Seriy rezonanslı xəta dərc edici axını məhdudlaşdıran cihaz əsaslanan konvensional komponentlər: İqtisadi və etibarlı qısa kontaktli xəta dərc edici axını həll yolu
- Tanıtış: Araştırmaya Dair Arkaplan ve Asıl Amaçlar
- Kısa Devre Akımı Probleminin Ciddiyeti
Elektrik şebekesinin ölçüsünün sürekli genişlemesi ve kapasitesinin artmasıyla birlikte, sistem kısa devre akımı seviyesi mevcut ekipmanların dayanma sınırlarına yaklaştı hatta aştı.
• Veri Desteği: Gözlemler, bazı 500kV, 220kV ve hatta 10kV trafo merkezlerinde beklenen kısa devre akımının 100 kA'yi aşmış olduğunu göstermektedir; ana elektrik kaynaklarındaki kısa devre akımının periyodik bileşeni 300 kA'ya kadar ulaşmıştır.
• Ciddi Tehlikeler: Çok yüksek kısa devre akımları, uygun yüksek gerilimli devre kesicilerin eksikliği, termal ve elektrodinamik kuvvet limitlerinin aşılmaması nedeniyle elektrik ekipmanlarının zarar görmesine, iletişim sistemlerindeki elektromanyetik interferans, yer potansiyelinin yükselişi ve adım voltajı gibi güvenlik sorunlarına yol açmaktadır. Bu, şebekenin güvenli ve ekonomik gelişimi için önemli bir teknik engel haline gelmiştir. - Mevcut FCL Teknolojilerinin Sınırlamaları
Mevcut ana akım hata akımı sınırlandırıcı (FCL) teknolojileri, büyük ölçekli uygulamada zorluklar yaşayabilecek içsel dezavantajlara sahiptir:
• Süperiletken FCL: Süperiletken malzemeler üzerine dayanır, bu teknoloji henüz olgunlaşmamıştır, düşük güvenilirliğe sahiptir, yüksek işletme ve bakım maliyetleri gerektirir ve ekonomik olarak uygun değildir, bu yüzden kısa ve orta vadede mühendislik uygulamasına imkan vermez.
• Gücü Elektronik FCL: Güç yarı iletken cihazların gerilim dayanım ve akım taşıma kapasitesi ile sınırlıdır, seri/paralel gerilim ve akım paylaşım kontrolünde zorluklar yaşar, karmaşık bir sistem yapısına sahiptir (ek strüktürde akım sınırlandırma bileşenleri ve hızlı koruma devreleri gerektirir) ve pahalıdır. - Bu Araştırmanın Asıl Amacı
Yukarıdaki sorunları çözmek için, bu çalışma geleneksel elektriksel bileşenler temelinde süperiletken olmayan ve güç elektronik olmayan serili rezonanslı hata akımı sınırlandırıcı çözümünü önermeyi amaçlamaktadır. Özellikle iki topoloji incelenmiştir: - Saturasyonlı Reaktör Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
- ZnO Absorber Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
Bu araştırma, EMTP (Elektromanyetik Geçici Program) simülasyonunu kullanarak onların geçici akım sınırlandırma özelliklerini derinlemesine analiz edecek, karşılaştırma yapacak ve sonunda teknik uygulanabilirlik, ekonomiklik ve işletme güvenilirliğindeki önemli avantajlarını doğrulayacaktır.
II. Saturasyonlu Reaktör Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
- Devre Topolojisi ve Çalışma Prensibi
• Topoloji Yapısı: Çekirdek, saturasyonlu reaktör LB, kondansatör C ve seri reaktör L'den oluşur. LB C ile paralel bağlıdır ve bu kombinasyon L ile seri olarak sisteme bağlanır.
