REAKTİF GÜÇ RÖLELERİ TEMEL ÇALIŞMA VE KULLANMA İLKELERİ

Sayit HİDAYETOĞLL Elektrik Yük. touh.

1) GİRİŞ

Yurdumuzda alçak gerilimde en yaygın kullanılan kom panzasyon yöntemi otomatik denetimli, çok basamaklı, merkezi reaktif güç kompanzasyonudur. Bu yazının konusu, otomatik kompanzasyon tesislerini denetleyen ve kullanıcının reaktif güç gereksinmesini ölçerek buna göre kondansatörleri devreye ekleyen veya devreden çıkaran reaktif güç röleleridir. Reaktif güç rölesi, kom panzasyon tesisinin beyni olarak düşünülebilir; ölçüm yaparak veri toplar, bunları değerlendirir, ayar değerle riyle karşılaştırır ve kontaktörler aracılığıyla kondansa tör gruplarını denetler. Denetim işlevinin yanı sıra reak tif güç rölesini cos0 metre, aşın gerilim koruma, otoma tik grupların elle denetimi vb. yardımcı sistemler eklene rek kompanzasyon tesisinin izlenme ve koruma düzeyi yükseltilebilir. Yazıda, reaktif güç rölelerinin ana çalışma ilkeleri kısaca açıklanacak, ayarlarının yapılması, devreye bağlanması ve yardımcı sistemlerin işlevleri anlatılacaktır.

2) TEMEL ÇALIŞMA İLKELERİ

Reaktif güç rölesi, öİçme, karşılaştırma ve anahtarlama olmak üzere üç ana işlevsel bölüm ve yardımcı sistemler den oluşur. Her bölüme giren ve çıkan bilgiler Şekil 1'de gösterilmiştir.

u

Biç»

r Karfil»9tını«

JKontaktflrLer»

Cet» I I )

ŞEKİL 1. Reaktif Güç Rölesinin Ana Bölümleri

2.1 ) Ölçme Bölümü

Güç katsayısı düzenlenecek sistemin reaktif güç gereksin mesini belirleyebilmesi için röleye akım ve gerilim bilgi lerinin verilmesi gerekir. Akım bilgisi röleye, fazlardan birine bağlanan akım trafosu aracılığıyla sağlanır. Akım trafosunun seçimi, yeri ve bağlantısı, rölenin gereği gibi çalışması açısından çok önemlidir. Akım trafoları birin cil (primer) akım ve beslenen güç anma değerlerinden uzaklaştıkça kesinliklerini kaybederler. Trafodan geçen akım anma değerinin % 20'sinin, veya beslenen güç anma değerinin % 25'inin altına düştüğünde, hata sınıfında belirtilen duyarlılık kaybolur, çevirme oranı ve faz hata ları büyür. Aynı şekilde birincil akım ve beslenen güç, anma değerlerinin üzerine çıktıkça akım trafosunun güvenir/iğ/ aza/ır, hata oranı artar. İkincil (sekonder) devreye seri bağlı aygıtların (Ampermetre, cos<j> metre

vb.) röle ve bağlantı kabloları ile birlikte tükettikleri top lam güç, anma değerinin % 25'inin altına düşmeyecek ve % 120'sinin üstüne çıkmayacak biçimde seçilen akım tra fosu yeterli kesinliği sağlarlar, ancak bu aygıtlardan biri nin akım yolunda oluşabilecek açık devre, reaktif güç rölesinin akım yolunu da keser ve röle denetimi kaybe der. Güç katsayısı düzeltilecek sistemin çekebileceği en düşük ve en yüksek akım değerini belirleyerek buna uygun, hata sınıfı küçük ve gereken güçte bir akım tra fosu seçmek ve bu trafoyla sadece reaktif güç rölesini beslemek hata olasılığını en aza indirir.

