Alçak Gerilim Kompanzasyon Panoları Elektriksel Özelliklerin Belirlenmesi ve 3 Boyutlu Pano Tasarımı

Endüktif lineer yükler (örn. Transformatör, asenkron motor, vs.) ve endüktif nonlineer yükler (örn. Sürücü devreleri, kaynak makinaları, ark fırınları, doğrultucular, tristörler, frekans konvertörleri, balastlı gaz deşarj lambaları, vs.) çalışma prensiplerinin temelini oluşturan manyetik alanı yaratırken reaktif güç kullanmaktadırlar. Bu reaktif güç, sistemi besleyen kaynaktan sağlanırken, sistemden çekilen aktif gücün yanında üretim ve dağıtım ekipmanları üzerinde ekstra yüke neden olmaktadır. Bu ekstra yükün azaltımı ve dolayısı ile sistem verimliliğinin artırılması kompanzasyon uygulamaları ile sağlanmaktadır. Böylece reaktif güç, ihtiyaç duyulduğu noktada kompanzasyon sistemleri ile oluşturulmaktadır. Detaylar makalemizin devamında...

A- A+

17.07.2017 tarihli yazı 13500 kez okunmuştur.

Kompanzasyon sistemleri orta ve alçak gerilim istasyonlarında uygulanabilmektedir. Teknik ve ekonomik nedenler ile kompanzasyon sistemleri alçak gerilim tarafında uygulanması tercih edilebilir. Ekonomik nedenler ele alındığında temel olarak alçak gerilim tarafında kullanılan ekipmanların daha düşük maliyetli oluşu ön plana çıkmaktadır. Teknik açıdan ele alındığında ise, yüke daha yakın noktada uygulanacak kompanzasyon ile sistem kararlılığı ve buna bağlı olarak enerji kalitesinde artış olacaktır.

Uygulanacak kompanzasyon sisteminin, istenen sonuçları verebilmesi için, elektriksel malzeme seçimi ve bu seçime bağlı pano mekanik boyutlandırması kritik rol oynamaktadır. Elektriksel malzemeye ve kullanım alanına göre 3 boyutlu tasarlanacak pano ile sisteme uygun çözüm sunulabilmektedir.

Bu yazıda kompanzasyon sistemleri ile beraber alçak gerilim panosu içerisindeki uygulamaların açıklanması amaçlanmaktadır. Malzeme seçiminde kullanılan kriterler ile birlikte panonun mekanik tasarımında göz önünde bulundurulan noktalara değinilmektedir. Tüm bunlara bağlı olarak tasarım ensasına kaçınılması gereken noktalar da ele alınmaktadır.

► İlginizi Çekebilir: Kompanzasyon Nedir?

1) Kompanzasyon Sistemleri

Alternatif akım sistemlerinde, aktif güç (P) ve görünen güç (S) arasındaki oran güç faktörünü vermektedir. Vektörel olarak ifade edildiğinde φ açısının kosinüs değeri güç faktörü olarak ifade edilir: Şekil 1.’de görülen φ açısı, akım ve gerilim arasındaki faz farkı olarak ifade edilen açıdır.

Şekil 1: Güç faktörünün aktif ve görünen güç olarak vektörel ifadesi

Reaktif güç olarak ifade edilen Q, aşağıdaki formül ile hesaplanmaktadır:

Bir sistemin güç faktörünün iyileştirilmesi için ihtiyaç duyulan reaktif güç hesabı için aşağıdaki formül kullanılmaktadır:

Burada φ₁ açısı kompanzasyon sistemi uygulanmadan önceki açı değeri iken φ₂ açısı, kompanzasyon uygulaması sonrasında ulaşılmak istenen açı değeridir.

1.1. Lineer Yükler için Kompanzasyon

Lineer yükler şebekeden yaklaşık olarak sinüsoidal akım çekmektedir. Bu akım değeri, lineer yüklerin manyetik alanlarını oluşturmak için ihtiyaç duyduğu reaktif güç nedeni ile, şebeke geriliminden bir φ açısı kadar geridedir. Toplamda şebekeden çekilen görünür güç, reaktif güç nedeni ile, kullanılan aktif güçten daha fazladır.

