reaktđf güç kompanzasyonu

http://www.rps.com.tr
REAKTĐF GÜÇ
KOMPANZASYONU
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 1 / 22
http://www.rps.com.tr
ÖNEMLĐ UYARI
RPS Mühendislik tarafından yayınlanan dökümanlarda bulunan bilgiler müşterilerimizin
çalışma konularımız hakkında bilgi sahibi olmalarını sağlamak içindir. Teknik bir klavuz
olarak kullanılamaz.
Bilgilerin herhangi bir amaçla kullanılmasından dolayı oluşabilecek her türlü zarardan
uygulayıcı sorumlu olup firmamız meshul tutulamaz.
RPS Mühendislik firması bu dökümanda bulunan bilgilerin içeriğini değiştirme, düzeltme,
eklemeler ve çıkarmalar yapma ile yayından kaldırma hakkını gizli tutar. Dökümanlarda
bulunan bilgilerin ticari amaçlarla kullanılmasına ya da izinsiz şekilde çoğaltılıp satılmasına
izin vermez.
RPS Mühendislik Tarafından Yayınlanan Diğer Dökümanlar
Güncel dökümanlar için lütfen web sayfamızda bulunan “Teknik Destek” bölümünü ziyaret
ediniz.
Ayrıca küçük ipuçları bulabileceğiniz “Sıkça Sorulan Sorular” bölümümüzü de lütfen ziyaret
ediniz.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 2 / 22
http://www.rps.com.tr
ĐÇERĐK
1
Reaktif Güç Kompanzasyonu............................................................................................. 4
1.1
Reaktif Güç Nedir?..................................................................................................... 4
1.2
Reaktif Güç Kompanzasyonu (RGK) Nedir, Neden Önemlidir?............................... 6
1.3
RGK Yöntemleri ........................................................................................................ 7
1.3.1
RGK Noktalarının Seçimi .................................................................................. 7
1.3.2
RGK Teknikleri.................................................................................................. 8
1.3.2.1
Kontaktörlü veya TSC’li kompanzasyon ....................................................... 8
1.3.2.2
TCR .............................................................................................................. 10
1.3.2.3
Senkron Reaktif Güç Jeneratörü .................................................................. 11
1.3.2.4
STATCOM................................................................................................... 12
1.3.2.5
TSSC (“Thyristor Switched Series Capacitor”) ........................................... 13
1.3.2.6
Diğer Kompanzatörler ve Sık Kullanılanlar................................................. 13
1.3.3
AG RGK için Kontaktörlü ve Tristör Anahtarlamalı (TSC) Sistemlerin
Karşılaştırılması ............................................................................................................... 14
1.3.4
AG RGK Konusunda Sıkça Yapılan Hatalar ................................................... 17
1.3.5
RPS Mühendislik Tarafından Sunulan Çözümler ............................................ 21
ŞEKĐLLER
Şekil 1.1-1 Üretim, Đletim ve Dağıtım Sistemleri Genel Gösterimi........................................... 5
Şekil 1.1-2 Güç Üçgeni .............................................................................................................. 5
Şekil 1.3-1 Kademeli TSC Bazlı RGK için Devre Şeması ...................................................... 10
Şekil 1.3-2 TCR’li RGK için Genel Devre Şeması.................................................................. 11
Şekil 1.3-3 Senkron Kompanzatör veya STATCOM ile RGK ................................................ 12
Şekil 1.3-4 Kondansatörler Boşken Kontaktör Kapandığında Gözlemlenen Gerilim ve
Akımlar..................................................................................................................................... 14
Şekil 1.3-5 TSC’li Kompanzasyon için Kondansatör Gerilimleri ve Faz Akımları ................ 15
Şekil 1.3-6 Kondansatörlerin Boşalması Beklenmeden Kontaktör Kapanırsa Oluşan Gerilim
ve Akımlar................................................................................................................................ 16
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 3 / 22
http://www.rps.com.tr
1 Reaktif Güç Kompanzasyonu
1.1 Reaktif Güç Nedir?
Elektrik keşfedildiğinde ve kullanılmaya başlandığında sadece kimyasal pillerden oluşan DC
kaynaklar bulunmaktaydı. Zaman geçtikçe ve elektriğin kullanımı hayatın her alanında
yaygınlaştıkça, elektriği bir yerde üretip başka bir yere aktarma gerekliliği doğmuştur.
Aradaki mesafelerin gitgide büyümesi sonucunda elektriğin üretildiği yer ile kullanıldığı yer
arasında yüklenmenin (akımın) miktarına bağlı olarak çok yüksek gerilim düşümü olduğu
görülmüştür. Bu gerilim düşümünün sebebi elektriğin taşındığı hatların eşdeğer direncidir ve
bu direnci çok fazla küçültmeye çalışmak iletken kalınlığını arttıracağından oldukça maliyetli
olmaktadır. Direnç değeri ve çekilen akım değerinin çarpımı gerilim düşümünü verdiği için
direnci de çekilen akımı da mümkün olan en düşük seviyede tutmak gerekmektedir. Bilindiği
gibi aynı gücü elde etmek için gerilim artırılırsa akım düşer. Bu nedenle üretilen elektriğin
önce yüksek gerilime çıkarılması ve aynı güç için geçen akım değerinin düşürülmesi ile
gerilim düşümünün azaltılması denenmiştir. Fakat DC gerilimin iletim amacıyla yüksek
değerlere çıkarılması ve tekrar cihazlarda kullanılacak seviyeye indirilmesi her zaman
problem olmuştur. AC gerilim ise hem DC ye göre daha kolay üretilmesi hem de trafo
kullanılarak istenilen gerilim seviyesine kolaylıkla çıkarılıp ve indirilebilmesi nedeniyle tercih
edilmiştir. Sonuç olarak elektriği AC olarak üretmek, trafolar ile gerilimi makul seviyeye
yükseltip uzun mesafeleri kat etmek ve elektriğin kullanılacağı noktaya en yakın yerde yine
trafolar ile istenen gerilim seviyesine inilmesi temel alınmıştır.
