Reaktif Güç Transferi

Aralarında iletim hattının indüktif reaktansı bulunan  iki generatörlü, iki baralı bir sistem olsun. 

Şekilde bara gerilimleri kutupsal olarak, görünür güç ve generatörler arası akım karmaşık sayı olarak gösterilmektedir.

Reaktif Güç ve Gerilim İlişkisi

Reaktif güç ve gerilim ilişkisi için basitleştirme adına kısa iletim hattı göz önüne alınmıştır. Kısa iletim hattı modelinde, hat empedansı, kaynak gerilimleri ve hat akımı yer alır. Anlaşılır olması ve formüllerden kopmama açısından formüller arası geçişlerde uzun işlem yapılmıştır.

Şekil 1'de kısa iletim hattı modeli, reaktif güç ve gerilim ilişkisi için verilmektedir. 

Şekil 1. Kısa iletim hattı modeli

\[{{\tilde I}_1} = {{\tilde I}_2} = \tilde I\]

karmaşık sayı biçimindedir.

\[\theta\]

indüktif faz açısı  geri fazda olur.

\[\tilde I = I(\cos \theta  + j\sin \theta )\]

 

yazılabilir.

Şekil 2. Kısa iletim hattı indüktif vektörel gösterim

Akımın x ve y eksenindeki bileşenleri aşağıdaki gibi yazılabilir. Şekil 2'de vektörel diyagram için I akımı R direnci ile çarpıldığından x ve y ekseninde değerler de R direnci ile çarpılmalıdır.

\[{I_x} = I\cos \theta\]

\[{I_y} = I\sin \theta\]

\[{{\tilde E}_1}\]

gerilimi sabit tutularak

  \[{{\tilde E}_2}\]

gerilimi, referans eksende alınırsa hattın empedansı ( direnç ve reaktans bileşenleri) nedeni ile gerilim düşümü oluşur. 

Değerler karmaşık sayı olarak alınırsa gerilim düşümü de

  \[\Delta \tilde u\]

şeklinde karmaşık sayı olacaktır. Buradan;

 \[\Delta \tilde u = \tilde Z\tilde I\]

\[\Delta \tilde u\]

'nun da vektörel gösterimde x ekseninde bileşeni

 \[\Delta {u_x}\]

y ekseni bileşeni

  \[\Delta {u_y}\]

olur.

Şekil 2'de akımın y bileşeni endüktif özellikli geri faz nedeniyle eksenin negatif tarafında kaldığından karmaşık sayı ifadesi ile aşağıdaki gibi yazılabilir.

\[\tilde I = {I_x} - j{I_y}\]

Gerilim düşümü de karmaşık sayı olarak

  \[\Delta \tilde u = \tilde Z\tilde I\]

formülünde akım ve empedans ifadeleri yerine koyulduğunda;

\[\Delta \tilde u = (R + j{X_L})({I_x} - j{I_y})\]

 \[\Delta \tilde u = (R{I_x} - jR{I_y} + j{X_L}{I_x} - {j^2}{X_L}{I_y})\]

 \[{j^2} =  - 1\]

yazılarak

 \[\Delta \tilde u = {I_x}R + {I_y}{X_L} + j({I_x}{X_L} - {I_y}R)\]

olduğundan,

\[\Delta {u_x} = {I_x}R + {I_y}{X_L}\]

\[\Delta {u_y} = {I_x}{X_L} - {I_y}R\]

Görünür güç hesaba katılırsa;

 \[\tilde S = \tilde U\tilde I*\]

genel formülünden

 \[\tilde I = {I_x} - j{I_y}\]

ifadesinin eşleniği alınıp

  \[\tilde I = {I_x} + j{I_y}\]

yazılmalıdır.

 \[{S_2} = {E_2}({I_x} + j{I_y}) = {P_2} + j{Q_2}\]

olur.  

