Kısa devre arıza akımını sınırlayarak şalt sisteminin gereksiz yere değiştirilmesinden nasıl kaçınılır (fotoğrafta, 35kV, 110kV, 220kV, 330kV ve 500kV elektrik şebekelerinde kısa devre akımlarını sınırlamayı amaçlayanve arıza durumunda voltaj seviyesini korumak için, hava doğal soğutmalı kuru tip akım sınırlayıcı bir reaktör mevcuttur. Fotoğraf: SVEL)

Arıza akımı sınırlayıcıları, öbür türlü gereksiz anahtarlama düzeninin değiştirilmesini önlemenin ana faydalarının yanı sıra, kısa devre arızaları sırasında ekipman üzerindeki stresleri azaltarak neden olduğu ek faydalar sağlar. Eşlik eden bazı ekonomik faydalar arasında geçiş akımını sınırlayarak artan enerji santrali ömrü, ekipmanın daha düşük termal, mekanik ve elektrodinamik stresleri, birkaç transformatörün paralel çalışmasına izin vererek iyileştirilmiş ağ kapasitesi ve muhtemelen daha düşük yedek parça ihtiyacı yer alır.

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 voltajlar için uygundur. Seri reaktörler de, hacimli olmalarına, sabit olan önemli reaktif kayıplara sahip olmalarına ve şebeke voltajını 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:

1. Trafo nötrüne bağlı topraklama direnci veya reaktör
   1. Yüksek veya düşük dirençli topraklama
   2. Sağlam topraklanmış topraklama
2. Piroteknik tabanlı arıza akımı sınırlayıcıları
3. Kalıcı olarak yerleştirilmiş akım sınırlayıcı seri reaktör
4. Bir baypas anahtarı kullanan seri rezonans akım sınırlayıcıları
5. Manyetik olarak bağlı devreler kullanan sınırlayıcılar
6. Doyurulabilir reaktör sınırlayıcılar
7. Pasif sönümlü rezonans sınırlayıcı
8. Güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal sınırlayıcılar
   1. Tristör korumalı seri kapasitör kullanan seri rezonans sınırlayıcı
   2. Tristör kontrollü seri kapasitör kullanan seri rezonans sınırlayıcı
   3. Normal iletken güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal sınırlayıcı
9. Süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları
10. İdeal arıza akımı sınırlayıcı
11. Arıza akımı sınırlayıcılarının uygulamaları

 

1. Trafo nötrüne bağlı topraklama direnci veya reaktör

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 voltaj 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 arzusu ile transformatör nötr noktasındaki voltajı yalıtım sargı seviyesi içinde sınırlama ihtiyacı arasında bir uzlaşmadır.

 

Şekil 1 - Nötr topraklama direnci (NER)

1.1 Yüksek veya düşük 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 akımı genellikle 10 Amper veya daha azıyla sınırlar. Bir arıza meydana geldiğinde, koruma mekanizmaları devreye girerek sistemin sorunu hızlı bir şekilde tespit edip düzeltmesini veya güvenli bir şekilde kapatmasını sağlar.

 

Bu noktada herhangi bir hasar olmayacaktır.

 

(!) Çok sayıda sermaye ekipmanı olduğunda ve ağ 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 şekilde zarar vermek için yeterli değildir.

1.2 Sağlam topraklama

Katı topraklamalı NER'ler tipik olarak 600V veya daha düşük AG uygulamalarında kullanılır ve nötr noktayı toprağa bağlar. Bu sistemler, geçici aşırı voltaj sorununu azaltır ancak bir arıza olayı sırasında arıza akımını sınırlamaz.