Amerika kıtasının büyük kısmında 60Hz, Avrupa’da ve ülkemizde ise 50Hz frekansa sahip
AC elektrik üretilmekte ve kullanılmaktadır. Elektrik üretimi genel olarak 6.3-15kV arasında
yapılmakta iletim hatlarına geçerken trafo ile yüksek ve/veya çok yüksek gerilime (ülkemizde
154kV ve 380kV) çevrilmektedir. Bu duruma örnek Şekil 1.1-1’de verilmiştir. Bu sayede
uzun mesafeli iletim hatları üzerindeki gerilim düşümü ( IxR ) ve güç kaybı ( I 2 xR )
değerlerinin en aza indirilmesi amaçlanmaktadır. Fakat AC elektrik kullanımı bazı sorunları
da beraberinde getirmektedir. Bu sorunlardan biri de reaktif enerji tüketimidir.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 4 / 22
http://www.rps.com.tr
Santral
OG
10.5 kV
OG
OG/ÇYG trafo
ÇYG
(10.5/380 kV)
(380 kV)
ÇYG/OG trafo
OG
(380/34.5 kV)
OG/AG trafo
AG
(34.5/0.4 kV)
(34.5 kV
yükler)
(400 V
yükler)
Şekil 1.1-1 Üretim, Đletim ve Dağıtım Sistemleri Genel Gösterimi
Isı, ışık ve harekete dönüşen enerji, iş yapan enerji olarak tanımlanmaktadır. Elektrik
mühendisliğinde bu enerjinin birim zamandaki miktarına gerçek (aktif) güç denir ve birimi
Watt (W)’tır. Đş yapmayan ama manyetik ve elektrik alan meydana getirmek için kullanılan
enerjinin birim zamandaki miktarına ise sanal (reaktif) güç denir ve birimi Volt-Amper-reaktif
(VAr)’tir. Bu güç çeşidi tamamen AC elektrik kullanmanın sonucunda ortaya çıkmaktadır.
Yüklerde bulunan eşdeğer endüktanslarda depolanan manyetik alan enerjisi ve eşdeğer
kondansatörlerde depolanan elektrik alan enerjisi, elektriğin üretildiği kaynak ile tüketildiği
müşteri arasında sürekli akmakta ama gerçek anlamda iş yapmamaktadır. Dolayısıyla bu
enerjinin üretilmesine ve taşınmasına emek harcamak büyük kayıp olacaktır.
Şekil 1.1-2 Güç Üçgeni
Elektrik mühendisliğinde aktif güç ve reaktif güç kullanılarak güç üçgeni tanımlanmaktadır.
(Bkz. Şekil 1.1-2) Bu tanımlama sadece 50Hz’lik bileşenlerin olduğu yani harmoniklerin
bulunmadığı durum için, P aktif gücü (W), Q reaktif gücü (VAr), S ise görünen gücü (VA)
temsil etmektedir. Güç faktörü (pf) ise güç üçgeninde görülen P değerinin S değerine oranı
olarak tanımlanmaktadır.
Güç üçgeninden anlaşılacağı üzere aynı P değeri için Q artarsa S de artacaktır. S ’nin
artması demek, daha fazla akım ihtiyacı doğması demektir. Eğer reaktif güç, elektrik
santrallerinde üretilip müşteriye kadar taşınacak olursa, akımın daha fazla olması sebebiyle
elektrik hatları gereksiz yere yüklenecek ve aktif güç aktarımı miktarı azalacaktır. Halbuki
Şekil 1.1-2’de gösterilen θ açısı sıfır olsaydı, bir başka deyişle güç faktörü ( pf ) 1’e eşit
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 5 / 22
http://www.rps.com.tr
olsaydı aktarılan görünen gücün tamamı aktif güç olacaktı ve reaktif güç yüzünden oluşan
gereksiz hat yüklenmesi ve trafoların verimsiz kullanılması durumu oluşmayacaktı.
Đşte bu nedenlerle hem iletim hem de dağıtım safhasında elektrik hatları üzerinde akan reaktif
gücün en az seviyede tutulması, bu sayede sistemin neredeyse tamamen esas iş yapan aktif
güce ayrılması daha akıllıca olacaktır. Günümüzde ülkemizde ve bütün dünyada reaktif gücün
belli sınırlar içerisinde tutulmasının istenmesidir. Eğer bu değerler müşteri tarafından
sağlanmazsa cezai yaptırımlar uygulanmaktadır.
10/11/2004 tarihli ve 25639 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanan Elektrik Đletim Sistemi Arz
Güvenilirliği ve Kalitesi Yönetmeliğinin 11inci maddesinin birinci fıkrası ve bu fıkra üzerinde
yapılan 09/01/2007 tarihli ve 26398 sayılı Resmi Gazetede yayımlanan düzenlemeye göre
herhangi bir endüstriyel müşteri tarafından her bir uzlaşma periyodunda (çoğu zaman bir
aylık) sistemden çekilen endüktif reaktif enerjinin, aktif enerjiye oranı %20’yi, sisteme verilen
kapasitif reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı ise %15’i geçmemelidir. Verilen limit oranlar
kullanıldığına endüktif tarafta pf ’nin en az 0.98, kapasitif tarafta da en az 0.989 olması
gerektiği görülmektedir.
