Yazar: Cihan ŞENEL – ABB Elektrik Ürün Pazarlama Uzmanı
Giriş
Bu yazıda elektrik tesislerinde sıkça karşılaşılan harmonik sorunları, bu sorunların neden olduğu zararlar ve çözüm yöntemleri detaylı şekilde ele alınacaktır. Harmonikler, elektrik enerjisinin kalitesini düşüren ve elektrik tesisatlarında kullanılan şalt ekipmanların ömrünü kısaltan önemli bir güç kalitesi problemidir. Yazımızda yazarımız ABB Elektrik Ürün Pazarlama Uzmanı, Cihan Şenel‘in hem teorik bilgileri hem de pratik uygulama örneklerini bulacaksınız.
1. Harmonik Nedir ve Neden Önemlidir?
1.1 Harmoniklerin Tanımı
Harmonikler, elektrik şebekesinde temel frekansın (genellikle 50 Hz) tam katları şeklinde ortaya çıkan frekanslardır. Normalde 50 Hz olan gerilim ve akım dalga formu, harmoniklerin etkisiyle bozulur. Bu bozulma, özellikle endüstriyel tesislerde kullanılan motor sürücüleri, robotlar ve elektronik ekipmanlarda çeşitli sorunlara yol açar. Harmonikler, tekil, çift ve interaktif olmak üzere farklı tiplerde sınıflandırılır. En yaygın ve önemli harmonikler 3., 5., 7., 11. ve 13. harmoniklerdir.
- THDv (Total Harmonic Voltage Distortion) : Toplam gerilim harmonik bozulum oranı
- THDi (Total Harmonic Current Distortion) : Toplam akım harmonik bozulum oranı
- TDDi (Total Demand Current Distortion) : Toplam demand akım harmoniği bozulum oranı
1.2 Harmoniklerin Elektrik Sistemlerine Etkileri
- Verimlilik kaybı: Harmonikler, güç transformatörleri, kablo ve motorlar gibi doğrudan tesisata bağlı ekipmanların daha fazla ısınmasına yol açar, bu da enerji kaybına ve verim düşüşüne neden olur.
- Ekipman arızaları: Elektronik kartların bozulması, trafoların ve dağıtım kablolarının aşırı yüklenmesi, devre kesicilerin yanlış açması gibi mekanik ve elektronik sorunlar ortaya çıkabilir.
- İşletme maliyetlerinin artması: Arızalar sebebiyle bakım ve işletme masrafları yükselir, üretim kesintileri yaşanır.
- Şebeke sorunları: Harmonikler, iletim ve dağıtım hatlarında gereksiz akım ve gerilim artışlarına ve güç kalitesi bozulmalarına neden olur.
2. Harmoniklerin Kaynakları ve Türleri
2.1 Elektronik Yüklerin Rolü
Endüstride harmoniklerin en büyük kaynağı motor sürücüleri, robot kolları, güç elektroniği tabanlı cihazlar ve diğer yarı iletken tabanlı ekipmanlardır. Özellikle altı darbeli tristörlü motor sürücüleri yüksek harmonik üretirken, 12 darbeli veya anahtarlamalı sürücüler daha az harmoniğe sebep olur.
2.2 Harmonik Türleri
- Tekil harmonikler: Temel frekansın tam katlarıdır, örneğin 3., 5., 7. Harmonikler örnek verebilir.
- Çift harmonikler: Tam sayı katı olmayan frekanslardır ve genellikle daha karmaşık problemlere yol açar , ekipmanlarda yaşanan arızalarla ilgili bize fikir verebilir.
2.3 Harmonik Seviyelerinin Ölçülmesi
- THD (Toplam Harmonik Bozulma) oranı: Gerilim veya akımda harmoniklerin toplam oranını ifade eder.
- Harmonik analizörler ve ölçüm cihazları: Sorunun kaynağını belirlemek için standartlarca belirlenen sürelerde yapılan ölçümleri kayıt altına alan cihazlardır.
- Ölçüm süreleri: Standartta doğru tespitlerin yapılması için bir hafta gibi uzun süreli ve en kötü senaryoları içeren (generatör çalışma , tam yük yüklenme vb.) ölçümler yapılması önerilir.
