Yüksek Güç Uygulamalarında Disk Kondansatörler

Yüksek kapasitans değerleri gerektiren yüksek gerilim uygulamaları özel kondansatör teknolojileri gerektirir. Yüksek gerilim disk kapasitörleri, 50 kV'a kadar çalışma gerilimi, 5000 pF üzerinde kapasitans, düşük endüktans ve %0,5'in çok altında bir dağılım faktörü (DF) gerektiren uygulamalarda kullanılır. Tipik uygulamalar arasında enerji depolama ve lazer boşalması yer alır. X-ray sistemleri, yüksek gerilim güç kaynakları, parçacık hızlandırıcılar ve iyon pompaları gibi bir çok uygulamada yarım dalga gerilim katlayıcıları  kullanılır. Gerilim katlama için kullanılan bu devreler iki diyot, iki kapasitör ve bir AC giriş gerilim kaynağından oluşur.

 Yarım Dalga Gerilim Katlayıcı

Yarım dalga gerilim katlayıcının devre şeması Şekil 1'de gösterilmiştir. Pozitif yarım dalga süresince D1 diyotu, içinden akım akacak şekilde ileri yönde kutuplanmıştır. Bu akım C1 kondansatörüne akar ve onu giriş gerilimi nin tepe değeri (VM) ‘ne şarj eder. Ancak, D2 diyotu ters yönde kutuplanmış olduğu için C2 kondansatörüne akım akmaz. D2 diyotu C2 kondansatörüne akacak akımı engeller. Bu nedenle, C1 kondansatörü pozitif yarım dalga sırasında elektriksek yük olarak dolarken, C2 kondansatörü dolmaz.

  

Şekil 1: Yarım dalga gerilim katlayıcının devre şeması 

 Negatif yarım dalga süresince D1 diyotu ters yönde kutuplanmıştır.  Bu nedenle, negatif yarım dalga süresince C1 kondansatörü dolmaz.  Aksine bu kondansatörde depolanmış olan yük (Qm) boşalır.

 Negatif yarım dalga süresince, D2 ileri yönde kutuplanmıştır,  böylece giriş gerilimi VM ve C1 kondansatörünün gerilimi VM, C2 kondansatörününün gerilimine eklendiğinden C2 kondansatörü 2 VM değerine kadar dolar. Bu nedenle, C2 kondansatörü negatif yarım dalga süresince hem giriş besleme gerilimi VM hem de C1 kondansatöründeki gerilim tarafından doldurulur.  Nihai durumda  C2 kondansatörü 2VM büyüklüğünde bir gerilime sahip olacaktır.  Çıkış tarafından devreye bir yük bağlanırsa, C2 kondansatöründe  2VM gerilim altında depolanmış yük boşalır ve çıkışa doğru akar.

 Bir sonraki pozitif yarım dalga süresince D1 diyotu ileri ve D2 diyotu tıkama yönünde kutuplanmıştır.  Bu nedenle C1 kondansatörü VM’ ye kadar  dolarken C2 kondansatörü dolmadan kalır.  Ancak C2 kondansatöründe depolanan yük boşalır ve çıkış yüküne akar. Yarım dalga gerilim katlayıcı böylece çıkış yüküne 2VM'lik bir gerilim sürer.

 Excimer lazer

Eksimer lazerin çalışma prensibi, bir eksimer molekülündeki lazer etkisine dayanır. Bu, etki molekülün bağlı (birleşik) bir uyarılmış , ancak itici (ayrışan) bir temel duruma sahip olmasına dayanmaktadır. Ksenon ve kripton gibi soy gazlar çok inerttir ve normalde kimyasal bileşikler oluşturmazlar. Bununla birlikte, uyarılmış bir durumda (elektrik boşalmaları veya yüksek enerjili elektron ışınları tarafından tetiklenme durumunda ) kendileriyle (excimer) veya flor ve klor gibi halojenlerle (exciplex) geçici olarak bağlı moleküller oluşturabilirler. Bu şekilde uyarılan bağ, fazla enerjisini kendiliğinden veya uyarılmış emisyonla serbest bırakabilir, bu da temel durumda çok hızlı bir şekilde (bir pikosaniye mertebesinde) iki tane bağlanmamış atoma geri ayrışan güçlü bir itici molekülle sonuçlanır. Bunun sonuncunda da pompalama meydana gelir (Bkz : population inversion ).

