1- چکیده

بانک خازنی (shunt capacitors) برای جبران توان راکتیو القایی و بهبود ضریب توان (PF) نصب می‌شود تا:

• هزینه‌های انرژی (جریمه PF) کاهش یابد،
• افت ولتاژ و تلفات هادی‌ها کم شود،
• ظرفیت ترانسفورمر/آمور مصرفی بهتر استفاده شود.

2- مراحل کلی طراحی

1. گرفتن داده‌های میدان (Load survey): توان اکتیو (kW) روزانه/ساعتانه، PF فعلی، الگوی بار، وجود بارهای غیرخطی (درایوها، یکسوسازها).
2. تعیین هدف PF: معمولاً 0.92–0.98 (بسته به قرارداد با شرکت توزیع و مقررات).
3. محاسبه مقدار kvar مورد نیاز (Qc).
4. طراحی مرحله‌ای (steps/stages) و انتخاب اندازه هر پله (برای کنترل خودکار).
5. بررسی هارمونیک‌ها و تصمیم به استفاده از رآکتورِ دِتیون (detuned) یا فیلترهای هارمونیکی.
6. انتخاب تجهیزات حفاظتی و سوئیچینگ (contactors / vacuum switches / fuses / breakers).
7. طراحی مکانیکی، تهویه، مدار تخلیه (discharge resistor) و مسیر کابل.
8. نصب، تست و کمیسیونینگ، و برنامه نگهداری.

3- محاسبه مقدار خازن (فرمول و مثال عددی)

فرمول پایه برای شبکه سه‌فاز (kVAR مورد نیاز):

اگر بخواهیم همه را به یک بانک نگذاریم، می‌توانیم مثلاً 3 پله بسازیم: 3 × 78 kVAR یا ترکیبی مثل 50 + 75 + 110 kVAR. (راهنمای اندازه پله و نسبت‌ها در بخش طراحی مراحل).

4- انتخاب نوع خازن و توپولوژی

• خازن‌های قدرت شنت (low-voltage power capacitors) — گزینه معمول برای LV تا 1 kV. (استاندارد IEC 60831 را ببینید).
• انواع بانک:
  • متمرکز (centralized) در اتاق تابلو اصلی — مناسب کارخانه‌های کوچک تا متوسط.
  • غیرمتمرکز (decentralized) کنار بارهای بزرگ (مثلاً موتورخانه، ورودی‌های صنعتی) — کاهش جریان‌های شاخه‌ای و افت ولتاژ.
• فیکس (ثابت) vs. سوئیچ‌شونده (stepped switched): برای بارهای متغیر از بانک‌های پله‌ای با کنترلر خودکار استفاده می‌شود.

5- هارمونیک‌ها و سازوکار جلوگیری از رزونانس

• نصب خازن روی شبکه‌ای با هارمونیک می‌تواند باعث رزونانس سری/شبه‌شل (parallel resonance) شود — افزایش ولتاژ هارمونیکی و صدمه به خازن‌ها و تجهیزات. این یکی از مهم‌ترین خطرهاست.
• راهکارها:
  • استفاده از detuned reactor (رآکتور‌ آنتی‌رزونات) سری با خازن (مثلاً 7% یا 13% detuning) تا فرکانس رزونانس را پایین‌تر/بالاتر ببرد و از تشدید با هارمونیک‌های رایج (مثلاً هارمونیک 5 یا 7) جلوگیری کند.
  • یا نصب فیلترهای سینگل-تیون (single-tuned) یا فیلترهای چند-آرایه برای حذف هارمونیک خاص. (طراحی فیلتر نیاز به تحلیل بار و طیف هارمونیک دارد).

6- حفاظت، تجهیزات سوئیچینگ و استانداردها

• استانداردها و راهنمایی‌ها: IEC 60831 برای خازن‌ها، IEEE 18 (شنت پاور خازن‌ها)، IEEE 1531 و IEEE 519 برای مسائل هارمونیک و فیلترها، و IEEE C37.99 برای حفاظت بانک‌های خازنی.
• حفاظت معمول:
  • فیوزهای سریع مناسب برای خازن (با مشخصه I²t مناسب).
  • اصلی قطع چوک/فیوز باس.
  • سوئیچ‌های سه‌فاز (کنتاکتورها یا vacuum switch برای MV).
  • رله‌های تشخیص جریان نابرابر (unbalance), overvoltage/undervoltage, overcurrent, blown fuse indicators, temperature sensors.
• تخلیه امن خازن: واحدهای خازن باید به‌صورت خودکار پس از قطع، در زمان مجاز تا سطح ایمن تخلیه شوند (برای <1kV معمولاً تا 75V در 3 دقیقه طبق مرجع‌ها).

7- طراحی منطقی پله‌ها (steps & stages)

• قانون کلی: کوچک‌ترین پله باید به اندازه‌ای کوچک باشد که سیستم کنترل بتواند PF را بدون نوسان زیاد نگه دارد، ولی نه آنقدر کوچک که سوئیچینگ مکرر و استهلاک ایجاد شود. (مثلاً پله‌های بین 5–10% ظرفیتی یا براساس الگوی بار).
• مثال ترکیب پله‌ها برای 235 kVAR: پله‌ها مثل 25, 50, 160 kVAR (یا 25, 75, 135) بسته به تعداد پله‌ها/کنترلر.

