emo kuvvetli akım

eki t ap

T URGUTODABAŞI

EL EKT Rİ KKUVVET L İAKI M( 4) GÜÇ KAL İ T ES İ

* ÜÇ KAL İ T ES İ Nİ DÜŞ ÜRENŞ EBEKEBOZ UKL UKL ARI NI N NEDENL ERI VEÇÖZ ÜML ERİ * GERİ L İ M ÇÖKMES İ VEKES İ L MES İ * ENDÜS T Rİ YELŞ EBEKEL ERDEKİ KARI Ş I KL I KL AR * GERİ L İ M OYNAMAL ARI * YÜKL ERİ Çİ NUYGUL AMA *EL EKT Rİ KS İ S T EML ERİ NDEOL UŞ ANHARMONİ KL ER

EMO YAYI NNO: EK/ 2011/ 11

T MMOB E l ekt r i kMühendi s l er i Odas ı

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM (4) Güç Kalitesi Notları Derleyen: Aydın Bodur Emre Metin Notları Yayına Hazırlayan: Aydın Bodur Hakkı Ünlü M.Turgut Odabaşı’na Saygılarımızla

Elektrik Kuvvetli Akım Notları, Turgut Odabaşı’nın Elektrik Tesisat Mühendisleri Dergisinde yayınladığı yazılardan, ‘Elektrik Kuvvetli Akım Tesisat El Kitabı’ ile her bölümün sonunda belirtilen ABB, Schneider, Chevron, NAFVAC ve Siemens’in hazırladığı İmalat, Bakım, Montaj El kitaplarından EMO için derlenmiştir.

1

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM (4): Güç Kalitesi

Notları Derleyen: Aydın Bodur Emre Metin Notları Yayına Hazırlayan: Aydın Bodur Hakkı Ünlü

621.31906 BOD 2011 Elektrik Kuvvetli Akım: Güç Kalitesi / Elektrik Mühendisleri Odası-1.bs-ankara,2011 114 s.;24 cm ISBN 978-605-01-0061-7 (EK/2011/11) Elektrik

Elektrik Kuvvetli Akım Notları, Turgut Odabaşı’nın Elektrik Tesisat Mühendisleri Dergisinde yayınladığı yazılardan, ‘Elektrik Kuvvetli Akım Tesisat El Kitabı’ ile her bölümün sonunda belirtilen ABB, Schneider, Chevron, NAVFAC ve Siemens’in hazırladığı İmalat, Bakım, Montaj El kitaplarından EMO için derlenmiştir.

2

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

İÇİNDEKİLER GIRIŞ 8 4.1. GÜÇ KALITESINI DÜŞÜREN ŞEBEKE BOZUKLUKLARININ NEDENLERI VE ÇÖZÜMLERI 8 4.1.1. Frekans değişimleri 8 4.1.1.1. Frekans değişiminin nedenleri 8 4.1.1.1. Ana etkileri 8 4.1.1.1 Çözüm 8 4.1.2. Hızlı gerilim değişimleri 9 4.1.3. Gerilim çökmesi 9 4.1.4. Uzun ve kısa süreli güç kaybı 10 4.1.5. Gerilim dengesizliği 11 4.1.6. Aşırı gerilimler 12 4.1.6.1. Aşırı gerilimlerin nedenleri 12 4.2. Gerilim çökmesi ve kesilmesi 12 4.2.1. Yüksek değerde yüklenmenin neden olduğu gerilim çökmeleri 13 4.2.2. Şebekede oluşan hatalardan dolayı gerilim çökmeleri 15 4.3. Endüstriyel şebekelerdeki karışıklıklar 16 4.4 Gerilim oynamaları 16 4.4.1. Gerilim oynamalarının kaynakları 19 4.4.2. Faz sistemdekisimetrisizlik: dengesizlik 20 4.5. Fliker olayını azaltma çareleri 21 4.5.1. Aydınlatma tarzının seçimi 21 4.5.2. Kesintisiz güç kaynakları UPS 22 4.5.3. Volan kullanılması 22 4.5.4. Döner konverter 22

3

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.5.5. Şebekenin düzenlenmesi 22 4.5.6. Seri kapasitör 23 4.5.7. Seri reaktör 23 4.5.8. Satüre olmuş şönt reaktör 24 4.5.9. De-kuplaj reaktörler 25 4.5.10. Senkron kompanzatör 26 4.5.11. Faz konvertörleri 26 4.5.12. SVC - statik var kompanzatörü 28 4.6.1. Şebeke stabilitesi 32 4.6.2. Kararlı hal stabilitesi 32 4.6.3. Geçici durum stabilitesi 33 4.6.4. Dinamik durum stabilitesi 33 4.6.5. Dinamik stabilite araştırmaları 33 4.7. Bir endüstriyel elektrik şebekesinin davranışı 33 4.7.1. Pasif yükler 34 4.7.2. Güç elektroniği cihazları 34 4.7.3. Transformatör ve kablolar 34 4.8. Asenkron makinalar 34 4.8.1. Düşük gerilimlerin etkisi 35 4.9. Endüstriyel şebekede dinamik stabilite Araştırmanın amacı 36 4.10. Stabilitesizliğin nedenleri 38 4.10.1. Elektriksel özellikler 38 4.10.2. Şebeke yük değişimleri 38 4.10.3. Elektriksel hatalar 38 4.10.4. Şebeke yapısı ve işletme tarzı 38 4.11. Stabilitesizliğin etkileri 39 4.11.1. Döner makinalar üzerinde 39 4.11.2. Şebekede 39 4.12. Stabiliteyi koruma 40 4.12.1. Jeneratörlerde uygulama 40 4.12.2. Şebekelere uygulama 40 4

araştırması 36

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.12.3. Yükler için uygulama 40 4.13. Alçak gerilim TN sistemlerinin dengesiz yüklenmesi ve nötr kararsızlığının getirdiği problemler ve çözümleri 41 4.13.1. Giriş 41 4.13.2. Alçak gerilim TN sistemlerinin simetrisiz yüklenmesi 42 4.13.3. 3-fazlı simetrik dengesiz yüklü sistemde fazlardan birinde toprak hatası meydana gelmesi 50 4.13.4. Nötr hattının direncinin yüksek değer alması 53 4.13.5. Dengesiz yüklenmede nötr iletkeninin kopması veya açılması 59 4.13.6. Üç fazın dengesiz yüklenme durumunda nötr hattının açılması 62 4.13.7. Dengesiz yüklemede nötr hattının açılmasıyla tüketicilere uygulanan faz-nötr gerilimleri 63 4.13.8. Sonuçlar 65 4.14. Elektrik sistemlerinde oluşan harmonikler 65 4.14.1. Lineer olmayan yükler 66 4.14.2. Harmoniklerin bozucu etkileri 67 4.14.3. Harmonik distorsiyonların temel göstergeleri ve ölçüm prensipleri 69 4.14.4. Harmoniklerin dağıtım sistemlerinde ana etkileri 71 4.14.5. Harmoniklerin ana kaynakları 74 4.14.7.Transformatörde harmonik etkilerden dolayı yeniden değerlendirme faktörü 82 4.14.8.Besleme şebekesinde harmonik akımların ve gerilimlerin belirlenmesi için metot 84 4.14.9 3 ve 3’ün katları harmoniklerin özel durumu 90 4.14.10. Süperpozisyon teoremi 97 4.14.11. Farklı lineer olmayan yükler ortaya çıkan eşit harmonik sayıların toplanması 99 5

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.14.12. Harmonik değerler üzerine şebeke empedanslarının etkisi 100 4.14.13. Harmoniklerin hesaplanması için uygulanan metotlarda ortaya çıkan sonuçlar 102 4.14.14. İmalatçıların kabulleri 102 4.14.15. İmalatçı verilerini kullanarak harmonik akımların ve cos ϕ 1 değerlerinin hesabı 103 4.14.16. Elektrik cihazları üzerinde harmonik etkileri ve bu etkileri inceleme metotları 113 4.14.17. İletkenlerdeki kayıplar 118 4.14.18. Nötr hattının 3. harmonik akımları ile yüklenmesi 123 4.14.19. Tesis ekipmanlarının üzerindeki aşırı yükler 128 4.14.20. Ekipmanların aşırı boyutlandırılması 128 4.14.21. Gereksiz açtırmalar ve tesisin gereksiz olarak devre dışı olması 129 Harmonikleri azaltmak için çözümler 129 4.14.22. Topraklama için uygun sistem seçimi 131 4.14.23. Sınır değerler aşıldığında çözümler 131 4.14.24. Seçim kriterleri 135 4.14.25.3. 3. Harmonik filtresinin yerleştirilmesi (THF) 136 FAYDALANILAN KAYNAKLAR 141 SON SÖZ 141

6

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

7

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

GİRİŞ Elektrik enerjisi, ticari ve endüstriyel alanda en çok kullanılan üründür. Sürekli devrede olması gereken bir kullanım malzemesidir. Depolanması çok zor ve çok pahalıdır, dolayısıyla elektrik enerjisi bulunduğu an için geçerli olan bir emtiadır. Söz konusu zamanında kullanım ve en yüksek verimliği sağlamak için özellikle ekipmanların tasarım özelliklerine göre elektrik enerjisinin çok iyi bir kontrol edilmesi, elektrik enerjisi üreticisine ve dağıtıcısının şartnameler ve standartlara göre üretim ve dağıtım yapması ve çok yüksek bir güvenilirlikte olması gerekmektedir.

4.1. GÜÇ KALİTESİNİ DÜŞÜREN ŞEBEKE BOZUKLUKLARININ NEDENLERİ VE ÇÖZÜMLERİ 4.1.1. FREKANS DEĞİŞİMLERİ 4.1.1.1. FREKANS DEĞİŞİMİNİN NEDENLERİ • • • •

Ulusal şebekede genel yüklenmeye bağlı frekans değişimleri, Bağımsız jeneratör grup işletmelerinde ani yüklenmelerden veya yük atmalardan meydana gelen frekans değişimleri, Yüklenme seviyesine göre jeneratör gruplarının regülatör karakteristiklerine bağlı olarak gelişen frekans değerleri.

4.1.1.1. ANA ETKİLERİ • •

Motor hızındaki değişiklikler, Elektronik ekipmanlarda ortaya çıkan fonksiyon bozuklukları.

4.1.1.1 ÇÖZÜM •

Frekansın izin verilen sınırların üstünde ve altında değer alması durumunda sıfır saniyede yükü üzerine alacak statik veya dinamik UPS kullanmak.

8

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.1.2. HIZLI GERİLİM DEĞİŞİMLERİ 4.1.2.1. HIZLI GERİLİM DEĞİŞİMLERİNİN NEDENLERİ •

• • •

Besleme şebekesinin yetersizliği (yükün veya yüklerin bağlandığı noktada kısa devre gücünün artan yükler karşısında yetersiz kalması veya güç beslemesinde otomatik gerilim regülasyon sisteminin bulunmayışı), Ark ocakları, Kaynak makinaları, Yük darbeleri..

4.1.2.2. ANA ETKİLERİ • •

Aydınlatmada fliker (kırpışma), Motor momentinde ve hızındaki değişiklikler..

4.1.2.3. ÇÖZÜM •

• •

Şebeke kısa devre gücünü arttırma (Gereken güç kalitesini gerçekleştirmek amacıyla şebeke konfigürasyonun uygun şeçilmesi, transformatör ve jeneratörlerin nominal değerlerden daha yüksek değerlerde boyutlandırılması ve güçlerinin daha tüksek seçilmesi, besleme geriliminin yüksek seçilmesi, bağlantı hatlarının kesitlerinin yüksek seçilmesi) Tesisin konfigürasyonunu değiştirme (gücü değişen yükler ile kararlı güce sahip yüklerin besleme devrelerinin ayrılması), Besleme sisteminde otomatik kademe değiştiricili transformatörün kullanılması..

4.1.3. GERİLİM ÇÖKMESİ

4.1.3.1. GERİLİM ÇÖKMESİNİN NEDENLERİ • • •

Besleme şebekesinin yetersizliği (Şebeke kısa devre gücünün yetersizliği, hatalı şebeke konfigürasyonu), Yüksek yük talebi, Dış ve iç hatalar,

9

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

•

Ani yüklenme veya ani yük atma (jeneratörün ani yüklenmesini veya ani yük atmayı tolere edecek yeterli hızda gerilim regülasyon sisteminin bulunmayışı)..

4.1.3.2. ANA ETKİLERİ • • • • • • •

Deşarj lambalarının sönmesi, Regülatörlerde yanlış çalışma, Motorlarda aşırı hız düşmesi veya motorların durması, Kontaktörlerin devre dışı olması, Dijital elektronik sistemlerde rahatsızlıklar, Elektronik sistemlerde fonksiyon hataları, Düşük gerilim koruma cihazının çalışarak ekipman ya da ekipmanları veya sistemin bir bölümünü ya da tamamını servis dışı bırakması..

4.1.3.3. ÇÖZÜM • • • •

Statik veya dinamik UPS kullanmak, Besleme sisteminin kısa devre gücünün arttırılması, Şebekeler için alternatif besleme kaynaklarının kullanımını sağlayacak konfigürasyon değişikliği, Sıfır saniye transfer süreli statik ve ya dinamik UPS sistemlerinin tesis edilmesi,

4.1.4. UZUN VE KISA SÜRELİ GÜÇ KAYBI

4.1.4.1. UZUN VE KISA SÜRELİ GÜÇ KAYBININ NEDENLERİ • • • •

Besleme şebekesi, Tekrar kapama işlemleri, İç hatalar, Besleme kaynaklarının devereye girme ve çıkma olayları..

4.1.4.2. ANA ETKİLERİ • •

Çalışan ekipmanların durması, Tesisin servis dışı olması, 10

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

• • •

Üretim kayıpları, Kontaktörlerin açılması, Çeşitli hatalı çalışmalar..

4.1.4.3. ÇÖZÜMLER • • • •

Sıfır saniye transfer süreli dinamik veya statik UPS kullanmak, Bağımsız stand-by jeneratör veya tüm sistem yükünü üzerine alacak yardımcı jeneratör grupları, Şebeke yapı şeklinin değiştirilmesi, Enerji sürekliliğini sağlayarak, bakımın, tesisin minimum bölümde ve minimum sürede kesintiyi gerçekleştirecek bakım planlarının hazırlanması.

4.1.5. GERİLİM DENGESİZLİĞİ 4.1.5.1. GERİLİM DENGESİZLİĞİNİN NEDENLERİ • • •

Besleme şebekesindeki dengesizlikler, Tek fazlı veya iki fazlı dengesiz yüklenme, Sistemde oluşan faz-toprak hataları veya bir fazın açılması..

4.1.5.2. ANA ETKİLERİ •

Alternatör, motor ve transformatör gibi 3-fazlı cihazlarda aşırı ısınma.

4.1.5.3. ÇÖZÜMLERİ • •

•

Besleme devresinde kısa devre güçlerinin arttırılması, Şebeke yapısının değiştirilmesi (Tek fazlı yüklemede dengesiz yüklemeyi önlemek amacıyla özel yapıda Scott transformatörlerinin ve tek fazlı yüklenmeleri 3-fazlı sistemin fazlarına eşit dağıtacak Steinmetz bağlantılarının kullanılması), 3- fazlı dengeli yüklemenin sağlanması,

11

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.1.6. AŞIRI GERİLİMLER 4.1.6.1. AŞIRI GERİLİMLERİN NEDENLERİ • • • •

Yıldırım isabeti, Açma kapama işlemleri, İzolasyon hataları sonucu ortaya çıkan faz-toprak hataları, Kapasitif etkinin yüksek olduğu orta ve uzun besleme hatları üzerinden enerji alan ve bu hatların taşıma kapasitelerinin çok altında güç çeken sistemlerde faz gerilimlerinden birisinin kaybolması veya besleme sisteminde yüksek harmoniklerin bulunması nedeniyle ortaya çıkan ferrorezonans ve rezonans olayları..

4.1.6.2. ANA ETKİLERİ • • • •

Ekipmanların, tesisin devre dışı olması İşletmenin durması Ekipmanların tahrip olması Ekipmanların izolasyonunda hızlı yıpranma

4.1.6.3. ÇÖZÜMLERİ •

Yıldırım deşarjında aşırı gerilimin yıkıcı etkilerine karşı korumayı sağlamak amacıyla ekipmanların aşırı gerilim dayanım seviyelerine uygun darbe koruyucuların kullanılması, • Seçici koruma sağlananarak toprak hatasının hızlı bir şekilde ortadan kaldırılması, • Ferrorezonansı önlemek amacıyla gerilim ölçü transformatörunun sekonder sarğıları üzerine omik direç bağlanması. (Bkz. Koruma, kontrol ve izleme sistemleri bölümü)

4.2. GERİLİM ÇÖKMESİ VE KESİLMESİ Elektrik güç sisteminin herhangi bir noktasında gerilimin aniden azalması ve belirli bir periyot sonunda tekrar toparlanmasıdır. Kısaca gerilim çökmesi, beslenen yükler için gereken enerjinin temin edilememesi durumur. IEC 61050-161 e3’e göre gerilim çökmesi, efektif değerinin yarıya düşmesi olarak karakterize edilir ve algılanır. Frekans könvertörleri dahil olmak üzere, elektrik motorları ile tahrik sistemleri, temin edilen enerji miktarı gerilim seviyesinin belli bir değerin 12

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

altına düşmesine karşı hassastır. Birden fazla tahrik sistemlerinin bulunduğu sistemlerde, motor kontrol sistemleri gerilim kaybına karşı hassastır ve bu gibi durumlarda işletme, durma noktasına gelir. Veri toplama sistemleri de motor tahrik ünitelerinde olduğu gibi gerilim çökmelerine karşı çok hassastır; bu gibi durumlarda işletme, servis dışı olur. Gerilim çökmesi, iki parametre ile karakterize edilir. • Derinlik ∆U • Süre ∆T Gerilim kesilmesi, gerilim çökmesinin özel bir şekli olup; sadece süre ile karakterize edilirler. Orjinleri • Şebeke empedansındaki değişikliklerin neden olduğu yüksek akımlar, • Taşıma hatları ve dağıtım şebekelerinde meydana gelen kısa devre arızaları, • Motorların yol alması,ark fırınlarının devreye girmesi esnasında şebekeden çekilen yüksek güçler,

4.2.1. YÜKSEK DEĞERDE YÜKLENMENİN NEDEN OLDUĞU GERİLİM ÇÖKMELERİ Yüksek güçlü ve geniş tahrik sistemlerinin yol alması durumlarında, yol alma akımları frekans konvertörlü tahrik sistemleri hariç diğer yol vericili sistemlerde nominal çalışma akımlarının katları seviyesindedir. Besleme sistemleri ve bağlantı kabloları yol alma akımları, göz önüne alınmadan nominal çalışma akımına göre boyutlandırılmışsa; yüksek başlangıç akımları hem besleme sistemlerinde ve hem de tesiste, yüksek gerilim düşümlerine ve gerilim çökmelerine yol açarlar. Etkinin büyüklüğü, tesisin şebekeye bağlandığı noktadaki empedansın düşüklüğü esas alınarak şebekenin ne kadar kuvvetli olduğuna bağlıdır. Şebekenin büyüklüğü, tesisin şebekeye bağlandığı noktadaki, kısa devre gücü ile karakterize edilir. Bir şebekenin tesise yeterli olması için, tesisin darbe yükleri dahil olmak üzere tesisin geçici süre ile olsa bile şebekeyi en fazla yükleyebileceği gücün 20 katı veya daha fazla olması gerekir; başka bir ifade ile, şebeke kısa devre gücü, şebekeye gelecek darbe yükü dahil tüm devrede olan toplam güçlerin 20 katı bir değeri haiz olması gerekir. Söz konusu kısa devre gücünde gerilim düşümü en fazla %5 değerinde olacaktır.

13

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Tesisteki diğer problem ise kablo kesitini hatalı seçiminden kaynaklanan iç kablolamadaki çok yüksek dirençlerdir. Genellikle uzun kablo kesitleri belirlenmesinde yol alma akımları göz önüne alınmadan nominal çalışma akımları, esas alınarak yapılan kablo kesit hesaplarında belirlenen kablo kesitlerinde bu durum ortaya çıkmaktadır. Bu gibi durumlarda optimum çözümü ve yol alma akımlarının değerini azaltmayı sağlamak amacıyla • Yol verme sisteminin gereklilikleri göz önüne alınarak soft starter kullanmak, • Seçilen yol verecilerin tipine bağlı olarak ortaya çıkan yol alma akımları esas alınarak bağlantı hatlarının kesitlerini tayin etmek, • Düşük yol alma akımına sahip motor kullanmak, • Yıldız-üçgen, stator enerji giriş devresine direnç bağlayarak, oto transformatör kullanmak gibi azaltılmış gerilimle yol verme sistemleri kullanmak; bu durumda kullanılacak yol verme sistemi gerekli yol alma momentini ve hızlanma momentini sağlamalıdır. Zira motor momenti azalan gerilimin karesi ile düşmektedir, • Motora yol vermek için daha yüksek kısa devre gücüne sahip besleme kaynağı kullanmak; bu gibi kaynaklar düşük empedansa sahip olup sistemde yüksek gerilim düşümleri meydana getirmeden büyük yol alma akımlarının akmasını sağlarlar, • Motorun, büyük nominal güç değerine ve daha düşük nominal nisbi kısa devre gerilimine sahip transformatör üzerinden beslemek; bu sayede gerilim düşümünün önemli bir bölümünün meydana geldiği transformatörda yüksek yol alma akımlarının meydana getireceği gerilim düşümleri transformatörun iç empedansı azalacağından önemli ölçüde azaltılır, • Yol verme esnasında motor tarafından çekilen ve yol alma akımının büyük bir bölümünü teşkil eden reaktif akımları ortadan kaldırmak için yol verme süresince motor terminallerine kapasitör grupları bağlamak; bu düzenlemeyle yol alma sırasında şebekeye uygulanan akım darbeleri büyük ölçüde azaltıldığı gibi aynı zamanda gerilim düşümleri önemli derecede azaltılır, • Motora yol vermek için frekans konvertörü soft starter olarak kullanılabilir; motorda frekans konvertörü kullanarak yol alma darbe akımının tamanına yakın kısmı ortadan kaldırılır; ancak bu sistem çok pahalı olup hız ayarı gerektirmeyan sistemlerde pahalı oluşundan dolayı tavsiye edilmez (Bu konularda detayli bilgilere Elektrik motorlarının besleme devresinin boyutlandırılması bölümünden ulaşılabilir). 14

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.2.2. ŞEBEKEDE OLUŞAN HATALARDAN DOLAYI GERİLİM ÇÖKMELERİ

Şekil 4.1. Elektrik sisteminde oluşabilecek hatalar Dağıtım şebekelerinin yapısı oldukca karmaşıktır. Şebekenin diğer bir bölümünde meydana gelen hatadan dolayı tesisteki gerilim çökmesinin boyutu şebeke topolojisine ve hatanın relative kaynak empedansına bağlıdır. Bu durum yukarıda verilen Şekil 4.1. yardımıyla açıklanacaktır. F3 noktasında meydana gelen hatada 3. yükün gerilimi %0 seviyesine düşecektir; 2. yük de %64 ve 1. yük de %98 seviyesinde olacaktır. Görüleceği üzere F3 deki hata da, Yük 3 ve 2’de ki düşük gerilim koruma sisteminin çalışması sonucunda hizmet dışı olacak; Yük 1 çalışmaya devam edecektir. F1 noktasında ki hata halinde tüm yükler için gerilim seviyesi, %0 olacak ve tüm yükler hizmet dışı olacaktır . Görüleceği üzere hata, ne kadar kaynağa yakın olursa o oranda sahayı etkileyecektir. Gerilim çökmesinin süresi, koruma sistemlerinin hatayı algılama ve hatalı bölümü ayırma süresinin toplam zamanına bağlıdır. Bu süre genellikle birkaç yüz milisaniye civarındadır. Hat üzerinde branşman devrelerinden birinde hata oluşması gibi durumlarda, hata ortaya çıktıktan sonra çok kısa bir 15

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

sürede hata temizlenirse bu tip hatalara geçici hata denir. Bu gibi durumlarda tekrar kapama cihazları vasıtasıyla sistem devreye alınarak kesinti süresinin azaltılması yoluna gidilir.

4.3. ENDÜSTRİYEL ŞEBEKELERDEKİ KARIŞIKLIKLAR Endüstriyel şebekeyi etkileyen karışıklıkların tipleri dört kategoride gruplandırılabilirnir. Bunlar gerilimin büyüklüklerindeki değişiklikler, sinüs dalga şeklindeki değişiklileri, 3-faz sistemdeki dengesizlikler ve frekansın 50 Hz değerinden sapmasıdır. Frekans değerlerinin oynaması: Frekans değişimi enerji temin edilen şebekenin yapısına ve gücüne bağlıdır. Genel dağıtım şebekeleri: Genel dağıtım şebekelerinde freakans oynamaları nadir olarak enerji üretim istasyonlarını birbirleri ile birleştiren ana taşıyıcı hatlarda ciddi bir problem olduğunda ortaya çıkar. Bu tip karışıklıklar dikkate değer bir şekilde eğer elektrik enerjisinin tüketimi ile üretimi arasında uzun süre dengesizlik olduğunda ortaya çıkar. Oto prodüktör: Enerji üretimi tarafından beslenen bağımsız şebeke durumudur. Bu işletme tarzlarında yüklerde olacak yüksek değerli değişimler, frekansta değişimlere neden olacaktır. Bu gibi endüstriyel sistemi besleyen şebekelerde frekans değişiminin ± 4 %. oması istenir.

