Harmonikli Ortamlarda Kompanzasyon

Åžebeke yönetmenlikleri gereÄŸi elektrik tesislerimize reaktif güç kompanzasyon panoları tesis etmekteyiz. Tesisatta harmonik akımların akmasının etkileri ise ilk olarak reaktif güç kompanzasyon panolarında bulunan kondansatör arızaları ve ana besleme ÅŸalter açmaları olarak görülmektedir. Aslında kondansatör arızaları çok basit bir ÅŸekilde en temel elektrik teorisi ile açıklanabilir.

Formülden görüldüÄŸü üzere kondansatör akımı ve frekans doÄŸru orantılıdır. Kondansatöre uygulanan gerilim, temel frekanstan daha yüksek frekanslı bileÅŸenleri içeriyorsa, kondansatör üzerinden akacak akım temel frekanstaki aynı gerilimin geçireceÄŸi akımdan daha büyük olacaktır. Bunun sonucunda, daha yüksek harmoniklerden birinin küçük sayılabilecek gerilim bileÅŸeni, temel frekanslı anma geriliminden kaynaklanan akım içinde oldukça büyük ÅŸiddette bir akım meydana getirebilir ve kondansatör bileÅŸke akımında önemli bir artış olur.

BileÅŸke etken akım I = √ (I12 + I32+ I52 + I72+ ……. + Ih2)

IEC60831 standardı kondansatörlerin maksimum sürekli dayanma akım deÄŸerini 1,3In olarak belirtmiÅŸtir. Harmoniklerin bulunduÄŸu sistemlerde kondansatörlerin üzerinden akan akımlar söz konusu deÄŸerin çok çok üstünde olmaktadırlar. Kondansatörler çok kısa bir süre zarfında sığa deÄŸerlerini kaybetmektedirler. Markası, kalitesi, gerilim seviyesi ne olursa olsun tesis sürekli kondansatör tedarik etmek ve yenilemek zorunda kalacaktır.

Ayrıca bir tesis için kondansatörün sığa deÄŸerini kaybetmesinden daha sakıncalı bir durum olan sistem rezonansları söz konusudur.

REZONANS

Tesisimizde transformatörler, motorlar vb. gibi endüktif yüklerimiz bulunmaktadır. Åžebeke frekansına bağıl bir XL endüktif dirençleri vardır. Bununla beraber kompenzasyon tesisatımızda kondansatörlerimiz bulunmaktadır, kapasitif yüklerimizdir. Aynı ÅŸekilde XC kapasitif dirençleri vardır. Her ikisi de frekansın bir fonksiyonu olarak ifade edilirler. Bu endüktif ve kapasitif reaktanslar sürekli titreÅŸim devresi oluÅŸtururlar ve sistemin toplam rezonans frekansını oluÅŸtururlar.

Aynı zamanda tesisimizde doÄŸrusal olmayan yüklerin neden olduÄŸu harmonikler var ise, 5. harmonik 250Hz., 7. harmonik 350Hz., … görüldüÄŸü gibi temel frekansın katlarıdır.

EÄŸer reaktansların oluÅŸturduÄŸu titreÅŸim devrelerinin frekansı harmonik frekans deÄŸerlerinin civarında ise rezonans oluÅŸması ihtimali çok yüksektir. Rezonans durumunda sistem empedansı minimum veya maksimum deÄŸerine ulaşır. Minimum olduÄŸu durum seri rezonans, maksimum olduÄŸu durum paralel rezonans olarak tanımlanır. Aynı ÅŸekilde en temel elektrik teorisi ile açıklanabilir.

Bir sanayi tesisini örnek verecek olursak.

DoÄŸrusal olmayan yükler baÄŸlandığında paralel rezonans söz konusudur.

Yük tarafından üretilen harmonikler bir akım kaynağı olarak modellenir, kompenzasyon tesisatı ve doÄŸrusal yükler paralel kolları oluÅŸturur. EÄŸer kompenzasyon tesisatının kondansatörü ile toplam ÅŸebeke arasında herhangi bir harmonik deÄŸerinde rezonans oluÅŸursa, toplam empedans sonsuz büyük deÄŸer alır.

Devre akım kaynaklı olduÄŸu için, harmonik gerilimi Vh = ZeÅŸ . Ih ≈ ∞ . Kompenzasyon tesisatı veya transformatör tahrip olur.

Memleketimizde ÅŸebeke kısa devre güçlerinin düÅŸük olduÄŸunu ve elektrik tarifemiz gereÄŸi cosφ=0,98 deÄŸerini gerçekleÅŸtirebilmek için devredeki kompenzasyon gücünün yüksek seviyede olduÄŸunu göz önünde bulundurursak, harmonik frekansları içeren tesislerde rezonanslar kaçınılmazdır.

Kondansatörler sisteme direkt baÄŸlı iken rezonans meydana geldiÄŸinde, ÅŸebeke gerilimi çok az yükselir, buna karşılık kondansatör akımı çok yükselir.

EÄŸer 250Hz de rezonans oluÅŸursa, aÅŸağıdaki deÄŸerler örnek olarak verilebilir,

• Åžebeke geriliminin rms deÄŸeri %1 oranında artar
• Åžebeke geriliminin tepe deÄŸeri %10-%15 oranında artar
• Kondansatör akımının rms deÄŸeri %25 oranında artar

EÄŸer 550Hz de rezonans oluÅŸursa, bu durumda,

• Åžebeke geriliminin rms deÄŸeri %0,5 oranında artar
• Åžebeke geriliminin tepe deÄŸeri %6-%10 oranında artar
• Kondansatör akımının rms deÄŸeri %50 oranında artar

Bu örnekler reaktörsüz kompenzasyon tesisatlarında kondansatörlerin dayanamayacakları akımlar ile yükleneceklerini göstermektedir.

