بررسی کیفیت توان و مسئولیت‌های مرتبط با افت ولتاژ در نقاط اتصال

منتشر شده توسط S. Bhattacharyya1، S. Cobben2 و W. Kling، گروه مهندسی برق، دانشگاه فناوری آینهند، ۵۶۰۰ MB آینهند، هلند.

ایمیل‌ها: s.bhattacharyya@tue.nl1؛ sharmirb@yahoo.com2

منتشر شده در: IET Generation, Transmission & Distribution. دریافت شده در ۲۴ مه ۲۰۱۱ – ویرایش شده در ۲۹ فوریه ۲۰۱۲، doi: ۱۰.۱۰۴۹/iet-gtd.۲۰۱۱.۰۸۰۱

چکیده

مشتری‌های امروزی به دستگاه‌های الکترونیکی متنوعی وابسته‌اند که به شدت تحت تاثیر کیفیت تأمین انرژی هستند. افت ولتاژ، یکی از چالش‌های کلیدی در زمینه کیفیت توان (PQ) است که ممکن است به تجهیزات مشتریان آسیب برساند و در برخی موارد منجر به اختلال کامل یا جزئی در عملکرد یک نصب گردد. به همین دلیل، برای هر مشتری ضروری است که از نوع و تعداد افت ولتاژهایی که ممکن است در نقطه اتصال (POC) اتفاق بیفتد آگاهی داشته باشد تا بتواند اقداماتی پیشگیرانه برای حفاظت از تجهیزات خود در برابر اثرات ناشی از افت ولتاژ انجام دهد. در سال‌های اخیر، کمیته استاندارد EN50160 به توسعه یک روش طبقه‌بندی برای تعریف افت ولتاژ پرداخته است. این کمیته همچنین تأکید کرده است که مسئولیت‌های مربوط به افت ولتاژ باید به وضوح در استاندارد مشخص شود تا اختلافات بین طرف‌های مختلف در شبکه به آسانی حل و فصل گردد. در این مطالعه، ابتدا شبیه‌سازی افت ولتاژ در یک شبکه ولتاژ متوسط (MV) رایج انجام شده و تعداد تقریبی حوادث در یک سال در نقطه اتصال مشتری برآورد می‌گردد. علاوه بر این، راهنمایی‌هایی جهت تمایز مسئولیت‌های مرتبط با افت ولتاژ مقامات درگیر در شبکه ارائه می‌شود. در پایان، یک مطالعه موردی که در آن توصیه‌های ارائه‌شده درباره مسئولیت‌های مرتبط با افت ولتاژ به کار گرفته شده، توصیف می‌گردد.

۱. مقدمه

در یک نصب مشتری صنعتی، دستگاه‌های حساسی به شبکه متصل می‌شوند که هر یک ممکن است نسبت به افت ولتاژ حساسیت‌های متفاوتی داشته باشند. بنابراین، قابلیت تفکیک آن‌ها بر اساس منحنی‌های عملکرد تحمل ولتاژ فردی اهمیت بالایی دارد. رایج‌ترین منحنی‌های تحمل ولتاژ شامل منحنی CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturers Association)، منحنی ITIC (Information Technology Industry Council) و منحنی SEMI ۴۷ (Semiconductor Equipment and Materials International Group) هستند [۱].

برای صنایع بزرگ نظیر صنایع نیمه هادی، کارخانه‌های تولید کاغذ و صنایع فولاد، افت ولتاژ به عنوان یک مشکل بحرانی شناخته می‌شود. در این موارد، ممکن است عملکرد کل کارخانه تحت تأثیر قرار گرفته و فرآیندها نیاز به راه‌اندازی مجدد داشته باشند. شناسایی انواع مختلف افت ولتاژ و ارزیابی آثار آن‌ها بر حساسیت تجهیزات، فرآیندی پیچیده و زمان‌بر است. هر دستگاه ممکن است بسته به نوع و شدت افت، مدت زمان آن، نقطه شروع و پایان افت، و همچنین تغییر فاز در حین وقوع افت، به طور متفاوتی واکنش نشان دهد. تحلیل گروه مشترک CIGRE/CIRED JWG ۴.۱۱۰ نشان می‌دهد که «زمان ایمنی فرآیند» (PIT) به عنوان یک نشانگر کلیدی برای طراحی مؤثر فرآیند مشتری و کاهش اختلالات ناشی از افت ولتاژ محسوب می‌شود [۲]. اگر یک مشتری دستگاه‌هایی با ایمنی فرآیند پایین انتخاب کند، نمی‌تواند به درستی فرآیند خود را در برابر انواع افت ولتاژ محافظت کند. به طور متضاد، زمانی که او دستگاه‌های با ایمنی فرآیند بالا انتخاب می‌کند، یعنی نیاز خواهد بود که سرمایه‌گذاری بیشتری برای تأمین امنیت نصب خود در برابر حوادث گوناگون افت ولتاژ انجام دهد. این انتخاب بستگی به آسیب‌پذیری نصب مشتری نسبت به افت ولتاژ و هزینه‌های مالی ناشی از آن دارد. محورهای اصلی این مقاله به قرار زیر است:

• تخمین تعداد سالانه افت ولتاژ در یک شبکه ولتاژ متوسط (MV) در هلند با استفاده از نتایج اندازه‌گیری میدانی برای شبکه ولتاژ بالا (HV) و آمار سالانه خرابی‌های اجزای شبکه MV.
• پیشنهاد مقادیر سطح برنامه‌ریزی و سطح سازگاری برای افت ولتاژ در شبکه‌های MV هلند.
• بحث در مورد مسئولیت‌های مرتبط با افت ولتاژ میان طرف‌های درگیر در سیستم قدرت، که این موارد با یک مطالعه موردی عملی تأیید می‌شود.

