REAKTÜF G KOMPANZASYONU PROJESÜ

Anahtar Kelimeler : Kompanzasyon. G faktr, Kondansatr

1. GÜRÜS

Son yüllarda dnyada karsü karsüya kalünan enerji krizi, arastürmacülarü bir yandan yeni enerji kaynaklarüna ynelirken, diğer yandan da daha verimli sistemlerin tasarlanmasü ve bosa giden elektrik enerjisinin azaltülmasü ynnde yapülan alüsmalarün yoğunlasmasüna neden olmustur.

Elektrik enerjisi bugn arlük yalnüz alternatif aküm enerjisi olarak retilir ve dağütülür. Tketicilerin sebekeden ektikleri alternatif aküm, biri aktif diğeri de reaktif akünü olmak zere iki bilesenden olusur. Alternatif akümün meydana getirdiği aktif g tketici tarafündan faydalü hale getirilir fakat reaktif akümün meydana getirdiği reaktif g ise faydalü gce evrilmez, Her ne kadar reaktif g aktif gce evrilemezse de bundan tamamen de vazgeilemez, Elektrodinamik prensibine gre alüsan generatr, transformatr, bobin ve motor gibi btn isletme aralarünün normal alüsmalarü iin gerekli olan manyetik alan, reaktif aküm tarafündan meydana getirilir.

Reaktif gcn sebekelerde ve tesislerde olusan istenmeyen etkilerini nlemek, amacüyla kompanzasyona basvurulur Elektrik tesislerinin ve ykn ihtiyacü olan reaktif gcn belirli teknikler kullanülarak karsülanmasü Reaktif G Kompanzasyonu olarak adlandürülür. Üdeal bir alternatif akünü iin reaktif g kompanzasyonu sarttür, Üdeal bir alternatif aküm sebekesinde, sebekenin her noktasünda gerilim ve frekans sabit ve harmoniksiz olmalüdür. Ayrüca g faktr de bir veya bire yakün olmalüdür. Bir alternatif aküm sebekesinin kalitesi sunlara bağlüdür:

Gerilim ve frekansün sabitliği

G faktrnn bire yakünlüğü

Faz, gerilim ve akümlarün dengeli olmasü

Srekli enerji verebilmesi

Harmonik miktarünün belirli sünürlar iinde kalmasü

Bu kaliteyi sağlayabilmek iinde reaktif g kompanzasyon cihazlarünün kullanülmasü gerekir.

Reaktif g kompanzasyonu ile ilgili ilk alüsmalar XX., Yzyülün basündan itibaren baslamüstür. ilk olarak, sabit kandansatr nitelerinin kullanülmasüna ü 914 yülünda baslanmüs ve bu tarihte motor, lamba, transformatr gibi alücülar kendilerine paralel bağlü kondansatrlerle tek tek kompanze ediImistir.

Endstrinin gelismesiyle ok sayüda motor veya endktif yklerin değisik zamanlarda devreye girip üktüğü tesisler kurulmustur. 1970li yüllarda zellikle endstride elektrik enerjisi kullanümüna dayanan byk tesisler kurulmustur. Yksek gl tristrlerin (3000 A) gelistirilmesiyle mekanik anahtarlarün yerini yarü iletken anahtarlar almaya baslamüstür. Anahtarlama isleminin en aza indirilmesi sistemin kararlülüğünü artürür. 1970 yüllündan itibaren statik

kompansatrler kullanülmaya baslanmüstür. Gnmzde en ok statik kompansatder kullanülmaktadür. Bu konuda yapülan alüsmalar da srmektedir. [1]

Endstride kompanzasyonu gerektiren en nemli ykler sunlardür; dsk uyarmalü senkron makineler, transformatrler, bobinler, havai hatlar, senkron motorlar, redresrler, endksiyon fürünlarü, elektrik ark ocaklarü, kaynak makineleri, endksiyon kaynak makineleri, lamba balastlarü, haddehaneler, haddehanelerin elektrik tesisatü, asenkron motorlar, v.b.

