GİRİŞ
Her geçen yıl güç elektroniği tabanlı tahrik sistemlerinin kullanımı artmakta ve doğrusal olmayan yükler yaygınlaşmaktadır. Bu yaygınlaşma sonucunda, özellikle sanayi bölgelerinde şebeke harmonik kirliliği (background harmonic distortion) önemli ölçüde artış göstermektedir. Buna paralel olarak, enerji taleplerindeki sürekli artış nedeniyle, iletim ve dağıtım otoriteleri şebeke iletim kapasitelerini artırmak amacıyla cosφ hedef değerlerini yükseltme yoluna gitmiştir.
Bu süreçte, tesisatlardaki rezonans frekanslarının temel harmonik frekanslara yaklaşması, kompanzasyon sistemlerinde yalın kondansatör kullanımına bağlı arızaların artmasına neden olmaktadır. Sonuç olarak, günümüzde aşırı şebeke harmonik kirliliği ve yalın kondansatörler arasındaki rezonans ihtimali nedeniyle tüm kompanzasyon sistemlerinin detuned reaktörlerle donatılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Özellikle yeni tesis projelerinde, yalın kondansatörlü kompanzasyon sistemlerinin tercih edilmemesi gerektiği vurgulanmaktadır.
Bu bağlamda, detuned reaktör seçimi kritik bir faktör olarak öne çıkmaktadır. Yanlış ya da standart dışı tasarlanmış ve üretilmiş reaktörlerin kullanılması, sistemin tekrar yalın kondansatör sistemine dönmesine ve dolayısıyla şebekede rezonansların yeniden oluşmasına yol açmaktadır. Bu tür problemlerin önlenmesi için, reaktör seçiminde kalite ve uygunluk kriterleri dikkatle değerlendirilmelidir.
HARMONİKLER
Harmonikler, elektrik enerji sistemine doğrusal olmayan yüklerin bağlanmasıyla, temel frekansın katları şeklinde oluşan akım ve gerilim bileşenleridir. Doğrusal olmayan yüklerin başında; transformatörler, motorlar, kaynak makineleri, ark ocakları, hız kontrol cihazları, kesintisiz güç kaynakları ve güç elektroniği elemanı içeren diğer ekipmanlar yer almaktadır. Harmonikler, akım ve gerilim dalga şekillerinin ideal sinüs formundan sapmasına neden olur.
Son yıllarda, ara harmoniklerle ilgili bilimsel çalışmalara sıklıkla rastlanmaktadır; ancak, harmonik olarak tanımlanan frekanslar genellikle şehir şebekesinin temel frekansının tam katları şeklindedir. Bu nedenle, 100 Hz (2. harmonik) ile 2,5 kHz (50. harmonik) arasındaki frekanslar hesaplama ve ölçümlerde dikkate alınmaktadır.
REZONANS
Endüstriyel tesislerde transformatörler, motorlar ve benzeri endüktif yükler bulunmaktadır. Bu yükler nedeniyle, sistemde şebeke frekansına (f) bağlı bir XL endüktif reaktansı (Ω) oluşur. Ayrıca kompanzasyon tesisatında kullanılan kondansatörler de devrede yer alır ve XC kapasitif reaktansı (Ω) meydana getirir.
Aşağıdaki eşitlikte görüleceği üzere her iki reaktans da frekansın bir fonksiyonu olarak ifade edilirler. Birimi Henry olan endüktans “L” ile birimi Farad olan kondansatör sığası ise “C” ile sembolize sembolize edilir.
XL endüktif reaktansı (Ω) ve XC kapasitif reaktansı (Ω) da frekansın bir fonksiyonu olarak ifade edilirler. Bu endüktif ve kapasitif reaktanslar, sürekli bir titreşim devresi oluşturarak sistemin toplam rezonans frekansını belirler.
Ayrıca formülden görüldüğü üzere kondansatör akımı frekansı ile doğru orantılıdır, bobin (reaktör) akımı ise frekans ile ters orantılıdır.
Bir tesise yalın kondansatörlü kompanzasyon panosu eklendiğinde, titreşim devreleri oluşabilir ve bu da rezonanslara neden olabilir. Rezonansların oluşumunu önlemek amacıyla, kondansatörlerin önüne seri olarak detuned reaktörler bağlanmalıdır.