Lineer endüktif yükler, harmonik bozunumlu reaktif güce neden olmazlar. Toplam reaktif akım ihtiyaç duyulan reaktif akıma eşit olarak kabul edilir. Bu nedenle genellikle lineer yüklerin çoğunlukta olduğu şebekelerde kullanılacak kompanzasyon sistemlerinde harmonik filtreler kullanılmamaktadır.

1.2. Non- Lineer Yükler için Kompanzasyon

Şebekelerde en sık karşılaşılan non-lineer (lineer olmayan) yükler frekans dönüştürücü motor sürücülerdir. Bu tip sürücüler, motor hız kontrolü için şebekeden aktif gücün yanında reaktif güç ve non-sinüsoidal akım çekmektedir. Bu non-sinüsoidal akım eğrisi, bir temel akım değerindeki sinüs eğrisi ile sistem frekansının katlarından oluşan harmonik akım eğrilerinin birleşiminden oluşmaktadır. 3 fazlı sistemlerde oluşan harmonikler güç sistemleri üzerinde çeşitli dezavantajlar oluşturmaktadır. Non-lineer yüklerin çoğunlukta bulunduğu şebekeler için, sisteme göre değişen oranlarda harmonik filtreli kompanzasyon sistemleri tercih edilmektedir.

2. Örnek bir kompanzasyon uygulaması (SIVACON S8 Pano Sistemleri)

Önceki bölümlerde belirtilen yük tiplerine göre, harmonik filtreli ya da filtresiz kompanzasyon uygulamalarına örnek olarak, Sivacon S8 pano sistemleri incelenmiştir.

Ortam sıcaklığı, kompanzasyon gücü ve uygulama tiplerine (kontaktör ya da tristör anahtarlamalı) göre pano içerisinde hava akımını arttırmak üzere fan kullanılmaktadır. Modül olarak tasarlanan kompanzasyon kademe sistemlerinde sigortalı yük ayırıcılar ile koruma sağlanmaktadır.

Filtresiz kompanzasyon modülleri genel olarak daha önce değinildiği gibi lineer yüklerin çoğunlukta olduğu şebekeler için tercih edilmektedir. Toplam kompanzasyon gücü, kademelere bölünmektedir. Pano kapısında bulunan reaktif güç kontrol rölesi, değişken yük durumlarında dahi, ihtiyaç kadar kompanzasyon ünitesinin devreye girip çıkmasını sağlayarak, sistemi istenen cos φ değerine ulaştırmaktadır.

Filtreli kompanzasyon modülleri ise non-lineer yüklerin çoğunlukta olduğu şebekelerde tercih edilmektedir.

2.1. Kompanzasyon Sistemi Boyutlandırılması

Sistemde ihtiyaç duyulan kapasitif gücün doğru şekilde belirlenmesi önemlidir. Kompanzasyon sistemi kurulacak tesis hali hazırda kurulu ya da yeni kurulacak bir işletme olabilir. Çeşitli hesaplama cetvelleri yardımı ile kabuller yapılarak toplam aktif güç üzerinden bir kompanzasyon gücüne ulaşmak mümküdür. Ancak özellikle işletme durumundaki tesislerde gerekli ölçümlerin sahada yapılarak kompanzasyon gücünün belirlenmesi daha sağlıklı sonuçlar elde edilmesini sağlamaktadır.

Sistem koşullarına göre ayarlanabilen güç faktörü değerlerini sağlayabilmek için, toplam kompanzasyon gücü kademelere bölünmektedir. Genelde toplam kompanzasyon gücünün %10-20’si oranında kademeler ayarlanabilir. Kademe oranları genelde uygulamalara göre değişkenlik gösterse de, özellikle daha az katlı kademe oranlarının tercih edilmesi, istenen kompanzasyon gücünü sağlayabilmek için devreye alınacak kademelerde daha ince ayar yapılması açısından önemlidir. Böylece belirli kademelerin daha sık devreye girip çıkma ve dolayısı ile malzeme ömrünü kısaltma ihtimali azaltılmış olur. Günümüzde kullanılan reaktif güç kontrol röleleri akıllı yapıları ile istenen oranlarda kademeleri (örn. 1:1:2:2:2:4) kumanda edip, haberleşme üzerinden izlemeye imkan sağlamaktadır.

