Akım Sınırlayıcı ve Türleri

Akım Sınırlayıcıya Giriş

Son zamanlarda, enerji talebinin artmasıyla birlikte, elektrik üretimi ve iletimindeki güçlü gelişim önemli bir öneme sahip olmuş ve temel bir gereklilik haline gelmiştir. Ancak, herhangi bir elektrik üretim sisteminde kısa devreler en sürekli ve zorlu sorunlardan birini oluşturur ve bu etkiler, üretim ölçeğinin genişlemesiyle daha da yoğunlaşmaktadır. Kısa veya hata akımları nedeniyle ortaya çıkan sorunlar çok yönlüdür:

• Ekipman Üzerinde Termal Stres: Elektrik ekipmanları üzerinde dayanılmaz termal stresler oluşur, bu da parçaların erken aşınmasına, hasarına ve hatta başarısız olmasına yol açabilir.

• Elektro-dinamik İlgililik: Devredeki birçok elektro-dinamik kuvvet, aletlerin normal işleyişini bozarak, onların doğruluğunu ve güvenilirliğini etkiler.

• Teknolojik ve Ekonomik Kısıtlamalar: Devrenin zarar görmesinden korunması için daha verimli devre kesiciler gerekir. Bu talep sadece teknolojik engeller sunmakla kalmaz, aynı zamanda önemli ekonomik kısıtlamalar da getirir.

• Güvenlik Tehditleri: Kısa devreler personelin hayatlarına ve elektrik altyapısının bütünlüğüne doğrudan bir tehdit oluşturduğu için güvenlik endişeleri en acil sorunlardan biridir.

• Gerilim Geçiçi Durum Komplikasyonları: Kısa devreler, anahtarlama işlemlerinde gerilim geçiş durumunu kötüleştirerek, bu durumları daha kritik ve yönetilebilir hale getirir.

Bu zorluklar göz önüne alındığında, kısa devre sorunlarını çözmek için daha ileri ve hassas sistemler geliştirmenin gerekliliği artmıştır. Bu makale, hata akımlarının etkisini azaltmak için önerilen ve uygulanan birkaç yaklaşımı inceleyecektir.

Yaklaşımlar

Aşağıdaki yöntemler, belirli özelliklerine ve uygulamalarına bağlı olarak, ya aktif olarak araştırılıyor ya da zaten pratik kullanımda:

• Akım Sınırlayıcı Reaktör (ASR): Hata akımlarını sınırlamada etkinliğiyle bilinen yaygın bir yöntemdir.

• Katı Hal Akım Sınırlayıcı: Araştırmaların ve geliştirme çalışmalarının ilk aşamalarında bulunan, büyük umutlar yaratan yeni bir teknolojidir.

• Süperiletken Akım Sınırlayıcılar: Bu cihazlar, süperiletkenlerin benzersiz özelliklerini kullanarak akımı sınırlar ve katı hal limitörler gibi, geliştirme aşamasının başlarında yer alır.

• Füze: Belirli bir eşik değerini aşan akımı keserek devreyi koruyan geleneksel ama güvenilir bir yöntemdir.

• Alt İstasyonlardaki Ana Hat Ayırma: Alt istasyonun elektrik yapılandırmasını değiştirerek hata akımlarını azaltmaya yardımcı olan pratik bir yaklaşımdır.

• Yüksek Dirençli Dönüşüm Cihazlarının Uygulanması: Bu dönüşüm cihazları, devredeki direnç miktarını artırarak hata akımının büyüklüğünü sınırlamak için kullanılabilir.

• Nükleer Reaktörlerin Akım Sınırlama için Kullanılması: Gelenek dışı bir yaklaşıma rağmen, nükleer reaktörlerin akım sınırlama mekanizmalara katkıda bulunabilecek potansiyeli araştırılmıştır.

