Armonik THD Etkisi: Şebekeden Ekipmana

Harmonik THD hatalarının enerji sistemleri üzerindeki etkisi, iki açıdan analiz edilmelidir: "gerçek ağ THD'nin sınırları aşması (aşırı harmonik içerik)" ve "THD ölçüm hataları (kesin olmayan izleme)" — ilki doğrudan sistem ekipmanlarına ve istikrara zarar verirken, ikincisi "yanlış veya kaçırılan uyarılar" nedeniyle yanlış müdahalelere yol açar. Bu iki faktör bir araya geldiğinde, sistem risklerini artırır. Etkiler, tüm enerji zinciri boyunca uzanır — üretim → iletim → dağıtım → tüketim — güvenlik, istikrar ve ekonomi üzerinde etkili olur.

Temel Etki 1: Aşırı Gerçek THD'nin Doğrudan Zararı (Yüksek Harmonik İçerik)

Ağ THDv (gerilim toplam harmonik bozulması) ulusal standartları (genel ağlar için ≤5%) aşarsa veya THDi (akım toplam harmonik bozulması) ekipman toleransını (örneğin, transformatörler ≤10%) aşarsa, sistem donanımlarına, operasyonel istikrara ve son kullanıcı ekipmanlarına fiziksel zarar verir.

• İletim Sistemleri: Kayıpların Artışı ve Sıcaklık Yükselişi

• Artan Bakır Kayıpları: Harmonik akımlar, iletim hatlarında (örneğin, 110kV kablolarında) "deri etkisine" neden olur, yüksek frekanslı akımları iletken yüzeyine yoğunlaştırarak direnç ve bakır kayıplarını artırmakla birlikte harmonik sırayla.
  Örnek: THDi 5%'den 10%'e yükseldiğinde, hat bakır kayıpları %20-30 oranında artar (I²R ile hesaplanır). Uzun süreli işlem, iletken sıcaklığını (örneğin, 70°C'den 90°C'ye) yükselterek yalıtım yaşlanmasını hızlandırır ve hat ömrünü kısaltır (örneğin, 30 yıl yerine 20 yıl).

• Deterjenleşmiş Gerilim Düşüşü: Harmonik gerilimler temel gerilime eklenerek, yük uçlarındaki dalga biçimlerini bozar. Hassas kullanıcılar (örneğin, yarı iletken tesisleri), düzensiz gerilim nedeniyle ekipmanlarının durmasına uğrayabilir, tek bir olayda yüz binlerce maliyet oluşabilir.

• Dağıtım Ekipmanları: Sıcaklık Yükselişi, Hasar ve Ömür Azalması

• Transformatör Arızası Riskleri:
  Harmonik akımlar, "ekstra demir kayıplarını" artırır (eddy akımı kayıpları harmonik frekansın karesiyle artar). THDv=8% olduğunda, transformatör demir kayıpları, nominal koşullara göre %15-20 artar, çekirdek sıcaklığını (örneğin, 100°C'den 120°C'ye) yükselterek yalıtım yağının degradasyonunu hızlandırır, kısmi devre açma veya yanma (örneğin, bir alt trafiğe 10kV transformatörü, aşırı 5. harmonik nedeniyle kaybedildi, doğrudan kayıplar bir milyonu aşmıştır).
  Dengesiz üç faz harmonikleri aynı zamanda nötr iletken akımını (faz akımının 1.5× kadarına) artırır, nötrin ısınmasını ve kopmasını risk altına alır, bu da üç faz gerilim dengesizliğini tetikler.

• Kondansatör Bankası Rezonans Hasarı:
  Kondansatörler, harmoniklere karşı düşük impedansa sahiptir, kolayca "harmonik rezonans" oluştururlar (örneğin, 5. harmonik rezonans kondansatör akımını 3–5× nominal değerine çıkarabilir), bu da yalıtım arızası veya patlamaya neden olur. Bir endüstriyel atölye, 7. harmonik rezonans nedeniyle bir ay içinde üç 10kV kondansatör bankasını hasar görmüş, onarım maliyeti 500,000'i aşmıştır.

