Transformatörlerde Enerji Verimliliği, Amorf Nüve Kullanımı Yazı Dizisi-2

Transformatörlerde Enerji Verimliliği, Amorf Nüve Kullanımı

Yazı Dizisi-2

Selim Aygören

AMORF NÜVENİN PERFORMANSINA HARMONİKLERİN ETKİSİ

Elektrik şebekelerinde kullanılmakta olan ark ocakları, aydınlatma kontrol cihazları, değişken hızlı motor sürücüleri, bilgisayarlar ve haberleşme cihazları gibi non-linear yük kaynakları akım ve gerilim dalga şekillerinin bozulmasına neden olmaktadırlar. Sonuç olarak, enerji hatları şebeke frekansında önemli oranda harmonik bileşen barındırmaktadır. Harmonik kirliliğin boyutu sayısal olarak (THD) toplam harmonik bozulma formülüyle ifade edilir. Formülün akıma uyarlanmış şekli aşağıdadır:

Burada “i_1”şebeke frekansındaki nominal akım, “n” ise harmonik numarasıdır.

Non-linear yüklerin yarattığı harmonikler frekansa dayalı nüve ve sargı eddy kayıplarının f^m oranında artmasına neden olur. Katsayıda kullanılan “m” amorf nüveler için ~1,5 iken konvansiyonel nüveler için ~2’ dir. Şekil 5’ te de görüleceği üzere amorf nüveli transformatörler ile konvansiyonel nüveli transformatörler arasındaki kayıp farkı harmonik ortamda daha da artmaktadır.

Şekil.5. Amorf ve silisli sac nüveli transformatörlerin 60 Hz’ de toplam kayıplarının karşılaştırılması.

“Hindistan Elektriksel Araştırma ve Kalkınma Derneği” nin (ERDA) hazırladığı rapor aşağıdaki Tablo.2’ de özetlenmiştir [7]:

Tablo.2.

Amorf Metal ve SiFe-bazlı nüveyle üretilmiş 250 kVA transformatörlerde kayıp karşılaştırmas tablo2 ı.

Yukarıdaki örnek çalışmada da görüldüğü gibi düşük kayıplı amorf nüveli transformatör ile CRGO silisli sacdan üretilmiş transformatör toplam kayıpları arasındaki fark, harmonik bozulmaların girdap akımları üzerindeki etkisi CRGO silisli sacda daha fazla olduğu için, artmıştır. Gün geçtikçe şebekedeki kullanımları artmakta olan harmonik bozulmaların en önemli kaynağı non-linear yükler amorf nüveli transformatörlerin önemini de artırmaktadır.

AMORF NÜVELİ TRAFOLARIN ÇEVRESEL ETKİLERİ

Büyüyen dünya nüfusu ve gelişmekte olan ekonomilerin daha fazla enerji tüketme ihtiyacı elektrik enerjisinin kullanımını artırmıştır. Elektrik enerjisinin büyük bölümü petrol, doğalgaz, kömür gibi yenilenemeyen fosil yakıtlardan elde edildiği için ortaya çıkan CO₂ ve diğer zararlı gazlar günümüzde en önemli çevresel sorunlardan olan küresel ısınmayı artırıcı etki yapmaktadır. Düşük kayıplı amorf transformatörlerin kullanımının yaygınlaşması elektrik şebekelerinde boşa giden kayıpların azaltılarak yapılan enerji tasarrufunun yanında kayıp olan enerjinin üretilmesinin azalması suretiyle sera gazı emisyonlarının düşürülmesine katkıda bulunmaktadır. ABB firmasının yaptığı, amorf transformatörlerin yaşam döngüsü analizinin farklı yüklenme oranlarındaki sonuçları Şekil.6’ da görülmektedir.[8]

Yukarıdaki grafikte görüldüğü gibi tipik dağıtım transformatörleri yükleme oranlarında amorf transformatörlerin çevreye etkileri standart nüveli transformatörlerin 40%’ ı kadardır. Yani genel kullanım aralıklarında amorf transformatörlerin neden olduğu dolaylı çevre kirliliği standart nüveli transformatörlerin yaklaşık 40%’ ı kadardır.

Avrupa Bakır Enstitüsü’ nün yönettiği “LEONARDO Energy” programı kapsamında yürütülen bir projeye göre dünya tüketiminin 70%’ ini temsil eden ve elektrik şebeke verimleri dünya ortalamasının üzerinde olan 6 ekonominin enerji tasarruf potansiyeli ile bu potansiyele bağlı sera gazı salınım miktarlarını gösteren tablo aşağıdadır. [9]

Tablo.3. Yüksek verimli trafolarda enerji tasarruf potansiyeli.

Yukarıdaki tabloda olası yük artışları, harmonik etkilerin getirdiği ek kayıplar dikkate alınmamış ve verimlilik seviyelerine birebir uyulduğu varsayılmıştır. Bu durumda bile kayda değer bir azalma mevcutken pratikte kazanım daha fazla olacaktır.