Bu teknikler arasında, katı hal ve süperiletken cihazların kullanımı hala geliştirme aşamasındadır. Kısa devre sorunlarını ele alacak herhangi bir sistemi uygularken iki ana husus dikkate alınmalıdır:

Alt İstasyonlar ve Dağıtım Ağlarında Hata Akımı Azaltma Stratejileri

Sınırlayıcı Reaktörlerin Yerleşimi ve Miktarı

Elektrik mühendisliğindeki iki kritik soru, alt istasyonlar ve dağıtım ağında sınırlayıcı reaktörlerin optimal yerleşimi ve hata akımlarını etkili bir şekilde yönetmek için gerekli olan ideal reaktör sayısıdır. Bu kararlar, elektrik sisteminin özelliklerini, yük gereksinimlerini ve potansiyel hata senaryolarını kapsamlı bir şekilde anlamayı gerektirir.

Akım Sınırlayıcı Reaktör (ASR)

Akım Sınırlayıcı Reaktör, hata akımı yönetiminde en uygun maliyetli ve pratik çözümlerden biridir. Alt istasyon güvenilirliğine minimal etkisi olduğu için, birçok elektrik sistemi için tercih edilen bir seçenektir. Ancak, bazı dezavantajları vardır. ASR'lerin fiziksel donanımı genellikle büyük olup, alt istasyonda önemli bir alanı kaplar. Ayrıca, ASR'lerin varlığı, gerilim istikrarında bir düşüşe neden olabilir, bu da dikkatli izlenmesi ve yönetilmesi gerekmektedir.

Katı Hal Hata Akımı Sınırlayıcı

Katı Hal Hata Akımı Sınırlayıcılar şu anda araştırma ve geliştirme aşamasındadır. Dağıtım sistemlerine entegre etmesi kolay olması avantajıdır. Ancak yüksek maliyeti, geniş ölçekte yaygın uygulanmasını önleyen önemli bir engeldir. Araştırmacılar, maliyetleri düşürme ve performanslarını iyileştirme konusunda aktif olarak çalışıyorlar, böylece ticari kullanım için daha uygun hale getirmektedirler.

Füze

Füzeler, akımı kesmede oldukça etkili ve verimli cihazlardır, bu nedenle akım limitörü olarak kullanılabilirler. Düşük maliyetlidirler ve kurulumu basittir. Ancak, etkinlikleri belirlenen kapasiteye bağlıdır. Örneğin, tipik füzeler 40 kV ve 200 A'lık akımı işlemeye tasarlanmıştır, bu da yüksek gerilim ve yüksek akım senaryolarındaki uygulanabilirliğini sınırlar. Yüksek Kesme Kapasiteli (HRC) füzeler performansı iyileştirir ancak kendi sınırlamalarına sahiptir.

Ana Hat Hata Akımı Sınırlayıcı

Ana hat kopartıcı devre kesicileri, ana hat hata akımı limitörü olarak kullanılabilir, ancak genellikle geçici veya acil durum çözümü olarak kabul edilirler. İşlevsel özellikleri ve sınırlamaları nedeniyle, alt istasyonlarda kalıcı bir unsuru oluşturmaları beklenmez.

Nötr Reaktörün Uygulanması

Nötr reaktörler, özellikle toprak veya zemine bağlı akımlarla ilgili olduğunda hata akımı azaltma için başka bir uygun seçenek sunar. Tasarımı ve işlevi, toprağa ilişkili elektrik sorunlarıyla ilgili belirli hata senaryolarında özellikle etkilidir.

Akım Sınırlayıcı Reaktörlerin Türleri ve Özellikleri

Akım Sınırlayıcı Reaktör, yaygın olarak uygulanan bir çözüm olup, iki ana türe ayrılabilir:

Kuru Tip ASR

Kuru tip ASR'ler, bakır sarımlı hava çekirdekli reaktörlerdir. Demir çekirdek kullanılmadan geçirilir, çünkü doyuma riski, reaktörün performansını tehlikeye atabilir. Bu reaktörler, çevresel koşulların göreceli olarak temiz ve kuru olduğu çeşitli uygulamalar için uygundur.