 

2. Piroteknik tabanlı arıza akımı sınırlayıcıları

'LS-sınırlayıcı' olarak da bilinen bu arıza akımı sınırlayıcıları, 210 kA simetrik rms'ye kadar kesme akımları ile 40,5 kV'a kadar nominal gerilimlerde düşük ve orta gerilim sistemlerinde ve endüstriyel güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

 

LS-sınırlayıcı, Şekil 2'de gösterildiği gibi iki paralel iletkenden oluşan bir cihazdır. Birincisi, normal arızasız sistem çalışma koşullarında yük akımını taşıyan ana iletkendir. İkincisi, ilk akımın yükselişinde kısa devre akımını sınırlayan ve bir sonraki akım sıfırında kesen yüksek kesme kapasiteli paralel bir sigortadır.

 

Şekil 2 – LS-sınırlayıcının yerleştirme ve yerleştirme tutucusu

Şekil 3, iki arıza akımı kaynağının 31.5 kA'ya eşit bir rms akımı ve 80 kA'lık bir başlangıç tepe asimetrik akımı veren 1.8'e eşit bir tepe faktörü ile karakterize edildiği IS sınırlayıcı çalışmasının etkisini göstermektedir.

 

LS sınırlayıcı, ana iletkeni açan ve kısa devre akımını sigortaya yönlendiren küçük bir şarjla etkinleştirilir. LS-sınırlayıcıdan geçen normal anlık akım, elektronik bir ölçüm ve açma devresi tarafından izlenir. Hem akım hem de yükselme oranı sürekli olarak değerlendirilir ve seçilen ayar noktalarıyla karşılaştırılır.

 

Her iki ayar noktasına aynı anda ulaşılırsa, IS sınırlayıcı açılır ve mevcut kesintiye kadar toplam çalışma süresi 5-10 ms'dir. Bir işlemden sonra IS sınırlayıcı eki (faz başına bir birim), yani ana iletken, paralel sigorta ve şarj değiştirilmelidir.

 

(!) Bu sınırlayıcılar, trafo baralarını birleştirmek, iki ayrı alt sistemin bağlantısı, jeneratör fiderleri ile seri veya akım sınırlama reaktörü ile paralel bağlantı vb. gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilir.

 

Şekil 3'te gösterildiği gibi, akım genellikle yarı döngü asimetrik tepe noktasına ulaşılmadan önce sınırlandırıldığından ve kesildiğinden, IS-sınırlayıcı akımı bu ilk yarı döngü tepe akımına katkıda bulunmayacaktır.

 

Şekil 3 – LS-sınırlayıcının performansı

3. Kalıcı olarak yerleştirilmiş akım sınırlayıcı seri reaktör

Kısa devre akım sınırlayıcı seri reaktörler, güç sistemlerinde on yıllardır neredeyse tüm voltaj seviyelerinde kullanılmaktadır. Arıza akımını sınırlayan akım yoluna bir kaçak empedansı getirirler.

 

Sisteme kalıcı olarak yerleştirildikleri için, yani normal arızasız sistem koşulları altında, çeşitli dezavantajları vardır. Bunlar aşağıdakileri kapsar:

 

• bir voltaj düşüşü sağlarlar,
• aktif ve reaktif güç kayıplarına sahip,
• birbirine bağlı şebekelerde güç akışının optimum dağılımını olumsuz etkileyebilir,
• güç sistemlerinin geçici ve dinamik kararlılık performansını da olumsuz etkileyebilir.

 

4. Bir baypas anahtarı kullanan seri rezonans akım sınırlayıcıları

Tek bir reaktör bileşeni kullanan bara bağlantı uygulamalarında aktif ve reaktif güç kayıplarını ortadan kaldırmak için bir alternatif, güç frekansı ayarlı rezonans serisi indüktör ve kapasitör kombinasyonu kullanmaktır. Kombinasyon, normal çalışma koşulları altında sıfır empedansa sahiptir.

 

Arıza akımını sınırlamak için, kapasitör elemanı hızlı kapanan bir baypas anahtarı kullanılarak kısa devre yaptırılır. Bu yaklaşımın bir çeşidi, devre orta noktasında tek bir köprüleme anahtarının çalışmasıyla seri olarak iki paralel ayarlanmış eleman oluşturmak için ayarlanmış indüktörlerin ve kapasitörlerin bir seri/paralel düzenlemesini kullanmaktır.