REZONANS Ä°LE HARMONÄ°K ARTIÅžI

Sistemde rezonans meydana gelmemiÅŸ olsa dahi sisteme reaktörsüz baÄŸlı olan kondansatörler devrede oldukları müddetçe mevcut harmonik bozulma oranını yükseltirler.

ÖrneÄŸin,

EÄŸer sistem rezonans frekansı ±%10 oranında harmonik frekanslara yakın ise, ÅŸebekenin kalitesine göre harmoniklerin 4 katına kadar katlanmasına sebep olurlar.

Kondansatör kademeleri devreye girdikçe harmonik geriliminin artışı:

Bu nedenden dolayı bir sistem incelendiÄŸinde bir kompenzasyon devrede, bir de kompenzasyon devre dışında iken iki adet ölçüm alınır. Kondansatörlerin sistemdeki harmonikleri ne oranda katladığı da belirlenir.

Harmoniklerin artışıyla beraber sistemde neden olduÄŸu etkilerde artar, örneÄŸin hassas elektronik cihazların çalışmasındaki hataların artması gibi.

REZONANSIN ENGELLENMESÄ°

Yukarıda belirtildiÄŸi üzere ÅŸebekede harmonikler olduÄŸu sürece kompenzasyon tesisatı ÅŸebekeye kapasitif baktığı için harmonikler katlanmakta ve rezonans olayları yaÅŸanmaktadır. Ä°htiyacımız olan kompenzasyon tesisatının nominal frekans 50Hz de kapasitif olması, kompenzasyonu gerçekleÅŸtirmesi, ancak harmoniklerde ÅŸebekeye indüktif bakması, rezonans oluÅŸturmamasıdır.

Reaktör seçimi için bir reaktör faktörü tanımlanmış ve 2 deÄŸer seçilmiÅŸtir.

Bunun için standart olarak 189Hz reaktör faktörü %7 veya 134Hz reaktör faktörü %14 seçilmiÅŸtir. Sistemlerden en çok rastlanan 5. harmonik ve 3. harmoniÄŸin hemen alt deÄŸeri hedef alınmıştır.

ÖrneÄŸin; Reaktör faktörü %7 olan bir harmonik filtreli kompenzasyon tesisatında rezonans frekansı 250Hz’in altına inecektir, reaktör frekansının üstünde meydana gelecek tüm frekanslardaki rezonanslar engellenecektir.

Harmonik filtre reaktörlü kompenzasyon tesisatının kademelerinin fonksiyonu olarak harmonik gerilimlerin azalması:

Bu tesisatta dikkat edilmesi gereken en önemli husus harmonik filtre reaktörü monte edildikten sonra artık kondansatörün klemenslerindeki gerilimin aÅŸağıdaki formüle göre hesap edilmesi gerekliliÄŸidir. Kondansatör gerilimi reaktör faktörüne göre artmaktadır ve dolayısıyla reaktörlü bir tesisatta 400V kondansatör kesinlikle kullanılamaz.

Uc = Un / (1-p)

Uc = kondansatör gerilimi

Un = nominal gerilim

Kondansatörün IEC60831 standardının belirtiÄŸi izin verilen gerilim yükselmesi deÄŸerleri deÄŸil, nominal 24 saat çalışma gerilim deÄŸeri dikkate alınmalıdır.

Reaktör faktörü p=%7 olan bir 400V detuned devrede ±10% gerilim deÄŸiÅŸikliÄŸi toleransı da göz önüne alınarak kondenzatör nominal geriliminin 480V olması gereklidir.

Reaktör faktörü p=%14 olan bir 400V detuned devrede ±10% gerilim deÄŸiÅŸikliÄŸi toleransı da göz önüne alınarak kondenzatör nominal geriliminin 525V olması gereklidir.

Åžebeke gerilim seviyesinin üzerinde kondansatör kullanılacağı için sayaç deÄŸerinin okuyacağı etken güç logaritmik olarak daha düÅŸük olacağı için, tesis edilen kompanzasyon gücü deÄŸil 400V baraya etki edecek etken gücün göz önünde bulundurulması gerekir.

ÖrneÄŸin;

Reaktör faktörü p=%7 189Hz 480V kondansatörler ile kurulu bir 1000kVar kompanzasyon panosunun etken gücü 750kVAr’dır.

Özet olarak detuned reaktörlü kompenzasyon panosu kullanıldığında:

• Rezonans ihtimalini ortadan kaldırır.
• Harmonik akımlarının artışını engeller.
• Kondenzatörlerin ve kontaktörlerinin arızalanmasını önler, ömürlerini uzatır. Bakım maliyeti azalır ve kondenzatörlerin deÄŸer kaybetmesinden dolayı reaktif ücret ödeme riskini ortadan kaldırır.
• Ana dağıtım panosunun giriÅŸ ÅŸalterinin gereksiz açmaları sebebiyle meydana gelen istenmeyen üretim durmalarını engeller.
• Hesap edilemeyen bakım, onarım masraflarını azaltır.
• Hesap edilemeyen enerji kayıplarının ve aşırı yük artışlarının önüne geçilir.
• cosφ ve güç faktörü deÄŸerlerini birbirine yaklaşır.