3. Harmonik Standartları ve Yönetmelikler
3.1 Ulusal ve Uluslararası Standartlar
Türkiye’de EPDK mevzuatları harmoniklerin kabul edilebilir sınırlarını belirler. Uluslar arası standartlar EPDK mevzuatları için alt yapıyı oluşturur; Örneğin, IEC 61000-4-30 standardı harmonik ölçümleri için rehberlik sağlar. IEEE 519 harmonikler için sınır değer tanımlamalarını yapar.- IEEE 519 – 2022 Elektrik Güç Sistemlerinde Harmonik Kontrol Standardı (5 Ağustos 2022)
- IEC 61000-4-30 – Deneyler ve ölçme teknikleri Güç kalitesini ölçme metotları
- Elektrik Şebeke Yönetmeliği (EPDK)
- Elektrik İletim Sistemi Arz Güvenilirliği ve Kalitesi Yönetmeliği (EPDK)
- Elektrik Dağıtımı ve Perakende Satışına İlişkin Hizmet Kalitesi Yönetmeliği (EPDK)
3.2 Kabul Edilebilir Harmonik Limitleri
- Genellikle tesislerde toplam harmonik bozulma oranının 1 kV altı gerilimler için %8 arasında olması beklenir.
- Kısa devre gücü ve şebeke empedansı, harmonik seviyelerinin değerlendirilmesinde kritik rol oynar.
| Bara gerilimi V (Ortak Kuplaj Noktasında) |
Tekil harmonik (%) | Toplam harmonik bozunma THD (%) |
| V ≤ 1.0kV | 5.0 | 8.0 |
| 1.0 kV < V ≤ 69kV | 3.0 | 5.0 |
| 69 kV < V ≤ 161kV | 1.5 | 2.5 |
| 161 kV < C | 1.0 | 1.5 |
| Maksimum harmonik akım bozunması IL akımının yüzdesi cinsinden | ||||||
| Tekil harmonik sırası | ||||||
| Isc/IL | 3≤h<11 | 11≤h<17 | 17≤h<23 | 23≤h<35 | 35≤h≤50 | TDD |
| <20 | 4.0 | 2.0 | 1.5 | 0.6 | 0.3 | 5.0 |
| 20<50 | 7.0 | 3.5 | 2.5 | 1.0 | 0.5 | 8.0 |
| 50<100 | 10.0 | 4.5 | 4.0 | 1.5 | 0.7 | 12.0 |
| 100<1000 | 12.0 | 5.5 | 5.0 | 2.0 | 1.0 | 15.0 |
| >1000 | 15.0 | 7.0 | 6.0 | 2.5 | 1.4 | 20.0 |
4. Harmonik Problemlerinin Tespiti ve Ölçüm Yöntemleri
4.1 Problemin Tanımlanması
Harmonik sorunu yaşayan tesislerde öncelikle problemin kaynağı tespit edilmelidir. Robotik ekipmanlar, motor sürücüleri veya yanlış kompanzasyon panoları başlıca problem alanlarıdır.
4.2 Ölçüm ve Veri Toplama
- A sınıfı güç kalitesi kaydediciler ile harmoniklerin ölçümü hassas şekilde yapılır.
- Ölçüm cihazları ile hem gerilim hem de akım harmonikleri kaydedilir.
- Sorun yaşanan ekipmanların arıza kayıtları ve ölçüm verileri karşılaştırılır. Genelde standart değer dışı ölçülen harmonikler, tesiste yaşanan problemlerle ilişkisi yorumlanması gerekmektedir.
4.3 Ölçüm Süreleri ve Değerlendirme
Kısa süreli ölçümler yanıltıcı olabilir, uzun süreli (örneğin bir hafta) ölçümlerle daha sağlıklı analiz yapılır. Elde edilen veriler standartlarla karşılaştırılır.
5. Harmoniklerin Önlenmesi ve Filtreleme Yöntemleri
5.1 Pasif Harmonik Filtreler
Pasif filtreler, belirli frekanslardaki harmonik bileşenleri azaltmak için tasarlanmış LC devreleridir. Bu filtreler, rezonans frekansına göre ayarlanır ve hedeflenen harmoniklerin geçişini engeller. Özellikle kompanzasyon panolarında kullanılır.
Ancak pasif filtrelerin doğru seçilmesi ve rezonans problemlerinin önlenmesi önemlidir. Yanlış tasarım, harmonik seviyelerini artırabilir.
5.2 Aktif Harmonik Filtreler
Aktif filtreler, mikroişlemci kontrollü sistemlerdir ve harmonik akımları tespit ederek ters fazda harmonik akımı şebekeye geri verir. Bu sayede harmonikler etkisiz hale getirilir.
Aktif filtrelerin avantajları:
- Tüm harmonikleri filtreleyebilirler.
- Dinamik ve değişken yüklerde etkili çözümler sunarlar.
