Qısalama Cari Məhdudiyyəti Qüvvə Sistemlərində və Xəta Cari Məhdudlayıcılarının (FCL) Tətbiqi

0 Giriş​
Elektrik sistemlerinin gelişmesi ve yük taleplerinin artmasıyla, büyük kapasiteli jeneratörlerin ve trase ekipmanlarının entegrasyonu - özellikle yük merkezlerindeki büyük elektrik santrallerinin ortaya çıkışı ve büyük elektrik sistemlerinin birbirine bağlanması - kısa devre akım seviyelerinin sürekli yükseldiğine yol açmıştır. Etkili sınırlama önlemleri olmadan, bu eğilim sadece yeni trase ler için ekipman yatırımlarını önemli ölçüde artırır, aynı zamanda mevcut trase tesislerinin iletişim hatları ve boru hattı üzerinde ciddi etkiler yaratır ve onarıma ve modernize etmeye önemli miktarda fon gerektirebilir.

Sistem geliştirme aşamasının erken dönemlerinde, sistem kapasitesi küçük ve kısa devre akım seviyeleri düşük olduğunda, kısa devre akımlarının artışı genellikle anahtar ekipmanlarının değiştirilmesiyle ele alınabilir - diğer trase ekipmanları bu aşamada genellikle yeterli marjına sahiptir. Ancak, güç sistemi kapasitesi büyük, kısa devre seviyeleri yüksek ve sistem bağlantıları veya daha fazla kapasite genişlemesi nedeniyle kısa devre akımları sürekli arttığında, sadece devre kesicilerin değiştirilmesi artık yeterli olmaz. Mevcut trase ler sadece devre kesici değişiklikleri değil, aynı zamanda ana dönüştürücüler, ayrıkleyiciler, ölçüm dönüştürücüler, iletkenler, yalıtıcılar, yapılar, temeller ve topraklama sistemlerinin de iyileştirilmesi veya değiştirilmesini gerektirebilir. Ayrıca, iletişim hatları ekranlamaya ihtiyaç duyar hatta yer altına geçiş yapabilir.

Çeşitli faktörler nedeniyle, yeni büyük kapasiteli jeneratörler ve elektrik santralleri 220kV şebekesine entegre edilmeye devam etmektedir, bu da kısa devre akım seviyelerinde aşırı hızlı bir artışa yol açmaktadır. Sayısız 220kV devre kesicilerinin - hatta tüm trase lerin - kesme kapasitesi ve dinamik istikrar performansı artan kısa devre seviyeleriyle artık eşleşemiyor, bu durum ciddi teknik ve ekonomik zorluklar yaratmaktadır. Kısa devre akımı sınırlamanın araştırılması bu nedenle acil bir gerekliliktir.

​1 Geleneksel Akım Sınırlama Önlemleri ve Sınırlamaları​
Kısa devre akımı sınırlaması, sistem yapısı, operasyon ve ekipman açısından ele alınabilir. Geleneksel önlemler aşağıdaki kategorilere ayrılır, ancak her biri önemli sınırlamalara sahiptir:

• ​a. Şebeke Yapısının Düzenlenmesi​
  Daha yüksek gerilimli şebekelerin geliştirilmesini, düşük gerilimli şebekelerin/iletkenlerin bölünmesini ve şebeke ayrıştırılmasını içerir.
• Daha yüksek gerilimli şebekelerin geliştirilmesi: Büyük yatırımlar gerektirir ve çevresel endişeleri içerir.
• Düşük gerilimli şebeke bölünmesi/ayrıştırılması: Uygulanması kolay ve önemli akım sınırlama etkileri gösterir, ancak sistem güvenliği marjını azaltır ve operasyonel esnekliği kısıtlar, bu nedenle sadece gerekli senaryolarda uygundur.
• ​b. Doğrudan Bağlantı Teknolojisi​
  Doğrudan bağlantı, kısa devre akımlarını önemli ölçüde azaltabilir, ancak her iki uçtaki dönüştürücü istasyonlarına yapılan yatırım son derece yüksektir. Kısa bağlantılar ve düşük güç değişimleri için bu çözüm ekonomik olarak uygulanabilir değildir.
• ​c. Yüksek Impedanslı Dönüştürücüler​
  Düşük voltaj tarafında kısa devre akımlarını sınırlamak için yüksek impedanslı dönüştürücülerin kullanılması yaygın bir önlemdir. Ancak, bu dönüştürücüler durağan işlem sırasında daha yüksek kayıplar gösterir, bu da sistem ekonomisini etkiler.
• ​d. Seri Reaktörler​
  Seri reaktörler, olgun üretim teknolojisine sahip ve net akım sınırlama etkileri gösterir, zaten elektrik santrallerinin yardımcı sistemlerinde ve 10-35kV trase lerinde kullanılmaktadır. Ancak, ultra yüksek gerilimli sistemlerde kullanımı ağ kayıplarını artırır ve sistem istikrarını azaltır, bu nedenle uygunluğu sınırlıdır.
• ​e. Ekipman Kapasitesinin Genişletilmesi ve Modernizasyonu​
  Devre kesicilerin değiştirilmesi ve mevcut trase lerin daha yüksek kısa devre akımlarına karşı modernizasyonu, sorunu doğrudan çözer, ancak yüksek yatırım ve karmaşık inşaat gerektirir, bu da ekonomik verimliliği ve zaman uygunluğunu azaltır.

