چرا بانک خازنی نباید زمین شود

معرفی

آیا بانک خازنی ولتاژ متوسط ​​در سیستم‌های صنعتی و تجاری باید زمین شوند؟ این سؤال اغلب بوجود می‌آید، و معمولا جواب به دلایل زیر نه می‌باشد :

• بانک خازن زمین‌شده می‌توانند با یک سیستم حفاظت خطای زمین یک دستگاه تداخل‌داشته و باعث شوند که کل تجهیز بی‌برق شود (تریپ کلید اصلی).
• جریان‌های هارمونیک در مسیر زمین باعث ایجاد تداخل هارمونیکی با سیستم‌های کنترل و ارتباطات می‌شود.
• جریان‌های تخلیه خازن ممکن‌است باعث آسیب رسیدن به برق گیر های نزدیک‌شود.

مقالات مرتبط:

هارمونیک ها چگونه بر عملکرد موتورها و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خازن  و غیره تأثیر مخرب می‌گذارند

هارمونیک چیست و چگونه آنها را فیلتر و از سیستم حذف کنیم؟

تاثیر ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور دیتاسنترها

تداخل با یک سیستم حفاظت از خطای زمین، دلیل اصلی عدم زمین کردن یک بانک خازنی یا یک فیلتر هارمونیک است. اگر چه این تداخل را می‌توان از طریق اصلاح سیستم،  کاهش یا حذف کرد، ممکن‌است نیاز به تجزیه و تحلیل برای هماهنگی در رله های حفاظتی، تغییرات رله و / یا تغییر مقاومت زمین داشته‌باشد. این هزینه و پیچیدگی را به تاسیسات برق اضافه می‌کند و ممکن‌است حساسیت سیستم حفاظت خطای زمین را کاهش دهد. این مقاله توصیف میکند که چگونه یک بانک خازنی زمین‌شده می‌تواند با یک سیستم حفاظت خطای زمین تداخل ایجاد کند و پیشنهاد می‌کند که تمام بانک‌های اعمال‌شده در سیستم‌های صنعتی و تجاری بدون زمین باقی بمانند.

شکل 1

تاسیسات صنعتی معمولی نشان‌دهنده سیستم حفاظت خطای زمین، خازن آسیب دیده و مسیر جریان خطا برای یک خازن آسیب‌دیده.

زمینه

به طور کلی، بیشتر تاسیسات صنعتی با ولتاژ 2.4 کیلو ولت تا 13.8 کیلو ولت ، از طریق یک مقاومت زمین می‌شوند، که در شکل 1 نشان داده‌شده‌است. سیستم‌ها با مقاومت زمین می‌شوند

تا جریان خطا کاهش یافته و آسیب‌های قوس در طول خطای خط به زمین کاهش پیدا کند. این به ویژه برای سیستم‌های با موتورهای متصل به طور مستقیم درست‌است.

مقاومت زمین معمولا دارای مقدار نامی بر اساس مقدار جریان قابل تحمل در 10 ثانیه است(مقدار نامی دائم کار و 60 ثانیه نیز وجود دارد) که تقریبا برابر با جريان زمینی‌است که اگر یک خطای خط به زمین رخ دهد این جریان ایجاد می‌شود. جریان دائم نامی یک مقاومت 10 ثانیه بسیار کمتر از مقدار نامی 10 ثانیه آن مقاومت است.

برای مثال، یک مقاومت 200 آمپر 10 ثانيه ممکن‌است دارای مقدار دائم 50 آمپر باشد. به همین دلیل، رله خطای زمین، 51G، معمولا در حدود 10 درصد از مقدار نامی مقاومت یا 20 آمپر قرار تنظیم می‌شود تا پیک آپ کند.

این مقاومت را از یک خطای فیدر پاک نشده و دیگر شرایط  سیستم که ممکن‌است به مقاومت آسیب برساند محافظت می‌کند.

شکل 2

طرح هماهنگی جریان در سیستم نشان داده شده در شکل 1

واحدها و سیستم های حفاظت الکتریکی

مقدار نامی بهینه مقاومت زمین (NGR) در ولتاژ متوسط در نیروگاه های تولید توان

سیستم‌های زمین شده با مقاومت

شکل 1 نشان می‌دهد که چگونه یک بانک خازنی زمین شده‌می‌تواند با سیستم حفاظت خطای زمین تداخل ایجاد کند. نگرانی اصلی هنگامی رخ می‌دهد که یک خازن مشکل پیدا کند همانطور که در شکل 1 توسط “X” نشان داده‌شده‌است. از آنجایی که خازن های ولتاژ متوسط ​​اتصال کوتاه شده‌اند، یک خازن خطا دار مانند اعمال یک خطای خط به زمین بر روی سیستم برق است.