4.4 GERİLİM OYNAMALARI Gerilim oynamaları (fliker) periyodik veya rastgele gerilimin gerilim zarfı içinde sürekli oynamasıdır. Bu oynamaların büyüklüğü nominal gerilim değerinin %10 undan daha aşağıdadır. U

U

t

Şekil 4.2: Gerilim oynamalarına ait örnekler 16

t

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Bu tip gerilim oynamaları, fliker olarak bilinir ve çoğunlukla aydınlatma şebekeleri üzerinde kendini hissettirir. Fliker aydınlatma cihazının parlaklığı ve rengindeki oynamalardan dolayı görüş hassasiyetindeki stabilitesizlik olarak tanımlanır. IEC 1000-2-2 ye göre izin verilen fliker eğrileri ve frekans değişimi ile ilgili maksimum gerilim değişiklikleri büyüklükleri Şekil 4.3 de verilmiştir. Herhangi bir besleme hattında yük sonundaki gerilim bu yükü besleyen kaynağın geriliminden farklıdır. Bu durum şekil 4.4-a’da verilen devrede görüldüğü gibidir. Gerilim farkları ile ilgili ifadeler şekil 4.4-b’de fazör diyagramı türetilerek açıklanmıştır.

Şekil 4.3: Frekans değişimi ile ilgili maksimum değişimin büyüklüğü

17

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şekil 4.4: Besleme şebekesinin 1-faz için eşdeğer devresi ve direnç – endüktif yük için fazör diyagramı Basit geometrik kurallar uygulanarak aşağıdaki ifadeler yazılır.

E − U 0 ∆U P Q P Q ≈ = RS . 2 + U S . 2 ≅ RS . 2 + U0 U0 U0 U0 U 0 S SCB E Besleme kaynağının gerilimi,

U 0Yük terminallerindeki gerilim, I 0Akım, Z S , RS , X S Hatla ilgili empedans, reaktans ,direnç değerleri, P, Q Yükün aktif ve reaktif güçleri, S SCBYükün bağlandığı noktada kısa devre gücü (Yüklerin ana besleme baralarına bağlanma durumunda S SCNşebeke kısa devre gücüdür),

18

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

X > 10.RS olduğu durumlarda hat direnci ihmal edilerek hattın sonundaki

gerilim değişimi, ∆U = QS ifadesi ile belirlenebilir. U0 S SCB Elektirk motorunu besleyen barada dinamik stabilitenin sağlanması için motor yol alma sırasında %10 gerilim düşümünü sağlanması bara kısa devre gücünün

S SCB (MVA) ≥

QS (MVAR ) 0,1

olması

ile

gerçekleştirilir.

QSelektrik motorununun yol almada çektiği gücün reaktif kısmıdır.

Özellikle asenkron motorların doğrudan yol almasında ve ark ocaklarının eritme safhalarında şebekeden çekilen darbe yüklerinin çok büyük bir kısmı endüktif reaktifdir. Örnek : Şebekeden 2,1 MVA elektriksel güç çeken elektrik motoru yol alma süresinde şebekeden yaklaşık olarak 10 MVA yük çeker.. Yol alma sırasında MVAR. Yol Cosϕ = 0,35 ve Sinϕ = 0,94 dür. QS = S S . .Sinϕ = 10.0,94 = 9,4 alma sırasında %10 gerilim düşümünün sağlanması için gerekli kısa devre gücü S (MVA) ≥ QS (MVAR ) = 9,4 = 94MVA SCB 0,1

yüksek değerde olmalıdır.

değerine eşit veya daha

0,1

4.4.1. GERİLİM OYNAMALARININ KAYNAKLARI Ark ocakları, değirmen tahrikleri, gibi beslemeye bağlandığı noktada kısa devre kapasitesine göre, güç değişim değerinin yüksek seviyede olduğu yükler, genellikle gerilim oynamalarına neden olurlar. Ayrıca asenkron motor, kaynak makinaları, boylerler, elektrikli testere ya da çekiçler, pompalar, kompresörler, kreynler, asansörler gibi yükler; özellikle devreye girme sırasında veya çalışırken oluşan yük değişimlerinde önemli derecede gerilim oynamalarına, yani flikere neden olurlar. Diğer taraftan kaynak empedansının endüktif bileşeninin değiştiği tranformatör yükte kademe değiştirciler, kondansatörün anahtarlanması, gerilim oynamalarının oluşma nedenlerindendir. Bu arada elektrik üretim tesislerindeki yük değişimleri esnasında da gerilim oynamaları meydana gelir. Gerilim oynamalarının elektrik tesisleri üzerindeki etkileri 19

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Güç sistemindeki gerilim oynamaları, önemli derecede maliyetlere neden olan üretimin kesilmesi ve hasar derecesi yüksek olabilen teknik etkileri ortaya çıkarır. Bununla beraber flikerin fizyolojik etkisi, üretim çevresinin ergonomisini etkilediğinden, işletmecinin yorulmasına ve konsantrasyon seviyesinin azalmasına neden olur. Buna ilave olarak, kontaktör ve rölelerin düzensiz çalışması, kontaktörlerin tahrip olmasına ve üretim prosesinde uzun süreli ve hasarlı kesintilere neden olur. Asenkron motorların terminallerinde gerilim oynamaları, motor momentinde ve kaymasında yani devir hızında değişimlere yol açar ve sonuçta üretim prosesini etkiler. Gerilim oynamalarının DC taraftan parametre kontrollu doğrultucuda güç faktörünün azalmasına ve herhangi bir karakteristiği haiz olmayan harmoniklerin ve interharmoniklerin üretilmesine neden olur. İnverter modunda sürücünün kesilmesi halinde komutasyon hatası meydana gelir ve sonuçta sistem elemanları zarar görür.

4.4.2. FAZ SİSTEMDEKİ SİMETRİSİZLİK: DENGESİZLİK 3-faz sistemlerde dengesizlik 3-fazlı sistemin gerilimlerinin büyüklüklerinin 0 arasında eşitsizliğin olması veya fazların birbirlerine göre faz açılarının 120 olmaması durumlarında meydana gelir. Dengesizliğin değeri negatif bileşen

V değeri ile pozitif bileşenin değeri arasındaki τ = ( 2 ) oranı ile ifade edilir. V(1)

Pratikte, Yaklaşık dengesizlik değeri aşağıdaki oranla elde edilir.

=

Burada

max U k −U ort k

U ort U +U2 +U3 U ort = 1 3

U k :U1,U 2 veya U 3

Uygunluk seviyesi Bir cihaz üzerinde olabilecek maksimum bozunma seviyesini gösterir. IEC 1000-2-4 standardı endüstriyel şebekelerde Tablo 1’de gösterildiği gibidir. Uygunluk seviyesi, çevrenin farklı sınıfları için verilir:

20

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Sınıf 1: Bu sınıf, koruma şebekelerinde uygulanır. Güç şebekelerinde olan rahatsızlıklara çok hassas olan cihazlarda göz önüne alınır. Örneğin teknolojik laboratuar enstrümantasyonları, bazı otomatik kontrol ve koruma ekipmanları ve bilgisayarlardır. Normal olarak bu cihazların UPS üzerinden beslenmesi gerekir. Sınıf 2: Bu, beslemenin kullanım noktasında ve iç şebekede uygulanır. Sınıf 3: Sadece iç şebekelerde uygulanır. Karışıklık

Sınıf 1

Sınıf 2

Sınıf 3

Gerilim değişiklikleri

± 8%

± 10%

+ 10% ila + 15%

Gerilim çökmesi

10% ila 100%

10% ila 100%

10 % ila 100%

f=50 Hz’de süre

10 ms

10 ms to 3s

10 ms ila 3 s

Gerilim dengesizliği

2%

2%

3%

Frekans değişiklikleri

± 1%

± 1%

± 2%

Tablo 4.1: AG ve OG endüstriyel şebekelerinde uygunluk seviyeleri

4.5. FLİKER OLAYINI AZALTMA ÇARELERİ Fliker olayını azaltmanın çeşitli yollarından biri: değişken yükün bağlandığı noktada yükün gücü esas alınarak kısa devre gücünü yükseltmektir. Bunu gerçekleştirmek için: • Bağlanacak hareketli yükün gücüne göre oldukca yüksek güçte transformatör seçmek (Transformatörün sekonder ana teminallerindeki kısa devre gücü darbe yükü +devrede olan yük toplamının 20 katı olması gerekir), • Yüksek nominal gerilim seviyesinde yük bağlamak, • Kendileri için tahsis edilen hatlardan yükleri beslemek, • 3- sargılı transformatör kullanarak kararlı yüklerle değişen yükleri ayrı sargılardan beslemek, • Hat empedansını düşürmek ve kısa devre gücünü arttırmak için seri kapasitörler kullanmak gerekir.

4.5.1. AYDINLATMA TARZININ SEÇİMİ 21

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Fliker olayı hassas aydınlatma araçlarından kaynaklanabilir. Öncelikli çözüm aydınlatma için doğru seçimi yapmaktır. Fluoresant veya civa buharlı gibi deşarj lambaların gerilim değişimlerine karşı hassasiyeti akkor telli lambalara göre iki veya 3 kat daha azdır. Fliker olayına karşı aydınlatma sistemleri için en iyi çözüm budur..

4.5.2. KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI UPS Fliker, kullanıcıların sadece kısmen bir grubunu etkilediği durumlarda temiz bir aydınlatma çıkışını sağlayabilmek için UPS kullanılır. Ancak bu belli bir bölüm için çözüm olabilmektedir. Bozucu kaynakların düzenlenmesi Fliker olayı bozucu yükün işletme süresini düzenleyerek azaltılabilir; eğer fliker, motorun doğrudan ve sıksık devreye alınmasından meydana geliyorsa devreye alma tarzı gerilimi düzenleyerek sağlanabilir.

4.5.3. VOLAN KULLANILMASI Motor yükünün değişmesi veya jeneratörün tahrik makinası gücünün değişmesi gibi bazı özel durumlarda gerilim oynamaları meydana gelebilir. Mil üzerine yerleştirilen volanın ataleti, bu oynamaları azaltır.

4.5.4. DÖNER KONVERTER Değişken yüklere güç sağlayan bir jeneratör-motor grubu eğer yükün aktif gücü nisbeten sabit ise geçerli bir çözümdür.ancak pahalı bir çözümdür.

4.5.5. ŞEBEKENİN DÜZENLENMESİ Şebeke yapısına bağlı olarak iki metot uygulanabilir:

- Bozucu yükler aydınlatma devresinden ayrılır (Ayrı bir devre üzerinden beslenir); - Empedans düşürülerek şebekenin kısa devre gücü arttırılır (Besleme hatları üzerine seri kondansatörlerin bağlanması). Bunları gerçekleştirmek için çeşitli yollar vardır.

22

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

- Aydınlatma devrelerini mümkün olduğu kadar enerji alış noktasına yakın ve ayrı bir hat üzerinden bağlamak; - Yükün beslendiği noktada toplam kısa devre gücünü arttırmak için ortak kullanılan transformatörün gücünü arttırmak; - Yükün beslendiği noktadaki kısa devre gücünü arttırmak için ortak transformatörün nisbi kısa devre gerilimini arttırmak; - Yükün beslendiği noktada kısa devre gücünü arttırmak için paralel olarak ekstra bir transformatör bağlamak; - AG şebekelerinde, bozucu yükün üst tarafındaki (besleme tarafındaki iletken kesitini artırmak; - Bozucu yükün bağlantısını YG tarafında yapmak; - Bozucu yükün bağlantısını ayrı bir transformatör üzerinden yapmak. 4.5.6. SERİ KAPASİTÖR Bozucu yükün ve flikere hassas devrenin bağlantı noktası besleme tarafına seri kapasitör bağlanarak gerilim oynamaları yarıya bölünebilir. Bu çözüm reaktif enerji istenildiğinde ekstra bir avantaj da sağlayacaktır. Diğer taraftan ancak kapasitörlerin enerji çıkış tarafının mutlaka kısa devreye karşı korunması gerekir.

Şekil 4.5: Şebekede seri kapasitör

4.5.7. SERİ REAKTÖR

23

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Ark ocakları için kullanılan bu çözümde fliker %30’a kadar azaltılabilir. Reaktör ocağın girişine şekildeki gibi bağlanır. Sakıncası, ark ocağı yük akımının reaktör üzerinden akması sonucunda reaktif enerji tüketimi artar.

Şekil 4.6: Seri reaktör.

4.5.8. SATÜRE OLMUŞ ŞÖNT REAKTÖR Fliker kaynağın mümkün olduğu kadar yakınına bağlandığında bu reaktör, nominal gerilimin üzerindeki, gerilim oynamalarını azaltır. Fakat nominal gerilimin altında satüre olamıyacağından, reaktör çalışmaz. Söz konusu reaktörün aşağıda açıklanan dezavantajlara sahiptir:

- Reaktif akım tüketirler, - Harmonik akım üretirler, - Daha fazla pahalıdırlar.

24

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Şekil 4.7: Satüre olmuş şönt reaktörler

4.5.9. DE-KUPLAJ REAKTÖRLER Bu proses 10 faktöre kadar gerilim oynamalarını azalmak için oldukca yüksek bir verime sahiptir. Fakat her şebeke konfigrasyonuna uygun değildir.

Şekil 4.8: Dekaplin reaktör.

25

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.5.10. SENKRON KOMPANZATÖR Bu çözümle gerilim oynamaları, %2-10 arasında ve modern elektronik sistemler kullanıldığında %30 a kadar azaltılır.

Şekil 4.9: Senkron kompanzatör

4.5.11. FAZ KONVERTÖRLERİ Tek fazlı hareketli yüklerden meydana gelen gerilim düşümlerini faz konverterleri, özel vektör gruplu veya Steinmetz köprülü döner makinalar ve transformatörler vasıtasıyla çok yüksek bir miktarda azaltmak mümkün olur. Bu bağlantı şekliyle tek fazlı yükler, 3-faza eşit dağıtılarak dengelenir. Steinmetz Bağlantısı

Şekil 4.10-a. Bir fazlı yük için Steinmetz bağlantısı Steinmetz bağlantısı bir fazlı yüklerin 3-fazlı sisteme dengeli bir şekilde bağlanması ve tek fazlı yüklerin 3-fazlı sisteme bağlantısı için kullanılır Burada Q1 = Q ,Q 2 = P ve QL = P olarak seçilecektir. 3 3 Q1 ve Q2 dengeleme kapasitörleri, QL dengeleme self endüktans bobini ve 26

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

P + j.Q tek fazlı yük. Eğer yük, omik karakaterli olup; endüktif bileşen bulunmuyorsa Q1 dengeleme kapasitörü bağlanmaz . Eğer besleme sistemine birden fazla tek fazlı yük bağlanacaksa bunlardan her biri için ayrı ayrı dengeleme bağlantısı yapmak yerine Şekil 4.10-b’ de gösterildiği gibi 1-fazlı yükler için kontaktörler vasıtasıyla devreye sokulup çıkartılan ve kontrol edilebilen dengeleme bağlantıları yapılması daha uygun olmaktadır. Gerek Şekil 4.10-a ve gerek Şekil 4.10-b’deki düzenekler, gerekli koruma düzenekleri ile donatılmalıdır. Enerji alış noktası 3- kutuplu açmayı sağlayacak koruma elemanı ile donatılmalı ve hata halinde kesinlikle 3kutuplu açma sağlanmalıdır. Eğer tek fazlı yüklerin aktif güçleri, P1, P2, P3 ,..PN ve reaktif güçleri ise Q1, Q2, Q3 ise; şekilde görüldüğü gibi fazlar arasına bağlanan kondansatörlerin güçleri her bir yük değeri için bağlanması gereken kapasitör güçleri için

Şekil 14.10-b: Faz arası beslemeye bağlanan bir fazlı yükü birden fazla yükleri dengelemek için kullanılan Steinmetz köprüsü Q11 = Q1 .....Q12 = Q2 ....Q13 = Q3 .........Q1N = QN

Q 21 =

P1

QL1 =

P1

....Q 22 =

P2

.....Q 23 =

3 3 Endüktansların güçleri için

3

.....QL2 =

P2 3

....QL3 =

P3 3

P3 3

..........Q 2 N =

......QLN =

PN

ve

3

PN 3

Sağlandığında 1-faz yüklenmede, gerek teker teker çalışma durumunda gerekse gruplar halinde çalışmada 3-fazda yüklenme dengesi sağlanmış olur. Eğer yüklerden bir veya birkaçı saf omik yük olursa, ilgili yüke karşı düşen C1N kondansatör bağlanmaz. Burada hangi yük devrede ise söz konusu yüke ait kondansatörler ve endüktanslar devreye girer. Burada KC12 .....KC1N ve KC21.....KC2N kapasitörlerine ait kontaktörler, KL1, ... KL1N endüktanslara ait köntaktörler ve KY1, ...KY1N yükleri devreye alan 27

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

kontaktörlerdir. Otomatik kumanda sistemi vasıtasıyla yükler ve bunları dengeleyecek kapasitör ve endüktanslar devreye alınır. Steinmetz bağlantıları, sabit güç çeken tek fazlı yüklerin 3-fazlı besleme sisteminde 3 faza eşit olarak dağıtımasını sağlamak üzere kullanılır. Yüklere ait aktif ve reaktif güçlerin oldukça yüksek oranlarda değişmesi durumunda statik VAR kompanzatörünün kullanılması önerilir.

4.5.12. SVC - STATİK VAR KOMPANZATÖRÜ Bu SVC cihazı reaktif güç kompanzasyonunu (telafisi) sağlamak üzere dizayn edilir; fakat bu arada fliker olayını %25-50 oranında azaltır. Bu faz, faz telafisi özellikle dengesiz tarzda çalışan ark ocaklarına ait reaktif güç telafisinde kullanılır. Bir kompanzatör olarak performansı çok iyidir. -

:

Teknik olarak

Çözüm

Bozucu bölümlerin yeniden düzenlenmesi Volan kullanılması Döner konverter Şebekenin yeniden düzenlenmesi Seri kapasitör Seri reaktör Satüre olmuş şönt reaktör. De kaplin reaktör. Senkron kompanzatör. Faz konvertörü Statik Var kompanzatörü uygun değil + : mümkün

Hareketli yükler Motor yol Motor alması yükünde oynamalar + c + +

c b

+

b -

+ +

c c -

+

b

Teknik olarak

a: b: c:

Tablo 4.3: Flikeri azaltmak için çözümler 28

Ark ocakları

Kaynak makinaları

+

b

+

b

c b

+ + +

a c b

+ +

b a

+ +

+ -

b

+ + +

c a c

+ +

b

+ + +

c c

+ + + +

c a c a

+ + + +

b b b b

b

Genellikle ekonomik Bazen maliyeti daha yüksek Nadiren maliyeti yüksek

c

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şekil 4.11: Statik Var kompanzatörü tesis şeması

4.6. ENDÜSTRİYEL DİNAMİK STABİLİTE

ŞEBEKELERDE

Elektrik enerjisi depolanamadığından mutlaka enerji üretimi ile tüketimi arasında denge sağlanmalıdır. Gerçekte elektrik şebekelerinde sadece depolanmış enerji döner makinaların kinetik enerjisi ve kapasitörlerin enerjisidir. Bunlar ise ancak birkaç saniye süreli depolanmış enerjilerdir. Normal olarak güç değişimleri karşılaştırıldığında elektrik sistemleri bir kaç osilasyondan sonra kendi stabilitelerini toparlarlar.

4.6.1. ŞEBEKE STABİLİTESİ Bu şebeke boyunca akan aktif ve reaktif güçler ve bu güçlere ait gerilimin, akımın ve frekansların zaman içindeki değişimleri ile karakterize edilirler

4.6.2. KARARLI HAL STABİLİTESİ Şebeke küçük bozucu etkiler olduğunda kararlı davranışlar sergiler .Bu durumda şebeke dengeli duruma dönebilen amortize edilebilen osilasyonlarda başlangıç işletme noktasına döner.

32

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.6.3. GEÇİCİ DURUM STABİLİTESİ Statik stabiliteden farklı, duruma/isteğe bağlı veya aykırı olan uzun süreli değişimler olduğunda; bu değişim örneğin gerilim ve frekansın kabul edilebilir değişimler olmak kaydıyla meydana gelen stabilite durumudur. Örneğin geçici süreli darbeli yük çekilmesi durumunda sistem geriliminin geçici olarak değişmesi gib.

4.6.4. DİNAMİK DURUM STABİLİTESİ Şebekenin herhangi bir değişken osilasyon durumundan, kabul edilebilir stabil duruma geçme kapasitesidir.

4.6.5. DİNAMİK STABİLİTE ARAŞTIRMALARI

- Kısa devre, jeneratör grubunun veya enerji alınan şebekedeki enerjinin kesilmesi, kayda değer yük değişimleri gibi kritik durumların ortaya çıkması durumunun incelenmesi; - Bu bozunmalar ortaya çıktığında şebeke davranışının önceden belirlenmesi; - Koruma sistemi ayarları, yük darbesi/düzelmesi yasaklanan konfigürasyonlar vb gibi stabiliteyi sağlayacak uygulamalara karar verilmesini kapsar. Bu çalışmalar güç kaybı riskinin azaltılması anlamında şebekenin davranışının anlaşılmasını sağlar.

4.7. BİR ENDÜSTRİYEL ELEKTRİK ŞEBEKESİNİN DAVRANIŞI Bir endüstriyel elektrik şebekesinde ortaya çıkan transiyent davranış bu şebekeden enerji sağlayan herbir elemanın davranışına bağlıdır.Bu elemanlar tüm şebekenin transiyent davranışını etkiler. Bozucu olayın sonunda şebeke ya önceki aynı stabil durumuna döner veya genellikle koruma aktiviteleri üzerinden bir veya birkaç elemanın devreden çıkmasına neden olan kararsız duruma gelir.Elektrik şebekesinin davranışını belirlemek için her bir elemanın davranışını bilmek çok önemlidir. Bunlar aşağıda sıralanmıştır.

33

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.7.1. PASİF YÜKLER Aşağıda belirlenen kanunlara bağlı aydınlatma ısıtma ve kapasitörler gibi yüklerdir. 2  U   ⋅PN (Isıtma , aydınlatma, vb.) P = U N   U Q= U N

2

  ⋅Q N 

(KAPASİTÖRLER )

4.7.2. GÜÇ ELEKTRONİĞİ CİHAZLARI Bu tip yükler endüstriyel şebekelerde günden güne artmaktadır. Söz konusu yükler gerilim değişimlerine karşı çok hassas yüklerdir. Örneğin hız değimi yapılan motor ortalama %15 gerilim değişiminde koruma cihazı tarafından devre dışı edilmektedir.

4.7.3. TRANSFORMATÖR VE KABLOLAR Besleme kaynağıyla yükler arasında enerji akışını sağlayan transformatör ve kablolar empedans vasıtasıyla karakterize edilirler. Meydana gelen gerilim düşümleri ve ısınma kayıpları bunların üzerinden akan akımlara bağlıdır. Empedansların değerleri transiyent işletme şartları üzerinde çok etkilidir. Bunlar

Kritik seviyede gerilim düşümlerine neden olan devreye girme akımları; - Uzun süreli osilasyonlar ortaya çıkaran kaynaklar arasındaki yüksek reaktanslardır. 4.8. ASENKRON MAKİNALAR

Bazı tesislerde güç tüketiminin %80’ine sahip olan ve endüstriyel şebekelerin başlıca davranışını belirleyen asenkron motorlar şebeke stabilitesini belirlemede etkin rol oynamaktadır. Gerilim çökmesinin etkileri Şekil 4.12 Bir pompayı besleyen çift kafesli asenkron motorun hız/moment eğrisini göstermektedir. 34

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

N : Ns T : Tn

Motorun senkron hızı ile motor hızı arasındaki oran Motor nominal momenti ile motor momenti arasındaki oran

Şekil 4.12: Çift kafesli asenkron motorun moment/devir hızı karakteristikleri İşletme noktası (O) yük eğrisi ile motor mometi ile yük moment eğrisinin kesişme noktasıdır. Motor momenti gerilimlerin oranının karesi ile doğru orantılıdır. Motor stabilitesi motor momenti ile yük momentinin relatif pozisyonuna bağlıdır. Eğer motor enerji kaybından veya yüksek değerde gerilim çökmesinden muzdarip ise; örneğin hızı senkron hızın %60 değerine düşebilecek şekilde işletme kaybına uğrar ve gerilim geldiğinde yeniden hızlanarak sistem ateletine bağlı olarak yeniden yol alma akımı değerinde akım çekerek eski stabil durumuna döner.

