المكثفات والمفاعلات في تآزر: إطلاق حلول جديدة لتعويض القدرة التفاعلية والتخفيف التوافقي في أنظمة الطاقة

في أنظمة الطاقة، تُعدّ المكثفات والمفاعلات مكونات أساسية لتنظيم القدرة التفاعلية وترشيح التوافقيات. ومن خلال تكوينات مرنة على التوالي أو التوازي، يُمكنها معالجة مشكلات حرجة مثل ارتفاع خسائر الخطوط، وانخفاض معامل القدرة، والتلوث التوافقي. وسواءً أكان ذلك لتثبيت الجهد في خطوط النقل عالية الجهد لمسافات طويلة، أو لتعويض القدرة التفاعلية في محطات التحويل الصناعية، فإن التطبيق التآزري للمكثفات والمفاعلات يُعزز بشكل كبير سلامة واقتصاد شبكات الطاقة. تشرح هذه المقالة كيف يُحسّن هذان الجهازان تشغيل أنظمة الطاقة من منظور طوبولوجيات التوصيل على التوالي/التوازي، والمزايا الوظيفية، ودراسات الحالة الهندسية.

أولا: نقاط الضعف في أنظمة الطاقة: لماذا نحتاج إلى التآزر بين المكثفات والمفاعلات؟

يؤدي اختلال توازن القدرة التفاعلية ومشاكل التوافقيات في أنظمة الطاقة إلى انخفاض الجهد، وزيادة خسائر الخطوط، وزيادة أحمال المعدات. يوفر الجمع بين المكثفات والمفاعلات حلولاً مُحددة لهذه المشاكل:

1. انخفاض معامل القدرة بسبب عدم كفاية القدرة التفاعلية: توفر المكثفات القدرة التفاعلية السعوية، وتضمن المفاعلات التحكم

تستهلك الأحمال الحثية (مثل المحركات والمحولات) في المنشآت الصناعية (مثل مناجم الفحم والمصانع الكيميائية) كميات كبيرة من الطاقة التفاعلية، مما يخفض معامل القدرة إلى ما بين 0.7 و0.8 (أقل من المعيار الوطني البالغ 0.9). تُظهر القياسات في إحدى محطات التوزيع الفرعية أنه عند معامل قدرة 0.8، تتجاوز غرامات الكهرباء السنوية 800,000 يوان، وتزداد خسائر خطوط 10 كيلو فولت بنسبة 30%. تضخ المكثفات (مثل مجموعات مكثفات التحويلة) طاقة تفاعلية سعوية في النظام، بينما تضبط المفاعلات مقدار التعويض بدقة لتجنب التعويض الزائد أو الناقص. يؤدي هذا إلى استقرار معامل القدرة عند مستوى أعلى من 0.95، مما يزيل الغرامات ويقلل خسائر الخطوط.

2. تلف المعدات الناتج عن التوافقيات عالية الترتيب: تعمل المفاعلات على تصفية التوافقيات، بينما تتجنب المكثفات التحميل الزائد.

تُولّد الأحمال غير الخطية، مثل محولات التردد والمقومات، توافقيات من الدرجة الثالثة والخامسة والسابعة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المكثفات وتآكل عزل المحولات. في أحد المصانع، تسبب ارتفاع مفرط في التوافقيات الخامسة في احتراق ثلاث مجموعات من المكثفات منخفضة الجهد خلال عام، مما أدى إلى خسائر تجاوزت 500,000 يوان. تُشكّل المفاعلات (مثل المفاعلات المضبوطة على التوالي) والمكثفات دائرة ترشيح لإزالة التوافقيات المحددة (على سبيل المثال، يُخفّض مفاعل ذو معدل مفاعلة 6% التوافقيات الخامسة وما فوقها). هذا يُقلّل معدل تشوه التيار من 15% إلى أقل من 5%، مما يحمي المكثفات من التلف الناتج عن الحمل الزائد.

