مقدمه
همان طور که می دانیم انرژی الکتریکی پرمصرف ترین شکل انرژی است که بعد از تولید، توسط شبکه های عظیم و به هم پیوسته برق در سراسر جهان منتقل و توزیع شده و در نهایت در اختیار مشتریان تجاری، صنعتی و خانگی قرار می گیرد. یکی از مسائل بسیار مهم و ضروری در قبال این توزیع این است که انرژی دریافتی در محل مصرف تا حد قابل قبولی با کیفیت و قابل اطمینان باشد. بعلت گسترش روز افزون بارهای غیرخطی و حساس، منابع تولید پراکنده شامل سیستمهای خورشیدی، بادی، باتریهای ذخیره ساز، توربین گازی و … ، حضور و افزایش بانک های خازنی و خازن های اصلاح ضریب قدرت در شبکه و افزایش و پیشرفت عناصر الکترونیک قدرت که منبع اصلی ایجاد هارمونیک در سیستم قدرت اند، مسئله کیفیت توان بیش از پیش اهمیت پیدا کرده و سالانه هزینه های هنگفتی خصوصاً در کشورهای پیشرفته جهت اتخاذ رویکردهای مناسب جهت بالابردن و بهبود کیفیت آن در شبکه های برق صورت می گیرد.
عوامل ایجادکننده اختلال و کاهش سطح کیفی انرژی الکتریکی گسترده و متنوع اند و به دلالیل مختلفی بوجود می آیند. آنچه که اهمیت دارد، شناسایی دقیق و مؤثر این عوامل با روشهای مناسب و ارائه راهکارهای مفید و کارآمد جهت مقابله و کاهش اثر آنها می باشد. در این پست آموزشی ضمن تعریف مفهوم کیفیت توان، صرفاً دسته بندی و تعریف پدیده های مرتبط با آن و همچنین عوامل ایجاد کننده آن پدیده ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
کیفیت توان
کیفیت توان را می توان به صورت تغییر ولتاژ یا جریان با توجه به شکل موج سینوسی حالت ماندگار در یک فرکانس اساسی سیستم تعریف کرد. یک جنبه مهم کیفیت سیستم قدرت، توانایی سیستم برای انتقال و تحویل انرژی الکتریکی به مصرف کننده با حفظ حدود مشخص شده توسط استانداردها می باشد. هر گونه مشکلی که باعث تغییر در سطح ولتاژ، جریان و یا فرکانس شود و موجب خرابی و یا عملکرد نادرست تجهیزات مصرف کننده گردد، به کیفیت توان سیستم مربوط می شود، بنابراین کیفیت توان مرتبط با اختلالات سیستم توان می باشد. این اختلالات بعلت استفاده گسترده از وسائل الکترونیک قدرت می باشند، در نتیجه تشخیص زمان واقعی و طبقه بندی دقیق اختلالات توان برای اطمینان از کیفیت استاندارد آن ضروری است.
دسته بندی پدیده های کیفیت توان
پدیده ها یا وقایع کیفیت توان را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد: 1) اغتشاشات [1] 2) اعوجاج [2] 3) پدیده های دیگر
در ادامه به توضیح پیرامون هر یک از موارد فوق خواهیم پرداخت.
اغتشاشات
«اغتشاش» به عنوان یک انحراف موقتی از حالت دائمی شکل موج معرفی شده است. در واقع به عنوان یک تغییر غیر تکرارشونده در دامنه ولتاژ سیستم در فرکانس اصلی برای دوره کوتاهی از زمان تعریف می شود. این پدیده می تواند یک پدیده فرکانس پایین یا یک پدیده فرکانس بالا باشد. پدیده های فرکانس بالا شامل گذراها می شود در حالیکه پدیده های فرکانس پایین به صورت تغییرات کوتاه مدت ولتاژ چون کمبود ولتاژ [3]، بیشبود ولتاژ [4] و یا قطعی های موقت [5] ظاهر می شود.
«گذرا» پدیده ای نامطلوب است که باعث تغییرات ناگهانی در شکل موج ولتاژ یا جریان می شود. منبع آن می تواند خارجی (اثر مستقیم یا غیر مستقیم اصابت صاعقه) یا داخلی (ناشی از عملکرد کلیدهای مکانیکی یا نیم هادی ها، کلیدزنی خازنی، جریان هجومی ترانسفورماتورهای قدرت و وقوع خطا) باشد. گذراها می توانند به صورت یک جهتی (ضربه ای) یا نوسانی در شکل موج ولتاژ یا جریان ظاهر شوند.
