Hava Hatları Koruma – Arızalar ve Koruma Cihazları
Havuz Hatlarında Yaygın Hatalar
Havuz hatlarında hata oluşumunun en yaygın nedenleri şunlardır:
İlgili Makale: Güç Dönüştürücüsü Koruma & Hataları
Havuz Hatları Koruma Cihazları
Zamanlı aşırı akım koruması yüksek gerilimli (YG) havuz iletim hatları için etkisizdir. Bu, hat üzerindeki birden fazla bağlantılı hata akımının varlığı nedeniyledir, bu akımlar hata akımı sınırlayıcılar tarafından kısıtlanabilir. YG havuz iletim hatlarında koruma şemalarının ana gereklilikleri şunlardır:
Bu gereklilikleri karşılamak için YG havuz hatlarında aşağıdaki koruma cihazları yaygın olarak kullanılır:
Fark koruması genellikle kısa havuz hatlarına uygulanırken, mesafe koruması uzun havuz hatları için daha uygun olur. Havuz hatlarının kısa veya uzun olarak sınıflandırılması, hatların endüktif, rezistif ve kapasitif özelliklerinin karşılaştırılmasına dayanır. Bir hat, direnç ve kapasitesi indüktifliğine kıyasla önemsiz olduğunda kısa kabul edilir. Bu değerlendirme genellikle havuz hatlarının pi diyagramı kullanılarak yapılır.
Hat impedansını, kısa devre koşullarına fiziksel tepkisini ve hat şarj akımını etkileyen birçok faktör vardır. Bunlar, voltaj seviyesi, iletim hatının fiziksel yapısı, iletkenlerin tipi ve boyutu, ve iletkenler arasındaki boşluktur. Ayrıca, hat uç noktalarının sayısı, yük ve hata akımlarının akışını etkiler, bu akımları koruma sistemi hesaba katmalıdır. Paralel hatlar da röleleme üzerinde etki yaratır, çünkü karşılıklı bağlama yerel akımı ölçümünü etkileyebilir. Seri kondansatör bankaları veya şunt reaktörler gibi reaktif kompensasyon cihazlarının varlığı, koruma sisteminin seçimi ve koruma cihazlarının ayarlarını etkiler. Bu nedenle, en uygun koruma rölelerini belirlemek için havuz hatının detaylı bir çalışması gerekir. Genel olarak, 80-100 km uzunluğundaki bir hat kısa olarak kabul edilebilir, ancak bu, voltaj seviyesine ve ağ özelliklerine bağlı olarak değişebilir.
Havuz hatlarındaki hataların yaklaşık %90'ı geçici doğasıdadır. Hatalar şu şekilde sınıflandırılabilir:
Bu tür arızalar için tek kutuplu kesme gerekebilir, böylece devre kesicilerin kesildikten hemen sonra hat hizmete geri dönebilir. Bu nedenle, tepe hatları ile ilişkili devre kesicilerde (genellikle 220 kV veya daha yüksek voltajlı) tek kutuplu kesme ve otomatik yeniden kapama şemaları yaygın olarak kullanılır. Devre kesiciler arıza akımını keserken, parlamaya neden olan ark söner ve iyonlaşmış hava dağılır. Genellikle birkaç çevrimlik bir gecikmeden sonra otomatik yeniden kapama başarılı olur. Ancak, enerjilendirilmiş iş yapılıyorken, çalışılan hatlarda otomatik yeniden kapama cihazları yeniden kapama moduna ayarlanmalıdır. Bu uygulamalarda kullanılan devre kesiciler bu işlemlerle başa çıkabilmeli ve kesin bir kesme emri verilene kadar kutup tutarsızlığına karşı dayanıklı olmalıdır.
Fark ve Faz Karşılaştırma Koruması
Fark koruması, Kirchhoff'un akım yasası üzerine kuruludur. Bir hat hatı bağlamında, hatın bir ucundan girilen akımı diğer ucundan çıkan akım ile karşılaştırır. Hat fark röleleri, hat akımı hakkında veri alış-verişi yapmak için genellikle optik güç toprak kablosu (OPGW) kablosu kullanılarak kurulan bir fiber-optik iletişim bağlantısı üzerinden bilgi alışverişinde bulunur. Bu kablo aynı zamanda hava hatlarının yıldırım koruma tasarımında da kullanılır ve yapısal olarak fiber-optik kablolar içerir. Şekil 1, fark koruma sisteminin diyagramını göstermektedir.
