Fırat Üniversitesi Müh. Fak. Elektrik

FIRAT ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ELEKTRİK TESİSLERİ LABORATUVARI
DENEY FÖYLERİ
ELEKTRİK TESİSLERİ ANABİLİM DALI
ELAZIĞ – 2013
I
GĠRĠġ
4. sınıfın bahar yarıyılında yapılan Elektrik Tesisleri Laboratuvar Deneyleri, temel
olarak Elektrik Güç Sistemlerine ilişkin konuları kapsayacak şekilde hazırlanmıştır. Bu
laboratuvar çalışmasının amacı, öğrencilerin derslerde gördükleri elektrik enerjisinin
üretimi, dağıtımı ve tüketimine ilişkin bir kısım önemli konuları deneyler yardımıyla
pekiştirmek ve pratikte karşılaşılan diğer bir kısım konuları da uygulama yoluyla
öğrenmektir.
Öğrencilerin; laboratuvara gelmeden önce sadece deney föylerini değil, aynı zamanda
deney konusu ile ilgili ders notlarını da gözden geçirerek deneylere hazırlıklı gelmesi,
pratik çalışmaların verimini artıracaktır.
Laboratuvar çalışmalarının yararlı ve başarılı geçmesini dileriz.
Elektrik Tesisleri Anabilim Dalı
LABORATUVAR DENEY NO. VE ĠSĠMLERĠ:
DENEY-1: Transformatörlerde Aşırı Akım Koruma
DENEY-2: Reaktif Güç Kompanzasyonu
DENEY-3: Ölçü Transformatörleri
DENEY-4: Güneş Enerjisinden Elektrik Enerjisi Elde Edilmesi
DENEY-5: Elektrik Kumanda Devreleri ve PLC İle Programlama
DENEY-6: Şebeke İle Paralel Çalışan Senkron Generatör
DENEY-7: Asenkron Motorlara Yol Verme ve Hız Ayarı Yöntemleri
DENEY-8: Yüksek Gerilim İzolatörlerinde Yüzey Kaçak Akımlarının Ölçülmesi
II
LABORATUVARIN ĠġLEYĠġĠ ĠLE ĠLGĠLĠ KURALLAR:
1- Deneylerin %80‟ine devam zorunluluğu vardır.
2- Öğrenciler deneylerin başlama saatinde laboratuvarda bulunmalıdır. Geçerli bir
mazeret nedeniyle geç kalan öğrenciler, deneylere katılabilmek için laboratuvar
sorumlusu öğretim üyesinden izin almak zorundadır.
3- Her bir deney için, grup adına bir öğrenci tarafından hazırlanmış tek bir rapor
istenecektir. Raporlar, gruptaki öğrenciler tarafından sırayla hazırlanacaktır. Rapor
notu, gruptaki tüm öğrencilerin deney notu olacaktır. Raporları tamamen veya kısmen
aynı olan grupların raporları, değerlendirme dışı bırakılacaktır. Kötü (%40 ve daha
düşük notla değerlendirilen) rapor hazırlayan öğrenciler, özellikle uyarılacaklardır.
4- Raporlar el yazısı ile hazırlanacaktır. Bilgisayardan, sadece tablo ve grafikler için
yararlanılacaktır.
5- Raporlar, deneyin yapılış tarihinden itibaren en geç 1 hafta sonra laboratuvar
teknisyenine
teslim
edilecektir.
Zamanında
teslim
edilmeyen
raporlar
değerlendirilmeye alınmayacaktır.
6- Laboratuvar
sorumlusunun
haberi
olmaksızın,
herhangi
nedenle
deney
ertelenmeyecektir.
7- Tüm deneylerin tamamlanmasından sonraki hafta, telafi haftasıdır.
8- Ara sınav haftasında deneyler yapılmayarak deneyler 1 hafta ileri kaydırılacaktır.
9- Ara sınav notu, her bir deneydeki hazırlık sorularının %35‟i, öğrencinin deney
süresince katılımı ve performansının %35‟i ve deney raporunun %30‟u olacak şekilde
belirlenecektir.
10- Genel ve bütünleme sınavları deneylerle ilgili konulardan teorik olarak yapılacaktır.
UYARILAR:
1- Deney sorumlusunun izni olmadan kesinlikle deneye setine enerji vermeyiniz!
2- Yüksek gerilim ve akım seviyelerinde deney yaptığınızı unutmayınız ve herhangi bir
açık uçlu kabloya dokunmayınız!
3- Laboratuvara yiyecek ve içecek maddeleri ile birlikte girmeyiniz!
4- Hesap makinalarınızı yanınızda bulundurunuz!
III
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:1
TRANSFORMATÖRLERDE AġIRI AKIM KORUMA
1. DENEYĠN AMACI
Bu deneyin amacı; şebekede kısa devre veya aşırı yüklenme sonucu oluşan aşırı akımların güç
transformatörleri üzerindeki etkilerini, bunlara karşı alınacak önlemleri, rölelerle gerçekleştirilen koruma
devrelerini, bu rölelerin bağlantılarını, özelliklerini ve ayarlarını incelemek ve öğrenmektir.
2. TEORĠ
Transformatörün beslediği devrede yalıtım malzemelerinin sıcaklık, aşırı gerilim, dış etkiler, yaşlanma
vb. nedenlerle özelliğini kaybetmesi sonucu faz iletkenlerinin birbirleriyle ya da toprakla temas etmesi durumuna
kısa devre (k.d.) denir. Bu durumda devreden, anma akımına oranla büyük değerli k.d. akımı akar.
Transformatörü aşırı yükleyen, yani sargılarından aĢırı akım çekilmesine neden olan diğer bir etki de,
anma yükünün üzerinde bir yükü (aşırı yük) besleme zorunda kalmasıdır. Aşırı yüklenme, transformatörün
termik etki sonucu yanmasına neden olan bir aşırı akım oluşturur. Genel olarak 20 0C çevre sıcaklığında anma
işletme akımının %20 fazlası (1,2.In) Maksimum İşletme Akımı olarak kabul edilir. Bu değerin üstündeki
akımların geçmesi, Aşırı Yüklenme durumudur. Çevre sıcaklığının artması durumunda Aşırı Yüklenebilme
değeri azalır, sıcaklığın düşmesi durumunda ise Aşırı Yüklenebilme değeri artar. Bu özelliğe bağlı olarak, güç
transformatörlerinin soğutulması yoluyla daha fazla güçte çalıştırılması mümkün olur.
Güç transformatörlerinden aşırı akımlar çekilmesine neden olan k.d. arızası, iç ve dış arıza olmak üzere iki
şekilde meydana gelebilir. İzolasyon; pamuk, ipek, kağıt ve izolasyon yağı gibi maddelerle sağlandığından,
zamanla aşırı akım ya da aşırı gerilim etkilerinden dolayı bu maddelerde izolasyon seviyesi düşer. Bu durumda
sarımlar, sargılar veya sargı-tank arasında izolasyon seviyesi düşük zayıf noktalar oluşur. Bu zayıf noktalar aşırı
akım veya aşırı gerilim gibi bir zorlanma sonucu, hatta normal işletme koşullarında dahi iç arızaların oluşmasına
sebep olabilir.
1.
2.
İç arızalar
a. Sarımlar arası kısa devre
b. Sargılar arası kısa devre
c. Sargı ile tank arasında kısa devre
Dış arızalar
a. Fazlar arası kısa devre
b. Faz-toprak kısa devresi
c. Aşırı yüklenme
Güç transformatörünün beslediği devrede (bara ve fiderlerde) oluşan dış arızaların nedenleri ise şu şekilde
özetlenebilir:
- Aşırı gerilim sonucu izolatör üzerinde ark oluşması
- Buşing veya izolatörlerin kırılması ya da çatlaması
- İletkenlerin rüzgarda sallanması veya kar, buz yükü nedeniyle birbirine yaklaşması
- İletken kopması, direk yıkılması, bir ağacın enerji iletim hattına yaklaşması
- Güç transformatöründen beslenen müşterilerin aşırı yük çekmeleri
Güç transformatörünün primer ve sekonder sargılarını aşırı akımlara karşı korumak amacıyla
Transformatör Giriş Aşırı Akım Koruma ve Transformatör Çıkış Aşırı Akım Koruma tedbirleri uygulanır. Bu
amaçla kullanılan koruma rölelerinin çalışma akımları, transformatörün anma akımına bağlı olarak seçilir ve
genellikle anma akımının %20 fazlası esas alınır. Zaman ayarı ise, transformatörün kısa devreye dayanma
süresine bağlı olarak belirlenir.
Transformatör GiriĢ AĢırı Akım Koruması, primer sargıyı aşırı yüklenmeye karşı korumak amacıyla
yapılır. Ayrıca fider koruma, transformatör çıkış aşırı akım koruma ve transformatör öz koruma tertiplerinin de
artçısı olarak görev yapar.
Transformatör ÇıkıĢ AĢırı Akım Koruması ise, güç transformatörünün sekonder sargısını aşırı
yüklenmeye karşı korumak amacıyla yapılır. Ayrıca fider koruma tertiplerinin de artçısı durumundadır.
1
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 1
Transformatörün primer tarafında bulunan giriş aşırı akım korumasına ilişkin aşırı akım röleleri, primer
tarafta bulunan akım transformatörleri üzerinden beslenirler ve bunların çalışma zamanı, çıkış aşırı akım
rölelerinden daha büyük seçilir.
2.1. Rölelerle Ġlgili Temel Tanımlar
Çalışma Akımı
: Aşırı akım rölesinin ayarlandığı akımdır (Iç). Röle bu akımda çalışmaya başlar.
Kuplaj akımı da denir.
Çalışma Zamanı
: Bir aşırı akım rölesinin, çalışma akımının üzerinde bir akımla beslendiği anda,
kontağın kapattığı ana kadar geçen süre olarak tanımlanır ve tç ile belirtilir.
Güç
: Bir aşırı akım rölesinin beslendiği akım transformatörünün sekonderinden çektiği
güç değeridir. VA ile belirtilir.
Kısa Süreli Dayanma Akımı : Aşırı akım rölesinin bir saniye süre ile taşıyabileceği maksimum akım değeridir.
Dinamik Dayanma Akımı : Aşırı akım rölesinin bir periyot süre ile taşıyabileceği maksimum akım değeridir.
Sürekli Dayanma Akımı
: Aşırı akım rölesinin sürekli olarak taşıyabileceği maksimum akım değeridir.
Örnek: 3CM tipi aşırı akım rölesinde; kısa süreli dayanma akımı, minimum ayar değerinin 100 katı, dinamik
dayanma akımı, minimum ayar değerinin 500 katı ve sürekli dayanma akımı, ayar akımının 2 katıdır.
2.2. AĢırı Akım Rölelerinin ÇalıĢma Karakteristiklerine Göre Sınıflandırılması
Aşırı akım röleleri, uygulamada karşılaşılan her türlü ihtiyaca cevap verebilecek karakteristiklerde imal
edilmişlerdir. Bu karakteristiklerden, koruma amacına uygun olan röle seçilir ve kullanılır:
a) Ani çalışmalı aşırı akım röle karakteristiği
b) Sabit zamanlı aşırı akım röle karakteristiği
c) Ters zamanlı aşırı akım röle karakteristiği
d) Belli minimumlu ters zamanlı aşırı akım röle karakteristiği
e) Ani elemanlı ters zamanlı aşırı akım röle karakteristiği
f) Ani elemanlı sabit zamanlı aşırı akım röle karakteristiği
g) Çok ters zamanlı aşırı akım röle karakteristiği
h) Aşırı ters zamanlı aşırı akım röle karakteristiği
Aşırı akım rölelerinin çalışma karakteristikleri (Akım-Zaman eğrileri), t = f(I) ile verilir. Bu fonksiyon
K
genel olarak, t
şeklindedir (K, bir katsayı). Burada n‟in çeşitli değerlerine göre, değişik eğimlere
I / Iç n
sahip karakteristikler elde edilir:
n=0 için
n=1 için
t = K = sabit
K
t
I / Iç
n=2 için
t
K
I / Iç
2
(b tipi röle karakteristiği)
(c tipi röle karakteristiği)
(d tipi röle karakteristiği)
.
.
.
Sabit veya Ters Zamanlı Röle Kullanılmasının ġartları:
Sabit zamanlı röle çoğunlukla yalıtılmış sistemlerde kullanılır. Rölenin bağlı olduğu noktadan önceki
reaktans (kaynak reaktansı) Xs ve o noktadan sonraki reaktans (şebeke reaktansı) da X şe olsun. Genel olarak
rölenin bağlı olduğu sistemin üretim kapasitesi küçükse (Xs >> Xşe ) ve üretim fazla değişmiyorsa, arıza akımı
arıza yerine göre değişmiyor demektir. Yani I 'k' ‟nün sabit olması söz konusudur ve bu durumda sabit zamanlı
röle kullanılır.
Arıza akımının, üretim kapasitesi ile ve arıza yeri ile fazla değiştiği hallerde ters veya çok ters zamanlı
röle kullanmak daha uygun olur. Nötrü doğrudan topraklı sistemlerde (Xs /Xşe ) < 2 durumu, kriter olarak
alınabilir.
2
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 1
2.3. AĢırı Akım ve Toprak Rölelerinin Kullanılma Yerleri
Aşırı akım ve toprak rölelerinin yapıları ve çalışma özellikleri aynıdır. Ancak akım tepleri (akım ayar
değerleri) farklıdır. Mesela aşırı akım rölelerinin akım tepleri; (3-12) A, toprak rölelerinin ise (0,8-2) A arasında
değişir. Bu rölelerin nerelerde ve kaç adet kullanılacağı, korunacak donanımın bağlı olduğu şebekede oluşacak
fazlar arası ve faz-toprak arızalarında, arıza akımlarının dağılış biçimine göre belirlenir.
Şekil 1 ‟i ele alalım. Bu şebekenin 1, 2, 3, 4, 5, 6 noktalarına konulacak koruma sistemlerinde toprak
rölesi gerekmez. Çünkü şebekenin U2 gerilimli bölümü, üçgen bağlantı nedeniyle topraktan tamamen
yalıtılmıştır ve bu bölümde oluşacak faz-toprak arızalarında toprak akımı akmaz.
ġekil 1. Güç sistemlerinde aşırı akım ve toprak rölesi kullanımı (Örnek 1)
Şekil 2 ‟de transformatörün primer tarafında sıfır bileşen akımı akmayacağı için toprak rölesine gerek
yoktur. Transformatörün kaynak tarafı üçgen olduğundan en az iki faza röle konulmalıdır. Üç aşırı akım rölesi
kullanılması korumanın güvenilirliğini arttırır. Arıza sırasında akım transformatörlerinin sekonder akımları
birbirine zıt yönde olduğundan, akım transformatörlerinin nötründen geçen akım sıfır olur ve bu noktaya
konulacak toprak rölesi çalışmaz. Transformatörün sekonder sargısı doğrudan topraklı olduğundan, bu kısımda
meydana gelecek faz-toprak kısa devresinde In = 3.Io toprak akımı akar. Minimum olarak (iki aşırı akım +
toprak) düzeni gerektirir.
ġekil 2. Güç sistemlerinde aşırı akım ve toprak rölesi kullanımı (Örnek 2)
Şekil 3 ‟de kaynak (hat başı) transformatörü ile hat sonu transformatörü arasındaki bölgede bir faz-toprak
arızası meydana geldiğinde, toprak akımı her iki transformatörün yıldız sargısından da geçecektir. Hat sonu
transformatörünün sekonder sargısı üçgen olduğundan sıfır bileşen akımları bu bölüme intikal etmez. Yani
üçgen tarafta toprak rölesi gereksizdir. Şekilde sembol içerisindeki I, aşırı akım ve I0, toprak rölesini
göstermektedir. Röle sayıları da sembollerin altında yazılmıştır.
3
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 1
ġekil 3. Güç sistemlerinde aşırı akım ve toprak rölesi kullanımı (Örnek 3)
İki aşırı akım ve bir toprak rölesi kullanılması durumunda dikkat edilmesi gereken; orta fazda koruma
olmamasına rağmen, bu faza akım transformatörü konulması ve bunun çıkışının diğer fazların çıkışı ile
yıldızlanmasıdır.
Şekil 4 ‟de, iki transformatör arasındaki hattın F noktasında meydana gelecek bir faz-toprak arasında 3.Io
akımı, hat sonu transformatörü üzerinden devresini tamamlayacaktır. Ancak hat başı transformatörünün önüne
(üçgen tarafına), buradaki sargı üçgen olmasına rağmen daha güvenilir bir koruma sağlamak için iki yerine üç
adet aşırı akım rölesi konulmuştur. Çünkü arızalı olmayan fazlardan I o akımı akarken, arızalı fazlardan 2.Io
akımı akacak ve arızalı olmayan fazlarda Io akımı röleyi çalıştırmaya kafi gelmese bile, arızalı fazlardan akan
2.Io akımı, bu fazdaki röleyi çalıştıracaktır. Burada toprak rölesinin kullanılmasının hiçbir faydası olmaz. Çünkü
gerek arızada, gerekse normal işletmede üç faz akımının toplamı sıfır olacaktır.
ġekil 4. Güç sistemlerinde aşırı akım ve toprak rölesi kullanımı (Örnek 4)
Primeri doğrudan topraklı hat sonu transformatörlerinin sekonder sargıları üçgen ise X o değeri küçük
olduğundan, hattaki arızalarda, hat sonu transformatörleri de devreden çıkmaktadır. Bu transformatör
olduğu takdirde Xo büyümekte ve geçen arıza akımı küçüleceği için çalışmaya devam edebilmektedir.
2.4. Doğru Akım Kumanda Sistemleri
D.a. sistemleri, santral ve transformatör merkezlerinin en önemli yardımcı sistemlerinden biridir.
Genellikle koruma rölelerini çalıştırma ve kesici açma bobinlerine açma kumandası gönderme görevini yaparlar.
Ayrıca merkezlerde, acil durumlarda (a.a. kesilmesinde) aydınlatmayı da sağlarlar.
Rölelerin kesicileri açtırmaları, sekonder devrede bulunan kesici açma bobinlerin enerjilendirmeleri ile
olur. Bu enerjilendirme işlemi dört şekilde yapılabilir:
a) Sekonder Devreden Geçen Arıza Akımının, Kesicinin Açma Bobininden Geçirilmesi (Seri Açtırma)
Şekil 5‟de görüldüğü gibi; röle, kesici açma bobinin kısa devre eden kontağını arıza anında açarak, arıza
akımının kesici açma bobininden geçmesini sağlar.
Bu sistemin olumlu yanı, başka bir yardımcı ünite (a.a. veya d.a.) gerektirmemesidir. Olumsuz yanı ise,
arıza akımının yeterli düzeyde olmaması halinde (bazı toprak arızaları), kesicinin açma bobinini
çalıştırmamasıdır. Bu tür kumanda sistemi küçük dağıtım merkezlerinden kullanılabilir. 3,3 ve 6 KV‟luk
sistemlerde 150 MVA, 15 KV‟luk sistemlerde ise 250 MVA arıza düzeyine kadar bu açtırma şekli uygulanabilir.
Arıza akımlarının röle kontaklarını tahrip etmemesi için ayrıca seri şok bobinleri kullanılır.
4
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 1
ġekil 5. Sekonder akım ile kesici açma bobinini enerjilendirme (Seri açtırma)
b) A.a. Besleme Kullanarak Açma Bobinini Enerjilendirme
Şekil 6 ‟da görüldüğü gibi rölelerin çalışması halinde, röle kontakları kapanır ve yardımcı a.a. kaynağı
aracılığı ile kesicinin açma bobini enerjilenir.
c) D.A. Besleme Kullanarak Açma Bobinini Enerjilendirme
Bu sistemde de Şekil 6‟daki bağlantı kullanılır. D.a., akü grupları ile elde edilir. Aküler, yeterli güçte
gerilim transformatörleri veya servis transformatörleri üzerinden beslenen redresörlerle şarjlı tutulur. Bu
sistemde, korunan devrede oluşan arızalar aküleri etkilemeyeceğinden, arızaların yeri ve düzeyi önemli
olmamakta ve her türlü arıza güvenlikle giderilebilmektedir. Ancak doğru akım sistemlerinde akülerin bakımı
çok önemlidir. Bakımsız kalan aküler, arıza anında rölelerin çalışmasına rağmen kesicileri açtıramayacağı için
büyük tahribata neden olabilir.
D.a. gerilim seviyesi ve akü grubunun kapasitesi, istasyon büyüklüğüne ve kullanılan donanımın d.a.
tüketimine göre seçilir. 24-48-60-110-220 V d.a. kademeleri yaygındır.
ġekil 6. Yardımcı bir a.a. kaynağı ile kesici açma bobinini enerjilendirme
d) Kondansatör ġarj Düzeni
Küçük tesislerde kullanılır. D.A. beslemeli açtırma gibidir. Burada kaynak olarak kondansatör kullanılır.
Şekil 7‟de görüldüğü gibi, giriş tarafından beslenen gerilim transformatörü bir kondansatörü yükler. Bu besleme
bir redresör tarafından sağlanır.
5
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 1
ġekil 7. Kondansatör yardımıyla kesici açma bobinini enerjilendirme
3. DENEYĠN YAPILIġI
3.1.Deneyde Kullanılan Elemanlar
Kesici
Akım Transformatörü
Reosta
Aşırı Akım Rölesi
Toprak Rölesi
Tekrar Kapama Rölesi
D.a. Güç Kaynağı
Ampermetre
Voltmetre
Aktif ve Reaktif Enerji Sayaçları
3.2.Deneyin YapılıĢı
Şekil 8 ‟de verilen bağlantıya uygun olarak hazırlanan deney sisteminde;
1- Kesici kapalı iken, 220 V ‟luk besleme yardımı ile yük üzerinden akım geçirilir. Yük akımına bağlı
olarak akım transformatörünün sekonderinden geçen akım, röle üzerinde ayarlanan referans değerden büyük
olursa; güç kaynağı kesicinin açma bobinini enerjilendirir ve kesici kontakları açılır.
2- Kesicinin açılmasını müteakip, ayarlanan süre sonunda Tekrar Kapama Rölesi kesicinin kapama bobinini
enerjilendirir ve otomatik olarak kesici kontaklarının kapanmasını sağlar.
3- Arıza devam ediyorsa, koruma rölesi kesiciyi tekrar açtırır. Eğer geçici arıza söz konusu ise, Tekrar
Kapama Rölesinin kesiciyi kapatmasından sonra koruma röleleri kesiciyi açtırmaz ve yükün beslenmesi devam
eder.
4- Röleler üzerindeki ayarlar değiştirilerek, yukarıdaki işlemlerin oluşumu tekrar izlenir.
5-
4. RAPORDA ĠSTENENLER
1- Ampermetreler ile sayaçların açık bağlantı şemalarını çiziniz.