Röle gerilim bilgisini faz nötr arası veya fazlararasından yapılan bağlantılarla alır. Fazlararası bağlantılı rölelerde, akım trafosunun bulunduğu faz dışındaki iki faz arasın daki gerilim ölçmede referans olarak kullanılır, üçüncü faz bağlantısı ya gereksizdir veya sadece kontaktör sarımlarını beslemekte kullanılır. Faz nötr bağlantısında röleye, akım trafosunun bulunduğu faz ile nötr hattı arasındaki gerilim verilir. Rölenin yapısı ve işlevleri açıla rından iki tür bağlantı arasındaki tek fark, ana girişteki trafonun birincil sarım sayısıdır. İki veya üç faz gerilim bağlantılı rölelerin üç fazlı reaktif gücü ölçtüğü kanısı doğru değildir. Tüm reaktif güç röleleri sadece akım trafosunun bulunduğu fazdaki reaktif gücü ölçerler ve fazların dengeli olduğu varsayımına göre çalışırlar.

Akım ve gerilim bilgileri alındıktan sonra, şebekeden çekilen reaktif güç değişik tekniklerle ölçülebilir. En yaygın kullanılan yöntem, akım ve gerilim dalgalarının çarpımı elde ederek reaktif güç bileşeninin belirlenmesi temeline dayanan "çarpım" yöntemidir. Kendi içinde,

Q= 3 V p sina

I, sina)

ile orantılı bir d. a. sinyal üreten röle, bunu küçültücü

yönde if.leme geçer. Bu eşitlikte a, akım ve gerilim ara

sındaki faz açısıdır. Çarpım yönteminde şebeke harmo

niklerinin etkileri, filitre devresine gerek kalmadan ko

layca giderilebilir, şebeke frekansındaki kaymaların ölçü

me etkisi değerlendirilir. Reaktif güç ölçümünde, "Sıfır

Kesme" yöntemi olarak adlandırılan ve gerilim dalgasının

sıfır olduğu anda akım dalgasının büyüklüğünü belirleyen

bir başka yöntem daha kullanılır. Gerilim sıfır olduğu

anda ölçülen akım, yükün sadece reaktif bileşenine bağlı

dır ve büyüklüğü şebekeden çekilen reaktif güç ile orantı

lıdır. Sıfır kesme yöntemi harmoniklerin dalga biçimine

etkilerine son derece duyarlıdır, hatalı ölçümü önlemek

için akım sinyali bir filitre devresinden geçirilerek süzülür

ve sadece temel harmonik kullanılır.

2.2 ) Karşılaştırma Bölümü

Ölçme bölümünden karşılaştırma bölümüne gelen sinyal, sistemin reaktif güç gereksinmesini veya fazlalığını belir tir. Bu bölüme, C/k ayarıyla rölenin ne zaman işleme geçmesi gerektiği, cos$ (veya %) ayarıyla da ulaşılmak

istenen kompanzasyon düzeyi bilgi olarak verilir. Otoma tik kompanzasyon tesisleri çekilen reaktif gücü ancak basamaklar halinde değiştirebilir, buna karşılık gereksi nimin değişimi süreklidir. Ayarlanan kompanzasyon düzeyi ancak bir zaman aralığında ve ortalama değer olarak sağlanabilir.

Ayar bölgesinin türüne göre röleler, "Kalıntı Reaktif Güç (%) Ayarlı" röleler ve "Cos0 Ayarlı" röleler olmak üzere ikiye ayrılabilir. Kalıntı reaktif güç ayarlı rölele/de kom panzasyon sonucunda şebekeden çekilmesine izin verilen net reaktif güç, bir basamak kondansatör gücünün %'si olarak ayarlanır, örneğin, ortalama güç katsayısının "bir" olması isteniyorsa % ayarı "sıfır"a getirilir. Bu ayar konumunda, bir basamakta devreye giren reaktif güce "C" dersek, şebekeden çekilen reaktif güç OüC'yi aştı ğında anahtarlama bölümüne "Devreye kondansatör ekle" komutu, 0.6C'yi (kapasitif) aşarsa "Devreden kondansatör çıkar" komutu verilir. % ayarıyla dönüm noktaları endüktif yönde en çok bir basamak kondan satör gücü kadar kaydırılabilir. Cos</> ayarlı rölelerde, ölçme bölümünden gelen,

Q = 3 V 11 sin a sinyali bir faz kaydırıcıyla sinyaline dönüştürülür ve röle bunu C/k ayarıyla belirle nen değerin altına düşürme yönünde işleme geçer. Amaç lanan ortalama güç katsayısı cos0, röle üzerinde bulunan bir düğme ile ayarlanır.

