Harmoniklerin Zararlı Etkileri ve Harmoniklerden Korunma Yöntemleri

Bundan bir önceki yazımda gelişen teknolojiyle birlikte önemli bir sorun haline gelen harmonikleri ve her biri bir harmonik üreticisi olan “nonlineer elemanlar” ı incelemiştik. Bu yazımda ise her geçen gün daha da önem arz kazan güç kalitesi olgusu için büyük tehditlerden biri olan harmoniklerin zararlı etkilerini ve harmoniklerden korunma yöntemlerini inceleyeceğiz.

A- A+

06.10.2014 tarihli yazı 32415 kez okunmuştur.

Her ne kadar tüm gerekli önlemler alınsa dahi harmoniklerin tamamen şebekeden temizlenmesi zor hatta imkansızdır. Elektrikle çalışan cihazlar sistemde harmonik etkisi olsa dahi çalışabilir yapıdadır. Ancak bu çalışmanın hem cihazlara hem de şebekeye olumsuz etkileri bulunmaktadır. Bu yazımda harmonik etkisi sonucu oluşan zararlı etkileri inceleyeceğiz.

Harmoniklerin Sisteme Etkileri

Güç sisteminde mevcut durumda bulunan harmonikler hem sisteme bağlı tüm elemanları hem de güç sistemini etkilemektedir. Harmoniklerin yaptığı bozulma sonucunda gerilim ve akımda yarattığı nonsinüzodial dalga şekli çok çeşitli problemlere neden olmaktadır.

Doğal Sinüs Dalgası ve Bu Doğal Sinüs Dalgasına Bozucu Etki Yapan 3., 5. ve 7. Harmonikler

► İlginizi Çekebilir: Harmonikler ve Harmonik Üreticileri: Nonlineer Elemanlar

Harmoniklerin etkisi sonucu enerji sistemlerinde gözlemlenen olumsuz etkiler şunlardır:

► Transformatörlerde aşırı ısınma

► Gerilim düşümünün artması

► Enerji tüketiminde artış

► Cihazlarda ısınma sorunu

► Generatör ve şebeke geriliminin dalga şeklinde bozulma olması

► Kompanzasyon sistemlerinde aşırı reaktif yüklenme

► Dönen makinalarda moment salınımlarının ve aşırı ısınmalarının oluşumu

► Dielektrik malzemelerinin delinmesi

► Ses ve görüntü sistemlerinde parazitli çalışma

► Güç faktöründe değişme

► Şebekede meydana gelen rezonans olayları, rezonansın neden olduğu aşırı gerilim ve akım etkisi

► Endüksiyon sayaçlarının yanlış ölçüm yapması

► Koruma elemanlarının hatalı çalışması
► Mikroişlemcilerin hatalı çalışması

Harmoniklerin Sebep Olduğu Rezonans Olayları

Harmoniklerin en büyük bozucu etkilerinden biri de rezonans etkisidir. Endüktif reaktansın kapasitif reaktansa eşit olduğu frekansa "rezonans frekansı" denmektedir. Bilindiği gibi güç sistemlerinde frekans arttıkça endüktif reaktans artarken; kapasitif reaktans azalmaktadır. Yani güç sisteminin frekansı endüktif reaktansla doğru orantılı, kapasitif reaktans ile ters orantılıdır.

Sistemin rezonansı, harmonik frekanslardan birine yakın bir değerde oluşursa, aşırı seviyede harmonik akım ve gerilimleri ortaya çıkaracaktır. Harmonik seviyelerini etkileyen en önemli etkenlerden biri de rezonansın seri veya paralel rezonans durumunda olmasıdır.

1- Seri Rezonans Durumu

Elektrik devresinde endüktif ve kapasitif reaktansların birbirine eşit olması sonucu meydana gelir. Seri rezonans durumunda empedans düşük olduğundan dolayı devreye düşük bir gerilim uygulansa dahi devreden yüksek değerde rezonans akımları akacaktır.

