نحوه برآورد بار (برق مورد نیاز) تأسیسات الکتریکی

نحوه برآورد توان (بار) تاسیسات الکتریکی

برای طراحی تأسیسات الکتریکی، تقاضای بار حداکثر واقعی که بر روی سیستم تأمین برق تحمیل می شود باید مورد ارزیابی قرار گیرد. طراحی پایه بر مبنای جمع جبری تمامی بارهای موجود در تأسیسات الکتریکی به طور غیر معمولی غیر اقتصادی و کار مهندسی بد و غیر اصولی خواهد بود. این مطلب برای کمک به نشان دادن این موضوع که چگونه برخی ضرایب مانند پراکندگی (عملکرد غیر همزمان تمامی تجهیزات یک گروه) و بهره برداری (مانند یک موتور الکتریکی که عموماً با تمام ظرفیت عملیاتی خود کار نمی کند) برای تمامی بارهای موجود و پیش بینی شده را می توان ارزیابی نمود، گرد آوری شده است. مقادیر داده شده بر اساس تجربه و آمار ثبت شده از تأسیسات الکتریکی واقعی است. علاوه بر فراهم آوردن امکان طراحی پایه تأسیسات الکتریکی در مدارهای انفرادی، نتایج حاصل میزانی همگانی برای تأسیسات، از جمله اینکه از آن الزامات یک سیستم تأمین توان (شبکه توزیع، ترانسفورماتور MV/LV ، یا مجموعه تولید برق (ژنراتور، صفحات خورشیدی و …)) می تواند مشخص شود.

توان نصب شده بر حسب کیلووات(KW)،(Installed power)

اغلب وسایل و تجهیزات الکتریکی دارای پلاک و برچسبی برای نشان دادن قدرت اسمی شان (Pn) هستند. قدرت یا توان نصب شده، مجموع قدرت اسمی تمام وسایل مصرف کننده توان و برق در تأسیسات است. در عمل، این میزان، توانی نیست که واقعاً باید تأمین شود. این موضوع در مورد موتورهای الکتریکی، هنگامی که میزان توان به توان خروجی در شفت راه اندازی آن اشاره دارد می باشد. توان مصرفی ورودی مشخصاً بیشتر است.

لامپ های گازی و فلورسنت با بالاست های ثابت، موارد دیگری هستند که توان نامی قید شده بر روی لامپ کمتر از میزان توانی است که واقعاً توسط لامپ و بالاست آن مصرف می شود. روش های ارزیابی مصرف برق واقعی موتورها و وسایل روشنایی در مطالب آینده بیان خواهد شد. تقاضا یا درخواست برق(KW) برای انتخاب توان نامی یک مجموعه تولید توان یا باتری الزامی است و جایی که الزامات محرک اولیه(Prime Mover) باید مورد توجه قرار گیرد.

برای تأمین توان ار یک شبکه برق عمومی فشار ضعیف(LV) یا از طریق یک ترانسفورماتور MV/LV (ترانسفورماتور کاهنده سطح ولتاز فشار متوسط(MV) به سطح ولتاژ فشار ضعیف(LV)) ، کمیت قابل توجه، توان ظاهری بر حسب کیلو ولت آمپر(KVA) است.

توان ظاهری نصب شده بر حسب کیلوولت آمپر(KVA)،(Installed apparent power)

توان ظاهری نصب شده عموماً به عنوان جمع جبری KVA بارهای انفرادی فرض می شود. ماکزیمم KVA برآورد شده برای تأمین برق مورد نیاز، به هر حال مساوی جمع KVA بارهای نصب شده نمی باشد.

