Seri 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 şebekesinin sürekli genişlemesi ve kapasitesinin artmasıyla birlikte, sistem kısa devre akım seviyesi keskin bir şekilde yükselmekte, mevcut ekipmanların dayanıklılık sınırlarına yaklaşmış hatta aşmıştır.
• Veri Desteği: İzleme sonuçları, bazı 500kV, 220kV ve hatta 10kV trafo merkezlerinde beklenen kısa devre akımının 100 kA'yi aştığını göstermektedir; ana elektrik kaynaklarındaki kısa devre akımının periyodik bileşeni 300 kA'ya ulaşmaktadır.
• Ciddi Tehlikeler: Çok yüksek kısa devre akımları, uygun yüksek gerilimli devre kesicilerin eksikliği, termal ve elektrodinamik kuvvet sınırlarının aşılması sonucu elektrik ekipmanlarının hasar görmesi, iletişim sistemlerindeki manyetik interferans, zemin potansiyelinin yükselmesi ve adım voltajı gibi güvenlik sorunlarına yol açmaktadır. Bu, şebekeyi güvenli ve ekonomik olarak geliştirmeyi kısıtlayan önemli teknik bir engeldir. - Mevcut FCL Teknolojilerinin Sınırlamaları
Mevcut ana akım hatası akımı sınırlayıcı (FCL) teknolojileri, büyük ölçekli uygulamayı zorlaştıran doğal dezavantajlara sahiptir:
• Süperiletken FCL: Süperiletken malzemelerine dayanan, henüz olgunlaşmamış, düşük güvenilirliğe sahip, yüksek işletme ve bakım maliyetleri gerektiren, ekonomik açıdan avantajlı olmayan, kısa ve orta vadede mühendislik uygulamasını önleyen bir teknolojidir.
• 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 bir sistem yapısına sahiptir (ek akım sınırlama bileşenleri ve hızlı koruma devreleri gerektirir) ve pahalıdır. - Bu Araştırmanın Temel Amaçları
Yukarıdaki sorunları çözmek için bu çalışma, geleneksel elektrik bileşenlerine dayalı, süperiletken olmayan ve güç elektronik olmayan serili rezonanslı hata akımı sınırlayıcı çözümünü önermeyi amaçlamaktadır. Özellikle iki topoloji incelenmiştir: - Saturasyonlı Reaktör Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
- ZnO Absorber Tabanlı Serili Rezonanslı FCL
Bu araştırma, EMTP (Elektromanyetik Geçişi Programı) simülasyonunu kullanarak onların geçici akım sınırlama özelliklerini derinlemesine analiz edecek, karşılaştırma yapacak ve nihayetinde teknik uygulanabilirlik, ekonomi ve operasyonel güvenilirlik açısından 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 paralel olarak C ile bağlanır ve bu kombinasyon daha sonra L ile seri olarak sisteme bağlanır.
• Çalışma Prensibi:
o Normal İşlem: Hat akımı küçüktür. LB doygun olmayan bölgede çalışır (ekvivalent endüktansı LB1 çok büyüktür). Paralel kombinasyonu C ile indüktif davranır. Seri reaktör L ile birlikte güç frekansında seri rezonans koşulunu (ωL - 1/ωC ≈ 0) sağlar. Cihaz çok düşük bir empedans sunar, bu da sistem kaybını minimuma indirir.
o Hata Durumu: Kısa devre akımındaki ani artış LB'yi (ekvivalent endüktansı LB2’ye düşer) hızla doygunlaştırır. Paralel dal, kondansatör C'yi etkili bir şekilde kısa devre ederek rezonans koşulunu bozar. Bu noktada, seri reaktör L ve doygun reaktör LB2 sisteme dahil olur, kısa devre akımını etkili bir şekilde sınırlar.
o Hata Temizleme: Hatanın temizlendiği sırada, akım azalır. LB otomatik olarak doyumdan çıkar, kondansatör yeniden devrede yer alır ve devre rezonans haline geri döner, dış bir güç kaynağı olmadan kendiliğinden tetiklenir.
• Parametre Seçimi İlkeleri:
o ω²LB1C >> 1 (Normal işlem sırasında paralel dalın indüktif davranışını sağlar)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Normal işlem için rezonans koşulunu sağlar)
o ω²LB2C << 1 (Hata sırasında paralel dalın kapasitif davranışını, kondansatörü etkili bir şekilde kısa devre etmesini sağlar) - Akım Sınırlama Özellik Simülasyon Analizi (EMTP)
220kV sistemde (beklenen kısa devre akım zirvesi: 110kA) tek faz toprak hatası durumunda simülasyon yapılmıştır. Ana sonuçlar aşağıdaki gibidir:
|
Etkileyen Faktör |
Ana Sonuç |
Tipik Simülasyon Verileri (Örnek) |
|
1. Doyumsuz Endüktans LB1 |
LB1'in artırılması, kondansatör üzerindeki aşırı gerilimi önemli ölçüde azaltır, ancak kısa devre akımına pek etkisi yoktur; etki doygunlaşır. |
LB1=1317mH: Kondansatör gerilimi 270kV; LB1=1321mH: Kondansatör gerilimi 157kV (42% azalma) |
|
2. Doyumlu Endüktans LB2 |
Optimal bir aralık vardır (1-7mH). Çok küçük olması sınırlama performansını azaltırken, çok büyük olması kondansatör üzerinde aşırı gerilime 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 üzerindeki aşırı gerilimi kooperatif olarak kontrol etmek için optimal bir kombinasyon vardır. |
Optimal kombinasyon (C=406μF, L=25mH): Kısa devre akımı 22kA, Kondansatör gerilimi 142kV |
|
4. Kısa Devre Başlangıç Açısı |
Geçişi karakteristikleri faz açısına oldukça duyarlıdır; en ciddi aşırı gerilim 0°/180° de görülür; 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. Kalan yapı (paralel C + seri L) değişmez.
