Serisi Rezonanslı Şort Devre Akımı Sınırlayıcı: Geleneksel Bileşenlere Dayalı Ekonomik ve Güvenilir Bir Çözüm

Giriş: Araştırma Arka Planı ve Temel Amaçlar

Kısa Devre Akımı Sorununun Önemi
Elektrik ağı ölçeğinin sürekli genişlemesi ve kapasitesinin artmasıyla birlikte, sistem kısa devre akımı seviyesi hızla artmış, mevcut ekipmanların dayanma sınırlarına yaklaştığı veya hatta aştığı durumlara ulaşılmıştır.
• Veri Desteği: İzleme sonuçları, bazı 500kV, 220kV ve hatta 10kV yerel dağıtım merkezlerinde beklenen kısa devre akımının 100 kA'yi aşmasının belirlendiğini göstermektedir; ana elektrik kaynaklarındaki kısa devre akımının periyodik bileşeni en fazla 300 kA'ya ulaşmaktadır.
• Ciddi Tehlikeler: Çok yüksek kısa devre akımları, uygun yüksek gerilim kesici modellerin eksikliğini, termal ve elektrodinamik kuvvet sınırlarını aşan elektrik ekipmanlarının hasar görmesini, iletişim sistemlerindeki manyetik interferans, toprak potansiyelinin yükselmesi ve adım voltajı gibi güvenlik sorunlarına neden olmaktadır. Bu, elektrik ağının güvenli ve ekonomik gelişimini kısıtlayan kilit teknik engel haline gelmiştir.
Mevcut FCL Teknolojilerinin Sınırlamaları
Güncel popüler arızalı akım sınırlayıcı (FCL) teknolojileri, büyük ölçekli uygulama için içsel dezavantajlara sahiptir:
• Süperiletken FCL: Süperiletken malzemelere bağımlı olan bu teknoloji henüz olgunlaşmamıştır, düşük güvenilirliğe sahiptir, yüksek işletme ve bakım maliyetleri gerektirir ve ekonomik açıdan avantajlı değildir, bu yüzden kısa vadede mühendislik uygulaması zordur.
• Güç Elektronik FCL: Güç yarı iletken cihazlarının gerilim dayanıklılığı ve akım taşıma kapasitesi ile sınırlıdır, seri/paralel gerilim ve akım paylaşım kontrolünde zorluklar yaşar, karmaşık sistem yapısına sahiptir (ek akım sınırlama bileşenleri ve hızlı koruma devreleri gerektirir) ve pahalıdır.
Bu Araştırmanın Temel Amaçları
Yukarıda belirtilen sorunları çözmek için, bu çalışma geleneksel elektrik bileşenlerine dayalı serili rezonanslı arızalı akım sınırlayıcı çözümünü önermektedir, bu çözüm süperiletken veya güç elektronik değildir. Özellikle iki topoloji incelenmiştir:
Saturasyonlı Reaktör Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
ZnO Koruyucu Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
Bu araştırma, EMTP (Elektromanyetik Geçişi Programı) simülasyonunu kullanarak onların geçici akım sınırlama özelliklerini derinlemesine analiz edecek, karşılaştırma yapacak ve sonunda teknik uygulanabilirlik, ekonomiklik ve işletimsel güvenilirlik açısından önemli avantajlarını doğrulayacaktır.

II. Saturasyonlu Reaktör Tabanlı Serili Rezonanslı FCL

Devre Topolojisi ve Çalışma Prensibi
• Topoloji Yapısı: Çekirdek, saturasyonlu reaktör L_B, kondansatör C ve seri reaktör L'den oluşur. L_B paralel olarak C'ye bağlanır ve bu kombinasyon daha sonra L ile seri olarak sisteme bağlanır.
• Çalışma Prensibi:
o Normal İşlem: Hat akımı küçüktür. L_B doygun olmayan bölgede çalışır (ekvivalent indüktansı L_B1 çok büyüktür). Paralel kombinasyonu C ile indüktif davranır. Seri reaktör L ile birlikte güç frekansında seri rezonans koşulunu sağlar (ωL - 1/ωC ≈ 0). Cihaz çok düşük bir impedansa sahiptir, bu da sistem kaybını minimuma indirir.
o Arıza Durumu: Kısa devre akımındaki ani artış L_B'yi (ekvivalent indüktansı L_B2 seviyesine düşer) hızlı bir şekilde doygunlaştırır. Paralel kol, kondansatörü etkili bir şekilde short-circuit ederek rezonans koşulunu bozar. Bu noktada, seri reaktör L ve doygun reaktör L_B2 sisteme dahil olur, kısa devre akımını etkili bir şekilde sınırlar.
o Arıza Giderilmesi: Arıza giderildikten sonra akım azalır. L_B otomatik olarak doyumdan çıkar, kondansatör yeniden devreye girer ve devre rezonans durumuna döner, dış bir güç kaynağı olmadan kendiliğinden tetiklenir.
• Parametre Seçimi İlkeleri:
o ω²L_B1C >> 1 (Normal işlem sırasında paralel kolun indüktif davranmasını sağlar)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Normal işlem için rezonans koşulunu sağlar)
o ω²L_B2C << 1 (Arıza sırasında paralel kolun kapasitif davranmasını, kondansatörü etkili bir şekilde short-circuit etmesini sağlar)
Akımlı Sınırlama Özellik Simülasyon Analizi (EMTP)
Simülasyon, 220kV sisteminde (beklenen kısa devre akım tepe değeri: 110kA) tek faz toprak kısa devre arızası koşulu altında gerçekleştirilmiştir. Ana sonuçlar aşağıdaki gibidir:

Etkileyen Faktör	Temel Sonuç	Tıpkı Benzeri Simülasyon Verileri (Örnek)
1. Doyumsuz Indüktans L_B1	L_B1'nin artırılması, kondansatörün aşırı gerilimini önemli ölçüde azaltır, ancak kısa devre akımına küçük bir etkisi vardır; etkinin doyduğu görülür.	L_B1=1317mH: Kondansatör gerilimi 270kV; L_B1=1321mH: Kondansatör gerilimi 157kV (42% azalma)
2. Doygun Indüktans L_B2	İdeal bir aralık vardır (1-7mH). Çok küçük olması limitasyonu kötüleştirir, çok büyük olması ise kondansatör üzerinde aşırı gerilime neden olur.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): Kısa devre akımı 25kA, Kondansatör gerilimi 157kV
3. C/L Parametre Koordinasyonu	Kısa devre akımını ve kondansatör aşırı gerilimini eşgüdümlü bir şekilde 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	Geçişi karakteristikleri faz açısına çok duyarlıdır; en ciddi aşırı gerilim 0°/180° faz açılarında ortaya çıkar; 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 Koruyucu Tabanlı Serili Rezonanslı FCL

Devre Topolojisi ve Çalışma Prensibi
• Topoloji Yapısı: Saturasyonlu reaktör L_B yerine ZnO koruyucu 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. Arıza sırasında, kondansatör geriliminin artması ZnO'yu iletken hale getirir (düşük direnç), kondansatörü short-circuit ederek rezonansı bozar. Seri reaktör L akımı sınırlar. Arıza giderildikten sonra sistem otomatik olarak kurtulur. Tüm süreç, ZnO'nun otomatik anahtarlama için doğrusal olmayan volt-amper karakteristiğini kullanır.
Akımlı Sınırlama Özellik Simülasyon Analizi
Aynı sistem koşulları altında yapılan simülasyon, ana sonuçları vermiştir:

Etkileyen Faktör	Temel Sonuç	Tıpkı Benzeri Simülasyon Verileri (Örnek)
1. Koruyucu Kalan Gerilim & C/L Koordinasyonu	Kondansatör aşırı gerilimini sınırlamak kolaydır, ancak daha düşük kısa devre akımı elde etmek için L'yi artırmak, 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	Geçişi karakteristikleri kısa devre faz açısına duyarlı değildir, sadece akım büyüklüğünü etkiler; maksimum akım 90° faz açısındadır.	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 Koruyucu Tabanlı FCL
Temel Avantaj	Üstün akım sınırlama etkisi; parametre optimizasyonu aracılığıyla kısa devre akımı ve ekipman aşırı gerilimi arasında iyi bir denge sağlanabilir.	Kondansatör aşırı gerilimini kolayca sınırlama; geçiş karakteristikleri kısa devre faz açısına duyarlı değildir; daha basit tasarım.
Temel Sınırlama	Çekirdek histeresis karakteristiklerinin ve C/L parametrelerinin hassas optimizasyonunu gerektirir; kondansatör aşırı gerilimini kontrol etmesi zordur; kısa devre faz açısına oldukça duyarlıdır.	Düşük kısa devre akımı hedeflendiğinde seri reaktör üzerinde aşırı gerilim sorunu belirgin olur; L değerinin sıkı bir şekilde kontrol edilmesi gerekir.
Ana Parametre Gereksinimi	Optimal eşdeğer doygun indüktans L_B2 yaklaşık kapasitif reaktansın 1/3'ü olmalıdır.	Seri reaktörün indüktans değeri çok büyük olmamalıdır.
Uygulanabilir Senaryo Tercihi	Yüksek gerilim ağlarında (örneğin 110kV) yüksek akım sınırlama performansı gereken orta-düşük gerilim seviyeleri için uygundur.	Kondansatör aşırı gerilimine hassas senaryolarda, ortalama kısa devre akımı sınırlama gereksinimleri için uygundur.
Ortak Özellikler	1. Basit yapı: Tamamen geleneksel elektrik bileşenlerden oluşur, karmaşık kontrol gerektirmez; 2. İyi ekonomi: Süperiletken ve güç elektronik tiplerden çok daha düşük maliyetlidir; 3. Yüksek güvenilirlik: Fiziksel özelliklere dayalı otomatik işlem, dış kontrol gerektirmez; 4. Otomatik anahtarlama: Arıza giderildikten sonra anında kurtulur.

V. Sonuç

Bu çalışma, geleneksel bileşenlere dayalı iki yenilikçi serili rezonanslı arızalı akım sınırlayıcı çözümü önermektedir ve geleneksel süperiletken ve güç elektronik FCL'lerin teknik ve ekonomik engellerini başarıyla aşmıştır.

Saturasyonlu Reaktör FCL: Çekirdek histeresis döngüsü karakteristiklerinin titiz bir şekilde optimize edilmesi, doygun indüktans değeri (L_B2) kapasitif reaktansın yaklaşık 1/3'üne ayarlanması ve kondansatör ve seri reaktör parametreleriyle iyi bir koordinasyon sağlanması, kondansatör aşırı gerilimini etkili bir şekilde baskılayabilir ve mükemmel geçici akım sınırlama performansı sağlayabilir. Özellikle 110kV gibi orta-düşük gerilim seviyeli ağlar için uygundur.
ZnO Koruyucu FCL: ZnO'nun doğrusal olmayan karakteristiklerini kullanarak kondansatör aşırı gerilimini kolayca sınırlar ve kısa devre faz açısına duyarlı değildir. Ancak, L değerlerinin aşırı olması nedeniyle seri reaktör üzerinde aşırı gerilim oluşmasına dikkat edilmelidir. Kondansatör güvenliği için yüksek gereksinimler ve ortalama akım sınırlama ihtiyaçları olan durumlar için daha uygundur.

08/26/2025