Simetrili bileşenler yönteminde, faz-toprak veya faz-faz  kısa devresi gibi dengesiz bir arıza durumunda  sistem,  hayali üç farklı bileşene ayrılır.

Pozitif Bileşen 

Motorun veya sistemin dönmesi gereken "doğru" yöndür. Üç fazın büyüklükleri birbirine eşittir ve aralarında 120 derece faz farkı vardır. Sistemde hiçbir arıza yokken sadece pozitif bileşen bulunur. Motorun torkunu (dönme gücünü) üreten ana bileşen budur.

Sistemde pozitif bileşen varken sistem normal ve dengelidir.

Negatif Bileşen

Sistemde bir dengesizlik (örneğin iki fazın birbirine değmesi veya bir fazın kopması) oluştuğunda ortaya negatif bileşen ortaya çıkar. Sistemin dönme yönünün tam tersine dönmeye çalışan bir kuvvettir. Arabayla ileri giderken birinin aniden geri vitese takmaya çalışması gibidir.

Vektörlerin sırası pozitifin tersidir (R-T-S sırası). Arıza anında ortaya çıkan bu ters yönlü alan, makinelerde (motor ve jeneratör) aşırı ısınmaya neden olur. Çünkü rotor, bu ters alanın içinden çok yüksek bir bağıl hızla geçer.

Bir direkte B ve C fazları birbirine temas etsin. "Pozitif Bileşen" hala vardır, çünkü sistem enerji üretmeye ve dönmeye devam etmeye çalışır. "Negatif Bileşen"  arıza anında zirve yapar. Çünkü iki fazın birbirine değmesi simetriyi tamamen bozar ve ters yönde dönmeye çalışan bir manyetik alan yaratır. "Sıfır Bileşen" yoktur çünkü arıza toprağa değmiyorsa (sadece iki kablo birbirine değiyorsa), sıfır bileşen oluşmaz.

Özellik

Pozitif Bileşen

Negatif Bileşen

Dönüş Yönü

Saat yönü (veya sistemin normal yönü)

Saat Yönünün Tersi

Normal Durum

Her zaman vardır.

Normalde sıfırdır.

Görevi

İş yapar, tork üretir.

Motoru ısıtır, frenler, zarar verir.

Görüldüğü Arızalar

Tüm arızalarda bulunur.

Tüm dengesiz (L-L, L-G) arızalarda bulunur.

Koruma röleleri (özellikle motor koruma röleleri) negatif bileşeni izler. Eğer bir motorda negatif bileşen akımı artıyorsa, bu genellikle fazlardan birinin koptuğu veya şebekede ciddi bir dengesizlik olduğu anlamına gelir. 

Sıfır Bileşen

Yıldız-Üçgen bağlı evleri besleyen dağıtım trafosu olsun. Elektrik direğindeki "R" fazı koparak toprağa değsin. Hata akımı trafonun sekonder (evlere giden) sargısından çıkar, kopan kablodan toprağa akar. Trafo sekonderi yıldız bağlı olduğundan toprağa akan bu akım trafonun nötr noktasına (toprağa gömülü kazığa) geri döner. Toprak üzerinden "geri dönen" akım, "Sıfır Bileşen" akımıdır. Eğer trafonun nötrü toprağa bağlı olmazsa, bu devre tamamlanamaz ve arıza akımı akmaz.

Toprak arızası olduğunda sıfır bileşen akımı trafonun sekonder sargıları yıldız bağlı olduğundan sargılardan rahatça geçer. Sıfır bileşen akımı, manyetik alan yoluyla (trafo nüvesi) primerdeki üçgen sargılara aktarılır. Üçgen sargıda nötr hattı olmadığından arıza akımı üçgen sargıların içinde bir döngü (sirkülasyon) yapar ama enerji nakil hattına (şebekeye) geri dönemez. Bu durum, alçak gerilimdeki bir toprak hatasının orta gerilim veya iletim hattındaki koruma sistemlerini "gereksiz yere" açtırmasını engeller. Üçgen sargı, sıfır bileşeni hapseder.

Simetrili Bileşenler


Şimdi daha teknik olarak ifade etmek gerekirse dengesiz bir üç fazlı sistem (akım veya gerilim), üç adet dengeli fazör setinin toplamı olarak ifade edilebilir.

Simetrili bileşenler asimetrik arızaların (faz-toprak, faz-faz) analizini, üç adet bağımsız tek fazlı devreye indirgeyerek çözülmesini sağlar.

Pozitif bileşen, sistemin orijinal faz sırasıyla (R-S-T) aynı yönde dönen, genlikleri eşit ve aralarında 120 derece faz farkı bulunan dengeli fazör setidir. Sistemin normal enerji iletimini sağlayan, faydalı iş üreten bileşendir. Jeneratörler sadece pozitif bileşen gerilimi üretir.

