Yazar: Faruk BAŞAR – WÖMNER Güç Kalitesi Müdürü

Önsöz

Teknik yazımızda, Türkiye’deki sanayi tesisleri ve ticari binaların enerji altyapılarında gizli birer problem kaynağı olan elektriksel harmoniklerin doğasını, yalnızca teorik formüllerle değil; faz açılarının pratik sonuçları, motorlar üzerindeki dinamik etkileri ve nötr hatlarında yaşanan aşırı yüklenmelerin neden-sonuç ilişkileriyle ele almaktadır.

Amaç; şebeke frekansının katları olarak karşımıza çıkan bu elektriksel bozuklukların tesislere nasıl yansıdığını, pozitif, negatif ve sıfır faz sıralarının sahada ne tür kronik arızalara yol açtığını ve doğru bir şebeke analiziyle sistem toleranslarının nasıl güvenli ve sürdürülebilir hale getirilebileceğini net biçimde ortaya koymaktır.

Bu konuda daha fazla bilgi almak için yönetim kurulu üyemiz ve WÖMNER Güç Kalitesi Müdürü Faruk Başar‘ın “Harmonikli Ortamlarda Kompanzasyon Tasarımı” başlıklı youtube canlı yayınını izleyebilirsiniz.

Elektriksel Harmonikleri Anlamak

Harmonikler, elektrik güç sistemlerindeki dalga formunu bozan ve sistemde istenmeyen frekans bileşenlerini oluşturan elektriksel bozukluklardır. Genellikle doğrusal olmayan yüklerin (örneğin, değişken hızlı motorlar, güç elektroniği tabanlı cihazlar) sistemdeki etkisiyle ortaya çıkarlar.

Elektriksel harmoniklerin etkileri oldukça çeşitlidir ve şunları içerebilir:

1. Gerilim Bozulmaları: Yüksek harmonik içeriği, gerilim dalga formunu bozar ve sinüsoidal dalga formunda anomalilere neden olabilir. Bu da sistemdeki ekipmanların düzgün çalışmasını etkileyebilir.

2. Isıtma Etkileri: Harmonik akımlar, sistemdeki transformatörler, kablolar ve diğer cihazlar gibi ekipmanlarda artan ısı üretimine neden olabilir. Bu durum, ekipmanın ömrünü kısaltabilir veya hatta arızalara yol açabilir.

3. Rezonans Oluşumu: Belirli harmonik frekansları, sistemde rezonans noktalarına neden olabilir. Bu, sistemdeki gerilim ve akım dalgalarını artırabilir ve ekipmanlarda aşırı gerilim ve akımlara neden olabilir.

4. Elektromanyetik Girişim: Harmonikler, diğer elektriksel ekipmanlara elektromanyetik girişim yoluyla yayılabilir ve bu da bu ekipmanların doğru şekilde çalışmasını etkileyebilir. Genellikle EMC grubunda ayrı bir başlık olarak değerlendirilir.

5. Kapasitör ve Reaktif Güç Sorunları: Harmonikler, kapasitör bankalarında ve reaktif güç kompanzasyon ekipmanlarında arıza veya hatalı çalışma problemlerine neden olabilir. Bu, güç faktörü düzeltilmesini zorlaştırabilir ve enerji verimliliğini azaltabilir.

Elektriksel harmoniklerin bu etkileri, güç sistemlerindeki istikrarı ve güvenilirliği olumsuz yönde etkileyebilir. Türkiye’de ve dünyanın büyük bir kısmında şebeke frekansı temel olarak 50Hz, ABD, Kanada ve Meksika gibi bazı ülkelerde ise 60 Hz kullanılmaktadır.

Harmonikler ise basitçe “temel frekansınızın çoklu katsayısıdır”

Temel şebeke frekansımız 50Hz için “x” diyelim.
İkinci Derece Harmonik (2x) = 100 Hz
Üçüncü Derece Harmonik (3x) = 150 Hz
Beşinci Derece Harmonik (5x) = 250 Hz
Yedinci Derece Harmonik (7x) = 350 Hz

3 fazlı alternatif akım sisteminde gücümüz birbirinden 120 derece açı ile ayrılmış olan RST veya L1-L2-L3 fazlarından gelmektedir. (Aşağıdaki tabloda RST olarak gösterilmektedir)

Harmoniklerin Faz Açıları
Temel Frekans - 50Hz	R 0°	S 120°	T 240°	Faz Sırası L1-L2-L3
3. harmonik - 150Hz	R' 3x0° (0°)	S' 3x120° (360° = 0°)	T' 3x240° (720° = 0°)	Faz Sırası Yok
5. harmonik - 250Hz	R'' 5x0° (0°)	S'' 5x120° (-120°)	T'' 5x240° (-240°)	Faz Sırası L3-L2-L1
7. harmonik - 350Hz	R''' 7x0° (0°)	S''' 7x120° (120°)	T''' 7x240° (240°)	Faz Sırası L1-L2-L3
9. harmonik - 450Hz	R'''' 9x0° (0°)	S'''' 9x120° (0°)	T'''' 9x240° (0°)	Faz Sırası Yok

Bu faz sırasının belirtildiği şekilde geçekleşmesi çok önemlidir ve yapmak istediğimiz işin hareket yönünü belirler. Fazlar R-S-T faz sırası ile yani 0-120-240 derece açılarla bağladığı zaman motor manyetik alanı istediğimiz doğrultuda oluşur ve motorda hareket başlar. Bu pozitif faz sırasıdır.

Şimdi harmoniklerin birçok endüstriyel veya ticari işletmeler için problem kaynağı olmasının sonuçlarından bir tanesini inceleyeceğiz.

Temel frekans ile aynı sıra ile “dönen” 7’nci gibi harmoniklere pozitif faz sırası denir.
Temel frekansa göre ters sırada “dönen” 5 gibi harmoniklere negatif faz sırası denir.
Ancak, birbirleriyle aynı fazda oldukları için hiç “dönmeyen” üçüncü harmonikler sıfır faz sırası olarak adlandırılır.

Pratikte olan şey, 3 ve 3’ün katı harmoniklerin matematiksel olarak toplanırken pozitif ve negatif faz sırasına sahip harmonikler kısmen birbirini telafi etmeye yardımcı olur. Sıfır faz sıralı harmonik akımlar, yalnızca doğrusal olmayan yükler için, üç fazlı + nötr bir dağıtım sisteminde faz-nötr bağlandığında meydana gelmektedir. Pozitif ve negatif faz sıralı harmonikler ise doğrusal yüklerin olmadığı her 3 fazlı sistemde mevcuttur.

Harmoniklerin varlığı, fabrikaların veya ticari işletmelerin düzgün çalışamayacağı anlamına gelmez. Diğer güç kalitesi olayları gibi, güç dağıtım sisteminin toplam karakterine ve ekipmanların tolerans seviyesine bağlıdır. Tolerans seviyesi iyi bir tesis, yüksek harmoniklerin kaynağı olsa bile düzgün çalışabilir. Ancak harmonik bileşen ortak elektrik dağıtım sistemi üzerinden komşu tesislerde daha duyarlı olanları etkileyebilir. Bu noktada işletmelerin şebeke analizi yaptırması ve bunun detaylı incelenmesi önerilmektedir.