Endüstriyel yüklerin neredeyse tamamı endüktif tiptedir. Bunun sebebi kullanılan makinelerin
(motorlar, kaynaklar, kompresörler, vb...) eşdeğer endüktanslarının bulunmasıdır. Bu yükler
reaktif enerji talep ederler ve kompanse edilmeleri gerekir.
1.2 Reaktif Güç Kompanzasyonu (RGK) Nedir, Neden Önemlidir?
Reaktif güç tüketiminin kaçınılmaz olması bu gücün santrallerde üretilmesi gerekliliğini
getirmemektedir. Bu güç, tam kullanılacağı yerde, yüke seri veya paralel bir şekilde bağlanan
doğru devre elemanları ile üretilebilir. Örneğin endüktif yüklerin beslendiği baraya aynı güçte
kapasitif yük (kondansatör) bağlanarak endüktif yüklerin ihtiyacı olan reaktif güç, kapasitif
yükler tarafından sağlanmış olur. Bu sayede reaktif gücün elektrik hatlarında oluşturduğu
olumsuz etki ortadan kalkmış olur. Đşte RGK bu mantığa dayanır. Aşağıda bu durum
örneklenmiştir.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 6 / 22
http://www.rps.com.tr
400VAC 3-faz bir şebekeden 4kW aktif, 3kVAr reaktif güç çeken bir yük bulunmaktadır.
Kompanzasyon yapılmadığı durumda akım 7.22A olmaktadır. Fakat aynı aktif güç çekilirken,
reaktif güç kompanse edilirse bu akım düşecektir. 0.98 endüktif güç faktörü sağlanacak olursa
bu akım değeri 5.89A’e düşmektedir. Bu da hat kayıpları açısından bakıldığında %33 tasarruf
anlamına gelmektedir. RGK aynı zamanda gerilim regülasyonu açısından da önemlidir.
Örneğin:
Kısa devre gücü 100MVA olan 34.5kV şebeke üzerinden güç trafosu ile enerji aktarımı
yapılmaktadır. Trafo 1.6MVA gücünde, uk değeri %6.5 olan, 34.5/0.4 kV dağıtım trafosudur.
Yükün toplam gücü 1.50MVA, güç faktörü endüktif tarafta 0.81’dir. Bu durum için çözüm
yapıldığında hat akımı 2074.4A, bara gerilimi ise 383.4V olarak bulunmaktadır. Halbuki güç
faktörü endüktif tarafta 0.98 olacak şekilde RGK yapılırsa, hat akımı 1765.2A’e düşecek, bara
gerilimi de 394.7V seviyesinde olacaktır. Bu da %4.3 olan gerilim regülasyonunu, %1.3’e
düşürecektir.
1.3 RGK Yöntemleri
1.3.1 RGK Noktalarının Seçimi
RGK’nın, reaktif gücün talep edildiği noktaya en yakın yerde yapılması teorik olarak en
doğru çözümdür. Bu da hat kayıplarının en aza indirilmesi, hat ve trafoların da en yüksek
kapasitede kullanılabilmesi anlamına gelmektedir.
Endüstriyel sanayide genel olarak gerilimi 34.5kV seviyesinden 0.4kV’a indiren birden fazla
dağıtım trafosu bulunmaktadır. Dağıtım trafolarının AG taraflarında ise birbirlerinden farklı
yerlerde birden fazla yük bulunmaktadır. Bu tarz durumlarda, eğer yükler birbirlerinden çok
uzak değillerse trafonun AG çıkış noktasında yüklerin hepsi için bir kompanzasyon yapmak
daha doğru olacaktır. Her bir yükün yanına kendi kompanzasyon ünitesini koymak, çok
sayıda pano, işçilik ve karmaşıklık anlamına gelecek ve ekonomik olmayacaktır.
Fakat bazı durumlarda trafolardan yüklere çekilen hatlar uzun olabilir. Bu durumda RGK eğer
trafonun çıkışında yapılırsa, yüklerde yine gerilim regülasyonu problemi görülebilir ve bu
yüklere enerji taşıyan hatlar tam kapasitede çalıştırılamaz. Bu tip durumlarla karşılaşıldığında
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 7 / 22
http://www.rps.com.tr
en iyi çözüm, içinde bulunulan koşul düşünülerek gerekli analizlerin yapılması ve eğer
gerekirse her yüke ayrı kompanzasyon panosu tahsis edilmesidir.
Genelde endüstriyel sanayide sayaç değerleri için OG tarafı baz alınmaktadır. Dolayısıyla
eğer amaç yalnızca reaktif güç cezasından kurtulmak ise kompanzasyon sadece OG tarafında
da yapılabilir. Bu durumda bütün fabrika tek bir noktadan kompanse edilerek kompanzasyon
sistemi için harcanan yatırım maliyeti azalacaktır. Fakat daha önce de belirtildiği gibi, bu
durum da AG tarafındaki yüklerde gerilim regülasyonu problemleri olabilir ve ayrıca trafolar
üzerinden reaktif güç de çekileceği için trafoların anma gücüne yaklaşık değerlerde aktif
gücün çekilmesi mümkün olamayacaktır, çünkü trafo kapasitenin bir kısmı da yüklerin ihtiyaç
duyduğu reaktif güce ayrılacaktır (AG tarafında pf hala düşük olacaktır).
1.3.2 RGK Teknikleri
Şu ana kadar, reaktif güç kompanzasyonunun sabit bağlı kondansatör bankaları ile yapıldığı
varsayılmaktaydı. Bu düşük maliyetli fakat sınırlı yeteneğe sahip olan en temel yöntemdir.
