Yüksek Gerilimli Tesisatlarda Arıza Akım Sınırlayıcılarının Güvenilirlik Analizi

1 Giriş

Elektrik enerjisi talebinin hızla artan ihtiyaçlarına cevap vermek için güç üretim, iletim ve dağıtım sistemleri uygun şekilde gelişmelidir. Bu gelişmenin bir sonucu olarak kısa devre akımlarındaki hızlı artış kritik bir sorun haline gelmektedir. Kısa devre akımlarındaki artış birkaç tehlikeye yol açmaktadır:

• arızalı yoldaki seri bağlı cihazların aşırı ısınması;
• akım kesintisi sırasında geçici ve geri dönüş voltajlarının artması, bu da yalıtım sistemlerini zararlı hale getirebilir;
• bobin tabanlı ekipmanlarda (örneğin, transformatörler, jeneratörler, reaktörler) aşırı yüksek mekanik kuvvetlerin oluşumu;
• arızalı akımın büyüklüğüne ve temizleme süresine bağlı olarak potansiyel sistem istikrarının kaybı;
• mevcut devre kesiciler artan arızalı akımı kesmekte yetersiz kalabilir, bu durumda maliyetli değişimler gerekebilir, zaman ve para açısından. Bu maliyetleri önlemek için paralel güç transformatörleri sınırlanabilir veya sistem bağlantılılığı azaltılabilir, bu da iletim kapasitesini ve sistem güvenilirliğini tehlikeye atar;
• artan arızalı akımlar düzeltici işlemlerin süresini uzatabilir, bu da daha uzun kesinti sürelerine ve daha büyük ekonomik kayıplara yol açabilir;
• ağ güvenilirliğinin azalması.

Şu anda bu etkileri azaltmak için üç ana çözüm mevcuttur:

• en düşük arıza olasılığı olan ağ yapılarını oluşturma;
• daha yüksek kesme kapasiteli devre kesiciler kullanma veya zayıf devre kesicileri daha güçlü olanlarla değiştirme;
• kısa devre seviyelerini azaltmak için ağın değiştirilmesi. Genellikle bu çözümlerin bir kombinasyonu, sistemin güvenilirliği kabul edilebilir sınırlar içinde tutularak optimal ağ tasarımı elde etmek için kullanılır. Ancak arızaların olasılığı tamamen ortadan kaldırılamaz ve sürekli artan kısa devre akımlarına dayalı güç ekipmanları tasarlamak ticari olarak uygulanabilir değildir. Üçüncü çözüm şu şekilde ayrılmıştır:
  • sistem bağlantılılığını azaltma (örneğin, otobüs bölünmesi);
  • arızalı akım sınırlayıcıları (FCL'ler) uygulama.

Daha yüksek kesme kapasiteli devre kesicilerle değiştirme pahalı bir çözüm olup, bazı durumlarda uygulanabilir olmayabilir. Ayrıca, koruma sistemleri röle özelliklerine dayalı olarak arıza tespitinde gecikmeler gösterir. Devre kesicilerin çalışması ve arkın yok edilmesi anlık değildir, genellikle bir arızayı tamamen temizlemek için 3-5 döngü gerekmektedir. Sonuç olarak, arızalı akımlar genellikle bir arıza yaşanmasından sonra ilk 2-8 döngü içinde kesilemez. Bu dönemde, arızalı yoldaki seri cihazlardan çok yüksek akımlar geçer ve bu kısa süre bile, özellikle ilk döngüdeki DC bileşenin oldukça yüksek olduğu için yıkıcı olabilir.

Otobüs bölünmesi ve sistem bağlantılılığının azaltılması bu sorunu çözmek için alternatif olarak düşünülebilir. Ancak, bunlar iletim kapasitesinin azalmasına, güç akışının değişmesine ve kayıpların artmasına neden olabilecek diğer operasyonel zorlukları da getirir. FCL'lerin ihtiyacı, maliyetli ve hassas ekipmanları korumaya yönelik bir ihtiyaçtan doğar. Genel olarak, tüm önerilen FCL stratejileri, bir arıza sırasında serili yolda yüksek impedansı yerleştirme üzerine dayanır, sadece uygulamada farklılık gösterir. İdeal bir FCL'nin arzu edilen özellikleri genellikle şunlardır:

• normal güç sistem koşulları altında çok düşük impedans;
• bir arıza sırasında yüksek impedansın yerleştirilmesi;
• DC bileşenini sınırlamak için hızlı çalışma;
• kısa süre içinde birden fazla işlem yapma ve kendiliğinden kurtarma yeteneği;
• güç sistemine harmonik giriş yapmama;
• geçici aşırı voltajların minimuma indirgenmesi;
• yüksek güvenilirlik.