Kademe gücünün belirlenmesinde en büyük kriterler harmonik filtre kullanılıp kullanılmaması ve bu duruma göre kullanılacak kondansatör gruplarının güç ve gerilim seviyeleridir. Harmonik filtreler, sistemdeki harmonik seviyelerine ve istenen filtreleme miktarına göre seçilmelidir.

2.1.1. Kondansatör Koruması Gereksinimleri

Güç faktörü (cosφ) iyileştirmek için kullanılan alçak gerilim sistemi kondansatörleri IEC 60831-1, TS EN 60831-1 standartlarına uygun olmalıdır. Ayrıca kullanılacak kondansatörler Tablo 1’de belirtilen değerleri sağlamalıdır.

Tablo 1: Kompanzasyon için kullanılan güç kondansatörleri için izin verilen gerilim seviyeleri [1]

U_rc olarak verilen anma gerilimi, kondansatörün tasarlandığı RMS alternatif gerilim değeridir.

Endüstriyel şebekelerde, kondansatör uçlarında oluşan gerilim seviyesi, şebeke geriliminden daha fazla olmaktadır. Genel yaklaşım olarak lineer yüklerin baskın olduğu U_n=400V şebekelerde kondansatör gerilimleri 440 < U_rC≤ 480V olarak seçilmektedir. Benzer şekilde nonlineer reaktif yüklerin bulunduğu, harmonik filtre kullanılan kompanzasyon sistemlerinde ise 525V≤ U_rC≤ 690V kondansatör kullanımı önerilmektedir. [2]

Şebeke geriliminden farklı seçilen kondansatör gerilimlerinde, kondansatörün ilgili şebekede sağlayabileceği gücü belirleyebilmek için aşağıdaki formül kullanılır:

Örnek olarak 400V bir şebeke için seçilen 480V’luk 25kVAr kondansatör;

gücünde olacaktır.

Kompanzasyon tabloları girişlerinde, kullanıcı isteğine bağlı olarak tablo beslemesi için açık tip (ACB), kompakt tip (MCCB) şalterler veya ayırıcılar (switch disconnector) kullanılabilmektedir. Bu giriş anahtarı arada bir hat olması durumunda bu hattı koruyacak şekilde korumalı tip şalter seçilmelidir. Aynı zamanda tüm kompanzasyon kademeleri devredeyken de bu şalterin gereksiz açma yapmadan devrede kalması gerekmektedir. Bu nedenle korumalı bir şalter kullanıldığında, şalter nominal akım değerinin hem hatta göre, hem de toplam kompanzasyon gücüne göre belirlenmesi ya da kullanıcı dokümanlarında belirlenen şalterin nominal akım değerinin bunlara göre kontrol edilmesi gerekir. Bu amaçla şalter seçimi için standartlarda kondansatör korumasıyla ilgili kriterler dikkate alınmalıdır.

IEC60831-1 (Madde 21) içerisinde belirtildiği üzere kondansatörler anma gerilim ve frekanslarına göre akımlarının 1,3 katını aşmayacak şekilde çalıştırılmaya uygun olmalıdır. 1,1 katındaki kondansatör üretim toleransları da göz önüne bulundurulduğunda, bu akım değeri 1,3x1,1=1,43I_n olmaktadır. [1]

Kondansatör korumasında kullanılacak koruma elemanının nominal akım seviyesini belirlerken üretici firmanın açıklamaları da dikkate alınmalıdır.

2.1.2. Sisteme Bağlantı Şeklinin Belirlenmesi

Reaktif güç kompanzasyon sistemleri arasında en çok tercih edilen merkezi kompanzasyon sistemidir. Merkezi kompanzasyon tabloları ana dağıtım sistemine mekanik olarak aşağıdaki şekillerde bağlanabilirler:

I) Her bir kompanzasyon panosu ana dağıtım tablosunun devamında doğrudan ana baraya bağlanabilir. Bu durumda kompanzasyon panolarının girişlerine ayırıcı (switch disconnector) kullanılarak ana baraya doğrudan bağlantı yapılabilir. Ek bir giriş şalteri kullanılmamaktadır, kompanzasyon sisteminin bağlı olduğu anabaranın giriş şalteri koruma için yeterlidir. Kondansatör gruplarının koruması için sigortalı ayırıcılar kullanılmaktadır.

