ALÇAK GERİLİM DAĞITIM SİSTEMLERİNDE GÜÇ KALİTESİ Osman
advertisement
ALÇAK GERİLİM DAĞITIM SİSTEMLERİNDE GÜÇ KALİTESİ Osman UZAN YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMMUZ 2013 ANKARA ALÇAK GERİLİM DAĞITIM SİSTEMLERİNDE GÜÇ KALİTESİ Osman UZAN YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMMUZ 2013 ANKARA Osman UZAN tarafından hazırlanan “ALÇAK GERİLİM DAĞITIM SİSTEMLERİNDE GÜÇ KALİTESİ” adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER ......................................... Tez Danışmanı, Elektrik Elektronik Müh. Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans Tezi olarak kabul edilmiştir. Doç. Dr. Timur AYDEMİR ......................................... Elektrik Elektronik Müh. Anabilim Dalı, G.Ü. Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER ......................................... Elektrik Elektronik Müh. Anabilim Dalı, G.Ü. Doç. Dr. Hasan Şakir BİLGE ......................................... Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı, G.Ü. Tez Savunma Tarihi: 18/07/2013 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof.Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü ......................................... TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Osman UZAN iv ALÇAK GERİLİM DAĞITIM SİSTEMLERİNDE GÜÇ KALİTESİ (Yüksek Lisans Tezi) Osman UZAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Temmuz 2013 ÖZET Son yıllarda, Güç kalitesi problemlerinin endüstride ve meskenlerde oluşturduğu önemli maddi ve iş gücü kayıpları sonucunda, hem elektrik dağıtım şirketlerinin hem de elektrik abonelerinin güç kalitesine ilgisi gittikçe artmaktadır. Frekans konvertörleri, güç kaynakları, DA/AA dönüştürücüler, elektronik balastlar gibi güç elektroniği uygulamaları ve ark fırınları gibi sinüssel olmayan yüklerin kullanımının artması, düşük güç faktörüne, gerilimde çentiklere ve harmoniklere neden olmaktadır. Ayrıca şebeke kaynaklı kesintiler ile gerilim yükselmesi veya düşmesi olayları da tüketiciler açısından önemli diğer güç kalitesi problemleridir. Bu nedenle hem elektrik dağıtım şirketleri hem de kullanıcılar açısından, güç kalitesi problemlerinin maliyet etkin çözümü çok önemli bir konu haline gelmiştir. Bu tezde, alçak gerilim dağıtım sistemlerinde, güç kalitesi problemleri ve çözüm yöntemleri, çözüm yöntemlerinin maliyeti, güç kalitesi ile ilgili standart ve yönetmelikler, güç sisteminde oluşan harmonikler ve çözüm yöntemleri ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Ayrıca örnek uygulama olarak, bir alçak gerilim dağıtım sisteminde harmonik ölçümü yapılmış ve elde edilen ölçüm sonuçlarının değerlendirmesi yapılmıştır. Son olarak, dağıtım sisteminde tespit edilen harmoniklerin azaltılması amacıyla, sisteme sabit ayarlı filtre ile C tipi yüksek geçiren filtre uygulanması yönteminin simülasyonu, Matlab R2010b, Simulink programı kullanılarak yapılmıştır. v Bilim Kodu : 905.1.150 Anahtar Kelimeler : Güç kalitesi, gerilim kalitesi, harmonikler Sayfa Adedi : 175 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER vi POWER QUALITY IN LOW VOLTAGE DISTRIBUTION SYSTEMS (M.Sc. Thesis) Osman UZAN GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES July 2013 ABSTRACT In last years, as a result of significant financial and manpower loss in dwelling and industry caused by power quality problems, both electric utilities and end users of electric power are becoming increasingly concerned about the quality of electric power. Power electronic applications such as frequency converters, power supplies, DC/AC inverters, electronic ballasts etc. and arc furnaces which are nonsinusoidal loads increasing to use may cause poor power factors voltage notch or bring forth harmonics. Besides, interruptions in distribution system and voltage swell or sag are the important other problems of power quality. Therefore, cost efficient solutions for solving these power quality problems have become crucial matter for both utilities and users. In this thesis, it is explained in detail that power quality problems and solutions methods, solution costs, standard and regulations about power quality, harmonics and reducing harmonic methods in low voltage systems. As a kind of sample application it is measured harmonics in a low voltage distribution system and evaluated measurement results. Finally, reducing harmonics that are determined in the distribution system is done with this method which is simulated that supplemented tuned filter and C type high band pass filter using Matlab R2010b, Simulink software. vii Science Code : 905.1.150 Key Words : Power quality, voltage quality, harmonics Page Number : 175 Adviser : Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER viii TEŞEKKÜR Bu tez çalışmasının hazırlanmasında yardım ve katkılarını esirgemeyen, değerli danışman hocam Prof. Dr. Sezai DİNÇER’e, tez çalışmamda ve diğer alanlarda bilgilerini esirgemeyen, Gazi Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümündeki hocalarıma ve mesai arkadaşlarıma teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım sırasında sürekli destek olan ve anlayış gösteren sevgili eşim Gülderen UZAN’a, varlığı ile çalışma azmimi artıran oğlum Egemen UZAN’a ve hayatım boyunca maddi ve manevi karşılıksız desteklerini esirgemeyen anneme, babama ve kardeşlerime teşekkürü borç bilirim. ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET .......................................................................................................................... iv ABSRACT ................................................................................................................... v TEŞEKKÜR ................................................................................................................ vi İÇİNDEKİLER .......................................................................................................... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ ........................................................................................ vii ŞEKİLLERİN LİSTESİ .............................................................................................. vi RESİMLERİN LİSTESİ ............................................................................................. vi SİMGELER VE KISALTMALAR ............................................................................. xi 1. GİRİŞ....................................................................................................................... 1 2. ELEKTRİK SİSTEMLERİNDE GÜÇ KALİTESİNİN GEREKLİLİĞİ ............... 4 2.1. Güç Kalitesi Nedir ............................................................................................ 4 2.2. Güç Kalitesinin Gerekliliği .............................................................................. 5 2.3. Güç Kalitesi Sorunlarının Maliyeti .................................................................. 8 2.4. Güç Kalitesi Problemlerinin Sınıflandırılması ............................................... 10 3. GÜÇ KALİTESİ PROBLEMLERİ ....................................................................... 13 3.1. Geçici Olaylar ................................................................................................ 13 3.1.1. Darbe biçimindeki geçici olay ............................................................ 13 3.1.2. Salınım biçimindeki geçici olay ......................................................... 14 3.2. Kısa Süreli Gerilim Değişimleri ..................................................................... 15 3.2.1. Gerilim çökmesi ................................................................................. 15 3.2.2. Gerilim yükselmesi ............................................................................. 16 3.2.3. Kesinti................................................................................................. 18 x Sayfa 3.3. Uzun Süreli Gerilim Değişimleri ................................................................... 18 3.3.1. Düşük gerilim ..................................................................................... 19 3.3.2. Aşırı gerilim........................................................................................ 19 3.3.3. Kalıcı gerilim kesintileri ..................................................................... 20 3.4. Gerilim Dengesizliği ...................................................................................... 20 3.5. Dalga Şeklindeki Bozulmalar......................................................................... 21 3.5.1. DA Bileşeni ........................................................................................ 21 3.5.2. Harmonikler ........................................................................................ 21 3.5.3. Ara harmonikler.................................................................................. 21 3.5.4. Çentik ................................................................................................. 22 3.5.5. Gürültü................................................................................................ 24 3.6. Gerilim Dalgalanması .................................................................................... 24 3.7. Frekans Değişimleri ....................................................................................... 26 3.8. CBEMA ve ITIC Eğrileri ............................................................................... 26 4. GÜÇ KALİTESİ PROBLEMLERİNE YÖNELİK ALINABİLECEK ÖNLEMLER ......................................................................................................... 29 4.1. Güç Kalitesi Çözüm Yöntemlerine Genel Bakış............................................ 29 4.2. Güç Kalitesi Problemlerinde Çözüm Yaklaşımı ............................................ 30 4.3. Güç Kalitesi Problemlerinin Çözüm Yöntemleri ........................................... 32 4.3.1. Salınım biçimindeki geçici olaylara karşı alınabilecek önlemler ....... 32 4.3.2. Darbe biçimindeki geçici olaylara karşı alınabilecek önlemler ......... 33 4.3.3. Gerilim düşmesi, yükselmesi ve kesintilere karşı alınabilecek önlemler .............................................................................................. 41 4.4. Güç Kalitesi Sorunlarına İlişkin Çözüm Yöntemlerinin Değerlendirilmesi .. 47 xi Sayfa 5. GÜÇ SİSTEMLERİNDE HARMONİKLER ........................................................ 49 5.1. Harmoniklerin Tanımı .................................................................................... 50 5.2. Harmonik Bileşenler ...................................................................................... 51 5.3. Fourier Analizi ............................................................................................... 52 5.3.1. Sinüssel olmayan dalgalarda simetri ve ifadeleri ............................... 54 5.3.2. Fourier katsayılarının bulunması ........................................................ 56 5.4. Harmonikler İle İlgili Tanımlamalar .............................................................. 59 5.4.1. Bozulma .............................................................................................. 59 5.4.2. Toplam harmonik bozulma(THB) ...................................................... 59 5.4.3. Talep yük değerine bağlı akımdaki toplam bozulma (TDD).............. 60 5.4.4. Şekil (Form) faktörü ........................................................................... 60 5.4.5. Tepe faktörü........................................................................................ 61 5.4.6. Telefon etkileşim faktörü (TEF) ......................................................... 61 5.5. Harmonik Kaynakları ..................................................................................... 62 5.5.1. Transformatörler ................................................................................. 63 5.5.2. Döner makineler ................................................................................. 64 5.5.3. Güç elektroniği esaslı donanımlar ...................................................... 68 5.5.4. Statik VAR kompanzatörleri .............................................................. 69 5.5.5. Ark cihazları ....................................................................................... 70 5.5.6. Kesintisiz güç kaynakları ................................................................... 72 5.5.7. Güç kaynakları.................................................................................... 74 5.5.8. Ayarlı motor hız kontrol üniteleri....................................................... 74 5.5.9. Üç fazlı çeviriciler .............................................................................. 75 xii Sayfa 5.5.9. Fotovoltaik sistemler .......................................................................... 77 5.5.10. Doğru gerilim ile enerji nakli (HVDC) .............................................. 77 5.5.11. Bilgisayarlar ....................................................................................... 79 5.6. Harmoniklerin Güç Sistemi Üzerindeki Etkileri ............................................ 79 5.6.1. Harmoniklerin direnç üzerindeki etkisi .............................................. 81 5.6.2. Harmoniklerin endüktif reaktans üzerindeki etkisi ............................ 83 5.6.3. Harmoniklerin kapasitif reaktans üzerindeki etkisi ............................ 83 5.6.4. Harmoniklerin transformatörler üzerindeki etkisi .............................. 84 5.6.5. Harmoniklerin motorlar üzerindeki etkisi .......................................... 86 5.6.6. Harmoniklerin jeneratörler üzerindeki etkisi...................................... 87 5.6.7. Harmoniklerin devre kesicileri ve sigortalar üzerindeki etkisi........... 88 5.6.8. Harmoniklerin aydınlatma elemanları üzerindeki etkisi .................... 89 5.6.9. Harmoniklerin koruma elemanları üzerindeki etkisi .......................... 89 5.6.10. Harmoniklerin ölçü aletleri üzerindeki etkisi ..................................... 90 5.6.11. Harmoniklerin elektronik elemanlar üzerindeki etkisi ....................... 91 5.6.12. Harmoniklerin alçak gerilim dağıtım iletkenleri üzerindeki etkisi..... 91 5.6.13. Harmoniklerin kondansatör gruplarına etkisi ..................................... 92 5.6.14. Harmoniklerin sebep olduğu rezonans olayları .................................. 94 5.6.15. Harmoniklerin iletişim hatlarına etkisi ............................................... 98 5.7. Güç Sistemlerinde Harmoniklerin Filtrelenmesi............................................ 98 5.7.1. Zigzag bağlı transformatörlerin kullanılması ..................................... 99 5.7.2. Pasif filtreler ..................................................................................... 101 5.7.3. Aktif filtreler ..................................................................................... 113 xiii Sayfa 5.7.4. Pasif ve aktif filtrelerin karşılaştırması............................................. 116 6. GÜÇ KALİTESİ İLE İLGİLİ YÖNETMELİK VE STANDARTLAR .............. 118 6.1. Elektrik Şirketleri Tarafından Sağlanan Elektriğin Gerilim Kalitesi ........... 119 6.1.1. Alçak gerilim besleme karakteristiği ................................................ 119 6.1.2. Şebeke frekansı ................................................................................. 119 6.1.3. Gerilim değişimi ............................................................................... 120 6.1.4. Kırpışma şiddeti................................................................................ 120 6.1.5. Besleme gerilimi dengesizliği .......................................................... 120 6.1.6. Doğru akım bileşeni ......................................................................... 121 6.1.7. Çentik ............................................................................................... 121 6.1.8. Harmonik gerilim ............................................................................. 121 6.1.9. Harmonik akım ................................................................................. 123 6.1.10. Ara harmonikler................................................................................ 125 6.2. Cihazlar Açısından Harmonik Sınır Değerler .............................................. 126 6.2.1. Faz başına 16 amperden küçük cihazlar için sınır değerler .............. 126 6.2.2. Faz başına akımı 16 amper ile 75 amper arasında olan cihazlar ............................................................................................. 130 6.3. Elektromanyetik Uyumluluk Seviyeleri ....................................................... 131 6.3.1. Uyumluluk seviyesine ilişkin şartlar ................................................ 131 6.3.2. Planlama seviyeleri ........................................................................... 133 6.3.3. Uyumluluk, yayın, bağışıklık ve planlama seviyeleri ...................... 134 6.4. Elektrik Piyasası Dağıtım Yönetmeliğinin İncelenmesi .............................. 134 6.4.1. Frekans ............................................................................................. 135 xiv Sayfa 6.4.2. Gerilim regülasyonu ......................................................................... 135 6.4.3. Gerilim dengesizliği ......................................................................... 136 6.4.4. Harmonik bozulma ........................................................................... 136 6.4.5. Kırpışma (Fliker) .............................................................................. 136 6.4.6. Hizmetin sürekliliğine ilişkin performans göstergeleri .................... 137 7. ALÇAK GERİLİM GÜÇ SİSTEMİNDE HARMONİK ÖLÇÜMÜ VE HARMONİKLERİN AZALTILMASI ............................................................... 139 7.1. Ölçüm Yapılan AG Dağıtım Sisteminin Belirlenmesi ................................. 139 7.2. Harmonik Ölçümlerin Yapılması ................................................................. 144 7.3. Harmonik Ölçümlerin Değerlendirilmesi..................................................... 149 7.4. Tespit Edilen Harmoniklerin Filtrelenmesinin Simülasyonu ....................... 151 7.4.1. Filtre elemanlarının değerlerinin belirlenmesi ................................. 152 7.4.2. Hesaplanan filtrelerin rezonans kontrolü.......................................... 155 7.4.3. Güç sisteminin bilgisayar destekli modellenmesi ............................ 156 7.4.4. Güç sistemindeki harmoniklerin azaltılmasının simülasyonu .......... 159 8. SONUÇ VE ÖNERİLER .................................................................................... 168 KAYNAKLAR ........................................................................................................ 172 ÖZGEÇMİŞ .......................................................................................................... 175 xv ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Güç sisteminde meydan gelen bozulmalar ........................................... 12 Çizelge 5.1. Motorların yükte çalışması sırasında harmonik katsayıları .................. 67 Çizelge 5.2. Statik VAR kompanzasyon sonrasında oluşan harmonikler ve genlikleri ............................................................................................... 70 Çizelge 5.3. Bir ark fırının harmonik bileşen değerleri ............................................ 71 Çizelge 5.4. Çeşitli Aydınlatma Lambalarının Harmonik Akım Bileşenleri ............ 72 Çizelge 5.5. Darbeli bir konverterin döner makine üzerindeki harmonik etkinliği ................................................................................................. 87 Çizelge 5.6. Pasif ve aktif filtrelerin özelliklerinin karşılaştırması......................... 117 Çizelge 6.1. Kırpışma şiddeti için sınır değerler ..................................................... 120 Çizelge 6.2. Gerilimde oluşan çentikler için sınır değerler..................................... 121 Çizelge 6.3. CIGRE çalışma grubu tarafından hazırlanan Avrupa Birliği harmonik bozulma sınır değerleri ....................................................... 122 Çizelge 6.4. Alçak gerilim sisteminde şebeke bağlantı noktasında izin verilen harmonik gerilimin değerleri .............................................................. 123 Çizelge 6.5. 120V-69000V Şebeke bağlantı noktasında izin verilen akım harmonik bileşenlerin sınır değerleri .................................................. 124 Çizelge 6.6. Alçak gerilim şebekelerinde kırpışma etkisine göre uyumluluk seviyesi değerleri ................................................................................ 125 Çizelge 6.7. Sınıf A cihazlar için giriş akımının harmonik sınır değerleri ............. 128 Çizelge 6.8. Sınıf C cihazlar için giriş akımının harmonik sınır değerleri ............. 129 Çizelge 6.9. Sınıf D cihazlar için sınır değerler ...................................................... 129 Çizelge 6.10.Üç fazlı dengesiz cihazlar için harmonik akım limitleri ..................... 130 Çizelge 6.11.Üç fazlı dengeli cihazlar için harmonik akım limitleri ....................... 130 xvi Çizelge Sayfa Çizelge 7.1. Ölçüm yapılan dağıtım sistemindeki yükler ....................................... 143 Çizelge 7.2. Örnek bazı yük tiplerinin harmonik bozulma oranları........................ 144 Çizelge 7.3. Ölçümde kullanılan cihazın teknik özellikleri .................................... 146 Çizelge 7.4. Ölçülen akım harmonik bileşenlerinin büyüklükleri .......................... 150 Çizelge 7.5. Ölçülen gerilim harmonik bileşenlerinin büyüklükleri ....................... 151 Çizelge 7.6. Tasarlanan filtrelerdeki elemanların değerleri .................................... 155 Çizelge 7.7. Seçilen filtrelerin rezonans frekansları ............................................... 156 Çizelge 7.8. Ölçüm ve simülasyon sonucunda THBI oranları ................................ 162 Çizelge 7.9. Harmonik filtre devrede ve değil iken harmonik bileşen büyüklükleri ........................................................................................ 166 xvii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Güç kalitesi bozukluğundan etkilenen donanım ve cihazlar ..................... 5 Şekil 2.2. Güç kalitesi sorunları nedeniyle oluşan olayların dağılımı ve sıklığı........ 6 Şekil 2.3. Güç sistemindeki bir saniyelik kesinti hatasının, üretimde neden olduğu aksama süresi ................................................................................. 7 Şekil 2.4. Güç kalitesi problemleri ve oranları .......................................................... 8 Şekil 2.5. Gerilim düşmelerinin sektörlere göre maliyeti .......................................... 9 Şekil 2.6. Güç Kalitesi Sorunlarının Maliyetlerinin Dağılımı ................................... 9 Şekil 2.7. EN 50160’a göre gerilim olaylarının sınıflandırması .............................. 11 Şekil 2.8. IEEE std. 1159-1995’e göre gerilim olaylarının sınıflandırması............. 11 Şekil 3.1. Yıldırım darbe akımı sonucu oluşan geçici olay ..................................... 14 Şekil 3.2. Bir kondansatör grubunun devreye alınması sonucu oluşan salınım biçimindeki geçici olay ............................................................................ 14 Şekil 3.3 Kondansatör gruplarının arka arkaya devreye alınması sonucu oluşan salınım biçimindeki geçici olay.................................................... 15 Şekil 3.4. Faz-toprak arızasından kaynaklanan gerilim yükselmesi ........................ 16 Şekil 3.5. Faz-toprak arıza nedeniyle oluşan kısa süreli gerilim yükselmesi .......... 17 Şekil 3.6. Bir yerleşim birimine ait haftalık gerilim dengesizliği ............................ 20 Şekil 3.7. Ara harmonik bileşenler ile bozulmaya uğramış akım dalgası ................ 22 Şekil 3.8. Çentik alanı ve derinliğinin tanımı .......................................................... 23 Şekil 3.9. Üç fazlı bir konvertör çıkışında oluşan çentik ......................................... 23 Şekil 3.10. Bir dağıtım sisteminde ark fırınının neden olduğu gerilim dalgalanması ............................................................................................ 25 Şekil 3.11. Ark fırının bulunduğu bir dağıtım sistemindeki kırpışma ....................... 26 Şekil 3.12. CBEMA gerilim eğrisi............................................................................. 27 xviii Şekil Sayfa Şekil 3.13. ITIC gerilim eğrisi ................................................................................... 28 Şekil 4.1. Endüstri sektörü ile hizmet ve ulaşım sektörlerinde güç kalitesi önlemlerinin grafiksel dağılımı................................................................ 30 Şekil 4.2. Güç kalitesi problemlerinde çözüm yaklaşımı ........................................ 31 Şekil 4.3. Güç kalitesi problemlerinde çözüm akış diyagramı ................................ 32 Şekil 4.4. Yıldırımdan korunma bölgelerinin şematik gösterimi ............................. 35 Şekil 4.5. T1, T2 sürelerinin tanımlanması ............................................................... 38 Şekil 4.6. Yıldırım darbe akımının Tip 1 ve Tip 2 dalga bileşenleri ....................... 39 Şekil 4.7. Çevrimdışı KGK blok şeması .................................................................. 43 Şekil 4.8. Çevrimiçi KGK blok şeması .................................................................... 44 Şekil 4.9. Tipik motor-jeneratör sistemi blok diyagram .......................................... 45 Şekil 4.10. Tipik SMES Blok Diyagramı .................................................................. 46 Şekil 4.11. Örnek bir güç kalitesi çözümü maliyet etkinlik grafiği ........................... 47 Şekil 5.1. Doğrusal yük akım-gerilim zaman grafiği............................................... 50 Şekil 5.2. Doğrusal olmayan yüke ait gerilim-akım zaman grafiği ......................... 50 Şekil 5.3. Temel ve harmonik bileşenlere ait işaretler ............................................. 51 Şekil 5.4. Tek ve çift fonksiyon simetrisi ................................................................ 55 Şekil 5.5. Grafik metotla Fourier analizinin yapılması ............................................ 58 Şekil 5.6. Transformatör mıknatıslanma karakteristiği............................................ 63 Şekil 5.7. Elektronik balastlı floresan lamba akım ve gerilim dalga şekli............... 72 Şekil 5.8. Tipik KGK blok diyagramı ...................................................................... 73 Şekil 5.9. Anahtarlamalı güç kaynağı devre şeması ................................................ 74 Şekil 5.10. Anahtarlama modlu güç kaynağının akım dalga şekli ve harmonik spektrum .................................................................................. 75 xix Şekil Sayfa Şekil 5.11. Ayarlanabilir hız kontrol ünitesi akımı dalga şekli ve harmonik spektrumu (fn:60 hz) ................................................................................ 76 Şekil 5.12. Darbe genişlik modülasyonlu ayarlanabilir hız kontrol cihazı devre şeması .................................................................................. 76 Şekil 5.13. Darbe genişlik modülasyonlu ayarlanabilir hız kontrol ünitesi akım dalga şekli ve harmonik spektrumu (fn:60 hz) ................................ 77 Şekil 5.14. HVDC tek hat prensip şeması ................................................................. 78 Şekil 5.15. Örnek bir HVDC sisteminin harmonik akım spektrumu ......................... 78 Şekil 5.16. Bir bilgisayar ve yazıcıdan oluşan yüke ait harmonik spektrum ............ 79 Şekil 5.17. Harmoniklerin neden olduğu yıllık donanım arızası ............................... 80 Şekil 5.18. Transformatörün eşdeğer devresi ............................................................ 85 Şekil 5.19. Transformatörün harmonik bileşenli eşdeğer devresi.............................. 86 Şekil 5.20. Örnek bir paralel rezonans devresi .......................................................... 95 Şekil 5.21. Örnek bir seri rezonans devresi ............................................................... 96 Şekil 5.22. Zigzag sargı ile nötr akımının azaltılması ............................................... 99 Şekil 5.23. Seri pasif filtre prensip şeması ve örnek seri pasif filtre ....................... 101 Şekil 5.24. Paralel pasif filtre prensip şeması ve örnek paralel pasif filtre .............. 102 Şekil 5.25. Tek ayarlı paralel pasif filtre.................................................................. 104 Şekil 5.26. Tek ayarlı filtrenin Z-f değişim grafiği (f1=60 Hz, f5=300 Hz, Q=30) . 105 Şekil 5.27. Çift ayarlı paralel pasif filtre şeması ...................................................... 106 Şekil 5.28. 11. ve 13. harmonik bileşenlere ayarlı çift ayarlı filtrenin Z-f değişim grafiği (f1=60Hz, f11=660 Hz, f13=780 Hz, Q=30) ............ 107 Şekil 5.29. Yüksek geçiren sönümlü filtre tipleri .................................................... 108 Şekil 5.30. C tipi yüksek geçiren sönümlü filtre şeması .......................................... 109 xx Şekil Sayfa Şekil 5.31. C tipi filtrenin frekans-empedans grafiği ............................................... 110 Şekil 5.32. C tipi filtrenin Is-n ilişkisi ..................................................................... 111 Şekil 5.33. C tipi ve 2. derece yüksek geçiren sönümlü filtre Z-n değişimi ............ 111 Şekil 5.34. İkinci derece filtrenin performansının kalite faktörüne bağlı değişimi . 112 Şekil 5.35. Paralel aktif filtrenin prensip şeması ..................................................... 114 Şekil 5.36. Seri aktif filtrenin prensip şeması .......................................................... 115 Şekil 5.37. Aktif güç filtresinin blok şeması............................................................ 115 Şekil 6.1. Uyumluluk seviyesi ile bağışıklık seviyesi arasındaki ilişki ................. 134 Şekil 7.1. Ölçüm için seçilen dağıtım transformatörünün tek hat şeması .............. 140 Şekil 7.2. Ölçüm için seçilen dağıtım sistemine ait kolon şeması ......................... 141 Şekil 7.3. Ölçüm için seçilen dağıtım sistemine ait tek hat şeması ....................... 142 Şekil 7.4. A,B,C fazlarına ait gerilim dalga şekli .................................................. 147 Şekil 7.5. A,B,C fazlarına ait akım dalga şekli ...................................................... 147 Şekil 7.6. A fazına ait gerilim ve akım dalga şekli ................................................ 147 Şekil 7.7. B fazına ait gerilim ve akım dalga şekli ................................................ 147 Şekil 7.8. C fazına ait gerilim ve akım dalga şekli ................................................ 147 Şekil 7.9. A,B,C fazlarının vektörel gösterimi....................................................... 147 Şekil 7.10. Nötr akımının harmonik spektrumu....................................................... 