Güneydoğu Asya EHV Güç Ağlarında Akım Sınırlayıcı (FCL) ve Tek Faz Otomatik Yeniden Kapama (SPAR) için İşbirlikçi Çözüm

1. Giriş: Araştırma Arka Planı ve Önemi​
   Güneydoğu Asya'daki hızlı ekonomik gelişimle birlikte, elektrik şebekeleri sürekli genişlemekte ve yükler artmaktadır. Bu durum, sistem kısa devre akımlarının devre kesicilerin kesme kapasitesine yaklaşmasına veya hatta aşmasına yol açarak, şebeke operasyonlarının güvenliği ve istikrarını ciddi şekilde tehdit etmektedir. Ayrıca, EHT hatları bölgesel güç bağlantısının temelini oluşturmaktadır. 70% üzerindeki arızalar tek faz topraklama arızasıdır ve bunların yaklaşık %80'i geçici arızalardır (örneğin, yıldırım vuruşları, rüzgarla taşınan yabancı nesneler). Tek Faz Otomatik Yeniden Bağlantı (SPAR) teknolojisi, arızaları hızlı bir şekilde temizlemek, güç sağlayışı tekrar sağlamak ve şebeke istikrarını ve güvenilirliğini sağlamak için kilit bir yöntemdir.

Kısa devre akımlarını baskılamada etkili olan ve özellikle maliyet etkin metal oksit tutucu (MOA) tipi FCL'ler, EHT şebekelerinde yavaş yavaş uygulanmaya başlanmıştır. Ancak, mevcut araştırmalar çoğunlukla FCL'lerin sistem geçici istikrarına ve röle korumasına etkisine odaklanmış, SPAR başarı oranlarına olumsuz etkilerini ihmal etmiştir. Bu öneride, FCL ile SPAR arasındaki etkileşimi derinlemesine analiz ederek ve Güneydoğu Asya elektrik şebekelerine uygun bir dizi işbirlikçi kontrol stratejisi önererek bu araştırma boşluğunu doldurma amaçlanmaktadır. Bu stratejiler hem etkili akım sınırlamasını hem de güvenilir güç sağlayışını sağlar.

​1. Metal Oksit Tutucu Tipi FCL'nin Çalışma Prensibi​
Bu tür FCL, aşağıdaki bileşenlerden oluşur ve "normal işletim sırasında düşük impedans, arızalar sırasında yüksek impedans" çekirdek fonksiyonunu gerçekleştirmek üzere birlikte çalışır:

Çalışma Akışı: Normal sistem işletme sırasında, Lf ve Cf rezonansa girer → FCL impedansı neredeyse sıfırdır → güç akışına etkisi yoktur. Kısa devre arızası olduğunda, MOA hızla harekete geçerek Cf'yi kısa devre eder → akım kısıtlayıcı reaktör L sisteme dahil edilerek kısa devre akımı bastırılır → tetikleme boşluğu patlar ve yan geçiş anahtarı K'yi kapatma sinyali gönderir → K kapandıktan sonra akımı yönlendirerek MOA'yı korur.

​2. Sorun Analizi: FCL'nin İkincil Yay Akımı ve SPAR Üzerine Olumsuz Etkileri​
İkincil yay akımı, SPAR işlemi sırasında arızalı faz devre kesicisinin açıldığından sonra arızalı noktayı sürdürmeyi devam eden akımdır ve sağlıklı fazlardan gelen elektromanyetik ve elektrostatik kupleme ile beslenir. Bu akımın büyüklüğü ve özellikleri, arızalı yayın kendiliğinden sönmeyi mümkün kılmayı doğrudan belirler, bu da SPAR başarısı açısından kritiktir.

Simülasyon analizi (EMTP tabanlı, model parametreleri Güney Çin 500 kV sisteminde referans alınmıştır) göstermektedir ki, bir FCL'nin kurulumu yeni sorunlar getirebilir:

• Yanal Geçiş Anahtarı (K) Zamanlaması Etkisi: Devre kesicinin triplendiği anda yan geçiş anahtarı K açık ise, ikincil yay akımı büyük genlikli (225 A kadar), yavaş azalan ve çok düşük frekansta (yaklaşık 3-3.25 Hz) bir bileşene sahip olacaktır. Bu düşük frekanslı bileşen, akım sıfır geçiş sayısını önemli ölçüde azaltarak yayın kendiliğinden sönmeyi zorlaştırır ve SPAR başarı oranını belirgin olarak düşürür.
• Yay Yolu Direnci (Rg) Etkisi: Arızalı noktadaki geçiş direnci büyük olduğunda (örneğin, 300 Ω), kısa devre akımı küçük olabilir, bu da hattın sonundaki FCL'nin aktive olmasını engelleyebilir (MOA çalışma gerine ulaşmaz). Bu durumda, Cf kısa devre edilmemiş kalır ve hat paralel reaktörüyle düşük frekanslı bir salınım devresi oluşturur, bu da yayın sönmeye elverişsiz bir düşük frekanslı bileşen üretir.

​3. Mekanizma İncelemesi: Düşük Frekanslı Bileşenin Kökeni​
Eşdeğer impedans ağları ve Laplace dönüşümleri kullanılarak yapılan teorik analiz, düşük frekanslı bileşenin arkasındaki mekanizmayı ortaya koymaktadır:
Temel neden, FCL'deki kondansatör Cf'dir. Devre kesicinin triplendiği ve arızalı faz izole edildiği andan itibaren, Cf'de depolanan enerji paralel reaktör ve arızalı nokta yay direnci aracılığıyla boşalır. Bu boşalma devresi, düşük frekanslı bir salınım devresi oluşturur, salınım frekansı (yaklaşık 3 Hz) çoğunlukla Cf ve hat paralel reaktörü parametrelerine bağlıdır ve arızanın yerinden bağımsızdır. Bu düşük frekanslı salınım, yan geçiş anahtarı K kapalı kalıp, Cf'yi tamamen kısa devre edene kadar ortadan kaldırılmaz.

​4. Çekirdek Çözüm: FCL ve SPAR İçin Zamanlama Koordinasyon Stratejisi​
FCL'nin etkili akım kısıtlamasını sağlamak ve SPAR'yi etkilememek için, bu öneri, toplam sürenin 0.66-0.73 saniye içinde kontrol edilen aşağıdaki hassas zamanlama koordinasyon stratejisini önermektedir:

Strateji Çekirdeği: Röle korumasından gelen devre kesicinin tripleneceği sinyali, yan geçiş anahtarı K'nın hızlıca zorla kapatılması için komut olarak kullanmak ve ikincil yay yanma süresi boyunca (yaklaşık 0.2 saniye) K'nın kapalı kalmasını sağlamak. Bu, Cf'yi tamamen kısa devre ederek ikincil yay akımındaki düşük frekanslı salınım bileşenini ortadan kaldırır ve yayın kendiliğinden sönmeyi için elverişli koşullar yaratır.

​5. Şema Etkinliği ve Avantajları​
EMTP simülasyonları, bu zamanlama koordinasyon stratejisinin aşağıdaki sonuçları sağladığını doğrulamıştır:

1. Düşük Frekanslı Zararın Ortadan Kalması: İkincil yay akımındaki 3 Hz düşük frekanslı bileşeni tamamen ortadan kaldırır, yayın sönmeye elverişsiz etkilerini önler.
2. Yay Sönmeyi Özelliklerinin Optimize Edilmesi: İkincil yay sönmeyi süresini yaklaşık %4.5 oranında azaltır ve güç frekanslı bileşen akımını %10.5 oranında düşürür, SPAR başarı oranlarını belirgin bir şekilde artırır.
3. Uyumluluk ve Güvenilirlik: Strateji, sistemin orijinal gerilim kurtarma özelliklerini etkilemez ve FCL güvenliği (MOA'yı koruma) ile hızlı kurtarma ihtiyaçları arasında denge sağlar.
4. Uygulanabilirlik ve Ucuza Maliyet: Mevcut koruma sinyallerine dayanarak, strateji ikincil sistemlere minimal değişiklik gerektirir, düşük maliyetlidir ve Güneydoğu Asya ülkelerinde mevcut veya yeni EHT projelerine uygundur.

​6. Sonuç ve Öneriler​
Metal oksit tutucu tipi FCL ile planlanan veya donatılmış Güneydoğu Asya EHT şebekeleri için, ikincil yay akımlarındaki düşük frekanslı salınımın potansiyel sorununu önemle ele almak, SPAR başarı oranlarını düşürme ve güç sağlayışı güvenilirliğini tehdit etme riskini azaltmak için gereklidir.