- GÜÇ KALİTESİ ÖLÇÜMÜ
İlk olarak, tesis edilecek sistemin ana dağıtım panosu girişinden A Sınıfı bir ölçüm cihazı ile güç kalitesi ölçümü yapılmalıdır. Detuned reaktör seçimi sırasında, elde edilen güç kalitesi ölçüm sonuçları detaylı biçimde analiz edilmelidir.
Detuned reaktör seçiminde dikkate alınması gereken ilk kriterler; nominal gerilim ve nominal frekans değerleridir ve bu değerler yapılan ölçümlerle belirlenmelidir.
Not: Tasarlanacak detuned reaktörlü kompanzasyon sistemi, yüklere paralel çalışacak şekilde planlanmalıdır. Sistem, başka bir aktif ya da pasif harmonik filtreye bağlı olmadan, tek başına sistem parametrelerine uyumlu ve kararlı çalışmalıdır. Böylece, herhangi bir durumda diğer filtre devre dışı kalsa bile kompanzasyon sistemi kesintisiz olarak çalışmaya devam edebilir.
Belirlenmesi gereken temel parametreler:
- Nominal Gerilimi [Volt]
- Nominal Frekansı [Hertz]
- Nominal Gücü [kVAr]
- Reaktör Faktörü [%p]
- Ayar Frekansı [Hertz]
- SERİ KONDANSATÖR- DETUNED REAKTÖR EŞLEŞMESİ:
Detuned reaktörün nominal gerilim ve frekansı belirlendikten sonra, seri bağlanacak kondansatörün gerilim seviyesi hesaplanmalıdır.
Ancak, kondansatöre seri bir reaktör bağlandığında, detuned reaktörün empedansı nedeniyle kondansatörlerin klemenslerindeki gerilim değeri nominal şebeke geriliminin üzerinde olacaktır. Bu nedenle, kondansatörün gerilim seviyesi hesaplanırken aşağıdaki formül dikkate alınmalıdır:
Önemli Not: Kondansatörün nominal gerilim seviyesi seçilirken, IEC 60831 standardında belirtilen izin verilen aşırı gerilim değerleri dikkate alınmamalıdır. Etiketindeki nominal çalışma gerilimi dikkate alınmalıdır. Bu değerler, kondansatörün sürekli çalışma gerilimi değildir, yalnızca geçici aşırı gerilimlere karşı dayanım seviyesini belirtmektedir.
Örnek Hesaplama :
Bara gerilimi Un = 400V olan bir tesisatta reaktör faktörü p=%7 seçilir ise , kondansatör klemenslerindeki gerilim, reaktörün empedansı nedeniyle şebeke geriliminden yüksek olacaktır.
Bu durumda kondansatör üzerindeki gerilim aşağıdaki formül ile hesaplanmalıdır ve Kompanzasyon tesisatının uzun ömürlü olması için kondansatörün şebeke gerilim toleransı da dikkate alınmalıdır. %10 gerilim toleransı eklenmelidir. Bu tolerans genellikle %10 olarak alınır ve nihai minimum gerilim seviyesi belirlenir.
UC=430,1V+43V=473,1V
Bu durumda, seçilecek kondansatörün gerilim dayanımı en az 473V olmalıdır.
Reaktör ve kondansatör seri bağlı olduğu için, reaktör üzerinden seri bağlanan kondansatörün çekeceği nominal akım akacaktır.
Detuned reaktörlü kompanzasyon sistemlerinde, kondansatörün mikrofarad (𝜇𝐹) değeri, sistemin rezonans frekansına ve reaktör endüktansına uygun olarak belirlenmelidir. Reaktörlerin belirli bir yüzdesi (𝑝) ve buna karşılık gelen rezonans frekansı (𝑓𝑟) esas alınarak uygun kondansatör değeri hesaplanmalıdır.
Genellikle detuned reaktörler %7 (189 Hz) veya %14 (134 Hz) gibi ayar değerleriyle tasarlanır. Bu değerler, sistemin kritik rezonans frekanslarından kaçınmasını ve harmonik akımların güvenli seviyede tutulmasını sağlar.
Yanlış bir kondansatör mikrofarad değeri seçilirse, sistemin rezonans frekansı değişebilir ve bu durum istenmeyen rezonans etkilerine neden olabilir.