Fakat, gerçek hayatta yükler sürekli devreye girip çıkmaktalar ve dolayısıyla ihtiyaç duyulan
reaktif güçte sürekli değişmektedir. Bu yüzden ihtiyaç duyulan reaktif güç sürekli takip
edilerek gerekli miktarda reaktif güç kompanzasyonu yapılmalıdır. Kullanılan teknikler kısaca
aşağıdaki şekilde özetlenebilir.
1.3.2.1 Kontaktörlü veya TSC’li kompanzasyon
Endüktif yükleri besleyen şebekelerde kullanılır. Kapasitif yüklerden oluşan kompanzasyon
bankalarının kontaktör ya da yarı iletken tabanlı TSC anahtarlar ile devreye alınıp çıkarılması
sayesinde reaktif güc kompanzasyonu yapılır.
•
Bu bankaların verdikleri güç değerleri belli bir gerilim için sabittir ve gerekli güç
değerine ulaşmak için reaktif güç talebi ölçülmeli, buna göre kademeli operasyon
yapılmalıdır.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 8 / 22
http://www.rps.com.tr
•
RGK bankalarını devreye alıp devreden çıkartmak için karar mekanizması olarak
reaktif güç ölçümü yapan ve anahtarlama sinyallerini yollayan bir röleye ihtiyaç
duyulur. Bu röle, anahtarlar yardımı ile RGK bankalarını kontrol eder.
•
Kompanzasyon bankaları yalın kondansatörlerden oluşabildiği gibi seri bağlı reaktör
ve kondansatör kombinasyonlarından da oluşabilir. Fakat yalın kondansatörler ile
RGK yapmak oldukça risklidir.
•
Seri bağlı reaktör ve kondansatör grupları ile istenildiği takdirde harmonik filtreleme
de yapılabilir. Bu tarz harmonik filtrelere akortlu filtre (“tuned harmonic filter”) de
denir. Eğer harmonik filtreleme istenmiyor ise “detuned” yani herhangi bir harmonik
akımı süzmek üzere akortlanmamış filtreler ile kompanzasyon sağlanabilir.
•
Anahtarlama operasyonu ya kontaktörlerle ya da tristörlü modüllerle yapılır. Tristör
anahtarlamalı kompanzasyon bankalarına TSC (“Thyristor Switched Capacitor”) adı
verilir.
•
TSC’lerin devreye girme ve devreden çıkma için tepki süreleri, akıllı algoritmalar
kullanılarak 20ms mertebesine indirilebilir.1
•
Burada kademelerin güçleri eşit seçilebileceği gibi farklı da olabilir. Benzer şekilde
kompanzasyon bankalarının L ve C değerleri, istenen reaktif güç miktarına ve akort
edilmek istenen frekansa göre belirlenir.
AG kompanzasyonu için ekonomikliği yüzünden yaygın olarak bu iki teknik kullanılmaktadır.
Kademeli yapıya sahip TSC kullanan bir kompanzasyon tekniğinin devre şeması Şekil
1.3-1’de verilmiştir.
1- TSC’ler için yapılan tüm açıklamalar RPS Mühendislik firmasının geliştirmiş olduğu VarFast TSC
modülü göz önüne alınarak yapılmıştır. Farklı firmaların üretmiş olduğu TSC’ler bahsedilen özellikleri
sağlamayabilir.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 9 / 22
http://www.rps.com.tr
Ls
L1
L2
Ln
r1
r2
rn
C1
C2
Cn
Şebeke
TSC
TSC
TSC
Kademe 1
Kademe 2
Kademe n
Yük
Şekil 1.3-1 Kademeli TSC Bazlı RGK için Devre Şeması
1.3.2.2 TCR
Genel devre şeması Şekil 1.3-2’de verilmiştir.
•
Ayarlanabilir reaktif güç çekmek üzere şebekeye paralel olarak TCR (“Thyristor
Controlled Reactor”), yani tristör kontrollü reaktör kullanılabilir. Dolayısıyla endüktif
ve değişken bir yükü kompanse etmek için RGK bankaları ile TCR aynı anda paralel
kullanılmalıdır.
•
Çok hızlı değişen yüklerin kompanzasyonunda kullanılır. Tepki süreleri 40-50 ms
mertebesindedir.
•
TCR, kademeli güç üretme yerine her ara değerde güç üretebilir yeteneğe sahiptir.
•
Uygun kontrol yöntemleri ile her faz bağımsız olarak kompanze edilebilir. Bu özellik
dengesiz yüklerin kompanzasyonu için önemlidir.
•
Endüstride ark ocakları gibi hızlı değişen ve dengesiz yüklerin kompanzasyonunda
kullanılmaktadırlar.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 10 / 22
http://www.rps.com.tr
Ls
L
Ltcr
r
C
Şebeke
Filtre
TCR
Yük
Şekil 1.3-2 TCR’li RGK için Genel Devre Şeması
•
Kompanzasyon bankalarının belli bir harmoniğe akort edilerek reaktif güç
üretmelerinin yanında harmonik filtrasyon yapmaları da sağlanmış olur. TCR ile
beraber harmonik filtrelerden oluşan bu sisteme SVC (“Static VAr Compensator”) adı
verilmiştir.
•
TCR’li SVC sistemleri ile her faz için dengesiz reaktif güç talebi de karşılanabilir.
Ayrıca faz başına çekilen aktif güçlerde de dengesizlik var ise, şebeke tarafından her
fazdan aynı aktif güç çekilmesi TCR ile sağlanabilir.
•
TSR (“Thyristor Switched Reactor”), yani tristör anahtarlamalı reaktör, sadece tam
güç ve sıfır güçte çalışabilirken, TCR ise bu iki noktanın arasındaki herhangi bir
reaktif güçte de çalışabilir ve oldukça hızlı tepki verebilir.
1.3.2.3 Senkron Reaktif Güç Jeneratörü
•
Senkron makineler sadece reaktif güç üretmek üzere çalıştırılarak RGK yapılabilir. Bu
yöntem genelde OG seviyesinde kullanılmaktadır ve bu sayede toplu kompanzasyon
yapılmış olur.
•
Jeneratör modunda çalıştırılan senkron makinenin uyartım akımı değiştirilerek ürettiği
reaktif güç miktarı ayarlanabilir.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 11 / 22
http://www.rps.com.tr
•
Söz konusu olan bir makine olduğu için yük değişimlerindeki tepkisi oldukça yavaş
kalacaktır. Tepki süresi 5-10 saniyedir.
•
Bu topolojide şebeke geriliminin faz açısı ile senkron makinenin faz açısı aynı
tutularak, araya konulan uygun değerli bir reaktör üzerinden şebekeye gerekli reaktif
gücün basılması sağlanır.
1.3.2.4 STATCOM
•
1.3.2.3’de verilen yöntemin hızlandırılmış bir versiyonu olarak yarı-iletken teknolojili
“Static Synchronous Compensator” (Statik Senkron Kompanzatör) geliştirilmiştir.
Burada gerilim kaynaklı (DC kondansatörler ile) ya da akım kaynaklı (reaktörler ile)
iki farklı topoloji kullanılabilir.
•
Yapılan akıllı yarı-iletken anahtarlamaları ile STATCOM çıkış gerilimi ayarlanarak
gerekli reaktif gücün şebekeye verilmesi veya şebekeden alınması sağlanır.
1.3.2.3 ve1.3.2.4’e ait devre şeması Şekil 1.3-3’te görülmektedir.
Vs
Ls
I
Şebeke
Lc
Vc
STATCOM
Değişken Yük
Şekil 1.3-3 Senkron Kompanzatör veya STATCOM ile RGK
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 12 / 22
http://www.rps.com.tr
1.3.2.5 TSSC (“Thyristor Switched Series Capacitor”)
•
Sırt sırta bağlı tristörler ile devreye alınan bir kondansatör bankası olup iletim
sistemlerinde hat üzerinde bulunan eşdeğer reaktansın düşürülerek gerilim kaybının
azaltılmasına ve kompanzasyon yapılabilmesini sağlar.
1.3.2.6 Diğer Kompanzatörler ve Sık Kullanılanlar
•
Bahsi geçen kompanzasyon topolojileri haricinde sık kullanılmamakla birlikte çok
üstün özellikli topolojiler de mevcuttur.
•
STATCOM uygulamaları şebekeye şönt bağlı uygulamalar olmasına rağmen, seri ve
şönt bağlı iki farklı STATCOM ile hem reaktif hem de aktif güç akışını kontrol etmek
mümkün olabilmektedir. Oldukça gelişmiş bir yapı olan bu topoloji UPFC (“Unified
Power Flow Controller”) olarak adlandırılır.
•
Burada bahsi geçen topolojiler haricindekiler artık neredeyse hiç kullanılmamaktadır.
•
Ülkemizde ise en yaygın kullanım AG kompanzasyonu için kontaktörler ile veya
tristör anahtarlamalı modüller ile devreye alınan akortlu veya akortsuz kompanzasyon
bankaları, OG için kontaktör ile devreye alınan akortlu veya akortsuz kompanzasyon
bankaları ve SVC (TCR+HF) sistemleridir. Bazı fabrikalarda Senkron Reaktif Güç
Jeneratörleri de kullanılmaktadır. TEĐAŞ’a ait iletim hatlarında mekanik anahtarlamalı
seri kondansatörler de bulunmaktadır.
•
Ülkemizde YG seviyesinde henüz herhangi bir STATCOM veya UPFC uygulaması
yoktur. Fakat OG seviyesinde STATCOM uygulamaları bulunmaktadır.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 13 / 22
http://www.rps.com.tr
1.3.3 AG
RGK
için
Kontaktörlü
ve
Tristör
Anahtarlamalı
(TSC)
Sistemlerin Karşılaştırılması
AG seviyesinde genelde “detuned” kompanzasyon bankaları kullanılmakta ve bu bankalar
kontaktörler aracılığıyla, reaktif güç rölesinin verdiği komutlara göre devreye alınıp
çıkarılmaktadır. Kontaktörler nispeten ucuz olmalarına rağmen, bir çok dezavantaja
sahiptirler. Bu dezavantajlar ve kontaktörler ile TSC’ler arasındaki farklar aşağıdaki gibidir:
1) Kontaktörlü sistemlerde kontaktör kapandıktan sonra açılmasına kadar geçen zaman uzun
tutulmalıdır. (1 saniye veya daha fazla) Bunun sebebi, kapanma sırasında 4-5 periyot boyunca
anma akım değerinden 4-5 kat daha fazla akım geçmesidir, akımların durağan duruma
oturması beklenmeden kontaktörü açma yapmak kontaktörde arıza ve yangın riskine neden
olacaktır.
Şekil 1.3-4 Kondansatörler Boşken Kontaktör Kapandığında Gözlemlenen Gerilim ve Akımlar
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 14 / 22
http://www.rps.com.tr
Şekil 1.3-4’te kondansatörler boş iken kontaktörler kapandığında gözlemlenen akım ve
gerilimler görülmektedir. Öte yandan, akıllı algoritmalara sahip bir TSC devreye girdikten
sonra akım değeri geçici-rejimsiz bir şekilde anma değere oturur (“transient-free”) ve TSC bir
periyot süresi içinde (en fazla 20msde) devreden çıkabilir.