Yağ Tip ASR

Yağ tip ASR'ler, temel işlev açısından kuru tip karşılıklarına benzer özellikler taşır. Ancak, ana farklılaştırıcıları uygulama kapsamıdır. Yağ tip ASR'ler, özellikle yüksek kirlilikteki ortamlar için tasarlanmıştır. Bu reaktörlerde kullanılan yağ, kuru tip reaktörlerdeki havadan daha yüksek dielektrik sabitine sahiptir, bu da sert koşullarda daha iyi yalıtım ve koruma sağlar.

Hata Akımı Sınırlayıcı Reaktörlerin Genel Özellikleri

Frekans ve Gerilim: Bu reaktörler, frekans ve gerilim açısından oldukça dar bir aralıkta çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Performans özellikleri, belirli elektrik sistem parametreleri için optimize edilmiştir.

Kurulum Esnekliği: Uygulama gereksinimlerine bağlı olarak, hem içeride hem de dışarıda kurulabilir. Bu esneklik, farklı alt istasyon ve dağıtım ağ düzenlerinde daha fazla adaptif olmayı sağlar.

Kısa Devre Kapasitesi: Bu reaktörler, entegre oldukları elektrik sistemlerin kısa devre akımlarını işlemek üzere mühendisliklenmiştir, bu da hata koşullarında etkili akım sınırlama yetenekleri sağlar.

Geçiçi İstikrar ve Akım Sınırlayıcı Reaktörler

Geçiçi istikrar, elektrik alterne akım (AC) güç sistemlerinde merkezi bir rol oynar. Bir güç sistemindeki birden fazla senkron motorun, bir hata sonucunda senkronlukta kalabilmesi yeteneğini ifade eder. Örneğin, birçok senkron motorun birbirine bağlı olduğu bir güç ağındaki geçici istikrar, kısa devre gibi ani bir elektriksel rahatsızlıktan sonra bu motorların uyum içinde çalışmaya devam edip edemeyeceğini belirler. Akım sınırlayıcı reaktörler, hata akımlarının büyüklüğünü azaltarak, senkron motorlara olan mekanik ve elektriksel stresleri minimize ederek ve sistemin hata sırasında ve sonrasında istikrarlı kalma olasılığını artırarak, geçici istikrar üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Süperiletken Tabanlı Akım Sınırlayıcı Reaktörler

Süperiletken Hata Akımı Sınırlayıcılar (SFCL'ler), güç sistemlerinin geçici istikrarını artırmada, teknik ve ekonomik konuları dengeli bir şekilde ele alarak oldukça pratik bir çözüm sunar. Süperiletkenlerin, aşırı derecede yüksek doğrusal olmayan direnç göstermesi özelliği, onları Hata Akımı Sınırlayıcı (FCL) olarak ideal adaylar yapar.

SFCL'lerin en önemli avantajlarından biri, süperiletkenlerin direncini hızlıca artırarak ve elektrik direnci neredeyse sıfır olan süperiletken durumdan normal ileten duruma sorunsuz bir şekilde geçiş yapabilmeleridir. Bu hızlı direnç değişimi, SFCL'lerin hata akımlarına hızlı bir şekilde tepki vermelerini, bu akımların büyüklüğünü sınırlamalarını ve dolayısıyla güç sisteminin bütünlüğünü korumalarını sağlar.

SFCL'lerin işlevselliğini daha iyi anlamak için, bir elektrik sisteminde bağlı bir motor ve hata akımı limitörünün stratejik yerleşimi örnek olarak düşünülebilir.

Parçacık Sürü Optimizasyonu

Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), Genetik Algoritmalar (GA) gibi evrimsel hesaplama yöntemleriyle belirgin paralellikler gösterir. PSO, bir arama alanındaki rastgele başlangıç çözümlerinden oluşan bir popülasyon başlatır. Bu çözümler, genellikle "parçacıklar" olarak kavranır ve arama alanında gezinir, pozisyonlarını ve hızlarını iteratif olarak günceller. Bu dinamik self-ajustment ve komşu parçacıklarla etkileşim süreci aracılığıyla, sistem sistematik olarak çözüm alanını keşfeder ve gradyanlı olarak optimal veya neredeyse optimal çözümlere yakınsar.