4.8.1. DÜŞÜK GERİLİMLERİN ETKİSİ Gerilimin kesilmesiyle motor terminallerindeki gerilim hemen ortadan kalkmaz. Gerçekte motorun depolanmış akısı aniden sönmez. Dönen rotor tarafından meydana getirilen döner alan büyüklüğü eksponansiyel fonksiyona göre azalan ve bir kaç on saniye süren remenans gerilimi stator sargılarında endüklenir. Bu gerilim frekansı, dönme hızı ile azalır. Eğer bu sırada şebekede gerilim tekrarlarsa, çok az büyüklüğe sahip remenans gerilim ile faz ters olacak ve motor yol alma akımının tepe değerinin iki 35

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

katına eşit değerde yüksek bir akım darbesi meydana gelecektir. Bu akım darbesi motor yol alma akımının yaklaşık 12-15 katına eşit olacaktır. Motor üzerinde aşağıda belirtilen durumlar ortaya çıkacaktır.

İzolasyon bozulmasına neden olabilecek değerde motor sargılarında termik ve elektro dinamik zorlamalar meydana gelecektir. Moment sarsıntısı ve kabul edilemez seviyede mekanik zorlamaların meydana gelmesine neden olacaktır. -

Bu gibi risklerden sakınmak için remenans düşük gerilim koruması uygulanmalı ve düşük gerilim koruması açtırma eşik değeri U N nominal gerilim değerinin %20 sine ayarlanmalıdır (Daha geniş bilgi için Bkz. Elektrik motorlarının besleme devresinin boyutlandırılması.) .

4.9. ENDÜSTRİYEL ŞEBEKEDE DİNAMİK STABİLİTE ARAŞTIRMASI

ARAŞTIRMANIN AMACI Dinamik stabilite çalışmaları, şebekenin farklı noktalarında elektriksel değişikliklerin zaman içinde belirlenmesi ve ağır bozucu etkiler altındaki döner makinaların mekanik davranışların incelenmesini kapsar. Dinamik stabilite ağır bozunmalardan sonra şebekenin normal işletme şartlarına dönebilme kabiliyetidir. Stabilite araştırmaları, bozucu olaylar arasında makinaların elektriksel ve mekanik davranışlarını analiz etmek ve bozucu etki ortadan kalktığında şebekenin normal işletme şartlarına dönüp dönemeyeceğinin anlaşılmasından ibarettir. Bu araştırmaların amacı

- Yüklerin beslenmesinde şebeke işletme şartlarının kabul edilebilir sınırlar içinde işletme sürekliliğini güvenilir bir şekilde sağlamak; - Ana besleme kaynağıyla bu sınırlar içinde güvenilir bir çalışmanın mümkün olmadığı durumlarda beslemeyi kabul edilebilir sınırlar içinde çalıştırmak için sistemin yedek güçler tarafından maksimum gücü sağlamak üzere desteklenmesi; 36

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

- Kabul edilebilir sınırlar içindeki işletme durumunda şebekede oluşacak transiyent olaylar esnasında gereksiz açmaları önlemek ve stabiliteyi devam ettirmek için optimum koruma ayar değerlerini tesbit etmek; - Öncelikli yüklerin beslemesineki sürekliliği sağlamak için yük darbelerinin etkisini stablite şartlarına uygun hale getire bilmek için söz konusu yüklerin devreye giriş ve çıkışlarını programlamak;. - En uygun makina regülasyon ayarlarını sağlamaktır. Her bir araştırma aşağıda belirlenen elemanlar göz önüne alınarak aşağıdaki sıralamaya göre gerçekleştirilecektir.

-

Besleme kaynaklarının tipleri, Yüklerin tipleri, Şebeke yapısı, Şebeke işletme tarzı, Stablitesizliğe neden olabılecek olayların alınması.

göz önüne

Dinamik stabilite çalışmasın yapılmasını gerektiren nedenler

- Şebekenin dizaynı safhasında şebeke stablitesini korunmasını sağlamak, - Mevcut şebekenin üzerine ilave yüklerin devreye alınabilirliğinin incelenmesi eğer devreye almada güç kapasitesinin yetersizliği ortaya çıkarsa gerekli gücü sağlamak üzere ilave jeneratör bağlanmasını gerçekleştirmek, - Stabiliteyi tehlikeye sokacak geçici olaylara karşı düzenleyici çarelerin bulunabilmesi.

Tesis montajından önce stabilite çalışmaları yapılıyorsa belirlenen stabilitenin farklı faktörleri değişir. Böylece öncelikle transiyent işletme süresince şebekenin davranışı tamamen anlaşılır. Önceden belirlenen zorluklarla ilğili işletmesi uygun hale getirilir. Çalışmalar önceden bilinen probleme göre genel ve sınırlıdır. Örneğin ulusal şebekeye bağlı jeneratör durumunda öncelikli yükleri besleyebileceği güçte olup olmadığı kontrol edilir.

37

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.10. STABİLİTESİZLİĞİN NEDENLERİ 4.10.1. ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLER Şebeke stabilitesini etkileyen bozucu özellikler, aktif ve reaktif güçlerdeki yüksek seviyedeki değişikliklerin neden olduğu özelliklerdir. Beslemede oluşabilecek bozunmalar ve hatalar

- Gerilim çökmeleri ve yüksek değerde gerilim düşümleri - Kısa ve uzun besleme kesintileri - Bağımsız şebekedeki frekans değişimleridir. 4.10.2. ŞEBEKE YÜK DEĞİŞİMLERİ

Nominal yükte jeneratörler açısal değişiminδ 90 ye yakın gelen değeri olarak düşük senkronizasyon momentine sahiptir; - Yüksüz halde bir şebeke kapasitif özelliktedir; Jeneratörlar reaktif güç çekeceklerdir. Örneğin: 0

4.10.3. ELEKTRİKSEL HATALAR Hatanın var olduğu sürede özellikle 3-faz kısa devrede şebekede daha çok problemler ortaya çıkar

• •

U = 0 olduğundan yüklerin beslenmesi ortadan kalkar Jeneratörün hızlanması maksimum olur.

4.10.4. ŞEBEKE YAPISI VE İŞLETME TARZI

Şebekeye ait birçok parametre stabilite üzerinde etkilidir.

- Makinaların birbiriyle veya ulusal şebekeye bağlı olma durumu; - Öncelikli veya öncelikli olmayan yüklere ait baraların yerleri; 38

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

- Tssenkronizasyon momentinin belirlediği jeneratör işletme noktası; - Senkron makinanın regülasyon tipi ; regülasyon hızda ve aktif güçte, gerilimde, reaktif güçte gerçekleştirilir; - Hatların ve kabloların empedansı, - Korumanın tipi ve ayarları, lojik bağlantıları, yük darbesi ve yükün aniden kalkması; - Motor momentinin relatif karakteriskleri ve yük moment eğrileri; - Döner makinanın ataletleri; 4.11. STABİLİTESİZLİĞİN ETKİLERİ

4.11.1. DÖNER MAKİNALAR ÜZERİNDE Transiyent periyot süresinde, döner makinalar arasındaki güç değişimi ve makinalar ile şebeke arasındaki güç değişimi moment sarsıntılarına neden olur. Mekanik zorlamaların sonucunda mil çatlaması gibi mekanik hasarlar meydana gelir. Kapasitesinin üstünde güç kullanıldığında jeneratörlerde frekans ve gerilim düşümleri meydana gelir. Gerilim ve hız regülasyonu rezonansa girebilir. Motorlar gerilim düşümlerinde ve frekans osilasyonların etkisi altında yavaşlar. Bozucu etkinin aniden kalkması durumunda akım çekişi ve endüklenen gerilim düşümü çok yüksektir ve motorun tekrar hızlanması zordur. Bazı motorlar, yavaşlayacak aşırı ısınma ile birlikte hatta duracaktır. Yüksek değerleri haiz yükler sistemden hızla çıkarılmadıkca şebeke stabilite noktasına dönemeyecektir.

4.11.2. ŞEBEKEDE Devreden akan sirkülasyon akımları transformotör ve kablolar gibi elektrik ekipmanlarının aşırı ısınmasından dolayı zarara uğratır. Gerilim düşümleri ise kontaktör ve elektronik cihazlar gibi hassas elektrik ekipmanlarının anormal ve hatalı çalışmasına neden olur ve sonuçta söz konusu cihazlarda hasarlanma meydana gelir. Bir veya birkaç jeneratörün devre dışı olması üretim ve tüketim dengesinin bozulmasına ve sonuçta şebekenin çökmesine neden olur.

39

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.12. STABİLİTEYİ KORUMA

4.12.1. JENERATÖRLERDE UYGULAMA Yüksek ataletli volanu haiz jeneratör kullanılmasıyla, grupları yük değişimlerinden dolayı meydana gelen etkiler azaltılabilir. Fakat bu çözümü uygulamak çok zordur. Uygun regülatör seçmek ve regülatör ayarının makinanın cevap süresine uygun ayarlamak. Bu ayarlar muhtemel bozucu etkiler göz önüne alınarak yapılmalıdır. Jeneratör işletme noktasının seçimi çok önemlidir. Küçük açısal değişim ve yüksek senkronizasyon momenti stabiliteyi düzeltir. Bu gereklilikleri sağlamak için jeneratör:

- Reaktif güç sağlamalı ve eğer jeneratör grubu bağımsız şebekede çalışıyorsa jeneratör devreye girdiğinde servis dışı olabilen kompanzasyon grubu konulması tercih edilmelidir. - Yüksek mekanik güce ve yedek uyarma akımına sahip olmalıdır. 4.12.2. ŞEBEKELERE UYGULAMA Kablo ve hat empedanslarının azaltılması geçici olayın sonunda stabil duruma geçisi kolaylaştırır. Kaynak yedeklemesi ve öncelikli olmayan yüklerin devreden çıkartılması, bozucu etki ortadan kalktığında gerilim çökmesinin derinliğini ve süresini azaltır. Güç artışı yük atma/alma durumlarında büyük bozucu etkileri önler. Kısa devre akımının hızlı ve seçici bir şekilde ortadan kaldırılması şebeke üzerinde meydana getireceği etkileri sınırlandırır. Koruma sistemi çeşitli stabilitesizlik durumları düşünülerek dizayn edilmelidir. Zamana bağlı selektivitenin yerine lojik veya diferansiyel koruma sisteminin kullanılmasıyla kısa devrenin ortadan kaldırılma süresi azaltılır ve böylece büyük bozunmaların önüne geçilir. Taşıma şebekelerinde 1-fazlı hataları ortadan kaldırmak için ayrı faz açtırma ve OG dağıtım şebekelerinde şönt kesici kullanımı endüstriyel şebeke stabilitesi üzerinde verimli etkiler elde edilir.

4.12.3. YÜKLER İÇİN UYGULAMA

40

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Elektronik motor besleme sistemleri kullanmak, motorun transiyent akımlarını etkili bir sekilde azaltır. Ancak bu durumda elektronik yol verme sistemlerinin ortaya çıkaracağı harmonik akımlar ve harmonik gerilimlerin besleme sistemi üzerindeki etkileri göz önüne alarak, besleme sistemini söz konusu etkilere göre dizayn etmek gerekliliği ortaya çıkar. Ters aktif güce karşı koruma ve büyük motorlarda düşük gerilim koruması stabiliteyi düzeltir.

4.13. ALÇAK GERİLİM TN SİSTEMLERİNİN DENGESİZ YÜKLENMESİ VE NÖTR KARARSIZLIĞININ GETİRDİĞİ PROBLEMLER VE ÇÖZÜMLERİ 4.13.1. GİRİŞ Ülkemizde 400/230 Volt 3- fazlı alçak gerilim dağıtım sistemi 3-faz+Nötr olmak üzere 4-hatlı TN-C tarzında yapılmaktadır. Her ne ne kadar abonelere bağlantıların dengeli yük çekecek şekilde yapılmasına gayret edilse de gerek yüklerin devreye girip çıkması farklı zamanlarda olduğundan ve gerekse yeni yapılaşmadan dolayı bağlantılardaki değişiklikler, alçak gerilim şebekelerinin ve besleme sistemlerinin simetrik yüklenmesini hiç bir zaman mümkün kılmamaktadır. Simetrisiz yüklenme derecesine, yük miktarına ve nötr hattının empedansına bağlı olarak nöt hattı gerilimler meydana gelmekte ve yük değişimlerine bağlı olarak nötr noktası, sabit olmayıp kararsız (stabilitesiz) bir şekilde kaymaktadır. Simetrisiz yüklenme derecesine göre sistemde fazla yüklenen hatta oldukca yüksek bir miktarda faz-nötr geriliminde gerilim düşümü görülmesine rağmen nisbeten çok daha az yüklenen fazlarda tehlikeli boyutta faz-nötr gerilimlerinde yükselmeler olmaktadır. Özellikle dengesiz yüklenen sistemlerde fazlardan birinde meydana gelen izolasyon hatası sonucu, hata akımının büyüklüğü koruma elemanını açtıracak seviyede veya gereken sürede açtıracak seviyede değilse sağlam fazlardaki faz-nötr gerilimlerin 300 Volt mertebelerine çıktığı ve bu arada nötr hattının gerilimi ise 100 Volt mertebelerini aştığı durumlara sıklıkla raslanmaktadır. Bu durumda sağlam fazlardaki 1- fazlı cihazların tahrip olması ile birlikte nötr hattında gerilimin tehlikeli değerlere çıkmasıyla abonelere ait ve enerji alımı sırasında bina girişinde nötr hattı ile köprülenen ve koruma amacıyla kullanılan cihazların aktif olmayan iletken gövdelerine bağlanan PE iletkeni de söz konusu nötr gerilimini haiz olduğundan hatalı olmadığı halde bu 41

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

cihazlarda gerilim altında kalacağından kullanıcılar için hayati tehlike baş gösterir. Nötrde meydana gelecek olan gerilim ve fazlardaki gerilim yükselmeleri veya düşümleri, dengesiz yüklenmenin yanında nötr empedansının değerine bağlıdır. Nötr kesitinin uygun seçilmemesi ile beraber itinalı işçilikle tesis edilmemesi, gerekli ve düzenli bakımın yapılmaması, nötr bağlantılarındaki gevşeklikler, iletken kesitindeki azalmalar ve oksidasyon nedeniyle direnç değerindeki artışlar, simetrisiz yüklenme nötr geriliminin büyük değerler almasına ve sonuçta yükü fazla olan fazda aşırı gerilim düşümüne karşılık; yükü az olan fazlarda aşırı gerilim yükselmelerine sebep olur. Problemin incelenmesi aşağıda belirtildiği gibi olacaktır: 1. Alçak gerilim TN-C sisteminin simetrisiz yüklenmesi, 2. Simetrisiz yüklenme faktörü, 3. Alçak gerilim TN-C sisteminde nötr hattının kopması veya açılması, 4. Alçak gerilim tesislerinin aşırı gerilim koruma elemanları ile donatılması.

4.13.2. ALÇAK GERİLİM TN SİSTEMLERİNİN SİMETRİSİZ YÜKLENMESİ

4.13.2.1. 3-FAZLI SİMETRİK TN-C, TN-C-S VE TN-S SİSTEMLERİN DENGESİZ YÜKLENME HALİ Dengesiz yüklenme durumunda TN sistemlerin hepsinin davranışı aynıdır. Şekildeki semboller U T 1 ,U T 2 ,U T 3 Transformatörün yüksüz halde boşta sekonder faz-nötr gerilimleri;

U L1 ,U L 2 ,U L 3

Tüketiciler

tarafından

transformatörün

dengesiz

yüklendiğinde sekonder çıkış terminallerindeki faz-nötr gerilimleri; Z TTransformatör iç empedansları;

Z LTüketicileri transformatöre bağlayan hatların empedansları;

Z NNötr hattı empedansı; U L1N ,U L 2 N ,U L3 N Tüketici giriş terminallerindeki faz-nötr gerilimleri; 42

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Z L1N , Z L 2 N , Z L 3 N S L1N , S L 2 N , S L 3 N

Tüketici empedansları; Tüketici güçleri..

Kırmızı Mavi Yeşil

Şekil 4.13: Dengeli 3-fazlı sistemin Tüketiciler tarafından dengesiz yüklenmesi Farklı güçleri haiz tüketiciler tarafından yüklenme transformatörun çıkış terminallerindeki faz-nötr gerilimleri

durumunda

U L1 = U T 1 − Z T .I 1 U L 2 = U T 2 − Z T .I 2

(1)

U L 2 = U T 3 − Z T .I 3 Çevre akımları metodunu kullanarak 3- fazlı devre için Transformatör faznötr çıkış gerilimleri için

U L1 = (Z L1N + Z L + Z N ).I 1 + Z N .I 2 + Z N .I 3

U L 2 = Z N .I 1 + (Z L 2 N + Z L + Z N ).I 2 + Z N .I 3 (2)

U L 3 = Z N .I 1 + Z N .I 2 + (Z L 2 N + Z L + Z N ).I 3

ifadeleri yazılabilir. U T 1 Başlangıç fazı kabul edilerekU LN nominal faz-nötr gerilim olmak üzere

U T 1 = U LN

alındığında

U T 2 = a 2 .U LN

olacaktır. 43

ve

U T 3 = a.U LN

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Fazlar arası 1200 faz farkını belirleyen işlem operatörü 0 1 3 a = − + j. = e j120 2 2

dir.

(1) No’lu denklem takımında transformatör iç empedansıZ Tdeğeri çok küçük olduğundan çoğu zaman (3-fazlı kısa devre durumlarında 3-fazlı kısa devre akımları çok yüksek olduğundan ihmal edilemez) Z T .I 1 , Z T .I 2 , Z T .I 3 terimleri U T 1 ,U T 2 ,U T 3 gerilimleri yanında çok küçük olduğundan ihmal edilirler. Buna göre:

U T 1 = U L1 = U LN ,U T 2 = U L 2 = a 2 .U LN ,U T 3 = U L3 = a.U LN alınabilir. Şekil 1’de transformatörün N nötr noktası ile 1-fazlı tüketicilerin bağlandığı ortak O nötr noktası arasındaki potansiyel farkının yani nötr hattı gerilimini U NO = U N olarak gösterirsek

I N = I1 + I 2 + I 3

nötr hattı akımı olmak üzere

Dengesiz yüklenmeden dolayı nötr hattında meydana gelen gerilim için

U NO = U N = I N .Z N = (I 1 + I 2 + I 3 ).Z N

(3) ifadesi yazılır.

Diğer taraftan 1. faz için

U L1 − U N = (Z L + Z L1N ).I 1

(4)

2. faz için

U L 2 − U N = (Z L + Z L 2 N ).I 2

(5)

3. faz için

U L 3 − U N = (Z L + Z L 3 N ).I 3

(6) ifadeleri geçerlidir.

44

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.13.2.2. DENGESİZ YÜKLENMEDE TÜKETİCİLERE UYGULANAN GERİLİMLER Tüketici terminallerindeki gerilimler ise faz akımlarının bağlantı hatlarındaki gerilim düşümleri göz önüne alınarak

U L1N = U L1 − U N − Z L I1 U L 2 N = U L 2 − U N − Z L .I 2

(7) ifadeleri ile bulunur.

U L 3 N = U L 3 − U N − Z L .I 3 Ayrıca Akımların bağlantı hattında meydana getireceği gerilim düşümleri

Z L .I 1 = RL I 1 + jX L .I 1 Z L .I 2 = RL .I 2 + j. X L .I 2 ifadeleri yardımıyla bulunur.. Z L .I 3 = R L .I 3 + j . X L . I 2 (4), (5), (6) ifadelerinden dengesiz yüklenmede fazlara ait akımlar için

I1 =

U L1 − U N U L2 − U N U L3 − U N , I2 = , I3 = (8) yazılıp taraf Z L + Z L1N Z L + Z L2N Z L + Z L3 N

tarafa toplanırsa ve

I1 + I 2 + I 3 = I N =

UN ZN

göz önüne alınırsa

UN U − U N U L 2 − U N U L3 − U N = I 1 + I 2 + I 3 = L1 + + ZN Z L + Z L1N Z L + Z L 2 N Z L + Z L 3 N

(9)

ifadesi elde edilir. Burada

Z 1′ = Z L + Z L1N

,

Z 2′ = Z L + Z L 2 N

(9) ifadesi U Niçin düzenlenirse 45

ve

Z 3′ = Z L + Z L 3 N

yazılıp

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

U L1 U L 2 U L 3 + + Z 1′ Z 2′ Z 3′ UN = 1 1 1 1 + + + Z N Z 1′ Z 2′ Z 3′ olarak U N

(10) mutlak değer

1 a 2 a. + + Z 1′ Z 2′ Z 3′ (10′) 1 1 1 1 + + + Z N Z 1′ Z 2′ Z 3′

= U LN

yazılır. Aşağıda verilen kabuller doğrultusunda (8) ve (10) ifadelerinde gerekli kısaltma ve düzenlemeler yapılırsa, kabuller: •

Z 1′ = Z L + Z L1N ifadelerinde

•

ZL

Z 2′ = Z L + Z L 2 N empedansı

ve

Z 3′ = Z L + Z L 3 N

Z L1N , Z L 2 N , Z L 3 N

tüketici

empedanslarına göre çok küçük olduğundan söz konusu toplamlarda ihmal edilecektir. Z L1N , Z L 2 N , Z L 3 N tüketici empedansları yerine güçler cinsinden değerleri

•

,

Z L1N

konulacaktır. (10) ifadesinde verilen ifadesi

ZN =

2 U LN S N′′

2 U LN = S1

,

Z L2N

2 U LN = S2

,

Z L3 N

2 U LN = S3

Z N nötr empedansı yerine kısa devre gücü ile

kullanılacaktır.

46

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.13.2.3. DENGESİZ YÜKLENMEDE TÜKETİCİLER ÜZERİNDEN GEÇEN FAZ AKIMLARI 1-faz akımı

I1 =

U LN − U N U LN − U N  U LN − U N = =  2 2 Z1 U LN  U LN S1

 .S1  

(11)

2-faz akımı

U L 2 − U N a 2 .U LN − U N  a 2 .U LN − U N I2 = = =  2 2 Z2 U LN U LN  S2

 .S 2 (12)  

3-faz akımı

I3 =

U L 3 − U N a .U LN − U N  a .U LN − U N = =  2 2 Z3 U LN U LN  S3

 .S 3 

(13)

4.13.2.4. NÖTR HATTI GERİLİMİ U LN a 2 .U LN a.U LN + + 2 2 2 U LN U LN U LN U L1 U L 2 U L 3 + + (14)  S + a 2 .S 2 + a.S 3  Z1′ Z 2′ Z 3′ S1 S2 S3  UN = = = U LN . 1 1 1 1 1 1 1 1 1  S N′′ + S1 + S 2 + S 3  + + + + 2 + 2 + 2 2 Z N Z1′ Z 2′ Z 3′ U LN U LN U LN U LN S N′′ S2 S3 S1

4.13.2.5. SİMETRİSİZ YÜKLENME FAKTÖRÜ

S1 + a 2 .S 2 + a.S 3 k= S N′′ + S1 + S 2 + S 3

(15)

47

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

mutlak değer olarak

a2 a + 2 S + a .S 2 + a.S 3 Z L1N Z L 2 N Z L 3 N (15′) = k= 1 1 1 1 1 S N′′ + S1 + S 2 + S 3 + + + Z N Z L1N Z L 2 N Z L 3 N 1

S1 = S 2 = S 3 1+ a2 + a = 0

olduğunda

yani

sistem

dengeli

yüklendiğinde

olacağından simetrisiz yüklenme faktörü sıfır olacaktır

dolaysıyla nötr gerilimi U N

′′ Nötr SN

+

= 0 olacak yani nötr hattı gerilimsiz olacaktır.

hattının kısa devre gücü ne kadar büyük olursa yani direnci ne

kadar küçük dolaysıyla kesiti ne kadar büyük olursa simetrisiz yüklenme faktörü o kadar azalacak ve dolaysıyla simetrisiz yüklenmede nötr hattında meydana gelecek gerilim azalacaktır. Örnek 1: Bakü-Tiflis – Ceyhan Petrol Boru Hattı Ceyhan Yükleme Deniz Terminalleri için inşa edilen lojmanlardan D blok’u beslemek için 630 kVA 31,5/0,4 kV transformatör dağıtım merkezinden 100kVA talep gücü için 290 m uzunluğundaki 4x70 mm2 NYY kablo seçilmiştir. Binada bulunan daireler için elektrik dağıtımı bina ana panosunda nötr hattıyla köprülenen PE koruma hattı ilavesiyle 5-hatlı TN-C-S sistemle gerçekleştirilmesi düşünülmektedir. Yüklenmenin 1-faz için S1=10kVA, 2-faz için S2=35kVA ve 3-faz için S3=7kVA gerçekleşmesi durumu incelenecektir. Alçak gerilim tesislerinde kabloların reaktansları direnç değerlerinin yanında çok küçük olduğu için ihmal edilebilir. 70 mm2 kesitinde iletkenin va nötr hattının empedansı: Z L = Z N = RN = LL (km).rL (Ω / km) = 0,290.0,321 = 0,0931Ω

(Hatta bağlı 1- fazlı yüklerin empedansları yükleri omik karakteristikli kabul ederek güç faktörü 1 alınacaktır) 48

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Nötr hattının kısa devre gücü

S N′′ =

2 U LN (230)2 = 568206W = 568,2kW = Z N 0,0931

Nötr hattında meydana gelen gerilim  S + a 2 .S 2 + a.S 3   10 + (− 0,5 − j.0866).35 + (− 0,5 + 0,866 ).7   = 230 U N = U LN . 1 =  568,21 + 10 + 35 + 8    S N′′ + S1 + S 2 + S 3  j .63 U N = −4,3 − j.8,6 = 9,6.e Volt

Hatlardan akan akımlar 1-faz için  230 − (− 4,3 − j8,6)  U −U  .10000 = 38,6 + j.8,6 ≈ 39.e j 2,3 I 1 =  L1N 2 N .S1 =  2  U ( ) 230 LN     2-faz için  a 2 .U LN − U N I 2 =  2 U LN 

3-faz için

 (− 0,5 − j.0,866).230 − (− 0,925 − j.7,37 )   .30000 = −64,65 − j108,9 = 127.e j 59,3 .S 2 =    (230)2   

 a .U LN − U N I 3 =  2 U LN 

 (− 0,5 + j.0,866).230 − (− 0,925 − j 7,37 )   .7000 = −15,1 + j 25,4 = 31.e − j 61 .S 3 =    (230)2   

Nötr iletkeninden akan akım

I N = I1 + I 2 + I 3 = 69,84 + j.2,22 − 64,65 − j.108,9 − 15,1 + 27,3 = −9,9 − j.79,4 = 80.e j.82,9 Amper

Dengesiz yüklenme sonucu tüketicilerin giriş terminallerinde meydana gelen gerilimler: 1-faz için U L1N = U L1 − U N − Z L I1 = U LN − U N − Z L .I1

= 230 − 7,4.e j 83 − 0,0931.70.e j1,8 = 224,4 − j.7,16 = 225.e − j1,8Volt 2-faz için U L 2 N = U L 2 − U N − Z L I 2 = a 2 .U LN − U N − Z L .I 2

= (− 0,5 − j 0,866).230 − 7,4.e j 83 − 0,0931.127.e − j 60, 2 = −108 − j181,7 = 211.e j 59,5

49

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

3-faz için U L3 N = Z 3 .I 3 = U L3 − U N − Z L I 3 = a.U LN − U N − Z L .I 3

= (− 0,5 + j.0,866).230 − 7,4.e j 83 − 0,0931.31.e − j 61 = −113 + j.204,2 = 233.e − j 60,8

Ancak kablo kesitleri projelendirme safhasında gerilim düşümüne göre belirlenirken sistemin simetrik yüklendiği kabul edildiğinden, Simetrik yüklenmede sistemin çektiği akım:

I=

S 3.U LL

=

100000 3.400

= 144. A

Meydana gelecek gerilim düşümü

∆U = LH .I .rH = 0,290.144.0,321. = 13,4 Faz nötr gerilimleri

U L1N = U L 2 N = U L3N = U LN = 230 − 13 = 217.Volt

olmaktadır.