2 Arızalı Akım Sınırlayıcılarının Güvenilirliği

Alttağamlarında FCL'lerin uygulaması genellikle iki ana nedenden dolayı motivasyon bulur:

• yüksek kısa devre kapasiteli devre kesicilerle mevcut devre kesicilerin pahalı çözümünü değiştirme;
• işletimsel veya güvenilirlik sorunlarından dolayı alttağma topolojisini koruma ve otobüs bölünmesini önleme. Şu anda, FCL'lerin güvenilirlik özelliklerine ilişkin güvenilir kaynak veya referanslar mevcut değildir; bu nedenle, bu çalışmada teknik özellikler göz önünde bulundurularak bu konuyu analiz etmeyi amaçlıyoruz. Bazı FCL'ler çok karmaşık teknolojileri kullanır, bu da güvenilirliklerini azaltabilir.

FCL'lerin çeşitli türleri bulunmaktadır, bunlar arasında rezonans tipi ve süperiletken FCL'ler daha öne çıkmaktadır.

A. Rezonans Tipi FCL'ler

Rezonans tipi FCL'ler için birçok yapılandırma önerilmiştir. Genellikle serili rezonans tipi ve paralel rezonans tipi FCL'ler olarak sınıflandırılırlar. Rezonans tipi FCL'ler, arıza sınırlaması için birkaç olumlu özelliğe sahiptir, bunlar şunlardır:

• Akım kesintisi olmadan çalışma;
• Arıza üzerine hızlı tepki;
• Arıza süresi boyunca kısa devre akımını taşıma yeteneği;
• Sıfırlanma yeteneği.

Ancak, rezonans tipi FCL'ler genellikle birden fazla bileşenden oluşur ve genel güvenilirlik her bileşenin doğru çalışmasına bağlıdır. Ayrıca, bazı rezonans tipi FCL'ler dış tetikleyici cihaza ihtiyaç duyar, bu da kısa devreyi algılamak ve tetiklemeyi başlatmak için ek bileşenlere ihtiyaç demektir. Bu, sistem karmaşıklığını artırır ve güvenilirliği azaltır. Bu nedenle, kendiliğinden tetiklenen FCL'ler açıkça daha güvenilirdir.

B. Süperiletken FCL'ler

Rezonans tipi FCL'lerin aksine, süperiletken FCL'ler daha az bileşen gerektirir ve kendiliğinden tetiklenir. Arızalı akım sınırlama stratejisi basittir ve süperiletken malzemelerin doğal davranışına dayanır. Süperiletkenlik sadece çok düşük sıcaklıklarda mevcuttur, bu nedenle süperiletken FCL'ler ek soğutma ekipmanına ihtiyaç duyar, bu da yatırım maliyetlerini artırır. Bu makalede önerilen kavram, FCL uygulamasının alttağma güvenilirliğine etkisini değerlendirmeye sınırlıdır.

3 FCL'lerin Arızalı Modları

Yüksek gerilim alttağmalarındaki diğer bileşenler gibi, FCL'ler de farklı arızalı modları gösterir ve bu modlar, FCL'leri içeren iletim alttağlarının güvenilirliğini değerlendirmek için dikkate alınmalıdır. Bu bölüm, farklı tür FCL'lerin arızalı oranlarını karşılaştırır.

Bir tam sistemin güvenilirliği ile onun alt sistemlerinin sayısının arasında temel bir ilişki vardır, bu alt sistemlerin hepsi, istenen genel işlevi gerçekleştirmek için doğru şekilde çalışmalıdır.

• A. Aktif arızalı modlar
• B. Pasif arızalı modlar
• C. Sabit arızalı modlar

Açıkça, tetikleme sistemi gerektiren FCL'ler (dışarıdan tetiklenen FCL'ler) daha yüksek arızalı oranlarına sahiptir. Genel olarak, tetikleme veya komütasyon gerektiren herhangi bir FCL, birden fazla anahtar cihazının ardışık işlemlerini gerektirir, bu da kesin senkronizasyon ve koordinasyon gerektirir, bu da geleneksel devre kesicilere kıyasla önemli ölçüde karmaşıklığı artırır.

Rezonans tipi FCL'lerde (hem dışarıdan hem de kendiliğinden tetiklenen), işletim koşullarındaki değişiklikler (örneğin, sıcaklık) veya nominal koşullar altında olmayan işletme nedeniyle rezonans eleman özelliklerindeki değişikliklerden kaynaklanan sabit arızalı modlar ortaya çıkabilir.