2. G FAKTR

Bir tketicinin sebekeden ektiği gler asağüda verilmistir.

Grnr G S=U.1

Aktif G P=U.1.Cosj (2)

Reaktif G Q=U.Sinj (3)

Bir tketicinin sebekeden ektiği akümlar asağüda verilmistir.

Aktif Aküm 1a=1.Cosj

(4)

Reaktif aküm 1r=1Sinj

(5)

Grnr aküm  I = (Ia² + Ir²

Yukarüda da grldğ gibi aktif g, grnr gcn COSj ile arpümüdür. Bu sebeple Cosjye aktif g katsayüsü veya küsaca g katsayüsü adü verilmektedir.[2]

Sekil 1. G geni

Bir sebekeyi en iyi sartlarda kullanmak iin reaktif enerjinin tketildiği yerde retilmesi gerekmektedir. Bu da dsk olan COSj değerini yaklasük 0,95 ile 1 değeri arasündaki bir değere ükarmak demektir. G katsayüsü, elektrik isletmeleri tarafündan belirlenmis olan minimum 0,95 zerinde tutulmak zorundadür. Aksi halde kuruluslar ektikleri reaktif g iinde cret demek zorunda kalürlar. Bu durumda da g katsayüsü mutlaka iyilestirilmelidir.

3. REAKTÜF G KOMPANZASYONUNUN FAYDALARI

Dsk g faktr, tesiste asağüdaki sorunlara neden olur:

retici ynnden getirdiği sorunlar; kurulacak bir tesiste generatr ve transformatrlerin daha byk gte seilmelerine neden olur, kumanda kontrol ve koruma cihazlarünün daha byk ve hassas olmalarüna sebep olur. Kurulu bir tesiste de: retim iletim ve dağütümda kapasite ve verim dser. iletkenlerde gerilim dsm ve enerji kayüplarü artar gerilim reglasyonu ve isletmecilik zorlasür.

Tketici ynnden getirdiği sorunlarsa kurulacak bir tesiste, abone transformatrnn kumanda koruma ve kontrol donanümünün daha byk olmasüna ve tesisat iletkenlerinin daha kalün kesitli seilmesine neden olur. Kurulu bir tesiste de getireceği sorunlarsa;abone transformatrnn ve tesisatünün kapasite ve verimi dser, sebekeden daha ok reaktif enerji (kVAR/h) ekilir.

Sonu olarak da grlen hizmet maliyeti anar. Tm bunlarün yanünda yatürümlar yapülmasü ile milli ekonomiye verilmis olur.

Birim enerji (kWh) basüna reaktif enerjinin dolayüsüyla kayüplarün az olmasü iin; elektrik motorlarünün g faktrleri yksek olanlarü seilmelidir, elektrik motorlarü gereğinden byk gte seilmemeli ve yksz alüstürülmamalüdür, Aydünlatma lambalaründa üsük verimi yksek olan (Floresan lamba gibi) seilmeli ve kompanze edilmelidir. Sanayi tesislerinde reaktif enerji kompanzasyonu yapülmalüdür.

G faktrnn dzeltilmesinin sebekeye faydalarü enerji nakil hatlaründa hat sonunda ekilen aktif g sabit kalür ve gerilim dsm azalür Tketiciye faydalarü ise; gereksiz yatürüm yapülmamüs olur, kayüplar azalür, gerilim dsm azalür, alücülar istenilen verimde alüsür, alücülar iin gerekli iletken kesitleri daha dsk tutulur ve en nemlisi de reaktif enerji bedeli denmez.