148 Şekil 7.11. Gerilim harmonik bileşenleri ve seviyeleri............................................ 148 Şekil 7.12. Gerilim harmonik spektrumu ................................................................. 148 Şekil 7.13. Akım harmonik bileşenleri ve seviyeleri ............................................... 148 Şekil 7.14. Akım harmonik spektrumu(2.-34. derece bileşenler)............................ 148 Şekil 7.15. A fazına ait akım harmonik spektrumu ................................................. 149 xxi Şekil Sayfa Şekil 7.16. B fazına ait akım harmonik spektrumu.................................................. 149 Şekil 7.17. C fazına ait akım harmonik spektrumu.................................................. 149 Şekil 7.18. Filtre elemanlarının değerlerinin frekans ile değişimi ........................... 152 Şekil 7.19. Doğrusal olmayan yük gruplarının modellenmesi................................. 156 Şekil 7.20. Seçilen güç dağıtım sisteminin bilgisayar destekli modeli .................... 157 Şekil 7.21. Doğrusal olmayan yük bloğu ................................................................. 158 Şekil 7.22. Ölçüm bloğu .......................................................................................... 159 Şekil 7.23. Üç faza ait gerilim ve akım dalga şekli (filtre devrede değil) ............... 160 Şekil 7.24. Her bir faza ait akım dalga şekli (filtre devrede değil) .......................... 160 Şekil 7.25. Filtre devrede değil iken ölçüm sonuçları ............................................. 161 Şekil 7.26. Harmonik filtre devrede değil iken akım harmonik spektrumu............. 162 Şekil 7.27. Üç faza ait gerilim ve akım dalga şekli (filtre devrede) ........................ 163 Şekil 7.28. Her bir faza ait gerilim Va, Vb, Vc dalga şekli (filtre devrede) ............ 164 Şekil 7.29. Her bir faza ait akım Ia, Ib, Ic dalga şekli (filtre devrede ).................... 164 Şekil 7.30. A, B, C fazlarındaki filtrelerin empedans frekans grafiği ..................... 165 Şekil 7.31. Harmonik filtre devrede iken ölçüm bloğu sonuçları ............................ 166 Şekil 7.32. Harmonik filtre devrede iken akım harmonik spektrumu...................... 166 xxii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 4.1. Yıldırımın elektromanyetik darbe etkisi sonucu oluşan hasar ................ 36 Resim 4.2. Çeşitli Tip1 ve Tip 2 SPD örnekleri ........................................................ 40 Resim 4.3. Tip 3 sınıfı farklı kullanım alanları için SPD örnekleri ........................... 41 Resim 4.4. Örnek sabit gerilim transformatörleri ...................................................... 42 Resim 5.1. Rezonans sonucu kapasitif elemanlarda oluşan tahribat ......................... 95 Resim 7.1. Ölçümde kullanılan enerji analizörü...................................................... 144 Resim 7.2. Ölçümde kullanılan enerji analizörünün aksesuarları............................ 145 xxiii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama C Kapasitans f Temel bileşen frekansı fm Ara harmonik bileşen frekansı fp Paralel rezonans frekansı fs Seri rezonans frekansı hT Filtrenin ayarlandığı harmonik bileşen frekansı Ia A fazı akımı IL Ortak bağlantı noktasındaki en yüksek talep akımı In n. akım harmonik bileşen akımı ISC Ortak bağlantı noktasındaki en yüksek kısa devre akımı kf Şekil (form) faktörü L Endüktans m Ara harmonik bileşen mertebesi n harmonik bileşen mertebesi Pst Kısa dönem kırpışma seviyesi Plt Uzun dönem kırpışma seviyesidir n Harmonik bileşenlerin faz açılarıdır. Q Kalite faktörü Rh Harmonikler nedeniyle ilave direnç Sk Kaynağın kısa devre gücü ti i. kesintinin süresi w Açısal hız XC Temel frekanstaki kapasitif reaktans değeri XCn n. harmonik mertebesindeki kapasitif reaktans değeri XL Temel frekanstaki endüktif reaktans değeri xxiv Simgeler Açıklama XLn n. harmonik mertebesindeki endüktif reaktans değeri Va A faz gerilimi Zt Transformatörün pu empedansını göstermektedir Kısaltmalar Açıklama AB Avrupa Birliği ABD Amerika Birleşik Devletleri AG Alçak Gerilim ANSI American National Standard Institute BS British Standart CBEMA Computer and Bussiness Equipment Manufacturer Association CF Crest Factor CIGRE Congress Internationale des Grand Reseaux Electriques CVTs Constant Voltage Transformers DKGK Dinamik Kesintisiz Güç Kaynağı EN Avrupa Standardı EPDK Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu IEC International Electrotechnical Commisson IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ITIC Information Technology Industry Council LEMP Lightning Elektromagnetic Pulse LPS Lightning Protection System LPZ Lightning Protection Zone OG Orta Gerilim PQ Power Quality SKGK Statik Kesintisiz Güç Kaynağı SMES Superconducting magnetic energy storage SPD Surge Protector Device TDD Total Demand Distortion xxv Kısaltmalar Açıklama TEİAŞ Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi THB Toplam Harmonik Bozulma THBV Gerilimdeki Toplam Harmonik Bozulma, THBI Akımdaki Toplam Harmonik Bozulma TEF Telefon Etkileşim Faktörü TIF Telephone Influence Factor Committee TKS Altı Aylık Dönemdeki Toplam Kesinti Sayısı TS Türk Standardı UPS Uninterruptable Power Supply YG Yüksek Gerilim YKS Yıldırımdan Korunma Sistemi 1 1. GİRİŞ Geçmişte tüketicilerin ve enerjinin dağıtımından sorumlu kuruşlar tarafından çok fazla önemsenmeyen güç kalitesi, son yıllarda önemli bir mesele haline gelmiştir. Dünyanın birçok ülkesinde tüketicilere elektrik enerjisini sağlayan dağıtım şirketleri, güç kalitesinin artırılmasına yönelik çalışmalar yapmaktadır. Güç kalitesi kavramı son yıllarda önem kazanmasına rağmen bu konudaki tanımlama 1968 yılına kadar dayanmaktadır. İlk olarak ABD Deniz (NAVY) Birliklerinde kullanılan elektronik teçhizat için güç kalitesi ile ilgili doküman hazırlanmıştır. Daha sonrasında da yine ABD Hava Kuvvetlerinde kullanılan donanım ve teçhizat için dokümanlar hazırlanmış, sonrasında da 1981 yılında IEEE std. 519’u yayımlamıştır [1]. Yine aynı yıl, International Council on Large Electric Systems (CIGRE) ve International Conference on Electricity Distribution (CIRED) ile oluşturulan çalışma grubu tarafından ilk uluslararası rapor olan CIGRE 36.05/CIRED 2 hazırlanmıştır. Söz konusu rapor ile farklı gerilim seviyeleri için şebekede var olan harmonikler için sınır değerler öneriliyordu [2]. 1969–1984 yılları arasında INSPEC’te güç kalitesi ile ilgili 91 ve gerilim kalitesi ile ilgili 65 kayıt mevcut iken, 1985-1996 yılları arasında güç kalitesi ile ilgili kayıt sayısı 2051 ve gerilim kalitesi ile ilgili kayıt sayısı da 210’a yükselmiştir. Bu rakamların, güç kalitesinin öneminin ve bu konuya gösterilen ilginin hızla arttığının önemli bir göstergesi olduğu düşünülmektedir. Günümüz teknolojisinde yaşanan gelişmelere paralel olarak, özellikle güç elektroniği uygulamalarının kullanımı, gerek endüstride gerek ise meskenlerde hızla artmaktadır. Güç elektroniği uygulamaları, yük karakteristiklerinin doğrusal olmamaları nedeniyle güç sisteminin güç faktörünün düşmesi, gerilimde çentik oluşması ve yüksek frekanslı harmonik gerilimlerin oluşması gibi birçok güç kalitesi problemlerine neden olmaktadır. Güç elektroniği uygulamalarının dışında elektrik enerjisi dağıtım şirketleri tarafından sağlanan enerjinin kalitesi de özellikle doksanlı yılların ikinci yarısından 2 itibaren önem kazanmıştır. Önceki yıllarda neredeyse olağan olarak kabul edilen kısa kesintiler ve gerilim dalgalanmaları, günümüzde özellikle hassas üretim yapan endüstri kollarında ve ofislerde önlem alınmaması kabul edilemez güç kalitesi problemleri haline gelmiştir. Güç kalitesi problemleri özellikle elektronik ve mikroişlemci kontrollü cihaz ve makinelerde, çeşitli arızalara sebep olmakta, hatta güç kalitesine karşı duyarlı bu cihazlar arızalanmasalar bile, hatalı ölçme ve kontrol sonucunda kullanıldıkları endüstriyel üretim sistemlerde önemli ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Elektrik dağıtım sistemindeki bir saniyelik bir kesintinin, eğer herhangi bir önlem alınmaz ise endüstride meydana getirdiği maliyet, sektörlere göre 1 000 € ile 1 000 000 € arasında değişebilmektedir [3]. Güç kalitesi sorunlarının yaşanma sıklığı ve ortaya çıkan maliyetin büyüklüğü nedeniyle güç kalitesi problemleri ciddi bir sorun olarak karşımız çıkmaktadır. Güç kalitesi problemlerinin çözümünde, genel kabul görmüş tek bir çözüm yöntemi mevcut değildir. Bunun nedeni güç kalitesi problemlerinin çeşitliliği ve dolayısıyla çözüm maliyetinin değişkenliğidir. Örneğin bir güç sisteminde kısa süreli kesintiler ve gerilim dalgalanmalarına karşı statik gerilim regülatörleri veya statik kesintisiz güç kaynakları çözüm olabilir iken, harmoniklerin de problem olduğu güç sisteminde, yalnızca statik gerilim regülatörleri veya statik kesintisiz güç kaynakları var olan problemi artırıcı olacaktır. Ayrıca aynı güç kalitesi probleminin çözümü, farklı güç sistemlerinde farklı maliyetler ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenle güç kalitesi problemlerinin çözümünde sistem bazlı davranılması, ölçüm yapılarak güç kalitesi probleminin ortaya konulması, güç kalitesi ihtiyacının belirlenmesi ve ihtiyaç duyulan güç kalitesini sağlayan maliyet etkin çözümün belirlenmesidir. Bu tez çalışmasında alçak gerilim güç sistemlerindeki güç kalitesi problemleri ve alçak gerilim güç sistemine etkisi olan güç kalitesi problemleri incelenmiştir. Alçak gerilim sistemlerinde güç kalitesi problemleri ile ilgili olarak; ikinci bölümde güç kalitesinin tanımı, güç kalitesi problemleri kategorileri, farklı güç kalitesi 3 problemlerinin endüstri kollarında oluşturduğu maliyet ve üretim kayıpları ve güç kalitesi problemlerinin meydana gelme sıklığı ve güç sistemine etkileri incelenmiştir. Üçüncü bölümde, güç kalitesi problemleri ayrıntılı açıklanmış, güç kalitesi problemlerinin çözümüne yönelik yaklaşım ortaya konulmuş, çözüm önerileri ve maliyetlerine ilişkin inceleme yapılmıştır. Dördüncü bölümde, güç kalitesi problemlerinden harmonikleri oluşturan unsurlar, harmoniklerin güç sistemine etkileri, harmoniklerin güç sistemlerinde oluşturduğu maliyet ve harmonikleri azaltma yöntemleri incelenmiştir. Beşinci bölümde, güç kalitesi problemleri ile ilgili IEC, EN, ANSI, CIGRE gibi kuruluşlar tarafından hazırlanmış standartlar ve dağıtım sistemlerindeki güç kalitesi ile ilgili EPDK’nın yayımlamış olduğu yönetmelik incelenmiş, ulusal ve uluslararası mevzuattaki farklılıklar açıklanmıştır. Altıncı bölümde, örnek olarak seçilen bir alçak gerilim güç sistemindeki harmoniklerin ölçülmesi, ölçüm sonuçlarının değerlendirmesi, ölçüm yapılan güç sisteminin bilgisayar destekli modellenmesi ve güç sisteminde tespit edilen harmoniklerin azaltılması için tek ayarlı ve C tipi yüksek geçiren filtre tasarımı ve tasarlanan filtrenin güç sisteminde kullanımının simülasyonu yapılmıştır. Sonuç bölümünde ise tez çalışmasında incelenen konular ile ilgili değerlendirmelere ve önerilere yer verilmiştir. 4 2. ELEKTRİK SİSTEMLERİNDE GÜÇ KALİTESİNİN GEREKLİLİĞİ 2.1. Güç Kalitesi Nedir? Elektrik enerjisi dağıtım sistemindeki, elektrik üretimi, iletimi, dağıtımı yapan kuruluşlar ile kullanıcılar tarafından güç kalitesinin önemi bilinmekle birlikte üzerinde tam uzlaşıya varılmış bir güç kalitesi tanımlaması yoktur. Bu nedenle güç kalitesi ile ilgili çok farklı tanımlamalar yapılabilmektedir. Örneğin elektrik dağıtım şirketleri güç kalitesini, istatistiksel olarak sistemin % 99,98 oranda kararlı şekilde olması olarak tanımlayabilir [4]. Cihaz üreticileri ise güç kalitesini cihazın istenilen özellikte çalışması için gerekli şebeke gerilimi olarak tanımlayabilir. Güç kalitesinin tanımı, kuruluş ve kişilerin elektrik güç dağıtım sistemindeki yerine bağlı olarak değişebilmekte ve farklı tanımlamalar yapılabilmektedir. Bu nedenle genel olarak kabul gören birkaç tanımlamayı belirtmek faydalı olacaktır. Güç kalitesi, kullanıcıların cihazlarının arızalanmasına veya güç sisteminin işletilmesinde hatalı operasyonlara neden olan, gerilim, akım ve frekanstaki bozulmalar olarak tanımlanabilir [4]. Güç dağıtım sisteminde, bara gerilim ve akım değeri ile şebeke frekansının tanımlanan değerlerin dışına çıkması ve sinüssel dalga şeklindeki bozulma olarak da tanımlanabilir [5]. Daha geniş bir tanımlama ile güç kalitesi; Enerjinin sürekli olması, Gerilim ve frekansın sabitliği, Güç faktörünün bire yakınlığı, Faz gerilimlerinin dengeli olması, Akım ve gerilimdeki harmoniklerin belirli değerlerde kalması, gibi kriterlerin göz önüne alınması olarak tanımlanabilir [4]. 5 2.2. Güç Kalitesinin Gerekliliği Elektrik dağıtım sistemlerinde güç kalitesinin zayıf olması sistemdeki ekipmanlar üzerine olumsuz etkileri ve kullanıcılarda meydana getirdiği zararlar tecrübe ile sabittir. Bununla birlikte güç kalitesinin, elektrik dağıtım sisteminin güvenirliliği, kararlılığı ve devamlılığı üzerine doğrudan etkisi vardır. Örneğin güç sistemindeki harmonik akımların neden olduğu %10’luk artış, kondansatör gruplarının % 7 daha fazla ısınmasına ve beklenen kondansatör ömrünün % 30 oranında azalmasına neden olduğu raporlarla tespit edilmiştir [5]. Avrupa Birliği bölgesinde, 8 ülkeyi (Avusturya, Fransa, İtalya, Polonya, Portekiz, Slovenya, İspanya, Britanya) kapsayan, güç kalitesinden etkilenen donanım ve cihaz araştırması sonucunda, hem endüstride hem de hizmet ve ulaşım sektöründe güç kalitesi bozukluklarından en fazla etkilenme elektronik donanımda olduğu görülmüştür (Şekil 2.1) [6]. Öyle ki elektronik donanımın bir yıl içerisinde güç kalitesi problemlerinden etkilenme oranı % 70’in üzerindedir. Günümüzde elektronik donanımın neredeyse kullanılmadığı sektör ya da mesken olmadığından hareketle, güç kalitesi bozukluklarının ne denli etkili olduğu görülmektedir. Şekil 2.1. Güç kalitesi bozukluğundan etkilenen donanım ve cihazlar 6 Aynı araştırma kapsamında, güç kalitesinin bozulması durumunda, bir yıllık süre içerisinde endüstri ve hizmet-ulaşım sektörlerinde meydana gelen arızaların dağılımı ve oranları görülmektedir (Şekil 2.2). % 70 60 50 40 30 20 10 0 Endüstri Hizmet ve Ulaşım Şekil 2.2. Güç kalitesi sorunları nedeniyle oluşan olayların dağılımı ve sıklığı Şekil 2.2’de görüldüğü gibi endüstride güç kalitesi kaynaklı sorunların başında üretimde senkronizasyon bozulmaları ve bilgisayar kitlenmeleri gelmektedir. Hizmet ve Ulaşım sektöründe ise devre kesicilerindeki problemler ile bilgisayar ve elektronik donanımda meydana gelen arızalar başlıca sorunlardır. Genel olarak endüstri ve hizmet-ulaşım sektörlerinde meydana gelen arıza tip ve sayılarında farklılık olmadığı ancak özellikle endüstride, kontrol donanımlarının yoğun kullanımı nedeniyle bu donanımlarda meydana gelen arıza sayısı, yani etkilenme oranı yılda %50’nin üzerinde olduğu görülmektedir. 7 Güç kalitesinin yetersiz olması sonucu ortaya çıkan tablo, cihazların arızalanmasının çok ötesinde, çeşitli sektörlerde yüksek maliyeti olan iş gücü ve üretim kayıplarına neden olmaktadır. Ortaya çıkan üretim kaybı, elektrik dağıtım sistemindeki güç kalitesi sorunlarının mali boyutunu ve mutlaka tedbir alınması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Kesinti Süresi 4 satten fazla 2 ile 4 saat 31 ile 2 saat 1 ile 30 dk. 1dk.dan az İhmal edilebilir 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% Şekil 2.3. Güç sistemindeki bir saniyelik kesinti hatasının, üretimde neden olduğu aksama süresi Güç Sisteminde meydana gelen bir saniyelik kesintinin veya büyük ölçekli gerilim düşümünün, ABD’de elektronik ağırlıklı olmak üzere farklı sektörlerdeki üretimde yol açtığı kesinti süreleri Şekil 2.3’de görülmektedir. Güç sistemindeki bir saniyelik kesinti, % 57 oranında üretimde 1 ile 30 dk arasında durmaya sebep olmaktadır. Sektör bazında ve kullanılan cihaz ve donanımların özelliklerine göre değişmekle birlikte, güç sistemindeki bir saniyelik kesinti üretimde ortalama 21 dakikalık bir durmaya sebep vermektedir [7]. Hiç şüphesiz üretimdeki bu aksamanın maddi boyutu çok yüksek olacaktır. Güç kalitesinin problemlerinin neden olduğu olumsuzlukları ele alırken, meydana gelen arızalar ve sıklıkları sonucunda ortaya çıkan maliyeti de incelemek, sorunun gerçek boyutunu ortaya çıkarmak için elzemdir. 8 2.3. Güç Kalitesi Sorunlarının Maliyeti Güç kalitesini sağlamanın bir maliyeti olduğu, hem dağıtım sistemi kullanıcılarından, hem de güç dağıtım sistemini işleten kuruluşlarca çok iyi bilinmektedir. Ancak güç kalitesinde bozulma olduğunda ortaya çıkan maliyeti de iyi etüt etmek gerekir. Şekil 2.4’de, Amerika Birleşik Devletlerinde meydana gelen güç kalitesi problemlerinin yüzdesel dağılımı verilmiştir. Grafiğe göre gerçekleşen güç kalitesi problemlerinden neredeyse yarısı gerilim düşme ve yükselmesidir. 2% 1% 1% Gerilim Düşme ve Yükselmeleri 5% Harmonikler 6% İletken ve Topraklama 15% 48% Kondansatör Anahtarlamaları Yük Etkileşimi Diğer 22% Güç Üretimi Elektromanyetik Problemler Şekil 2.4. Güç kalitesi problemleri ve oranları [7] Gerilim düşmeleri endüstride çok ciddi kayıplara yol açmaktadır. Bununla birlikte yük karakteristiğine bağlı olarak ortaya çıkan maddi kaybın boyutu da değişmektedir. Şekil 2.5’te gerilim düşmeleri sonucu, farklı sektörlerde ortaya çıkan maddi kayıplar verilmiştir [7]. Grafikte de görüldüğü gibi güç kalitesi problemlerinin önemli bir kısmını oluşturan gerilim düşmelerinin yol açtığı maliyetin boyutu sektörlere göre oldukça farklılık göstermektedir. Tekstil sektöründe ortaya çıkan maliyet, kullanılan teçhizat ve makinaların gerilim düşmelerine karşı bağışıklık seviyesinin yeterli olduğunu göstermektedir. Yani bu sektörde, güç kalitesi problemlerine karşı önlem alınmaması ya da çok kısıtlı ve maliyeti düşük önlem alınması bu sektör için yeterli olabilir. 9 Şekil 2.5. Gerilim düşmelerinin sektörlere göre maliyeti Diğer taraftan nanoteknolojinin yoğun kullanıldığı yarı iletken sektöründe ortaya çıkan maliyet çok ciddi boyuttadır ve bu doğrultuda kullanılan cihaz ve donanımının dağıtım şebekesindeki gerilim değişimlerinden etkilenmemesi yani bağışıklık seviyesine uyumun sağlanabilmesi için gerekli tedbirlerin alınması elzemdir. Darbe Gerilimleri ve Gerilim Yükselmeleri 11% 5% 28% Gerilim Çökmeleri Kısa Kesintiler 13% Uzun Kesintiler 19% 24% Diğer Problemler Harmonikler Şekil 2.6. Güç kalitesi sorunlarının maliyetlerinin dağılımı 10 Avrupa Birliği Güç Kalitesi raporuna göre Avrupa Birliği Bölgesindeki ülkelerde meydana gelen güç kalitesi sorunlarının maliyeti yıllık 150 milyar Euro’dur. Bu bedel, güç kalitesi problemlerinin tamamının neden olduğu maliyetin boyutunu ortaya koymaktadır. Şekil 2.6’da 150 milyar Euro tutarındaki maliyetin yüzdesel dağılımına yer verilmiştir. Buna göre gerilim değişimindeki en kısa süreli değişimler, maliyet açısından en fazla kayba neden olmaktadır. Bunun nedeni gerilim değişimi oranın yüksekliğidir [3]. 2.4. Güç Kalitesi Problemlerinin Sınıflandırılması Güç kalitesi, çoğu kez gerilim kalitesi olarak da kullanılmaktadır. Bunun nedeni güç kalitesi problemi olarak tanımlanan olayların, gerilimin sinyalinin büyüklüğünde, periyodunda ve dalga formunda meydana gelen bozulmalar olmasıdır. Gerilim olaylarının birçoğu, gerilimin değerinin belirli bir süre boyunca artması ya da azalması ve tekrar normal değerlere ulaşması şeklindedir. Bu nedenle gerilim olaylarını, olayın süresi ve gerilimin değerindeki değişiklikle ifade edilebilir. Ancak her zaman gerilim olayları ile ilgili tek bir tanımlama yapabilmek mümkün değildir. Buna bağlı olarak, güç kalitesi ya da gerilim kalitesi ile ilgili standartlar incelendiğinde, kullanılan terimler ve tanımlamalarda ciddi farklılıklar görülmektedir. Gerilim değerine bağlı meydana gelen olaylar, EN 50160 “Genel Elektrik Şebekeleri Tarafından Sağlanan Elektriğin Gerilim Karakteristikleri“ standardına göre Şekil 2.7’de, IEEE std. 1159–1995 “Elektrik Güç Kalitesinin İzlenmesinde Uygulama Tavsiyeleri-Güç sistemi Elektromanyetik Olaylar Kategorisi” standardına göre Şekil 2.8’de sınıflandırılmıştır. EN 50160 standardı incelendiğinde, bir dakika ve altındaki sürelerdeki gerilim düşmesi olayları kategorilere ayrılmamıştır. Bir başka deyişle gerilim sinyalinin sinüsselliğinin bozulma olaylarından biri olan “çentik” tanımlanmamıştır. Ayrıca kesinti, gerilimin büyüklüğünün normal değerinin %1 ve altındaki değerlere düşmesi olarak tanımlanmıştır. IEEE std. 1159-1995’de ise gerilim olaylarının, olay süresine bağlı daha 11 ayrıntılı sınıflandırıldığı görülmektedir. Kesintiler ise gerilimin büyüklüğünün normal değerinin %10 ve altındaki değerlere düşmesi olarak tanımlanmıştır. Şekil 2.7. EN 50160’a göre gerilim olaylarının sınıflandırması Şekil 2.8. IEEE std. 1159-1995’e göre gerilim olaylarının sınıflandırması 12 Çizelge 2.1’de güç kalitesi problemlerinin tespiti ve sınıflandırması için örnek bir tablo verilmiştir. Çizelge 2.1. Güç sisteminde meydana gelen bozulmalar [4] Güç Kalitesi Bozulma Kategorisi Darbeler Salınımlar 2. Kısa Süreli Değişimler 3. Uzun Süreli Değişimler <50 ns Mikrosaniye 50ns -1ms Düşük Frekanslı 1µs yükseliş 0,1 ms yükseliş <5kHz 0,3-50 ms 0- 4 pu Orta frekanslı 5-500 kHz 20 µs 0-8 pu Yüksek Frekanslı 0,5-5 MHz 5 µs 0-4 pu >1ms 0,5-30 periyot < 0,1 pu 0,5-30 periyot 0,1-0,9 pu 0,5-30 periyot 1,1-1,8 pu 30 periyot-3 s < 0,1 pu 30 periyot-3 s 0,1-0,9 pu 30 periyot-3 s 1,1-1,4 pu Kesinti 3s-1 dk < 0,1 pu Gerilim Düşümü 3s-1 dk 0,1-0,9 pu Gerilim Yükselmesi 3s-1 dk 1,1-1,2 pu Kalıcı Kesinti > 1 dk 0,0 pu Gerilim Düşümü > 1 dk 0,8-0,9 pu Gerilim Yükselmesi > 1 dk 1,1-1,2 pu Sürekli Hal % 0,5-2 Sürekli Hal % 0-0,1 4. Gerilim Dengesizliği DC Bileşen 5. Dalga Şeklindeki Bozulmalar Gerilim Genliği 5 ns yükseliş Kesinti (Interruption) Ani Gerilim Düşümü (Instantaneous) (Sag) Değişimler Gerilim Yükselmesi (Swell) Kesinti Anlık (Momentary) Gerilim Düşümü Değişimler Gerilim Yükselmesi Geçici (Temporary) Değişimler Tipik Devam Süresi Nanosaniye Milisaniye 1. Geçici Olaylar Dalga Formundaki Bozulma Harmonikler 0-100. Harmonik Sürekli Hal % 0-20 Ara Harmonik 0-6 kHz Sürekli Hal % 0-2 Çentik Gürültü 6. Gerilim Dalgalanmaları 7. Güç Frekansı Değişimleri Sürekli Hal Geniş Band Sürekli Hal % 0,1 < 25 Hz Aralıklı % 0,1-7 < 10 s 13 3. GÜÇ KALİTESİ PROBLEMLERİ Bir elektrik güç dağıtım sisteminde güç kalitesi problemleri, güç kalitesini bozan olayın süresi ya da şiddeti ile tanımlanır ve sınırlamalar getirilir. Ayrıca güç kalitesi problemleri; gerilim seviyesinde bozulma, gerilim dalga şeklinin sinüsselliğinin bozulması ve şebeke frekansındaki bozulmalar olarak gruplandırabilir. Bu bölümde elektrik güç dağıtım sisteminde güç kalitesinin bozulmasına neden olan olaylar açıklanacaktır. 3.1. Geçici Olaylar Geçici olaylar, birkaç milisaniye mertebesindeki gerilimdeki bozulmalardır. Ancak etki süreleri kısa olmalarına karşın, şiddetleri çok yüksektir ve yükselme çok hızlı olur. Bu nedenle tedbir alınması gereken başlıca elektrik güç kalitesi sorunlarındandır. Geçici olaylar, güç sistemindeki akım ve gerilimde meydana gelen ani değişikliklerdir. Geçici olayların birçok farklı nedeni bulunmaktadır. Bunlar; güç sistemi iletim ve dağıtım hattına düşen yıldırım darbesi, güç sisteminde yapılan anahtarlamalar, tüketicilerin cihazları vb. geçici olaylar, kısa süreli olaylardır ve karakteristikleri ağırlıklı olarak güç sistem ağının direnç, endüktans ve kapasitans değerlerine göre belli olur. Bir geçici olayı tanımlayacak özellikler; tepe değeri, yükselme zamanı, düşme zamanı ve salınım frekansıdır. Geçici olayların, etki süreleri dikkate alındığında, darbe biçimindeki geçici olaylar ve salınım biçimindeki geçici olaylar olarak ikiye ayrılabilir. 3.1.1. Darbe biçimindeki geçici olay Darbe biçimindeki geçici olay, polarite bakımından tek yönlü (pozitif veya negatif) olan gerilim ve akım parametrelerinin her ikisinde, sürekli hal koşulunda güç frekansında olmayan ani değişim olarak tanımlanır. Darbe biçiminde geçici haller, güç sistemleri devrelerinin doğal frekanslarını uyarıp salınım şeklinde geçici haller üretebilirler. Şekil 3.1’de bir güç sisteminde yıldırım darbesi sonucu sistemin akım zaman grafiği verilmiştir. 14 Şekil 3.1 Yıldırım darbe akımı sonucu oluşan geçici olay [4] 3.1.2. Salınım biçimindeki geçici olay Tek yönlü olmayan pozitif ve negatif kutuplu değerler içeren gerilim ve akım parametrelerinin her ikisinin sürekli hal durumunda temel frekansta olmayan ani değişim olarak tanımlanır. Şekil 3.2. Bir kondansatör grubunun devreye alınması sonucu oluşan salınım biçimindeki geçici olay 15 Şekil 3.3 Kondansatör gruplarının arka arkaya devreye alınması sonucu oluşan salınım biçimindeki geçici olay 3.2. Kısa Süreli Gerilim Değişimleri Kısa süreli kesintiler, IEC tarafından gerilim çökmeleri ve kısa süreli kesintiler şeklinde sınıflandırılmıştır. Ayrıca tanımlanan oluşum sürelerine bağlı olarak da ani (instantaneous), anlık (momentary) ve geçici (temporary) şeklinde sınıflandırılabilir (Bkz. Çizelge 2.1). 3.2.1 Gerilim çökmesi (Voltage sag) Gerilim efektif değerinin, 0,5 periyot ile 1 dakika arasındaki sürede 0,1 ile 0,9 pu arasında değişmesi olarak tanımlanır. Gerilim çukurları ve kısa kaynak kesintileri, temelde elektrik dağıtım şebekesinde ya da büyük ölçekli dağıtım sistemlerindeki elektrik arızalarından meydana gelmektedir. Büyük ölçüde rastgele olaylar olduğu için öngörülemez. Bu olaylar, en iyi şekilde, istatistiksel kavramlarla açıklanır. Gerilim çukuru, iki boyutlu bir bozulma olayıdır. Çünkü bozulma seviyesi, hem çukurun derinliği hem de çukurun süresine bağlı olarak artar. Şekil 3.4‘de gerilimin efektif değerinde ve dalga şeklindeki düşüm grafiksel olarak görülmektedir [4]. 16 Şekil 3.4. Faz-toprak arızasından kaynaklanan gerilim çökmesi Gerilim çukurlarının sayısı, sadece, belli bir cihazın bağışıklığı, meydana gelen çukur-süresi için yetersiz olduğunda ya da söz konusu problem, belirli bir sürecin belirli bir bağışıklık seviyesine ihtiyaç duyup duymadığı olduğunda önemlidir. Havai hatlarla beslenen kırsal bölgelerde, bir yılda oluşan gerilim çukuru sayısı, özellikle, düşen yıldırımların sayısına ve bölgedeki meteorolojik şartlara bağlı olarak yüzlerce olabilir. Alçak gerilim dağıtım şebekelerinde, kullanıcıların yerel şartlara bağlı olarak yılda on ile yüz arasında bir oranda meydana gelmekte olan gerilim çukurlarına maruz kaldığını göstermektedir [4]. 3.2.2 Gerilim yükselmesi (Voltage swell) 10 ms ile 1 dakikadan az süre zarfında gerilim efektif değerinin 1,1 pu ile 1,8 pu arasında artması olarak tanımlanır. Güç sisteminde faz-toprak arızası oluşması durumunda diğer fazlarda gerilim yükselmesi oluşur. Ayrıca gerilim yükselmesi olayı, büyük güçlü bir endüktif ya da rezistif yükün devreden çıkması veya büyük güçlü bir kondansatör grubunun devreye alınması, dağıtım sisteminde anahtarlamaların yapılması ve besleme şebekelerinin yakınına yıldırım düşmesi 17 olayları dahil olmak üzere çeşitli olaylar, alçak gerilim dağıtım sistemlerinde ve bu sistemlere bağlı kullanıcıların sistemlerinde geçici aşırı gerilimlere neden olur. Aşırı gerilimler salınımlı da olabilir. 1 µs’den daha düşük bir değerden birkaç milisaniyeye kadar olan aralıkta yükselme değerlerine sahiptirler. Aşırı gerilimlerin seviyeleri ve süreleri, alçak gerilim dağıtım sisteminde sadece ortak bağlantı noktasında (PCC) değil, sistemin tümünde tedbir alınmasını gerektirir. Geçici aşırı gerilimlerin büyüklüğü ve süresi meydana geliş sebebine bağlı değişir. Atmosferik kaynaklı olan geçici aşırı gerilimler, genel olarak, daha büyük genliğe sahiptir. Anahtarlamadan kaynaklanan geçici aşırı gerilimler ise, daha küçük genliğe sahip olmalarına karşı süre olarak daha uzundur ve daha çok enerjiye sahiptir. Kritik cihazların, münferit şok darbesi koruma cihazları tarafından korunması gereklidir. Kondansatör anahtarlaması, geçici aşırı gerilimlerin yaygın bir nedenidir. Tipik olarak, bu geçici gerilimlerin olay noktasındaki değerleri, anma geriliminin iki katından daha düşüktür. Ancak, geçici rejim, hat boyunca ilerledikçe, dalga yansımaları ve gerilim artışı meydana gelebilir, bu da, bağlanılan cihazdaki aşırı gerilim olayını artırır. Dağıtım sistemin tasarımında cihazlar ya da tesisatlar için bu husus dikkate alınmalıdır. Şekil 3.5. Faz-toprak arıza nedeniyle oluşan kısa süreli gerilim yükselmesi 18 3.2.3. Kesinti Kesinti kaynak gerilimin veya akımın nominal değerinin 0,1 p.u değerinin altına düşmesi olayıdır. Elektrik dağıtım sisteminde kesintilerin birçok nedeni olup, başlıca nedenleri; Dağıtım sistemindeki donanımda meydana gelen arızalar, Kontrol sistemlerindeki arızalar, Kesici ve sigortaların açmasıdır [5]. Kesintiler gerilimin düşüş süresi dikkate alınarak sınıflandırılmaktadır. EN 50160 “Dağıtım şirketleri tarafından sağlanan şebeke elektriğinin gerilim karakteristiği” standardına göre; 3 dakikanın altındaki sürelerdeki kesintiler “Kısa Süreli Kesinti”, 3 dakikanın üzerindeki sürelerdeki kesintiler ise “Uzun Süreli Kesinti” olarak tanımlanmaktadır. IEEE 1250 “Guides for service to equipment sensitive to momentary voltage disturbances” standardına göre ise kesintiler; 0,5 ile 30 periyotluk kesintiler çok kısa süreli (instantaneous interruption), 30 periyot ile 2 s arasındaki kesintiler anlık (momentary interruption), 2 s ile 2 dk arasındaki kesintiler geçici (temporary interruption), 2 dk’dan uzun kesintiler uzun süreli kesinti (sustained interruption) olarak sınıflandırılmaktadır. 3.3. Uzun Süreli Gerilim Değişimleri Uzun süreli gerilim değişimleri, gerilimin efektif değerinin 1 dakikadan uzun süre boyunca değişimini ifade etmektedir. Gerilimin efektif değerindeki değişime bağlı olarak, düşük gerilim (undervolatage), aşırı gerilim (overvoltage) ve kalıcı kesinti (interruption-sustained) şeklinde sınıflandırılmaktadır. 19 3.3.1. Düşük gerilim Genellikle gerilim efektif değerinin, 1 dakikadan daha uzun süre boyunca 0,8 ile 0,9 pu arasında değişmesi olarak tanımlanır. Büyük güçlü bir yükün devreye girmesi veya büyük güçlü kondansatör grubunun devre dışı kalması yol açmaktadır. Ayrıca sistemin aşırı yüklenmesi de gerilimin değerinde düşmelere neden olmaktadır. Gerilim düşmelerinin endüstride oluşturduğu en büyük problem, endüstriyel tesislerde kontrol sistemlerinde yaygın olarak kullanılan PLC'lerin gerilimin nominal değerinin % 80-85'ine düştüğünde devre dışı kalmasıdır. Bu yanlış çalışma olayını engellemek için PLC'ler kesintisiz güç kaynağı üzerinden beslenir [8]. Alternatif akım ve doğru akım motor sürücülerinin de kabul edilebilir gerilim değişimleri +%10 ile -%15 arasındadır. Bu sınırlardan daha büyük gerilim değişmelerinde motor hızı parametre değişmelerinden dolayı sabit tutulamaz veya istenilen değere çıkartılamaz. Bunun sonucu olarak, motor ve buna bağlı olan sistem devre dışı kalır. Gerilim düşmeleri her cihazda aynı etkiyi yapmadığından bazı cihazlar gerilim düşmelerinden fazla etkilenmez. Güç sistemlerinde kullanılan kontaktörler, gerilimin nominal değerinin %50 ile %75 kadar bir değerde 1-5 periyot boyunca sürmesi bobinlerin mekanik çekme kuvvetini azalttığından sistemin elektriksel bağlantısını keser. Bu durum kontaktör bobinlerinin gerilim düşmelerinde de çalışacak şekilde tasarlanması ile ortadan kaldırılabilir. Yine şebekedeki gerilim düşmeleri bilgisayar kontrollü sistemlerin tasarımında önemli rol oynar. Bu nedenle bilgisayarların tasarımında çalışma sınırlarını belirleyen CBEMA ve ITIC eğrileri kullanılmaktadır. 