 

Her iki devre de Şekil 4'te gösterilmiştir.

 

(!) Bu devrelerin dezavantajlarından bazıları, bir dizi büyük bileşenin hat potansiyeline monte edilmesi ve turbo-jeneratör şaftlarına zarar verebilecek senkron altı rezonans riski olabilir. İkinci devrede, tüm endüktif ve kapasitif reaktanslar eşit olacak şekilde seçilirse, empedans sıfırdan neredeyse sonsuz bir değere geçer ve bu çok çekici olsa da, aşağı akım koruması üzerindeki önemli olumsuz etkisi nedeniyle pratik olmayabilir.

 

Ayrıca, çok büyük bir geçici akım görevinden kaçınmak için kısa devre anahtarının kapasitör boyunca sıfıra yakın voltajı kapatması gerekebilir.

 

Şekil 4 - İki tasarımda bir baypas anahtarı kullanan seri rezonans arıza akımı sınırlayıcıları

5. Manyetik olarak bağlı devreler kullanan sınırlayıcılar

Şekil 5 ve 6, manyetik olarak bağlanmış devrelerin iki konfigürasyonunu göstermektedir. Birincil ve ikincil, eşit sayıda dönüşe sahip iki sargı gösterilmiştir. İki sargı bağlanır, böylece aynı akım içlerinden geçer ve birincil sargı MMF, ikincil sargınınkini dengeler.

 

Normal veya arızasız çalışma sırasında, birincil sargının kendi kendine endüktansı boyunca endüklenen voltaj, ikincil sargıda akan akım nedeniyle aynı birincil sargıda endüklenen voltaj tarafından iptal edilir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu nedenle, her sargıdaki net voltaj sıfırdır.

 

(!) Yüksek gerilimlerin söz konusu olduğu yerlerde güvenli boşlukların yanı sıra iki sargı arasında yakın karşılıklı bağlantı gerektiğinden, bir demir çekirdek gerekli olacaktır. Cihaz direnç kayıplarına neden olur. Normal hatasız çalışma altında, ikincil MMF birincil MMF'yi iptal ettiğinden, bu sınırlayıcı bir akı iptal 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 sınırlayıcı

Şekil 5’te gösterilmiştir.

 

Harici bir kısa devre arızası meydana geldiğinde, normalde açık anahtarın hemen kapatılması ve normalde kapalı anahtarın açılmasıyla iki sargı arasındaki kuplaj bozulur. Bu, ikincil sargıyı etkin bir şekilde açar ve birincil sargının, kısa devre akımını sınırlamak için hareket eden bir empedans ZR'ye sahip bir seri reaktör olarak görünmesine neden olur.

 

Şekil 5 – Manyetik olarak bağlı devreler kullanan arıza akımı sınırlayıcıları: ters ikincil sargı baypaslı akı iptal sınırlayıcı

Anahtarların eylemleri, devrenin açık devre sekonder sargılı 1:1 transformatör olarak görünmesini sağlar. Normalde kapalı anahtarın voltaj değeri, kısa devre koşulları altında birincil sargıdaki voltaja eşittir.

 

Bu anahtar sadece normal yük akımını taşır. Normalde açık anahtarın akım derecesi, sınırlı kısa devre akımına eşittir ve arızasız sistem koşulları altında, bu anahtar üzerindeki voltaj, sekonder sargıdaki voltaja eşit olduğu için sıfırdır.

 

5.1 Seri yeniden bağlantıya ters paralel ile akı iptal sınırlayıcı

Bu, Şekil 6'da gösterilmektedir. Bir dış kısa devre arızası meydana geldiğinde, sekonder sargının yönü tersine çevrilir, böylece endüklenen voltaj, çıkarmak yerine her sargının kendi endüktansı boyunca voltaja eklenir ve dolayısıyla ağ ile seri olarak etkin empedans iki katına çıkar.

 

Normalde açık anahtarlar sınırlı kısa devre akımını taşırken, normalde kapalı anahtarlar yük akımını taşır.