• Çalışma Prensibi: Prensip, saturasyonlu reaktör tipiyle aynıdır. Normal işlem sırasında, ZnO yüksek direnç gösterir ve devre rezonans eder. Hata sırasında, kondansatör geriliminin artması ZnO'yu iletken yapar (düşük direnç gösterir), kondansatörü kısa devre eder ve rezonansı bozar. Seri reaktör L akımı sınırlar. Hatanın temizlendiği sırada sistem otomatik olarak kurtulur. Tüm süreç, ZnO'nun doğrusal olmayan volt-amper karakteristiğini kullanarak otomatik anahtarlama sağlanır. - Akım Sınırlama Özellik Simülasyon Analizi
Aynı sistem koşullarında yapılan simülasyon, ana sonuçları aşağıdaki gibi vermiştir:
|
Etkileyen Faktör |
Ana Sonuç |
Tipik Simülasyon Verileri (Örnek) |
|
1. Absorber Kalıntı Gerilimi & C/L Koordinasyonu |
Kondansatör üzerindeki aşırı gerilimi sınırlamak kolaydır, ancak L'yi arttırmak ve daha düşük kısa devre akımı elde etmek, 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° de görülür. |
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 |
|
Temel Avantaj |
Üstün akım sınırlama etkisi; parametre optimizasyonu yoluyla kısa devre akımı ve bileşen aşırı gerilimi arasında iyi bir denge sağlanabilir. |
Kondansatör üzerindeki aşırı gerilimi kolayca sınırlama; geçiş karakteristikleri kısa devre faz açısına duyarlı değildir; daha basit tasarım. |
|
Temel Sınırlama |
Çekirdek histeresis karakteristiklerinin ve C/L parametrelerinin hassas optimizasyonu gereklidir; kondansatör üzerindeki aşırı gerilimi kontrol etmek zordur; kısa devre faz açısı tarafından önemli ölçüde etkilenebilir. |
Düşük kısa devre akımı hedeflenirken seri reaktör üzerinde belirgin bir aşırı gerilim sorunu; L değeri sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir. |
|
Ana Parametre Gereksinimi |
Optimal eşdeğer doyumlu endüktans LB2 yaklaşık 1/3 kapasitif reaktans olmalıdır. |
Seri reaktör endüktans değeri çok büyük olmamalıdır. |
|
Uygulanabilir Senaryo Tercihi |
Yüksek akım sınırlama performansı gereken yüksek gerilimli şebekelerde (örneğin 110kV) orta-düşük gerilim seviyeleri için uygundur. |
Kondansatör üzerindeki aşırı gerilime hassas olan ve ortalama kısa devre akımı sınırlama gereksinimleri olan senaryolar için uygundur. |
|
Ortak Özellikler |
1. Basit yapı: Tamamen geleneksel elektrik bileşenlerden oluşur, karmaşık kontrol gerekmemektedir; |
V. Sonuç
Bu çalışma, geleneksel bileşenlere dayalı iki yenilikçi serili rezonanslı hata akımı sınırlayıcı çözümü önererek, geleneksel süperiletken ve güç elektronik FCL'lerin teknik ve ekonomik engellerini başarıyla aşmıştır.
- Saturasyonlu Reaktör FCL: Çekirdek histeresis döngüsü karakteristiklerinin titiz optimizasyonu, doyumlu endüktans değerinin (LB2) kapasitif reaktansın yaklaşık 1/3'üne ayarlanması ve kondansatör ve seri reaktör parametreleriyle iyi bir koordinasyon sağlanması, kondansatör üzerindeki aşırı gerilimi etkili bir şekilde bastırır ve mükemmel geçici akım sınırlama performansı sağlar. Özellikle 110kV gibi orta-düşük gerilim seviyesindeki şebeke için uygundur.
- ZnO Absorber FCL: ZnO'nun doğrusal olmayan karakteristiklerini kullanarak kondansatör üzerindeki aşırı gerilimi kolayca sınırlar ve kısa devre faz açısına duyarlı değildir. Ancak, L değerlerinin aşırı olması nedeniyle seri reaktör üzerinde aşırı gerilim oluşmasını önlemek gerekir. Kondansatör güvenliğine yüksek gereksinimli ve ortalama akım sınırlama ihtiyaçları olan durumlarda daha uygundur.
