Kısa devre arıza akımı sınırlayıcıları düşük, orta, yüksek ve ekstra yüksek gerilim sistemlerinde kullanılmak üzere birçok çeşitte bulunmaktadır. Geleneksel seri reaktör sınırlayıcı gibi bazı sınırlayıcılar uzun yıllardır hizmet vermektedir. Katı hal sınırlayıcılarının ve süper iletken gibi diğer teknolojilerin, önemli araştırma ve geliştirme aşamaları neredeyse tamamlamış, yakında ticari uygulamalarda kullanılmaya başlanması beklenmektedir.
Kısa devre arıza akımını sınırlayarak bir şalt cihazının gereksiz yere değiştirilmesinden nasıl kaçınılır (fotoğrafta: 35kV, 110kV, 220kV, 330kV ve elektrik şebekelerinde kısa devre akımlarını sınırlamakiçin tasarlanmış, doğal hava soğutmalı kuru tip akım sınırlayıcı reaktör ve 500kV ve arıza durumunda gerilim seviyesini koruyun; fotoğraf: SVEL)
Arıza akımı sınırlayıcıları, aksi takdirde gereksiz anahtarlama tertibatının değiştirilmesini önlemenin ana faydalarının yanı sıra, kısa devre arızaları sırasında ekipman üzerindeki streslerin azaltılmasından kaynaklanan ek faydalar sağlar. Bir dizi ekonomik fayda, geçiş akımını sınırlayarak artan enerji santrali ömrünü, ekipmanın daha düşük termal, mekanik ve elektrodinamik streslerini, birkaç transformatörün paralel çalışmasına izin vererek iyileştirilmiş ağ kapasitesini ve muhtemelen daha az yedek parça ihtiyacını içerir.
Enerji talebi arttıkça ve rüzgar ve güneş gibi daha fazla dağıtılmış üretim ve temiz enerji kaynakları zaten aşırı yüklenmiş bir sisteme eklendikçe, artan sistem arıza akımı seviyeleri tarafından arıza akımı sınırlayıcılarına (FCL'ler) duyulan ihtiyaç artıyor.
(!) Arıza akımını azaltmak için şu anda patlayıcı arıza sınırlayıcı sigortalar kullanılmaktadır, ancak bunlar üflendikten sonra değiştirilmelidir ve yalnızca 35 kV'un altındaki gerilimler için uygundur. Seri reaktörler de, hacimli olmalarına, sabit olan önemli reaktif kayıplara sahip olmalarına ve şebeke gerilimini düşürmelerine rağmen kullanılır. Bu sorunlar, arıza akımı sınırlayıcıları (FCL'ler) tarafından çözülür.
Ek olarak, arıza akımı seviyeleri yükseldiğinde, daha büyük ve sıklıkla daha pahalı yüksek empedanslı transformatörler gereklidir. FCL'ler, bu transformatörlerin aksine, normal olarak çok az empedansla veya hiç empedans olmadan çalışır ve daha kararlı bir sistemle sonuçlanır.
Bu teknik makalede, yerleşik ve ortaya çıkan arıza akımı sınırlayıcı teknolojilerini ve örneklerini kısaca açıklıyoruz.
İçindekiler:
- Trafo nötrüne bağlı topraklama direnci veya reaktör
- Piroteknik tabanlı arıza akımı sınırlayıcıları
- Kalıcı olarak yerleştirilmiş akım sınırlayıcı seri reaktör
- Baypas anahtarı kullanan seri rezonans akım sınırlayıcıları
- Manyetik olarak bağlanmış devreler kullanan sınırlayıcılar
- Doygun reaktör sınırlayıcıları
- Pasif sönümlü rezonans sınırlayıcı
- Güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal sınırlayıcıları
- Süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları
- İdeal arıza akımı sınırlayıcısı
- Arıza akımı sınırlayıcılarının uygulamaları
1. Trafo nötrüne bağlı topraklama direnci veya reaktörü
Toprak arıza akımlarını, yani tek fazlı ve iki fazlı toprağa sınırlamak için bir transformatör yıldız bağlantılı sargının nötrüne bir topraklama direnci (NER) veya reaktör bağlanabilir. Genellikle, nötr topraklama reaktörleri, 400-132 kV şebekeleri ve 380 kV/365 kV ila 110 kV şebekeleri bağlayanlar gibi ototransformatörlerde kullanılır.
