GENETEK Güç, Enerji, Elektrik Sistemleri Özel Eğitim ve Danışmanlık San. Tic. Ltd. Şti. GÜÇ KALİTESİ ve HARMONİK EĞİTİMİ Yeniköy Merkez Mh. KOÜ Teknopark No:83 C-13, 41275, Başiskele/KOCAELİ Telefon-Faks: +90 262 341 45 33
İçindekiler GÜÇ KALİTESİ TANIMLARI HARMONİK TANIMI VE HARMONİK KAYNAKLAR HARMONİKLİ SİSTEMDE TEMEL KAVRAMLAR HARMONİĞİN ETKİLERİ HARMONİKLERİ ÖNLEME YÖNTEMLERİ STANDARTLAR VE EŞİK DEĞERLER HARMONİK ÖLÇÜMÜ Sayfa 2
Güç Kalitesi Tanımları Güç Kalitesi Tanımı Güç Kalitesi Bozulmalarının Sınıflandırılması Geçici rejim (Transient) Gerilim Çökmesi Gerilim Yükselmesi Kısa Süreli Kesinti Düşük Gerilim Aşırı Gerilim Uzun Süreli Kesinti Gerilim Dengesizliği Gerilim Dalgalanması Güç Frekansı Değişimi Dalga Şeklinde Bozulma Sayfa 3
Güç Kalitesi Tanımları Güç Kalitesi Tanımı Güç kalitesi, gerilim genlik ve frekansının nominal değerini koruması, gerilim dalga şeklinin saf sinüs biçiminde olması ve kesintisiz olarak sunulması şeklinde tanımlanabilir. IEEE standardında ise güç kalitesi hassas cihazların uygun çalışma koşullarında işletilmesidir. Elektrik mühendisliğinde uluslararası standartlarda ise güç kalitesi elektromanyetik uyumluluk olarak ifade edilmektedir Sayfa 4
Güç Kalitesi Tanımları Güç Kalitesi Bozulmalarının Sınıflandırılması Geçici Rejim Olayları (Transients) Kısa Süreli Değişimler; Gerilim çökmesi (Voltage sag) Gerilim yükselmesi (Voltage swell) Kısa süreli kesinti Uzun Süreli Değişimler; Düşük gerilim (Undervoltage) Aşırı Gerilim (Overvoltage) Uzun süreli kesinti Gerilim Dengesizliği (Voltage Unbalance) Gerilim Dalgalanması (Fliker) Güç Frekansı Değişimi Dalga Şeklinde Bozulma DC bileşen Çentik Gürültü Harmonikler Ara harmonikler (Interharmonic) Sayfa 7
Güç Kalitesi Tanımları Geçici Rejim Olayları (Transients) 50 nanosaniyeden 50 milisaniyeye kadar olan sürelerde gerilim ve/veya akımda meydana gelen ani değişimler geçici rejim olayları olarak değerlendirilir. Genellikle kararlı bir durumdan başka bir duruma geçerken meydana gelir. Temel Nedenleri Yıldırım Anahtarlama olayları Ark oluşturan gevşek bağlantılar Komşu tesisler Etkileri İzolasyon Hataları Isıl zorlanmalar Hatalı açmalara neden olma Önlemler Parafudur TVSS (Transient Voltage Surge Suppressor) Snubber (R-C devreler) Sayfa 10
Güç Kalitesi Tanımları Gerilim Çökmesi (Voltage Sag, Voltage Dip) Gerilim çökmesi IEEE 1159 standardında, gerilim etkin değerinin (RMS) yarım periyottan 1 dakika süreye kadar %10 - %90 seviyesine düşmesi olarak tanımlanır. Temel Nedenleri Kısa devre arızaları Yüksek güçlü motorların devreye girmesi Önemli yük değişimleri Etkileri Sistemin devre dışı kalması Ekipman verimliliğini ve ömrünü azaltma Can ve Mal Güvenliği Önlemler Gerilim desteği Kesintisiz güç kaynağı (UPS) Dinamik gerilim regülatörü Sayfa 13
