تحسين معامل القدرة فى شبكات توزيع القوى الكهربائية ج1

يتناول هذا المقال دراسة كيفية تحسين معامل القدرة فى شبكات توزيع القوى الكهربائية فى المبانى كأحد عناصر إشتراطات جودة التغذية الكهربائية وكذلك تحسين كفاءة إستخدام الطاقة فى المبانى                     م/ على محمود محرم

يؤثر إنخفاضى معامل القدرة سلباً على أداء المنظومة الكهربية ويعتمد ذلك على طبيعة الأحمال من حيث كونها أحمال خطية ( Resistive Loads ) أو أحمال حثية غير خطية              ( Inductive Loads ) مثل ( المحولات, المحركات الحثية, المصابيح الفلورية, الموحدات, الأفران الكهربائية, أفران الحث …….. إلخ ) حيث تؤدى الطبيعة غير الحثية لهذه الاحمال الى تبديد جزء من الطاقة المغذية لها فى صورة قدرة غير فعالة تستوجب العمل على إستيعابها وذلك عن طريق تعويض هذا الجزء بواسطة مصدر خارجى يعمل كمولد للقدرة غير الفعالة           ( Kvar – Generator ) لإضافة قدرة غير فعالة لمنظومة القدرة الكهربائية ويكون عادة عن طريق مكثف يتم توصيله على التوازى مع الحمل المراد تحسين معامل القدرة له.
يؤدى تركيب المكثف مع الأحمال الحثية فى نفس الدائرة إلى تبادل التيار بينهما على نحو يجعل التيار المتقدم ( Leading Current ) المسحوب بواسطة المكثف يعادل جزء من التيار المتأخر ( Leading Current ) للأحمال الحثية اللازم للمغنطة فلذا يعتبر المكثف هو الإدارة الأساسية التى تستخدم لتحسين معامل القدرة وينعكس ذلك إنعكاساً إيجابياً على أداء المنظومة من حيث تخفيض الطاقة المفقودة فى الكابلات والخطوط ةزيادة سعاتها عند نفس الحمل حيث تخفيض الطاقة المفقودة فى الكابلات والخطوط وزيادة سعادتها عند نفس الحمل حيث يمكن لهذه الكابلات والخطوط تحمل نقل قدرات إضافية لأحمال إضافية كما تنخفض القدرة الظاهرية        ( Apparent Power KVA ) لذلك الحمل وكذلك تزداد القدرة المتاحة فى المحولات المستخدمة فى الشبكة وتتحسن الجهود عند مراكز الأحمال.
وبذلك يكون لتحسين معامل القدرة فى منظومة نقل وتوزيع القوى الكهربائية فائدة قصوى حيث يتيح الإستفادة من فائض السعة لمهمات الشبكات القائمة فى تغذية أحمال إضافية دون الحاجة إلى توسعتها أو إعادة هيكلتها وكذلك إلى توفير نفقات إنشاء شبكات جديدة وتوجيهها لإستثمارات أخرى على المستوى القومى.
يوجد مجلد خاص ( المجلد السادس ) بالكود المصرى لأسس تصميم وإشتراطات تنفيذ التوصيلات والتركيبات الكهربائية – الأنظمة الخاصة – عن تحسين معامل القدرة.

تعويض القدرة غير الفعالة فى شبكات التوزيع
( Reactive Power Compensation )
تتلخص وسائل تعويض القدرة غير الفعالة فيما يلى:
– يعمل هذا التعويض على الحد من قيمة التيار غير الفعال لتشغيل الأحمال الحثية التى تستهلك قدرة غير فعالة كبيرة وجعل هذا التيار فى حده الأدنى ويتحقق ذلك للمعدات الحثية ومنها الآلات التأثيرية ( محولات كهربائية, محركات كهربائية, الخ ) بحيث تصبح ذات معامل قدرة أعلى مثل إستبدال الكابح المغناطيسى للمصابيح الفلورية بكابح إلكترونى.
– يؤدى التخطيط الجيد للشبكات الداخلية للمنشآت أثناء مرحلة التصميم بتقسيم الأحمال إلى مجموعات بحيث تحتوى كل مجموعة على كل من الأحمال التأثيرية والسعوية معاً إلى خفض القدرة غير الفعالة المستهلكة بواسطة الحمل الإجمالى حيث تقوم الأحمال السعوية بتعويض الشبكة بجزء من القدرة غير الفعالة المطلوبة للحمل إجمالاً وبالتالى تنخفض القدرة الظاهرية الكلية ( Tola Apparent Power ) عند نقطة التوصيل المختارة مع شبكة التغذية للقدرة الكهربائية.
– يعتبر تحديد سعة المحركات والمحولات بشكل مناسب وكذلك عدم تشغيلها فى الوقت الذى لا تحتاجه العمليات من أهم عوامل تحسين معامل القدرة فى الشبكات المغذية لها.