Nötr topraklama dirençleri genellikle, 132 kV/11 kV'luk bir transformatörün yıldız bağlantılı sargısının 11 kV nötründe olduğu gibi, dağıtım transformatörlerinin düşük gerilim sargısının nötrüne bağlanır.
(!) Bu yöntemin ana faydası, trafonun alçak gerilim trafo merkezi tarafındaki bir arıza sırasında tek fazdan toprağa kısa devre akımını azaltmaktır.
Mevcut transformatörlerle kullanım için topraklama reaktörünün omik değeri genellikle kısa devre akımını sınırlamak için reaktansı mümkün olduğunca artırma isteği ile transformatör nötr noktasındaki gerilimi sargının yalıtım seviyesi dahilinde sınırlama ihtiyacı arasında bir uzlaşmadır.
Şekil 1 - Nötr topraklama direnci (NER)
Uygulamaya ve şebekeye bağlı olarak, nötr topraklama için aşağıdakileri içeren çeşitli yöntemler mevcuttur:
1.1 Yüksek veya alçak dirençli topraklama
Sürekli proses endüstrileri gibi bir arıza meydana geldikten sonra bile çalışmaya devam etmesi gereken ticari sistemlerde yüksek dirençli topraklama kullanılır. Devre kesicilerin tetiklenmesini önlemek için NER'ler genellikle akımı 10 Amper veya daha düşük bir değerle sınırlar. Bir arıza meydana geldiğinde, koruma mekanizmaları devreye girerek sistemin sorunu hızlı bir şekilde tespit edip düzeltmesini veya güvenli bir şekilde kapanmasını sağlar.
Bu noktada ehrhangi bir hasar olmaz.
(!) Çok fazla sermaye ekipmanı olduğunda ve şebeke kesintilerinin büyük bir finansal etkisi olduğunda, büyük OG/YG elektrik şebekelerinde düşük dirençli topraklama kullanılır. Tipik olarak, bu NER'lerden yalnızca 200A ila 2500A arıza akımı geçebilir. İzin verilen akım seviyesi güvenlik ekipmanını çalıştırmak için yeterlidir ancak arızanın yakınındaki alana ciddi zarar vermek için yeterli değildir.
1.2 Katı Topraklama
Katı topraklı topraklama NER'leri tipik olarak 600V veya daha düşük AG uygulamalarında kullanılır ve nötr noktayı toprağa bağlar. Bu sistemler geçici aşırı gerilim sorununu azaltır ancak bir arıza olayı sırasında arıza akımını sınırlamaz.
2. Piroteknik tabanlı arıza akımı sınırlayıcıları
'IS-sınırlayıcı’ olarak da bilinen bu arıza akımı sınırlayıcıları, 210 kA simetrik rms'ye kadar kesme akımları ile 40,5 kV'a kadar nominal gerilimlerde alçak ve orta gerilim sistemlerinde ve endüstriyel güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
IS-sınırlayıcısı Şekil 2'de gösterildiği gibi iki paralel iletkenden oluşan bir cihazdır. Birincisi, normal arızasız sistem çalışma koşulları altında yük akımını taşıyan ana iletkendir. İkincisi, ilk akımın yükselmesinde kısa devre akımını sınırlayan ve bir sonraki akım sıfırında kesen yüksek kesme kapasitesine sahip paralel bir sigortadır.
Şekil 2 - IS-sınırlayıcısının yerleştirilmesi ve yerleştirme tutucusu
Şekil 3, iki arıza akımı kaynağının 31,5 kA'e eşit bir rms akımı ve 80 kA'lik bir başlangıç tepe asimetrik akımı veren 1,8'e eşit bir tepe faktörü ile karakterize edildiği IS-sınırlayıcısı çalışmasının etkisini göstermektedir.
IS-sınırlayıcısı, ana iletkeni açan ve kısa devre akımını sigortaya yönlendiren küçük bir yük tarafından etkinleştirilir. IS-sınırlayıcısı üzerinden geçen normal anlık akım, elektronik bir ölçüm ve açma devresi tarafından izlenir. Hem akım hem de yükselme hızı sürekli olarak değerlendirilir ve seçilen ayar noktalarıyla karşılaştırılır.
Her iki ayar noktasına aynı anda ulaşılırsa, IS-sınırlayıcısı açılır ve akım kesintisine kadar toplam çalışma süresi 5-10 ms'dir. Bir işlemden sonra, IS-sınırlayıcısı ek parçasının (faz başına bir birim), yani ana iletkenin, paralel sigortanın ve şarjın değiştirilmesi gerekir.