۲. استانداردهای مربوط به افت ولتاژ

گزارش IEC/TR ۶۱۰۰۰-۲-۸ [۳] نتایج اندازه‌گیری‌های آماری در رابطه با افت ولتاژ و قطع‌های کوتاه در کشورهای مختلف دنیا را ارایه می‌دهد. این گزارش نشان می‌دهد که فراوانی و احتمال وقوع افت ولتاژ در هر سطح ولتاژ بسیار غیرقابل پیش‌بینی است و علاوه بر زمان، مکان نیز می‌تواند تاثیرگذار باشد. این مقادیر بسته به نوع شبکه و نقطه مشاهده متفاوت است. در صنایع، استانداردهایی نظیر SEMI F42، CBEMA، ITIC و دیگران برای تعریف ایمنی دستگاه‌های حساس مختلف در برابر افت ولتاژ در نصب‌ها به کار می‌روند. همچنین، کلاس‌های ایمنی مختلف در استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۱۱ [۴] مشخص شده‌اند. گروه مشترک CIGRE/CIRED JWG C4.۱۱۰ کلاس‌های ایمنی برای تجهیزات در برابر افت‌های ولتاژ متعادل و نامتعادل را پیشنهاد کرده است. در سال‌های اخیر، اعضای CENELEC جدولی جداسازی افت ولتاژ (به جدول ۱ مراجعه کنید) برای استاندارد EN50160 [۵] پیشنهاد کرده‌اند که به آسانی می‌تواند با تعریف کلاس محصول برای آزمون‌های ایمنی استاندارد IEC ۶۱۰۰۰-۴-۱۱ ترکیب شود. موارد زیر برای جدول ۱ معتبر است:

منطقه‌های پوشش داده شده توسط سلول‌های «A1 + A2 + B1 + B2» به عنوان تجهیزات آزمایش شده به عنوان «کلاس ۲» (منطقه‌های رنگ زرد روشن) در نظر گرفته می‌شوند.

منطقه‌های پوشش داده شده توسط «A1 + A2 + A3 + A4 + B1 + B2 + C1» برای تجهیزات آزمایش شده به عنوان «کلاس ۳» (تمام منطقه‌های سایه‌زده با رنگ زرد و سبز) معتبر هستند. این کلاس از دستگاه‌ها دارای سطح ایمنی بالاتری نسبت به دستگاه‌های «کلاس ۲» است.

جدول ۱	ادغام طبقه‌بندی محصول افت ولتاژ با EN50160 [۵]

طبقه بندی رویدادهای افت ولتاژ

طبقه بندی رویدادهای افت ولتاژ (voltage dip events) به عنوان یک ابزار کلیدی برای اهداف تنظیمی، اهمیت ویژه‌ای دارد. این طبقه‌بندی می‌تواند به ما کمک کند تا فرکانس وقوع افت ولتاژ در شبکه را در بازه‌های زمانی مشخص ارزیابی کنیم. همچنین به‌طور نظری، مرزهای مسئولیت را بین اپراتور شبکه و مشتری یا تولیدکننده تجهیزات روشن می‌سازد. با این حال، مسأله استانداردسازی در خصوص تعداد محدوده‌های افت ولتاژ بسیار پیچیده است؛ چرا که این موضوع به شدت به توپولوژی شبکه وابسته است و برای تعیین دقیق آن، نیاز به تحلیل‌های فراوانی داریم تا نهایتاً به اهداف مدیریت کیفیت ولتاژ دست یابیم.

برآورد پروفایل سالانه افت ولتاژ برای شبکه‌های هلند

در هلند، کیفیت توان (PQ) تنها در شبکه‌های فوق‌العاده‌ٔ بالا و ولتاژهای بالا به طور مداوم اندازه‌گیری می‌شود. جدول ۲ حداکثر و متوسط تعداد افت‌های ثبت‌شده در یک محل اندازه‌گیری در شبکه HV در سال‌های ۲۰۰۶ تا ۲۰۰۹ را به نمایش می‌گذارد [۶–۹].

اعداد موجود در هر سلول برای هر سال، حداکثر افت‌های ثبت‌شده در یک محل اندازه‌گیری خاص را نشان می‌دهد. اعداد داخل پرانتز، متوسط تعداد افت‌های ولتاژ ثبت‌شده در تمام محل‌های اندازه‌گیری (به عنوان مثال ۲۰ محل در شبکه HV هلند) را نمایان می‌سازد. طبق این اندازه‌گیری‌ها در طول ۴ سال، به‌طور متوسط در هر سال، یک محل HV تقریباً ۸ افت ولتاژ را تجربه کرده است. از سوی دیگر، حداکثر تعداد رویدادهای ذکر شده احتمالاً در محل‌های اندازه‌گیری مختلف اتفاق افتاده است. در بدترین حالت، اگر فرض کنیم که تمام این حداکثر تعداد رویدادها در یک محل ویژه اتفاق بیفتد، تعداد حداکثری افت ولتاژها به ۵۲ خواهد رسید، هرچند که این حالت به ندرت در دنیای واقعی مشاهده می‌شود.

