YÜKSEK GERİLİM KONDANSATÖRLER SERİLERİ VE BUNLARIN KORUYUCU DONANIMLARI

UDK: 621.816.72: 621.316.925: 621.316.935: «21.

Yüksek Gerilim Kondansatör Serileri ve Bunların Koruyucu Donanımları*

Yazan : Hermann BEIZUOH

Çeviren : Şemsi YÖNETiM

ÖZET

Rasyonallzasyon değerleri, teknik, ekonomik ve tarife önemi gibi hususlar, sistemin güç faktörünün arttırılması yolunan büyük ilgi gördü. Buna bağlı olarak güç kondansatörlerinin önemi arttı. Son on yıl içinde güç kayıplarının azaltılması yolunda hatta küçük ünitelerde bile hacim, fiyat ve işletme güveni yönünde büyük gelişme sağlandı. Bundan dolayı şimdi 0,9'utı 'üzerinde bir güç faktörünü hedef tutmak ekonomiktir.

SUMMARY in connectlon ıvith ratıonalization measures, technical, economic and tarif} considerations have led to a greatly increased interest in the systematic improvement of power factor. Accordingly, the tmportance of the poıcer capacıtor has increased considerably. in the post ten, years, great improvements have been made toith respect to the reductıon of losses even wlth small units, reliability, -solüme and price. it is therefore noıv economical aim at a poıcer factor higher than 0,9.

1. BELiRLi BtB GÜÇ FAKTÖRÜ iÇiN KONDANSATÖR TAYlNÎ

Şimdiki durumda ve arzu edilen güç faktörü akalanın üzerinde işaretlenmiştir. Gerekli kondansatör gücü, aktif gücün yüzdesi olarak yukarıdaki skaladan birbirinin farkı olarak okunabilir (Şekil 1).

0,95 0 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,65 0,5 0,45

| , , . ' , ' ı '.'l'."]'.".11",".1',1"1,","] . . , ' , . , ' , . . , ' , , . , ' , : , , ' .

l,1 L1 (' l' l'r1 ı' ı ı' ' l,' l' l' ı' ı' ı • ı ı ' ı11

0ı 20J 40 i 60 80 10D 120 140 160 180 500

gerektı- -Rtaklll güç 1.

Şekil 1. Belirli bir güç faktörü için kondansatör gücü tayini.

örnek :

Şimdiki durumda : p.f, = 0,7

Arzu edilen

: p.ta-= 0,9

Gerekli kapasitör gücü, % 102— % 48 = J% 54 aktif gücün yüzdesi olarak hesaplanmalıdır.

Şekil 2'de güç kondansatörleri kullanılarak iletilen zahiri gücün azaltılması görülmekledir.

Çokluk reaktif gücün kondansatörlerle kompanze edilmesi aşağıdaki nedenlerden ötürü yararlı olmaktadır.

* Siemens Reviövv, S. 2, 1971, dergisinden çevrilmiştir .

l 035 0,9 0,85 H9 075 0.7 065 0,6 0,55 0,5 0,45

Şekil 2. Güç kondansatörleri (kullanarak nakledilen zahiri gücün azaltılması.

a. iletilecek aktif gücü arttırır ve buna bağlı olarak da dağıtım şebekelerinin kârını arttırır. b. Güç faktörünü düzeltir ve böylece tüketicinin reaktif enerji giderlerini azaltır. c. Tristör ve statik çeviricilerin meydana getir diği harmoniklen emer. Kondansatör süzgeç dev releri, daha ziyade tarife ve teknik nedenlerle konmuşlardır.

Şekil l'deki sahaya göre örneğin Cos^, = 0,90 dan Cos^, = 0,95'e yükseltilmesi halinde aktif gügün % 16'sı kadar bir kondansatör gücüne ihtiyaç gösterir.

Şekil 2'de, dügük güç faktörlerinden dolayı transformatörlerin, enerji iletim hatları v.s.'nin, ne ımiktar büyük yapılması gerektiğini gösterir. Eğer, bir tüketicinin, 8 p.f. ile işletmesi hesaplanmış, ise, güç transformatörleri aktif gücün % 125'i oranında tasanmlanmah, yıllık kayıp masraftan da eklenmelidir.