Şekil 1 – Hava Hatı Fark Koruma Diyagramı
Yüksek gerilim (YG) hatları için başka bir koruma rölelemesi, fark koruma prensibine dayanıyor ve artık uzun mesafe hatları için bile kullanılıyor, faz karşılaştırma korumasıdır.
Bu sistem, korunan hatın iki ucundaki akımlar arasındaki faz açısını karşılaştırarak çalışır. Dış arızalar durumunda, hat içine giren akım, hat dışına çıkan akımın aynısına sahip bir faz açısına sahiptir. Sonuç olarak, her terminaldeki faz karşılaştırma röleleri faz az bir fark kaydeder. Bu nedenle, koruma sistemi stabil kalır ve hiçbir kesme gerçekleşmez. Aksi halde, iç arıza sırasında, akım hatın her iki ucundan akar, bu da faz karşılaştırma röleleri tarafından algılanabilecek bir faz açısı farklılığına neden olur. Bu farkın tespit edilmesi üzerine, röleler arızayı izole etmek ve temizlemek için aktive olur.
Faz karşılaştırma şemalarında, başlatma röleleri çok önemli rol oynar. Bu röleler, bir arıza koşulu tespit edildiğinde faz karşılaştırma sürecini başlatır. Tasarımı, hem iç hem de dış arıza durumlarında çalışacak şekilde yapılandırılmıştır, bu da kapsamlı bir izlemeyi sağlar.
Faz karşılaştırma korumasının etkin çalışması için güvenilir bir iletişim kanalı hayati önem taşır. Modern uygulamalarda, optik toprak kablo (OPGW) kabloları içinde entegre edilen fiber-optik kablolar bu iletişim bağlantısını kurmak için tercih edilen seçeneğe dönüşmüştür.
Şekil 2, üç faz hatlarının korunmasında kullanılan Merz Price gerilim denge sisteminin tek çizgili diyagramını göstermektedir.
Faz Karşılaştırma Koruması ve Mesafe Koruması
Faz Karşılaştırma Koruması
Şekil 2 – Faz Karşılaştırma Koruma Diyagramı
Faz karşılaştırma korumasında, aynı akım dönüştürücüler (CT'ler) hatın her iki ucunda her fazda stratejik olarak yerleştirilir. Her bir CT çifti, hatın her iki ucunda bir tane olmak üzere, bir röle ile seri olarak bağlanır. Normal, arıza olmayan durumlarda, bu CT'ler tarafından üretilen ikincil gerilimler büyüklük olarak eşit ancak yön olarak zıt, bu da birbirini dengeler niteliktedir.
Sağlıklı sistem işletimi sırasında, hatın bir ucundan giren akım, diğer ucundan çıkan akım ile tam olarak eşleşir. Bu nedenle, hatın iki terminalindeki CT'lerin ikincil kısımlarında eşit ve zıt gerilimler oluşur. Bu gerilim dengesi, rölelerden hiç akım geçmemesini sağlayarak koruma sisteminin istikrarını korur.
Ancak, Şekil 2'de gösterildiği gibi, hat üzerinde F noktasında bir arıza meydana geldiğinde, akım dağılımı bozulur. Özellikle, CT1 üzerinden CT2'ye kıyasla çok daha büyük bir akım akacaktır. Bu akım farkı, CT'lerin ikincil gerilimlerinin eşit olmamasına neden olur. Sonuç olarak, pilot kablolar ve röleler boyunca bir dolaşım akımı oluşur. Bu akım akışı üzerine, hatın her iki ucundaki devre kesiciler tetiklenerek açılır, böylece arızalı hat enerji sisteminden hızlı bir şekilde izole edilir.
Ayrıca okuyun: Elektrik Sisteminde Primer ve Sekonder veya Yedek Koruma
Mesafe Koruması
Mesafe koruması, hatların voltaj ve akım sinyallerini analiz ederek bir hatın impedansını ölçen mesafe rölelerine dayanır. Bir hatta arıza olduğunda, iki önemli değişiklik gerçekleşir: akım çok daha yüksek seviyeye çıkar ve voltaj hızla düşer.