8- مدار کنترلی و استراتژی سویچینگ

• Power Factor Controller (PFC): اندازه‌گیری ولتاژ/جریان/محاسبه PF و تصمیم‌گیری برای وصل/قطع پله‌ها. تنظیم hysteresis و زمان تأخیر برای جلوگیری از chattering.
• سیاست معمول: فقط در دورهای زمانی معین (مثلاً هر 30–60 ثانیه) و با تأخیر (ده‌ها ثانیه) عمل کند تا سوئیچینگ مکرر روی خازن و کنتاکتور ایجاد نشود.
• ثبت لاگ و نمایش خطاها (blown fuse, imbalance, overvoltage).

9- نکات اجرایی نصب و مکانیکی

• محل نصب: تهویه مناسب، دوری از منابع حرارت، دسترسی برای سرویس.
• فضای لازم و تهویه: خازن‌ها گرمای کمی تولید می‌کنند اما در کنار هم تجمع حرارت دارند — جریان هوا و فضای دسترسی نیاز است.
• کابل‌کشی: اندازه کابل برای جریان اکتیو/راکتیو و توانایی تحمل جریان هجومی.
• زمین/باس پشتیبان: اتصال زمین مناسب و مسیرهای برگشت جریان هارمونیکی را در نظر بگیرید.
• نشانگرها و تابلو: نشانگرهای وضعیت پله‌ها، نشانگر فیوز سوخته، ترمومتر، و صفحه کنترل.

10- تست و راه‌اندازی (کمیسیونینگ)

چک‌لیست نمونه:

1. وارسی دیداری و اتصال زمین.
2. اندازه‌گیری مقاومت ایزولاسیون خازن‌ها.
3. تست تخلیه (discharge resistor) و زمان تخلیه.
4. بررسی و تایید مشخصات فیوز و سوئیچ‌ها.
5. اندازه‌گیری PF پیش از وصل و پس از وصل هر پله.
6. مانیتورینگ هارمونیک (با آنالایزر) پس از راه‌اندازی و اطمینان از عدم بروز رزونانس.
7. ثبت مدارهای حفاظتی و تنظیم رله‌ها.

(حساس‌ترین تست: بررسی طیف هارمونیک و فاصله رزونانس).

11- نگهداری دوره‌ای

• بازدید بصری ماهیانه، اندازه‌گیری دما و لرزش.
• تست عملکرد هر پله و تست فیوزها/کنتاکتورها هر 6–12 ماه.
• اندازه‌گیری هارمونیک هر 6–12 ماه یا پس از تغییرات بزرگ بار.
• تعویض خازن‌ها بر اساس عمر مفید سازنده (معمولاً چندین سال، اما بستگی به شرایط ولتاژ/دما/هارمونیک دارد).

12- مسائل اقتصادی و انتخاب ظرفیت

• هزینه نصب در برابر صرفه‌جویی در قبض برق و افزایش ظرفیت قابل استفاده ترانسفورمر محاسبه شود.
• بازگشت سرمایه (Payback) را براساس کاهش kVARh و جریمه‌های PF تعیین کنید.

13- خلاصه سریع و نکات حیاتی

• همیشه قبل از نصب، بارسنجی (load survey) انجام دهید.
• اگر هارمونیک‌ها وجود دارند، از رآکتور دِتِیون یا فیلتر استفاده کنید — نصب خازن واحد بدون فکر ممکن است رزونانس ایجاد کند.
• پله‌ها را طوری طراحی کنید که تعادل بین دقت کنترلی و تعداد سوئیچینگ برقرار شود.
• رعایت استانداردها (IEC/IEEE) و حفاظت مناسب الزامی است.

نتیجه‌گیری

طراحی و اجرای بانک خازنی برای اصلاح ضریب توان یک فرآیند چندبُعدی است که تنها به محاسبه‌ی مقدار kvar ختم نمی‌شود؛ بلکه باید بار واقعی، هارمونیک‌ها، استانداردها، حفاظت و شرایط عملیاتی هم در نظر گرفته شود.

• با محاسبات دقیق می‌توان ظرفیت موردنیاز خازن را تعیین کرد و با تقسیم آن به پله‌های منطقی، کنترل هوشمند و پایداری PF تضمین می‌شود.
• در شبکه‌های دارای هارمونیک، استفاده از رآکتور دتیون یا فیلترهای هارمونیکی اجتناب‌ناپذیر است تا از تشدید و آسیب جدی به تجهیزات جلوگیری شود.
• استانداردهای IEC و IEEE چارچوب لازم برای انتخاب خازن، حفاظت، تخلیه و ایمنی را فراهم می‌کنند.
• اجرای صحیح بانک خازنی علاوه بر حذف جریمه‌های توان راکتیو، باعث کاهش تلفات، افزایش ظرفیت مفید ترانسفورمر و بهبود کیفیت توان می‌شود.
• نهایتاً، بازرسی و نگهداری منظم شرط بقای عملکرد مطمئن بانک خازنی است.

بنابراین، یک بانک خازنی خوب طراحی‌شده و به‌درستی نصب‌شده، سرمایه‌گذاری‌ای است که با بازگشت اقتصادی سریع و ارتقای پایداری شبکه، برای هر مجموعه صنعتی ضروری محسوب می‌شود.

منبع www.faratap.ir