Z. KONDANSATÖR SERtLERtNlN DÜZENi VE KURULMASI

Bir kural olarak, yüksek gerilim kondansatörleri yer düzeyinden küçük ve orta sertler halinde 100 kVAr'dan yaklaşık 1800 kVAr'a kadar düzenlenirler. Bazen özel koşullar, kuruluş yerinin durumu, işletme koşullan açık (sahra) ve kapalı bir biçimde kurulmayı gerektirebilir. Sehba üzerinde inşa etmek daha yararlıdır. Bu, geniş esneklik ve ilerdeki genişletmeye, sahayı büyütmeden olanak sağlar. Sehpa • üzerinde inşa etme 2,4 kV'tan en yüksek gerilimlere kadar gayet ekonomiktir. Bu yerleştirme biçiminde sehpalar birbiri üzerine yerleştirirler. Bir çok ülkede bu şekil kullanılmaktadır. Sadece güç kondansatörleri değil,, süzgeç devresi ve seri kondansatör dizileri de gekilde yerleştirilmektedir.

iki şekil sehpa vardır :

a. Standard sehpalar: Bunlarda kondansatör ler dikine yerleştirirler. Kararlılık nedenleri ile (ağırlık, rüzgâr basıncı) bir sehpa üzerine üç kat kafesten fazlası konulmamalıdır.

b. Düz sehpalar : Bunlarda, kondansatör üni teleri yatay yerleştirilmiştir. Beş altı sehpa bir biri ü/erine konulabilir. Serinin ölçülerine, gerili me ve toplam kapasiteyi parçalarına ayırmaya göre 40°C lik ısı sınıfj için tek fazlı kondansatör sınıflan uygulanabilir. Bu üniteler 100, .75, 50 kVAr değerlerindedir.

S. DEVRE KESİCİSİ

Bir sınırlandırma olmadan çalışmalıdır, işletme hızlan işletmeciye Jbağh olmamalıdır. Kesici kondansatörler için uygun olmalı, temas kontaklannın malzemesi yüksek ergime derecesine sahip bulunmalı ve çalışma adedi sayısına sahip olmalıdır. Kesiciyi kondansatör ve sistem kısa devre gücüne göre seçmek yeterli değildir. Gurup veya bölümlerin girip çıkmalanndaki paralellenme meydana gelmesinde geçici durumların saptanması gerekir.

Geçici salınmaların doğal frekansı,

/ — -f—l"

\ LC f=

V 2L ;

C •= Devreye seri olarak bağlanan iki kondansatörün toplam kapasitesi. L= Hattın indüktansı veya şebeke kısımlan arasındaki indüktansın toplamı. Kayıpları göz önüne almaksızın doğal frekans,

v=

ve geçici akımın maksimum değeri :

i =ü özellikle orta derecedeki ve 600 kVAr'dan yukan büyüklükteki serilerde, bir kısım kondansatör devrelerinin paralel kesicileri için şönt di-' renç gereklidir. Bu, kondansatörlerdeki gerilmeleri azaltır ve şebeke reaksiyonlarını önler. Şekil 3 a ve b'de, i akımlarım en büyük yapan seri kondansatör oranlarıyla, aynı ölçüde

kA 100 50

20 10

5 V21

0,1 Q2 0,5 1

l~

2 5 1 0 20 50 100 Mvr

(b)

kA

ı10 ^ ^? ^

t 1 > ^v X^ K f

^s .^

^ V»

t^ ^

!

D 20

S^

50 100 200 500 1000 5000 000

2C )00

r

ŞekU 3 : a. Atamın en büyük değerleri : Kondansatör açma güçleri cinsinden = seriler arasındaki bağlantı uzunluğu.

b. Seriler arasındaki bağlantıların nzunluğn cinsinden t».inınTn en büyük değerleri.

paralel bağlanacak kondansatör serisi ve (iletken) boyu x (kondansatör/kondansatör) parametresi cinsinden gösterilmiştir. Devrede akım

sınırlayıcı reaktörler yoktur. Şekiller, P. Baitensberger'in araştırmalarından alınmıştır, iki paralel kondansatör devresi arasındaki anabara iletkenleri meydana gelen akımları önler. 10 kV'ta

anabara için her metrede l^H ve kablolar için

her üç metrede l^H olarak alınabilir.

T

4. AKIM SINIRLAYICI REAKTANSLAR

rut]

Geniş bir sahaya yayılmış olan kondansatör guruplarının sınıflandırılması . nadiren pratik bir işlem olur. Bu yüzden genellikle reaktanslar dahil edilir. Bunlar kondansatör serilerinin paralel bağlanmasında uygulanan devre kesicilerinin, yüksek frekans geçici akımının mümkün maksimum değerini veya maksimum akım yükselmesini aştığı zaman gereklidirler.

°c

V3

10 30 Mvr 10

Q« 57

N \- s\ \

\\ \ ss \ \ \V s t

?< /

j 3

— ~v~~-y ^ • N

\> <

< Nv .