 

Şekil 6 - Manyetik olarak bağlı devreler kullanan arıza akımı sınırlayıcıları: ikincil sargı polaritesi değiştirmeli akı iptal sınırlayıcı

6. Doyurabilir reaktör sınırlayıcılar

Doyurabilir reaktörler, doğrusal olmayan bir voltaj-akım özelliğine sahiptir, böylece reaktör üzerindeki voltaj belirli bir eşiğin üzerine çıktığında, reaktör akımı çekirdek doygunluğu nedeniyle orantısız bir şekilde artar. Sonuç olarak, etkin empedansı doygunluk olmadan bunun altına düşer.

 

Şekil 7, bir demir çekirdek üzerine ortogonal olarak sarılmış DC ve AC sargılı doyurulabilir bir reaktörü göstermektedir.

 

(!) Doygunluk miktarı, DC kontrol sargısına değişken bir DC akımı enjekte edilerek kontrol edilir. Çekirdek doygunluğu dışında, ana AC sargısındaki akım, DC kontrol sargısındaki akımdan etkilenmez. İki sargı dik olduğundan, aralarındaki karşılıklı bağlantı ihmal edilebilir.

 

Cihaz, normal arızasız sistem koşullarında doyma bölgesinde çalışır ve kısa devre akımının başlamasıyla hızlı bir şekilde doygunluktan çıkarılmalıdır. Bu sınırlayıcı tarafından sunulan empedans artışı genellikle küçüktür ve kayda değer bir akım sınırlaması gerekliyse yeterli olmayabilir.

 

Ana sargıya bir DC akımı enjekte edilerek doygunluğun elde edildiği durumlarda geleneksel bir seri demir çekirdekli doyurulabilir reaktör de kullanılabilir.

 

Şekil 7 - DC kontrol sargılı ortogonal sarımlı doyurulabilir reaktör arıza akımı sınırlayıcı

7. Pasif sönümlü rezonans sınırlayıcı

Şekil 8, yalnızca pasif bileşenler kullanan üç fazlı sönümlü rezonans sınırlayıcı devrenin bir fazını göstermektedir. Sınırlayıcı, birincil sargısı sisteme seri olarak bağlanan bir izolasyon transformatöründen ve ikincil sargısına bir kapasitörden oluşur. Doğrusal olmayan bir direnç, örn. kondansatöre paralel olarak bir varistör veya hızlı kapanma tetiklemeli bir anahtar bağlanır ve varistöre paralel olarak sönümlü bir ayarlı filtre bağlanır.

 

Normal arızasız sistem koşulunda, ikincil devre, 50 Hz'de, transformatörün primerine aktarıldığında eşit olan ve dolayısıyla transformatörün kaçak reaktansını iptal eden bir kapasitör olarak görünür. Bu nedenle, 50 Hz'de sınırlayıcı, transformatörün direnci dışında kısa devre olarak görünür.

 

Güç sisteminde bir kısa devre arızası meydana geldiğinde, transformatörün birincil sargısında akan akımın artması, sekonder sargının akımında buna karşılık gelen bir artışa neden olur. Sekonder sargı empedansı boyunca voltajdaki artış, varistörün veya anahtarın kapasitörü iletmesine ve kısa devre yapmasına neden olur.

 

(!) Böylece, birincil devrede kalan etkin empedans, transformatörün kaçak empedansıdır ve bu, arıza akımını istenen değerle sınırlamak için hareket eder. Sekonderi kısa devre yapmak ve varistör üzerindeki enerji absorpsiyon görevini azaltmak için varistöre veya anahtara paralel bir devre kesici kullanılabilir. Tanımlanan arıza akımı sınırlaması, XL1, R, XL2 ve XC2'yi içeren devreler olmadan elde edilebilir.

 

Ancak şanzıman sistemlerinde seri kapasitörler ile senkron altı rezonans olayı meydana gelmiş ve turbo-jeneratör millerinde hasara neden olmuştur.