II) Kompanzasyon tablosu ayrı bir kuplaj üzerinden ana dağıtım tablosunun devamında doğrudan ana baraya bağlanabilir. Kuplaj için kullanılan açık tip (ACB) veya kompakt tip (MCCB) şalterler kompanzasyon giriş şalteri olarak kullanılmaktadır. Kondansatör gruplarının koruması için ayrıca yine sigortalı ayırıcılar kullanılmaktadır.

III) Kompanzasyon tablosu ana dağıtım tablosunda bulunan bir çıkış üzerinden kablo ile ana dağıtım panosuna bağlanabilir. Çıkış için kullanılan açık tip (ACB) veya kompakt tip (MCCB) şalterler kompanzasyon besleme şalteri olarak kullanılmaktadır. Diğer bağlantı şekillerine benzer şekilde, kondansatör gruplarının koruması için yine sigortalı ayırıcılar kullanılmaktadır. Kompanzasyon panolarının ana dağıtım tablolarından farklı lokasyonlarda olması durumunda ise aşağıdaki bağlantı seçenekleri kullanılabilir:

i) Kompanzasyon panoları ayrı ayrı hatlar ile ana dağıtım tablosundaki çıkışa bağlanabilir. Ana dağıtım tablosunda çıkış olarak dizayn edilen açık tip (ACB) veya kompakt tip (MCCB) şalterler kompanzasyon besleme şalteri olarak kullanılmaktadır. Kompanzasyon tablosunun ana dağıtım tablosunda bulunan bir çıkış üzerinden kablo ile bağlanması durumundan farklı olarak, ana dağıtım panosundaki çıkıştan her bir kompanzasyon panosuna ayrı kablo bağlantısı yapılmaktadır.

ii) Kompanzasyon tablosu farklı bir lokasyondaki bir ana dağıtım tablosuna, kompanzasyon tablosunda bulunan doğrudan besleme (direct supply) panosu aracılığı ile bağlanabilir. Bu durumda ana dağıtım tablosu üzerindeki bir çıkıştan bağlantı yapılabilmektedir. Çıkış için kullanılan açık tip (ACB) veya kompakt tip (MCCB) şalterler kompanzasyon besleme şalteri olarak kullanılmaktadır. Çıkış üzerinden gelen kablolar, kompanzasyon panoları ile aynı anabaraya bağlı bir direct supply panosuna bağlanmaktadır.

Kompanzasyon sisteminin gücü, harmonik filtre kullanımı, kademe adedi ve kompanzasyon panolarının sisteme bağlantı şeklinin belirlenmesinden sonra bu kriterlere göre mekanik pano tasarımı aşamasına geçilmektedir.

2.2. Mekanik Pano Tasarımı

Kompanzasyon panolarında cihaz ve modüllerin yerleşimlerini etkileyen çeşitli kriterler mevcuttur. Panodaki cihazların ve diğer ekipmanların sisteme uygun çalışması, termik ve mekanik zorlanmaya maruz kalmaması, aşırı akım çekmesini önlemek gibi sebeplerden dolayı 3 boyutlu tasarım yaparak yerleşimleri görmek, daha sonra montajı yapacak operatör ve kullanıcı için kolaylık sağlayacaktır.

2.2.1. Elektriksel Ürün Seçimine Uygun Pano Boyutlandırma

Kompanzasyon sistemlerinde farklı değişkenlere bağlı olarak yerleşimleri etkileyen pek çok faktör bulunmaktadır.

Tasarım esnasında cihazların yerleşimini temel olarak saha bağlantı kablolarının giriş/çıkış yönü (üstten ve alttan), panodaki mevcut olan alan ve pano içerisindeki ısı kısıtlamaları etkilemektedir.