(!) Bu sınırlayıcılar, trafo merkezi baralarını birleştirmek, iki ayrı alt sistemi bağlamak, jeneratör fiderlerine seri olarak veya bir akım sınırlayıcı reaktörle paralel olarak bağlamak gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilir.
Şekil 3'te gösterildiği gibi, akım genellikle yarım döngü asimetrik tepe noktasına ulaşılmadan önce sınırlandırılıp kesildiğinden, IS-sınırlayıcısının akımı bu ilk yarım döngü tepe akımına katkıda bulunmayacaktır.
Şekil 3 - IS-sınırlayıcısının performansı
3. Kalıcı olarak yerleştirilmiş akım sınırlayıcı seri reaktör
Kısa devre akım sınırlayıcı seri reaktörler, güç sistemlerinde neredeyse tüm gerilim seviyelerinde yıllardır kullanılmaktadır. Akım yoluna bir kaçak empedans ekleyerek arıza akımını sınırlarlar.
Sisteme kalıcı olarak yerleştirildikleri için, yani normal arızasız sistem koşulları altında, çeşitli dezavantajlara sahiptirler. Bunlar şunlardır:
- gerilim düşüşüne neden olabilirler,
- aktif ve reaktif güç kayıplarına sahip olabilirler,
- enterkonnekte şebekelerde güç akışının optimum dağılımını olumsuz etkileyebilirler,
- güç sistemlerinin geçici ve dinamik kararlılık performansını da olumsuz etkileyebilirler.
4. Baypas anahtarı kullanan seri rezonans akım sınırlayıcıları
Tek reaktör bileşeninin kullanıldığı bara bağlantısı uygulamalarında aktif ve reaktif güç kayıplarını ortadan kaldırmak için bir alternatif, güç frekansı ayarlı rezonans seri indüktör ve kondansatör kombinasyonu kullanmaktır. Bu kombinasyon normal çalışma koşulları altında sıfır empedansa sahiptir.
Arıza akımını sınırlamak için kapasitör elemanı hızlı kapanan bir bypass anahtarı kullanılarak kısa devre edilir. Bu yaklaşımın bir varyantı, devre orta noktasında tek bir köprüleme anahtarının çalışmasıyla seri olarak iki paralel ayarlı eleman oluşturmak için ayarlı indüktörlerin ve kapasitörlerin seri/paralel bir düzenlemesini kullanmaktır.
İki devrede Şekil 4’te gösterilmiştir.
(!!!) Bu devrelerin dezavantajlarından bazıları, hat potansiyelinde bir dizi büyük bileşenin monte edilmesi ve turbo jeneratör şaftlarına zarar verebilecek senkron altı rezonans riskinin bulunmasıdır. İkinci devrede, tüm endüktif ve kapasitif reaktanslar eşit olarak seçilirse, empedans sıfırdan neredeyse sonsuz bir değere geçer ve bu çok çekici olsa da, aşağı akış koruması üzerindeki önemli olumsuz etkisi nedeniyle pratik olmayabilir.
Ayrıca, çok büyük bir geçici akım görevinden kaçınmak için kısa devre anahtarının kondansatör boyunca sıfır gerilim yakınında kapanması gerekebilir.
Şekil 4 - İki tasarımda bir baypas anahtarı kullanan seri rezonans arıza akımı sınırlayıcıları
5. Manyetik olarak bağlanmış devreler kullanan sınırlayıcılar
Şekil 5 ve 6 manyetik olarak bağlanmış devrelerin iki konfigürasyonunu göstermektedir. Eşit sayıda sarıma sahip bir birincil ve bir ikincil olmak üzere iki sargı gösterilmektedir. İki sargı, içlerinden aynı akım geçecek ve birincil sargı MMF'si ikincil sargınınkini dengeleyecek şekilde bağlanmıştır.
Normal veya arızasız çalışma sırasında, birincil sargının öz endüktansı boyunca indüklenen gerilim, ikincil sargıda akan akım nedeniyle aynı birincil sargıda indüklenen gerilim tarafından iptal edilir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu nedenle, her bir sargıdaki net gerilim sıfırdır.