- Sistem performansını optimize ederler.
Ancak maliyetleri pasif filtrelere göre daha yüksektir ve uygulama alanına göre doğru boyutlandırılması gerekir.
5.3 Kompanzasyon ve Filtre Seçimi
- Kompanzasyon panolarında harmonik filtresi olmayan kondansatör kullanımı, akım harmoniklerinin dolayısıyla gerilim harmoniklerinin artmasına ve ekipman hasarına yol açabilir.
- Filtre seçimi, tesisin harmonik seviyesi ve güç faktörüne göre yapılmalıdır.
- Yüksek dayanımlı (ağır hizmet) harmonik filtreleri, yüksek harmonik gerilimlerine dayanacak şekilde tasarlanmıştır.
6. Motor Sürücüleri ve Harmonik Üretimi
6.1 Motor Sürücü Tipleri ve Harmonik Seviyeleri
- Altı darbeli tristörlü sürücüler en yüksek harmonik üreticileridir (yaklaşık %40 toplam akım harmonik bozulması).
- 12 darbeli tristörlü veya AC anahtarlamalı sürücüler daha az harmonik üretir (yaklaşık %10 ve %4 civarı).
- IGBT yarı iletken teknolojisine sahip motor sürücüleri ise çok düşük harmonik üretir.
6.2 Motor Sürücü Seçiminde Dikkat Edilmesi Gerekenler
- İlk yatırım maliyeti ile harmonik seviyesi arasındaki denge kurulmalıdır.
- Harmonik filtrasyonunun gerekliliği değerlendirilmelidir.
- Giriş filtresi (reaktör) kullanımı, harmonik seviyelerini önemli ölçüde azaltabilir.
7. Harmonik Problemleriyle Mücadelede En İyi Uygulamalar
7.1 Proje Aşamasında Harmonik Yönetimi
- Yeni tesislerde kısa devre gücü ve şebeke empedansı hesaplanarak harmonik simülasyonları yapılmalıdır.
- Orta gerilim ve alçak gerilim girişlerinde güç kalitesi ölçüm cihazları kullanılmalıdır.
- Ürün seçimi harmonik etkileri dikkate alınarak yapılmalıdır.
7.2 İşletme Aşamasında Ölçüm ve Düzeltme
- Mevcut tesislerde portatif harmonik analizörlerle düzenli ölçümler yapılmalıdır.
- Kompanzasyon panolarının doğru tasarlandığından emin olunmalıdır.
- Harmonik filtreler ve aktif filtreler kullanılarak harmonik seviyeleri ideal değerlere çekilmelidir.
7.3 Harmonik Filtre Uygulama Örnekleri
- Bir tesiste harmonik seviyeleri %12.7 iken aktif harmonik filtre uygulamasıyla bu oran %5.85’e kadar düşürülmüştür.
- Bu sayede elektronik kart arızaları ve ekipman ömrü problemleri önemli ölçüde azaltılmıştır.
Sıkça Sorulan Sorular (SSS)
1. Harmonik neden önemlidir?
Harmonikler enerji verimliliğini düşürür, ekipmanlarda arızalara neden olur ve işletme maliyetlerini artırır.
2. Aktif ve pasif harmonik filtrelerin farkı nedir?
Pasif filtreler belirli frekanslarda çalışırken, aktif filtreler tüm harmonikleri dinamik olarak filtreleyebilir
3. Harmonik ölçümleri ne sıklıkla yapılmalıdır?
Tesisin büyüklüğüne ve kullanım şekline bağlı olarak periyodik veya sürekli izleme şeklinde yapılmalıdır.
Sonuç
Elektrik tesislerinde harmonik sorunlar, hem ekipmanların ömrünü kısaltmakta hem de işletme maliyetlerini artırmaktadır. Doğru ölçüm, analiz ve uygun filtreleme çözümleri ile bu sorunlar minimize edilebilir. Proje aşamasında harmonik simülasyonları yapmak, işletme aşamasında ise düzenli ölçümlerle sistemin sağlıklı çalışmasını sağlamak kritik öneme sahiptir. Aktif ve pasif harmonik filtrelerin doğru seçimi ve uygulanması, güç kalitesinin sürdürülebilirliği açısından gereklidir.
Kompanzasyon ile ilgili ilginizi çekebilecek diğer yazılarımız:
1. Harmonikli ortamlarda kompanzasyon tasarımı
2. Reaktif güç nedir ve neden önemlidir?
3. Tesislerde harmonikler nedeniyle oluşan arızalar