• Çalışma Prensibi:
o Normal İşlem: Hat akımı küçüktür. LB doygunluk bölgesi dışında çalışır (eşdeğer indüktansı LB1 çok büyüktür). Kondansatör C ile paralel bağlantısı endüktif davranır. Seri reaktör L ile birlikte güç frekansında seri rezonans koşulunu sağlar (ωL - 1/ωC ≈ 0). Cihaz çok düşük bir impedansa sahip olup, sistem kaybı en aza indirgenir.
o Hata Durumu: Kısa devre akımındaki ani artış LB'yi hızla doygunlaştırır (eşdeğer indüktansı LB2’ye düşer). Paralel kol, kondansatör C'yi etkili bir şekilde kısa devre eder, böylece rezonans koşulu bozulur. Bu noktada, seri reaktör L ve doygun reaktör LB2 sisteme dahil olup, kısa devre akımını etkili bir şekilde sınırlar.
o Hata Temizliği: Hata temizlendiğinde, akım azalır. LB otomatik olarak doygunluktan çıkar, kondansatör yeniden devreye girer ve devre rezonans durumuna geri döner, dış enerji kaynağı olmadan kendiliğinden tetiklenir.
• Parametre Seçim İlkeleri:
o ω²LB1C >> 1 (Normal işlem sırasında paralel kolun endüktif davranmasını sağlar)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Normal işlem için rezonans koşulunu sağlar)
o ω²LB2C << 1 (Hata sırasında paralel kolun kapasitif davranmasını, kondansatörü etkili bir şekilde kısa devre etmesini sağlar) - Akim-Sinirlama Ozellik Simulasyon Analizi (EMTP)
220kV sistemde (beklenen kısa devre akımı tepe değeri: 110kA) tek faz toprak kısa devre hatası koşulları altında simülasyon yapıldı. Önemli sonuçlar şu şekildedir:
|
Etkileyici Faktör |
Ana Sonuç |
Tipik Simulasyon Verileri (Örnek) |
|
1. Doygun Olmayan İndüktans LB1 |
LB1 artırılması, kondansatör üzerindeki aşırı gerilimi önemli ölçüde azaltır, ancak kısa devre akımına çok az etki eder; etkinin doygunlaşması. |
LB1=1317mH: Kondansatör gerilimi 270kV; LB1=1321mH: Kondansatör gerilimi 157kV (42% azalma) |
|
2. Doygun İndüktans LB2 |
İdeal bir aralık vardır (1-7mH). Çok küçük olması, kısıtlamanın kötü olmasına neden olur; çok büyük olması ise ciddi kondansatör aşırı gerilimine neden olur. |
LB2=7mH (C=507μF, L=20mH): Kısa devre akımı 25kA, Kondansatör gerilimi 157kV |
|
3. C/L Parametre Koordinasyonu |
Kısa devre akımını ve kondansatör aşırı gerilimini birlikte kontrol etmek için ideal bir kombinasyon vardır. |
İdeal kombinasyon (C=406μF, L=25mH): Kısa devre akımı 22kA, Kondansatör gerilimi 142kV |
|
4. Kısa Devre Başlangıç Açısı |
Geçici karakteristikler faz açısına çok duyarlıdır; en ciddi aşırı gerilim 0°/180° de; tasarım en kötü durumu göz önünde bulundurmalıdır. |
0° faz: Kısa devre akımı 18kA, Kondansatör gerilimi 201kV; 90° faz: Kısa devre akımı 22kA, Kondansatör gerilimi 142kV |
III. ZnO Absorber Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
- Devre Topolojisi ve Çalışma Prensibi
• Topoloji Yapısı: Saturasyonlu reaktör LB yerine ZnO absorber kullanılır. Geri kalan yapı (paralel C + seri L) aynı kalır.