AMORF NÜVELİ TRAFO KULLANIMININ EKONOMİK BOYUTLARI

Amorf metal nüveli transformatörler yüksek verim, harmonik ortamlarda daha az kayıp artışı gibi özellikleriyle günümüz şartlarında yüksek talep alması beklenen ürünlerdir. Ancak standart nüveli transformatörlere göre daha maliyetli olmaları nedeniyle tüketici talepleri açısından henüz istenen seviyede değildirler. Amorf metal nüvelerin manyetik doyma noktaları ile doldurma faktörleri eskiye göre daha iyi durumda olmalarına rağmen standart nüvelere göre düşüktür. Bu özellik transformatör tasarımında kullanılacak nüvenin kesitinin artmasına, dolaylı olarak da sargı ve kazan boyutlarını büyüterek kullanılan malzeme miktarının artmasına neden olmaktadır. Amorf nüve malzemesinin özel üretim yöntemleri ve üretiminin henüz istenilen seviyelere ulaşmaması da yukarıdaki özelliklere ek olarak bir başka maliyet artırıcı etmendir. Transformatör maliyeti hesaplanırken sadece satın alma maliyetini dikkate almak sakıncalıdır. Transformatörler görece uzun ömürlü cihazlardır (~ 30 yıl). Özellikle uzun kullanım ömürleri nedeniyle satın alma aşamasında seçenekler değerlendirilirken satın alma maliyetleri yanında gelecekteki işletim maliyetleri de dikkate alınarak Toplam Kullanım Maliyeti yöntemi kullanılmalıdır. Toplam Kullanım Maliyetini belirleyen birçok etmen vardır. Başta gelenleri transformatörlerin nüve ve sargı kayıplarıdır. Genel Toplam Kullanım Maliyeti formülü aşağıdaki gibidir:

TKM= C + [ A x Po (W) ] + [ B x Pcu (W) ] (2)

Yukarıdaki formülde “C” satınalma maliyeti, “A” ve “B” ise sırasıyla nüve ve sargı kayıplarının maddi etkilerini hesaplamaya yarayacak katsayılardır. Kayıplarla ilgili katsayılar ülkelere hatta bölgelere göre farklılık gösterir. Üretilen enerjinin maliyeti, transformatörün yüklenme oranları, şebekedeki harmonik bozulmalar, olası faiz oranları vb. bu katsayıları etkilemektedir. Özellikle amorf transformatörlerde Toplam Kullanım Maliyetleri hesaplanırken satın alma bedeli ve kayıplar dışında transformatörün verimliliği artacağı için gelecekte yapılması planlanan ancak kayıplardaki azalmayla yapılacak tasarruf sayesinde daha ileriye ötelenecek enerji yatırımlarının getirisi de dikkate alınmalıdır. Ayrıca çevre duyarlılığının artmasıyla ülkelerin yapacağı antlaşmalar, alacağı yaptırım kararları ve uygulayacağı ilave çevre vergileri de toplam kullanım maliyetine ilave edilmesi gereken etmenlerdir. Transformatör tercihinde dikkate alınması gereken etmenlerin etki katsayıları transformatörün bağlanacağı şebekenin özellikleri ve ülke koşullarıyla biri bir ilişkilidir.

SONUÇ

Enerji verimliliğinin öneminin artmasıyla enerji iletim ve dağıtım şebekelerindeki elemanlar üzerinde yitirilen kayıplar daha çok önem kazanmıştır. Yapılacak teknolojik yatırımlar ve geliştirmelerle şebeke verimini en çok etkileyecek elemanlar olan dağıtım transformatörlerinde verim açısından ulaşılan en ileri nokta amorf çekirdek teknolojisidir.

Amorf çekirdekli transformatörler gerek yüksek maliyetleri gerekse üretimlerinin tekel konumunda olup yaygınlaşmaması nedeniyle hak ettikleri ilgiyi görememektedirler.

Yapılacak yeni araştırma-geliştirme çalışmalarıyla amorf malzemelerin dezavantajlı özellikleri olan doldurma faktörü ve manyetik doyma noktası gibi özelliklerinin iyileştirilmesi halinde malzeme satın alma ve kullanım maliyetlerinin azalacağını düşünüyorum.

Çevre kirliliğinin ülke sınırlarını aşması ve sera gazı etkisinin Dünya’ nın bütününün sorunu olması nedeniyle ülkeler arası antlaşmalar ve konulan kurallarda enerji verimliliğine vurgu yapılmaktadır. Belli başlı ülkelerde uygulanmakta olan minimum verimlilik standartları, karbon vergileri vb. düzenlemelerin daha da yaygınlaşmasıyla amorf transformatör teknolojisine eğilim uzun vadede artacaktır.

KAYNAKÇA

[1] Joan Frau, Energy Efficiency and Security, Endesa distribution, Project Effitrafo, 2008.

[2] N. DeCristofaro, Amorphous Metals in Electric-Power Distribution Applications, MRS Bulletin Vol. 23, (1998), s. 51

[3] M. Narasimhan, U.S. Patent No. 4 142 571, (1979)

[4] R. Hasegawa, Applications of Amorphous Magnetic Alloys, Material Science and Engineering, Elsevier, (2004), s. 92

[5] S. Yürekten, Trafo Üretiminde İnovasyon Çevreci-Yeşil Trafolar için (Fe Bazlı) Amorf Metal Nüveler, 3E Electrotech, (Kasım 2010), s. 30

[6] A. E. Emanuel, J. A. Orr, D. Cyganski ve E. M. Gulachenski, “ A Survey of harmonic voltages and currents at distribution substations”, IEEE Trans., Power Delivery, vol. 6, ss. 1883-1890, (1991)

[7] ERDA Raporu “Transformer performance under harmonic conditions in industry”, Electrical Researc and Development Association, Vadodara, India, (2000)

[8] A. Eliasson, H. Elvfing, V. R. Ramanan, Amorphous Metal Core Material Shows Economic and Environmental Benefits when Pre-existing Transformers are to be Replaced within Vattenfall Group’ s Distribution Network, IEEE PES, ( Ekim 2010)

[9] R. Targosz, The Potential for Global Energy Savings from High Efficiency Distribution Transformers, European Copper Institute- LEONARDO Energy Programme, (2005), s. 13

Önceki Yazı Sonraki Yazı

Paylaş: