Bütün Makaleleri Göster | Harf İndeksi

1.1. GİRİŞ

Elektrik tesislerinin işletme araçları olan transformatörler, motorlar, kaynak makinaları, endüksiyon ve ark fırınları, floresan lambalar, deşarj lambaları, civa ve sodyum buharlı lambalar çektikleri aktif güç yanında önemli miktarda reaktif güç çekerler. Çekilen reaktif güç kontrolsuz ve başıboş bırakıldığında , güç katsayısı o kadar düşerki bu da dağıtım tesisilerimizi , aktif güç bakımından normal kapasitenin altında çalışmak zorunda bırakabilir. Bu suretle ekonomik olmayan bir işletme meydana geldiği gibi , enerji sıkıntısı da kendini gösterir.

Bu kötü ekonomik şartlara son vermek için elektrik işletmeleri, abonelerine güç katsayılarını belirli bir değerin altına düşürmeleri için tarifelerle zorlayıcı yaptırımlar getrimişlerdir.

Elektrik şebekelerinde kullanılan kondansatörlerin konulduğu yerin, ihtiyacına göre reaktif güç üretirler. Teorik olarak aktif ve reaktif güç talebini generatör ile karşılamak mümkündür. Ancak, sistemin işletilmesi sırasında doğuracağı teknik sorunlar ve ekonomik yönden incelendiğinde bu mümkün olmamaktadır. Bu nedenle şebekelerde şönt kompanzasyon uygulaması en uygun çözüm olarak görülmüştür.

Dağıtım sisteminin bir veya birkaç yerleştirilecek şönt kapasitörler ile güç faktörünün düzeltilmesinin yanısıra;

• Aktif güç üretim, iletim ve dağıtım kapasitlerinin arttırılması,
• Gerilim düzenlemelerinin sağlanması,
• Sistemdeki güç kayıplarının azaltılması,
• İletim sistemlerinde geçici durumlardaki kararlılığın arttırılması

sağlanmış olur.

1.2 KOMPANZASYON

Tüketicilerin şebekeden çektikleri alternatif akım, biri aktif akım ve diğeri reaktif akım olmak üzere iki bileşenden oluşur. Aktif akımın meydana getirdiği aktif güç, tüketici tarafından faydalı hale getirilir; örneğin motorlarda mekanik güce, ısı tüketicilerinde termik güce ve aydın¬latma tüketicilerinde aydınlatma gücüne dönüşür. Reaktif akımın meydana getirdiği reaktif güç ise faydalı güce çevrilemez. Reaktif güç, yalnız alternatif akıma bağlı bir özellik olup, elektrik tesislerine istenmeyen bir şekilde tesir eder; jeneratörlerin, transfornıatörlerin, hatların, bobin¬leri fuzuli olarak işgal ederler ve lüzumsuz yere yüklerler, ayrıca bunların üzerinde ilave ısı kayıplarına ve gerilim düşümlerine rol açarlar. Aktif güç enerjisi normal sayaçlarla tesbit edildiği halde, reaktif enerji böyle bir sayaç ile kontrol ve tesbit edilemez. Bunu kaydetmek için ayrı bir reaktif güç sayacına ihtiyaç vardır.

Her ne kadar reaktif güç faydalı güce çevrilemez ise de bundan tamamen vazgeçilemez. Zira elektrodinamik prensibine göre çalışan jenera¬tör, transformatör, bobin ve motor gibi bütün işletme araçlarının normal çalışmaları için gerekli olan manyetik alan reaktif akım tarafından mey¬dana getirilir. Bilindiği gibi, endüksiyon prensibine göre çalışan bütün makinalar ve cihazlar, manyetik alanın meydana getirilmesi için bir mık¬natıslanma akımı çekerler; işte bu mıknatıslanma akımı, reaktif akımdır. Onun için faydalı reaktif gücün yanında mutlaka reaktif güce de ihtiyaç vardır.Bu sebeple bütün alternatif akım tesisleri, aktif gücün yanında reaktif gücün de çekileceğini gözönünde bulundurularak boyutlandırılırlar.