Dengesiz yüklenmede ise yükü fazla olan fazda gerilim düşümü hesaplanan değerden fazla olmakla beraber en az yüklü olan fazda ise gerilim yükselmesi gözlenmektedir.

4.13.3. 3-FAZLI SİMETRİK DENGESİZ YÜKLÜ SİSTEMDE FAZLARDAN BİRİNDE TOPRAK HATASI MEYDANA GELMESİ TN-C sistemlerde nötr hattında ve TN-C-S sistemlerde ise PE iletkenle nötr hattının ortak kullanıldığı PEN iletkeninde gerilim hata akımının büyüklüğünden dolayı nötrhattındaki gerilimler yüksek değer alır buna bağlı olarak saglam fazlarda aşırı gerilimler meydana gelir. TN-S sistemlerde ise hata akımı nötrden ayrı olan PE iletkeni üzerinden aktığı için hata akımından dolayı nötrde gerilim yükselmesi meydana gelmez ve buna bağlı olarak sağlam fazlardaki gerilim yükselmesi ve nötr gerilimi iki faz dengesiz yüklenme durumunun gerektirdiği şekilde olur. Bu durum aşağıda verilen örnekte açıklanmaktadır.

50

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Örnek 2: Yukardaki dengesiz yükleme durumunda ve nötr hattı direnç değerinde 3. fazda bir kısa devre meydana geldiğini kabul edelim. Bu durumda 3.fazdan hat iletkeninin belirlediği kısa devre gücü çekilecektir. Faz hattının kısa devre gücü S 3′′ =

2 U LN (230)2 = 568206W = 568,2kW = Z N 0,0931

Kısa devre durumunda nötr hattının gerilimi  S + a 2 .S 2 + a.S 3′′   10 + (− 0,5 − j.0866 ).35 + (− 0,5 + j.0,866 ).568,2   = 230 U N = U LN . 1 = ′ ′ S S S S 568,2 + 10 + 35 + 568,2 + + +   1 2 3   N − j .58 U N = −57 + j.90 = 106.e Volt

Hatlardan akan akımlar, 1-faz için  230 − (− 57 + j90)  U −U  .10000 = 54 − j.17 ≈ 57.e − j17 Amper I1 =  L1N 2 N .S1 =  2  U ( ) 230 LN    

2-faz için  a 2 .U LN − U N I 2 =  2 U LN 

 (− 0,5 − j.0,866).230 − (− 57 + j.90)   .35000 = −38 − j.191 = 195.e j 79 .S 2 =     (230)2   

3-faz için  a .U LN − U N I 3 =  2 U LN 

 .S 3  

 (− 0,5 + j.0,866).230 − (− 57 + j.90)  .568200 = −623 + j1171 = 1326.e − j 70 A =   (230)2  

Nötr iletkeninden akan akım

I N = I1 + I 2 + I 3 = 54 − j.17 − 38 − j.191 − 623 + j.1171 = −607 + j.980 = 1153.e − j.58 Amper Tüketicilerin giriş terminallerine uygulanan gerilimler ise 1-faz için U L1N = U L1 − U N − Z L I 1 = U LN − U N − Z L .I 1

= 230 − 106.e j 63,8 − 0,0931.57.e j1,8 = 282 − j.88 = 295.e − j10,5Volt 2-faz için U L 2 N = U L 2 − U N − Z L I 2 = a 2 .U LN − U N − Z L .I 2

= (− 0,5 − j 0,866).230 − 51.e j 63,8 − 0,0931.1326.e j 59 = −54 − j 271 = 276.e j 59Volt

51

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

3-faz için U L3 N = Z 3 .I 3 = U L 3 − U N − Z L I 3 = a.U LN − U N − Z L .I 3 = (− 0,5 + j.0,866).230 − 51.e j 63,8 − 0,0931.1153.e − j 70 ≈ j.0 = 0.Volt Bir fazlı hata durumunda hatalı fazdan akımın büyüklüğü 1326 A dir. Panoda Nominal akımı 200 A olan NH tipi sigortalarla aşırı akıma karşı koruma yapılmaktadır. Meydana gelebilecek kısa devre akım değeri 1326 A olduğundan sigortanın 0,5 sn açtırma yapması söz konusudur. Bu sürede 1. faza bağlı tüketiciler 295Volt ve 2.faza bağlı tüketiciler 276 Volt gibi aşırı gerilime maruz kalacağından tahrip olma tehlikesi ile karşı karşıyadır. Bununla beraber sistem Bina içinde TN-C-S sistem olduğundan cihaz gövdesine nötre bağlı PE iletkenleri koruma amaçlı bağlandığından cihazların aktif olmayan iletken bölümlerinde herhangi bir hata olmadığı halde nötr hattı gerilimi 106 Volt gerilimi oluştuğundan canlı hayatı tehlikeye girecektir. Aynı zamanda hatalı fazın sigortası attığından diğer iki fazdaki yüklerle sistem iki fazlı dengesiz yüklenecektir. Halbuki TN-C veya TN-C-S sistem yerine TN-S sistem kullanıldığında hata akımı nötr iletken yerine ayrı bir PE koruma iletkeni üzerinden geçeceğinden böyle bir hata durumunda nötr iletkeninin gerilimi TN-S sistemde 3. fazda oluşan kısa devre akımı nötr iletkenden akmayıp PE koruma iletkeninden aktığından hatalı fazın ve hata akımın nötr hattı üzerine etkisi olmayacağından  S + a 2 .S 2   10 + (− 0,5 − j.0866 ).35 + (− 0,5 + 0,866 ).0   = 230 U N = U LN . 1  568,2 + 10 + 35 + 0    S N′′ + S1 + S 2  j .63 U N = −2,8 − j.11,7 = 12.e Volt

olacaktır. Bu durumda hatlardan akan akımlar, 1-faz için  230 − (− 2,8 − j11,7 )  U −U  .10000 = 44 − j 2.2 ≈ 44.e − j 8 Amper I 1 =  L1N 2 N .S1 =   (230)2  U LN   

2-faz için

 a 2 .U LN − U N I 2 =  2 U LN 

 (− 0,5 − j.0,866).230 − (− 2,8 − j.11.7 )   .35000 = −74 − j124 = 123.e j 46 .S 2 =    (230)2   

Nötr iletkeninden akan akım

I N = I1 + I 2 + I 3 = 44 − j.2,2 − 74 − j.123 − 0 + j.0 = −30 − j.125 = 129.e j.76 Amper Tüketicilerin giriş terminallerine uygulanan gerilimler ise:

52

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

1-faz için U L1N = U L1 − U N − Z L I 1 = U LN − U N − Z L .I 1

= 230 − 12.e j 63 − 0,0931.44.e − j 8 = 232 − j.11,7 = 232.e − j10,5Volt 2-faz için U L 2 N = U L 2 − U N − Z L I 2 = a 2 .U LN − U N − Z L .I 2

= (− 0,5 − j 0,866).230 − 12.e j 63 − 0,0931.123.e j 46 = −105 − j185 = 239.e j 0Volt

Örnekten de görüleceği üzere TN-S sistemi kullanıldığında hata halinde sağlam fazlardaki gerilim yükselmesi makul sınırlar içinde kalmaktadır.

4.13.4. NÖTR HATTININ DİRENCİNİN YÜKSEK DEĞER ALMASI Nötr geriliminin değeri, nötr hattı direncinin değerine bağlıdır. Nötr direnci arttıkça, nötr hattındaki gerilimin değeri ve dengesiz yüklü fazlardaki gerilim simetrisizliği de artar. Nötr bağlantılarındaki gevşek bağlama ve oksitlenme bu hatta bağlı tüketicilerin nötr dirençlerini arttırır. Tek fazlı tüketicilerden dolayı TN-C, TNC-S ve TN-S sistemlerin davranışı aynıdır. Ancak fazlardan birinde meydana gelen toprak hatası durumunda hata akımı TN-C ve TN-C-S sistemlerde nötr iletkeni veya ortak PEN iletkeni üzerinden, TN-S sistemlerde ise ayrı çekilen PE koruma iletkeni üzerinden akacağından nötr hattında ve sağlam faz iletkenlerinde meydana gelen gerilimler, farklı olacaktır. Bu durum aşağıda verilen örnekte açıklanmaktadır. Örnek 3: Gevşek ve kötü bağlantılar veya bakımsızlık nedeniyle nötr hattının direncinin değeri örneğin 0,85 ohm gibi bir değer alsın. TN-C veya TN-C-S sistemlerde, bu durumda nötr hattının kısa devre gücü S N′′ =

2 U LN (230)2 = 62235W = 62,2kW = ZN 0,85

Söz konusu dengesiz yüklenmede nötr hattında meydana gelen gerilim  S + a 2 .S 2 + a.S 3   10 + (− 0,5 − j.0866).35 + (− 0,5 + 0,866).7   = 230 U N = U LN . 1 =  ′ ′ 62,2 + 10 + 35 + 8 + + + S S S S   1 2 3   N U N = −23 − j.46 = 52.e j .63,8Volt

53

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Hatlardan akan akımlar, 1-faz için U −U I 1 =  L1N 2 N  U LN

 230 − (− 23 − j 46)   .10000 = 48 + j.9 ≈ 49.e j 2,3 .S1 =  2    ( ) 230   

2-faz için  a 2 .U LN − U N I 2 =  2 U LN 

 (− 0,5 − j.0,866).230 − (− 023 − j.46)   .35000 = −61 − j101 = 118.e j 59 .S 2 =    (230)2   

3-faz için  a .U LN − U N I 3 =  2 U LN 

 (− 0,5 + j.0,866).230 − (− 23 − j 46)   .7000 = −12 + j 32 = 34.e − j 70 .S 3 =    (230)2   

Nötr iletkeninden akan akım

I N = I1 + I 2 + I 3 = 48 + j.9 − 61 − j.101 − 12 + j.32 = −25 − j.60 = 65.e j.82,9 Amper Tüketicilerin giriş terminallerine uygulanan gerilimler ise 1-faz için U L1N = U L1 − U N − Z L I 1 = U LN − U N − Z L .I 1 = 230 − 51.e j 63,8 − 0,0931.49.e j1,8 = 248 − j.46 = 252.e − j10,5Volt

2-faz için U L 2 N = U L 2 − U N − Z L I 2 = a 2 .U LN − U N − Z L .I 2

= (− 0,5 − j 0,866).230 − 51.e j 63,8 − 0,0931.118.e j 59 = −86 − j144 = 168.e j 59Volt

3-faz için U L 3 N = Z 3 .I 3 = U L 3 − U N − Z L I 3 = a.U LN − U N − Z L .I 3

= (− 0,5 + j.0,866).230 − 51.e j 63,8 − 0,0931.34.e − j 70 = −91 + j.2242 = 259.e − j 60,8

Örnekten de görüleceği üzere nötr hattı üzerinde yapılan kötü bağlantılardan kaynaklı nötr direncinin artması dolayısıyla; söz konusu dengesiz yüklenme, nötr hattı üzerinde tehlikeli seviyede gerilim meydana getirecektir. Yükü fazla hattın gerilimi 168 Volt gibi kullanılamaz seviyede gerilime sahip olacak ve diğer hatlardaki gerilim 252 Volt, 259 Volt seviyelerinde olduğu için 1-fazlı cihazlar tahrip olacaktır. 54

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

3-fazda toprak hatası durumunda, kısa devre durumunda nötr hattının gerilimi:  S + a 2 .S 2 + a.S 3′′   10 + (− 0,5 − j.0866).35 + (− 0,5 + j.0,866 ).568,2   = 230 U N = U LN . 1 = 62,2 + 10 + 35 + 568,2    S N′′ + S1 + S 2 + S 3′′  U N = −99 + j.157 = 186.e − j .58Volt

Hatlardan akan akımlar, 1-faz için  230 − (− 99 + j157 )  U −U  .10000 = 62 − j.30 ≈ 69.e − j 26 Amper I1 =  L1N 2 N .S1 =  2  U ( ) 230 LN    

2-faz için  a 2 .U LN − U N I 2 =  2 U LN 

 (− 0,5 − j.0,866).230 − (− 99 + j.157 )   .35000 = −3 − j.236 = 236.e j 89 .S 2 =     (230)2   

3-faz için  a .U LN − U N I 3 =  2 U LN 

 .S 3  

 (− 0,5 + j.0,866).230 − (− 99 + j.157 )  .568200 = −171 + j 451 = 482.e − j 69 A =   (230)2  

Nötr iletkeninden akan akım

I N = I1 + I 2 + I 3 = 62 − j.30 − 3 − j.236 − 171 + j.451 = −607 + j.980 = 1153.e − j.58 Amper Tüketicilerin giriş terminallerine uygulanan gerilimler ise, 1-faz için U L1N = U L1 − U N − Z L I 1 = U LN − U N − Z L .I 1 = 230 − 186.e − j 58 − 0,0931.69.e − j 268 = 323 − j.127 = 347.e − j10,5Volt

2-faz için U L 2 N = U L 2 − U N − Z L I 2 = a 2 .U LN − U N − Z L .I 2

= (− 0,5 − j 0,866).230 − 186.e− j 58 − 0,0931.236.e j 89 = −16 − j332 = 332.e j 87Volt

3-faz için U L3 N = Z 3 .I 3 = U L 3 − U N − Z L I 3 = a.U LN − U N − Z L .I 3

= (− 0,5 + j.0,866).230 − 186.e j 63,8 − 0,0931.482.e − j 69 ≈ −39 − j.3 = 39e j 4 .Volt

55

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Görüleceği üzere sistemden akan hata akımı 482 A’lik koruma elemanını yaklaşık 5 dakika sürede açacak ve bu süre zarfında sağlam fazlardaki 1-fazlı tüketiciler 347 Volt ve 332 Volt aşırı gerilimlere maruz kalacağından belirli bir süre sonunda tahrip olacaktır. TN-S sistemde toprak hatası meydana gelmesi durumunda, TN-S sistemde 3-fazda oluşan kısa devre akımı nötr iletkenden akmayıp PE koruma iletkeninden aktığından

 S + a 2 .S 2   10 + (− 0,5 − j.0866).35   = 230 U N = U LN . 1 = 62,2 + 10 + 35    S N′′ + S1 + S 2  j .76 U N = −16 − j.65 = 67.e Volt Hatlardan akan akımlar, 1-faz için  230 − (− 16 − j 65)  U −U  .10000 = 47 − j12 ≈ 49.e − j14 Amper I 1 =  L1N 2 N .S1 =  2  U ( ) 230 LN    

2-faz için  a 2 .U LN − U N I 2 =  2 U LN 

 .S 2 

 (− 0,5 − j.0,866).230 − (− 16 − j.65)  .35000 = −66 − j89 = 111.e j 53 =   (230)2  

Nötr iletkeninden akan akım

I N = I1 + I 2 = 47 − j.12 − 66 − j.111 = −26 − j.123 = 126.e j.78 Amper Tüketicilerin giriş terminallerine uygulanan gerilimler ise, 1-faz için U L1N = U L1 − U N − Z L I 1 = U LN − U N − Z L .I1 = 230 − 67.e j 76 − 0,0931.49.e − j14 = 241 + j.64 = 249.e − j10,5Volt

2-faz için U L 2 N = U L 2 − U N − Z L I 2 = a 2 .U LN − U N − Z L .I 2

= (− 0,5 − j 0,866).230 − 67.e j 76 − 0,0931.111.e j 53 = −92 − j125 = 155.e j 54Volt

TN-S sistemde toprak hatası halinde sağlam fazlara ait gerilimler 1-fazlı tüketicileri zarara uğratacak tarzda yükselmediği gibi sağlam cihazların gövdeleri nötr geriliminin etkisi altında kalmazlar. 3-fazda toprak hatası halinde faz iletkeni ve PE iletkeninden meydana gelen devreden akan hata 2 akımı (TN-S Sistemde PE koruma iletkeni kesiti 70 mm olacaktır). 56

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

I3 = I F =

U LN 230 = = 1235. A Z L + Z PE 0,0931 + 0,0931

D blok’u beslemek üzere transformatör dağıtım merkeziyle arasına çekilen 2 4 x 70 mm NYY kablo yerine TN-C-S sistemden vazgeçilerek ve aynı 2 zamanda hata akımı miktarını yükseltmek amacıyla 70 mm kesitli damarı 2 PE iletkeni olarak kullanılmak amacıyla 4 x 95 + 70 mm NYY kablo çekilerek besleme sistemi TN-S’e çevrilmiştir. Ayrıca 3-kutuplu açtırmayı sağlamak için koruma elemanı olarak NH tipi sigortalardan vaz geçilerek magnetik akım açtırma eşik değeri ayarlanabilen termik-manyetik kesici kullanımına karar verilmiştir. Bu durumda 1-fazlı hata akımı Z L = LL .rL = 0,290km.0,232 = 0,0464Ω U LN 230 I3 = I F = = = 1650. A Z L + Z PE 0,0464 + 0,0931 olacaktır.

ve Z PE = 0,0931

Dengesiz yüklenme durumunda tehlikesiz gerilimlerin meydana gelmemesi için nötr iletken empedansının alması gereken maksimum değer:  S + a 2 .S 2 + a.S 3  (14) no’lu denklemde simetrisiz  U N = U LN . 1  ′ ′ S S S S + + + 1 2 3   N yüklenme faktörü

k=

S1 + a 2 .S 2 + a.S 3 S N′′ + S1 + S 2 + S 3

(15) olduğundan

U N = k .U LN

(16) yazılabilir

3-fazlı 400/230 Volt alçak gerilim sistemlerinde izi verilen tehlikeli gerilim şartnamelerce 50 Volt olarak belirlenmiştir. Söz konusu şartlar altında simetrisiz yüklenme faktörü U 50 = 0,217 k≤ N = U LN 230 olacaktır.

57

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Nötr hattından geçen akım U −U I N = I 1 + I 2 + I 3 =  LN 2 N  U LN

 a 2U LN − U N  .S1 +  2  U LN  

 a.U − U  .S 2 +  LN 2 N  U LN 

 .S 3  

ifadesinde (16) no’lu denklemin yerine konur ve gerekli kısaltmalar yapılırsa (1 − k ).S1 + (a 2 − k ).S 2 + (a − k ).S 3 S S S I = (1 − k ). 1 + (a 2 − k ) 2 + (a − k ). 3 = N

U LN

U LN

U LN

U LN

Nötr hattının empedansı

ZN =

UN U N .U LN ≤ I N (1 − k ).S1 + a 2 − k .S 2 + (a − k ).S 3

(

)

Örnek 4 : Yukardaki örneklerde verilen dengesiz yüklenme durumunda simetrisiz yüklenme faktörü: k=

S1 + a 2 .S 2 + a.S 3 10 + (− 0,5 − j.0,866).35 + (− 0,5 + j.0,866).7 = = 0,0428 ≤ 0,2 568,2 + 10 + 35 + 7 S N′′ + S1 + S 2 + S 3

Bu derece simetrisiz yüklenme, sistem için tehlikeli değildir. 3-fazda kısa devre olması halinde k=

S1 + a 2 .S 2 + a.S 3 10 + (− 0,5 − j.0,866).35 + (− 0,5 + j.0,866).568,2 = = 0,462 >> 0,200 S N′′ + S1 + S 2 + S 3 568,2 + 10 + 35 + 568,2

olduğundan TN-C veya TN-C-S sistemde 400/230 Volt 3-fazlı alçak gerilim sistemini dağıtım hattının nötrü hattında izin verilen seviyenin çok üstünde (106 Volt) gerilim ve sağlam fazlarda faz-nötr gerilimleri 250 Voltun çok üzerinde bir değer alır. Devre gereken sürede açılmazsa PEN iletkenlerine koruma amaçlı bağlanan 1-fazlı cihazların aktif olmayan bölümleri söz konusu tehlikeli gerilime maruz kalır ve sonuçta bu cihazlara dokunan insan için hayati tehlike baş gösterir. Ayrıca sağlam fazlara ait 1-fazlı tüketiciler 300 Volt’dan fazla gerilim altında kalacağından koruma cihazının açtırma süresi gerekenden uzun olduğunda tahrip olacaktır.

58

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.13.5. DENGESİZ YÜKLENMEDE NÖTR İLETKENİNİN KOPMASI VEYA AÇILMASI Nötr iletkende veya sistemde bir hata oluşursa nötr iletkeni üzerinde gerilimler meydana gelebilir. Söz konusu hatalar, faz-nötr arası kısa devresi, korunan cihazda izolasyon hatasından meydana gelen toprak hataları, nötr iletkeninin kazara kopma suretiyle veya nötr hattı koruma cihazları donatılmışsa tek kutuplu (sigorta ve tek kutuplu kesici) açılmalarında görülür. Eğer 4-hatlı sistemlerde sadece nötr açılırsa besleme gerilimi 2-fazlı yüklenmede aşağıdaki şekilde görüldüğü gibiU 0 faz-nötr gerilim değerinden faklı değerler alabilir.

Şekil 4.14: Dengeli 3-fazlı sistemde iki faz dengesiz yüklenme halinde nötr iletkeninin kopması

4.13.5.1. İKİ FAZ DENGESİZ YÜKLEME DURUMUNDA NÖTR HATTININ AÇILMASI İfadeleri basitleştirmek için aşağıda belirtilen kabuller yapılmıştır. •

•

Z T transformatör empedansı ile, Z Lhat empedansları Z 1 , Z 2

yük empedanslariı yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olduğundan hesaplarda göz önüne alınmamıştır. Bu nedenle tüketici uçlarına kadar herhangi bir gerilim düşümü olmadığı ve tüketici giriş terminallerine transformatörün nominal çıkış gerilimi uygulandığı kabul edilmiştir. 59

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

İki fazlı yüklenmede Nötr iletkenin kopma durum tüketicilere uygulanan gerilimler aşağıda verilen ifadeler yardımıyla bulunabilir. 1. tüketici için

U L1N =

Z1 .U L1L 2 Z1 + Z 2

2. tüketici için

U L2N =

Z2 .U L1L 2 Z1 + Z 2

Nötr hattındaki gerilim

 Z1  .U L1L 2 U N = U L1L 2 − U L1N = 1 −  Z1 + Z 2  Empedanslar yerine bunlara tekabül eden güçleri ifadede yerine koyarsak ve ifadeyi sadeleştirirsek Z1 =

(U LN )2 S1

ve Z = (U LN ) 2 S2

2

4.13.5.2. İKİ FAZ DENGESİZ YÜKLEME DURUMUNDA NÖTR HATTININ AÇILMASI HALİNDE TÜKETİCİLERE UYGULANAN GERİLİM 1. tüketici için

U L1N =

S2 .U L1L 2 S1 + S 2

2. tüketici için

U L2N =

S1 .U L1L 2 S1 + S 2

Nötr hattındaki gerilim

60

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

 S2  .U L1L 2 U N = U L1L 2 − U L1N = 1 −  S1 + S 2 

U1 gerilim değeri, faz-nötr gerilim değerinin üzerinde olacağından 230 V’luk 1-fazlı cihazlar tahrip olabilir. Ayrıca TN-C sistemlerde nötr iletkenler üzerindeki gerilimin varlığı insan hayatı için tehlike arz eder. Örnek 5: 400/230 Volt 3-fazlı sistemin S1 = 10.kW ve S 2 = 35.kW olarak dengesiz yüklenme ve nötr hattının kopması durumu incelenecektir. Nötr hattındaki gerilim

 S  35   U N = 1 − 2 .U L1L 2 = 1 − .400 ≈ 89.Volt  10 + 35   S1 + S 2  1.

fazdaki tüketiciye uygulanan faz-nötr gerilimi

U L1N = 2.

fazdaki tüketiciye uygulanan faz nötr gerilimi

U L2N = 1.