ملحوظة:
يجب فى كل الأحوال دراسة تحديد العائد الإقتصادى المترتب على إضافة أحمال سعوية لمنظومة القدرة وإختيار الحمل السعوى المناسب لكل حالة سواء كانت مجموعات مكثفات إستاتيكية ( Static Condser Banaks ) خصوصاً فى محطات القوى الفرعية التى تغذى تجمعات رئيسية.

يبين شكل (1) وحدة ذات ملف ومكثف للحد من تأثير محتوى التوافقيات ( Harmonic Contents ) وكذلك تحسين معامل القدرة.

الخصائص الواجب توافرها فى المكثفات المستخدمة فى تصحيح معامل القدرةشكل رقم(1): رسم وحدة ملف ومكثف للحد من تأثير محتوى التوافقيات وتحسين معامل القدرة

يجب توافر الخصائص التالية فى المكثفات المستخدمة فى تصحيح معامل القدرة
1- يكون الفقد الخاص بالمكثف منخفضاً ( فى حدود 0,4 – 0,5 وات / ك.فار ) مما يؤدى إلى تخفيض التكلفة الجارية ( Running Cost ), والحد من الإرتفاعات فى درجات الحرارة لضمان سلامة العزل الخاص بالمكثف وكذا ضمان شروط تشغيل مناسبة للمكثفات المستخدمة.
2- إضافة مقاومة ( اومية ) مستقلة ( Dischareg Resistor ) لكل وحدة مكثف من مجموعة وحدات المكثفات المستخدمة حيث يؤدى ذلك إلى أنه فى حالات حدوث إنهيار لأحدى مقاومات التفريغ أو أكثر يمكن لباقى الوحدات الإستثمار فى تفريغ الشحنات من خلال مقومات التفريغ الخاصة بها بما فى ذلك المكثفات التى انهارت مقاومات التفريغ لها.
3- يجب أن يتضمن تصميم كل مكثف خاصية الإلتئام الذاتى ( Self healing ) التى تؤدى الى إلتئام العزل تلقائياً عند تعرض أجزاء منه للتصدع نتيجة التعرض لجهود زائدة مؤقتة كإرتفاعات الجهد التى تحدث أثناء مراحل التشغيل غير العادية لمنظومة القدرة مثلما يحدث فى الحالات العابرة ( Transients ) والظواهر الآخرى التى تتعرض لها المنظومة وتحدث بها إرتفاعات مفاجئة للجهد.
4- يجب أن تزود كل وحدة مكثفات بأداة فصل ( قاطع تيار أو فيوزات ) ( Breaker or fuses ) بشكل مستقل حتى يمكن فصل التيار عن وحدة أو مجموعة المكثفات التى يحدث بها خلل كان يتعرض عزلها للإنهيار مع إستمرار باقى الوحدات فى العمل دون ان تتأثر المنظومة لحين إجراء الصيانة اللازمة للوحدة التى بها عطل إن أمكن أو تغيير اللازم وهذا يساهم بشكل إيجابى فى زيادة فرص تعافيها فى مواجهة الآثار السلبية الناجمة عن ظروف التشغيل غير العادية لضمان تغذية كهربائية جيدة للأحمال على وجه العموم.
5- يجب أن يحتوى كل مكثف بشكل مستقل على أداة فصل عند زيادة الضغط     ( Over pressure decice ) داخل الوعاء لضمان عدم تعرض المكثف لإنهيار يتعذر تداركه عن طريق خاصية الإلتئام الذاتى للمكثف.
6- يجب التأكيد على ضمان قوة العزل الكهربائى للمكثف وإستقراره وزيادة عمره الإفتراضى من خلال إختيارات الجهود العالية التى تجرى له طبقاً لحدود القياسات المنصوص عليها فى المواصفات المطلوب توافرها فى المكثف وذلك حتى لا تتأثر سلامته أثناء عمليات الفصل عند الجهود الزائدة بواسطة وسيلة الفصل المستخدمة وما قد ينجم عنها من شرر يمكن أن يتسبب فى إنهيارات جزئية ( تصدعات ) للعزل, أو تعرضه للإنهيار الشامل فى حالة ضعفه وعدم قدرته على تحمل درجات الحرارة العالية الناتجة عن الشرارة قبل إطفاءها.