2- Koruma rölelerinin ayarları ile röle karakteristikleri hakkında bilgi veriniz.
3- Rölelerin zaman ayarları nasıl yapılır? Bir örnek üzerinde açıklayınız.
6
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 1
ġekil 8. Aşırı akım koruma deneyinin bağlantı şeması
7
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:2
REAKTĠF GÜÇ KOMPANZASYONU
1. DENEYĠN AMACI
Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerin elektrik enerjisine olan ihtiyaçları gün geçtikçe artmaktadır. Aynı
şekilde Türkiye „deki enerji talebinin de artışı söz konusudur. Bu talebe cevap verebilmek için mevcut enerji
üretiminin devamlı olarak artması gerekir. Buradan üretimin artırılmasına yönelik bazı tedbirlerin alınması
gerektiği sonucuna varılabilir. Bu tedbirler; yaz saati uygulaması ve enerji ihtiyacının büyük olduğu puvant
saatlerde, enerji sarfiyatını sınırlamak için yüksek ücretli tarifeler uygulamaktır (Akıllı sayaçlar ile bu
uygulamaya geçilmiştir). Diğer bir yöntem ise güç katsayısının düzeltilmesidir.
Bu deneyin amacı, güç katsayısının düzeltilmesi işlemini genel hatları ile incelemektir.
2. TEORĠ
2.1. Reaktif Güç ve Güç Katsayısı
Normalde tüketiciler, şebekeden sadece I gibi bir zahiri akım çekerler. Fakat hem fiziksel hem de
matematiksel kolaylık sağlamak için tüketicilerin çektikleri alternatif akımın, teorik olarak biri aktif diğeri
reaktif iki bileşenden oluştuğu kabul edilir. Aktif akımın meydana getirdiği aktif güç, tüketici tarafından faydalı
hale getirilir. Aktif güç, motorlarda mekanik güce, ısıtıcılarda termik güce ve aydınlatma cihazlarında
aydınlatma gücüne dönüşür. Reaktif akımın meydana getirdiği reaktif güç ise faydalı güce çevrilemez. Reaktif
güç yalnız alternatif akıma bağlı bir özellik olup, elektrik tesislerinde istenmeyen etkiler oluşturur. Generatörleri,
transformatörleri, hatları, bobinleri meşgul eder ve gereksiz yere yükler. Ayrıca bunların üzerinde ilave ısı
kayıplarına ve gerilim düşümlerine yol açar. Aktif güç enerjisi normal sayaçlarda tespit edildiği halde, reaktif
enerji aktif sayaç ile kontrol edilemez. Reaktif enerjiyi ölçmek için reaktif güç sayacına ihtiyaç vardır. Her ne
kadar reaktif güç faydalı güce çevrilemez ise de bundan tamamen vazgeçilemez. Elektrodinamik prensibe göre
çalışan generatör, transformatör, bobin ve motor gibi bütün işletme araçlarının normal çalışmaları için gerekli
olan manyetik alan reaktif akım tarafından meydana getirilir. Onun için faydalı aktif gücün yanı sıra reaktif güce
de ihtiyaç vardır. Şebekeden çekilen akım ile gerilim arasındaki açının kosinüsüne güç faktörü denir ve
ile
gösterilir.
Bir tüketicinin şebekeden çektiği görünür güç
S
P
jQ 3U f .I
3U h .I
(1)
dır. Burada Uf faz-nötr gerilimi, Uh hat gerilimi (fazlar arası gerilim) ve I hat akımıdır. Hat akımı
I
Ip
jI q
I . cos
jI. sin
(2)
şeklinde yazılır. Ip aktif akım Iq reaktif akımdır. Buradan aktif güç ifadesi
P
S. cos
3U f .I cos
P
3U f .I p cos
3U h .I . cos
(3)
3U h .I p . cos
(4)
1 ve 2 nolu denklemden reaktif güç yazılacak olursa
Q
S. sin
3U f .I q cos
3U h .I q . sin
(5)
olur. Kompleks ifadelerde olduğu gibi bu denklemlerde de şu bağıntılar vardır.
I
I p2
I q2
(6)
8
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 2
S
P 2 Q2
(7)
ġekil 1. Güç üçgeni
2.2. Reaktif Güç Tüketicileri
Reaktif güç tüketimi bakımından tüketicileri iki gruba ayırmak mümkündür. Bunlardan birincisi, sadece
ısı enerjisi üreten tüketiciler ile akkor flamanlı lambalar, elektroliz ve galvanoplasti tesisleridir. Bunlar sadece
aktif güç çekerler, reaktif güç tüketimi yoktur. İkinci gruba ise elektrik tesislerinde kullanılan manyetik veya
statik alan ile çalışan bütün işletme araçları girerler. Bunlar aktif güçle beraber reaktif güç de çekerler. Mesela;
düşük uyartımlı senkron motorlar, transformatörler, bobinler, havai hatlar, asenkron motorlar, redresörler,
endüksiyon ve ark fırınları, kaynak makineleri vb. Bir seri RL yüküne ait akım, gerilim ve güçlerin değişimleri
Şekil 2 ‟de verilmiştir.
ġekil 2. Bir seri RL devresine ait akım, gerilim ve güç değişimleri
2.3. Reaktif Güç Üretimi ve Kompanzasyon
Reaktif güç ihtiyacını karşılamak için reaktif gücün bir yerde üretilmesi gerekir. Bunu için en eski ve en
klasik yol aktif güç gibi reaktif gücün de senkron generatör tarafından üretilmesidir. Reaktif güç üretimi aktif
güç gibi santrallerde su kuvveti, akaryakıt, kömür vb. ham madde kullanımını gerektirmez, sadece generatör
uyartımı artırılarak reaktif güç üretimi sağlanır. Dolayısıyla bu şekilde üretilen reaktif gücün tüm enerji sistemini
meşgul etmesi söz konusu olur.
Tüketicilerin normal olarak şebekeden çektikleri endüktif gücün, kapasitif yük çekmek sureti ile özel bir
reaktif güç üreticisi tarafından dengelenmesine kompanzasyon denir. Böylece tüketicinin şebekeden çektiği
reaktif güç çok azalır.
Reaktif güç üretimi için iki işletme aracından yararlanılır: dinamik faz kaydırıcılar ve kondansatörler.
9
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 2
2.3.1. Dinamik Faz Kaydırıcı
Reaktif güç üretiminde kullanılan dinamik faz kaydırıcıların başında aşırı uyartılmış senkron makinalar
gelir. Genel olarak santrallerden gelen enerji nakil hatlarının sonunda ve tüketim merkezlerinin başında şebekeye
paralel bir senkron makina bağlanır ve bölgenin reaktif güç ihtiyacını bu makina karşılar. Şebekeye bağlanan
senkron makine, şebekeden boşta çalışma kayıplarını karşılayacak kadar az bir aktif güç çeker ve böylece
şebekeye istenen reaktif gücü vererek bir reaktif güç generatörü olarak çalışır. Senkron faz kaydırıcıların
kayıpları kondansatörlere göre daha yüksek olduğu gibi devamlı bakıma ihtiyaçları da vardır. Güçleri büyük
olduğu takdirde ekonomik olarak inşası ve temini mümkün olur. Dinamik faz kaydırıcılar bugün ancak özel
hallerde ve ekonomik şartların elvermesi durumunda kullanılırlar.
2.3.2. Statik Faz Kaydırıcı
Reaktif güç üretiminde statik faz kaydırıcıların yani kondansatörlerin üstünlükleri sayılamayacak kadar
çoktur. Kondansatörlerin kayıpları nominal güçlerinin % 0,5 ‟i kadardır, bakım masrafları yok denecek kadar
azdır. Ayrıca kondansatörlerle istenen her güçte reaktif güç üretimi yapılır. Bu işlem reaktif gücün tüketildiği
yerde yani yüke en yakın yerde yapıldığı için, orta ve alçak gerilim şebekeleri reaktif gücün yükünden
kurtarılmış olur. Bu nedenle kompanzasyon için en uygun araç kondansatörlerdir.
Kondansatörlerin hesabı
Kondansatörler alternatif akım şebekesinde bir reaktans gibi tesir ederler. Ohm cinsinden kapasitif
reaktans
xC
1
(8)
C
dir. Ohm kanununa göre U gerilimine bağlanan bir kondansatörün çektiği kapasitif akım
IC
U
xC
U . .C
(9)
dir. Bu akım U gerilimine göre 90° önde gider. O halde şebekeye bağlı bir kondansatörün şebekeden kapasitif bir
akım çekmesi, şebekeye endüktif akım vermesine eşdeğerdir. Kondansatörün gücü
Q
U 2 . .C
IC
.C
(10)
şeklinde elde edilir.
Üç fazlı alternatif akım tesislerinde kondansatörler şebekeye veya tüketici uçlarına üçgen ya da yıldız
olarak bağlanabilirler. Üçgen bağlamada her iki hat arasındaki kondansatörün kapasitesi C ile ve yıldız
bağlamada her faza bağlanan kondansatörün kapasitesi
QC
3U h2 . .C
3U h .I C
IC
.C
C
ile gösterilirse, üçgen bağlama için
VAR
(11)
yıldız bağlama için ise,
QC
U h2 . .C
3U h .I C
3I C
.C
(12)
yazılabilir. Yıldız ve üçgen durumu için QC gücünün eşit olduğu kabul edilirse kapasiteler arasında
C
3.C
(13)
eşitliği bulunur.
10
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 2
ġekil 3. Kompanzasyonda güç bileşenleri
C=P.(tan -tan ‟)/6. .Uc2
Yıldız veya üçgen bağlandıklarında kullanılacak kondansatör değerleri aşağıdaki gibi belirlenir:
Üçgen bağlamada;
Yıldız bağlamada;
C =P.(tan -tan ‟)/(6. .U2)
C =P.(tan -tan ‟)/ (2. .U2)
U=Uc=Fazlar arası gerilim
U=
Eğer kondansatörün işletme gerilimi küçükse yeteri sayıda kondansatör seri bağlanır. Seri bağlanacak
kondansatör sayısı;
Üçgen bağlamada;
Yıldız bağlamada;
n =U/Uc
n =U/Uc
Sayının virgüllü çıkması halinde tam kısmın bir üstü alınır.
2.4. Kompanzasyonun Yararları
2.4.1. ġebekedeki Yararları
Güç katsayısının düzeltilmesi ile şebekede hissedilir derecede rahatlama olur. Bunu da üç madde halinde
özetlemek mümkündür.
1) Şebekenin güç taşıma yeteneğinin artırılması
2) Şebekede ısı kaybının azalması
3) Gerilim düşümü azalması
2.4.2. Tüketicideki Yararları
Kompanzasyon yolu ile güç katsayısının düzeltilmesi halinde, reakif güç sarfiyatı için enerji dağıtım
şirketine verilecek ücret tüketicide kalacaktır. Bu da tüketici için çok önemlidir.
2.5. Kompanzasyon ÇeĢitleri
2.5.1. Münferit Kompanzasyon
Devamlı olarak işletmede bulunan oldukça büyük güçlü tüketicilerin reaktif güç ihtiyacını sağlamak için;
kondansatörlerin yükün ucuna paralel bağlanması ve müşterek bir anahtar üzerinden tüketici ile birlikte devreye
alınıp çıkartılmasıdır.
1. Asenkron motor
2. Transformatör
3. Deşarj lambaları
2.5.2. Grup Kompanzasyonu
Bir çok tüketicinin bulunduğu bir tesiste her tüketicinin ayrı ayrı kondansatörlerle donatılması yerine
bunların müşterek bir kompanzasyon tesisi tarafından beslenmesi daha ekonomik ve pratik sonuçlar verir. Bu
durumda kondansatörler özel anahtarlar üzerinden ve gerektiğinde kademeli olarak şebekeye bağlanırlar.
2.5.3. Merkezi Kompanzasyon
Grup kompanzasyonunun biraz daha genişletilmesi ile elde edilir. Merkezi kompanzasyonda tüketici
sayısı çok olduğundan ve bunların hepsinin sabit güçle sürekli olarak devrede bulunması söz konusu
olmadığından, değişen reaktif güç ihtiyacının karşılanması için kapasitelerin de uygun bir şekilde devreye alınıp
çıkartılması gerekir. Bu sayede hem düşük hem de aşırı kompanzasyondan kurtulmuş olunur. Bu şekilde yapılan
kompanzasyona merkezi kompanzasyon denir. Devreden kondansatör grubu çıkarmak gerektiğinde, devreye ilk
alınan kondansatör grubu önce çıkarılır. Kondansatör ani olarak boşalabileceğinden sigortalardan geçecek akım
kondansatörlerin nominal değerinden büyük olacaktır. Anma akımının 1.5 katından büyük akımlara izin
verebilecek sigortalar seçilmelidir.
2.6. Kompanzasyonla Ġlgili Kavramlar
Grup: Rölenin çıkışındaki her bir kontaktöre bağlı olan kondansatör gücüne grup denir. Tesisin reaktif güç
ihtiyacı bu grupların devreye alınıp çıkartılması ile kademeli olarak ayarlanır. Küçük kompanzasyon tesislerinde
11
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 2
genellikle 3 grup yeterlidir. Orta büyüklükteki tesislerde 5-6 grup ile hassas bir ayar yapılabilir. Büyük tesislerde
grup sayısı 10-12 ‟ye kadar çıkabilir.
Ayar dizisi: Grup güçlerinin oranına ayar dizisi denir. Dizide bir grubun gücü en çok kendinden önceki
grupların güçlerinin toplamından ilk grup kadar fazla olabilir.
C/k değeri: Bu büyüklük, reaktif güç rölesinin faaliyete geçme değerini ifade eder. Burada C kVAR cinsinden
1.grubun gücü ve k ise akım transformatörünün çevirme oranıdır. C/k büyüklüğü genellikle 0,01 ile 0,3 arasında
değişir.
2.7. Reaktif Güç Kontrol Röleleri
Reaktif güç röleleri; otomatik kompanzasyon tesisini denetleyen ve kullanıcının reaktif güç gereksinimini
ölçerek buna göre kondansatörleri devreye alan veya devreden çıkaran elemanlardır. Reaktif güç rölesi otomatik
kompanzasyon tesisinin beyni olarak düşünülebilir. Ölçüm yaparak veri toplar, bunları değerlendirir, ayar değeri
ile karşılaştırır ve kontaktörler aracılığı ile kondansatör gruplarını denetler.
Uygun röle seçiminde işletmenin endüktif yük karakteristiği önemlidir. Büyük güçlü endüktif yüklerin
bulunduğu işletmelerde az adımda yüksek güçlü kondansatör bataryaları ile kompanzasyon yapılabilir. Küçük
endüktif yüklerin devreye sık girip çıktığı işletmelerde ise küçük güçlü çok kademeli sistemler seçilir.
Reaktif güç röleleri:
- Ayrı bir akım transformatöründen beslenmelidir.
- Reaktif gücü sezebilmeleri için akım ve gerilim bilgilerine ihtiyaç duyarlar. Akım bilgisinin alındığı
transformatör oranı gereğinden büyük seçilirse, röleye gelen akım bilgisi rölenin sezebileceği değerin altında
kalabilir.
% potansiyometresiyle rölenin duyarsız olduğu aralık güç ekseninde kapasitif ve endüktif bölgelere
kaydırılabilir. Bu aralık 1. kademe kondansatör gücüyle belirlenir. % 0-100 skala değerleri arasında yapılan ayar
ile hesaplanan ortalama Cos değerine ulaşılır. Şekil 4 „de bu ayar örnekleri verilmiştir. Şekil 4-a „da; %0: Röle
endüktif ve kapasitif bölgelerde simetrik değerlerde devreye girip çıkar. Şekil 4-b-c „de ise; %50 ve %100:
Kademelerin devreye girip çıkması endüktif bölgelerde gerçekleşir.
(a)
(b)
ġekil 4. Reaktif güç rölesi çalışma bölgeleri
(c)
Röle; taralı bölge içinde kalan reaktif güç değişimlerine cevap vermez. Bu taralı bölgenin genişliği 1.3 c/k
kadardır. Röle 1. kademe gücünün 0.65 ‟ini aşan değerlerde etkinleşir. Bu nedenle iyi bir kompanzasyon için
uygun c/k değeri ve adımlama seçilmesi önemlidir.
Röle; gereğinden fazla kondansatör alıp aşırı kompanzasyon olduğu halde kondansatörleri devreden
çıkarmıyorsa, akım transformatörü yük ve kondansatör akımlarını sezecek biçimde bağlanmamıştır. Akım
transformatöründen bu akımların geçmesi gereklidir. Sistem yükü endüktif olmasına rağmen röle devreye
kondansatör almıyorsa akım transformatörü yanlış fazdadır. Devre endüktif olduğu halde röle kapasitif
gösteriyor (kap ışığı yanıyor) ise akım transformatörü bağlantısı ve gerilim bağlantısı uyuşmuyor demektir.
3.
DENEYĠN YAPILIġI
3.1. Deneyden Önce Ġstenenler
1- Seri bir RL devresinin fazör diyagramını çiziniz.
2- Seri RL yüküne paralel bir kapasite bağlanması durumu için; Şekil 2 ‟deki gibi akım, gerilim ve
güçlerin değişimlerini ve fazör diyagramını çiziniz.
3- (13) eşitliğiyle belirtilen durumun avantaj ve dezavantajları nelerdir?
4- 2.4.1 „deki 3 maddenin ispatını yapınız.
3.2. Deneyde Kullanılan Elemanlar
Kompanzasyon panosu
Direnç yük bankası
İndüktans yük bankası
12
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 2
3.3. Deneyin YapılıĢı
Deneyde Reaktif Güç Kontrol Rölesi (RGKR) ile bir RL yükünün reaktif güç kontrolü yapılacaktır.
Öncelikle panodan Şekil 3 ‟deki bağlantının yapılıp yapılmadığı kontrol edilmelidir.
3.3.1. RGKR ’nin Bağlanması
1- Röleyi bağlamadan önce Şekil 5 ‟deki bağlantıyı dikkatle inceleyiniz.
2- Akım trafosunu ana şalter çıkışına veya ana giriş sigortalarından birinin ayağına bağlayınız. En çok
karşılaşılan hata, akım trafosunun kompanzasyon panosundan sonra bağlanmasıdır. Bu durumda röle çalışmaz.
Akım trafosu daima kondansatörlerden önce ve işletmenin ilk girişine bağlanmalıdır. Ayrıca akım trafosundan
çıkan telleri en kısa yoldan (panonun demir aksamına ve diğer kablolara sarmadan), tercihen 2x1.5 TTR kablo
kullanarak rölenin 1 ve 2 nolu uçlarına bağlayınız.
3- Akım trafosunun bağlı olduğu faz R olsun. Rölenin 4 ve 5 no lu klemenslerine mutlaka diğer iki fazı
yani S ve T „yi bağlayınız.
Bağlantı şeması aşağıda gösterilmiştir.
ġekil 5. RGKR ‟nin bağlantı şekli
3.2.2. RGKR’nin ĠĢletmeye Alınması
1- % ayar düğmesini 0.50 „ye getiriniz. (TEİAŞ „ın öngördüğü değerdir)
2- Röleyi otomatik konumuna alınız.
3- C/k ayar düğmesini 0.05 „e alınız. Devreye endüktif bir yük (örneğin motor) alınız. Röle üzerindeki ind
ışığı yanmalıdır. Kap yanıyorsa 4 ve 5 no lu uçları ters çeviriniz.
4- Bundan sonra geriye kalan tek işlem c/k ayarının düzgün olarak yapılmasıdır.
Tablo 1 ‟de c/k ayarı için seçim tablosu görülmektedir.
Akım Trafosu
30/5
50/5
75/5
100/5
150/5
200/5
300/5
400/5
600/5
800/5
1000/5
1500/5
2000/5
1. kademedeki kondansatör gücü
5
0.83
0.50
0.33
0.25
0.17
0.13
0.08
0.06
10
15
20
25
30
40
50
1
0.67
0.50
0.33
0.25
0.17
1
0.75
0.50
0.38
0.25
1
0.67
0.50
0.33
0.83
0.63
0.42
1
0.75
0.50
1
0.67
0.83
0.50
0.33
0.25
0.20
0.13
0.10
0.63
0.42
0.31
0.25
0.17
0.13
0.13
0.08
0.06
0.05
0.19
0.13
0.09
0.08
0.05
0.25
0.31
0.38
0.17
0.21
0.25
0.13
0.16
0.19
0.10
0.13
0.15
0.07
0.08
0.10
0.05
0.06
0.08
Tablo 1. c/k ayarı için seçim tablosu
13
100
0.83
0.63
0.50
0.33
0.25
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 2
3.4. Kompanzasyon Sisteminde Olabilecek Arızalar
1- Şebekedeki harmonikler dolayısıyla kondansatör ünitelerinde aşırı akımlar meydana gelebilir.
2- Rölenin sık sık devreye girip çıkması ile salınımlar meydana gelebilir.
3- Seçilen kontaktörler, kondansatörleri devreye alırken geçen akım şiddetine uygun seçilmemiş olabilir.
4- Röle çalışamaz.
5- Düşük yükte büyük grupların devreye alınması.
6- Kompanzasyonun yavaş çalışması.
7- Kontaktörlerin kontaklarının yanması.
4.
RAPORDA ĠSTENENLER
1- Reaktif gücün önemini belirtiniz.
2- Reaktif gücün şebekede oluşturduğu olumsuzluklar nelerdir?
3- Reaktif güç üreten ve tüketen kaynakları belirtiniz.
4- Düşük güç faktörünün meydana getirdiği sorunlar nelerdir?
5- Kondansatör değerinin bulunuşunu teorik olarak ispatlayınız.
14
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:3
ÖLÇÜ TRANSFORMATÖRLERĠ
1.
DENEYĠN AMACI
Bu deneyin amacı, ölçü aletleri ve koruma röleleri için kullanılan ölçü transformatörlerini tanımak ve
incelemektir.
Yüksek akım veya gerilimi belirli bir oran dahilinde düşürerek ölçü aletlerini ve röle devrelerini besleyen
cihazlara ölçü transformatörleri denir. Yüksek gerilim tesislerinde akım değeri büyük ve gerilim yüksek
olduğundan, kullanılacak aletlerin üretiminin pahalı oluşu ve yüksek gerilim işletme personelinin hayati
tehlikeye maruz kalması nedeniyle ölçü transformatörlerine ihtiyaç duyulur. Akımı belirli bir oranda düşürenlere
akım transformatörleri, gerilimi belirli bir oranda düşürenlere de gerilim transformatörleri denir. Ölçü
transformatörlerinin kullanılması, ölçü aletlerinin ve rölelerin küçük boyutlu imal edilmesini sağlar. Bu
transformatörlerin temel kullanım amaçları şöyle sıralanabilir:
a) Ölçme ve koruma taçhizatını primer gerilimden izole ederek güvenli çalışmayı sağlamak.
b) Değişik primer değerlerine karşılık standart sekonder değerler elde ederek, sekonder teçhizatın her devrede
kullanılmasını sağlamak.
c) Koruma rölelerinin çeşitli uygulamalarına imkan sağlamak.
