ELEKTRKL DEMRYOLLARINDA ENERJ KALTES PROBLEMLER VE ÇÖZÜM ÖNERLER Bekir MUMYAKMAZ 1 Abdurrahman ÜNSAL 2 N. Serdar TUNABOYLU 3 Elektrik - Elektronik Mühendislii Bölümü Mühendislik Fakültesi Dumlupnar Üniversitesi, 43100, Kütahya 1 e-posta: mumyakmaz@dumlupinar.edu.tr 2 e-posta: unsal@dumlupinar.edu.tr 3 e-posta: serdar.tunaboylu@dumlupinar.edu.tr Anahtar sözcükler:enerji Kalitesi, Elektrikli Demiryolu ABSTRACT Power quality issues for an electrified railway system are studied. A 30-km catenary line segment in Eski&ehir - Karagözler transformer station has been chosen for this study. The field measurements show that the currently installed reactive power compensation system is quite adequate for reactive power limits imposed in Turkey. But, mains line current distortions are out of international standards. In the near future, increased railway traffic on the railways and the tighter THD limits imposed by European Union are very likely events to occur. To remedy for these foreseeable power quality problems, further probe for active power filter solutions are needed. 1. GR* Elektrik enerji kalitesi; elektrik sistemlerinde artan nonlinear yük kullanm dolaysyla, elektrik datm +irketleri, elektrikli cihaz ve ekipman üreticileri, ve son kullanclar arasnda 1970'li yllardan bu yana önemli bir konu haline gelmi+tir. Genel olarak enerji kalitesi terimi; bir güç sistemindeki akm ve gerilimin ideal dalga +eklini bozan, geni+ çapl bir elektromanyetik etkile+im olarak tanmlanabilir. Üzerinde henüz tam olarak anla+ma salanm+ olmamasna ramen bu terim; Dugan tarafndan, Son kullanclara ait cihazlarn cal+masn bozan veya yanl+ çal+masna sebep olan, akm gerilim veya frekansta meydana gelen herhangi bir sapma, enerji kalitesi problemidir +eklinde açklanm+tr [1]. Enerji kalitesinin dier bir tanm da IEEE Standart 1100-1992`de Enerji kalitesi; hassas elektrikli cihazlarn, çal+ma +artlarna uygun bir +ekilde beslenmesi ve topraklanmasdr olarak yaplmaktadr [2]. En yaygn enerji kalitesi problemleri; gerilimde azalma (sag), gerilimde art+ (swell), enerji kesintileri, gerilim ve faz dengesizlikleri, gürültü, modülasyon, frekans sapmalar, ve harmonik bozulmalardr. Elektrik enerji kalitesi problemi; elektriin ilk kullanld günden bu güne kadar gündemde olmasna ramen, yar iletken güç elektronii elemanlarnn skça kullanlmaya ba+lanlmasyla birlikte hem enerji temin edicileri hem de kullanclar açsndan artan bir öneme sahip olmu+tur. Büyük çapta enerji kalitesi problemine yol açan tesisler arasnda elektrik ark frnlar ve elektrikli demiryollar saylabilir. Her iki örnekte de arlkl olarak enerji kalitesi problemi olarak, reaktif güç gereksinimi ve harmonik akmlar ba+ta gelmektedir. Bu çal+mada elektrik enerji kalitesi problemine yol açan elektrikli demiryolu sistemleri incelemeye alnmakta ve çözüm önerileri üzerinde durulmaktadr. 2. DEMRYOLU VE ENERJ KALTES Elektrikli demiryollarnda ilk önceleri 1500 ve 3000 V luk doru akm hatlar kullanlyordu. 