2.3 ) Anahtariama Bölümü

Anahtarlama bölümü, karşılaştırma bölümünden gelen bilgiyi kullanarak kademe kontaktörlerini denetler. Bu bölümdeki bir aşağı yukarı sayıcı (up down counter) kaç kademenin devrede olduğunu sürekli olarak belleğin de tutar ve karşılaştırma bölümünden verilen komutun türüne göre ya bir basamak kondansatörü daha devreye sokar veya devreden çıkarır.

İki anahtarlama arasındaki geciktirme bu bölümde yaratı lır. Röle yapısına göre 8 20 saniye arasında değişebilen bu geciktirmenin iki işlevi vardır; devreden çıkarılan bir kondansatör grubunun üzerindeki kalıntı yük yeteri kadar boşalmadan yeniden devreye alınma olasılığını azaltır, reaktif güç gereksinmesinin çok hızlı değiştiği durumlarda kontaktörlerin çok sayıda açma kapama yapmasını engelleyerek kontakların ve kondansatörlerin ömürlerini uzatır.

Kontaktör sargısı besleme yolunu açıp kapatmakta elek tromekanik minyatür röleler kullanılır. Sayıcıdan gelen sinyal bir güçlendirici devreden geçirildikten sonra minyatür röleye verilir. Minyatür rölelerin açma kapama

gücü röle tipine göre 1100 VA ile 2500 VA arasında değişir ve kısa süre için bunun iki katına kadar zarar gör meden dayanabilirler. Yurdumuzda üretilen reaktif güç rölelerinin büyük bir bölümünde en önemli arıza kayna ğını oluşturan minyatür rölelerin kendi yapıları kadar bunları süren devrenin tasarımı da önem kazanır. Bilinçli bir elektronik tasarım ile titiz bir ön kontrol ve test diz gesinin uygulanmasıyla bu tür arızalar kabul edilebilir düzeylere indirilebilir, yardımcı kontaktör, ithal minya tür röle kullanımı vb. maliyet artırıcı gereksinimler önle nebilir.

3) RÖLE AYARLARI

3.1 ) C/k Ayan

Bu ayar, şebekeden çekilen reaktif güce göre devreye kondansatör sokma ve çıkarma sınırlarını belirler. "C" yaygın kullanımda sığa (kapasitans) belirtmesine karşılık burada birinci kademedeki kondansatörün KVAR biri minden gücünü, başka bir deyimle her basamakta devre ye giren veya devreden çıkan reaktif güç büyüklüğünü gösterir, k ise röleyi besleyen akım trafosunun dönüştür me oranıdır. Üç fazlı bir elektrik almacının çektiği görü nen güç,

S = y/3 V , l ı (veya S = 3 V p l ı ) dir.

Hat akımı 11, akım trafosundan geçerek dönüştürme ora nıyla bölünmüş olarak röle içine aktarılır. Rölenin iç devresi, gördüğü akıma karşılık hattan ne kadar akım geçtiğini, başka bir deyişle akım trafosunun dönüştürme oranını da bilmelidir.

Bir basamak kondansatör devreye sokulduğunda karşıla nacak ek reaktif güç,

C (KVAR) = 3 Vp lc , ve yok edilecek reaktif akım,

C dir.

c ~ 3Vr

Bunun röle iç devresine yansıması ise,

I. olacaktır.

3Vpk

Kontaktör anahtarlama sayısını azaltmak amacıyla şebe keden çekilen reaktif akımın belirli sınırla içinde oyna masına izin verilir. Genellikle, yok edilecek reaktif akım, bir basamak kondansatör akımının % 60'ı ile % 70'i ara sında bir değere ulaştığında ek bir kademe devreye alı nır. Röle yapısına göre değişen bu katsayıyı da gözönüne alırsak, işleme geçirici akimin değeri,

I

0.6 C

3 V p k = IA olur.

Rölenin çalışma gerilimi belirli ve değişmez olduğu var sayılarak, Vp yerine bu değer konulursa,

0.6 'A =

3 230

s. olur. k

Böylece sadece C/ k oranını ayarlamak ve önündeki kat sayıyı iç devrede bir çarpan olarak yaratmakla röleye işleme geçirici akım değeri bilgisi verilmiş olur.