در ادامه، شبیه‌سازی بر روی مدل شبکه MV معمولی با استفاده از نرم‌افزار «Power Factory» انجام می‌شود. هدف از این شبیه‌سازی، بررسی پروفایل سالانه افت ولتاژ در شبکه به دلیل رویدادهای مختلف خطا در خود شبکه MV است. یک ایستگاه فرعی استاندارد MV شامل ۱۵ تا ۲۰ فیدر خروجی می‌باشد و هر فیدر به‌طور میانگین ۱۲ کیلومتر طول دارد. تقریباً هر فیدر MV در شبکه هلند دارای سیستم‌های حفاظت اولیه و ثانویه است. شکل ۱، نمایی از یک فیدر MV معمولی و موقعیت این حفاظ‌ها را نشان می‌دهد. فرض می‌شود که یک مشتری صنعتی در «Node ۷» قرار دارد و آمار سالانه افت ولتاژ در آنجا بررسی خواهد شد. در شبکه شبیه‌سازی‌شده، ۱۵ فیدر خروجی در ایستگاه فرعی اولیه MV موجود است. زمان پاسخ حفاظت ثانویه ۳۰۰ میلی‌ثانیه و برای دستگاه حفاظت اولیه ۶۰۰ میلی‌ثانیه در نظر گرفته می‌شود.

شکل ۱: شبکه MV مورد استفاده برای شبیه‌سازی افت ولتاژ

گزارش ملی قابلیت اطمینان شبکه هلند [۱۰] نشان می‌دهد که میزان خرابی یک فیدر MV برابر ۰.۰۲۴۳ کیلومتر کابل در سال و برای هر ترمینال MV برابر ۰.۰۱۲ اتصال در سال است. همچنین فرض بر این است که از کل خطاها در شبکه MV، ۵۰ درصد از نوع تک‌فاز، ۲۵ درصد از نوع دو‌فاز و ۲۵ درصد از نوع سه‌فاز هستند [۱۱]. با استفاده از داده‌های خرابی و شبیه‌سازی خطا در شبکه MV، پروفایل افت ولتاژ در ترمینال یک مشتری MV تخمین زده می‌شود. خطاهای رخ داده در زیر «Node ۷» با سیستم حفاظت ثانویه خنثی می‌شوند، اما مشتری واقع در این نود با یک افت ولتاژ عمیق مواجه می‌شود. اما در مواقعی که خطا در بالای «Node ۷» فیدر اتفاق بیفتد، این خطا توسط حفاظت اولیه رفع خواهد شد و همه مشتریان آن فیدر قطع اتصال می‌شوند. پروفایل سالانه افت ولتاژ در محل POC یک مشتری MV ( «Node ۷») در جدول ۳ تخمین زده شده است. به وضوح مشخص است که یک مشتری MV به‌طور آماری باید سالانه ۲.۵ رویداد افت ولتاژ را به خاطر خطاهای مختلف در شبکه MV تجربه کند. Bhattacharyya [۱۲] به تفصیل روش دقیق برآورد تعداد افت ولتاژها در شبکه‌های MV را شرح می‌دهد.

جدول ۳: تعداد برآورد شده افت‌ها در POC یک مشتری MV به‌دلیل خطاها در شبکه‌های MV

به‌علاوه، فرض می‌شود که تمامی خطاهای موجود در شبکه HV به شبکه MV منتقل می‌شوند. بنابراین، تعداد کل افت‌های ولتاژ در POC یک مشتری MV می‌تواند با ترکیب مقادیر جداول ۲ و ۳ محاسبه گردد. باید توجه داشت که توزیع ولتاژ در این دو جدول به‌طور کامل یکسان نمی‌باشد. لذا برای مقادیر جدول ۲، تنظیماتی اعمال می‌شود (به گونه‌ای که مقادیر داخل سلول ۹۰.U ≥ ۷۰ و ۱۰.t ≤ ۲۰ به‌طور یکنواخت تقسیم شوند تا مقادیر مربوط به ۹۰.U ≥ ۸۰ و ۸۰.U ≥ ۷۰ با ۱۰.t ≤ ۲۰ به دست آید). بنابراین، جدول ۴ حاصله متوسط تعداد افت ولتاژ در POC یک مشتری MV در هلند را نشان می‌دهد. بر اساس محاسبات انجام شده، به‌طور میانگین در ترمینال یک مشتری MV، ۱۱ افت ولتاژ در سال رخ می‌دهد و به‌طور تقریبی سه رویداد در ناحیه خطر قرار دارند، که خارج از مناطق سایه‌دار جدول ۴ (به جز مناطقی که توسط سلول‌های سبز و زرد پوشش داده شده‌اند) می‌باشد.

به‌طور مشابه، بررسی حداکثر وقوع رویدادهای افت (برای هر سلول جدول ۲) در یک محل HV و ترکیب آن‌ها با نتایج شبیه‌سازی MV (جدول ۳)، پروفایل دیگری از افت ولتاژ در POC یک مشتری MV ارائه می‌دهد (به جدول ۵ مراجعه کنید). این وضعیت نمایان‌گر بدترین شرایط (غیرواقعی) در شبکه MV است. در چنین حالتی، یک مشتری MV ممکن است در یک سال حداکثر ۵۵ افت ولتاژ را تجربه کند که از این تعداد تقریباً ۲۲ مورد می‌تواند به قطع فرایندها منجر شود، به شرطی که سیستم برای الزامات ایمنی «کلاس ۳» طراحی شده باشد. اعداد موجود در هر سلول جدول ۵ می‌تواند به‌عنوان نمایانگر حداکثر وقوع رویدادهای افت ولتاژ در یک POC استفاده شود، در حالی که جدول ۴ می‌تواند به‌عنوان نشان‌دهنده (متوسط) تعداد رویدادهای افت ولتاژ در سال در POC یک مشتری MV معمولی در هلند در نظر گرفته شود.