2.
TEORĠ
2.1. Akım Transformatörleri
2.1.1. Akım Transformatörlerinin Yapısı
Şekil 1 ‟de görüldüğü gibi akım transformatörleri; manyetik nüve, primer sargı, sekonder sargı,
gövde ve izolatör kısımlarından oluşur. Akımı düşürmek amacıyla kullanıldıklarından primer sargıları kalın
kesitli ve az sarımlı, sekonder sargıları ise ince kesitli ve çok sarımlıdır.
ġekil 1. Akım transformatörünün yapısı
2.1.2. Akım Transformatörlerinde Doğruluk Sınıfı
Ölçü transformatörleri yüksek akımı dönüştürmeleri anında gerek sargıların direnci gerekse nüve
kalitesinden dolayı belli bir hata yaparlar. Bu hata transformatörlerin nominal çalışma şartlarında meydana
gelen bir değerdir ve ölçü transformatörünün oranına göre % olarak ifade edilir.
- 0.1 ve 0.2 sınıflı ölçü transformatörleri laboratuvarlarda,
- 0.5 sınıflı ölçü transformatörleri hassas ölçmelerde,
- 1 sınıflı ölçü transformatörleri endüstriyel ölçmelerde,
- 3 sınıflı ölçü transformatörleri koruma devrelerinde,
kullanılır. % 25 ve daha küçük oranlı çalışma şartlarında ölçme hatası artar.
2.1.3. Akım Transformatörlerinde Sargı ÇeĢitleri
Akım transformatörlerinin sekonderine bağlanacak ölçü aletinin empedansının etiket değerinin üzerine
çıkması durumunda akım transformatörleri aşırı yüklenmiş olur. Bu durumda transformatörün, daha büyük güçlü
15
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 3
bir transformatörle değiştirilmesi yerine, mevcut transformatörün sargı bağlantıları değiştirilir. Transformatörler
birden fazla sargılı veya kademeli yapılırken akım ve sargı arasındaki dönüştürme oranının sabit tutulması
gerekir. Sargı çeşitleri;
1) Primeri tek, sekonderi tek sargılı akım transformatörleri
Bu akım transformatörlerinin primeri ve sekonderi tek sargılı olduklarından sarım sayısı değiştirme
imkanı yoktur. Bunların etiketinde tek bir dönüştürme oranı belirtilir (100/5A, 500/5A gibi).
2) Primeri çift, sekonderi tek sargılı akım transformatörleri
Bu akım transformatörlerinin primerinde özellikleri birbirinin aynı iki adet sargı mevcuttur. Primer
sargılar kendi aralarında seri ve paralel bağlanmak suretiyle aynı şebeke gerilimi altında farklı primer akım
değerlerinde kullanılırlar. Transformatörün etiketinde iki ayrı primer akım değeri vardır (100-200/5A gibi).
3) Primeri tek sargılı, sekonderi kademeli akım transformatörleri
Primer akım değerinin yüksek olduğu ve sık sık değiştiği yerlerde kullanılan bir akım transformatörüdür.
Primerinde ve sekonderinde birer sargı mevcuttur. Ancak sekonder sargının değişik kademelerinden ara uçlar
çıkartılmıştır. Bu akım transformatörlerinin primer sargısı, etiketinde yazılı olan en yüksek primer akıma göre
izole edilir. Transformatörün etiketi 400-600-800/5A gibi olabilir. Kademe değiştirme işlemi primerden geçen
akıma göre yük altında gerçekleştirilebilir. Transformatörde kullanılmayan kademe uçları kesinlikle kısa devre
edilmez.
ġekil 2. Primeri tek sargılı, çift sekonderli ve sekonderi kademeli akım transformatörleri
4) Primeri tek, sekonderi iki sargılı akım transformatörleri
Bu tip transformatörler, sekonderden iki ayrı devreyi beslemek için kullanılırlar. Akım
transformatörünün nüvesi iki tanedir. Primer sargının yarısı nüvenin birine, diğer yarısı ise ikinci nüve üzerine
sarılmıştır. Sekonder sargılar ise, ayrı nüveler üzerine sarılmıştır. Dolayısı ile iki ayrı transformatör gibi çalışır.
Primerinden, etiketinde yazılı olan nominal primer akım geçtiğinde, sekonder sargılardan aynı anda ayrı ayrı 5‟
er Amper elde edilir (200/5-5A gibi). Bu akım transformatörlerinin sekonder sargılarının biri ölçü amaçlı, diğeri
ise koruma amaçlı kullanılır.
5) Primeri tek sargılı, çift sekonderli ve sekonderi kademeli akım transformatörleri
Bu tip akım transformatörlerıi sekonderi kademeli ve sekonderi çift sargılı akım transformatörlerinin
özelliklerini taşırlar. Bu akım transformatörleri ile hem primerden geçen şebeke akımını hem de transformatörün
gücü arttırabiliriz. Bu akım transformatörlerinin etiketi 400-800/5-5A gibi olabilir.
2.1.4. Akım Transformatörlerinde Termik ve Dinamik Dayanım
Akım transformatörlerinin kullanılacağı şebeke kısa devre akımları ve bu akımlara dayanma sınırı, akım
transformatörlerinin termik ve dinamik durumu için bilinmelidir.
Bir akım transformatörünün, bir saniye süreyle hasar görmeden dayanabileceği primer akımının efektif
değerine termik anma akımı (Ith) denir ve imal edildiği standarta bağlı olarak, nominal akımın 40-100 katı
arasında olabilir.
Primer şebekedeki bir kısa devre anında, ilk periyotta geçecek darbe akımının yol alacağı mekanik
kuvvetler açısından akım transformatörünün dayanabileceği primer akımının maksimum değerine dinamik
anma akımı (Idyn) denir. Akım transformatörleri genel olarak termik anma akımının 2.5 katı mertebesindeki
dinamik anma akımına göre izole edilirler.
2.1.5. Akım Transformatörlerinde Doyma
Ölçü aletlerini besleyen akım transformatörlerinde primer akımının 1,2.I n değerine kadar transformatör
doymaya girmez. Primerde meydana gelen bir kısa devre sonucunda akım çok arttığı için demir çekirdekte
16
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 3
doyma oluşur ve sekonder akımı aynı oranda artış göstermez. Bu özellik ölçü aletlerinin aşırı akımdan
korunmasını sağlamış olur. Röleler nominal çalışma akımında devre dışıdırlar. Kısa devre akımı akması
durumunda ise faaliyete geçerler. Röleleri besleyen akım transformatörleri; genellikle aşırı akım bölgesinde
çalıştıklarından, kısa devre akımlarını doğru ve orantılı bir şekilde sekondere geçirmeleri gerekir. Bu tip
transformatörlerde doyma daha geç başlamaktadır.
Akım transformatörlerinin besleyecekleri devreye göre doyma (aşırı akım) katsayısı belirlenir. Nominal
yük ile yüklenen bir akım transformatöründe primer akımı gittikçe arttırılırsa belirli bir akım değerinden sonra
doymaya başlar. Doyma akımı ile nominal akım arasındaki orana doyma katsayısı(n) denir. Ölçü aletlerini
besleyen akım transformatörlerinin etiketinde n < 5, röle devrelerini besleyen akım transformatörlerinin
etiketlerinde ise n >10 olarak yazılır.
n = Idoyma/In
(1)
Akım transformatörlerinin etiketinde yazan (n<5 veya n>10 şeklinde) doyma katsayıları, gerekli hallerde
test edilerek bulunmalıdır.
2.1.6. Akım Transformatörlerinde Polarite ve Önemi
Akım transformatörlerinin sekonderine bağlanan bazı ölçü aletleri (wattmetre, sayaç vb.) ve koruma
röleler için akım yönü önemli bir faktördür. Bu tip ölçü aletlerinin ve rölelerin bağlantılarında akım yönünün
bilinmesi gerekir. Primerde akımın giriş, sekonderde akımın çıkış uçlarına polarite uçları; bu uçları belirleme
işlemine de polarite tayini denir.
Akım transformatörlerinde polarite tayini iki amaçla yapılır. Birincisi, yukarıda belirtildiği gibi primerde
akım giriş, sekonderde akım çıkış uçlarını belirlemek için, ikincisi ise imalatçı firma tarafından belirlenmiş olan
bu uçların doğru işaretlendiğinden emin olmak için yapılır. Ayrıca polarite tayini sonucunda transformatörün
uçlarının kopuk olup olmadığı da kontrol edilir.
2.2. Gerilim Transformatörleri
Gerilim transformatörleri bağlı oldukları devredeki primer gerilimi belli oranda küçültülerek, bu gerilimle
sekonder terminallerine (çıkışlarına) bağlı cihazları besleyen özel transformatörlerdir.
2.2.1. Gerilim Transformatörlerinin Yapısı
Şekil 3 ‟de görüldüğü gibi gerilim transformatörleri; manyetik nüve, primer sargı, sekonder sargı, gövde
ve izolatörler kısımlarından oluşur. Gerilim transformatörlerinin primer sargıları çok sarımlı ve ince kesitli,
sekonder sargıları ise nominal yükte kayıpların az olmasını temin edecek kalınlıkta ve primer sargıya göre
çevirme oranı kadar az sarımlıdır.
Gerilim transformatörlerinin yükü daha ziyade voltmetre, wattmetre ve sayacın gerilim bobinleri gibi
empedansı yüksek alıcılardır. Bu bakımdan primer kısmı gerilim altında iken sekonder kısmın açık bırakılması
tehlike oluşturmaz.
ġekil 3. Gerilim transformatörünün yapısı
17
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 3
2.2.2. Gerilim Transformatörlerinin Elektriksel Devresi
ġekil 4. Gerilim transformatörlerinin elektriksel devresi
Sekonder empedansı Z olan bir transformatörde; I 2 akımının olabilmesi için transformatörün E2 gibi bir
e.m.k. ‟sı olmalıdır. Primer sargı, ölçülmesi istenen U1 şebeke gerilimine bağlanır ve sekonder sargıdan elde
edilen alçak gerilim yardımıyla ölçü aletleri ve röleler beslenir.
2.2.3. Gerilim Transformatörlerinde Doğruluk Sınıfı
Türk standartlarında ölçme amaçlı gerilim transformatörleri için % 25 ile % 100 yükleri arasında ve % 80
ile %120 primer gerilimlerde hata sınıfı 0.1 - 0.2 - 0.5 - 1 ve 3 olarak verilmiştir.
2.2.4. Gerilim Transformatörlerinde Polarite
Akım bobinlerinde akımın giriş yönü önemli olduğu gibi, gerilim bobinlerinde de akımın giriş yönü
önemlidir. Uçların yanlış bağlanması halinde ölçü aleti ya ters sapma yapar ya da eksik değer gösterir. Bu
nedenle polarite uçlarının bilinmesi gerekir.
Gerilim transformatörlerinin polarite tayinini yapmak için, akım transformatörlerinin polarite tayininde
kullanılan elemanlar gereklidir.
3.
DENEYĠN YAPILIġI
3.1. Deneyde Kullanılan Elemanlar
Ototransformatör, Akım transformatörü, Ampermetre, Voltmetre, Galvanometre, Pil veya akü.
3.2. Akım Transformatörlerinde Doyma Katsayısının Tayini
Akım transformatörlerinin etiketinde yazan (n<5 veya n>10 şeklinde) doyma katsayıları, gerekli hallerde
aşağıdaki deney yapılarak bulunur. Bunun için Şekil 5 „de gösterilen devre kurulur.
ġekil 5. Deneyin bağlantı şeması
Şekil 5 „de örnek olarak alınan çift sekonderli akım transformatörünün bir sekonderine, varyak ile sıfırdan
başlamak üzere gerilim uygulanır. Primer ve diğer sekonder açık durumdadır. Ampermetre ve voltmetreden
okunan akım ve gerilim değerleri belli aralıklarla tespit edilip yazılır. Güvenli bir değer elde etmek için 1 A „e
kadar çıkmak genellikle yeterlidir. Elde edilen değerler ile akım-gerilim karakteristiği çizilir (Şekil.6).
18
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 3
ġekil 6. Akım transformatöründe doyma akımının belirlenmesi
Akımın ilk değerleri için gerilim artışları oldukça lineerdir. Akımın %50 artışına karşı, gerilim artışının
%10 „a düştüğü noktaya (Diz noktası, Kn ) karşı düşen akım değeri, doyma değeridir.
Örnek: 200/5 - 5 A ; 30+30 VA ; 1+3 sınıfı ; n<5, n>10 olarak verilen bir akım transformatörünün testi
sonunda, ölçü devresi için diz noktası, 200 mA „e karşılık 11 volt; koruma devresi için 400 mA „e karşılık 65
volt olarak bulunmuştur.
Ölçü devresi için doyma değerinin bulunması: Nominal yükünde sekonder direnç,
2
I nom
.R
N nom
formülünden yararlanarak R 30 / 25 1,2 bulunur.
Akım transformatörünün sekonder iç direnci, R=0.2
ölçülmüştür.
Toplam direnç, R=1.2+0.2=1.4 „dur.
Doyma anında sekonderden geçecek gerçek akım;
I doyma
11
1.4
7.9 A
Bunu nominal akımına oranlarsak, n
Koruma devresi için doyma noktası:
R=1.2+0.1=1.3
n
I doyma
I nom
50
5
;
I doyma
65
1.3
I doyma
I nom
Rii =0.1
7.9
5
1.6 < 5 „dir.
bulunmuştur. Toplam direnç,
50 A; doyma,
10 10 bulunmuş olur.
Bu test ile hem uçları işaretlenmemiş akım transformatörlerinin ölçü ve koruma devreleri bulunmuş, hem
de etiket değerleri kontrol edilmiş olur.
3.3. Akım Transformatörlerinde Polarite Tayini
Akım transformatörlerinde polarite tayini yapabilmek için, öncelikle transformatörün herhangi bir yere
bağlantısının olmaması gerekir. Polarite tayini yapılacak transformatör için Şekil 7‟deki bağlantı kurulur.
19
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 3
P1
-
S1
+
+
Pil
Veya
Akü
G
P2
S2
ġekil 7. Deneyin bağlantı şeması
4.
RAPORDA ĠSTENENLER
1- Akım transformatörlerinin kısa ve açık devre edilme durumlarını inceleyiniz.
2- Akım transformatörlerinde k ucunun topraklanma nedenini belirtiniz.
3- Akım transformatörlerinin elektrik devresini çiziniz.
4- Deneyde elde edilen verilere göre V = f (I) grafiğini çiziniz.
5- Aktif ve Reaktif sayaçların devreye bağlantı şemalarını çiziniz.
6- Gerilim transformatörlerinin kullanım amaçlarını kısaca açıklayınız.
20
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:4
GÜNEġ ENERJĠSĠNDEN ELEKTRĠK ENERJĠSĠ ELDE EDĠLMESĠ
1. DENEYĠN AMACI
Elektrik enerjisi tüketiminin gelişmişliğin bir göstergesi halini aldığı çağımızda, birincil enerji
kaynaklarının sürekli tükenmekte oluşu ve bu kaynakların enerji üretimi için yakılmaları esnasında ortaya çıkan
ekolojik bozulmalar, bugün enerji konusunu acil olarak çözülmesi gereken bir problem olarak ortaya
koymaktadır. Bu problemin çözümlerinden birincisi yenilenebilir enerji kaynaklarının bulunması, ikincisi ise
tüketimin ekonomik olarak kabul edilebilecek en alt düzeye indirilmesi biçiminde özetlenebilir.
Türkiye, yenilenebilir enerji kaynaklarının çeşitliliği ve potansiyeli bakımından zengin bir ülkedir.
Coğrafi konumu nedeniyle büyük oranda güneş enerjisi almaktadır. Ülkemiz, birçok ülkede bulunmayan
jeotermal enerjide dünya potansiyelinin %8 ‟ine sahiptir, hidrolik enerji potansiyeli açısından da dünyanın sayılı
ülkelerindendir. Rüzgar enerjisi potansiyeli oldukça fazladır. Bu enerji kaynaklarının maliyetleri oldukça azdır,
yenilenebilir oldukları için tükenmezler ve konvansiyonel yakıtların aksine çevre ve insan sağlığı için önemli bir
tehdit oluşturmazlar.
Bu deneyin amacı; yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisinin önemini vurgulamak,
güneş pillerinin yapısını ve çalışma prensibini öğretmek ve küçük bir fotovoltaik sistem tasarımı yapmaktır.
2.
TEORĠ
2.1. GüneĢ Enerjisi
Güneş enerjisi çevre kirliliğine yol açmayan tükenmez bir enerji kaynağıdır. Bir kaç yıl öncesine kadar
ekonomik görülmeyen güneş enerjisi, yakıt fiyatlarındaki yüksek artışlar nedeniyle bazı kullanım alanlarında
oldukça ekonomik duruma gelmiştir. Fizyon enerjisinin en büyük kaynağı, dünyaya zarar vermeyecek bir
mesafede olan güneştir. Nitekim petrol, kömür ve atom enerjisi gibi birincil enerji kaynaklarına alternatif olarak
güneş enerjisi çok umut vericidir.
Güneşten dünyaya gelen enerjinin yoğunluğu, atmosferin üzerinde m2 başına 1,35 kW kadardır. Bu
yoğunlukta dünya çapının kapladığı alana gelen güneş gücü 178·10 9 MW düzeyindedir. Dünyanın tüm yüzeyine
bir yılda düşen güneş enerjisi, 1.22 ·1014 TET (Ton Eşdeğeri Taşkömürü) ya da 0.814·1014 TEP (Ton Eşdeğeri
Petrol) gibi görkemli boyuttadır. Bir başka deyişle, bir yılda gelen güneş enerjisi miktarı, bilinen kömür
rezervinin 50 katı ve bilinen petrol rezervinin 800 katı kadardır.
2.1.1
Türkiye ‘de GüneĢ Enerjisi
Türkiye „nin güneş enerjisi gücü ilk kez 1970 yılında, bir bilimsel araştırma kapsamında hesaplanmıştır.
Belirlenen olgulara göre, Türkiye „nin yıllık güneşlenme süresi 2608.8 saat olup, maksimum değer 361.8 saat ile
Temmuz ayında ve minimum değer 97.8 saat ile Aralık ayında görülmektedir. Güneşlenme süresi yönünden en
zengin bölge yılda 3015.8 saat ile Güneydoğu Anadolu Bölgesi „dir. Karadeniz Bölgesi yılda 1965.9 saat ile en
düşük değere sahiptir. Güneş radyasyon yoğunluğuna gelince, Türkiye ortalaması yıllık 316.07 cal/cm 2.gün
kadardır. En yüksek değer 503.13 cal/cm2.gün ile Temmuz ayında ve en düşük değer de 132.04 cal/cm2.gün ile
Aralık ayında belirlenmiştir. Güneydoğu Anadolu Bölgesi için yıllık ortalama güneş radyasyon yoğunluğu
341.23 cal/cm2.gün düzeyinde iken, bu değer Karadeniz Bölgesi „nde 246.55 cal/cm2.gün düzeyine düşmektedir.
Yapılan değerlendirme sonuçları temel alınarak Türkiye „nin bütün yüzeyine bir yılda düşen güneş enerjisi
kuramsal biçimde hesaplanmış ve 1.2·1011 TET bulunmuştur. Bir varsayım olarak, bu enerjinin binde birinin
%30 verimle toplanması koşuluyla, yılda kullanılabilecek enerji miktarı 36·10 6 TET ya da 23·106 TEP olarak
belirlenmiştir.
Ülkemizde 1990 „lı yıllara kadar bir kaç kamu kurumunun şebekeden uzak yerlerdeki tesisleri dışında,
güneş pilleri ile enerji kullanımı gerçekleşmemiştir. Günümüzde ise, temiz enerji kaynağı olması nedeniyle,
özellikle şebekeye bağlı tipte olmak üzere fotovoltaik (FV) uygulamalar yaygınlaşmaya başlamıştır.
21
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
2.1.2.
GüneĢ Enerjisinin Kullanım Alanları
Güneş enerjisinin kullanımı, gündelik yaşam yapısından ve konutlardan başlamakta; haberleşmeye,
tarıma, endüstri kesimine, elektrik santrallerine, askeri hizmetlere ve uzaya kadar uzanmaktadır. Güneş
enerjisinin günümüzde önem kazanan uygulamaları; oldukça yaygınlaşan güneşli su ısıtıcılarının dışında,
güneşle ısınan binaların yapımı, güneş enerjisinin elektriğe çevrilmesi, güneş enerjili su pompalarının tarımsal
sulamada kullanılması, geleceğin yakıtı olan hidrojenin sudan üretiminde güneş enerjisinden yararlanılması
biçiminde sıralanabilir. Ayrıca güneş enerjisinin kullanıldığı alanlara hesap makineleri, radyo, TV ve uydu
alıcıları, radar ve meteoroloji istasyonları, havaalanları ve helikopter pist ışıklandırmaları, denizcilik
uygulamaları, mobil telefonlar, karavanlar, sokak ve bahçe aydınlatmaları ilave edilebilir.
Bugün için güneş enerjisinin kullanılmasındaki genel amaç, alışılagelen birincil kaynak fosil yakıtların
tutumlu ve ölçülü kullanımına yardımcı olmaktır. Dünya yapay enerji bunalımı, güneş enerjisinin teknolojik
gelişimini ve geleceğini büyük ölçüde etkileyerek özellikle üç uygulamaya ağırlık kazandırmıştır. Bunlar;
1- Yapıların ısıtılmasında güneş enerjisinin kullanılması,
2- Güneş enerjisinin elektriğe dönüştürülerek kullanılması ve güneş elektrik santrallerinin geliştirilmesi,
3- Geleceğin yakıtı olan hidrojenin sudan üretilmesinde güneş enerjisinin kullanılması.
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimi teorik olarak dört grup halinde toplanabilir.
1- FV üretim tesisleri
2- Dağınık kollektör sistemi (Distributed collector system) olarak sembolize edilen solar termik küçük santrallar
3- Merkezi kuleli aynalar
4- Güneş havuzları üretim tesisleri
2.2. GüneĢ Pilleri
Fotovoltaik terimi, ışıktan gerilim üretilmesi anlamına gelmektedir. FV piller için kullanılan ortak terim
“güneş pilleri” olmakla birlikte, piller her türlü ışık altında gerilim üretebilirler. Güneş pilleri, üzerine güneş ışığı
düştüğünde, enerjinin korunumu yasasına uygun olarak, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren
elektronik düzeneklerdir. Bu enerji çevriminde herhangi bir hareketli parça bulunmaz. Güneş pilleri; uzun
ömürlü, dayanıklı, kayda değer bir çevre kirliliği oluşturmayan yarı iletken aygıtlardır. Çalışmaları sırasında hiç
bir elektriksel sorun çıkarmazlar ve çok az bakım gerektirirler. Modüler yapıda olan güneş pilleri birbirlerine seri
ve paralel bağlanabilirler. Çok küçük güç gereksinimlerini karşılayabildikleri gibi, kendi başına bir güç santralı
gibi de çalışabilirler. Verimlerinin düşük ve ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması güneş pili sistemlerinin en
büyük dezavantajıdır. Ancak zamanla maliyetinin şebeke elektriği ile yarışabilecek düzeye geleceği
umulmaktadır.