- REAKTÖR FAKTÖRÜ:
Sanayide hız kontrol cihazları, UPS’ler ve benzeri doğrusal olmayan yükler yaygın olarak kullanılmaktadır. Hız kontrol cihazlarının giriş katında bulunan altı darbeli diyotlu doğrultucu devreler, 5., 7., 11., 13. gibi (h = np±1) harmonikler üretmekte olup birer harmonik akım kaynağı gibi davranmaktadır.
Hız kontrol cihazlarının ürettiği bu harmonikler, temel frekansın tam katları olup, 250 Hz, 350 Hz, 550 Hz, 650 Hz gibi frekans bileşenlerinden oluşmaktadır. Harmonik akımların şebeke empedansı üzerinden geçmesi sonucunda, harmonik gerilim bozulmaları oluşur ve bu da şebekede 250 Hz, 350 Hz, 550 Hz, 650 Hz gibi harmonik gerilim bileşenlerinin ortaya çıkmasına neden olur.
Sanayi tesislerinde, reaktif bedel ödenmemesi amacıyla, şebekeye paralel yalın kondansatörlü kompanzasyon tesisatları kurulmaktadır. Ancak bu tür sistemler, doğrusal olmayan yüklerin ürettiği harmonik akımların büyümesine ve ani rezonanslara neden olabilmektedir.
Bu rezonansları önlemek amacıyla, kondansatörlerin önüne seri detuned reaktörler bağlanarak, seri bir ayar devresi oluşturulmalıdır.
Sanayide en yaygın kullanılan doğrusal olmayan yük, giriş katı altı diyotlu olan hız kontrol cihazlarıdır. Bu cihazlarda harmonik akım bileşenleri 5. harmonikten (yani 250 Hz’den) itibaren başlar. Dolayısıyla sistemdeki rezonanslar genellikle 250 Hz ve üzeri frekanslarda oluşur.
Rezonansların ve harmonik akım bileşenlerinin büyümesini engellemek amacıyla, sistemde 250 Hz’nin etkisinden kaçınmak için, detuned reaktörün rezonans frekansı genellikle 189 Hz’e ayarlanmalıdır.
Bu sayede, detuned reaktörün ayar frekansı 189Hz seçilerek tesisatta istenmeyen rezonans etkileri önlenmiş olur ve de harmonik akım bileşenlerinin genliklerinin büyümesi engellenir, dolayısıyla gerilim harmonik bozulma oranı düşer.
| Reaktör Faktörü (p) ve Harmonikler | Rezonans Frekansı (fr) [fn= 50Hz için] |
| %14 Detuned Reaktör | 134Hz |
| 3. Harmonik | 150Hz |
| %7 Detuned Reaktör | 189Hz |
| 5. Harmonik | 250Hz |
Ayrıca, 134 Hz rezonans frekansına sahip %14’lük detuned reaktörler, 3. harmonik içeren tesisatlar için tercih edilmektedir.
- DETUNED REAKTÖRLÜ KOMPANZASYON PANOLARI TASARIMINDA KULLANILAN
ŞALT MALZEMELERİ:
- Kondansatörler IEC 60831
- Detuned Reaktörler IEC 60076-6
- NH Bıçaklı Yük Ayırıcıları IEC 60947-3
- Buşon Sigortalar IEC 60269
- Kondansatör Kontaktörleri IEC 60947-4-1
- Reaktif Güç Kontrol Rölesi
- Deşarj Bobinleri IEC 61558-2-20
- Fanlar IEC 60034-1
- Elektrik Panosu IEC 60439-1
Detuned reaktörlü kompanzasyon panosunda kullanılacak tüm malzemelerin ilgili kalite standartlarını karşılayıp karşılamadığı, sağlayıp sağlamadığı kontrol edilmelidir.
Tasarımda dikkat edilmesi gereken en kritik nokta, kondansatör ve detuned reaktör eşleşmesidir.
Detuned reaktör seçiminde, bağlantı terminallerinin bakır olması tercih edilmelidir, çünkü alüminyum terminaller gevşek bağlantı ve oksitlenme sorunlarına neden olmaktadır.