احتمال وقوع وقایع افت ولتاژ در نقاط اتصال مشتریان ولتاژ متوسط

احتمال وقوع وقایع افت ولتاژ در نقطه اتصال (POC) مشتریان ولتاژ متوسط (MV) می‌تواند با استفاده از تابع توزیع پواسون (Poisson’s distribution) تخمین زده شود. این تابع بر این اساس عمل می‌کند که وقوع وقایع تصادفی است و وقایع متوالی مستقل از یکدیگر هستند [۱۱]. این تابع توزیع گسسته، احتمال وقوع تعداد خاصی از وقایع در یک بازه زمانی مشخص را محاسبه می‌کند، به شرطی که نرخ متوسط وقایع معلوم باشد. شکل ۲ نشان می‌دهد که هنگامی که یک POC در شبکه MV به طور میانگین ۱۱ افت ولتاژ در سال را ثبت می‌کند، در ۹۵% از موارد، تعداد افت ولتاژ در آن نقطه به ۱۶ محدود می‌شود، و تنها در موارد نادر می‌توان به بالاترین مقدار ۲۲ افت ولتاژ در سال دست یافت.

علاوه بر این، برای تخمین بدترین شرایط ممکن در شبکه، فرض بر این است که هر یک از مشتریان MV در هر سال با ۲۲ افت ولتاژ مواجه خواهند شد. با استفاده مجدد از تابع توزیع پواسون، مشاهده می‌شود که تعداد افت‌های ولتاژ در نقطه اتصال مشتری MV در ۹۵% از زمان، در یک سال به ۳۰ محدود خواهد بود (به شکل ۲ مراجعه کنید). مطالعات میدانی در شبکه‌های هلند نشان داده‌اند که بیشتر نقاط MV کمتر از ۱۵ افت ولتاژ در سال را تجربه می‌کنند. بنابراین، بر اساس این اطلاعات، تعداد سالانه افت‌های ولتاژ در یک نقطه متوسط MV در هلند باید به ۱۵ محدود شود، که می‌توان آن را به عنوان «مقدار سطح برنامه‌ریزی» در نظر گرفت. هنگامی که تعداد افت‌ها در یک نقطه MV به ۳۰ برسد، به عنوان یک وضعیت هشداردهنده برای اپراتور شبکه محسوب خواهد شد (این مقدار به عنوان «مقدار سطح سازگاری» شناخته می‌شود).

۴ تخمین فرکانس شکست فرآیند سالانه در POC مشتری MV به دلیل افت ولتاژ

شناسایی الزامات عملکرد فرآیند مشتری، یکی از مراحل کلیدی در تحلیل عملکرد افت ولتاژ است. مشتری باید درباره حداکثر تعداد قابل قبول توقف‌های فرآیندی در سال به دلیل افت ولتاژ تصمیم‌گیری کند. اولین گام در این مسیر، شناسایی PIT است که شامل کلیه دستگاه‌ها در زنجیره فرآیند می‌شود و تخمین حداکثر عمق و مدت زمان افت ولتاژ را که فرآیند می‌تواند تحمل کند، به عهده دارد. در زمان وقوع یک افت ولتاژ در تأسیسات مشتری، ممکن است یک یا چند دستگاه حساس بلافاصله خاموش شوند. با این حال، به دلیل تمهیدات بازگشت، ممکن است دوباره به کار بیفتند و فرآیند متوقف نشود. با تحلیل هر دستگاه و اهمیت آن برای کل زنجیره فرآیند، امکان تعیین زمان ایمنی فرآیند و منحنی تحمل ولتاژ مربوطه فراهم می‌شود. همچنین ممکن است با اعمال تغییراتی در زنجیره تولید، مانند اصلاح برخی دستگاه‌ها به کلاس ایمنی بالا یا اجرای تدابیری در تأسیسات، ایمنی فرآیند نسبت به افت ولتاژ افزایش یابد. الزامات ایمنی مورد نیاز برای دستگاه انتخابی بعد از تحلیل پروفایل افت ولتاژ شبکه قابل دستیابی است. باید در نظر داشت که افزایش الزامات ایمنی دستگاه، معمولاً به افزایش هزینه تولید نیز منجر می‌شود.

طبق جدول ۴، یک مشتری معمولی MV می‌تواند به طور میانگین در سال ۱۱ افت ولتاژ در POC خود انتظار داشته باشد، که از این تعداد، تقریباً سه واقعه در محدوده خطر قرار دارند و خارج از نواحی سایه‌دار جدول ۴ (به عنوان مثال: حذف نواحی پوشش داده شده توسط سلول‌های سبز و زرد) هستند. در شرایط بحرانی، یک مشتری MV ممکن است در یک سال حداکثر ۵۵ افت ولتاژ را تجربه کند، که از این تعداد، تقریباً ۲۲ مورد می‌تواند منجر به قطع فرآیند شود، به ویژه اگر تأسیسات تحت الزامات ایمنی ‘طبقه ۳’ طراحی شده باشد (همانطور که در جدول ۵ مشخص شده است).

۵ تعیین مرز مسئولیت‌ها در مورد افت ولتاژ

اقدامات کاهش PQ می‌توانند به جلوگیری از ناهنجاری‌های مرتبط با افت ولتاژ در تأسیسات کمک کنند. از آنجایی که کاهش افت ولتاژ معمولاً موضوعی پرهزینه است، نیاز به اقدام‌های هماهنگ برای دستیابی به یک تصمیم بهینه وجود دارد. برای اجرای مقررات مشخص در تأمین برق، استاندارد عملکرد تجهیزات (مانند ویژگی ایمنی ولتاژ-زمان) باید با الزامات کیفیت ولتاژ شبکه هماهنگ گردد. این رویکرد در استانداردها برای تمامی طرف‌های درگیر مفید خواهد بود تا ناهنجاری‌های ناشی از افت ولتاژ را به حداقل برسانند. شکل ۳ پیشنهاد می‌دهد که مسئولیت‌های مربوط به افت ولتاژ بین سه طرف درگیر، شامل اپراتور شبکه، مشتری و تولیدکننده دستگاه تعیین شود.