تقاضای توان ظاهری یک بار (که ممکن است یک وسیله انفرادی باشد) از میزان توان نامی آن (همانند آنچه برای موتورها در بالا توضیح داده شد) و به کارگیری ضرایب زیر حاصل می گردد:

ɳ = توان ورودی بر حسب کیلولت / توان خروجی بر حسب کیلووات = راندمان

cos ϕ = یا ضریب توان Power factor = kW / kVA

تقاضای توان ظاهری بار بر حسب KVA برابر است با:

Pa = Pn /(η x cos ϕ)

از این رابطه، جریان بار کامل Ia بر حسب آمپر(A) که توسط بار کشیده می شود خواهد بود(برای بار تکفاز):

 

 

برای بار سه فاز متعادل برابر است با:

 

 

که:

V = ولتاژ فاز به نول (ولت)

U = ولتاژ فاز به فاز (ولت)

به طور کلی ذکر این نکته حائز اهمیت می باشد که، میزان KVA کل توان ظاهری، مجموع جبری میزان KVA های محاسبه شده تک تک بارها نیست (مگر اینکه تمامی بارها در یک ضریب توان مشابه باشند).

به هر حال این موضوع یک تمرین عملی ساده است، انجام یک جمع جبری ساده، نتیجه میزان KVA به دست آمده بیش از مقدار صحیح قابل قبول با یک "حاشیه درست در طراحی" می باشد.

هنگامی که برخی یا تمام مشخصات بار شناخته شده نیستند، مقادیر نشان داده شده در شکل A9 ممکن است برای به دست آوردن ارزیابی خیلی تقریبی از تقاضاهای بر حسب VA استفاده شوند (بارهای انفرادی عموماً خیلی کوچکتر از آن هستند که بر مبنای KVA یا KW بیان گردند). برآوردها برای بارهای روشنایی بر مبنای مساحت 500 متر مربع می باشد.

شکل A9: برآورد توان ظاهری نصب شده

برآورد حداکثر تقاضای واقعی توان ظاهری (KVA)

تمامی بارهای انفرادی لزوماً در توان نامی کامل و در یک زمان کار نمی کنند. ضرایب Ku و Ks به تعیین حداکثر تقاضاهای توان ظاهری و توان حقیقی که واقعاً برای تعیین ابعاد تأسیسات الکتریکی نیاز است کمک می کنند.

ضریب حداکثر بهر برداری (Ku)

در شرایط کاری معمول، مصرف برق یک بار گاهی کمتر از میزان قدرت نامی آن است، که یک اتفاق نسبتاً شایع است که به کار گیری یک ضریب بهره برداری (Ku) در برآورد مقادیر واقع گرایانه را توجیه می کند.

این ضریب باید برای هر بار انفرادی اعمال گردد، با توجه ویژه به موتورهای الکتریکی، که به ندرت در بار کامل کار می کنند. در یک تأسیسات صنعتی، این ضریب را می توان به طور متوسط 0.75 برای موتورها تخمین زد.

برای بارهای روشنایی رشته ای، این ضریب همیشه برابر عدد 1 می باشد. برای مدارهای پریز برق، ضرایب به طور کامل به نوع لوازم و تجهیزاتی که از پریزهای مربوطه تغذیه می شوند بستگی دارد.

برای وسیله نقلیه الکتریکی(ماشین های برقی)، ضریب بهره برداری به صورت سیستماتیک با عدد 1 تخمین زده می شود، زیرا زمان زیادی برای بارگذاری کامل باتری ها (چندین ساعت) و یک مدار اختصاصی که ایستگاه شارژ را تغذیه می کند یا یک تابلوی دیواری بر طبق استانداردها نیاز است.

ضریب پراکندگی(Diversity factor) – ضریب همزمانی (Ks)

این موضوع تجربه ای عرف است که استفاده همزمان از تمامی بارهای نصب شده در یک تأسیسات هرگز در عمل اتفاق نمی افتد. یعنی همیشه میزانی از پراکندگی وجود دارد و این واقعیت برای محاسبه نهایی با استفاده از یک ضریب (Ks) در نظر گرفته می شود.

این ضریب در استاندارد – IEC60050 واژگان بین المللی الکتروتکنیک، به صورت زیر تعریف شده است:

ضریب همزمانی: نسبتی که به عنوان یک مقدار عددی یا به عنوان یک درصد، از حداکثر تقاضای همزمان یک گروه از وسایل الکتریکی یا مصرف کنندگان در یک دوره معین، به مجموع حداکثر تقاضاهای انفرادی شان در طول همان دوره بیان می شود. با توجه به این تعریف، میزان این نسبت همیشه 1=> است و می تواند به صورت  درصد بیان شود.