3. عدم استقرار الجهد في النقل لمسافات طويلة: المكثفات تُعوّض المحاثة، والمفاعلات تُكبح ارتفاع

تتعرض خطوط نقل الجهد العالي (مثل 110 كيلو فولت و220 كيلو فولت) لانخفاضات في الجهد تصل إلى 20% في النهاية بسبب التأثيرات الحثية، مما يمنع تشغيل المعدات بشكل طبيعي للمستخدمين البعيدين. عند توصيل المكثفات على التوالي بالخط، فإنها تُعوّض محاثة الخط، مما يُقصّر مسافة النقل بشكل فعال (على سبيل المثال، في الخطوط التي تزيد عن 52 كم، تُقلّل المكثفات المتصلة على التوالي انخفاض الجهد بنسبة 15%). إذا ارتفع جهد الخط بشكل مفرط أثناء التشغيل بدون حمل، فإن المفاعلات المتصلة بالتحويلة تمتص طاقة الشحن السعوية لمنع ارتفاع جهد تردد الطاقة والإثارة الذاتية، مما يضمن سلامة المعدات.

II. الطوبولوجيات الأساسية للمكثفات والمفاعلات: سيناريوهات تطبيقية على التوالي والتوازييت

م تصميم التكوينات المتسلسلة والمتوازية للمكثفات والمفاعلات وفقًا لمتطلبات السيناريوهات المختلفة، مع توجهات وظيفية ومنطق فني مميز - وهو أمر أساسي لفعاليتها التآزرية:

1. طوبولوجيا السلسلة: المكثف + المفاعل، مع التركيز على الترشيح وتحديد

تعتمد طوبولوجيا السلسلة على توصيل تسلسلي بين "مكثف + مفاعل"، وتعالج بشكل أساسي قمع التوافقيات والحد من تيار الاندفاع أثناء تبديل المكثفات. وتُستخدم عادةً في دوائر تعويض القدرة التفاعلية وأنظمة الترشيح.

الوظيفة الأساسية : عند توصيل مفاعل على التوالي بدائرة تعويض مكثف ، يُثبط تيار الاندفاع أثناء تبديل المكثف (مما يُقلل قيمة الذروة من 10 أضعاف التيار المُصنّف إلى أقل من 5 أضعاف)، ويُرشّح التوافقيات عالية الترتيب (مثل التوافقيات الثالثة والخامسة) في شبكة الكهرباء. على سبيل المثال، بعد توصيل مفاعل بمعدل مفاعلة 6% على التوالي بمجموعة مكثفات 10 كيلو فولت، يصل معدل ترشيح التوافقيات الخامسة إلى 92%، مما يُطيل عمر المكثف خمس سنوات.

السيناريوهات القابلة للتطبيق : محطات فرعية صناعية، ومناطق المصانع ذات الأحمال غير الخطية المركزة (على سبيل المثال، صناعات الصلب والكيميائيات)، وبنوك المكثفات التي تتطلب إغلاق الحد من التيار المفاجئ؛

المنطق الفني : من خلال مطابقة المعلمات (على سبيل المثال، المفاعلة السعوية والمفاعلة الحثية) للمفاعلات والمكثفات ، تتردد الدائرة عند ترددات توافقية محددة، وتحويل التيارات التوافقية إلى فرع الترشيح ومنعها من دخول شبكة الطاقة للتأثير على المعدات الأخرى.

٢. طوبولوجيا التوازي: المكثف + المفاعل، مع التركيز على القدرة التفاعلية وتنظيم

يُقسّم طوبولوجيا التوازي إلى تكوينات "مكثف تحويلي" و"مفاعل تحويلي"، بما يتوافق مع احتياجات تحسين تعويض القدرة التفاعلية والتحكم في استقرار الجهد، على التوالي. يُمكّن تآزرهما من الاستجابة لتقلبات الحمل.