• Üretim Ekipmanları: Çıktı Fluktuasyonları ve Verim Düşüşü

• Senkron Jeneratör Çıktısı Sınırlaması:
  Ağ harmonikleri, jeneratör stator sarımına geri beslenir, "harmonik tork" oluşturarak titreşimi artırır (hız fluktuasyonu ±0.5%), çıktıyı azaltır (örneğin, THDv=6% olduğunda 300MW birim 280MW'ye düşer) ve stator sıcaklığı artar, jeneratör ömrünü etkiler.

• Yenilenebilir Inverter Ağ Bağlantısı Başarısızlığı:
  Güneş/ruzgar inverterleri, ağ THD'ye hassastır. Bağlantı noktasındaki THDv > 5% ise, inverterler "harmonik koruma" tetikleyerek bağlantıyı keser (GB/T 19964-2012'e göre), bu yenilenebilir enerjinin kısıtlanmasına neden olur (örneğin, bir rüzgar çiftliği, aşırı 3. harmonik nedeniyle bir günde 100,000 kWh'yi aşan enerji kaybı yaşamıştır).

• Kontrol Sistemleri: Yanlış İşlem Sonucu Sistem Hataları

• Relay Koruma Yanlış İşlemi:
  Harmonik akımlar, akım transformatörlerinde (CT'lerde) geçici doyum oluşturarak, aşırı akım veya diferansiyel korumada doğru örnekleme yapmayı engeller. Örneğin, eklenen 5. harmonik akımı, ikincil CT akımını bozarak, aşırı akım korumasının yanlış olarak "hat kısa devresi" tespit etmesine ve genel kesintilere neden olmasına yol açar (örneğin, bir dağıtım ağı, THDi=12% nedeniyle 10 besleme kesintisi yaşadı, 20,000 hane etkilendi).

• Otomasyon Sistemi İletişim Araçları:
  Harmonikler, kontrol iletişim hatlarına (örneğin, RS485, fiber) elektromanyetik yolla bağlanır, veri hata oranını (10⁻⁶'dan 10⁻³'e) artırır, komutların (örneğin, "hat arızası çizgisini kes" komutu teslim edilemez, arızayı genişletir) gecikmesine veya bozulmasına neden olur.

• Son Kullanıcı Ekipmanları: Performans Düşüşü ve Frekanslı Arızalar

• Endüstriyel Motor Sıcaklık Yükselişi ve Yakılması:
  Asenkron motorlar, harmonik gerilim altında "negatif sırada tork" oluşturur, hız fluktuasyonlarına, titreşim artışına ve daha yüksek stator bakır kayıplarına neden olur. THDv=7% olduğunda, motor verimi %5-8 oranında düşer, sıcaklık 20–30°C artar ve ömrü yarıya düşer (örneğin, bir çelik fabrikası, 7. harmonik nedeniyle altı ayda iki makina motorunu yakmış, onarım maliyeti 2 milyonu aşmıştır).

• Hassas Ekipmanların Ölçüm Duyarlılığının Düşüşü:
  Semikonduktör litografi makineleri ve tıbbi MRI sistemleri gibi hassas ekipmanlar, çok temiz gerilime ihtiyaç duyar (THDv≤2%). Aşırı THDv, ölçüm hatalarını artırır — örneğin, bir litografi makinesinin gravür hassasiyeti, voltaj harmonikleri nedeniyle 0.1μm'den 0.3μm'ye düşer, ürün verimliliği %95'ten %80'e düşer.

Temel Etki 2: THD Ölçüm Hatalarının Dolaylı Riskleri (Kesin Olmayan İzleme)

THD ölçüm hataları (örneğin, gerçek THDv=6%, ölçülen 4%, hata = -2%) "yanlış uyumluluğa" veya "aşırı müdahalelere" yol açarak riskleri artırır veya ekonomik kaynakları harcama neden olur — esas olarak, "veri bozulmasının kötü kararlara yol açması."

