İşbirlikçi Həll İxtisası Sürücü Dəhliz Məhdudlaşdırıcısı (FCL) və Tək Faz Avtomatik Qaytarma (SPAR) üçün Cənub-Şərqi Azərbaycan EHV Elektrik Şəbəkələri üçün
- Giriş: Araştırmaya Dair Ark Plan ve Önemi
Güneydoğu Asya'da hızlı ekonomik gelişimle birlikte, elektrik şebekeleri ölçeklerinde sürekli genişleme yaşanıyor ve yükler artmaya devam ediyor. Bu durum sistem kısa devre akımlarının devre kesicilerin kesme kapasitesine yaklaşmasına veya hatta aşmasına yol açarak, şebeke operasyonlarının güvenliğini ve istikrarını ciddi şekilde tehdit etmektedir. Aynı zamanda, EHV (Ekstrem Yüksek Voltaj) iletim hatları bölgesel enerji bağlantılarının omurgası olarak hizmet vermektedir. Toplam arızaların %70'inden fazlası tek faz topraklama arızalarıdır ve bu arızaların yaklaşık %80'i geçici arızalardır (örneğin, yıldırım vuruşları, rüzgarla taşınan yabancı cisimler). Tek Faz Otomatik Yeniden Kapama (SPAR) teknolojisi, arızaları hızlıca temizlemek, güç tedarikini yeniden sağlamak ve şebeke istikrarını ve güvenilirliğini sağlamak için kilit bir yöntemdir.
Kısa devre akımlarını baskılamada etkili olan Akım Sınırlayıcılar (FCL), özellikle maliyet etkin metal oksit tipi savunma (MOA) FCL'ler, EHV şebekelerinde yavaş yavaş uygulanmaktadır. Ancak, mevcut araştırmalar genellikle FCL'lerin sistemin geçici istikrare ve röle korumasına etkilerine odaklanmış olup, SPAR başarı oranlarına potansiyel olumsuz etkilerini ihmal etmiştir. Bu öneri, FCL ile SPAR arasındaki etkileşimi derinlemesine analiz ederek ve Güneydoğu Asya elektrik şebekelerine uygun bir dizi işbirliği kontrol stratejisi önererek bu araştırma boşluğunu doldurmaya yöneliktir. Bu stratejiler, hem etkili akım sınırlamasını hem de güvenilir güç tedarikini sağlar.
1. Metal Oksit Tipi Savunma (MOA) FCL'nin Çalışma Prensibi
Bu tür FCL, asıl fonksiyonu "normal çalışma sırasında düşük empedans, arızalarda yüksek empedans" olarak gerçekleştirmek üzere koordineli olarak çalışan aşağıdaki bileşenlerden oluşur:
|
Bileşen |
Fonksiyon Açıklaması |
|
Reaktör Lf (Lf = Lc + L) |
Normal çalışma sırasında kondansatör Cf ile seri rezonans oluşturarak düşük empedans gösterir; arızalarda ise akım sınırlama reaktörü L sisteme dahil edilir. |
|
Kondansatör Cf |
Normal çalışma sırasında rezonansa katılır; arızalarda MOA tarafından hızlıca kısa devre edilerek rezonans devresinden çıkarılır. |
|
Metal Oksit Tipi Savunma (MOA) |
Kısa devre arızası algılandığında hemen harekete geçerek kondansatör Cf'yi kısa devre eder. |
|
By-pass Anahtarı K |
Arızadan sonra hızlıca kapanarak akımı paylaşır ve MOA'nın aşırı enerji emmesini önler. Zamanlaması kritiktir. |
|
Akımları Sınırlayan Reaktör Lc |
Genellikle tetikleme boşluğu üzerinden kondansatör Cf'nin boşaltma akımını sınırlar. |
Çalışma Süreci: Normal sistem çalışması sırasında, Lf ve Cf rezonans yapar → FCL empedansı neredeyse sıfır olur → güç akışına etki etmez. Kısa devre arızası olduğunda, MOA hızla harekete geçerek Cf'yi kısa devre eder → akım sınırlama reaktörü L sisteme dahil edilerek kısa devre akımını bastırır → tetikleme boşluğu bozulur ve by-pass anahtarı K'yi kapatma sinyali gönderir → K kapandıktan sonra MOA'yı korumak için akımı yönlendirir.