S2 35 .U L1L 2 = .400 = 311.Volt S1 + S 2 10 + 35

S1 10 .U L1L 2 = 400 = 89.Volt 10 + 35 S1 + S 2

fazdaki tüketiciler aşırı gerilime maruz kalacak ve eğer aşırı gerilime karşı devreyi açtırmayı sağlayacak koruma cihazları yoksa tahrip olacaktır.

61

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.13.6. ÜÇ FAZIN DENGESİZ YÜKLENME DURUMUNDA NÖTR HATTININ AÇILMASI

Şekil 4.15: 3-fazlı simetrik sistemlerde 3-fazlı dengesiz yüklenme durumunda nötr iletkeninin kopması Millman teoremi uygulayarak aşağıdaki ifadeyi yazabiliriz. 1 1 1 1 1 1       + + +       Z Z Z Z Z Z 1 3 2 3 1 2  .U +  .U +  UN =   1 1  1 1  L2  1 1  L3  + + +   Z1 +   Z2 +   Z3 + Z1 Z 2  Z1 Z 3  Z 2 Z 3  (22)    Z 1 .Z 3 Z 2 .Z 3 Z 1 .Z 2             Z Z Z Z + + Z Z + .U .U +  1 3 .U +  2 3 1 2 =  Z 1 .Z 2  L 3  Z 1 .Z 3  L 2  Z 2 .Z 3  L1   Z1 +   Z2 +   Z3 + Z1 + Z 2  Z1 + Z 3  Z2 + Z3     Empedanslar güçler cinsinden yazılıp ifade sadeleştirilirse 1 1 1             + S + S S S S S + 1 3 2 3 1 2 .U .U +  .U +  UN =  (23)  1 1  L1 1  L2  1 1  L3  1 + +   +      S1 S 2 + S 3   S 2 S1 + S 3   S 3 S1 + S 2        S3 S2 S1 .U L 3 +  .U L 3 +  .U L1 =   S1 + S 2 + S 3   S1 + S 2 + S 3   S 2 + S 2 + S3 

U L1 = U LN başlangıç fazı kabul edildiğinde ve U L 3 = a.U L1 = U LN U L 2 = a 2 .U L1 = a 2 .U LN

olacaktır. Bu değerler

yukarıdaki denklemde yerine konulursa ve sadeleştirilirse,

62

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

  a.S 3 S1 a 2 .S 2 + + . U N = U LN .  S1 + S 2 + S 3 S1 + S 2 + S 3 S1 + S 2 + S 3 

(24)

olacaktır.

Mutlak değer olarak

U N = U LN

S1 a 2 .S2 a.S3 (24′) + + S1 + S2 + S3 S1 + S2 + S3 S1 + S2 + S3

Simetrisiz yüklenme faktörü

  a.S 3 a 2 .S 2 S1 + + .  k =   S1 + S 2 + S 3 S1 + S 2 + S 3 S1 + S 2 + S 3 

(25)

Mutlak değer olarak

k =

a.S 3 S1 a 2 .S 2 (25′) + + S1 + S 2 + S 3 S1 + S 2 + S 3 S1 + S 2 + S 2

Buradan

U N = k .U LN

(26)

yazılabilir.

4.13.7. DENGESİZ YÜKLEMEDE NÖTR HATTININ AÇILMASIYLA TÜKETİCİLERE UYGULANAN FAZ-NÖTR GERİLİMLERİ 1-faz daki tüketiciler U L1N = U L1 − k .U LN = U LN − k .U LN = U LN .(1 − k )

(27)

2.fazdaki tüketiciler

(

)

(28)

(

)

(29)

U L 2 N = a 2.U L1 − k .U LN = a 2 .U LN − k .U LN = U LN . a 2 − k

3. fazdaki tüketiciler U L 3 N = a .U L1 − k .U LN = a .U LN − k .U LN = U LN . a − k

63

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Örnek 6: 400/230 Volt 3-fazlı sistemin

S 3 = 7.kW

S1 = 10.kW

,

S 2 = 35.kW

ve

olarak dengesiz yüklenmesinde nötr hattının kopması durumu

incelenecektir. Simetrisiz yüklenme faktörü   a.S 3 (− 0,5 − j.0,866 ).35 (0,5 + j.0,866 ).7 10 S1 a 2 .S 2 + + . = k =  + + + + + 10 + 35 + 7 10 + 35 + 7 S S S S S 2 + S 3 S1 + S 2 + S 3  10 + 35 + 7 3 1  1 2 = −0,252 − j 0,466

Mutlak değeri

k = 0,252 2 + 0,466 2 = 0,53 Nötrün gerilimi U N = k.U LN = (− 0,252 − j 0466).230 = −58 − j..107.Volt

Mutlak değeri

U N = 58 2 + 107 2 = 122.Volt Tüketicilere uygulanan faz- nötr gerilimleri, 1.faz U L1N = U LN .(1 − k ) = 230.(1 − (− 0,252 − j 0,466)) = 288 + j.107

Mutlak değeri 2. faz

(

U L1N = 288 2 + 107 2 = 307.Volt

)

U L 2 N = U LN . a 2 − k = 230.[(− 0,5 − j.0,866) − (− 0,252 − j.0,466)] = −57 − j.93.Volt

Mutlak değeri

U L1N = 57 2 + 932 = 109.Volt

3. faz

(

)

U L 2 N = U LN . a − k = 230.[(− 0,5 + j.0,866) − (− 0,252 − j.0,466)] = −57 + j.306.Volt

Mutlak değeri U

L1N

= 572 + 3062 = 311.Volt

Eğer sistem aşırı gerilimlere karşı koruma cihazları ile donatılmamışsa ve devre zamanında açılmaz ise 1 ve 3. fazdaki 1-fazlı tüketiciler tahrip olur.

64

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.13.8. SONUÇLAR 1.

TN-C , TN-C-S ve TN-S sistemlerde 3 fazlı çıkışlarda hata halinde mutlaka kesiciler vasıtasıyla 3 kutuplu açma ve sağlanmalıdır. 2. Ancak 1-fazlı tüketicilere ait son çıkışlarda sigorta kullanılmalıdır 3. Son üç-fazlı tüketiciler için hata halinde 3-kutuplu açtırma sağlanmalıdır. 4. Nötr hattı sistemde aktif iletken olduğundan herhangi bir bakım veya onarım sırasında faz iletkenleri ile birlikte nötr iletkeni kontrol edilmeli ve mutlaka belirli peryotlarla nötr hattı direnci ve nötrden akan akımlar ölçülmeli belirlenen sınırların altında olduğundan emin olunmalıdır. 5. Projelendirmede dengesiz yüklenme analizi yapılarak sistemde nötr hattının yeterli olup olmadığından emin olunmalı gerekirse nötr hattı kesiti faz hattı kesitine eşit alınmalıdır. 6. Özellikle 3. harmonik ihtiva eden ve dengesiz yüklenme ihtimali olan sistemlerde nötr hattı kesiti mutlaka faz iletkeni kesitine eşit alınmalı yapılan hesaplar sonucu nötrden akan akımların miktarı faz iletkenlerinden akan faz akımlarından fazla ise nötr hattının kesiti faz iletkeninin kesitinden büyük seçilmelidir. 7. Pano girişleri mutlaka aşırı gerilimler meydana geldiğinde açtırmayı sağlayacak cihazlarla donatılmalıdır. 8. Nötr hattı gerilimi kontrol edilmelidir. 9. Şebeke ile bağlantısı yapılan Tüketici giriş panoları aşırı gerilim koruma elemanları ile donatılmalıdır. 10. Alçak gerilim dağıtım şebekeleri TN-S olarak yani 3-Faz+1-Nötr+1PE (koruma iletkeni) şeklinde tesis edilmelidir. Bu durumda Faz iletkenleri ve PE iletkeni herhangi bir 1-fazlı hata halinde en yakın kesiciyi açtıracak şekilde boyutlandırılmalıdır. 11. Sistemde nötr dengesiz yüklenmesi ve 3. harmonik akımlarından dolayı aşırı yüklenmeye karşı koruma cihazlarıyla donatılmışsa, nötrün aşırı yüklenmesi halinde açma 4-kutuplu olmalıdır.

4.14. ELEKTRİK SİSTEMLERİNDE OLUŞAN HARMONİKLER Ark ocakları, deşarj lambalı aydınlatma sistemleri, inverterler, doğrultucu, kesintisiz güç kaynakları (UPS), frekans konvertörleri gibi lineer olmayan elektrik ekipmanları tarafından çekilen akımlar sinüsoidal olmayıp aynı zamanda şebeke empedansları üzerinden akan bu akımlar besleme 65

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

gerilimini besleme kaynağının empedansına veya kısa devre gücüne bağlı olarak distorsiyona uğratırlar. Sinüsoidal dalga şeklinin distorsiyonu: Fourier teoremine göre sinüsoidal dalga şeklinde olmayan periyodik fonsiyonu aşağıdaki bileşenlerin toplamı olarak ifade eder. • • •

Temel frekans değerine sahip sinüsoidal bileşen Temel frekansın Katlarına sahip harmonik sinüsoidal bileşen Doğru akım bileşeni

Temel bileşen frekansının katlarında distorsiyonsa uğramış sinüsoidal fonksiyon

harmonik

bileşenlere

sahip

h =∞

y (t ) = Y0 + ∑ Yh . 2 .Sin(h.ω.t − ϕ h ) ifadesi ile belirlenir. Bu ifadede h =1

Y0Doğru akım bileşeni

ωtemel frekansın açısal frekans değeri

Yhn. dereceden harmoniğin rms değeri ϕ ht=0 da harmonik bileşenin deplasmanıdır. Harmoniklerin kökeni lineer olmayan yükler olup endüstriyel, ticari ve meskenlerdeki elektrik tesislerinin tamamında harmoniklerin neden olduğu distorsiyonlar ortaya çıkar.

4.14.1. LİNEER OLMAYAN YÜKLER • • • •

Kaynak makinaları, ark ocakları, endüksiyon ocakları gibi endüstriyel ekipmanlar, Asenkron ve doğru akım motorlarını tahrik etmekte kullanılan frekans konvertörü ve diğer doğru akım sürücüleri, Bilgisayarlar, fotokopi makinaları ve faks makinaları gibi büro elemanları, Televizyonlar, mikrodalga fırınları ve fluoresant lambalar gibi ev cihazları, 66

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

• •

Kesintisiz güç kaynakları, Özellikle satürasyona bölgesinde işletilen dağıtım transformatörleri (Aşırı yük veya nominal gücünde veya bu güce yakın değerlerde sürekli yüklenen transformatörler)..

Güç kaynağı tarafından beslenen lineer olmayan yükler dağıtım sisteminde harmonik akımların ortaya çıkmasına ve besleme devresinin empedansı boyunca akan harmonik akımlarda harmonik gerilimlerin ortaya çıkmasına neden olurlar.

Şekil 4.16. Lineer olmayan yüklerin harmonik gerilimleri oluşturması Şekilde görüldüğü gibi h. harmonik

Z h = ω h .L = 2.π . f N .h.L

empedansı

üzerinde U h = I h .Z h harmonik gerilimi meydana getirir. B noktasındaki gerilim distorsiyona uğrar ve bu noktadan itibaren bağlanan cihazların tamamı distorsiyona uğramış gerilim tarafından beslenir. Distorsiyon oluşan harmoniğin aktığı empedans kademelerine göre artar.

4.14.2. HARMONİKLERİN BOZUCU ETKİLERİ

Şekil 4.17. Şebeke arayüzü Güç tesisleri üzerindeki harmonik etkileri, kullanım gerilimi şebekeye verilen harmonik akımlardan dolayı distorsiyona uğratılır. 67

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Gerilim dalga şekli harmonikli yüklerle diğer yüklerin bağlandığı OB ortak bağlantı noktasında distorsiyona uğrayacaklar ve bu yüklerin yapılarına uygun performansta çalışmamasına neden olacaktır. Buna ilave olarak gerilim dalga şeklinin distorsiyona uğraması ile ortaya çıkan gerilim ve akım harmoniklerinden dolayı aşağıda açıklanan ana etkiler ortaya çıkacaktır: • •

Seri ve paralel rezonanstan dolayı yükselen harmonik seviyeleri, Güç üretiminde, taşımada ve kullanımdaki verimin azalmasına neden olan harmonik akımları, • Elektrik tesisindeki eleman ve cihazların izolasyonunun çabuk eskimesi ve böylece kullanım ömrünün kısalması.. Elektrik tesislerindeki elemanlar üzerine başlıca harmonik etkilerinden birisi de güç kayıplarının artması ve sonuç olarak elektrik tesislerindeki elemanlarında sıcaklık yükselmelerinin baş göstermesidir. Isı artışı ise izolasyonun bozulmasına yol açmakta ve elektrik tesisinin ömrünü kısaltarak devre dışı olmasına neden olmaktadır. Eğer elektrik tesisinin elemanları standartlarda ve sistem şartnamelerinde belirlenen kritik sıcaklıkların üstünde çalıştırılırsa elektrik tesisinde bulunan elemanların çalışma ömrü hızla azalır. Elektrik tesislerindeki elemanların ömrü, izolasyon sisteminin ömrüne bağlı olup sistem elemanlarının en önemlisi olan transformatörlerin ömrü de kendi izolasyon sisteminin ömrüne bağlıdır. Bu nedenle gerek tasarım safhasında gerekse devreye alma ve işletme safhasında mutlaka güç ve dağıtım transformatörleriı üzerinde harmonik etkilerinin belirlenmesi için gerekli çalışmaların yapılması gereklidir. Dağıtım sistemlerinde harmoniklerin varlığı güç kalitesini düşürmekle birlikte aşağıda belirtilen ilave problemlerin ortaya çıkmasına neden olurlar. • •

•

RMS (efektif) akımlardaki akışlardan dolayı dağıtım sistemlerinde aşırı yüklenme 1-fazlı yükler tarafından üretilen 3. harmonik akımlarının nötr iletkeninde toplanmasından dolayı nötr iletkeninin aşırı yüklenmesi (bu yüklenme çoğu durumlarda faz iletkeninden daha fazla olabilir.) Jeneratör, transformatör ve motor gibi cihazlarda harmonik akımların meydana getirdiği aşırı ısınmadan dolayı çalışma ömrünün kısalması ile birlikte aşırı yüklenmesi, titreşimler

68

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

•

• •

Güç faktörünü düzeltmede kullanılan kondansatörün çalışma ömrünün aynı nedenlerden dolayı kısalması ve bu kondansatör üzerinde aşırı yüklenme Gerilim distorsiyonuna hassas cihazlar üzerinde yanlış çalışmaya neden olma Telefon hatları ve komünikasyon şebekelerinde parazit ve bozucu etkiler.

4.14.3. HARMONİK DİSTORSİYONLARIN TEMEL GÖSTERGELERİ VE ÖLÇÜM PRENSİPLERİ

4.14.3.1. GÜÇ FAKTÖRÜ Temel frekanstaki güç faktörü PF = Cosϕ = P1 1

S1

P1 temel

frekanstaki aktif güç

ve

S1 de,

temel frekanstaki görünen

güçtür Harmonikli sistemlerde güç faktörü yukarda verilen ifade ile bulunan değerden farklı olur.

4.14.3.2. TEPE FAKTÖRÜ

I mve U m akım ve gerilimin tepe değeri

ve rms akımın efektif değeri

olmak üzere olmak üzere tepe faktörü

k=

Im I rms

veya k

=

Um U rms

ifadesiyle belirlenir.

k = 2 olup lineer olmayan yükler faktörü k = 2 değerinden büyük

Harmoniksiz sinüsoidal dalga şeklinde

tarafından akım çekildiğinde tepe olacaktır. Lineer olmayan yükler tarafında sistem yüklendiğinde tepe faktörü genellikle 1,5-2 değeri arasında değişmekle birlikte kritik 69

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

durumlarda 5 değerine kadar ulaşabilir. Sistemdeki tepe faktörünün yüksek olması zaman zaman ortaya çıkan aşırı akımların göstergesidir. Söz konusu aşırı akımlar aşır akım veya aşırı yük koruma cihazları tarafından algılanarak sistemde hata olmadığı halde hata varmış gibi yanlış açmalara neden olur. Güç ve Harmonikler Aktif güç Harmonikli bir sistemde aktif güç P =

∞

∑U n =1

Reaktif güç, Q1 = U 1 .I 1 .Sinϕ1

h

.I h .Cosϕ h

Distorsiyon gücü Harmonikli sistemde görünen güç S

olmak üzere distorsiyon gücü

∞ ∞ = U rms .I rms ve S 2 =  ∑ U h2 . ∑ I h2 

 n =1

D = S 2 − P2

RMS (efektif değerler) Akım

∞

∑I

I rms =

n =1

2 h

ve Gerilim U rms

=

∞

∑U n =1

2 h

4.14.3.3. TOPLAM HARMONİK DİSTORSİYONU (THD) Akım THD ∞

THDI =

∑I n=2

2 h

I1

2

I  =  rms  − 1  I1 

Gerilim THD ∞

THDU =

∑U n=2

2 h

U1 70

  n =1



TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Harmonikleri belirleyen göstergelerin kullanımı Gerilimin THD değeri %5 den küçük ise sistemde bulunan elemanların yanlış çalışma riskinin bulunmadığını ve sistemin normal olarak kabul edilebileceğini gösterir. Gerilim THD değeri %5 ile %8 arasında ise sistemde önemli derecede harmonik distorsiyonun bulunduğu ve bazı ekipmanların hatalı çalışabileceği sonucuna varılır. Gerilim THD değeri %8’ den büyük ise sistemde yüksek harmonik distorsiyonun bulunduğu ve sistemdeki cihazlarin büyük bir ihtimalle yanlış çalışacağı ortaya çıkar Bu gibi sistemlerde detaylı bir şekilde analiz yaparak harmonikleri zayıflatan cihazların sistemde tesis edimesi gerekir. Akımın THD değeri akımda bulunan distorsiyonun derecesini belirler. Sisteme bağlanan yüklerin bozucu etkilerini belirlemek için farklı devrelerin giriş ve çıkışında akımın THD değerinin ölçülmesi gerekir. Akımın THD’ sinin %10 veya daha küçük değerde olması durumunda sistemin normal olduğu ve sistemdeki ekipmanlarda yanlış çalışma riskinin bulunmadığı anlaşılır. Akım THD’sinin değeri %10 ile%50 arasında ise sistemde önemli derecede distorsiyon bulunduğunu ve muhtamel sıcaklık artışları göz önüne alınarak gerek kabloların ve gerekse besleme kaynaklarının daha büyük boyutlandırılması gereği ortaya çıkar. Akım THD’sinin %50’den daha büyük olması durumlarında sistemin düzgün çalışmasını önleyecek boyutta yüksek harmonik distorsiyonun olduğunu gösterir. Bu gibi durumlarda detaylı analiz yapılarak harmonikleri azaltan ekipmanların sistemde tesisi edilmesi gerekir. Güç faktöründeki değişiklik tesisin besleme kaynağının daha büyük boyutlandırılmasını ortaya koyar. Tepe faktörü özellikle jeneratör ve UPS boyutlandırılırken yüksek akım sağlama kapasitesini belirlemede kullanılır. Örneğin bilgisayarlar yüksek distorsiyona uğramış akım çeker ve tepe faktörü 3 ila 5 arasındadır.

4.14.4. HARMONİKLERİN DAĞITIM SİSTEMLERİNDE ANA ETKİLERİ

4.14.4.1. REZONANS

71

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şebekede güç faktörünün düzeltılmesi veya gerilim regülasyonu amacıyla kapasitörlerin bulunması durumunda bu kapasitörleri zarara uğratacak aşırı akımlara yol açan paralel ve seri olmak üzere reonanslar meydana gelebilir.

4.14.4.2. PARALEL REZONANS

Şekil 4.18. Paralel rezonans durumu Paralel rezonans: kapasitör bir endüktansla veya endüktif yükle paralel bağlandığında ve rezonans frekansında akım kaynağının çalışması durumunda meydana gelir. Bu ise paralel bağlı sistem endüktansının sistem kapasitansına eşit olduğu durumlarda meydana gelir, bkz. Şekil 21.

Şekil 4.19. Paralel rezonans durumu Bu davranış Şekil 4.19 vasıtasıyla açıklanır. Paralel rezonans lineer olmayan yük tarafından harmonik üretecek karakteristiklerden birisi olduğunda meydana gelir. Bu ise endüktansta enerji depolanması ve kapasitansta enerji depolaması arasında osilasyon sonucu akım yükselmesine neden olur.

72

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

ω 0 osilasyon frekansında Endüktif kapasitans X S = ω.L , X C

=

1 eşit

ω.C

olur ve bundan dolayı rezonans frekansı ω = 0

1 değerini alır. L.C Harmonik rezonans frekansı bağlantı noktasındaki MVA kısa devre değeri, veya istasyondaki kısa devre reaktansı ve temel frekansdaki kapasitör grubunun kapasitif reaktansı ile hsaplanır.

hr =

S SC = S CAP

XC XS

MVASC İnceleme noktasındaki kısa devre gücü, MVACAP Sistem geriliminde kapasitör grubunun değeri, X C Temel frekansta kapasitör grubunun reaktansı, X SC İstasyonda kısa devre reaktansı Eğer telefon devresi fiziksel olarak yakın ise yüksek osilasyon akımı dağıtım devresinde gerilim distorsiyonuna neden olduğu gibi telefon devrelerinde enterferanslar meydana getirir. Eğer osilasyon akımı kapasitörlerde nominal akımın %135 sınırını aşan akım değerine ulaşırsa kapasitörlerde tahribatlar meydana gelir. Kapasitörlerde rezonansın ortak etkisi olarak kapasitör devresindeki sigortaların atması olarak ortaya çıkar. Rezonans problemlerinin pek çoğundan harmonik frekansın yakınında rezonans meydana getirmeyecek şekilde kapasitörlerin boyutlandırılması ile sakınılır. Benzer hasarlar kapasitor bağlı veya kapasitif etkili devreler oluşturulan transformatör veya reaktans bobinlerinde görülür. Transformatörün veya reaktörün kullanım şebekesine paralel bağlı olduğu sistemde, transformatör her bir harmonik akım transformatörun nopminal akım değerinin %5’inden fazla olmamalıdır. Bu krıter transformatör izolasyonunun tasarım sınırlarının üstünde zorlanmamasını sağlayacaktır.

4.14.4.5. SERİ REZONANS DEVRESİ Seri rezonans endüktansın kapasitansla seri bağlı olduğu durumlarda meydana gelir. Şekil 5’de açıklandığı gibi rezonans frekansında çalışan 73

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

gerilim kaynağı seri bağlı devrenin kaynağıdır. Seri kombinasyon harmonik akımları için çok düşük empedans oluşturmaktadır.

Şekil 4.20. Seri rezonans durumu Cebrik olarak seri empedans kombinasyonu aşağıdaki verilen ifade yardımıyla belirlenir: Z = j.( X − X ) . S S C En düşük empedans X T = ω.L empedansının X = 1 empedansına eşit C ω.C

olduğu zaman meydana gelir. Buradan rezonans frekansı ω = 0 belirlenir.

1

olarak

L.C

4.14.5. HARMONİKLERİN ANA KAYNAKLARI

4.14.5.1. ALTI DARBELİ DOĞRULTUCU KÖPRÜSÜ

I 1temel

akımın büyüklüğü ve

harmonik h

sayısı olmak üzere I h =

I1 h

ifadesiyle verilebilir ancak gerçekte dalga şekli ideal dikdörtgen şeklinde olmadığından harmonik akımlar yukardaki ifade ile verilen değerlerden daha küçüktür. IEC 146-1-2 paragraf 3.6.2.1’ de verilen Ih =

ampirik formülü ile harmonik akımların yaklaşık değerleri

I1 5  h −  h 

1, 2

bulunur.

74

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Bulunan harmonik akımların temel akım değerine bölümüyle harmonik akımlara ait yüzdelik değerleri aşağıda Tablo 4.4’de verilmiştir.