اپراتور شبکه مسئول ارائه اطلاعاتی به مشتریان در مورد پارامترهای مختلف کیفیت ولتاژ است (زمانی که درخواست شود)؛ برای مثال، تعداد تقریبی افت‌های ولتاژ به صورت سالانه و ویژگی‌های پیش‌بینی شده آن‌ها و غیره. جدول ۴ شامل جدولی از افت ولتاژ مطابق با فرمت استاندارد EN50160 برای شبکه ولتاژ متوسط در هلند است که تعداد متوسط افت‌های پیش‌بینی شده در سال و اندازه و مدت زمان مربوط به هر یک از آن‌ها را نشان می‌دهد. با در اختیار داشتن چنین اطلاعاتی، اپراتور شبکه می‌تواند دیدگاه بهتری درباره عملکرد کیفیت ولتاژ شبکه خود کسب کند. اگر اپراتور شبکه تشخیص دهد که الزامات مشتری فراتر از کیفیت معمول تأمین برق است، باید قبل از برقراری توافق اتصال برق با مشتری، گفتگویی انجام دهد.

حذف کامل وقایع افت ولتاژ در شبکه واقع‌بینانه نیست (زیرا عمدتاً تحت تأثیر وقایع طبیعی غیرقابل پیش‌بینی قرار دارند)؛ اما با طراحی یک شبکه robust می‌توان تعداد افت‌ها را کاهش داد. افت‌های ولتاژ کوچک با مدت زمان کوتاه نسبتاً به وفور در سیستم‌های قدرت رخ می‌دهند و اکثراً به دلیل خطاهای تک فاز (موقتی) به وقوع می‌پیوندند و حذف آن‌ها دشوار است [۱۳]. این افت‌ها معمولاً تأثیر زیادی بر POC مشتری ندارند. با این حال، مشتریانی که نسبت به این نوع افت‌ها آسیب‌پذیر هستند، باید اقدامات مناسب را برای حفاظت از تأسیسات خود انجام دهند. همچنین یک مشتری حساس باید سطح ایمنی معمول فرآیند خود را بر اساس عملکرد ولتاژ-زمان (‘V-T’) هر دستگاه تعیین کند.

تحلیل مسئولیت‌های مرتبط با افت ولتاژ

عملکرد یک دستگاه فرآیندی می‌تواند تحت تأثیر عوامل گوناگون قرار گیرد. بنابراین، مشتری موظف است ناحیه عدم قطعیتی را شناسایی کند که در آن فرآیند ممکن است بسته به شرایط خاص دچار شکست یا موفقیت شود. در راستای جلوگیری از مشکلات ناشی از افت ولتاژ، مشتری این امکان را دارد که یک دستگاه مهارکننده (mitigation device) نصب کند یا از اجزای دستگاهی بسیار ایمن استفاده نماید که به افت ولتاژ حساسیت کمتری دارند. از سوی دیگر، اپراتور شبکه باید به مشتری اطلاعاتی ارائه دهد مبنی بر تعداد مورد انتظار (مقدار سطح برنامه‌ریزی) از همه انواع افت ولتاژ در نقطه اتصال (POC)، همان‌طور که در این مقاله توضیح داده شده است. چنانچه مشتری مشکوک باشد که نصب وی نسبت به این نوع افت‌ها آسیب‌پذیر است، می‌تواند از اپراتور شبکه درخواست یک اتصال ویژه کند که الزامات کیفیت توان (PQ) مد نظر او را برآورده سازد. این درخواست ممکن است به عنوان یک «قرارداد ویژه» شناخته شود. با انعقاد چنین قراردادی، اگر اپراتور شبکه نتواند به تعهدات توافق شده پایبند باشد، مسئول پرداخت هزینه‌ها و راه‌حل‌های مرتبط خواهد بود.

از طرف دیگر، تولیدکنندگان دستگاه‌ها باید محصولات خود را تحت شرایط ولتاژ مختلف آزمایش کنند تا ویژگی‌های ایمنی مربوط به افت ولتاژ را تعریف نمایند. در زمان فروش یک دستگاه، آن‌ها موظف به اعلام سطح ایمنی محصول در برگه اطلاعات فنی (datasheet) هستند. در صورتی که دستگاه نتواند عملکرد تضمین شده‌ای که در برگه اطلاعات فنی بیان شده را تأمین کند، مسئولیت حل این مشکل برعهده تولیدکننده خواهد بود.

مطالعه موردی

راهنمایی‌های پیشنهادی در خصوص تقسیم مسئولیت‌ها که در این مقاله ارائه شده، می‌تواند به‌وسیله یک مطالعه موردی در نقطه اتصال یک مشتری صنعتی روشن‌تر شود. شکل ۴ نتایج یک کمپین اندازه‌گیری افت ولتاژ را که در تأسیسات یک مشتری خودرو به مدت ۵ سال انجام شده، نمایش می‌دهد.