 

Şekil 8 - Pasif sönümlü rezonans arıza akımı sınırlayıcı

Böylece, bu devrenin amacı, senkron altı frekanslarda sönüm sağlamaktır. Devre, bir reaktans XL1 ve XL2 ve XC2'si güç frekansında (50 veya 60 Hz) ayarlanmış bir 'C' filtresinden oluşur, böylece sönümleme direnci R bu frekansta kısa devre olur.

 

XL1 kullanılır, çünkü bu kapasitörün kısa devre yapmasını önlemek için filtre XC1 ana kondansatörüne 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. Senkron altı rezonans riskini azaltmak için bir sönümleme devresi dahildir. Bu sınırlayıcının kısa devre çalışmalarında bir kaçak empedans olarak modellenmesi basittir.

 

8. Güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal sınırlayıcılar

8.1 Tristör korumalı seri kapasitör kullanan seri rezonans sınırlayıcı

Şekil 9, tristör korumalı seri kapasitör adı verilen esnek bir AC iletim sistemi serisi kompanzasyon cihazına dayanan bu tip sınırlayıcıyı göstermektedir. Kondansatöre paralel olarak anti-paralel tristörlerden oluşan bir güç elektroniği anahtarıdır. 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 aktif güç kayıplarına neden olur. Sistem arıza koşulları altında, tristör anahtarları, arıza akımını iletmek ve kapasitörü baypas etmek için yapılır, böylece reaktör empedansını birkaç milisaniye içinde arıza yoluna sokar.

 

Reaktör, arıza akımını sınırlamak için hareket eder.

 

Şekil 9 – Tristör korumalı seri kapasitör kullanan arıza akımı sınırlayıcıları

 

8.2 Tristör kontrollü seri kapasitör kullanan seri rezonans sınırlayıcı

Devre, Şekil 10'da gösterilmektedir ve esasen, ağın güç aktarım kapasitesini geliştirmek için kullanılan tristör kontrollü seri kapasitör kullanan esnek bir AC iletim sistemi serisi kompanzasyon cihazıdır. Normal sistem çalışma koşulları altında, tristör iletim açıları küçüktür (ateşleme açıları büyüktür), böylece akımın çoğu seri kapasitörden akar.

 

Paralel indüktör/kapasitör kombinasyonunun etkin empedansı kapasitiftir. Bununla birlikte, bir kısa devre arızası meydana geldiğinde, tristörlerin ateşleme açısı hızla azalır, böylece paralel indüktör/kapasitör kombinasyonu endüktif olarak değişir, böylece arıza akımını sınırlar.

 

Arıza akımı sınırlaması genellikle bu kontrollü seri kapasitör cihazlarının çekici bir yan ürünüdür.

 

Şekil 10 – Tristör kontrollü seri kondansatör kullanan arıza akımı sınırlayıcıları

8.3 Normal iletken güç elektroniği anahtarları kullanan katı hal sınırlayıcı

Bu tip arıza sınırlayıcı Şekil 11'de gösterilmiştir. AC sistemine seri olarak bağlanan bir güç elektroniği anahtarından oluşur. Anahtara paralel olarak bir arıza sınırlayıcı direnç veya reaktör bağlanmıştır.

 

Normal arızasız sistem çalışması altında, anahtar normal yük akımını iletir ve taşır ve arıza sınırlama direnci/reaktörü kısa devre yapar. Bir sistem kısa devre arızası meydana geldiğinde, yükselen arıza akımı tespit edilir ve anahtar kapatılır, böylece arıza akımı, arıza akımını sınırlamak üzere hareket eden paralel direnç/reaktöre yönlendirilir.

 

(!) Arıza akımı sınırlaması birkaç milisaniye içinde gerçekleştirilir. Akım sınırlama direncinin kullanılması, voltaj ve akım arasındaki faz açısı farkını azaltma ve dc arıza akımı bileşenini hızla ortadan kaldırma gibi yararlı bir fayda sağlar.