2. Sorun Analizi: FCL'nin İkincil Yay Akımına ve SPAR'a Olumsuz Etkileri
İkincil yay akımı, SPAR işlemi sırasında arızalı faz devre kesicisinin açılmasından sonra hala arızalı noktayı sürdürdüğü akımdır ve sağlıklı fazzlardan gelen elektromanyetik ve elektrostatik koplamalarla beslenir. Bu akımın büyüklüğü ve özellikleri, arıza yayının kendiliğinden sönenip sönmemesini doğrudan belirler ki bu da SPAR başarısı açısından kritik önem taşır.
Simülasyon analizi (EMTP tabanlı, model parametreleri Çin'in güneyindeki 500 kV sisteme dayanarak) FCL'nin yeni sorunlara yol açabileceğini göstermektedir:
- By-pass Anahtarı (K) Zamanlaması Etkisi: Eğer devre kesicinin atık anında by-pass anahtarı K açık ise, ikincil yay akımı büyük genlikli (yaklaşık 225 A), yavaş azalan ve çok düşük frekansta (yaklaşık 3-3.25 Hz) bir bileşeni içerecektir. Bu düşük frekanslı bileşen, akım sıfır geçiş sayısını önemli ölçüde azaltarak yayın kendiliğinden sönmeyi zorlaştırır ve SPAR başarısını belirgin şekilde düşürür.
- Yay Yolu Direnci (Rg) Etkisi: Arıza noktasındaki geçiş direnci büyük olduğunda (örneğin, 300 Ω), kısa devre akımı küçüktür ve bu, hattın ucundaki FCL'nin aktive olmasını engelleyebilir (MOA işletme gerçeğine ulaşmaz). Bu durumda, Cf kısa devre edilmez ve hattın paralel reaktörüyle düşük frekanslı bir osilasyon devresi oluşturur, bu da yayın sönmeye elverişsiz olan düşük frekanslı bir bileşen üretir.
3. Mekanizma İncelemesi: Düşük Frekanslı Bileşenin Kökeni
Eşdeğer empedans ağları ve Laplace dönüşümü kullanılarak yapılan teorik analiz, düşük frekanslı bileşenin arkasındaki mekanizmayı ortaya koymaktadır:
Ana neden, FCL'deki kondansatör Cf'dir. Devre kesicinin atığıyla ve arızalı fazın izole edilmesiyle, Cf'de depolanan enerji, paralel reaktör ve arıza noktası yay direnci üzerinden boşalır. Bu boşaltma devresi, yaklaşık 3 Hz frekanslı düşük frekanslı bir osilasyon devresi oluşturur, bu frekans çoğunlukla Cf ve hattın paralel reaktörü parametrelerine bağlıdır ve arıza konumundan büyük ölçüde bağımsızdır. Bu düşük frekanslı osilasyon, by-pass anahtarı K'nin tamamen kapalı kalıp Cf'yi tamamen kısa devre ettiği zaman ortadan kalkar.