شکل ۴: داده‌های ثبت شده افت ولتاژ در نقطه اتصال مشتری خودرو (در طی ۵ سال)

تحلیل سوابق اندازه‌گیری نشان می‌دهد که بسیاری از افت‌های ولتاژ سه‌فاز در نقطه اتصال مشتری اتفاق افتاده است. بیشتر این افت‌ها یا دارای مدت زمان کوتاه یا شدت کمی بودند (افت ولتاژ با ولتاژ باقی‌مانده ۸۰% یا بیشتر). این نوع افت‌های ولتاژ تأثیر زیادی بر عملکرد فرآیند مشتری نداشتند، زیرا دستگاه‌ها و اجزای متصل به خوبی برای تحمل افت‌های ولتاژ با مدت زمان کوتاه و شدت کم مناسب بودند. با این حال، مشخص شد که مشتری به‌طور تقریبی سه بار در سال دچار خاموشی‌های فرآیندی می‌شد که سبب بروز آسیب‌های مالی قابل توجهی گردید.

در تأسیسات مربوط به مشتری، سه دپارتمان (عملیات فلزی، پوشش پاششی و مونتاژ) وجود دارد که در آن‌ها توقف‌های فرآیندی به دلیل افت‌های ولتاژ بروز یافته است. شکل ۵ نمای شماتیکی از زنجیره اصلی عملیات فرآیندی صنعت «خودرو» را به همراه طرح تفصیلی فرآیند مونتاژ آن ارائه می‌دهد. آسیب‌ها ناشی از اختلال در عملکرد کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌ریزی‌شده و درایوهای فرکانس متغیر (variable frequency drives) در این فرآیند به وقوع پیوسته است. مشتری در مدت زمان مشاهده شده تقریباً یک میلیون یورو خسارت متحمل شده، با میانگین ۵۴,۰۰۰ یورو به ازای هر توقف.

برای کاهش آسیب‌های مالی ناشی از افت ولتاژ، استفاده از گزینه‌های مختلف مهار (ایمن‌سازی) می‌تواند مؤثر باشد. به عنوان مثال، اصلاح در شبکه، مانند ایجاد یک کابل با ظرفیت بالا جداگانه برای مشتری، می‌تواند تعداد و نوع افت‌های ولتاژ در نقطه اتصال را تحت تأثیر قرار دهد. با این حال، این اقدام به‌عنوان یک سرمایه‌گذاری پرهزینه محسوب می‌شود و اپراتور شبکه نخواهد خواست به سادگی هزینه آن را پرداخت کند. در بیشتر موارد، این مشتری است که می‌بایست یک روش مهار را در نصب خود و به هزینه خود به کار گیرد. اگر اپراتور شبکه به مشتری آمار افت‌های ولتاژ و تعداد تقریبی وقوع آن‌ها در نقطه اتصال را ارائه دهد، مشتری می‌تواند اقداماتی متناسب برای مقابله با مشکلات افت ولتاژ در تأسیسات خود اتخاذ کند. همچنین، امکان ایمن‌سازی کل سایت یا کل زنجیره فرآیند در برابر انواع مختلف افت‌های ولتاژ وجود دارد، اما این اقدام نیازمند سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی است. در مقابل، ایمن‌سازی یک بخش از زنجیره فرآیند یا یک زیر فرآیند می‌تواند پیشنهادی به صرفه‌تر و زمان‌بر کمتر باشد. در این تحلیل مشخص شد که زیر فرآیند «درایو» در مونتاژ، گلوگاهی برای بازگشت به فرآیند پس از وقوع افت ولتاژ است که منجر به قطع فرآیند می‌شود. هزینه راه‌اندازی مجدد این فرآیند درصد قابل توجهی از کل خسارات مالی مرتبط با افت‌های ولتاژ را شامل می‌شود. از این رو، توجه بیشتری به ایمن‌سازی این زیر فرآیند در برابر افت‌های ولتاژ معطوف گردید.

شکل ۵: شماتیک از دپارتمان‌های اصلی و فرآیند مونتاژ تفصیلی

یک زیر فرآیند حساس می‌تواند در مقابل تمام افت‌های ولتاژ با استفاده از یک منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) یا یک چرخ‌پرنده (flywheel) محافظت شود. در این خصوص، مشتری دریافت که نصب UPS گزینه‌ای به صرفه‌تر از نظر هزینه نسبت به چرخ‌پرنده است. گزینه دیگری می‌تواند حفاظت از فرآیند حساس در برابر تنها افت‌های ولتاژ باشد که بیشتر اتفاق می‌افتند. نصب یک دستگاه بازیاب ولتاژ دینامیکی (DVR) می‌تواند حمایت ولتاژ (معمولاً تا ۳۰% ولتاژ نامی، به مدت یک ثانیه) در زمان وقوع افت ولتاژ فراهم آورد. بر این اساس، تقریباً ۲/۳ از تمام توقف‌ها به دلیل افت‌های ولتاژ می‌تواند با نصب DVR در فرآیند «مونتاژ» جلوگیری گردد. تأسیسات موردنظر در صورت وجود ولتاژ باقی‌مانده بالای ۸۲% ولتاژ نامی هیچ گونه آسیب مالی را تجربه نکردند. با نصب DVR، این امکان فراهم می‌شود که حمایت ولتاژ معادل ۳۰% ولتاژ نامی تأمین گردد. به این ترتیب، تأسیسات در برابر افت ولتاژ با ولتاژ باقی‌مانده معادل ۵۲% یا بیشتر از مقدار نامی ایمن خواهند بود، همان طور که در شکل ۶ نشان داده شده است.

شکل ۶: تأسیسات محافظت شده با DVR در برابر افت‌های ولتاژ

تحلیل هزینه و منافع در نصب DVR

در این تحلیل، ارزیابی‌ها نشان می‌دهد که سرمایه‌گذاری برای سیستم DVR تقریباً نصف سرمایه‌گذاری در سیستم UPS است. برای کمک به مشتریان در انتخاب بهترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین راه‌حل، یک تحلیل هزینه-فایده‌ای انجام شد. نتایج حاکی از آن است که نصب DVR در تمام زنجیره‌ی مونتاژ از نظر اقتصادی بهینه‌ترین انتخاب به شمار می‌رود. این سیستم، هنگام در نظر گرفتن حداقل عمر ۵ ساله، کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه را فراهم کرده و ارزش فعلی خالص (NPV) مثبتی را ارائه می‌دهد [۱۴].

