايندها ( ناشي از اضافه ولتاژ ايجاد شده روي باس dc ) ، خروج TVSS و بروز مشكلات در شبكه كامپيوتري مي‎باشد .

خطي ( نظير راه اندازهاي تنظيم كننده سرعت ) مي باشند .

1.اندازه گيري هارمونيكي : هدف از اندازه گيري ، مشخص كردن رفتار منابع هارمونيكي و فراهم نمودن داده هاي مقدماتي درباره شدت مسأله اعوجاج است . اين داده هاي اندازه گيري شده ، براي تائيد جزئيات مدلهاي كامپيوتري و محاسبات دستي ارزش زيادي دارند .

آشكار سازي اوليه مسائل هارمونيكي مي‎تواند با استفاده از دستگاههاي اندازه گيري جديد كه نقطه پيك شكل موجها را نشان مي‎دهد يا با استفاده از ابزارهايي كه اطلاعاتي در رابطه با نسبت مقدار مؤثر كل به مقدار مؤثر مولفه اصلي ارائه مي دهند ، انجام مي‎شود .

اغلب ، اندازه گيري ها در شبكه هاي توزيع بدليل نياز به مبدل ، بسيار مشكل تر از اندازه گيري در سمت مصرف كننده ( كارگاه صنعتي ) است . احتمالاً كلاس هاي موجود CT ها و PT هاي اندازه گير ، براي بدست آوردن داده هاي هارمونيكي استفاده مي‎شوند .

2.محاسبات و شبيه سازي : از آنجائيكه روشهاي نمايش مولفه هاي مهم در سيستم قدرت توسعه يافته و دقتشان از طريق مقايسه با داده هاي اندازه گيري شده مورد تائيد قرار گرفته است ، به كمك آنها ، محدوده وسيعي از شرايط ايجاد شده قابل تشخيص گرديده است . از جمله مي‎توان ساختار سيستم هايي را كه ايجاد رزونانس مي كنند ، شناسائي نموده و همچنين ساختارهاي مختلف مي‎توانند از اين نظر مورد آزمون قرار گيرند .

شبيه سازي در حوزه فركانس ( مشخصه امپدانس بر حسب فركانس ) قادر است مشخص كند كه آيا ساختار سيستم مي‎تواند باعث ايجاد مسائل هارمونيكي به دليل شرايط رزونانسي بشود يا خير ( شكل (3-4) ) و شبيه سازي اعوجاج هارمونيكي براي ارزيابي تأثير فيلترهاي هارمونيكي يا تكنيك هاي ديگر در كاهش هارمونيك بكار برده مي‎شوند .

3.توسعه راه حل : سطوح ولتاژ هارمونيكي تعيين شده از طريق شبيه سازي و اندازه گيري با حدود توصيه شده مقايسه مي‎شوند . اگر سطوح اعوجاج ولتاژ هارمونيكي در محدودة قابل قبول نباشد ، مشخصه پاسخ فركانس دستگاهها يا سيستم مي‎تواند با عوض كردن مقدار خازن يا مكان آن و يا با نصب فيلترهاي هارمونيكي تغيير داده شود .

د ـ اثر هارمونيك ها بر ضريب قدرت :

روش سنتي تصحيح ضريب قدرت در سيستم قدرت و در تاسيسات مصرف كنندگان,

استفاده از بانك هاي خازني موازي بوده است . اين مسأله از آن حقيقت ناشي مي‎شود كه اغلب بارهاي سيستم در فركانس اصلي ، جريان پس فاز از شبكه مي كشند . خازنها ، در فركانس اصلي ، جريان پيش فاز مي كشند و لذا مي‎توانند براي جبران سازي جريانهاي كشيده شده توسط بارهاي القائي بكار روند .

اين مشخصات پيش فازي و پس فازي جريان براين فرض استوار است كه بارهاي روي سيستم ، مشخصه ولتاژ - جريان خطي دارند و اعوجاج هارمونيكي ولتاژ و جريان اهميت چنداني ندارد . با اين فرضيات ، ضريب قدرت با ضريب قدرت جابجايي(DPF) برابر است . محاسبه ضريب قدرت جابجايي با استفاده از مثلث ضريب قدرت انجام مي‎شود و با رابطه زير بصورت خلاصه بيان مي‎گردد :

(2-5)

اعوجاج هارمونيكي در جريان و يا ولتاژ كه بوسيله بارهاي غير خطي در سيستم ايجاد مي‎شود ، روش محاسبه ضريب قدرت را تغيير مي‎دهد .

ضريب قدرت صحيح بصورت نسبت توان حقيقي به ولت آمپر كل در مدار ، تعريف مي‎شود .