ضریب پراکندگی: طرف مقابل ضریب همزمانی. این بدان معنی است که این ضریب همیشه 1=< می باشد.

توجه: در عمل، واژه ای که اغلب استفاده می شود ضریب پراکندگی یا Diversity Factor است، اما این ضریب به جای ضریب همزمانی (Coincidence factor) مورد استفاده قرار می گیرد و بنابراین همیشه 1=> خواهد بود. اصطلاح "ضریب همزمانی" گزینه دیگری است که گاهاً مورد استفاده قرار می گیرد. ضریب Ks برای هر گروه از بارها اعمال می گردد (به عنوان مثال، تغذیه از یک تابلوی توزیع اصلی یا فرعی).

جداول پیش رو برگرفته از راهنماها یا استانداردهای محلی هستند، نه استانداردهای بین المللی. این جداول فقط به عنوان نمونه برای تعیین ضرایب بیان شده مورد استفاده قرار گیرند.

ضریب پراکندگی برای یک بلوک آپارتمانی با برخی از مقادیر معمول برای این مورد در شکل A10 و برای مصرف کنندگان داخلی (مشترکین) بدون گرمایش برقی قابل استفاده هستند و از شبکه 230/400 ولت (سه فاز، 4 سیمه) تغذیه می شوند. در مورد مصرف کنندگانی که از منابع گرمایشی برقی برای گرم کردن فضاها استفاده می کنند، بدون در نظر گرفتن تعدادی از مصرف کنندگان، یک ضریب 0.8 در نظر گرفته می شود. (شکل A11 را مشاهده نمایید).

شکل A10: مثال ضرایب پراکندگی(Diversity factors) برای یک بلوک آپارتمان تعریف شده به عنوان استاندارد NFC14-100 فرانسه و قابل استفاده برای آپارتمان های بدون گرمایش الکتریکی

آپارتمان 5 طبقه با 25 مصرف کننده(مشترک)، هر کدام 6 کیلو وات بار نصب شده دارند.

بار کل نصب شده ساختمان برابر است با:

36 + 24 + 30 + 36 + 24 = 150 KVA

توان ظاهری مورد نیاز ساختمان برابر است با:

150 x 0.46 = 69 KVA

از شکل A11، می توان مقدار جریان در بخش های مختلف فیدر اصلی مشترک را که تمام طبقات را تغذیه می نماید تعیین نمود. برای خطوط اصلی تغذیه شونده از سطح زمین، سطح مقطع هادی ها می تواند به طور قابل توجهی به طور مداوم از طبقه های پایین تر به سمت طبقه های بالاتر کاهش یابد. این تغییرات اندازه هادی معمولاً به صورت حداقل فاصله ی سه طبقه سه طبقه تحت تأثیر قرار می گیرد.

شکل A11: کابرد ضریب پراکندگی (ks) در یک بلوک آپارتمانی 5 طبقه

در مثال، جریان ورودی به خط اصلی بالارونده در سطح زمین برابر است با:

 

 

جریان ورودی به طبقه سوم برابر است با:

 

 

ضریب پراکندگی مجاز برای تابلوهای توزیع

استانداردهای IEC61439-1 و 2 به همان شیوه، ضریب پراکندگی مجاز برای تابلوهای توزیع را تعیین می کنند (در این مورد، همیشه 1=>) استاندارد IEC61439-2 همچنین بیان می کند که، در صورت عدم توافق بین سازنده تابلو برق و کاربر در رابطه با جریان واقعی بار (ضرایب پراکندگی)، بارگذاری مفروض مدارهای خروجی استفاده شده یا گروهی از مدارهای خروجی ممکن است بر اساس مقادیر شکل A12 باشد. اگر مدارها عمدتاً برای بارهای روشنایی باشند، بهتر است که مقادیر ks را نزدیک عدد 1 قرار دهیم.