Güç Kalitesi Tanımları Gerilim Yükselmesi (Voltage Swell) Gerilim yükselmesi IEEE 1159 standardında, gerilim etkin değerinin (RMS) yarım periyottan 1 dakika süreye kadar %110 - %180 seviyesine yükselmesi olarak tanımlanır. Temel olarak gerilim çökmesinin tersidir. Temel Nedenleri Faz-toprak kısa devre arızaları Yüksek güçlü yüklerin devre dışı kalması Büyük kapasitör banklarının devreye girmesi Etkileri Koruma, kontrol problemleri Sistemin devre dışı kalması Hassas elektronik cihazların arızalanması Önlemler Her türlü gerilim düzenleyici kontrolü Dinamik gerilim regülatörü Sayfa 18
Güç Kalitesi Tanımları Dalga Şeklinde Bozulma (Waveform Distortion) Çentik (Notching) Güç elektroniği cihazlarının (ör. doğrultucuların) çalışması sırasında akımın bir fazdan diğerine geçmesi sonucu meydana gelen periyodik bozulmadır. Temel Nedenleri Üç fazlı doğrultucu ve dönüştürücüler Etkileri Elektromanyetik filtrelere ve yüksek frekansa duyarlı kapasitif devrelerde aşırı yüklenme Sıfır geçiş kontrollü devrelerde hatalar Önlemler Hassas ekipmanların çektik meydana getiren kaynaklardan izole edilmesi Seri hat tıkaçlarının kullanılması Sayfa 24
Harmonik Tanımı ve Harmonik Kaynakları Harmonik Tanımı Lineer Elemanlar Lineer Olmayan Elemanlar Harmonik Kaynakları Fourier Analizi Faz Sırası Değişimi Tekil Harmonik Bozunumu Şekil Faktörü Tepe Faktörü Toplam Harmonik Bozunumu K Faktörü Harmonikli Sistemde Akım ve Gerilim Harmonikli Sistemde Görünür Güç Bozunum Güç Faktörü Harmonikli Sistemde Yüklenebilecek Maksimum Güç Sayfa 30
Harmonik Tanımı ve Harmonik Kaynakları Lineer Elemanlar Tanım Akım ve gerilim arasındaki ilişkinin doğrusal olduğu elemanlardır. Lineer elemanlarda akım ve gerilim dalga şekli aynı formdadır. V Z 2.000 1.500 1.000 500 0-500 -1.000-1.500-2.000 Gerilim Dalga Şekli 0 90 180 270 360 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 Akım Dalga Şekli 0 90 180 270 360 Temel Dalga Şekilleri I 0 90 180 270 360 Sayfa 32
Harmonik Tanımı ve Harmonik Kaynakları Harmonik Kaynakları Transformatörler Transformatörlerin doyma bölgesinde çalışması harmonik bileşen üretilmesine neden olur Transformatörlerin kalkış anında kısa süreli 2. harmonik bileşen oluşmasına neden olurlar Sayfa 38
Harmonik Tanımı ve Harmonik Kaynakları Harmonik Kaynakları Harmonik Kaynağı Tipik Harmonik Derecesi 6 Pulse Sürücü/Doğrultucu 5, 7, 11, 13, 17, 19 12 Pulse Sürücü/Doğrultucu 11, 13, 23, 25 18 Pulse Sürücü 17, 19, 35, 37 Anahtarlamalı Güç Kaynağı 3, 5, 7, 9, 11, 13 Elektronik Balast 3, 5, 7, 9, 11, 13 Ark Üreten Cihazlar 2, 3, 4, 5, 7... Transformatör Enerjilenmesi 2, 3, 4 Sayfa 43
Harmonikli Sistemde Temel Kavramlar Ve Hesaplar Harmonikli Sistemde Akım ve Gerilim I 1,2,3,..n V 1,2,3,..n I RMS V RMS :Temel frekansın 1,2,3, n. katındaki akım değerleri :Temel frekansın 1,2,3, n. katındaki gerilim değerleri : Akımın efektif değeri : Gerilimin efektif değeri I rms 2 2 2 2 THDI I1 I2 I3... In I1 1 100 2 V rms 2 2 2 2 THDV V1 V2 V3... Vn V1 1 100 2 Sayfa 58