4.a. Kondansatörler ve Detuned Reaktörler:
Detuned reaktörlü kompanzasyon panosunda, kondansatörün gerilim seviyesi detuned reaktör faktörüne (p) bağlı olarak artar; bu nedenle seçimde hem nominal şebeke gerilimi (Un) hem de reaktör faktörü dikkate alınmalıdır. Seri bağlanan reaktör nedeniyle kondansatör klemenslerindeki gerçek gerilim, Un’nin üzerinde olacaktır. Bu değeri hesaplamak için Uc = Un ÷ (1 – p/100 %) formülü kullanılır. Örneğin Un=400 V, p=7 % alınırsa Uc ≃ 430 V; üzerine %10 gerilim toleransı eklenerek seçimde en az 473 V dayanımı hedeflenir.
IEC 60831 standardına göre kondansatörün nominal gerilimi aşılmamalı, izin verilen aşırı gerilim değerleri ise sadece kısa süreli dayanım içindir; sürekli çalışmada toleranslı gerilim değeri dikkate alınmamalıdır. Ayrıca, detuned sistemin rezonans frekansını (fr) belirlemek için p=fₙ²/fᵣ² veya fᵣ= fₙ/√p formülleri kullanılır; yaygın olarak p=7 % (fr≈189 Hz) veya p=14 % (fr≈134 Hz) seçilerek 250 Hz gibi yüksek harmoniklerin etkisi azaltılır.
Detuned reaktör tasarımında ise IEC 60076‑6’ya göre reaktör endüktansı, %7–%14 detuning oranı sağlayacak şekilde belirlenir; nüve doyumunu önleyecek çekirdek kesiti ve sargı kesiti seçilmeli, hava boşluğu ve manyetik özellikler lineer bölgede kalacak biçimde ayarlanmalıdır. Reaktörün üzerinden kondansatörün nominal akımının 1,8 katı akıma kadar geçse dahi endüktans değeri %5’ten fazla sapmamamlıdır. Ayrıca histeresis ve eddy-kayıpları (Pₙüve) ile omik kayıplar (Pₛargı) toplamı, harmonik frekanslı bileşenler dikkate alınarak minimize edilmeli; vakum altında vernikleme ile titreşim ve gürültü kontrolü sağlanmalı, bakır terminaller tercih edilerek uzun dönemli bağlantı güvenilirliği artırılmalıdır.
4.b. NH Bıçaklı Yük Ayırıcıları ve Buşon Sigortalar:
Detuned reaktörlü kompanzasyon panosunda kullanılacak olan NH Bıçaklı Yük Ayırıcıları IEC 60947-3 standardına ve NH sigorta buşonları IEC 60269 standardına uygun olmalıdır. Detuned reaktörlü kompanzasyon panoları elektrik tesisatlarında Ana Dağıtım Panosunun yanına veya karşısına monte edilirler. Tek hat şeması akışında besleme güç transformatörününden sonra ana dağıtım panosu ondan sonrada kompanzasyon panosu vardır. Bunun sonucu olarak kompanzasyon panosu barasının kısadevre gücü güç transformatörün kısadevre gücüne yakın bir değerdir. Bu nedenle, kompanzasyon panosunda 100kA kesme kapasiteli NH sigortalar kullanılmalıdır. Sigorta buşonlarının kısadevre anında parçalanma ihtimali olduğu için, insan can güvenliği için, sigorta buşonları NH bıçaklı yük ayırıcılarının içerisine monte edilmelidir. NH sigorta kullanılması sebebi akana nominal akımın 100Ampere seviyesinde akması değil, NH sigortaların kısadevre kesme kapasitesinin yüksek olmalarıdır. Bir kompanzasyon panosunda bir kademeden akan nominal akım 16 Ampere, 25Ampere seviyelerinde aksa dahi minyatür devre kesici ile kısadevre koruması yapılmamalı, NH00 sigorta buşonu ve yük ayırıcısı ile tesis edilmelidir.
4.c. Kondansatör Kontaktörleri :
Detuned reaktörlü kompanzasyon panosunda kullanılacak olan kontaktörler IEC 60947-4-1 standardını karşılamalıdır. Bu standarda göre kontaktörlerin kullanım sınıfları açıkça belirtilmiştir ve belirtilen kullanım sınıflarına göre, AC-6b kategorisi ön dirençli kontaktör kullanımı kompanzasyon panolarında gerekliliktir. Kademeden akacak nominal akımın bir boy üstü kondansatör kontaktörü seçimi yapılır.