3.3.2. Aşırı gerilim Bir dakikadan uzun süre zarfında gerilim efektif değerinin 1,1 pu ile 1,2 pu arasında artması olarak tanımlanır. Dağıtım sistemindeki büyük bir yükün devreden çıkması veya kondanstör gruplarının tamamen devreye alınması sonucu aşırı gerilim oluşumu meydana gelmektedir. 20 3.3.3 Kalıcı gerilim kesintileri Bir dakikadan daha uzun süre boyunca, Gerilim efektif değerinin 0,1 pu değerinin altına düşmesi olarak tanımlanmaktadır. Bu tür kesintiler genellikle sistemde kalıcı hasarların oluşmasına neden olan hatalar sonucu ortaya çıkmaktadır. 3.4. Gerilim Dengesizliği Gerilim dengesizliği, simetrili bileşenler yöntemindeki sıfır bileşen (V0), negatif bileşen (V-), pozitif bileşen (V+) kullanılarak ifade edilir. Yüzdesel gerilim dengesizliği belirtilirken, V0/ V+ ya da V-/V+ kullanılmaktadır. Elektrik güç sistemlerinde gerilim dengesizliğinin en önemli sebebi tek fazlı yüklerin eşit olarak 3 fazlı sistemde dağıtılamamasıdır. Tek fazlı yükler, bağlı olmadıkları diğer fazlarda negatif simetrili bileşenler ürettiklerinden gerilim dengesizliğine yol açarlar. Büyük gerilim dengesizlikleri, cihazlarda aşırı ısınmaya neden olur. Bu aşırı ısınma özellikle endüstride yoğunlukla kullanılan asenkron motorlarda verimin düşmesine, sistemdeki sigortaların hatalı açmasına ve kondansatörlerin ömrünün azalmasına sebep olur [4]. Şekil 3.6. Bir yerleşim birimine ait haftalık gerilim dengesizliği 21 3.5. Dalga Şeklindeki Bozulmalar Dalga şeklindeki bozulmalar, güç sistemindeki sinüssel dalga şeklinde oluşan bozulmalardır. Başlıca nedenleri DA bileşeni, harmonikler, ara harmonikler, çentik ve gürültüdür. 3.5.1. DA Bileşeni DC gerilim veya akımın AA sisteminde bulunması olarak adlandırılabilinir. DA bileşeni genellikle güç elektroniği anahtarlama elemanlarının ve doğrultucuların kullanıldığı cihazlar nedeniyle ortaya çıkmaktadır. DA bileşeni, AA sistemlerinde; Transformatör nüvelerinde doymaya, Jeneratörlerde harmonik ve ara harmoniklerin oluşmasına, Transformatörler, döner makinalar ve elektromanyetik aygıtlarda ısınma nedeniyle verim düşüklüklerine ve ömürlerinin azalmasına, Toprak elektrotlarında ve diğer bağlantı elemanlarında elektrolitik erezyona sebep olur [5]. 3.5.2. Harmonikler Harmonikler elektrik güç sistemindeki bozulmalar içerisinde, görülme sıklığı, sebep olduğu zararlar ve alınması gereken tedbirler açısında önemli bir yere sahip olup, bu çalışmada ayrı bir bölüm olarak yer verilmiştir. 3.5.3. Ara harmonikler Ara Harmonikler, sistem çalışma frekansının (50 Hz veya 60 Hz) tam katları olmayan bileşenlerdir. Temel frekans dalga şeklinin ara harmonik bileşenler ile bozulmasının temel sebepleri; sistemde frekans konvertörlerinin, siklokonvertörlerin, asenkron motorların ve ark cihazların kullanılmasıdır. İletim hattı taşıyıcı işaretleri de ara harmonikler oluşturur. Güç sistemlernde ara harmoniklerin etkileri, harmoniklerin 22 etkilerine benzerlik gösterir. Besleme şebekelerinde akmakta olan istenmeyen akımlar, tıpkı harmonikler gibi ilave enerji kayıpları oluşturur. Ara harmonik gerilimler, televizyon alıcısı gibi elektronik cihazların ve flüoresan lambaların çalışmasını bozabilir. Sıfır geçiş zamanının ya da tepe gerilim değerinin önemli olduğu herhangi bir sistemde, istenmeyen mevcut frekansların birleşimi besleme geriliminin bu öz niteliklerini değiştirebilir ve söz konusu cihazların çalışmasında sorunlar ortaya çıkabilir. Ara harmoniklerin diğer bir etkisi ise, akustik gürültünün üretilmesidir. Bu gürültü, 1 kHz ile 9 kHz aralığında veya daha büyük bir aralıkta olan ve genliği, en az % 0,5 olan ve frekans değeri ile ara harmonik gerilimler nedeniyle olur. Şekil 3.7’de ara harmonik bileşenler ile bozulmaya uğramış dalga şekli görülmektedir [1]. Şekil 3.7. Ara harmonik bileşenler ile bozulmaya uğramış akım dalgası [1] 3.5.4. Çentik (Notching) Üç fazlı konvertörlerde AA’dan DA’ya dönüşüm yapılırken iki faz arasında komutasyon yapılması gereklidir. Çentikler genellikle, komutasyon sırasında, iki faz arasında meydana gelen anlık kısa devreler nedeniyle oluşan gerilim bozulmalarıdır. Çentikler çentik derinliği Eş. 3.1 ve çentik alanına Eş. 3.2’ye göre hesaplanır [9]. 23 Şekil 3.8. Çentik alanı ve derinliğinin tanımı DN (%) = 100 x (d/v) (3.1) AN = t.d (3.2) Eşitliklerde; DN: Çentik derinliği (%) AN: Çentik alanı (μs.V) Çentik ile ilişkili frekans bileşenleri oldukça yüksek olabilir ve harmonik ölçebilen ölçme cihazlarıyla bile bu değerler karakterize edilemeyebilinir. Herhangi bir noktadaki çentik siddeti, sistem empedansı ve konvertör ile izlenen nokta arasındaki izole edilmiş endüktans tarafından belirlenir. Şekil 3.9. Üç fazlı bir konvertör çıkışında oluşan çentik [4] 24 3.5.5. Gürültü Gürültü güç sisteminde, faz iletkenlerinde akım ve gerilimleri 200kHz’den daha küçük spektral genişlik ile yükleyen veya nötr iletkenleri ile sinyal hatlarında bulunan istenmeyen elektriksel işaretler olarak tanımlanmaktadır. Diğer bir anlamda gürültü, harmonik distorsiyon veya transiyentler gibi sınıflandırmalara girmeyen her türlü, istenmeyen bozulmalar olarak tanımlanabilir. Genellikle güç sisteminde kontrol devreleri, ark fırınları ve güç elektroniği anahtarlamalı devrelerin kullanılmasıyla oluşurlar. 3.6. Gerilim Dalgalanması Gerilim dalgalanması (voltage fluctuation) ANSI C84.1-1992 standardına göre, gerilimin efektif değerinin 0,9 ile 1,1 pu arasında rastgele veya sistematik olarak değişimidir. IEC 6100-2-1’de iki tip gerilim dalgalanması tanımlanmıştır. Bunlar dağıtım şebekesinden kaynaklı gerilim dalgalanmaları ve kullanıcı yüklerinden kaynaklı gerilim dalgalanmalarıdır. Tüketici yüklerinden kaynaklı gerilim dalgalanmaları kırpışma (flicker) olarak adlandırılmaktadır. Kırpışma seviyesi Pst (Kısa Dönem) ve Plt (Uzun Dönem) olmak üzere, iki kategoride değerlendirilmektedir. Kısa dönem kırpışma (Pst) 10 dakikalık periyotlar ile ölçülür. Bu periyot, kısa periyotlardaki dalgalanmaların ölçümü ile yapılır. Ölçülen bu kısa dönem dalagalanmaları P0.1s, P1s, P3s, P10s ve P50s olarak ifade edilir. Sırasıyla 10 dakikalık sürenin % 0,1, % 1, % 3, % 10 ve % 50 lik zaman dilimlerinde ölçülen gerilim dengesizliğini ifade eder. Ölçülen kısa dönemlik dalgalanmalarına göre Pst, Eş. 3.3 ile hesaplanır. Plt ise uzun dönem gerilim dengesizliğini ifade eder ve Pst’lere bağlı bulunur. Belirli bir zamanda ölçülen N adet Pst’ye göre hesaplanır. N bilinmiyorsa 2 saatlik zaman dilimi (12 adet) esas alınır. Plt, Eş. 3.4 ile hesaplanır. 0,0314 , 0,0314 0,0314 0,0314 ⋯ (3.3) 25 Eş. 3.3 ve3.4’te; P0,1s, P1s, P3s, P10s ve P50s : 10 dakikalık periyodun % 0,1, % 1, % 3, % 10 ve % 50’lik zaman dilimlerinde ölçülen gerilim dengeszilikleri, Pst : Kısa dönem kırpışma seviyesi, Plt : Uzun dönem kırpışma seviyesidir N : 12 ölçüm alınır [22]. Kırpışma dağıtım sistemlerinde sık karşılaşılan güç kalitesi problemlerindendir. Genellikle ark fırınları gibi büyük güçlü yüklerin devreye sık sık girip çıkması sonucu meydana gelirler. Kırpışma genellikle tüketicilerin cihazlarında ya da sistemlerinde bozulmalara yol açamayıp, aydınlatmada gözlerde kamaşmaya neden olmaktadır. Şekil 3.10’da bir dağıtım şebekesinde ark fırının yol açtığı gerlim dalgalanması, Şekil 3.11’de ark fırının oluşturduğu kırpışmanın, şebeke ortak bağlantı noktasında 10 dakikalık aralıklar ile 24 saat boyunca ölçülmesi ile elde edilen Pst grafiği görülmektedir. Şekil 3.10. Bir dağıtım sisteminde ark fırınının neden olduğu gerilim dalgalanması 26 Şekil 3.11. Ark fırının bulunduğu bir dağıtım sistemindeki kırpışma 3.7. Frekans Değişimleri Frekans değişimleri güç sisteminin nominal frekansından sapması olarak tanımlanır. Frekans, herhangi bir anda sistemi besleyen jeneratörlerin kapasitesi ve yük arasındaki dengeye bağlıdır. Sistemdeki yük miktarına bağlı dinamik dengede değişiklikler olduğunda frekansda küçük değişiklikler meydana gelir. Enterkonnete şebekede frekans, iyi bir düzenleme ile sık aralıklarla kontrol altında tutulur. Bu nedenle günümüzde frekans değişimleri tüketiciler açısından önemli bir güç kalitesi sorunu olmaktan çıkmıştır [2]. 3.8. CBEMA ve ITIC Eğrileri Enerji kalitesi problemleri, yazılım ve donanım problemlerinin de ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bilgisayar sistemlerinin kullanımının artmasıyla birlikte birçok enerji kalitesi problemini ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle “Computer and Business Equipment Manufacturer Association” tarafından CBEMA eğrisi geliştirilmiştir. Bu eğri temel olarak bilgisayarlardaki güç kaynakları ve elektronik donanım için geliştirilmiş, besleme gerilim seviyesini içerir. 27 Şekil 3.12. CBEMA gerilim eğrisi CBEMA eğrisinde, geriliminin durum değerleri grafik üzerinde işaretlenerek, genel olarak güç sistemlerinde sıkça kullanılan elektronik donanımı besleyen kaynakların ne derece kullanışlı olduğunu görmek mümkündür. Grafik üzerindeki kalın çizgilerle gösterilen bölüm elektronik donanıma zarar vermeyecek sınır değerleri göstermektedir. Bu alan içerisinde kalan her bir olay cihaz için zararsızdır. Ancak gerilim veya süre nedeniyle bu çizginin dışında kalan olaylar, donanım için zarar oluşturan ve istenmeyen durumlardır [10]. Bu konudaki çalışmaların devam etmesiyle birlikte 2000 yılında “Information Technology Industry Council” tarafından ITIC eğrisi elde edilmiştir. Bu eğri ile üretim yapan kuruluşların ve kullanılan elektrik aygıtlarının enerji kalitesi ile ilgili uyması gereken değerlere ait sınırlar verilmiş olmaktadır. Elektrik enerjisi üreten kuruluşlar, ürettiği gerilim seviyesi ve süresi ile ilgili sınır değer verirken cihazlar için bu sınırlar içerisinde normal çalışmayı taahhüt etmeyi zorunlu kılar. 28 Şekil 3.13. ITIC gerilim eğrisi [12] ITIC eğrisi, sistemdeki gerilim değişimlerinin genliğine ve süresine göre bilgi işlem merkezi donanımlarının göstereceği toleransı tanımlamaktadır. Yeni nesil bilgisayarların çoğu, bu değerlerden daha büyük toleransa sahiptirler ve bu eğri, güç sistemine uyarlanan hassas donanımlar için standart bir tasarım hedefi sağlamaktadır. Eğrilerdeki yatay eksen süreyi, dikey eksen ise gerilim genliğini göstermektedir. Sınır değerlerin altında kalan bölümle genellikle yükün devre dışı kalmasına neden olmakta, üstünde kalan bölümler ise yalıtım bozukluğuna ve aşırı gerilim nedeniyle koruma elemanlarının açmasına neden olmaktadır. 29 4. GÜÇ KALİTESİ PROBLEMLERİNE YÖNELİK ALINABİLECEK ÖNLEMLER Üçüncü bölümde güç kalitesi problemlerinin sınıflandırılması ve dağıtım sistemlerindeki etkileri açıklanmıştır. Bu bölümde dağıtım sistemlerinde ortaya çıkan güç kalitesi problemlerine karşı alınabilecek tedbirlerin neler olduğu, kullanım yerleri, çözüm yöntemlerinin karşılaştırması ve seçim esasları açıklanacaktır. 4.1. Güç Kalitesi Çözüm Yöntemlerine Genel Bakış Güç kalitesi problemlerinin çeşitliliği dikkate alındığında, ortaya çıkan problemlere karşı alınabilecek önlemlerinde çeşitlilik arz etmesi tabiidir. Avrupa Birliği bölgesinde 8 ülkeyi kapsayan, endüstride ve hizmet-ulaşım sektörlerinde güç kalitesi problemlerine karşı alınan tedbirler ve oranlarını kapsayan araştırma sonuçları Şekil 4.1’de verilmiştir [6]. Araştırrma sonuçları değerlendirildiğinde; Dağıtım sisteminde kesintilerin önemli bir yeri olduğu, bu probleme karşı jeneratörlerin sıklıkla kullanıldığı, Her iki KGK tipinin jeneratörler ile birlikte en sık kullanılan çözüm yöntemi olduğu, Endüstri sektöründe % 65 ve hizmet-ulaşım sektöründe % 45 oranlarında harmonik filtre kullanımı olduğu, Endüstri sektöründe pasif filtrelerin kullanımının, aktif filtre kullanımının üç katı olduğu, Genel olarak, hizmet-ulaşım sektörlerinde güç kalitesi çözüm yöntemlerinin, endüstri sektörüne göre daha fazla kullanıldığı, Endüstri sektöründe kullanılan çözüm yöntemlerinin ulaşım-hizmet sektörüne göre daha düşük maliyetli yöntemler olduğu, sonuçları çıkarılabilir. 30 Şekil 4.1. Endüstri sektörü ile hizmet ve ulaşım sektörlerinde güç kalitesi önlemlerinin grafiksel dağılımı 4.2. Güç Kalitesi Problemlerinde Çözüm Yaklaşımı Dağıtım sistemlerinde ortaya çıkan güç kalitesi problemlerine karşı, genellikle önceden belirlenebilecek tek bir yöntem yoktur. Bu nedenle çözüm yönteminin belirlenmesinde, Şekil 4.2’de verilen çözüm yaklaşımı kullanılabilir. Her zaman doğru olmamakla birlikte, genellikle güç kalitesi problemlerine karşı alınabilecek önlemlerin maliyeti, korunacak cihaz seviyesinden başlayarak dağıtım şebekesinde alınacak önlemlere gidildikçe artar. 31 Şekil 4.2. Güç kalitesi problemlerinde çözüm yaklaşımı 1 numaralı bölümde öncelikle uygun toleransa sahip teçhizatın seçilmesi ve uygun koruma elemanları ile sisteme bağlanması, 2 numaralı bölümde ortaya çıkan güç kalitesi problemi çözümünün, sistemdeki tüm yükler için değil, yalnızca güç kalitesi probleminden etkilenen yükler için sağlanması, 3 numaralı bölümde dağıtım merkezinde gerekli önlemlerin alınarak, dağıtım merkezinden beslenen tüm yüklere yönelik çözüm üretilmesi, 4 numaralı bölümde ise ortaya çıkan güç kalitesi probleminin tüm dağıtım şebekesi için çözümlenmesi prensibi bulunmaktadır [4]. Ayrıca güç kalitesi problemlerinin çözümünde sistem bazlı yaklaşım da önemlidir. Bir tüketicinin yaşadığı düşük gerilim sorunu, kendi dağıtım tesisatından, aynı dağıtım merkezinden beslenen diğer abonelerden ya da dağıtım sisteminden kaynaklanıyor olması mümkündür. Bu nedenle güç kalitesi problemlerinde maliyeti 32 en düşük ve etkin bir çözümün bulunmasında en önemli aşama, sorunun doğru tespit edilmesidir. Bu tespit aynı zamanda çözüm seviyesini de belirlenmesini sağlayacaktır. Şekil 4.3’te güç kalitesi problemlerinin çözümüne yönelik temel akış diyagramı önerilmiştir [4] Şekil 4.3. Güç kalitesi problemlerinde çözüm akış diyagramı 4.3. Güç Kalitesi Problemlerinin Çözüm Yöntemleri Güç kalitesi problemlerine karşı alınabilecek önlemler, ortaya çıkan problemlerin sınıflandırmasına göre açıklanacaktır. 4.3.1. Salınım biçimindeki geçici olaylara karşı alınabilecek önlemler Salınım biçimindeki olaylar, sisteme hızlı bir şekilde kondansatör gruplarının devreye alınması veya sistemdeki anahtarlamalardan kaynaklanmaktadır. Genellikle bozulma 1,5 pu değerini aşmayan ve yarım periyotta oluşan yüksek frekanslı 33 değişimlerdir. Alçak gerilim sistemlerinde önemli etkileri görülmez. Salınım biçimindeki geçici olaylara karşı alınabilecek önlemlerin başında, sistemde salınıma neden olan kondansatör gruplarının statik anahtarlama elemanları ile sıfır geçiş anahtarlamalı olarak yapılması bulunmaktadır [4]. 4.3.2. Darbe biçimindeki geçici olaylara karşı alınabilecek önlemler Darbe biçimindeki güç kalitesi sorunlarının başında yıldırım sonucu oluşan darbe gerilimleri gelmektedir. Darbe biçimindeki olayların meydana geliş sıklığının çok az olmasına rağmen, güç kalitesi sorunları sonucu ortaya çıkan maliyetlerde ilk sırada yer almaktadır (Bkz. Şekil 2.4 ve Şekil 2.6). Bunun nedeni darbe biçimindeki geçici olaylarda, alçak gerilim sistemlerindeki bozulma anma geriliminin çok üstünde ve çok kısa sürede gerçekleşmesidir. Bir güç sisteminde hassas yükler için darbe biçimindeki geçici olaylara karşı mutlaka önlem alınması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Alçak gerilim cihazlarının geçici aşırı gerilimlere karşı korunması ile ilgili esaslar, ANSI/IEEE C62 Guides and standards for surge protection standardında belirtilmiştir. Darbe biçimindeki olayların en başında güç sisteminin yıldırım düşmesinden etkilenmesi olduğundan, bu bölümdeki önlemlerden yıldırıma karşı alınması gereken önlemler şeklinde bahsedilmiştir. Yıldırımdan Korunma Sistemi (YKS) (Lightning Protection System (LPS)), korunan bir nesneyi etkileyen yıldırım çarpmalarından dolayı meydana gelen yıllık ortalama tehlikeli olay sayısı nesnenin bulunduğu yerdeki fırtına faaliyetine ve nesnenin fiziki özelliklerine bağlıdır. N sayısını hesaplamak için yıldırım düşme yoğunluğunun, nesnenin eşdeğer toplama alanı ile çarpılması ve nesnenin fiziki özellikleri için düzeltme faktörlerinin dikkate alınması genellikle kabul edilir. Yılda kilometrekare başına toprağa yıldırım boşalması olarak tanımlanan toprağa yıldırım boşalma yoğunluğu, ölçme ile belirlenmelidir. Toprağa yıldırım boşalma yoğunluğu elde edilemezse, Eş. 4.1 kullanılarak tahmin edilebilir. 1,25 Ng ═ 0,04.Td yıldırım/yıl*km2 (4.1) 34 Eş. 4.1’de; Td: Meteoroloji haritalarından alınan bir yıldaki yıldırımlı gün sayısıdır. Ng: Yıldırım düşme yoğunluğu olup, yılda km2 başına düşen yıldırım sayısıdır [14]. Yıldırımdan korunma sistemi Yıldırımdan korunma tedbirinin seçimi oluşabilecek hasarın tipine ve maliyetine göre yapılmalı, farklı korunma tedbirlerinin teknik ve ekonomik yönleri dikkate alınmalıdır. Risk değerlendirmesi ve en uygun korunma tedbirlerinin seçimiyle ilgili kriterler IEC 62305-2’de açıklanmıştır. YKS’nin etkili olabilmesi için, tesis edileceği yerde beklenen darbe gerilmelerine dayanabilmesi gerekir. Genel olarak darbe gerilimlerinin etkisinden korunabilmek için, aşağıdaki tedbirlerin tek tek veya birlikte kullanılmasından oluşan korunma sistemi oluşturulur. Topraklama ve bağlantı sağlama tedbirleri, Manyetik ekranlama, Hat güzergâhı seçimi, Koordineli yıldırım darbesinden koruyucu aygıt (SPD) koruması. Gömülü kablolar için yeterli kalınlıktaki sürekli metal ekranlama. Yıldırımdan korunma bölgeleri Yıldırımdan korunma sistemi içerisinde yer alan; ekranlama telleri, manyetik ekranlar ve koordineli SPD gibi korunma tedbirleri, yıldırımdan korunma bölgelerini (LPZ) belirler. Şekil 4.4’te yıldırımdan korunma bölgeleri gösterilmektedir. Buna göre korunma tedbirlerinin akış yönüne göre, LPZ’lerde iç tarafa gidildikçe yıldırımın elektromanyetik darbesinin etkisi (Lightning Elektromagnetic Pulse (LEMP)) önemli ölçüde azalma gösterir. Korunacak sisteme göre LPZ bölgelerinin sayısı tespit edilir. Yıldırımdan korunma bölgeleri dış ve iç bölgeler olmak üzere ikiye ayrılır [14]. 35 Şekil 4.4. Yıldırımdan korunma bölgelerinin şematik gösterimi Dış bölgeler Şekil 4.4’te belirtilen LPZ 0 gibi, yıldırım darbesinin oluşturduğu elektromanyetik alanlardan dolayı tehdidin meydana geldiği ve iç sistemlerin tam veya kısmi yıldırım darbesi akımına maruz kalabildiği alandır. Bu bölgede elektromanyetik alanın etkisi azaltılamaz. İç bölgeler Şekil 4.4’te gösterilen LPZ 1 bölgesidir. Bu bölge dahilinde tüm iletken kısımlar üzerindeki akımlar MB bölgesine nazaran daha azdır. Bu bölgede ekranlama önlemi ile elektromanyetik alan etkisi nispeten azaltılır. Her bir bölgenin sınırında, tüm metal aksamın birbirine bağlanması sağlanmalı ve ekranlama yapılmalıdır. Elektromanyetik darbe etkisine karşı alınabilecek önlemler Bu bölüme kadar anlatılan yıldırıma karşı koruma önlemleri, daha çok yıldırımın düşmesi sonucu can ve mal kayıpları ile yangın gibi oluşabilecek istenmeyen durumların önlenmesine yöneliktir. 36 Alçak gerilim dağıtım sistemlerinde, güç kalitesi problemine yol açan, çoğunlukla yıldırımın elektromanyetik darbe etkisidir. Yıldırım doğrudan enerji dağıtım hattına (hava ya da yer altı) düşmese bile yıldırımın elektromanyetik darbe etkisi dağıtım hatlarında, nanosaniye mertebesinde, yüksek değerli (alçak gerilim sistemleri için 1kV) darbe gerilimlerinin oluşmasına sebep olabilirler. Yıldırımın elektromanyetik darbe etkisi, önlem alınmaması durumunda tüm hassas yükler (elektronik cihazalar, güç kaynakları, test cihazları, bilgi sistemleri vb.) için ağır hasarlara hatta kullanılmayacak duruma gelmelerine sebep olabilir. Resim 4.1’de yıldırımın elektromanyetik darbe etkisi sonucu kullanılmayacak duruma gelen bir elektronik kart görülmektedir. Resim 4.1. Yıldırımın elektromanyetik darbe etkisi sonucu oluşan hasar Bu nedenle yıldırımın aşağıda belirtilen elektromanyetik darbe etkisine karşı korunma sağlanmalıdır. Yapıya düşen yıldırım düşmesinin oluşturduğu aşırı gerilimler, Yapının yakınına düşen yıldırım düşmesinin oluşturduğu aşırı gerilimler, Hatlara veya hatların yakınına düşen yıldırım çakmalarından dolayı hatlar tarafından iletilen aşırı gerilimler, İç sistemlerle doğrudan akuple olan manyetik alanlar. Korunması istenen sistem içerisinde bulunan yıldırımdan korunma bölgelerinde daha önce belirtilen metal parçalar ve sistemler için kuşaklama sağlanmalı, ekranlama yapılmalıdır. Ayrıca alçak gerilim dağıtım ve haberleşme hatlarında etkin SPD koordinasyonu sağlanmalıdır. 37 SPD koordinasyonu SPD’ler yıldırımın elektromanyetik darbe etkisine cevap verebilecek hıza sahip parafudrlardır. SPD koordinasyonu ise, aynı devrede iki veya ikiden fazla SPD’nin biri diğerinden sonra gelecek şekilde tesis edilmeleri halinde, bu SPD’lerin enerji soğurma yeteneklerine göre darbe gerilimini aralarında paylaşacak şekilde koordineli olmalarıdır. Etkili koordinasyon için, münferit SPD’lerin karakteristiklerinin (imalâtçı tarafından yayımlandığı gibi) tesis edildiği noktadaki tehdit durumunun ve korunması gereken donanımın karakteristiklerinin dikkate alınması gereklidir. Yıldırım tehdidini, aşağıda genliği ve süresi verilen üç yıldırım akımı bileşeni oluşturmaktadır. İlk kısa darbe, (10/350µs) Ardışık kısa darbeler, (8/20µs) Uzun darbe. (≥0,5s) Bu üç bileşen de etki eden akımlardır. SPD’lerin çıkışının koordinasyonunda, enerji paylaşımı dikkate alındığında, ilk darbe en baskın faktördür. Ardışık kısa darbeler, özgül enerjinin daha düşük değerlerine, ancak daha yüksek akım dikliğine sahiptir. Uzun darbe ise, koordinasyon amaçları bakımından dikkate alınmasına gerek duyulmayan ilave bir zorlama faktörüdür. SPD Seçimi SPD’ler gerilim koruma seviyesine veya bulunduğu yere ve boşalma akımına göre seçilir. Yıldırım darbelerinin akım değerleri BS 6651:1999, “Code of Practice for Protection of Structures against Lightning”de; % 1’inin 200 kA değerini aştığı, % 10’unun 80 kA değerini aştığı, % 50’sinin 28 kA değerini aştığı, % 90’nının 8 kA değerini aştığı, % 99’nunun 3 kA değerini aştığı belirtilmektedir. 38 Şekil 4.5. T1, T2 sürelerinin tanımlanması Burada; O1 sanal orjin, T1 cephe süresi ve T2 yarı değere olan zamandır. SPD’lerin, tesis edildikleri noktada beklenen boşalma akımına dayanacak şekilde seçimi yapılır [14]. SPD’lerin kullanımı, güç sistemleri için IEC 61643-1’de ve haberleşme sistemleri için IEC 61643-21’de sınıflandırılan dayanma yeteneğine bağlıdır. SPD’ler, ön görülen tesis yerlerine göre (Bkz. Şekil 4.3) aşağıdaki gibi seçilmelidir; Hattın yapıya girişinde (LPZ 1’in sınırında, örneğin MB ana dağıtım panosunda) Korunması gereken cihaza yakın bir yerde (LPZ 2 ve daha yüksek LPZ’lerin sınırında, örneğin SB tali dağıtım panoları veya SA priz çıkışında) Ayrıca SPD’ler, korunması gereken donanımın Uw darbe dayanım gerilimine göre, tesis edildiği cihazı koruyabilecek özellikte seçilmelidir. Koordineli SPD korumasının verimi, sadece SPD’nin uygun olarak seçilmesine bağlı olmayıp, doğru bir şekilde tesis edilmesine de bağlıdır. Buna göre; SPD’lerin yerine, SPD bağlantı iletkeninin yeterli kesite sahip olmasına, Salınım olayından dolayı koruma mesafesine, Endüksiyon olayından dolayı koruma mesafesine dikkat edilmelidir. 39 Bir SPD gelen hattın giriş noktasına ne kadar yakınsa, bu SPD tarafından korunan yapı içindeki donanım miktarı o kadar fazla olur. Daha sonra da ikinci kriter kontrol edilmelidir. Bir SPD korunmakta olan donanıma ne kadar yakınsa, bu SPD’nin koruma etkinliği daha fazla olur Eğer SPD ile donanım arasındaki mesafe çok fazla ise, yayılan darbelerde salınım olayı meydana gelebilir. Bu mesafe, SPD teknolojisine, tesisat kurallarına ve yük kapasitesine bağlıdır. SPD uygulamaları Doğrudan isabet eden bir yıldırım darbesinin oluşturduğu, 1 numaralı darbe10/350 μs ve 2 numaralı darbe 8/20 μs dalga formuna sahip darbe akımları Şekil 4.6’da görülmektedir. 1 numaralı dalga formu ile Tip 1 (önceki tanımlaması B Sınıfı) yıldırım akımı deşarj düzenekleri ve bina dışı yıldırımdan koruma tesisatına ait yapı parçaları bu akım kullanılarak test edilmektedir. Şekil 4.6. Yıldırım darbe akımının Tip 1 ve Tip 2 dalga bileşenleri [15] Uzağa düşen yıldırım darbeleri ve anahtarlama işlemleri nedeniyle oluşan aşırı gerilimler ise, 2 numaralı darbe Tip 2 8/20 μs ile benzetilmektedir. Bu darbe akımının enerji içeriği, yıldırım test akımının 10/350 μs’luk darbe akımı dalgasına 40 oranla belirgin bir şekilde düşüktür. Tip 2 ve Tip 3 (önceden C ve D Sınıfı) aşırı gerilim deşarj düzenekleri, bu test darbe akımı kullanılarak zorlanmaktadır. Tip 1 (B Sınıfı) SPD Tip 1 SPD’ler genellikle bina girişindeki enerji dağıtım panolarında kullanılmalıdır. Tip 2 (C Sınıfı) SPD Bu tip SPD’ler, dağıtım sisteminde Tip1 sınıfı SPD’lerden sonra korunacak cihaza en yakın noktada kullanılmalıdır. (a) (b) Resim 4.2. Çeşitli Tip SPD örnekleri (a) Tip1 sınıfı SPD (b) Tip 2 sınıfı SPD Tip 3 (D Sınıfı) SPD Data işleme ve telekomünikasyon alanında yüksek frekanslı düşük sinyal seviyeleri özel koruma gerektirir. Bu sınıf SPD’lerden beklenen sinyal kalitesini bozmadan kısa tepki süreleri ile aşırı gerilimleri sınırlamasıdır. Açık anten sistemleri ve bina dışına uzanan harici kablolar, atmosferik koşullara doğrudan maruz kaldığından risk altında kabul edilir. Geniş ve dar bant ağlarda, 41 mobil ve radyo teknolojisinde aşırı gerilim geçişleri ve parazit gerilimlerin oluşmasına engel olacak nitelikte SPD’ler tesis edilmelidir (Resim 4.3). Resim 4.3. Tip 3 sınıfı farklı kullanım alanları için SPD örnekleri 4.3.3. Gerilim düşmesi, yükselmesi ve kesintilere karşı alınabilecek önlemler Şebekeden kaynaklanan sorunlarda, dağıtım şirketlerinin, alt yapılarını daha güvenilir hale getirmesi (amaç; önleyici bakım, modernizasyon, altyapı tesisatı) veya güç sistemlerini yeniden yapılandırması (besleyicileri kısaltmak) gibi belirli önlemlerin alması gerekir. Empedans topraklı, nötr güç sistemleri için, otomatik kapanan devre kesicileri yerine, geçici topraklama hatası durumunda zarar görmüş besleyici üzerinde kesintilere neden olmama gibi önemli bir avantaj sağlayan şönt devre kesicilerinin kullanımı sistemde kısa süreli kesinti sayısını azaltmada fayda sağlamaktadır [16]. Güç sisteminde, koruma cihazlarının performansını artırmak (seçicilik, otomatik yol verme, tesisat üzerinde uzaktan kumanda cihazları, uzaktan yönetim, vb.), dağıtım sistemi kısa devre gücünü artırmak, cihaz seviyesinde ise büyük güçlü yüklerin devreye alınmasında akım tepe değerlerini ve mekanik stresi sınırlayan yumuşak yol verme yöntemlerinin kullanımı ile azaltma sağlanabilir [16]. 42 Sabit gerilim transformatörü Sabit gerilim transformatörleri (Constant-Voltage Transformers (CVTs))genellikle sistemdeki gerilim düşümüne bağlı güç kalitesi sorunlarının çözümü için kullanılmaktadır. Ferrorezonans transformatörler olarak da adlandırılmaktadırlar ve çevirme oranları birdir. Sistemdeki gerilim düşümünü dengeleyebilmek için ilave bir kompanzasyon sargısı mevcuttur. Genellikle düşük güçlerde (50kVA) kullanılması mümkündür. Yalnızca gerilim düşümü sorunu olan sistemlerde yükleri beslemek için uygundur. Resim 4.4’de örnek ticari sabit gerilim transformatörleri görülmektedir. Resim 4.4. Örnek sabit gerilim transformatörleri Magnetic synthesizers Sabit gerilim transformatörleri ile benzer çalışma prensibine sahip olması nedeniyle gerilim düşümü sorunu olan yerlerde kullanılır. Sabit gerilim transformatörlerinden farkı 3 fazlı yüklerde kullanılmalarıdır. Genellikle 15 kVA ile 200 kVA arasındaki bilgisayar yoğunluklu sistemlerde kullanılır [4]. Aktif seri kompanzatörler Gerilim düşümü sorunu olan yerlerde, düşük güçlü tek fazlı (5kVA) yüklerden, orta gerilimde yüksek güçlü (2 MVA) hassas yüklerin beslenebilmesi için uygun bir donanımdır. İçeriğindeki hızlı güç elektroniği anahtarları sayesinde, 1/4 periyotluk 43 sürede ve % 50’lere varan gerilim düşümlerini kompanze edebilir. Uygulamada karşılaşılan gerilim düşümü sorunlarını çözmede oldukça yeterlidir [4]. Kesintisiz güç kaynakları Kesintisiz güç kaynakları (KGK) (Uninterruptable Power Supply (UPS)) uygulamada çok bilinen ve en sık kullanılan donanımlardır. Gerilim düşümü sorununun yanında enerji dağıtım sistemindeki kısa süreli kesintilere karşı da koruma sağlar. Ayrıca jeneratörler ile kullanıldığında kalıcı kesintilere karşı da koruma sağlar. Bir KGK doğrultucu ve inverter bloklarını içerdiğinden başka bir güç kalitesi sorunu olan harmoniklere yol açabilir. Bu nedenle cihaz seçiminde cihaz çıkışındaki ve girişindeki akım ve gerilim THB oranlarına dikkat edilmesi gerekir. Uygulamada çevrimiçi ve çevrimdışı çalışma prensibi olmak üzere iki tip KGK kullanılmaktadır. Çevrimdışı KGK Çevrimdışı (offline) KGK’larında, normal çalışma koşullarında yük şebekeden beslenir ve aynı zamanda aküler şarj edilir. Şebeke gerilimi kesildiğinde ya da belirlenen toleransın dışına çıktığında aküden çalışma moduna geçilerek hazır olarak bekletilen evirici devreye girer. Şekil 4.7. Çevrimdışı KGK blok şeması 44 Bu geçiş esnasında transfer süresi adı verilen 2-20 ms arasında değişen bir kesinti gerçekleşir. AA şebekesinin toleranslar içerisine dönmesine kadar geçen sürede enerjinin devamlılığını sağlar. Çevrimiçi KGK Bu tip KGK’larda her koşulda yük evirici üzerinden beslenmektedir. Şebekede enerji olduğu süre zarfında, hem aküler şarj edilir hem de şebeke ile aynı frekansta çalışan evirici yardımıyla yük beslenir. Şebeke gerilimi kesildiğinde ya da toleransın dışına çıktığında aküden çalışma moduna geçilir. Akü evirici ikilisi depolanan enerjinin bitmesi ya da AA şebekenin toleranslar içerisine dönmesine kadar geçen sürede enerjinin sürekliliği sağlar. Bu cihazlar kritik yükler için seçilebilecek bütün güç problemlerine karşı yüksek koruma sağlayan sistemlerdir. Aşırı yük ya da güç kaynağında meydana gelen bir arıza durumunda çıkış statik geçiş anahtarı ile statik By-Pass hattına aktarılır. Şekil 4.8. Çevrimiçi KGK blok şeması Motor jeneratör sistemleri Motor jeneratör sistemlerinin tipik blok diyagramı Şekil 4.9’da verilmiştir. Şebekenin normal olduğu koşullarda motor şebekeden beslenir ve motorun kutup sayısına bağlı olarak ve genellikle 3000 d/dk hızda dönen rotor jeneratöre güç sağlar. Anma gerilim 45 ve frekansında gerilim üreten jeneratör sabit frekans ve gerilimde yüklere güç sağlar. Şebekede kesinti yaşanması durumunda, 3000 d/dk hızla dönen volan jeneratörün 15 saniye daha beslenmesini sağlar. Jeneratör yükleri bu 15 saniye süresince hassas olmayan yükleri besleyebilir. Şekil 4.9. Tipik motor-jeneratör sistemi blok diyagramı [4] Motor-jeneratör sistemleri şebekeden beslenme esnasındaki yüksek kayıpları, mekanik bir beslenememesi sistem olması nedeniyle güç nedeniyle kalitesi bakım masrafları, çözümünde maliyet hassas yüklerin etkin olmadığı değerlendirilmektedir. Dinamik kesintisiz güç kaynakları Dinamik KGK’larında daimi bir dizel motor grubu bulunur. Şebekenin anma değerlerinde olduğunda yalnızca kinetik enerjiyi depolayan volan (kinetik modül) döndürülür. Yük şebeke üzerinden beslenir. Şebekenin kesilmesi durumunda, volanda biriken kinetik enerji üzerinden jeneratör güç üreterek sistemi kesintisiz beslenmesini sağlar. Bu süre boyunca çıkış frekansı üretici firma ve ürünlere göre %1 ile %5 arasında değişir. Bu süre zarfında dizel motor grubu devreye girer ve jeneratörü besleyerek yüklere kesintisiz enerji sağlar. Statik KGK’larına çeşitli üstünlükleri vardır. Bunlar; düşük giriş akım ve gerilim toplam harmonik bozulma oranı, yüksek 46 güçlü yükleri (2200 kVA) besleyebilme özelliği, akü değişim ve bakımının olmamasıdır. Eksiklikleri ise; düşük güçlerde ilk kurulum maliyetinin fazla olması, mekanik parçaların bakım gereksinimi, işletme zorluğu gösterilebilir. Uygulamadan elde edilen sonuçlar doğrultusunda, 500 kVA ve üzeri güç ihtiyaçlarında Statik KGK’larına nazaran maliyet etkin olduğu değerlendirilmektedir. Süper İletkenli Manyetik Enerji Depolama Cihazları Süper iletkenli Manyetik Enerji Depolama (Superconducting magnetic energy storage (SMES)) Cihazının tipik blok diyagramı Şekil 4.10’da verilmiş olup, temel çalışma prensibi, klasik KGK sistemlerinde kullanılan akülerin yerine, enerjinin süper iletkenli manyetik çekirdekte depolanmasıdır. Akülerden çok daha hızlı deşarj sürelerinin olması, şarj-deşarj ömrünün teorik olarak sınırsız olması ve akülere nazaran daha az yer kaplamaları üstünlükleri iken, genellikle 90 saniyeden az olan sistem besleme süreleri, ilk üretim maliyetlerinin ve yıllık enerji tüketim maliyetlerinin fazla olması eksik yönleridir [17]. Şekil 4.10. Tipik SMES Blok Diyagramı 47 4.4. Güç Kalitesi Sorunlarına İlişkin Çözüm Yöntemlerinin Değerlendirilmesi Güç kalitesi problemlerinin çözümünde akış diyagramına (Bkz. Şekil 4.3) göre yapılan değerlendirmeler sonucunda, güç kalitesi sorununun çözümünde birkaç yol ortaya çıkmış olabilir. Uygulanacak çözümün belirlenmesinde aşağıdaki esaslar doğrultusunda hareket edilmelidir. Sistemin ihtiyaç duyduğu güç kalitesinin ortaya konulması, Alternatif çözüm yollarının maliyetinin tahmin edilmesi Çözüm yollarının maliyet etkinliğinin belirlenmesi Çözüm yollarının performansının ekonomik yönden karşılaştırılarak maliyet etkin çözümün belirlenmesi Şekil 4.11’de örnek bir ekonomik değerlendirme grafiği verilmiştir [4]. Burada kritik yükler için ihtiyaç duyulan güç 2000 kVA gibi yüksek bir güçtür. Şüphesiz daha düşük güç ihtiyaçları için yapıldığında grafik farklı çıkacaktır. 