«گذرای ضربه ای» تغییر ناگهانی با فرکانسی غیر از فرکانس قدرت در حالت مانای ولتاژ، جریان یا هر دوی آنهاست که پلاریته آن در یک جهت مثبت یا منفی می باشد. گذراهای ضربه ای معمولاً با زمان صعود که دلالت بر فرکانسها و مقادیر پیک بالا دارند و همچنین زمان میرایی اشان مشخص می شوند. عامل ایجاد آن پدیده صاعقه است و می تواند به سرعت توسط عناصر مقاومتی سیستم میرا شود. از طرفی باید توجه کرد که گذرای ضربه ای می تواند فرکانس طبیعی مدارهای شبکه قدرت را تحریک کند و گذرای نوسانی بوجود آورد. بنابراین ممکن است در مواردی منشأ اصلی گذرای نوسانی صاعقه باشد.
«گذرای نوسانی» تغییر ناگهانی در فرکانسی غیر از فرکانس سیستم قدرت در حالت مانای ولتاژ، جریان و یا هر دوی آنهاست که هر دو پلاریته مثبت و منفی را داراست. مشخصات این پدیده توسط محتوای طیفی، طول دوره زمانی و دامنه تعیین می شود. به طور معمول پدیده های گذرای نوسانی به سه دسته گذرای فرکانس بالا، گذرای فرکانس متوسط و گذاری فرکانس پایین تقسیم می شوند که با انواع معمول کلیدزنی در سیستمهای قدرت تطابق دارند.
تغییرات کوتاه مدت ولتاژ:
اگر تغییری در ولتاژ منبع اتفاق بیفتد که بیش از یک دقیقه طول نکشد، تغییر کوتاه مدت ولتاژ نامیده می شود. معمولاً چنین تغییراتی بوسیله خطاها، انرژی دهی بارهای بزرگ که احتیاج به جریانهای هجومی بزرگ دارند و اتصالات سست متناوب در سیمکشی توان بوجود می آید. این تغییرات به سه شکل کمبود ولتاژ، بیشبود ولتاژ و قطعی بروز می کند که بر کیفیت توان تأثیر می گذارد.
کمبود ولتاژ (Sag) به صورت کاهش کوتاه مدت در مقدار مؤثر ولتاژ تعریف می شود، در واقع کاهشی کمتر از 90 درصد ولتاژ نامی در مدت زمان 10 میلی ثانیه تا 60 ثانیه. عوامل ایجاد کننده آن می تواند به صورت زیر باشد:
الف) خطای اتصال کوتاه در شبکه فشار ضعیف که توسط کار فیوز بعد از چند میلی ثانیه برطرف می شود.
ب) خطاها روی خطوط فشار متوسط و فشار قوی یا سایر تجهیزات که احتمالاً بوسیله وصل مجدد اتوماتیک دنبال می شود.
ج) کلیدزنی یا راه اندازی بارهای بزرگ بویژه موتورها
د) خروج بانکهای خازنی بزرگ
اثرات کمبود ولتاژ می تواند به صورت خاموش شدن لامپهای تخلیه، کار غیر صحیح وسایل کنترل درایوهای تغییر سرعت یا توقف موتورها، قطع کنتاکتورها و یا خراب شدن کموتاسیون در اینورترهای کموتاسیون خطی ظاهر شود.
بیشبود ولتاژ (Swell) به صورت افزایش کوتاه مدت مقدار مؤثر ولتاژ به بیش از 110 درصد مقدار نامی تعریف می شود که در مدت زمانی بین 10 میلی ثانیه تا 60 ثانیه اتفاق می افتد.
عوامل ایجاد کننده آن می تواند به صورت زیر باشد:
الف) خطاهای گذرا
ب) از مدار خارج شدن بارهای بزرگ
ج) وارد مدار شدن بانکهای خازنی بزرگ
اثرات بیشبود ولتاژ می تواند به صورت فشار روی عناصر و اجزای کامپیوترها و کم شدن عمر آنها و یا عدم کارکرد صحیح کنترلرهای الکتریکی و درایوهای موتورهای الکتریکی ظاهر شود.
«قطعی» به صورت کاهش مقدار مؤثر ولتاژ به کمتر از 10 درصد مقدار نامی تعریف می شود که در مدت زمانی بین 10 میلی ثانیه تا 60 ثانیه اتفاق می افتد. قطعی ها اغلب از وصل کردن مجدد مدارشکن ها یا وصل کننده های مجددی که سعی در رفع خطاهای غیر دائم دارند، ناشی می شوند. آنها می توانند از خطاهای تجهیزات و خرابی های کنترلی نیز ایجاد شوند.
در شکل زیر سه پدیده فوق در یک شکل موج نمونه نشان داده شده است.
تغییرات کوتاه مدت ولتاژ (کمبود، بیشبود و قطعی)
نکته مهم: اگر تغییری در ولتاژ منبع اتفاق بیفتد که بیش از یک دقیقه طول بکشد، تغییر بلندمدت ولتاژ نامیده می شود. این تغییرات در سه شکل کاهش ولتاژ، اضافه ولتاژ و خاموشی بروز می کند. یک اضافه ولتاژ (کاهش ولتاژ) در واقع به صورت افزایش (یا کاهش ) 10 درصدی در مقدار مؤثر ولتاژ تعریف می شود که بیش از یک دقیقه طول می کشد. همچنین قطعی با مدت زمان بیشتر از یک دقیقه به صورت قطعی بلندمدت یا خاموشی [6] در نظر گرفته می شود.
اعوجاج:
انحراف حالت ماندگار شکل موج ولتاژ و جریان از حالت موج سینوسی ایده آل، اعوجاج نامیده می شود. اعوجاج را می توان به سه دسته آفست DC، هارمونیک ها و پدیده ناچ (شکاف) تقسیم بندی کرد. در ادامه به توضیح پیرامون هر یک می پردازیم.
هارمونیک ها
هارمونیکها، ولتاژها و جریانهای سینوسی هستند که دارای فرکانس هایی با مضرب صحیحی از فرکانس اصلی شبکه هستند. آنها با مؤلفه اصلی ولتاژ یا جریان ترکیب شده و موجب اعوجاج (تغییر شکل) در شکل موج مربوطه می گردند. این پدیده نامطلوب در واقع بعلت مشخصه های غیرخطی دستگاهها و بارها در شبکه بوجود می آید. با زیاد شدن خازن های اصلاح ضریب توان و همچنین افزایش کاربرد الکترونیک قدرت (در منابع بدون وقفه و درایوهای با سرعت قابل تنظیم) مسئله هارمونیک ها اهمیت بیشتری پیدا کرده است. برخی مشکلات بوجود آمده در سیستم در اثر هارمونیک ها می تواند ترکیدن بانک های خازنی، ترانسفورماتورها و ایجاد گرمای اضافه روی خطوط باشد.
روشهای مقابله با هارمونیک ها می تواند به صورت زیر باشد:
الف) کاهش هارمونیک زدایی بارها: ماهیت بارها معمولاً قابل تغییر نیست ولی میتوان با استفاده از مثلاً سلفهای DC و AC در درایوها یا بکارگیری ترانسهای با اتصال ستاره به مثلث یا مثلث – مثلث در یکسوکننده های مختلف اثرات هارمونیکها را کاهش داد.
ب) اضافه کردن فیلترهای پسیو و اکتیو: در این حالت اثرات هارمونیک (های) موردنظر در شکل موج از بین رفته و از انتشار آنها در سیستم جلوگیری می شود.
ج) تغییر پاسخ فرکانسی سیستم : که با تغییر مقدار خازن یا اضافه کردن سلف ممکن است. در صورتی که سلف اضافه شده با خازن موازی به صورت سری بسته شود، می توان با روش de-tuning پاسخ فرکانسی را تغییر داد.
د) تغییر محل و جایابی بهینه خازنها در شبکه
ه) حذف خازن ها در صورت امکان: در مواردی که هارمونیک ضرر بیشتری نسبت به توان اکتیو داشته باشد، خازن را به طور کلی حذف می کنند.
آفست DC :
علتهای اصلی ایجاد «آفست DC » در سیستم های توان، اختلالات ژئومغناطیسی و یکسوسازی نیم موج هستند. آفست های ایجادشده توسط اختلالات ژئومغناطیسی خصوصاً در عرض های جغرافیایی بالاتر بسیار شدید هستند. حضور یک بار که جریان DC را دریافت می کند، منجر به یک مؤلفه DC جریان در ثانویه ترانس توزیع می شود. این جریان یک بایاس DC در شار سینوسی هسته ترانس ایجاد می کند. مقدار پیک افزایش یافته شار ممکن است ترانس را به سمت اشباع بکشاند. در نتیجه بعلت جریان مغناطیس کنندگی اضافی و تلفات هسته، کلاف و هسته ترانس گرم می شود.
شکاف یا ناچ (7)
«پدیده ناچ» یک نوع اعوجاج ولتاژ دوره ای است که به دلیل کارکرد مبدل های الکترونیکی برق هنگام جابجابی جریان از یک فاز به فاز دیگر ایجاد می شود. در طول این دوره، یک اتصال کوتاه موقت بین دو فاز وجود دارد که ولتاژ را دچار اعوجاج می کند. ولتاژ بیشینه در طول ناچ ها، بستگی به امپدانس سیستم دارد. مؤلفه های فرکانسی که با ناچ ها مرتبط هستند معمولاً بسیار بالا هستند. نوسانات ایجادشده توسط ناچ ها و برطرف کردن اثرشان دلیل استفاده از مدارات اسنابر (RC) در یکسوسازها می باشد. در شکل زیر پدیده ناچ در یک شکل موج نمونه نشان داده شده است.
ناچ یا شکاف در شکل موج ولتاژ بعلت عمل یکسوسازی
پدیده های دیگر تأثیر گذار بر کیفیت توان
این پدیده ها را در ادامه مورد بررسی قرار می دهیم.
نامتعادلی ولتاژ:
این پدیده در حالتی رخ می دهد که ولتاژهای سه فاز منبع از نظر دامنه برابر نیستند. بعلاوه آنها ممکن است حتی از نظر زمانی به طور مساوی جابجا نشوند. علت اولیه نامتعادل ولتاژ، بارهای تک فاز در مدارهای سه فاز هستند. به هر حال این موارد به 5 درصد محدود می شود. نامتعادلی شدید (بیش از 5 درصد) می تواند در شرایط تک فاز رخ دهد که مدار محافظ یک فاز از منبع سه فاز را باز می کند.
فلیکر یا سوسوی ولتاژ (8)
تغییرات تصادفی سیستماتیک در ولتاژهای منبع وجود دارد. یک تغییر سریع در ولتاژ منبع فلیکر یا سوسوی ولتاژ نامیده می شود. این پدیده بعلت تغییرات سریع در دامنه جریان بارهایی مثل کوره های قوسی ایجاد می شود. در یک کوره قوسی، یک جریان هجومی بزرگ زمانی که قوس در ابتدا ضربه می زند، جاری می شود. این امر باعث می شود که ولتاژ باسی که کوره به آن متصل است دچار افت شود. بنابراین مشتریان دیگری که از همان فیدر تغذیه می شوند، با افت های شدید ولتاژی منظم مواجه می شوند مگر اینکه باس منبع بسیار مقاوم باشد.
تغییرات فرکانس قدرت
این تغییرات معمولاً بعلت تغییرات سریع در بار متصل شده به سیستم ایجاد می شود. برای مثال فرکانس منبع ممکن است در طول عملکرد خطوط کششی بزرگ در یک سیستم با اینرسی نسبتاً پایین افت کند. با این حال مطلوب است که فرکانس منبع بیش از حد از فرکانس اسمی 50 یا 60 هرتز منحرف نشود. تغییر بیشینه قابل تحمل فرکانس منبع اغلب به بازه منفی تا مثبت 0.5 درصد محدود می شود. فرکانس به طور مستقیم با سرعت چرخشی ژنراتورهای تأمین کننده آن رابطه دارد . بنابراین یک عملکرد پایدار در خارج از محدوده فرکانس قابل تحمل ممکن است باعث کاهش طول عمر پره های توربین در محور متصل به یک ژنراتور شود. بعلاوه اگر فرکانس به زیر آستانه معینی برسد، یک رله وابسته به فرکانس ممکن است برای محافظت از پره های توربین عمل قطع را انجام دهد.
———————————————————————————————————————————————————-