\ \ sS „ \ x

50 70 100

200 300

^\\ ss \\ s\

500700 1000 2000 ıX

Akımın yükselme htzr

' mox

V2U

_ ______ .

V3 L

10, 20 ve 30 kV için, devre kesicilerinin karşılık değerleri değişiktir.

Değişik gerilimlerde S. için gerekli indüktans, Şekil 4a'dan bulunabilir. Şekil 4b'dende söz konusu indüktansın ve makul ölçülü serinin mümkün maksimum, i'yi geçmediği kanıtlanabilir.

Reaktörlerin değişik görevleri vardır : Sönümlemen reaktörler, özellikle kondansatör kesicileri paralel bağlandığı zaman doğal frekansı ve böylece akımın yükselme hızını düşürmede kullanılır. Bastmcı reaktörler harmoniği reaktörlerden uzakta tutarlar. Bunun için, reaktör ve kondansatör devreleri frekansı en düşük harmoniğin altına akort edilmelidir (Bir kural olarak 225 250 Hz'in altına).

Bu koşul sağlanınca, reaktörün reaktansı kondansatörün % 5-6'sıdır. Reaktör, kondansatör gücünün yaklaşık % 5-6'smı emer ve kondansatör geriliminin yükseltilmesine neden olur. Süzgeç devreli reaktörler o şekilde ölçülendirilmiştir ki, seri bağlı reaktör ve kondansatörü içeren süzgeç devresinin asıl harmoniğe karşı empedansı çok düşüktür.

X (% olarak) = 122

V

denkleminden reaktörün X. reaktansı, X 'nin

% değeri olarak hesaplanabilir (v = süzgeç devresi harmonik sayısı).

V> 0.7 as

Ü3,

20 30 50 70 100

200 300 500 700 1000 uH

0.2'

Seldi 4* Seriler arasındaki L = L, '+ 1^ inıdüktansı ile paralel bağlanmış iki kondansatör serisinin akım kaynağı ve altım yükselme •.'hm diyagramı.

Böylece çeşitli süzgeç devre reaktörleri için aşağıdaki değerler elde edilir :

5. harmonik

7. » 11. XL5 » 13. > 4'ü

= Xc'nin

XL7

=Xc'nin

2,041'i

XL11 =Xc'nin % 0,826'sı XL]3 =Xc'nin % 0,592'si

5. KORUYUCU DONANIM

Sigortalar: Yüksek g.srilimli üniteler, 1700 volta kadar olan gerilimler için çok sayı da elemanları içerirler. Daha yüksek gerilimli eleman gurupları seri bağlanmışlardır.

Bir eleman, özel kağıdın 5-8 tabakasını dielektrik olarak ve alüminyum levhalarını elektrod olarak içerir. Hazır bağlı (ready-connected) eleman gurupları çelik levha kasalara konmuştur. Kurutma ve havanın boşaltılmasından sonra CLOPHEN (triclordiphenyl) doldurularak kasa kaynaklanır.

Dolayısıyla üst üste konan elemanlar, bozulması mümkün ve elektrik alanından doğan yüksek gerilime neden olan, yüksek nitelikli kağıtlarda bile iletken parçalar ve gözenekler vardır. Held'in verdiği bılgiy. göre, yılda 10.000-20.000 elemandan bir tanesi bozulmaktadır.

Sigorta elemansız bir kondansatörde bir elemanın bozulması bütün eleman guruplarının bozulmasına veya kısa devresine neden olmaktadır. Bu dağınık arızalar nedeniyle sağlam elemanların bozulmasını ve hatta tahrip olmasını önlemek için, kondansatör devrelerinde koruyucu aygıtlar kullanılır. Bunlar motorların ve transformatörlerin güç faktörlerini düzenlemede kullanılan kondansatörler için zorunludur. Çünkü bu durumlarda güvenilir koruyucu donanım yoktur.

Bozuk elemanı devreden çıkaran devre sigortalarının en etkili korumayı sağladığı görülmüştür. Bozuk bir elemanla p°ralel bağlı sağlam elemandaki yük akımı, yüksek kısa devre akımı nedeniyle saniyeden az bir süre içinde bozuk elemanın sigortasının erimesine neden olmaktadır.

Bazı ülkelerde harici sigortaların (expulsion-tipi) tüplüsü tercih edilir. Harici tipin en çok kullanılanlarında alüminyum veya pirinç bir bağlık vardır. Bir tarafı açık ve fenol emdirilmiş tabakalı kağıt yerleştirilen seramik tüp, bir sigorta elemanı ve sigortanın çalıgtığını belirten uyarma yayı vardır.