Mıknatıslanma akımı aşağıda açıklanacağı gibi, endüktif karakterli bir akım olup, magnetik alanın teşkili esnasında şebekeden çekilir ve alan ortadan kalkerken bu akım tekrar şebekeye geri verilir. Bu sebeple reaktif güç, üretici ile tüketici arasında sürekli olarak şebeke frekan¬sının iki katı bir frekansla salınır. Bir üreticinin şebekeden çektiği görünen güç;
S= 3Uf..I = UhI (1.1)
dır.

Burada Uf faz gerilimi, Uh hat gerilimi, yani iki faz arası gerilim¬dir ve I hat akımıdır. Aktif güçle aktif akım, gerilim ile aynı fazda oldukları halde, çekilen gücün endüktif olması halinde S zahiri gücü ve I hat akımı , gerilimden açısı kadar geride kalırlar. Buna göre

Aktif akım; Ip= I.Cos  (1.2)
Aktif güç ; P= S.Cos  (1.3)
Reaktif akım; Iq= I.Sin  (1.4)
Reaktif güç; Q= S.Sin  (1.5)

olup, ayrıca hat akımı ve görüne güç ile bunların bileşenleri arasında şu bağıntı vardır;

I= (1.6)

S= (1.7)

Şekil 1.1 ‘de yukarıda sözü geçen akım ve güç fazörlerinin birbirine göre durumları gösterilmiştir. Burada raktif akımın ve reaktif gücün saf endüktif karakterde olduğu kabul edilmiştir ve gerilime göre 90o geri fazda çizilmiştir.

Uf
S
P

IP I


Iq Q

Şekil .1.1 Tesis elemanlarının çektikleri akım ve güç bileşenleri

Faz gerilimi doğrultusundaki Ip akımı veya P aktif gücü ile I hat akımı veya S görünen gücü arasındaki  açısına faz açısı ve bunun cosinüsüne güç katsayısı denir. Yukarıda verilen ifadelerden ve şekil.1.1’den anlaşılacağı üzere veya cos , çekilen reaktif güç için bir kriterdir.

Reaktif güç sarfiyatı bakımından tüketicileri iki ana gruba ayırmak mümkündür. Bunlardan birincisi, elektrik enerjisinden yararlanarak saf ısı enerjisi üreten tüketiciler ile akkor flamanlı lambalar, elektroliz ve galvanoplasti tesisleridir. Bunlar sadece aktif güç tüketirler, reaktif güç çekmezler. İkinci gruba ise, elektrik tesislerinde kullanılan ve magnetik veya statik alan ile çalışan bütün işletme araçları girerler; bunlar aktif güç yanında reaktif güç de çekerler. En önemlileri şunlardır:
-Düşük uyarmalı senkron makinalar,
-Tranformatörler,
-Bobinler,
-Hava hatları,
-Senkron motorlar,
-Redresörler,
-Endüstri fırınlara ,ark fırınları,
-Kaynak makinaları,
-Florasan lamba, sodyum ve civa buharlı lamba balastları ile neon lamba transformatörleri.

Her ne kadar aydınlatma cihazları aktif güç çekerlerse de, bunlara ait balast ve transformatörler reaktif güç çektiklerinden ,bu tip aydın¬latma düzenleri bu ikinci sınıfa girerler.

Yukarıdaki tüketicilerde sözkonusu olan reaktif akım, endüktif karak¬terde olup, erilime göre 90° geridedir. Bazı özel hallerde, işletme araçları bir kondansatör gibi tesir eder¬ler ve kapasitif reaktif güç çekerler. Örneğin; boşta çalışan havai hatlar ve kablolar.

