اهمیت کیفیت برق در سیستم های قدرت

نیاز به شناسایی عواملی وجود دارد که منجر به کیفیت ضعیف توان در یک سیستم قدرت می شود. این دلایل احتمالی رویدادهای نامشخص، سودمندی، مصرف کننده و سازنده است.

رویدادهای نامشخص (Uncertain Events)

بسیاری از مشکلات در کیفیت توان ناشی از رویدادهای تصادفی مانند خطا، تشدید، موج صاعقه و غیره است. برق با چنین اختلالاتی همراه است.

ابزراهای سودمند (Utility)

ابزارهای سودمند، مسئول کیفیت پایین برق در سه بخش است:

تولید:  مشکلات کیفیت برق در تولید به دلیل گسترش، تعمیر و نگهداری، برنامه ریزی، قطع و جابجایی بار ایجاد می شود.

انتقال: کیفیت برق در خطوط انتقال به دلیل قطع شدن جریان برق، تغییرات ولتاژ، رعد و برق، عملکرد نامناسب دستگاه های تنظیم ولتاژ و غیره تحت تاثیر قرار می گیرد.

توزیع: افت ولتاژ، وقفه ها، گذرا ، نوک ها، برق رسانی ترانسفورماتور و غیره از دلایل کیفیت پایین برق در سیستم توزیع هستند.

مصرف كننده (Consumer)

مصرف کنندگان در بخش بزرگی از مشکلات کیفیت برق نقش دارند. بارهای غیر خطی مورد استفاده مصرف کنندگان در سیستم قدرت هارمونیک تولید می کنند که منجر به کیفیت پایین توان می شود. اگر امپدانس بار با ولتاژ اعمال شده تغییر کند، آن را غیر خطی می گویند. امپدانس در حال تغییر به معنای جریان غیر سینوسی است که توسط بار غیر خطی کشیده می شود حتی اگر ولتاژ سینوسی در سیستم وجود داشته باشد. جریان غیر سینوسی حاوی جریان هارمونیک است که در امپدانس سیستم اختلال ایجاد می کند و منجر به اعوجاج ولتاژ می شود که می تواند بر سیستم قدرت و بارهای متصل به آن تأثیر بگذارد.

سازنده (Manufacturer)

مسائل مربوط به کیفیت برق را می توان از دو طریق به تولید کنندگان مرتبط کرد:

استانداردها: فقدان استانداردها برای نصب، آزمایش، گواهی، خرید، فروش یا استفاده از هر محصول ممکن است منجر به کیفیت پایین برق شود.

حساسیت تجهیزات: حساسیت تجهیزات در صورتی که به دلیل حساسیت بالا با محیط الکتریکی ناسازگار باشد، ممکن است باعث مشکلات کیفیت توان شود.

مسائل و پارامترهای کیفیت برق مشترک

گذرا – Transients

گذرا پالس هایی هستند که در یک شکل موج سینوسی برای مدت کوتاه اما با شدت بالا رخ می دهند. گذرا می تواند از منابع داخلی یا خارجی به عنوان مثال از خارج یا از داخل تاسیسات باشد. منابع خارجی ممکن است شامل رعد و برق، باد، سوئیچینگ ترانسفورماتور و غیره باشد. این اعوجاج ها در شکل موج نامطلوب هستند، زیرا تجهیزات می توانند به روش های مختلفی مانند خرابی دی الکتریک، شکستگی، فلاش عایق، اضافه بار و غیره آسیب ببینند. به این ترتیب، گذرا منجر به کیفیت پایین می شود.

به نوسانات ناگهانی و مختصر ولتاژ یا جریان اطلاق می شود که در مدت زمان کوتاهی رخ می دهد. آنها می توانند در اثر حوادثی مانند صاعقه، عملیات سوئیچینگ یا خطا در سیستم قدرت ایجاد شوند. مدت زمان گذرا می تواند از چند میکروثانیه تا چند میلی ثانیه باشد و می تواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم ها و تجهیزات الکتریکی داشته باشد.
سرکوب‌کننده‌های ولتاژ گذرا، دستگاه‌های محافظ نوسان و سایر اقدامات حفاظتی را می‌توان برای محدود کردن اثرات گذرا بر روی سیستم‌ها و تجهیزات الکتریکی اجرا کرد.