Buna rağmen bu sigoıta, dahili tip eleman sigortaları yerine kullanılmaz. Onun tek iği kasa yanmadan, hatalı kondansatör elemanının bir kutbunu devreden çıkarmaktır.

Eğer expulsion-tüpünün sigorta karakteristiği orta hızda ise ve eleman akımı kapasitör akımının 1,5 katından büyük olacak şekilde seçilme durumundaysa, akım oranı anma akımının 2-4 katı olmadıkça, sigorta çalışmaz. Aralıklı devre kesintileri sadece kondansatörler iki veya üç eleman gurupları durumunda seri bağlı olduğu zaman meydana gelebilir.

Lı

Semender aşırı akım role kademesi

Termik 1,3 Ic Mağnetık 5 Ic

-----

Deşar

Reaktör transformatörü ve"V, bağlantısı

-Gerilim transformatörü

6. DENGESİZ DURUMLARDA KORUMA

Şekil 5a'daki ana devre diyagramından görülebileceği gibi tek fazlı kondansatörler çift-yıldız bağlantıda1 iki tane üç-faz gurubuna bağlanmıştır, iki yıldız noktası birbirine gerilimi transfor-

90!

Gerilim transformatoı (b) Şekil 5. a. Çift - yıldız bağlantı. b. Dengesiz faz koruması.

matörlerı boyunca bağlanmıştır. Transformatörün sekonder sargısına özel duyarlı röle bağlanmıştır.

Kondansatör ünitelerinde bir arıza olunca yıldız noktası gerilimi değişir ve serinin sağlam ve hatalı yıldız noktaları arasında bir gerilim meydana gelir Böylece gerilim transformatörünün rölesi tarafından -bir sinyal verilir veya eşitsizlik büyükse kesici açar, aygıt devre dışı olur.

Kapasitör serisi iki kısma bölünemezse Şekil Sb'deki ana devre diyagramındaki gibi bir faz mukayese şeması uyarlanmalıdır. Üç gerilim transformatörü kondansatörlerin deşerj ve denge dışı korunmasında kullanılır. Koruma röleleri transformatörün sekonder devresine açık üçgen olacak şekilde bağlanmıştır. Başka tip bağlantı şekilleri de koruma devreleri için kullanılabilir. 45 kV ve daha yukarı gerilimli şebekeler için akım transformatörleri ve akım rölelerinin yıldız noktasını dengeli yapmak daha ekonomiktir. Çünkü bu devrelerde monofaze transformatör kullanışlı değildir.

örnek 1: Dahili eleman sigortası olmayan kondansatör serisi: 22 kV, 50 Hz, 6,0 MVAr, çiftyıldız bağlantılı (yıldız noktası denge dışı korumalı). 60 ünite, 6,36 kV, 100 kVAr, yani her yarım faz için 10 ünite :

h = her yarım faz için seri bağlı 12 ünite. q = her yarun faz için seri bağlı 5 ünite. n = seri bağlı her ünite için 4 eleman gurubu.

Q = Arızalı yarım fazın l

AÇ a = h [g (n — 1) -ı- 1] = 2 [s (4 — 1) + 1] = 32

Ut arızalı, U2 sağlamın yarım faz gerilimi olduğuna göre,

AU =

I

3a —2 3x32 — 2 94

= 0,0106

Bir eleman gurubu kısa devre olursa AU = % 1,06 olur. Eğer dengesizlik j< % 0,2 ise denge dışı ayar aygıtı yerleştirilmesi gerekil ve faz-nötrün ı% 0,86'sını aşmalıdır.

örnek 2: Dahili eleman sigortası olmayan kapasıtör serisi: 22 kV, 50 Hz, 6,0 MVAr, tek yıldız bağlantı. 60 ünite, 6,35 kV, 100 kVAr yani her faz için 20 ünite.

h = her faz için seri bağlı 2 ünite.

g = her faz için paralel bağlı 10 ünite.

n = Seri bağlı her eleman için 4 eleman gurubu.

a = h [g (n—) + 1] = 2 [10 (4 — 1) +1]

= 62

—=0,0163

62 l

AXJ =

Bir eleman gurubu kısa devre olduğu zaman

gerilim dengesizliği faz-toprak geriliminin %

1,63'ü kadardır. Bundan dolayı röle ayarı 1,63

- 0,2 = 1,43'den fazla olmamalıdır.

