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

0 Giriş​
Elektrik sistemlerinin gelişimi ve artan yük talepleriyle, büyük kapasiteli jeneratörlerin ve alt istasyon ekipmanının entegrasyonu—özellikle yük merkezlerindeki büyük santrallerin ortaya çıkması ve büyük elektrik sistemlerinin birleşmesi—kısa devre akım seviyelerinin sürekli yükselmeye neden olmuştur. Etkili sınırlama önlemleri olmadan, bu eğilim hem yeni alt istasyonlar için ekipman yatırımını önemli ölçüde artırır, hem de mevcut alt istasyon tesislerinin iletişim hatları ve boru hatlarına ciddi etki eder, bu da yeniden inşa ve modernizasyon için büyük maliyetlere yol açabilir.

Sistem geliştirme aşamalarının erken dönemlerinde, sistem kapasitesi küçük ve kısa devre akım seviyeleri düşük olduğunda, kısa devre akımlarının artışı genellikle anahtar cihazlarının değiştirilmesiyle ele alınabilir—bu aşamada diğer alt istasyon ekipmanlarının genellikle yeterli marjı vardır. Ancak, güç sistemi kapasitesi büyük, kısa devre seviyeleri yüksek ve sistem bağlantıları veya daha fazla kapasite genişlemesi nedeniyle kısa devre akımları sürekli arttığı durumlarda, sadece kesici cihazların değiştirilmesi yeterli olmaz. Mevcut alt istasyonlar, sadece kesici cihazların değiştirilmesiyle kalmayıp, ana dönüştürücüler, ayırıcılar, ölçüm dönüştürücüler, ana hatlar, yalıtıcılar, yapılar, temeller ve yerleme sistemlerinin de iyileştirilmesi veya değiştirilmesi gerekebilir. Ayrıca, iletişim hatları ekranlanması veya hatta yeraltı iletişim kablolarına dönüşüm gerektirebilir.

Tüketim faktörleri nedeniyle, yeni büyük kapasiteli jeneratörler ve santraller 220kV şebekesine entegre edilmeye devam etmektedir, bu da kısa devre akım seviyelerinin aşırı hızlı bir şekilde artmasına neden olmaktadır. Birçok 220kV kesici cihazın—hatta tüm alt istasyonların—kesme kapasitesi ve dinamik stabilite performansı artık artan kısa devre seviyeleriyle eşleşemiyor, bu da ciddi teknik ve ekonomik zorluklar yaratmaktadır. Kısa devre akım sınırlaması üzerine araştırma bu nedenle acil bir ihtiyaç haline gelmiştir.

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

• ​a. Şebeke Yapısının Düzenlenmesi​
  Daha yüksek gerilimli şebekelerin geliştirilmesini, düşük gerilimli şebekelerin/bağlantı hatlarının bölünmesini ve şebeke ayrıştırmasını içerir.
• Daha yüksek gerilimli şebekelerin geliştirilmesi: Büyük yatırımlar gerektirir ve çevre endişeleri içerir.
• Düşük gerilimli şebeke bölünmesi/ayrıştırılması: Uygulanması kolay ve önemli akım sınırlama etkisi gösterir, ancak sistem güvenliği marjını azaltır ve operasyonel esnekliği sınırlar, bu nedenle sadece gerekli senaryolarda uygundur.
• ​b. DC Bağlantı Teknolojisi​
  DC bağlantısı, kısa devre akımlarını önemli ölçüde azaltabilir, ancak her iki uçtaki dönüştürücü istasyonlarına yapılan yatırım son derece yüksektir. Kısa mesafeli ve düşük güç değiş tokuşu ile olan bağlantılar için bu çözüm ekonomik olarak uygun değildir.
• ​c. Yüksek İmpedanslı Dönüştürücüler​
  Düşük gerilim 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 sahiptir ve açıkça belirgin akım sınırlama etkisi gösterir, zaten güç santrallerinin yardımcı sistemlerinde ve 10–35kV alt istasyonlarında kullanılmaktadır. Ancak, ultra yüksek gerilimli sistemlerde kullanımı ağ kayıplarını artırır ve sistem stabilitesini azaltır, bu da uygunluğunu sınırlar.
• ​e. Ekipman Kapasitesinin Genişletilmesi ve Modernizasyonu​
  Kesici cihazların değiştirilmesi ve mevcut alt istasyonların daha yüksek kısa devre akımlarına karşı hazırlık için modernize edilmesi, sorunu doğrudan ele alır, ancak yüksek yatırım ve karmaşık inşaat gerektirir, bu da ekonomik verimliliği ve zaman uygunluğunu düşürür.