Yukarıda açıklandığı gibi, elektrik tesislerinin en önemli işletme araçları olan jeneratörler transformatörler ve hatlar, sanayi işletmele¬rindeki her nevi motorlar, fırınlar ve kaynak makinaları ve bir balast yardımı ile çalışan florasan lambalar civa ve sodyum buharlı lambalar gibi deşarj lambaları çektikleri aktif güçlerin yanında oldukça önemli miktarda reaktif güçler de çekerler. Reaktif güç üretiminin santralde bir ham enerji maddesi sarfiyatına bağlı olmadığı gerekçesinden hareket edi¬lerek reaktif güç sarfiyatı kontrolsüz ve başıboş bırakılır ise, güç kat sayısı o kadar düşebilir ki, nihayet bütün üretici, iletici ve dağıtıcı tesisler, aktif güç bakımından normal kapasitelerinin çok daha altında çalışmak zorunda kalırlar.

Türkiye Elektrik Kurumu aşırı miktarda tüketilen reaktif enerjiyi müşterilerin kendi olanakları ile karşılamalarını zorunlu kılmak için enerji tarifesine ayrıca bir reaktif enerji bedeli koymuştur. Buna göre cos’nin 0.9 ve 1 arasındaki değerler için müşterilerden reaktif enerji bedeli alınmamaktadır. Bu değer düştüğünde ise çeşitli oranlarda fiyatlandırma yapılmaktadır.

Tüketicilerin, normal olarak şebekeden çektikleri endüktif gücün, kapasitif yük çekmek suretiyle özel bir reaktif güç üreticisi tarafından dengelenmesine “KOMPANZASYON” denir. Böylece tüketicinin şebekeden çektiği güç çok azalır.

1.2.1 DÜŞÜK GÜÇ KATSAYISININ SAKINCALARI

1) Düşük güç katsayılı olarak çalışan Alternatör ile transformatörlerin güçleri ve verimleri düşer. 22 kVA’lık ve 220 V luk bir fazlı alternatörü ele alalım. Alternatörün akımı I = 22000/220 = l00 A. dır. Değişik güç katsayılı yükler bağlayarak alternatörden çekilen aktif güçleri hesaplayalım.

a) Güç katsayısı,1 olan omik bir yük bağlandığında alternatör en büyük aktif gücünü verir.
P = U. I. Cos = 220 .100 .1. l0 = 22 kw

b) Güç katsayısı 0,80 olan bir motor bağlandığında alternatörden çekilen aktif güç,
P = U. I. cos = 220.100. 0,8 =17,6 kw.

Görülüyorki, düşük güç katsayılı bir yük bağlandığı zaman, alternatör normal akımını, (100 A.) verdiği halde,normal gücünü verememektedir. Dolayısıyla, düşük güçte çalıştığı için verimi düşer.

2.) Güç katsayısının düşmesi oranında, şebekeyi besleyen alternatör ve transformatörlerin görünür güçlerinin (zahiri güçlerinin) büyümesi gerekir. Örneğin, bir fabrikadaki motorların toplam gücü 160 kw. ve güç katsayısı 0,8 olsun. Bu motorları besleyecek olan trafonun görünür gücü,

Sı = P/cos =160/0,80 = 200 kVA olmalıdır.

Güç katsayısı 0,6 ya düşerse, aynı 160 kw’ı besleyecek olan trafonun görünür gücü,

S =160/0,60 = 266,6 kVA olmalıdır.

Şu halde, güç katsayısı düşünce, aynı aktif gücü, gürünür gücü (zahiri gücü) daha büyük olan bir trafo ile beslemek gerekecektir.