4. KOMPANZASYON TESÜSLERiNiN SINIFLANDIRILMASI

Tesise bağlü alücülarün durumuna gre, kompanzasyonu gereklestirecek olan kondansatrler, temelde sekilde dzenlenir:

Tekli kompanzasyon: Devamlü olarak isletmede bulunan olduka byk gl tketicilerin ihtiyacünü temin etmek iin kondansatrler tketicinin ularüna doğrudan doğruya paralel bağlanürlar ve ancak bir anahtar zerinden tketici ile birlikte isletmeye sokulup ükarülürlar.Tekli kompanzasyonun birok stnlklerinin yanünda saküncalarü da vardür. Bu kompanzasyon tipi pahalü ve ayara elverisli değildir.

Grup kompanzasyon: Beraber veya aynü kontaktr veya salter zerinden devreye girip ükan motor, lamba ve transformatrler ortak kompanze edilebilirler. Birok tketicinin bulunduğu bir tesiste her tketicinin ayrü ayrü kondansatrlerle donatülacağü yerde bunlarün ortak bir kompanzasyon tesisi tarafündan beslenmesi daha pratik ve ekonomik sonular verir.

Merkezi kompanzasyon : Grup kompanzasyonun bir kademe daha genisletilmesiyle merkezi kompanzasyon elde edilir. Projelendirilmesi ve hesaplamalarü kolaydür. Bir tesisin hangi esit kompanzasyonla donatülmasü gerektiği isletmenin muhtelif zamanlarda alünmüs ykleme eğrilerine gre seilmelidir.

5.HARMONÜKLERÜN KOMPANZASYON TESÜSLERÜNDEKÜ ETKÜLERÜ

Elektrik tesislerinde akümün ve gerilimin 5O Hzlik tam sins seklinde olmasü istenir. Fakat bazü yan etkiler ve bozucu olaylar yznden elektriksel byklklerin sekli bozulur ve harmonik ihtiva ederler. Bu yzden esitli harmonik frekanslaründa rezonans sartü daha kolay gereklesir. Bunlarün nlenmesinde temel frekans rezonanstaki kadar değildir. Ancak baska frekans blgelerine girmeden, devre sabitlerinde kk değisiklikler yapmak sartü ile belirli harmonik rezonansündan kaülür veya filtreler kullanülarak harmonikler engellenebilir.

Arüzasüz bir isletmede harmonikler esitli sebeplerle ortaya ükar. Bunlarün basünda manyetik ve elektrik devrelerindeki lineersizlik basta gelir. Bunun sonucunda da akümün ve gerilimin s inusoidal dalga sekli bozulur. Harmoniklerin baslüca kaynaklarü generatrler, transformatrler, tristrler ve arkla alüsan isletme cihazlarüdür.

Harmoniklerin elektrik tesisi zerinde esitli zararlarü vardür. Bunlarün baslücalarü; generatr ve sebeke gerilimin bozulmasü, gerilim dsmnn artmasü, izolasyonun delinmesi, koruma rlelerinde hatalü lmedir.

6.G FAKTRNN DZELTÜLMESÜ

Hem elektrik hem de kompanzasyon projeleri yapülürken sistemin toplam gcnn belirlenmesi gerekir ve bu gce Kurulu G denir. Fakat sisteme bağlü olan btn tketiciler aynü anda alüsmazlar. Aynü anda alüsmasü muhtemel olan tketicilerin sistemden ekeceği gce ise Talep Gc denir. Talep edilen gcn kurulu gce oranü ise Eszamanlülük (talep) faktrn verir. Yani es zamanlülük faktr gcn yzde kaünün aynü anda sistemden ekilebileceğini gsterir.

Elektrik ve dolayüsüyla kompanzasyon projeleri eszamanlülük faktr  gz nne alünarak yapülür. Hesaplar yapülürken, es zamanlülük faktr yardümüyla bulunan talep gc dikkate alünür. Eğer kurulu g dikkate alünsaydü kullanacağümüz iletkenlerin aplarü ve malzemelerin kapasiteleri artacak benzer sekilde transformatrn boyutu da artacak dolayüsüyla maliyet artacaktür.