Bir hatın impedansının doğrudan uzunluğuna orantılı olduğunu düşünerek, mesafe röleleri, "ulaşma noktası" olarak bilinen önceden belirlenmiş bir noktaya kadar impedansı ölçmeye tasarlanmıştır. Bu röleler, genellikle impedans röleleri olarak adlandırılır, Ohm yasası kullanılarak Z = U/I formülüyle impedansı hesaplar, burada Z impedansı, U voltajı ve I akımıdır.
Mesafe röleleri, sadece rölenin konumu ile seçilen ulaşma noktası arasında oluşan arıza durumlarında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu tasarım özelliği, onlara farklı hat bölümlerindeki arızaları etkili bir şekilde ayırt etme yeteneği sağlar. Röle tarafından hesaplanan görünür impedans, önceden belirlenmiş ulaşma noktası impedansıyla karşılaştırılır. Eğer ölçülen impedans, ulaşma noktası impedansından düşükse, röle ile ulaşma noktası arasındaki hatta bir arıza var olduğu anlaşılmaktadır. Hesaplanan impedans, rölenin ulaşma ayarı içinde kaldığında, röle aktive olur ve koruma eylemini başlatır.
Kapsamlı koruma sağlamak için, uzunluk koruma sistemleri hatın her iki ucuna monte edilir ve bu uç noktalar arasında bir iletişim bağlantısı kurulur, Şekil 3'te gösterildiği gibi. Bu iletişim, her iki uctaki rölelerin koordineli çalışmasını sağlar ve koruma şemasının genel etkinliğini artırır.
Uzaklık Rölesi Performansı ve Özellikleri
Şekil 3 – Hava Hatı Uzaklık Koruma Diyagramı
Uzaklık rölelerinin performansı, genellikle iki temel parametreye dayanarak değerlendirilir: ulaşım doğruluğu ve çalışma süresi.
Ulaşım Doğruluğu
Ulaşım doğruluğu, gerçek dünya koşullarında bir uzaklık rölesinin gerçek ohmik ulaşımını, önceden belirlenmiş ohmik değerine karşılaştırır. Bu ölçüt, arızalı durumlarda röleye uygulanan gerilim seviyesi tarafından önemli ölçüde etkilenebilir. Düşük veya bozuk bir gerilim, ölçümün direnç değerinde hatalara yol açabilir, bu da rölenin belirlenen ulaşım içindeki bir arızanın konumunu doğru bir şekilde tespit etme yeteneğini etkileyebilir. Ayrıca, belirli röle tasarımlarında kullanılan direnç ölçüm teknikleri de kritik öneme sahiptir. Farklı algoritmalar ve donanım yapılandırmaları, değişken düzeyde kesinlik sağlayabilir, bu da rölenin genel ulaşım doğruluğunu etkiler.
Çalışma Süresi
Bir uzaklık rölesinin çalışma süresi, birden fazla faktöre bağlı değişken bir miktar olup, arıza akımının büyüklüğü doğrudan etkidir; daha yüksek arıza akımları bazen daha hızlı işlemeye neden olabilirken, daha düşük akımlar daha uzun tepki sürelerine yol açabilir. Arızanın rölenin ayarına göre konumu da önemlidir. Kaynağa veya röleye belirli bir yakınlıkta olan arızalar, daha uzakta olanlara göre daha hızlı bir tepkiyi tetikleyebilir. Ayrıca, arızanın gerçekleştiği gerilim dalgasındaki nokta, çalışma süresinde değişkenlik gösterebilir.
Rölenin tasarımında kullanılan belirli ölçüm teknikleriyle ilişkili bazı ölçüm sinyali geçici hataları, meseleyi daha da karmaşıklaştırabilir. Örneğin, Kondansatör Gerilim Dönüştürücü (CVT) veya doyuran Akım Dönüştürücüler (CT) tarafından üretilen hatalar, özellikle ulaşım noktasına yakın olan arızalar için rölenin işleme girmesini önemli ölçüde geciktirebilir. Bu geçici hatalar, gerilim ve akım sinyallerini bozabilir, bu da direnç değerinin yanlış yorumlanmasına ve rölenin aktivasyonunda bir gecikmeye yol açabilir.