الحسابات الخاصة بتصحيح معامل القدرة
يمكن تلخيص بعض التعريفات والعلاقات الهامة المطلوبة عند إجراء العمليات الحسابية الخاصة بتصحيح معامل القدرة على النحو التالى:-

معامل القدرة
هو جيب تمام زاوية الطور التى يختلف ( Lagging ) او يتقدم ( Leading ) بها التيار عن الجهد   1cos  عند نقطة القياس المختارة نتيجة لمروره خلال الممانعة الحثية لملفات المعدات التأثيرية الموجودة بالحمل أو الممانعة السعوية للمكثفات به على الترتيب.
يمثل شكل (2) الحالة الأولى حيث تعتبر الملفات فى هذه الحالة عنصر إستهلاك لقدرة غير فعالة ( Reactive power ) وينبغى السيطرة على معدلات إستهلاك هذا النوع من القدرة غير الفعالة لضمان معامل قدرة مناسب حيث الزيادة فى هذا الإستهلاك يؤدى إلى ما يمكن إعتباره تبديداً للقدرة الظاهرية ( KVA ) المستمدة من مصدر التغذية بواسطة الحمل ويمكن حساب قيمة معامل القدرة ( P.F1 ) من المعادلة الآتية شكل (2).

شكل رقم (2)

ويمثل شكل (3) الحالة الثانية التى يتقدم فيها التيار عن الجهد فى زاوية الطور نتيجة لمروره خلال الممانعة السعوية للمكثفات وفى هذه الحالة يمكن إعتبار المكثف عنصر إضافة للقدرة غير الفعالة ويمكن حساب معامل القدرة ( P.F2 ) فى هذه الحالة من المعادلة الآتية:

 

شكل رقم (3)

وحيث أن القدرة الفعالة ( Active power ) ثابتة فى الحالتين بينما تتغير كل من القدرة غير الفعالة والقدرة الظاهرية بتغير معامل القدرة لذا فيمكن العبير عن العلاقة الرياضية التى يحسب منها معامل القدرة على النحو التالى من المعادلة الآتية:
Reactive power ( K V A R) = Active power ( KW)× tan
وعليه يمكن إستنتاج قيمة القدرة غير الفعالة قبل وبعد تصحيح معامل القدرة كما هو موضح فى شكل (4).

شكل رقم (4)

حيث أن :
معامل القدرة قبل التصحيح cos ₁  = (p.f1)
معامل القدرة بعد التصحيح cos  ₂  = ( p.f2 )
القدرة غير الفعالة عند معامل القدرة= ( p.f1 )  القدرة الفعالةtan ₁  ×
القدرة غير الفعالة عند معامل القدرة = ( p.f2 )  القدرة الفعالة tan ₂  ×
وبذلك تصبح _قيمة القدرة غير الفعالة اللازمة لتصحيح معامل القدرة هى ( Q_c ) والتى يمكن حسابها من المعادلة الآتية:

Q_c( KVAR ) = P(KW) ×
جدول رقم (1): يوضح قيمة الثابت (K=Kvar/Kw ) المستخدم فى حساب كمية القدرة غير الفعالة وكذلك معامل القدرة قبل وبعد التصحيح

 ويتضح من الشكل أيضاً إنخفاض القدرة الظاهرية ( KVA ) S1 لتصبح عند القيمة           S2 ( KVA ) وذلك نتيجة تصحيح معامل القدرة وهو ما يعود بالإيجاب على زيادة سعة مهمات شبكة التغذية ( المصدر ) من محولات وكابلات كما يفيد المشترك ( الحمل ) فى زيادة القدرة المتاحة للشبكة الداخلية للمنشأة وإتاحة إضافة أحمال أخرى لها دون الحاجة إلى إنشاء شبكات إضافية.
يمكن تحديد سعة المكثفات المطلوب توصيلها على التوازى مع الحمل لتصحيح معامل القدرة من الجدول (1) والذى يحتوى على قيم سعات المكثفات نظير كل حمل حتى على ضوء معامل القدرة الخاص بذلك الحمل والمطلوب تصحيحه ومعامل القدرة المستهدف.
على سبيل المثال إذا كان معامل القدرة cos الأصلى مساوياً ( 0,7 ) والمطلوب تحسينه إلى ( 0,93 ) تكون سعة المكثفات المطلوبة ( 0,625 ) ك.فار لكل كيلووات بينما إذا كان مطلوب تحسين معامل القدرة إلى ( 0,95 ) تكون سعة المكثفات المطلوبة ( 0,691 ) ك.فار لكل كيلووات وهكذا.