700 600 500 400 300 200 100 0 Güç Kalitesi Maliyeti (1000*$/yıl) Çözüm Maliyeti (1000*$/yıl) Şekil 4.11. Örnek bir güç kalitesi çözümü maliyet etkinlik grafiği 48 Çözüm maliyeti, belirlenen çözüm için yıllık maliyeti, güç kalitesi maliyeti ise belirlenen çözüm uygulandığında dahi yıllık güç kalitesi maliyetini vermektedir. Bir başka deyişle uygulanan çözüm yöntemi ile dahi, önlem alınamayan güç kalitesi problemlerinin maliyetini göstermektedir. Ayrıca unutulmaması gereken bir konu da çözüm yöntemlerinin sisteme ve ülkeye hatta bulunulan ile özel elverişliliğidir. Örneğin imalatı ve bakım onarımı yerli imkânlarla sağlanan bir güç sisteminde süper iletkenli manyetik enerji depolama cihazı kullanımı maliyet etkin çıkabilir iken, bu cihazın imalat ve bakımı yurtdışı imkânlarla sağlanan bir sistemde farklı bir çözüm öne çıkabilmektedir. Bu nedenledir ki güç kalitesi sorunlarının çözümünde, sistem esaslı düşünmek ve çözüm üretmek gerekir. 49 5. GÜÇ SİSTEMLERİNDE HARMONİKLER Elektrik enerjisi diğer enerji türlerine kıyasla kullanımı temiz ve güvenilir bir enerji kaynağıdır. Ancak elektrik enerjisi ile çalışan sistemlerin bazıları (elektronik cihazlar, bilgi sistemleri, güç kaynakları, haberleşme aygıtları vb.) enerji kalitesi konusunda oldukça hassastır. Bu nedenle bu tip yüklerin elektrik enerjisi beslemesinin kaliteli olması ya da oluşabilecek kalite sorunlarına karşı ihtiyaç duyulan önlemlerin alınması gereklidir. Güç kalitesi denildiğinde, enerjinin sürekli olduğu, gerilim ve frekansın sabit olduğu, faz gerilimlerinin dengeli olduğu, kırpışmanın (flicker) olmadığı ve gerilim dalgasının sinüssel olduğu bir gerilimi esas alınır. Gerilimin sinüssel dalga şeklinden sürekli olarak sapmasının nedeni ise güç sisteminde harmoniklerin varlığıdır. Güç sisteminde harmoniklerin önemi, özellikle yarıiletken eleman üretimindeki teknolojik ilerlemelere bağlı olarak, hızla artmıştır. Çünkü yarıiletken elemanların kullanıldığı doğrusal olmayan yükler, günlük hayatta hemen hemen her yerde yoğunlukla kullanılmakta ve hâlihazırda kullanımı da hızla atmaktadır. Tüketicilere elektrik enerjisini sağlayan kuruluşlar (elektrik dağıtım şirketleri) için harmonik bozulma önemli bir sorundur. Çünkü tüketicilere sunulan enerjinin kalitesi harmonikler yüzünden bozulmakta ve bunun sonucunda tüketiciler birtakım güç kalitesi sorunlarına maruz kalmaktadır. Enerji sağlayan kuruluşlar, harmonikler nedeniyle yalnızca tüketicilerle karşı karşıya gelmeyip, aynı zamanda harmonikler dağıtım sisteminde de oluşturduğu ciddi sorunlar ile de uğraşmaktadırlar. Bu bölümde önemli bir güç kalitesi sorunu haline gelen ve sistemde oluşmasına neden olan tüketicilerin, yakın zamanda mevzuatta gerekli düzenlemelerin yapılması ile reaktif enerji bedeli benzeri bir yaptırıma uğrayacağını değerlendirdiğim harmonikler ele alınacaktır. 50 5.1. Harmoniklerin Tanımı Elektrik güç sistemindeki yükler/elemanlar genel olarak ikiye ayrılır; doğrusal (lineer) ve doğrusal olmayan (nonlineer). Doğrusal yükler uygulanan gerilim karşısında sabit empedans özelliği gösterirler. Doğrusal olmayan yükler ise kesintili akım çekerler veya AC gerilimin her periyodunda değişken empedans özelliği gösterirler [18]. Elektrik güç sistemlerinde harmonikler, doğrusal olmayan yüklerden kaynaklanmaktadır. Şekil 5.1’de doğrusal (lineer) yüklere ait akım-gerilim zaman grafiği, Şekil 5.2’de doğrusal olmayan yüke ait gerilim-akım zaman grafikleri verilmiştir. Şekil 5.1. Doğrusal Yük Akım-Gerilim Zaman Grafiği (a) Rezistif Yük (b) Endüktif yük (c) Kapasitif Yük Şekil 5.2. Doğrusal Olmayan Yüke Ait (a) Gerilim (b) Akım (c) Gerilim-Akım Zaman Grafiği 51 5.2. Harmonik Bileşenler Güç sisteminde doğrusal olmayan yüklerin olması durumunda, güç sisteminden çekilen akım ve yük gerilimi sinüsoidal olmayan periyodik büyüklüklerdir. Şekil 5.3’de temel frekansa ait işaret ve harmonik bileşenler gösterilmektedir. Sinüsoidal olmayan bu periyodik işaretler temel frekans ve bu temel frekansın tam katlarındaki sinüsoidal dalgaların toplamı şeklinde ifade edilebilir. İlk defa 1822 yılında Fransız fizikçi ve matematikçi Joseph Fourier tarafından formüle edilen bu ifade şekli “Fourier Serisi” olarak bilinir ve birçok uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Temel frekansın katları şeklindeki periyodik büyüklükler, harmonik bileşen olarak isimlendirilir ve güç sistemlerinde genellikle bozulmuş sinüs dalga şekilleri olarak tanımlanırlar. Şekil 5.3. Temel ve harmonik bileşenlere ait işaretler 5.3. Fourier Analizi Fransız fizikçi ve matematikçi J. Fourier, sinüsoidal olmayan periyodik bir dalganın; genlik ve frekansları farklı birçok sinüsoidal dalgaların toplamından oluştuğunu göstermiştir. Fourier serisi analizi sinüs biçimli olmayan ancak periyodik olan her türlü büyüklüğün, bir frekans serisinde tamamen sinüs biçimli bileşenlere ve ilave olarak bir doğru akım bileşenine çözülmesine imkân verir. Serinin en düşük frekansı, temel frekans, fn olarak adlandırılır. 52 Serideki diğer frekanslar, temel frekansın tam sayı katlarıdır ve harmonik frekans olarak adlandırılır. Periyodik büyüklüğün karşılık gelen bileşenleri, sırasıyla temel ve harmonik bileşenler olarak adlandırılır. Fourier Serisinin elde edilme işlemi, dalga analizi veya harmonik analiz olarak da tanımlanır. Periyodik fonksiyonlar Fourier Serisine açıldıklarında birinci terimi bir sabit, diğer terimleri ise bir değişkenin katlarının sinüs ve kosinüslerinden oluşan bir seri halinde yazılabilir. [20] Bir f (t) fonksiyonu Dirichlet şartları olarak bilinen üç şartı sağladığında o fonksiyon Fourier Serisine açılabilir. Bir f (t) fonksiyonu; Sonlu sayıda süreksizlik barındırıyorsa, Sonlu sayıda maksimum ve minimum noktası varsa, Ortalaması sonlu değer alıyor, ise Fourier serisine açılabilir. [20] T periyot boyunca sinüsten farklı bir biçimde değişen f(t) dalgası Dirichlet şartlarını sağladığında Fourier’e göre; cos t cos2 t 2t 3t cos3 t ⋯ ⋯ nt cosn t (5.1) ve ya ∑ cos nt sin nt (5.2) şeklinde yazılabilir. Eş. 5.1 ve 5.2’de; t : Bağımsız değişken A0 :“0” indisi ile gösterilen sabit terim (doğru veya ortalama değer ), “1” indisi ile gösterilen birinci terime, temel bileşen adı verilir. 53 Temel bileşen aynı zamanda tam sinüsoidal dalgaya karşılık gelen dalgayı belirler. 2, 3, 4,...,n indisi ile gösterilen bileşenlere ise harmonik adı verilmektedir. A 1 ,A 2 ,A 3 ,....,A n ,B 1 ,B 2 ,B 3 ,....,B n ise f(t) fonksiyonunun Fourier katsayılarıdır. n :1, 2, 3,...,n (pozitif tarn sayı) harmonik mertebesidir. T periyot boyunca sinüsten farklı bir f(t) dalgası Fourier’e göre; 2 …. (5.3) (5.4) Eş. 5.3 ve 5.4‘de; C : Sabit terim, Cl,C2,C3,....,Cn : Harmonik bileşenlerin genlikleri, , , , … , ∶Harmonik bileşenlerin faz açılarıdır. (5.5) (5.6) tan (5.7) (5.8) Elektrik güç sistemlerinde “t” değişkenin yerine “wt” değişkeni kullanıldığından denklemeler; cos wt cosn wt ∑ halini alır. cos2 wt cos3 wt 2 wt 3 wt cos nwt sin nwt ⋯ ⋯ n wt (5.9) (5.10) 54 5.3.1. Sinüssel olmayan dalgalarda simetri ve ifadeleri Sinüssel olmayan gösterebilir. Bu dalgaların özelliklerden simetrisine göre faydalanarak fourier analizler serileri daha farklılıklar kısa sürede gerçekleştirilebilir [21]. Analizi yapılması istenen periyodik bir fonksiyonun fourier serisine açılımında terimlerin hepsi bulunmayabilir. Bu periyodik fonksiyonun değişimini gösteren eğriye bakılarak serinin hangi terimlerden oluştuğunu tespit etmek mümkündür. Böylece serinin elde edilmesi için gereksiz işlemlerin yapılmaması sağlanabilir [21]. Simetri, genellikle dalganın şekline bakmakla görülebilir. Bunun için bazı matematiksel yöntemler de vardır. Başlıca simetri türlerini aşağıdaki gibi sınıflandırabiliriz; Çift fonksiyon simetrisi, Tek fonksiyon simetrisi, Yarım dalga simetrisi. Çift fonksiyon simetrisi Bu tip simetri f (- t) = f (t) özelliği ile tanımlanır. Periyodik dalganın, düşey eksenin sağ tarafındaki eğrisi bu eksen etrafında sola katlandığı zaman, dalganın sol tarafındaki eğrisi ile tam tamına üst üstegelirse bu fonksiyon çift fonksiyon simetrisine sahiptir denir. Bu çift fonksiyonun fourier serisinde yalnız kosinüslü terimler vardır. Bl=B2=B3 =…= Bn=0 olur. Bu durumda fonksiyon; cos wt halini alır. cos2 wt cos3 wt ⋯ cosn wt (5.11) 55 Şekil 5.4. (a) Tek fonksiyon simetrisi (b) Çift fonksiyon simetrisi Tek fonksiyon simetrisi Bu tip simetri f (- t) = - f (t) özelliği ile tanımlanır. Bu simetriye örnek Şekil 5.4’de verilmiştir. Periyodik dalganın düşey ekseninin sağ tarafındaki eğrisi bu eksen etrafında önce sola, sonra soldaki eğrinin üstüne gelecek biçimde yatay eksen etrafında (aşağı ya da yukarı) katlandığı zaman, bu iki eğri parçası üst üste gelirse, bu fonksiyon tek fonksiyon simetrisine sahiptir denir. Bu tek fonksiyonun fourier serisinde yalnızca sinüslü terimler vardır. Bu durumda da fonksiyon; halini alır. Yarım dalga simetrisi Bu tip simetri f (t +π ) = - f (t) özelliği ile tanımlanır. Periyodik bir fonksiyonun yarım periyot parçası, yatay eksen boyunca sağa yada sola doğru π kadar kaydırılır ve bu eksen etrafında katlamakla iki eğri parçası üst üste gelirse bu fonksiyonda yarım dalga simetrisi vardır. Böyle bir fonksiyonun yatay eksen üzerindeki eğrisi 56 içindeki alan ile yatay eksen altındaki eğrisi içindeki alan birbirine eşit olup böyle bir fonksiyonun Fourier serisinde sabit terim yoktur ve seri yalnız tek harmonikli bileşenlerden oluşur. Fourier serisine açılabilen bir f (wt) fonksiyon; cos wt cos2 wt 2 wt 3 wt cos3 wt ⋯ ⋯ cosn wt n wt (5.13) Fourier serisine açılabilen bir f (wt) fonksiyonu, tek fonksiyon ve yarım dalga simetrili ise fonksiyon, 2 wt 3 wt ⋯ n wt (5.14) Fourier serisine açılabilen bir f (wt) fonksiyonu, çift fonksiyon ve yarım dalga simetrili ise fonksiyon, cos wt cos3 wt cos5 wt ⋯ cosn wt (5.15) şeklini alır [20]. Periyodik bir fonksiyonun bir periyot boyunca yatay eksen üstündeki ve altındaki eğrileri içinde kalan alanlar (pozitif ve negatif alanlar) birbirine eşit ise bu fonksiyonun Fourier serisindeki doğru bileşeni (sabit terim, ) sıfırdır [21]. 5.3.2. Fourier katsayılarının bulunması Sinüssel olmayan (nonsinusoidal) bir periyodik fonksiyonun Fourier serisine göre sonsuz sayıda harmonikli bileşen vardır (Bkz. Eş. 5.2). Uygulamada harmonikli bileşenlerin tamamının katsayılarının bulunması mümkün değildir ayrıca bulunmasına da büyük ölçüde ihtiyaç yoktur. Bu nedenle uygulamada sadece önemli değerde genliğe sahip katsayılı terimler hesaplanması yeterlidir [20]. 57 Fourier serisinin katsayılarının bulunmasında üç yöntem kullanılmaktadır; • Analitik yöntem, • Grafik yöntemi, • Ölçme yöntemi. Analitik yöntemle Fourier katsayılarının bulunması T periyot süresince sinüssel olmayan bir fonksiyonun Fourier katsayıları daha önce verilen Eş. 5.10’dan analitik yöntemle aşağıdaki formüller ile bulunabilir. (5.16) (5.17) (5.18) Grafik yöntemiyle Fourier katsayılarının bulunması T periyot boyunca sinüsten farklı bir biçimde değişen f (wt) fonksiyonunun Fourier katsayılarının diğer bir bulunma yöntemi Grafik Yöntemidir. Bu yöntem çoğunlukla analiz uygulanacak fonksiyonun sayısal değerinin bilinmeyip grafiğinin bilindiği durumlarda kullanılır. Elektrik enerji sistemlerinde harmonik analizörlerinin günümüzdeki kadar yaygın kullanılmadığı dönemlerde sistemin akım ya da gerilimine ait osiloskoptan alınan grafiklerin kağıt üzerine aktarılmasıyla elde edilen akım veya gerilim fonksiyonuna bu yöntem uygulanarak sistemin akım ya da gerilimindeki harmonikler hesaplanabiliyordu. Bu yöntemde, osiloskop çıktısı alınan fonksiyonun yarım periyodu Şekil 5.5’deki gibi parçalara ayrılır ve her parçanın orta noktası için alınan a ve y değerleri, ilgili sinüs ve kosinüs fonksiyonlarının toplamını içeren denklemler kullanılarak fonksiyonun Fourier açılımı bulunur. 58 Bu yöntemden iyi bir sonuç elde edebilmek için fonksiyonun şekli mümkün olduğunca çok parçaya ayrılmalı ve bu parçalara ait a ve y değerleri büyük bir doğrulukla tespit edilmelidir. Şekil 5.5. Grafik Metotla Fourier Analizinin Yapılması [20] Şekil 5.5’de x ekseni boyunca m adet aralığa bölünmüş bir simetrik sinüssel olmayan dalganın pozitif yarı dalgası görülmektedir. Her bir aralığın orta noktası için alınan a ve y değerleri kullanılarak temel bileşen için, Eş. 5.19 ve Eş. 5.20 Fourier eşitliklerinden, bulunabilir. 59 Ölçme yöntemi Bu konuda üretilmiş olan ölçme aletleri ile bir akım ya da gerilime ait harmonik bileşenler doğrudan tespit edilebilir. “Harmonik Analizörü” ya da “Enerji Analizörü” olarak adlandırılan cihazlar ile ölçme kapasitelerine bağlı olarak 50. (n=50) harmonik bileşene kadar tüm harmonik bileşenleri tespit edilebilmektedir. Bu tez çalışmasında da bir tesisin elektrik dağıtım sistemindeki lineer olmayan yüklerin oluşturduğu harmonik bileşenlerin tespiti için Fluke marka 434 B model enerji analizörü kullanılmıştır. Kullanılan enerji analizörüne ve ölçmeye ilişkin detaylar ilgili bölümde verilmiştir. 5.4. Harmonikler İle İlgili Tanımlamalar Enerji kalitesinin ölçülebilmesi ve bozulmaların sınırlandırılabilmesi için akım ve gerilim harmoniklerinin tanımlanması gerekmektedir. 5.4.1. Bozulma Temel bileşen (50 veya 60 Hz) sinüsoidal gerilim veya akım dalga biçiminde oluşan bozulma (Distorsiyon)’dır. Başka bir tanımlama ile gerilim veya akım temel bileşen frekansının dışındaki frekanslarda harmonik bileşenlerin bulunmasıdır. 5.4.2. Toplam harmonik bozulma (THB) Gerilim harmonik bileşenlerinin etkin değerlerinin kareleri toplamının karekökünün, ana bileşenin etkin değerine oranı olan ve dalga şeklindeki bozulmayı ifade eden değerdir [22]. ∑ (5.21) 60 ∑ (5.22) Eş. 5.21 ve 5.22’de; THBV : Gerilimdeki Toplam Harmonik Bozulma, THBI : Akımdaki Toplam Harmonik Bozulma, Vn : Devreye uygulanan gerilimin n ’inci mertebedeki harmoniğin etkin değeri, In : Devreden geçen akımın n ’inci mertebedeki harmoniğin etkin değeri, V1 : Devreye uygulanan gerilimin temel frekanstaki etkin değeri, I1 : Devreden geçen akımın temel frekanstaki etkin değeridir. 5.4.3. Talep yük değerine bağlı akımdaki toplam bozulma (TDD) ∑ (5.23) Eş. 5.23’de; TDD : Talep yük değerine bağlı akımdaki toplam bozulma oranıdır. In : n. akım harmonik bileşeni IL : Ortak bağlantı noktasındaki maksimum temel frekans talep akımıdır. 5.4.4. Şekil (Form) faktörü Şekil faktörü, sinüssel olmayan bir dalga için, ğ ğ (5.24) olarak tanımlanır. Bozulmuş sinüsoidal bir dalganın bozulma ölçütünü veren bir ifadedir. Sinüsoidal bir dalga için şekil faktörü 1,11’e eşittir. 61 5.4.5. Tepe faktörü Sinüssel olmayan akım veya gerilimin tepe değeri ile temel bileşenin efektif değeri arasında tanımlanır. Tepe (Crest) Faktörü (CF); ş ğ ğ (5.25) ile tanımlanır. 5.4.6. Telefon etkileşim faktörü (TEF) Elektrik enerji sistemlerindeki harmonik akım ve gerilimlerinden kaynaklanan telefon gürültü değerinin belirlenmesinde Telefon Etkileşim Faktörü (TEF) kullanılır. Bu büyüklük gerilim ve akım için, ∑ ∑ (5.26) (5.27) şeklinde tanımlanır. Eş. 5.26 ve 5.27’de; TEFV : Gerilim için Telefon Etkileşim Faktörü, TEFI : Akım için Telefon Etkileşim Faktörü, Wn : n ’inci harmonik frekansı için işitsel ve endüktif kuplaj etkisine ait katsayı, V : Gerilimin efektif değeri, 62 5.5. Harmonik Kaynakları Güç sisteminde kullanılan yüklerin neredeyse tamamı doğrusal olmayan yüklerden oluşmaktadır. Bu nedenle de harmonikler güç sistemlerinde önemli güç kalitesi sorunlarından birini oluşturmaktadır. Doğrusal olmayan yüklerden bazıları; Yarı iletken kontrollü güç kaynakları Motor hız kontrol cihazları, Yumuşak yol vericiler Aydınlatma dimmerleri Kesintisiz güç kaynakları Eviriciler ve frekans dönüştürücüler Bilgisayarlar Statik var kompanzatörleri Transformatörler Demir çekirdekli bobinler Jeneratörler Motorlar Gaz deşarj prensibi ile çalışan aydınlatma elemanları Yüksek gerilim ile enerji iletim (HVDC) sistemleri Elektrikli ulaşım sistemleri Akü şarj devreleri Fotovoltaik sistemler Şebekeye bağlantılı rüzgar türbinleri Kaynak makineleri Ark fırınlarıdır. 63 5.5.1. Transformatörler Enerji sisteminde nüvesi bulunan bobinlerin, nüvesi doyuma ulaştığında harmoniklere yol açarlar. Bu tür elemanların başında güç sistemindeki en önemli elemanlardan transformatörler gelir. Bunların harmonik üretme özelliği, nüvenin mıknatıslanma karakteristiğinin lineer olmamasından, yani transformatörün denir. Transformatör nüvesinin doymasından kaynaklanmaktadır. Nüvenin, B = f(H) eğrisine mıknatıslanma eğrisi çekirdeğinin mıknatıslanma karakteristiği belli bir bölgeden sonra lineer özelliğe sahip olmadığından, uygulanan sinüssel gerilim sonucu sinüssel akım ve akı oluşmamaktadır. Şekil 5.6’da bir transformatörün mıknatıslanma eğrisi görülmekte olup, transformatörler, normal işletme şartlarında sinüssel gerilimle çalışma altında lineer mıknatıslanma karakteristiği bölgesinde sinüssel çıkış büyüklüğü verecek şekilde tasarlanırlar. Transformatörlerin anma değerlerinin dışında çalışması nüvenin daha çok doymasına ve harmonik akımları seviyesinin hızla artmasına sebep olabilmektedir [23]. Şekil 5.6. Transformatör mıknatıslanma karakteristiği 64 Güç transformatörleri genellikle doyma mıknatıslanma karakteristiği değerinin hemen altında eşik değerde işletilecek şekilde tasarlanırlar. Transformatörler işletme akı yoğunluğu demir maliyeti optimizasyonu, yüksüz kayıplar, ses ve diğer birçok yan etmenlere göre seçilir. Transformatörler, yüksek mertebelerde harmonik üretmedikleri için fazla sorun teşkil etmezler. Ancak yüzlerce transformatörün bağlı olduğu dağıtım şebekelerinde etkileri dikkate değer seviyelere ulaşabilir. Yükün düşük ve gerilimin yüksek olduğu sabah saatlerinde üçüncül harmonik akımlarındaki yükselme dikkate değer olabilir. Transformatör uyarma akımı, yük oranının çok düşük olması nedeniyle daha görünür seviyededir ve yüksek gerilim daha fazla akımın üretilmesine yol açar. Transformatörlerin aşırı uyarılması ile oluşan harmonik gerilim distorsiyonu ancak bahsedilen az yüklü durumlarda, ya da transformatör gücü seçiminin yanlış yapılması ile ortaya çıkmaktadır. İstisna olarak endüstride endüksiyon fırınları gibi bazı transformatörler özellikle doyma bölgesinde çalışacak şekilde tasarlanırlar. Mıknatıslanma akımlarının şebekeye geçişleri; Transformatör sargılarının bağlanış tarzına, Primlerdeki yıldız bağlı sargılarda, yıldız noktasının şebekenin nötr hattına bağlanıp bağlanmamasına, Transformatörlerde mıknatıslanmanın serbest veya zorunlu olması faktörlerine bağlıdır [21]. 5.5.2. Döner makineler Bir döner makinenin oluşturduğu harmonikler, ilke olarak makinenin stator ve rotorundaki olukların neden olduğu manyetik relüktanstaki değişimlerle ilgilidir. Döner makinelerin harmonik üretmelerinin başlıca iki nedeni bulunmaktadır. Bunlar; alan şekli ve ana devreler ile kaçak yollardaki doymalardır. 65 Günümüzdeki ileri tasarım teknikleri (oluk ve kutup geometrisi, sargı yapısı) ile döner makinelerdeki harmonik etkinliği en aza indirilmiştir. Döner makineler içerisinde en önemli harmonik üretici senkron jeneratörlerdir [21]. Senkron jeneratörler En doğal harmonik üreticileri senkron jeneratörlerdir. Senkron jeneratörlerin harmonik üretme özelliği çıkık kutbun alan şeklinden, manyetik direncin oluklara bağlı olmasından, ana devrenin doyuma ulaşması, kaçak akımlar, sık aralıklarla ve simetrik olmayan boşluklarla yerleştirilen sönüm sargılarından kaynaklanmaktadır. Döner makineler, makine hızının ve endüvi oluk sayısının fonksiyonu olan harmonikleri üretir [20]. Jeneratörlerde hava aralığındaki manyetik akının durumu, indüklenen emk’ye aynen etki ettiğinden, emk’nin sinüssel olması için akı dağılımının yapılabildiği kadar sinüssel yapılması gerekir. Bunun için sargıların dağıtılması, sargı adımının kesirli olması, bir kutup altında bir faza ait oluk sayısının kesirli olması ve bunlara benzer faktörler yanında, endüvi-çıkıntılı kutup yüzeyi arasındaki akı dağılımının sinüssel yapılması, indüklenen gerilimin sinüssel olmasını sağlar. Hava aralığındaki manyetik akının sinüssel yapılabilmesi, çıkıntılı kutuplu jeneratörlerde kutup yüzeyinin kavisli yapılması ile sağlanır. Buradaki kutup ile stator arasındaki hava aralığı kutbun her yerinde aynı değildir. Kutup ekseninde hava aralığı, kutup kenarlarına göre daha azdır. Buna göre manyetik akı kutup ekseninde en fazla olup kutup kenarlarına doğru gidildikçe azalır. Bu durumda akı dağılışı sinüssele yaklaştığından indüklenen emk’de daha düzgün bir sinüs dalgası verir. Jeneratörlerin bağlantı şekilleri de harmonikler için belirleyici özellikler taşır. Jeneratör sargısı yıldız bağlı ise; 3 ve 3’ün katı frekanslı harmonikler sadece faz gerilimlerinde bulunup fazlar arası gerilimlerinde bulunmazlar. Yıldız bağlı bir jeneratöre üç fazlı simetrik bir tüketici bağlanırsa ve yıldız noktası jeneratör yıldız noktasına bağlanmaz ise; 3 ve 3’ün katı harmonikli akımlar geçemezler. Yıldız 66 noktası nötre bağlı bir yükte ise, faz iletkenlerinden 3 ve 3’ün katı frekanslı I0 akımı, nötr üzerinden de bunların toplamı olan 3Io değerinde bir akım geçer. Bu akımlar, aynı şekilde 3 ve 3’ün katlarına eşit frekanslı bir gerilim düşümü meydana getirirler. Jeneratör sargısı üçgen bağlı ise; bu sargılarda 3’ün katları frekanslı bir sirkülasyon akımı geçer. Bu akım, yüke bağlı olmayıp sargılarda büyük kayıplara neden olur. Bu sebeplerden dolayı, jeneratör sargılarının yıldız bağlanması ve yıldız noktasının yalıtılması tercih edilir. Fakat jeneratörün 4 iletkenli bir şebekeyi beslemesi gerekiyorsa, zigzag bağlı bir bobinde oluşturulan suni yıldız noktasına bağlanır. Jeneratörlerin sebep olduğu 3 ve 3’ün katları harmonik akımları, jeneratör veya blok transformatörün birinde üçgen bağlama kullanılmak suretiyle bloke edilir. Kutuplar ve endüvi olukları uygun tasarlanarak 5. ve 7. harmonik gerilimlerini sınırlamak mümkündür [20]. Asenkron motorlar Asenkron makinenin çalışması bir döner alan varlığına dayandığından bu döner alanın oluşturulması için asenkron motorun statorunun açılmış olan oluklarına sargılar yerleştirilmiştir. Oluklara sarılan bu sargının iletken dağılımı sinüs formunda yapılamadığından, Amper-sarım dağılımı da sinüs formunda olmamaktadır. Sargılara sinüssel gerilim uygulandığında her bir faz sargısından geçen akım, akı ve Ampersarım ifadesi sinüssel olmadığı için harmonikler içerir. Bu harmoniklere, “hava aralığı” veya “uzay” harmonikleri adı verilir. Meydana gelen hava aralığı harmonikleri, temel dalga ile birlikte asenkron motoru etkiler. Çünkü frekansları farklı olan bu harmonikler devre parametrelerini değiştirmekte ve bunlara bağlı kayıpların farklı olmasına neden olmaktadır. Ayrıca hava aralığında stator sargısına bağlı olarak meydana gelen yüksek harmonikler zararlı döndürme momenti ve kuvvetlerin meydana gelmesine yol açarlar. Bu durum özellikle sincap kafesli asenkron motora yol vermede oldukça önemlidir. [24] Farklı stator sargılı asenkron motorların hava aralığında meydana gelen dalga şeklinin analizi ile ilgili yapılan bir deneysel çalışma aşağıda verilmiştir. Hava 67 aralığında oluşacak dalga şeklinin yalnız stator sargılarına bağlı olarak değişip değişmediğini incelemek için deneyde kullanılan üç motorda da aynı rotor ve kapaklar kullanılmıştır. Böylece stator sargısına bağlı değişimler incelenmiştir. Deneysel çalışmada aynı güçteki ve tipteki üç asenkron motora şu sargılar uygulanmıştır: 1. motora; bir tabakalı iki katlı farklı genişlikteki bobinlerden oluşmuş sargı. 2. motora; bir tabakalı bir katlı farklı genişlikteki bobinlerden oluşmuş dağıtılmış bileşik sargı. 3. motorda; iki tabakalı çap (tam) adımlı sargıdır. Ayrıca deney motorlarında hava aralığındaki elektromotor kuvvetini (emk) ölçebilmek için motorlara uygulanan sargıların simetriği olan ölçü bobinleri sarılmıştır [24]. Deney sonuçları incelendiğinde hava aralığında oluşan yüksek harmoniklerin üç asenkron motorda da farklı olduğu görülmektedir (Çizelge 5.1). Ayrıca bu harmonik katsayılarının işaretleri incelendiğinde tüm motorlarda 1. ve 3. harmonik katsayılarının pozitif değerde olduğu görülmektedir. Diğer üst harmonik katsayıları deney motorlarında farklılık göstermektedir. Çizelge 5.1. Motorların yükte çalışması sırasında harmonik katsayıları [24] Harmonik Katsayıları (103) Frekans (Hz) 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1. motor 22,576 0,0659 -0,0052 -0,004 -0,0004 -0,0039 0,0217 -0,0232 -0,0179 -0,0051 0,0071 0,0004 2. motor 25,003 0,0633 -0,0175 -0,0145 -0,0029 -0,0127 -0,002 0,0211 -0,006 0,0031 -0,0007 -0,0013 3. motor 24,893 0,0524 -0,0054 0,0006 0,0087 -0,0087 0,0082 0,0146 -0,0139 -0,0009 0,0002 0,0002 68 Harmonik katsayıları pozitif olan dalgalar temel dalga ile aynı yönde dönmekte, negatif olan dalgalar ise temel dalgaya göre ters yönde dönmektedir. Bu durum da hava aralığındaki dalga şeklinin sinüs formunun bozulmasına neden olmaktadır. 5.5.3. Güç elektroniği esaslı donanımlar Çeşitli güç elektroniği elemanları küçük uygulamalardan büyük endüstriyel uygulamalara kadar birçok alanda kullanılmaktadır. Yüksek çalışma verimine ve istenilen çalışma durumlarına ayarlanabilmeleri nedeniyle geniş kullanım alanı bulmuşlardır. Güç elektroniği donanımları geniş bir kullanım ve tasarım alanına sahiptirler. Başlıca güç dönüşüm grupları şunlardır: Doğrultucular, Frekans Çeviriciler, Gerilim Çeviriciler, Eviriciler Önceleri yalnızca endüstride yaygın olarak kullanılan çeviriciler, günümüzde evlerde, ticarethanelerde, kamu binalarında, ofislerde de kullanımı artmıştır. Yaygın olarak kullanılan çeviriciler, alternatif akımı doğru akıma dönüştüren doğrultucular (rectifier) veya doğru akımı alternatif akıma dönüştüren eviriciler (inverter) olarak tanımlanır. Doğrultucuların güç sisteminde başlıca kullanım alanları; yüksek doğru gerilimle iletim (HVDC), doğru akım motorlarının beslenmesi ve kesintisiz güç kaynakları, fotovoltaik sistemler, güç kaynakları, şarj edicilerdir. Tasarımsal açıdan farklı darbe sayılarına sahip doğrultucular bulunmaktadır. 6 ve 12 darbeli doğrultucular en yaygın olanlarıdır. Küçük güçlü uygulamalarda 3 darbeli, daha güçlü uygulamalarda ise 18 ve daha büyük darbeli doğrultucular kullanım alanı bulmaktadır. Darbe sayısının artması kullanılan cihazın THB’sinin azalmasını sağlarken, üretim maliyetini artırmaktadır. Bu nedenle cihazın darbe seçimi ekonomik koşullar ile doğrudan ilgilidir [20]. 69 Frekans ve gerilim çeviricileri, senkron makinelerin, indüksiyon ocaklarının ve asenkron motorların farklı frekans ve gerilimlerde beslenmesi amacıyla kullanılır. Belirli şartlarda, alternatif akım ile enerji iletimine göre daha ekonomik iletim sağlayan doğru akım enerji iletim sistemleri (HVDC) ile akü, fotovoltaik sistemler ve bazı endüstriyel donanımlar hat komütasyonlu çeviriciler üzerinden beslenirler. Öreğin yarım dalga kontrollü bir doğrultucu devresinde sinüssel dalga tristörlerin tetikleme açısına (a) bağlı olarak belirli bir f açısından kesildiğinde devrede doğrusal olmayan dalga meydana gelmektedir. Bir konverterin meydana getirdiği harmonikler, konverterin tristör sayısına (darbe sayısına) bağlı olarak ifade edilebilir. Örneğin; 6 darbeli bir konverterin akımı Eş. 5.27’den bulunabilir. √ cos cos 5 cos 7 cos 11 ⋯ (5.27) Burada görüldüğü gibi harmonik akımların genliği harmonik frekansı ile ters orantılıdır. Harmonik derecesi ne kadar yüksekse harmonik akımların genliği o kadar düşmektedir. Konverterlerde darbe sayısı p = 6, 12, 18 ve 36’ dır. Buna bağlı olarak meydana gelen harmonik bileşenlerin frekansları şu şekilde ifade edilebilir; [20] n kp 1 (5.28) Eş. 5.28’de; n : harmonik mertebesi p : çeviricinin darbe sayısı k : pozitif bir katsayıdır. 5.5.4. Statik VAR kompanzatörleri Statik VAR kompanzatörleri; alternatif akım kıyıcısı ile akımı değiştiren bir reaktör, paralel bağlı kondansatörler, kumanda ve kontrol elemanlarından oluşur. Bu sistemlerin çalışma özelliği gerekli reaktif gücü en hızlı bir şekilde ve her faz için 70 ayrı ayrı verebilmesidir. Geleneksel kompanzasyon sistemleri ile çok hızlı değişen reaktif güç ihtiyacı karşılanamaz. Örneğin; ark fırınlarında fırının devreye girmesi ile sitemden çok hızlı reaktif güç çekmekte ve devreden çıkması ile bu ihtiyaç ortadan kalkmaktadır. Geleneksel kompanzasyon sitemlerinde kullanılan röle ve kontaktör elemanları bu hıza cevap veremez ve sistemin ihtiyaç duyduğu reaktif güç karşılanamaz. Bu gibi sistemlerde anahtarlama elemanı olarak yarı iletken elemanlar kullanılmakta ve reaktif güç talebi, kondansatör gruplarının fırınının çalışması gerektiği hızda devreye sokup çıkarmak ile karşılanmaktadır. Genellikle yarı iletken anahtar olarak yüksek akım kapasiteleri nedeniyle tristörler kullanılır. Çok hızlı sistemlerde ise anahtarlama elemanı olarak IGBT kullanılmaktadır. Çizelge 5.2. Statik VAR kompanzasyon sonrasında oluşan harmonikler ve genlikleri Harmonik Mertebesi 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 25 Harmonik Genliği 13,8 5,05 5,29 1,57 1,05 0,75 0,57 0,44 0,35 0,29 0,24 (%) 5.5.5. Ark cihazları Harmonik oluşturan ark cihazları; ark fırınları, ark kaynak makineleri ve deşarjlı aydınlatma lambalarıdır [5]. Ark fırınları Elektrik ark cihazlarının akım-gerilim karakteristikleri doğrusal değildir. Ark ateşlemesinden sonra, şebeke empedansına bağlı olarak gerilim düşerken akım yükselir. Elektrik ark fırın uygulamalarında sınırlamayı sağlayan besleme kablosunun empedansı, şebeke empedansı ile fırın transformatör empedansıdır. Çizelge 5.3’de bir ark ocağının harmonik bileşenlerin ortalama ve en yüksek genlik değerleri verilmiştir. 