Güneş pilinin üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir.
Güneş enerjisini elektrik enerjisine %25 gibi yüksek bir verimle çevirir.
Sınırsız çalışma ömrüne sahiptir.
Fabrikasyon üretimi kolaydır.
Dışarıdan herhangi bir yardımcı optik düzen veya verimi arttırmak için bir önlem alınmaksızın tatmin
edici bir verimle çalışır.
Çıkış gücü/ağırlık oranı yüksektir.
Temiz bir enerji kaynağıdır.
Güneş pilinin kötü yanları ise şunlardır.
Pahalıdır.
Birçok uygulamada depolama elemanına ihtiyaç gösterir (Özellikle geceleri ve bulutlu havalarda).
Çok fazla güneş ışığı alan bölgelerde yüksek sıcaklık nedeniyle verim düşer.
2.2.1. GüneĢ Pilinin Karakteristikleri
Güneş pili denilen fotovoltaiklerin üst yüzeyinde, pil tarafından üretilen akımı toplayan ve genellikle
bakırdan yapılan negatif kontaklar vardır. Kontakların altında 150 mm. kalınlığında, yansıtıcı özelliği olmayan
bir kaplama tabakası vardır. Bu tabaka olmazsa, silisyum üzerine düşen ışınımın üçte birine yakın kısmını
yansıtacaktır. Bu kaplama tabakası, pil yüzeyindeki yansımayı önler. Pilin ön yüzeyi, normal olarak yansıyan
ışığın bir kısmını daha yakalayabilmek amacıyla, piramitler ve konikler şeklinde dizayn edilir. Yansıtıcı olmayan
kaplamanın altında, pilin elektrik akımının ortaya çıktığı yapı bulunur. Bu yapı, iki farklı katman halindedir. Nkatmanı, fosfor atomları eklenmiş silisyumdan oluşan ve pilin negatif tarafını oluşturan katmandır. P-katmanı
ise, bor atomları eklenmiş silisyumdan oluşur ve pilin pozitif tarafıdır. İki katman arasında, P-N kavşağı denilen,
pozitif ve negatif yüklü elektronların karşılaştığı bir bölge bulunur. Pilin arka yüzeyinde, elektronların girdiği
pozitif kontak görevi gören arka kontak yer alır.
22
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
Foton soğurulması ile oluşan yük taşıyıcılar çoğunlukla oldukları bölgelere doğru sürüklenirler. Bu
durumda eklemden bir IS akımı geçer. Böylece P-tipi bölge pozitif, N-tipi bölge negatif olarak yüklenir. IS
akımının geçişi P-N ekleminin ileri yönde eğilimlenmesine neden olur ve bu durumda eklemdeki gerilim duvarı
alçalır. Eklemin bir dış bağlantısı yoksa, bu ileri yöndeki eğilimlemeden dolayı ileri yönde (P ve N ‟ye doğru) bir
I akımı geçer. Bu I akımının geçişi, N-tipi bölgeyi pozitif yükleyeceğinden, çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine
engel oluşturan gerilim duvarı, çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine engel oluşturacak duruma gelinceye kadar
sürer. Yeniden foton soğurulması olur. Eklemde varolan elektrik alan, oluşmuş olan elektron-boşluk çiftini
ayırarak bunların eklemi aşmalarını sağlar. Böylece gerilim duvarının çökmesi, sonra yükselmesi sürüp gider ve
açık devre durumunda IS akımı ile dengelenmiş olur.
P-N eklemi dışarıdan bir RL yük direnci ile sonlandırılırsa IS akımının IL kadar kısmı dış devreden akar,
böylece P-N eklemi ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirmiş olur. I S akımı
IS
I
(1)
IL
bağıntısı ile verilir. İleri yöndeki akım
I = I 0 (e
eV k .T
-1) + I L
(2)
şeklindedir. Renk ve sıcaklık bileşimleri verilen bir ışık demeti için I S akımı ışık şiddeti ile orantılıdır.
ġekil 1. Işık enerjisinin elektrik enerjisine çevrilmesi
2.2.2. GüneĢ Pilinin EĢdeğer Devresi
Bir FV pil, fotonların oluşturduğu akımın geçmesini sağlayan bir diyota paralel bağlı basit bir akım
kaynağı gibi davranır.
IL
IS
Burada,
A
RS
RSH
IL
IS
I0
e
VL
k
T
I 0 exp
e VL
I L RS
AkT
1
VL
RSH
(3)
: 1-5 arasında bir sabit (eğriye uygun keyfi olarak seçilecek)
: Pil seri direnci
: Paralel direnç
: Pil çıkış akımı
: Işığın ürettiği akım
: Diyot saturasyon akımı
: Elektron yükü
: Pil terminal gerilimi
: Boltzman sabiti
: Mutlak sıcaklık
ġekil 2. Güneş pili eşdeğer d.a. modeli
23
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
Üstel işlevdeki VL + IL RS ifadesi gerçekte diyot voltajı V ‟ye eşittir. Şekil 1 ve Şekil 2 ‟de görülen R S
direnci pilin iç direncini oluşturur. Şekil 2 ‟ye göre gerilim düşümleri için
V=V L + I L R S
(4)
ve buradan
VL= V -ILRS
(5)
yazılabilir. Verilen bir IS için VL yük gerilimi
VL
I
IL
k T
ln 1 S
e
I0
RS I L
(6)
olur. VL ‟yi arttırmak için I0 akımını (eklem ters akımını) azaltmak gerekir. Düzgün olmayan eklem, arzu
edilmeyen yabancı maddeler ve kristal yapıdaki boşluklar, I0 akımının artmasına neden olurlar.
ġekil 3. Güneş pili I-V öz eğrisi
Yükten geçen akım aynı zamanda RS direncinden geçtiği için, verilen IL akımı için pilin içinde bir gerilim
devresi olacağından yük direnci uçları arasındaki gerilim farkı azalır. Şekil 3 ‟den görüleceği gibi kuramsal
olarak çizilen eğri (RS = 0) ile uygulama sonuçlarına göre çizilen eğri (R S = 4 ohm) arasında büyük bir uyum
vardır. Yüke sağlanan güç VL ve IL ile sınırlanan dikdörtgen ile verilmektedir. İç direnç çıkış gücünün
azalmasına neden olur. (6) bağıntısında görülen I S akımı ışık yeğinliği ile orantılı olduğundan, aynı dalga
boyunda fakat farklı yeğinlikteki ışık demetleri için IL ‟nin dolayısıyla VL ‟nin aynı olmayacağı açıktır. Açık
devre durumunda IL = 0 ‟dır.
I L = I S - I 0 (e
eV k .T
-1)
(7)
bağıntısı
I S = I 0 (e
eV k .T
-1)
(8)
biçimine girer ve buradan açık devre gerilimi için
V0 VT ln I S / I 0 1
eşitliği bulunur ( VT
(9)
kT
ısıl güç).
e
Eğer T sabit kalırsa V0, ışık yeğinliği ile orantılı olmak üzere IS ve I0 ‟ın fonksiyonu olarak değişir.
24
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
2.2.3. GüneĢ Pilinin Verimi
Verilen bir V için yük direncinden geçen akım
I L = I S - I = I S - I 0 (e
eV k .T
-1)
(10)
ve çıkış gücü
P=I L V =
IS
I 0 (e eV k .T
1) V
(11)
dir. Bu eşitliğin V ‟ye göre türevi alınarak sıfıra eşitlenir ve gerekli düzenlemeler yapılırsa, maksimum verim
için
m
(eVMAX / k. T) VMAX I S
(1 eVMAX / k. T) N ph E ph
(12)
bağıntısı bulunur. Burada Nph fotonların sayısı, Eph bir fotonon ortalama enerjisidir. Bu bağıntı basitleştirilebilir.
Bunun için kısa devre akımı I S Kn ph şeklinde yazılır. Burada K yansıma, geçirgenlik ve çarpışmadan ileri
gelen kayıpları içine alan bir sabittir. Eğer K yaklaşık olarak 1 veya
eVmax / kT birden çok büyük kabul edilirse
n ph VMAX
m
(13)
N ph . E ph
biçiminde yazılabilir.Bu bağıntı silisyum için uygulanırsa; nph birim yüzeye birim zamanda gelen ve bir elektronboşluk çifti oluşturabilecek yeterli enerjiye sahip foton sayısı (silisyum için 2/3 N ph) ve maksimum güç
geriliminin fotonların getirdiği enerjinin 1/3 kadarı olduğu dikkate alınırsa, verim için bulunan kuramsal değer
%22 olur.
2.3. Fotovoltaik Sistem Tasarımı
Şekil 4 ‟de küçük bir FV sistemin blok şeması görülmektedir.
ġekil 4. Küçük bir FV sistem tasarımı
Bir FV sistem tasarımı yapmadan önce; ilk olarak sistemin kurulacağı bölgede, aylara göre dağılmış
metre kareye düşen ortalama günlük güneş enerjisini bilmek gerekir. Gerekli olan bu bilgi bölgeye en yakın olan
meteoroloji istasyonundan elde edilebilir. FV sistem tasarımı yapılırken önce sistemin kurulacağı yerdeki
elektrik tüketimini hesaplamak gerekir. Bunun için kullanılacak olan elektrikli cihazların enerji harcamaları (güç
harcamaları ve kullanım zamanları) bilinmelidir. FV sistem tasarımları genel olarak enerji eşitliği esas alınarak
25
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
yapılır. Elektrik harcamaları haftalık kullanım saatleri ile çarpılarak, haftalık a.a. ve d.a. enerji tüketimi
hesaplanır.
FV levhalar güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştürürler. Tipik bir FV levha güneşli
açık havada 12 volt, 10 amper, yani yaklaşık 120 watt elektrik üretebilir. Levhalar, elde edilen gerilimi artırmak
için seri olarak, akımı artırmak için ise paralel olarak bağlanırlar. Güneşten maksimum enerjiyi toplayabilmek
için FV levhaların gün boyunca en çok güneş gören güney yönüne bakmaları ve bulunan eyleme göre zamana
bağlı olarak yatay ile belirli bir eğimde olmaları gerekir.
Güneş enerjisi değişen ve her zaman olmayan bir enerji türüdür. Güneş doğmadan önce, güneş battıktan
sonra veya kapalı ve bulutlu havalarda güneş enerjisi olmadığından, toplanan fazla enerjinin depolanıp böyle
zamanlarda kullanılması gerekir. Bu amaçla yüksek kapasiteli (mesela 100 Ah) bataryalar kullanılır. Genel
olarak bir bataryanın ömrünü artırmak için kapasitesinin %80 ‟den fazla deşarj olmaması gerekir.
FV sistemlerde güneş olduğu zamanlarda bataryaların tamamıyla dolduktan sonra akım almalarını
(overcharge) önlemek gerekir. Fazla şarj bataryanın ısınmasına, sıvı kaybına ve batarya ömrünün kısalmasına yol
açar. Regülatör, FV levhalar ile bataryalar arasına konur ve bataryaların fazla şarj almalarını önler.
İnverter, 12 veya 24 voltluk düşük doğru akımı 220-240 voltluk alternatif akıma dönüştürür. Çok küçük
uygulamalarda inverter yerine doğrudan düşük gerilim ve doğru akımla çalışan elektrikli cihazlar da
kullanılabilir.
3. DENEYĠN YAPILIġI
3.1. Deneyde Kullanılan Elemanlar
Fotovoltaik levha
Regülatör
Akü (12 volt)
Statik inverter (500 VA)
Direnç kutusu
Ampermetre
Voltmetre
Doğru akım motoru
Ampül
2.4. Deneyin YapılıĢı
FV levha
A
Inverter
V
V
Regülatör
Akü
ġekil 5. Deneyin bağlantı şeması
1- FV levhanın çıkışına bir voltmetre bağlayarak gerilimi ölçünüz.
2- FV levhanın üzerine düşen güneş ışığı miktarını adım adım azaltarak voltmetredeki gerilimi kaydediniz.
3- FV levhanın çıkışına bir direnç bağlayarak, dirençten geçen akımı ve gerilimi ölçünüz. 2. adımdaki
işlemi yaparak, akım ve gerilim değerlerini kaydediniz.
4- 3. adımdaki işlemi değişik direnç değerleri için tekrarlayınız.
5- Şekil 5 „deki devreyi kurunuz.
6- 2. adımdaki işlemi yaparak, akım ve gerilim değerlerini kaydediniz.
7- İnverterin çıkışına bir ampül bağlayınız ve inverteri on konumuna getiriniz. Bu durumda inverter
üzerindeki ikaz lambalarına dikkat ediniz.
26
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
8- Regülatörün çıkışına bir d.a. motoru bağlayarak motoru çalıştırınız ve bu durum için akım ve gerilim
değerlerini kaydediniz.
4. RAPORDA ĠSTENENLER
1- Deneyde almış olduğunuz değerlerden yararlanarak, değişik direnç değerleri için güneş pilinin akımgerilim karakteristiğini ölçekli olarak çiziniz.
2- Deneyin yapılışı kısmındaki 6. adımda almış olduğunuz değerlerden yararlanarak, akım-gerilim
karakteristiğini ölçekli olarak çiziniz.
3- Deneyin yapılışı kısmındaki 6. adımda, FV levhanın üzerine düşen güneş ışığı miktarı azaltıldığı halde
niçin inverterin çıkış gerilimi değişmedi?
4- Doğru akım motoru çalışınca, FV levhanın gerilimi ve akımı nasıl değişti? Niçin?
27
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:5
ELEKTRĠK KUMANDA DEVRELERĠ VE PLC ĠLE PROGRAMLAMA
1. DENEYĠN AMACI
Bu deneyin amacı; elektrik kumanda devreleri ve bu devrelerde kullanılan elemanlar hakkında bilgi
vermek, çeşitli kumanda ilkelerini öğretmek, otomasyonun en önemli unsurlarından birisi olan PLC
(Programmable Logic Controller) cihazını tanıtmak ve PLC ile programlamayı öğretmektir.
2. TEORĠ
Elektrik kumanda devreleri ve elemanları yaklaşık 20 yıl öncesine kadar oldukça popülerdi. Son yıllarda
yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler nedeniyle, yarı iletken elemanlar da elektrik kumanda devrelerinde
kullanılmaya başlanmıştır. Bu durum elektrik kumanda devrelerinde eskiden de kullanılan bazı elemanların
etkinliğini değiştirmemiştir. Ayrıca bu devreler PLC programlanmasında kullanılan bazı dillerin (ladder)
anlaşılmasında da yararlı olmaktadır.
Elektrik kumanda devreleri, güç devresi ve akım yolu (kumanda) devresi olmak üzere birbirini
tamamlarlar. Bu devrelerde kullanılan elemanlardan bazıları şunlardır: Kontaktörler, start (başlatma) butonu,
stop (durdurma) butonu, iki yollu buton, zaman röleleri, sinyal lambaları, sınır anahtarları, aşırı akım röleleri,
manyetik şalterler, selenoid valfler, termostatlar, paket şalterler, faz sırası röleleri ve faz kesilme röleleri. Bu
elemanları ve çalışmaları hakkındaki kısa bilgiyi aşağıdaki gibi verebiliriz:
2.1 KUMANDA ELEMANLARI, YAPISI VE ÇEġĠTLERĠ
2.1.1. Kumanda Butonları
Start Butonu: Başlatma butonudur. Bu butonlarda kontak normalde açıktır. Butona basılınca, açık olan kontak
kapanır. Buton üzerinden etki kaldırıldığında, kapanan kontak hemen açılır. Bunlara ani temaslı buton da denir.
Şekil 5.1‟de start butonu ve sembolü görülmektedir.
ġekil 5.1. Start butonu.ve sembolü.
Stop Butonu: Durdurma butonudur. Bu butonlarda kontak normalde kapalıdır. Butona temas edilince, kapalı
olan kontak açılır; temas olduğu sürece açık kalır. Butondan temas kalkınca kontaklar normal konumunu alır.
Şekil 5.2‟de stop butonu ve sembolü görülmektedir.
ġekil 5.2. Stop butonu.ve sembolü
Ġki Yollu Kumanda Butonu: Start ve stop butonunun birleşiminden oluşmuştur. Kapalı kontak stop butonu
olarak açık kontak ise start butonu olarak kullanılır. Şekil 5.3‟de iki yollu kumanda butonu ve sembolü
görülmektedir.
ġekil 5.3. İki yollu kumanda butonu.ve sembolü
2.1.2. Sinyal Lambaları: Bir kumanda elemanın veya devresinin çalışıp çalışmadığını ışıkla gösteren elemana
sinyal lambası denir. 5, 12, 24, 110, 220 V AC/DC gibi çeşitli gerilimlerde çalışan tipleri mevcuttur.
28
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
2.1.3. Sınır Anahtarları
Mekanik bir etkiyle kontakları konum değiştiren elemanlardır. Şekil 5.4‟de mekanik sınır anahtarları ve
sınır anahtarının sembolü görülmektedir.
ġekil 5.4. Mekanik sınır anahtarı sembolü ve çeşitleri.
Hareketli aygıtlarda bir hareketi durdurup başka bir hareketi başlatan ve aygıtın hareket eden parçası
tarafından kumanda edilen elemanlara sınır anahtarı denir. Sınır anahtarının normalde biri kapalı, diğeri açık iki
kontağı mevcuttur. Sınır anahtarları bant sistemlerinde, takım tezgahları gibi hareketli sistemlerde kullanılır.
2.1.4. Zaman Röleleri
Otomatik kumanda devrelerinde alıcıların belli süre çalışmalarını veya durmalarını sağlayan elemana
zaman rölesi denir. Zaman rölesinin yapısında gecikme ile konum değiştiren kontaklar, ani konum değiştiren
kontak gurupları ve bobin bulunur.
2.1.5. Kontaktörler
Elektrik devrelerini açıp kapamaya yarayan ve tahrik sistemiyle uzaktan kumanda edilebilen büyük
güçlü elektromanyetik anahtarlara kontaktör denir. Aşırı yük işletme şartları dahil,normal devre şartlarında
akımları kapamaya, taşımaya ve kesmeye yetenekli uzaktan kumanda edilebilen anahtarlama
düzenekleridir.Kullanım yerleri çok çeşitlidir; elektrik motorlarına yol verilmesinde, kompanzasyon , ısıtma
cihazlarının devreye girip çıkması gibi neredeyse bütün devrelerde ve sistemlerde kullanılırlar.Çalışma ve
kullanma tarzı bakımından kontaktörü diğer anahtar türlerinden ayıran en önemli özeliği devreyi daha sık açıp
kapamaya ve aynı zamanda uzaktan kumandaya elverişli olmalarıdır
Kontaktörler; elektrik devrelerinin bağlantı işlemlerinde, bütün motor kumandalarında, ışık, kuvvet,
sinyalizasyon ve bunlar gibi doğru ve alternatif akımda çalışan bütün tesislerde devrenin açılıp kapanmasını
temin eden elektromanyetik şalterlerdir.Kontaktörlerin en önemli kullanılış alanı doğru ve alternatif akım
devrelerinin kumanda edilmesidir. Kontaktörler vasıtasıyla her güçteki motorlara yol verme devir, sayısı
kontrolü gibi işler kolaylıkla sağlanabilmektedir. Şekil 5.5‟de bir kontaktörün görünüşü ve çalışma yapısı
görülmektedir.
ġekil 5.5. Kontaktör görünüşü ve çalışma yapısı.
Röleler, küçük akımlı değişik kumanda sistemlerinde, bir devreyi açıp kapama amacı ile, kontaktörler
ise motor devrelerinde veya büyük akımlı devrelerde enerji şalteri olarak kullanılırlar. Kontaktör ve rölelerin
bobin çalışma gerilimleri genellikle küçük gerilimlidir. Böylece elektrik enerjisinden koruma önlemi
alınmaksızın, çok büyük akımlı ve gerilimli devrelere emniyetle kumanda etmek mümkün olur.
Kontaktörün çektirme bobinine enerji verildiğinde , alt gövde silisli sacları üzerinde bir manyetik alan
indüklenir.Bu manyetik alan üst gövde silisli saclarını kendisine doğru çeker.Üst gövde silisli sacları üzerinde
bulunan hareketli kontak bloğuna monte edilmiş olan hareketli kontak baraları ile birlikte aşağıya doğru çekilir.
Bu çekilme işlemi sonunda ,hareketli kontaklar sabit kontaklara temas eder, bu arada açtırma yayının
mukavemetini de yenerek silisli saclar birbirleriyle yüzeysel temas sağlarlar.Böylece devre tamamlanarak akım
iletilmiş olur. Çektirme bobinin enerjisi kesildiğinde , açtırma yayı üst gövde silisli sacını ve dolayısıyla
hareketli kontağı yukarıya doğru iterek ,sabit kontakla temasını keser. Böylece devreden akım geçişi engellenmiş
olur.
29
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
2.1.6. Röleler
Küçük değerli bir akım ile yüksek güçlü bir alıcıyı çalıştırabilmek (anahtarlayabilmek) için kullanılan
elemanlara röle denir. Röleler; elektromıknatıs, palet ve kontaklar olmak üzere üç kısımdan oluşur.
Elektromıknatıs, demir nüve ve üzerine sarılmış bobinden meydana gelir. Rölenin bobinine gerilim
uygulandığında, röle enerjilenir; paletini çeker ve kontakları konum değiştirir. Gerilim kesildiğinde de kontakları
eski konumuna gelir.
Röle içinde bulunan demir nüve üzerine geçirilmiş makaraya ince telden çok sipirli olarak sarılmış
bobine akım uygulandığında, N-S manyetik alanı oluşur. Bu alan ise bobinin içindeki nüveyi elektromıknatıs
hâline getirip, paletin kontaklarının konumunu değiştirmesini sağlar. Akım kesilince elektromıknatıslık ortadan
kalkar; esnek gergi yayı, paleti geri çekerek kontakları ilk konumuna getirir. Röle bobini enerjisizken bazı
kontaklar açık, bazıları ise kapalı durumdadır. Anlatımlarda kolaylık olması için bobin enerjisizken açık olan
kontaklara normalde açık kontak denir. Kapalı olan kontaklar ise normalde kapalı kontak olarak adlandırılır.
Şekil 5.6‟da röle görünüşü ve kontak yapısı gösterilmektedir.