Süperiletken FCL'ler, aşırı soğutma nedeniyle nadiren bu tür arızalı modları gösterir. Bu nedenle, süperiletken FCL'lerin esasen bu arızalı modu olmadığını söyleyebiliriz. Çoğu durumda, süperiletken FCL'ler tahmin edilebilir parametrelerle tasarlanabilir ve binlerce aktivasyon ve kurtarma döngüsüne dayanabilir. Ayrıca, daha küçük FCL'lerin kullanılması, daha büyük olanlara göre hem güvenilirliği hem de akım sınırlama yeteneğini iyileştirebilir. Tablo 1, çeşitli FCL türleri arasında farklı arızalı modların oluşma oranlarını kısaca karşılaştırır.

4 Uygulama

Şekil 1'de gösterilen örnek alttağma, FCL'lerin uygulamasının alttağma güvenilirliğine etkisini değerlendirmek için kullanılmaktadır. Bakım sırasında, koruma şemalarını yönetmek ve alttağma yapılandırmalarının esnekliğini artırmak için otobüs bölme devre kesicilerinin kullanılmasının yaygın bir uygulama olduğu bilinmektedir. Bir alttağmadaki arızalı akım düzeyi devre kesicilerin kesme kapasitesini aşarsa, otobüs bölme devre kesicisinin yerine bir FCL'nin kullanılması geçerli bir çözüm olabilir. Aslında, Otobüs Arası FCL, FCL'lerin en yaygın uygulamalarından biridir.

Tüm yüklerin 330 kV otobüsüne bağlandığı varsayılsın. Güvenilirlik değerlendirmesi, sol 330 kV otobusundaki Yük 1 ve sağ 330 kV otobusundaki Yük 5 üzerinde odaklanır. Yük güvenilirliği aşağıdaki göstergelerle değerlendirilir: (1) Yük kayıp olasılığı (%); (2) Yıllık kesinti süresi (U). 330 kV otobüsü tamamen güvenilir kabul edilir. Gerekli olmayan hesaplamaları önlemek için, üçten fazla bileşenin eş zamanlı arızası dahil olmak üzere arızalı modlar göz önünde bulundurulmaz. Bu arızalı modların oluşma oranı çok düşük olduğundan, bu varsayım önemli bir hata getirmez.

Tablo 2, bileşenlerin arızalı oranlarını ve onarım sürelerini göstermektedir. İlk analiz için, sol 330 kV otobusuyla ilişkili güvenilirlik göstergelerini hesaplama ile başlarız. Bilgilendirilmiş ve kapsamlı bir karşılaştırma yapmak için teorik olarak, L1'den L7'ye kadar tüm yük noktaları için güvenilirlik göstergelerini hesaplamalıyız. Ancak, bu yükler benzerdir ve aynı otobüse bağlı olduğundan, benzer arızalı modlara sahip olacaktır. Bu nedenle, sadece sol otobustaki Yük Noktası 1 (L1) ve sağ otobustaki Yük Noktası 5 (L5) için güvenilirlik göstergelerini hesaplamamız yeterlidir.

Yukarıda belirtildiği gibi, analiz için iki olasılık göstergesi kullanılır: yük kayıp olasılığı (yılda f) ve yıllık kesinti süresi (yılda saat, A). Bu göstergeler, tek bir bileşenin arızalandığı durum için değerlendirilir.

İki bileşenin eş zamanlı arızalandığı durumda, eşdeğer arızalı oran (λₑ), ortalama kesinti süresi (r) ve yıllık kesinti süresi (u) şu şekilde ifade edilir:

Üç seviyede eş zamanlı arızalı durum, şu şekilde ifade edilir:

Tüm arızalı modları göz önünde bulundurarak, toplam arızalı oran ve toplam yıllık kesinti süresi şu şekilde hesaplanabilir:

Tablo 3, yükler için güvenilirlik analizi sonuçlarını göstermektedir.

Şimdi, diğer 230 kV otobusundaki besiciler için aynı hesaplama yapılır. Tablo 4, yük noktası LS ile ilgili sonuçları göstermektedir.

5 Sonuç

Bu makale, arızalı akım sınırlayıcılarının (FCL'ler) alttağma güvenilirliğini artırmada kullanımı, güvenilirlik hesaplaması için matematiksel model ve prosedürü tanımlar ve FCL uygulamasının alttağma güvenilirliğine etkisini değerlendirir. Sonuçlar, FCL'lerin kullanımı ile alttağma güvenilirliğinin arttığını göstermektedir. Ayrıca, FCL'nin aktif arızalı oranı, pasif arızalı oranı ve onarım süresi gibi çeşitli parametrelerin güvenilirlik göstergeleri üzerindeki etkisini incelemek için hassasiyet analizi de gerçekleştirilmiştir.