71 Çizelge 5.3. Bir ark fırının harmonik bileşen değerleri n. Bileşen (% ) Genlik Ortalama En büyük 2 4–9 30 3 6-10 20 4 2-6 15 5 2-10 12 6 2-3 10 7 3-6 8 9 2-5 7 Aydınlatma donanımları Gaz deşarjlı aydınlatma elemanları, (floresan, led, yüksek ve alçak basınçlı sodyum ve metal halide lambalar vb.) şebekeden harmonikler içeren akımların çekilmesine neden olurlar. Bu tür aydınlatma elemanları özellikle büyük şehirlerde yol ve sokak aydınlatmasında da sıklıkla kullanıldıklarından şebekeye etkileri açısından önemli harmonikler meydana getirirler. Meydana getirdikleri harmonik bileşenlerin derecesi ve genlikleri lamba tipinden kullanılan elektronik balast, ateşleyici veya yol verici elektronik devrenin özelliğine göre değişmektedir. Şekil 5.7’de bir elektronik balastlı floresan lambaya ait gerilim, akım ve akım harmonik bileşenleri gösterilmektedir. Çizelge 5.4’de ise aydınlatmada en sık kullanılan yüksek basınçlı sodyum buharlı ampul, kompakt floresan, metal halide ve led armatürün akım harmonik bileşenlerinin genlikleri verilmiştir. Aydınlatma donanımlarının düşük dereceli bileşenleri içerdiğini, ancak özellikle % 20 oranında 3. Harmonik akım bileşeni içerdiği görülmektedir. 72 Şekil 5.7. Elektronik balastlı floresan lamba (a) akım dalga şekli (b) gerilim dalga şekli [19] Çizelge 5.4. Çeşitli Aydınlatma Lambalarının Harmonik Akım Bileşenleri [7] Harmonik Bileşen Sırası Yüksek Basınçlı Sodyum (70 W)(%) Kompakt Flüoresan (36W) (%) Metal Halide (150 W) (%) LED Armatür (48W) (%) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 100 0,3 18 0,3 4,5 0,2 3,6 0,2 1,7 0 100 0,6 21,6 0,4 2,2 0,5 3,2 0,4 1,3 0,7 100 0,4 17,3 0,2 3,1 0,2 2,6 0,2 0,7 0 100 0,1 21,6 0,2 6,2 0,2 3,6 0,2 1,8 5.5.6. Kesintisiz güç kaynakları Gerilim dalgalanmasının ve kesintisinin yol açtığı zararlardan korunmak için bankalar, çağrı merkezleri, hastaneler, hava alanları vb. diğer önemli yerlerde kullanılan kesintisiz güç kaynakları; alternatif gerilimin doğru gerilime çevrilerek depolanması ve sonra evirici yardımı ile alternatif akıma çevrilerek tüketiciye iletilmesi esasına göre çalışır. 73 Bir güç elektroniği düzeneği olan kesintisiz güç kaynakları, esas olarak şebeke geriliminin uygulandığı bir doğrultucu, doğrultucu çıkışında paralel olarak uygulanmış olan akü düzeni ile doğrultulmuş gerilimi dalgalı gerilime dönüştürerek, yüke veren evirici düzenini içerir (Şekil 5.8). Burada evirici, ara devre gerilimi olan doğrultucu çıkış gerilimini, evirmek suretiyle istenen genlik ve frekansta dalgalı gerilime dönüştürür. Dönüşüm sırasında tam sinüs dalgası elde edilemediği için çıkış işaretinin Fourier Serisinin açılımının belirttiği frekanslarda, belirli genliklerde harmonikler oluşturacaklardır. Bu temel elemanlar yanında, elde edilip yüke verilecek sinüssel gerilimin istenilen özelliklerde olmasını sağlamak, güvenilir bir çalışma elde etmek üzere yardımcı düzenlerde vardır. Kesintisiz güç kaynaklarında kullanılan doğrultucu ve evirici devreleri, uygun geri beslemelerle kapalı çevrim kontrollü çalışırlar ve çıkış gerilimi yükten etkilenmez. Şekil 5.8. Tipik KGK blok diyagramı Kesintisiz güç kaynaklarında harmonik bileşenlerin dereceleri ve genlikleri; evirici tipine, evirici çıkışını elde etmek için kullanılan modülasyon tipine, mikroişlemci kontrollü olup olmadığına vb. etkenlere bağlı olarak değişmektedir. 74 5.5.7. Güç kaynakları Günümüzde gerek ev gerekse işyerlerinde kullanımı asgari gereksinim haline gelmiş bilgisayar, yazıcı, fotokopi cihazı tipi tek fazlı elektronik cihazlarda kompakt yapıları, efektif işletimleri ve transformatörden bağımsız çalışmaları gereksinimi sebebi ile genellikle anahtarlamalı güç kaynaklan kullanılmaktadır. Bu tip güç kaynaklarının üstün özelliklerine karşı transformatörlü sistemlere karşı en büyük dezavantajı özellikle 3. harmonik akımları üretmeleridir. Bu harmoniklerin üç fazlı sistemde nötr noktasında bir birine eklenmesi ile nötr hattında aşırı yüklenmeye ve transformatörde de aşırı ısınmaya sebebiyet verebilmektedirler. Şekil 5.9’da yarı iletken anahtarlamalı güç kaynağının devre şeması Şekil 5.10’da ise temel frekansı 60 Hz olan güç kaynağının akım dalga şekli ve harmonik spektrumu verilmiştir [4]. Şekil 5.9. Anahtarlamalı güç kaynağı devre şeması 5.5.8. Ayarlı motor hız kontrol üniteleri Ayarlı hız kontrol üniteleri asansörlerde, iklimlendirme fanlarında, ayrıca endüstride üretim bantlarının motorlarında üretim hızını kontrol etmek amacıyla kullanılır. Bu üniteler, asenkron motor hızının gerilim ve frekansa bağlı olarak kontrol edilebilmesi prensibi ile giriş gerilim ve akımını doğrultup tekrar evirici ile frekans kontrolü yapılarak istenilen motorun hız kontrolü sağlanır. 75 Şekil 5.10. Anahtarlama modlu güç kaynağının (a) akım dalga şekli (b) harmonik spektrum 5.5.9. Üç fazlı çeviriciler Bu cihazların tek fazlı anahtarlamalı güç kaynaklarına göre avantajları en baskın ve en sık karşılaşılan harmonik olan 3.harmonik üretmemeleridir. Ancak yapıları diğer harmonik bileşenleri üretirler. Şekil 5.11’de örnek bir ayarlanabilir hız kontrol ünitesinin akım dalga şekli ve harmonik spektrumu görülmektedir. Darbe genişlik modülasyonlu sürücü genellikle tek fazlı anahtarlamalı güç kaynağı prensibi ile tasarlanır. AA girişten beslenen doğrultucu DA barasında büyük değerli kondansatörü besler ve küçük değerli empedans yardımı ile kapasitör kısa darbelerle şarj edilerek şekildeki testere biçimli giriş akımı elde edilir. Akımdaki bozulma uygulanan darbe genişlik ayarı ile ilişkilidir. Uygulamada darbe sayısı oldukça yüksektir. Günümüzde anahtarlamalı güç kaynakları küçük güçlü uygulamalarda (Telefon, fotoğraf makinalarının şarj cihazları vb.) kullanılmakta iken, darbe genişlik modülasyonlu üniteler 500 kVA güçlere kadar (KGK, frekans çeviricilerde, 76 fotovoltaik sistemlerde vb.) üretilebilmektedir. Şekil 5.12’de ise tipik bir darbe genişlik modülasyonlu (Pulse Width Modulated (PWM)) eviricinin devre şeması, Şekil 5.13’de akım dalga şekli ve harmonik spektrumu görülmektedir. Şekil 5.11. Ayarlanabilir hız kontrol ünitesi (a) akımı dalga şekli (b) harmonik spektrumu (fn:60 hz) [4] Şekil 5.12. Darbe genişlik modülasyonlu ayarlanabilir hız kontrol cihazı devre şeması [4] 77 Şekil 5.13. Darbe genişlik modülasyonlu ayarlanabilir hız kontrol ünitesi (a) akım dalga şekli (b) harmonik spektrumu (fn:60 hz) [4] 5.5.9. Fotovoltaik sistemler Fotovoltaik sistemler doğru gerilim üreten sistemlerdir. Genel olarak güç sistemine bağlanarak ya da doğrudan bir AA ile çalışan yükü beslemek için kullanılırlar. Bu nedenle fotovoltaik sistemlerde doğrultucu ve evirici gibi güç elektroniği donanımları bulunur ve bu donanımlar daha önce açıklandığı gibi harmoniklere sebep olur. 5.5.10. Doğru gerilim ile enerji nakli (HVDC) Kararlılık probleminin olmaması ve farklı frekanslı iki noktanın birleştirme olanağının olması, doğru akımla enerji iletiminin tercih edilir yapmaktadır. Tipik bir HVDC sisteminin tek hat şeması Şekil 5.14’de gösterilmektedir. Bu tip sistemlerde doğrultucular ve eviriciler kullanılmaktadır. Alternatif olarak üretilen gerilim doğru 78 gerilime çevrilmekte ve enerji nakil hattını beslemekte, iletim hattının sonunda tekrar alternatif gerilime çevrilmektedir. Doğru akım enerji iletim hatlarında hat başında ve sonunda yer alan büyük güçlü çeviriciler (doğrultucu ve evirici bloklar) yarı iletken elemanlardan oluştuklarından, birer harmonik kaynağı olmaktadır. Harmonik bileşenlerin derecesi ve genliği kullanılan doğrultucu ve eviricinin darbe sayısı ile ilişkilidir. Şekil 5.14. HVDC tek hat prensip şeması Transformatör çıkışında dc gerilimi elde etmek için 6 darbeli tristörlü doğrultucu kullanılması durumunda birim değerlere indirgenmiş harmonik akımları Şekil 5.15’deki gibi olmaktadır [21]. Şekil 5.15. Örnek bir HVDC sisteminin harmonik akım spektrumu 79 5.5.11. Bilgisayarlar Bilgisayar sistemleri, sahip oldukları güç kaynağı nedeniyle hem harmonik üreticisidir hem de harmonik bileşenlerden son derece etkilenirler. Şekil 5.16’da bilgisayar ve yazıcıdan oluşan bir yükün harmonik spektrumu verilmiştir. Genlik (%) 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Harmonik Bileşen (n) Şekil 5.16. Bir bilgisayar ve yazıcıdan oluşan yüke ait harmonik spektrum [11] 5.6. Harmoniklerin Güç Sistemi Üzerindeki Etkileri Alçak gerilim dağıtım sistemlerinde harmoniklerin varlığı, genellikle etkileri ortaya çıktıktan sonra yapılan inceleme ve ölçme işlemi ile tespit edilir. Alçak gerilim dağıtım sistemlerinde harmoniklerden kaynaklanan arızaların ve aksaklıkların giderilebilmesi için harmoniklerin dağıtım sistemindeki içerisinde nasıl davranış gösterdikleri ve güç sistemi elemanları üzerine nasıl etki ettiklerinin iyi bilinmesi gereklidir. Harmoniklerin etkilerinin bilinmesi, güç sisteminde tedbir alınmasına ihtiyaç olup olmadığının, var ise maliyet etkin çözümün belirlenmesini sağlar. Çünkü bir alçak gerilim dağıtım sistemindeki donanım ve tüketicilerin harmoniklerin bozucu etkilerinin giderilmesini sağlayacak birçok yöntem mevcuttur [11]. 80 Harmoniklerin güç sisteminde etkileri, sistemde bulunan donanım ve teçhizata göre farklılık gösterecektir. Çünkü tüm donanım ve teçhizatın harmoniklere karşı bağışıklık seviyesi farklıdır. Bu nedenle aynı seviyede THB’nin olduğu güç sistemlerinde ortaya çıkan sorunlar farklı olabilir. Şekil 5.17’de Avrupa Birliği bölgesinde 8 ülkede toplam 1400 enerji dağıtım bölgesinde yapılan çalışma sonucunda, endüstri ve hizmet-ulaşım sektörlerinde bulunan güç sistemlerinde bulunan çeşitli donanım ve teçhizatın bir yılda harmoniklerden etkilenme oranları ortaya çıkarmıştır [7]. Bir güç sisteminde harmoniklerden etkilenme oranlarına bakıldığında kontrol sistemlerinde kullanılan elektronik donanımın % 70’lerin üzerinde bir oranda ve en fazla etkilenen üniteler olduğu görülmektedir. Bunun nedeni birçok elektronik donanımın harmoniklere ve gerilim düşme yükselmelerine karşı bağışıklık seviyelerinin düşük olmamasıdır. Bu tip donanımı yoğunlukla ihtiva eden sistemlerde güç sistemlerindeki harmoniklere karşı tedbir alınması kaçınılmazdır. Diğer donanım ve teçhizatın harmoniklerden etkilenme oranı birbirine yakın olmakla birlikte, güç sisteminde harmoniklerin etkisi sonucu ortaya çıkan etki donanım ve teçhizata göre oldukça farklılık gösterecektir. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Endüstri Hizmet ve Ulaşım Şekil 5.17. Harmoniklerin neden olduğu yıllık donanım arızası 81 Bir güç sisteminde harmoniklerin neden olduğu etkiler aşağıda verilmiştir. Dağıtım şebekesi ve jeneratör geriliminin dalga şeklinin bozulması, Gerilim düşümünün artması, Kompanzasyon tesislerindeki kondansatörlerin harmonik frekanslarında düşük kapasitif reaktans göstermeleri sebebiyle aşırı yüklenmeleri ve yalıtım zorlanması nedeniyle hasar görmeleri, Harmonik seviyelerine bağlı dağıtım sisteminde rezonans oluşması, Elektrik enerjisinin üretim, iletim ve dağıtım gibi tüm kademelerinde ek kayıpların ortaya çıkması ve dolayısıyla sistem verimliliğinin azalması, Elektriksel donanımların yalıtımsal özelliklerinde yaşlanmaya sebebiyet vermeleri ve kullanım ömürlerinin kısalması ve delinmesi, Sistemdeki donanımın arızaya uğraması veya fonksiyonunda bozulma olması, Koruma sistemlerinin hatalı çalışması, Kesintisiz güç kaynaklarının aşırı yüklenmesi, Aydınlatma elemanlarında, monitörlerde titreşim oluşması, Sesli ve görüntülü iletişim araçlarının parazitli ve anormal çalışması, Kontrol sistemlerinde hatalı çalışma, Motorlarda verim kaybı ve gürültülü çalışma, Harmoniklerden dolayı ölçü aletlerinin ve elektrik sayaçlarının hatalı ölçüm yapması olarak sayılabilir. 5.6.1. Harmoniklerin direnç üzerine etkisi Dağıtım sistemlerinde kullanılan iletkenlerde, güç sistemindeki harmonik bileşenlerinin mertebesinin artması ile deri etkisi (skin effect) sonucu iletkenin kullanılan kesiti azalmaktadır. İletkenin DA omik direnci değerine harmonikler nedeniyle oluşan Rh direnci ilave edilir. Bu durumda harmonikli akıma gösterilen omik direnç değeri R = RDA + Rh olur. 82 1,585.10 (5.29) Eşitlikte; 0 3 3 için R= R DA K1 (5.30) için R= R DA K2 (5.31) Eşitliklerde; , x 1 1 0,26 (5.32) (5.33) : İletkenin DA direncine ve frekansa bağımlı olarak hesaplanan sabit sayı olmak üzere, f : frekans (Hz), RDA : Doğru akım direnci, R : Deri etkisi dahil direnç, Rh : Harmoniklerden dolayı ilave olunan direnç, K1 : x sabit sayısına bağımlı olarak hesaplanan sabit sayı, K2 : x sabit sayısına bağımlı olarak hesaplanan sabit sayıdır. Yukarıda verilen formüller doğrultusunda, harmonikli bir sistemdeki direncin deri etkisinin (Rh) hesaplaması durumunda, harmonik frekansı arttıkça bu frekansın deri etkisinden dolayı meydana getirdiği direnç değeri yok denecek kadar az bir oranda artmaktadır. Bu artma değerinin virgülden sonraki 10. basamaktan sonra değiştiği gözlenmektedir. Bu nedenle, çok çok hassas hesaplamaya ihtiyaç olmadığı durumlarda, harmonikli sistemlerde harmonik akımının dirence etkisi yok kabul edilmektedir [21]. 83 5.6.2. Harmoniklerin endüktif reaktans üzerine etkisi Elektrik sistemlerinde kullanılan makine ve cihazların (kablolar, motorlar, transformatörler, manyetik balastlar, vb.) modellenmesinde endüktif reaktanslar oldukça geniş bir yer tutmaktadır. Harmonikli akım barındırmayan bir sistemde endüktif reaktans, . . 2. . . (5.34) olarak hesaplanır. n. mertebeden harmonikli akımı içeren sistemlerde ise; . (5.35) olur. Burada; XL : Temel frekanstaki endüktif reaktans değeri, w : Açısal hız (Rad/sn), L : Endüktans, f : Frekans, XLn : n. harmonik mertebesindeki endüktif reaktans değeri, n : Harmonik mertebesidir [21]. 5.6.3. Harmoniklerin kapasitif reaktans üzerine etkisi Kapasitif reaktans, endüktif reaktans gibi elektrik sistemlerinin modellenmesinde çok sık kullanılır. Harmonikli akım barındırmayan bir sistemde kapasitif reaktans; X . .. (5.36) olarak hesaplanır. n. mertebeden harmonikli akımı içeren sistemlerde ise; X olur. (5.37) 84 Eş. 5.36 ve Eş. 5.37’de; X : Temel frekanstaki kapasitif reaktans değeri, w : Açısal hız, C : Kapasitans, f : Frekans, XCn : n. harmonik mertebesindeki kapasitif reaktans değeri, n : Harmonik mertebesidir. 5.6.4. Harmoniklerin transformatörler üzerine etkisi Transformatörlerde meydana gelen akım harmonikleri; sargı bakır kayıplarında (I2R) ve kaçak akı kayıplarında artışa, çekirdek kaybının artmasına neden olur. Gerilim harmonikleri ise Fuko ve histerezis akımlarından dolayı demir kayıplarında artışa ve yalıtımın zorlanmasına neden olur. Ayrıca transformatör endüktansı ve transformatörlere bağlı bir tüketicinin kapasitansı arasında rezonans meydana gelebilir. Akım ve gerilim harmonikleri transformatörlerde ek ısınmalar oluşturur. Harmonik akım ve gerilimlerinin oluşturduğu transformatör kayıpları frekansa bağlıdır. Manyetik çekirdekteki alternatif manyetik alanın yön değiştirmesi, yüksek frekanslarda daha hızlı olduğundan manyetik çekirdekteki histerezis kayıpları artar. Zamanla değişen manyetik akı, iletkenleri kestikçe değişken manyetik alan çekirdek dilimlerinde Eddy ve Fuko akımları oluşturur. Bu da ek kayıplara neden olur. Yani frekans arttıkça transformatör kayıpları artar. Belirtilen nedenlerden dolayı transformatörün ısınmasında yüksek frekanslı harmonikli bileşenler, düşük frekanslı harmonikli bileşenlerden daha önemlidir. Transformatörün bir faz sargısın ait eşdeğer devre Şekil 5.18’de verilmiştir. 85 Şekil 5.18. Transformatörün eşdeğer devresi Şekil 5.18’de; Rp : Primer sargısı iç direnci, Xp : Primer sargısı endüktif reaktansı, ı R s : Primere indirgenmiş sekonder sargısı iç direnci, Xı s : Primere indirgenmiş sekonder sargısı endüktif reaktansı, Rfe : Demir nüve kayıp direnci, Xm : Mıknatıslanma reaktansı, Ip : Primer devre akımı, Is : Sekonder devre akımı, Id : Nüve kayıp akımı, Im : Mıknatıslanma akımı, Vp : Primer devre gerilimi, Vs : Sekonder devre gerilimidir. Transformatörlerin harmonik bağımlı modellenmesinde, demir nüve kayıp direncinin (Rfe) oluşturduğu nüve kayıp akımı (Id ) mıknatıslanma akımı (Im) yanında çok küçük olması nedeniyle ihmal edilebilir. Transformatör mıknatıslanma eğrisinin dorusal olmaması nedeniyle harmonikli bir gerilimle çalışan transformatörde doyma meydana gelir. Bu durumda mıknatıslanma reaktansı (Xm) doğrusal olmayan bir eleman olarak davranır ve harmoniklere sebep olur. Bu sebepten dolayı, harmonik üreten bir elamanın modellendiği gibi mıknatıslanma reaktansı da (Xm) sabit bir akım 86 kaynağı ile modellenir (Şekil 5.19). Ayrıca harmoniklerin direnç üzerinde deri etkisinden dolayı bir etkisi vardır. Ancak bu etkiden harmoniklerin direnç üzerine etkisi bölümünde bahsedilmişti. Bu etkinin çok küçük (yaklaşık 10-10) bir değer olması nedeniyle transformatör eşdeğer devresindeki direnç elemanlarına harmoniklerin etkisi ihmal edilmiştir. Şekil 5.19. Transformatörün harmonik bileşenli eşdeğer devresi Şekil 5.19’da; n : Harmonik mertebesi, Vpn : n. harmonik mertebesindeki primer gerilimi, Ipn : n. harmonik mertebesindeki primer akımı, Imn : n. harmonik mertebesindeki mıknatıslanma akımıdır, Vmn : n. harmonik mertebesindeki sekonder gerilimi, Isn : n. harmonik mertebesindeki sekonder akımıdır. 5.6.5. Harmoniklerin motorlar üzerindeki etkisi Harmonik gerilim ve akımların en büyük etkisi, harmonik frekansındaki demir ve bakır kayıplarının artışı ile döner makinelerin ısısının artmasıdır. Harmonik bileşenler, bu yüzden döner makinelerin verimi ile momentinin düşmesine ve sinüssel beslemeli bir motorla karşılaştırıldığında daha gürültülü çalışmasına neden olurlar. 87 Aynı zamanda harmoniklerin, endüksiyon motorlarındaki hava aralığında, bir bileşke akı üretmesinden dolayı, motorun kalkış yapamaması ve senkronizasyonun sağlanamaması gibi durumlar da görülebilir. Elektrik makinelerinde rotorun aşın ısınması, harmoniklerden kaynaklanan gerilim bozulmalarının neden olduğu başlıca sorunlardan biridir. Elektrik makinelerindeki kayıplar, uygulanan gerilimin frekansına bağlıdır. Harmonikler sebebi ile motor sıcaklığının artması motor ömrünü kısaltmakta, bu durumdan en fazla tek fazlı motorlar etkilenmektedir. Harmonik bileşenler, motor performansını %5 ile %10 arasında azaltmaktadır [11]. 5.6.6. Harmoniklerin jeneratörler üzerindeki etkisi Altı darbeli bir çeviricinin oluşturduğu karakteristik harmonik mertebeleri ve döner bir makineye etkileri Çizelge 5.5’de gösterilmiştir. Buradaki harmoniklerin her biri, toplam akımın pozitif ya da negatif dizi simetrik bileşenidir. Her bir harmonik gerilimi (5.,7.,11.,...), makinenin statorunda bir harmonik akım endükleyecek ve stator sargılarında ilave ısı meydana getireceklerdir. Böylece temel akım bileşeninin neden olduğu ısı seviyesine gelecek ilavelerle makinenin ısısı yükselecektir. Çizelge 5.5. Darbeli bir konverterin döner makine üzerindeki harmonik etkinliği Harmonik Frekans Faz dizi Stator Harmonik dönüş Rotor mertebesi (Hz) bileşeni Harmoniği yönü Harmoniği 1 5 7 11 13 17 19 23 25 50 250 350 550 650 850 950 1150 1250 + + + + + 1 5 7 11 13 17 19 23 25 İleri Geri İleri Geri İleri Geri İleri Geri İleri 6 6 12 12 18 18 24 24 88 Statordaki her bir harmonik akım, makinenin rotorundan akım endükleyecek biçimde hava aralığında bir manyeto motor kuvvet (MMK) üretecektir. Her bir karakteristik harmonik, pozitif ya da negatif dizi bileşen olarak tanımlanabilirken, harmoniklerin dönüş yönüne göre ya ileri ya da geri olacaktır. 5.harmonik geri yönde (negatif dizi bileşeni) dönecektir, bundan dolayı temel hava aralığı frekansı ve 5.harmonik bileşeni arasındaki net dönme farkına karşılık gelen frekansla (5.harmonik frekansına 1 ilave edilerek yani 6.harmonik frekansıyla) rotorda bir harmonik akımı endüklenecektir. 7.harmonik ileri yönde (pozitif dizi bileşeni) döndüğü için, temel hava aralığı frekansı ve 7.harmonik frekansı arasında net dönme frekansına karşılık gelen bir frekansla (7.harmonik frekansından 1 çıkarılarak yani 6.harmonik frekansıyla) rotorda bir harmonik akım endüklenecektir. Böylece rotor ısındığından, statordaki 5. ve 7. harmonikler, rotorda bir 6.harmonik akım bileşeni üretmek için birleşirler. 11. ve 13.harmonikler, rotorda 12.harmonik akımı üretmek için aynı biçimde etkili olurlar, daha yüksek mertebeden harmonikler için de aynı durum söz konusu olacaktır. Bu nedenle rotordaki harmonik akımlarının akışı daha da önemlidir [21]. 5.6.7. Harmoniklerin devre kesicileri ve sigortalar üzerindeki etkisi Elektrik güç sistemlerinde akımda meydana gelen harmonik bozulma devre kesicilerin akım kesme yeteneklerini etkilemektedir. Devre kesicilerin çalışmasındaki aksaklık, elektromanyetik endüksiyon bobininin, harmoniklerin bulunduğu durumlarda doğru çalışmamasından kaynaklanmaktadır. Bilindiği gibi, açma esnasında oluşan ark, bobin tarafından oluşturulan manyetik alan ile ark hücrelerine sürülmektedir. Bobinin çalışmasındaki anormallikler arkın yeniden tutuşmasına ve kesicinin yeniden kapanmasına yol açmaktadır. Harmonik akımları ayrıca ilave ısınmalara neden olduklarından, sigortaların çalışma karakteristiklerinin değişmesi ile akımı zamansız kesmeler söz konusu olur. Harmonik akımlar, anahtarlama elamanlarında ısınmayı ve kayıpları artırır. Böylece, sürekli hal akım taşıma kapasitesi azalır ve bazı yalıtım malzemelerinin ömrü kısalır. 89 Ayrıca, harmonik bileşenler, anahtarlama elemanlarının akım sıfır geçişinden temel frekanstaki normal sinüs dalgasına göre daha yüksek bir değişim hızına yol açabilmekte ve bu da akım kesme işlevini zorlaştırabilmektedir [21]. 5.6.8. Harmoniklerin aydınlatma elemanları üzerindeki etkisi Floresan lambalar üzerinde harmonikli bilişenlere sahip bir gerilim kulağın duyabileceği gürültülere ve demir kayıpların da artışa neden olur. Floresan aydınlatmada tek dereceli harmoniklerin seviyesi önemli oranda devreyi etkiler. Harmonikli gerilim ayrıca elektronik balast gibi yarıiletken anahtarlama elemanlarından oluşan devrelerin ömürlerinin kısalmasına neden olmaktadır. Akkor telli lambaların ömrü, harmonik bozuluma maruz kalmış gerilimle çalıştırıldıklarında kısalmaktadır. Bu durum lambaların içerisindeki flamanın aşırı ısınmasından kaynaklanmaktadır. Harmonikler nedeniyle oluşan gerilim artışının küçük değerde olması durumunda dahi akkor flamanlı lambanın ömrü büyük ölçüde azalmaktadır. Örneğin normal gerilimin %5 üstünde bir gerilimle kullanıldıklarında akkor lambaların ömürleri ortalama olarak %50 oranında kısalabilmektedir [7]. 5.6.9. Harmoniklerin koruma elemanları üzerindeki etkisi Bilindiği gibi koruyucu sistemler çoğunlukla temel gerilim ve akımlara göre tasarlanırlar. Tepe gerilimine, akım veya gerilimin sıfır geçişlerine göre çalışan röleler harmoniklerden çeşitli biçimlerde etkilenirler. Olabilecek harmoniklerin süzüldüğü veya ihmal edilebilir düzeyde olduğu kabul edilirse, elektromanyetik röle uygulamalarında (aşırı akım koruması gibi) yüksek harmoniklerin çok fazla etkinliğinin olmadığı söylenebilir. Ancak özellikle mesafe korumalarında, harmonik akımları (özellikle 3. harmonik bileşeni) büyük oranda ölçme değerlendirme hatalarına ve toprak rölelerinin hata yapmasına neden olabilmektedir [20]. 90 Dijital mesafe koruma sistemlerinde, akım ve gerilim harmoniklerinin mutlaka filtre edilmesi gerekmektedir. Rölelerin harmoniklerden başlıca etkileniş biçimleri şunlardır; Röleler daha büyük tepe değerleri ile yavaş çalışmak yerine daha küçük tepe değerleri ile hızlı çalışma eğilimi gösterirler, Statik rölelerin çalışma karakteristiklerinde önemli değişiklikler gözlenir, Rölelerin çalışma karakteristiğinde kararlılık ve hassasiyet özelliklerinde değişme olabilir, Farklı üreticilere ait rölelerin çalışma karakteristiğinde aşırı gerilim ve aşırı akıma gösterdikleri tepkiler farklı olabilir, Aşırı akım ve gerilim rölelerinin çalışma karakteristikleri değişir, Harmonik bileşene bağlı olarak rölelerin çalışma momentlerinin yönü değişebilir, Çalışma zamanları, ölçülen büyüklükteki frekansın bir fonksiyonu olarak oldukça büyük bir farklılık gösterebilir, Dengeli empedans röleleri hem ayar ötesi hem ayar gerisi çalışma gösterebilirler, Fark röleleri beklenenden daha yavaş çalışma eğilimi gösterebilir. Genellikle rölelerin çalışmasında arızaya yol açabilecek harmonik bozulma seviyesi, %10 - %20 arasındadır [11]. 5.6.10. Harmoniklerin ölçü aletleri üzerindeki etkisi Harmonik bileşenlerin (özellikle yüksek mertebeli harmonik akım ve gerilimleri sonucu) sistemde rezonansa neden olması durumunda, ölçü aletlerini olumsuz yönde etkilemektedir. Sayaç gibi endüksiyon disk aletleri, normalde sadece temel akım bileşenlerini ölçer. Bununla birlikte, harmonik bozulmanın sebep olduğu faz dengesizliği, sayaçların hatalı işletimine neden olabilir. Çalışmalar bu hataların, sayaç türüne ve harmoniklerin durumuna bağlı olarak hem pozitif hem de negatif yönde hatalar olabileceğini göstermiştir. Endüksiyon diskli elektrik sayaçları en 91 yaygın kullanılan enerji ölçen aletlerdir. Bu aletler frekans karakteristiklerinden ve doğrusal olamayan davranışlarından ötürü hatalı çalışmaktadır. Akım ve gerilimin her ikisinin de dalga şekli değişmiş olduğu bir testte, bu sayaçlar %20’lere varan hatalara sebep olmuşlardır. Etkin değer ölçümü için kalibre edilmiş olan voltmetre ve ampermetreler harmoniklerin var olması durumunda hatalı sonuçlar vermektedir. Örneğin, 45°‘lik bir ateşleme açısıyla kıyılmış bir sinüs işaretinin etkin değerini bu tip aletler %13 oranında düşük ölçmektedir. Eğer söz konusu alet ampermetre ise, aşırı yüklenmiş bir iletkenin fark edilmemesi gibi bir takım sakıncalı durumların ortaya çıkması söz konusu olabilir. Akım ve gerilimin elektronik olarak çarpıldığı modern wattmetreler, mükemmel bir performans göstermektedir. Yapılan testler sonucunda bu aletlerin sinüs biçimli olmayan akım ve gerilimlerden kaynaklanan hatalarının % 0,1’den daha az olduğu tespit edilmiştir [21]. 5.6.11. Harmoniklerin elektronik elemanlar üzerindeki etkisi Bir güç elektroniği elemanı, harmonik bileşenlerin bulunduğu bir sisteme bağlı olabilir. Bu elemanların doğru çalışması, gerilimin sıfır geçişlerinin doğru belirlenmesine bağlıdır. Harmonik bozulma, gerilimin sıfır geçişlerini kaydırabilir veya bir noktadaki fazlararası gerilim, diğer noktadaki fazlararası gerilimden daha büyük olması sonucunu doğurabilir. Elektronik kontrol devrelerinin pek çok çeşidi için bu iki durum kritik noktalar oluştururlar ve bu kayma nedeniyle oluşan komutasyon hatalarıyla yanlış işletimlere yol açarlar. Örneğin, tristör kontrollü devrelerde harmonik bozulma, tristörlerin ateşleme anlarının değişmesine de neden olabilir [21]. 5.6.12. Harmoniklerin alçak gerilim dağıtım iletkenleri üzerindeki etkisi Harmonik akımları alçak gerilim dağıtım sisteminde kullanılan iletkenleri üzerinde iki şekilde ısınmaya neden olur. İlki deri etkisidir ve harmoniklerin direnç üzerindeki etkisinde değinilmiştir. Akımın iletkenin dışına doğru yoğunlaşması sonucu iletkenin 92 direncinin büyümesidir ve bu direnç frekansla artış göstermektedir. Diğeri ise harmoniklerin (özellikle 3. harmoniğin), tek fazlı yükleri besleyen üç fazlı dört telli sistemlerin nötr iletkenlerinde yüksek akımlara neden olmasıdır. Bazı güç kaynakları önemli oranda üçüncü harmonik üretir. Temel frekanstaki dengeli üç fazlı akımlar nötr iletkeninde akım yaratmazlar. Ancak üç fazlı sistemlerde üçüncü harmonikler nötr iletkeninde birbirini zayıflatmaz, tam tersine güçlendirir. Hatta nötr akımı faz akımının 1.7 katına kadar çıkabilir. Nötr iletkenleri faz iletkenleri ile aynı boyutlarda olduğundan, bu durumda nötr iletkeni aşırı yüklenebilir. Bu soruna en çok üç fazlı dağıtım sisteminin, tek fazlı büyük yükleri beslendiği ticari ve ofis şeklindeki binalarda rastlanmaktadır. Bu durumda alınabilecek önlemlerden biri nötr iletkeninin faz iletkenlerinin iki katı büyüklüğünde seçilmesidir. 5.6.13. Harmoniklerin kondansatör gruplarına etkisi Harmonikler nedeniyle alçak gerilim dağıtım sistemlerinde gerilim bozulmasından en çok etkilenen elemanların başında, güç faktörünün düzeltilmesinde kullanılan kondansatör gruplarıdır. Kondansatörlerde harmoniklerin neden olduğu problemler aşırı etkin akımlar ve kondansatörün yalıtım dayanımını zorlayan tepe geriliminin artmasıdır. Kondansatörün kapasitif reaktansı, frekans ile ters orantılı olduğundan, harmonikler nedeniyle kapasitans üzerinden geçen akımın frekansındaki artış, kondansatörün reaktansını temel bileşene oranla düşürür. Bu nedenle, kondansatörler harmonik frekanslarında daha büyük akımlar çekerler ve aşırı yüklenirler. n. harmonikte kondansatörün çektiği akım; . . . (5.38) Kondansatör uçlarındaki gerilimin ve akımının etkin değeri ise; ∑ (5.39) 93 ∑ (5.40) olur. Bu akım değeri harmonikli gerilimin etkin değerine eşit bir sinüssel gerilim altında çektiği akımdan büyük olacaktır. Kompanzasyon sistemlerinin tasarımında bu hususun göz önünde bulundurulmalıdır. Gerilim harmonikleri nedeniyle kondansatör gücünde de artış olur. Alçak gerilim dağıtım sistemlerinin tasarımında temel bileşene ait güç önemlidir. Kompanzasyon sistemlerinde temel bileşen ve harmonikleri içeren toplam reaktif güç ifadesi Eş. 5.41’deki gibidir. ∑ (5.41) şeklindedir. Toplam reaktif güç ifadesi, reaktif gücün anma değerini aşmamalıdır. Ayrıca harmonik bileşenler, kondansatörlerde ısınmaya ve yalıtım zorlanmalarına neden olmaktadır. ANSI/IEEE 18-1980 standardı, kondansatörlerde gerilim, akım ve reaktif güçlerin maksimum kabul edilebilir harmonik sınırlarını vermektedir. Bu standarda göre; harmonik gerilim altında kondansatörler; nominal etkin gerilimin %110'u nominal tepe geriliminin %120'si nominal etkin akımın % 180'i nominal reaktif gücün % 135'i sınırlarında sürekli çalışabilirler. Kondansatör karakteristikleriyle ilgili standartlar, sinüs biçimli olmayan bir dalga uygulandığında, güvenilir bir işletme amacıyla aşılmaması gereken sınırlamalar içerir. Kondansatör gruplarının çalışma geriliminin ve sığa değerlerinin seçimi, yukarıda belirtilen çalışma koşullarından sapmalar olduğunda, kondansatörün etiket değerleri harmonikli sisteme göre gözden geçirilerek düzeltilmelidir. 94 Alçak gerilim güç sistemlerinde harmoniklerin etkilerinin en önce görüldüğü üniteler genellikle kondansatörlerdir. Bu nedenle beklenen ömründen önce arızalanan kondansatör gruplarının olduğu bir sistemde, harmoniklerin olası daha maliyetli bir arızaya yol açmaması için, güç analizi yapmakta yarar vardır. Bu nedenle alçak gerilim güç sistemlerinde harmoniklerin tespitinde kompanzasyon gruplarının takip edilmesi önemlidir. 5.6.14. Harmoniklerin sebep olduğu rezonans olayları Güç sistemlerinde endüktif reaktans, frekans ile doğru orantılı olarak artarken, kapasitif reaktans frekans ile ters orantılı olarak azalmaktadır. Endüktif reaktansın kapasitif reaktansa eşit olduğu frekansa rezonans frekansı denmektedir. Sistem rezonansı, harmonik frekanslardan birine yakın bir değerde oluşursa, aşırı seviyede harmonik akım ve gerilimleri ortaya çıkacaktır. Harmonik seviyelerini etkileyen en önemli etkenlerden birisi rezonans durumudur. Seri rezonans harmonik akımının dolaşmasına düşük bir empedans gösterirken, paralel rezonans yüksek empedans göstermektedir. Paralel rezonans Paralel rezonans olayı güç sistemlerinde sık karşılaşılan sorunlardan biridir. Güç sisteminde güç katsayısının düzeltilmesinde ya da filtrelerde kullanılan kondansatörlerden dolayı, paralel rezonans meydana gelebilmektedir. Doğrusal olmayan yüklerin ürettiği harmonik frekanslarından birinin yakınında, kondansatör grupları ile sistem endüktansı arasında paralel rezonans oluşabilir. Paralel rezonans olayı kondansatör uçlarındaki gerilimin aşırı yükselmesine sebep olmakta ve kondansatöre zarar verebilmektedir. Resim 5.1’de alçak gerilim güç sisteminde oluşan rezonans sonucu, kondansatör gruplarında oluşan hasar görülmektedir [27]. 