1945 ten itibaren merkezi avrupa ve iskandinav ülkelerinde 15 kv, 16 2/3 Hz ve 25 kv, 50 Hz lik bir fazl alternatif akm hatlar kullanlmaya ba+land [3]. Demiryolu katener hattndan alnan elektrik, kullanlan tahrik sisteminin ihtiyacna göre dorultucu inverter gruplar yardm ile doru akm veya üç fazl alternatif akma çevrilir. Bu çevrilme sebebiyle katener hattndan çekilen akm büyük miktarda harmonikler içerir. Ayrca; bu tahrik sistemleri, katener hattndan bazen aktif güçle ayn miktarda, bazende daha fazla olabilen endüktif reaktif akm çekerler. Enterkonnekte sistemden çekilen akmn harmonik bile+en içerii ve reaktif güç miktar; trenin arlna, yolcu veya yük miktarna, hzna ve yerine bal olduu gibi; trenin hzlanma, yava+lama ve sabit hz gibi dei+ik çal+ma modlarna da bal olup büyük oranlarda rasgele dei+mektedir [4]. Ülkemizde elektrikli demiryolu cer sistemlerini besleyen katener hatlar 25 kv bir fazl AC hatlardr ve 154 kv luk enterkonnekte +ebekeye trafoyla iki fazl olarak balanmaktadrlar. Bu +ekliyle de demiryolu sistemi; enterkonnekte güç sisteminde
dengesiz bal yük olarak yer almaktadr. TCDD (Türkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryollar) trafo merkezlerinde kompanzasyon tesisi öncesi güç faktörünün dei+imi aylk ortalamas 0.7 ila 0.82 arasndayd [5]. Iekil 1 de Eski+ehir-Karagözler trafo merkezinin Iubat 95 Iubat 96 dönemi için aylk aktif ve reaktif enerji tüketimleri görülmektedir [6]. 1000 800 600 400 200 0 Subat 95 Mart 95 Nisan 95 Mayis 95 Haziran 95 Temmuz 95 Agustos 95 Aktif Enerji Eylül 95 Ekim 95 Kasim 95 Aralik 95 Reaktif Enerji Ocak 95 Subat 96 Kondansatörlere seri balanan reaktörler araclyla 3. harmonik filtrelenmesi salanmaktadr. Katener hattnda reaktif enerji miktar bir peryottan dierine bile büyük dei+iklikler gösterdiinden çok kademeli TSC kullanm zorunlu olmu+tur ve herbiri 125 kvar lk 10 tane TSC kullanlm+tr. Sistemde ayrca bir adet kesici ile devreye alnp çkarlan 150 kvar lk reaktör bulunmaktadr. Bu reaktör tren geçmedii durumlar için devreye alnarak katener hattnn çektii kapasitif akm kompanze etmektedir. Sistemin kontrolü gerçek zaman kontrol ve analiz cihaz (RTPF) ile yaplmaktadr. Bu kontrol ile TSC' lerin cevap zaman en az bir peryotdur. Dolaysyla reaktif enerji üretimi her peryotta bir ayarlanabilmekte; ancak kompanzasyon miktarnn dei+imi kademeli olarak gerçekle+tirilebilmektedir. Bu yönüyle; sistem, aylk ortalama güç faktörünü istenen seviyede tutabilmektedir. Iekil 1. Karagözler trafo merkezi yllk enerji tüketiminin dei+imi Dier bir durum da katener hattnn yüksüz olduu yani tren geçmedii anlar için sözkonusudur. Katener hatt, yüksüz durum için hattn kapasitif reaktans sebebiyle kapasitif akm çekmektedir. Reaktif güç gereksinimindeki bu denli dei+im reaktif güç kompanzasyonunu zorunlu klm+tr. TEAI (Türkiye Elektrik Üretim Lletim Anonim Iirketi); aylk ortalama güç faktörünün 0.95in üzerinde olmasn ve reaktif enerji tüketiminin, aktif enerji tüketiminin %50 sini a+mamasn +art ko+maktadr. Bu hususlar dikkate alnarak; trafo merkezlerinin kompanzasyonunda, sabit kapasitör gruplar (MSC) ve tristör anahtarlamal kapasitör gruplar (TSC) olmak üzere iki tip kompanzasyon kullanlm+tr. Sabit kapasitör grubu ile kompanzasyon +ehirler aras tren ve banliyölarn birlikte bulunduu büyük +ehirlerde yeterli görülmü+, tren trafiinin daha az olduu +ehirler aras hatlarn trafo merkezlerinde TSC gruplar tercih edilmi+tir. Iekil 1 de aktif ve reaktif güç tüketim miktarlar verilen Eski+ehir Karagözler trafo merkezinde, bir günde geçen tren says azdr. Tren geçi+leri esnasnda katener hattndan çekilen akm büyük oranda 3, 5 ve 7. harmonikleri içermekte ve toplam harmonik bozulma (THD) %30 seviyelerine ula+maktadr. Ayrca; katener hattndan çekilen aktif ve reaktif güçler +ebeke geriliminin her periyodunda bile büyük miktarlarda dei+mektedir. Bu durumda mekanik yolla kondansatör gruplarnn devreye alnarak çkarlmalar yeterli olmamakta, tristörlerle kontrolü gerekmektedir. Öte