(!) İki sargı arasında yakın karşılıklı bağlantı ve yüksek gerilimlerin söz konusu olduğu yerlerde güvenli açıklıklar gerektiğinden, bir demir çekirdek gerekli olacaktır. Cihaz dirençsel kayıplara neden olacaktır. Normal arızasız çalışma altında, ikincil MMF birincil MMF'yi iptal ettiğinden, bu sınırlayıcı akı iptal edici sınırlayıcı olarak adlandırılır.
Kısa devre akımının başlangıcını tespit etmek ve cihazı sınırlama moduna geçirmek için bir algılama ve kontrol devresi gereklidir.
5.1 Ters sekonder sargı baypaslı akı iptal sınırlayıcısı
Şekil 5’te gösterilmiştir.
Harici bir kısa devre arızası oluştuğunda, iki sargı arasındaki bağlantı normalde açık olan anahtarın hemen kapatılması ve normalde kapalı olan anahtarın açılmasıyla kesilir. Bu, sekonder sargıyı etkin bir şekilde açık devre yapar ve primer sargının kısa devre akımını sınırlamak için hareket eden bir ZR empedansına sahip bir seri reaktör olarak görünmesine neden olur.
Şekil 5 - Manyetik olarak bağlanmış devreler kullanan arıza akımı sınırlayıcıları: ters sekonder sargı baypaslı akı iptal edici sınırlayıcısı
Anahtarların hareketleri, devrenin açık devre sekonder sargılı 1:1 transformatör olarak görünmesini sağlar. Normalde kapalı anahtarın gerilim değeri, kısa devre koşulları altında birincil sargı üzerindeki gerilime eşittir.
Bu anahtar sadece normal yük akımını taşır. Normalde açık anahtarın akım değeri sınırlı kısa devre akımına eşittir ve arızasız sistem koşullarında bu anahtar üzerindeki gerilim sıfırdır çünkü sekonder sargı üzerindeki gerilime eşittir.
5.2 Seri bağlantıya yeniden ters paralel bağlantı ile akı iptal sınırlayıcısı
Bu durum Şekil 6'da gösterilmektedir. Harici bir kısa devre arızası meydana geldiğinde, sekonder sargının yönü tersine döner, böylece indüklenen gerilim her sargının öz endüktansı boyunca gerilimi çıkarmak yerine ekler ve dolayısıyla şebeke ile seri olarak etkin empedansı iki katına çıkarır.
Normalde açık olan anahtarlar sınırlı kısa devre akımını taşırken, normalde kapalı olan anahtarlar yük akımını taşır.
Şekil 6 - Manyetik olarak bağlanmış devreler kullanan arıza akımı sınırlayıcıları: sekonder sargı polarite değişimli akı iptal edici sınırlayıcısı
6. Doygun reaktör sınırlayıcıları
Doygun reaktörler doğrusal olmayan bir gerilim-akım karakteristiğine sahiptir, böylece reaktör üzerindeki gerilim belirli bir eşiğin üzerine çıktığında çekirdek doygunluğu nedeniyle reaktör akımı orantısız bir şekilde artar. Sonuç olarak, etkin empedansı doygunluk olmadan bu sınırın altına düşer.
Şekil 7, bir demir nüve üzerine ortogonal olarak sarılmış bir DC ve bir AC sargıya sahip bir doyurulabilir reaktörü göstermektedir.
(!) Doygunluk miktarı, DC kontrol sargısına değişken bir DC akımı enjekte edilerek kontrol edilir. Nüve doygunluğu haricinde, ana AC sargısındaki akım DC kontrol sargısındaki akımdan etkilenmez. İki sargı ortogonal olduğundan, aralarındaki karşılıklı kuplaj ihmal edilebilir düzeydedir.
Cihaz normal arızasız sistem koşulları altında doygunluk bölgesinde çalışır; kısa devre akımının başlamasıyla hızla doygunluktan çıkarılmalıdır. Bu sınırlayıcı tarafından sunulan empedans artışı genellikle küçüktür ve kayda değer akım sınırlaması gerekiyorsa yeterli olmayabilir.
Ana sargıya bir DC akımı enjekte edilerek doygunluğun elde edildiği geleneksel bir seri demir çekirdekli doyurulabilir reaktör de kullanılabilir.
