ELEKTRKL DEMRYOLLARINDA ENERJ KALTESPROBLEMLER VE ZM NERLER

Bekir MUMYAKMAZ1 Abdurrahman NSAL2 N. Serdar TUNABOYLU3

Elektrik - Elektronik Mhendislii Blm Mhendislik Fakltesi

Dumlupnar niversitesi, 43100, Ktahya 1e-posta: mumyakmaz@dumlupinar.edu.tr 2 e-posta: unsal@dumlupinar.edu.tr

3 e-posta: serdar.tunaboylu@dumlupinar.edu.tr

Anahtar szckler:Enerji Kalitesi, Elektrikli Demiryolu

ABSTRACT Power quality issues for an electrified railway system are studied. A 30-km catenary line segment in Eski&ehir - Karagzler transformer station has been chosen for this study. The field measurements show that the currently installed reactive power compensation system is quite adequate for reactive power limits imposed in Turkey. But, mains line current distortions are out of international standards. In the near future, increased railway traffic on the railways and the tighter THD limits imposed by European Union are very likely events to occur. To remedy for these foreseeable power quality problems, further probe for active power filter solutions are needed. 1. GR* Elektrik enerji kalitesi; elektrik sistemlerinde artan nonlinear yk kullanm dolaysyla, elektrik datm+irketleri, elektrikli cihaz ve ekipman reticileri, ve son kullanclar arasnda 1970'li yllardan bu yana nemli bir konu haline gelmi+tir. Genel olarak enerji kalitesi terimi; bir g sistemindeki akm ve gerilimin ideal dalga +eklini bozan, geni+ apl bir elektromanyetik etkile+im olarak tanmlanabilir. zerinde henz tam olarak anla+ma salanm+ olmamasna ramen bu terim; Dugan tarafndan, Son kullanclara ait cihazlarn cal+masn bozan veya yanl+ al+masna sebep olan, akm gerilim veya frekansta meydana gelen herhangi bir sapma, enerji kalitesi problemidir +eklinde aklanm+tr [1]. Enerji kalitesinin dier bir tanm da IEEE Standart 1100-1992`de Enerji kalitesi; hassas elektrikli cihazlarn, al+ma +artlarna uygun bir +ekilde beslenmesi ve topraklanmasdr olarak yaplmaktadr [2]. En yaygn enerji kalitesi problemleri; gerilimde azalma (sag), gerilimde art+ (swell), enerji kesintileri, gerilim ve faz dengesizlikleri, grlt, modlasyon, frekans sapmalar, ve harmonik bozulmalardr.

Elektrik enerji kalitesi problemi; elektriin ilk kullanld gnden bu gne kadar gndemde olmasna ramen, yar iletken g elektroniielemanlarnn ska kullanlmaya ba+lanlmasyla birlikte hem enerji temin edicileri hem de kullanclarasndan artan bir neme sahip olmu+tur. Byk apta enerji kalitesi problemine yol aan tesisler arasnda elektrik ark frnlar ve elektrikli demiryollarsaylabilir. Her iki rnekte de arlkl olarak enerji kalitesi problemi olarak, reaktif g gereksinimi ve harmonik akmlar ba+ta gelmektedir. Bu al+mada elektrik enerji kalitesi problemine yol aan elektrikli demiryolu sistemleri incelemeye alnmakta ve zm nerileri zerinde durulmaktadr. 2. DEMRYOLU VE ENERJ KALTESElektrikli demiryollarnda ilk nceleri 1500 ve 3000 V luk doru akm hatlar kullanlyordu. 1945 ten itibaren merkezi avrupa ve iskandinav lkelerinde 15 kV, 16 2/3 Hz ve 25 kV, 50 Hz lik bir fazl alternatif akm hatlar kullanlmaya ba+land [3]. Demiryolu katener hattndan alnan elektrik, kullanlan tahrik sisteminin ihtiyacna gre dorultucu inverter gruplar yardm ile doru akm veya fazl alternatif akma evrilir. Bu evrilme sebebiyle katener hattndan ekilen akm byk miktarda harmonikler ierir. Ayrca; bu tahrik sistemleri, katener hattndan bazen aktif gle ayn miktarda, bazende daha fazla olabilen endktif reaktif akmekerler. Enterkonnekte sistemden ekilen akmnharmonik bile+en ierii ve reaktif g miktar; trenin arlna, yolcu veya yk miktarna, hzna ve yerine bal olduu gibi; trenin hzlanma, yava+lama ve sabit hz gibi dei+ik al+ma modlarna da bal olup byk oranlarda rasgele dei+mektedir [4]. lkemizde elektrikli demiryolu cer sistemlerini besleyen katener hatlar 25 kV bir fazl AC hatlardrve 154 kV luk enterkonnekte +ebekeye trafoyla iki fazl olarak balanmaktadrlar. Bu +ekliyle de demiryolu sistemi; enterkonnekte g sisteminde