Seri Rezonans Devresi

2- Paralel Rezonans Durumu

Güç sistemindeki kat sayısının düzeltilmemesi ya da filtrelerde kullanılan kondansatörlerden dolayı bu rezonans olayı meydana gelebilmektedir. Bu durumda seri rezonansta olduğu gibi endüktif ve kapasitif reaktansların birbirine eşit olmasıyla meydana gelir. Ancak bu eşitliğin etkisi; seri rezonansa göre farklıdır. Endüktif ve kapasitif reaktanslar birbirine paralel olduğundan devrenin admitans değeri düşüktür. Yani devreden küçük bi rezonans akımı dahi çok büyük gerilimler meydana gelmektedir.

Özetleyecek olursak paralel rezonans devrelerinde empedans maksimum değer alır bundan dolayıdır ki devreden küçük değerde bir akım geçse dahi, elemanların uç gerilimlerinde yüksek genlikli ve tehlike arz eden rezonans gerilimleri meydana gelir.

Paralel Rezonans Devresi

Rezonansın Yaptığı Etkiler

Harmonikler sonucu oluşan rezonans, genellikle sistemde yükün az olduğu zamanlarda daha fazladır.

Genel olarak rezonans durumunda;

► L ve C elemanlarına ait gerilimler yükselir, aşırı akım geçer.

► Devre elemanlarında izolasyon zorlanmaları, kondansatörlerin dielektrik malzemelerinde delinmeler, aşırı ısınmadan dolayı kalıcı hasarlar oluşabilir.

► Harmonik gerilimlerin yükselmesi sonucu Toplam Harmonik Distorsiyon(THD) değerinin artmasıyla tüketicilere uygulanan gerilimin dalga şekli bozulurak, enerji kalitesi olumsuz etkilenmektedir.

Harmoniklerin Kondansatörler Üzerindeki Etkileri

Kondansatörler kendileri harmonik üretmemelerine rağmen, harmoniklerden en çok etkilenen elemanlardan biridir. Harmonik etkisi genellikle paralel bağlı kondansatör gruplarında gözlenmektedirr. Kondansatörler üzerinde harmoniklerin oluşturduğu rezonans olayı sonucunda oluşan aşırı gerilim ve akımlar kondansatörlerin ömürlerini kısaltmaktadır.

Harmoniklerin Transformatörler Üzerindeki Etkileri

Yukarıda da belirttiğimiz gibi transformatörler nonlineer elemanlardır. Nonlineer elemanlar bildiğimiz gibi harmonik kaynaklarıdır. Transformatörler harmonik kaynağı olmasına rağmen harmoniklerin zararlı etkilerine maruz kalmaktadır. Meydana gelen akım harmonileri transformatörlerde bakır kayıplarını arttırmakta, gerilim harmonikleri ise demir kayıplarına neden olmaktadır. Yani özetleyecek olursak harmoniklerin transformatörler üzerinde yaptığı etkiler transformatörün verimini düşürmektedir.

Harmoniklerin İletim Hatları Üzerideki Etkileri

Enerji iletim hatları döşenirken belirli bir empedans değeri hesaplarak kullanılan hatlar için bu empedans değeri baz alınmaktadır. Sistemde var olan harmonikler bu empedans değerinin artmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla empedansta oluşacak bu artış hem hat kayıplarına neden olacak hem de hat üzerindeki gerilim değerini arttırarak dielektrik zorlanmayı arttıracaktır.

Harmoniklerin Akımlarının Sisteme Etkisi

Harmoniklerin Koruyucu Sistemler Üzerindeki Etkileri

Koruma elemanları belirli bir akım ve gerilim değerleri baz alınarak imal edilmektedirler. Harmoniklerin koruyucu elemanlar üzerinde yarattığı en sıkıntılı durum mesafe koruma rölelerinde görülmektedir. Mesafe koruma röleleri hattın empedans değerine göre çalışması söz konusu olduğundan frekans değeri rölenin düzgün çalışması için önemli bir niceliktir. Harmoniklerin frekansı bozucu etkisi direkt olarak hat empedansına etki ettiğinden koruyucu sistemler düzgün çalışmasını engellemektedir.

Harmoniklerin Döner Makinalar (Motor-Generatör) Üzerindeki Etkileri

Döner makinaların harmonik etkisinde kalıp kalmadığını anlamak için ölçüm yapmadanda mümkün olabilimektedir. Harmonik etkisinde kalmış bir döner makinada oluşan harmonik momentler nedeniyle makina titreşimli ve gürültülü çalışmaktadır. Aynı zamanda akım harmoniklerine maruz kalan makinalarda; artan bakır kayıpları ve gerilim harmoniklerine maruz kalan makinalarda artan demir kayıpları sonucu makinaların verimi de düşmektedir.