yandan harmonik akmlarn azaltc düzenlemeler de zorunludur. Bu sebeplerle trafo merkezinde Iekil 2 de görülen kompanzasyon sistemi kullanlm+tr. Sistemde, katener hattndan alnan 25 kv luk enerji bir fazl trafo yardmyla 500 V seviyesine indirilmekte ve kondansatör gruplarna (TSC) balanmaktadr. Iekil 2. Eski+ehir-Karagözler Trafo Merkezi Kompanzasyon Sistemi Tesis edilen sistemin enerji kalitesi açsndan getirdiklerini test amacyla Eskisehir Karagözler trafo merkezinde ölçümler yaplm+tr: 3. ÖLÇÜMLER VE DE+ERLENDRME Karagözler trafo merkezindeki ölçümler; öle saatlerinde, Ankara - Lstanbul seferini yapmakta olan Ba+kent Ekspresi geçi+i esnasnda Fluke 43B Harmonic Analyzer cihaz kullanlarak yaplm+tr. Ölçüm katener hatt gerilim ve akm trafolar araclyla yaplm+ olup; akm trafosu dönü+türme oran 600:5, ve gerilim trafosu dönü+türme oran ise 25000:100 dür. Ayrca kompanzasyon sistemine kumanda eden RTPF cihazna ait ekrandan da gözlemleme yaplm+tr. Treni besleyen katener hatt trafo merkezi çk+nda iki bran+man halinde yakla+k 30 km lik bir hattr. Dönü+ akm ise raylar araclyla salanmaktadr. Katener hattndan tren yükünün beslenmesi 20-30 dk kadar sürmektedir. Bu zaman aralnda tren dei+ik çal+ma +artlarnda seyrini devam ettirdiinden (hzlanma, duru+, sabit hz, ve frenleme) katener hattndan çekilen akmlar saniyeler içinde bile büyük dei+imler göstermektedir.
Ölçme i+lemi pek çok defa ve dei+ik bak+ açlarndan yaplm+ ise de burada sadece bir - iki örnekle yetinilecektir. Iekil 3 te tren geçi+i esnasnda orta seviyede yükleme durumu için; katener hattnn gerilimi ve akmna ait, dalga +ekilleri görülmektedir. Katener hattnn gerilimi; 25 kv nominal gerilim seviyesinin üzerinde, ve toplam harmonik bozulma (THD); Iekil 4 teki datablock ta % 2.8 olarak görülmektedir. dalga +ekilleri için THD ye dayal inceleme yanl+ yönlendirmeye sebep olabilir. Ayarlanabilir hz sürücü devrelerinin çal+malarnda olduu gibi; hafif yük durumlarnda, akm THD deerleri çok büyük olmasna ramen +ebekedeki etkisi önemli olmayacaktr. Bu sebeple akmdaki dalga +ekli bozukluu deerlendirmesinde; IEEE standardlarnda, Toplam Talep Gücü Bozulmas (TDD) ve her bir harmonik akm bile+eninin yük akm nominal deerine göre yüzdelik deeri ölçü olarak kullanlmaktadr. TDD; maksimum talep yük akm olarak tariflenip, a+adaki formülde olduu gibi hesaplanr:[1] 2 Ih 2 TDD = *100% (1) I L Iekil 3. Katener hatt gerilim (üstte) ve akm. Katener hatt gerilim spektrumundan görülecei gibi; dei+ik frekans bölgelerinde harmonik bile+enler mevcuttur, ancak THD seviyesi IEEE 519 numaral standardnn (% 5) altndadr [7]. burada; I L +ebeke noktasnda maksimum talep yük akmnn temel bile+eni, ve I h efektif manada h. harmonic bile+enin genlii olmaktadr. Iekil 5. Katener hatt akm spektrumu (Orta yük). Iekil 4. Katener hatt gerilim spektrumu. Akm spektrumu incelendiinde durumun farkl olduu görülür. THD seviyesi % 36.1 dir. Ancak akm Karagözler istasyonunda +ebekeye balant noktasnda ksa devre akm 18.7kA; ve yük akm ise tren says ve yük durumuna göre 0-30A (154kV barasnda) seviyesindedir. Lstasyon besleme trafosu nominal gücü dikkate alnarak hesaplanacak maksimum talep akm 28A olmaktadr. Iekil 5 te görülen akm dalga +eklini olu+turacak çal+ma +artlar için TDD hesaplanrsa, TDD=%27 civarnda olduu görülür. Iekil 6 da hafif yük durumu için gerilim ve akm dalga +ekli görülmektedir. Akm THD seviyesi %33.2 olup bir önceki durumla yakla+k ayndr. Ancak TDD için ayn +ey söylenemez (TDD=%10).