ġekil 5.6. Röle görünüşü ve kontak yapısı.
2.1.7. Paket ġalterler
Bir eksen etrafında dönebilen, art arda dizilmiş birkaç dilimden oluşan çok konumlu şalterlere paket
şalterler denir. Elektrikle çalışan aygıtları kontaktörlerle veya rölelerle kumanda etmek her zaman ekonomik
olmaz. Bu nedenle küçük güçlü, basit makinelerin çalıştırılması genellikle paket şalterlerle yapılır. Paket şalterler
kumanda devrelerinde butonların yerine kullanılabilir.
2.1.8. Sayıcılar
Sayıcı, girişine uygulanan verileri saymaya yarayan bir elemandır. Sayıcılar, ardışık diyagram içerisinde
numaraları kontrol etmek ve göstermek amaçları ile kullanılır. Sayıcılar, toplam sayıcı ve ön değer sayıcısı
olmak üzere ikiye ayrılabilir. Toplam sayıcı, saymaya ve sayılan değeri ekranında göstermeye yarar. Herhangi
bir çıkış kontağı yoktur. Ön değer sayıcısı ise, önceden belirtilmiş olan değere kadar giriş verilerini sayar ve bu
değere ulaşıldığı anda çıkış kontağını aktif eder. Ön değer sayıcıları hemen hemen toplam sayıcıların sahip
olduğu tüm özelliklere sahiptir.
2.1.9. Sigortalar
Elektrik besleme hatları ile devrede çalışan alıcıları aşırı yüklere, kısa devrelerin oluşturacağı yüksek
akımlara ve bunları kullanan insanları gelebilecek muhtemel kazalara karşı korumak için kullanılan devre
elemanıdır. Elektrik devrelerine seri bağlanırlar. Üzerinde yazılı değerden fazla akım geçtiğinde devreyi açarlar.
2.1.10. AĢırı Akım Röleleri
DC ya da AC ile çalışan motorlar, herhangi bir nedenle normal değerin üzerinde akım çektiğinde
sargıların ve tesisatın zarar görmemesi için akımın en kısa sürede kesilmesi gerekir. Motorun akımını kesme
işleminde kullanılan aşırı akım röleleri manyetik ve termik esaslı olmak üzere iki çeşittir. Bunlardan en önemlisi
termik röledir.
Termik AĢırı Akım Rölesi: Termik aşırı akım rölelerinde motor akımı, normal düzeyde iken ısıtıcı teller fazla
sıcaklık oluşturmadığından bimetaller bükülmez. Ancak alıcının çektiği akım istenilen seviyenin üzerine çıkacak
olursa krom-nikel ısıtıcıların yaydığı sıcaklık artarak bimetallerin bükülmesine yol açar. Bükülen bimetaller,
termik rölenin tırnağını iterek kontaklara konum değiştirtir. Bunun sonucunda ise motoru çalıştıran kontaktörün
enerjisi kesilir. Reset (kurma) butonuna basıldığında ise termik aşırı akım rölesi eski hâline döner.
2.1.11. Termistörler
Termistörler, yarı iletken sıcaklık hissedici elemandır. Seri bağlı üç elemanlı ve rölesi ile birlikte takım
hâlinde satılırlar. Belirli sıcaklık derecesinde elektriksel dirençleri artar veya azalır.
30
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
2.1.12. Selenoid Valfler
Elektrik akımının manyetik etkisinden yararlanılarak yapılan selenoid valfler ile elektrik enerjisi
doğrusal hareket enerjisine dönüştürülür. Sistemde, sıvı veya gaz haldeki akışkanı elektrik sinyaliyle uzaktan
kumandalı bir şekilde açıp kapatabilmeye yararlar. Valfin açık veya kapalı yapılış şekline göre valf, yerçekimi
etkisi ile, yay etkisi ile veya akışkanın kendi basıncıyla normal konumda iken elektrik sinyali ile meydana gelen
magnetik bir alanın sağladığı hareket vasıtası ile normalin aksi konuma girer (açık ise kapatır, kapalı ise açar).
2.1.13. Motorlar
Otomasyon işlerinde kullanılan motorlar yapılacak işe göre seçilir. Bunlar doğru akım veya alternatif
akımda çalışan motorlar olabilir. Günümüzde genellikle alternatif akım motorları kullanılmaktadır. Bunların
yapıları basit, ucuz ve bakım masrafları düşük olduğundan tercih edilmektedirler. Bu motorlar PLC‟ye bir röle
veya kontaktörler yardımıyla bağlanırlar.
2.2. ELEKTRĠK KUMANDA DEVRESĠ ÇĠZĠMĠ
Kumanda devrelerinde, çok çeşitli elemanlar kullanılır. devre şemaları, standart hale getirilmiş
semboller yardımı ile çizilir. Ülkemizde, Alman-Amerikan-Fransız-Rus ve TSE Standartlarına göre çizilmiş
şemalara rastlanır. Tablo 5.1‟de, TSE (TS 3629) için geçerli önemli semboller ve işaretleri liste halinde
verilmiştir.Devre şemaları genel olarak iki bölümde çizilir:
Güç Devresi (Ana Akım Akış Devresi) Şeması
Kumanda Devresi (Dizpozisyon) Şeması
Güç Devresi ġeması: Bu şema şebeke ile motor arasında, motorun çektiği akım yolu şemasıdır. Yani enerji
akışını gösteren ana hatlarla, ana devre elemanlarını gösterir. Kumanda devre şemasına göre, daha kalın
çizelgelerle çizilir.
Kumanda Devresi ġeması: Bu şema, ana devre elemanlarına ait kumanda cihazlarının irtibatlarını gösterir. Güç
devresindeki motorun yol verme koşulları ve devrenin özellikleri, bu şemalarda görülür. Kumanda devre
şemaları, güç devresi şemalarına göre, daha ince çizelgelerle gösterilir.
Tablo 5.1. Kumanda devre elemanları ve sembolleri.
Örnek 1: Üç fazlı bir asenkron motor aşağıda verilen şartlar altında çalıştırılmak isteniyor. S1 start butonuna
basıldığında asenkron motor çalışmaya başlayacaktır. S0 stop butonuna basıldığında asenkron motor duracaktır.
Asenkron motorun çalıştığını L1 lambası gösterecektir. Ayrıca asenkron motor aşırı akım rölesi ile korunacaktır.
Gerekli güç ve kumanda şemasını çiziniz.
31
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
ġekil 5.7. Örnek 1 için kumanda ve güç devresi şeması.
Örnek 2: Üç fazlı bir asenkron motor S1 butonuna basıldığında ileri yönde S2 butonuna basıldığında geri yönde
çalışacaktır. S0 stop butonuna basıldığında duracaktır. Asenkron motor ileri veya geri yönde çalışırken, yön
değiştirilmesi gerektiğinde önce S0 stop butonuna basılıp asenkron motor durdurulacak daha sonra istenilen yön
butonuna basılıp çalıştırılabilecektir. Asenkron motorun ileri yönde çalıştığını L1 lambası, geri yönde çalıştığını
L2 lambası gösterecektir. Ayrıca asenkron motor aşırı akım rölesi ile korunacaktır. Gerekli güç ve kumanda
şemasını çiziniz.
ġekil 5.8. Örnek 2 için kumanda ve güç devresi şeması.
2.3. PLC (PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER)
Programlanabilir Lojik Kontrolörler (PLC), otomasyon devrelerinde yardımcı röleler, zaman röleleri,
sayıcılar gibi kumanda elemanlarının yerine kullanılan mikroişlemci temelli cihazlardır. Bu cihazlarda
zamanlama, sayma, sıralama ve her türlü kombinasyonel ve ardışık lojik işlemler yazılımla gerçekleştirilir. Bu
nedenle karmaşık otomasyon problemlerini hızlı ve güvenli bir şekilde çözmek mümkündür. PLC‟nin
üstünlüklerini sıralarsak:
Daha kolay ve güvenilirdirler.
Daha az yer tutar ve daha az arıza yaparlar.
Yeni bir uygulamaya daha çabuk adapte olurlar.
Kötü çevre şartlarından kolay etkilenmezler.
Daha az kablo bağlantısı isterler.
Hazır fonksiyonları kullanma imkanı vardır.
Giriş ve çıkışların durumları izlenebilir.
ġekil 5.9. PLC modülü ve örnek bir uygulama.
32
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
2.3.1. PLC ile Röle Sistemleri Arasındaki Farklar
Kontrol devresinin işlevi yazılımla sağlandığından, kontrol devresini tasarlamak, röleli bir devrenin
tasarımından daha kolaydır.
Bütün kontrol işlevleri yazılımla gerçekleştiğinden, farklı uygulama ve çalışma programlarını sağlamak
son derece kolaydır ve donanımın değiştirilmesine gerek kalmaksızın yazılımın değiştirilmesi yeterlidir.
Röleli kontrol devrelerine göre çok daha az yer kaplarlar.
Küçük kontrol devrelerinde röleli kontrol sistemi daha ucuz olur.
Güvenilirliği yüksek, bakımı kolaydır. Devrelerde arıza aramayı kolaylaştırır.
Bilgisayarla ve diğer kontrolörle haberleşme olanağı vardır. Bu özelliği, bilgisayarlı otomasyon
işlemine olanak sağlar.
Arıza yapma ihtimali azdır. Bir PLC için arızalar arası ortalama süre yaklaşık olarak 8000 saattir.
Kötü çevre koşullarında, özellikle tozlu ortamlarda, röleli kumanda devrelerine göre daha güvenlidir.
2.3.2. PLC Parçalarının Yapısı ve Fonksiyonları
Merkezi ĠĢlem Birimi (CPU) : Bu birim işlemci - bellek modülleri ve güç kaynağı arasındaki haberleşmeyi
sağlar. CPU ifadesi işlemci ifadesi ile aynı anlamda kullanılmaktadır. İşlemci sürekli olarak makineyi veya
prosesi kontrol edecek olan programın derlenmesini ve icrası için bellek ile karşılıklı haberleşme içindedir. Şekil
5.10‟da PLC merkezi işlem birimi ve elemanları gösterilmektedir.
ġekil 5.10. PLC merkezi işlem birimi ve elemanları.
CPU‟nun büyük bir bölümünü oluşturan işlemci-bellek birimi programlanabilir denetleyicilerin beynidir. Bu
birim mikroişlemci, bellek çipleri, bellekten bilgi isteme ve bilgi saklama devreleri ve programlama aygıtlarıyla
işlemcinin ihtiyaç duyduğu haberleşme devrelerinden oluşur. İşlemci zamanlama, sayma, tutma, karşılaştırma ve
temel dört işlemi içeren matematik işlemleri gerçekleştirilebilir.
Hafıza (Bellek Elemanları): PLC‟lerde kullanılan hafıza tipi genellikle EPROM (Erasable Programmable Read
Only Memory ) olarak adlandırılan silinebilir, programlanabilir, salt okunabilir hafızalar kullanılmaktadır.
PLC‟ler ilerde anlatılacak olan Ladder Diyagramı veya deyim listesine göre programlanırlar. Bu programlar
EPROM hafızaya kaydedilerek saklanır ve bu hafızadan merkezi işlem birimine gönderilir.
Güç Katı: PLC içerisindeki elektronik devrelerin çalışması için gerekli olan gerilimi istenilen seviyede temin
eder. Şebeke gerilimi 220 VAC veya 24 VDC olan tipleri mevcuttur. Her CPU üzerinde 24 VDC algılayıcı
besleme çıkışı yer almakta olup bu kaynak lokal girişler veya genişleme modüllerinin röle bobinlerini beslemek
için kullanılabilir. Eğer güç gereksinimi CPU‟nun sağlayabileceğinden fazla ise, harici bir 24 VDC güç kaynağı
kullanılmalıdır. Her durumda 24 VDC kaynağı girişlere ve röle bobinlerine manuel olarak bağlamalıdır.
GiriĢ/ÇıkıĢ Bölümü: İşlemciyi (CPU) PLC‟nin beyni olarak kabul edersek, giriş/çıkış (Input / Output) birimini
de PLC nin duyu organları olarak kabul edebiliriz. Giriş modülü kontrol edilen makinelerden, işlemciden veya
dışarıdan bir anahtardan ya da algılayıcıdan aldığı sinyali kabul ederek kullanılmasını sağlar. Çıkış modülleri
denetleyicinin, çıkıştaki makinenin ya da işlemin kontrolü için 5 V DC, 12 V DC veya 220 V AC‟lik çıkış
sinyalleri sağlarlar. Bu çıkış sinyalleri, optik izolatörler veya güç elektroniği elemanları kullanılarak yüksek
akımların kontrolü sağlanır. Şekil 5.11‟de PLC‟nin giriş ve çıkış elemanlarının prensip şeması görülmektedir.
33
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
ġekil 5.11. PLC giriş-çıkış elemanları.
2.3.3. PLC GiriĢ Elemanları ve PLC’ye Bağlantıları
2.3.3.1. Temaslı Algılayıcılar
Kontaktörler
ġalterler-Anahtarlar: Kontak konumunu fiziksel hareket ile değiştiren kumanda elemanlarıdır.
Bunların değişik tipleri vardır. Örneğin, basmalı anahtarlar, mafsallı anahtarlar, dokunmatik anahtarlar,
ışıklı anahtarlar vb. Şalterler genelde iki tipte yapılırlar. 1-Kalıcı tip anahtarlar-şalterler. 2-Butonlar
(geri dönüşlü şalterler)
Mekanik Sınır Anahtarları
Butonlar: Start Butonu, Stop Butonu, İki Yollu Kumanda Butonu.
Şekil 5.12‟de buton, anahtar, çift yollu kumanda butonu ve kontaktörlerin PLC‟ye bağlantısı
görülmektedir.
ġekil 5.12. Buton ve kontaktörün PLC ile bağlanması.
2.3.3.2. Temassız Algılayıcılar
1) Endüktif Temassız Algılayıcılar: Algılayıcı içerisinde bulunan osilatör elektromanyetik değişken bir
alan üretir ve bu alan algılayıcının aktif yüzeyinden çıkarak ön tarafına yayılır. Elektriksel iletken olan
bir nesne (metal) algılayıcıya yaklaştırılırsa, elektromanyetik değişken bir alana girdiği için üzerinde
gerilim indüklenerek içersinde fuko akımları oluşur. Böylece osilatör daha çok akım çeker ve gerilim
seviyesi düşer. Gerilimin düşmesi bir karşılaştırıcı tarafından değerlendirilerek çıkış katına sinyal
gönderilir. Çıkış katında anahtarlama işlemi yapılarak algılayıcı çıkış sinyali elde edilir. Algılayıcının
önünde herhangi bir metal nesne olmadığı sürece bu gerilim aynı seviyede kalır ve karşılaştırıcı
reaksiyon göstermediği için çıkış sinyali alınmaz. Şekil 5.13‟te endüktif algılayıcının prensip şeması
verilmiştir.
ġekil 5.13. Endüktif sensör ve yapısı.
2) Kapasitif Temassız Algılayıcılar: Burada fiziksel büyüklüklerin elektriksel sinyale çevrilmesinde
kapasite değişiminden yararlanılır. Bu kapasite değişimi iki yolla yapılmaktadır. Bir plaka sabit ve
diğeri hareketli olmak üzere, plakalar arası mesafe (d) değiştirilmek suretiyle kapasite değişimi
sağlanabilir. Algılanacak nesne dielektrik elemanını oluşturacak şekilde kapasite değişimi sağlanabilir.
Kapasitif yaklaşım algılayıcılardaki fonksiyon buna dayanmaktadır. Kapasitif yaklaşım algılayıcıları
34
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
hem iletken olmayan (plastik, tahta, cam, porselen vb.) hem de iletken olan (metaller) nesneleri
algılamak için endüstride kullanılırlar. Şekil 5.14‟de kapasitif sensörler ve yapısı görülmektedir.
ġekil 5.14. Kapasitif sensör ve yapısı.
3) Optik Temassız Algılayıcılar: Fotoelektrik sensörler veya fotoseller, ışık emisyon prensibiyle çalışan
elektronik malzemelerdir ve bir verici ya da ışık kaynağı ile bunların ışınlarını alan bir alıcıdan
oluşurlar. Vericide bulunan ışık kaynağı belirli bir frekansta ışık yayar. Alıcı ise bu kaynaktan
belirlenen frekanstaki ışığın alınmasında kullanılır. Kullanılan ışık kızılötesidir. Sensör, vericiden
gönderilen ışık frekansı ile alıcıdan gelen ışık frekansının karşılaştırmasını yapar. Eğer aynı frekansta
ışık alırsa çıkışını aktif hale getirir. Şekil 5.15‟de çeşitli tipteki fotoelektrik sensörler gösterilmiştir.
ġekil 5.15. Çalışma yapılarına göre fotoelektrik sensörler.
KarĢılıklı Fotoelektrik Sensörler: Karşılıklı tip fotosellerde ışık gönderici ve alıcısı ayrı ayrı monte
edilmişlerdir. İki tarafta da pencere ve odaklama mercekleri bulunur. Alıcı gönderilen ışığı aldığı sürece
reaksiyon gösterilmez. Işık bariyeri arasına ışığı engelleyen bir cisim girdiğinde alıcı anahtarlama
yapar.
Reflektörlü Fotoelektrik Sensörler: Reflektörlü tiplerde gönderici ve alıcı aynı gövde üzerindedir.
Reflektör ışığın tekrar geri yansımasını sağlamak için sensörün karşısına yerleştirilir. Reflektör algılama
mesafesinin içinde olmalıdır. Yansıma kalitesi yüksek bir reflektör ile algılama mesafesi artabilir.
Cisimden Yansımalı Fotoelektrik Sensörler: Cisimden yansımalı fotosellerde, gönderici ve alıcı tek
bir gövde içine yerleştirilmiştir. Gönderici ışığı, algılama mesafesi içindeki objeden geri yansıma yapar
ve bu yansıma alıcı tarafından algılanır. Normal cisimden yansımalı tip fotosellerde algılama mesafesi,
objenin renk ve yüzey şekline bağlı olarak değişir.
2.3.4. PLC ÇıkıĢ Elemanları ve Bağlantı Özellikleri
ÇıkıĢ Kontrol Lambaları
Selenoid Valfler
Röle ve Motorlar
Şekil 5.16‟da PLC giriş ve çıkış elemanlarının PLC modülüne bağlantısı gösterilmiştir.
ġekil 5.16. PLC giriş ve çıkış elemanları
35
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
2.3.5.
PLC Ġle Programlama
PLC programları, devre sembolleri (merdiven diyagram) kullanılarak yapılabileceği gibi doğrudan
komutlar (öğretici dil) ile de yapılabilir.
2.3.5.1. Merdiven (Ladder) Diyagram ile Programlama
Merdiven diyagramı ile programlamada semboller kullanılır. Röleli kontrole alışık olanlar için
merdiven diyagramı ile program yapmak daha kolaydır. Fakat komutların kullanımını da mutlaka öğrenmek
gerekir. Merdiven diyagram ile program yazmak röleli kontrolde çizilen ardışık diyagrama çok benzemektedir.
Fakat ardışık diyagramda kullanılan semboller ile merdiven diyagramında kullanılan semboller farklıdır.
Şekil 5.17‟de basit bir devre gösterilmektedir. Rölenin bobin ve kontağı ardışık diyagramda gösterilir.
Fakat merdiven diyagramda, rölenin bobin ve kontağını çizmeye gerek yoktur. PLC‟de hangi giriş şartlarında
hangi çıkış ya da çıkışların aktif olacağını belirtmek yeterlidir. PLC, rölenin fonksiyonlarına da sahiptir. Bu
nedenle röleyi çizmeye gerek yoktur. Aşağıdaki diyagram X1 (“a” kontak), X2 (“b” kontak) ve Y0‟ın
kullanıldığı bir ardışık diyagramı ve merdiven diyagramını göstermektedir.
ġekil 5.17. Basit bir devrenin merdiven diyagramı
3. DENEYĠN YAPILIġI
Deney 1- Asenkron Motorların Ġki Yönlü ÇalıĢtırılması:
Üç fazlı asenkron motorların devir yönlerinin değiştirilmesi, iki fazın yerlerinin değiştirilmesi ile
olmaktadır. Motor bir yöne doğru dönerken, motorun enerjisi kesilmeden diğer yöne döndürülmeye çalışılması
motorlara zarar vermektedir. Bu nedenle kontak emniyetli çalıştırma kullanılır. Bu çözüm ile motorun enerjisinin
kesilmeden diğer yönde çalıştırılması engellenmiş olur. Şekil 5.18‟de sistemin güç ve kumanda devresi
gösterilmektedir.
ġekil 5.18. Asenkron motorların iki yönlü çalıştırılmasına ait güç ve kumanda devresi.
Uygulama:
İki yönlü çalışmaya ait kumanda devresinin çalışmasını açıklayınız.
PLC yazılımının yüklü olduğu bilgisayarda Step-7 Microwin PLC programını çalıştırınız.
Şekil 5.18‟deki PLC programını gerçekleştiriniz.
Yazdığınız programı S7-200 PLC‟ye yükleyiniz.
Gerekli elemanları PLC setine bağlayarak, PLC setine enerji veriniz ve programın ve sistemin
çalışmasını Microwin programından online gözlemleyiniz.
Aynı programı motoru otomatik olarak 10 sn sola, sonra 25 sn sağa döndürecek şekilde nasıl
yapabiliriz?
36
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
ġekil 5.19. Asenkron motorların iki yönlü çalıştırılmasına ait PLC programı.
Ġnput
Adresi
Stop Butonu
I0.0
İleri Yön
Butonu
I0.1
Geri Yön
Butonu
I0.2
Output
İleri Yön
Kontaktörü
Geri Yön
Kontaktörü
Adresi
Q0.0
Q0.1
Tablo 5.2. İki yönlü çalışmaya ait PLC giriş ve çıkış adresleri.
Deney 2- Asenkron Motorlara Yıldız-Üçgen Yol Verme
Özellikle büyük güçlü motorların kalkınma anında çektikleri akım oldukça yüksektir (Yaklaşık nominal
akımın 3 katı yüksek akım çekerler). Bu dezavantajdan kurtulmak için, motor ilk önce yıldız çalıştırılır. Böylece
motor sargılarına daha düşük gerilim uygulanmış olur.
Uygulama:
Yıldız-üçgen yol vermeye ait kumanda devresinin çalışmasını açıklayınız.
PLC yazılımının yüklü olduğu bilgisayarda Step-7 Microwin PLC programını çalıştırınız.
Şekil 5.20‟deki PLC programını gerçekleştiriniz.
Yazdığınız programı S7-200 PLC‟ye yükleyiniz.
Gerekli elemanları PLC setine bağlayarak, PLC setine enerji veriniz ve program çıktılarını
gözlemleyiniz.
Yıldız yol alma süresini 6 sn yapabilmek için gerekli işlemleri yapınız.