ما اخیراً مقاله ای در مورد  گذراهای الکتریکی در سیستم های قدرت نوشتیم، اگر می خواهید در مورد گذراهای الکتریکی بیشتر بدانید اینجا را کلیک کنید.

تغییرات ولتاژ – Voltage Variations

ولتاژ یک سیستم ممکن است از مقدار اسمی آن متفاوت باشد و این پدیده را تغییر ولتاژ می نامند. یکی از عواملی که باعث تغییر ولتاژ می شود، وقفه ای است که ممکن است به دلیل خرابی تجهیزات، نقص کنترل یا عملکرد فیوز/شکن مدار رخ دهد. کاهش ولتاژ یا کاهش ولتاژ یعنی کاهش ولتاژ RMS عامل دیگری است که در اثر راه اندازی موتورهای بزرگ، خطای تک خط به زمین، جابجایی بار یا انرژی دادن به بارهای سنگین ایجاد می شود. همچنین، ولتاژهای کمتر یا بیش از حد منجر به تغییرات ولتاژ می شود. ولتاژهای کم زمانی ایجاد می شوند که سیستم بیش از حد بارگذاری می شود و ولتاژ بیش از حد زمانی رخ می دهد که سیستم با بارهای کمتری در مقایسه با سطح ولتاژ برق مجهز باشد.

بسیاری از دستگاه های الکترونیکی در محدوده ولتاژ خاصی کار می کنند. تغییرات در سطح ولتاژ می تواند باعث اختلال در عملکرد تجهیزات و مشکلات کیفیت برق شود. به عنوان مثال، ولتاژهای پایین می تواند منجر به کاهش راندمان و آسیب به تجهیزات شود، در حالی که ولتاژهای بالا می تواند باعث گرم شدن بیش از حد و حتی خرابی تجهیزات شود.

ولتاژهای نامتعادل – Unbalanced Voltages

منظور از ولتاژ نامتعادل این است که ولتاژهای یک سیستم ۳ فاز یا از نظر بزرگی متفاوت است یا اختلاف فاز بین هر یک از دو فاز یکسان نیست یعنی ۱۲۰ درجه. سوختن فیوز در هر یک از ۳ فاز، توزیع نابرابر بارها در یک سیستم ۳ فاز و عدم جابجایی در خطوط انتقال هوایی از علل عمده عدم تعادل ولتاژ در سیستم های قدرت می باشد. چنین ولتاژهای نامتعادلی ممکن است به تجهیزات الکتریکی آسیب برساند یا به آن آسیب برساند و در نتیجه باعث کیفیت پایین برق شود.

ولتاژ نامتعادل یک مسئله کیفیت توان است که در آن سه فاز یک سیستم قدرت سه فاز دارای مقادیر متفاوتی هستند و یک شکل موج نامتقارن ایجاد می کنند. این عدم تقارن می تواند ناشی از بارهای نامتعادل، اتصالات معیوب یا خطاهای فاز به زمین باشد.
سطوح نابرابر ولتاژ در فازهای مختلف سیستم می تواند باعث جریان نامتعادل شود و منجر به گرم شدن بیش از حد تجهیزات و کاهش راندمان عملیاتی شود. مولفه های منفی یا توالی صفر در شکل موج ولتاژ می توانند منجر به جریان جریان خطای زمین، آسیب به تجهیزات و ایجاد خطرات ایمنی شوند.

سوسو زدن – Flickers

تغییرات مداوم در ولتاژ برق تغذیه شده باعث نوسانات سریع در جریان بار می شود که منجر به ناپایداری حس بینایی می شود. تغییر سریع و قابل مشاهده در روشنایی لامپ وجود دارد که اثرات مضری بر چشم انسان می گذارد. تغییرات بار ناگهانی، درایوهای موتور، کوره های قوس الکتریکی، ماشین های جوشکاری و غیره از علل رایج اثر سوسو زدن هستند. بنابراین، سوسو زدن یک علامت سوال بر روی کیفیت برق ایجاد می کند.