4. Temel Çözüm: FCL ve SPAR için Zamanlama Koordinasyon Stratejisi
FCL'nin etkili akım sınırlamasını sağlamak ve SPAR'ı etkilememek için, bu öneri toplam süreyi 0.66-0.73 saniye arasında kontrol ederek aşağıdaki hassas zamanlama koordinasyon stratejisini önermektedir:
|
Zamanlama Noktası |
Aralık (s) |
İşlem Açıklaması |
|
t0 |
- |
Sistemde tek faz topraklama arızası gerçekleşir. |
|
t1 |
0.002 |
MOA işletme gerçeğine ulaşır, Cf'yi kısa devre eder ve akım sınırlama reaktörü L sisteme dahil edilir. |
|
t2 |
0.002 |
FCL izleme sistemi boşaltma boşluğu G'yi tetikler ve aynı zamanda by-pass anahtarı K'nin kapatılmaya başlanması sinyali gönderir. |
|
t3 |
0.016 |
Hattın röle koruması harekete geçer, devre kesici atma sinyali gönderir, bu aynı zamanda K'nin zorla kapatılması komutudur. |
|
t4 |
≤0.024 |
By-pass anahtarı K'nin tamamen kapalı olduğundan emin olun. Bu, devre kesicinin kesmesinden önce tamamlanmalıdır. |
|
t5 |
0.016-0.036 |
Hattın her iki ucundaki ana devre kesicilerin ana kontakları açılır, arıza akımını keser. |
|
t6 |
0.02 |
Devre kesicinin açma dirençleri ayrılır, arızalı faz hattı sistemden tamamen izole edilir; ikincil yay yanmaya başlar. |
|
t7 |
0.20 |
İkincil yay yanma sırasında, K'nin kapalı kalması düşük frekanslı bileşeni ortadan kaldırır. Yay kendiliğinden sönünce, K'nin açılması sinyali gönderilir. |
|
t8 |
0.045 |
By-pass anahtarı K açılır. |
|
t9 |
0.015 |
Arıza noktasındaki yay yolu deyonizasyon süresi, yalıtımın yenilenmesini sağlar. |
|
t10 |
0.10 |
Devre kesicinin kapanma bobini enerjilendirilir, yeniden kapamaya hazırlanır. |
|
t11 |
0.20-0.25 |
Devre kesici kapanır, kapanma dirençleri geçiş aşırı gerilimlerini bastırmak için etkindir. |
|
t12 |
0.02 |
Devre kesicinin ana kontakları kapanır, kapanma dirençleri çıkarılır ve hattın güç tedariki başarıyla yeniden sağlanır. |
Strateji Çekirdeği: Röle korumasından gelen devre kesici atma sinyali, by-pass anahtarı K'nin hızlıca zorla kapatılması ve ikincil yay yanma dönemi boyunca (yaklaşık 0.2 saniye) kapalı kalmasını sağlayan bir komuttur. Bu, Cf'yi tamamen kısa devre ederek, ikincil yay akımındaki düşük frekanslı osilasyon bileşenini tamamen ortadan kaldırır ve yayın kendiliğinden sönmesi için elverişli koşullar yaratır.
5. Şema Etkinliği ve Avantajları
EMTP simülasyonları, bu zamanlama koordinasyon stratejisinin aşağıdaki sonuçları sağladığını doğrulamıştır:
- Düşük Frekanslı Zararın Ortadan Kaldırılması: İkincil yay akımındaki 3 Hz düşük frekanslı bileşeni tamamen ortadan kaldırır, yayın sönmeye olumsuz etkilerini önler.
- Yay Sönmeyi Özelliklerinin İyileştirilmesi: İkincil yay sönmeyi süresini yaklaşık %4.5 azaltır ve güç frekanslı bileşen akımını %10.5 azaltarak, SPAR başarısını belirgin şekilde artırır.
- Uyumluluk ve Güvenilirlik: Strateji, sistemin orijinal gerilim kurtarma özelliklerini etkilemez ve FCL güvenliğinin (MOA'yı koruma) hızlı kurtarma ihtiyaçlarını dengelemektedir.
- Uygulanabilirlik: Mevcut koruma sinyallerine dayanarak, strateji ikincil sistemlere minimum değişiklik gerektirir, düşük maliyetlidir ve Güneydoğu Asya ülkelerinde mevcut veya yeni EHV projelerine uygundur.
6. Sonuç ve Öneriler
Metal oksit tipi savunma (MOA) FCL ile planlanan veya donatılmış Güneydoğu Asya EHV elektrik şebekeleri için, ikincil yay akımlarında düşük frekanslı osilasyon potansiyel sorununa dikkat etmek gerekmektedir, çünkü bu SPAR başarısını azaltabilir ve güç tedarik güvenilirliğini tehdit edebilir.
