แม้ว่าตัวเก็บประจุมักจะเกี่ยวข้องกับการใช้งานแบบแยกส่วนเพื่อแก้ไขค่ากำลังไฟฟ้า แต่ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมกลับถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในสายส่งไฟฟ้าเพื่อปรับปรุงการควบคุมแรงดันไฟฟ้า เพิ่มความสามารถในการถ่ายโอนพลังงาน และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ ในบทความนี้ เราจะอธิบายว่าเหตุใดตัวเก็บประจุจึงเชื่อมต่อแบบอนุกรมในสายส่งไฟฟ้า และข้อดีและข้อเสียคืออะไร

ธนาคารตัวเก็บประจุจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับสายส่งไฟฟ้าเพื่อชดเชยค่ารีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำของสาย โดยจะช่วยลดแรงดันตกตลอดสายได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มความสามารถในการส่งไฟฟ้า และปรับปรุงการควบคุมแรงดันไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้ว กำลังไฟฟ้ารีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุจะต้านค่ารีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำ ทำให้ระบบส่งไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากขึ้นในระยะทางไกล

ปฏิกิริยาเหนี่ยวนำในสายส่งไฟฟ้า

สายส่งไฟฟ้าแรงสูงมีค่าเหนี่ยวนำโดยธรรมชาติเนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลาง ความยาว และระยะห่างของตัวนำ ความเหนี่ยวนำที่มากเกินไปทำให้แรงดันไฟฟ้าตกตลอดแนวสายส่ง ส่งผลให้ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าลดลง ลดความสามารถในการส่งไฟฟ้า และลดเสถียรภาพของระบบ

ความเหนี่ยวนำนี้จะสร้างปฏิกิริยาเหนี่ยวนำ (XL = 2π f L) ซึ่งต่อต้านกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) เมื่อความยาวของสายเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้:

• เพิ่มแรงดันตกบนเส้น
• ประสิทธิภาพการส่งกำลังลดลง
• เพิ่มความแตกต่างของมุมเฟสระหว่างแรงดันไฟฟ้าของเครื่องส่งและเครื่องรับ

เพื่อต่อต้านผลกระทบเหล่านี้ ตัวเก็บประจุจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับสายส่ง

บทบาทของตัวเก็บประจุแบบอนุกรมในระบบส่งไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบอนุกรมในสายส่งไฟฟ้าเพื่อชดเชยแรงดันไฟฟ้าและปรับปรุงการส่งไฟฟ้า การปฏิบัตินี้เรียกว่าการชดเชยแบบอนุกรม ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและเสถียรภาพของการส่งไฟฟ้าระยะไกล

ตัวเก็บประจุแบบซีรีส์จะชดเชยกำลังไฟฟ้าปฏิกิริยาด้วยการนำรีแอคแตนซ์แบบเก็บประจุ (X_C = 1 / (2π f C) มาใช้ ซึ่งจะต่อต้านรีแอคแตนซ์แบบเหนี่ยวนำของสาย ซึ่งจะให้ประโยชน์หลายประการ ดังนี้:

1) การชดเชยปฏิกิริยาเหนี่ยวนำ

เนื่องจากรีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำเป็นบวกและรีแอคแตนซ์เก็บประจุเป็นลบ รีแอคแตนซ์ทั้งสองจึงหักล้างกันเมื่อวางตัวเก็บประจุแบบอนุกรม วิธีนี้ช่วยลดรีแอคแตนซ์ที่มีประสิทธิภาพรวม (Xe_ff) ของสาย:

Xe_ff = XL − XC

ปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพที่ต่ำลงส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าตกลดลงและประสิทธิภาพในการส่งเพิ่มขึ้น

ปฏิกิริยาเหนี่ยวนำที่มากเกินไปทำให้แรงดันไฟฟ้าตกตลอดแนวสายส่ง ทำให้ความสามารถในการถ่ายโอนพลังงานลดลงและเสถียรภาพของระบบลดลง เพื่อต่อต้านผลกระทบดังกล่าว จึงใช้ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมเพื่อนำปฏิกิริยาแบบเก็บประจุ (X_C) เข้ามา ซึ่งกำหนดโดย:

XC = 1/ωC ​​= 1/2πfc

โดยที่ “C” คือความจุ และ X_C คือรีแอคแตนซ์แบบเก็บประจุที่ตัวเก็บประจุจัดเตรียมไว้

2) ปรับปรุงศักยภาพการส่งกำลัง

ตามสมการการส่งกำลัง:

ที่ไหน,

• P = กำลังที่ส่งผ่าน
• V1 = แรงดันส่ง
• V2 = แรงดันรับ
• XL = ปฏิกิริยาเหนี่ยวนำของสายส่งไฟฟ้า
• δ = มุมเฟสระหว่าง V1 และ V2

การลดค่ารีแอกแตนซ์ X_L ที่เกินมาจะทำให้ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมสามารถเพิ่มความสามารถในการส่งกำลังไฟฟ้าของสายเดียวกันได้ ด้วยวิธีนี้ จะทำให้สามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้มากขึ้นในระยะทางที่ไกลขึ้น ด้วยตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ความสามารถในการส่งกำลังไฟฟ้าจะกลายเป็น:

เมื่อใช้ตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ความสามารถในการส่งกำลังจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากรีแอคแตนซ์แบบเก็บประจุที่สร้างขึ้นโดยตัวเก็บประจุแบบอนุกรมจะยกเลิกรีแอคแตนซ์แบบเหนี่ยวนำของสายส่งบางส่วน วิธีนี้ช่วยลดอิมพีแดนซ์สุทธิได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงเพิ่มประสิทธิภาพการส่งกำลัง ดังนั้น จึงสามารถส่งกำลังได้มากขึ้นประมาณ 50% เมื่อใช้ตัวเก็บประจุแบบอนุกรม

3) การรักษาเสถียรภาพและการควบคุมแรงดันไฟฟ้า

สายส่งไฟฟ้ามีปฏิกิริยาเหนี่ยวนำในตัวเนื่องจากความยาวและลักษณะของตัวนำ ในขณะที่ปฏิกิริยาเหนี่ยวนำที่มากเกินไปทำให้แรงดันไฟฟ้าตกตลอดแนวสาย ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับสายส่งไฟฟ้าจะสร้างปฏิกิริยาเก็บประจุ (-XC) ซึ่งจะหักล้างปฏิกิริยาเหนี่ยวนำ (+XL) บางส่วน ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานโดยรวมของสายและปรับปรุงระดับแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทางรับไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมช่วยรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าในระยะทางการส่งสัญญาณที่ไกล โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้เงื่อนไขโหลดสูง หากไม่มีการชดเชย แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงเนื่องจากความเหนี่ยวนำของสายอาจนำไปสู่ความไม่เสถียรและแหล่งจ่ายไฟที่ไม่มีประสิทธิภาพ ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมช่วยเพิ่มเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าโดยป้องกันแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงที่เหนี่ยวนำ

4) ปรับปรุงเสถียรภาพชั่วคราว

เมื่อเกิดการรบกวน (เช่น ความผิดพลาด การเปลี่ยนแปลงโหลด) สายส่งจะเกิดการสั่นของกระแส ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมช่วยเพิ่มเสถียรภาพชั่วขณะโดยเพิ่มค่ากำลังไฟฟ้าแบบซิงโครนัส ลดโอกาสที่ระบบจะไม่เสถียรและไฟดับ

นอกจากนี้ ความผันผวนของพลังงานอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากระบบขัดข้อง ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมช่วยทำให้ความผันผวนเหล่านี้คงที่โดยเปลี่ยนไดนามิกของกระแสไฟฟ้าและปรับปรุงเสถียรภาพของการเปลี่ยนแปลงชั่วขณะ

5) ลดผลกระทบของเฟอร์รานติ

ในสายส่งไฟฟ้าที่ยาวมาก แรงดันไฟฟ้าที่รับอาจสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ส่งภายใต้เงื่อนไขโหลดเบา เนื่องจากกระแสไฟชาร์จและความจุของสายไฟฟ้าที่มากเกินไป ผลกระทบนี้เรียกว่า "ผลกระทบเฟอร์รันติ" ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมจะชดเชยผลกระทบนี้โดยปรับสมดุลกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟในระบบ

ในกรณีที่เกิดผลเฟอร์รานติ ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่เหมาะสมจะถูกเพิ่มเข้าไปในวงจรเพื่อให้ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทางรับกลับมาเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ปลายทางส่ง

เพื่อต่อต้านผลของเฟอร์รันติ จึงมีการเพิ่มตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่เหมาะสมเข้าไปในวงจรเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่คอลเลกเตอร์

ในทางกลับกัน เมื่อแรงดันไฟฟ้าปลายทางรับต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าปลายทางส่ง ตัวเก็บประจุจะถูกใช้เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า กระบวนการนี้เรียกว่าการชดเชย VAR แบบคงที่ ซึ่งตัวเก็บประจุคงที่จะถูกเชื่อมต่อขนานกับตัวเหนี่ยวนำเพื่อปรับปรุงค่ากำลังไฟฟ้า

การประยุกต์ใช้ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมในสายส่งไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมมักใช้ใน:

• สายส่งไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้าพิเศษสูง (EHV) และแรงดันไฟฟ้าสูงมาก (UHV) (สูงกว่า 220 กิโลโวลต์)
• สายส่งไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูง (HVAC) ระยะไกลเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งไฟฟ้า
• FACTS (ระบบส่งไฟฟ้ากระแสสลับแบบยืดหยุ่น) เพื่อชดเชยความผันผวนของระบบไฟฟ้าอย่างไดนามิก

ข้อเสียของตัวเก็บประจุแบบอนุกรม

แม้ว่าจะมีข้อดีหลายประการ แต่ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมก็มีข้อเสียบางประการเช่นกัน:

• แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะสูง: กระแสไฟฟ้าผิดพลาดอาจทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะสูงข้ามตัวเก็บประจุ ซึ่งต้องใช้วงจรบายพาส พิกัดของตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมจะต้องเพียงพอที่จะรับกระแสไฟฟ้าโหลดเต็มอย่างต่อเนื่อง เนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้าสูงมากที่เกิดขึ้นข้ามตัวเก็บประจุในขณะที่เคลียร์กระแสไฟฟ้าผิดพลาด
• ความเสี่ยงต่อแรงดันไฟเกิน: การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในสภาวะของระบบอาจทำให้ตัวเก็บประจุเกิดแรงดันไฟเกิน ซึ่งจำเป็นต้องใช้ระบบป้องกัน เช่น วาริสเตอร์ออกไซด์โลหะ (MOV) ตัวเก็บประจุจะต้องได้รับการจัดระดับให้ทนต่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจรได้จนกว่าอุปกรณ์ป้องกันจะทำงานได้ตามปกติเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาด แรงดันไฟฟ้าสูงบนตัวเก็บประจุระหว่างการแก้ไขข้อผิดพลาดอาจทำให้ตัวเก็บประจุทำงานล้มเหลวได้
• การใช้งานที่จำกัดในระบบ DC: เนื่องจากความเป็นไปได้ที่ตัวเก็บประจุจะล้มเหลวในระหว่างไฟฟ้าลัดวงจร จึงนิยมใช้ตัวเก็บประจุแบบบายพาสแทนตัวเก็บประจุแบบอนุกรม ตัวเก็บประจุแบบอนุกรมไม่ค่อยได้ใช้ในระบบ DC เพื่อลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความเหนี่ยวนำ
• การสั่นพ้องแบบไม่ซิงโครนัส (SSR): ปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวเก็บประจุแบบอนุกรมและเครื่องจักรที่หมุน (เช่น กังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) อาจทำให้เกิดการสั่นพ้องแบบไม่ซิงโครนัส (SSR) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่การสั่นพ้องต่ำกว่าความถี่ของระบบ (50/60 เฮิรตซ์) จะส่งผลให้เกิดความเสียหายทางกล เช่น เพลาโรเตอร์แตกร้าว และการสั่นพ้องที่ไม่ต้องการพร้อมผลกระทบจากฮาร์มอนิก
• ข้อกำหนดการบำรุงรักษา: ระบบตัวเก็บประจุแบบซีรีส์ต้องมีการตรวจสอบและบำรุงรักษาเป็นประจำเพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลว

‍