ġekil 5.20. Yıldız-üçgen yol vermeye ilişkin kumanda ve güç devresi.
37
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
ġekil 5.21. Yıldız-üçgen yol vermeye ilişkin PLC programı
Ġnput
Adresi
Output
Adresi
Start butonu
I0.0
Ana kontaktör
Q0.0
Stop butonu
I0.1
Yıldız çalışma kontaktörü
Q0.1
Üçgen çalışma kontaktörü
Q0.2
Tablo 5.3. Yıldız-üçgen yol vermeye ait PLC giriş ve çıkış adresleri.
Deney 3- PLC ile Sensör ve Sayıcı Uygulaması
Bir dolum tesisinde cisimden yansımalı bir fotoelektrik sensör (I02) ile konveyör üzerinde hareket eden
şişeler sayılmaktadır. Bu sensör 10 adet şişeyi saydıktan sonra, etiketleme makinesi (Q0.0) çalışmakta ve
etiketleme işlemi bitince, etiket sensörü (I0.3) sayıcıyı sıfırlayarak, bandı tekrar çalıştırmaktadır. Bu işlemi
gerçekleştirecek uygun PLC programını tasarlayınız.
ġekil 5.22. Endüstriyel bir şişeleme ve dolum tesisi.
Uygulama:
PLC yazılımının yüklü olduğu bilgisayarda Step-7 Microwin PLC programını çalıştırınız.
I0.2 girişine bağlı sensörün önünden 10 parça geçtiğinde Q0.0 çıkışı aktif edilecek, I0.3 girişine bağlı
sensör algıladığında ise sayıcı sıfırlanacaktır.
Şekil 5.22‟deki PLC programını gerçekleştiriniz.
Yazdığınız programı S7-200 PLC‟ye yükleyiniz.
Gerekli elemanları PLC setine bağlayarak, PLC setine enerji veriniz ve program çıktılarını
gözlemleyiniz.
Program ileri yönlü bir sayıcı kullanılarak nasıl gerçekleştirilir?
38
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 5
ġekil 5.23. Sayıcı ile ilgili örnek PLC programı.
4.
RAPORDA ĠSTENĠLENLER
1- Deneyde yapılan güç ve akım yolu şemalarını çizerek, çalışmalarını adım adım açıklayınız.
2- Asenkron motorlarda / ∆ klemens bağlantısı nasıl yapılır? Asenkron motorlarda / ∆ yol vermeye
neden gerek duyulur? Hangi güçlerde bu yol verme yöntemi kullanılır?
3/ ∆ yol verme süresi ne kadardır ve bu süre nasıl belirlenir?
4- Direkt yol verilen 3 fazlı asenkron motorla tahrik edilen bir band sistemi ile A-B-C noktaları arasında
yük taşınmaktadır. Yük A „ya konulunca band çalışmakta, B „ye gelince 30 saniye beklemekte ve C
„ye gelince durmaktadır. Yükün B „de durduğu bir sinyal lambası ile ikaz edilmektedir. Güç ve akım
yolu şemalarını çiziniz? PLC programını yazınız.
39
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:6
ġEBEKE ĠLE PARALEL ÇALIġAN SENKRON GENERATÖR
1. DENEYĠN AMACI
Bu deneyin amacı; senkron generatörün şebekeyle paralel çalışabilmesi için gereken şartların sağlanması
ve paralel bağlanan senkron generatörde aktif ve reaktif güç ayarının gerçekleştirilmesidir.
2. TEORĠ
Günümüzde senkron generatörlerin bağımsız olarak bir yükü beslemesi uygulamalarına pratik hayatta pek
az rastlanılmaktadır. Senkron generatörler lokal (tek başına) olarak ancak acil ihtiyaç gereken uygulamalarda
kullanılmaktadır. Genellikle birçok generatörle veya enterkonnekte şebekeyle paralel olarak çalıştırılırlar.
Paralel çalışmanın birçok avantajı vardır. Bunlar:
a) Birkaç generatör; bir generatörün tek başına besleyebileceği bir yükten daha büyük bir yükü
besleyebilir.
b) Paralel çalışan generatörlerden oluşan güç sistemlerinin güvenilirliği yüksektir. Herhangi bir generatör
devre dışı olsa bile, bu generatörün beslediği yük grubu diğer generatörlerden beslenebilir.
c) Paralel çalışan generatörlerden oluşan güç sistemlerinde generatör bakımı kolaylıkla yapılabilir.
d) Paralel çalışan generatörler yerine yüksek güçlü bir generatörle bir yük grubu beslenebilir. Ancak,
yükün bir kısmı devrede olmadığında, generatör nominal şartlarda çalıştırılmadığından verimli kullanılmamış
olur.
İşte bu nedenlerle senkron generatör, ya diğer generatörlerle ya da şebekeyle paralel çalıştırılır.
Bir generatörün diğer generatörlerle veya sonsuz güçlü şebekeyle (enterkonnekte sistemle) paralel
çalıştırılabilmesi için bazı şartların yerine getirilmesi gerekir. Bu şartlar aşağıdadır.
ġekil 1. Bir generatörün enterkonnekte şebekeye veya diğer bir generatöre paralel bağlanması
1) Paralel bağlanacak generatörün frekansı, şebeke frekansıyla aynı olmalıdır. Paralel bağlanacak
makinanın generatör olarak çalışabilmesi için makina frekansı şebeke frekansından biraz büyük tutulmalıdır. Bu
şart yerine getirilmezse senkron generatör ve şebeke (veya diğer generatör) arasında aktif sirkülasyon akımları
akar. Eğer frekanslar arasındaki fark %1 ‟den büyük olursa senkron generatör ve senkron generatörü tahrik eden
sistemin milleri burulabilir. Niçin? (Nedenini öğreniniz)
2) Generatör gerilimiyle şebeke geriliminin genlikleri eşit olmalıdır. Paralel bağlama esnasında
gerilimler arasındaki fark %10 ‟u aşarsa; senkron generatör ve şebeke (veya diğer generatör) arasında yüksek
değerli reaktif sirkülasyon akımları akar. Niçin? (Nedenini öğreniniz)
3) Senkron generatör ve şebekenin faz sıraları aynı olmalıdır.
40
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 6
ġekil 2. Şebeke ve generatör faz sıraları (farklı faz sırası)
Faz sıraları yukarıdaki gibi farklı olursa; A fazları açısından bir problem oluşmaz. Ancak, B ve C
fazlarından çok yüksek akımlar geçer ve makinenin bu sargıları yanabilir.
4) Senkron generatör ve şebekenin aynı isimli fazlarının faz açıları (faz farkları) aynı olmalıdır.
Yukarıdaki teorik bilgilerle paralel bağlamada aşağıdaki işlem basamakları gerçekleştirilir:
İlk olarak senkron generatör tahrik edilir. Devir sayısı senkron devirin biraz üzerinde tutulur. Şebeke ve
generatör frekansları frekansmetreyle ölçülür ve tahrik makinesinin devir sayısıyla frekanslar eşitlenir.
İkinci aşamada senkron generatörün uyarma sargısına gerilim uygulanır ve uç gerilimi enterkonnekte
şebeke gerilimiyle aynı yapılır.
Üçüncü aşamada faz sıraları ve faz farklarının aynı olması sağlanır.
Şartlar yerine getirildiğinde şebekeye paralel bağlanılabilir.
2.1. Faz Sırası Kontrolü
Senkron generatör ve şebeke fazlarına küçük güçlü bir asenkron motor bağlanır. Asenkron motorun aynı
dönüş yönünün elde edildiği faz sıralanışı doğru sıralanıştır.
İkinci yöntem üç yanan lamba bağlantı yöntemidir. Bu yöntemde lambalar aşağıdaki gibi bağlanır.
ġekil 3. Paralel bağlı senkron generatörlerin blok şeması
Eğer tüm lambalar karanlık ve parlak olarak aynı anda yanıyorlarsa; sistemler aynı faz sırasına sahiptir.
Eğer lambalar sırasıyla yanıyorlarsa, zıt faz sırasına sahiptirler. Bu durumda faz sırası değiştirilmelidir.
2.2. Faz Farkı Kontrolü
Faz farkını kontrol için kullanılan yöntemler aşağıdadır.
a) Senkronoskop : Enterkonnekte şebekeye bağlanacak generatörün frekansı, şebeke frekansından büyük
olursa (istenen durum) senkronoskop saat ibresi yönünde döner. Aksi takdirde saat ibresinin tersi yönünde döner.
Senkronoskop düşey pozisyonda durduğunda gerilimler aynı fazdadır ve şebekeye bağlanmak için anahtar
kapatılabilir.
b) Sönen Lamba Yöntemi : Şebekeye veya sisteme paralel bağlanacak generatörün frekansı şebeke
frekansına yaklaştıkça lambaların yanıp sönme periyodu uzar. Lambaların sönük olduğu periyodun tam ortası,
anahtarın en güvenilir şekilde kapatılacağı andır.
c) Parlak Lamba Yöntemi : Sönen lamba bağlantısında lamba sönmüş gözükse bile bir gerilim farkı
olabilir. Bu da paralele geçişde sorunlar doğurabilir. Parlak lamba yönteminde de lambalar yanıp sönerler, ancak
en parlak yanma anı senkronizasyon anıdır. Bu yöntemde de lambaların tam yanık olduğu durumlarda 60ο ‟lik bir
hata olabilir. Bu nedenle 3 fazlı devrelerde pek tercih edilmez.
d) Dönen Lamba Yöntemi : Senkronizasyon anında iki parlak yanan, bir sönen lamba bağlantısından
ibarettir. Siemens Halske yöntemi olarak da bilinir. İki lamba grubu farklı fazlara, bir lamba grubu da aynı isimli
fazlara bağlanır (Generatörün R ‟si ile şebekenin R ‟si gibi). Lambaların parlaklığı bu yöntemde sıra ile değişir.
Lambaların yanıp sönme hızı alternatörün frekansı konusunda da bir bilgi sahibi olmamızı sağlar.
41
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 6
Senkronizasyon anında aynı isimli fazlara bağlanan lamba grubu söner. Diğer iki lamba grubu ise aynı
parlaklıkta yanar.
ġekil 4. Dönen lamba bağlantısı
Bu yöntemde aynı isimli fazlara bağlı lamba senkronizasyon anında söner. Ancak bu lamba üzerindeki
gerilim; lamba flamanını ısıtmayacak değerde iken de lamba sönmüş görülür. Bundan dolayı mevcut gerilim
senkronizasyon anında olması gereken değerden daha büyük olabilir. Bu durumu önlemek için sönen lambanın
bağlandığı fazlara bir sıfır voltmetresi de bağlanır ve gerilim buradan izlenir.
3. DENEYĠN YAPILIġI
3.1. Deneyden Önce Ġstenenler
1- Deneye gelmeden önce yuvarlak ve çıkık kutuplu senkron generatörlerin aktif güç-frekans, reaktif güçgerilim değişimlerini ve fazör diyagramlarını çiziniz.
2- Senkron generatörün gerilim üretimini ve gerilimin genliğiyle frekansının nasıl ayarlanabileceğini
araştırınız.
3.2. Deneyde Kullanılan Elemanlar
DA şönt motor (Senkron generatörün devir sayısını, dolayısıyla frekansını ayarlamak için)
Senkron generatör
Frekans metre (2 adet). Set üzerinde hazır.
Voltmetre (2 adet). Set üzerinde hazır.
Dönen lamba sistemi. Set üzerinde hazır.
Köprü kontrolsüz doğrultucu. Senkron generatör uyartım sargısına uygulanacak DC gerilim için.
Senkronoskop anahtarı (kontaktör)
Universal avometre (sıfır voltmetresi olarak)
3.3. Deneyin YapılıĢı
1- Bir santralde generatör hareket kaynağı ya bir dizel motor grubu, ya bir buhar türbini ya da su türbinidir.
Yapılacak deneyde bu işlev bir doğru akım motoruyla yerine getirilecektir. Doğru akım motoru şönt veya
kompunt olarak bağlanabilir. Deneyde doğru akım motoru şönt olarak bağlanmıştır. Motorun hızı uyarma
sargısına bağlı hız ayar direnciyle ayarlanmaktadır.
2- Deneyde DA motoru, senkron generatör ve senkronizasyon sisteminin bağlantısı önceden yapılmıştır.
Hem kompleks olması, hem de uzun süreye gereksinim göstermesinden dolayı bağlantı önceden
hazırlanmıştır. Bağlantı detayları deney esnasında bağlantılar yerlerinden çıkarılmadan incelenebilir.
3- Deneydeki işlem basamakları aşağıdadır.
a) DC ve AC şebeke açılır. Bu durumda senkronizasyon panosundaki lambaların yandığı görülür.
b) Doğru akım motoruna yol verilir ve hızı 1500 devire yaklaştırılır.
c) Kontrolsüz doğrultucunun girişindeki varyak ile doğrultucu giriş gerilimi değiştirilerek senkron
generatörün uyarma sargı gerilimi arttırılır. Senkron generatörün uç gerilimi şebeke gerilimine eşitlenir.
d) Bu işlemlerin sonunda lambaların dönerek yanıp söndüğü görülür.
e) Lambaların dönüş hızı mümkün olduğunca yavaşlatılır ve saat dönüş yönünde dönme sağlanır.
f) Aynı isimli fazlara bağlı olan lambanın söndüğü an, sıfır voltmetresinden de izlenir. Sıfır
voltmetresindeki gerilim fazlar arası gerilimin %10 ‟undan daha düşük bir değere geldiğinde,
senkronizasyon butonuna basılarak paralele girilir. Deney esnasında sıfır voltmetresindeki gerilim 10 V
‟un altına düşünce paralele girme, darbesiz bir girişi sağlayacaktır.
Şebekeyle paralel bağlandıktan sonra;
1) Aşağıdaki değerleri kaydediniz. Her bir deney aşaması için ölçeceğiniz değerleri kaydedeceğiniz,
aşağıdaki tabloyu deneye gelmeden hazırlayınız.
42
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 6
Generatör terminal gerilimi :
Generatör akımı :
P(W):
Cos :
Q ( VAR ) :
fe :
Sayaç dönüş yönü :
DC makinenin uyarma akımı :
AC generatör uyarma akımı :
AC generatör uyarma gerilimi :
2) DC motorun uyarmasını kademeli olarak (%1 kadar) azaltınız ve tablodaki değerleri kaydediniz.
Bu durumda senkron ve doğru akım modellerinin çalışma modlarını belirtiniz. Güç değerlerini
yorumlayınız. Senkron makine ile şebeke arasında nasıl bir güç alışverişi olur? Yorumlayınız.
3) Bu konumlardan herhangi birinde senkron generatörün uyarma akımını iki kademe için her bir
kademede %1 kadar arttırınız. Yukarıdaki tabloda bulunan değerleri alınız ve sonuçları yorumlayınız.
4) Hem DC makine, hem de SM ‟nin uyartımlarını başlangıç konumuna getiriniz. DA makinesinin
uyarma akımını yine aynı kademelerde iki ayrı konum için arttırınız. Tabloda bulunan değerleri alınız ve
sonuçları yorumlayınız.
5) DA makinesinin uyarma akımının arttırıldığı durum için; senkron makinenin uyartım akımını %1 ‟lik
aralıklarla 2 kademe arttırıp, azaltarak tablodaki değerleri elde ediniz. Sonuçları yorumlayınız ve I f, Ia değişimini
çiziniz.
ġekil 5. Senkron generatörü tahrik eden dc motor bağlantı şeması
4. RAPORDA ĠSTENENLER
1234-
Deneyin yapılışı kısmında istenilen yorumları ayrı ayrı yapınız ve istenilen grafikleri çiziniz.
Senkron generatörün fazör diyagramını çizerek sonuçları yorumlayınız.
Senkron makine devir sayısı, aktif güç, uç gerilimi, reaktif güç değişimlerini elde edip yorumlayınız.
Senkronizasyon anahtarı yüksüz durumda açılırsa ne olur? Yorumlayınız.
43
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 6
ġekil 6. Deney seti senkronizasyon bloğu bağlantı şeması
44
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:7
ASENKRON MOTORLARA YOL VERME VE HIZ AYARI YÖNTEMLERĠ
1.
DENEYĠN AMACI
Bu deneyin amacı; asenkron motorlarda kullanılan direkt yol verme, ototransformatörle yol verme ve
sadece bilezikli asenkron motorlarda kullanılan rotora direnç ilave ederek yol verme yöntemlerini incelemek ve
asenkron motorlarda stator gerilim değerinin değiştirilmesi ile hız ayarı ve sadece bilezikli asenkron motorlarda
kullanılan rotor devresine direnç ilave ederek hız ayarı yöntemlerini incelemektir.
2.
TEORĠ
2.1. Asenkron Motorlarda Yol Verme Yöntemleri
Bir asenkron motor dururken, n=0 ve s=1 ‟dir. Bu durumda motorun stator sargısına nominal gerilim
uygulandığında, motor bağlı olduğu şebekeden nominal akımının 5-6 katı daha büyük bir akım çeker. Büyük
güçlü motorlarda ve bunların çalışabileceği zayıf şebekelerde (iç empedansı oldukça büyük) bu akım, şebeke
geriliminde azalma meydana getirir. Bu tip motorların çok olması halinde ise, şebeke bu akımı sağlayamayabilir.
O halde motorun yol alma akımını sınırlamak lazımdır.
Pratikte kullanılan yol verme yöntemleri aşağıdaki gibi sıralanabilir.
1. Doğrudan doğruya şebekeye bağlanarak yol verme
2. Ototransformatörle yol verme
3. Stator yanına tristör yada direnç bağlayarak yol verme
4. Yıldız üçgen yol verme
5. Rotora direnç ilave ederek ya da tristör kullanarak yol verme (Bilezikli motorlara yol verme)
2.1.1. Doğrudan Doğruya ġebekeye Bağlanarak Yol Verme
Motorları besleyen şebekenin büyüklüğü, bu yöntemle yol verilecek motorların gücünü belirler.
Doğrudan doğruya bağlama ile yol verme, yurdumuzda bir kaç beygir güçlü (5 kW ‟a kadar) motorlar için
uygulanabilir. Bu yöntemin yararları, yol verme işleminin sade ve gerekli tesisatın ucuz olmasıdır. Ayrıca büyük
akımla yol alma, ivmenin büyük olmasını ve motorun nominal hızına daha kısa zamanda ulaşmasını sağlar.
2.1.2. Ototransformatörle Yol Verme
Yöntemin esası, yol alma akımını küçük tutmak için, stator sargılarına düşük gerilim uygulamaktır. Motor
hızlandıkça, bu gerilimde artırılır ve nominal gerilime çıkartılır. Stator akımı I S, stator gerilimi US ile orantılıdır.
Ayrıca Mk devrilme momenti ise stator geriliminin karesi (US2) ile orantılıdır. O halde IS akımını uygulanan
gerilimle azaltırken Mk ‟da azalacaktır. Bu nedenle kalkış momenti (Mb) ‟nin , yük momentinden (My) büyük
olup olmadığı (Mb>My) kontrol edilmelidir.
ġekil 1. Bilezikli asenkron motora uygulanan değişik gerilimlerdeki moment-hız karakteristikleri
Asenkron makinanın güç akış diyagramı:
45
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 7
3.U S2 .( Rr| / s )
Mn
S
RS
Rr|
s
,
2
X T2
Mb
3.U S2
,
2. S X T
s
2. .n s
, nS
60
60. f S
p
,
sk
Rr|
XT
2.1.3. Bilezikli Asenkron Motorların Rotoruna Direnç Ġlave Ederek Yol Verme
Rotora direnç ilave ederek yol verme, rotorunda fırça-bilezik bulunan ve sargı uçları dışarıya çıkarılmış
olan rotoru sargılı motorlarda gerçekleştirilebilir.
ġekil 2. Bilezikli asenkron motorda rotora seri direnç bağlayarak elde edilen moment-hız karakteristikleri
46
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 7
Devrilme kaymasının Sk=Rr / XT bağıntısında eğer Rr direncini değiştirirsek Sk ‟da değişir. Mk devrilme
momenti Rr ‟ne bağlı olmadığından değişmez. Şekil 2 ‟deki moment devir sayısı karakteristiğinden görüleceği
gibi, rotor sargılarına ilave bir direnç bağlamakla hem kaynaktan çekilecek akım sınırlanır hem de M b kalkış
momenti büyütülür. Başlangıç momentinin rotora direnç ekleyerek büyütülmesinin, motorun milinde M y gibi bir
yük momenti varsa büyük bir avantajı vardır. Başlangıç anında yük momenti M y, başlama momenti Mb ‟den
büyükse yani My>Mb ise motor harekete geçemez. Motorun harekete geçmesi için başlama momentini
büyültmek gereklidir. Bunun için rotor devresine direnç ilave ederek motorun başlama momenti büyütülür ve
Mb>My olduğunda motor hareket eder. Motor nominal hızına gelince ilave dirençler devre dışı bırakılır.
2.2. Asenkron Motorlarda Hız Ayarı Yöntemleri
Asenkron motorun normal çalışma bölgesinde devir sayısı yükle çok az değişim göstermektedir.
Endüstride bir çok iş makinası, değişik bir kaç devir sayısı ile çalışabilen ya da çoğu zaman sürekli hız ayarı
yapılabilen motorlara ihtiyaç gösterir. Asenkron motorun ucuz olması, fırça ve kollektörünün bulunmaması
nedeni ile az arıza yaparak sürekli çalışma imkanının bulunması, bu motorların yaygın olarak kullanılmasına ve
hız ayarının da yine asenkron motorlar yardımı ile yapılmasına yol açmıştır.
Asenkron motorlarda hız ayarı ilkeleri aşağıdaki gibi sıralanabilir.
1. Statora uygulanan gerilimin frekansının değiştirilmesi
2. Statora uygulanan gerilim değerinin değiştirilmesi
3. Stator sargısı kutup sayısının değiştirilmesi
4. Rotora bağlanan direncin değiştirilmesi
5. Rotor sargılarına dış kaynaktan gerilim uygulanması
2.2.1. Statora Uygulanan Gerilim Değerinin DeğiĢtirilmesi
Asenkron motorun momentinin, gerilimin karesi ile doğru orantılı olarak değiştiği bilinmektedir. Gerilim
nomina1 değerinin yarısına düştüğünde moment dörtte birine düşer. Momentin hızla değişimi değişik stator
gerilimleri için Şekil 3 ‟de gösterilmiştir. Aynı şekil üzerinde, bir yükün dönme sayısı ile yük momenti
arasındaki karakteristik de gösterilmiştir. Şekilde belli bir yük momenti için stator gerilimi nominal değerinde
iken, motorun dönme sayısı n1, yarı gerilimde ise n2 ‟dir ve n2 < n1 ‟dir. Böylece dönme sayısı, belli bir yük için
prensip olarak stator geriliminin değeri ile ayar edilmiş olur.
