Ferranti Etkisi Nedir?

Ferranti etkisi, alternatif akım (AC) iletim hattının sonunda gerilimin yükselmesine neden olan elektriksel terimdir. Diğer bir ifadeyle, iletim hattının alıcı ucundaki gerilimin, gönderen uç geriliminden daha fazla olduğu etki olarak bilinir. Uzun bir iletim hattının, hattın tüm uzunluğu boyunca yüksek miktarda kapasitans ve endüktans oluşturduğu düşünülebilir. Ferranti olayı hattın dağıtılmış kapasitesi tarafından emilen akım, hattın alıcı ucundaki yük ile ilişkili akımdan daha büyük olduğunda meydana gelmektedir. Detaylar yazının devamında...

A- A+

29.03.2021 tarihli yazı 7105 kez okunmuştur.

Elektrik sistemlerinde akımın, sistemde bulunan elektriksel potansiyel farkını telafi etmek için daha yüksek potansiyele sahip bölgeden daha düşük potansiyelli bölgeye aktığını biliyoruz. Tüm pratik durumlarda, gönderen uç gerilimi hat kayıpları nedeniyle alıcı uçtan daha yüksektir, bu nedenle akım kaynaktan veya besleme ucundan yüke akar. Ferranti Etkisi ise bu durumun tam tersi yani iletim hattının alıcı ucundaki gerilimin, gönderen uç geriliminden daha fazla olduğu etki olarak bilinir. Bu tür bir etki, esas olarak alıcı uçtaki hafif yük veya açık devre nedeniyle oluşur. Ferranti olayı 1887 yılında elektrik mühendisi Sebastian Ziani de Ferranti tarafından keşfedildi. Ferranti, bu etkiyi Londra’daki bir güç sisteminin belirli noktalarındaki gerilim artışlarını fark ederek keşfetti.

► İlginizi çekebilir: Korona Olayı | ElektrikPort Akademi

Ferranti etkisi, hattın endüktansı ve kapasitansı arasındaki etkileşimden kaynaklanır. Endüktans ve kapasitans 240 km ve üzeri hatlar için oldukça önem taşır. Güç hattı yüksüz veya düşük yük koşullarında çalıştırıldığında, alıcı uçtaki gerilim giriş geriliminden daha yüksek olabilir. Bu gerilim, hattın nominal değerini aşarsa, tehlikeli durumlara neden olabilir ve kablolar ve bileşenlerde gerilime neden olabilir. Aşağıdaki şekilde gösterilen klasik T şeması, Ferranti etkisinin bir elektrik iletim hattında nasıl gerçekleştiğini açıklamakta.

Ferranti Etkisinin Nasıl Gerçekleştiğini Gösteren Şema

► İlginizi çekebilir: Crowbar Devresi Nedir & Nasıl Çalışır?

Şemada;

► L, hattın boylamasına endüktansını [H/km]

► I, hattın uzunluğunu [km]

► C, hattın enine kapasitansını [F/km]

► V_i, hattın girişindeki gerilimi [V]

► I_i, hattın girişindeki akımı [A]

► V₀, hattın çıkışındaki gerilimi [V] temsil etmektedir.

Aşağıdaki denklemimiz ise hattı yüksüz durumda yani açık devre olduğunu varsayar ve Kirchhoff kanunun yukarıdaki devreye uygulanmış halini temsil eder.

Yukarıdaki Devreye Kirchhoff Kanunun Uygulanması

► İlginizi çekebilir: Enerji İletim Hatlarında Kullanılan Elemanlar

Devre modelinden ve yüksüz koşullardan dolayı, çıkış geriliminin kapasitanstaki gerilim olduğu açık olarak gözükmektedir. Bu durumdan dolayı hattın enine kapasitansının Ferranti etkisinde nasıl kilit bir rol oynadığını rahat bir şekilde görebiliriz. Yukarıdaki denklemlerden, Vo çıkış geriliminin giriş gerilimi Vi'den daha yüksek olduğunu ve özellikle aralarındaki farkı, çıkış gerilimine bakarak hesaplamak mümkündür.

Buradaki gerilim farkı, güç sisteminin frekansının karesi, hat uzunluğunun karesi ve hat endüktansı ve kapasitansının ürünüyle orantılıdır.

Denklemler aracılığıyla yaptığımız gözlemler bizi birkaç önemli sonuca ulaştırdı. Daha yüksek frekansta çalışan güç sistemlerindeki iletim hatlarının Ferranti Etkisinden etkilenme olasılığı daha yüksektir. Örneğin, aynı gerilimde ancak farklı frekanslarda çalışan iki özdeş elektrik hattını ele aldığımızda, alıcı uçta istenmeyen ve tehlikeli gerilim artışını önlemek için daha yüksek bir frekansta çalıştırılanın daha kısa olması gerekir. Bir diğer sonuç iste kablo hatlarında Ferranti Etkisinin daha belirgin olmasıdır. Çünkü bir kablodaki tipik hizmet endüktansı değerleri, bir havai hattın endüktansının yaklaşık 0,5 ila 0,7 katıdır. Bununla birlikte, kapasitans değerleri yaklaşık 20 ila 60 kat daha yüksektir. Bu nedenle, bir kablo hattıyla, hat endüktansı ve kapasitansının ürünü yaklaşık 10 ila 30 kat daha yüksek olabilir.

Hattın uzunluğu oldukça önemlidir. Bununla birlikte, hat uzunluğu arttığında uzunluk daha da önemli hale gelir. İletim hatlarının denklemlerinin trigonometrik gösterimi göz önüne alındığında, yüksüz durumda aşağıdaki denklemi göstermek mümkündür.

Ferranti Etkisinin ana nedeni, hattın kapasitansı ve endüktansı arasındaki etkileşimdir. Genel olarak, Ferranti Etkisi iyi bilinmektedir ve arızalara ve tehlikeli durumlara neden olabilecek beklenmedik gerilim artışlarını önlemek için bir güç dağıtım sisteminin tasarımında dikkate alınmalıdır. Ferranti Etkisinden kaçınmak için, elektrik iletim hatlarının maksimum uzunluğunu sınırlamamız gerekir. Tipik enerji nakil hatlarının 50 Hz'de 600-700 km'yi (veya 60 Hz'de 500-600 km'yi) geçmemesinin nedeni budur. Bu fenomeni en aza indirmek için hattın uzunluğunu azaltarak, hattın endüktansı ve kapasitansı, hattın kendisinin kendine özgü yapısal özelliklerinden dolayı bir rezonans durumu yaratabilir.

Ferranti Etkisinden kaçınmak için bir şönt reaktör (temelde bir endüktans) kurulur. Şönt reaktör, iletim hatlarından gelen kapasitif akımı kompanze etmek için hat ile nötr arasına bağlanan endüktif bir akım elemanıdır. Uzun iletim hatlarında bu etki meydana geldiğinde, şönt reaktörler hatların kapasitif VAr'ını kompanze eder ve bu nedenle gerilim, öngörülen sınırlar dahilinde düzenlenir. Bu, hattın enine kapasitansını telafi eder ve Ferranti Etkisini büyük ölçüde azaltır. Bahsettiğimiz sorunların gerçekliği, yukarıda sunulan açıklamalardan çok daha karmaşık hale gelebilir. Bazı durumlarda yüksüz durumdaki hattın “ideal” durumunu varsaymak yerine, olası kayıpları da düşünmek gerekebilir.

Kaynak:

► eepower.com
► circuitglobe.com
► electrical4u.com