İnşaat Alanlarında Dönüşümciye Yerleşme Koruma Teknolojisi Analizi

Şu anda, Çin bu alanda belirli başarılar elde etmiştir. İlgili literatür, nükleer güç santrallerindeki düşük gerilim dağıtım sistemlerindeki topraklama arızası koruması için tipik yapılandırma şemaları tasarlamıştır. Domestik ve uluslararası vakalarda, nükleer güç santrallerindeki düşük gerilim dağıtım sistemlerindeki topraklama arızalarının trafo sıfır-dizili korumasında yanlış işlemlere neden olmasından yola çıkarak, temel nedenler belirlenmiştir. Ayrıca, bu tipik yapılandırma şemalarına dayanarak, nükleer güç santrali yardımcı güç sistemlerindeki topraklama arızası koruma önlemleri için iyileştirme önerileri sunulmuştur.

İlgili literatür, diferansiyel akım ve kısıtlayıcı akımın değişimi üzerine çalışmış ve diferansiyel akım ile kısıtlayıcı akım arasındaki oran hesaplanarak, ana trafo oranı diferansiyel korumanın bu arıza koşullarındaki uygunluğu üzerinde niceliksel bir analiz yapmıştır.

Ancak, yukarıda bahsedilen yöntemler hala çözülmesi gereken birçok sorunla karşı karşıyadır. Örneğin, aşırı topraklama direnci, topraklama yöntemlerinin yanlış seçilmesi ve yetersiz yıldırım koruma topraklama önlemleri—bu sorunlar tümüyle trafo arızalarına ve hatta güvenlik olaylarına yol açabilir. Bu nedenle, inşaat alanlarındaki trafo topraklama koruma teknolojileri üzerinde daha derinlemesine araştırma ve analiz yapılması gerekir, en son araştırma sonuçları ve teknolojik gelişmeler dikkate alınmalıdır.

Bu araştırma sayesinde, sadece trafo topraklama koruma teknolojisinin teorik düzeyini artırmak değil, aynı zamanda gerçek inşaat projeleri için pratik ve uygulanabilir çözümler ve önlemler de sağlanabilir. Bu araştırmanın, inşaat alanlarındaki trafo topraklama koruma teknolojilerine daha fazla dikkat ve önem vermeye yönelik daha fazla bilim insanını çekmesi ve bu alanın gelişimine katkıda bulunması umulmaktadır.

1 Trafo Topraklama Yöntemlerinin Belirlenmesi

Geleneksel trafo nötr noktası doğrudan topraklama yöntemi, belirli koşullar altında aşırı kısa devre akımlarına neden olabilir ve ekipmanlara zarar verebilir. Bu nedenle, nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemi önerilmektedir. Nötr nokta düşük dirençli topraklama, trafenin topraklama akımını etkili bir şekilde kontrol etmek için trafo nötr noktasına ve toprağa arasında düşük bir direnç bağlanarak gerçekleştirilen etkili bir trafo topraklama yaklaşımıdır. Bu topraklama yöntemi, sadece topraklama akımının büyüklüğünü düzenleyerek ve yıldırım ve aşırı gerilimin trafolara olan etkisini azaltarak işletim istikrarını artırabilir, aynı zamanda kısa devre akımlarını sınırlayarak ekipman hasar riskini azaltabilir.

Özellikle, inşaat alanlarındaki trafolar için nötr nokta düşük dirençli topraklama uygulamakta ilk adım, uygun topraklama direnç değerini belirlemektir. Ohm yasasına göre, topraklama direnç değeri topraklama akımı ve topraklama gerilimiyle ters orantılıdır. Bu nedenle, nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemi için topraklama direnç değerini seçerken, önce direnç değeri belirlenmelidir, hesaplama formülü şu şekildedir:

Formülde, R₀ topraklama direncinin direnç değerini, U₀ inşaat elektrik sisteminin ortalama nominal gerilimini, I₀ nötr nokta direncinden geçen akımı temsil eder. Formül (1)’e göre, kısa devre akımını etkili bir şekilde sınırlandırırken trafoya aşırı etkiyi önleyebilecek uygun bir topraklama direnç değeri seçilmelidir.

Bundan sonra, topraklama kablo kesit alanı ve malzemesi gibi parametrelerin belirlenmesi gelir. Topraklama kablosu malzemesi, servis ömrünü ve güvenilirliğini sağlamak için iyi iletkenlik ve koroziyona direnç özelliklerine sahip olmalıdır. Bu çalışma, inşaat alanlarındaki trafo topraklamasının gerçek durumlarını kapsamlı olarak göz önünde bulundurarak, tincelenmiş bakır kabloyu topraklayıcı olarak seçmiştir—bu malzeme, iyi iletkenliğe, kolay kablolamaya ve güçlü anti-korozyon yeteneklerine sahip, nötr nokta düşük dirençli topraklama yönteminin gerekliliklerini tam olarak karşılıyor.