Maksimum momentin değeri ve moment, stator geriliminin karesi ile değiştiğinden, gerilim azaldığında
moment de karesel olarak azalacağından, bu hız ayar yöntemi endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak,
küçük güçlü sincap kafesli motorlarda, vantilatör tahrikinde kullanılmaktadır.
ġekil 3. Bilezikli asenkron motora uygulanan değişik gerilimlerdeki moment-hız karakteristikleri
2.2.2. Rotora Bağlanan Direncin DeğiĢtirilmesi Ġle Hız Ayarı
Rotor sargısına direnç ilave ederek hız kontrolü, ancak uçları bilezik-fırça üzerinden dışarıya alınmış olan
bilezikli motorlarda yapılabilir. Bilezikli asenkron motorun, rotora ilave edilen dirençlerle moment
karakteristiğinin değiştirilebileceği yol verme bölümünde gösterilmişti. Rotor sargısına bağlı seri dirençlerin
değişik değerleri için moment-hız karakteristiği Şekil 4 ‟de gösterilmiştir. Bilezikli asenkron motorda R 1 <R2 <
R3 dirençlerinin rotor sargısına ilave edilmesi ile değişik moment-hız karakteristikleri elde edilir. Şekil 4 ‟de yük
momentine ait karakteristik, motor moment karakteristiklerini n1, n2 ve n3 devir sayılarında keser. Böylece belli
bir yük için, rotorun R1 direncinde devir sayısı n1, R2 direncinde n2 ve R3 direncinde de n3 olur. Büyük rotor
direncinde P3 noktasındaki çalışmada yük momentinin küçük değişmeler göstermesi halinde hız çok değişirken,
P1 noktasında da (örneğin küçük rotor dirençlerinde) hız az değişir.
47
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 7
Rotor sargısına direnç ilave ederek yapılan hız kontrolünün sakıncası dirençlerdeki ısı kayıplarının verimi
düşürmesi ve ek kayıplara yol açmasıdır.
ġekil 4. Bilezikli asenkron motorda rotora seri direnç bağlayarak elde edilen moment-hız karakteristikleri
3.
DENEYĠN YAPILIġI
3.1. Deneyde Kullanılan Elemanlar
Asenkron motor
Doğru akım motoru
Ototransformatör
Yol verme – hız ayar direnci
Yük direnci
Pendel seti
AVO metre
Güç ölçer
3.2. Deneyin YapılıĢı
3.2.1. Asenkron Motorlara Ototransformatörle Yol Verme ve Statora Uygulanan Gerilim Değerini
DeğiĢtirerek Hız Kontrolü Deneyi
Şekil 5 ‟deki bağlantı şemasında verilen montajı hazırlayınız. Sonra ototransformatörün sekonder
devresine bağlanmış olan voltmetreye bakarak, ototransformatörün sekonder gerilimini sıfır değerinden
başlayarak anma gerilimine kadar artırınız. Yol verme durumunda rotor sargısına bağlı durumda olan reosta sıfır
konumundadır. Yani rotor sargısına ilave direnç eklenmemiştir. Bu durumda asenkron motorun statoruna
uygulanan gerilim arttıkça rotorun devir sayısı da durmadan artar ve nominal gerilimde en büyük değerine ulaşır.
Daha sonra asenkron motoru nominal gerilimde, bir dinamofren ile yavaş yavaş yükleyiniz ve motorun
momentini boşta çalışma değerinden, anma değerine kadar kademeli olarak ayarlayınız. Her kademe için I
(akım), Pel (giriş gücü), M (moment) ve n (hız) değerlerini ölçerek tablo halinde yazınız. Daha sonra bu deneyi
Us =342, 304 ve 266 voltta tekrarlayız.
3.2.3. Bilezikli Asenkron Motorun Rotor Sargısına Direnç Ġlave Ederek Yol Verme ve Hız Ayarı Deneyi
Şekil 5 ‟deki bağlantı şemasında verilen montajda, yol vermede uçların bileziklere temasını sağlayan ve
fırçalara bağlı bulunan, yıldız bağlı yol verme direncini basamak basamak küçültünüz. Bu durumda rotor devir
sayısı durmadan artar ve yol verme direncinin sıfıra eşit yapılması, yani rotor uçlarının kısa devre edilmesi
halinde en büyük değerine ulaşır. İlk önce rotora ilave edilen Ril=0 iken motoru dinamofren ile yükleyiniz.
Asenkron motorun momentini, boşta çalışma değerinden anma değerine kadar kademeli olarak ayarlayınız. Her
kademe için I, Pel, cos , M ve n değerlerini ölçerek tablo halinde hazırlayınız.
Aynı deneyi gerilimi nominal gerilimde sabit tutarak, yol verme direncinin değişik basamaklarında
tekrarlayınız ve her ilave direnç değerinde I, P el, cos , M ve n değerlerini ölçerek tablo halinde hazırlayınız.
48
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 7
ġekil 5. Bilezikli asenkron motorun değişik rotor dirençlerinde ve değişik stator gerilimlerinde işletme
karakteristiklerinin çıkarılmasına ait bağlantı şeması
4. RAPORDA ĠSTENENLER
1- Her iki deneyde (stator gerilimini değiştirerek ve rotor sargılarına direnç ilave ederek) ölçtüğünüz
değerlerden yararlanarak; s (kayma), Pmek (çıkıĢ gücü), (verim) değerlerini hesaplayınız.
2- Ölçdüğünüz ve hesapladığınız değerlerden yararlanarak; I=f(n), M=f(n), Pel=f(n), Pmek=f(n), =f(n) ve
cos = f(n) eğrilerini çiziniz.
49
FIRAT ÜNĠVERSĠTESĠ
MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ
ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ
ELEKTRĠK TESĠSLERĠ LABORATUVARI
DENEY NO:8
YÜKSEK GERĠLĠM ĠZOLATÖRLERĠNDE YÜZEY KAÇAK AKIMLARININ ÖLÇÜLMESĠ
1. DENEYĠN AMACI
Bu deneyin amacı; yüksek gerilim izolatör test yöntemlerini öğrenmek, kirlenme atlaması hakkında bilgi
sahibi olmak ve kuruda ve yaşta izolatör yüzeyindeki kaçak akımları incelemektir.
2. TEORĠ
İzolatörler, elektrik hava hatlarında ve tesislerinde iletkenleri taşımaya ve elektriksel izolasyonu
sağlamaya yarayan porselen, cam veya epoksi reçineden yapılmış araçlardır. İzolatörler, deşarj ve atlamalar
sonucu ortaya çıkan termik zorlanmalara, açık hava tesislerinde kar, buz ve rüzgarın neden olduğu mekanik
kuvvetlere, kirlenme neticesi sis ve çiğin sebep olduğu elektriksel izolasyon zayıflamasına maruz kalırlar. Bu
nedenle izolatörler üzerinde yapılacak testlerle bu özellikler bakımından yeterli nitelikte olduklarının kontrol
edilmeleri gerekmektedir.
İzolatör testleri çeşitli ülkeler ve milletlerarası kuruluşlarca kabul edilen standartlarda tarif edilmişlerdir.
Bu testlerin ortak amacı, izolatörün servis şartlarında karşılaşacağı elektriksel, mekanik, termik vb. zorlanmaları
en iyi şekilde laboratuvar ortamında temsiledebilmektir. İzolatörler üzerinde yapılan standart testler imalat ve
kalite kontrol vazifesi yanında yeni tiplerin geliştirilmesine de yardımcı olmaktadır. İzolatörler üzerinde
genellikle aşağıda açıklanan standart muayene ve testler yapılmaktadır.
2.1. Yüksek Gerilim Ġzolatör Testleri
2.1.1. Ġmalat Testleri
2.1.1.1.Mekanik Test
Zincir izolatörleri en az 10 saniye süre ile 24 saatlik mekanik dayanıklılık test yükünün %60‟ına eşit bir
germe yükü altında tutulur. Tek parçalı izolatörlerin testinde ise bu yük 24 saatlik mekanik dayanıklılık test
yüküne eşit olarak alınır ve 1 dakika süre ile uygulanır.
2.1.1.2. Yüksek Frekans Testi
İzolatörler 10 saniye süre frekansı (100–300) kHz olan bir alternatif gerilime maruz bırakılır.
2.1.1.3. ġebeke Frekanslı Test
Bu testte izolatörlere şebeke frekanslı (15-100 Hz) gerilim uygulanır. Gerilim, zincir izolatörlerin metal
parçaları arasına uygulanır. Fakat istenirse izolatörler baş aşağı olarak ve içinde yan iletken yuvasını örtecek
kadar derinlikte su bulunan bir metal kaba yerleştirilir. Gerilim kap ile izolatörün tespit yuvasının hemen hemen
tepesine kadar doldurulmuş olan su arasına uygulanır. Porselenin elektriksel dayanımını azaltmamak kaydıyla,
su yerine metal elektrotlar da kullanılabilir.Test gerilimi, izolatörlerden bir tanesinde her 4 veya 5 saniyede bir
atlama meydana getirecek değerde olmalıdır. Bu gerilim en az 5 dakika süre ile ve devamlı olarak test edilecek
izolatörlere uygulandığında delinme meydana gelmemelidir.
2.1.2. Tip Testleri
Tip testlerinin amacı; izolatörün şekil, büyüklük ve teçhizatının özelliklerini tespit etmektir.Her tip
izolatör için bu tipe ait partide bulunan izolatörler arasından ayrılan sınırlı sayıda izolatörlere uygulanan
testlerdir. Bu testlerin sonucuna göre partideki izolatörlerin tümü hakkında karar verilir. Tip testleri iki grup
halinde uygulanır. Birinci gruba giren testlerle izolatörün şekil, büyüklük ve teçhizatının özellikleri; ikinci gruba
ait testlerle de bunun dışında kalan özellikleri ve kullanılan malzemenin niteliği doğrulanır.
2.1.2.1. Birinci Grup Testler
Bu gruba giren testler, darbe atlama gerilimi testi ile bir dakikalık şebeke frekanslı gerilime dayanma
testinin kuru ve yaşta yapılmasından ibarettir.Testlerden önce izolatörler temiz ve kuru olmalıdır. Test için
izolatörün tespiti, ya kullanılacağı yerdeki normal çalışma şartlarına ya da standartlarda belirtilen testlerin
yapılmasını sağlayacak özel şartlara uygun olmak üzere iki yöntemle yapılır.
50
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
Birinci yöntemde, zincir izolatörlerden taşıyıcı izolatör zincirleri normal çalışma şartlarına uygun olarak
metal parça ve kısımları takıldıktan sonra metal bir konsola düşey durumda asılır. Konsol, izolatör zincir
boyunun an az 1.5 katı ve zincir ekseninden her iki tarafta bir metreden az olmayan uzunlukta bulunmalıdır.
Başka bir cisim, izolatör zincirine bir metreden az olmamak kaydıyla izolatör boyunun 1.5 katı kadar bir
mesafeden daha yakında olmamalıdır. Zincirin kullanılacağı işletmedeki iletken çapına yakın çaptaki bir iletken,
yatay düzlemde ve ekseni konsol ile 900 „lik bir açı yapacak şekilde tesbit edilir. Bu iletken, en az izolatör zincir
uzunluğunun 1.5 katı boyunda olmalı ve zincir ekseninden her iki tarafa en az birer metre uzanmalıdır. İletkenin
uçlarından konsola atlama olmaması için gerekli tedbirler alınmış olmalıdır. Bu durumda test gerilimi iletken ile
konsol arasına uygulanır.
İkinci yöntemde, zincir izolatörü ve izolatör zincirleri mesnetlerine düşey olarak en az bir metre
uzunluğunda topraklanmış tel halat veya uygun bir iletkenle asılır. İzolatör zincirine başka cisimlerin uzaklığı,
bir metreden az olmamak üzere zincir boyunun 1.5 katından daha yakın olmamalıdır. İzolatör zincirinin iletken
bağlanacak tarafına yatay düzlemde tesbit olunacak boru veya çubuk şeklindeki iletkenin üst yüzeyinden alt
izolatörün en yakın kenarına kadar olan mesafe, alt izolatör çapının %50 'si ile %70 'i arasında olmalıdır.
İletkenin çapı kuruda ark mesafesinin %1.5 'i civarında ve en az 25 mm olmalıdır. İletken uzunluğu, izolatör
veya zincir boyunun 1.5 katından küçük olmamak üzere, izolatör ekseninden her iki tarafa en az birer metre
uzanmalıdır. İletkenin uçlarından herhangi bir atlama olmaması için gerekli tedbirler alınmalıdır. Test gerilimi
iletken ile toprak arasına uygulanır.
a) Darbe atlama gerilimi testi : Darbe gerilimi testi, darbe generatörü ile yapılır. Test, tercihen normal rutubetli
(beher m3 havada 11 gram su) atmosferde yapılmalıdır. Bunun mümkün olmadığı hallerde rutubet düzeltme
katsayısı hesaba katılmalıdır. İzolatör zinciri, zincir izolatörü veya mesnet izolatörü yukarıda bahsedilen şartlar
altında kuru olarak testten geçirilir. Darbe generatörü 1.2/50 pozitif yarı dalga verecek şekilde ayarlanır ve
gerilim %50 darbe atlama gerilimi değerine yükselinceye kadar artırılır. Bu değer en az 20 darbe uygulanarak
doğrulanır. Gerilim ölçüldükten sonra polarite değiştirilerek yukarıdaki işlem tekrarlanır. İzolatörler bu teste,
delinme veya kırılma gibi herhangi bir hasar göstermeden dayanabilmelidir. %50 atlama geriliminin standart
atmosfer şartlarına irca olunan pozitif ve negatif polarite değerlerinin, beyan edilen değerlerinin altında olup
olmadığına bakılır.
b) Şebeke frekanslı test : Test geriliminin frekansı 15-100 Hz arasında bulunmalı ve gerilim dalgasının şekli
yaklaşık olarak sinüs eğrisi biçiminde olmalıdır. Gerilim değeri, küresel elektrodlar kullanılması yoluyla veya bu
yolla bulunan değere göre %3 'den fazla fark göstermeyen başka bir yöntemle tesbit edilir. Gerilimin bu suretle
tesbit olunan tepe değerini
‟ye bölmekle bu test için gerekli gerilimin efektif değeri bulunur. Testler tercihen
normal rutubet (beher m3 havada 11 gram su) şartlarındaki atmosferde yapılmalıdır. Rutubet şartları değişik
bulunduğu takdirde, normal değere irca edilmelidir. Endüstriyel frekansta kuruda atlama testi havanın nisbi
rutubeti %55 'i aştığı zaman yapılmamalıdır. İzolatör kısa devre durumunda iken ve devrede önceden tesbit
olunan test gerilimi meydana geldiği zaman, devreden geçecek alternatif akımın değeri 0.1 amperden az
olmayacak şekilde transformatör ve test devresi ayarlanmış olmalıdır.
c) Kuruda bir dakikalık test : İzolatöre kuruda bir dakika süre ile uygulanacak test gerilimi, kuruda bir dakikalık
beyan edilen normal frekanslı test geriliminden atmosfer şartları gözönünde bulundurularak elde edilir. Bulunan
test geriliminin yarı değeri ani olarak izolatöre uygulanır ve 10 saniyeden az olmayan bir süre içerisinde bu
gerilim test gerilimi değerine yükseltilir. Bu değerdeki test gerilimi bir dakika süre ile izolatöre uygulanır.
İzolatörde herhangi bir atlama meydana gelmemelidir.
d) Yaşta bir dakikalık test : İzolatör zinciri, zincir izolatörü veya mesnet izolatörü düzeltilmiş test gerilimi
altında, gerilim uygulanmasından önce 5 dakika süre ile ve teste başlandıktan sonra test süresince suni yağmur
altında bırakılarak yaşta bir dakikalık şebeke frekanslı testten geçirilir.Suni yağmur izolatörden en az 3,5 m
uzaklığa yerleştirilen ve suyu izolatörün üzerine yağdıran püskürtücüler yardımı ile sağlanır. Suni yağmurun
yağış şiddetini ölçmek için 25-30 cm çapındaki yağış ölçme kabı veya yağmur şiddetini ölçme cihazı kullanılır.
Ölçü kaplarının ağzı izolatör veya izolatör zincirinin ortasından geçen yatay düzlemde bulunacak tarzda
yerleştirilir. Atmosferik şartlara göre düzeltilerek bulunan test geriliminin yarı değerine eşit bir gerilim izolatöre
uygulanır ve sonra 10 saniyeden az olmayan bir sürede bu gerilim test gerilimi değerine yükseltilir. Test gerilimi
bir dakika süre ile izolatöre uygulanır.İzolatör yaşta atlama gerilimi, yaşta bir dakikalık test geriliminin %75 'inin
5-30 saniye içerisinde ve değişmeyen bir hızla atlama gerilimine yükseltilmesi suretiyle elde edilir. Yaşta atlama
gerilimi, atmosfer şartlarına göre düzeltilmek suretiyle birbirini izleyen 10 gerilim değerinin okunması ve
kaydedilmesi suretiyle tesbit olunur.
51
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
2.1.2.2. Ġkinci Grup Testler
İmalat testlerinde olumlu sonuç alınan izolatörlerden ayrılacak numuneler sırayla; boyutların
doğrulanması, sıcaklık değişimi, 24 saatlik mekanik dayanıklılık, kısa süreli elektromekanik kırılma yükü,
mekanik kırılma yükü, delinme, gözeneklilik (porozite) ve galvanizlenme niteliği testlerine tabi tutulur.
Zincir izolatörlerinden alınan numune grubu birbirine yakın eşitlikte üç kısma bölünür. Bunların hepsine
boyutların doğrulanması ve sıcaklık değişimi testleri uygulanır. Bundan sonra birinci kısma 24 saatlik mekanik
dayanıklılık ve kısa süreli elektromekanik kırılma yükü testleri, ikinci kısma mekanik kırılma yükü ve
gözeneklilik testleri, üçüncü kısma delinme ve galvanizlenme niteliği testleri uygulanır.
Mesnet izolatörlerinden alınan numune grubu birbirine yakın eşitlikte iki kısma bölünür. Her iki kısma
boyutların doğrulanması ve sıcaklık değişim testleri uygulandıktan sonra, birinci kısma mekanik kırılma yükü ve
gözeneklilik testleri, ikinci kısma delinme ve galvanizli parçalar varsa galvanizleme niteliği testleri uygulanır.
a) Boyutların doğrulanması : Gerekli ölçü aletleri ile izolatör numuneleri boyutlarının ait oldukları imalat
resimlerindeki boyutlara uyup uymadıkları kontrol edilir.
b) Sıcaklık değişimi testi : Zincir izolatörleri sabit metal kısımları ile birlikte, mesnet izolatörleri ise iletkensiz ve
tesbit demirsiz olarak, musluk suyu sıcaklığından 70 0C daha fazla bir sıcaklıktaki su banyosuna, başka bir ara
kap kullanılmaksızın hızla tamamen daldırılır ve bu suyun içinde bekletilir. Daha sonra hızla çıkarılan izolatör
bekletilmeden, içinde musluk suyu bulunan soğuk banyoya tamamen daldırılır ve belirli bir süre bekletilir. Bu
ısıtma ve soğutma işlemi arka arkaya beş defa tekrarlanır. Bir banyodan diğer banyoya geçiş süresi 30 saniyeyi
aşmamalıdır. Banyolardaki su miktarı izolatörün tamamının daldırılmasına ve su sıcaklığının 5 0C 'den fazla
değişmemesine yetecek kadar bol olmalıdır. İzolatörler, 5. defa soğuk banyodan çıkarıldıktan sonra muayene
edilerek çatlamadıkları ve sırlarında herhangi bir bozulma olmadığı tesbit edilmelidir. İzolatörler, porseleni veya
sırı çatlamadan, delinme olmadan ve mekanik kırılma meydana gelmeden bu testlere dayanmalıdır.
c) 24 saatlik mekanik dayanıklılık testi : Bu test sadece zincir izolatörlerine uygulanır. İzolatörler 24 saat süre ile
eksenlerine uygulanan "24 saatlik beyan edilen mekanik test yükü" ne eşit bir gerilme yüküne tabi tutulur. Bu
testten sonra izolatörler, bir dakika süre ile imalat testlerinden, endüstriyel frekans testine delinmeden ve
kırılmadan dayanabilmelidir.
d) Kısa süreli elektromekanik kırılma yükü testi : Bu test sadece zincir izolatörlere uygulanır. İzolatörlerin metal
kısımları arasına şebeke frekanslı gerilim ile mekanik gerilme yükü aynı anda uygulanır. Uygulanan test
gerilimi, test şartları altında kuruda atlama geriliminin %90 'ına eşit olup bu değer bütün test süresince muhafaza
edilir. Gerilme yükü, beyan edilen elektromekanik kırılma yükünün %20 'si oranında ve düzgün bir hızla,
izolatörde hasar veya kırılma meydana gelinceye kadar artırılır. Beyan edilen yükten daha aşağı bir değerde
delinme veya kırılma meydana gelmemelidir.
e) Mekanik kırılma yükü testi : Zincir izolatörlerine beyan edilen mekanik kırılma yükünün yarısına eşit bir
gerilme yükü uygulanır. Bu gerilme yükü metal kısımlar arasına uygulanarak dakikada beyan edilen mekanik
kırılma yükünün %20 'si oranında, düzgün bir hızla kırılma hasıl oluncaya kadar artırılır.Mesnet izolatörleri; test
sırasında uygulanan yükle, farkına varılabilir bir şekil değişmesi meydana gelmeden dayanabilen sabit bir
mesnede tesbit edilmelidir. Beyan edilen mekanik kırılma yükünün yarısına eşit bir yük, mesnedin eksenine
dikey olarak, izolatörün yan iletken yuvasının yüzeyinde bu yuvayı saran bir tel halat ile uygulanır. Bu gerilme
yükü, dakikada beyan edilen mekanik kırılma yükünün %20 'si oranında, düzgün bir hızla kırılma oluncaya
kadar artırılır.
f) Şebeke frekanslı delinme testi : İzolatörler temizlenip kurutulduktan sonra, atlamayı önleyecek uygun bir
yalıtkan madde ile dolu kabın içerisine tamamen daldırılırlar. Kap metal ise, bu kabın boyutları, izolatörün
herhangi bir parçası ile kabın yan yüzeyleri arasındaki en kısa mesafe, izolatörün en büyük siper çapının 1.5
katından az olmayacak büyüklükte seçilmelidir.Test gerilimi, zincir izolatörlerinde metal bağlantı parçaları
arasına, mesnet izolatörlerinde ise metal mesnet ile izolatörün iletken yuvasına bağlanan iletken arasına
uygulanır. Gerilim hızla, beyan edilen kuruda 1 dakikalık şebeke frekanslı test gerilimine çıkarılır. Sonra
saniyede 1000 V 'luk düzgün bir artışla izolatör delininceye kadar bu gerilim yükseltilir.
g) Havada aşırı gerilim darbesi testi : İstenildiği takdirde şebeke frekanslı delinme testi yerine bu test yapılabilir.