Şekil 7 - DC kontrol sargılı ortogonal sargılı doyurulabilir reaktör arıza akımı sınırlayıcısı
7. Pasif sönümlü rezonans sınırlayıcısı
Şekil 8, sadece pasif bileşenler kullanan üç fazlı sönümlü rezonans sınırlayıcı devresinin bir fazını göstermektedir. Sınırlayıcı, birincil sargısı sisteme seri olarak bağlanmış bir izolasyon transformatöründen ve ikincil sargısı boyunca bir kondansatörden oluşur. Doğrusal olmayan bir direnç, örneğin bir varistör veya hızlı kapanan bir tetiklemeli anahtar, kapasitöre paralel olarak bağlanır ve sönümlü ayarlı bir filtre varistöre paralel olarak bağlanır.
Normal arızasız sistem koşullarında, sekonder devre 50 Hz'de bir kondansatör olarak görünür ve transformatörün primerine aktarıldığında transformatörün kaçak reaktansına eşit olur ve dolayısıyla onu iptal eder. Bu nedenle, 50 Hz'de sınırlayıcı, transformatörün direnci dışında bir kısa devre olarak görünür.
Güç sisteminde bir kısa devre arızası meydana geldiğinde, transformatörün birincil sargısında akan akımdaki artış, ikincil sargının akımında buna karşılık gelen bir artışa neden olur. Sekonder sargı empedansı boyunca gerilimdeki artış, varistörün veya anahtarın iletime geçmesine ve kondansatörün kısa devre yapmasına neden olur.
(!) Böylece, primer devrede kalan etkin empedans transformatörün kaçak empedansıdır ve bu da arıza akımını istenen değerle sınırlamaya yarar. Sekonderi kısa devre etmek ve varistör üzerindeki enerji emme görevini azaltmak için varistör veya anahtara paralel bir devre kesici kullanılabilir. Açıklanan arıza akımı sınırlaması XL1, R, XL2 ve XC2'yi içeren devre olmadan da elde edilebilir.
Bununla birlikte, iletim sistemlerindeki seri kapasitörlerle, senkron altı rezonans fenomeni meydana gelmiş ve turbo jeneratör şaftlarında hasara neden olmuştur.
Şekil 8 - Pasif sönümlü rezonans arıza akımı sınırlayıcısı
Dolayısıyla, bu devrenin amacı alt senkron frekanslarda sönümleme sağlamaktır. Devre bir XL1 reaktansı ve XL2 ve XC2'si güç frekansına (50 veya 60 Hz) ayarlanmış bir 'C' filtresinden oluşur, böylece sönümleme direnci R bu frekansta kısa devre olur.
XL1 kullanılır çünkü filtre ana kondansatör XC1'in kısa devre olmasını önlemek için bu kondansatörün karşısına bağlanamaz. XL1'in değeri, güç frekansında XL1 ve XC1'in paralel kombinasyonu, değeri seri transformatörün kaçak reaktansına eşit olan bir kapasitif reaktans olarak görünecek şekilde seçilir.
Özetle, sınırlayıcı normal arızasız sistem çalışması altında ihmal edilebilir bir empedansa ve kısa devre koşulları altında transformatörün kaçak reaktansına eşit bir arıza sınırlama reaktansına sahiptir. Alt senkron rezonans riskini azaltmak için bir sönümleme devresi dahil edilmiştir. Bu sınırlayıcının kısa devre çalışmalarında bir kaçak empedans olarak modellenmesi basittir.
8. Güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal sınırlayıcıları
8.1 Tristör korumalı seri sığaç kullanan seri rezonans sınırlayıcı
Şekil 9, tristör korumalı seri sığaç adı verilen esnek bir AC iletim sistemi seri kompanzasyon cihazına dayanan bu tür bir sınırlayıcıyı göstermektedir. Sığaca paralel olarak anti-paralel tristörlerden oluşan bir güç elektroniği anahtarı bulunur. Normal arızasız sistem çalışması altında, tristör anahtarları akım iletmez ve seri endüktans ve kapasitans güç frekansında ayarlanır.
Bu nedenle devrede sadece indüktörün direnci kalır ve bu da aktif güç kayıplarına neden olur. Sistem arıza koşulları altında, tristör anahtarları arıza akımını iletmek ve sığacı baypas etmek için yapılır, böylece reaktör empedansı birkaç milisaniye içinde arıza yoluna koyulur.
Reaktör, arıza akımını sınırlamak için hareket eder.
