Kısa Devre Akım Sınırlaması ve Hata Akım Sınırlayıcılarının (FCL) Kullanımı

0 Giriş​
Elektrik sistemlerinin gelişmesi ve artan yük talepleriyle, büyük kapasiteli jeneratörlerin ve trafiğe alınan ekipmanların entegrasyonu—özellikle yük merkezlerindeki büyük enerji santrallerinin ortaya çıkması ve büyük elektrik sistemlerinin birbirine bağlanması—kısa devre akım düzeylerinin sürekli yükselmek zorunda olduğunu getirmiştir. Etkili sınırlama önlemleri olmadan, bu eğilim hem yeni trafiğe alınan ekipmanlar için önemli miktarda yatırım gerektirir, hem de mevcut trafik ekipmanlarının iletişim hatları ve boru hattı üzerinde ciddi etkiler yaratır, bu da onarıma ve modernizasyona önemli miktarda fon ihtiyacı doğurabilir.

Sistem geliştirme aşamasının erken dönemlerinde, sistem kapasitesi küçük ve kısa devre akım düzeyleri düşük olduğunda, kısa devre akımlarını arttırmak genellikle anahtar cihazlarının değiştirilmesi ile ele alınabilir—bu aşamada diğer trafik ekipmanlarının genellikle yeterli marjı vardır. Ancak, güç sistemi kapasitesi büyük, kısa devre düzeyleri yüksek ve sistem bağlantısı veya daha fazla kapasite genişlemesi nedeniyle kısa devre akımları sürekli arttığında, sadece kesici cihazların değiştirilmesi artık yeterli olmaz. Mevcut trafik ekipmanları, sadece kesici cihaz değişimlerine değil, aynı zamanda ana dönüştürücüler, yalıtıcılar, ölçüm dönüştürücüler, ana hatlar, yalıtıcılar, yapılar, temeller ve yerleştirim sistemlerinin iyileştirilmesine veya değiştirilmesine ihtiyaç duyar. Ayrıca, iletişim hatları ekranlanmalı veya hatta yeraltı iletişim kablolarına dönüştürülmelidir.

Çeşitli faktörlerden dolayı, 220kV ağına yeni büyük kapasiteli jeneratörler ve enerji santralleri entegre edilmeye devam etmektedir, bu da kısa devre akım düzeylerinde aşırı hızlı bir artışa yol açmaktadır. Çok sayıda 220kV kesici cihazın—hatta tüm trafik ekipmanlarının—kesme kapasitesi ve dinamik stabilite performansı artan kısa devre düzeyleriyle eşleşememe durumu, ciddi teknik ve ekonomik zorluklar oluşturmuştur. Bu nedenle, kısa devre akımı sınırlama konusundaki araştırmalar acil bir şekilde gerekmektedir.

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

• ​a. Ağ Yapısının Düzenlenmesi​
  Daha yüksek gerilimli ağların geliştirilmesini, düşük gerilimli ağların/ana hatların bölünmesini ve ağ ayrıştırmasını içerir.
• Daha yüksek gerilimli ağların geliştirilmesi: Büyük yatırımlar gerektirir ve çevre sorunlarını içerir.
• Düşük gerilimli ağların bölünmesi/ayrılması: Uygulanması kolay ve önemli akım sınırlama etkisi gösterir, ancak sistem güvenliği marjını azaltır ve işletme esnekliğini sınırlar, bu nedenle sadece gerekli senaryolarda uygundur.
• ​b. Doğrudan Akım Bağlantı Teknolojisi​
  Doğrudan akım bağlantıları kısa devre akımlarını önemli ölçüde azaltabilir, ancak her iki uçtaki dönüştürücü istasyonlarına yapılan yatırım çok yüksektir. Kısa bağlantılar ve düşük güç değişimi için bu çözüm ekonomik olarak uygun değildir.
• ​c. Yüksek İmpedanslı Dönüştürücüler​
  Yüksek impedanslı dönüştürücülerin düşük gerilimli tarafında kısa devre akımlarını sınırlamak yaygın olarak benimsenen 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 açıkça belirtilen akım sınırlama etkileri ile, zaten enerji santrallerinin yardımcı sistemlerinde ve 10–35kV trafik ekipmanlarında kullanılmaktadır. Ancak, ultra yüksek gerilimli sistemlerde kullanımı ağ kayıplarını artırır ve sistem stabilitesini azaltır, bu nedenle uygunluğu sınırlıdır.
• ​e. Ekipman Kapasitesinin Genişletilmesi ve Modernizasyonu​
  Kesici cihazların değiştirilmesi ve mevcut trafik ekipmanlarının daha yüksek kısa devre akımlarına karşı modernizasyonu, sorunu doğrudan çözer, ancak yüksek yatırım ve karmaşık inşaat gerektirir, bu da ekonomik verimliliği ve zamanlamayı kötüleştirir.