Harmoniğin Etkileri Harmoniklerin Meydana Getirdiği Genel Problemler Transformatörler Üzerindeki Etkileri Döner Makinalar Üzerindeki Etkileri İletkenler Üzerindeki Etkileri Koruma Ekipmanları Üzerindeki Etkileri Kondansatör Üzerindeki Etkileri Harmoniklerin Rezonans Etkileri Sayfa 75
Harmoniğin Etkileri Harmoniklerin Meydana Getirdiği Genel Problemler Şebeke geriliminin dalga şeklinin bozulması Sistemdeki teknik kayıpların artması Gerilim düşümünün artması Faz-toprak arıza akımlarının yükselmesi Yalıtım malzemenin zorlanması ve delinmesi Koruma sistemlerinin hatalı çalışması Rezonansa neden olması sonucu aşırı akım ve gerilimlerin oluşması Endüksiyon tipi sayaçlarda ölçüm hataları oluşması Elektronik kartların arızalanması Sayfa 76
Harmoniğin Etkileri Transformatörler Üzerindeki Etkileri Akım harmoniklerinin etkisi sonucu bakır kayıplarının ve kaçak akı kayıplarının artması Gerilim harmoniklerinin etkisi sonucu demir kayıplarının artması ve yalıtım zorlanmalarına neden olması Transformatör ile kompanzasyon sisteminin paralel rezonansa girmesi Transformatörün gürültülü çalışması Bunlara bağlı olarak transformatörde aşırı ısınmalar, ömründe azalma meydana gelmektedir. Sayfa 78
Harmonikleri Önleme Yöntemleri Tasarım Aşamasında Alınacak Önlemler Kurulu Bir Tesiste Alınacak Önlemler Pasif Filtreler Aktif Filtreler Sayfa 90
Harmonikleri Önleme Yöntemleri Kurulu Bir Tesiste Alınacak Önlemler Pasif Filtreler Avantajları C C C 1 C 1 Yüksek frekans aralığı L R L C 2 L C 2 R Güç faktörünü düzenleme R R L Birden fazla sürücü için tek filtre Dezavantajları Sistem yapısının değişmesi (sisteme eleman eklenmesiçıkarılması) durumunda etkisiz kalma Ayrı koruma düzeni ve montaj yeri ihtiyacı Sayfa 93
Standartlar ve Eşik Değerler Gerilim Harmonik Distorsiyon Limitleri Akım Harmonik Distorsiyon Limitleri Sayfa 105
Güç Kalitesi Standartları Standartlar ve Eşik Değerler Yüksek Gerilim IEC61000-3-6/-3-7 EN50160 (35-150kV) IEC61000-2-4 (Endüstri) Class 1-2- 3 IEC61000-3-2/-3 Orta Gerilim EN 50160/ IEC 61000-2-12 device Alçak Gerilim IEC61000-2-2 / EN50160 kwh device device Public Grid Private Grid (Industrial Grid) Sayfa 106
Standartlar ve Eşik Değerler Gerilim Harmonik Distorsiyon Limitleri ANSI/IEEE 519 Gerilim İçin Harmonik Distorsiyon Sınırları HD V THD V PCC Noktası Gerilim Seviyesi (V) (Tekil harmonik Bozulma) (Toplam Harmonik Bozulma) [%] [%] V < 69 kv 3.0 5.0 69 V < 161 kv 1.5 2.5 161 kv 1.0 1.5 Elektrik Dağıtımı Ve Perakende Satışına İlişkin Hizmet Kalitesi Yönetmeliğinde 40. harmoniğe kadar THD için sınır değer %8 olarak belirlenmiştir IEC 61000-2-2 Konutlarla İlgili Alçak Gerilim Şebekeleri İçin Gerilim Harmonik Distorsiyon Limitleri Tek Harmonikler Çift Harmonikler 3 ve Katı Harmonikler n %Vn n %Vn n %Vn 5 6 2 2 3 5 7 5 4 1 9 1.5 11 3.5 6 0.5 15 0.3 13 3 8 0.5 21 0.2 17 2 10 0.5 19 1.5 12 0.2 23 1.5 25 1.5 29 k k= 0.2+12.5/n Sayfa 108