Şekil 9 - Tristör korumalı seri sığaç kullanan arıza akımı sınırlayıcıları
8.2 Tristör kontrollü seri sığaç kullanan seri rezonans sınırlayıcı
Devre Şekil 10'da gösterilmiştir ve esasen şebekenin güç aktarım kapasitesini iyileştirmek için kullanılan tristör kontrollü seri kapasitör kullanan esnek bir AC iletim sistemi seri kompanzasyon cihazıdır. Normal sistem çalışma koşulları altında, tristör iletim açıları küçüktür (ateşleme açıları büyüktür), böylece akımın çoğu seri kapasitörden akar.
Paralel indüktör/sığaç kombinasyonunun etkin empedansı kapasitiftir. Bununla birlikte, bir kısa devre arızası meydana geldiğinde, tristörlerin ateşleme açısı hızla azalır, böylece paralel indüktör/sığaç kombinasyonu endüktif hale gelir ve böylece arıza akımını sınırlar.
Arıza akımı sınırlaması genellikle bu kontrollü seri sığaç cihazlarının cazip bir yan ürünüdür.
Şekil 10 - Tristör kontrollü seri sığaç kullanan arıza akımı sınırlayıcıları
8.3 Normal iletken güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal sınırlayıcısı
Bu tip arıza sınırlayıcı Şekil 11'de gösterilmiştir. AC sistemine seri olarak bağlanan bir güç elektroniği anahtarından oluşur. Anahtara paralel olarak bir arıza sınırlama direnci veya reaktörü bağlanır.
Normal arızasız sistem çalışması altında, anahtar iletime geçer ve normal yük akımını taşır ve arıza sınırlama direnci/reaktörü kısa devre olur. Bir sistem kısa devre arızası meydana geldiğinde yükselen arıza akımı tespit edilir ve anahtar kapatılır, böylece arıza akımı, arıza akımını sınırlamak için hareket eden paralel direnç/reaktöre yönlendirilir.
(!) Arıza akımı sınırlaması birkaç milisaniye içinde gerçekleştirilir. Akım sınırlama direncinin kullanılması, gerilim ve akım arasındaki faz açısı farkını azaltma ve dc arıza akımı bileşenini hızla ortadan kaldırma gibi yararlı bir fayda sağlar.
Üzerinde oluşan geçici gerilimi sınırlamak için anahtara paralel olarak bir varistör bağlanabilir. Anahtarlar akım kapatma işlemini kapı kapatma tristörleri veya modern alternatifler kullanarak gerçekleştirebilir. Normalde iletken olduklarından, anahtarlar açık durum aktif güç kayıplarına neden olur ve bunlar tipik olarak çıkış gücünün %0,1-0,2'sidir.
Şekil 11 - Normal iletken güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal arıza akımı sınırlayıcısısı
9. Süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları
Şekil 12'de bir süper iletkenin manyetik alan ve direnç/akım özellikleri gösterilmektedir.
(!) Kriyojenik soğutma ekipmanı, süper iletkeni sıvı nitrojen kullanarak soğutmak için kullanılır ve yüksek sıcaklık süper iletkenleri için soğutma sıcaklığı -100°C'den düşüktür. 'Yüksek sıcaklık' terimi, tipik olarak 30°K'nın üzerindeki sıcaklıklarda süper iletken hale gelen malzemeyi ifade eder.
Süper iletken durumdan normal dirençli duruma geçiş birkaç milisaniye içinde otomatik olarak gerçekleşir. Durum malzemesindeki geçiş sadece içinden geçen akımın büyüklüğüne bağlı olduğundan, arıza sınırlama eylemini tespit etmek ve tetiklemek için özel bir cihaz veya devre gerekmez.
Şekil 12 - Bir süper iletkenin temel elektriksel özelliği: yüksek sıcaklıktaki bir süper iletkenin manyetik akı çizgileri ve direnç/akım özellikleri
Pratik kurulumlarda, güç sistemindeki müteakip arızaları kısa bir süre içinde sınırlamak ve bunlara dayanmak için süper iletken özelliğin geri kazanımı hızlı bir şekilde gerçekleşmelidir.
Dirençli süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları (SFCL'ler), geleneksel sınırlayıcı reaktörlerin aksine, direnç göstermez ve bir elektrik şebekesinin kararlılığı üzerinde hiçbir zararlı etkiye sahip değildir. Sonuç olarak, SFCL'ler şebekeleri kısa devrelerden korurken, normal çalıştığında şebeke için "görünmez" kalır.
Süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları daha geleneksel kısa devre sınırlayıcı reaktörlerle değiştirilebilir. Eğer varsa endüstriye özel dağıtım şebekelerinde (30 kV'a kadar) kullanılırlar. Dağıtım şebekelerinde sadece ara sıra kısa devre sınırlayıcı reaktörler kullanılır (110 kV ve üzeri).
(!) Normal şebeke işletimi sırasında, paralel bağlı bir kısa devre sınırlayıcı reaktör, süper iletken arıza akım sınırlayıcılarında bulunan bir SFCL elemanı tarafından baypas edilir. Sonuç olarak, sınırlayıcı reaktörün akımı yoktur ve normal kullanıldığında hiçbir kayıp oluşturmaz. Ancak SFCL'nin kendisi soğutma amacıyla enerji gerektirir. Bir SFCL'nin güç kaybı, benzer bir kısa devre sınırlama reaktörü tarafından kullanılan enerjinin yaklaşık %50'si olarak hesaplanabilir.
Süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları (SFCL'ler), süper iletken malzemelerin dikkat çekici özellikleri nedeniyle geleneksel koruma yöntemlerine en umut verici alternatifler olarak kabul edilmektedir.
Özellikle, normal çalışma sırasında SFCL'ler ihmal edilebilir gerilim düşüşüne ve ihmal edilebilir enerji kayıplarına neden olur.
Şekil 13 - Birleşik Krallık şebekesine dayalı güç sistemi modeli. Üç muhtemel arıza konumu ve beş muhtemel SFCL konumu gösterilmiştir.
10. İdeal arıza akımı sınırlayıcısı
İdeal arıza akımı sınırlayıcısı, çalışmak üzere tasarlandığı kısa devre koşulları dışında, monte edildiği sistem tarafından görülmemelidir. İdeal sınırlayıcı aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır:
- Normal arızasız sistem koşulları altında sıfır empedansa ve sıfır aktif ve reaktif güç kayıplarına sahip olmalıdır.
- Her türlü kısa devre arızasını 1 veya 2 ms'den daha kısa sürede tespit etmeli, ayırt etmeli ve yanıt vermelidir.
- Yanıt verdiğinde akım akışını sınırlamak için çok yüksek bir sınırlayıcı empedans yerleştirmelidir. Dirençli sınırlayıcılar dc arıza akımı bileşenini hızla bastırma avantajına sahip olsa da, daha yüksek voltajlı şebekelerde esas olarak endüktif bir empedans tercih edilebilir.
- Arıza giderildikten sonra otomatik ve hızlı bir şekilde toparlanarak başka bir akım sınırlama işlemine hazır hale gelmelidir.
- Değiştirme olmaksızın ardışık akım sınırlama işlemleri gerçekleştirebilmelidir.
- Güç sisteminde kabul edilemez aşırı gerilimlere veya harmoniklere neden olmamalıdır.
- Güç sistemi koruma performansı üzerinde hiçbir olumsuz etkisi olmamalıdır.
- Son derece güvenilir ve arızaya karşı emniyetli olmalıdır.
Pratik kurulumlarda, böyle ideal bir sınırlayıcıya ulaşmak mümkün değildir ve çeşitli tasarım ödünlerinin verilmesi gerekir.
11. Arıza akımı sınırlayıcılarının uygulamaları
Alçak, orta, yüksek ve ekstra yüksek gerilim güç şebekelerinde ve endüstriyel güç sistemlerinde hata akımı sınırlayıcılarının birçok farklı olası uygulaması vardır. Arıza akımının azaltılması açısından en verimli ve ekonomik yöntem, şebeke ve trafo merkezine özgü faktörlere bağlı olarak seçilir.
Ana uygulamaların kısa bir özeti aşağıda verilmiştir.
Şekil 14, bağlı devre kesicilerin kısa devre değerlerinin aşılması nedeniyle 132 kV (110 kV) baranın katı kuplajının mümkün olmadığı bir durumu göstermektedir. Bara, bir arıza akımı sınırlayıcısı ile bağlanan iki bölüme ayrılmıştır.
Şekil 14 - 132 kV (110 kV) trafo merkezi baralarını birleştirmek için kullanılan arıza akımı sınırlayıcısı
Sınırlayıcının empedansı, diğer taraftaki bir arıza için sınırlayıcının bir tarafından kısa devre beslemesini azaltmak için seçilir ve bunun tersi de geçerlidir. Yeterince büyük sınırlayıcı empedansı için, sınırlayıcının her iki tarafındaki arıza akımının büyük bir kısmı yüksek gerilim şebekesinden transformatörler aracılığıyla sağlanır.