0200400600800

1000

Suba

t 95

Mart 9

5

Nisa

n 95

Mayis

95

Hazir

an95

Temm

uz95

Agus

tos95

Eyll

95

Ekim

95

Kasim

95

Arali

k 95

Ocak

95

Suba

t 96

Aktif Enerji Reaktif Enerji

dengesiz bal yk olarak yer almaktadr. TCDD (Trkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryollar) trafo merkezlerinde kompanzasyon tesisi ncesi g faktrnn dei+imi aylk ortalamas 0.7 ila 0.82 arasndayd [5]. Iekil 1 de Eski+ehir-Karagzler trafo merkezinin Iubat 95 Iubat 96 dnemi iin aylkaktif ve reaktif enerji tketimleri grlmektedir [6].

Iekil 1. Karagzler trafo merkezi yllk enerji tketiminin dei+imi

Dier bir durum da katener hattnn yksz olduuyani tren gemedii anlar iin szkonusudur. Katener hatt, yksz durum iin hattn kapasitif reaktanssebebiyle kapasitif akm ekmektedir. Reaktif g gereksinimindeki bu denli dei+im reaktif g kompanzasyonunu zorunlu klm+tr. TEAI(Trkiye Elektrik retim Lletim Anonim Iirketi); aylk ortalama g faktrnn 0.95in zerinde olmasn ve reaktif enerji tketiminin, aktif enerji tketiminin %50 sini a+mamasn +art ko+maktadr. Bu hususlar dikkate alnarak; trafo merkezlerinin kompanzasyonunda, sabit kapasitr gruplar (MSC) ve tristr anahtarlamal kapasitr gruplar (TSC) olmak zere iki tip kompanzasyon kullanlm+tr. Sabit kapasitr grubu ile kompanzasyon +ehirler arastren ve banliylarn birlikte bulunduu byk +ehirlerde yeterli grlm+, tren trafiinin daha az olduu +ehirler aras hatlarn trafo merkezlerinde TSC gruplar tercih edilmi+tir. Iekil 1 de aktif ve reaktif g tketim miktarlarverilen Eski+ehir Karagzler trafo merkezinde, bir gnde geen tren says azdr. Tren gei+leri esnasnda katener hattndan ekilen akm byk oranda 3, 5 ve 7. harmonikleri iermekte ve toplam harmonik bozulma (THD) %30 seviyelerine ula+maktadr. Ayrca; katener hattndan ekilen aktif ve reaktif gler +ebeke geriliminin her periyodunda bile byk miktarlarda dei+mektedir. Bu durumda mekanik yolla kondansatr gruplarnn devreye alnarak karlmalar yeterli olmamakta, tristrlerle kontrol gerekmektedir. te yandan harmonik akmlarnazaltc dzenlemeler de zorunludur. Bu sebeplerle trafo merkezinde Iekil 2 de grlen kompanzasyon sistemi kullanlm+tr. Sistemde, katener hattndan alnan 25 kV luk enerji bir fazl trafo yardmyla 500 V seviyesine indirilmekte ve kondansatr gruplarna (TSC) balanmaktadr.

Kondansatrlere seri balanan reaktrler araclyla 3. harmonik filtrelenmesi salanmaktadr. Katener hattnda reaktif enerji miktar bir peryottan dierine bile byk dei+iklikler gsterdiinden ok kademeli TSC kullanm zorunlu olmu+tur ve herbiri 125 kVAr lk 10 tane TSC kullanlm+tr. Sistemde ayrca bir adet kesici ile devreye alnp karlan 150 kVAr lkreaktr bulunmaktadr. Bu reaktr tren gemediidurumlar iin devreye alnarak katener hattnn ektiikapasitif akm kompanze etmektedir. Sistemin kontrol gerek zaman kontrol ve analiz cihaz(RTPF) ile yaplmaktadr. Bu kontrol ile TSC' lerin cevap zaman en az bir peryotdur. Dolaysyla reaktif enerji retimi her peryotta bir ayarlanabilmekte; ancak kompanzasyon miktarnn dei+imi kademeli olarak gerekle+tirilebilmektedir. Bu ynyle; sistem, aylkortalama g faktrn istenen seviyede tutabilmektedir.

