كيفية حساب عدد الخطوات والقدرة غير الفعالة (التفاعلية) لبنوك المكثفات

بنوك المكثفات والخطوات

اعتمادًا على حجم وحدة التعويض، يتم تجميعها من مكثفات ذات أحجام متساوية (في الوحدات الكبيرة) أو مختلفة (في الوحدات الصغيرة).
فمثلاً، وحدة تعويض بقدرة كلية 300 كيلوفار (kvar) تتكون من ستة مكثفات، كل واحد منها 50 كيلوفار.

وبالتالي فإن عدد المكثفات يساوي عدد الخطوات: ستة مكثفات يتم التحكم فيها عبر ست خطوات.

لكن بنوك المكثفات التي تحتوي على خطوات غير متساوية — على سبيل المثال 50 كيلوفار و25 كيلوفار — تتيح التحكم في التعويض بدقة أعلى، فيما يسمى “التحكم بالتدريج الدقيق”.
أما الوحدات الصغيرة حتى حوالي 150 كيلوفار فعادة ما تُركب بمكثفات ذات أحجام مختلفة لأسباب اقتصادية.

مثال:

وحدة تعويض بقدرة إجمالية 110 كيلوفار يتم تجميعها من أربعة مكثفات بأحجام: 10، 20، واثنان × 40 كيلوفار (بنسبة 1:2:4:4).
وهذا يتيح التحكم في 11 خطوة.
كانت مرحلات (ريليهات) معامل القدرة القديمة تتحكم في المكثفات وفق برنامج ثابت يسمى “تسلسل التبديل الهندسي”.

أما المرحلات الحديثة فتختار حجم المكثف المطلوب مباشرة حسب الطلب الفعلي للقدرة غير الفعالة.

اختيار نوع وحدة التعويض

بعد تحديد إجمالي القدرة غير الفعالة المطلوب تعويضها، يتم تحديد نوع وحدة التعويض المناسبة.
يجب مراعاة موقع التركيب بحيث لا تمر القدرة غير الفعالة في الخطوط الكهربائية، لأن الخسائر (kWh) في الخطوط تزداد بشكل تربيعي مع القدرة الظاهرية (I²×R).

في التركيبات الصغيرة غالبًا ما تكون وحدة تعويض مركزية واحدة كافية، بشرط أن يتم الحفاظ على معامل القدرة المطلوب من قبل شركة الكهرباء في المتوسط خلال فترة الفاتورة.
ولا داعي للتحكم في الانحرافات القصيرة بسرعة — فزمن التأخير لكل خطوة 30 إلى 40 ثانية يكون كافيًا.
أما فترات التأخير الأقصر فتؤدي إلى زيادة عدد مرات التشغيل والإيقاف (switching operations).

اختيار عدد الخطوات وحجمها

يعتمد ذلك على نوع الأحمال في النظام:

• إذا كانت هناك قِلة من الأحمال الكبيرة → يمكن استخدام بنك مكثفات بخطوات كبيرة (تحكم خشن).
• أما في حالة وجود عدد كبير من الأحمال المتوسطة أو الصغيرة → يلزم استخدام بنك مكثفات بخطوات صغيرة (تحكم دقيق).

لذلك تتوفر وحدات تعويض تحتوي على حتى 12 أو 14 خطوة لتوفير تحكم أدق.

تخطيط التوسعة المستقبلية

ينبغي أثناء التصميم أخذ احتمال التوسعة المستقبلية في الاعتبار — أي ترك مساحة كافية لوحدة التوسعة، وتركيب مرحل معامل قدرة (Power Factor Relay) بعدد مخارج تحكم إضافية.
معظم المرحلات الحديثة قادرة على التعرف تلقائيًا على الخطوات الجديدة بعد إضافتها وإخراجها من الخدمة عند الضرورة.

عند تشغيل الوحدة بعد التوسعة، يقوم المرحل بفحص جميع المخارج والتعرف على الخطوات الجديدة تلقائيًا.

برامج التحكم بالخطوات

المرحلات القديمة كانت تتبع برنامج تبديل ثابت (مثل 1 إلى 6 صعودًا أو نزولًا).
وكان هذا النظام يعاني من مشكلة في توزيع ساعات التشغيل، إذ قد تعمل الخطوة الأولى طوال الوقت بينما لا تعمل الخطوة السادسة مطلقًا.

لذلك تستخدم المرحلات الحديثة نظام التبديل الدائري أو التناوبي (Rotational Switching Program)، حيث يتم توزيع زمن التشغيل بالتساوي على جميع المكثفات.
أي أن المكثف الذي عمل لفترة أطول يتم فصله أولاً، والذي توقف لفترة أطول يتم تشغيله أولاً — مما يطيل عمر جميع المكثفات بالتساوي.

التسلسل الهندسي للخطوات

في الوحدات الصغيرة التي تحتوي على مكثفات مختلفة (مثل 10، 20، واثنان × 40 كيلوفار بنسبة 1:2:4:4)، يُستخدم غالبًا ما يسمى “التسلسل الهندسي”.
تمثل الخطوة الأولى (10 كيلوفار) أصغر وحدة للتعويض، وهي التي تُبدَّل أكثر من غيرها خلال فترة التشغيل.

لكن المرحلات الحديثة المعتمدة على المعالجات الدقيقة تختار المكثف المطلوب فقط حسب الانحراف الفعلي في القدرة غير الفعالة، مما يقلل من عدد عمليات التبديل ويحسن عمر المعدات.

قيمة C/k (عتبة التحكم)

لكي يعمل مرحل معامل القدرة بشكل صحيح، يجب أن يعرف متى يُسمح له بتوصيل أو فصل خطوة معينة.
يُحسب ذلك باستخدام قيمة C/k:
Ck = Qc / (U * k)

حيث:

• ( Qc ): حجم خطوة المكثف (ك.فار)
• ( U ): الجهد المقنن للشبكة (ك.ف)
• ( k ): نسبة محول التيار (CT ratio)

مثال توضيحي:

إذا كان لديك مكثف بقدرة 50 كيلوفار، لا يجوز توصيله عندما تكون الحاجة الفعلية للتعويض 10 كيلوفار فقط، لأن ذلك سيسبب “تأرجح” (Hunting) في النظام — أي تشغيل وفصل متكرر.

لذلك، يجب أن يتجاوز الانحراف الفعلي في القدرة غير الفعالة ثلثي (66%) من حجم الخطوة على الأقل قبل أن يبدأ المرحل بالتعويض.
وتتراوح هذه النسبة عادة بين 65% و85%.

منطقة الحساسية (Insensitive Zone)

تمثل قيمة C/k منطقة ميتة (Dead Band) حول خط معامل القدرة المطلوب (cos φd):

• إذا كان المتجه داخل هذه المنطقة → لا يتم أي تبديل.
• إذا تجاوز الحد الأيمن → يتم توصيل مكثف.
• إذا تجاوز الحد الأيسر → يتم فصل مكثف.

وبذلك يتم تجنب أي oscillation أو عدم استقرار في التحكم.

ملاحظات

المرحلات الحديثة تقوم بحساب قيمة C/k تلقائيًا، وتتمتع بحساسية عالية تصل إلى 1%.
أما المرحلات اليدوية القديمة التي تتطلب ضبطًا يدويًا لقيمة C/k فهي في طريقها إلى الاندثار.