Tesisin reaktif g ihtiyacü karsülanürken aynü zamanda g trafosunun da reaktif g ihtiyacü karsülanmalüdür.

Harmoniklerin bulunmadüğü ve sebekeden P aktif gcn ekildiği bir isletmede g faktrnn Cosj den Cosj ye ykseltilmesi iin gerekli kondansatr gc iki prensibe gre hesaplanür. Sebekeden grnr g (S) sabit tutularak kompanzasyondan sonraki P2 aktif gcnn daha byk bir değer almasü sağlanür. (Sekil2), yada P aktif gc sabit tutularak, ekilen grnr g S2 gibi daha kk bir değere indirgenir. (Sekil 3) [4]

Ülk ynteme gre;

Sekil 2. S grnr gcn sabit olmasü durumunda fazr diyagramü.

Bu durumda kompanzasyondan nce sebekeden ekilen aktif ve reaktif g ifadeleri;

P =S Cosj (8)

Q =S Sinj =P Tanj (9)

Kompanzasyondan sonra S1 grnr gc sabit tutulacağündan aktif g;

P =S Cosj değerini alacaktür. Bu durumda kompanzasyondan sonraki reaktif g

  (10)

olur. Gerekli kondansatr gc de;

QC=S (Sinj Sinj (11)

Bu durumda aktif gteki artma ise;

P P =S (Cosj -Cosj (12)

kadar olacaktür.

Diğer yntem ise aktif gcn sabit olmasüdür.

Sekil 3. P aktif gcnn sabit olmasü durumunda fazr diyagramü.

Sebekeden ekilen aktif ve reaktif g ifadeleri, kompanzasyondan nce;

P =S Cosj (13)

Q =S Sinj =P Tanj (14)

kompanzasyondan sonra

P=S Cosj (15)

Q = S Sinj =P Tanj (16)

formlleri ile hesaplanabilir. Bu durumda gerekli kondansatr gc

Qc=Q -Q =P (Tanj -Tanj (17)

ifadesi yazülür. Grnr gteki azalma ise syle ifade edilebilir.

S1 S2 = P( 1/Cosj 1/Cosj (18)

Birinci yntemle dzeltme yapülacak olursa, ykn sebekeden ekeceği grnr g azalacaktür. Ükinci yntemde ise, ykn sebekeden ektiği aktif g artacaktür. Ancak her iki yolla yapülan g katsayüsünü dzeltme isleminde daima ykn reaktif gc azalacak ve faz aüsü klecektir. [5]

Gerekli kompanzasyon gc aktif ve reaktif değerler biliniyorsa

QC = Aq Ap. Tanj / t (19)

forml yardümüyla hesaplanür. Burada;

Aq= Reaktif Enerji (VARh)

Ap= Aktif enerji (Wh)

t= Üsletme sresi (s)

Bir tesisin kompanzasyon hesabü yapülürken reaktif g eken tketiciler, sistemden ektiği aktif gler ve reaktif gler ayrü ayrü hesaplanüp toplanür.

Tanj = QT / PT (20)

formlnden faydalanülarak tesisin ilk g faktr (Cosj ) hesaplanabilir.

Eğer kurulu gleri aynü olan birden fazla tesis varsa bunlardan sadece birisinin, reaktif g eken almalarün, sistemden ektiği aktif gler toplanüp tesis sayüsü ve es zamanlü katsayüsüyla arpülüp toplam aktif g ve reaktif gler hesaplanür.

Tesisin kurulu gcnn, es zamanlülük faktr ve arzu edilen Cosj değeri ile arpülmasüyla trafo gc bulunur.

S=Pk x Ef x Cosj (21)

G trafosu bosta alüsürken, belirli bir reaktif gce ihtiya duyar. Trafonun ne kadar bir reaktif gce ihtiya olduğu hesaplanmalüdür.Bu hesaplar iin trafonun katalog değerlerinden faydalanülür.