شکل A12: ضریب پراکندگی مجاز برای تابلوهای توزیع (استانداردcf IEC61439-2 جدول شماره 101)

ضریب پراکندگی با توجه به عملکرد مدار، این ضرایب Ks که ممکن است برای مدارهایی که بارهای معمول را تغذیه می کنند استفاده شود، در شکل A13 نشان داده شده است. این مورد در راهنمای عملی فرانسوی UTE C 15-105 ارائه شده است.

شکل :A13 ضریب پراکندگی بر مبنای عملکرد مدار (استاندارد UTE C 15-105 جدول AC را ملاحظه نمایید)

^₍₁₎ در موارد خاص، به ویژه در تاسیسات صنعتی، این عامل می تواند بالاتر باشد.

⁽²⁾ جریان مورد توجه برابر با جریان اسمی موتور است که با یک سوم جریان شروع آن افزایش می یابد.

مثال کاربرد ضرایب ku و ks

یک مثال از برآورد تقاضای واقعی حداکثر kVA در تمام سطوح تأسیسات، از هر موقعیت بار تا نقطه تأمین برق آن، در شکل A14 نشان داده شده است. در این مثال، کل توان ظاهری نصب شده 126.6 کیلو ولت آمپر است که مربوط به میزان واقعی (تخمین زده شده) حداکثر مقدار در سمت فشار ضعبف (LV) ترانسفورماتور MV/LV با ظرفیت    65 kVA می باشد.

توجه: برای انتخاب اندازه کابل برای مدارهای توزیع یک تاسیسات، جریان I (بر حسب آمپر) در یک مدار از معادله زیر تعیین می شود:

 

 

که در آن kVA، حداکثر مقدار واقعی توان ظاهری 3 فاز نشان داده شده در نمودار برای مدار مورد نظر است، و U ولتاژ فاز به فاز (بر حسب ولت) است.

شکل A14: یک مثال در برآورد حداکثر بار پیش بینی شده ی تاسیسات (مقادیر ضرایب استفاده شده فقط برای نمایش و فهم موضوع است)

انتخاب ظرفیت ترانسفورماتور

هنگامی که یک تأسیسات به طور مستقیم از یک ترانسفورماتور MV/LV تغذیه می شود و حداکثر بارگیری توان ظاهری نصب شده مشخص شده است، می توان تصمیم مناسب برای انتخاب ظرفیت ترانسفورماتور را با در نظر گرفتن ملاحظات زیر گرفت (شکل شماره A15 را ملاحظه کنید):

• امکان بهبود فاکتور ضریب قدرت تأسیسات
• توسعه های پیش بینی شده برای تأسیسات
• محدودیت های تأسیسات (به عنوان مثال درجه حرارت)
• ظرفیت استاندارد ترانسفورماتور

جریان اسمی بار کامل در سمت LV از یک ترانسفورماتور 3 فاز بوسیله فرمول زیر به دست می آید:

 

 

که:

• Pa برابر میزان kVA ترانسفورماتور است.
• U برابر ولتاژ فاز به فاز در بی باری بر حسب ولت (237 تا 410 ولت) می باشد.
• In بر حسب آمپر می باشد.

برای یک ترانسفورماتور تکفاز:

 

 

که:

• V برابر ولتاژ میان ترمینال های LV (فشار ضعیف) در بی باری (بر حسب ولت) می باشد.

معادله ساده سازی شده برای 400V (بار سه فاز):

In = KVA x 1.4

استاندارد IEC برای ترانسفورماتورهای قدرت، استاندارد IEC 60076 می باشد.

شکل A15: توان های ظاهری استاندارد برای ترانسفورماتورهای MV/LV و جریان های خروجی نامی مرتبط

انتخاب منابع تأمین توان

اهمیت حفظ تأمین مداوم توان و برق ورودی به یک مجموعه، مسئله استفاده از نیروگاه های برق آماده به کار(Standby-power plant) را پر اهمیت جلوه می دهد. انتخاب و ویژگی های این منابع جایگزین بخشی از انتخاب معماری است، که در مطالب آینده توضیح داده خواهد شد.