Geleneksel önlemlerin önemli sınırlamaları göz önüne alındığında, modern güç sistemlerine uygun yeni akım sınırlama cihazları geliştirmek zorunlu hale gelmiştir. Arızalı Akım Sınırlayıcı (FCL), bir çözüm olarak ortaya çıkmış ve Esnek Alternatif Akım Taşıma Sistemleri (FACTS) için de önemli bir bileşenidir.

​2 Güç Sistemlerinde FCL'nin Kullanımı​

​2.1 FCL'nin Modeli ve Temel İlkeleri​
FCL'nin temel ilkesi, seri reaktör akım sınırlama teknolojisinden türetilmiştir, ancak güç elektronikleri ile geliştirilmiş, geleneksel seri reaktörlerin (örneğin, yüksek durağan kayıplar ve sistem stabilitesine etkileri) eksikliklerini aşmıştır. Temel modeli şu şekilde özetlenebilir: "Normal işlem sırasında reaktans yok; arızalar sırasında reaktans hızla eklenerek akım sınırlanır."

• Normal işlem: Anahtar cihazı kapalı, FCL'nin eşdeğer empedansı sıfıra yakındır, sistem üzerinde etkisi yoktur.
• Arıza durumu: Anahtar hızla açılır, akım sınırlama reaktörü eklenerek kısa devre akımı bastırılır.

FCL'nin temel bileşenleri dört ana unsuru içerir:

1. Hızlı arıza akımı algılama elemanı: Sistemin akımını gerçek zamanlı izler ve kısa devre arızalarını hızla belirler.
2. Hızlı anahtar cihazı: Arıza sırasında "reaktanssız" ve "reaktanslı" durumlar arasında hızlıca geçiş yapar.
3. Akim sınırlama reaktörü: Temel akım sınırlama bileşeni, empedans yoluyla kısa devre akımını bastırır.
4. Aşırı gerilim koruma elemanı: Arıza anahtarlama sırasında aşırı gerilim oluşmasını önler, sistem ekipmanını korur.

​2.2 FCL'nin Fonksiyonları ve Tasarım Gereklilikleri​

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

• Kesici cihaz yükünün azaltılması: Daha yüksek gerilim seviyeleri, daha büyük ve kesmeye daha zor olan arıza akımlarına karşılık gelir. FCL, kesici cihazların kesme akımını doğrudan azaltarak ekipman ömrünü uzatır.
• Sistem stabilitesinin artırılması: Kısa devre akımlarının hızlı bir şekilde sınırlanması, hat gerilim düşümlerini ve jeneratörlerin aynalanma olasılığını azaltarak, güç açısı, gerilim ve frekans stabilitesini artırır.
• Ekipman ve hat kullanımının artırılması: FCL, kısa devre akımının zirvesine ulaşmadan harekete geçerse, termal ve dinamik stabilite sınırlarının gerekliliklerini azaltarak, hatların gerçek taşıma kapasitesini artırır.
• Gerilim kalitesinin optimize edilmesi: Arıza temizlenmeden önce hızlı bir şekilde akım sınırlanması, arıza olmayan hatlardaki gerilim düşüş süresini kısaltarak, şebeke gerilim stabilitesini sağlar.
• Çevredeki tesislere müdahalenin azaltılması: Yüksek gerilimli şebekelerde kısa devre akımlarının sınırlanması, yakın çevredeki iletişim hatları ve demiryolu sinyal sistemlerine elektromanyetik müdahaleyi azaltır.

