نامتعادلی (عدم تعادل) در شبکه برق چیست و چه اثراتی دارد؟

نامتعادلی یا عدم تعادل در شبکه برق چیست و چه اثراتی دارد-وبسایت شرکت توان پژوه بهراد

چکیده

یکی از موضوعاتی که به عنوان یک پدیده های کیفیت توان از آن یاد می شود نامتعادلی یا اصطلاحا عدم تعادل در سیستم سه فاز است. در این مقاله پس از تعریف دقیق پدیده نامتعادلی به منشاء ایجاد آن و تاثیراتش بر شبکه برق می پردازیم. در انتها نیز راهکارهایی برای بهبود نامتعادلی ارائه می گردد.

عناوین مهم این مقاله

نامتعادلی سه فاز (Voltage Imbalance) چیست؟

یکی از پدیده هایی که در شبکه برق اتفاق می افتد و به عنوان یک پدیده کیفیت توان میتواند آسیب زا باشد، نامتعادلی (عدم تعادل) در سیستم سه فاز می باشد. گفتنی است اگر با موضوع کیفیت توان آشنایی ندارید پیشنهاد میکنم نگاهی بر مقاله کیفیت توان الکتریکی چیست بپردازید.  سیستم سه فاز متعادل، سیستمی است که در آن دامنه ولتاژ سه فاز با یکدیگر برابر و اختلاف زاویه بین کلیه فازها 120 درجه باشد.  بنابراین سیستم نامتعادل هرگونه سیستمی است که در آن دامنه ولتاژها با یکدیگر نابرابر بوده و یا اختلاف زاویه بین فازها مساوی و برابر با 120 درجه نباشد. نامتعادلی یک شاخص کیفیت توان است که میزان عدم تعادل در سیستم سه فاز را به صورت درصد معین می کند.

سیستم سه فاز نامتعادل-وبسایت توان پژوه بهراد

تعریف نامتعادلی

تعریف محاسباتی و حقیقی نامتعادلی براساس استاندارد IEC به صورت نسبت توالی منفی به توالی مثبت در سیستم فاز برحسب درصد ارائه می شود. همان طور که می دانیم هر سیستم نامتعادل را می توان به صورت مجموعی از سه سیستم سه فاز متعادل به صورت توالی های مثبت، منفی و صفر بیان نمود(مولفه های متقارن در سیستم قدرت). در این تعریف هرگونه نامتعادلی در دامنه و زاویه لحاظ می شود.

100 * (توان مثبت) / (توان منفی) = تعریف حقیقی نامتعادلی

 اما در تعریف ساده تری که توسط استانداردهای NEMA و IEEE ارائه می شود باتوجه به اینکه عمدتا نامتعادلی در دامنه رخ می­دهد صرفا نامتعادلی در دامنه لحاظ می شود. در این تعریف نامتعادلی به صورت نسبت حداکثر اختلاف دامنه ولتاژهای خط( یا فاز) با مقدار متوسط ولتاژ خط(یا فاز) نسبت به مقدار متوسط ولتاژ خط(یا فاز) تعریف می گردد.

100 * (متوسط ولتاژ) / (حداکثر تفاضل ولتاژهای خط با متوسط ولتاژ) = تعریف ساده نامتعادلی

منشاء ایجاد نامتعادلی

برق سه فاز به صورت پیش فرض متعادل تولید و انتقال داده می شود. اما ممکن است شرایطی در سیستم قدرت اتفاق بیفتد که این تعادل را برهم بزند. نامتعادلی می تواند در اثر پدیده های زیر باشد:

  • توزیع نایکنواخت بارهای تکفاز

در سیستم های توزیع معمولا در ابتدای راه اندازی، بارهای تکفاز به صورت یکنواخت بر روی فازها توزیع می شوند اما رفته رفته با اضافه شدن بارهای جدید ممکن است این یکنواختی برهم بخورد. در صورتی که بارها یکنواخت توزیع نشوند به دلیل جریان کشی متفاوت بر روی فازها و امپدانس شبکه، افت ولتاژ روی هر فاز با دیگری متفاوت خواهد بود که منشاء عدم تعادل در آن نقطه می­گردد و بر بارهای سه فازی که از آن نقطه تغذیه می­شوند تاثیر خواهد گذاشت.

  • وجود بارهای تکفاز بزرگ

ممکن است به صورت عمده توزیع اکثر بارهای تکفاز به صورت یکنواخت بوده اما برخی بارهای تکفاز بزرگ به تنهایی تاثیر زیادی بر نامتعادلی در جریان و در نتیجه نامتعادلی در ولتاژ بگذارند. یا اکثر بارها در سیستم، سه فاز باشند اما یک بار تکفاز بزرگ تعادل جریان و در نتیجه تعادل ولتاژ را برهم بزند.

  • اختلال در عملکرد رگولاتورهای خازنی

همان طور که میدانیم در سیستم قدرت یکی از راه های جبران توان راکتیو و اصلاح ضریب قدرت استفاده از بانک های خازنی است. بانک های خازنی علاوه بر اصلاح ضریب قدرت به جبران افت ولتاژ نیز یاری می رسانند. بروز خطا در عملکرد رگولاتورهای خازنی و تخریب یا از کارافتادن برخی واحدهای بانک خازنی و در نتیجه بروز اختلاف در جبران توان راکتیو بین فازها می تواند به نامتعادلی ولتاژ منجر گردد.