یک تغییر لحظه ای یا پایدار ولتاژ است که با تغییرات سریع در بزرگی مشخص می شود. این در اثر تغییرات ناگهانی در بار، مانند راه اندازی موتورهای بزرگ، یا عملکرد برخی تجهیزات سیستم قدرت مانند کوره های قوس الکتریکی، ماشین های جوشکاری یا درایوهای بزرگ ایجاد می شود. تغییر در ولتاژ می تواند باعث سوسو زدن نور شود که می تواند برای سرنشینان قابل توجه و آزاردهنده باشد. رویدادهای فلیکر با فرکانس و عمق آنها اندازه گیری می شوند و می توانند بر عملکرد و طول عمر تجهیزات الکترونیکی تأثیر بگذارند.

شکل موج های تحریف شده – Distorted Waveforms

انحراف شکل موج از شکل موج سینوسی حالت پایدار به عنوان اعوجاج در شکل موج شناخته می شود. این اعوجاج ها می توانند انواع مختلفی مانند افست DC، هارمونیک و نویز الکتریکی داشته باشند. وجود جریان DC یا جزء ولتاژ در یک سیستم AC به عنوان آفست DC شناخته می شود که عمدتاً توسط دستگاه های سوئیچینگ، القایی نشتی بارهای سلف و غیره ایجاد می شود. افست DC می تواند به سیستم قدرت آسیب برساند زیرا ممکن است منجر به گرم شدن بیش از حد تجهیزات شود و در نتیجه کاهش یابد. طول عمر آن شکل موج های سینوسی که دارای فرکانس هایی به عنوان مضرب انتگرال فرکانس اصلی هستند به عنوان هارمونیک شناخته می شوند. بارهای غیر خطی، دستگاه های کلیدزنی و غیره از عوامل اصلی ایجاد هارمونیک در سیستم قدرت هستند که منجر به اختلال در عملکرد دستگاه های کنترلی، تلفات یک تجهیزات، نویز اضافی و غیره می شود. نوع دیگری از اعوجاج شکل موج، نویز الکتریکی است که به عنوان سیگنال‌های الکتریکی نامطلوب بر روی شکل موج ولتاژ یا جریان سیستم قدرت تعریف می‌شود. دلایل رایج نویز الکتریکی اتصالات نامناسب در سیستم برق، دستگاه های الکترونیکی،اثر کرونا و غیره. همه این اعوجاج‌ها تأثیر بدی بر کیفیت برق دارند، بنابراین باید آنها را کاهش داد.

اعوجاج هارمونیک کل (THD) به عنوان اندازه گیری اعوجاج هارمونیک موجود در شکل موج تعریف می شود. کیفیت توان یک سیستم قدرت با THD نسبت معکوس دارد. اعوجاج هارمونیک بیشتر در سیستم، کیفیت توان کمتر خواهد بود و بالعکس. THD برابر است با نسبت محتوای هارمونیک RMS به پایه:

جایی که V _n-rms ولتاژ RMS n ام هارمونیک در سیگنال و V _fund-rms ولتاژ RMS فرکانس اصلی است.

ضریب قدرت Power Factor

ضریب توان مستقیماً با کیفیت توان در ارتباط است. مقدار ضریب توان نزدیک به ۱ نشان دهنده کیفیت توان بالا است. هر چه مقدار ضریب توان کمتر از یک باشد، کیفیت توان ضعیف‌تر و هزینه‌ها بیشتر می‌شود. (cosφ) رابطه بین توان ظاهری و توان فعال است. سیستم های ناکارآمد تمایل به قدرت ظاهری بیشتری نسبت به توان فعال دارند که منجر به هدر رفتن انرژی و احتمال آسیب به تجهیزات می شود.

فرکانس متغیر – Varying Frequency

نوسانات در اندازه فرکانس از مقدار اسمی آن (۵۰ یا ۶۰ هرتز) به عنوان تغییرات فرکانس تعریف می شود. در صورت عدم تعادل بین تولید و تقاضا، فرکانس سیستم قدرت از ارزش اساسی منحرف می شود. نقص در سیستم انتقال نیز یکی از دلایل تغییرات فرکانس است. این نوسانات منجر به کیفیت پایین برق می شود زیرا تمام دستگاه های الکتریکی بر اساس فرکانس نامی طراحی شده اند و هر گونه تغییر در این مقدار ممکن است تأثیرات مضری بر آنها بگذارد.