Şekil 1.3-5’te TSC’nin devreye girip devreden çıkması sırasında gözlemlenen kondansatör
gerilimleri ve faz akımları, reaktif güç rölesinden gelen sinyal ile birlikte verilmiştir.
2) Kontaktörlü sistemler yavaştır, hızlı ve hassas kompanzasyon ihtiyaçlarını karşılayamazlar.
Bunun nedeni kontaktörlerin açıldıktan sonra kapanmasına kadar geçen zamanın uzun
olmasıdır (Bu süre eğer kondansatörlerin tam boşalması bekleniyorsa ve ekstra deşarj direnci
yoksa 60 saniye civarındadır).
Şekil 1.3-5 TSC’li Kompanzasyon için Kondansatör Gerilimleri ve Faz Akımları
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 15 / 22
http://www.rps.com.tr
Kondansatörler boşalmadan kapama yapılması, hem kontaktörler, hem reaktörler hem de
kondansatörler açısından oldukça zararlıdır ve kontaktörlerin bu şekilde çalıştırılması
durumunda çok kısa sürede arızalar ortaya çıkacaktır. Yalın kondansatör bankalar kullanılırsa
ve kondansatörün deşarj olması beklenmezse, anlık akımlar anma değerinden 100 kat fazla
olabilir. Kondansatörlerin boşalması beklenmeden kontaktör kapanırsa seri reaktörlü banka
üzerinde gözlemlenecek olan gerilim ve akımlar Şekil 1.3-6’da görülmektedir.
Standartlarda kondansatörlerin en çok 60 saniye içerisinde 50V seviyesine boşaltılması
gerekliliği belirtilmiştir. Bu can güvenliği açısından bir önlemdir. Bu süre, daha hızlı
kontaktör kapama yapmak üzere, kondansatörlerin deşarjı hızlandırılarak azaltılabilir fakat, bu
deşarj dirençler üzerinden yapılacağı için hem ek yatırım maliyeti hem de sürekli bir aktif güç
kaybı getirecektir.
Şekil 1.3-6 Kondansatörlerin Boşalması Beklenmeden Kontaktör Kapanırsa Oluşan Gerilim ve Akımlar
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 16 / 22
http://www.rps.com.tr
Öte yandan TSC, Şekil 1.3-6’de görüldüğü gibi, kondansatör gerilimlerinin boşalmasını
beklemeden bir periyot süresi içinde (en fazla 20ms) akım ve gerilimlerde geçici-rejim veya
harmonik oluşturmadan devreye girebilir. Dolayısıyla TSC’nin takip edebileceği röle sinyali
hızı 25Hz iken kontaktör için en fazla 0.1Hz olabilmektedir.
3) Kontaktörün kondansatörleri devreye alması sırasında geçen akımlar çok yüksek olduğu
için kontaktörlerin ömürleri uzun değildir. Genelde 1 seneden kısa bir sürede
arızalanmaktadırlar. Bu arızalar, çoğunlukla oluşan arklar ve ısınma yüzünden kontakların
yapışması ile oluşur. TSC’ler, yarı-iletken tabanlı (tristörlü) olduğu için mekanik herhangi bir
anahtarlama bulunmaz. Akımlar da hep anma değerlerde geçeceğinden TSC’nin ömrü daha
uzun olacaktır.
4)
Kontaktör
kapamaları
sırasındaki
yüksek
akımlar
hem
reaktörlerin
hem
de
kondansatörlerin ömrünü azaltır. Ayrıca kontaktörler kapandıktan ve açıldıktan sonra
gözlemlenen yüksek kondansatör gerilimleri de kondansatörlerin ömürlerini azaltır. Öte
yandan, kapanma sırasında kompanzasyonun akort edildiği frekansta geçici olarak yüksek
harmonik akımlar akar. Dolayısıyla kontaktörler, sadece kendilerinin değil kompanzasyon
bankalarının da ömürlerine olumsuz etkiler. Bu da yatırım maliyetinin düşük görünmesine
rağmen, daha sık malzeme değişimi ve tamir anlamına geldiği için orta ve uzun vadede
TSC’li sistemlere göre çok daha pahalıya mal olmaktadır. TSC’li sistemlerde kondansatörler
ve reaktörler, akım, gerilim veya harmonikler açısından stres altında kalmazlar.
5) Kontaktör kapamaları sırasında geçen yüksek akımlar yüzünden sistem oldukça gürültülü
çalışmaktadır. TSC ise devreye girme sırasında geçen akımlar geçici rejimsiz olacağından,
oldukça sessiz çalışır.
1.3.4 AG RGK Konusunda Sıkça Yapılan Hatalar
1) Kompanzasyon bankalarının yalın kondansatörlerden oluşması: Bu durum paralel
rezonansa sebep olabileceği için son derece tehlikelidir. Yüksek gerilimler ve yüksek
harmonik akımlar oluşması sonucunda çoğu zaman kondansatörler patlar. Mutlaka
akortlu
RGK_v1.0
Ocak 2009
(“tuned”)
ya
da
akortsuz
(“detuned”)
harmonik
filtre
kullanmak
Sayfa 17 / 22
http://www.rps.com.tr
gerekmektedir. Bu durum hem kontaktörlü hem de TSC’li kompanzasyon panoları için
geçerlidir.
2) Kondansatör anma gerilim değerlerinin 400Vrms seçilmesi: Kontaktörlü
sistemlerde açma ve kapamalar sırasında kondansatörler çok yüksek gerilimler görür.