Bazı kullanıcılar C/k'yı olması gereken değerden daha aşağı ayarlama eğilimindedirler. C/k belirlenenden çok aşağı ayarlanırsa röle, gerekenden fazla anahtarlama yap maya başlar, bazı koşullarda devreye belli sıklıkta sürekli kondansatör sokup çıkararak kontaktörlerin yıpranma sına yol açabilir. C/k'nın çok yüksek ayarlanması duru munda ise röle, reaktif güç gereksinmesini yeteri kadar yakından izleyemez ve. kapasitif bölgede uzun süreli ça lışmaya neden olabilir. Bir önceki eşitlikte gösterildiği gibi C/k değerinin önündeki katsayı rölenin anma çalış ma gerilimine bağlı olarak belirlenir. Burada rölenin ve kondansatörlerin anma gerilimlerinde (400 V, ı) çalı şacağı varsayılır. Ancak bilindiği gibi kondansatörlerin KVAR değeri uygulanan gerilimin karesiyle orantılı ola rak değişir, örneğin gerilimdeki % 10'luk bir düşüş, güç te % 20'ye yakın bir azalmaya neden olur. Yurdumuzda şebeke gerilimindeki aşırı düşümler ve yükselmeler göz önüne alındığında, ülkemiz koşullarında kullanılacak rölelerde gerilim değişimlerinin C/k ayarına etkisini kar şılayacak düzeneğin önemi ortaya çıkar. Şebeke gerili minden alınacak geri besleme ile çalışma bandının oto matik olarak genişletilip daraltılması gerekir. Bu düzeni içermeyen rölelerde gerilim yükselmeleri C/k'nın gere kenden küçük, gerilim düşmeleri ise gerekenden büyük ayarlanmasına eşdeğer olumsuz etki yaratır.

P(KK)

Devreden Kondansatör Çıkarma S ı n ı r ı

Devreye Kondansatör Sckma S ı n ı r ı

3.2 ) Cos$ veya % Ayarı

Otomatik kompanzasyon tesisinin sağlayacağı ortalama kompanzasyon düzeyi cos0 veya % ayarıyla belirlenir. Kalıntı reaktif güç ayarlı rölelerde bir % ayarı, cos0 ayar lı rölelerde ise bir güç faktörü ayar düğmesi bulunur. Ortalama güç katsayısı bire vaya kalıntı reaktif güç yüzde sıfıra ayarlanırsa Şekil 2'de görülen çalışma bölgesi elde edilir. Bu ayar konumunda şebekeden en çok bir basa mak kondansatör gücünün % 6O'ı kadar reaktif güç çeki lebilir. Görünen güç vektörü S, endüktif yöndeki sınırı aşarsa bir basamak daha kondansatör devreye sokulur ve çalışma noktası S' ye kayar, bu noktada şebekeye reak tif enerji beslenmektedir ve güç katsayısı kapasitiftir. Burada sözü edilen bir basamak kondansatör gücünün, C/k'nın belirlenmesinde kullanılan birinci kademe kon dansatörünün KVAR değeri olduğuna dikkat edilmelidir. "Kondansatör sok" ve "Kondansatör çıkar" sınırlarının C/k ayarı ile tanımlandığını belirtmiştik. 0.6 ile 0.7 ara sında değişebilen sınır çarpanı rölede içeriden ayarlan mıştır. C/k'yı belirlenenden yüksek değerlere ayarlamak bu sınırları iki yana genişletir, aşağı ayarlamak ise daral tır. Sınır çarpanını 0.5'den aşağı düşürecek bir C/k ayarı (belirlenenin % 80'inin altında) salınıma neden olabilir. "Kondansatör sok" sınırı aşıldığında röle, yeni bir basa mağı devreye sokar. İkinci konumda S' noktası "Kon dansatör çıkar" sınırının soluna kayabilir, bu kez röle, sokulan basamağı devreden alır, sistem başlangıçtaki konumuna döner. Bu çevrim yinelenerek anahtarlama gecikmesinin iki katı süreli bir salınım oluşur.