Akımları çekip üstteki 

\[\Delta {u_x}\]

\[ \Delta {u_y}\]

denkleminde yerleştirilirse;

\[{I_x} = \frac{{{P_2}}}{{{E_2}}}\]

\[{I_y} = \frac{{{Q_2}}}{{{E_2}}}\]

\[\Delta {u_x} = \frac{{{P_2}R}}{{{E_2}}} + \frac{{{Q_2}{X_L}}}{{{E_2}}} = \frac{{{P_2}R + {Q_2}{X_L}}}{{{E_2}}}\]

\[\Delta {u_y} = \frac{{{P_2}{X_L}}}{{{E_2}}} - \frac{{{Q_2}R}}{{{E_2}}} = \frac{{{P_2}{X_L} - {Q_2}R}}{{{E_2}}}\]

 olur.

İletim hattında indüktif reaktans dirence göre çok büyük olduğundan direnç ihmal edildiğinde;

\[\Delta {u_x} \approx \frac{{{Q_2}{X_L}}}{{{E_2}}}\]

 \[\Delta {u_y} \approx \frac{{{P_2}{X_L}}}{{{E_2}}}\]

formülleri elde edilebilir.

Yorumlandığında, hattaki

  \[\Delta {u_x}\]

gerilim düşümü iletim hattındaki reaktif güç akışı ile belirlenmektedir. 

Reaktif güç akışı artarsa gerilim düşümü artar. Diğer bir ifade ile yük tarafından talep edilen reaktif güç artarsa hat sonu gerilim düşer.

Gerilim düşümünü önlemek için hattaki reaktif güç azaltılmalıdır. Kısa hat kullandığımızdan tüketim tarafında kompanzasyon yapılarak gerilim enjekte edilebilir.

Aktif güç, gerilimleri ifade eden

 \[{{E_1}}\]

ve

  \[{{E_2}}\]

arasındaki faz farkını  

\[δ\]

oluşturmaktadır zaten Şekil 2'de vektörel olarak da görülmektedir.

Kısa devre gücü ile reaktif güç ilişkisi

İkinci tarafta kısa devre gücü, giriş çıkış gerilimlerin eşitliği durumunda  

\[\frac{{{E_1}}}{{{E_2}}} = 1\]

göz önüne alınabilir.

 \[{S_{KD}} = \frac{{{V^2}}}{X}\]

genel formülü ile kısa devre gücünü elde etmek için gerilim düşümü formülünde paydalar gerilime bölündüğünde;

 \[\frac{{\Delta {u_x}}}{{{E_2}}} = \frac{{\Delta {u_x}}}{{{E_1}}} = \frac{{{Q_2}{X_L}}}{{{E_1}^2}}\]

elde edilir.

\[{S_{2KD}} = \frac{{{E_1}^2}}{{{X_L}}}\]

\[\frac{{{Q_2}{X_L}}}{{{E_1}^2}} = \frac{{{Q_2}}}{{{S_{2KD}}}} = \frac{{\Delta {u_x}}}{{{E_2}}} = \frac{{\Delta {u_x}}}{{{E_1}}}\]

olacaktır.

\[\Delta {u_x} = {E_1} - {E_2} = {E_1}\frac{{{Q_2}}}{{{S_{2KD}}}}\]

kısa devre durumu ele alındığından,

\[{E_2} = {E_1} - {E_1}\frac{{{Q_2}}}{{{S_{2KD}}}} = {E_1}\left[ {1 - \frac{{{Q_2}}}{{{S_{2KD}}}}} \right]\]

2.taraftaki gerilim büyüklüğü ya da çıkış gerilimi reaktif güç akışı ile belirlenmektedir.

Hattaki reaktif güç akışı giriş-çıkış veya 1. ve 2. taraftaki gerilimler arasındaki farkı artırmaktadır.

İkinci barada kısa devre gücü yüksekse hattaki reaktif güç akışı, çıkış bara gerilimini birinci bara baz alındığında daha az düşürür.

Bara Transferi

Termik santral ve nükleer santralde sistemin devamlılığı ve güvenirliliği açısından baraların enerjili kalması gerekmektedir.