I1

I5

I7

I11

I13

I17

I19

I 23

I 25

I 29 I 31

%100

%18.9

%11.0

%5.9

%4.8

%3.4

%3

%2.3

%2.1

%1.8

%1.6

Tablo 4. 4. Doğrultucu köprüsü tarafından üretilen harmonik akımlar

Şekil 4.21. 6-darbeli doğrultucu ve akım şekli Genellikle her bir harmoniğin dikkatli bir şekilde teorik değerlerini hesaplamak araştırma için kesin bir dayanak noktası olmayıp sadece tasarım sırasında ekipmanların boyutlandırmasına yardımcı olmak üzere kullanılır. Eğer ihtiyaç duyulursa sahada yapılan ölçmeler sonunda harmonik değerlerin kesin sonuçlarına ulaşılarak tasarım sırasında yapılan hesaplar karşılaştırılır ve gerekiyorsa sistem güvenirliliği için ilave tedbirler alınır.

4.14.5.2. BİLGİSAYARLARA AİT BESLEME Harmonik akımlar üst taraftaki şebeke empedansına ve yüke bağlı olarak bilğısayar anahtarlama modu beslemesi tarafından meydana getirilir. Burada yüksek ve düşük harmonik bileşenlere göre kabuller yapılır.

75

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şekil 4.22. Bilgisayar switch-mode besleme devresi ve dalga şekli

Tablo 4.5. Bilgisayar besleme devresi için harmonik akımlar

4.14.5.3. AYDINLATMA YÜKLERİ

I1

I3

I5

I7

I9

I11

I13

I15

%100

%35

%27

%10

%2.5

%3.5

%1.5

%1.5

Tablo 4.6. Fluoresant tüplü ve manyetik balastlı deşarj lambalarının harmonik akımları Elektronik balastlı deşarj lambalarının harmonik akımları Tablo 4.5.’de verilen yüksek değerlerle aynıdır.

4.14.5.4. KESİNTİSİZ GÜÇ KAYNAKLARI (UPS) Kesintisiz güç kaynaklarına ait harmonik akım değerleri imalatcıdan alınması gerekiyorsa da tasarım safhasında Tablo 4.7’de verilen değerler kullanılarak hesaplar yapılabilir.

I7

I11

I1

I5

I17

I19

%100

%33 %2.5 %6.1 %2.4 %2.5 Tablo 4.7. UPS için harmonik akım değerleri

%1.6

76

I13

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.14.5.5. FREKANS KONVERTÖRLERİ Asenkron motorların hızını ayarlamakta kullanılan frekans konvertörlernde harmonik akımların büyüklükleri aşağıda açıklanan faktörlere bağlıdır. •

′′ frekans konvertörünün bağlandığı şebekenin kısa devre gücü SK ile S CNfrekans konvertörü nominal gücüne oranı

•

S CN frekans

konvertörünün nominal gücünün

konvertörü yüküne oranı

S C frekans

Tablo 4.8. Frekans konvertörünün %100 yüklenmesi halinde harmonik akımlar S C =50%S CN S K′′ =250S CN

I1

I5

I7

I11

100%

90.5%

82 %

59.5 % 48 %

I13

S K′′ =100S CN

100 %

82%

66.5 % 33 %

S K′′ =50S CN

100%

74.3%

53.9 % 18.3 % 7.9 %

I17

I19

I23

25.5 % 16.5 % 6 %

19.5 % 7 % 1.9 %

I25 4.5 %

6.5 %

5%

3.5 %

2.5 %

/

/

Tablo 4.9. Frekans konvertörünün %50 yüklenme durumunda harmonik akımlar S C =25%S CN

I1

I5

I7

I11

I13

I17

I19

I 23

I 25

S K′′ =250S CN S K′′ =100S CN

100 %

94 %

89 %

74 %

66 %

47 %

38 %

22 %

15 %

100 %

89 %

78 %

53 %

40 %

17 %

9%

5%

6%

/ S K′′ =50S CN 100 % 84 % 68 % 38 % 24 % 6.1 % 2.1 % / Tablo 4.10. Frekans konvertörünün %25 yüklenmesi durumunda harmonik akımlar

77

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.14.5.6. ARK OCAKLARI Demir-çelik endüstrilerinde kullanılan ark ocakları ya AC veya DC olarak tesis edilir. AC kaynağa bağlanan ark ocakları (Bkz Şekil. 4.23)

Şekil 4.23: AC kaynaktan beslenen ark ocağı Üretilen ark lineer olmayıp disimetriktir ve kararlı değildir. Sürekli spektrum değerleri ile birlikte üretilen harmoniklerin seviyesi ocağın tipine, gücüne ve işlem süresine bağlıdır. Bundan dolayı harmoniklerin kesin seviyesi ölçüm sonucu belirlenebilir.

Şekil 4.23-b: AC beslemeli ark ocağının akım spektrumu DC beslemeli ark ocağı (Bkz Şekil 4.24)

78

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Şekil 4.24: DC beslemeli ark ocağı DC beslemede doğrultucu üzerinden sağlanır ve ark, AC ark ocağından daha kararlı bir şekilde üretilir. Akım tüketimi:

- Doğrultucununkine benzer şekilde harmonik spektrumdan - AC beslemeli ocağın tüm değerlerinden az sürekli spektrum değerlerinden oluşur. Aşağıdaki şekilde çift köprülü doğrultucu üzerinden beslenen 144 MVA DC ark sürücü için verilen harmonik spektrumu görebilirsiniz.

Şekil 4.25. Çift köpru doğrultucudan beslenen DC beslemeli ark ocağının harmonik spektrumu

79

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.14.5.7. MAKİNALARDA MANYETİK DEVRENİN SATÜRASYONÜ Transformatörler Elektrik makinaları ekonomik nedenlerle normal besleme gerilim şartları altında magnetik satürasyon sınırlarına yakın dizayn edilirler. Besleme gerilimi nominal gerilimin 1,1 katından daha yüksek değerde olursa manyetik devre satüre olacak ve akımlar distorsiyona uğrayacaklardır. Ve makinalar tek sayılı harmonik akım üreticileri gibi çalışacaktır.

4.14.5.8. GERİLİM KAYNAKLARI Gerilim kaynakları (dağıtım şebekesi, alternatör, UPS) bağlanan ekipman mükemmel lineer yük olsa dahi yapısından ileri gelen harmoniklere sahiptir. Dağıtım şebekeleri Dağıtım şebekeleri diğer bağlı tüketicilerin ürettiği harmonikleri bulundururlar. Diğer tüketiciler tarafından dağıtım ve taşıma şebekesinde üretilen gerilim harmoniklerini bulundururlar. Fransız elektrik idaresi tarafından ölçülen OG şebekesindeki harmonik miktarları tablo 8-8’de verilmektedir:

Yüksek Orta Düşük

U1

U5

U7

%100 %100 %100

%9 %6 %3

%3 %2 %1

Tablo 4.11. Fransa şebekesinde ölçülen harmonik miktarı

Not:

3 ve 3’ün katları harmonikler yüksek değerde endüstriyel ve şehir içi alçak gerilim şebekelerinde kullanılan OG/AG transformatörlerin primer sargıların üçgen olmasından dolayı ortadan kalkar. Bu nedenle OG şebekelerinde 3 ve 3’ün katları olan harmonikler görülmez.

Kesintisiz güç Kaynakları (UPS)

80

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

İnverterler tarafından verilen sinusoidal gerilim bir lineer yük için ideal değildir. Bir UPS çıkışında belirli harmonikler bulunacaktır. Yapı modeli

EPS 5000

Genel distorsiyon 5 % faktörü

EPS 2000

ALPES 1000

GALAXY

4%

5%

2%

Tablo 4.12: UPS mevcut harmonik miktarları Alternatörler Alternatörler tarafındanda sağlanan sinusoidal gerilim saf sinus şeklinde olmayıp belirli bir miktar harmonik ihtiva ederler. Alternatörlerde çıkış gerilimlerinde harmonik bulundururlar. Örneğin 10 kVA ile 5000 kVA alternatörler için gerilim distorsiyon faktörü %4 τV ≈ 4 % I5 = 2 to 3 % I1

Not :

Daha fazla dengesiz yük jeneratörün daha fazla 3. harmonik üretmesine neden olur.

4.14.6. Şebeke elemanlarının empedansları Kablolar, enerji hatları ve transformatörler Z (hω 0 ) = R + j.h. X

h harmonik katsayısı

X50Hz frekanstaki reaktans ω0 = 2.π . f = 2.π .50 = 314

50H z frekanstaki açısal frekans

Kapasitör grupları 1 Z (hω 0 ) = C .h.ω 0

81

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.14.7.TRANSFORMATÖRDE HARMONİK ETKİLERDEN DOLAYI YENİDEN DEĞERLENDİRME FAKTÖRÜ Transformatörlerde harmoniklerden dolayı meydana gelen aşırı ısınma transformatörün yüklenme kapasitesi üzerine azaltıcı bir yönde etki eder. Örneğin harmonik akımlar ve yükler göz önüne alınmadan yapılan hesaplar sonucu 630 kVA olan bir transformatör şebekedeki harmonik yüklenmeden dolayı yüklenme kapasitesi 450kVA değerlerine kadar düşebilir. Bu nedenle transformatör gücü hesaplanırken şebekede bulunacak lineer olmayan cihazlara ait harmonik akım değerleri imalatçı firmadan alınarak transformatör üzerine ilave yüklenme miktarını bulmaya yarayan yeniden değerlendirme faktörü aşağıda verilen ifade yardımıyla bulunur; 1 k= 2 ∞  I h  1, 6   1 + 0,1.∑   .h h=2  I1  ifadesiyle belirlenir. Aşağıda verilen şekildeki eğriden değerlendirme faktörleri belirlenir.

transformatörlara

ait

yeniden

Şekil 4.26. Transformatör kapasitesinin lineer olmayan yük miktarına göre azalma eğrisi UTE C 15-12 standardlarında harmonik akımların fonksiyonu olarak yeniden değerlendirme faktörü

82

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

1

k=

 40  1 + 0,1. ∑ h1, 6 .Th2   n=2  Tipik değerler olarak kare dalga için k=0,86 ve akım THD=%50 olan frekans konvertörü için 0,80 olarak belirlenebilir. ∞

ANSI C57.110 a göre

K=

∑I h =1 ∞

2 h

.h 2

∑I n =1

2 h

∞  I = ∑  h h =1  I rms

2

 2 olarak yeniden  .h 

değerlendirme faktörü belirlenir. Örnek 1: 600kVA lineer yük ve 500 kVA güçte köprülü doğrultucu transformatör üzerinden beslenecektir . Gerekli transformatör gücünün bulunması için: Doğrultucuya ait harmonik akım değerleri (Tablo 4.4)

I1

I5

I7

I11

I13 I17 I19 I 23 I 25 I 29 I 31

100%

18.9%

11.0%

5.9 %

4.8 %

3.4 %

3%

2.3 %

2.1 %

1.8 %

1.6 %

Yeniden değerlendirme faktörü (0,189)2 .51,6 + (0,11)2 71,6 + (0,059)2 .111,6 + (0,048)2 .131,6 + (0,034)2 .171,6  1 = + 1 0 , 1 .   2 2 2 2 2 2 1 , 6 1 , 6 1 , 6 1 , 6 1 , 6 k + (0,03) .19 + (0,023) .23 + (0,021) .25 + (0,018) .29 + (0,016) .31  k = 0,931

Doğrultucunun transformatörü yüklemesi 500 = 537kVA 0,931 Transformatörün yüklenmesi ST = 600 + 537 = 1137kVA Seçilen transformatör STN = 1250kVA

olacaktır.

83

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.14.8.BESLEME ŞEBEKESİNDE HARMONİK AKIMLARIN VE GERİLİMLERİN BELİRLENMESİ İÇİN METOT

4.14.8.1. LİNEER OLMAYAN YÜKLER MODELİ Hesap amacıyla lineer olmayan yükler harmonik akım jeneratörleri olarak göz önüne alınacaktır ( p ≥ 2 ) Onlar şebeke içine akım enjekte eden generatörler olarak modellendirilecektir. (Bkz Şekil. 4.27).

Not:

Bu model ayrı bir spektrum için geçerlidir. Ark ocakları gibi sürekli spektrum durumunda daha kompleks model tasarlanmalıdır.

harmonik akımın sayısı h I h: Z (ω ): açısal frekansta şebekenin empedansı ω = pω 0 (ω 0 =

((50 Hz or 60

Hz) değerinde açısal frekans . Şekil 4.27: Lineer yükler tarafından üretilen akım harmonikleri için model Her bir lineer olmayan yük, yük tarafından üretilen harmonik akımlara uygun akım kaynaklarıyla ve 50Hz empedansları vasıtasıyla modellenebilir. I pharmonik akımı, empedans üzerinde V p harmonik gerilimi meydana getirerek şebeke boyunca akar. Harmonik gerilim Vh = Z (hω 0 )I h

Gerilim distorsiyon faktörü I 2 , I 3 , I 4 ... harmonik akımların spektrumu sonucudur.

84

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI ∞

τV =

∑ Z (hω ) 0

h=2

2

I h2

V1

Endüktans ve kapasitansın etkili bir şekilde bulunduğu bir şebekede Z (ω ) empedans spektrumu Şekil 4.28 de görüldüğü gibi önemli ölçüde değişebilir.

Şekil 4.28: Empedans spektrumu Şebekede oluşan harmonik gerilimler elektrik ekipmanların çalışması üzerinde oldukca bozucu etkiler meydana getirirler. Önceden mevcut olan harmonik gerilimlerle kirlenen kaynakların modellenmesini aşağıdaki şekilde görebiliriz. Hesapları kolaylaştırmak için, önceden mevcut olan harmonik gerilimler harmonik gerilim kaynakları olarak göz önüne alınır.

Vp

Z (ω ) :

:

harmonik gerilimlerin sayısı h

ω =hω 0 (ω 0 = 50 Hz de açısal frekans) açısal frekansında

şebeke beslemesinin empedansı

85

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şekil 4.29. Önceden bulunan harmonik gerilim modeli Önceden bulunan harmoniklerle kirletilmiş gerilim kaynaği 50 Hz de nominal gerilim ve harmonik gerilim kaynakları ile modellenecektir.

4.14.8.2. ŞEBEKE ELEMANLARININ EMPEDANSLARI Kullanım (Şebeke) Kullanım empedansı, genellikle saf reaktans olarak ele alınır. Buna rağmen YG/AG istasyonlarında bulunan kapasitör grupları rezonansı ve istenmeyen frekansların meydana gelmesine neden olabilir. Bunlar özellikle çok büyük güç çeken ark ocakları gibi lineer olmayan yüklere sahip tesislerde harmoniklerin araştırılması sırasında mutlaka göz önüne alınması gerekir. Kablolar, güç hatları ve transformatörler: Bunlar harmonik sayıları ile doğru orantılı reaktaslar ve sabit dirençlerdir;

Z (hω 0 )= R+ jhX

h : X :

harmonik sayısı 50 Hz deki reaktans .

Kapasitör grupları Bunlar harmonik sayıları ile ters orantıya sahip kapasitörlerdir.

Z (hω 0 )=

1 Chω 0

Alternatör İleride alternatör reaktansının neden harmonik sayıları ile doğru orantılı olmadığı açıklanacaktır . Bir alternatörde, alternatörün direnci ihmal edilecek kadar küçüktür. Şebeke frekansında 86

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

3-fazlı stator akımları tarafından meydana getirilen alan rotor hızında döner ve buna bağlı olarak sabittir. Stator akımlarının artması durumunda gerilim azalır. Alternatör empedası değeri %200 ila %300 arasında değişen X dsenkron reaktansına eşit olur.

Şebekeninkinden farklı frekanslarda

Stator akımları tarafından meydana getirilen alan rotor hızıyla aynı hızda dönmez ve rotor hızına bağlı olarak sabit değildir. Döner alan rotorda harmonik akımların akmasına neden olur. Buna bağlı olarak gerilimde düşmeler meydana gelir.

3 k ± 1sayılı harmonik akımları için, alternatör empedansları sub-transiyent empedansın bir fonksiyonudur. X 3 k ± 1 = (3 k ± 1) X d" X d"

Subtransiyent reaktans 10 to 20 %.arası değerdedir

3 k sayılı harmonikler için eğer nötr dağıtılmamışsa yani nötr üzerinden güç dağıtımı yapılmıyorsa empedans sonsuzdur. Gerçekte 3. harmonikler nötr üzerinden toplanıp akarlar. Eğer nötr dağıtılmamışsa 3 ve 3’ün katları harmonikler için akış olmadığından sonuçta empedanslar sonsuz olur. Eğer nötr dağıtılmışsa yanı nötr üzerinden güç dağıtımı yapılıyorsa 3 ve üçün katları harmonikler nötrün üzerinden akarlar, alternatör empedansı sıfır bileşen empedansının bir fonksiyonu olur. Gerçekte 3 ve 3’ün katı harmonikler dönmediğinden bu harmonikler tarafından meydana getirilen alanda dönmez .

X3k = 3k X 0 X0

" kabaca X d yarısına eşit olup %5-10 civarında değere sahiptir.

Asenkron motor Asenkron motorun harmonikleri harmonik sayıları ile doğru orantılı değildir. Direnç de ihmal edilebilir. Şebeke frekansında motor empedansı Z M yüke bağlıdır.

Gerçekte ,

ZM =

U LN I 87

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

U LN:

faz-toprak gerilimi veya 1-faz gerilimi

IM : 3 k sayısının

yüklenmeye bağlı olarak motor tarafından çekilen akım gerilimleri için, empedans sonsuzdur; çünkü genellikle

motorun nötrü yalıtılmış olarak kullanılır. 3 k ± 1 sayılı harmonikler için, motorun empedansı bloke rotor empedansının bir fonsiyonudur. (veya yol alma akımını sınırlandıran sistem yoksa yol alma empedansıdır.

I MN XM I MS U X 3k ±1 =(3k ±1) LN I MS

X 3k ±1 =(3k ±1)

XM =

U LN I MN

XM

:

nominal yüklenmede motor empedansı ,

I MS

:

bloke rotor akımı (veya yol alma akımını sınırlandırıcı

sistem yoksa motorun yol alma akımı ). Harmonik leriden 7-13-19 sıralı harmonikler pozitif sıralı harmonikler motoru aşırı hızlandırmaya çalışırken, 5-11-17 negatif bileşen harmonikleri motoru yavaşlatmaya çalışır. Her iki durumdamotor moment kaybına uğrar ve motorda aşırı ısınma ve harmonik momentlerden oluşan sarsıntılar nedeniyle makinada bozulmalar meydana gelir. İnverterler

Şekil 4.30: Eski tip inverterin çıkış empedansı 88

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Makinananın yeni tip (GALAXY ya da COMET) ve eski tip (EPS 5000) olmasına bağlı olarak çok fazla değişiklik arz eder.

Ÿ Eski tip inverterler. (EPS 5000) Çıkış empedansı çıkış filtre empedansına eşittir. Şekil 4.30’da çıkış tarafından eşdeğer devre görülmektedir. Şekil 30’dan görüleceği üzere çıkış empedansı frekansa bağlıdır. Düşük frekanslarda çıkış empedansı Lω değerine yakındır. Yüksek frekanslarda çıkış empedansı fr =

, rezonans frekansında filtrelerin empedansı çok yüksektir ve

1 2π

1 değerine yakındır. Cω

LC

Z out ( 2 π f r ) ≈ 100 %

değerinde nominal yük empedansının büyüklüğüne eşittir. Pratikte rezonans frekası genelde bulunanan ortak harmonik frekanslarından uzak frekansta seçilir. Örneğin 4. harmoniğin bulunmadığı durumlarda 210 Hz seçilebilir.

Faz-nötr regülasyonlu yeni tip inverterler. (GALAXY, COMET) Ekipman tiplerinde yüksek anahtarlama frekansı kullanılır ve yüksek akım distorsiyonu olsa dahi çıkış voltaj kalitesini sağlayan çok hızlı regülatörlerdir. Sonuç olarak çıkış empedansı düşük olup tüm harmonikler için büyük ölçüde sabittir.

89

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şekil 4.31: İnverter çıkış empedansları

4.14.9 3 VE 3’ÜN KATLARI HARMONIKLERIN ÖZEL DURUMU Şebekede en fazla etkisi görülen harmonikler 150 Hz frekanslı üçüncü harmonik, 250 Hz frekanslı beşinci harmonik ve 350 Hz frekanslı yedinci harmoniktir. Genellikle bir fazlı yükler üçüncü harmoniği ve üç fazlı yüklerde diğer harmonikleri üretirler. Deşarj lambalarının ve bilgisayarlarlar gibi lineer olmayan yüklerin şebekede kullanımlarının artması üçüncü harmoniğin bu yükler tarafından üretilmesi sebebiyle şebekede ve diğer ekipmenlar da problemler meydana getirir. Üçüncü harmonik nötr iletkeni üzerinde faz iletkeni üzerindeki akımdan daha fazla değarde akım üretir. Fluoresant, civa buharlı, sodyum buharlı, metal halinde lambalar gibi deşarj lambaları, üçüncü harmonik üretirler. Bir deşarj lambası şebekede 1A/kW değerinde 150 Hz frekansı haiz üçüncü harmonik akımı üretir. Üç fazında eşit olarak yüklendiği simetrik şebekelerde nötr iletkeni üzerinde herhangi bir akım yoktur. Ancak eğer şebekede üçüncü harmonik varsa nötr iletkenler üzerinde akımlar görülür. Deşarj lambalı sistemde, faz iletkenindeki harmonik miktarı faz akımlarının değerinin %30 değerine ulaşır. Böylece nötr iletkeninin yüklenmesi faz akımlarının 3 x %30= 0.9’u değerine ulaşır. Tecrübeler göstermiştir ki iş 90

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

hanları, bankalar, ticari binalarda fluoresant lambaların bilgisayarların ve bilgisayarlara bağlı kesintisiz güç kaynaklarının artmasıyla nötr iletkenlerde görülen 3. harmonik akımları herbir faz iletkeninden akan akım değerlerinin 0 %150 ila %210 katına ulaşmıştır. Faz akımlarının 120 faz farkından dolayı nötr iletkendeki vektörel toplamı birbirini ifna ederken, faz iletkenlerindeki 3. harmonik akımları aralarında faz farkı olmadığından nötr iletkeni üzerinde 2 birbirlerine ilave olarak yüksek değerlere ulaşırlar. Nötr iletkeni 16mm 2 bakır ve 25 mm alüminyum kesitten sonra faz iletkeninin kesitinin yarı değerinde boyutlandırıldığı tesislerde nötr iletkeninin aşırı yüklenmesi durumu ortaya çıkar. Bu durum ortaya nötr iletkeni sigorta veye herhangi bir aşırı akım açıcısıyla korunmadığından yangın tehlikesi ortaya çıkarır. Fazlarda bulunan 3. harmonik akımları nötrü dağıtılmış sistemde nötrün üzerinde toplanarak akarlar. Eğer nötr dağıtılmamışsa 3 ve 3’ün katları harmonikler nötr üzerinden akmaz ve dolaysıyla sistemde bulunmazlar..

Şekil 4.32: 3 ve 3’ün katları harmoniklerin nötr üzerinden akması 3 ve 3’ün katları olan harmoniklerin nötr hattı üzerinde toplanıp nötr üzerinden akma nedenleri: Periyodun 1/3’ünde faz kaymaları I a ( t ), I b alındığında,   Burada T = 2 π ia (t ) = Î cos ω t ω T  ib (t ) = Î cos ω  t +    3  2T  ic (t ) = Î cos ω  t +    3   91

(t ) ve I c (t ) 3 eşit akım ele

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Not : akımlar zamanda faz kaymasına sahiptir ve yukardaki açıklamalar buna göre yapılmıştır.

Şekil 4.33: 3 ve 3 ün katları harmonikler aynı fazdadır. Bu akımlar, 3. harmonikleri ωyerine3 ω koyarak elde edilir. ia3 (t ) = Î3 cos 3ω t

ib3 (t ) = Î3 cos (3ω t + ω T ) = Î3 cos (3ω t + 2 π ) = Î3 cos 3ω t ic3 (t ) = Î3 cos (3ω t + 2 ω T ) = Î3 cos (3ω t + 4 π ) = Î3 cos 3ω t ia3 (t ) + ib3 (t ) + ic3 (t ) = 3 Î3 cos 3ω t 92

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Faz bağlantıları şekil 4.33’de gösterilmektedir. 3 ve 3 ün katları harmonikler için doğrudur. 2

2

Üç fazlı 16mm bakır, 25mm alüminyum kesitten daha büyük faz iletkenini haiz sistemlerde aşağıdaki şartların hepsinin gerçekleşmesi durumunda nötr iletkeni faz iletkeninin kesitinden daha düşük değerde olabilir. •

• •

En yüksek( harmoniği de ihtiva eden) normal kullanım esnasında nötr iletkeninde görülebilecek akım nötr iletkeninin akım taşıma kapasitesinden daha büyük olmayacak (Normal kullanımdan yükün fazlar arasında eşit bölünmesi kast edilmiştir) Nötr iletkeni şartnamelere uygun olarak aşırı akıma karşı korunmuş olacaktır 2 2 Nötr iletkeninin kesiti en az 16mm bakır ve 25mm alüminyum olacaktır.