Geleneksel önlemlerin önemli sınırlamaları göz önüne alındığında, modern elektrik sistemlerine uygun yeni akım sınırlama cihazlarının geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. Hata Akım Sınırlayıcı (FCL), bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır ve Esnek Alternatif Akım Taşıma Sistemlerinin (FACTS) önemli bir bileşenidir.

​2 Hata Akım Sınırlayıcıların (FCL) Elektrik Sistemlerindeki Uygulaması​

​2.1 FCL'nin Modeli ve Temel İlkeleri​
FCL'nin temel ilkesi, seri reaktör akım sınırlama teknolojisinden türetilmiştir ve güç elektronikleri ile geliştirilmiştir, böylece geleneksel seri reaktörlerin dezavantajlarını (örneğin, durağan işlemlerde yüksek kayıplar ve sistem stabilitesine etkisi) aşmıştır. Onun temel modeli şu şekilde özetlenebilir: "Normal işlemede reaktanssız; hata sırasında hızlı reaktans ekleme ile akımı sınırlama."

• Normal işleme: Anahtar cihazı kapalı, FCL'nin eşdeğer empedansı sıfıra yakındır, sisteme etkisi yoktur.
• Hata koşulu: Anahtar hızla açılır, akım sınırlama reaktörü eklenecek ve kısa devre akımını bastırır.

FCL'nin temel bileşenleri dört ana öğeyi içerir:

1. Hızlı hata akımı tespit elemanı: Sistemin akımını gerçek zamanlı izler ve kısa devre hatalarını hızlıca tespit eder.
2. Hızlı anahtar cihazı: Hatalar sırasında hızlı hareket ederek "reaktanssız" ve "reaktanslı" durumlar arasında geçiş yapar.
3. Akım sınırlama reaktörü: Merkezi akım sınırlama bileşeni, empedans aracılığıyla kısa devre akımını bastırır.
4. Aşırı gerilim koruma elemanı: Hata sırasında anahtarlama sırasında aşırı gerilimi önler, sistem ekipmanını korur.

​2.2 FCL'nin Fonksiyonları ve Tasarım Gereksinimleri​

​2.2.1 FCL'nin Temel Fonksiyonları​
FCL, elektrik sistemlerinde hata akımı sınırlamasına yeni bir yaklaşım sunar ve modern elektrik sistemlerinin kritik bir bileşenidir. Avantajları şunlardır:

• Kesici cihaz yükünü azaltma: Daha yüksek gerilim seviyeleri, daha büyük ve daha zor kesilen hata akımlarına karşılık gelir. FCL, kesici cihazların kesme akımını doğrudan azaltarak ekipman ömrünü uzatır.
• Sistem stabilitesini iyileştirme: Kısa devre akımlarını hızlıca sınırlamak, hat gerilim düşümlerini ve jeneratörlerin adım kaybı olasılığını azaltarak, güç açısı, gerilim ve frekans stabilitesini artırır.
• Ekipman ve hat kullanımını artırma: Eğer FCL, kısa devre akımının zirvesine ulaşmadan önce harekete geçerse, termal ve dinamik stabilite sınırlarına olan ihtiyaçları azaltarak, hatların gerçek taşıma kapasitesini artırır.
• Gerilim kalitesini optimize etme: Hata temizlenmeden önce hızlı akım sınırlaması, hata olmayan hatlardaki gerilim düşümlerinin süresini kısaltır, bu da ağ gerilimini stabil tutar.
• Çevredeki tesislere müdahaleyi azaltma: Yüksek gerilimli ağlarda kısa devre akımlarını sınırlamak, yakınındaki iletişim hatları ve demiryolu işaret sistemi gibi tesislere elektromanyetik interferansı azaltır.