4.d. Reaktif Güç Kontrol Rölesi:
Dilimize ingilizcesi power factor controller reaktif güç kontrol rölesi olarak geçmiştir ancak röle prensibi ile çalışmamakta, bir regülatör prensibi ile çalışmaktadır.Basamak basamak kademeleri devreye alır ve çıkartır. Elektronik bir ekipmandır kullanıcı dostu arayüzü olması ve ekranın geniş grafik ekran olması kulanım konforu sağlar. Hızlı ve doğru kademe öğrenme özelliğinin olması da kullanıcaya kolaylık sağlar. Elektrik tarifesinin endüktif reaktif te tan j 0,20, kapasitif reaktifte tan j 0,15 hedefini gerçekleştirebilmek için Kademelerin hassas olabilmesi için en az 12 kademeli, tercihen 18 kademeli olmalıdır. En az 5mAmpere algılama ölçüm değeri olmalıdır. Sabit kademelerin sakıncalarından dolayı, sabit kademe bağlantısını gerektirmeyen algoritma tercih edilmelidir. Kademe ömrünü uzatmak için eş yaşlandırma algoritması bulunmalıdır.
Reakif röle panonun giriş gözünün kapağına monte edilmeli ve kulanım kolaylığı için rahat erişebilir olmalıdır.
4.e. Deşarj Bobini:
Eğer kondansatörlerin devreye girme-çıkma süresi 8 saniyeden kısa ise, yalnızca üzerindeki deşarj dirençleri yeterli olmayabilir. Bu durumda ilave olarak deşarj bobinleri de monte edilmelidir.
4.f. Kondansatör Kademe Seçimi:
Reaktif güç kontrol rölesi (power factor controller) olarak adlandırılan bu cihazlar aslında klasik elektromekanik rölelerden farklı olarak dijital bir regülatör yapısına sahiptir. Bu regülatör, kondansatörleri tek bir büyük adımda değil, çok sayıda küçük kapasiteli kademe üzerinden kademeli biçimde devreye alır ve çıkarır.
Bu yapı, her bir müdahalede daha hassas bir ayar yapılmasına imkân tanır ve hedeflenen: tan φ = 0,20 (endüktif) veya tan φ = 0,15 (kapasitif) değerlerine yüksek çözünürlükle ulaşılır. Eğer büyük güçlü tek bir kademe tercih edilirse, kontaktörler kısa sürede çok sayıda açma-kapama yapmak zorunda kalır, bu da mekanik yıpranmayı hızlandırır ve hedeflenen güç faktörüne ulaşılmadan sistemin servis ömrünü kısaltır. Oysa küçük güçlü kademeler, her bir anahtarlamada daha düşük sistem akım darbesi yaratır; bu da kontaktör ömrünü uzatırken, sistemin daha kararlı çalışmasını sağlar.
Kademelerde kullanılacak kondansatör modüllerinin üç fazlı, 3 uçlu tipte olması hem kablajı basitleştirir hem de bakım ve yedek teminini kolaylaştırır. 6 uçlu kondansatörlerde kontaktörler modülün içinde kaldığından, bağlantı şeması karmaşıklaşır, bakım süresi uzar ve piyasadan yedek temini zorlaşır. Ayrıca sabit bir kondansatör kademesinin sürekli bağlı kalması, ana dağıtım panosundaki kompanzasyon şalteri açıldığında pano içinde enerjili nokta bırakabilir ve ciddi bir güvenlik riski oluşturur.
Bu nedenle, pano ön kapağında manuel butonlarla kademelere müdahale etme imkânı kaldırılmalı; tüm kademe geçişleri yalnızca reaktif güç kontrol rölesi tarafından, regülatör mantığıyla otomatik olarak sağlanmalıdır.
Bu yaklaşım, hem güvenlik açısından gereklidir hem de güç faktörü hedeflerine hassas ve sürdürülebilir biçimde ulaşılmasını sağlar.