 Uyarılmış durum bir elektriksel boşalma ile başlatılırsa, temel devre topolojisi tipik olarak bir kondansatör bankası olan depolama kondansatörünün bir flaş lambasında kullanılacağı şekilde oluşturulabilir.

  Darbeli uygulamalarda kondansatörleri doldurmak için en yaygın kullanılan yöntemler tam ve kısmi boşalmadır. Adından da anlaşılacağı gibi, tam boşalmada kondansatör her boşalmada sıfıra kadar boşaltılır.  Akabinde akım beslemesi etkinleştirilir, kondansatör ayarlanan gerilime kadar doldurulur ve boşalma döngüsü tekrarlanır. Yüksek gerilim kesme anahtarı genellikle bir SCR veya daha yüksek gerilimli uygulamalar için bir tiratrondur.

 Kısmi boşalmada, kondansatörden yüke boşalma esnasında devreyi açıp kapatmak için katı hal anahtarları kullanılır ve bu durum devre tasarımcısının temin edilen enerji ile birlikte darbe genişliğini değiştirmesine olanak tanır. Uygun olarak boyutlandırılan kondansatör genellikle her boşalmada enerjinin yalnızca küçük bir yüzdesinin kondansatörden eksilmesine olanak sağlayacak kadar büyük seçilir. Bu nedenle bu durumda "kısmi boşalma" terimi kullanılır.

 Her iki durumda da, güç kaynağının boyutunu belirlemek ve şarj süresini hesaplamak için standart formüller kullanılabilir. Bir uygulama için gereken enerji miktarını tahmin etmenin en kolay yolu bu formülleri kullanmaktır.

Sonuç

Disk kapasitörler oldukça basit bir prensibe dayanır, ancak modern üretim yöntemleri sayesinde çok zorlu uygulamalarda bile tercih edilmektedirler. Yüksek gerilimde sahip olduğu özellikleri ve kısa dolma boşalma  süreleri sayesinde hızlı bir şekilde yüksek güç sağlayabilirler ve bu nedenle modern üretim sistemleri için uygundurlar.

 

Havai Hatların Yerine Yeraltı Kabloları Kullanan Çok Yüksek Gerilim Şebekeleri

Mannheim Elektrik Sistemleri ve Elektrik Ekonomisi Araştırma Derneği'nin CableCop projesinde görevli araştırma ekibi, alternatif gerilim altında işletilen iletim hatlarının bazı kısımlarının yeraltına döşenmesinin çok yüksek gerilim şebekesi üzerindeki etkilerini araştırdı. Dört Alman iletim sistemi operatörü de proje ortağı olarak projede yer aldı. Uzmanlar şebeke planlaması için bulgularını bir kılavuzda özetlediler.

CableCop projesinin arka planında, enerji dönüşümünün yol açtığı şebeke genişlemesi bağlamında pek çok vatandaşın yeraltı kablolarını yerüstü elektrik hatlarına tercih etmesi yatıyor. Bir çok kişi bu hatların çevremizi ve genel peyzajı oılumsuz etkilediğini düşünmektedir.

Çok yüksek gerilim hatları şimdiye kadar çoğunlukla havai hatlar olarak inşa edildiğinden kablo teknolojisine yönelik araştırmalara büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Bu durum özellikle alternatif gerilimle çalışan yeraltı kabloları için geçerlidir zira bugüne kadar çoğunlukla doğru gerilim altında çalıştırılmışlardır. Böylesi elektriğin düşük kayıplarla uzun mesafelere taşınması için çok uygun olsa da, güç temininde standart olarak kendini kabul ettiren alternatif gerilim olmuştur. Alternatif akım/gerilim sayesinde elektriğin üretim tesisinden evlere kadar farklı gerilim seviyelerine dönüştürülmek suretiyle nispeten kolay bir şekilde getirilebileceği anlamına gelmektedir.

Çok yüksek gerilim seviyesindeki alternatif akım şebekesinde, yeraltı elektrik hatları dengeleyici akımlar nedeniyle oluşan ve rezonans olarak bilinen salınımlar üretir. Bunlar alternatif akım şebekesindeki olası kablolama mesafe ve kapsamını sınırladığından ve hatta şebeke kararlılığını tehlikeye atabileceğinden, uzmanlar rezonansların nasıl oluştuğunu, aşırı gerilimlerin hatlar boyunca nasıl yayıldığını ve bu olayların şebeke empedansını, yani alternatif akıma gösterdiği direncin seyrini nasıl etkilediğini araştırmaya odaklandılar.