  • خطاهای سیستم قدرت:

یکی از دلایل بروز نامتعادلی های موقتی، بروز برخی خطاها در سیستم قدرت نظیر اتصال کوتاه های مختلف می باشد.

تاثیرات نامتعادلی

نامتعادلی می تواند به بروز انواع آسیب ها در تجهیزات سه فاز منجر گردد. عمده تاثیر نامطلوب نامتعادلی بر روی موتورهای سه فاز می باشد. در موتورهای الکتریکی سه فاز وجود نامتعادلی در ولتاژ می تواند به 6 تا 10 برابر نامتعادلی شدیدتری در جریان آن ها منجر گردد. نامتعادلی در جریان موتورها منجر به ایجاد اضافه حرارت در سیم پیچی های آن گردیده و در صورت عملکرد موتور تحت این شرایط در بارنامی می تواند به سیاه شدن و سوختن سیم پیچی ها و خرابی عایقی ها منجر گردد. از این رو در صورتی که موتور بخواهد تحت شرایط نامتعادلیِ خارج از استاندارد کار کند نیاز به کاهش مقدار بار نامی یا derate کردن آن وجود دارد که طبق برخی پیشنهادها می تواند به صورت زیر انجام پذیرد:

کاهش بارگذاری مورد نیاز موتورنامتعادلی ولتاژ
98%1%
95%2%
88%3%
82%4%
75%5%

این افزایش جریان ناشی از نامتعادلی بر تلفات کابل های تغذیه کننده موتور نیز تاثیر گذاشته و آن ها نیز نیاز به کاهش جریان نامی خواهند داشت. از دیگر تاثیرات نامتعادلی بر موتورها ایجاد لرزش و استرس مکانیکی بر روی آن هاست. با توجه به اینکه نامتعادلی ولتاژ نشان از وجود توالی منفی در سیستم تغذیه دارد و توالی منفی ایجاد یک مولفه چپ گرد می کند که در مقابل مولفه اصلی محرک موتور که ناشی از توالی مثبت و راستگرد است. این توالی منفی هرچند به صورت قابل ملاحظه ای در چرخش موتور تاثیرگذار نیست اما حداقل می تواند به ایجاد لرزش و استرس مکانیکی موتور و اعوجاج در گشتاور تولیدی آن گردد. این موضوع هم عمر موتور را کاهش داده و هم به دلیل تاثیر در نرم بودن گشتاور خروجی آن بر کیفیت عملکرد آن تاثیر خواهد گذاشت.

همه این تاثیرات نامطلوب به استهلاک زودتر و پیری زودرس منجر می شود. در برخی موارد به طور مثال در صورتی که موتور در اثر نامتعادلی در دمایی 10 درجه بیش تر از دمای مجاز کار کند می تواند به کاهش طول عمر آن حتی تا نصف طول عمر نامی منجر گردد که به معنای تحمیل هزینه های سنگین می باشد.

نامتعادلی می تواند بر عملکرد سایر تجهیزات قدرت نیز تاثیر بگذارد. در مبدل های الکترونیک قدرت که در تجهیزات مختلفی نظیر اینورترها، درایوها، UPS ها و غیره استفاده می شوند در صورت وجود نامتعادلی، ریپل ولتاژ  DCو همچنین هارمونیک های جریان افزایش می یابد. همچنین کاهش طول عمر برخی ادوات استفاده شده در این مبدل ها می تواند تحت این شرایط اتفاق بیفتد.

راه های بهبود نامتعادلی

اولین گام در بهبود نامتعادلی پایش شاخص نامتعادلی در شبکه و بالاخص روی تجهیزات سه فاز پرقدرت است. ثبات کیفیت توان بهراد نامتعادلی ولتاژ و جریان را بر اساس تعریف حقیقی (استاندارد IEC) اندازه گیری می­کند. در صورتی که شاخص نامتعادلی از حدود تعیین شده در استاندارد عبور کرده باشد نیاز به راهکارهایی برای بهبود آن می باشد که می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • جداسازی نقطه تغذیه بارهای تکفاز بزرگ

بارهای تکفاز بزرگ در سیستم  سه فاز باید حتی الامکان دارای سیستم تغذیه جداگانه ای نسبت به سایر بارهای سه فاز باشند. به طور مثال این گونه بارها باید از ترانسفورمرهای مجزا تغذیه شوند.

  • اتصال بارهای تکفاز بزرگ به نزدیک ترین نقطه به تغذیه ورودی

در صورت عدم امکان درنظرگرفتن سیستم تغذیه مجزا برای بارهای تکفاز بزرگ این بارها باید حتی الامکان در نزدیک ترین نقطه به تغذیه ورودی نصب گردند. این کار به دلیل کاهش طول مسیر و در نتیجه امپدانس مسیر، تاثیر جریان های بزرگ اینگونه بارها را بر افت ولتاژ در نقطه تغذیه سایر بارهای سه فاز کاهش خواهد داد.

  • توزیع یکنواخت بارهای تکفاز

2 دیدگاه دربارهٔ «نامتعادلی (عدم تعادل) در شبکه برق چیست و چه اثراتی دارد؟»

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

پیمایش به بالا