مكثفات التحويلة : متصلة مباشرةً بالتوازي مع نواقل النظام (مثل نواقل 10 كيلو فولت و35 كيلو فولت)، وهي تُزوّد ​​النظام بطاقة تفاعلية حثية، مما يُحسّن معامل القدرة وجهد النواقل. بعد توصيل ثلاث مجموعات من المكثفات (بسعة إجمالية 1800 كيلو فولت) بالتوازي مع نواقل 10 كيلو فولت في محطة فرعية، ارتفع معامل القدرة من 0.78 إلى 0.97، وانخفض تذبذب جهد النواقل من ±8% إلى ±2%.

مفاعلات التحويل : تُستخدم في خطوط النقل لمسافات طويلة ذات الجهد الفائق (مثل 220 كيلو فولت فأكثر)، حيث تمتص طاقة الشحن السعوي أثناء التشغيل بدون حمل للحد من ارتفاع جهد تردد الطاقة. على سبيل المثال، بعد توصيل مفاعلات التحويل بخط بدون حمل بجهد 500 كيلو فولت، انخفضت سعة ارتفاع الجهد من 15% إلى 5%، مما منع الإثارة الذاتية للمعدات.

الميزة التآزرية : بناءً على تغييرات أحمال شبكة الطاقة، يمكن تبديل المكثفات والمفاعلات بشكل ديناميكي - يتم تشغيل المكثفات لتعويض الطاقة التفاعلية أثناء الأحمال القصوى، بينما تمتص المفاعلات الطاقة السعوية أثناء الأحمال المنخفضة - مما يضمن استقرار جهد الشبكة في حدود ±2٪ من النطاق المقدر .

ثالثًا: سيناريوهات التطبيقات الرئيسية للمكثفات والمفاعلات: التحقق من

يُحقق الجمع بين المكثفات والمفاعلات فوائد كبيرة في كلٍّ من خطوط نقل الجهد العالي ومحطات الطاقة الفرعية الصناعية. وتؤكد التأثيرات المُقاسة في السيناريوهات الرئيسية الثلاثة التالية قيمتها التآزرية :

1. نقل الجهد العالي لمسافات طويلة: مكثفات متسلسلة + مفاعلات تحويلية لتعزيز السعة واستقرار

المشكلة : بالنسبة لخطوط نقل 110 كيلو فولت التي يزيد طولها عن 50 كم، فإن المحاثة العالية والمقاومة المنخفضة تسبب انخفاض الجهد بنسبة تصل إلى 18٪ في نهاية الخط، مما يحد من سعة النقل؛ تؤدي طاقة الشحن السعوية أثناء التشغيل بدون تحميل إلى ارتفاع الجهد بنسبة 12٪؛

الحل : قم بتوصيل المكثفات على التوالي بالخط (يتم حساب السعة الإجمالية على أساس محاثة الخط) لتعويض محاثة الخط الجزئية، مما يؤدي إلى تقصير مسافة النقل بشكل فعال (تقليل خط بطول 50 كم إلى ما يعادل 35 كم)؛ وفي الوقت نفسه، قم بتوصيل المفاعلات بالتوازي في كلا طرفي الخط لامتصاص طاقة الشحن بدون حمل؛

التأثير : زاد الجهد في نهاية الخط بنسبة 15%، وارتفعت سعة النقل بنسبة 25%، وتم التحكم في ارتفاع الجهد بدون تحميل بنسبة 5%، مما أدى إلى تلبية احتياجات الطاقة للمستخدمين عن بعد بشكل كامل وتقليل الخسائر السنوية في الخط بنسبة 28%.