• Çalışma Prensibi: Prensip, saturasyonlu reaktör tipiyle aynıdır. Normal işlem sırasında, ZnO yüksek direnç gösterir ve devre rezonans yapar. Hata sırasında, kondansatör geriliminin artması, ZnO'nun iletken olmasını (düşük direnç) sağlar, kondansatörü kısa devre eder ve rezonansı bozar. Seri reaktör L akımı sınırlar. Hata temizlendikten sonra sistem otomatik olarak kurtulur. Tüm süreç, ZnO'nun doğrusal olmayan volt-ampere karakteristiğini kullanarak otomatik anahtarlama yapılır. - Akim-Sinirlama Ozellik Simulasyon Analizi
Aynı sistem koşulları altında yapılan simülasyon, aşağıdaki ana sonuçları vermiştir:
|
Etkileyici Faktör |
Ana Sonuç |
Tipik Simulasyon Verileri (Örnek) |
|
1. Absorber Kalan Gerilimi & C/L Koordinasyonu |
Kondansatör aşırı gerilimini sınırlamak kolaydır, ancak daha düşük kısa devre akımı için L'yi arttırmak, seri reaktör üzerinde aşırı gerilime neden olur. |
C=254μF, L=40mH: Kısa devre akımı 20kA, Reaktör gerilimi 246kV; C=507μF, L=20mH: Kısa devre akımı 35kA, Reaktör gerilimi 173kV |
|
2. Kısa Devre Başlangıç Açısı |
Geçici karakteristikler, kısa devre faz açısına karşı hassas değildir, sadece akım büyüklüğüne etki eder; maksimum akım 90° de. |
90° faz (C=507μF, L=20mH): Kısa devre akımı 35kA; 0° faz: Kısa devre akımı 28kA |
IV. İki FCL Şemasının Kapsamlı Karşılaştırması
|
Karşılaştırma Boyutu |
Saturasyonlu Reaktör Tabanlı FCL |
ZnO Absorber Tabanlı FCL |
|
Ana Avantaj |
Üstün akım sınırlandırma etkisi; parametre optimizasyonu yoluyla kısa devre akımı ve bileşen aşırı gerilimi arasındaki iyi denge sağlanabilir. |
Kondansatör aşırı geriliminin kolayca sınırlandırılabilmesi; geçici karakteristiklerin kısa devre faz açısına duyarlı olmaması; daha basit tasarım. |
|
Ana Sınırlılık |
Çekirdek histeresis karakteristiklerinin ve C/L parametrelerinin hassas optimizasyonu gerektirir; kondansatör aşırı geriliminin kontrolü zordur; kısa devre faz açısına oldukça duyarlıdır. |
Düşük kısa devre akımı için seri reaktör üzerinde belirgin aşırı gerilim sorunu; L değerinin sıkı kontrolü gerekmektedir. |
|
Ana Parametre Gereksinimi |
İdeal eşdeğer doygun indüktans LB2 ≈ kapasitif reaktansın 1/3'ü. |
Seri reaktör indüktans değeri çok büyük olmamalıdır. |
|
Uygulanabilir Senaryo Tercihi |
Yüksek gerilimli şebekelerde (örneğin, 110kV) yüksek akım sınırlandırma performansı gereken orta-düşük gerilim seviyeleri için uygundur. |
Kondansatör aşırı gerilimine hassas olan, orta düzeyde kısa devre akımı sınırlandırma gereksinimleri olan senaryolar için uygundur. |
|
Ortak Özellikler |
1. Basit yapı: Tamamen geleneksel elektrik bileşenlerden oluşur, karmaşık kontrol gerekmez; |
V. Sonuç
Bu çalışma, geleneksel bileşenler temelinde iki yenilikçi serili rezonanslı hata akımı sınırlandırıcı çözümü önererek, geleneksel süperiletken ve güç elektronik FCL'lerin teknik ve ekonomik engellerini başarıyla aşmıştır.
- Saturasyonlu Reaktör FCL: Çekirdek histeresis döngüsü karakteristiklerinin titiz optimizasyonu, doygun indüktans değerinin (LB2) kapasitif reaktansın yaklaşık 1/3'üne ayarlanması ve kondansatör ve seri reaktör parametreleriyle iyi koordinasyon sağlanması, kondansatör aşırı gerilimini etkili bir şekilde baskılayabilir ve mükemmel geçici akım sınırlandırma performansı sağlayabilir. Özellikle 110kV gibi orta-düşük gerilim seviyelerindeki şebeke için uygundur.
- ZnO Absorber FCL: ZnO'nun doğrusal olmayan karakteristiklerini kullanarak kondansatör aşırı gerilimini kolayca sınırlayabilir ve performansı kısa devre faz açısına duyarlı değildir. Ancak, L değerlerinin aşırı olması nedeniyle seri reaktör üzerindeki aşırı gerilim konusuna dikkat edilmelidir. Kondansatör güvenliğine yüksek gereksinimler olan ve ortalama akım sınırlandırma ihtiyaçları olan durumlarda daha uygundur.