Harmonikleri Giderme Yöntemleri

Harmonikleri gidermek için yaygın olarak kullanılan iki yöntem bulunmaktadır. Bunlardan biri tasarım aşamasında diğeri ise devreye sonradan dahil elemenlarla yapılmaktadır. Harmonikleri giderme amacıyla devrede mevcut halde bulunan nonlineer elemanların oluşturduğu harmonik bileşenleri yok etmeyi sağlayan bu elemanlara “Harmonik Filtre” denmektedir.

Harmonik filtreler aktif ve pasif filtreler olmak üzere 2 ye ayrılmaktadır:

► Aktif Filtreler
► Pasif Filtreler

1- Aktif Filtreler

Aktif filtrelerin yatırım maliyeti pasif filtrelere göre daha yüksek olmasına rağmen bazı sistemlerde kullanılması kaçınılmazdır. Pasif filtreler belirli bir dağıtım gücüne göre belirlenmektedir, yani sistemin gücü arttığı takdirde pasif filtreler işe yaramaz hale gelmektedir. Aynı zamanda pasif filtrelerin sisteme dahil edilmesi oldukça zordur. Pasif filtrelerin bu olumsuz yönlerine nazaran aktif filtreler birden fazla harmonik frekansı için ayarlanabilme özelliğinden dolayı harmonik problemini ortadan kaldırabilecek bi yapıdadır. Bunun yanında aktif filtrelerin en önemli özelliği mevcut dağıtım sisteminde yapılan değişikliklere rağmen harmonik kompanzasyonuna devam etmesidir.

Aktif Filtre Yardımıyla Sistemdeki Harmoniğin Temizlenmesi

Aktif güç filtrelerinin çalışma prensibi nonlineer elemanların ürettiği harmoniklerle aynı genlikte fakat ters fazda bir akımı sisteme göndermesidir. Bu tipteki filtreler güç elektroniği elemanları kullanılarak yapılmaktadır.

Aktif filtrelerin yapısına baktığımızda; harmonik belirleme bloğu, akım kontrol devresi ve dönüştürücü olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır.

2- Pasif Filtreler

Bu tip filtreler omik direnç, kapasite ve endüktans gibi pasif elemanlardan oluşmaktadır. Pasif filtrelerin amacı, hangi harmonik bileşen giderilmek isteniyorsa o frekans değerinde endüktans ve kapasite elemanlarının rezonansa geçmesini sağlamaktadır.

Pasif filtreler duruma göre devreye seri ve paralel bağlanabilmektedir.

Aktif ve Pasif Filtrelerin Karşılaştırılması

2.1- Seri Filtreler

Seri filtreler adından da anlaşılacağı gibi harmonik kaynağına seri bağlanmaktadır. Genellikle tek fazlı sistemlerde 3. harmoniğin etkin olduğu yerlerde kullanımı yaygındır. Seri filtrelerin çalışma mantığı harmonik kaynağı ile şebeke arasına seri olarak bağlanarak, harmonik akışına yüksek bir empedans göstererek harmonik akışını bloklamaktır. Burada ki önemli nokta seri filtreler; sadece ayarlandığı frkeans değeri için yüksek empedans değeri göstermektedir. Onun dışındaki frekans değerleri için filtre görevini görmeyecektir.

Seri filtrelerin tek sakıncası, devrede seri durumda bulunmasından dolayı tam yük akımı ve hat gerilimine göre yalıtılma mecburiyetinde olmalarıdır.

2.2- Şönt (Paralel) Filtreler

Şönt filtreler adından da anlaşılacağı gibi harmonik kaynağına paralel bağlanmaktadır. Şönt filtrelerin çalışma mantığı yok edilmek istenen harmoniğin frekansında düşük bir empedans elde edilerek, harmonik akımının bu empedans üzerinden toprağa aktarılmasına dayanır.

Şönt filtrelerde seri filtrelerde olduğu gibi sadece belirlenen frekans değerindeki harmoniğe etki etmektedir.