​2.2.2 FCL için Tasarım Gereksinimleri​
Güç sistemleri işletme karakteristiğine uyum sağlamak için, FCL aşağıdaki tasarım standartlarına uymalıdır:

• Normal işleme sırasında sisteme etkisi olmamalıdır (gerilim düşümü sıfıra yakındır).
• Hatalar sırasında hızlı tepki vermeli (1-2 ms içinde), zirve ve durağan kısa devre akımlarını sınırlamalıdır, aşırı gerilim gibi yan etkiler olmadan.
• Hata sonlandıktan sonra otomatik olarak sıfırlanmalıdır, elle müdahaleye gerek yoktur.
• Koruma rölelerinin normal işleyiş mantığına müdahale etmemelidir.
• Maliyeti makul olmalı ve yüksek maliyet etkinliği ile elektrik mühendisliği uygulama ihtiyaçlarını karşılamalıdır.

​2.3 Çeşitli FCL Uygulama Şemalarının Karşılaştırılması​

​2.3.1 Şema Karşılaştırması​

• ​Sonuç: Yeni malzemelere (özellikle süperiletken) ve güç elektroniklerine dayalı 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 olmuştur, bu da en vaat edici araştırma-geliştirme yönü haline gelmiştir.

​2.5 FCL için Gelecekteki Araştırma Yönleri​
FCL üzerine gelecekteki araştırma, "performans optimizasyonu, fonksiyonel entegrasyon ve mühendislik uyumluluğu" üzerine odaklanmalıdır. Kilit yönler şunlardır:

1. Ardışık ayarlanabilir impedans dönüştürücüleri: Mevcut "iki durumlu impedans (sıfır veya sonsuz)" sınırlamasından öteye giderek, daha büyük hata akımları ile daha yüksek impedansı dinamik olarak eşleştirebilen, hızlı tepki verebilen ve ardışık ayarlanabilir impedans dönüştürücüler geliştirmek. Bunlar ayrıca güç faktörü kompansasyonu ve aşırı gerilim emilimini içermelidir, kontrol teorileri (örneğin, negatif geri bildirim, PID kontrol) ile birleştirilerek sistem otomasyonunu artırmalıdır.
2. FACTS kontrolörleri ile entegrasyon: FCL'yi diğer FACTS bileşenleri (örneğin, SVG, SVC) ile birleştiren kapsamlı kontrol cihazları geliştirmek, toplam maliyet etkinliğini artırmak ve kontrol edilebilir AC taşımayı ve dağıtım sistemlerini ilerletmek.
3. Önemli teknolojik atılımlar:
• FCL'nin güç sistem stabilitesi üzerindeki etki mekanizmaları.
• FCL ile koruma röleleri arasındaki koordinasyon mantığı.
• Ultra hızlı hata sinyal tespit sistemlerinin ve kontrolörlerin optimizasyonu.
• FCL'nin güç kalitesi (örneğin, harmonikler, gerilim dalgalanmaları) üzerindeki etkileri ve bunların azaltılmasına yönelik önlemler.

​3 Sonuç​

• a. Elektrik sistemlerinde kısa devre akımı sınırlaması, acil bir çözüm gerektiren kritik bir konu haline gelmiştir. Hata Akım Sınırlayıcı (FCL) olarak yeni bir koruma cihazı, etkili bir çözüm sunar ve modern ağlara uygun FCL'lerin geliştirilmesi, önemli teorik ve mühendislik değerine sahiptir.
• b. Güç elektroniklerine dayalı FCL'ler, zaten teorik temel ve mühendislik uygulanabilirliğine sahiptir. Onların mükemmel kontrol performansı ve güç elektronik cihazlarının maliyetlerinin düşmesi, geniş geliştirme potansiyeline işaret etmektedir.
• c. FACTS/CusPow teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte, FCL, FACTS ailesinin kilit bir üyesi olarak, sadece iletim ve dağıtım ağlarındaki akım sınırlama sorunlarını bağımsız olarak çözmekle kalmaz, aynı zamanda diğer FACTS kontrolörleriyle birlikte çalışarak, kontrol edilebilir AC taşımayı ve dağıtım sistemlerinin gelişimini daha da ilerletmelidir.