Karmaşık Yapıdaki Yeraltı Kablo Şebekeleri Hassas Bir Şekilde Planlanmalıdır

Alternatif akım yeraltı kablo teknolojisinin karmaşık doğası, uzmanların şebekeleri ayrıntılı biçimde planlarken ayrıca kapsamlı analizler yapmasını gerektirmektedir. Bu nedenle projenin amacı, çok yüksek gerilim kablolarının yeraltına döşenmesinde sistemle ilgili risklerin daha iyi değerlendirilebilmesi ve bu risklerin en iyi şekilde nasıl önlenebileceğiydi. Şebeke planlaması ancak bu bilgiyle hızlı bir şekilde ilerleyebilirdi.

Araştırma ekibi, yeraltı kabloları tarafından rezonansların nasıl meydana geldiğini kaydetmek üzere şebekede ilgili tüm işletme araçlarını bir simülasyon yazılımı kullanabilmek için yapay olarak oluşturulmuş verilerle ortaya konulan modellerde kullanılabilecek şekilde tanımlayarak işe giriştiler.

Bu yaklaşımı temel alan bilim insanları, tekil şebeke bölümleri oluşturmalarına olanak tanıyan yeni bir yöntem geliştirdiler. Daha sonra duyarlılık testleri yardımıyla söz konusu bölümlerdeki yeraltı kablo sistemlerini analiz ettiler. Şebekede yer alan çok sayıda unsur nedeniyle, bilim insanlarının bu hesaplama ve simülasyonları için mümkün olan en küçük fakat model için hala temsil gücüne sahip olan şebeke bölümlerini seçmeleri zor oldu. Bu aynı zamanda bunun için henüz yerleşik bir yöntem bulunmaması nedeniyle de zorluklar içeriyordu.

Ayrıca, çok yüksek gerilim şebekeleri kritik altyapının bir parçasıdır. Bu nedenle araştırmacılar, laboratuvar çalışmalarının ardından gerçek çok yüksek gerilim şebekesinde yaptıkları metrolojik incelemeler sırasında, teknik riskleri en aza indirmek için şebekeye müdahale etmemeye dikkat etmek zorunda kaldılar.

 Kablolamayı İlgilendiren Özel Durumlar Gelecekte Daha Gerçekçi Şekilde Dikkate Alınabilecekler

Bir Kablo Serme Makinesi 380 kV Yeraltı Kablosu Seriyor

Hassasiyet analizleri şebeke empedansını hangi faktörlerin etkilediğini göstermiştir: Bunlar arasında kısmi toprakaltı kablolarının doğru şekilde tanımlanmış konfigürasyonu, toprağın daha alt derin kısmında tesis edilmiş olası yüksek gerilim şebekelerinin yapısı ve farklı çalışma ve anahtarlama durumları yer almaktadır. Ekip ayrıca, ilgili frekans aralığında rezonansları olmayan, doğrusal transfer davranışına sahip ölçüm transduserlerinin kullanmanın çok önemli olduğunu keşfetti. Şebeke frekansının hem büyük hem de küçük sinyal bileşenlerini güvenilir bir şekilde kaydedebilmek için, ara ölçüm transduserlerinin ve gerçek ölçüm sisteminin optimum ölçüm aralığı seçilmelidir.

Proje paydaşları, model ve yöntemleri gelecekte gerçek çok yüksek gerilim şebekelerinde kullanılabilecek şekilde geliştirmiştir. Burada, kullanılan yazılımın halihazırda denenmiş ve yaygın olması oldukça önem arz etmektedir. Ekip, projenin bulgularından faydalanabilmeleri için bu bulguları diğer kullanıcıların kullanımına sunmayı planlıyor. Özellikle şebeke kesitlerinin oluşturulmasına yönelik yeni yöntem, gerekli simülasyonların hızlandırılmasına yardımcı olabilir. Buna ek olarak, şebeke empedansını belirlemek için test edilen ölçüm yöntemi diğer gerilim seviyelerinde de kullanılabilir. Elde edilen ölçüm verileri ayrıca simülasyon modellerini doğrulamak ve geliştirmek için de kullanılabilir.

Genel olarak sonuçlar, araştırmacıların gelecekte yeni enerji hatlarının kısmi alternatif akım kablolama altyapısının kullanışlılığını daha iyi değerlendirmelerini sağlayacaktır. Aynı zamanda konunun uzmanları, ilgili risklere karşı olası önlemleri almak için bu kılavuzdan faydalanabileceklerdir.