95 Resim 5.1. Rezonans sonucu kapasitif elemanlarda oluşan tahribat [27] Bu durum endüstriyel yüklerde ve sistemlerde yaygın olarak görülen bir olaydır. Şekil 5.20’de örnek bir paralel rezonans devresi görülmektedir. Bu devrede, şebeke empedansının tamamen endüktif olduğu kabul edilerek rezonans frekansı Eş. 5.42 kullanılarak hesaplanabilir [21]. Şekil 5.20. Örnek bir paralel rezonans devresi şeklinde yazılabilir. Burada; fp: Paralel rezonans frekansı, Sk: Kaynağın kısa devre gücü, Sc: Kondansatör gücüdür. 96 Seri rezonans Bir seri RLC devresinde meydana gelen rezonans olayı, devredeki endüktif ve kapasitif reaktansların birbirlerine eşit olması sonucu meydana gelir. Bu durumda devre empedansı düşüktür ve devreye düşük genlikli bir gerilim uygulansa bile devreden yüksek genlikli rezonans akımları akacaktır. Şekil 5.21’de örnek bir seri rezonans devresi görülmektedir. Bu devrede seri rezonans frekansı ise Eş. 5.43 kullanılarak hesaplanabilir [21]. Şekil 5.21. Örnek bir seri rezonans devresi Burada; fs: Seri rezonans frekansı, St: Transformatör gücü, Sc: Kondansatör gücüdür. SL: Omik yük Zt: Transformatörün pu empedansını göstermektedir. Rezonans halinde kondansatör uçlarındaki gerilim, devre geriliminin XC/R katına çıkar. Bu artan gerilim güç sisteminde yalıtım zorlanmalarına ve sonucunda arıza ve hasarlara neden olur. Rezonansın oluşacağı harmonik bileşen ise Eş. 5.44 ile belirlenir; 97 (5.44) √ Seri rezonans meydana geldiğinde devreden geçen büyük akımlar, anahtarların ve kontaktörlerin kontaklarında aşırı ısınmaya yol açar. Ayrıca devredeki bağlantı iletkenlerinde, özellikle kondansatör bağlantılarında aşırı ısınmalar ve kısa devreler baş gösterir. Harmonik akımların etkisiyle kondansatör aşırı ısınır bozulma tehlikesi oluşur. Kondansatörlerin ayarlı olması halinde, rezonans frekansından başka, belirli bir frekansta değişen kapasiteye göre de rezonans şartları gerçekleşebilir. Bu nedenle rezonans olasılığını azaltmak için sabit bir kondansatör gücü ile reaktif güç düzeltmesi yapılmalıdır. Bazı hallerde harmonik frekansları ve kondansatör sabit oldukları halde tesiste yapılan bir değişiklik, örneğin bazı paralel transformatörlerin veya bazı motorların devreye girip çıkması, güç sisteminin endüktif reaktansının (XL) değerinin değişmesine ve böylece yeni bir rezonans şartının oluşmasına yol açabilir. Bu gibi durumlarda sadece devredeki kondansatör değeri değiştirilerek rezonans şartı bozulabilir. Şebekeden gelen harmonik akımların etkisiz hale getirmek ve rezonansı önlemek için en uygun çözüm en belirgin harmonik frekansları için filtreler tasarlamaktır. Kondansatörlerin 1,35 x In değerine kadar aşırı akımla çalışmalarına izin verilebileceğinden, harmoniklerin kondansatör gruplarına etkisi bölümünde bahsedilmişti. Ancak bu koşulda çalışma kondansatörleri ısınma ve delinme dayanımı açısından zorlayacağından, alçak gerilim tesislerinde kondansatörlerin aşırı ısınmaya ve aşırı akımlara karşı özel koruma düzenleri (sigorta ve termik koruma) ile korunmasına ihtiyaç vardır. 98 5.6.15. Harmoniklerin iletişim hatlarına etkisi Çok yüksek dereceli harmonikler, genliklerinin küçük olması nedeniyle alçak gerilim dağıtım sistemlerinde zararsız oldukları halde, haberleşme tesislerinde parazitler oluşturarak zarar verirler. Yüksek dereceli harmonik akımları iletişim hatlarına endüksiyon veya doğrudan iletim yoluyla güç sistemindeki nötr hattı akımı üzerinden girerler. Bu tip sorunlara karşı alınabilecek başlıca önlem, iletişim hatları ile güç besleme hatlarında ekranlama yapmaktır [7]. 5.7. Güç Sistemlerinde Harmoniklerin Filtrelenmesi Güç sistemlerinde harmoniklerin oluşturduğu olumsuzlukların giderilmesi amacıyla; Güç sisteminin veya cihazların üretimi aşamasında tasarımda alınabilecek önlemler, Güç sisteminin işletilmesi esnasında alınabilecek önlemler, olmak üzere iki kategoride harmoniklere karşı tedbir alınabilir. Güç sisteminin tasarımı aşamasında alınabilecek önlemler, sistemde mümkün olan en az harmonik bileşenin ve toplam harmonik bozulmanın oluşması esasına dayanmaktadır. Bu aşamadaki önlemler güç sisteminin tasarımı ve kullanılacak olan donanımların seçimini kapsar. Güç sisteminde tesis edilecek transformatörün bağlantı şekli veya kullanılacak kesintisiz güç kaynağı, hız kontrol cihazları gibi donanımların toplam harmonik bozulma oranlarına göre seçimi bu aşamada alınabilecek önlemlere örnek verilebilir. 99 Ancak genellikle harmoniklere karşı önlemler kurulu bir güç sisteminde karşılaşılan problemlerdir. Bu nedenle güç sisteminde var olan donanımın daha düşük THB’ye sahip bir donanımla değiştirilmesi çoğu zaman maliyet etkin olmayacaktır. Uygulamada harmoniklere karşı alınan tedbirlerin çoğu, güç sisteminin işletilmesi safhasında olup, bu çalışmada da bu konu ağırlıkla ele alınmıştır. 5.7.1. Zigzag bağlı transformatörlerin kullanılması Zigzag transformatör sıfır sequence bileşen akımlarının nötr üzerinden akmaları için düşük bir empedans değeri göstererek harmonik filtre etkisi yapmaktadır. Bu da nötr üzerinden transformatöre giden akımlar için daha kısa bir yol olarak bu akımların oranını azaltır (Şekil 5.22). Harmonik azaltma etkinliğini arttırmak için transformatörün devrede yüke mümkün olan en yakın bölgeye tesis edilmesi gerekir. Ticari yüklerin çoklukla kullanıldığı yerlerde nötr hattında ciddi seviyede ısınma problemleri ile karşılaşılır. Bu tip problemler uygun zigzag transformatörün kullanılmasıyla çözümlenebilir. Bazı yeni ticari binalarda kullanılan, 34,5/0,4 kV orta gerilim düşürücü transformatörün sekonder tarafında zigzag sargı kullanmaktadır. Kaynak transformatörün sekonderine yerleştirilen zigzag sargı nötr iletkeninde ısınma problemine uygun bir çözüm olmaktadır [4]. Şekil 5.22. Zigzag sargı ile nötr akımının azaltılması [11] 100 Zigzag sargıda, tek bir nüvedeki amper sarım değeri diğer nüvelerdekini sönümlemektedir. Böylece eşdeğer devrede üçüncü harmonik akımlarının geçtiği empedans çok küçük değerde olmaktadır. Zigzag reaktansı üç ve üçün katı harmoniklerinin sirkülasyonu için düşük bir empedans sağlamaktadır. Dolayısıyla elektrik sistemiyle nötr hattı arasında dolaşan 3. derece harmoniklerinin azalmasını sağlar. Zigzag transformatörlerle ilgili yapılan çalışmalar bu transformatörlerin üçüncü harmonik akımlarının % 50’nin üzerinde bir oranla filtreleyebildiğini göstermektedir. Dolayısıyla zigzag transformatörleri sıfır sequence akımlarından kaynaklanan nötr akımlarını istenen seviyelere düşürebilir. Zigzag transformatörleri üçüncü harmoniklerin bulunduğu, nötr hattında ısınmaların olduğu ve transformatörlerin yıldız noktalarında problemlerin olduğu yerlerde kullanılmalıdır. Bu özelliklerinden dolayı zigzag transformatörleri genellikle, tek fazlı yüklerin yoğun olarak kullanıldığı, aydınlatma ve bilgisayarların ağırlıklı olduğu, ticari binalarda sıfır sequence harmonik bileşenlerin elimine edilmesi için kullanılırlar [4]. Harmoniklerin oluşturduğu zararlı etkileri engelleyebilmek için tasarım aşamasında alınabilecek tedbirler çoğu zaman yeterli olmaz. Ayrıca bir güç sisteminde bulunan harmonik akımların şebekeye geçmesini engellemek için tasarım aşamasında önlemler alınmış olsa dahi, güç sisteminde zamanla ortaya çıkan ihtiyaçlar doğrultusunda harmoniklerin önlenmesi amacıyla güç sistemine ilave donanımların tesis edilmesi gerekmektedir. Sisteme tesis edilen ve harmonik bozulmaları azaltan bu devrelere harmonik filtre adı verilir. Harmonik filtrelerinin görevi, bir ya da daha fazla frekanstaki harmonik akım veya gerilimlerin etkisini azaltmak veya yok etmektir. Genelde harmonik filtreleri en etkin harmonik bileşeni yok etmek için tasarlanırlar. Sisteme etkisi az olan harmonik bileşenler için ise bu etkiyi zayıflatıcı filtreler tasarlanabilir. Çalışma prensiplerine göre pasif ve aktif olmak üzere iki tip harmonik filtre kullanılmaktadır [4]. 101 5.7.2. Pasif filtreler Pasif filtreler isminden de anlaşılacağı üzere pasif devre elemanları olan R, L ve C elemanlarından oluşurlar. Bu elemanlarla meydana getirilen bir harmonik filtresi, belli bir frekansta, dizayn edilen filtre türüne göre düşük veya yüksek empedans gösterir. Pasif filtreler devreye bağlanış şekillerine göre paralel pasif filtreler ve seri pasif filtreler olarak ikiye ayrılırlar. Seri pasif filtreler Seri filtreler, kaynak ile harmonik üreten eleman arasına seri olarak bağlanan endüktans (L) elemanından oluşmaktadır. Seri bağlanan bu empedans, harmonik frekanslara yüksek empedans göstererek onların geçişlerini engeller iken temel frekansta ise düşük empedans gösterirler. Şekil 5.23’de seri pasif filtrenin prensip şeması ve örnek filtre reaktörü görülmektedir. (a) (b) Şekil 5.23. (a) seri pasif filtre prensip şeması, (b) örnek seri pasif filtre Temel bileşen frekansında ise düşük bir empedans değerine ayarlanarak temel frekanstaki bileşende kayıpların önlenmesi sağlanır. Seri filtreler uygulamada genellikle; motor hız kontrol sürücüsü, evirici gibi özel doğrusal olmayan yüklerin filtrelenmesi amacıyla bu tip cihazların önlerinde kullanılmaktadır. Seri pasif filtrelerde kullanılacak endüktans elemanı (reaktör) EN 61000-2-2’de belirtilen gerilim dayanımında olmalıdır. 102 Seri pasif filtrelerinin kullanımındaki en önemli olumsuzluklar; tüm yük akımının filtre elemanları üzerinden geçmesi, hat gerilimleri için yalıtılması gerekmesi ve hatta önemli gerilim düşümüne sebep olmalarıdır. Yük akımının tamamının filtre elemanları üzerinden geçmesi filtreleme maliyetinin ve boyutunun artmasına neden olmaktadır. Seri pasif filtrelerin paralel pasif filtrelere nazaran rezonans olaylarına sebep olmama gibi bir olumlu yönü bulunmasına karşın, belirtilen olumsuzlukları nedeniyle paralel pasif filtrelere göre daha az tercih edilirler. Paralel pasif filtreler Paralel pasif filtrelerde amaç, yok edilmek istenen harmonik bileşen frekansında rezonansa girecek, endüktans (L) ve kapasitans (C) devre elemanlarının değerlerini hesaplayarak bu devreyi güç sistemine bağlamaktır. Tasarlanan filtrenin karakteristiği kalite faktörü (Q) adı verilen bir katsayı ile tanımlanır. Filtre tasarımcıları tasarlanan filtrede kullanılacak devre elemanlarının toleransını, hesaplanan değerlere göre kapasitans için % 15 fazla olacak şekilde ve Endüktans için ± %5 olacak şekilde kabul eder Ancak uygulamada bu toleranslar filtre performansına kayda değer olumsuz etkisi olmasının yanında, güç sisteminde zararlı rezonansların oluşmasına da neden olabilirler. Bu nedenle filtre tasarımında son adımın filtrenin uç sınırlar için kontrolünün yazılımla yapılması gerekir.(Dugan ve ark. 1996). Şekil 5.24’de endüktans (L) ve kapasitans (C) devre elemanlarından oluşan bir pasif paralel aktif filtre şeması ve filtre tertibatı görülmektedir. (a) (b) Şekil 5.24. (a) Paralel pasif filtre prensip şeması, (b) örnek paralel pasif filtre 103 Paralel pasif filtrelerde, her bir harmonik frekansı için ayrı rezonans kolları oluşturularak, ayrı ayrı harmonik bileşenler elemine edilebilir. Ancak bu işlem en baskın yani genlik değeri yüksek harmonik frekansları için yapılmalıdır. Her harmonik bileşen için ayrı bir rezonans kolu oluşturmak optimum bir çözüm olmayacağından sadece genlik değeri yüksek harmonik frekansları için rezonans kolu oluşturulmalı, mümkün olduğunca genliği yüksek olmayan harmonik frekansları için tek bir rezonans kolu oluşturulmalıdır. Paralel pasif filtreler, seri pasif filtrelere nazaran maliyet ve boyut açısından oldukça düşüktür. Çünkü paralel pasif filtrelerde filtre elemanları üzerinden yalnızca ayarlanan harmonik bileşen akımı akmaktadır. Ayrıca filtre tasarımında kullanılan kapasitans ile reaktif güç düzeltmesi de yapılabilir. Ancak bu olumlu yönlerine karşın sistemde tehlikeli rezonans problemlerine neden olabilmektedirler (Bkz. Şekil 5.24). Bu nedenle paralel pasif filtreler tasarlanmadan önce sistemin özellikleri ve tasarımı yapılan filtreye güç sisteminin cevabı iyi analiz edilmelidir. Tasarım şekillerine göre paralel pasif filtreler dört grupta incelenmektedir. Bunlar; Tek ayarlı (bant geçiren) filtreler, Çift ayarlı filtreler, Otomatik ayarlı filtreler ve Yüksek geçiren sönümlü filtrelerdir. Tek ayarlı (bant geçiren) filtreler Tek ayarlı filtreler, düşük empedans veya kısa devre oluşturarak ayarlanan frekanstaki harmonik akımının bastırılmasını sağlarlar. Tek ayarlı filtreler seri R-L-C devre elemanlarından meydana gelir. Tek ayarlı filtre devre örneği Şekil 5.25’de, görülmektedir. Bu filtrenin çalışma prensibi, istenen harmonik frekansında filtrenin rezonansa gelerek XL=Xc şartının sağlanmasıdır. Şekil 5.26’da temel frekansın 60 hz olduğu bir sitemde 5. harmonik bileşen ayarlanmış tek ayarlı filtrenin empedans (Z), frekans (f) değişim grafiği verilmiştir. Ayarlanan frekansta (300 Hz) XL=Xc koşulu sağlanmıştır. Filtre ayarlanan frekans dışındaki frekanslara ve temel frekansa yüksek empedans özelliği göstermektedir. Tek ayarlı filtrede filtre empedansı (Zf) ve kalite faktörü (Q); 104 Şekil 5.25. Tek ayarlı paralel pasif filtre Şekil 5.26. Tek ayarlı filtrenin Z-f değişim grafiği (f1=60 Hz, f5=300 Hz, Q=30) [25] Eş. 5.45 ve Eş. 5.46’da; Zf : Tek ayarlı filtrenin istenen harmonik frekanstaki empedansı, Q : Kalite faktörü, R : Tek ayarlı filtredeki endüktans ve kapasitansın iç direnci, XL : Tek ayarlı filtrenin endüktif reaktansı, Xc : Tek ayarlı filtrenin kapasitif reaktansı, 105 fn : n. harmonikteki frekans, L : Tek ayarlı filtrenin endüktansı, C : Tek ayarlı filtrenin kapasitansı, n : Ayarlanan harmonik derecedir. Tek ayarlı filtreler sisteme uygulandığında filtredeki kapasite, sistemin temel frekansı ve ayarlanan harmonik frekansı dışındaki frekanslarda sistemde kompanzasyon etkisi göstereceğinden filtre hesaplanırken, filtrede kullanılacak kapasite değeri sistemin kompanzasyon ihtiyacını karşılayacak değerde belirlenmeli ve daha sonra bu değerle rezonansa girecek endüktans değeri hesaplanmalıdır. Tek ayarlı filtrelerin olumlu özellikleri şunlardır: Eğer istenerek eklenmiş bir direnç yoksa kayıplar çok azdır. Ayarlanan harmonik frekanstaki harmonik akıma sıfıra yakın bir empedans gösterir. Filtre edilecek birden fazla harmonik akımı için birden fazla filtre paralel kullanılabilir. Tek ayarlı filtrelerin olumsuzlukları ise; Tasarımındaki hassas devre elemanı hesaplamalarından dolayı filtreyi oluşturan elemanların değerinde zamanla oluşan değişmelere karşı oldukça duyarlı olmasıdır. Bu durum güç sisteminin düzenli izlenmesi ve gerekli devre elemanı değişiklikleri ile giderilebilir. Tek ayarlı filtreler sadece gücü sabit olan nonlineer yüklü sistemlerde kullanılabilir. Çünkü üzerlerindeki kapasite değerleri değişken olmadığından sistemdeki endüktif yükler kalktığında kondansatörler devrede kalmaya devam edeceğinden bu durumda aşırı kompanzasyon oluşabilir. Güç sistemindeki doğrusal olmayan yüklerden bir kısmı devreden çıktığında, devreden çıkan yükleri süzen tek ayarlı filtre sistemde kalacağından enerji kaybına yol açacaktır. Bu nedenle bu filtreler sabit doğrusal olmayan yüklerin bulunduğu sistemlerde kullanılmalı ve yük ile birlikte devreye girip çıkacak şekilde tesis edilmelidir. 106 Çift ayarlı filtreler Adından da anlaşılacağı gibi iki ayrı frekansa ayarlı olup ayarlandıkları bu frekanslarda düşük empedans göstererek bu iki frekanstaki harmonik bileşenlerin süzülmesini sağlarlar. Teorik olarak, üç ve dört ayarlı filtrelerde tasarlamak mümkündür, ancak bunlar ayar zorluklarından dolayı kullanılamazlar. Çift ayarlı filtrelerin en önemli özelliği temel frekansta güç kaybının az olmasıdır. Ayrıca endüktansların sayısının ayarlanması ile darbe gerilimlerine karşıda kontrol sağlarlar. Örnek bir çift ayarlı filtre şeması Şekil 5.27’de gösterilmiştir. Şekil 5.27. Çift ayarlı paralel pasif filtre şeması Temel frekansın 60 Hz olduğu bir sistemde 11. (660 Hz) ve 13. (780 Hz) harmonik bileşenlere ayarlı çift ayarlı filtrenin frekans-empedans değişimi Şekil 5.28’de verilmiştir. Çift ayarlı filtreler ile tek ayarlı filtreler karşılaştırıldığında temel frekanstaki güç kaybının az olması bu filtrelerin en önemli özelliğidir. Ancak uygulamada, filtre elemanlarının hassaslığının ayarlanmasından kaynaklanan zorluk nedeni ile daha az tercih edilirler [5]. 107 Şekil 5.28. 11. ve 13. harmonik bileşenlere ayarlı çift ayarlı filtrenin Z-f değişim grafiği (f1=60Hz, f11=660 Hz, f13=780 Hz, Q=30) [25] Otomatik ayarlı pasif filtreler Bu tip filtrelerde, kullanılan filtre elemanlarının kapasitesi ve endüktansı ayarlanabilirdir. Güç sistemindeki reaktif gücü ölçen ve ölçülen güce göre hem sistemdeki güç faktörü düzeltmesini hem de ayarlandığı harmonik bileşene göre filtreleme sağlayacak L ve C değerlerini hesaplayarak, devreye alan bir kontrol sisteminden oluşmaktadır. Yüksek geçiren sönümlü filtreler Yüksek geçiren filtreler, belirli bir frekansın üzerinde düşük empedans gösteren filtrelerdir. Bu filtrelerin tek ayarlı filtreler ile birlikte kullanılması uygundur. Tek ayarlı filtreler yüksek genlik değerine sahip düşük harmonik frekansları her harmonik için farklı paralel kollarla süzerken, yüksek geçiren filtreler genlik değeri düşük yüksek harmonik frekansları tek bir paralel kol yardımı ile süzebilirler. Tasarım açısından dört farklı yüksek geçiren filtre tipi mevcuttur. Şekil 5.29’da yüksek geçiren filtre tipleri ve bunların şemaları verilmiştir. 108 Şekil 5.29. Yüksek geçiren sönümlü filtre tipleri (a) birinci derece, (b) ikinci derece, (c) üçüncü derece Birinci dereceden yüksek geçiren sönümlü filtreler: Bu tip filtreler büyük bir kondansatör gücü gerektirdiğinden ve güç sisteminde aşırı bir kayba sebep olduğundan tercih edilmezler. İkinci dereceden yüksek geçiren sönümlü filtre: Filtreleme performansı iyi olan bir filtre tipidir. Fakat üçüncü dereceden filtre ile karşılaştırıldığında daha yüksek temel frekans kayıplarına sahiptir. Üçüncü dereceden yüksek geçiren sönümlü filtre: İkinci dereceye göre en büyük avantajı, C2 kondansatöründen dolayı temel frekansta empedansının artmasına karşılık bu frekansta kayıpları önemli ölçüde azaltılmış olmasıdır. C tipi yüksek geçiren sönümlü filtre: Filtreleme performansı, ikinci ve üçüncü derecen filtrelerin filtreleme performansı arasındadır. Temel avantajı, Ca ve Lm seri olarak bağlandığından temel frekansta kayıplarının düşük olmasıdır. (Şekil 5.30) Bu tip filtrelerin olumsuz yanı temel frekanstaki sapmalara ve eleman değerlerinin zamanla değişimine karşı duyarlı olmalarıdır. 109 Şekil 5.30. C tipi yüksek geçiren sönümlü filtre şeması Eş. 5.47, Eş. 5.48 ve Eş. 5.49’da; XS : Temel frekanstaki kısa devre reaktansı XLm : Temel frekanstaki Lm’nin reaktansı XCa : Temel frekanstaki Ca’nın reaktansı Ca : Yardımcı kondansatör R : Fitre rezistansı hT : Filtre tasarlandığı harmonik bileşen frekansı Is : Sistemde izin verilen en fazla harmonik akım (ht değerinde) Cm : Kompanzasyon için kullanılan kondansatör Lm : Filtre bobini, 110 Temel frekansın 60 Hz, kalite faktörünün 1,75 olduğu ve 3. harmoniğe ayarlı C tipi yüksek geçiren bir filtrenin frekans-empedans ilişkisini gösteren grafik Şekil 5.31’de verilmiştir. Grafikte de görüldüğü gibi filtre temel frekansta yüksek empedans göstermekte, ayarlanan 3. harmonik frekansında en düşük empedansı göstermekte ve ayarlanan frekansın üstünde ise temel frekansa nazaran daha düşük empedans göstermektedir. Şekil 5.31. C tipi filtrenin frekans-empedans grafiği [25] C tipi filtrede filtre karakteristiği, güç sisteminde ayarlanan harmonik frekanstaki izin verilen akımın (Is) pu değerine bağlıdır. Şekil 5.32’de n=5,5’e ve Is’nin 0,1, 0,3 ve 0,5 pu değerlerine ayarlandığı C tipi filtrenin Is akımı ve harmonik frekans grafiği verilmiştir [4] C tipi filtrenin performansı ikinci derece yüksek geçiren filtre performansına benzerdir. (Şekil 5.31) Filtre rezistansı R’ye eşittir. Bu nedenle filtre kayıpları R’nin değerine bağlıdır. Yüksek frekanslarda Ca düşük ve Lm yüksektir. Bu nedenle yüksek frekanslarda baskın reaktans Lm’nin reaktansı olacaktır [26]. 111 Şekil 5.32. C tipi filtrenin Is-n ilişkisi C tipi filtrenin performansı ikinci derece yüksek geçiren filtre performansına benzerdir. (Şekil 5.33) Filtre rezistansı R’ye eşittir. Bu nedenle filtre kayıpları R’nin değerine bağlıdır. Yüksek frekanslarda Ca düşük ve Lm yüksektir. Bu nedenle yüksek frekanslarda baskın reaktans Lm’nin reaktansı olacaktır [26]. Şekil 5.33. C tipi ve 2. derece yüksek geçiren sönümlü filtre Z-n değişimi 112 Yüksek geçiren sönümlü filtrelerde, filtrenin performans karakteristiği kalite faktörü (Q) ile tanımlanır ve yüksek geçiren sönümlü filtrelerdeki direnç değeri kalite faktörüne göre hesaplanır. Yüksek geçiren filtrelerde kalite faktörü genellikle 0,5 ile 5 arasında kabul edilir. Kalite faktörü; (5.47) şeklidedir. Burada; Q :Kalite faktörü (Yüksek geçiren filtrelerde 0,5 ile 5 arasında sabit bir katsayı), R :Yüksek geçiren sönümlü filtrede kullanılacak direnç değeri, Xn :Yüksek geçiren filtrenin ayarlandığı frekanstaki endüktif reaktans değeridir [4]. Yüksek geçiren filtrelerde kalite faktörü genellikle 0,5 ile 5 arasında kabul edilir. Yüksek geçiren filtrelerden, 4. harmoniğe ayarlanmış örnek bir ikinci derece filtrenin farklı kalite faktörlerine bağlı filtre performansı Şekil 5.34’de gösterilmektedir. Şekil 5.34. İkinci derece filtrenin performansının kalite faktörüne bağlı değişimi 113 5.7.3. Aktif filtreler Elektrik enerji sistemlerindeki harmoniklerin giderilebilmesi için, düşük maliyetleri nedeniyle çoğunlukla pasif filtreler kullanılmaktadır. Ancak pasif filtrelerin harmoniklerin oluşturduğu güç kalitesi problemlerini çözmede yetersiz kaldığı durumlarda tesis maliyetleri çok yüksek de olsa aktif güç filtrelerinden yararlanılır. Pasif filtrelerin güç sistemindeki harmoniklerin filtrelenmesinde yetersiz kalmasına neden olan etkenler, Pasif filtrede kullanılan elemanların (kondansatör, bobin ve direnç), zamanla değerinde sapmalar olması ve buna bağlı olarak filtrenin ayar frekansının değişmesi nedeniyle performansın da azalmaların olması, Güç sisteminde filtrenin tasarlanmasından sonra, sistemdeki nonlineer yükler artması ya da azalması durumunda filtrenin performansının gözden geçirilmesi, Güç sistemindeki elemanlarla tasarlanan filtre elemanlarının harmonik frekanslarda rezonansa girme riskidir. Bu problemleri çözmek amacıyla aktif güç filtreleri geliştirilmiştir. Günümüzde kullanım alanı gittikçe yaygınlaşan aktif güç filtresi düşüncesinin temelleri Bird (1969) tarafından atılmış, daha sonra Ametani (1972) tarafından genelleştirilmiştir [21]. Genel yapı olarak aktif güç filtreleri, dijital kontrol birimi olan PWM inverterden ibarettir. Aktif güç filtreleri yük tarafından çekilen harmonikleri analiz ederler ve uygun bir fazda yüke aynı harmoniği ters fazda enjekte ederek harmoniği yok ederler. Güç elektroniği devre elemanlarından oluşan aktif güç filtrelerinin güç sistemindeki harmoniklerin yok edilmesi kullanılmasının yanında, reaktif güç kompanzasyonu, gerilim ve akım dengesizlikleri, nötr akımı kompanzasyonu ve şebeke geriliminin regülasyonu için de kullanılırlar. Aktif güç filtreleri belirtilen olumlu özelliklerinin yanında, pasif filtrelere nazaran yüksek maliyetli olmaları, güç sistemindeki doğrusal olmayan yüklerin artması 114 durumunda harmonikleri gidermede yetersiz kalmaları gibi olumsuz yönleri de bulunmaktadır. Güç elektroniği uygulamaları geliştikçe ve bilgisayar desteğiyle bu konu da ilerleme göstermiştir. Aktif filtreler harmonik giderme işlemini devreye iki şekilde bağlanarak sağlarlar. Bu nedenler aktif filtreler paralel ve seri olmak üzere ikiye ayrılırlar. Paralel aktif filtre Paralel aktif filtre adından da anlaşılacağı gibi güç sisteme paralel bağlanır. Yükün çektiği harmonikli akımları tanımladıktan sonra bunlarla aynı genlikte fakat ters fazdaki akımları sisteme enjekte eder. Paralel aktif filtrenin güç sistemine bağlantı prensip şeması Şekil 5.35’de gösterilmektedir. Şekil 5.35. Paralel aktif filtrenin prensip şeması [20] Seri aktif filtre Seri aktif filtrelerin güç sistemine bağlantı prensip şeması Şekil 5.36’da verilmiştir. Şekilde de görüldüğü gibi seri aktif filtreler güç sistemine bir transformatör ile bağlanır. Seri aktif filtre ile gerilim harmonikleri elimine edilir. Seri aktif filtre ile gerilime bağlı kompanzasyonlar düzeltmesi de gerçekleştirilir. gerilim dengesizlikleri, dalgalanmalarının 115 Şekil 5.36. Seri aktif filtrenin prensip şeması [20] Aktif güç filtresinin yapısı Bir aktif güç filtresinin blok diyagramı Şekil 5.37’de görülmektedir. Aktif güç filtreleri, dönüştürücü (PWM jeneratörü), akım kontrol devresi ve harmonik belirleme bloğu olmak üzere 3 ana bölümden oluşmaktadır. Şekil 5.37. Aktif güç filtresinin blok şeması [20]. Vk :Kaynak gerilimi, Ik :Kaynak akımı, Iy :Yük akımı, If :Aktif güç filtresi akımıdır. 116 Lf :Kaynak uçlarındaki gerilim ile filtre tarafından üretilen PWM gerilimi arasında tampon görevi gören endüktanstır. 5.7.4. Pasif ve aktif filtrelerin karşılaştırması Bir güç sisteminde harmoniklerin filtrelenmesinde, pasif filtrelerin kullanımında temel yaklaşım, Direnç, Bobin ve Kondansatörden oluşması nedeniyle güvenilir sağlam ve yüksek güç ve akımlarda, düşük maliyetle kullanılabilmesidir. Ancak düşük frekanslarda kullanımında filtrede kullanılan bobinin ebatları ve ağırlığı artacak ve dolayısıyla maliyeti yükselecektir. Aktif filtreler ise, güç sistemindeki yüklerin harmonik spektrumunun değişken olduğu, düşük güçlerde, örneğin elektronik sistemler, radar ve uydu sistemleri gibi yüklerin bulunduğu güç sistemlerinde kullanılmalıdır. Pasif ve aktif filtreler, özellikleri itibari ile birbirlerinin yerine kullanılması çoğu zaman uygun değildir. Çizelge 5.6’da pasif ve aktif filtrelerin olumlu ve olumsuz özellikleri açıklanmıştır. Buna göre, örneğin alçak gerilim güç sisteminin yük harmonik spektrumu, gün içerisinde harmonik bileşen sayısı ve genlikleri açısından büyük değişiklikler gösteriyor ise bu güç sisteminde pasif filtre kullanmak çok doğru değildir. Yine yüksek güç tüketiminin olduğu ve sınırlı sayıda harmonik bileşenin olduğu, bir güç sisteminde de aktif filtre kullanmak maliyet etkin olmayacaktır. Bu nedenle, güç sistemindeki harmoniklerin azaltılması için kullanılacak filtre, güç sisteminde bulunan yüklerin gücü ve harmonik spektrumu, gün içerisinde devreye girme ve çıkma süreleri, güç sisteminin yapısı, çözüm maliyeti, vb. pek çok bilgiye dayanarak seçilmelidir. Ayrıca aktif ve pasif filtrelerin birlikte kullanıldığı hibrid filtrede maliyet etkin bir çözüm yöntemi olabilir. 117 Çizelge 5.6. Pasif ve aktif filtrelerin özelliklerinin karşılaştırması Pasif Filtreler Olumlu Özellikler Aktif filtreler Güç kaynağı gereksinimi yoktur Endüktans yoktur Yüksek akım ve gerilimde kullanılabilir Dizaynı kolaydır. Güvenirliği yüksektir Düşük güçler için yüksek giriş empedansı ve düşük çıkış empedansı gösterir Filtrede az sayıda elaman kullanılır, Yüksek kazanç katsayısı ile üretilebilir basittir. Gürültü yalnızca dirençte oluşur Genellikle ayar yapmak kolaydır Bant aralığı sınırı yoktur. Küçük ebat ve ağırlıkta üretilebilir. Reaktif güç kompanzasyonu yapabilir. Filtre tipine bağlı Reaktif güç kompanzasyonu/Gerilim regülasyonu yapabilir Kurulum maliyeti oldukça düşüktür Rezonans riski yoktur Düşük frekanslarda büyüktür bobinin ebatı Güç kaynağı gereksinimi vardır. Bazı bobinlerde (troidal olmayanlarda) Modülasyonun çok hassas olması gerekir ekranlama ihtiyacı vardır. Ayarlama nedeniyle fazla bobine ihtiyaç Giriş akımından ve DC duyması üretim ebatlarını sınırlar parazitlerine karşı hassastır Olumsuz Özellikler Düşük tolerans (%1-2) ihtiyacı pahalıdır. Op-amp kazancı sınırlıdır bant gerilim genişliği ile Güç sisteminde devreye giren ve çıkan Op-amp'ın yük akımı değişikliklerini yüklere göre tasarım ihtiyacı vardır. karşılama oranı sınırlıdır. Rezonans riski vardır Birçok devre elemanından oluşur. Güç sistemine bağlı periyodik kontrol İlk kurulum maliyeti yüksektir gerektirir 118 6. GÜÇ KALİTESİ İLE İLGİLİ YÖNETMELİK VE STANDARTLAR Güç kalitesi problemlerinin sınıflandırılmasına ve güç kalitesi problemlerinin özellikle endüstride yol açtığı iş gücü ve maddi kayıplara önceki bölümlerde değinilmiştir. Yol açtığı kayıplar ve üretimde neden olduğu aksamalar göz önüne alındığında, güç kalitesinin yalnızca elektrik dağıtım şirketinin sağladığı enerji kalitesi ya da kullanıcıların önlem alınması gereken bir konu olarak ele alınması düşünülemez. Bu nedenle ulusal ve uluslararası standardizasyon kuruluşları güç kalitesi üzerine çalışmalar yapmış ve çalışma sonuçlarının yıllara sari yayımlamışlardır. Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Koordinasyon Komitesi Enstitüsü (IEEE) güç kalitesi problemlerinin en önemlilerinden harmoniklerin etkileri ve harmoniklerin sınırlandırılması konusunda önde gelen ve en kapsamlı çalışmayı (IEEE std. 5191992) yapmıştır. Yine Cenevre merkezli Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) güç kalitesi konusunda en ayrıntılı standart olan IEC 6100 serisi standardını hazırlamıştır. Birçok ülke de bu standartlara göre ulusal mevzuatını oluşturmuştur. Örneğin Türkiye’de dağıtım şirketleri tarafından sağlanan enerjinin kalitesi ile ilgili olarak Avrupa Standardı EN 50160, ulusal standart olarak kabul edilmiş ve TS EN 50160 olarak kullanıma sunulmuştur. Bu bölümde güç kalitesi problemleri ile ilgili farklı kuruluşlar tarafından hazırlanan (IEEE, IEC, EN, CIGRE, EPDK) standart ve yönetmelikler incelenmiş, alçak gerilim güç sistemlerinde güç kalitesi ile ilgili sınırlamalar ve standartlar arasındaki farklılıklar belirlenmiştir. Standartların tek başına bir bağlayıcılığı olmaması ve tavsiye niteliğinde dokümanlar olmasına rağmen, ülkelerin ulusal mevzuatında referans doküman olarak kullanılması ile tüketicilerin, elektrik dağıtım şirketlerinin ve cihaz üreticilerinin uyma zorunluluğu bulunmaktadır. 119 6.1. Elektrik Şirketleri Tarafından Sağlanan Elektriğin Gerilim Kalitesi Bir ulusal enterkonnekte dağıtım sisteminde, elektrik enerjisinin dağıtımından sorumlu tutulan dağıtım şirketlerinin, müşterilerine sağladığı elektrik enerjisinin güç kalitesi gerilim karakteristiği EN 50160 “Genel elektrik şebekeleri tarafından sağlanan elektriğin gerilim karakteristikleri“ standardında tanımlanmıştır. Bu standartta gerilim karakteristiği Alçak Gerilim, Orta Gerilim ve Yüksek Gerilim olmak üzere üç seviyede incelenmektedir [13]. Bu tez çalışmasının konusu itibari ile alçak gerilim seviyesindeki gerilim karakteristiği incelenmiştir. 6.1.1. Alçak gerilim besleme karakteristiği Alçak gerilim şebekelerinde dağıtım şirketi tarafından sağlanan elektriğin gerilim karakteristiği; Sürekli olaylar; yük modelinden, yük değişimlerinden veya doğrusal olmayan yüklerden dolayı, zaman içerisinde sürekli olarak meydana gelen, anma değerden sapmalar, Gerilim olayları; önceden tahmin edilemeyen arızalar, hava şartları ve diğer tüketicilerden kaynaklanan, normal veya arzu edilen dalga şeklinden ani ve önemli sapmalar olarak incelenir. Aşağıda alçak gerilim dağıtım sisteminde, sürekli olayların içerisinde yer alan gerilimin karakteristik özellikleri ve sınırlamalar açıklanmıştır. 