Standartlar ve Eşik Değerler Gerilim Harmonik Distorsiyon Limitleri IEC 61000-2-4 Endüstriyel Tesisler İçin Gerilim Harmonik Distorsiyon Limitleri (2. Sınıf Elemanlar) Tek Harmonikler Çift Harmonikler 3 ve Katı Harmonikler n %Vn n %Vn n %Vn 5 6 2 2 3 5 7 5 4 1 9 1.5 11 3.5 6 0.5 15 0.3 13 3 8 0.5 21 0.2 17 2 10 0.5 19 1.5 12 0.2 23 1.5 25 1.5 29 k k= 0.2+12.5/n IEC 61000-2-4 Endüstriyel Tesisler İçin Gerilim Harmonik Distorsiyon Limitleri (3. Sınıf Elemanlar) Tek Harmonikler Çift Harmonikler 3 ve Katı Harmonikler n %Vn n %Vn n %Vn 5 8 2 3 3 6 7 7 4 1.5 9 2.5 11 5 6 1 15 2 13 4.5 21 1.75 17 4 27 1 19 4 23 3.5 25 3.5 29 m Sayfa 109
Harmonik Ölçümü Giriş Harmonik Ölçüm Cihazları Ölçme Devreleri Harmonik Analiz Yazılımları Sayfa 125
Harmonik Ölçümü Giriş Ölçüm cihazları, ölçüm periyodu boyunca ortalama ve anlık bilgi sağlar. Ani değerler, harmonilere bağlı bozukluklar için kullanılırken ortalama değerler güç kalitesi değerlendirmesi için kullanılır. En güncel ölçüm cihazları, IEC 61000-4-7, "Electromagnetic compatibility (EMC) Part 4-7: Testing and measurement techniques General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto«ve IEC 61000-4-30,«Part 4-30:Testing and measurement techiques- Power quality measurement methods"a göre tasarlanmıştır. Sayfa 126
Harmonik Ölçümü Harmonik Ölçüm Cihazları Güç Kalite Analizörleri Standartlar tarafından belirlenen tüm göstergelerin yeterli doğrulukta ölçülebilen portatif cihazlardır. Harmonik ölçümünde FFT(Fast Fourier Transform) adı verilen yüksek performanslı algoritmalar kullanırlar. Sayfa 129
Harmonik Ölçümü Harmonik Ölçüm Cihazları Sabit Tip Güç Kalite Analizörleri Taşınabilir analizörler ile aynı özelliklere sahip, ancak kullanıcısına sürekli olarak veri sağlayan cihazlardır. Ayrıca üzerindeki dijital ve analog girişlerin kullanılması ile kesici açması gibi olaylar ile alınan ölçümler eşleştirilebilir. Sayfa 132
Harmonik Ölçümü Ölçme Devreleri Doğrudan bağlantı Güç sistemine doğruda gerilim ve akım probları üzerinden gerçekleştirilen bağlantıdır. Ölçüm cihazının yalıtım seviyesine uygun gerilim seviyelerinde kullanabilir. Akım probu seçimi, yük akımına uygun olarak yapılmalıdır. 3000 A Flex Akım Probu 1000 V CAT III Gerilim Probu 20 A Akım Probu Sayfa 135
Harmonik Ölçümü Ölçme Devreleri Ölçü Transformatörleri ile Bağlantı Ölçülecek olan sistemin, cihaz ölçüm girişlerinin izolasyon seviyesinden yeksek olduğu gerilim seviyelerinde, akım ve gerilim ölçü transformatörleri üzerinden ölçülmesi gerekmektedir. 3000 A Flex Akım Probu 1000 V CAT III Gerilim Probu 20 A Akım Probu Sayfa 142
Harmonik Analizi Harmonik Analiz Yazılımları Harmonikli bir sistemde yük akışı analizi gerçekleştirmek için güç sistemleri analiz yazılımları kullanılır. Bu yazılımlarda harmonik kaynakların ürettikleri harmoniklere göre modellenme yapılır Analiz sonucunda HD, THD, TTD vs. harmonik etkisinin değerlendirilmesinde kullanılan parametreler elde edilir PSS Sincal Sayfa 146
TEŞEKKÜRLER Sayfa 150