وقفه های موقت – Temporary interruptions

منبع برق مصرف‌کنندگان نیز می‌تواند قطع یا قطع شود، به‌عنوان مثال، اتلاف کامل برق رخ می‌دهد و ولتاژ برای مدت کوتاه یا طولانی در یک منطقه محلی به صفر می‌رسد. این وقفه ممکن است توسط ابزار شما برنامه‌ریزی شده باشد یا می‌تواند ناشی از دلایل زیر باشد:

• قطع برق کوتاه مدت معمولاً به دلیل خرابی عایق، رعد و برق و فلاش عایق و غیره رخ می دهد.
• وقفه های طولانی مدت می تواند ناشی از خرابی تجهیزات در شبکه سیستم قدرت، خطاهای انسانی، شرایط نامساعد آب و هوایی، هماهنگی ضعیف دستگاه های حفاظتی و غیره باشد.

بریدگی ولتاژ – Voltage notching

بریدگی یک اختلال مکرر کیفیت توان است که در اثر عملکرد عادی دستگاه های الکترونیکی قدرت (یکسو کننده ها، SCR ها و غیره) هنگامی که جریان از یک فاز به فاز دیگر تغییر می کند، ایجاد می شود. تغییر ناگهانی ولتاژ به دلیل بریدگی فرکانس های طبیعی سیستم الکتریکی را تحریک می کند. این باعث ایجاد هارمونیک های غیر مشخصه اضافی برای ظاهر شدن در ولتاژ سیستم می شود. با توجه به این هارمونیک های فرکانس بالا ایجاد شده توسط بریدگی، منطق حساس و مدارهای الکترونیکی ارتباطی در تاسیسات ممکن است آسیب ببینند، تداخل رادیویی ممکن است رخ دهد.

ولتاژ عبارت است از از دست دادن کامل ولتاژ برای مدت زمان کوتاه. این می تواند به دلیل نقص در سیستم توزیع یا در اثر برخورد صاعقه ایجاد شود و می تواند از چند میلی ثانیه تا چند دقیقه طول بکشد. این وقفه می تواند باعث خاموش شدن یا تنظیم مجدد تجهیزات شود و باعث آسیب یا از دست رفتن داده ها شود.

یا افت ولتاژ کاهش موقت ولتاژ به زیر سطح نرمال است که برای چند سیکل تا چند ثانیه طول می کشد. علت آن افزایش ناگهانی بار، افت ولتاژ در شبکه برق و یا نقص در سیستم است.

ولتاژ افزایش موقت ولتاژ بالاتر از حد طبیعی است که از چند سیکل تا چند ثانیه طول می کشد. این به دلیل تغییرات ناگهانی در بار یا زمانی که یک نقص در سیستم برطرف می شود ایجاد می شود.

هارمونیک ها (Harmonics)

هارمونیک ها سیگنال های الکتریکی با فرکانس بالاتری هستند که برق ارسال شده توسط شرکت های برق به مشاغل و خانه ها را آلوده می کنند. دستگاه های الکترونیکی با بارهای غیرخطی هارمونیک هایی تولید می کنند که می تواند در عملکرد تجهیزات توزیع اختلال ایجاد کند و باعث آسیب به تجهیزات الکتریکی شود.

عدم اتصال به زمین (Grounding)

زمین کردن، به اتصال مدار الکتریکی به زمین اشاره دارد. این به اطمینان از پایداری، کاهش نویز و تداخل و جلوگیری از شوک ناشی از تجمع الکترواستاتیک کمک می کند. بدون اتصال به زمین مناسب، تجهیزات الکترونیکی حساس ممکن است دچار اختلال شوند یا آسیب ببینند.

