بانک خازنی و امتیاز های آن

به عنوان یک متخصص برق و یا حتی فرد مبتدی در صنعت برق حتما نام بانک خازنی را بسیار شنیده اید . عنوانی که معمولا در کنار جبران سازی توان راکتیو معنا پیدا می کند . 

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.

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 Cosφ 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.

اصلاح ضریب توان در تاسیسات الکتریکی باعث کوچکتر شدن توان ظاهری یا S در ماشین‌های الکتریکی خواهد شد.

برای درک بهتر این موضوع به جدول زیر توجه کنید.

با کاهش توان ظاهری می‌توان ماشین‌های الکتریکی کوچکتری انتخاب کرده و یا از ماشین‌های موجود توان اکتیو بیشتری عبور داد.

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 می شوند.

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.

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.

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 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.

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

با کاهش جریان ظاهری می‌توان از هادی‌های کوچکتر استفاده کرده و یا از هادی‌های موجود توان اکتیو بیشتری عبور داد. این امر باعث کاهش هزینه‌های اولیه یا توسعه‌ی سیستم خواهد شد.

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. 

کاهش جریان باعث پائین آمدن تلفات در هادی‌ها شده و راندمان کلی سیستم را افزایش می‌دهد. در نظر داشته باشید که تلفات هادی‌ها از محل قرارگیری خازن به سمت منبع کاهش پیدا خواهد کرد.

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

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  کسینوس فی یا پاور فکتور 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 پی یک تلفات قبل از جبران سازی، کسینوس فی یک ضریب توان اولیه، پی دو تلفات پس از جبران سازی و کسینوس فی دو ضریب توان نهایی است.

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 COSφ1 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 نظر داشته باشید که کاهش تلفات از نقطه‌ی جبران سازی توان راکتیو به سمت بالادست خواهد بود. به‌عنوان‌مثال قرار دادن خازن در تاسیسات فشار ضعیف باعث کاهش جریان دریافتی و در نتیجه کاهش تلفات کابل‌ها و خطوط توزیع می‌شود.

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:

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.

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.

 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.

در نگاه اول؛ اجرای بانک خازن یک هزینه‌ی اولیه ی بزرگ به نظر می رسد که باید آن را با در نظر گرفتن معیارهای اقتصادی بر طول سال‌های عمر بانک تقسیم کنیم. در عمل مبلغ صرف جویی شده بابت اصلاح ضریب توان معمولا در همان سال اول هزینه های اجرای بانک خازن را جبران می‌کند که تجزیه و تحلیل دقیق در خصوص سرمایه‌گذاری و بازگشت آن نیاز به شرح پارامترهای اقتصادی خاصی دارد.

برگرفته شده از کتاب مثلث زرد