- TASARIM
Detuned reaktörlü kompanzasyon panosu, 200 cm yüksekliğinde bir pano karkası içerisine yerleştirilmelidir. Yerleşim sırasında bakır bara, panonun üst bölümüne bara tarakları yardımıyla sabitlenmelidir. Bara tarakları, kısa devre durumunda bakır baraların birbirine çarpmasını önleyecek şekilde konumlandırılmalıdır. Panoda bileşenlerin sıralaması üstten aşağıya doğru; NH bıçaklı yük kesici şalter, kondansatör kontaktörleri, detuned reaktörler ve en altta kondansatörler olacak şekilde yapılmalıdır. Bu yerleşim sayesinde kondansatörler, detuned reaktörlerin ısı kayıplarından etkilenmeyecektir.
Piyasada yaygın olarak kullanılan kaset tipi tasarımlar, her bir kademede sigorta grubu, kontaktör, reaktör ve kondansatörün bir çekmece üzerine yerleştirildiği sistemlerdir. Ancak bu yapı, ciddi dezavantajlar barındırır. Detuned reaktörlerin oluşturduğu ısı, üzerinde bulunan kondansatörlerin sıcaklığını artırarak kondansatörlerin hızla sığa kaybetmesine yol açar. Sığa kaybı, detuned reaktör ile kondansatör arasındaki ayar frekansını değiştirir ve bu da kademenin erken servis dışı kalmasına neden olur.
Kaset tipi panoların yıllık bakım işlemleri de fiziksel açıdan zorludur. Örneğin en üst kademeyi bakım için yerinden çıkarmak, 1,8 metre yüksekliğe monte edilmiş yaklaşık 50 kilogram ağırlığında bir kasetin sökülmesini ve yeniden yerine takılmasını gerektirir. Bu işlem, tek bir kişi tarafından kolayca gerçekleştirilemez.
Bu tür zorlukların önüne geçilmesi için pano tasarımı, her bir kondansatörün pens ampermetre ile akımının kolayca ölçülmesine ve sığa kaybı yaşanan kondansatörlerin rahatça değiştirilebilmesine olanak tanıyacak şekilde yapılmalıdır. Tüm bağlantılar, halojen içermeyen (halogen free) esnek kablolarla ve sigorta akım değerlerine uygun kesitlerde gerçekleştirilmelidir.
Pano ön kapağı açıkken bile canlı noktalara doğrudan temas edilmemelidir. Bara ve diğer gerilim altında olan bölgeler, görüşü engellemeyen ancak teması önleyen, en az 5 mm kalınlığında esnemeyen fiberglass malzeme ile kaplanmalıdır. Bu bölgelere gerekli uyarı etiketleri de yerleştirilmelidir.
Elektrik odasında ana dağıtım panosu ile detuned reaktörlü kompanzasyon panosu karşılıklı yerleştirilecekse ve bağlantı kablo ile sağlanacaksa, kompanzasyon panosunda ayrı bir kablo bağlantı gözü bulunmalıdır. Ana dağıtım panosundan yalnızca tek bir irtibat giriş gözüne bağlantı yapılması yeterlidir. Ancak kompanzasyon panosu ana bara sistemiyle tasarlanmamışsa, örneğin kaset tipi bir yapıdaysa, ana dağıtım panosundaki her bir çıkış gözüne ayrı ayrı kablo bağlantısı yapılması gerekir. Bu durumda kabloların paralel bağlanması ve pabuçlanması ayrı bir transpozisyon çalışması gerektirir.
Son olarak, kondansatörlerin sıcaklık artışıyla servis ömrünü hızlı kaybettiği dikkate alındığında, kompanzasyon panosu IP20 koruma sınıfında ve havalandırmaya açık biçimde tasarlanmalıdır.
- SONUÇ
Ergun Elektrik tarafından geliştirilen ve tasarlanan detuned reaktörlü kompanzasyon panoları, verimli, dayanıklı ve bakım dostu bir çözüm sunmaktadır. Modüler yapısı, etkin soğutma sistemi ve yüksek kaliteli malzeme kullanımı sayesinde, bu panolar elektrik sistemlerinde uzun ömürlü ve düşük maliyetli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır.
Saha uygulamaları göstermiştir ki, detuned reaktörlü kompanzasyon panoları sadece reaktif enerji bedellerinin azaltılmasında değil, aynı zamanda şebekedeki harmonik kirliliğin sınırlandırılmasında da önemli katkılar sağlamaktadır.
Didem Ergun Sezer
Elektrik Mühendisi
Ergun Elektrik