مسئولیت‌ها در قبال افت ولتاژ

بر اساس استانداردهای کنونی، هیچگونه محدودیتی برای تعداد رویدادهای افت ولتاژ در نقطه اتصال (POC) مشتری تعیین نشده است. از اینرو، اپراتور شبکه به صورت مستقیم مسئول محدود کردن تعداد افت ولتاژها در شبکه نیست. در حال حاضر، مشتریان به طور مستقل اقداماتی را برای کاهش مشکلات ناشی از افت ولتاژ در تجهیزات خود انجام می‌دهند. به عنوان مثال، بسیاری از آنها اقدام به نصب دستگاه‌های کاهش کیفیت توان (PQ) کرده یا سیستم‌های خود را در برابر افت ولتاژ تقویت می‌کنند. مشتری مورد نظر نیز به منظور کاهش تعداد افت ولتاژهایی که می‌توانند بر فرآیندهایش تأثیر منفی بگذارند، رویکرد کاهش هزینه‌برداری (DVR) را انتخاب کرده است.

تدوین قانونی که حداکثر تعداد افت ولتاژها (با دامنه‌ها و مدت زمان‌های مشخص) در یک POC را معین کند، می‌تواند در آینده به کاهش خسارات اقتصادی و تکنولوژیکی مشتریان در صنعت برق کمک کند. در این مقاله، تعداد تقریبی افت ولتاژها در یک سال و همچنین تعداد تقریبی وقوع افت در هر سلول جدول طبقه‌بندی ولتاژ EN50160 برای یک مشتری فشار متوسط (MV) تخمین زده شده است. اپراتورهای شبکه در هلند می‌توانند از این اطلاعات به عنوان مبنای مرجع در تنظیم قراردادها و توافق‌های PQ با مشتریان صنعتی MV استفاده کنند. از سوی دیگر، این داده‌ها به مشتریان امکان می‌دهند تا از تعداد تخمینی افت ولتاژهایی که ممکن است در POC خود با آن مواجه شوند، آگاه شوند، که به نوبه خود می‌تواند به آنها در طراحی بهینه سیستم‌هایشان یاری رساند.

در موارد خاص، هزینه‌های مرتبط با اقدامات کاهش می‌تواند میان مشتری و اپراتور شبکه با توجه به توافقات دوجانبه آنها تقسیم شود.

توسعه وضعیت ولتاژ در کشورهای مختلف

در حال حاضر، بسیاری از کشورهای جهان در تلاش‌اند تا مقررات کیفیت ولتاژ را معرفی کرده و مسئولیت‌های طرف‌های دخیل در شبکه را شناسایی کنند. به عنوان مثال، در ایتالیا، کمپین‌های اندازه‌گیری PQ سازماندهی می‌شود و هزینه‌های PQ برای مشتریان برآورد می‌شود [۱۶]. برای تحلیل افت ولتاژ، رویکرد استاندارد EN50160 به منظور تخمین تعداد افت‌ها، ارزیابی مقاومت فرآیند و هزینه‌های ناشی از قطعی‌ها به کار گرفته شده است. همچنین، مسئولیت‌های اپراتور شبکه و مشتریان نیز شناسایی شده و با راهنماهای ارائه‌شده در این مقاله مقایسه گردیده‌اند. در آفریقای جنوبی، مسئولیت‌های مرتبط با افت ولتاژ در استاندارد آنها به وضوح مشخص شده است [۱۷]. در سوئد، پیشنهادی برای تفکیک انواع مختلف افت ولتاژ که ممکن است در سطوح مختلف ولتاژ اتفاق بیفتد، ارائه شده است [۱۸]. تنظیم‌کننده‌های انرژی سوئدی دو پارامتر کلیدی را برای شناسایی تأثیرات افت ولتاژ تعریف کرده‌اند: حداکثر شدت مجاز رویداد (از دید ولتاژ و مدت زمان) و تعداد محدود رویدادها.

نتیجه‌گیری و تحقیقات بیشتر

این مقاله به تخمین پروفایل‌های سالانه افت ولتاژ در شبکه‌های هلند پرداخته و اولین پروفایل را برای شبکه‌های HV با استفاده از سوابق اندازه‌گیری میدانی چهار سال اخیر شناسایی کرده است. براساس این اطلاعات، تخمین زده می‌شود که به طور متوسط مشتریان متصل به شبکه HV در طول یک سال با هشت رویداد افت ولتاژ مواجه شوند. به دنبال آن، اطلاعات افت ولتاژ HV با آمار خطاهای مؤلفه‌های شبکه MV ترکیب گردیده تا پروفایل‌های افت ولتاژ در POC متصل به شبکه MV محاسبه شود. همچنین، تعداد مناسب رویدادهای افت در هر سلول جدول طبقه‌بندی افت ولتاژ EN50160 تخمین‌زده شده است. تعداد سالانه شکست‌های فرآیند (در POC یک مشتری MV) بر اساس نمودار مقاومت فرآیند و پروفایل سالانه افت ولتاژ شبکه محاسبه گردید. در یک شبکه MV معمولی در هلند، مشتریان صنعتی می‌توانند به طور تقریبی انتظار داشته باشند که در سال به ۱۱ بار افت ولتاژ در POC برخورد کنند؛ در حالیکه احتمال وقوع سه اختلال در فرآیند در صورتی که نصب‌ها مطابق با الزامات مقاومت ‘کلاس ۳’ محافظت شوند، وجود دارد.