Tesisin planlama safhasında harmoniklerin üretilmesi ve miktarları önceden tahmin edilmesi mümkün olmadığından, nötr iletkenleri ya yüksek değerlerde boyutlandırılmalı ve nötr iletkeninin kesiti en az faz iletkeni kesitinde olmalıdır veya özellikle eski tesislerde harmonik üreten cihazların üreteceği harmonik miktarı nötr iletkenini zorlamayacak seviyede olmalıdır. THF yani üçüncü harmonik filtresi kullanıldığında nötr iletkende üçüncü harmonik akımların meydana gelmesi engellenir ve üçüncü harmonik akımlarının engellenmesiyle nötr iletkeninin yüksek değerlerde boyutlandırılmasına gerek kalmaz. Üçüncü Harmoniğin Etkileri 1. Şebekede • Nötr iletkeninin aşırı ısınması ve yangın riskine sebep olması • Güç kayıplarının artması • Kuvvetli elektromanyetik alanlar • Şebekeye enterferansların verilmesi.. 2.

Elektrik tesislerinde harmoniklerin sebep olduğu enterferanslar • Güç kayıplarının artması • Rezonans riski

93

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

• • •

Üçüncü harmonik akımının dönmesinden transformatörlarin delta sargılarında aşırı yüklenme Gürültü Sıcaklık yükselmesi..

dolayı

3.

Kondansatörlerde Kondansatörler özellikle harmoniklere karşı hassastır. Bu sebeple kondansatör bataryaları harmoniklere karşı mukavim olması için aşırı boyutlandırılır. • Güç kayıplarının artması • Rezonans riski • İşletme ömrünün azalması..

4.

Kablolarda ve iletkenlerde • Güç kayıplarının artması • Nötr iletkeni üzerinde aşırı yüklenme (N ve PEN iletkeninde) • Yangın riski..

5.

Bilgisayarlarda • Yanlış çalışma riski; harmonikler enterferans etkilerine sebep olabilirler

6.

nedeni

bilinmeyen

Diğer enterferanslar • Elektrik ekipmanlarının hatalı fonksiyonları • Elektronik rölelerin hatalı fonksiyonları • Toprak hata alarmlarının yanlış çalışması • Cihazların uygun çalışmaması • Kontrol cihazlarının hatalı fonksiyonları • Kuvvetli elektromanyetik alanlar • 4-hatlı sistamlerde potansiyel farkları; 3. Harmonik tarafından meydana getirilen 150 Hz hata akımlarının PEN iletkende sebeb olduğu potansiyel farklarıdır. Potansiyel farkları bilgisayarlarda yanlış çalışmalara sebep olur

Transformatörler üzerine etkisi Transformatörlar harmoniklerden iki şekilde etkilenebilir. 1. Foucault veya Eddy akımları: Normal olarak tam yüklü transformatörlarda nominal kayıpların %10’u kadardır, ancak harmonik miktarların karesi kadar bu 94

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

2.

3.

Şekil

4.34.

kayıplar artar. Pratikte bilgisayar sistemlerini besleyen tam yüklü transformatörde, toplam transformatör kayıpları aynı eşdeğer lineer yüktekinin iki katı olur. Bunun sonucunda yüksek işletme sıcaklıkları ve transformatör ömründe azalma meydana gelir. Öngörülen şartlar altında transformatörün 40 yıl olan işletme ömrü 40 güne düşebilir. Bu durum tam yüke göre tasarlanmış ve yüksek diversite faktörü kullanılmış transformatörlar içindir. Transformatörün gücü kullanım gücünün % 30-40 fazlası için seçilen tesislerde aşırı ısınma gözlenmeyebilir. Ancak 3. harmonik akımlarının büyüklüğü ve etkisi yeni yapılacak tesislerde göz önüne alınmalıdır. Nötr deki 3. harmonik akımları. Fazlarda olan bu durum transformatörün primer delta sargısına yansıdığında nötrdeki harmonik akımları dolaşır. harmonik akımları sargılarda absorbe edilerek bu akımların orta gerilim şebekesine geçmesi önlenir. Ancak 3. harmonikten başka harmonik akımları orta gerilim şebekesine geçer.

harmonik akımlarının transformatörün sargılarında absorbe edilmesi

üçgen

Devre koruma elemanları ve kesicilerde yanlış açtırma Rezidüel akım cihaz faz akımları ile nötrden geçen akımların vektörel toplamına göre çalışır. Eğer Toplam nominal açtırma eşik değerinden fazla ise yükü besleyen güç kesilir. Yanlış açtırma harmonik olan sistemde iki sebepten dolayı meydana gelir. 1. Elektromekanik yapıya sahip olan rezidüel akım cihazı içinden geçen akımların vektörel toplamı yüksek harmoniğe sahip akımlardan dolayı toplamı 95

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

sıfır olmayabilir ve sonuçta yanlış açma meydana gelir. 2. Harmonik üreten ekipmanlar açtırma parazitleri meydana getirebilir. Bu cihazlar mutlaka filtre edilmeli ve parazit akımlarının enfazla 3.5 mA olmsına müsaade edilmelidir. Anahtarlı otomatik sigortalarda yanlış açtırma sık sık meydana gelir. Zira devreden akan akım hesaplanan veya basit ölçü cihazları ile ölçülen akımdan daha fazladır. Malesef taşınabilir birçok ölçü cihazı efektif akım değerlerini dahi doğru ölçemez. Ülkemizde işletmelerde genellikle iş yerlerinde otomatik sigortanın neden attığı araştırılmadan, harmoniklerin varlığı düşünülmeden, daha önemlisi kablonun yüklenebilirliği ve yüklendiği akım tam olarak araştırılmadan sigortanını koruduğu kablonun ve cihazın akım taşıma kapasitesi göz önüne alınmadan sigorta akım değeri yükseltilerek enerji sürekliliğini sağlamak uğruna koruma zayıflatılmakta hatta iptal edilmekte ve TV ve gazetelerde dramatik elektrik kontağından çıkan yangın haberlerini izlemekteyiz. Kompanzasyon kondansatorleri üzerinde aşırı zorlama Kondansatörlerin empedansları artan frekansla azalırlar, bu nedenle kondansatörler üzerinde yüksek değerde harmonik akımları geçer ve kondansatör aşırı ısınmaya maruz kalır. Bundan daha ciddi tehlike kondansatörler besleme tarafındaki kaçak endüktanstan dolayı herhangi bir harmonik değeri yakınında rezonansa girebilir, sonuçta şebekede yüksek akım ve gerilim değerleri oluşabilir. Ölçmede yapılan hatalar Bir çok ticari ve endustriyel işletmeler sık sık olarak meydana gelen kesicilerin, otomatik sigortaların ve rezidüel akım koruma cihazlarının gereksiz açma ve açtırma yapmalarından muzdariptir. Genellikle bu açmalar rasgele ve nedeni anlaşılamaz şekilde gözlemlenmektedir. Tabi ki bunların daima bir veya birçok sebebi vardır. Muhtemel sebeplerden birincisi bilgisayar ve diğer elektronik elemanların devreye girmesi esnasındaki darbe akımları, diğeri ise devreden akan akımın ölçü aletleriyle ölçülen akımdan çok yüksek olmasıdır. Bu, modern ve yüksek güce sahip tesislerde çok sıklıkla görülen bir durumdur. Sebep ise ölçü cihazının ne kadar doğru ve güvenilir olduğunun araştırılmamasıdır. Bu günlerde çoğunlukla kullanılan bir çok ölçü cihazı harmonikler tarafından distorsiyona uğratılmış akımları ve gerilimleri ölçmek için uygun değildir. 96

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Günümüzde tesisat kontrollarında kullanılan ölçü aletlerinin hemen hemen hepsi saf sinüs dalga formuna göre dizayn edilmiş aletler olup, aynı zamanda elektrik tesislerinin dizaynı yapılırken sistemin saf sinus dalgasına ait akım ve gerilim kullanıldığı kabul edilmekte ve herhangi bir harmonik etkisi göz önüne alınmamaktadır. Uygulamada ise gerekli hassasiyette ve gerçekte uygulanan dalga şekline göre dizayn ve imal edilmemiş ölçü aletleriyle test yapıldığından gerçek tesbit edilememekte çare olarak kesici değerleri ve koruma elemanlarının açtırma değerleri yükseltilmektedir. Bundan dolayı güç sistemleri de performans analizi yapılırken ve hata araştırılırken distorsiyona uğramış dalga şekline haiz akım ve gerilimleri ölçebilecek şekilde imal ve kalibre edilmiş ölçü cihazları kullanılmalıdır. Distorsiyona uğramış dalga şekline göre imal edilmiş ölçü cihazları doğru efektif değer ölçen [:True RMS meter], saf sinus dalgasına göre imal edilmiş ölçü cihazlarına ise ortalama efektif ölçen [:Average RMS meter] denilmektedir. Mesela tek dalga doğrultucunun bağlandığı devrede ortalama RMS ölçü cihazında okunan akım değerini doğru RMS cihazındakine göre % 40 daha az değerde okur. Doğru RMS cihazları geçtiğimiz 30 sene boyunca imal edilmektedir. Ancak bu cihazlar, özel ve pahalı cihazlardır. Elektronikte yapılan gelişmeler sonucu bu tür cihazların elle taşınabilir şekilde imal edilmesini mümkün kılmıştır. Malesef cihazın pahalı olması sebebiyle bazı firmaların üst seviye elemanlarında araştırma amacıyla bulunmaktadır. Sonuç olarak diyebiliriz ki yukarda açıklanan sebeplerden dolayı gereksiz açma yapılan bır devrenin akımın %40 fazlasının devreden geçtiğini kabul ederek gerekli tedbirleri almak uygun bir yaklaşım olacaktır.

4.14.10. SÜPERPOZİSYON TEOREMİ Aşağıda verilen karakteristikleri haiz şebekeyi göz önüne alalım :

- V2 , V3 , V4 , ... harmonikli gerilim kaynağı - Busbarı besleyen RT , LT ,empedanslı transformatör. - v I 2 , I 3 , I 4 , ... harmonik akımları üreten lineer olmayan yük grupları - R1 , L1empedansına sahip busbar üzerinden beslenen yükler 97

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

- R2 , L2empedansı boyunca busbar üzerinden beslenen çeşitli lineer yükler - C reaktif enerji kompansazsyonu için kullanılan kompanzasyonun eşdeğer kapasite değeri.

Eşdeğer

Şekil 4.35: superpozisyon teoreminin harmoniklere uygulanması Her bir akım ve gerilim kaynağının şebekeden bağımsız davrandığı göz önüne alınacaktır. Süperpozisyon teoreminin açıklanması: Lineer şebekede aynı anda etkili olan bağımsız kaynaklar tarafından branşmanlarda üretilen akım veya gerilim etkili olan farklı kaynaklar tarafından aynı branşmanlarda üretilen akım veya gerilimlere eşittir. Şekil 4.35’de gösterilen uygulama teoremi açıklamaktadır. .

98

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.14.11. FARKLI LİNEER OLMAYAN YÜKLER ORTAYA ÇIKAN EŞİT HARMONİK SAYILARIN TOPLANMASI Birkaç lineer olmayan yükler tarafından üretilen aynı sayılı harmonik akımlar fazda şart değidir. Toplanan akım bir vektör toplamıdır. Şekil 4.36 .

Şekil 4.36: Aynı sayılı iki 2 sayılı harmoniğin vektor toplamı. İki sınır durumu ele alınacaktır. o Faz bağlantıları tamamen rastgeledir. iki h sayılı toplamın modülleri, ortalama

I 2h,ortalama

[

]

=

1 2π ( I h,1 + I h,2 cosϕ )2 +(I h,2 sinϕ )2 dϕ ∫ 0 2π

=

1 2π 2 2 I h,1 + I h,2 +2I h,1 I h,2 cosϕ dϕ 2π ∫0

(

)

=I 2h,1 + I 2h,2

I h,ortalama

= I 2h,1 + I 2h,2

99

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Genişleterek p harmonik miktarlarının beslediği k adedince lineer olmayan yükler için , ortalama olarak:

I h , toplam =

k

∑I i =1

2 h ,i

Harmonikler fazda mükemmeldir. Bu durumda harmonik toplamları cebrik olarak yapılır. k

I h , toplam =∑ I h ,i i =1

Pratik durumlarda iki sınır arasında bir yere düşer, sonuçta amprik olarak aşağıdaki bağlantı ile ifade edilir.

k β I h , sum =∑ (I h ,i )   i =1  Burada

β =1 : β =2 :

1/ β

1≤ β ≤ 2 Harmonikler mükemmel bir şekilde fazda ise harmonik akımlar tamamen rastgeledir.

I h,toplam değeri β artarken azalır,

∂ I h ,toplam . ω r olduğunda Z EQ = C.ω 0

ωr =

FAAmplifikasyon faktörü

107

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şekil 4.40. Amplifikasyon faktörü eğrisi

FA =

R C AB = = R. LK AC LK .ω r

Q = C.ω 0 .U FA =

2 N

Q.S K′′ P

ve

LK .ω 0 =

ifadesiyle belirlenir.

U N2 S K′′

ifadesi elde edilir.

hrRezonans sayısının açıklanması hr =

ωr S K′′ = ω0 Q

ωr =

1 LK .C

hrharmonik sayısındaki akımın meydana gelmesinde şebeke davranışı hrharmonik sayısında Vr = R.I r = FA .LK .ω r .I r ω = ω r .Z EQ = R

barada görülen harmonik gerilimi

Eğer şebekede kompanzasyon amaçlı bir kapasitör yoksa Kapasitörler üzerinden akan hrsayılı harmonik akım

I Cr = C.ω r .Vr = C.

1 LK .C

.R.I r = FA .I r

Üst besleme şebekesine akan hrsayılı harmonik akım

I Lr =

L .C Vr . K .I r = FA .I r LK .ω r LK

108

Vr = .LK .ω r .I r

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Örnek: 31,5/0,4 kV, STN=1250 kVA ve uK=%5,5 değerlerine sahip transformatör • Gece ve gündüz çalışma periyotlarında S R = 500kVA gücünde ve Cosϕ R = 0,8 güç faktöründe köprülü doğrultucuyu •

Gündüz periyodunda S L1 = 600kVA Cosϕ l1 = 0,9 olan lineer yükleri

•

Gece peryodunda gücünde S L 2 = 100kVA faktörüCosϕl 2 = 0,9 olan lineer yükleri beslemektedir.

•

gücünde ve güç faktörü ve

güç

Transformatörü besleyen üst şebekenin kısa devre gücü dır. ′ = 130MVA S KN Gündüz saatlerinde temel reaktif enerji kompanzasyon ihtiyacı tan ϕ L1 = 0,4 ve tan ϕ L1 = PL1 PL1 temel bileşenin aktif gücü,Q L1 QL1 temel bileşenin reaktif gücü

•

İmalatçıdan alınan verilere göre doğrultucunun temel bileşen değerleri

P1,R =PR =Cosϕ R ×S R =0.8×500=400kW Q1,R =277kVA Gündüz saatlerinde lineer yük

S L1 = 600kVA

ve

Cosϕ L1 = 0,9

PL1 = 600.0,9 = 540kW

QL1 = S L21 − PL21 = 262kVAR

QLR + QL1 277 + 262 = = 0,57 PLR + PL1 400 + 540 Temel reaktif enerjiyi kompanze edebilmek için gerekli kompanzasyon gücü tan ϕ D =

Q = (PLR + PL1 )(. tan ϕ D − tan ϕ L1 ) = (277 + 262)(. 0,57 − 0,4) = 159,8kVAR

Standart güç olarak Q = 160kVAR seçildi. Güç devresinde kompanzasyon yapılmayıp kapasitörler bağlanmadığında harmonik gerilimlerin hesabı ve gerilim distorsiyon faktörü

X KN

U N2 = ′′ S KN

üst şebekenin reaktansı

109

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

U N2 XT = .u K transformatörün empedansı ST

Dağıtım barasından görülen transformatör ve üst besleyen şebekenin eşdeğer empedansı Harmonik sayıları

5

7

I h (% )

Vh =hX K I h (V )

18.9 132.7 5.49

11.0 5.9 4.8 3.4 3 2.3 2.1 1.8 1.6 77.3 41.4 33.7 23.9 21.1 16.2 14.7 12.6 11.2 4.47 3.77 3.62 3.36 3.32 3.08 3.04 3.02 2.87

Vp

2.39

1.95 1.64 1.58 1.46 1.44 1.34 1.32 1.31 1.25

I h ( A)

V1

(% )

11

13

17

19

23

25

29

31

u 1  1   0,055 X K = U N2 . K +  = 400 2. +  = 8,27miliohm 3 ′ S S 1250 . 10 130 .10 6    TN KN 

Harmonik gerilim distorsiyon faktörü

THDU = 2.39 2 + 1,95 2 + 1,64 2 + 1,58 2 + 1,46 2 + 1,44 2 + 1,34 2 + 1,32 2 + 1,312 + 1,25 2 = %5,07 Gündüz işletmesinde kompanzasyon amacıyla devrede kapasitörlerin paralel bağlı durumunda harmonik gerilimlerin ve gerilim distorsiyon faktörünün hesabı: Sistemi rezonansa getirebilecek harmonik sayısının hesabı:

hr = hr =

S K′′ Q

S K′ =

U N2 400 2 = = 19,35MVA X K 8,27.10 −6

Q = 160kVAR

19,35 = 10,99 ≈ 11 0,16

Amplifikasyon faktörünün hesabı:

FA =

Q.S K′′ 0,16.19,35 = = 3,26 P 0,54

Z EQparalel rezonans devresinin eşdeğer empedansı:

110

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

 1 1 1 1 1  ,  = + j.C.ω + = + j. C.ω − Z EQ R j.LK .ω R L K .ω   1 Z EQ = 1  1   +  h.Cω 0 − 2 h.LK .ω 0  RL1  U2 ve C.ω = Q = 1,10miliohm RL1 = N = 296miliohm 0 PL1 U N2 LK .ω0 = X K = 8,27miliohm

Harmonik sayısı 5

7

11

13

17

19

23

25

29

31

I h ( A)

132.7

77.3

41.4

33.7

23.9

21.1

16.2

14.7

12.6

11.2

Z EQ (mΩ)

51.3

92.5

296.3

199.7

95.7

76.5

55.4

48.9

39.9

36.6

Vh = Z EQ I h (V ) Vh (%) V1

6.81

7.15

12.27

6.73

2.29

1.61

0.90

0.72

0.50

0.41

2.96

3.11

5.33

2.93

0.99

0.70

0.39

0.31

0.22

0.18

I C , h ( A)

34.1

50.1

135

87.5

38.9

30.6

20.7

18.0

14.5

12.7

Gerilim distorsiyon faktörü: HRV = 2,96 2 + 3,112 + 5,332 + 2,932 + 0,99 2 + 0,70 2 + 0,39 2 + 0,312 + 0,22 2 + 0,18 2 = %7,5 Kapasitör grubundan akan harmonik akımlar:

I Ch = h.C.ω 0 .Vh Kapasitör gruplarının efektif (RMS) akımları

I CRMS =

∞

∑I h =3

2 Ch

Kapasitör gruplarının temel akımları

I C1 = C.ω 0 .Vh = 1.230 = 230 A

I CRMS = 293 A

I CRMS = 1,27 I Ch

RMS akımı 1,3 sınırına yakın olduğu için ısınma söz konusudur.

111

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Gece çalışma periyodunda kompanzasyon kapasitörleri devrede iken harmonik gerilimlerin ve distorsiyon faktörlerinin hesabı: Amplifikasyon faktörü

Q.S K′′

160.19350 = = 19,6 90 PL 2 PL 2 = S L 2 .Cosϕ L 2 = 100.0,9 = 90kW 1 Z EQ = 1  1   +  h.Cω 0 − 2 h.LK .ω 0  RL 2  U 2 400 2 RL 2 = N = = 1,778ohm PL 2 90000 Q 160000 C.ω 0 = 2 = = 1ohm 400 2 UN LK .ω0 = X K = 8,27miliohm FA =

Harmonik sayısı

5

I h ( A)

7

11

13

17

19

23

25

29

31

132.7 77.3

41.4

33.7

23.9

21.1

16.2

14.7

12.6

11.2

Z EQ (mΩ)

52.1

97.2

1778

267.3 101.1 79.1

56.3

49.6

40.3

36.9

Vh = Z EQ I h (V )

6.91

7.51

73.61 9.01

2.41

1.67

0.91

0.73

0.51

0.41

Vh (%) V1

3.01

3.27

32.0

1.05

0.73

0.40

0.32

0.22

0.18

I C , h ( A)

34.6

52.6

809.7 117.1 41.0

31.7

20.9

18.3

14.8

12.7

3.92

Gerilim distorsiyon faktörü

THDU = %32,6 Oluşan bu durum ekipmanlar için kabul edilemez hal ortaya çıkarmaktadır. Distorsiyon faktörü izin verilen eşik değerinin üstündedir. Kapasitör gruplarının üzerinden akacak akımlar, I Ch = h.C.ω 0 .Vh ifadesiyle bulunup yukarıdaki tabloda gösterilmiştir. Temel bileşen akımı 112

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

I C1 = C.ω 0 .V1 = 230 A Kapasitörler üzerinden akan RMS akım

I CRMS =

∞

∑I h =3

2 Ch

= 854,4 A

I CRMS = 3,713 I C1 Kapasitörler üzerinden akan RMS akım izin verilen maksimum akımdan çok fazla olup sonuçta koruma sistemi kapasitörleri devre dışı edecektir. Eğer sisteme 420 V kapasitörler bağlanırsa nominal gerilimin %5 üstünde olduğundan kapasitörler için kabul edilebilir sınırlar içinde olacaktır. Kompanzasyon amacıyla bağlanan kapasitörler gerilim distorsiyon faktörünü arttırıcı olarak tesir etmektedir.Özellikle harmonik rezonansı frekansına yakın harmonik akımlar lineer yükler tarafından tüketilen güçler azaldığında gerilim distorsiyonu artırması sonunda bozucu etkilerin fazlalaşmasına yol açar. Şebekelelerde çok yüksek değerde harmoniklerin bulunması durumunda kapasitör gruplarının tesisinde harmonik incelemesinin bire bir yapılması gereğini ortaya çıkarır.

4.14.16. ELEKTRİK CİHAZLARI ÜZERİNDE HARMONİK ETKİLERİ VE BU ETKİLERİ İNCELEME METOTLARI

4.14.16.1. KAPASİTÖRLER Harmonikler elektrik tesislerden daha fazla güç kapasitörleri üzerine etki ederler. Harmonikler yüksek akımlardan dolayı kapasitörlerin aşırı ısınmasına neden olduğu gibi kapasitörler üzerinde yüksek dielektrik zorlamaları da meydana getirirler. Kapasitördeki ısınma iletken kayıpları ve dielektrik kayıpları olarak adlandırılan iki ana etken tarafından meydana gelir. Bu güç kayıpları ∞  R  ∞ PCK = ∑ Cω h .U Ch2 .  = ∑ Cω h .U Ch2 . tan δ X C  h =1 h =1 

113

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Burada Ckapasitans

ω hh harmonik sayısındaki açısal frekans U hh harmonik sayısındaki harmonik gerilimi

δdirenç ve kapasitans arasında açının tanjantı

tan δ = ω.C S .RS seri eşdeğer devre için kayıp faktörü 1 paralel eşdeğer için kayıp faktörü tan δ = ω.C P .RP Yukardaki ifadeden de görüleceği üzere, frekansa ve yüksek büyüklüğe sahip harmonik gerilimlere bağlı olarak gelişen toplam kapasitör kayıpları yüksek değerde güç kayıplarına yol açar. Güç kayıplarındaki artış sonuç olarak kapasitörlerin aşırı ısınmasına neden olduğu gibi genellikle kapasitörlerin tahrip olmasına yol açar. Akımdaki sınırlamalar kapasitörler üzerindeki termik aşırı ısınmayı önler. Akım sınırı kapasitörün nominal akımının %135 inden daha yüksek olmamalıdır. Harmoniklerin tepe değerinde kapasitörde oluşacabilecek maksimum akımın tepe değeri: ve I =I + I C

IC =

C1

∑ h ≠1

Ch

U  U C1 + ∑  Ch  = U C1 .ω.C + ∑ (U Ch .h.ω.C ) X C h ≠1  X Ch  h ≠1

ifadesi ile belirlenir.

I C1Kapasitör içinden akan temel akımın tepe değeri I Chh harmonik sayısındaki harmonik akımın tepe değeri U C1kapasitöre uygulanan gerilimin temel bileşen tepe değeri X Ctemel frekansta kapasitif reaktans X hh harmonik sayısındaki harmonik frekastaki kapasitif reaktans Kapasitör boyunca akan akımın toplam RMS (efektif ) değeri I CRMS = ω.C.U C1 . 1 + ∑ (h.U Ch (% )) = I C1 . 1 + ∑ (h.U Ch (% )) = I C1 . 1 + ∑ I Ch2 (% ) 2

h ≠1

İfadesi ile belirlenir.