3.) Düşük güç katsayısında, besleme hatlarındaki güç kayıpları ve gerilim düşümleri artar. Örneğin, gücü 10 kw ve gerilimi 220 V olan bir fazlı alternatöre güç katsayısı 0,90 olan bir yük bağlanırsa çekilen akım,

I =P/(U. Cos ) = 10000/(220. 0,9) = 50,5 A. olur

Aynı alternatöre güç katsayısı 0,60 olan tam yük (10 kw. lık yük) bağlandığında çekilen akım,

I = P/(U. cos ) = l00U0/(220. 0,60) = 75,75 A. olur

Görülüyor ki, her iki durumda da gerilim ve harcanan güç (çekilen güç) aynı oldubu halde, güç katsayısının küçülmesi nedeniyle çekilen akım artmaktadır. Dolayısıyla, yükü besliyen hattaki (R.I ) ısı kaybı daha büyük olacak ve hattaki gerilim düşümü de artacaktır. Besleme hatlarında düşen gerilimi ve güç kaybını azaltmak için daha büyük kesitli iletken kullanmak gerekecektir. Aynı zamanda, sigorta ve şalter akımları da yükseleceği içi tesisatın maliyeti artar.

1.2.2. GÜÇ KOMPANZASYONUNUN SİSTEME GETİRDİĞİ YARARLAR

a-)Sistem kapasitesinin artırılması:

Reaktif güç kompanıasyonu yapıldığında, reaktif akım kompansatörce karşılanacağından, sistemden daha düşük değerde bir akım çekilecektir. Bu ise transformatörlerin ve ana ile tali fiderlerin daha düşük seviyede yüklenmelerini sağlayacaktır. Dolayısıyla kompansatörler, mevcut sistemlerdeki aşırı yüklenmeleri önleyecekler veya bu durum yoksa, ilâve sistem kapasitesi yaratılmasını sağlayacaklardır.Termik sınırına dayanmış bir elamanda güç faktörünün düzeltilmesi ile ortaya çıkan sistem kapasitesi Şekil .1.2 ‘in yardımı ile bulunabilir.

Şekil 1.2 Güç faktörünün düzeltilmesi ile sistem kapasitesindeki artış

Bu şeklin çiziminde ilâve yük kapasitesinin, T, kompanzasyon yapılmadan önceki güç faktöründe kullanılacağı varsayılmıştır. Burada,

Cos = Orjinal güç faktörü,
Cos = Orjinal yükün BC = OF kapasitif reaktif güç ilâvesi i1e düzeltilmiş yük faktörü,
Cos = Toplam yükün güç faktörü.

Toplam kVA yük başlangıçdaki OB yükünü geçemiyeceğinden, BB’ dairesi sınırı belirlemektedir. Bunu sağlamak için:

OB = OB
OC • T = OE = OB

Bu durumda sistem kapasitesindeki artış T, sisteınin ternıik sınırı kVA ve ilâve edilen kvar reaktif güç ckvar’ın bir fonksiyonu olarak ifade edildiğinde:

( 1.8)

olarak bulunmaktadır.

Eğer güç faktöründe fazla bir değişiklik yok ve Cos Cos ise, bu durumda yukarıdaki denklem sadeleşmekte ve:

T(k VA) = ckvar x sin ( 1.9 )

olmaktadır.

b-)Sistem kayıplarının azaltılması:

Her ne kadar yalnız sistem enerji kayıplarının azaltılması kompansatör tesisi kurmak için yeterli bir neden değilse de, bu da önemli bir avantaj sağlamaktadır.

Genellikle endüstriyel ve domestik dağıtım sistemlerinde, I2Rı enerji kayıpları puant ve minimum yük saatlerine, iletken kesitlerine ve uzunluklarma bağımlı olarak toplam kullanılan enerjinin % 2.5 - 7.5 arasında bir değeri oluşturmaktadır. Kayıplar akımın karesine akım da güç faktöründeki düzeltmeye doğrudan bağımlı olduğundan, kayıplar dolayısıyle güç faktörünün karesinin tersi ile orantılıdır.

kW kayıplar (1.10)

(Kayıplardaki azalma oranı) =1- (1.11)

Eğer güç faktörü düzeltilerek sistem kapasitesinde bir artış getirilip kullanılmışsa, kVA değeri her iki durumda da aynı kalacağından sistemdeki kayıplarda bir değişiklik olmayacak, fakat kilowatt yükün büyümesi ile % kayıplar azalacaktır.

c-) Gerilim Düzenlemelerinin Sağlanması:

Şekil 1.3′de T eşdeğer devresi verilen ve üzerinden aktif güç P ve reaktif güç Q iletilen devrede, direnç ihmal edildiğinde ve yollayıcı uçdaki gerilim 1.0 pu kabul edildiğinde, alıcı uçdaki gerilim

Şekil 1.3 İletim hattının tek kutuplu gösterilişi
V = (1.12)
olarak bulunur.