Montaj saclarındaki cihazların düzeninin tanımlanması için kabul edilebilir en kısa bağlantıları sağlamak amacıyla saha kablolarının giriş ve çıkış noktaları (montaj sacının üstünden, altından veya diğer özel bir yapılandırmayla) ana baraların konumu, pano derinliği ve genişliği, panonun girişindeki ve çıkışındaki bağlantıların dağıtım şekli, cihazın montaja uygun olması için gerekli olan alan (montaj sacı yerleşimi, canlı bölgelere erişimi kısıtlayıcı örtü, cihazın hacmi, bakır kesitleri, bağlantı ayakları, kabloların büküm yarıçapı vb.), cihazın kontrol ünitelerinin ve bağlantı bölgelerinin (yan, arka,vb.) erişilebilirliği, tasarım için esas alınan noktalardır.

IEC 61439- 10.6’ya göre ana baralar ile cihazlar arasındaki karşılıklı termal ve elektriksel etki göz önüne alındığında iç arka sebebiyet vermeyecek bir tasarımın oluşturulması beklenmektedir. Bu tasarım baraları besleyen koruyucu cihazlar tarafından sınırlanan kısa devre akımına ve dayanım gücüne uygun olmalıdır.

Ayrıca cihaz yerleşimi yapılırken panoya yerleştirilen bütün anahtarlama donanımının ısınmasını önlemek ve değer kaybını (derating) minimumda tutmak için alt tarafa yerleştirilen düşük güçteki cihazların performansının korumak amacıyla yüksek ısı yayma ihtimali yüksek olan cihazların panonun üst kısmına yerleştirilmesi gerekmektedir.

Bunlara ek olarak panonun dahili sıcaklığını cihazların optimum çalışma sınırları içerisinde (< 70 °C) tutmak amacıyla, bakırın kesit alanını optimize etmek ve dolayısı ile maliyeti düşürmek amacıyla hücrelerin zorunlu havalandırması gerekli olabilir. Yüksek ısı yayan farklı tipteki cihazların aynı montaj sacına yerleştirilebilmesi için, maksimum dahili sıcaklığın ve nominal akımı iletmesi için bara kapasitesilerinin gözlemlenebiliyor olması ve her bir cihazın beklenen performansına erişiyor olması gerekmektedir. Beklenmeyen arızaların oluşmaması için, yüksek ısı yayan cihazların yakınında sıcaklık artışlarına karşı hassas olan cihazları (kontrol ve kumanda cihazları gibi) yerleştirilmemesi gerekmektedir. [5]

Cihazların yerleşimi yapılırken üretici tarafından tanımlanmış olan güvenlik sınırları içerisinde kalınması ve cihazların doğru çalıştıklarından emin olunması gerekmektedir. Burada, iki cihaz arasındaki mesafenin yeterliliği, cihazın çevredeki diğer bileşenlere (gövde, plaka, montaj sacı, örtü v.b) minimum mesafesi, ve enerji altındaki baralara olan minimum mesafesi dikkat edilmesi gereken diğer faktörlerdir. IEC 61439-1 standardına göre görsel denetim gerektiren ölçüm cihazlarının yerden 0,2 m ile 2,2 m arasındaki bir yüksekliğe yerleştirilmesi gerekmektedir. Burada cihazların tam konumu pano kullanıcısına danışarak belirlenmelidir. [6]

Şekil 2: Harmonik filtre bulunan farklı kapasitelerdeki kompanzasyon panolarının cihaz dağılım ve raf yerleşimi