از آنجاییکه سیستم از طریق مقاومت 200 آمپر زمین شده‌است، تقریبا 200 آمپر جریان خطا از مقاومت جریان می‌یابد. این 200 آمپر جریان در مقاومت زمین توسط رله خطای زمین (51G) تشخیص داده‌شده و رله پیکاپ خواهد‌کرد زیرا پیکاپ این رله در حدود 10٪ از مقدار نامی مقاومت تنظیم شده‌است.

این امر موجب می‌شود که کلید اصلی سیستم عمل و تریپ کند، که باعث توقف کارخانه و احتمالا زیان عمده اقتصادی شود.

ممکن‌است فکر کنید که فیوز خازنی 40 آمپر قبل از قطع شدن کلید اصلی بسوزد و مدار را قطع کند اما همانطور که در شکل 2 نشان داده‌شده‌است این گونه نیست. در واقع، یک مقاومت در حدود ۵۰۰ آمپر نیاز‌است تا اینکه هماهنگی بین فیوز 40 آمپر خازن و رله حفاظت اصلی خطای زمین به وجود بیاید. برای خازن‌های بزرگتر با فیوزهای بزرگتر، محدودیت هماهنگی (یا مقدار مقاومت) حتی بالاتر خواهد بود، در حدود 1400 آمپر برای یک خازن 500 کیلو ولت آمپ راکتیو .

برای بد تر کردن وضعیت، دلیل باز شدن کلید برق اصلی آشکار نمی شود، مگر اینکه بانک به سیستم تشخیص عدم تعادل(Unbalance Detection) به اندازه کافی سریع مجهز باشد (کلید های اصلی تریپ می‌کنند و قبل از عملکرد فیوز خازن عمل می‌کنند) که دارای یک نشان دهنده‌ی مکانیکی یا کنتاکت قفل شونده‌است.

پس از انرژی مجدد سیستم، کلید اصلی دوباره تریپ خواهد‌کرد. این تا زمانی که فیوز خازنی منفجر شود تکرار خواهد‌شد.

حتی پس از این که فیوز خازن بسوزد، هنوز هم احتمال قوی وجود دارد که سیستم را نمی توان به صورت آنلاین آورد. این ممکن‌است به دلیل عدم تعادل در بانک خازنی باشد.

برای سیستم در شکل 1 جریان نامتعادلی برای سوختن فیوز تقریبا 26 آمپراست، به اندازه کافی برای برای تریپ رله خطای زمین کلید اصلی اگر بانک به یک سیستم تشخیص عدم تعادل مجهز شده‌باشد، علت تریپ کردن کلید اصلی ممکن‌است کشف شود، اما هنوز مشخص کردن خازن آسیب‌دیده می تواند مشکل باشد.

این به این دلیل‌است که کلید  اصلی قبل از اینکه فیوز مجاز به ذوب شدن باشد تریپ می‌کند (شکل 2 را نگاه کنید ). بنابراین، نشان دهنده های فیوز فعال نمی شود، و یک اهم متر یا تستر خازنی ضروری‌است.

این کار زمان بر و پرهزینه خواهد بود.

سیستم‌های زمین شده جامد(زمین شده بدون مقاومت)

گرچه اکثر سیستم های تجاری و صنعتی با مقاومت زمین می‌شوند، اما شرایط هایی وجود دارد که ممکن‌است به طور جامد (بدون مقاومت) زمین‌شود. این ممکن‌است با توجه به ترجیحات مهندسین طراحی یا به این دلیل که این تاسیسات به طور مستقیم به سیستم توزیع برق متصل است‌باشد.

همان احتمالی که در بالا توضیح داده‌شده برای سیستم‌هایی که به وسیله یک ترانسفورماتور کاهنده زمین شده بدون مقاومت متصل می‌شوند وجوددارد ، اما کمتر احتمال دارد زیرا جریان های خطای زمین بسیار بالاتر‌است و فیوز محدود کننده جریان در سطوح جریان بالاتر بسیار سریعتر‌است.

این را می توان در شکل 2 مشاهده‌کرد. معمولا خطا های زمین در این سیستم ها از 7000 تا 20،000 آمپر می‌باشند و هماهنگی می تواند به دست آید. هماهنگی، با این حال باید بررسی شود، زیرا یک کارخانه خاموش می‌تواند بسیار پرهزینه باشد.