Uzaklık Rölelerinin Özellikleri
Uzaklık rölelerinin özellikleri, genellikle koruma şekli olarak adlandırılır, çizginin direnci (R) ve direnç değerine (X) bağlı olarak bir R/X veya admittance diyagramında grafiksel olarak gösterilir. En tipik iki şekil, dairesel (mho özelliği) ve dörtgen şeklindedir. Bu özellik şekilleri, sırasıyla Şekil 10 ve 11'de gösterilmiştir. Her bir şekil, farklı elektrik sistemi koşullarında rölenin performansını optimize etmek üzere tasarlanmış olup, korunan hat bölümünde normal işletme koşullarını ve gerçek arızaları ayırt etmek için güvenilir bir yöntem sağlar.
Şekil 4 – Mho özelliği
Uzaklık Röle Özellikleri, Ulaşım Ayarları ve Tekrar Kapama
Şekil 5 – Dörtgen Şekilli Özellik
Mho direnç elemanı, admittance diyagramında düz bir çizgi şeklinde görünmesi nedeniyle ismini alır. Ancak, çokgen direnç özellikleri, özellikle dörtgen şekli, son derece popüler olmuştur. Bu özellikler, hem faz hem de toprak arızaları için arıza dirençlerini kaplamada muhteşem esneklik sunar. Bu uygunluk, onları çoğu modern uzaklık rölesinin tercih edilen seçimi yapmıştır.
Uzaklık röleleri, beş ayrı bölge ile yapılandırılabilir, bunlardan bazıları ters yönde direnç ölçümü yapmak üzere ayarlanır. Bu ters yönde ölçüm yapan bölgeler, anahtar odaları için yedek koruma olarak hizmet eder. Her bölge, rölenin belirli bir aktif zamanı ile ilişkilendirilir, bu da korunan elektrik ağının farklı yerlerinde meydana gelen arızalara karşı ince ve koordineli bir tepki sağlar.
Uzaklık röleleri, bir hattın her iki ucuna monte edildiğinde, arıza noktasının (F) hatın her iki ucundan ne kadar uzak olduğuna bağlı olarak arıza üzerine tepki süresi değişebilir. Örneğin, A ve B Alt İstasyonlarını birleştiren bir hava hatı düşünün. Arıza noktasına en yakın alt istasyonda bulunan uzaklık rölesi, arızayı ilk tespit edecektir ve karşılık gelen devre kesicisi diğer alt istasyondakinin önüne geçerek açılacaktır.
Kısa devre arızasının, ilgili uzaklık koruması aktive olana kadar hatın diğer ucundan güç almaya devam etmesini önlemek için, koruma röleleri arasındaki bir iletişim bağlantısı gereklidir. Genellikle bu iletişim, Optik Toprak Kablosu (OPGW) kabloları içinde entegre edilmiş optik fiber kablolar aracılığıyla sağlanır. Bu kurulum, her iki devre kesicinin eş zamanlı açılmasını sağlar, böylece arızalı bölümü hızlı ve etkili bir şekilde izole eder.
Hatların uzak ucundaki kesicilere kadar hatın empedansını tam olarak ölçmeye yönelik bir empedans rölesi programlaması pratik değildir. Bu, akım dönüştürücüler (CT'ler), voltaj dönüştürücüler (VT'ler), rölelerin kendileri ve ayrıca hat empedansı hesaplamalarındaki içkin hatalar ve doğruluk eksiklikleri nedeniyledir. Bu belirsizlikleri hesaba katmak için, rölenin erişim aralığı, hatın tam uzunluğuna karşılık gelen toplam empedans değerinden daha az bir empedans değeri ölçmeye ayarlanır. Örneğin, Bölge 1'i hat empedansının %85'ini kapsayacak şekilde ayarlamak yaygın ve güvenli bir uygulamadır. Kalan %15 - 20'lik alan, ölçüm hataları ve doğruluk eksiklikleri nedeniyle Bölge 1 korumasının korunan hat üzerinde aşırı gitmesini etkili bir şekilde önler. Bu marj olmadan, komşu hat bölümlerindeki kusurları ayırt etme yeteneğini kaybetme riski olur, özellikle hızlı etkili koruma şemalarıyla çalışırken.