 

Üzerinde görünen geçici voltajı sınırlamak için anahtara paralel olarak bir varistör bağlanabilir. Anahtarlar, kapı kapatma tristörlerini veya modern alternatifleri kullanarak akımın kesilmesini sağlayabilir. Normal olarak iletken olduklarından, anahtarlar durum üzerinde aktif güç kayıplarına neden olur ve bunlar tipik olarak çıkış gücünün %0,1-0,2'si kadardır.

 

Şekil 11 - Normal iletken güç elektroniği anahtarlarını kullanan katı hal arızalı akım sınırlayıcı

9. Süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları

Bir süper iletken, soğutulduğunda sıfır dirence sahip mükemmel bir iletken gibi davranan Bismuth-2233 veya YBa2Cu3O7 gibi bir tel veya bobindir. Belirli bir özelliğin belirli bir kritik sınırının ötesinde, iletken süperiletkenlik durumunu kaybeder ve normal yüksek dirençli duruma geçiş yapar. Bahsedilen özellik, iletken kritik sıcaklığı, kritik akım veya akım yoğunluğu veya manyetik alandır.

 

Şekil 12, bir süperiletkenin manyetik alanını ve direncini/akımını gösterir.

 

(!) Süperiletkeni sıvı nitrojen kullanarak soğutmak için kriyojenik soğutma ekipmanı kullanılır ve yüksek sıcaklıklı süper iletkenler için soğutma sıcaklığı -100°C'nin altındadır. 'Yüksek sıcaklık' terimi, tipik olarak 30°K'nin üzerindeki sıcaklıklarda süper iletken hale gelen malzemeyi ifade eder.

 

Süper iletkenden normal dirençli duruma geçiş, birkaç milisaniye içinde otomatik olarak gerçekleşir. Durum malzemesindeki geçiş yalnızca içinden akan akımın büyüklüğüne bağlı olduğundan, arıza sınırlama eylemini algılamak ve tetiklemek için hiçbir özel cihaz veya devre gerekli değildir.

 

Şekil 12 - Bir süperiletkenin temel elektriksel özelliği: manyetik akı çizgileri ve yüksek sıcaklıklı bir süperiletkenin direnç/akım özellikleri

Pratik kurulumlarda, güç sistemindeki müteakip arızaları kısa bir süre içinde sınırlamak ve bunlara dayanmak için süper iletken özelliğin geri kazanılması hızlı bir şekilde gerçekleşmelidir.

 

Dirençli süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları (SFCL'ler), geleneksel sınırlayıcı reaktörlerin aksine, bir güç şebekesinin kararlılığı üzerinde hiçbir dirence sahip değildir ve hiçbir zararlı etkisi yoktur. Sonuç olarak, SFCL'ler, normal çalıştığında şebekeye "görünmez" kalırken, şebekeleri kısa devrelerden korur.

 

Süper iletken arıza akımı sınırlayıcıları, daha geleneksel kısa devre sınırlayıcı reaktörlerle değiştirilebilir. Hiç değilse, endüstriye özgü dağıtım şebekelerinde (30 kV'a kadar) kullanılırlar. Dağıtım şebekeleri yalnızca ara sıra kısa devre sınırlayıcı reaktörler (110 kV ve üstü) kullanır.

 

(!) Normal şebeke çalışması sırasında, paralel bağlı bir kısa devre sınırlama reaktörü, süper iletken arıza akımı sınırlayıcılarında bulunan bir SFCL elemanı tarafından baypas edilir. Sonuç olarak, sınırlayıcı reaktörde akım yoktur ve normal olarak kullanıldığında hiçbir kayıp oluşturmaz. Ancak SFCL'nin kendisi soğutma amacıyla enerji gerektirir. Bir SFCL'nin güç kaybı, karşılaştırılabilir bir kısa devre sınırlayıcı reaktör tarafından kullanılan enerjinin kabaca %50'si olarak hesaplanabilir.