سیستم‌ها‌ی متصل‌شده به طور مستقیم به یک سیستم توزیع شبکه برق که به طور مستقیم از سیستم توزیع آنها تامین‌می‌شود (بدون ترانسفورماتور کاهنده) همانطور که در شکل 3 نشان‌داده‌شده‌است مطابق با شیوه‌های مبتنی بر روش‌های سیستم شبکه برق زمین می‌شوند. به طور معمول این سیستم 4-سیم چند منظوره خواهد‌بود.

شکل 3

مسیر جریان خطای زمین زمانی که سیستم صنعتی به طور مستقیم به فیدر توزیع شبکه وصل‌می‌شود.

این نوع سرویس ممکن‌است رله های خطای زمین را در ورودی خدمات داشته یا نداشته‌باشد. اگر رله ها وجود داشته‌باشند، رله خطای زمین می‌تواند یک رله اضافه جریان باقی مانده یا یک رلفه 51N  باشد.

به طور معمول این رله ها به دلیل وجود جریان های خطا (Error) در رله های فاز  در مقدار خیلی کم مانند 51G تنظیم نمی‌شود. سیستم سعی می کند حداقل تنظیم پیکاپ امکان پذیر را داشته‌باشد، و بنابراین هماهنگی همانطور که در شکل 2 انجام شد هنوز هم باید بررسی‌شود.

برای شبکه که یک سیستم uni-grounded (منظور زمین شده از یک نقطه می‌باشد)  و یا یک سیستم زمین نشده (ungrounded) را تغذیه‌میکند، باید برای تعیین اینکه آیا خازن زمین شده با سیستم حفاظت زمین شبکه تداخل ایجاد خواهد‌کرد با مسئولان شبکه هماهنگی و بررسی‌شود.

رله زمین در یک سیستم توزیع uni-grounded ممکن‌است به اندازه کافی پایین  تنظیم‌شود تا پیکاپ‌کند. سیستم‌های زمین‌نشده یک نگرانی را در ارتباط با ولتاژ بالا ناشی از خطاهای زمین پاک نشده ایجادمی‌کنند.

مقالات مرتبط:

حفاظت نامتقارنی در بانک خازنی موازی ستاره زمین شده و زمین نشده (شنت)

حفاظت بانک‌های خازنی با استفاده از فیوزها در حین برق‌دار کردن و بهره‌برداری

خازن و انواع خازن ها| ثابت، متغیر، قطبی و غیرقطبی

تاثیر ضریب توان منفی در سیستم ژنراتور دیتاسنترها

تابلو بانک خزنی – مشخصات و کاربرد آن ها

بانک خازنی در سیستم‌های قدرت

نتیجه

با بحث انجام شده باید روشن شده‌باشد که نصب بانک های خازنی زمین شده در سیستم برق صنعتی و تجاری می‌تواند با یک سیستم حفاظت خطای زمین تداخل ایجادکند. برای غلبه بر این مشکلات ممکن‌است مهندسی مناسب‌باشد، اما این به هزینه و پیچیدگی افزوده میشود.

مسئله منفی مربوط به بانک خازنی زمین نشده به شرح زیر‌است:

• هماهنگی فیوز در بانک خازن کوچکتر دشوار است، زیرا یک خازن آسیب دیده فقط سه برابر جریان بانک های خازنی را می‌کشد .
• شرایط اضافه ولتاژ روی خازن‌های سالم می تواند به علت سوختن فیوز در بانک های خازنی نامتعادل ایجادشود. این شرایط را میتوان تغییر تعداد خازن ها، ایزوله کردن اتصال نول و یا با اضافه کرد طرح شناسایی آنبالانسی نول حذف کرد
• با توجه به یک فیوز، می‌توان از شرایط اضطراری در خازن‍‌‌های بدون شکست در بانک های عدم تعادل استفاده کرد.این وضعیت را می‌توان با تغییر تعداد خازن‌ها، جداسازی اتصالات خنثی و / یا اضافه کردن یک طرح تشخیص عدم تعادل بی طرف به بانک حذف‌کرد.مسائل بالا می‌تواند توسط سازنده رفع گردد و مسئولیت آن از نصب کننده و خریدار خارج‌گردد.

مطالعه‌ی مقالات زیر نیز پیشنهاد میشود:

نگه داری بانک  خازنی

تست بانک خارنی

خازن و انواع خازن ها| ثابت، متغیر، قطبی و غیرقطبی