Elektrik kurumu açısından, reaktif güç kompanzasyo nundan en yüksek yarar, tüketiciler ortalama güç faktör lerini bir dolayında tutabildikleri zaman sağlanır. Bu durumda gerilim düşümü ile hat ve trafo kayıpları en aza indirilmiştir. Ancak, üretici ve tüketici birlikte düşünüle rek yapılacak ekonomik çözümleme, şebekeden aktif enerjinin yanı sıra bir kısım reaktif enerji de çekilmesine izin verildiğinde ilk yatırım tutarının önemli ölçüde aza lacağını gösterir. Bu nedenle, rölenin sistemi içinde tuta cağı çalışma aralığının orta çizgisi, başka bir deyişle ortalama kompanzasyon düzeyi genellikle endüktif yön

0.6C ü.çitif

O Cı.6 C EndUktlf

0(KVAE)

ŞEKİ L 2 . C o s 0 = l veya %= 0 Ayarı

0.5 C

O

ŞEKİL 3. Kalıntı Reaktif Güç (%) Ayarı

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 332 I 333

de C ile orantılı olarak biraz kaydırılır veya amaçlanan ortalama güç katsayısı kadar döndürülür. Bu ayarın çalış ma bölgesine etkisi Şekil 3 ve Şekil 4'de gösterilmiştir.

Ş E K İ L 4. Güç Katsayısı (cos</j) A y a r ı

Cos0 ve % ayarları, sonuçta istenilen kompanzasyon düzeyini sağlamak açısından yaklaşık eşdeğerdirler. Ayı rım, kalıntı reaktif güç ayarlı rölelerin şebekeden çekilen reaktif gücü, kullanılan aktif güçten bağımsız olarak belirlenen sınırların içinde tutmaya çalışması, buna kar şılık cosip ayarlı rölelerin, kullanılmasına izin verilen reaktif gücü aktif güçle birlikte artırarak verilen oranı değişmez tutmaya çalışmasındadır. % ayarlı röleler, top lam görünen gücü (KVA) en aza indirmekte daha etkilidir ve faturalamanın KVA istemi üzerinden yapıldığı veya sınır değerinin üzerindeki güç katsayısına prim verilen, birçok yabancı ülkede uygulanan faturalama sistemlerine uygun olarak tasarımlanmıştır. Cos<j> ayarlı röleler ise, kullanıcı tarafından daha iyi anlaşılır ve faturalamanın Türkiye'de olduğu gibi reaktif enerjinin aktif enerjiye oranı üzerinden yapıldığı durumlarda daha elverişlidir. Büyük güçteki kompanzasyon tesislerinde basamak gücü düşük tutulmuşsa % ayarlı röle gereğinden çok sayıda anahtarlama yaparak kontaktörlerin ve kondansatörlerin ömürlerini kısaltabilir. 4 ) YARDIMCI SİSTEMLER

Reaktif güç rölesine, ana işlevi olan reaktif güç gereksin mesini izleme yanında birtakım yan görevler de yüklene bilir. Röleye eklenebilen başlıca yardımcı sistemler, cos# metre, KAP NOR END sistemi, aşırı gerilim koruma, elle kumanda ve sıfırlama sistemidir. Cos0 metre, kompanzasyon tesisinin izlenmesinde en önemli yardımcıdır. Kullanıcı, röle ön yüzündeki analog, sayısal veya LED göstergeden, ulaşılan güç katsayısını sürekli izleyebilir. Röle ve metrenin yapıları birbirlerin den bağımsız olarak çalışacak biçimde tasarımlanmış ise cos0 metre, rölenin çalışmasının denetlenebilmesi olana ğını da sağlar. Duyarlılık açısından, LED ve sayısal gös terge/er daha sağlıklıdır. LED sistemiyle, güç katsayısının görsel sergilenmesini artıran düzenlemeler de yapılabilir.