 

Süper iletken arıza akım sınırlayıcıları (SFCL'ler), süper iletken malzemelerin dikkat çekici özelliklerinden dolayı geleneksel koruma yöntemlerine en umut verici alternatifler olarak kabul edilmektedir.

 

Spesifik olarak, normal çalışma sırasında, SFCL'ler ihmal edilebilir voltaj düşüşüne ve ihmal edilebilir enerji kayıplarına neden olur.

 

Şekil 13 – Birleşik Krallık şebekesine dayalı güç sistemi modeli. Üç olası arıza konumu ve beş olası SFCL konumu gösterilmiştir.

10. İdeal arıza akımı sınırlayıcısı

İdeal arıza akım sınırlayıcısı, çalışmak üzere tasarlandığı kısa devre koşulları dışında kurulduğu sistem tarafından görülmemelidir. İdeal sınırlayıcı aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır:

 

1. Normal arızasız sistem koşullarında sıfır empedansa ve sıfır aktif ve reaktif güç kayıplarına sahip olmalıdır.
2. 1 veya 2 ms'den daha kısa sürede her türlü kısa devre arızasını algılamalı, ayırt etmeli ve yanıt vermelidir.
3. Yanıt verdiğinde, akım akışını sınırlamak için çok yüksek bir sınırlayıcı empedans eklemelidir. Dirençli sınırlayıcılar, DC arıza akımı bileşenini hızla bastırma avantajına sahip olsa da, daha yüksek voltajlı şebekelerde esas olarak endüktif bir empedans tercih edilebilir.
4. Arıza giderildikten sonra başka bir akım sınırlama işlemi için hazır olarak otomatik ve hızlı bir şekilde düzelmelidir.
5. Değiştirilmeden ardışık akım sınırlama işlemlerini gerçekleştirebilmelidir.
6. Güç sisteminde kabul edilemez aşırı gerilimlere veya harmoniklere neden olmamalıdır.
7. Güç sistemi koruma performansı üzerinde olumsuz bir etkisi olmamalıdır.
8. Son derece güvenilir ve arıza emniyetli olmalıdır.

 

Pratik kurulumlarda, böyle ideal bir sınırlayıcı elde edilemez ve çeşitli tasarımlardan ödün verilmesi gerekir.

 

11. Arıza akımı sınırlayıcılarının uygulamaları

Düşük, orta, yüksek ve ekstra yüksek voltajlı güç şebekelerinde ve endüstriyel güç sistemlerinde arıza akımı sınırlayıcılarının birçok farklı olası uygulaması vardır. Şebekeye ve trafo merkezine özgü faktörlere bağlı olarak, arıza akımı azaltma ve ekonomik yöntem açısından en verimli olanı seçilir.

 

Ana uygulamaların kısa bir özeti aşağıda verilmiştir.

 

Şekil 14, bağlı devre kesicilerin kısa devre değerlerinin aşılması nedeniyle 132 kV (110 kV) baranın katı bağlantısının mümkün olmadığı bir durumu göstermektedir. Bara, bir arıza akımı sınırlayıcı ile bağlanan iki bölüme ayrılmıştır.

 

Şekil 14 - 132 kV'da (110 kV) trafo baralarını bağlamak için kullanılan arıza akımı sınırlayıcısı

Sınırlayıcının empedansı, diğer taraftaki bir arıza için sınırlayıcının bir tarafından kısa devre beslemesini azaltmak ve bunun tersini de anahtarlama donanımı değerleri içinde iyi bir düzeye indirmek için seçilir. Yeterince büyük sınırlayıcı empedansı için, sınırlayıcının her iki tarafındaki arıza akımının çoğu, yüksek gerilim şebekesinden gelen transformatörler aracılığıyla sağlanır.

 

Şekil 15, mevcut kısa devre akımlarının çeşitli anahtarlama tertibatı ve trafo merkezi altyapı derecelendirmelerini aşacağı için trafo merkezinin katı olarak çalıştırılamadığı, önemli miktarda bağlı üretime sahip ekstra yüksek voltajlı bir trafo merkezini göstermektedir.