Bu denklem incelendiğinde V2 geriliminin tayininde en büyük etkenin reaktif güç farkı (Q - Q2) olduğu, taşınan aktif gücün ise ikinci derecede önemli olduğu görülmektedir. Güç kompanzasyonu yapılmadığı takdirde, P ve Q’deki değişimler güç sistemi işletmesinde büyük boyutlara ulaşabılen gerilim değişikliklerine neden olabilmektedir. (Q – Q2) ifadesi eksi olduğu durumlarda sistemde gerilim yükselmekte, aksi takdirde gerilim düşmektedir.

Denklem aynı zamanda gerilim kontrolü için kullanılabilecek iki yöntemi de belirlemektedir:

a) Şönt kompanzasyon: kompansatörce sistemden reaktif güç emilmesi veya reaktif güç basılması, dolayısıyle (Q – Q ) faktörünün en düşük değere indirgenmesi.

b) Seri kompanzasyon: hatta seri kompansatörler ilâve edilerek X değerinin küçültülmesi.

Bu gerilim kontrol yöntemlerinde genellikle şönt kompanzasyon tercih edilmekte, seri kompanzasyon geçici durumlarda kararlılığın artırılması için kullanılmaktadır.

Orta ve alçak gerilim dağıtım sistemlerinde gerek hatlann büyük bir kısmının doğal güçden fazla yüklendiklerinden, gerekse kapasitif üretimden dolayı meydana gelen aşırı gerilimlerin düşük olması nedenleriyle, yalnız kapasitif şönt kompanzasyon yapılmaktadır. Endüktif şönt kompanzasyon ülkemlzde 154 ve 380 kV’luk sistemlerde kullanılmaktadır.

Burada bir ana noktanın gözden kaçırılmaması gerekmektedir. Bu da güç sistemlerinde gerilim kontrolünün ilk etapta generatörler ve transformatör kademeleri ile yapılması gerektiğidir. Bunlar yeterli olmadığı takdirde güç faktörü kompanzasyonuna gidilmelidir.

d-) Geçici durumlarda kararlılığın artırılması:

Yollayıcı ve alıcı uçlardaki gerilimlerin V1 ve V ve bunların urasındaki faz açısı olan bir iletim hattından çekilen aktif güç, yaklaşık olarak aşağıdaki ifade ile verilir.
P = (1.13)

Bu denklemde X hattın endüktif empedansı olup kapasitif empedans ve direnç ihmal edilmişlerdir.

Görüldüğü gibi, VI ve V gerilimleri genellikle sabit olduğundan, aktif güç P’deki artış ya ’nın büyümesi ile ya da X’ın azalması ile sağlanabilecektir. Genelde sistemin büyük yük darbelerinde tekrar kararlı rejime dönebilmesi için değerinin mümkün olduğu kadar küçük değerlerde, örneğin 30o civarında tutulması gerekmektedir. Dolayısıyle daha fazla aktif güç taşıyabilmek için sınır O değerine ulaşılmış durumlarda tek alternatif seri kapasitörlerle X değerinin azaltılmasıdır.

Arızalardan dolayı meydana gelen darbelerde gerilimin de düşeceği göz önüne alınırsa, çok hızla devreye girip çıkan (tristör kontrollu) şönt reaktif kompanzasyonu da bu durumlarda gerilimleri artırarak sistem kararlılığını artırıcı yönde olacaktır.