KAP NOR END sistemi, costf» metre bulunmadığı za man veya metre ile birlikte röle üzerine yerleştirilebilir. Zaman zaman yanlış bir deyimle "mikro cos0 metre" olarak anılan bu düzenek gerçekte şebekeden çekilen gücün reaktif özelliğini değil, rölenin tesisi nasıl algıla dığını gösterir. KAP bölgesinde, güç vektörünün çalışma aralığının solunda olduğu ve rölenin gecikme süresi sonunda devreden kondansatör çıkaracağı, END bölge sinde ise devreye kondansatör ekleneceği bildirilir. NOR LED'i yanıyorsa (veya analog gösterge NOR bölgesinde ise) ayar değerleriyle belirlenen kompanzasyon düzeyine ulaşıldığı ve rölenin yeni bir işlem yapmayacağı anlaşılır, bu sırada gerçek güç katsayısı endüktif veya kapasitif olabilir.

Aşırı gerilim koruma, kondansatörlerin yüksek şebeke gerilimi nedeniyle güç kaybına uğramasının sınırlandırıl masını amaçlar. Standartlara uygun kondansatörler, anma gerilimlerinin % 10 fazlasına kadar güç kaybına uğ ramadan dayanabilirler. Bunun üzerindeki aşırı gerilim lerde ise gerilimin büyüklüğüne ve süresine bağlı oranda kapasite kaybedebilirler. Aşırı gerilim rölesi, şebekede oluşan uzun süreli yüksek gerilimlerde, kontaktör sarım larının enerjisini keserek kondansatörleri korur. Geçici aşırı gerilimlerde açmayı önlemek için rölenin işleme geçmesi 0.5 1.0 saniye kadar geciktirilir. Aşın gerilim rölesinin tekrar kapayıcı biçimde düzenlenmesi gerekir, örneğin % 110 gerilimde açan röle, şebeke gerilimi anma değerinin % 105'ine düştüğünde kapanarak gereksinilen kadar kondansatörü yeniden devreye almalıdır. Kompan zasyon tesisinde sabit grup bulunuyorsa ve kontaktörle devreye sokuluyorsa, kontaktör kumandası röledeki sabit grup çıkışından alınarak bu kondansatörlerin de korunması sağlanabilir.

Elle kumanda sisteminin birincil amacı, tesisin devreye alınması sırasında rölenin ve panonun denenebilmesinin sağlanmasıdır. Röle ön yüzündeki düğmelere basarak, yapılan ölçümden bağımsız olarak kademeler devreye sokulur veya çıkarılır. Röle otomatik çalışmaya geçti ğinde ancak gereği kadar kondansatörü devrede bırakır. Eğer rölede sürekli elle kumanda konumunda bırakabile cek bir El Otomatik seçme anahtarı varsa, tesis mutlaka "Otomatik" konumuna getirildikten sonra terk edilmeli dir. Tersi durumda devrede bırakılan fazla kondansatör uzun süreli aşırı kompanzasyona neden olabilir veya reaktif güç gereksinmesi yeterince karşılanamayabilir.

Sıfırlama sistemi (No Volt Release) sistemi kısa süreli enerji kesilmelerinde aşırı kompanzasyonu önleme ama cını taşır. 03 0.5 sn. süren kesintilerde, kullanıcı yükü nün büyük bir bölümü yitirilebilir ve reaktif güç gereği bir anda çok düşebilir. Rölede sıfırlama sistemi yoksa, gerilim yeniden geldiğinde kesintiden önce devrede bulu nan kademeler anında devreye alınır ve bu gruplar devre

ELEKTRÎK MÜHENDİSLİĞİ 332 I 333