 

Şekil 15 - Trafo baralarını ekstra yüksek voltaj seviyelerinde birleştirmek için kullanılan arıza akımı sınırlayıcısı

 

Bir arıza akımı sınırlayıcı üzerinden bara ayırma, kısa devre akımı büyüklüğünü, şalt ve trafo altyapısı derecelendirmeleri içinde kuyuya sınırlamada oldukça etkilidir.

 

Şekil 16, yüksek-orta gerilimli bir trafo merkezindeki bir transformatör ile seri olarak bir arıza akımı sınırlayıcı uygulamasını göstermektedir. Sınırlayıcı, orta gerilim trafo merkezindeki arızalar için trafo beslemeli kısa devre akımlarını sınırlamak için hareket eder.

 

Şekil 16 - Yüksek-orta gerilim trafo devresindeki arıza akımı sınırlayıcısı

 

Şekil 17, bir jeneratör-trafo devresi ile seri olarak bir arıza akımı sınırlayıcı uygulamasını göstermektedir. Sınırlayıcı, yüksek gerilim trafo merkezi ve jeneratör terminallerindeki arızalar için jeneratörden gelen kısa devre akımı beslemesini sınırlamak için hareket eder.

 

Şekil 17 - Jeneratör-trafo devresi ile seri olarak arıza akımı sınırlayıcısı

 

Şekil 18, güç istasyonu yardımcılarını besleyen bir jeneratör-ünite transformatörü ile seri halinde bir arıza akımı sınırlayıcı uygulamasını göstermektedir. Sınırlayıcı, ünite kartındaki arızalar ve yardımcı sistemdeki düşük voltajlar için jeneratör ve şebekeden gelen kısa devre beslemesini ünite transformatörü aracılığıyla sınırlamak için hareket eder.

 

Şekil 18 - Güç istasyonu yardımcılarını besleyen birim trafosu ile seri olarak arıza akımı sınırlayıcısı

 

 

Şekil 19, bir veya birkaç lokasyonda bulunan büyük bir üretim tesisi konsantrasyonundan güç ihraç eden devre fiderleri ile seri halinde bir arıza akımı sınırlayıcı uygulamasını göstermektedir.

 

Şekil 19 - Büyük üretim konsantrasyonunu bağlayan dışa aktarma devreleri ile seri olarak arıza akımı sınırlayıcı

Şekil 20, jeneratörün bu şebekedeki arızalara kısa devre katkısını sınırlamak için bir arıza akımı sınırlayıcı aracılığıyla bir orta gerilim şebekesine bir jeneratörün bağlantısını göstermektedir.

 

Bu örnekte, sınırlayıcı, yüksek gerilim şebekesine bir trafo (ve şalt cihazı) bağlantısına alternatif olarak hizmet eder.

 

Şekil 20 – Bir jeneratörün yerel bir şebekeye bağlantısını kolaylaştıran arıza akımı sınırlayıcısı

Şekil 21, düşük empedanslı transformatörler ve dirençli bir süper iletken arıza akımı sınırlayıcı aracılığıyla bağlanmış orta gerilim trafo merkezi baraları ile seri olarak arıza akımı sınırlayıcılarını göstermektedir.

 

(!) Orta gerilim baralarının split çalıştırılması, her bir baradaki kısa devre arıza seviyesini azaltır ve ark ocağı yükü gibi dalgalı bir yük sağlayan bara bölümünden müşterilere sağlanan besleme geriliminin kalitesini düşürür.

 

Bara bölümlerinin bir süper iletken arıza akımı sınırlayıcısı veya ideal olarak çok düşük arızasız empedansa sahip olan bir sınırlayıcı aracılığıyla bağlanması, dalgalı yükü besleyen baradaki mevcut kısa devre seviyesini arttırır ve besleme gerilimi kalitesini iyileştirir.

 

Şekil 21 – Arıza akımlarını sınırlayan ve besleme gerilimi kalitesini iyileştiren arıza akımı sınırlayıcıları