​2.2.2 FCL için Tasarım Gereklilikleri​
Güç sistemlerinin işletme özelliklerine uyum sağlamak için, FCL aşağıdaki tasarım standartlarına uymalıdır:

• Normal işlem sırasında sisteme etkisi olmamalıdır (gerilim düşümü sıfıra yakın).
• Arızalar sırasında hızlı tepki vermelidir (1–2 ms içinde), zirve ve durağan kısa devre akımlarını aşırı gerilim gibi yan etkiler olmadan sınırlamalıdır.
• Arıza temizlendikten sonra otomatik olarak sıfırlanmalı, manuel müdahaleye gerek olmamalıdır.
• Koruma rölelerinin normal işlem mantığına müdahale etmemelidir.
• Maliyeti makul ve maliyet etkinliği yüksek olmalı, elektrik işi 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 kontrollenebilirliği sunar ve güç elektronikleri maliyetlerinin düşmesiyle mühendislikte uygulanabilir hale gelmiştir, bu da en vaat edici araştırma-geliştirme yönüdür.

​2.5 FCL için Gelecekteki Araştırma Yönü​
FCL için gelecekteki araştırma, "performans optimizasyonu, fonksiyonel entegrasyon ve mühendislik uyumu" üzerine yoğunlaşmalıdır. Ana yönler şunlardır:

1. Sürekli ayarlanabilir impedanslı dönüştürücüler: Mevcut "iki durumlu impedans (sıfır veya sonsuz)" sınırlamasından öteye giderek, daha büyük arıza akımlarına daha yüksek impedansla dinamik olarak eşleşebilecek, hızlı tepkilere sahip, sürekli ayarlanabilir impedanslı dönüştürücüler geliştirmek. Bu, güç faktörü kompansasyonu ve aşırı gerilim emilimi ile birleştirilmelidir, kontrol teorileri (örneğin, negatif geribildirim, PID kontrol) ile birlikte sistem otomasyonunu artırmalıdır.
2. FACTS kontrolörleri ile entegrasyon: FCL'yi diğer FACTS bileşenleri (örneğin, SVG, SVC) ile birleştirerek, toplam maliyet etkinliğini artırıp, kontrol edilebilir AC taşıma ve dağıtım sistemlerini ilerletmek için kapsamlı kontrol cihazları geliştirmek.
3. Ana teknoloji breakthroughları:
• FCL'nin güç sistem stabilitesine etki mekanizmaları.
• FCL ile koruma röleleri arasındaki koordinasyon mantığı.
• Ultra hızlı arıza sinyal algılama sistemlerinin ve kontrolörlerin optimizasyonu.
• FCL'nin güç kalitesine (örneğin, harmonikler, gerilim dalgalanmaları) etkileri ve azaltma önlemleri.

​3 Sonuç​

• a. Güç sistemlerinde kısa devre akım 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, önemli teorik ve mühendislik değerine sahiptir.
• b. Güç elektroniklerine dayalı FCL'ler, zaten teorik temel ve mühendislik uygulanabilirliğine sahiptir. Üstün kontrol performansı ve güç elektronik cihazlarının maliyetlerinin düşmesi, geniş geliştirme potansiyeline işaret etmektedir.
• c. FACTS/CusPow teknolojilerinin gelişimiyle birlikte, FCL, FACTS ailesinin kilit bir üyesi olarak, taşınım ve dağıtım şebekelerinde bağımsız olarak akım sınırlama sorunlarını ele almanın yanı sıra, diğer FACTS kontrolörleriyle birlikte çalışarak, kontrol edilebilir AC taşıma ve dağıtım sistemlerinin gelişimini daha da ilerletmelidir.