٢. محطات الطاقة الفرعية الصناعية: مجموعات مكثفات تحويلية + مفاعلات تسلسلية لتعويض القدرة التفاعلية والترشيح

المشكلة : في محطة فرعية 10 كيلو فولت لشركة طاقة تعمل بالفحم، أدت الأحمال الحثية من المحول الرئيسي (S11-20000/110/10.5) والمحركات إلى خفض معامل القدرة إلى 0.78، مع وصول محتوى التوافقي الخامس إلى 8٪، مما أدى إلى زيادة خسائر الخط بنسبة 30٪؛

الحل : قم بتوصيل 3 مجموعات من المكثفات (سعة إجمالية 2400 كيلو فولت أمبير) بالتوازي مع ناقل 10 كيلو فولت، مع كل مجموعة على التوالي مع مفاعل بمعدل تفاعل 6٪ (لقمع التوافقيات الخامسة والأعلى)؛ استخدم وحدة تحكم عامل القدرة للتبديل التلقائي؛

التأثير : ارتفع معامل القدرة إلى 0.97، مما أدى إلى توفير 1.53 مليون يوان في تكاليف الكهرباء السنوية؛ وانخفض محتوى التوافقي الخامس إلى 0.8%، وانخفضت خسائر الخطوط بنسبة 31%، وانخفضت درجة حرارة المحول بمقدار 8 درجات مئوية، وانخفض معدل فشل المعدات بنسبة 40%.

3. الأحمال غير الخطية: دائرة المكثف + مرشح المفاعل لحماية المعدات واستقرار

المشكلة : تسببت أحمال محول التردد في مصنع كيميائي في توليد كميات كبيرة من التوافقيات الثالثة (محتوى 10٪)، مما تسبب في ارتفاع درجة حرارة المكثف وسوء تشغيل قاطع الدائرة؛

الحل : قم بتكوين دائرة ترشيح توافقية ثالثة - قم بتوصيل مكثف على التوالي بمفاعل بمعدل مفاعلة 12٪، مضبوط على التردد التوافقي الثالث (150 هرتز)، وتحويل التيارات التوافقية إلى فرع الترشيح؛

التأثير : وصل معدل الترشيح التوافقي الثالث إلى 95%، مما أدى إلى القضاء على مشاكل التحميل الزائد للمكثف؛ وانخفض معدل التشغيل الخاطئ لقاطع الدائرة من 12% إلى 0، وتم تمديد عمر خدمة محولات التردد لمدة 3 سنوات.

رابعًا: الاختيار الهندسي للمكثفات والمفاعلات: حالة

في الهندسة العملية ، يتطلب اختيار المكثفات والمفاعلات مطابقة دقيقة للمعايير بناءً على معلمات شبكة الطاقة وخصائص الأحمال. وتُستخدم الحالة التالية لمحطة فرعية بجهد 10 كيلو فولت كمرجع:

1. حساب معلمات النواة: سعة المكثف ومعدل

سعة المكثف : يتم حسابها بناءً على القدرة النشطة للحمل وعامل القدرة المستهدف باستخدام الصيغة:

سعة المكثف = القدرة الفعالة × (القيمة الظلية لمعامل القدرة قبل التعويض - القيمة الظلية لمعامل القدرة بعد التعويض)

على سبيل المثال، إذا كانت قدرة محطة فرعية فعّالة تبلغ 12,000 كيلوواط، ومعامل قدرة التعويض المسبق 0.78 (قيمة ظلية 0.8)، ومعامل قدرة مستهدف 0.97 (قيمة ظلية 0.25)، فإن سعة المكثف المطلوبة = 12,000 × (0.8 - 0.25) = 6600 كيلوفولت أمبير. يُراعى هامش 1.3x للتعامل مع تقلبات الحمل، لذا يتم اختيار 8600 كيلوفولت أمبير.

معدل مفاعلة المفاعل : يُختار بناءً على الترتيب التوافقي المراد ترشيحه - معدل مفاعلة ١٢٪ لتثبيط التوافقيات من الدرجة الثالثة، و٤.٥٪ - ٦٪ للتوافقيات من الدرجة الخامسة فما فوق، و٠.٥٪ - ١٪ لتحديد تيار الاندفاع فقط. نظرًا لكثافة التوافقيات من الدرجة الخامسة في هذه المحطة الفرعية، تم اختيار معدل مفاعلة ٦٪ لضمان فعالية ترشيح التوافقيات وسلامة المكثف.