Her ölçüm bölgesi için erişim ayarlarının ve devre kesme sürelerinin dikkatli kalibrasyonu, güç sistemindeki mesafe röleleri arasında uygun koordinasyon sağlamak için kritik önem taşır. Bu titiz ayar, kusurların doğru sırayla temizlenmesini sağlar, bozulmalara minimum sınırlar getirir ve elektrik şebekesinin istikrarını korur.
İlgili Okuma: Harmoniklere Giriş – Harmoniklerin Güç Sistemi Üzerine Etkisi
Yeniden Kapama
4.2. bölümünde tartışıldığı gibi, havadan hatlardaki çoğunlukla asimetrik ve geçici nitelikte kusurlar bulunmaktadır. Otomatik yeniden kapama, güç sistemlerinde kritik bir işlevdir ve bir otomatik yeniden kapama rölesi tarafından gerçekleştirilir. Bu röle, Şekil 6'da gösterildiği gibi, havadan hatların koruma cihazları tarafından tetiklenir.
Güç Sistemlerinde Otomatik Yeniden Kapama
Şekil 6 – Otomatik Yeniden Kapama Rölesi
Bir elektrik hattını yeniden kapama kararı, birçok faktörden etkilendir. Planlama ve operasyon ekiplerinden alınan girdi ve rehberlik, bir hizmet kuruluşunun ve bölgesinin özel gereksinimlerine uygun en uygun yeniden kapama uygulamalarını belirlemek için hayati önem taşır. İletim düzeyinde yeniden kapama için ana dikkat edilecek noktalar şunlardır:
Ana Dikkat Edilecek Noktalar
Otomatik Yeniden Kapama Şemalarının Ana Parametreleri
Otomatik yeniden kapama şemasının en kritik parametreleri şunlardır:
Bu parametreler, birkaç faktörden etkilendir:
Yeniden Kapma Stratejileri
Yeniden kapma, farklı şekillerde uygulanabilir:
Bu stratejiler arasındaki seçim, her belirli uygulama için ilişkili riskleri dikkate alarak faydaları ve potansiyel sonuçlarını dikkatlice değerlendirmeyi gerektirir.
Planlama grupları tarafından tanımlanan kritik olmayan hatlarda uygulanan yeniden kapma uygulamaları, koruma felsefesine ve kullanılan ekipmana bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir. Ayrıca, farklı hizmet kuruluşları arasında, voltaj seviyeleri ve hat tipi (örneğin, havadan vs. yer altı) gibi faktörlerin etkisiyle yeniden kapma uygulamalarında önemli bir çeşitlilik vardır.
Bazı şirketler, iletişim kaybı dışında tüm hatalar için otomatik yeniden kapama politikasını benimser. Diğerleri ise hat yapılandırmasından bağımsız olarak, hata temizleme süresi yeterince hızlı olduğunda yeniden kapatır.
Sistem Stabilitesi ve Yeniden Kapama
Sistem stabilitesi, yüksek hızlı otomatik yeniden kapamanın denemesinin uygun olup olmadığına karar verirken belirleyici bir faktördür. Yeniden kapamanın uygunluğu, iletim sisteminin gücünden bağlıdır:
Yeniden kapma, hatalı bir hat üzerinde sistem stabilitesine tehdit oluşturmadığı durumlarda, birden fazla yeniden kapma denemesi mümkün olabilir. Bu durumlarda, hatın geri kazanımının asıl amacı, müşteriler için elektrik arzının sürekliliğini sağlamak olacaktır.
Coğrafi Çeşitlilikler
Avrupa'da, otomatik yeniden kapama şemaları genellikle sadece yüksek gerilim (HG) ağlarında kullanılır. Buna karşılık, Amerika Birleşik Devletleri ve Brezilya gibi ülkelerde, bu şemalar aynı zamanda orta gerilim (OG) ağlarında da kullanılmaktadır.
Hata İstatistikleri
Güç sistemlerinde en yaygın hata türü, genellikle yıldırım tarafından tetiklenen havadan hatların yalıtım çökmesidir. Yıllık hata sıklığı, hat uzunluğuna bağlıdır, hat uzunluğu arttıkça artar ve yaklaşık olarak gerilim seviyesine ters orantılıdır. Gösterge hata oranları şu şekildedir:
Tablo 1, hataları temizlemede otomatik yeniden kapmanın başarı oranlarına ilişkin istatistikleri sunmaktadır:
Tablo 1 – Hata temizleme başarı istatistikleri