Iekil 2. Eski+ehir-Karagzler Trafo Merkezi Kompanzasyon Sistemi

Tesis edilen sistemin enerji kalitesi asndan getirdiklerini test amacyla Eskisehir Karagzler trafo merkezinde lmler yaplm+tr: 3. LMLER VE DE+ERLENDRME Karagzler trafo merkezindeki lmler; le saatlerinde, Ankara - Lstanbul seferini yapmakta olan Ba+kent Ekspresi gei+i esnasnda Fluke 43B Harmonic Analyzer cihaz kullanlarak yaplm+tr. lm katener hatt gerilim ve akm trafolararaclyla yaplm+ olup; akm trafosu dn+trme oran 600:5, ve gerilim trafosu dn+trme oran ise 25000:100 dr. Ayrca kompanzasyon sistemine kumanda eden RTPF cihazna ait ekrandan da gzlemleme yaplm+tr. Treni besleyen katener hatt trafo merkezi k+nda iki bran+man halinde yakla+k 30 km lik bir hattr. Dn+ akm ise raylar araclyla salanmaktadr. Katener hattndan tren yknn beslenmesi 20 - 30 dk kadar srmektedir. Bu zaman aralnda tren dei+ik al+ma +artlarnda seyrini devam ettirdiinden (hzlanma, duru+, sabit hz, ve frenleme) katener hattndan ekilen akmlar saniyeler iinde bile byk dei+imler gstermektedir.

lme i+lemi pek ok defa ve dei+ik bak+ alarndan yaplm+ ise de burada sadece bir - iki rnekle yetinilecektir. Iekil 3 te tren gei+i esnasnda orta seviyede ykleme durumu iin; katener hattnngerilimi ve akmna ait, dalga +ekilleri grlmektedir. Katener hattnn gerilimi; 25 kV nominal gerilim seviyesinin zerinde, ve toplam harmonik bozulma (THD); Iekil 4 teki datablock ta % 2.8 olarak grlmektedir.

Iekil 3. Katener hatt gerilim (stte) ve akm.

Katener hatt gerilim spektrumundan grlecei gibi; dei+ik frekans blgelerinde harmonik bile+enler mevcuttur, ancak THD seviyesi IEEE 519 numaralstandardnn (% 5) altndadr [7].

Iekil 4. Katener hatt gerilim spektrumu. Akm spektrumu incelendiinde durumun farklolduu grlr. THD seviyesi % 36.1 dir. Ancak akm

dalga +ekilleri iin THD ye dayal inceleme yanl+ ynlendirmeye sebep olabilir. Ayarlanabilir hz src devrelerinin al+malarnda olduu gibi; hafif yk durumlarnda, akm THD deerleri ok byk olmasna ramen +ebekedeki etkisi nemli olmayacaktr. Bu sebeple akmdaki dalga +ekli bozukluu deerlendirmesinde; IEEE standardlarnda, Toplam Talep Gc Bozulmas (TDD) ve her bir harmonik akm bile+eninin yk akm nominal deerine gre yzdelik deeri l olarak kullanlmaktadr. TDD; maksimum talep yk akmolarak tariflenip, a+adaki formlde olduu gibi hesaplanr:[1]

%100*22

LI

IhTDD

= (1)

burada; IL +ebeke noktasnda maksimum talep yk

akmnn temel bile+eni, ve Ih efektif manada h. harmonic bile+enin genlii olmaktadr. Iekil 5. Katener hatt akm spektrumu (Orta yk).

Karagzler istasyonunda +ebekeye balant noktasnda ksa devre akm 18.7kA; ve yk akm ise tren saysve yk durumuna gre 0-30A (154kV barasnda) seviyesindedir. Lstasyon besleme trafosu nominal gc dikkate alnarak hesaplanacak maksimum talep akm28A olmaktadr. Iekil 5 te grlen akm dalga +eklini olu+turacak al+ma +artlar iin TDD hesaplanrsa, TDD=%27 civarnda olduu grlr. Iekil 6 da hafif yk durumu iin gerilim ve akmdalga +ekli grlmektedir. Akm THD seviyesi %33.2 olup bir nceki durumla yakla+k ayndr. Ancak TDD iin ayn +ey sylenemez (TDD=%10).