2.2.2. 3 Boyutlu Pano Tasarımı

Kompanzasyon sistemlerinde montaj saclarının yerleşim durumları harmonik filtreli ve harmonik filtresiz olmasına göre değişiklik gösterebilir. Örnek olarak, anabara bağlantılı harmonik filtre bulunmayan ünitelerde maksimum gücün 600 kVAr olarak istenmesi durumunda, 3 adet 200 kVAr’lık modül ile tasarım yapılabilir. Benzer şekilde toplam gücün 500 kVAr istenmesi durumunda ise sistem 5 adet 100 kVAr’lık modüllerden oluşabilir. Kademelerde harmonik filtre kullanılması durumunda ise filtre yerleşimleri de modül tasarımını etkilemektedir. Pano iç yerleşimi yapılırken, kondansatör modülleri ile birlikte kontrol modülleri de ayrı olarak göz önünde bulundurulmalıdır. Kontrol modülü, gerekli soğutma miktarına bağlı olarak fanlı veya fansız olabilir. Sözü edilen ekipmanlar ile yapılacak modüllerin konstrüksiyonu, pano içerisine kolayca monte edilip çıkarılabilecek şekilde olmalıdır. Bu durum kullanıcı açısından kolaylık sağlayacaktır. [7]
Şekil 3’te örneği gösterilen kompanzasyon pano sistemi 50 kVAr’lık 2 modül 25 kVAr’lık bir modül ve 75 kVAr’lık bir modül içermektedir. İçerisinde her bir modülde 1’er adet olacak şekilde yerleştirilmiş harmonik filtre, 1’er adet sigorta cihazı 1’er adet kontaktör ve modül güç kapasitesine bağlı olarak değişen adetlerde kondansatörler bulunmaktadır.
Belirtilen kurallara uyulmadığı takdirde kompanzasyon panolarının montajında uyumsuzluklar yaşanması mümkündür. Örneğin cihazlar arasındaki mesafelerin yeterli olmaması durumunda cihazların kablajının yapılması mümkün olmayabilir. Cihazların çevredeki bileşenlere olan mesafesi yetersiz olması durumunda cihazın kapıya çarpması veya bağlantı yapılacak olan bakırlarla uyumsuzluk görülebilir. Yapılan konstrüksiyonun harmonik filtre boyutuna, ana baranın bulunduğu yere, pano derinliğe ve kapasiteye uygun yapılması gerekmektedir.

► İlginizi Çekebilir: Kompanzasyonda Kondansatör Seçimi

Şekil 3: 200kVAr kapasiteli kompanzasyon panosu

Sonuç

Alçak gerilim reaktif güç kompanzasyonunda günümüzde işletmeler tarafından en çok tercih edilen yöntem merkezi kompanzasyon uygulamalarıdır. Yük profiline göre harmonik filtreli veya filtresiz kompanzasyon, kullanıcı isteklerine yönelik olarak uygulanabilmektedir. Yapılacak uygulamaya göre elektriksel boyutlandırma ve tasarım tamamlandıktan sonra mekanik dizayn oluşturulmaktadır. Bu aşamada 3 boyutlu tasarım yapılırken ilgili koşullarda karşılaşılabilecek elektriksel, mekanik, termik ve çevresel vurgulara uyumlu olarak tasarım yapılması gerekmektedir. Elektriksel tasarımda doğru cihaz seçimi ve bu seçimler ile oluşturulacak pano ile kompanzasyon uygulaması yapılacak sistemin kararlılığı, sistem kayıplarının azaltımı ve hatta bu kayıpların neden olduğu CO₂ emisyonunun azaltımına, dolayısı ile iklim değişiklikliğinin önlenmesine katkı sağlanabilmektedir.

Kaynak:

[1] Shunt Power Capacitors Shunt power capacitors of the self-healing type for a.c. systems having a rated voltage up to and including 1 000 V – Part 1: General – Performance, testing and rating – Safety requirements – Guide for installation and operation, IEC 60831-1, 2014.
[2] H. Kiank and W. Fruth, Planning Guide for Power Distribution Plants, Erlangen: Pubilicis, 2011, ch. 12, pp.297-344.
[3] Shunt capacitors for a.c. power systems having a rated voltage above 1 000 V – Part 1: General, IEC 60871-1, 2014.
[4] Coupling capacitors and capacitor dividers – Part 1: General rules, IEC 60358-1, 2012.
[5] IEC 61439-1 10.2.3.1 Design verification part of Low-voltage switchgear and controlgear assemblies
[6] IEC 61439-1 8.5.5 Accessibility part of Low-voltage switchgear and controlgear assemblies
[7] MODL-Construction of Power Factor Correction Units