(Kısa süreli 1500VDC!) Dolayısıyla 400Vrms anma değere sahip kondansatörler
kullanılırsa ömürleri oldukça kısalacaktır. TSC’li sistemlerde ise, yüksek gerilimler
görülmemesine rağmen, kondansatör gerilimi, akort frekansına bağlı olarak bara
geriliminden 1.07 ila 1.2 kat daha fazla olmaktadır. Đşte bu yüzden seçilen
kondansatörlerin kontaktörlü sistemlerde de TSC’li sistemlerde de en az 480Vrms
anma değere sahip olması önerilir.
3) Kompanzasyon bankalarının akort frekanslarının dikkatsizce seçilmesi: Akort
frekansı seçilen kondansatör ve reaktör değerlerine bağlıdır. Harmonik akım filtreleme
yapmak istenmesi veya istenmemesi durumuna göre, kompanzasyon bankası akort
edilir. Bir başka konu ise bu bankanın şebeke ile birlikte gireceği paralel rezonans
frekansının bilinmesidir. Bu oldukça ciddi bir konudur ve yetersiz bilgiye sahip
kişilerce oluşturulan kompanzasyon bankaları büyük riskler taşır.
4) Kompanzasyon bankası gücünün kondansatör anma gücü değeri kullanılarak
belirlenmesi: Kondansatörlerin güçleri genelde belirli bir gerilim seviyesinde verilir.
Örnek olarak 480Vrms anma gerilim değerli bir kondansatörün gücü 30kVAr verildi
ise, bu kondansatör yalın halde şebekeye bağlandığında 30kVAr üretmeyecektir.
Reaktif güç gerilimin karesi ile doğru orantılı olacağından bu değer 400Vrms’de
24.8kVAr’a düşecektir. Ayrıca kompanzasyon bankasında bulunan seri reaktör
üzerindeki endüktif reaktif güç düşümü, bankanın gücünün hesaplamasında dikkate
alınmalıdır.
5) Kontaktörlü sistemler için hızlı (transistör çıkışlı) reaktif güç rölesi kullanılması:
Reaktif güç röleleri iki tiptedir. Bunlardan yavaş olanlarında sadece mekanik (kuru)
kontak çıkışları vardır ve bu kontaklar 100 milisaniyeler mertebesinde konum
değiştirebilirler. Hızlı reaktif güç röleleri ise transistör çıkışlıdırlar ve bunlar
milisaniyeler mertebesinde konum değiştirebilirler. Eğer hızlı bir reaktif güç rölesi
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 18 / 22
http://www.rps.com.tr
kontaktörleri yönetmek üzere kullanılırsa ve sistemde de hızlı değişen yükler mevcut
ise kontaktörler kısa sürede arızalanacaktır. Çünkü kontaktörler bu kadar hızlı açma
kapama yaparlar ise ömürleri oldukça kısalır, ayrıca kondansatör ve reaktör
bankalarının da zarar görmesi olasıdır. Önlem alınmaz ve çalışmaya devam edilirse
pano içerisinde yangın dahi çıkabilir.
6) TSC’li sistemlerden yeterli hız performansının alınamaması: TSC’li sistemler
kontaktörlü sistemlere göre çok daha hızlı devreye girip çıkabilir (Tepki süresi en
fazla 20ms). Bu nedenle hızlı devreye girip çıkan punto kaynak makineleri, ark
ocakları, tekstil yükleri gibi yüklerde RGK, kontaktörlü değil TSC’li sistemler ile
ancak sağlanabilir. Fakat TSC’nin beklenen performansı sağlaması için seçilen reaktif
güç rölesinin de hızlı olması gerekir. Eğer yavaş (mekanik kontaklı) bir reaktif güç
rölesi kullanılırsa, TSC de yavaş çalışacaktır ve hızlı değişen, dinamik yüklerin
kompanzasyon ihtiyacını karşılayamayacaktır. Bu röle, yüklerin yavaş değiştiği ve
hızlı kompanzasyona gerek olmayan yerlerde TSC ile birlikte kullanılabilir. Bunun hiç
bir sakıncası yoktur. Aksine kontaktörlü sistemlerden çok daha güvenli, sessiz ve
geçici-rejimsiz çalışacaktır. Ama TSC’nin yüksek hız performansından faydalanılmak
isteniyorsa mutlaka hızlı (reaktif güç hesabını hızlı yapan ve transistör çıkışlı) reaktif
güç rölesi kullanılmalıdır.
7) TSC’li sistemlerde pano içerisine yüksek gerilim sönümlendirici ekipman
kullanılmaması: TSC’li RGK panolarında, TSC operasyonundan kaynaklı yüksek
gerilimler oluşmaz. Fakat, kompanzasyonu yapılan AG tarafında ve hatta OG
seviyesinde bulunan yüksek güçlü bazı yüklerin (motor, haddehane, kaynak makinesi
gibi) devreden çıkması sırasında şebekede kısa süreli gerilim darbeleri oluşur. Bunlara
anahtarlama gerilim darbesi adı verilir ve yaklaşık 2.5ms içerisinde sönümlenirler.
Bunlar 400V’luk şebeke gerilimini anlık olarak 1.5-2kV seviyesine kadar
yükseltebilirler. Bununla birlikte hatta veya hattın yakınına düşen yıldırımlar da
şebekeye çok kısa süreli gerilim darbeleri enjekte ederler. Bunlara ise yıldırım gerilim
darbesi adı verilir ve yaklaşık 50µs içerisinde sönümlenirler. Bunlar 400V’luk şebeke
gerilimini anlık olarak 5-10kV seviyesine kadar yükseltebilirler. Bu iki darbe de çok
kısa süreli oldukları için konvansiyonel gerilim ölçü trafoları ile veya ölçü aletleri ile
ölçülemezler. Osiloskoplarla bile bu darbeleri görmek oldukça güçtür. Ancak yüksek
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 19 / 22
http://www.rps.com.tr
hızlı, özel veri toplama sistemleri ile bunlar kayıt altına alınabilir. Öte yandan kolay
tespit edilemeyen bu darbelerin vereceği zararlar oldukça büyüktür.