6.1.2. Şebeke frekansı Besleme geriliminin anma frekansı 50 Hz olmalıdır. Normal çalışma şartlarında 10 s boyunca ölçülen frekansın ortalama değeri aşağıdaki aralıklar içerisinde olmalıdır. Enterkonnekte sisteme senkron bağlantılı sistemler için: 50 Hz (±)% 1 (49,5 Hz - 50,5 Hz arasında) bir yılın % 99,5’i boyunca, 50 Hz (+) % 4 / (-) % 6 ( 47 Hz - 52 Hz arasında) her zaman (% 100) 120 6.1.3. Gerilim değişimi EN 50160 standardında kesintili periyotlar dışında, normal çalışma şartları altında, besleme gerilimi değişimlerinin anma geriliminin (Un)’nin ± % 10’unu aşmaması gereklidir. Ayrıca sürekli durumdaki gerilim değişimleri ANSI Standard C84.1'de belirtilmiştir. Bu standarda göre 600 V'a kadar kadar olan şebeke gerilimlerinde değişim, gerilimin nominal değerinin ± %5'i kadar olmalıdır. Kısa süreli değişmelerde ise en fazla %5,8 kadar gerilim artmasına ve %8,3 kadar gerilim azalmasına izin verilebilir şeklindedir [31]. Şebeke gerilimindeki değişimin nedenlerinden biri de özellikle ark fırınları gibi hızlı değişen ve büyük güçlü yüklerdir. Bu tip yükler şebeke geriliminde dalgalanmalar oluşturmakta ve bu durum diğer tüketicilere olumsuz etki yapmaktadır. Bu gerilim değişimi %0,5 - %0,6 arasında olmakta ve yaklaşık 10 saniye ile 1saat arasında sürmektedir. Bu tip yüklerin şebekede oluşturduğu etkiler ile ilgili özel sınırlamalar getirilmiştir [9]. 6.1.4. Kırpışma şiddeti Normal çalışma şartları altında, bir haftalık her bir periyot boyunca oluşabilecek kırpışma şiddeti için sınır değerler Çizelge 6.1’deki gibidir [22]. Çizelge 6.1. Kırpışma şiddeti için sınır değerler Fliker Şiddeti Endeksi Pst Plt Sınır Değerler ≤ %1 ≤ %0,8 6.1.5. Besleme gerilimi dengesizliği Normal çalışma şartları altında, bir haftalık her bir periyot boyunca besleme geriliminin negatif faz sıralı bileşeninin 10 dakikalık ortalama etkin değerlerinin % 95’i, pozitif faz sıralı bileşeninin (temel) % 0 ile % 2 aralığında olmalıdır. 121 6.1.6. Doğru akım bileşeni Normal koşullarda güç besleme sistemlerindeki gerilimde önemli bir d.a. bileşen seviyesi mevcut olmazken, simetrik olmayan bir biçimde kontrol edilen belli yüklerin bağlanması, bu durumu meydana getirir. Bu akımın değeri oldukça değişkendir çünkü bu değer, ilgili devrenin d.a. direnci tarafından belirlendiği gibi, d.a. bileşeninin gerilimi tarafından da belirlenir. Bu yüzden, izin verilebilen d.a. gerilimi, sadece duruma göre belirlenebilir. 6.1.7. Çentik Güç sistemlerinde gerilim sinyalinde oluşan çentiklere IEEE std. 519-1992 “Elektrik Güç Sistemlerinde Harmonik Kontrol Gereksinimleri ve Uygulama Tavsiyeleri” ile sınırlama getirilmiştir. Alçak gerilim güç sistemlerinde gerilim sinyalinde oluşan çentiğin alan ve derinliğine bağlı sınırlama Çizelge 6.2’de verilmiştir. Çentiklerle ilgili sınırlamada tek bir sınır belirlenmemiş, güç sisteminin özelliğine göre üç kategoride sınırlandırılmaya gidilmiştir. Çizelge 6.2. Gerilimde oluşan çentikler için sınır değerler Çentik Özellikleri Özel Uygulamalar1 Genel Sistemler Ayrı Sistemler2 % 10 % 20 % 50 16 400 22 800 36 500 Çentik Derinliği (DN) Çentik Alanı (AN) 1 Hastane ve Havaalanı uygulamalarını içerir 2 Özellikle konvertör tipi yükler içindir 6.1.8. Harmonik gerilim Harmoniklerle ilgili standardizasyon çalışmalarının ilki, 1981 yılında kurulan CIGRE (International Council on Large Electric Systems)’nin çalışma grubu tarafından hazırlanmıştır. Bu çalışmada belirlenen yüksek sınır değerleri, daha sonra hazırlanan 122 EN 50160 “Genel elektrik şebekeleri tarafından sağlanan elektriğin gerilim karakteristikleri“ standardında harmonik sınırlamalar ile ilgili bölümün esasını oluşturmuştur. Çizelge 6.3’te CIGRE çalışma grubu tarafından 1981’de hazırlanmış olan, Avrupa Birliği ülkelerini kapsayan bir çalışma grubu sonucu verilmiştir. Yapılan çalışmaya göre harmonik bozulmayla ilgili sınır değerler düşük değer ve yüksek değer olmak üzere iki kategoriye ayrılmıştır. Buna göre; Düşük değer: Dağıtım sistemine genellikle sürekli bağlı büyük güçlü tesisler ve kuruluşlar için kullanılır, Yüksek değer: Dağıtım sistemine nadiren bağlanan küçük güçlü tesisler ve kuruluşlar için kullanılır. Çizelge 6.3. CIGRE Çalışma Grubu tarafından hazırlanan Avrupa Birliği Harmonik Bozulma Sınır Değerleri [28] Düşük Değer Yüksek Değer (%) (%) 3 1,5 2,5 15 5 4 6 17 1 2 7 4 5 19 0,8 1,5 9 0,8 1,5 21 11 2,5 3,5 23 0,8 1,5 13 2 3 25 0,8 1,5 n. Harmonik n. Harmonik Düşük Değer Yüksek Değer (%) (%) ≤0,3 ≤0,3 EN 50160 “Genel elektrik şebekeleri tarafından sağlanan elektriğin gerilim karakteristikleri “ standardına göre, normal çalışma şartları altında bir haftalık her bir periyot boyunca her bir münferit harmonik gerilimin 10 dakikalık ortalama etkin değerlerinin % 95'i Çizelge 6.4’te verilen değerlere eşit veya daha az olmalıdır. Ayrıca besleme geriliminin THB'si % 8'e eşit veya daha az olmalıdır. 123 Çizelge 6.4. Alçak gerilim sisteminde şebeke bağlantı noktasında izin verilen harmonik gerilimin değerleri Tek Harmonikler 3'ün Katları Olmayanlar Derece (n) Bağıl genlik Un Çift Harmonikler 3'ün Katı Olanlar Derece Bağıl genlik Derece (n) Bağıl genlik Un 5 6,0% 3 5,00% 2 2,00% 7 5,0% 9 1,50% 4 1,00% 11 3,5% 15 0,50% 6...24 0,50% 13 3,0% 21 0,50% 17 2,0% 19 1,5% 23 1,5% 25 1,5% * 25’ten daha yüksek dereceli harmonikler genellikle küçük aynı zamanda rezonans etkileri sebebiyle önceden tahmin edilmesi oldukça zor olduğundan bunlar için hiçbir değer verilmemiştir. EN 50160 standardında THB’nin bulunmasında 40. dereceye kadar olan harmonikler dahil edilerek hesaplama yapılmakta iken, IEEE std. 519-1992 ‘de THB’nin bulunmasında 50. dereceye kadar olan harmonik bileşenler hesap edilmektedir. 6.1.9. Harmonik akım EN 50160 ”Genel elektrik şebekeleri tarafından sağlanan elektriğin gerilim karakteristikleri “ standardında, alçak gerilim güç sistemlerinde yalnızca gerilimdeki harmonik bozulmaya ilişkin sınırlama getirilmiş, akımdaki harmonik bozulmaya ilişkin herhangi bir sınırlama tanımlanmamıştır. Alçak gerilim güç sistemlerinde akımdaki harmonik bozulmaya ilişkin sınırlama, IEEE std. 519-1992 “Elektrik Güç Sistemlerinde Harmonik Kontrol Gereksinimleri ve Uygulama Tavsiyeleri” standardında getirilmiş ve THB bulunmasında 50. dereceye kadar olan harmonik bileşenler dahil edilmiştir. 124 Çizelge 6.5. 120V-69000V Şebeke bağlantı noktasında izin verilen akım harmonik bileşenlerin sınır değerleri Harmonik Bileşenler İçin Sınır Değerler (%IL) ISC/IL <11 11≤n≤17 17≤n≤23 23≤n≤35 35≤n TDD <11 4 2 1,5 0,6 0,3 5 20<50 7 3,5 2,5 1 0,5 8 50<100 10 4,5 4 1,5 0,7 12 100<1000 12 5,5 5 2 1 15 >1000 15 7 6 2,5 1,4 20 * Ara harmonik bileşenler için sınır tam katsayı bileşenlerin %25 fazlasıdır. * DA içermemelidir. * Tüm jeneratörler için ISC/IL oranına bakılmaksızın harmonik bileşenler için belirtilen değerler geçerlidir. ∑ (6.1) (6.2) √ ∗ √ ∗ ∗ (6.3) Eş.6.1, 6.2, 6.3 ve Çizelge 6.5’de; TDD : Toplam talep yük değerine bağlı akımdaki bozulma oranıdır. ISC : Ortak bağlantı noktasındaki maksimum kısa devre akımı, IL : Ortak SSC : Ortak bağlantı noktasındaki kısa devre gücüdür. bağlantı noktasındaki maksimum temel frekans talep akımıdır. THD (Total Harmonic Distortion), birçok uygulama için çok kullanışlı bir tanımlama iken, IEEE std. 519-1992’de THD (Total Harmonic Distortion) değil, TDD (Total Demand Distortion) tanımlanmıştır. Bunun nedeni, THD ölçümünün bazen yanıltıcı olmasıdır. Örneğin yaralanabilir hız kontrol cihazlarının çok düşük yüklenme ile çalışmaları esnasında THD ölçümü yapılırsa, ortaya çıkan harmonik bozulma çok yüksek olacaktır. Ancak bu harmonik bileşenlerin genlikleri çok düşük olacağından güç sistemine etkisi dikkate alınmayacak kadar az olacaktır. Bu tip durumlarda THD 125 yerine TDD ölçülmesi daha doğru olacaktır. Çünkü harmonik bileşenlerin etkisi tam yük akımına oranla bulunmakta ve daha doğru sonuç vermektedir. 6.1.10. Ara harmonikler Temel frekansa (50 Hz ya da 60 Hz) yakın bir frekansta meydana gelen ve besleme geriliminin genlik modülasyonuna sebep olan ara harmonik gerilim durumu için, uyumluluk seviyeleri verilmiştir (Çizelge 6.6.). Özellikle aydınlatma cihazları gibi duyarlı yükler, kırpışmaya neden olan vuru etkisi gösterir. Vuru frekansı, ara harmonik ve temel frekanslar arasındaki farktır. Çizelge 6.6. Alçak gerilim şebekelerinde kırpışma etkisine göre uyumluluk seviyesi değerleri Um % Derece (m) Ara harmonik frekans (Hz) 0,20 < m ≤ 0,60 10 < fm ≤ 30 0,51 0,60 < m ≤ 0,64 30 < fm ≤ 32 0,43 0,64 < m ≤ 0,68 32 < fm ≤ 34 0,35 0,68 < m ≤ 0,72 34 < fm ≤ 36 0,28 0,72 < m ≤ 0,76 36 < fm ≤ 38 0,23 0,76 < m ≤ 0,84 38 < fm ≤ 42 0,18 0,84 < m ≤ 0,88 42 < fm ≤ 44 0,18 0,88 < m ≤ 0,92 44 < fm ≤ 46 0,24 0,92 < m ≤ 0,96 46 < fm ≤ 48 0,36 0,96 < m ≤ 1,04 48 < fm ≤ 52 0,64 1,04 < m ≤ 1,08 52 < fm ≤ 54 0,36 1, 08 < m ≤ 1,12 54 < fm ≤ 56 0,24 1,12 < m ≤ 1,16 56 < fm ≤ 58 0,18 1,16 < m ≤ 1,24 58 < fm ≤ 62 0,18 1, 24 < m ≤ 1,28 62 < fm ≤ 64 0,23 1,28 < m ≤ 1,32 64 < fm ≤ 66 0,28 1,32 < m ≤ 1,36 66 < fm ≤ 68 0,35 1,36 < m ≤ 1,40 68 < fm ≤ 70 0,43 1,4 < m ≤ 1,8 70 < fm ≤ 90 0,51 (Un= 230 V) 126 Ara harmonikler ile ilgili IEEE std. 519-1992’de ayrıca bir sınırlama getirilmemiştir. Yalnızca Çizelge 6.5’de tam katsayı harmonik bileşenler için belirtilen sınır değerlerin % 25 fazlasına izin verilebileceği belirtilmiştir. 6.2. Cihazlar Açısından Harmonik Sınır Değerler Cihazlar ile ilgili harmonik sınırlamalar EN–6100–3–2 Sınır değerler (Harmonik akım emisyonları için sınır değerler) standardında tanımlanmıştır. Buna göre elektrik enerjisi tüketen cihazlar için harmonik sınırlamalar üç grupta incelenmektedir. Cihazlar ile ilgili Toplam Harmonik Bozulmada, TS 7370 IEC 50-161:1996/T1 (TS 7370 IEC 60050-161) Milletlerarası elektroteknik sözlüğüne göre 40. harmonik bileşene kadar olan harmonikler dikkate alınmaktadır. Faz Başına Akımı 16 Amperden Küçük Cihazlar Üç Fazlı Dengesiz 16 Amper ile 75 Amper Arasında Olan Cihazlar Üç Fazlı Dengeli 16 Amper ile 75 Amper Arasında Olan Cihazlar 6.2.1. Faz başına 16 amperden küçük cihazlar için sınır değerler Elektrik şebekesine aktarılan harmonik akımların sınırlandırılması amacıyla, faz başına 16 Ampere kadar (16 Amper dahil ) giriş akımına sahip olan cihazların üretebileceği giriş akımının harmonik bileşenlerinin sınır değerleri, cihazların sınıflarına göre aşağıda belirtilmiştir. Ayrıca hiçbir harmonik akım sınır değerinin uygulanmadığı cihazlara da bu sınırlamalar uygulanır. Cihazların sınıflandırılması Harmonik akımlarının sınıflandırılmaktadır. sınırlandırması amacıyla cihazlar, aşağıdaki gibi 127 Sınıf A Cihazlar; Dengeli 3-fazlı cihaz, Sınıf D olarak belirtilen cihazlar hariç olmak üzere evde kullanılan aletler, Taşınabilir aletler hariç diğer aletler, Akkor lambalar için kısıcılar, Ses cihazları. Sınıf B Cihazlar; Taşınabilir aletler; Profesyonel olmayan ark kaynakları. Sınıf C Cihazlar; Aydınlatma cihazları. Sınıf D Cihazlar; Kişisel bilgisayarlar ve kişisel bilgisayar ekranları Televizyon alıcıları. Kullanılan cihaz parçalarının sayısı, kullanım süresi, eş zamanlı kullanma, güç tüketimi, harmonik spektrum gibi özelliklerinde değişiklik olması durumunda izin verilen harmonik akım sınırları yeniden değerlendirilebilmektedir. Diğer üç sınıftan birinde belirtilmeyen cihazlar, sınıf A olarak dikkate alınmaktadır. Sınıf A cihaz için harmonik sınır değerleri Sınıf A cihazlar için giriş akımı harmonik bileşenlerin sınır değerleri Çizelge 6.6’da tanımlanmıştır. 128 Çizelge 6.7. Sınıf A cihazlar için giriş akımının harmonik sınır değerleri Harmonik mertebe Azami izin verilebilen harmonik akım n (A) Tek harmonikler 3 2,3 5 1,14 7 0,77 9 0,4 11 0,33 13 0,21 15 ≤ n ≤ 39 0,15*15/n Çift harmonikler 2 1,08 4 0,43 6 0,3 8 ≤ n ≤ 40 0,23*8/n Sınıf B cihaz için sınır değerler Sınıf B cihaz için giriş akımının harmonikleri, Çizelge 6.7’de verilen değerlerin 1,5 katını aşmamalıdır. Sınıf C cihaz için sınır değerler Aktif giriş gücü 25 Watt’tan daha büyük bir güce sahip olan aydınlatma cihazları için harmonik akımlar, Çizelge 6.7’de verilen sınır değerlerini aşmamalıdır. Aktif giriş gücü ≤25 W 25 W’a eşit ya da daha küçük bir aktif giriş gücüne sahip olan aydınlatma cihazlarında; harmonik akımlar, Çizelge 6.8’de belirtilen güce ilişkin sınır değerleri aşmamalıdır ya da temel akımın %’si olarak belirtilen 3. harmonik akım, % 86’yı aşmamalıdır ve 5. harmonik ise, % 61’i aşmamalıdır. 129 Çizelge 6.8. Sınıf C cihazlar için giriş akımının harmonik sınır değerleri Harmonik mertebe In/IL (%) (n) 2 2 3 30 ·λ 5 10 7 7 9 5 11 ≤ n ≤ 39 3 Çizelge 6.8’de; λ : Sistemin güç faktörüdür. In : n. Harmonik bileşen akımıdır (A) IL : Temel Bileşen akımıdır (A) Sınıf D cihazlar için sınır değerler Sınıf D cihazlar için harmonik akımlar ve güç, Çizelge 6.9’da verilen değerleri aşmamalıdır. Çizelge 6.9. Sınıf D cihazlar için sınır değerler Harmonik Watt başına azami izin verilebilen Azami izin verilebilen mertebe (n) harmonik akım (mA/W) harmonik akım (A) 3 3,4 2,3 5 1,9 1,14 7 1 0,77 9 0,5 0,4 11 0,35 0,33 13 ≤ n ≤ 39 3,85 (tek harmonikler) (Bkz. Çizelge 1) 130 6.2.2. Faz başına akımı 16 amper ile 75 amper arasında olan cihazlar Elektrik şebekesine aktarılan harmonik akımların sınırlandırılması amacıyla, faz başına 16 Amper ile 75 Ampere kadar (75 Amper dahil ) giriş akımına sahip olan cihazların üretebileceği giriş akımının harmonik bileşenlerinin sınır değerleri, üç fazlı dengeli cihazlar için Çizelge 6.10’da ve üç fazlı dengesiz cihazlar için Çizelge 6.11’de gösterilmiştir. Çizelge 6.10. Üç fazlı dengesiz cihazlar için harmonik akım limitleri En düşük İzin Verilen Harmonik Akım İzin Verilen Harmonik RSCE (%In/Iref) Parametreler (%) I3 I5 I7 I9 I11 I13 THBI/Iref KAHA/Iref 33 21,6 10,7 7,2 3,8 3,1 2 23 23 66 24 13 8 5 4 3 26 26 120 27 15 10 6 5 4 30 30 250 35 20 13 9 8 6 40 40 ≥350 41 24 15 12 10 8 47 47 12. ve daha büyük harmonik bileşenlerin değeri (16/n %) değerini aşmamalıdır. Çizelge 6.11. Üç fazlı dengeli cihazlar için harmonik akım limitleri En düşük İzin Verilen Harmonik Akım İzin Verilen Harmonik RSCE (%In/Iref)* Parametreler (%) I5 I7 I9 I11 THBI/Iref KAHA/Iref 33 10,7 7,2 3,1 2 13 22 66 14 9 5 3 16 25 120 19 12 7 4 22 28 250 31 20 12 7 37 38 ≥350 40 25 15 10 48 46 * 12 ve daha büyük harmonik bileşenlerin değeri, (16/n %) değerini aşmamalıdır. 131 Çizelge 6.10 ve Çizelge 6.11’de; RSCE = SSC/S SSC = Un2/Z RSCE : Kısa Devre Oranı S : Cihazın görünür gücü SSC : Un : 3 Fazlı sistemde Fazlar arası Gerilimin rms değeri, Z : Kısa devre Empedansı, Iref : Temel Bileşen akımı rms değeri, In : n. Harmonik bileşenin akımı rms değeri THBI : Toplam Kısa Devre Gücü Harmonik Akımın r.m.s değeri, KAHA : Kısmi Ağırlıklı Harmonik Akımın r.m.s değeri, 6.3. Elektromanyetik Uyumluluk Seviyeleri 6.3.1. Uyumluluk seviyesine ilişkin şartlar Elektromanyetik uyumluluk (EMU), cihazın içinde çalıştığı elektromanyetik ortamda mevcut olan bozulmalar nedeniyle elektrik ve elektronik cihazın performansında oluşabilecek muhtemel kötüleşmeyle ilgilidir. Uyumluluk için, iki esas şart mevcuttur: Elektromanyetik ortamdaki bozulmalar, söz konusu ortamda çalışmakta olan cihazların performansında kabul edilemez bir kötüleşmeye neden olan bir seviyenin altında tutulmamalıdır. Elektromanyetik ortamda çalışmakta olan tüm cihazlar, ortamda bulundukları seviyelerdeki tüm bozulmalara karşı yeterli bağışıklığa sahip olmalıdır. Bozulma ve bağışıklığa ilişkin sınır değerler, birbirinden bağımsız olarak ayarlanamaz. Bozulma seviyesi ne kadar etkin bir şekilde kontrol edilirse, cihaza ilişkin bağışıklık talepleri o kadar az kısıtlayıcı olacaktır. Benzer şekilde, cihaz, yüksek seviyede bağışıklığa sahipse, bozulmaların yayınına ilişkin sınır değerleri daha esnek olacaktır. 132 Bu nedenle bozulma ve bağışıklık için benimsenen sınır değerler arasında daha yakın bir koordinasyon olması gereklidir. Bu çalışmada bahsedilen bozulma olayları, kamuya ait alçak gerilim güç besleme sistemlerinin düşük gerilim şebekelerinde iletilen olaylardır. Elektrik enerjisinin, üretildiği yerden kullanıcı cihaza kadar iletildiği nakil yolu, aynı zamanda, istenmeyen elektromanyetik bozulmaların da, aynı iletim hattı yoluyla cihaza ulaştığı yoldur. Her bir olaya ilişkin uyumluluk seviyesinin ayarlanmasında aşağıdaki üç değerlendirme dikkate alınmalıdır: Uyumluluk seviyesi, aşılması düşük bir olasılık (% 5) dahilinde olan bir ortam içerisinde oluşması beklenen bozulmanın seviyesidir. Bazı bozulma olaylarında, şiddet seviyeleri yüksektir ve bu yüzden, uzun dönemli bir incelemeye gerek duyulur, Uyumluluk seviyesi, bozulmaya ilişkin uygulamadaki sınır değerlerinin sağlanmasıyla elde edilebilen bozulma seviyesidir, Uygun fark değerleriyle birlikte ilgili ortamda çalışan cihazların sahip olmuş olduğu bağışıklığın bozulma seviyesi, uyumluluk seviyesidir. Bu nedenle uygulamada, bozulma seviyesinin olmadığı bir enerji dağıtım sistemi tesis etmek veya tüm bozulmalara dayanabilecek kadar bağışıklık seviyesi yüksek cihazlarla donatılmış bir güç sistemi kurulamaz. Bir güç sisteminde, izin verilen bozulmaların sistemde kullanılan cihazların bağışıklık seviyesinin altında olduğu güç kalitesi yeterli olacaktır. Yeni kurulacak tesis ve güç sistemlerinde maliyet etkinlik analizi sonucu, ihtiyaç duyulan bağışıklık seviyesine uygun cihaz seçimi yapmak çoğu zaman en ucuz ve etkili yöntem olacaktır. Ancak özellikle hâlihazırda kurulu tesislerde genellikle bu mümkün olmaz ve cihazların bağışıklık sistemini artırmak yerine, güç sistemindeki bozulmanın seviyesinin cihazların bağışıklık seviyesinin altına çekilmesi daha uygun bir çözüm olacaktır. Bunun içinde güç kalitesi probleminin tespit edilmesi ve değerlendirilmesi ve maliyet etkin olan çözüm yönteminin belirlenmesi gerekir. 133 6.3.2. Planlama seviyeleri Planlama seviyeleri, birincil olarak orta gerilimli ya da daha yüksek gerilimli şebekelerle ilgilidir. Ancak, düşük frekanslı iletilen bozulmalar, düşük gerilimli ve daha yüksek gerilimli şebekeler arasında her iki yönde de iletilebilir. Yayın sınır değerlerinin koordinasyonunda, tüm gerilim seviyeleri hesaba katılmalıdır. Planlama seviyesi, belirli bir bölgedeki güç besleme sisteminin planlanmasından ve çalıştırılmasından sorumlu olan kurum tarafından benimsenen bir değerdir ve söz konusu bölgedeki sisteme bağlanacak olan büyük yükler ve tesisatlar için yayın sınır değerlerinin ayarlanmasında kullanılır. Planlama seviyesi, yayın sınırlama işinin mümkün olduğunca eşit bir şekilde dağıtılmasında araç olarak kullanılır. Planlama seviyesi, uyumluluk seviyesinden daha yüksek bir seviyede olamaz. Genel olarak, ilgili bozulma olayı, besleme şebekesinin yapısı ve elektriksel karakteristikleri (yeterli bir şekilde tasarımlanması ve bakımının yapılması şartıyla), bozulmanın var olan seviyeleri, rezonans olasılığı ve yük profilleri gibi faktörlere bağlı olan bir marj değeri kadar daha düşüktür. Bu yüzden, planlama seviyesi içinde bulunulan duruma özgüdür. Planlama seviyesinin, temelde büyük cihazlarla ve tesisatlar ile ilgili olmasına rağmen, düşük gerilimde bağlanan çeşitli düşük güçteki cihazlar gibi diğer bozulma kaynakları da dikkate alınmalıdır. Büyük tesisatlardan gelen yayınları bir araya getirmek için mevcut olan marj değeri, sınır değerlerinin, düşük güçteki cihazlara ne kadar etkin bir şekilde uygulandığına bağlıdır. Bu konudaki herhangi bir zorluk, düşük güçteki cihazlardan kaynaklanan yayınlara ilişkin daha katı bir yaklaşımın gerekli olduğunun göstergesidir. En önemli amaç, öngörülen bozulma seviyesinin uyumluluk seviyesini geçmemesinin sağlanmasıdır. 134 6.3.3. Uyumluluk, yayın, bağışıklık ve planlama seviyeleri Elektromanyetik uyumluluk seviyeleri ve sınır değerleri, Şekil 6.1’de gösterilmiştir. Burada matematiksel olarak net olmamakla beraber, değerler arasındaki ilişkiler gösterilmiş, şematik açıdan önemli olması amaçlanmıştır. Özellikle, iki eğrinin birbirine göre olan konumları, üst üste binmenin meydana gelebileceğini gösterir ancak üst üste binmenin ne kadar çok olduğuna ilişkin doğruluk göstergesi olarak değerlendirilememektedir. Şekil 6.1. Uyumluluk seviyesi ile bağışıklık seviyesi arasındaki ilişki 6.4. Elektrik Piyasası Dağıtım Yönetmeliğinin İncelenmesi EPDK tarafından yayımlanan enerji piyasası dağıtım yönetmeliği hükümleri dağıtım şirketlerinin; iletim sisteminden dağıtım sistemine bağlantı noktasında verilen elektrik enerjisinin hizmet kalitesine bağlı olarak, sunduğu elektrik enerjisinin kalitesine ilişkin hususları açıklamaktadır [22]. 135 Bu yönetmelikte sorumlu dağıtım şirketleri görülmekle birlikte, dağıtım şirketleri sorumlu tutulduğu güç kalitesi kriterlerinden bazılarına (reaktif güç tüketimi, harmonik seviyelerine uyum vb.) müşterilerinin uymasını isteme hakkı tanınmıştır. Dağıtım şirketleri bu yönetmelikte belirtilen güç kalitesi sınır değerlerine (frekans, gerilim değişimi, gerilim dengesizliği, harmonik bozulma ve fliker) uymamaları durumunda tüketicilere karşı tazminat ödemekle yükümlüdür. Ayrıca bu yönetmeliğin kullanıcılar açısından önemi; belirtilen güç kalitesi seviyesi değerlerinin, kullanıcıların donanımları için tercih edecekleri bağışıklık seviyesine de işaret etmektedir. Seçilecek ya da tesis edilmiş donanım ile bağışıklık seviyesi karşılanamıyor ise bozulmalara karşı önlem alınmasına ihtiyaç olduğu değerlendirilmektedir. 6.4.1. Frekans Dağıtım şirketi tarafından normal işletme koşullarında sistem frekansı 49.8-50.2 Hz aralığında kontrol edilir. Sistem frekansının olağanüstü durumlarda 52.0 Hz’e çıkabileceği veya 47 Hz’e düşebileceği göz önünde bulundurularak, kullanıcıların donanımını 47.5-52.0 Hz aralığında sürekli, 47.0-47.5 Hz aralığına her girişinde ise, en az 20 saniye süre ile çalışacak şekilde tasarlanması gerekmektedir. Türkiye’nin enerji dağıtım sisteminde, sistem frekansı Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliğinde belirtilen sınırlar içerisinde Türkiye Elektrik İletim A.Ş. tarafından kontrol edilir. 6.4.2. Gerilim regülasyonu Dağıtım sisteminin işletilmesinde kararlı durum altındaki gerilim seviyesi, ilgili standartlara uygun olmalıdır. Normal işletme koşullarında; bağlantı noktasındaki gerilim, nominal gerilimin en fazla (±) % 5’i kadar değişebilir. Acil durumda kısa bir süre için bu gerilimin en fazla (-) % 8 ile (+) % 6 arasında değişimine izin verilir. Dağıtım şirketinin gerilim regülasyonuna ilişkin performansı, sistemin alçak gerilim tarafından ölçülür. 136 6.4.3. Gerilim dengesizliği Faz gerilimleri arasındaki en yüksek ve en düşük gerilim farkının, nominal gerilime oranı, her türlü yüklenme durumu için YG/AG dağıtım transformatörlerinin AG çıkışlarında % 10’u aşmaması gerekir. 6.4.4. Harmonik bozulma Dağıtım şirketi ve kullanıcı, EN 50160 “Genel elektrik şebekeleri tarafından sağlanan elektriğin gerilim karakteristikleri” standardında belirtilen harmonik sınır değerlerine uymakla yükümlüdür. Buna göre harmonik bozulmaya neden olan kullanıcıya, dağıtım şirketi tarafından durumun düzeltilmesi için otuz iş gününden az olmamak üzere süre tanınır. Bu süre içinde kullanıcı tarafından kusurlu durumun ortadan kaldırılamaması durumunda, iki gün öncesinden ihbar edilmek kaydı ile kullanıcının bağlantısı kesilir. Toplam harmonik bozulmaya ilişkin hizmet kalitesinin sağlanabilmesi için, ölçülen toplam harmonik bozulmanın, ölçüm süresinin % 5’inden daha uzun bir süre içinde % 8’den daha yüksek olmaması gerekir. 6.4.5. Kırpışma (Fliker) Dağıtım şirketi, fliker etkisi için kullanıcının ilgili standartlara uymasını sağlar. Fliker Pst ve Plt göstergesi aracılığıyla ölçülür. Fliker’e ilişkin hizmet kalitesinin sağlanabilmesi için; ölçülen Pst değerinin, ölçüm süresinin % 5’inden daha uzun bir süre içinde % 1’den daha yüksek olmaması gerekir. Bu sınır EN 50160 standardında da % 1 olarak tanımlanmıştır. Elektrik Piyasası Dağıtım Yönetmeliğinde ilave olarak, gerilim dengesizliği için Pst’ye bağlı bir tanımlama da vardır (Bkz. Çizelge 6.1). 137 6.4.6. Hizmetin sürekliliğine ilişkin performans göstergeleri Hizmetin sürekliliği, dağıtım şirketlerinin kullanıcıya sundukları hizmetlerin güvenilirliğini ifade eder. Hizmetin sürekliliğine ilişkin performans göstergeleri, bu göstergeler için öngörülen sınır değerler dikkate alınarak oluşturulur. Performans göstergelerinin oluşturulmasında, bir dakika ve üzerindeki kesintiler göz önüne alınır. İletim sisteminden kaynaklanan kesintiler, acil durumlar, ülke genelinde meydana gelen olağanüstü durumlar ve kullanıcı tarafından ödeme yapılmaması veya sözleşme ihlalleri nedenleriyle yapılan kesintiler bu kapsamda dikkate alınmaz. Hizmetin sürekliliğine ilişkin tanımlanmış performans göstergeleri aşağıda açıklanmıştır. EKSÜREGf ∑ (6.4) EKSÜREGj ∑ (6.5) Burada; EKSÜREGf : "f" fiderinin altı aylık dönemde uğradığı kesintilerin toplamı (saat), EKSÜREGj : Kullanıcı "j"nin altı aylık dönemde uğradığı kesintilerin toplamı (saat), ti : i’inci kesintinin süresini, TKSf : "f" fiderinin altı aylık dönemde uğradığı toplam kesinti sayısıdır. TKSj : "j" kullanıcısının altı aylık dönemde uğradığı toplam kesinti sayısıdır. Yukarıda belirtilen performans göstergeleri dışında, dağıtım şirketinin genel hizmet kalitesi performanslarının ölçülmesinde aşağıdaki göstergeler kullanılır. Bu göstergelere ilişkin sınır değerler olmamakla birlikte, dağıtım şirketinin sağladığı enerji kalitesinin ölçümünde doğrudan kullanılmaktadır. Çünkü bu göstergeler sağlanan enerjinin sürekliliği konusunda en net bilgiyi verir. 138 ∑ OKSÜREG OKSIKG ∗ ∑ (6.6) (6.7) Eş.6.6 ve Eş. 6.7’de; OKSÜREG : Sistem Ortalama Kesinti Süresi Göstergesi OKSIKG : Sistem Ortalama Kesinti Sıklığı Göstergesi a : j olayının süresi b : j olayından etkilenen kullanıcı sayısı c : j olayında sistemdeki kullanıcı sayısı d : Sistemdeki kullanıcı sayısı Bir fider için, aynı hesap döneminde hem EKSÜREGf hem de EKSIKGf göstergeleri için sınır değerlerin aşılması durumunda, dağıtım şirketi tarafından kullanıcıya en yüksek olan tazminat miktarı ödenir. Kullanıcıya ödenen tazminatlar, kullanıcının kendi hatasından kaynaklanmaması kaydı ile teçhizatta ortaya çıkan zararın tazminin talep edilmesi yönündeki haklarını da ortadan kaldırmaz. 139 7. ALÇAK GERİLİM GÜÇ SİSTEMİNDE HARMONİK ÖLÇÜMÜ VE HARMONİKLERİN AZALTILMASI Güç kalitesi problemlerinin en önemlilerinden biri haline gelen harmoniklerin tespiti ve gerekli önlemlerin alınmasının gerekliliğine önceki bölümlerde değinilmişti. Tez çalışmasının bu bölümünde, seçilen örnek bir alçak gerilim dağıtım sisteminde enerji (güç) analizörü ile ölçümler yapılarak, ölçüm sonuçları değerlendirilmiş ve alınması gereken önlemler belirlenmiştir. 7.1. Ölçüm Yapılan AG Dağıtım Sisteminin Belirlenmesi Ölçüm yapılacak alçak gerilim dağıtım sisteminin seçiminde, tespit edilmesi amaçlanan harmoniklerin, oluşmasına neden olan yüklerin yoğunlukla bulunmasına dikkat edilmiştir. Ayrıca ölçüm yapılabilecek çok sayıda dağıtım transformatörü ve dolayısı ile alçak gerilim dağıtım noktası olmasına rağmen ölçüm yapılan dağıtım sisteminde yüklerin çeşitliliğinin fazla olmasına da dikkat edilmiştir. Alçak gerilim dağıtım sistemindeki harmoniklerin ölçülmesinde, öncelikle belirtilen ölçütlere bağlı olarak birçok alçak gerilim dağıtım sistemi incelenmiş ve ölçüm yapılacak dağıtım sistemi seçilmiştir. Seçilen dağıtım sistemine ait dağıtım transformatörünün tek hat şeması Şekil 7.1’de, dağıtım sisteminin kolon şeması Şekil 7.2’de ve dağıtım sisteminin tek hat şeması Şekil 7.3’dedir. Seçilen dağıtım sistemine ait dağıtım transformatörü, 34,5 kV gerilim seviyesinde kapalı bir OG dağıtım sistemine bağlıdır. Dağıtım transformatörünün gücünün 400 kVA olması nedeniyle giriş hücresi için ayırıcı ve çıkış hücresi için SF6 gazlı kesici kullanılmıştır. Seçilen dağıtım transformatörünün çıkışında birçok alçak gerilim güç dağıtım panosu bulunmaktadır. Seçilen alçak gerilim ana dağıtım panosu ve buna bağlı yükler ile dağıtım sistemi üzerinde ölçüm yapılan nokta Şekil 7.3’de gösterilmiştir. 140 Şekil 7.1. Ölçüm için seçilen dağıtım transformatörünün tek hat şeması 141 Şekil 7.2. Ölçüm için seçilen dağıtım sistemine ait kolon şeması 142 Şekil 7.3. Ölçüm için seçilen dağıtım sistemine ait tek hat şeması Seçilen alçak gerilim dağıtım sistemindeki yükler, kesintisiz güç ihtiyacına bağlı olarak, dağıtım şebekesi üzerinden veya ayrı bir SKGK hattı üzerinden beslenmektedir. Ölçüm yapılan dağıtım sistemindeki yüklerin tipleri ve güç bilgileri dağılımı Çizelge 7.1’de görülmektedir. 143 Çizelge 7.1. Ölçüm yapılan dağıtım sistemindeki yükler Faz Sayısı Dağılım Adet Toplam Güç (kW) Flüoresan (Elektronik Balastlı 18W) 1 Dengeli 650 11,7 Bilgisayar 1 Dengeli 75 22,5 Server 1 Dengesiz 2 0,5 Yazıcı 1 Dengesiz 6 1 Baskı Devre Cihazı 1 Dengesiz 1 1,5 Klima 1 Dengeli 22 26,4 Termosifon 1 Dengeli 3 4,5 Plotter 1 Dengeli 3 5 Hidrofor 3 Dengeli 1 1,1 Özel Aydınlatma (Halojen) 1 Dengeli 48 2,4 Ölçü Aletleri Laboratuvarı 1 Dengeli * 5,5 Kalibrasyon Laboratuvarı 1 Dengesiz * 4,8 Statik Frekans Konvertörü (400 Hz) 3 Dengeli 1 8 Projektör 1 Dengesiz 7 4,5 Yük Tipi Toplam 99,4 * Laboratuvarlarda çok sayıda faklı tip ve kapasitede test ve ölçü aleti bulunmaktadır. Bu nedenle laboratuvarlarda bulunan cihazların toplam gücü verilmiştir. Seçilen dağıtım sistemindeki yükler incelendiğinde, hidrofor (asenkron motor) dışındaki yüklerin tamamının toplam akım harmonik bozulma (THBI) oranının önemli seviyede olduğu söylenebilir. Ticari binalarda ve meskenlerde yoğunlukla kullanılan yüklerin, gerilim ve akım toplam harmonik bozulma oranları Çizelge 7.2’de verilmiştir [29]. Seçilen dağıtım sisteminde bulunan yükler (Çizelge 7.1) ile Çizelge 7.2’de toplam gerilim harmonik bozulma (THBV) ve toplam akım harmonik bozulma (THBI) ölçümleri yapılan yükler incelendiğinde büyük ölçüde benzerlik gösterdiği görülmektedir. Buna göre seçilen dağıtım sisteminde yapılan ölçümler sonucunda, THBV’nin en fazla % 4 ve THBI’nın en fazla %99 olması beklenmektedir. 144 Çizelge 7.2. Örnek bazı yük tiplerinin harmonik bozulma oranları [29] THDv (%) THDı (%) Yük Tipi Güç Test Edilen Irms (A) Televizyon 50W 0,374 3,331 91,244 Monitör 100W 0,597 3,001 99,724 Şarj Cihazı 12V, 3A 3,068 3,286 45,581 Fan 80W 0,401 0,343 13,178 Floresan Lamba 2x55W 0,471 3,224 29,621 Klima 1100W 5,028 3,285 44,719 Soğutucu 220V, 4,4A 4,475 3,286 44,673 Çamaşır Makinesi 500W 2,774 3,285 42,013 Hidrofor 1HP 4,01 0,328 0,318 Su Isıtıcısı 1000W 5,186 3,272 24,384 7.2. Harmonik Ölçümlerin Yapılması Harmonik ölçümlerinde, kalibreli ve teknik özellikleri Çizelge 7.3’te verilen, Fluke marka 434B model enerji analizörü (Resim 7.1) ve ölçüm aksesuarları (Resim 7.2) kullanılmıştır. Ölçümler cihazın belleğine kaydedilerek, OC4USB model izoleli optik kablo ile bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Resim 7.1. Ölçümde kullanılan enerji analizörü 145 Resim 7.2. Ölçümde kullanılan enerji analizörünün aksesuarları Belirlenen alçak gerilim dağıtım sisteminde, öğleden önce ve öğleden sonra olmak üzere gün içerisinde iki kez, bir hafta süre ile ölçümler yapılmıştır. Yapılan tüm ölçümler değerlendirildiğinde, aktif güç tüketim oranında yaklaşık %15’lik ve toplam akım harmonik bozulmada (THBI) ise yaklaşık %5’lik değişim olduğu gözlemlenmiştir. Yapılan ölçümler ile dağıtım sistemindeki THB’nın seviyesi tespit edilmek istenildiğinden güç tüketiminin en fazla olduğu değil, en yüksek harmonik bozulmanın olduğu ölçüm tez çalışmasında değerlendirilmiştir. Buna kapsamda seçilen alçak gerilim dağıtım sistemindeki ölçüm sonuçları aşağıda verilmiştir. 