Negatif bileşen, sistemin orijinal faz sırasının tersi yönde (R-T-S) dönen, genlikleri eşit ve aralarında 120 derece faz farkı bulunan dengeli fazör setidir. Dengesizliğin göstergesidir. Döner makinelerde (motor/jeneratör) rotorun dönüş yönüne ters bir manyetik alan oluşturur. Bu durum, "2. harmonik frekansında" rotor akımları indükler ve aşırı ısınmaya yol açar.

Sıfır bileşen, genlikleri eşit ve aralarında faz farkı olmayan yani sıfır derece üç fazördür. Hepsi aynı yöne bakar ve aynı anda maksimum/minimum olurlar. Toprak arızalarında görülür. Akımın üç fazdan gidip, nötr veya toprak hattından geri dönmesini temsil eder.

Arıza tipine göre hangi bileşenlerin devrede olduğu, koruma rölesi ayarları ve arıza hesapları için önemlidir.

Üç Faz Kısa Devre

Tüm fazlar birbirine değmiştir. Sistem hala dengelidir, sadece akım çok yüksektir.

Pozitif Bileşen : Çok yüksek genlikte vardır.

Negatif Bileşen : Sistem dengeli olduğu için yoktur. 

Sıfır Bileşen : Toprakla temas veya dengesizlik olmadığından yoktur. 

3 faz kısa devre hesaplamalarında sadece pozitif bileşen empedansları kullanılır.

Faz-Toprak Kısa Devre

Pozitif Bileşen : Vardır

Negatif Bileşen : Sistemde aşırı dengesizlik oluştuğundan vardır.

Sıfır Bileşen : Akım toprağa aktığı için vardır.

Faz toprak arızasında, eşdeğer devre analizinde üç bileşen devresi birbirine seri bağlı olduğunda üç bileşen birbirine eşittir.

Faz-Faz Kısa Devre

Pozitif Bileşen : Vardır.

Negatif Bileşen: Sistem dengesiz olduğundan vardır.

Sıfır Bileşen : Toprak yolu veya nötr dönüşü olmadığından yoktur.

Faz-Faz arızasında eşdeğer devre analizinde pozitif ve negatif bileşen devreleri birbirine paralel bağlıdır.


2 Faz Toprak Kısa Devre 

Tüm bileşenler bulunur ve eşdeğer devre analizinde birbirine paraleldir.




Koruma Röleleri Açısından Önemi 

Koruma röleleri (özellikle modern dijital/sayısal röleler), arızaları tespit ederken faz akımları yerine büyük ölçüde simetrili bileşenleri izler.

Bir röle sadece faz akımına  göre ayarlanırsa ayar değeri (Set değeri) maksimum yük akımının üzerinde olmalıdır. Bu şekilde ayarlanmazsa röle, sistem tam yükte çalışırken "arıza var" sanıp açar. Bu da küçük akımlı arızaların (örneğin yüksek dirençli toprak arızalarını) yakalanmasını engeller.

Normal bir şebekede sıfır bileşen ve negatif bileşen akımları teorik olarak sıfırdır. Röle, sıfır bileşen akımını izlediğinde yük akımının büyüklüğünden bağımsız olarak çok düşük akımları arıza olarak tespit edebilir. Bu sayede, yük akımı 1000A iken, 50A'lik bir kaçak akım tespit edilebilir. Faz koruma ile bu akım tespit edilemez.

Toprak arızaları, endüstride en sık karşılaşılan arıza türüdür. Sıfır bileşen akımının varlığı, kesinlikle bir toprak teması olduğunun kanıtıdır (Kapasitif dengesizlikler hariç). Röle bu sayede faz-faz arızası ile faz-toprak arızasını ayırt eder ve farklı açma süreleri uygular.

Eğer bir motora giden fazlardan biri kopar ya da gevşerse veya şebeke gerilimi dengesizleşirse, negatif bileşen akımı oluşur. Bu akım, motor rotorunda şebeke frekansının iki katı 200 Hz frekansta akımlar indükler. Bu da rotorun aşırı ısınmasına neden olur. Faz akımları nominal değerin altında olsa bile negatif bileşen akımı yüksekse motorda hasar oluşabilir. Röle sadece negatif bileşene bakarak motoru termal hasardan korur.

Ring şebekelerde veya birden fazla besleme noktası olan yerlerde, arızanın "ileride mi" yoksa bara tarafında mı olduğunu bilmek gerekir. Röleler, arıza yönünü tayin etmek için Polarizasyon (Referans) gerilimine ihtiyaç duyar. Toprak arızalarında röle sıfır bileşen akımı ile sıfır bileşen gerilimi arasındaki açı farkına bakar. Eğer açı belli bir bölgedeyse arıza "İleri"dir, değilse "Geri"dir.

Bir havai hat kopsun ancak yere temas etmesin. Bu durumda kısa devre akımı oluşmaz, hatta akım kesildiği için faz akımı düşer. Klasik aşırı akım rölesi bunu göremez. Ancak fazlardan biri koptuğu için sistemde ciddi bir dengesizlik oluşur negatif bileşen aniden yükselir. Röle pozitif bileşen düşerken "negatif bileşen akımı /pozitif bileşen akımı" oranının arttığını görür ve kesiciye açma komutu gönderir.