برای منبع اصلی تأمین توان، انتخاب به طور کلی بین اتصال به شبکه MV یا شبکه LV شبکه تأمین برق می باشد. در برخی موارد، منبع اصلی تأمین توان می تواند ژنراتورهای دوار در مورد تأسیسات دور افتاده با دسترسی دشوار به شبکه برق عمومی محلی(MV یا LV) یا جایی که قابلیت اطمینان شبکه عمومی حداقل سطح قابلیت اطمینان مورد انتظار را نداشته باشد، می تواند باشد.

در عمل، اتصال به یک منبع MV ممکن است در جایی که بار از یک سطح معین (یا درنهایت برنامه ریزی شده است که افزایش یابد) افزایش می یابد یا به طور کلی از 250 کیلو ولت آمپر، یا اگر کیفیت خدمات مورد نیاز، بزرگتر از حد معمول قابل دسترس از یک شبکه LV است، ضروری است.

علاوه بر این، اگر تأسیسات هنگام اتصال به شبکه LV، به احتمال زیاد باعث ایجاد اختلال در مصرف کنندگان همجوار شود، مقامات و سازمان های مسئول عرضه و تأمین برق مورد نیاز مشترک، ممکن است سرویس MV(فشار متوسط) را پیشنهاد کنند.

تأمین برق در سطح MV می تواند مزایای خاصی داشته باشد: در حقیقت، یک مصرف کننده MV:

• توسط سایر مصرف کنندگان اذیت نمی شود، چیزی که می تواند در مورد سطح LV باشد.
• در مورد انتخاب هر نوع سیستم ارتینگ فشار ضعیف(LV) آزاد است.
• دارای رنج انتخاب گسترده تری از تعرفه های اقتصادی و مقرون به صرفه است.
• می تواند افزایش های خیلی زیاد در میزان بار را نیز قبول کند.

به هر حال، لازم به ذکر است که:

• مصرف کننده صاحب پست MV/LV می باشد و در برخی از کشورها، باید هزینه تجهیز و نگهداری پست را بر عهده بگیرد. تأمین کننده برق مشترک می تواند، در شرایط خاص، در سرمایه گذاری مشارکت کند، مثلاً در سطح خط فشار متوسط (MV).
• به عنوان مثال، بخشی از هزینه های اتصال به شبکه برق می تواند اغلب هنگامی که مصرف کننده دوم به خط MV در یک زمان معین از طریق تجهیزات اتصال خود متصل می گردد، پوشش داده شود.
• مصرف کننده فقط به قسمت LV تأسیسات مذکور دسترسی دارد. دسترسی به بخش MV برای پرسنل اداره برق (خواندن کنتور، عملیات اجرایی، و …) محفوظ است. با این حال، در بعضی از کشورها، کلید حفاظتی مدار MV (یا سوئیچ قطع بار فیوزی) می تواند توسط مصرف کننده مدیریت شود.
• نوع و مکان پست میان مصرف کننده و اداره برق مورد توافق قرار می گیرد.

منابع انرژی تجدید پذیر بیشتر و بیشتری مانند صفحات خورشیدی(فتوولتائیک) برای تأمین برق مورد نیاز تأسیسات الکتریکی فشار ضعیف استفاده می شوند. در برخی موارد، این صفحات فتوولتائیک(PV) به طور موازی به شبکه برق متصل می شوند(On-Grid) یا این صفحات خورشیدی به صورت مستقل بدون اتصال به شبکه عمومی استفاده می شوند(Off-Grid). تبدیل برق تولیدی از DC به AC به دلیل اینکه ولتاژ نامی این صفحات خورشیدی بالاتر و بالاتر (چند صد ولت) است و نیز به این دلیل که صفحات خورشیدی (PV) تولید جریان DC یا مستقیم می کنند، الزامی است.

منبع: هندبوک اشنایدر الکتریک – Electrical installation guide 2016

دپارتمان تأسیسات الکتریکی سامانه جامع صنعت ساختمان – کارگشا

سایر مطالب منتخب در حوزه برآوردها و محاسبات را در آینده دنبال و ما را با نظرات ارزشمند خویش همراهی نمایید.