علاوه بر این، تخمین‌ها نشان می‌دهند که تعداد سالانه افت ولتاژ در یک سایت متوسط MV باید به ۱۵ مورد محدود شود (‘مقدار سطح برنامه‌ریزی’)، در حالی که اگر این تعداد از ۳۰ تجاوز کند (‘مقدار سطح سازگاری’)، در شبکه‌های MV هلند نشانه‌ای هشداردهنده خواهد بود. تعیین یک مقدار سازگاری خاص در استاندارد برای افت ولتاژ کار دشواری است، چرا که وابسته به سطح ولتاژ، نوع شبکه و پیکربندی آن است. همچنین لازم است تحقیقات بیشتری به منظور تفکیک بین انواع مختلف افت‌ها و تأثیرات آنها بر ماشین‌آلات و طرف‌های مختلف در شبکه انجام گیرد.

در نهایت، پیشنهادی مطرح می‌شود که مسئولیت‌های مربوط به افت ولتاژ را میان اپراتور شبکه، مشتری و تولیدکننده دستگاه به وضوح تعریف کند. از آنجایی که روش‌های کاهش افت ولتاژ می‌تواند هزینه‌بر باشند، تصمیم‌گیری در خصوص سرمایه‌گذاری می‌بایست با دقت و ظرافت انجام گیرد. در این مقاله، مطالعه‌ی موردی مورد بررسی قرار می‌گیرد که در آن یک مشتری صنعتی به دلیل افت ولتاژ متحمل خسارات مالی قابل توجهی شده است. بنابراین، مشتری به یک تحلیل هزینه-فایده برای تصمیم‌گیری در خصوص بهترین روش کاهش روی آورد. بر اساس داده‌های ۵ ساله ثبت‌شده در رابطه با افت ولتاژ در POC، اقدام به اتخاذ یک روش مؤثر و صرفه‌جو در هزینه برای محافظت از تجهیزات خود کرد. بدین ترتیب، بسیاری از افت ولتاژهایی که می‌توانستند آسیب جدی به تجهیزات مشتری وارد کنند، قابل اجتناب شدند. از اینرو، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که اطلاعات درباره تعداد مناسب افت‌ها از اپراتور شبکه، می‌تواند برای مشتری بسیار مفید باشد و به طراحی سیستم‌های مؤثرتر و اقتصادی‌تر کمک کند.

تشکر و قدردانی

کارهای این مقاله

این مقاله بخشی از پروژه تحقیقاتی «کیفیت ولتاژ در زیرساخت‌های آینده» (به زبان هلندی: ‘Kwaliteit van de spanning in toekomstige infrastructuren (KTI)’) است که با حمایت مالی وزارت امور اقتصادی، کشاورزی و نوآوری هلند انجام شده است.

منابع

1. Caramia, P., Carpinelli, G., Verde, P.: ‘شاخص‌های کیفیت توان در بازارهای آزاد’ (انتشارات John Willey & Sons Ltd، ۲۰۰۹)
2. Bollen, M., Stephens, M., Djokic, S. و همکاران: ‘مقاومت تجهیزات و تأسیسات در برابر افت ولتاژ.’ این اثر توسط اعضای گروه کاری مشترک CIGRE/CIRED/UIE C4.۱۱۰ در آوریل ۲۰۱۰ تهیه شده است.
3. IEC ۶۱۰۰۰-۲-۸: ‘هماهنگی الکترومغناطیسی (EMC) – محیط – افت ولتاژ و وقفه‌های اتصال کوتاه در سیستم‌های تأمین برق عمومی با نتایج اندازه‌گیری آماری’ (انتشارات کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی، ۲۰۰۲، ویرایش اول)
4. IEC ۶۱۰۰۰-۴-۱۱: ‘روش‌های آزمون و اندازه‌گیری – آزمون‌های مقاومت در برابر افت ولتاژ، وقفه‌های کوتاه و تغییرات ولتاژ’ (منتشر شده توسط کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی، ۲۰۰۴، ویرایش دوم)
5. Botton, S., Delfanti, M., Vailati, R.: ‘ویرایش جدید EN50160: تحول‌های ممکن’ . این مقاله در کارگاه قوانین کیفیت ولتاژ در کنفرانس بین‌المللی بر روی هارمونیک‌ها و کیفیت توان (ICHQP)، برغامو، ایتالیا، سپتامبر ۲۰۱۰ ارائه گردید.
6. Luiten, R., Smeets, E.L.M.: ‘کیفیت ولتاژ در هلند در سال ۲۰۰۶’، شماره مستند: ۳۰۶۱۰۵۰۲-consulting ۰۷-۱۰۸۸، آرنهم، ژوئن ۲۰۰۷ (این سند فقط به زبان هلندی موجود است)
7. Hesen, P.L.J., Ot

پرسش‌های متداول

افت ولتاژ چیست؟

افت ولتاژ به کاهش ناگهانی ولتاژ در سیستم‌های قدرت گفته می‌شود.

چگونه می‌توان بر افت ولتاژ غلبه کرد؟

با استفاده از فیلترهای هارمونیک و تجهیزات با ایمنی فرآیند بالا می‌توان به بهبود کیفیت توان کمک کرد.

مسئولیت‌های مرتبط با افت ولتاژ کیست؟

مسئولیت‌ها بسته به نوع تجهیزات و شبکه‌های مختلف بر عهده طرف‌های مختلف است.

منبع: powerquality.blog