Iekil 6. Katener hatt hafif ykte akm ve gerilim. 1992 ylnda yaynlanan IEEE 519 numaralstandardnda harmonik akm bozulma limitleri; +ebekeye balant noktasnda, maksimum talep akmnn yzdesi olarak verilmi+tir. Buna gre; +ebeke geriliminin 69kV < Vn U 161kV aralnda olduu ve ISC/IL orannn 100-1000 (Elektrikli demiryolu rnei) olduu tesislerde, harmonik akm limitleri: 11. ve daha kk harmonikler iin %6; 11 U h < 17 harmonikler iin %2.75, 17 U h < 23 harmonikler iin %2.5, 23 U h < 35 harmonikler iin %1, 35 U hharmonikler iin %0.5, ve toplam talep gc bozulmas TDD iin %7.5 olarak belirlenmi+tir [1].

Iekil 7. Katener hatt akm spektrumu (Hafif yk).

Orta ve hafif yk durumlarna ait akm ve gerilim dalga +ekilleri Iekil 3 ve 6 da grlmektedir. Buradan anla+labilecei gibi gerilim dalga +eklindeki harmonik bozulma standardlarda verilen limitleri a+mamaktadr. Iekil 5 ve 7 de grlen akm dalga spektrumu incelendiinde; her iki durum iin de, IEEE 519 standardnda verilen limitlerin a+ld anla+lacaktr. Her iki akm dalga spektrumu iin de 3. harmonik akm %30 un (Limit:%6), 7. harmonik

akm da %10 un (Limit:%6) zerindedir. Ayrca toplam talep gc bozulmas TDD % 7.5 ile snrlandrld halde; orta seviyede yk iin TDD=%27 ve hafif yk durumu iin TDD=%10 hesaplanm+tr. Karagzler trafo istasyonunda yaplan incelemeler srasnda; tesiste mevcut bulunan statik reaktif g kompanzasyon sisteminin gsterge ekranndan tren gei+i boyunca reaktif g dei+imi ve harmonik akmlar gzlemlenmi+tir. Katener hatt reaktif gc 0.5 -0.9 aralnda anlk olarak dei+mektedir. Iekil 8 de katener hattnn orta seviyede yklenmesi durumu iin kompanzasyon sistemi gstergesi grlmektedir. Gstergeye gre katener hatt (L) g faktr seviyesi 0.68 endktif; +ebeke taraf (M) g faktr seviyesi ise 0.98 endktif olmaktadr. Bu srada kompanzasyon sistemi 1284 kVAr reaktif g retmekte olup, sistemin 5 kademesi devrededir (C). Hafif yk durumu iin katener hatt (L) g faktr 0.52 endktif ve +ebeke (M) g faktr de 0.96 endktifdir (Iekil 9). Devrede olan kapasitr grup says ikiye d+m+tr.

Iekil 8.Trafo istasyonu g faktr (Orta yk).

Iekil 9.Trafo istasyonu g faktr (Hafif yk). Kompanzasyon sistemi +ebeke tarafndaki g faktr seviyesini 0.95 endktifin zerinde tutmak iin ayarlanm+tr. ou zaman bu seviye salanmaktadr. Ancak hafif yk durumlarnda ve ani yk dei+imleri durumlarnda g faktr bazen 1.00 kapasitif bazen