2

h ≠1

h =1

114

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Harmonik gerilimlerin büyüklükleri veya yukardaki ifade yardımıyla hesaplanan akımlar çok büyükse RMS akımlar izin verilen akım sınırını aşarlar. Kapasitör üzerindeki gerilim sınırları Nominal RMS akımın %110 u olarak belirlenir, bu değerin üstündeki gerilimler izolasyonun tahrip olması sonucunu ortaya çıkaran dielektrik zorlamalarına neden olur. Kapasitör üzerindeki gerilimin tepe gerilimi

  U C = U C1 .1 + ∑ U Ch (% ) ifadesi ile belirlenir.  h ≠1  Maksimum RMS gerilim ise 2 (%) U C = U C1 . 1 + ∑ U Ch h ≠1

IEC 871-1 Orta gerilim tesislerinde ve IEC 831-1 alçak gerilim tesislerinde aşağıda verilen şartları ortaya koymuştur: •

Kapasitörlerin üzerinden akacak akım THDU = %83 değerine uygun olan kapasitörün nominal akım değerinin 1,3 katından fazla olmayacaktır

∞ 2 2 ∞ 2 −I + ∑ I ∑ I 2 1 Ch Ch I h=1 2 h =2 CRMS THD = = =−1+ I 2 2 2 I I I C1 C1 C1

THD = (1,3) −1 = 0,83 I 2

•

Orta gerilim tesisleri için günde 12 saat süre ile nominal gerilimin 1,1 katına dayanması gerekir. Alçak gerilim tesislerinde nominal gerilimin %10 fazlasına sürekli olarak çelışmasına izin verilir.

Aşağıda verilen çalışma şartları gerçekleştirilmelidir.

3I CRMS U CRMS ≤1.3QCN

QCNkapasitör grubunun nominal gücü: Örnek: Standart değerleri 200kVAR ve 400 V olan kapasitör grubu aşağıda karakteristikleri verilen baraya bağlıdır. 115

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

• •

400 Volt Gündüz çalışma peryodunda bara gerilimi U LN 1 = 3 400 Gece çalışma peryodunda bara gerilimi Volt U = LN 2

Ölçülen harmonik gerilimler gece gündüz aynı olup

U5 U U =3%, 7 =5%, 11 =7% U1 U1 U1

ve

3

U 13 =4%. U1

Gündüz periyodunda kapasitörlerin RMS akımının hesabı:

I C1 =Cω 0 U LN 1 Kapasitör grubunun nominal akımı I C1 = I CN Temel bileşen akımı

Besleme şebekesinin 50Hz frekansındaki açısal frekansı ω 0 = 2.π .50 = 314 Harmonikler için I Ch = h.C.ω 0 .U h U  I Ch = I C21 .h 2 . Ch  I C1  U LN 1 

2

2

[

∞ U  2 2 2 2 2 = I C21 + ∑ I C21.h 2 . Ch  = I12 . 1 + (0,03) .52 + (0,05) .7 2 + (0,07 ) .112 + (0,04) .132 I CRMS h=2  U LN 1 

]

I CRMS = 1,42.I C1

Kapasitörler izin verilen değerin üzerinde akım çektiğinden eğer koruma sistemi gereken sürede açmazsa kapasitörler bozulacaktır. Gece çalışma periyodu için kapasitör akımları: 50Hz de temel akım bileşeni için

U   420  I C1 =Cω0 .U LN 2 =Cω0U LN 1 LN 2 =Cω0U LN 1  = 1,05.U LN 1  400   U LN 1  2 I Ch U Ch 2 2 2  U Ch   = h. I Ch = I C1 .h . I C1 U C1  U LN 1  116

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI ∞ U  2 = I C21 + ∑ I C21 .h 2 . Ch  I CRMS h=2  U LN 1 

2

I CRMS = 1,42.I C1 = 1,42.1,05.I CN = 1,49.I CN Taşıma sistemleri Taşıma sistemleri üzerinden harmonik akımların akması akımların RMS değerinin artması ve gerilim düşümleri meydana getirir. Birinci etki olan aqkımların RMS değerlerindeki artış aşağıdaki ifade yardımıyla bulunur.

I S = I S21 + ∑ I Sh2 Burada

I S 1akımı U Skaynağından

alınan temel akım bileşeni veI Shise harmonik yükler tarafından üretilen harmonik akım bileşenleridir. Sonuç olarak, harmonikler taşıma hatlarında ve kablolarda değeri aşağıda verilen ifade ile bulunan taşımada ilave güç kayıplarına neden olurlar. ∞

PhL = ∑ I Sh2 .RLh h =1

Burada

R Lhfrekansın

fonksiyonu olarak frekansın fonksiyonu olarak güç

hattının veya kablonun direncidir. Direnç frekansın fonksiyonu olarak skın ve proximity etkilerinden dolayı frekansa bağlı dirençdir. Bu direnç nedeniyle taşıma hatlarında ve kablolarda güç kaybı artmaktadır. Harmonik akımların taşıma hatları üzerindeki ikinci etkisi ortak bağlantı noktasındaki devre empedansı boyunca meydana getirdiği harmonik gerilim düşümleridir. Harmonik etkisi şekil 5 de açıklanmaktadır. Buradan düşük hata seviyeli yani düşük kısa devre gücüne sahıp sistemlerde diğeer bir ifade ile empedansın büyük değerlerinde kısa devre gücü yüksek düşük empedanslı sistemlere göre çok gerilimde yüksek bozunmalar meydana getirirler.

117

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Şekil 4.41. Harmonik kaynağı besleyen taşıma hattı.

4.14.17. İLETKENLERDEKİ KAYIPLAR Yüke verilen aktif güç temel akımla belirlenir. Harmonikli yük tarafından akım çekildiğinde akımın RMS değeri (Irms) I1 temel akımından daha büyüktür.

I THD I =  RMS  I1

  − 1 ve I RMS 

= I1. 1 + THDI2

Şekil 4.42 THD ye bağlı olarak ısıya dönüşen kayıplar. Yukarıdaki şekilde harmonik distorsiyonun fonksiyonu olarak değerindeki artış ve buna bağlı olark gösterilmektedir.

118

I rms

ısıya dönüşen joule kayıpları

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

4.14.17.2. HARMONİKLERİN ETKİSİNDEN DOLAYI TRANSFORMATÖRÜN YENİDEN DEĞERLENDİRME FORMÜLÜ Şebekede bulunan harmonik akımlardan dolayı transformatörde ilave ısı artışları meydana geldiğinden transformatör hiçbir zaman nominal gücünde yüklenemeyecektir. Transformatörün harmonik akımlarından dolayı güç kaybı veya transformatörün yüklenme kapasitesi veya transformatörün nominal gücü belirlenirken, lineer olmayan güç tüketicilerinin ilave yüklenmesini bulabilmek için aşağıda verilen yeniden değerlendirme faktörü ifadesi uygulanır. Yeniden değerlendirme faktörü:

1

k=

2

∞

I  1+0.1∑  h  h1.6 p = 2  I1 

S TNnominal yüklenme kapasitesine sahip transformatör lineer olmayan

yükleri beslediğinde harmonik akımlardan dolayı transformatörun yüklenmesi k.S TN olarak sınırlandırmalıdır. Eğer tesisi besleyecek

transformatörun gücü hesaplama safhasında ise lineer olmayan yüklerin gücü S transformatörun söz konusu lineer olmayan yüklemesi S = S T

k

olarak belirlenip toplam yük hesabına katılmalıdır.

Örnek: 800kVA gücünde köprülü doğrultucuyu besleyecek transformatörun söz konusu yük tarafından yüklenmesi bulunacaktır. Köprülü doğrultucunun harmonik akımları aşağıdaki tablodan verilmiştir. Harmonik sayıları I h (% )

5

7

11

13

17

19

23

25

29

31

18.9

11.0

5.9

4.8

3.4

3

2.3

2.1

1.8

1.6

I h ( A)

132.7

77.3

41.4

33.7

23.9

21.1

16.2

14.7

12.6

11.2

Vh =hX K I h (V ) Vp (% ) V1

5.49

4.47

3.77

3.62

3.36

3.32

3.08

3.04

3.02

2.87

2.39

1.95

1.64

1.58

1.46

1.44

1.34

1.32

1.31

1.25

Yeniden değerlendirme faktörü 119

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

(0,189)2 .51,6 + (0,11)2 .71,6 + (0,059)2 .111,6 + (0,048)2 .131,6 +  1 1 0 , 1 . = +   2 2 2 2 2 1 , 6 1 , 6 1 , 6 1 , 6 1 , 6 k (0,034) .17 + (0,03) .19 + (0,023) .23 + (0,018) .29 + (0,016).31 

k = 0,931 Transformatör gücü ise S = 800 = 859kVA T 0,931

Örnek: 250kVA gücünde kesintisiz güç kaynağını (UPS) besleyecek transformatörün gücü en az ne kadar olmalıdır? UPS sisteminin harmonik akımları:

I1

I3

I5

I7

I9

I11

100 %

130 %

70 %

50 %

30 %

10 %

[

]

1 2 2 2 2 2 = 1 + 0,1. (1,3) .31, 6 + (0,7 ) .51, 6 + (0,5) .71, 6 + (0,3) .91, 6 + (0,1) .111, 6 k2 k = 0,532 Transformatör gücü enaz S = 250 = 470kVA olmalıdır. T

0,532

4.14.17.3. ASENKRON MAKİNALARDAKİ KAYIPLAR Gerilm harmonikleri asenkron makinaya uygulandığında rotorda 50Hz’den yüksek frekansta akım akıtır. Bu akımlar

U h2 ile orantılı olarak ilave h

kayıplara neden olurlar. Kare dalga şeklini haiz gerilim asenkron makinaya uygulandığında %20 ilave kayba neden olur. U1 temel gerilim olmak üzere harmonik gerilimleri U5=%8 U1, U7=%5 U1,U11=%3,U13=%1 U1 olan gerilimde THD=%10 ve ilave kayıp %8 olacaktır. Harmonik gerilimler ortaya çıktığında motorlar titreşim momentlerine maruz kalır. Harmonik gerilimler, harmonik akımları üretir ve 50Hz frekanstan yüksek frekansta döner alan meydana getirir. Bu döner alanlar motorda 50Hz den daha yüksek frekansta karşı momentler üretir ve bu momentler aşırı gerilimlere ve mekanik hasarlara neden olarak motorun 120

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

verimini düşürür. İlave kayıplardan diğeri eddy akım kayıpları ve manyetik indüksiyon histerizis kayıplarından oluşan demir kayıplarıdır. IEC 34-1 de motorun düzgün çalışması için harmonik gerilim faktörünün HVF ≤ %2 olması şart koşulmuştur. HVF Harmonik gerilim faktörü aşağıda verilen ifadeden hesaplanabilir. 2

U  1 HVF = ∑  h  . h=2  U 1  h ∞

Harmonik gerilimler ortaya çıktığında, motorlar ilave demir kayıplarına ve titreşim momentlerine yani sarsıcı momentlara maruz kalırlar. Joule kayıpları 2 Joule kayıpları akımın RMS değeri ile doğru orantılıdır. Kayıp = R I rms . Besleme sistemıinde bulunana harmonik gerilimler tarafından üretilen harmonik akımlar jole kayıplarını arttırırlar .

Demir kayıpları Bu kayıplar foucault veya eddy akım kayıpları ile magnetik indüksiyon histerisisi kayıplarını kapsar. Eddy akımları kayıpları frekansın karesi ile doğru orantılıdır. Daha yüksek frekanstaki harmonik akımlar önemli derecede demir kayıpları meydana getirir.

Motordaki sarsıcı ve karşı momentlerin meydana gelmesi Harmonik gerilimler harmonik akımları üretirler ve 50 Hz alandan farklı döner alanlar meydana getirirler Bu gibi alanlar 50Hz den farklı ya motor dönüş yönünde veya karşı yönde sarsıcı momentler meydana getirir. Bu momentler mekanik hasarlara ,aşırı gürültülere ve rotorda ilave joule kayıplarına ve motorun veriminde düşüklüğe yol açar . İnceleme rehberi IEC standard 34-1 AC motorların düzgün çalışabilmes, I için harmonik gerilim faktörünün HVF ≤ 2 % olmasını şart koşar.

HVF paragraf 14.14.3 de verilen ifade kullanılarak bulunabilir. Standartlara göre sadece sayıları ≤ 13 olan harmonikler göz önüne alınır. Örnek 121

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

Yukardaki örnek ele alınarak :

 Kapasitörler devrede olmadığı durumda Tablo 8-12, den HVF = 162 . %

hesaplanır (halbuki

IEC standart 34-1 e göre kabul edilebilir değerdir.



V5 ≤8%). Bu değer V1

Gündüz periyodunda kapasitörler devrede iken

Tablo 8-13’den, HVF = 2.50 % olarak hesaplanır. Standartlarda ön görülen değerden daha yüksek bir değerdir. Bu motorun ya bu değerlere uygun özel bir motor olması veya imaklatcılarda termik dayanımının test edilmesi ve azaltma faktörü belirlenerek tesiste kullanıma karar verilmesi gerekir.

Gece periyodunda kapasitörler devrede iken: Tablo 8-14, HVF = 9.89 % olarak hesaplanır. Bu değer IEC STANDART 43-1 de açıklanan değerden çok fazladır, 11. harmonikte yüksek rezonans dayanılamayan yüksek harmonik gerilimler üretilir.

4.14.17.4. ALTERNATÖRLER Lineer yükler beslendiğinde alternatör üretilen harmoniklerden dolayı sarsıcı momentlere ve ilave kayıplara maruz kalır. Demir kayıpları Bunlar eddy kayıplarını ve manyetik endüksiyon histerisis kayıplarını kapsar. Eddy akım kayıpları frekansın karesi ile doğru orantılıdır, halbuki histeris kayıpları frekansla doğru orantılıdır. Daha yüksek frekanslı harmonik akımlar daha yüksek kayıplara neden olur. Sarsıcı momentler ve karşı motor momentleri Harmonik akımlar 50 Hz den farklı hızde döner alan meydana getirirler. Bu alanlar ya dönüş yönünde veya karşı yönde olurlar. Bu momentler ve titreşimler mekanik hasarlanmalara, aşırı gürültülere ve ilave joule kayıplarına neden olmakla birlikte alternatörün veriminide düşürürler . 122

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

İnceleme rehberi Alternatör nominal gücünün %20 kadar lineer olmayan yüklerde herhangi bir zorlamaya maruz kalmazlar. %20-30 arası yüklerde makinaların yüklenmesindeki azalma %10 kadardır. %30’dan yukarı değerlerde yüklenmede azaltma katsayısını belirlemek için imalatcı ya harmonik spektrumun verilmesi gerekir. Örneğin bir kesintisiz güç kaynağı için UPS nominal gücünün 1,5 ile 1,9 katı arasında alternatör gücü seçilmelidir.

4.14.18. NÖTR HATTININ 3. HARMONİK AKIMLARI İLE YÜKLENMESİ Şebekede en fazla etkisi görülen harmonikler 150 Hz frekanslı üçüncü harmonik, 250 Hz frekanslı beşinci harmonik ve 350 Hz frekanslı yedinci harmoniktir. Genellikle bir fazlı yükler üçüncü harmoniği ve üç fazlı yüklerde diğer harmonikleri üretirler.

Şekil 4.45. 3. harmoniklerin nötr hattında toplanması Deşarj lambalarının ve bilgisayarlar gibi lineer olmayan yüklerin şebekede kullanımlarının artması üçüncü harmoniğin bu yükler tarafından üretilmesi sebebiyle şebekede ve diğer ekipmenlar da problemler meydana getirir. Üçüncü harmonik nötr iletkeni üzerinde faz iletkeni üzerindeki akımdan daha fazla değarde akım üretir. Fluoresant, civa buharlı, sodyum buharlı, metal halinde lambalar gibi deşarj lambaları üçüncü harmonik üretirler. Bir deşarj lambası şebekede 1A/kW değerinde 150 Hz frekansı haiz üçüncü 123

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

harmonik akımı üretir. Üç fazında eşit olarak yüklendiği simetrik şebekelerde nötr iletkeni üzerinde herhangi bir akım yoktur. Ancak eğer şebekede üçüncü harmonik varsa nötr iletkenler üzerinde akımlar görülür. Deşarj lambalı sistemde, faz iletkenindeki harmonik miktarı faz akımlarının değerinin %30 değerine ulaşır. Böylece nötr iletkeninin yüklenmesi faz akımlarının 3 x %30 = 0.9 u değerine ulaşır.

4.14.18.1. HARMONİK AKIMLARININ NÖTR İLETKENİNDE ÜRETİLMESİ Tecrübeler göstermiştir ki iş hanları, bankalar, ticari binalarda flüoresan lambaların bilgisayarların ve bilgisayarlara bağlı kesintisiz güç kaynaklarının artmasıyla nötr iletkenlerde görülen 3. harmonik akımları her bir faz iletkeninden akan akım değerlerinin %150 ila %210 katına ulaşmıştır. Faz 0 akımlarının 120 faz farkından dolayı nötr iletkendeki vektörel toplamı birbirini ifna ederken, faz iletkenlerindeki 3. harmonik akımları aralarında faz farkı olmadığından nötr iletkeni üzerinde birbirlerine ilave olarak yüksek değerlere ulaşırlar.

4.14.18.2. NÖTR İLETKENİNİN ISINMA PROBLEMİ Fazlardaki 3 ve 3ün katları harmonikler tranformatörün bağlantı grubu yıldız olduğunda nötr iletkeninden toplanarak akarlar. Nötr iletkenindeki akım aşağıdaki ifade yardımıyla bulunur. ∞

Ineutral = 3

∑ I 32 k

k =1

Bu akım faz iletkeninden akan akımlardan daha fazla olabilir ve sonuçta nötr iletkeninin kesiti faz iletkeninin kesitinden daha fazla seçilmesi gerekebilir. İnceleme rehberi Nötr iletkeninin kesiti 3 ve 3 ün katları harmonikler hesaba katılarak hesaplanacaktır . 124

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI

Örnek 1: Tablo 4.6’da aydınlatma yüklerine ait harmonik spektrum verilmektedir.

I1

I3

I5

I7

I9

I11

I13

I15

100 %

35 %

27 %

10 %

2.5 %

3.5 %

1.5 %

1.5 %

Tablo 4.6: Aydınlatma yükleri akım spektrumu

. I1 Irms = 110

Ineutral = 3 I1 (0. 35) + (0.025)2 = 1.05 I1 2

Akım değeri aşağı yukarı faz iletkeninden akan akım değerine eşit olduğundan tüm kablolar aynı kesitte seçilebilir. Örnek 2 : Bilgisayar yükleri göz önüne aldığinda yüklerin spektrumu Tablo 4.5’de verilmektedir.

I1

I3

I5

I7

I9

I11

100 %

65 %

35 %

25 %

15 %

5%

Tablo 4.5: Bilgisayar yükleri için akım spektrumu Irms = 1.28 I1

Ineutral = 3 I1 (0. 65) + (0.15)2 = 2.00 I1 2

Ineutral = 1.56 Irms

Nötr iletkeninden akan akım faz iletkeninden akan akımdan çok daha yüksektir. Bu akım talebi 4-kuruplu kesici kullanımını ve nötr iletkeninin daha yüksek seçimini gerektirir. .

125

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.14.18.3.TN-C TOPRAKLAMA SISTEMLERINDE ELEKTROMANYETIK RAHATSIZLIKLAR 3 ve 3 ün katı harmonik akımlar nötr iletkende akarlar. TN-C topraklama sisteminde nötr iletkeni ve devre koruma iletkeni aynıdır. Koruma iletkeni aktif olmayan iletken bölümlerle birlikte ve bina alt yapı elemanları ile birleştirildiğinde bu devrelerden akan 3 ve 3 ün katı olan harmonikler potansiyelde bölgesel değişikliklere neden olurlar. Bu davranış aşağıda açıklanan problemlere neden olurlar:

- Metal bölümlerde korozyon, - İki yükün aktif olmayan iletken bölümlerinin bağlantıları telekomünikasyom linkleri üzerinde aşırı akım meydana getirirler, - Bilgisayar ekranını etkileyen elektromanyetik radyasyon. 3 ve 3’ün katları harmoniğin bulunduğu tesislerde kesinlikle TN-C topraklama sistemi kullanılmamalıdır.

4.14.18.4. HARMONİK AKIMLARI 2

2

Nötr iletkeni 16mm bakır ve 25 mm alüminyum kesitten sonra faz iletkeninin kesitinin yarı değerinde boyutlandırıldığı tesislerde nötr iletkeninin aşırı yüklenmesi durumu ortaya çıkar. Bu durum ortaya nötr iletkeni sigorta veye herhangi bir aşırı akım açıcısıyla korunmadığından yangın tehlikesi ortaya çıkarır. Amerikan CBEMA (Computer-Business Equipment Manufacture Association) kuruluşu üçüncü harmonik tarafından ortaya çıkan yangın riskinden dolayı nötr iletkeninin kesitinin faz iletkeninin kesitinin 1.73 katı olması gerektiğini tavsiye etmiştir. Uluslararası EMC direktiflerine uygun olarak yapılan yeni düzenlemelerde nötr iletkenin boyutlandırılmasında mutlaka üçüncü harmoniğin meydana getirdiği akımlar hesaba katılacaktır. Nötr iletkeninin kesiti bir fazlı sistemlerde kesit değerine bakılmaksızın ve üç fazlı ssistemlerde faz iletkeni 2 2 16 mm bakır, 25mm alüminyum kesite kadar faz iletkeni ile aynı kesitte olacaktır.

126

TMMOB-ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI 2

2

Üç fazlı 16mm bakır, 25mm aliminyum kesitten daha büyük faz iletkenine haiz sistemlerde aşağıdaki şartların hepsinin gerçekleşmesi durumunda nötr iletkeni faz iletkeninin kesitinden daha düşük değerde olabilir. •

• •

En yüksek( harmoniği de ihtiva eden) normal kullanım esnasında nötr iletkeninde görülebilecek akım nötr iletkeninin akım taşıma kapasitesinden daha büyük olmayacak (Normal kullanımdan yükün fazlar arasında eşit bölünmesi kast edilmiştir) Nötr iletkeni şartnamelere uygun olarak aşırı akıma karşı korunmuş olacaktır 2 2 Nötr iletkeninin kesiti en az 16mm bakır ve 25mm alüminyum olacaktır.

Tesisin planlama safhasında harmoniklerin üretilmesi ve miktarlari önceden tahmin edilmesi mümkün olmadığından Nötr iletkenleri ya yüksek değerlerde boyutlandırılmalı ve nötr iletkeninin kesiti en az faz iletkeni kesitinde olmalıdır veya özellikle eski tesislerde harmonik üreten cihazlarin üreteceği harmonik miktarı nötr iletkenini zorlamayacak seviyede olmalıdır. THF yani üçüncü harmonik filtresi kullanıldığında nötr iletkende üçüncü harmonik akımlari meydana gelmesi engellenir ve üçüncü harmonik akımlarının engellenmesiyle nötr iletkeninin yüksek değerlerde boyutlandırılmasına gerek kalmaz. Rezidüel akım cihaz faz akımları ile nötrden geçen akımların vektörel toplamına göre çalışır. Eğer toplam nominal açtırma eşik değerinden fazla ise yükü besleyen güç kesilir. Yanlış açtırma harmonik olan sistemde iki sebepten dolayı meydana gelir. 1.

2.

Elektromekanik yapıya sahip olan Rezidüel akım cihazı içinden geçen akımların vektörel toplamı yüksek harmoniğe sahip akımlardan dolayı toplamı sıfır olmayabilir ve sonuçta yanlış açma meydana gelir. Harmonik üreten ekipmanlar açtırma parazitleri meydana getirebilir.Bu cihazlar mutlaka filtre edilmeli ve parazit akımlarının enfazla 3.5 mA olmsına müsaade edilmelidir.

Anahtarlı otomatik sigortalarda yanlış açtırma sık sık meydana gelir. Zira devreden akan akım hesaplanan veya basit ölçü cihazları ile ölçülen akımdan daha fazladır. 127

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM NOTLARI (4): Güç kalitesi

4.14.18.5. HASSAS YÜKLER ÜZERİNDEKİ ETKİLER Besleme gerilimindeki distorsiyon • Regülasyon sistemleri • Bilgisayar sistemleri • Kontrol ve izleme sistemleri • Koruma röleleri üzerinde bozucu etkiler meydana getirerek söz konusu sistemlerin yanlış çalışmasına neden olur.

4.14.19. TESİS EKİPMANLARININ ÜZERİNDEKİ AŞIRI YÜKLER Jeneratörler Lineer olmayan yükleri besleyen jeneratörlerin güçleri belirlenirken harmonik akımların neden olduğu ilave kayıplardan ileri gelen azaltma faktörünü mutlaka göz önüne alınması gerekir. Gücünün %30 kadar lineer olmayan yükü besleyen jeneratörün besleme kapasitesi %10 azalır. Örneğin 1000kVA gücünde bir jeneratör 650 kVA lineer yükü ve 300kVA lineer olmayan yükü beslediğinde jeneratörun gücü 1000(1-%10)=900kVA olacağından jeneratör aşırı yüklenecektir ve daha büyük güçte jeneratör kullanmak gerekecektir. Transformatörler Yukarıda gerekli açıklamalar verilmiştir Asenkron makinalar IEC 60892 göre belilenen harmonik gerilim faktörü HVF