Topraklama kablosu kesit alanı, direnç değerini doğrudan etkileyerek topraklama akımını da etkiler. Bu nedenle, aşağıdaki formül temelinde uygun topraklama kablosu kesit alanı seçilir:

Formülde, S nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemindeki topraklama kablosu kesit alanını, η nötr nokta topraklama direnci ile trafo topraklama direnci arasındaki oran katsayısını, T topraklama kablosunun izin verilen sıcaklık yükselişini temsil eder. Son olarak, topraklama elektrotun gömü derinliği belirlenmelidir. Gömü derinliğinin inşaat alanında donmuş zemin tabakası kalınlığını aşması, topraklama elektrotun kötü ortamlarda istikrarlı çalışmasını sağlayarak topraklama sisteminin güvenilirliğini ve güvenliğini kapsamlı olarak garanti eder.

Sonuç olarak, inşaat alanlarındaki trafolar için topraklama uygulamakta nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemi benimsenir, topraklama parametreleri (direnç değeri, topraklama kablosu kesit alanı, malzeme seçimi ve topraklama elektrotun gömü derinliği) için makul ayarlar yapılır, böylece inşaat sırasında trafenin istikrarlı çalışmasına sağlam bir temel sağlar.

2 Trafo Topraklama Koruma Şemasının Tasarlanması

Yukarıdaki içerik doğrultusunda, inşaat alanlarındaki transformatör topraklama koruma teknolojisinde nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemi benimsenmiştir. Bu topraklama yöntemi, düşük direnç aracılığıyla transformatör topraklama akımını etkili bir şekilde kontrol eder. Transformatörün çalışması sırasında çeşitli hatalar meydana gelebilir ve en yaygın olanları tek fazlı topraklama hatasıdır. Tek fazlı topraklama hatası, transformatörün bir faz bobini ile toprağın arasındaki kısa devreyi ifade ederken, diğer iki faz normal olarak çalışmaya devam eder. Bu hata, transformatörün nötr nokta potansiyelini değiştirerek üç fazlı akımlarda dengesizlik yaratır. Bu özelliği kullanarak, transformatörlerde üç fazlı akım dengesizliğine dayalı bir koruma şeması önerilmiştir:

İlk olarak sıfır dizisi I koruması gelmektedir, ayar hesaplama formülü şu şekildedir:

Formülde, I₁ inşaat alanında bulunan transformatorların sıfır dizisi koruma işlem akımı değerini, γ₁ güvenilirlik katsayısını, γ₂ sıfır dizisi dal katsayısını, I₂ inşaat alanında bulunan transformatorların komşu bileşenlerinin sıfır dizisi koruma işlem akımı değerini temsil eder. Formül (3)’e göre sıfır dizisi I koruması için akım değerini hesapladıktan sonra, bölüm I korumasının işlem süresi genellikle bir sonraki seviye sıfır dizisi korumanın işlem süresinden yaklaşık 0.5 saniye daha uzun olarak ayarlanır.

Bundan sonra sıfır dizisi II koruması gelir. Koruma akımı değerinin hesaplama formülü, sıfır dizisi I koruması ile aynıdır, yani koruma akımı da formül (3)’e göre elde edilir, ancak işlem süresi farklıdır, sıfır dizisi I korumasının işlem süresine göre yaklaşık 0.3 saniye artırılmalıdır.

Son olarak, sıfır dizisi gerilim koruması vardır. İnşaat alanlarındaki transformatörlerde tek fazlı topraklama hataları sırasında nötr noktanın doğal hassaslığını kaybetmesi göz önünde bulundurularak, sıfır dizisi gerilim korumasının işlem gerilimi, tek fazlı topraklama hataları sırasında koruma kurulum noktasında ortaya çıkan maksimum sıfır dizisi geriliminin altında olmalıdır. Sıfır dizisi gerilim koruması gerilim değeri, çoğunlukla aşağıdaki formüle göre belirlenir:

Formülde, U₁ sıfır dizisi gerilim korumasının işlem gerilimini, U₂ üç ikincil sarımın nominal gerilimini temsil eder.

Özetle, tam bir üç fazlı akım dengesizliği koruma şeması oluşturmak için, sıfır dizisi I, sıfır dizisi II ve sıfır dizisi gerilim koruması dahil olmak üzere bir dizi karmaşık hesaplama gereklidir. Bu formüllerin türetimi ve uygulanması, inşaat alanlarındaki tek fazlı topraklama hatalarının türünü ve şiddetini daha doğru bir şekilde belirlemeye yardımcı olacaktır. Bu koruma şeması, topraklama hatalarını hızlı bir şekilde tespit etme ve izole etmeye yardımcı olabilir ve ayrıca topraklama hataları nedeniyle oluşan elektrik kesintisi olaylarının olasılığını azaltabilir. Ayrıca, nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemine dayanarak, inşaat alanında bulunan transformatorlar için kapsamlı bir topraklama koruma yapısı oluşturulmuş olur, bu da transformatorların güvenli işletimini güçlü bir şekilde korur.