örnek 3: Sehpa bağlı kondansatör serisi, dahili eleman sigortalı, 5,25 kV, 50 Hz, 5,4 MVAr, çift - yıldız bağlanfch, yıldız noktası dengesiz korumalı, 72 ünite, 3,03 kV, 75 kVAr yani her yarım faza 12 ünite.

h = Her yarım faz için l ünite.

g = Her yanm faz için paralel bağlı 12 ünite.

n = Seri bağlı her Ünitede 2 eleman.

w = kondansatör ünitesinin her eleman gurubu için paralel bağlı eleman sayısı.

--- = servise müsaade edilen eleman gurubundaki eleman bağımsız/lığı sayısı, yani her eleman gurubunun 1/3'ü kabul edilebilir.

Bu halde dengesizlik,

._hf g[n(-~

—- 1 - ^ 12 [2 (3-1) + 1 ] — l J = -59

Dengesizlik gerilimi,

ua-u,=

3a—2

= —16,9 V.

—179

1000 Eğer R 10, -------- V gerilim transformatörü kul-

100 lanıürsa

16,9x100 = —1,7 V.

Eğer gerilim transformatörünün oranı

1000 değil de,

ise, dengesizlik 0,2 V değildir,

fakat bunun üg katı yani 0,6 Vdur.

Doğal dengesizliğe müsaade edersek, röle ayar kademesi en çok 1,7 -0,6 V olmalıdır.

örnek 4 : Dahili eleman sigortalı kondansatör serisi, 15,75 KV; 50 Hz, 3,6 MVAr, tek-yıldız bağlantılı, faz dengesiz korumalı, 36 ünite, 4,45 kVAr, yani her fazda 12 ünite :

h •= Her fazda seri bağlı 2 ünite. g = Her fazda paralel bağlı 6 ünite. n '= Seri bağlı her ünitede 3 eleman gurubu. w = Bir kondansatör ünitesinin her eleman gurubunda paralel bağlı eleman sayısı.

w •= Servise müsaade edilen bir eleman gurubundaki bağımsız eleman sayısı.

Böylece dengesizlik,

a = h |g[n( -J—1) -t-'ll-l "j.

= —2 j 6 1 3 ( 2 — 1) -M)]— J =—46

ve dengesizlik gerilimi,

Uz

U , - U , = y- = —195 V a-

10000 Devrede R 20, ----------- oranında bir gerilim

trafosu kullanıldığı sekonder devredeki dengesizlik gerilimi

195X100

10000

Böylece röle kademe ayan 2,0-0,2 == 1,8 V olarak ayar edilmelidir.

7. KISA DEVRE VB AŞIRI AKIMA KARŞI KORUMA

Bu amaçla devrede kullanılacak koruma aygıtı için, üç akım transformotörü ve bir de ağın akım rölesi gereklidir. Aşın akım rölesi termik ve ınağnetik devrelerden meydana gelecek ve ayarlan, 2,5—5A (termik); 15-30 A (Mağnetik); 1,3 Ic (termik) ve 5Ic (mağnetik) akım kollarında olacaktır.

Bu tip korumalar, ağırı yük ve kısa devrelerin yapacağı zararı önlemede kullanılır. 6,3 kV, 50 Hz, 900 kVArtık kapasitör serisinin işletme değerleri, aşın akım ıölesinin karakteristiklerinden okunabilir. Akım transaformatörü en az 1,45 IC=U9 A (250/5 akım oranında) için tasanmlanmalıdır. Bu aygıtların soğukta açma zar manian 50 sn (termik) ile 0,1 sn (mağnetik) olmalıdır.

8. GERiLiM ATARI

Servis gerilimi sürekli olarak kondansatör geriliminin % 10 fazlası olabilir. Bu durumun sadece VDE değil, diğer standardlarda da görüldüğü saptanmıştır. Büyük şebekelerde yük atıldığında 1,1 Uc'lik bir gerilim ayarı, ayar kademeleri aracılığıyla yapılması tavsiye olunur. Daha büyük gerilimlerde istenilmeyen işletmeler 0,2 sn'lik zaman gecikmesiyle önlenebilir.

Konsatör kesicisi açıldıktan sonra Kondansatör U* gurubu W •= C --------- kadar bir enerji kazanır. 2

Bu formül kesicinin açıldığı yerdeki gerilimin ani değerinden çıkarılmıştır. Kapama esnasında aşın gerilimleri ve kazaları önlemek için deşarj rinelemanlan sağlanmalıdır. Kondansatör terminallerinin kısa devre yapması, yüksek deşarj akımı nedeniyle istenmez. Deşarj elemanı olarak, motor, transformatör, doğrudan doğruya kondansatörlere bağlanan dirençler kullanılır.