Şekil 15, mevcut kısa devre akımları çeşitli şalt ve trafo merkezi altyapı değerlerini aşacağı için trafo merkezinin sağlam bir şekilde çalıştırılamayacağı, önemli miktarda bağlı üretime sahip ekstra yüksek voltajlı bir trafo merkezini göstermektedir.
Şekil 15 - Trafo merkezi baralarını ekstra yüksek gerilim seviyelerinde birleştirmek için kullanılan arıza akımı sınırlayıcısı
Bir arıza akımı sınırlayıcısı aracılığıyla bara bölme, kısa devre akım büyüklüğünü şalt ve trafo merkezi altyapı değerleri dahilinde sınırlandırmada oldukça etkilidir.
Şekil 16'da yüksek-orta gerilim trafo merkezindeki bir transformatöre seri olarak bağlanan bir arıza akımı sınırlayıcı uygulaması gösterilmektedir. Sınırlayıcı, orta gerilim trafo merkezindeki arızalar için transformatör beslemeli kısa devre akımlarını sınırlamak üzere hareket eder.
Şekil 16 - Yüksek-orta gerilim trafo devresinde arıza akımı sınırlayıcısı
Şekil 17'de jeneratör-transformatör devresine seri olarak bağlanan bir arıza akımı sınırlayıcı uygulaması gösterilmektedir. Sınırlayıcı, yüksek gerilim trafo merkezi ve jeneratör terminallerindeki arızalar için jeneratörden kısa devre akım beslemesini sınırlamak üzere hareket eder.
Şekil 17 - Jeneratör-transformatör devresine seri bağlı arıza akımı sınırlayıcısı
Şekil 18, güç istasyonu yardımcılarını besleyen bir jeneratör ünitesi transformatörüne seri olarak bağlanmış bir hata akımı sınırlayıcı uygulamasını göstermektedir. Sınırlayıcı, ünite panosundaki arızalar ve yardımcı sistemdeki düşük gerilimler için ünite trafosu aracılığıyla jeneratörden ve şebekeden kısa devre beslemesini sınırlamak üzere hareket eder.
Şekil 18 - Güç istasyonu yardımcılarını besleyen birim trafoya seri bağlı hata akımı sınırlayıcısı
Şekil 19, bir veya birkaç noktada bulunan büyük bir üretim tesisi yoğunluğundan güç ihraç eden devre fiderlerine seri olarak bir arıza akımı sınırlayıcı uygulamasını göstermektedir.
Şekil 19 - Büyük üretim konsantrasyonlarını bağlayan ihracat devrelerine seri bağlı arıza akımı sınırlayıcısı
Şekil 20, bir jeneratörün bir arıza akımı sınırlayıcısı aracılığıyla orta gerilim şebekesine bağlanmasını ve jeneratörün bu şebekedeki arızalara kısa devre katkısının sınırlandırılmasını göstermektedir.
Bu örnekte sınırlayıcı, yüksek gerilim şebekesine bir transformatör (ve şalt) bağlantısına alternatif olarak hizmet vermektedir.
Şekil 20 - Bir jeneratörün yerel şebekeye bağlanmasını kolaylaştıran arıza akımı sınırlayıcısı
Şekil 21, düşük empedanslı transformatörler ve dirençli süper iletken arıza akımı sınırlayıcısı aracılığıyla bağlanmış orta gerilim trafo merkezi baraları ile seri haldeki arıza akımı sınırlayıcılarını göstermektedir.
(!) Orta gerilim baralarının bölünmüş olarak çalıştırılması, her bir baradaki kısa devre arıza seviyesini düşürür ve ark ocağı yükü gibi dalgalanan bir yükü besleyen bara bölümünden beslenen müşterilerin besleme gerilimi kalitesini azaltır.
Bara bölümlerinin süper iletken bir arıza akımı sınırlayıcı veya ideal olarak çok düşük arızasız empedansa sahip bir sınırlayıcı aracılığıyla bağlanması, dalgalanan yükü besleyen baradaki mevcut kısa devre seviyesini artırır ve besleme gerilimi kalitesini iyileştirir.
Şekil 21 - Arıza akımlarını sınırlayan ve besleme gerilimi kalitesini artıran arıza akımı sınırlayıcıları