3 Deneysel Analiz

Yukarıda bahsedilen inşaat alanlarındaki transformator topraklama koruma teknolojisinin etkinliğini doğrulamak amacıyla, bu bölümde güç sistem simülasyon yazılımı PowerFactory kullanılarak transformator topraklama koruma simülasyon deneyleri gerçekleştirilecektir. İlk olarak, simülasyon yazılımında bir bina elektrik sistemi modeli oluşturulur, bu model genellikle transformatorlar, yüksek ve düşük gerilimli hatlar, yükler ve diğer ekipmanları içerir. Tablo 1, deney transformatorunun model ve parametre özelliklerini sunmaktadır.

Dönüşüm cihazının özel yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir.

Ardından, dönüştürücü topraklama koruma simülasyon deneyleri üç farklı topraklama yöntemiyle gerçekleştirilmiştir: nötr nokta düşük dirençli topraklama, nötr nokta yüksek dirençli topraklama ve nötr nokta topraklama ile yayıklık bobini. Topraklama yöntemleri belirlenirken, nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemi için küçük bir direnç değeri seçildi, özellikle 0.5 Ω olarak ayarlandı, düşük dirençli topraklama etkisini simüle etmek için; nötr nokta yüksek dirençli topraklama yöntemi için daha büyük bir direnç değeri seçildi, 10 Ω olarak ayarlandı, yüksek dirençli topraklama özelliklerini simüle etmek için.

Deney sırasında, dönüştürücünün tek faz topraklama arızası altında topraklama akım seviyeleri simüle edildi. Arıza konumu, dönüştürücünün düşük voltajlı tarafındaki bir faz hattının orta noktasına ayarlandı, arıza direnci 100 Ω olarak ayarlandı, topraklama arızası sırasında topraklama direncini simüle etmek için. Arıza simülasyon sürecinde, yüksek örnekleme hızlı veri alma sistemi kullanıldı, topraklama akımı verilerini kaydetmek için, örnekleme frekansı saniyede 1000 kez olarak ayarlandı, topraklama akımındaki ince değişiklikleri yakalamak için.

Arıza anında topraklama akımı değerini kaydetmenin yanı sıra, arıza sonrası 0.1 s, 0.5 s, 1 s, 5 s ve 10 s gibi birden fazla zaman noktası belirlendi, farklı zaman noktalarında topraklama akımındaki değişimleri gözlemlemek için. Deney sonuçlarındaki rastgelelikten kaçınmak için, topraklama akımı verileri 10 kez kaydedildi, ortalama değer son deney sonucu olarak alındı. Şekil 2, farklı topraklama yöntemleri altında dönüştürücü topraklama koruma etkilerinin karşılaştırmasını sağlar.

Şekil 2'ye göre, simülasyon analizi, nötr nokta düşük dirençli topraklama, yüksek dirençli topraklama ve yayıklık bobini topraklama yöntemleri altında dönüştürücülerin tek faz arızaları durumunda topraklama akımı karakteristiklerini karşılaştırmıştır. Sonuçlar, dönüştürücülerde tek faz topraklama arızası sırasında, nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemindeki topraklama akımı, nötr nokta yüksek dirençli topraklama ve nötr nokta yayıklık bobini topraklama yöntemlerine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek olduğunu göstermektedir. 

Tasarlanan topraklama koruma teknolojisi altında, ortalama dönüştürücü topraklama akımı 70.11 A olmuştur, bu, kontrol grubu teknolojilerine göre sırasıyla 43.44 A ve 21.62 A artışı göstermektedir. Bu, arıza noktasındaki yay intibasını azaltmaya ve arızanın kendi kendine temizlenme yeteneğini hızlandırmaya yardımcı olmaktadır. Bu nedenle, tasarlanan topraklama koruma teknolojisi uygulanabilir ve güvenilirdir, dönüştürücülerin tek faz topraklama arızalarında pratik uygulamaya uygun, dönüşüm alanlarında dönüştürücülerin işletimsel güvenliğini etkin bir şekilde korumaktadır.

4.Sonuç

Yapım alanında dönüştürücüler için topraklama koruma teknolojisi, nötr nokta düşük dirençli topraklama yöntemi temelinde sıfır-sekans aşırı akım koruma şeması önermektedir. Karşılaştırma deneyleri yoluyla, tasarlanan topraklama koruma teknolojisinin dönüştürücülerin tek faz arızaları için ana koruma konusundaki üstünlüğü doğrulanmıştır. Bazı araştırma başarıları elde edilmesine rağmen, bazı sınırlamalar hala bulunmaktadır. Örneğin, deney koşulları ve veri örnekleri yeterince kapsamlı olmayabilir, sonuçların genellenebilirliği için daha fazla doğrulama gerekli olabilir.

Gelecekteki araştırmalar aşağıdaki alanlara odaklanabilir: ilk olarak, deney kapsamını genişletmek ve veri örneklerini artırmak, sonuçların doğruluğunu ve genellenebilirliğini artırmak; ikinci olarak, diğer koruma şemaları ve teknolojiler üzerinde derinlemesine çalışmalar yapmak, daha etkin ve güvenilir dönüştürücü topraklama koruma yöntemleri keşfetmek; son olarak, pratik mühendislik uygulamalarıyla birleştirilmiş daha yüksek performanslı koruma cihazları ve sistemler geliştirmek.