İzolatör devreye bağlanmadan önce, darbe generatörü, cephesi beyan edilen diklikte bulunan pozitif bir gerilim
dalgası verecek şekilde ayarlanmalı ve bu dalganın tepe değeri beyan edilen darbe gerilimi değerine eşit
olmalıdır. İzolatöre 20 darbe uygulanmalı ve bu test sırasında izolatör delinmemelidir.
52
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
h) Gözeneklilik (porozite) testi : İzolatör kırıkları, etil alkolçözeltisinde hesaplanacak süre kadar bekletilir. Bu
şekilde bekletilen izolatör kırıkları, yıkanıp kurutulduktan sonra tekrar kırılarak renkli fuksin çözeltisinin
porselen içine veya sır ile porselen arasına sızıp sızmadığı, rengin yayılıp yayılmadığı kontrol edilir.
i) Galvanizlenme niteliği testi : İzolatörlerin metal kısımları benzin veya diğer uygun yağ eriticilerine
daldırılarak temizlenir, temiz ve yumuşak bir bezle kurulanır. Sonra %2 sülfürik asit çözeltisine daldırılarak 15
saniye bekletilir. Bu metal parçalar temiz su ile iyice yıkanıp, yumuşak bir bezle kurulanır.Daha sonra her metal
parça, filtre edilmiş ve yoğunluğu 20 0C 'de 1,170 0,01 olan bakır sülfat çözeltisine 4 defa birer dakika süreyle
tamamen daldırılır. Bu testte çözelti ve metal parçalar hareket ettirilmemelidir. Her daldırıştan sonra numune
yıkanmalı ve akar su altında fırçalanmalıdır. Son daldırış hariç olmak üzere dikkatlice kurulanan bu parçalar
çözeltiye tekrar batırılmalıdır. Dördüncü daldırıştan sonra deney parçaları yüzeyine yapışmış ve su altında fırça
ile giderilmeyen kırmızı metal bakır kalıntıları bulunmamalıdır.
2.2. Ġzolatörlerde Fiziksel Kirlenme ve Kirlenme Atlaması
Kirlilik teriminin izolatör yönünden özel bir anlamı vardır. Çünkü kirlilik, izolatör yüzeyinde iletkenliği
artırarak izolatör performansını düşüren ve zaman zaman arızalara yol açan bir etkidir. Atlamaya yol açacak
kadar fazla deniz orjinli kirle kaplı izolatörler çok yakından bakılsa bile temiz görülebilir. Bununla birlikte
endüstriyel tozlar veya çimento ile ağır biçimde kirlenmiş izolatörler, elektriksel bakımdan yeni izolatör gibi
davranabilir. Bunun nedeni atlamaya sebep olan yüzey iletkenliğinin miktar yönünden önemsiz olmasıdır.
Atlama, tuz ya da endüstriyel asit gibi kirlerin suyla çözünmesiyle meydana gelir.İzolatör yüzeyindeki artıklar
performansı önemli ölçüde etkiler. Deniz ve göl tuzları, petrokimya endüstrisi artıkları ve asit üreten tesis
artıkları gibi suda çözünen kirler daha önemlidir. Hem çözünen, hem de çözünmeyen kirler harekete geçmek için
su gerektirirler. Bu nedenle sis, çiğ ve kırağı kirlenme atlaması yönünden önemli artıklardır. Karbon, bazı metal
oksitler veya metal içeren tozlar su yok iken dahi iletken hale gelebilirler.
Maddeleri izolatör yüzeyine taşıyan temel etkiler; yerçekimi kuvveti, yüklü parçacıkların elektrostatik
çekimi, yüksek permitiviteli parçacıkların büyük elektrik alan yoğunluklu bölgelere göçü, çözelti veya
süspansiyonların buharlaşıp aerodinamik olarak tutulmaları şeklinde sayılabilir.
İzolatör yüzeyinin kirlenmesinde, aerodinamik tutulma en önemli etkidir. Havada asılı parçacıklar,
izolatör yüzeyine aktığında izolatör şekline bağlı olarak özellikle akışın ikiye ayrıldığı noktalarda oluşan durgun
bölgede ve daha ağır olan parçacıklar girintilerde tutulurlar. Rüzgar tünellerinde yapılan kirlenme deneyleri ile
kirletilen bazı izolatörlerin kir dağılımı Şekil 1‟de verilmiştir. Şekiller üzerindeki harfler kir yoğunluklarını
göstermektedir (H:Ağır M:Orta L:Hafif Z:Sıfır ). Şekil 1‟den görülebileceği gibi kir, rüzgarın doğrudan
çarptığı yüzeylerde ve girintilerde daha çok olmaktadır. Farklı yapıdaki izolatörlerin kir tutma miktarları çok
değişmektedir. Üst yüzeylerde az kir toplanmakla beraber, özellikle endüstriyel bölgelerdeki karbon ve bazı
metal tozları bu yüzeylerde alt kısımlara göre daha fazla bir iletkenlik oluşturabilir.
ġekil 1. Kir tutulmasının şekille değişimi
Yüksek gerilim izolatörleri; kıyıya yakın bölgelerde tuzdan, endüstriyel alanlarda toz ve kimyasal
artıklardan dolayı kirlenmeye maruz kalırlar. Böyle bir izolatör kuru iken çok küçük bir kapasitif kaçak akım
geçer ve gerilim dağılımı basit olarak elektrostatik alanla tanımlanır. Kir tabakasının yağmur, sis, rutubet vb.
etkenlerle ıslanması sonucu iletken hale gelen kirli yüzey boyunca akan kaçak akımlar yüzeyde enerji kaybına
sebep olurlar. Enerji kayıp yoğunluğunun büyük olduğu, özellikle izolatörün dar kısımlarındaki kirli bölgeler
daha fazla ısınarak kurur ve "kuru band" denilen kısımların oluşmasına yol açarlar. Bunun sonucunda yüzey
53
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
boyunca gerilim dağılımı bozularak, homojen olmayan bir yapıya dönüşür. Kuru band bölgelerindeki gerilim
düşümü havanın dayanımını aşınca ön deşarjlar oluşur. Ön deşarjlar çoğunlukla söner; bazı şartlarda ise, yüzeye
yayılarak kısa devre ile sonuçlanan atlama olayını meydana getirirler. Atlama sonucu meydana gelen yüksek
akımlı ark enerjinin kesilmesine, birçok izolatörün tahrip olmasına ve hatta enerji nakil hattının eriyerek
kopmasına sebep olabilir.
Bir yüksek gerilim izolatöründe kirlenme atlaması için üç ana şart veya beş kademe gereklidir.
1- İzolatör yüzeyinde iletken kir filminin teşekkülü
a) İzolatör yüzeyinin kir tabakası ile kaplanması
b) Kir tabakasının rutubet tesiri ile ıslanması
2- Kirli izolatör yüzeyinde ön deşarjların teşekkülü
a) Kuru bandların oluşması
b) Kuru bandlar boyunca ön deşarjların tutuşması
3- Ön deşarjların yüzey boyunca yayılması ve kısa devre
Eğer bu beş kademeden herhangi biri tamamen kontrol altına alınabilirse, kirlenme atlaması problemi
kesin olarak çözülecektir.
Pratikteki gözlemlerden izolatör yüzeyinde kaçak akımın 100-200 mA değerine ulaşması halinde
atlamanın meydana geldiği görülmüştür. Ancak sızma akımının değeri ile atlamanın meydana gelip gelmeyeceği
arasında kesin bir bağıntı kurmak mümkün değildir.
İzolatör yüzeyi üzerinden atlama, yani yüksek iyonizeli bir arkın oluşumu, Şekil 2‟de gösterilen birkaç
aşama sonucunda gerçekleşir.
Atlama aşamaları şunlardır:
1. Yüzey tabakasının ısınması, iletkenlik ve akımın artmasına sebep olur (Şekil2.a).
2. Devam eden ısı, yüzey tabakasında kısmi kurumalara yol açar (Şekil 2.b-c).
3. Daha fazla ısınma, kuru bandlar oluşturur (Şekil 2.d).
4. Kuru bandlar üzerinde düzensiz alan şiddeti dağılımı nedeniyle kısmi arklar başlar. Yerel ısı
konsantrasyonu, kısmi arkların pozisyonlarını kuru bandlar boyunca yana doğru değiştirmelerine sebep olur
(Şekil 2.d-e-f).
Ark sönümü, parıltı başlangıcı ve kuru bölgeler üzerinde hareketli deşarjların başladığı yerler, en yüksek
gerilim değişimlerine sahiptir. Bu safha kirli izolatörlerden yayılan yoğun radyo gürültülerinin sebebi olup,
şekilde gösterilmemiştir.
5. a) Birçok kısmi arkın birleşmesiyle, izolatörü kaplayan bir tek büyük ark oluşur. Bu ark ısıl etki ile
değişik yönlerde yayılır (Şekil 2.i). Bu arada ark sönümü ve dolayısıyla ikinci safhaya dönüş olabilir.
b) Ark uçlarının ıslak iletken tabaka boyunca hızlı süpürme hareketi, arkın tamamlanmasına ve atlamaya
götürebilir (Şekil 2.m). Sızma aralığının köprülenen son kısmı kuru bir yol izlemez.
İlk dört safha kolayca anlaşılır. Çünkü dakikalar veya saatlerce sürebildiklerinden gözlenmeleri kolaydır.
Son safha ise, her cm için birkaç yüz voltluk gerilimlerde sızma aralığı boyunca istenmeyen atlamalara sebep
olur. Kaçak yolu (sızma aralığı) boyunca izolasyon dayanımını 200-400 V/cm‟ye düşüren de bu son safhadaki
ark uçlarının hızlı süpürme hareketidir. Son safha elektrotlar arasındaki ark nedeniyle izolasyon şiddetinin
düşmesinin sebebidir.
54
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
kaçak
akım
hatları
a)
g)
b)
h)
c)
i)
d)
k)
e)
l)
f)
m
)
ġekil 2. Kirlenme atlamasının safhaları
2.3. Ġzolatör Yüzey Kaçak Akımları
2.3.1. Porselen Ġzolatörler Ġçin Kaçak Akımların Önemi
İzolatörlerdeki kaçak akımlar, daima tehlikeli bir durum oluşturmazlar. Bununla beraber, iletim hatlarının
kurulumu ve tasarımında hesaba katılması gereken en önemli faktörlerden biridir. Bir izolatörün içinden akım
akmaz, fakat izolatör yüzeyinde Şekil 3‟de görüldüğü gibi nispeten düşük dirençli bir yol mevcuttur. Bu yol
aslında izolatör yüzeyi ile hava arasındaki ara yüzdür. Bu yolun direnci izolatörün etrafındaki havanın
direncinden daha düşüktür ve bunu yüzey kaçak akım yolu olarak isimlendirmek daha doğrudur. Bu yol üzerinde
daima küçük miktarlarda kaçak akımlar akar ve bu akımlar hiçbir şekilde tamamen ortadan kaldırılamaz.
Bununla beraber, modern izolatörlerin tasarımıyla kaçak akım seviyeleri çok küçük değerlere indirilmiştir.
ġekil 3. Porselen izolatörler ve yüzey kaçak akım yolu
Yüksek gerilim izolatörlerinin, Şekil 4‟de gösterildiği gibi farklı çap ve boyutlarda diskler şeklinde
yapılması daha kullanışlıdır. İletim hattında kullanılacak zincir tipi izolatörlerin sayısı, gerilim seviyelerine göre
belirlenir. Böylece oluşturulan yüzey, kaçak yolu mesafesinin ve dolayısıyla kaçak yolu direncinin yükselmesi
anlamına gelir. Kaçak yolu direnci, izolatörün enerjili ucundan topraklı ucuna kadar olan yüzey uzunluğuyla
doğrudan orantılıdır. Kaçak yolu direncinin artmasıyla kaçak akım miktarı azalır. Eğer böyle oluklu yapılar
kullanılmazsa, o zaman daha fazla disk ekleyerek izolatör dizisinin tüm uzunluğunu arttırma zorunluluğu ortaya
çıkar. Bu maliyet açısından uygun bir yaklaşım değildir. Fakat bunun oluşturacağı daha büyük problem, izolatör
55
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
dizisine bağlanan iletkenlerin salınımındaki artıştır. Bu durum, iletkenlerin daha şiddetli titreşim yapmalarına ve
hatta kopmalarına sebep olabilir.
İzolatörün üst kısmında oluk yapısı kullanıldığında, bu oluklarda şiddetli kir biriktiği, toz ve tuz kirlerinin
kolayca oluklara dolduğu ve yağmurla asla yıkanmadığı görülmüştür. Bu nedenle günümüzde, üst kısmı oluklu
porselen izolatör imal edilmez.
ġekil 4. Zincir tipi izolatör elemanı
Şekil 4‟de gösterilen biçim, pek çok araştırma ve saha deneyimlerinden sonra ortaya çıkan sonuçtur. Kir
birikiminin artmasından dolayı kaçak akım tüm porselen izolatörlerde zamanla artar. Bu artış, bakım zamanına
ulaşıncaya veya atlama ile hasar oluşuncaya kadar devam eder. Bakım, izolatörü güvenli seviyede tutmak için
her zaman gereklidir. Kaçak akım; yağmur, nem, sıcaklık gibi çevresel etkilerden dolayı değişkendir. Fakat bu
değişimler, kir birikimi çok yükselmedikçe dikkate almayı gerektirmez.
2.3.2. Silikon Kompozit (Polimer) Ġzolatörler Ġçin Kaçak Akımların Önemi
Silikon kompozit izolatörler için kaçak akım, hesaba katılması gereken önemli bir faktördür. Bununla
beraber, bu izolatörler tasarlanırken yüzey kaçak direncinin çok büyük olduğu varsayılır. Bu yapı, ana destek
elemanı olarak fiberle desteklenmiş, dışı polimerik kauçukla kaplanmış bir çubuğa sahiptir. Tüm yapı, tek parça
bir izolatör yapmak için iki uçtan birleştirilerek bağlanır. Şekil 5‟de gösterildiği gibi tüm izolatör tek parça
olduğundan kompozit izolatör olarak adlandırılır.
ġekil 5. Kompozit izolatörler
Genellikle bir kompozit izolatör, bir esas malzemeden, bağlantı elemanından ve bir kauçuk yalıtkan
gövdeden oluşur. Esas malzeme, çekme gücünü dağıtmak için fiberglas ile kuvvetlendirilmiş plastiktir (FRP).
FRP‟de kullanılan güçlendirilmiş fiber, cam ve epoksi reçinedir. Kablolara ve direklere gerilmeyi ileten bağlantı
elemanı, dövülmüş çelik, dövülebilir dökme demir veya alüminyum gibi malzemelerden yapılır. Kauçuk gövde
elektriksel yalıtımı sağlar ve FRP‟yi doğa şartlarından korur. Şekil 6‟da orta ve yüksek gerilimlerde kullanılan
kompozit izolatörlerin yapısı gösterilmiştir.
56
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
ġekil 6. Orta ve yüksek gerilim kompozit izolatörlerin yapısı
Silikon kompozit izolatörler, seramik izolatörlerle karşılaştırıldığında önemli üstünlüklere sahiptir:
Hafif ağırlık-daha düşük yapı ve nakliye maliyetleri
Çok yüksek direnç
Ağırlığa yüksek dayanım oranı
Daha iyi kirlenme performansı
Geliştirilmiş iletim hattı estetiği
Kompozit polimer izolatörlerin başlıca olumsuz yanları ise şunlardır:
Kuru band arklarından ve hava ile temasından dolayı yüzeyinde kimyasal değişimler meydana gelir.
Erozyona ve sonunda izolatörün kullanılamaz hale gelmesine yol açabilecek izlerin oluşmasına maruz kalır.
Ortalama ömrünü hesaplamak zordur.
Uzun süre güvenirli olup olmadığı bilinmez.
Arızalı izolatörün tespiti zordur.
Sonuç olarak kompozit izolatörlerin kullanımı faydalarına göre değişir. Fakat yaygınlaşmasının en önemli
nedenlerinden biri, ağırlığının düşük olmasıdır. Kompozit izolatörün ağırlığı eşdeğer porselen ve cam tipinin
sadece %10‟u kadardır. Kompozit izolatörler daha hafif direk tasarlamaya veya mevcut hatları yükseltmeye
imkan verir.
Silikon kauçukların, yağmur sularını damla halinde tutabilme kapasitelerinin yüksek olması, kompozit
izolatörleri cam ve porselene göre daha avantajlı hale getirir. Çünkü bu hidrofobik özellik, izolatör yüzeyinden
hızlıca su akışını ve dolayısıyla iletkenlik artışını engellemek suretiyle, yalıtım sisteminin yalıtkanlık düzeyinin
aniden düşmesini önler. Böylece daha düşük hat kayıpları ve iletim hatlarında kararlı atlama değerleri sağlanmış
olur.Polimer izolatörlerin hidrofobik özelliği özellikle ıslak ve kirli şartlar altında izolatörün performansına etki
edebilir.
Hidrofobik özelliğin kaybolmasına, iz ve erozyon oluşumuna ve en sonunda atlamaya yol açan yaşlanma,
polimer izolatörlerin başlıca problemidir. Her ne kadar kaçak akım, yaşlanmanın sebebi olsa da yüzey
bozulmasının bir göstergesi olarak kullanılabilir. Bu yüzden, kaçak akım dalga şekillerinin parametreleri
genellikle polimer izolatörlerin performansının belirlenmesinde kullanılmıştır. Kaçak akım parametreleri ile kir
seviyesi ve yüzey bozulmaları (hidrofobik özelliğin kaybolması, kuru band atlamaları ve erozyon gibi)
arasındaki ilişkiyi kurmak için birkaç deneme yapılmıştır. Hidrofobik kaybın oluşmasından ve gövdenin zarar
görmesinden önce kaçak akım düzeyinin belirlenmesi önemlidir.
2.3.3. Ġzolatör Yüzey Kaçak Akımlarının Özellikleri
Tablo 1 ve Şekil 7‟de, farklı deşarj şartları için dalga şekilleri ve frekans dağılımları verilmiştir.
57
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
Tablo 1. Farklı deşarj şartları için kaçak akımların dalga şekli ve frekans dağılımları
Şekil 7.a, izolatör yüzeyinde deşarj oluşmadığı durumda, kaçak akımın değişimini göstermektedir. Dalga
şekli sinüzoidal bir yapıya sahiptir. İzolatör yüzeyinde zayıf deşarjlar görünmeye başladığı zaman akan kaçak
akımın dalga yapısı Şekil 7.b‟de gösterilmiştir. Görüldüğü gibi bu durumda dalga şekli bozulmuştur. Şekil 7.c,
kuvvetli arklar oluştuğu zaman akan kaçak akımın dalga şeklidir. Burada kaçak akımın genliği birkaç yüz
miliamperler seviyesindedir. Şekil 7.d, atlama oluştuğu andaki kaçak akım şeklidir. Kaçak akım atlamadan önce
hızlıca yükselir. Atlama meydana geldiği zaman kısa devre akımı gözlemlenir.
(a)
(b)
(c)
(d)
ġekil 7. Kaçak akım dalga şekilleri
58
Elektrik Tesisleri Laboratuvarı Deney No: 8
3. DENEYĠN YAPILIġI
3.1. Deneyde Kullanılan Elemanlar
Y.G. trafosu (2x50 kV)
Y.G. direnci (850 kΩ)
Omik gerilim bölücü
Zincir tipi izolatör
Nem ölçer
Isıtıcı
Veri toplama cihazı (NI 6210)
3.2. Deneyin YapılıĢı
Deney sistemine ait şema Şekil 8‟de görülmektedir. Her biri 50 kV‟luk iki adet YG transformatörü kaskat
bağlanarak 100 kV‟a kadar gerilim elde edilebilmesi sağlanmıştır. Transformatör çıkış gerilimi, seri bağlı 850
kΩ‟luk bir koruma direnci üzerinden izolatöre uygulanmaktadır. Yüzey kaçak akımına ait dalga şekilleri izolatör
çıkışına bağlanan 500 Ω‟luk direnç üzerinden gerilim bilgisi olarak alınmaktadır. Sistemde oluşabilecek
herhangi bir arıza nedeni ile ölçüm cihazlarının zarar görmesine engel olmak için, bir aşırı gerilim koruyucu
kullanılmıştır. İzolatörde atlama oluştuğunda, transformatörün sekonderine bağlı olan koruma direnci zarar görür
ve izolatör üzerinden büyük bir akım akarsa, 500 Ω‟luk dirençte düşen gerilim yüksek değerlere çıkar. Bu
durumda, dirence paralel bağlı aşırı gerilim koruyucu kısa devre özelliği göstererek osiloskop ve veri toplama
cihazını (NI 6210) korur. Sistemde kullanılan gerilim bölücü yardımıyla transformatör çıkışındaki gerilim ve
ayrıca akım değerleri kontrol ünitesi üzerinden izlenebilmektedir.
Deneyler için gerekli nem değerlerini oluşturmak için test odasına bir su ısıtıcısı konulmuştur. Ayrıca
elektrikli bir ısıtıcı yardımıyla da oda sıcaklığı istenen seviyede tutulmuştur. Sis odasına yerleştirilen bir
vantilatör yardımıyla, oda içerisindeki ısı ve nemin homojen dağılımı sağlanmıştır.
Koruma
Direnci
İzolatör
500 Ω
Kaskat Bağlı
YG Gerilim
Trafosu
(2*50 kV)
Gerilim
Bölücü
Aşırı
Gerilim
Koruması
Sis Odası
Vantilatör
Şebeke
Osiloskop
Buhar
Kaynağı
Bilgisayar
Isıtıcı
Kontrol
Ünitesi
ġekil 8. Deney düzeneği
123456-
Temiz izolatöre kuru şartlarda 5 kV‟luk alternatif gerilim uygulayınız.
Sis odasının nem değerini ölçünüz.
Veri toplama cihazı yardımıyla gerilim değerlerini kaydediniz.
10 kV ve 15 kV için de gerilim değerlerini kaydediniz.
Sis odasındaki su ısıtıcısını çalıştırarak nemin yükselmesini sağlayınız ve nemi ölçünüz.
5, 10 ve 15 kV için gerilim değerlerini kaydediniz.
4. RAPORDA ĠSTENENLER
1- Deneyde gözlemlediğiniz sonuçları grubunuzla tartışınız.
2- Veri toplama cihazı yardımı ile bilgisayara kaydettiğiniz verileri kullanarak, her durum için ayrı ayrı
gerilim ve akımın zamana bağlı grafiklerini çiziniz.
3- Çizilen grafikleri yüzey kaçak akımları açısından yorumlayınız.
59