Trafonun katalog değerleri;

Grnr gc (S)

Bosta alüsma gc (PB

Trafo gerilimi (UN

Bosta aküm(Ie/IP

Küsa devre gerilimi (UKD

Ülk nce

formllerinden demir kayüplarü (IH) ve trafo akümü (IP) bulunur. Daha sonra trafonun bosta akümün değerinden (IE/)IP) , faydalanarak uyartüm akümü (IE) bulunur. Trafonun bosta alüsma g faktr,

Cosj H E (22)

formlnden bulunur. Cosj istenilen g faktr olmak zere

Qc=PB (Tanj Tanj (24)

Formlnden, g trafosunun bosta iken ekeceği reaktif enerjiyi karsülayacak olan kondansatrn kapasitesi hesaplanabilir.

Tesisin kompanzasyonu iin gerekli kondansatr gcn hesaplamadan nce sistemde olusabilecek harmoniklerden korunmak iin tesis edebileceğimiz maksimum kondansatr gc hesaplanürsa, burada tehlikeli sayülabilecek (5. 7. 11 ve 13) harmoniklerin olusmamasü iin tesis edilecek kondansatr kapasitesinin :

QC < Sx100 / n xU KD

forml ile hesaplanan değerden daha kk olmasü gerekir. Formlde harmonik numarasü (n) değistirilerek maksimum kondansatr kapasitesi bulunabilir.

RNEK BÜR KOMPANZASYON TESÜSÜNÜN YAPILMASI:

2 katlü, 35 konuttan olusan bir sitenin g faktrnn iyilestirilmesi amacüyla bir kompanzasyon tesisi yapülmüstür. Ülk olarak hedeflenen g faktr de hesaba katülarak trafo seimi yapüldü. Bir binanü kurulu aktif gc 10.360 kWdür. 35 binanün toplam aktif gc ise;

P=10.360* 35= 362.6 kWdür.

Ancak i tesisat ynetmeliğine gre trafo gc hesaplanürken, tesisin es zamanlülük faktr de gz nne alünmalüdür. Tesisin eszamanlülük faktr 0.24 alünacak olursa binalar iin gerekli olan aktif g;

P=10.360*35.0.24=87.024 kw

Tm sitenin aktif g ihtiyacü;

Binalar87.024 kW

Düs aydünlatma..4.976 kW

Binalarün su pompasü.3 kW

Olmak zere toplam;

P=95 kW

Buradan gerekli olan, grnr trafo gc, 0.95de tutulmasü hedeflenen g faktr de gz nnde tutularak,

P=S.Cosjden

S = P / Cosj = 95 / 0.95 = 100 kVA bulunur.

Sonu olarak 100kVAlük bir g trafosu bu tesis iin uygundur.

Trafonun katalog değerleri:[5]

Grnr gc.(S)=100 kVA

Bosta alüsma gc(PB

Trafo gerilimi(UN)=34.5 kV

Bosta aküm.(IE/IP

Küsa devre gerilimi..(UKD

Demir kayüplarü akümü..(IH

Uyartüm akümü(IE

Demir kayüplarü akümü(IH

IE

Cosj = IH / IE

j =80.36O bulunur. Cosj =0.95e kompanze edileceğine gre j =18.19dir. bulduğumuz bu değerleri;

QC=PB (Tanj -Tanj

= 380(5.887-0.3286)=2.112 kVar

bulunur. Norm st kondansatr kapasitesi olarak 3 alünabilir.