Bara transfer konfigürasyonu endüstriyel gereksinim ve sahadaki elektrik beslemesinin çeşitliliğine göre değişir.  Örneğin termik ve nükleer santralde santralin çalışabilmesi veya nükleer santrale özgü olarak güvenli devreden çıkarmayı (safe shutdown) sağlamak için gerekli olan iç ihtiyacı besleyebilen en az iki adet şebeke beslemesi olmaktadır. Şebeke beslemeleri arasında enerjinin sürekliliği açısından bara transferi gereklidir. 

Nükleer Santral Elektrik Sisteminin Nükleer Güvenliğe Etkisi

Nükleer santralde temelde 3 adet olan güvenlik fonksiyonlarının nükleer kazayı önleme ve sonuçlarını hafifletmek için gerçekleştirilmesi gerekmektedir.

1. Reaktivitenin kontrolü (reactivity control)
2. Bozunum ısının bertaraf edilmesi (decay heat removal)
3. Radyoaktif maddenin sınırlandırılması 

Nükleer santraldeki elektrik sistemi doğrudan bu 3 adet güvenlik fonksiyonunu gerçekleştirmez ancak bu fonksiyonları yapan ekipmanın çalışabilmesi için gerekli güç beslemesini sağlar. 

Nükleer santral işletme koşulları, normal işletme durumları ve kaza koşulları olarak ikiye ayrılmaktadır. Aşağıdaki tablo Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı'nın dokümantasyonundan alınmıştır. Olayların olma olasılıklarına göre de bir sınıflandırma söz konusudur. Örnek olarak şebekeyle ilgili iletim sisteminin kaybı olayı (LOOP) her santralin ömrü boyunca bir kez karşılaşma ihtimali olunan beklenen bir işletme koşulu olarak tasarımlarda göz önüne alınmaktadır. İletim sisteminin kaybı durumuna karşı tasarımda yedekli dizel/gaz generatörleri kullanılmaktadır.

PWR gibi ağırlıklı olarak aktif sistemli reaktörler için en güvenilir besleme kaynağı elektrik iletim şebekesidir. Normal işletme, beklenen işletme koşulları (anormal durumlar da denebilir), kaza koşulları ve kaza sonrası durumlarda iletim sisteminin santral elektrik dağıtım sistemini beslemesi gerekmektedir. İletim sistemi, santral elektrik dağıtım sisteminde yer alan güvenlikle ilgili baraya (Class 1E'de denilir) güvenlik sistemlerinin çalışarak santralin güvenli şekilde devreden çıkarılması amacıyla besleme sağladığından nükleer güvenlik açısından önemli sistemdir. Bu nedenle, yedeklilik, fiziksel ayrım, bağımsız olma gibi kriterler şebeke besleme sistemine uygulanır.

Büyük güçlü nükleer santralin kendisinin ya da bazı ünitelerinin, ya  da başka bir büyük güçlü üretim santralinin (başka bir nükleer santral ya da üretim tesisi olabilir) devreden çıkması ya da şebeke kaynaklı olaylar şebeke kararlılığını etkilemektedir. Şebeke kararsızlığı ya da çökmesi santralin LOOP durumuna yani şebeke beslemesi kaybına yol açacağından güvenlik fonksiyonlarını çalıştırır.

İletim şebekesi, hat güzergahı, iletim hattı direklerinin tipleri, şalt sahası konfigürasyonu ve bağlantılar nükleer santralin kurulacağı sahaya özgü olmaktadır.

Nükleer santral elektrik sistemi Şekil 1'deki gibi gruplandırılabilir.

Şekil 1. Nükleer Santral Elektrik Sistemi 

Nükleer santralin elektrik sistemi tasarımına bağlı olarak normal işletme koşullarında santral iç tüketimi, senkron generatör yani ünite çıkışından ya da Amerika'daki nükleer santral örneklerinde olduğu gibi devreye alma/çıkarmada bara transferine ihtiyaç duyulmadığından santral şaltı ile şebekeden de karşılanabilir. Ünite senkron generatörü genelde 3 adet tek fazlı ya da 3 fazlı yükseltici trafo ile iletim şaltına dolayısıyla ana şebekeye bağlanır. 