de 0.93 endktif gibi snrlarn d+na ta+abilmektedir. Bu durumun TEDAI asndan bir sakncasbulunmamaktadr; aylk ortalamada 0.95 endktif yklenme ve aktif gcn % 20si orannda da kapasitif yklenme salanmas istenmektedir. Kompanzasyon tesisinin i+letmeye alnmasndan bu zamana kadar ortalama bazda snrlar a+lmam+tr. Dolays ile reaktif g bakmndan enerji kalitesi problemi zmlenmi+tir. Harmonik bozulma deerleri asndan incelendiinde; Karagzler trafo merkezinin gerilim dalga +ekli THD oranlarnn standartlarda belirtilen snrlarn altnda kald grlr. Akm dalga +eklindeki bozulmalarn ise; snrlar a+t, tespit edilmi+tir. Ancak lkemizde harmonik bozulma snrlarn belirleyici dzenlemeler ve yaptrmlar +uan iin yrrlkte bulunmadndan bu durum problem te+kil etmemektedir. Geli+en teknoloji ve g elektronii cihazlarnn daha ok kullanlmasyla birlikte gndeme gelecek enerji kalitesi hassasiyeti bu tr enerji kalitesi problemlerine de zm aray+larn birlikte getirecektir. Iimdiden elektrikli demiryollarnn harmonikli akmproblemlerini gidermede kullanlabilecek mevcut ve geli+tirilebilecek tekniklerin ara+trlmasgerekmektedir. Harmonikleri kontrol etmenin temel yolu vardr: Yk tarafndan olu+turulan harmonik miktarnazaltmak; sisteme harmonik giri+ini veya k+n filtre balayarak nlemek, veya filtreler,endktrler ya da kondansatrler kullanarak sistemin frekans cevabnmodifiye etmek.[1] Elektrikli demiryollar asndan bakldnda bu metodlardan birincisi, yk olarak mevcut tren altyapsbulunduundan pek mmkn gzkmemektedir. Bunun yerine ikincisi yani filtre kullanm daha uygundur. Bu uygulama ya lokomotif iinde veya trafo istasyonunda yaplabilir. Lokomotif iinde yer darl sebebiyle ve her trene yerle+tirme zorunluusebebiyle teknik ve ekonomik adan tercih edilmeyebilir. Dolaysyla trafo merkezlerine filtre konulmas daha pratik olacaktr. Ancak yk durumu srekli dei+tii iin pasif filtre yerine aktif filtre seenei tercih edilmelidir. Ayrca; ileriye ynelik zm olarak; lokomotiflerin tahrik sistemleri dizayn edilirken, +ebekeden sinsoidala yakn akm eken ve reaktif g gereksinimi olmayan g elektroniisrc devrelerinin kullanlmas iyi bir zm olacaktr. 4.SONULAR Yaplan al+mada TCDD elektrikli demiryolu istasyonlarnda meydana gelen enerji kalitesi problemleri ortaya konulmu+ ve zm nerileri tart+lm+tr. Uygulama sahas olarak Eski+ehir

Karagzler Trafo Lstasyonu ele alnm+tr. Yaplan incelemelerde; mevcut sistemin, TEDAI tarafndan istenilen snrlar ierisinde al+t tespit edilmi+tir. Sistemin 154kVluk enterkonnekte +ebekeden beslendii ve dolaysyla evrede bulunan dier yklere enerji kalitesi asndan bugn itibariyle saknca olu+turmad gzlenmi+tir. Ancak gelecekte uygulamaya konulacak uluslararas standardlar erevesinde; harmonik akmlar bakmndan sistemin istenilen performans sergileyemeyecei dikkate alnarak istasyonlarda aktif filtre kullanmnngndeme gelebileceini gzden uzak tutmamak gerekir. Ayrca ileriye ynelik olarak; elektrikli lokomotif imalat al+malarnda, yeni teknoloji rn src devrelerinin kullanlmas gndeme gelmelidir. Dier yandan artan demiryolu yolcu says ve trafiide dikkate alnarak yaplacak tren seferlerinin zamanlamas ayarlanrken, trenlerin istasyonlarda meydana getirecekleri enerji kalitesi problemleri de dikkate alnmaldr. TE*EKKR Bu al+mada gerek dokman, gerekse teknik bakmdan yardmlarn esirgemeyen tm TCDD personeline te+ekkr bir bor biliriz. KAYNAKLAR [1] Dugan, R.C., McGranaghan, M.F. and Beaty,

H.W. Electrical Power Systems Quality,McGraw-Hill, 1996.

[2] Bollen, M.H.J. Understanding Power Quality Problems, IEEE Press, 2000.

[3] Heinz KURZ, "Rolling Across Europe's Vanishing Frontiers", IEEE Spectrum, Feb. 1999, PP 45-49

[4] L.A Snider, E. Lo, T.M. Lai, Stochastic Power

Quality Study of Distribution Supply to Metro Transit Railway, IEEE Conference on Power Quality, 2001

[5] TCDD Reaktif G Kompanzasyonu Teknik

Iartnamesi, 1996 [6] Mumyakmaz, B. Elektrikli demiryolu Katener

Hatlarnn Kompanzasyonunda Statik Var Kompanzatrlerinin kullanlmas., DPU FBE Dergisi, 2000, Say 1

[7] IEEE Standard 519-1992, Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.