Kompanzasyon iin gerekli olan kondansatr gcn hesaplamadan nce sistemde olusabilecek harmoniklerden korunmak iin tesisi edilecek maksimum kondansatr gc hesaplanürsa; tehlikeli sayülabilecek (5,7,11,13) harmoniklerinin olusmamasü iin tesis edilecek toplam kondansatr

Kapasitesinin  QC< Sx100 / n xUKD ile hesaplanan değerden daha kk olmasü gerekir. 5. harmonik iin;

QC5 < 100x100 / 5 x4.5  QC5 < 88.88 kVar

QC7 < 100x100 / 7 x 4.5  QC7 < 45.35 kVar

olursa 5. ve 7. harmonikler olusmaz. Dolayüsüyla tesis edilecek toplam kondansatr kapasitesinin 45.35den kk olmasü gerekir. Transformatre, bostaki kompanzasyon iin ilave edilen 3 kVarlük kapasite dsnldğnde, 45.35-3=42.35 kVardür. Tehlikeli harmonikler olusmamasü iin, tesisi edilmesi gereken maksimum kondansatr kapasitesi olan bu değer asülmamalüdür.

Üki katlü binanün elektrik tesisat projesinin kolon semasündan faydalanülarak, binalar iin gerekli olan reaktif g hesaplanürsa;

Tablo1. Bir dairenin her bir linyesine bağlü tketicilerin sebekeden ektikleri gler.

Rezistif yk karakterinde olan (Cos j =1) almalar ayrü tutulacak olursa, yapülan toplamada;

300 Wlük yknCos j

920 Wlük yknCos j

olduğu grlr. Bir binanün ortalama ilk g faktr değerleri;

Tablo 2. Bir binaya ait reaktif g değerleri

tanj = QT / PT j ^o Cos j

olduğu grlr. Btn binalarün otomatik kompanzasyon hesabünda kullanülacak (rezistif ykler hari) aktif gc eszamanlülük faktr ile;

1240x35x0.24=10.416 kW olacaktür.

Tm sitenin, ortalama ilk g faktr hesabü yapülürken 4976 Wlük düs aydünlatmayü ve 3000 Wlük su pompasü dikkate alündüğünda tm sitenin ilk g faktr;

Tablo 3. Tm siteye ait reaktif g değerleri

tanj = QT / PT j T = 59.927^o

Coshj

Cos j T2 yi 0.95e ykseltmek iin gerekli kondansatr gc;

QC = PT (Tanj Tanj

= 20.392(1.727 0.3286)

= 28.516 kVar olup toplam 30 kVarlük otomatik kompanzasyon yapülabilir.

Otomatik kompanzasyon hesaplarü yapülmadan nce, tehlikeli harmonikler olusmamasü iin, tesis edilmesi gereken maksimum kondansatr kapasitesi 42.35 kVar olarak hesaplanmüstü, grldğ zere bu değer asülmamüstür.

8. SONU

Elektrik tesislerine kompanzasyon yapülarak g faktrnn iyilestirilmesi, alücülar iin gerekli olan aktif ve reaktif enerjinin en iyi sekilde sunulmasü teknik ve ekonomik bir zorunluluk halini almüstür.

lkemizin iinde bulunduğu eneri süküntüsü, kompanzasyon tesisleri yapülarak az da olsa asülabilir. Kompanzasyon yapülarak enerji sebekesindeki kayüplarün %25lerden %10lara dsecektir.

Yapülan kompanzasyon alüsmalarünün uzun vadede faydalü olabilmesi ii periyodik olarak baküm ve kontrollerinin yapülmasü gerekmektedir.

Kompanzasyon projeleri gereklestirilirken daha kk boyutlu kondansatrler seilmesi, yarü iletkenler ve g elektroniği elemanlarünün kullanülmasü daha faydalü olacaktür.

KAYNAKA

[1]S.R.Barrold, B:K.Patel A thyristor reactive power compensatr for fast-varying industrial loads Int.J.Electronics, vol.51, no.6, pp.763-767,1981

[2]M.E.Gven, 1. aoskun, Elektroteknik-3, Ankara. 1982

[3]T.J.Miller, Reactive poweer control in electric company corparate research and development center schenectandy, Newyork, John Willey and Sons.1982