Geleneksel önlemlerin önemli sınırlamaları göz önüne alındığında, modern elektrik sistemlerine uygun yeni akım sınırlama cihazlarının geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. Arızalı Akım Sınırlayıcı (FCL) böyle bir çözüme dönüşmüştür ve Esnek Alternatif Akım Taşıma Sistemlerinin (FACTS) önemli bir bileşenidir.

​2 Güç Sistemlerinde Arızalı Akım Sınırlayıcıların (FCL) Kullanımı​

​2.1 FCL'nin Modeli ve Temel Prensipleri​
FCL'nin temel prensibi, seri reaktör akım sınırlama teknolojisinden türetilmiştir, ancak güç elektronikleri ile geliştirilmiş, bu sayede geleneksel seri reaktörlerin (örneğin, durağan durumda yüksek kayıplar ve sistem istikrarına etkileri gibi) dezavantajlarını aşmıştır. Onun çekirdek modeli şu şekilde özetlenebilir: "Normal çalışma sırasında reaktans yok; arızalı durumlarda reaktans hızla eklenecek, akımı sınırlayacak."

• Normal çalışma: Anahtar kapalı, FCL'nin eşdeğer empedansı sıfıra yakın, sistem üzerinde etkisi yok.
• Arızalı durum: Anahtar hızla açılır, akım sınırlama reaktörü eklenerek kısa devre akımı bastırılır.

FCL'nin ana bileşenleri dört ana unsuru içerir:

1. Hızlı arızalı akım algılama elemanı: Sistemin akımını gerçek zamanlı izler ve kısa devre arızalarını hızlıca belirler.
2. Hızlı anahtar elemanı: Arızalı durumlarda "reaktanssız" ve "reaktanslı" durumlar arasında hızlıca geçiş yapar.
3. Akim sınırlama reaktörü: Çekirdek akım sınırlama bileşeni, reaktans aracılığıyla kısa devre akımını bastırır.
4. Aşırı gerilim koruma elemanı: Arızalı durumda anahtarlanırken aşırı gerilime karşı koruma sağlar, sistem ekipmanını korur.

​2.2 FCL'nin Fonksiyonları ve Tasarım Gereksinimleri​

​2.2.1 FCL'nin Temel Fonksiyonları​
FCL, güç sistemlerinde arızalı akım sınırlaması için yeni bir yaklaşım sunar ve modern güç sistemlerinin kritik bir bileşenidir. Avantajları şunlardır:

• Devre kesicilerin yükünü azaltmak: Daha yüksek gerilim seviyeleri, daha büyük ve kesmesi zor olan arızalı akımlara karşılık gelir. FCL, devre kesicilerin kesme akımını doğrudan azaltarak ekipman ömrünü uzatır.
• Sistem istikrarını artırmak: Kısa devre akımlarını hızlıca sınırlamak, hat gerilim düşüşlerini ve jeneratörlerin adım dışı kalma olasılığını azaltarak güç açısı, gerilim ve frekans istikrarını artırır.
• Ekipman ve hat kullanımını artırmak: Eğer FCL, kısa devre akımının zirvesine ulaşmadan önce harekete geçerse, termal ve dinamik istikrar limitlerine yönelik gereksinimleri azaltarak hatların gerçek taşıma kapasitesini artırır.
• Gerilim kalitesini optimize etmek: Arızanın temizlenmesinden önce hızlı akım sınırlaması, arızalı olmayan hatlarda gerilim düşüş süresini kısaltarak şebeke gerilim istikrarını sağlar.
• Yakındaki tesislere müdahaleyi azaltmak: Yüksek gerilimli şebekelerde kısa devre akımlarını sınırlamak, yakındaki iletişim hatları ve demiryolu işaret sistemi üzerindeki elektromanyetik interferansı azaltır.