Yarı-iletkenler yüksek gerilimlere karşı çok hassastırlar. Mikrosaniyeler mertebesinde
dahi de olsa, yarı-iletkenin dayanım gerilimi geçilirse yarı-iletken genellikle
arızalanmaktadır Eğer şebeke kaynaklı bahsi geçen anahtarlama ve yıldırım darbe
gerilimleri pano içerisinde sönümlendirilmezse, yarı-iletken (tristör) tabanlı TSC’ler
arızalanabilirler. Bu sebeple TSC modüllerinin bağlı olduğu ana baraya en yakın
noktadan toprağa doğru olmak üzere ani yüksek gerilim sönümlendirici cihazlar
takılmalıdır. Bu cihazlar darbe anında şebeke gerilimini belli bir değerde sabit tutarlar.
Bu sönümlendiriciler, TSC’lerin ani yüksek gerilimden her zaman korunmalarını
garanti edemezler fakat kullanılmamaları veya sağlıklı bir şekilde çalışıp
çalışmadıklarının düzenli olarak kontrol edilmemesi sonucunda TSC’lerin arıza yapma
olasılığı daha yüksektir. Ayrıca büyük ve uzun kablolamaların sahip RGK panolarında
bu sönümlendiricileri birden fazla noktada uygulamak gereklidir.
OG seviyesinde parafudrlar bulunması, ve/veya AG seviyesinde başka yerlerde
sönümlendiriciler bulunması TSC’lerin bulunduğu RGK panosunun korunduğu
anlamına
gelmez.
Çünkü
TSC’lerin
en
yakın
mesafeden
(pano
içinden)
sönümlendiricilerde korunması gerekir. Sönümlendiriciler ile TSC’ler arasındaki
mesafe arttıkça, örneğin 10 metreden sonra sönümlendiricilerin koruma kabiliyeti
oldukça azalacaktır.
8) TSC’li sistemlerde TSC’lerin girişine hızlı sigorta konmaması: TSC’li RGK
panolarında, TSC operasyonundan kaynaklı hiç bir yüksek akım oluşmaz, fakat
kompanzasyon bankası içinde oluşacak bir kısa devre durumunda TSC içerisindeki
tristörlerden çok yüksek akımlar geçecektir. Tristörler bu akımlara bir periyottan fazla
dayanamazlar dolayısıyla bir periyot sonunda sigortalar tarafından korunmaları
gerekir. Normal sigortalar bu operasyon için çok yavaş kaldıklarından TSC’leri
koruyamazlar. Dolayısıyla hızlı bıçaklı sigortaların TSC’lerin girişinde kullanılması
gerekir.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 20 / 22
http://www.rps.com.tr
1.3.5 RPS Mühendislik Tarafından Sunulan Çözümler
RPS Mühendislik, “Güvenilir Güç Çözümleri” üretmeyi ilke edinmiş bir firmadır. Bu
doğrultuda AG ve OG konusunda her türlü Güç Kalitesi, Harmonik Filtre Tasarımı ve RGK
projelendirme ve danışmanlık hizmetlerini vermektedir. Firma, Ülkemiz için AR-GE
yapmanın önemini kavramış, yerli, güvenilir teknolojiler geliştirerek, yeni ürünler
sunabilmenin heyecanı ve şevki içerisindedir.
RPS Mühendislik, tamamen yerli AR-GE çalışmalarının ürünü olarak geliştirdiği, AG RGK
kompanzasyonuna yönelik VarFast TSC modülünü müşterilere sunmaktadır. Bu modül
kontaktörlü RGK sistemlerine göre aşağıdaki üstün özelliklere sahiptir:
•
Geçici rejimsiz çalışma
•
Hızlı devreye girip çıkabilme (En fazla 20ms tepki süresi)
•
Anahtarlama sırasında akım veya gerilim harmoniği oluşturmama
•
Sessiz çalışma
•
Kolay monte edilebilme
•
Deşarj dirençlerine ihtiyaç duymama
•
Şebekeden kaynaklanan yüksek gerilimlere karşı koruma özelliği
•
Tamamen yazılım temelli kontrol yöntemi – değişiklik yapılabilme kolaylığı
•
Akademik çalışmalar sonucunda geliştirilmiş özgün anahtarlama ve kontrol yöntemi
Bu modül AG tüm kondansatör anahtarlamalı sistemlerde güvenilirlikle uygulanabilmektedir.
Bunun yanı sıra hızlı kompanzasyon gerektiren uygulamalarda ve kontaktörlü sistemin
oluşturduğu geçici rejimden etkilenen hassas yüklerin olduğu uygulamalarda VarFast TSC
modülü hassas kompansazyon ihtiyaçlarını güvenle karşılayacaktır. Modülün uygulama
alanları:
Hızlı değişen AG yükler
RGK_v1.0
Ocak 2009
•
Tekstil
•
Endüstri
•
Ark ve Pota Ocakları
•
Punto Kaynak Sistemleri ve
Sayfa 21 / 22
http://www.rps.com.tr
Hassas AG yükler
• Motor Sürücülerinin kullanıldığı sistemler
• CNC tezgahları
• UPS in bulunduğu sistemler ve
Diğer yavaş değişen her türlü AG yüklerdir.
Ayrıntılı bilgi için lütfen www.rps.com.tr adresini ziyaret ediniz.
Her türlü soru, öneri ve bilgi talepleriniz için lütfen temas kurunuz.
RGK_v1.0
Ocak 2009
Sayfa 22 / 22