(3-5)

مقدارTPF ، سنجشي است از اينكه توان حقيقي با چه بهره وري واقعي بكار برده

است . از آنجاييكه خازنها تنها در فركانس نامي توليد توان راكتيو مي كنند ، لذا

نمي توانند در حضور هارمونيك TPF را اصلاح كنند . در واقع ، خازنها با ايجاد شرايط رزونانس اعوجاج هارمونيكي ولتاژ و جريان را تقويت كرده و TPF بدتري را بوجود مي آورند . به دليل اينكه جرايم مربوط به ضريب قدرت ساليانه تقريباً بطور كلي برDPF پايه است ،DPF هنوز براي بسياري از مشتركين صنعتي اهميت زيادي دارد .

هـ - روشهاي حل مسائل هارمونيكي :

اغلب مشكلات مربوط به هارمونيك ها ، ابتدا در بانك هاي خازني خودشان را نشان مي دهند . مهمترين دليل اين موضوع آن است كه خازنها مدارهاي تشديد تشكيل

امواج كليد زني

جريان هجومي

ولتاژ آني بازگيري جرقه

تخليه / بازبست ولتاژ



بسته به طراحي ساختاري اساسي ، حدود پايداري در مقابل اضافه ولتاژ ، اضافه جريان و هارمونيكها براي دور كردن خازن از خرابي بسيار مهم است.

اساسا خازن ها امواج كليد زني توليد مي كنند كه عموما به عنوان جريان هجومي و اضافه ولتاژ آني دسته بندي مي شوند.

جريان هجومي پديده اي است كه هنگام به مدار وصل كردن خازن ها رخ مي دهد. امپدانس ارائه شده توسط خازن طبيعتا بسيار كم و مقاومتي است. اين امر منجر به جريان هجومي به بزرگي 50 تا 100 برابر جريان اسمي مي شود كه از خازن عبور مي كند ، اما چرا از خازن؟ زيرا امپدانس ترانسفورماتور در زمان روشن كردن خازن ها فقط در مقابل شار جريان مقاومت مي كند.

اين امر هنگامي پيچيده تر مي گردد كه در تركيب موازي بانك خازني ممكن است جريان هجومي كليد زني به سطحي بالاتر از 200 تا 300 برابر جريان اسمي برسد. اين جريان هجومي نتيجه تخليه خازن هاي از پيش شارژ شده موازي با آن مي باشد. در زير اين مطلب نشان داده شده است.نوعا جريان هجومي علاوه بر تخريب در شكل موج جريان سبب تخريب در شكل موج ولتاژ مي شود.





در هنگام خاموش كردن (از مدار خارج كردن) خازن ها ، بسته به شارژ ذخيره شده در آن ، اضافه ولتاژ ناگهاني بالاتري در زمان خاموش كردن خازن ها بوجود خواهد آمد كه ممكن است موجب پديد آمدن جرقه در پايه ها شود.

هنگامي كه خازن خاموش مي شود شار الكتريكي در خود نگه مي دارد و بوسيله مقاومتهاي تخليه ، تخليه (Discharge) مي شود. مدت زمان تخليه عموما بين 30 تا 60 ثانيه مي باشد. تا زماني كه تخليه بشكل موثري صورت نگرفته نمي توان خازنها را به مدار باز گرداند. هرگونه بازبست خازن قبل از تخليه كامل دوباره موجب افزايش جريان هجومي مي شود.

علاوه بر دستگاه هاي مسدود كننده هارمونيك ها كه با صحت خازن ها نسبت مستقيم دارند ، و در سر خط بعدي تشريح مي شوند ، دستگاه هاي تحليل برنده امواج كليد زني مثل جريان هجومي ، اضافه ولتاژ آني و غيره نياز دارند كه بطور دقيق تعريف و بررسي شوند.

دستگاه هاي مسدود كننده هارمونيك ها:

براي كاربري سالم خازن ها لازم است كه فركانس تشديد مدار LC (سلف – خازن) كه شامل ادوكتانس بار و خازنهاي اصلاح ضريب توان مي شود ، به فركانسي دور از كمترين فركانس هارمونيك تغيير داده شود. براي مثال هارمونيك هايي كه در سامانه توليد مي شوند و خازن هاي قدرت را متاثر مي سازند ، هارمونيك هاي پنجم ، هفتم ، يازدهم ، سيزدهم و غيره هستند. پايين ترين هارمونيكي كه بر خازن ها تاثير مي گذارد هارمونيك پنجم است كه در فركانس 250 هرتز ديده مي شود. اساسا اگر خازن ها با سلف ها موازي شده باشند ، انتخاب مقدار اندوكتانس به شكل زير است :

تركيب سري LC (سلف – خازن) در فركانسي زير 250هرتز تشديد مي كند . بنابراين در همه فركانس هاي هارمونيك ها تركيب سري سلف و خازن مانند يك تركيب سلفي عمل خواهد كرد و امكان تشديد براي هارمونيك پنجم يا هر هارمونيك بالاتري از بين مي رود. شكل زير ناميزان سازي (De – Tuning) خازن ها را نشان مي دهد.