​2.2.2 FCL İçin Tasarım Gereksinimleri​
Güç sistemlerinin işletme karakteristiklerine uyum sağlamak için, FCL aşağıdaki tasarım standartlarına uymalıdır:

• Normal çalışma sırasında sisteme etkisi olmamalıdır (gerilim düşüşü sıfıra yakın).
• Arızalı durumlarda hızlı tepki vermeli (1-2 ms içinde), zirve ve durağan kısa devre akımlarını sınırlandırmalı, aşırı gerilim gibi yan etkileri olmamalıdır.
• Arızanın temizlendikten sonra otomatik olarak yeniden ayarlanmalı, manuel müdahaleye ihtiyaç duymamalıdır.
• Korumalı rölelerin normal çalışma mantığına müdahale etmemelidir.
• Maliyeti makul ve maliyet etkinliği yüksek olmalı, elektrik işi mühendislik uygulamalarına uygun olmalıdır.

​2.3 Farklı FCL Uygulama Şemalarının Karşılaştırılması​

​2.3.1 Şema Karşılaştırması​

• ​Sonuç: Yeni malzemeli (özellikle süperiletken) ve güç elektronikleri tabanlı FCL'ler, şu an için en iyi çözümlerdir. İlki basit ve güvenilirdir, ancak malzeme teknolojisine bağlıdır; ikincisi güçlü kontrollüdür ve güç elektronikleri maliyetlerinin düşmesiyle birlikte mühendislikte uygulanabilir hale gelmiştir, bu yüzden en vaatkar araştırma ve geliştirme yönüdür.

​2.5 FCL İçin Gelecekteki Araştırma Yönü​
FCL üzerine gelecekteki araştırma, "performans optimizasyonu, işlevsel entegrasyon ve mühendislik uyumu" üzerine odaklanmalıdır. Ana yönler şunlardır:

1. Sürekli olarak ayarlanabilen empedans dönüştürücüler: Mevcut "iki durumlu empedans (sıfır veya sonsuz)" sınırlamasından öteye giderek, daha büyük arızalı akımlarla daha yüksek empedansı dinamik olarak eşleştiren, hızlı tepki veren, sürekli olarak ayarlanabilen empedans dönüştürücüler geliştirmek. Bu, güç faktörü kompensasyonu ve aşırı gerilim emilimi ile birleştirilmelidir, kontrol teorileri (örneğin, negatif geribildirim, PID kontrol) ile birlikte sistem otomasyonunu artırmalıdır.
2. FACTS kontrolörleriyle entegrasyon: FCL'yi diğer FACTS bileşenleri (örneğin, SVG, SVC) ile birleştiren kapsamlı kontrol cihazları geliştirmek, genel maliyet etkinliğini artırmak ve kontrollü AC taşıma ve dağıtım sistemlerini ilerletmek için.
3. Ana teknoloji breakthroughs:
• FCL'nin güç sistem istikrarına etki mekanizmaları.
• FCL ile koruma röleleri arasındaki koordinasyon mantığı.
• Ultra hızlı arızalı sinyal algılama sistemlerinin ve kontrolörlerin optimizasyonu.
• FCL'nin güç kalitesine (örneğin, harmonikler, gerilim dalgalanmaları) etkileri ve bunları azaltma önlemleri.

​3 Sonuç​

• a. Güç sistemlerinde kısa devre akımı sınırlaması, acil bir çözüm gerektiren kritik bir konu haline gelmiştir. Yeni bir koruma cihazı olarak Arızalı Akım Sınırlayıcı (FCL), etkili bir çözüm sunar ve modern şebekelere uygun FCL'lerin geliştirilmesi, teorik ve mühendislik açısından önemli bir değer taşır.
• b. Güç elektronikleri tabanlı FCL'ler, zaten teorik temel ve mühendislik uygulanabilirliğine sahiptir. İleri kontrol performansları ve güç elektronik ekipmanlarının maliyetlerinin düşmesi, geniş bir geliştirme potansiyeline işaret etmektedir.
• c. FACTS/CusPow teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte, FCL, FACTS ailesinin önemli bir üyesi olarak, sadece iletim ve dağıtım şebekelerindeki akım sınırlama sorunlarını bağımsız olarak ele almakla kalmayıp, diğer FACTS kontrolörleriyle birlikte çalışarak, kontrollü AC taşıma ve dağıtım sistemlerinin gelişimini daha da ilerletecektir.