Iekil 6. Katener hatt hafif yükte akm ve gerilim. 1992 ylnda yaynlanan IEEE 519 numaral standardnda harmonik akm bozulma limitleri; +ebekeye balant noktasnda, maksimum talep akmnn yüzdesi olarak verilmi+tir. Buna göre; +ebeke geriliminin 69kV < Vn U 161kV aralnda olduu ve I SC /I L orannn 100-1000 (Elektrikli demiryolu örnei) olduu tesislerde, harmonik akm limitleri: 11. ve daha küçük harmonikler için %6; 11 U h < 17 harmonikler için %2.75, 17 U h < 23 harmonikler için %2.5, 23 U h < 35 harmonikler için %1, 35 U h harmonikler için %0.5, ve toplam talep gücü bozulmas TDD için %7.5 olarak belirlenmi+tir [1]. akm da %10 un (Limit:%6) üzerindedir. Ayrca toplam talep gücü bozulmas TDD % 7.5 ile snrlandrld halde; orta seviyede yük için TDD=%27 ve hafif yük durumu için TDD=%10 hesaplanm+tr. Karagözler trafo istasyonunda yaplan incelemeler srasnda; tesiste mevcut bulunan statik reaktif güç kompanzasyon sisteminin gösterge ekranndan tren geçi+i boyunca reaktif güç dei+imi ve harmonik akmlar gözlemlenmi+tir. Katener hatt reaktif gücü 0.5-0.9 aralnda anlk olarak dei+mektedir. Iekil 8 de katener hattnn orta seviyede yüklenmesi durumu için kompanzasyon sistemi göstergesi görülmektedir. Göstergeye göre katener hatt (L) güç faktörü seviyesi 0.68 endüktif; +ebeke taraf (M) güç faktörü seviyesi ise 0.98 endüktif olmaktadr. Bu srada kompanzasyon sistemi 1284 kvar reaktif güç üretmekte olup, sistemin 5 kademesi devrededir (C). Hafif yük durumu için katener hatt (L) güç faktörü 0.52 endüktif ve +ebeke (M) güç faktörü de 0.96 endüktifdir (Iekil 9). Devrede olan kapasitör grup says ikiye dü+mü+tür. Iekil 8.Trafo istasyonu güç faktörü (Orta yük). Iekil 7. Katener hatt akm spektrumu (Hafif yük). Orta ve hafif yük durumlarna ait akm ve gerilim dalga +ekilleri Iekil 3 ve 6 da görülmektedir. Buradan anla+labilecei gibi gerilim dalga +eklindeki harmonik bozulma standardlarda verilen limitleri a+mamaktadr. Iekil 5 ve 7 de görülen akm dalga spektrumu incelendiinde; her iki durum için de, IEEE 519 standardnda verilen limitlerin a+ld anla+lacaktr. Her iki akm dalga spektrumu için de 3. harmonik akm %30 un (Limit:%6), 7. harmonik Iekil 9.Trafo istasyonu güç faktörü (Hafif yük). Kompanzasyon sistemi +ebeke tarafndaki güç faktörü seviyesini 0.95 endüktifin üzerinde tutmak için ayarlanm+tr. Çou zaman bu seviye salanmaktadr. Ancak hafif yük durumlarnda ve ani yük dei+imleri durumlarnda güç faktörü bazen 1.00 kapasitif bazen
de 0.93 endüktif gibi snrlarn d+na ta+abilmektedir. Bu durumun TEDAI açsndan bir sakncas bulunmamaktadr; aylk ortalamada 0.95 endüktif yüklenme ve aktif gücün % 20si orannda da kapasitif yüklenme salanmas istenmektedir. Kompanzasyon tesisinin i+letmeye alnmasndan bu zamana kadar ortalama bazda snrlar a+lmam+tr. Dolays ile reaktif güç bakmndan enerji kalitesi problemi çözümlenmi+tir. Harmonik bozulma deerleri açsndan incelendiinde; Karagözler trafo merkezinin gerilim dalga +ekli THD oranlarnn standartlarda belirtilen snrlarn altnda kald görülür. Akm dalga +eklindeki bozulmalarn ise; snrlar a+t, tespit edilmi+tir. Ancak ülkemizde harmonik bozulma snrlarn belirleyici düzenlemeler ve yaptrmlar +u an için yürürlükte bulunmadndan bu durum problem te+kil etmemektedir. Geli+en teknoloji ve güç elektronii cihazlarnn daha çok kullanlmasyla birlikte gündeme gelecek