2. تفاصيل اختيار المعدات: نماذج/ مواصفات

في هذا الاختيار، تستخدم مكثفات الشنت طراز SKE-5-069-400، بإجمالي 9 وحدات، مُكوّنة من 3 مجموعات (3 وحدات بقدرة 150 كيلو فولت، و3 وحدات بقدرة 250 كيلو فولت، و3 وحدات بقدرة 400 كيلو فولت). تغطي السعة الإجمالية متطلبات التعويض الأساسية البالغة 2400 كيلو فولت، مما يدعم تركيبات التبديل لظروف أحمال مختلفة. تستخدم المفاعلات المتسلسلة طراز CKSC-10-6%، بإجمالي 3 مجموعات - لكل منها معدل مفاعلة 6% وتيار مُصنّف 80 أمبير، يتوافق مع مجموعات المكثفات. يضمن هذا تحديد تيار الاندفاع وترشيح التوافقيات أثناء تبديل كل مجموعة مكثفات. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم مُتحكم في عامل القدرة PFC-10kV (يدعم اتصال RS485) لتمكين التبديل التلقائي ومراقبة حالة المكثفات والمفاعلات.

3. تأثيرات التطبيق: تحقيق القيمة التآزرية للمكثفات والمفاعلات

جودة الطاقة : ارتفع معامل القدرة من 0.78 إلى 0.97، وانخفض محتوى التوافقي الخامس من 8% إلى 0.8، واستقر جهد الناقل عند 10.5 كيلو فولت ± 2%، وهو ما يتوافق تمامًا مع معيار GB/T 14549-1993 لجودة الطاقة - التوافقيات في شبكات الإمداد العامة ؛

الفوائد الاقتصادية : بلغ التوفير السنوي في تكاليف الكهرباء 1.53 مليون يوان (بما في ذلك 860 ألف يوان من الغرامات و670 ألف يوان من خسائر خطوط الكهرباء). وبلغ إجمالي استثمار المعدات 2.75 مليون يوان، مع فترة استرداد استثمارية تبلغ 1.8 سنة فقط.

ضمان السلامة : انخفض تيار الذروة أثناء تبديل المكثف من ١٢٠٠ أمبير إلى ٥٠٠ أمبير، وهو أقل من قيمة تحمل المعدات المُصنّفة. لم تحدث أي أعطال ناتجة عن زيادة تحميل المكثف أو ارتفاع درجة حرارة المفاعل خلال السنة الأولى من التشغيل.

خامسًا: الخاتمة: المكثفات والمفاعلات - شركاء أساسيون لتحسين

في ظل التوجه نحو أنظمة طاقة فعالة ومستقرة وصديقة للبيئة، لا يقتصر الاستخدام التآزري للمكثفات والمفاعلات على معالجة المشكلات التقليدية، مثل اختلال توازن القدرة التفاعلية والتلوث التوافقي، بل يعزز أيضًا قدرة شبكة الطاقة على الاستجابة لتقلبات الأحمال. سواءً لتحسين الجهد في خطوط النقل عالية الجهد أو لخفض التكاليف للمستخدمين الصناعيين، يوفر هذان الجهازان حلولاً اقتصادية وموثوقة.

إذا واجه نظام الطاقة لديك مشاكل مثل انخفاض معامل القدرة، أو التوافقيات المفرطة، أو تقلبات الجهد، يُرجى مشاركة التفاصيل، بما في ذلك مستوى جهد الشبكة (مثل 10 كيلو فولت، 35 كيلو فولت)، ونوع الحمل (مثل طاقة المحرك، ونسبة المعدات غير الخطية)، ونقاط الضعف الأساسية (مثل معدل فقدان الخط، وترتيب التوافقيات). ستقوم شركة هينجرونج للكهرباء المحدودة بتخصيص خطة حصرية لتكوين المكثفات والمفاعلات لتحسين معامل القدرة ودعم تشغيل شبكة الطاقة بأمان وكفاءة !