• Aşırı Tespit Kaçırılması: Geciken Müdahale, Artan Zarar
  Eğer ölçülen THD, gerçek değerden düşükse (örneğin, gerçek THDv=6%, ölçüm hatası -1%, gösterilen 5%), yanlış olarak "harmonik uyumluluğu" belirtir, filtre kurulumunu (örneğin, APF) geciktirir. Bu, uzun vadede harmonik birikimine neden olur:

• Kısa vadeli: Transformatörler, kondansatörler vb. ekipmanların hızla yaşlanması ve daha yüksek arızaları.

• Uzun vadeli: Sistem rezonansı riski, bölgesel ağ çökertmesine neden olabilir (örneğin, bir bölgesel ağ, 3. harmonik tespit edilmediği için iki yıl sonra rezonans yaşadı, 5 alt trafiği çevrimdışı kaldı).

• Yanlış Aşırı Alarm: Aşırı Yatırım, Boşa Harcanan Maliyetler
  Eğer ölçülen THD, gerçek değerden yüksekse (örneğin, gerçek THDv=4%, ölçüm hatası +1%, gösterilen 5%), yanlış olarak "harmonik aşımı" belirtir, gereksiz filtre kurulumuna yol açar:

• Ekonomik kayıp: 10kV/100A APF yaklaşık 500,000 TL'ye mal olur; müdahale gerekmiyorsa, ekipman boşta kalır (yıllık bakım 20,000 TL).

• Sistem rahatsızlığı: Aşırı filtreler, yeni rezonans noktaları oluşturabilir (örneğin, 5. harmonik filtresi kurulduğunda 7. harmonik rezonansı tetiklenebilir), yeni riskler getirebilir.

• Veri Bozulması: Ağ Planlamasını ve Dağıtımı Etkiler
  THD ölçüm hataları, harmonik dağılım verilerini bozar, uzun vadeli planlamayı etkiler:

• Örnek: Bir bölgenin izlemesi, ortalama THDi=8% (gerçek 6%) gösterir, bu da harmonik azaltma kapasitesinin aşırı sağlanmasına neden olur (2 ek filtre istasyonu inşa edilir, yatırım 10 milyonu aşar).

• Dağıtımda, yanlış THD verileri, hassas harmonik kaynağı tanımlamasını engeller (örneğin, bir güneş enerjisi tesisini yanlış suçlama, üretimin kısıtlanması), yenilenebilir enerji entegrasyonunu etkiler.

Temel Etki 3: Ekonomik Kayıp — Doğrudan Maliyetlerden Dolaylı Kayıplara

Harmonik THD hataları (aşırı ve ölçüm hataları dahil), ekipman hasarı, artan enerji tüketimi ve üretim kesintileri nedeniyle önemli ekonomik kayıplara neden olur, bu üç maliyet kategorisinde ölçülebilir:

Özet: THD Hatalarının Enerji Sistemleri Üzerindeki Temel Etki Zinciri

Harmonik THD hatalarının temel etkisi, bir zincir halinde gerçekleşir: "dalga biçimi bozulması → ekipman hasarı → sistem istikrarsızlığı → ekonomik kayıp." Ölçüm hataları, bu zinciri artırmaya veya yanlış değerlendirmeye neden olur:

• Aşırı gerçek THD, doğrudan "birincil tehlike"dır, enerji sistem ekipmanlarına doğrudan zarar verir ve istikrarı tehlikeye atar;

• THD ölçüm hatası, "karar karışıklığı"dır, yanlış müdahalelere yol açarak riskleri artırır veya kaynakları harcar;

• Sonuç olarak, her ikisi de güvenlik risklerine (ekipman yakılması, sistem çöküşü) ve ekonomik kayıplara (tamir maliyetleri, enerji kaybı, üretim kesintisi) yol açar.

Bu nedenle, enerji sistemleri, bu riskleri tamamen önleme amacıyla "kesin izleme (THD ölçüm hatasını ±0.5%'in altında tutmak) + etkili müdahale (gerçek THDv'yi %5'in altında tutmak)" adlı çift yaklaşımı benimsemelidir.