enerji kalitesi hassasiyeti bu tür enerji kalitesi problemlerine de çözüm aray+larn birlikte getirecektir. Iimdiden elektrikli demiryollarnn harmonikli akm problemlerini gidermede kullanlabilecek mevcut ve geli+tirilebilecek tekniklerin ara+trlmas gerekmektedir. Harmonikleri kontrol etmenin üç temel yolu vardr: Yük tarafndan olu+turulan harmonik miktarn azaltmak; sisteme harmonik giri+ini veya çk+n filtre balayarak önlemek, veya filtreler,endüktörler ya da kondansatörler kullanarak sistemin frekans cevabn modifiye etmek.[1] Elektrikli demiryollar açsndan bakldnda bu metodlardan birincisi, yük olarak mevcut tren altyaps bulunduundan pek mümkün gözükmemektedir. Bunun yerine ikincisi yani filtre kullanm daha uygundur. Bu uygulama ya lokomotif içinde veya trafo istasyonunda yaplabilir. Lokomotif içinde yer darl sebebiyle ve her trene yerle+tirme zorunluu sebebiyle teknik ve ekonomik açdan tercih edilmeyebilir. Dolaysyla trafo merkezlerine filtre konulmas daha pratik olacaktr. Ancak yük durumu sürekli dei+tii için pasif filtre yerine aktif filtre seçenei tercih edilmelidir. Ayrca; ileriye yönelik çözüm olarak; lokomotiflerin tahrik sistemleri dizayn edilirken, +ebekeden sinüsoidala yakn akm çeken ve reaktif güç gereksinimi olmayan güç elektronii sürücü devrelerinin kullanlmas iyi bir çözüm olacaktr. 4.SONUÇLAR Yaplan çal+mada TCDD elektrikli demiryolu istasyonlarnda meydana gelen enerji kalitesi problemleri ortaya konulmu+ ve çözüm önerileri tart+lm+tr. Uygulama sahas olarak Eski+ehir Karagözler Trafo Lstasyonu ele alnm+tr. Yaplan incelemelerde; mevcut sistemin, TEDAI tarafndan istenilen snrlar içerisinde çal+t tespit edilmi+tir. Sistemin 154kV luk enterkonnekte +ebekeden beslendii ve dolaysyla çevrede bulunan dier yüklere enerji kalitesi açsndan bugün itibariyle saknca olu+turmad gözlenmi+tir. Ancak gelecekte uygulamaya konulacak uluslararas standardlar çerçevesinde; harmonik akmlar bakmndan sistemin istenilen performans sergileyemeyecei dikkate alnarak istasyonlarda aktif filtre kullanmnn gündeme gelebileceini gözden uzak tutmamak gerekir. Ayrca ileriye yönelik olarak; elektrikli lokomotif imalat çal+malarnda, yeni teknoloji ürünü sürücü devrelerinin kullanlmas gündeme gelmelidir. Dier yandan artan demiryolu yolcu says ve trafii de dikkate alnarak yaplacak tren seferlerinin zamanlamas ayarlanrken, trenlerin istasyonlarda meydana getirecekleri enerji kalitesi problemleri de dikkate alnmaldr. TE*EKKÜR Bu çal+mada gerek doküman, gerekse teknik bakmdan yardmlarn esirgemeyen tüm TCDD personeline te+ekkürü bir borç biliriz. KAYNAKLAR [1] Dugan, R.C., McGranaghan, M.F. and Beaty, H.W. Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill, 1996. [2] Bollen, M.H.J. Understanding Power Quality Problems, IEEE Press, 2000. [3] Heinz KURZ, "Rolling Across Europe's Vanishing Frontiers", IEEE Spectrum, Feb. 1999, PP 45-49 [4] L.A Snider, E. Lo, T.M. Lai, Stochastic Power Quality Study of Distribution Supply to Metro Transit Railway, IEEE Conference on Power Quality, 2001 [5] TCDD Reaktif Güç Kompanzasyonu Teknik Iartnamesi, 1996 [6] Mumyakmaz, B. Elektrikli demiryolu Katener Hatlarnn Kompanzasyonunda Statik Var Kompanzatörlerinin kullanlmas., DPU FBE Dergisi, 2000, Say 1 [7] IEEE Standard 519-1992, Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.