146 Çizelge 7.3. Ölçümde kullanılan cihazın teknik özellikleri Gerilim (Vrms) Gerilim Crest Faktörü (CF) Akım Crest Faktörü (CF) Model Ölçüm aralığı Çözünürlük Hassaslık 434-II 1 V ila 1000 V fazö 1,0 > 2,8 0,1 V Vn ±%0,5'i 0.01 ±%5 5 A ila 6000 A 1:00 AM ± %0,5 ± 5 sayım 1 ila 10 0.01 ±%5 42,50 Hz ila 57,50 H Max. 6000 MW 0,01 Hz ± 0,01 Hz 0,1 W ile 1 MW 0,001 ±%1 ± 10 sayım i430 1 Hz Watt (VA, var) i430 0 ila 1 Güç faktörü (Cos j/DPF) kWh (kVAh, kvarh) i430 10x Pens ölçeklendirme ve V anmaya bağlıdır ±%0,1 @ anma yük k ll ±%1 ± 10 sayım Harmonik sıra (n) DC, 1 ile 50 Gruplandırma: IEC 61000-4-7'ye göre harmonik gruplar Harmonikler arası sıra (n) Kapalı, 1 ile 50 Gruplandırma: IEC 61000-4-7'ye göre harmonik ve harmonikler arası alt gruplar %f %0,0 ila %100 0,10% ±%0,1 ± n x %0,1 %r %0,0 ila %100 0,10% ±%0,1 ± n x %0,4 Mutlak 0,0 ila 1000 V 0,1 V ± %5 THD %0,0 ila %100 0,10% ±%2,5 %f %0,0 ila %100 0,10% ±%0,1 ± n x %0,1 %r %0,0 ila %100 0,10% ±%0,1 ± n x %0,4 Mutlak 0,0 ila 600 A 0,1 A ±%5 ± 5 sayım THD %0,0 ila %100 0,10% ±%2,5 Faz Açısı 0° - 360° 1° ± n x 1° Plt, Pst, Pst(1dk) Pinst 0,00 ila 20,00 0,01 ±%5 Gerilim Akım Gerilim % %0,0 ila %20,0 0,10% ±%0,1 Akım % %0,0 ila %20,0 0.10% ±%1 Çalışma sıcaklığı 0 °C ~ +40 °C; +40 °C ~ +50 °C pil hariç 147 Şekil 7.4. A,B,C fazlarına ait gerilim dalga şekli Şekil 7.5. A,B,C fazlarına dalga şekli ait akım Şekil 7.6. A fazına ait gerilim ve akım dalga şekli Şekil 7.7. B fazına ait gerilim ve akım dalga şekli Şekil 7.8. C fazına ait gerilim ve akım dalga şekli Şekil 7.9. A,B,C fazlarının gösterimi vektörel 148 Şekil 7.10. Nötr akımının harmonik spektrumu Şekil 7.11. Gerilim harmonik bileşenleri ve seviyeleri Şekil 7.12. Gerilim harmonik spektrumu Şekil 7.13. Akım harmonik bileşenleri ve seviyeleri (a) (b) Şekil 7.14. Akım harmonik spektrumu (a) 2.-17. bileşenler (b) 18-34. bileşenler 149 Şekil 7.15. A fazına ait akım harmonik spektrumu Şekil 7.16. B fazına ait akım harmonik spektrumu Şekil 7.17. C fazına ait akım harmonik spektrumu 7.3. Harmonik Ölçümlerin Değerlendirilmesi Seçilen alçak gerilim dağıtım sisteminde yapılan ölçümler ile güç sistemindeki harmonik bileşenlerin sayısı ve genliği, güç sisteminin güç faktörü, yüklerin dağılımı ve büyüklükleri, sistemden çekilen en fazla aktif ve reaktif güç bilgisi, güç sistemdeki akımda ve gerilimde oluşan toplam harmonik bozulmanı en fazla olduğu seviye vb. bilgiler elde edilmiştir. Ölçümler sonucunda, güç sistemindeki yükler (Bkz. Çizelge 7.1) ile bu yüklerin toplam harmonik bozulma değerlerinin (Bkz. Çizelge 7.2) uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Güç sisteminde akım ve gerilimde en fazla toplam harmonik bozulmanın görüldüğü ölçüm sonuçları Çizelge 7.4 ve Çizelge 7.5’de verilmiştir. 150 Seçilen dağıtım sisteminde, gerek gerilimde oluşan toplam harmonik bozulma oranı gerekse harmonik bileşen genlikleri açısından sınır değerler içerisinde olduğu, akımdaki harmonik bozulmanın ise gerek toplam harmonik bozulma oranı gerekse harmonik bileşen genlikleri açısından sınır değerlerin çok üzerinde olduğu gözlemlenmiştir. Nötr akımındaki toplam harmonik bozulma oranın yüksek olmasına karşın, nötr akımının çok düşük olması nedeniyle önemsenmemiştir. Akım harmonik bileşenleri incelendiğinde, en yüksek genliğe sahip bileşenlerin 5. ve 7. bileşenler olduğu görülmektedir. Güç sistemindeki tüm yükler incelendiğinde, bu harmonik bileşenlerin yoğunlukla güç sistemindeki 6 darbeli SKGK’dan kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Ayrıca güç sisteminde elektronik balast, güç kaynağı ve konvertörlerin olması, yüksek dereceli harmoniklerin bulunmasına neden olmaktadır. Çizelge 7.4. Ölçülen akım harmonik bileşenlerinin büyüklükleri Harmonik Bileşen (n) Ia Ib Ic In (%) (A) (%) (A) (%) (A) (%) (A) 2 3 4 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 6,5 14,7 3,4 60,2 51,3 3,2 15,1 3,8 2,1 <0,5 4,5 <0,5 5,5 <0,5 <0,5 4,5 21,4 48,4 11,2 198 169 10,5 49,7 12,5 6,91 <3 14,8 <3 18,1 <3 <3 14,8 6,8 3,0 3,9 63,5 42,9 2,1 10,1 4,5 <0,5 <0,5 4,5 <0,5 5,0 <0,5 <0,5 4,5 21,9 9,66 12,6 204 138 6,76 32,5 14,5 <3 <3 14,5 <3 16,1 <3 <3 14,5 7,1 12,6 4,5 71,1 52,2 3,9 14,8 3,6 2,1 <0,5 6,0 <0,5 4,0 <0,5 <0,5 4,0 22,6 40,1 14,3 226 166 12,4 47,1 11,4 6,68 <3 19,1 <3 12,7 <3 <3 12,7 <0,5 37 <0,5 13,4 6 6,9 2,4 1,2 0,8 <0,5 3,2 <0,5 1 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 THB (Akım) 83,0 273 78,3 252 91,7 292 40,6 8 151 Çizelge 7.5. Ölçülen gerilim harmonik bileşenlerinin büyüklükleri Harmonik Bileşen(n) Va Vb Vc Vn (%) (V) (%) (V) (%) (V) (%) (V) 2 3 4 5 7 9 11 13 15 <0,5 0,5 <0,5 3,1 2 0,8 <0,5 <0,5 <0,5 <1 <1 <1 6,76 4,36 1,74 <1 <1 <1 <0,5 0,5 <0,5 3,3 2,2 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <1 <1 <1 7,16 4,77 <1 <1 <1 <1 <0,5 <0,5 <0,5 2,9 2,2 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <1 <1 <1 6,26 4,75 <1 <1 <1 <1 <0,5 37 <0,5 13,4 6 6,9 2,4 1,2 0,8 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 THB (Gerilim) 3,9 8,5 4,1 8,9 3,7 7,99 40,6 0,1 7.4. Tespit Edilen Harmoniklerin Filtrelenmesinin Simülasyonu Seçilen güç sisteminde yapılan ölçümler neticesinde, sistemdeki harmonik bileşenler ve genlikleri tespit edilmiştir. Harmonik bileşenler incelendiğinde 3.,5.,7.ve 11. harmonik bileşenlerin genliklerinin yüksek olduğu ve toplam harmonik bozulmanın önemli kısmını bu bileşenlerin oluşturduğu görülmektedir. Her bir fazdaki harmonikler incelendiğinde ise sistemdeki tek fazlı yüklerin dağılımı nedeniyle toplam harmonik bozulma oranlarının farklılık gösterdiği görülmektedir. Ancak her fazda aynı harmonik bileşenler en yüksek genliğe sahiptir. Buna göre güç sisteminde 3.,5.,7.ve 11. harmonik bileşenlerin süzülmesinin akımdaki harmonik bozulmayı önemli oranda azaltacağı değerlendirilmektedir. Sistemdeki 3.,5.,7. harmonik bileşenlere tek ayarlı paralel pasif filtre tesis edilmesinin ve 11. harmonik bileşenin süzülmesi için ise yüksek mertebedeki harmoniklerin de kısmen süzülebilmesine imkan veren C tipi yüksek geçiren filtre tesis edilmesinin uygun çözüm olacağı değerlendirilmiştir. 152 7.4.1. Filtre elemanlarının değerlerinin belirlenmesi Güç sisteminde pasif filtre elemanları ile harmonikler filtrelenirken aynı zamanda reaktif güç kompanzasyonun da yapılabildiğinden daha önce bahsetmiştik. Şekil 7.18’de filtrede kullanılan bobin ve kondansatörün frekansa bağlı değişimi gösterilmektedir. Buna göre temel frekans değerinde gerekli kompanzasyonu sağlayabilecek kondansatör değeri için, azaltılması istenen harmonik bileşenin frekansında filtre empedansını, kalite faktörüne bağlı istenilen değere ayarlayabilecek bir endüktans değeri seçilebilir. Filtre ile istenilen harmonik bileşenin genliği azaltılabilirken, temel frekansta da reaktif güç kompanzasyonu sağlanmış olur [30]. Şekil 7.18. Filtre elemanlarının değerlerinin frekans ile değişimi 153 Qc : Reaktif güç kompanzasyonu için gerekli kondansatör gücü (VAr), P : Güç Sisteminin aktif gücü (W), 1 : Sistemin güç açısı, 2 : Sistemin istenen güç açısıdır. Güç sisteminde azaltılması uygun görülen dört harmonik bileşeni daha önce belirlemiştik. Buna göre sisteme 3 adet tek ayarlı paralel pasif filtre ile 1 adet C tipi yüksek geçiren filtre tesis edilecektir. Bu nedenle reaktif güç kompanzasyonu için gerekli kondansatör gücü 4 filtre ile karşılanacağından her bir filtrenin empedansı; 4 5,9571 4 23,8284 (7.3) Eş. 7.3’de bulunan değer doğrudan filtrenin kapasitansı yani XC’si olarak kullanılabilirdi. Ancak bu durumda filtrede kullanılacak bobinin endüktif reaktansı, istenilen oranda reaktif güç kompanzasyonun yapılabilmesini engelleyecektir. Bu nedenle Eş. 7.3 ile bulunan değer temel frekanstaki (50 Hz) empedansı, kapasitif reaktans ile endüktif reaktans arasındaki farktır. Bu farka göre reaktif güç kompanzasyonu yapılacağından temel frekanstaki filtre empedansı ve kapasitif reaktans; (7.4) (7.5) (7.6) Eşitliklerde; n : Filtrenin ayarlandığı harmonik bileşen frekansı Xn filtre : Filtre kolunun empedansı XC : Filtre kolundaki kondansatörün reaktansı XL : Filtre kolundaki bobinin reaktansı 154 Buna göre, 3. harmonik bileşen için tesis edilecek tek ayarlı paralel pasif filtre elemanlarının değerleri; , 26,807 5,386 , (7.7) (7.8) 26,807 3 2,9785 , 9,48 (7.9) şeklinde bulunur. 11. ve daha yüksek mertebedeki harmonik bileşenler için tesis edilecek C tipi filtre tasarımında, güç sisteminin temel frekanstaki reaktansı (XS) 1Ω ve filtrenin ayarlandığı frekanstaki izin verilen harmonik akım (ISF(hT)) 0.1 p.u. alınmıştır. Buna göre filtre elemanlarının değerleri; , 23,828Ω / (7.10) 1,1055Ω (7.11) , , , , , , , 5,35 3,003 (7.12) (7.13) Diğer filtre kollarında kullanılan filtre elemanlarının değerleri de hesaplanarak, kullanılacak kondansatör ve reaktör değerleri belirlenir (Çizelge 7.6). 155 Çizelge 7.6. Tasarlanan filtrelerdeki elemanların değerleri 150 Tek Ayarlı 250 3 5 7 11 Xc (Ω) 26,81 24,82 24,325 23,828 Qc (VAr) 5387 5818 5936 6060 XL (Ω) 2,98 0,99 0,50 L (mH) 9,48 3,16 1,58 Q 100 100 100 R (Ω) 0,09 0,05 0,03 Filtre Tipi Frekans (Hz) Harmonik bileşen (n) Tek Ayarlı Tek Ayarlı C Tipi 350 550 XLm (Ω), Xcm (Ω), Is(pu) 9,559 5,350 3,003 0,1 Ayrıca filtre elemanlarının, tepe gerilimi, etkin gerilim değeri, akımı reaktansı gibi karakteristik değerleri ölçüm sonuçları doğrultusunda belirlenir. Seçilen güç sisteminde, belirlenen harmoniklerin azaltılması için gerekli filtre elemanlarının değerleri belirlenmiştir. Simülasyonda Matlab 7.11 (R2010b) Simulink programında bulunan harmonik filtre blokları kullanılmıştır. 7.4.2. Hesaplanan filtrelerin rezonans kontrolü Filtrenin öngörülmeyen rezonans problemlerine yol açmaması için yapılan değerlendirmedir. Sisteme tesis edilen filtre ile şebeke ya da trafo empedansı dikkate alınarak sistemin rezonansa gireceği frekans değerinin kontrol edilmesidir. Tesis edilen filtrelerin rezonans frekansları Eş. 7.14 kullanılarak hesaplanmıştır. Hesaplanan rezonans frekansları ile seçilen filtrelerin uygun olduğu görülmektedir (Çizelge 7.7). (7.14) h0 : Filtre tesis edilmiş iken güç sisteminin rezonans frekansı 156 XT : Transformatörün empedansı (Ω), XC : Filtrenin kapasitif reaktansı (Ω), XL : Filtrenin endüktif reaktansıdır (Ω). Çizelge 7.7. Seçilen filtrelerin rezonans frekansları (XT = 0,03Ω) Frekans (Hz) Harmonik bileşen (n) h0 (n) 150 250 350 3 5 7 2,985 4,926 6,7976 7.4.3. Güç sisteminin bilgisayar destekli modellenmesi Bir güç sisteminde doğrusal yük grupları aktif (P) ve reaktif (Q)güç tüketim değerlerine göre R, L ve C elemanları kullanılarak modellenebilir. Burada P ve Q değerlerinin bilinmesi yeterli olacaktır. Şekil 7.19. Doğrusal olmayan yük gruplarının modellenmesi [9] Doğrusal olmayan yük gruplarının güç sisteminden harmonik bileşenleri içeren akımlar çektiği daha önce belirtilmişti. Buna göre doğrusal olmayan yük grupları 157 modellenirken, şebekeye ters bağlı ve içerdiği harmonik bileşen frekansında bir akım kaynağı olarak modellenir (Şekil 7.19). Doğrusal olmayan yük gruplarının modellenebilmesi için harmonik bileşenlerin sayısı ve bu bileşenlerin genlikleri bilinmelidir. Seçilen güç sisteminde güç analizörü ile harmonik bileşenler ve genlikleri belirlenmişti (Bkz. Çizelge 7.4). Buna göre seçilen alçak gerilim güç dağıtım sistemi, ölçüm sonuçlarına göre Matlab 7.11(R2010b) Simulink programında Şekil 7.20’deki gibi bilgisayar destekli modellenebilir. Güç sisteminin bilgisayar destekli modeli, doğrusal ve doğrusal olmayan yük grupları bloğu, ölçüm bloğu ve harmoniklerin azaltılmasının simülasyonunda kullanılacak harmonik filtre bloklarından oluşmaktadır. DOGRUSAL OLMAYAN YUK GRUBU pow ergui Faz A Discrete, Ts = 5e-005 s. Faz B Faz C A Out1 Conn1 a A B DOGRUSAL YUK GRUBU Brk1 Conn4 B a Conn2 b Conn5 C c Conn3 Uc Faz Transformator 34.5/0.4kV 400kVA A b B c C B A f5 f7 C c C B b B A a A C B A C B A Brk f3 B C Conn6 OLCUM BLOGU C C A f 11 Şekil 7.20. Seçilen güç dağıtım sisteminin bilgisayar destekli modeli 158 Doğrusal olmayan yük bloğu, her bir faz (A, B, C) için ayrı ayrı ölçüm sonuçlarından elde edilen harmonik bileşenler ve genlikleri kullanılarak Şekil 7.21’deki gibi oluşturulmuştur. Ölçüm sonuçlarında, her bir fazdaki harmonik bileşenlerin genlikleri farklı olduğundan ve tasarlanan filtrenin her bir faza etkisinin ayrı ayrı görülmesi istendiğinden doğrusal olmayan yük bloğu her faz için ayrı oluşturulmuştur. 1 IA3 150 Hz IA5 250 Hz IA7 350 Hz IA9 450 Hz IA11 550 Hz IA13 650 Hz IB5 250 Hz IB7 350 Hz IB9 450 Hz IB11 550 Hz IC5 250 Hz IC7 350 Hz IC9 450 Hz IA19 950 Hz IA23 1150 Hz IB15 750 Hz IB19 950 Hz IB23 1150 Hz IB29 1450 Hz IC15 750 Hz IC19 950 Hz IC23 1150 Hz IC29 1450 Hz IA29 1450 Hz IB13 650 Hz 3 Faz C IC3 150 Hz IA15 750 Hz 2 Faz B IB3 150 Hz Faz A IC11 550 Hz IC13 650 Hz Şekil 7.21. Doğrusal olmayan yük bloğu Ölçüm bloğu; aktif ve reaktif güç ölçümü, 3 faz akım ve gerilim dalga şekillerinin grafiği, her bir faza ait akım ve gerilimin dalga şekli ile etkin değerlerini, her bir fazdaki toplam akım harmonik bozulma değerini ve Fast Fourier Transform (FFT) ile güç sistemindeki her bir fazdaki harmonik bileşenlerin değerlerini ölçebilecek ve harmonik spektrumu gösterebilecek şekilde tasarlanmıştır (Şekil 7.22). 159 V I 1 A Vabc 3 faz VI PQ Active & Reactive Power P ve Q Conn1 RMS Iabc 1 2 B a Conn2 i - + Conn4 Ia b 3 C c Conn3 Uc Faz V-I Olcumu Ia rms 4 IaIbIc i - + Conn5 Ib i - + 5 Ic F(n) 6 f (k) Conn6 FFT 1 RMS Giris Matrisi FFT RMS 2 Harmonik Bilesen Degerleri 1 Out1 Va rms THD + v - THB Ia -K3 Ia %THD Va + - v Vb + v - Vc VaVbVc THD THB Ib THD THB Ic -K4 Ib %THD -K5 Ic %THD Şekil 7.22. Ölçüm bloğu 7.4.4. Güç sistemindeki harmoniklerin azaltılmasının simülasyonu Alçak gerilim dağıtım sistemi tasarlanan harmonik filtrelerin, devrede olmadığı ve devreye alındığı iki durum esas alınarak incelenecektir. Güç sisteminde harmonik filtre devrede değil Seçilen alçak gerilim dağıtım sisteminde, harmonik filtre devrede değil iken elde edilen simülasyon sonuçları; üç faza ait gerilim ve akım dalga şekilleri Şekil 7.23’te, her bir faza (A, B ve C) ait akım dalga şekli Şekil 7.24’te, her bir fazdaki harmonik bileşenler ve genliklerinin yer aldığı ölçüm bloğu Şekil 7.25’de ve güç sistemin harmonik spektrumu Şekil 7.26’da verilmiştir. 160 Şekil 7.23. Üç faza ait gerilim ve akım dalga şekli (filtre devrede değil) Şekil 7.24. Her bir faza ait akım dalga şekli (filtre devrede değil) 161 Şekil 7.25. Filtre devrede değil iken ölçüm sonuçları Çizelge 7.8. Ölçüm ve simülasyon sonucunda THBI oranları Faz Ölçüm THBI Simülasyon THBI A 83,0 84,76 B 78,3 78,45 C 91,7 90,24 162 Alçak Gerilim Dağıtım Sisteminde Harmonikler, Filtre Devrede Değil (Simulink) Total RMS = 296.8 DC = 3.6 Fund. RMS = 228.2 Harm. RMS = 189.7 AC RMS = 296.8 300 284.4 5.1 221.8 177.9 284.3 307.2 0 229.7 204 307.2 Ia Ib Ic 250 Akım (A) 200 150 100 50 0 5 10 15 20 25 30 Harmonik Bileşenler Şekil 7.26. Harmonik filtre devrede değil iken akım harmonik spektrumu Güç sistemindeki, her bir fazdaki toplam akım harmonik bozulmanın ölçüm ve simülasyon sonucunda elde edilen değerler çizelge 7.8’de verilmiş olup, simülasyon ile ölçüm sonuçları arasında ortalama %1 oranında değişim olduğu görülmektedir. Güç sisteminde harmonik filtrenin devrede olması durumu Güç sistemindeki hangi harmonik bileşenlerin azaltılması gerektiği ve bunun için gerekli filtre elemanları belirlenmişti. Belirlenen filtre elemanlarının değerlerine göre seçilen filtrelerin güç sistemine etkisi, Şekil 7.20’deki bilgisayar destekli modelde filtrelerin devreye bağlandığı kesicisinin kapatılması ile sağlanmıştır. Güç sistemine daha önceden belirlendiği gibi 3., 5. ve 7. harmonik bileşenler için tek ayarlı paralel pasif filtre ve 11. harmonik bileşene ayarlı C tipi yüksek geçiren filtre tesis edilmiştir. 163 Tesis edilen filtreler ile toplam akım harmonik bozulmanın azaltılması amaçlandığı gibi güç sisteminde ihtiyaç duyulan reaktif güç düzeltmesinin de yapılmasıdır. Harmonik filtre devreye alındığı durumda; üç faza ait gerilim ve akım dalga şekilleri Şekil 7.27’de, her bir faza ait gerilim dalga şekli Şekil 7.28’de, her bir faza ait akım dalga şekli Şekil 7.29’da, her bir fazdaki harmonik bileşenler ve genliklerinin yer aldığı ölçüm bloğu üzerinden elde edilen ölçüm sonuçları Şekil 7.30’da, her bir fazdaki filtrenin empedans frekans grafiği Şekil 7.31’de ve güç sistemin harmonik spektrumu Şekil 7.32’de görülmektedir. Şekil 7.27. Üç faza ait gerilim ve akım dalga şekli (filtre devrede ) 164 Şekil 7.28. Her bir faza ait gerilim Va, Vb, Vc dalga şekli (filtre devrede ) Şekil 7.29. Her bir faza ait akım Ia, Ib, Ic dalga şekli (filtre devrede ) 165 Şekil 7.30. A, B,C, fazlarındaki filtrelerin empedans frekans grafiği 166 Şekil 7.31. Harmonik filtre devrede iken ölçüm bloğu sonuçları Şekil 7.32. Harmonik filtre devrede iken akım harmonik spektrumu 167 Simülasyon sonuçlarının değerlendirmesi Alçak gerilim dağıtım sisteminde bulunan akım harmonik bileşenleri incelendiğinde, sistemde bulunan yüklerin özellikleri nedeniyle 3. ile 29. arasındaki tüm tek harmonik bileşenlerin bulunduğu, THBI‘nin ortalama %85 gibi yüksek bir değerde olduğu görülmektedir. Bununla birlikte THBI‘ye en çok etki eden bileşenler de 3., 5., 7. ve 11. harmonik bileşenlerdir. Tek ayarlı ve C tipi filtrelerden oluşan harmonik filtre devrede değil iken ve devreye alındıktan sonra filtre tesis edilen harmonik bileşenlerin büyüklükleri Çizelge 7.9’da gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre sisteme tesis edilen filtreler oldukça iyi performans göstermiş, filtre tesis edilen harmonik bileşenlerin büyüklüklerinde önemli oranda azalma sağlanmıştır. THBI oranı ise % 85 seviyelerinden, %15 seviyelerine indirilmiştir. Şekil 7.28’deki harmonik filtrenin devreye alınması sonrasındaki akım dalga şekli incelendiğinde, akım dalga şeklinin oldukça sinüssele yaklaştığı ve belirgin olarak yalnızca yüksek harmonik bileşenleri içerdiği görülebilmektedir. Çizelge 7.9. Harmonik filtre devrede ve değil iken harmonik bileşen büyüklükleri Harmonik Bileşenler (n) Ia Filtre Devrede Değil Ib Filtre Devrede Filtre Devrede Değil Ic Filtre Devrede Filtre Devrede Değil Filtre Devrede 3 39,83 2,83 6,90 1,52 34,30 2,58 5 191,40 10,93 200,50 11,97 220,40 12,77 7 170,70 13,78 142,30 14,37 169,60 14,89 11 51,02 10,37 34,25 7,15 50,25 13,35 13 15,60 5,78 18,01 5,33 14,81 6,88 15 9,72 7,67 15,46 9,91 10,24 7,67 THBI 84,76 14,49 78,45 13,59 90,24 14,64 168 Güç sistemindeki donanımın maruz kaldığı faz akımları 296 A seviyesinden 170 A seviyesine indirilmiştir. Böylelikle harmonik bileşenlerden kaynaklanan enerji kayıpları önemli oranda azaltılmış ve sistemdeki donanımın ömrünün uzaması sağlanmıştır. Güç sistemindeki harmonikler önemli ölçüde azaltılmasına karşın % 15 seviyelerinde kalmıştır. Bunun nedeni güç sistemindeki güç elektroniği esaslı yüklerin yüksek harmonik bileşenleri içermesidir. Sisteme tesis edilen filtreler sonrasında elde edilen harmonik azalmanın pek çok yük grubu için yeterli olacağı değerlendirilmektedir. Tesis edilen filtreler ile sistemdeki toplam akım harmonik bozulma önemli oranda azaltılmıştır. Ancak bu tip filtrelerde hassas yapılan hesaplama ve ayarlardan dolayı, filtreyi oluşturan elemanların değerinde zamanla oluşan değişmelere karşı sistemin izlenmesi gerekir. Ayrıca tesis edilen filtrelerin kapasitif değerleri, sistemin reaktif gücüne göre değiştirilemediğinden sistemdeki endüktif yüklerde azalma olduğunda kondansatörler devrede kalmaya devam edeceğinden, sistemin güç açısı kapasitif reaktife geçebilir. Bu durum tesis edilecek filtredeki kondansatör gücü azaltılarak, şebeke ölçüm noktasındaki merkezi kompanzasyon ile rahatlıkla önlenebilir. Yalnızca günün belli saatlerinde sistemde bulunan nonlineer yüklerin bulunduğu dağıtım sistemlerinde bu tip filtreler yüke en yakın yere tesis edilmelidir. Ayrıca seçilen alçak gerilim dağıtım sisteminde olduğu gibi gün içerisinde yük karakteristiği çok fazla değişmeyen sistemlerde filtreler, zaman saati ve kontaktörden oluşan basit ve maliyeti düşük kontrol elemanları ile kullanılabilir. 169 8. SONUÇ VE ÖNERİLER Elektrik enerjisi dağıtım sisteminde temel olarak güç kalitesi; sürekli, değişim oranı sınır değerler içerisinde kalan frekans ve genlikte, sinüs dalga şeklinde gerilim ile tanımlanabilir. Önceki yıllarda neredeyse olağan olarak kabul edilen elektrik enerjisi dağıtım sisteminde kısa kesintiler ve gerilim dalgalanmaları, günümüzde özellikle hassas üretim yapan endüstri kollarında ve ofislerde önlem alınmaması kabul edilemez güç kalitesi problemleri haline gelmiştir. Güç kalitesi problemleri özellikle elektronik ve mikroişlemci kontrollü cihaz ve makinelerde, çeşitli arızalara sebep olmakta, hatta güç kalitesine karşı duyarlı bu cihazlar arızalanmasalar bile, hatalı ölçme ve kontrol sonucunda kullanıldıkları endüstriyel üretim sistemlerde önemli ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Bu çalışmada güç kalitesine yönelik ABD’de ve AB’de yapılan araştırma sonuçları incelenmiş, güç kalitesi problemlerinin yol açtığı ekonomik kayıplar sektörel bazda incelenmiştir. Ayrıca bu problemlere karşı alınan tedbirler ve bu tedbirlerin kullanım sıklıkları incelenmiştir. Ülkemizde de benzer bir çalışmanın, ulusal boyutta ve çeşitli sektörleri (ticari, endüstri, mesken, hizmet, ulaşım vb.) kapsayacak şekilde yapılmasına ihtiyaç olduğu değerlendirilmektedir. Güç kalitesi problemlerinden kaynaklanan ekonomik kayıpları en aza indirmek için, ya bozulma seviyesinin olmadığı bir enerji dağıtım sistemi tesis etmek ya da tüm bozulmalara dayanabilecek kadar bağışıklık seviyesi yüksek cihazlarla donatılmış bir güç sistemi kurulması gerekir. Ancak uygulamada böyle bir güç sistemi kurmak mümkün değildir. Bir güç sisteminde, izin verilen bozulmaların sistemde kullanılan cihazların bağışıklık seviyesinin altında olduğu güç kalitesi yeterli olacaktır. Yeni kurulacak tesis ve güç sistemlerinde maliyet etkinlik analizi sonucu, ihtiyaç duyulan bağışıklık seviyesine uygun cihaz seçimi yapmak çoğu zaman en ucuz ve etkili yöntem olacaktır. Ancak özellikle elektrik dağıtım sistemi altyapısı kurulmuş tesislerde, genellikle bu mümkün olmaz ve cihazların bağışıklık sistemini artırmak yerine güç 170 sistemindeki bozulmanın seviyesinin cihazların bağışıklık seviyesinin altına çekilmesi gerekir. Bunun içinde güç kalitesi probleminin tespit edilmesi ve değerlendirilmesi ve maliyet etkin çözüm yönteminin belirlenmesi gerekir. Bu çalışmada güç sistemlerinde ortaya çıkabilecek güç kalitesi problemlerinin tespiti, sınıflandırması yapılmıştır. Güç kalitesi probleminin sınıfına göre alınması gereken önlemler belirlenmiş, farklı çözüm yöntemlerinin teknik açıdan olumlu ve olumsuz yönleri, maliyetleri, işletme ve bakım unsurları ortaya konmuştur. Güç kalitesi ile ilgili standartlar ve ulusal mevzuat incelendiğinde çok önemli bir eksiklik olduğu söylenemez. Uluslararası kuruluşlar tarafından hazırlanan güç kalitesi ile ilgili standartlar incelendiğinde, özellikle bazı terimlerin belirlenmesinde ve güç kalitesi ölçümü için kullanılacak terimin belirlenmesinde farklılıklar bulunmaktadır. Bu farklılıklar her ülkenin kendi mevzuatında açıklığa kavuşturulmuştur. Güç kalitesi ile ilgili ulusal mevzuat açısından en önemli problem ise, ilgili yönetmelikte güç kalitesi problemlerinde dağıtım şirketlerinin tüketicilere tazminat ödemesini zorunlu kıldığı sınırların oldukça yüksek olmasıdır. Ayrıca belirlenen sınır değerlerin aşımında dağıtım şirketleri tarafından tüketicilere ödenecek tazminatlar oldukça düşüktür. Burada abone sayısının çok fazla olması nedeniyle bu değerlendirme yapılmış olabilir. Ancak yönetmelikte tanımlanan tazminatı zorunlu kılan sınır değerlerin azaltılması ve tazminat miktarlarının artırılması, elektrik dağıtım şirketlerini güç kalitesi konusunda tedbir almaya ve dağıtım sistemi altyapısını güçlendirmeye sevk edecektir. İlgili yönetmelikte, hem tüketiciler hem de dağıtım şirketleri açısından güç kalitesi problemleri ile ilgili sınır değerlerin belirlenmesine esas teşkil edecek, ABD ve AB’de yapılan çalışmalara benzer, güç kalitesi ile ilgili mevcut durumu ortaya koyacak ulusal düzeyde bir çalışma yapılması gerekir. Bu çalışmadan elde edilecek bilgiler ile ulusal düzeyde bir güç kalitesi planı belirlenmeli, önümüzdeki yıllar için hem tüketicilere hem de dağıtım şirketlerine bu konuda rehberlik edecek bir 171 doküman ortaya konmalıdır. Aksi takdirde güç kalitesi ile ilgili belirlenen sınırlamalar, daha önce örnekleri olduğu gibi ya yetersiz kalacak ya da uygulamaya geçirilemeyip sürekli ötelenecektir. Birçok orta gerilim dağıtım transformatör merkezi ve bunlara bağlı alçak gerilim dağıtım sisteminden oluşan bir güç sisteminde, özellikle giriş harmonik bozulma oranları yüksek yük tiplerini barındıran bir alçak gerilim dağıtım sistemi harmonik ölçümü için seçilmiştir. Seçilen sistemde bir hafta süre ile her gün ve günün farklı saatlerinde ve harmonik ölçümü yapılmış, ölçüm sonuçları ve yük tipleri değerlendirilmiştir. Seçilen sistemdeki toplam akım harmonik bozulma oranını (THBI) azaltılmasına yönelik tek ayarlı ve C tipi paralel pasif filtreden oluşan filtre tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan filtrenin performansı Matlab 7.11 (R2010b) programında simülasyonu yapılarak test edilmiştir. Tasarlanan filtre ile güç sistemindeki THBI değeri % 85‘den %15 seviyesine indirilmiştir. Ayrıca filtrenin tasarımı ve kullanımına ilişkin hususlarda incelenmiştir. Bir güç sisteminde ortaya çıkan güç kalitesi problemini gidermek için birden fazla yöntem olabileceği göz önünde bulundurulmalı, öncelikle sistemde kullanılan yükler veya mevzuat açısından gerekli asgari güç kalitesi belirlenmeli ve bunu sağlayacak çözüm yöntemleri içerisinde maliyet, işletme, bakım, güvenirlilik, kullanım ömrü gibi hususlara göre karar verilmelidir. Örneğin bu çalışmada incelenen alçak gerilim dağıtım sistemindeki THBI oranı seçilen yöntem ile %15 seviyesine indirilmiştir. Daha düşük bir THBI oranı gerekli olduğunda, tüm harmonik bileşenleri filtreleyen bir yöntem olan aktif filtre seçilmelidir. Ancak bu durumda kurulum maliyeti oldukça artacak ve reaktif güç kompanzasyonu için ayrı bir sistem kurulması gerekecektir. Bir dağıtım sisteminde güç kalitesi problemi tespiti iyi yapılmalı, gerekli güç kalitesi seviyesi belirlenmeli, bu seviyeyi karşılayacak çözüm yöntemi, teknik hususlar ve maliyet açısından değerlendirilerek seçilmelidir. 172 KAYNAKLAR 1. Bollen, M.H.J., “Overview of power quality and power quality standards”, Understanding Power Quality Problems, John WILEY&Sons Inc., England, 2, 22 (1999). 2. Robert, A.,” Power quality”, Elektric Power System, Crabbe, M., John Wiley & Sons, Inc., Great Britain, 136-138 (2008). 3. Andersson, T., Nilsson, D., “Test and evaluation of voltage dip immunity”, STRI AB and Vatenfall AB, Sweden, 6-8, 13,14 (2002). 4. Dugan, R.C., Mcgranaghan, M.F., Beaty H.W., Santoso S., "Electrical Power Systems Quality 2nd ed.", McGraw-Hiil Comp., New York, 59-71, 78, 260-71 (1996). 5. Chattopadhyay, S., Mitra, M., Sengupta, S., “Electric Power Quality” Springer, Kolkata, 8-12 (2010). 6. Targosz, R., Manson, J., “European power quality survey report”, Leonardo Energy, European Copper Institute, Proceedings of 19th International Conference on Electricity Distribution (CIRED 2007), Vienna, 4, 23, 25-27 (2007). 7. Eberhard, A., “Power Quality” Intech, Croatia, 2-24 (2011). 8. Reid, E. W., “Power quality issues-standards and guidlines”, IEEE Trans on IA, Vol 32 No 1, 36-38 (1996). 9. IEEE std. 519 “Recommended practice for harmonic control and reactive compensation of static power converters”, 15, 57, 61, 62 (1992). 10. İnternet : Power Electronics Technology Magazine “CBEMA gerilim eğrisi” http://www.powerqualityworld.com/2011/04/cbema-curve-power-qualitystandard.html (2012). 11. Arrillaga, J, Smith, B.C, Watson, N.R, and Wod, A.R, " Power System Harmonic Analysis 2nd ed.", John WILEY&Sons Inc., Norwich, 81, 82, 150153 (2003). 12. İnternet : Power Electronics Technology Magazine “ITIC gerilim eğrisi” http://www.powerqualityworld.com/2011/04/itic-power-acceptability-curve.html (2012). 13. TS EN 50160 “Genel elektrik şebekeleri tarafından sağlanan elektriğin gerilim karakteristikleri“, 7-12 (2010). 173 14. IEC 62305, “Protection against lightning”, 4, 5, 11-18, 23 (2006). 15. Phoenix Contact,“ Power and Signal Quality, Trabtech Product Catalog”, 190-191 (2012). 16. Yumurtacı, R., “Elektrik Tesislerinde Harmonikler”, Birsen Yayınları, İstanbul, 54-55 (2003). 17. İnternet : ClimateTechWiki “Energy Storage: Superconducting magnetic energy storage” http://climatetechwiki.org/technology/jiqweb-ee (2013). 18. Sankaran, C., “Power Quality”, CRC Press LLC, New York, 86,87 (2002). 19. Gencer, Ö.Ö., Yörükeren, N., Alboyacı, B., İnan, E., “Aydınlatma aygıtlarındaki harmoniğin ölçümü, yok edilmesi ve simule edilmesiyle ilgili yeni bir algoritma”, 2. Ulusal Aydınlatma Sempozyumu, Diyarbakır, 82-84 (2003). 20. Sucu, M., “Elektrik Enerji Sistemlerinde Oluşan Harmoniklerin Filtrelenmesinin Bilgisayar Destekli Modellenmesi ve Simülasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 8-11, 22-29, (1993). 21. Kocatepe, C., Uzunoğlu, M., Yumurtacı, R., Karakaş, A., Arıkan, O., “Elektrik Tesislerinde Harmonikler”, Birsen Yayınları, İstanbul, 8-11, 150-156, 222-227 (2003). 22. EPDK, “Elektrik Piyasasında Dağıtım Sisteminde Sunulan Elektrik Enerjisinin Tedarik Sürekliliği, Ticari Ve Teknik Kalitesi Hakkında Yönetmeliği”, 6-11 (2008). 23. Kocatepe, C., Demir, A., “Güç Sistemlerinde Harmonik Üreten Elemanlara Genel Bakış”, Kaynak Elektrik Dergisi, 113: 46-50 (1998). 24. Temiz, İ.,”Farklı Stator Sargılı Asenkron Motorların Hava Aralığında Meydana Gelen Dalga Şeklinin Analizi”, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 15: 24-30 (1999). 25. İnternet : Mathworks, “Documantion Center, Sym Power Systems” http://www.mathworks.com/help/physmod/powersys/index.html (2013). 26. Dwyer, R., Nguyen, H. V., Ashmore, S. G., “C Filters for Wide-bandwidth Harmonic Attenuation with Low Losses”, IEEE Power Engineering Society Meeting, Singapore, 28-31 (2000). 27. Baggini, A., “Handbook of Power Quality”, John WILEY&Sons Inc., Bergamo, 226-228 (2008.) 174 28. Meynaud P., Robert A., GT CIGRE/ CC02 “Harmonics, characteristic parameters, methods of study, estimates os existing values in network” Electra, 77: 35-54 (1981). 29. Venkatesh, C., Kumar, D.S., “Modelling of Nonlinear Loads and Estimation of Harmonics in Industrial Distribution System”, Fifteenth National Power Systems Conference (NPSC), IIT Bombay, 593-595 (2008). 30. IEC 61642 “Industrial a.c. networks affected by harmonics – Application of filters and shunt capacitors” 48-54 (1997). 31. ANSI Standard C84.1, ANSI “Standard for Electrical Power Systems and Equipment-Voltage Ratings”, 3-4 (2006). 175 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı : UZAN, Osman Uyruğu : T.C. Doğum tarihi ve yeri : 15.08.1979 Konya Medeni hali : Evli Telefon : 312 298 5296 E-posta : [email protected]. Eğitim Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi Lisans Kocaeli Üniversitesi/ Elektrik Mühendisliği 2004 Önlisans Dokuz Eylül Üniversitesi/Elektrik Bölümü 2000 Lise Çınarlı Teknik ve EML/Elektrik Bölümü 1996 İş Deneyimi Yıl Yer Görev 1996-1998 İzdermak. Ltd.Şti. Elk.Sis.Tek. 2005-Halen 3’üncü HİBM K.lığı Konf.ve Prj.Ynt.Ş.Md. Yabancı Dil İngilizce Hobiler Basketbol, Tenis, Bilardo, Seyahat