Şekil 1'de santral güvenlik fonksiyonlarını yerine getirecek sistemlerin beslenmesi amacıyla güvenlik baralarının bağlantılarını IEEE 765 standartı baz alınarak örnek olarak gösterilmektedir. Santral teknolojisi ve elektriksel tasarıma göre tek hat değişecektir. 

Şekil 2. İletim sistemi güvenlik baralarının beslemesi

Nükleer santral normal işletme sırasında iletim şebekesine yani ana şebekeye enerji vermekte, devreye alma ve devreden çıkma durumunda şebekeden enerji çekebilmektedir. 

Şekil 2'de santralin devreye alınması ve devreden çıkarılması durumunda generatör kesicisinin açılması ile çift yönlü ana trafo sayesinde santral iletim şebekesinden ünite trafolarını besleyerek gerekli fonksiyonları gerçekleştirir. Ana şebekeden besleme olarak ifade edilen bu besleme biçiminde, ana şebekenin kaybı durumunda yedek besleme sistemi santral iç tüketim baralarına ayrı bir hat ya da hatlarla indirici trafolar (yedek şebeke trafosu) vasıtası ile bağlanmaktadır. Yedek şebeke ağırlıklı olarak santrali güvenli şekilde devreden çıkarmaya yarar. 

Güvenlik fonksiyonu için besleme sağlayan güvenlik baraları ve güvenlikle ilgili olmayan bara sayısı santrale göre değişir. Güvenlikle ilgili olmayan baralar, güvenlik baralarını besleyen ünite trafosu hattı ile beslenebildiği gibi ayrı bir trafo veya trafolar ile de beslenebilir. Güvenlik barası sayısında N+1 kriteri, hatta yeni tip reaktörlerde N+2 kriteri dikkate alınmaktadır. Bu kriterlerle birlikte güvenlik fonksiyonu yapacak ekipmanı besleyecek bara sayısı yedeklilik ve nükleerde yer alan kısıtlı işletme şartını ortadan kaldırmak adına 3 adet ( biri arızalı iken ikisi birbirini yedekleyecek şekilde devrede olmalı) ve online bakım göz önüne alındığında 4 adet ( bakım+ arıza + 2 yedekli çalışma) olmaktadır. 

Yedek şebeke,  ana şebeke ile aynı gerilim seviyesinde olabilir. Bu durum, nükleer güvenlik için yeterli olmakla birlikte farklı gerilim seviyesi ile bağlantı ile güvenlik artırılmaktadır. Nükleer güvenlikte en az iki adet bağımsız iletim sistemi ile bağlantı gerekmekte ve kaza durumunda santrali güvenli duruma getirecek, birbirinden fiziksel olarak bağımsız ve aynı kabiliyete bu iki iletim sistemi kullanılmaktadır. Türkiye'de bu durumda ana şebeke olarak 400 kV ve yedek şebeke olarak 154 kV iletim sistemi örnek olarak verilebilir. 

Nükleer Santral Güvenlik Fonksiyonu

Isı çevrimine bağlı olarak elektrik üretmesi ile bir termik santral olmasına rağmen nükleer santrali termik santralden ayıran en önemli özelliklerden biri, kaza durumunda sonuçlarının ağır olması nedeniyle göz önüne alınması gereken nükleer güvenlik (safety) kavramıdır. Nükleer güvenliği sağlamak adına santralde gerçekleştirilmesi gereken temelde 3 adet güvenlik fonksiyonu vardır.

1. Reaktivitenin kontrolü (reactivity control)

2. Bozunum ısının bertaraf edilmesi (decay heat removal)

3. Radyoaktif maddenin sınırlandırılması 

Literatürde ve düzenleyici kuruluşların dokümanlarında bu üç fonksiyon farklı ifadelerde aynı anlamda verilebilmektedir.