تداخل الکتریکی (Electrical interference)

تداخل زمانی اتفاق می‌افتد که صداهای سایر منابع، مانند سایر سیستم‌های الکتریکی، خطوط برق، یا حتی انتقال رادیویی با سیگنال الکتریکی مخلوط می‌شوند. نویز الکتریکی می تواند منجر به تخریب سیگنال شود که می تواند در عملکرد تجهیزات اختلال ایجاد کند.

اثرات کیفیت ضعیف برق بر سیستم قدرت

تأثیرات مضر کیفیت ضعیف برق هم بر روی آب و برق و هم بر مصرف کننده وجود دارد. برخی از اثرات اصلی کیفیت پایین برق در سیستم قدرت به شرح زیر است:

• هارمونیک ها به شکل موج اضافه می شوند و تجهیزات ممکن است پیک بالایی از شکل موج دریافت کنند و در نتیجه به تجهیزات آسیب وارد کنند. ولتاژهای بالا همچنین ممکن است باعث شود که تجهیزات در منطقه اشباع کار کند و اختلالات اضافی ایجاد کند.
• به دلیل گرمای بیش از حد، سر و صدا و غیره طول عمر یک تجهیزات کاهش می یابد.
• راندمان یا عملکرد سیستم به دلیل کیفیت ضعیف توان بسیار کاهش یافته است.
• به دلیل قطع یا قطع برق، داده های مهم ممکن است از بین بروند یا خراب شوند که ممکن است منجر به از دست دادن شدید شود.
• هزینه های یک سیستم قدرت در صورتی که کیفیت برق ضعیف باشد به شدت افزایش می یابد.
• در صورت قطع برق، مصرف کنندگان به دلیل در دسترس نبودن برق با مشکلات زیادی مواجه می شوند و بر هزینه های برق نیز تاثیر می گذارد.
• بارهای مصرف کننده به دلیل مشکلات کیفیت برق به شدت تحت تأثیر قرار می گیرند یا حتی آسیب می بینند.
• گاهی اوقات به دلیل تنش اضافی ناشی از کیفیت ضعیف برق، نیاز به بزرگی بیش از حد سیستم قدرت وجود دارد. این گسترش منجر به هزینه های بالای نصب می شود.

استانداردهای کیفیت برق

در خصوص استانداردهای کیفیت توان قبلا صحبت شده است؛ برای مطالعه بیشتر اینجا کلیک کنید. به طور خلاصه، استانداردهای کیفیت توان در جدول زیر لیست شده‌اند.

تکنیک های زیادی برای کاهش اثر کیفیت ضعیف توان بر روی سیستم قدرت پیشنهاد و اجرا شده است. دستگاه های زیادی برای کاهش یا سرکوب تاثیر بد کیفیت توان پایین معرفی شده اند. به غیر از آن، تجزیه و تحلیل عمیق و نظارت بر کیفیت توان برای ارتقا یا حفظ کیفیت توان مطابق با الزامات انجام می شود. راه های مختلفی برای غلبه بر مشکلات کیفیت برق وجود دارد. برخی از راه حل های رایج عبارتند از:

۱٫ مطالعات سیستم قدرت (Power System Studies)

مطالعه سیستم قدرت به عنوان تحقیقات مهندسی مختلف برای اطمینان از یک سیستم الکتریکی ایمن، ماهر و قابل اعتماد یک تاسیسات در شرایط عادی و غیرعادی تعریف می‌شود. برای انجام مطالعات سیستم قدرت به مهندسانی با دانش و درک بالا از سیستم های قدرت نیاز است. انواع مختلفی از مطالعات سیستم قدرت وجود دارد که هر کدام اهمیت و روش خاص خود را دارند. مطالعات شامل اتصال کوتاه ، هماهنگی ، فلاش قوس ، جریان بار ، تجزیه و تحلیل هارمونیک و مطالعه پایداری است.. داده های جامع و دقیق برای یک سیستم قدرت به منظور انجام مطالعات سیستم قدرت مورد نیاز است. چنین مطالعاتی با استفاده از ابزارهای نرم افزاری مختلف انجام می شود. تکمیل مطالعات سیستم قدرت، سطح ریسک عملیات جاری را کاهش می دهد و کارایی سیستم را افزایش می دهد.