RÖLE DENETİM DEVRELERİNDE GEÇİCİ GERİLİM OLAYI

Röle ve denetim devrelerinde geçici gerilim olayı

i. GİRİŞ

YAZAN Albert W. COFFMAN

ÇEVİREN Serdar BOZ KURT

ÖZET

Dağıtım merkezlen doğal yapılarından ötürü, mevcut rö le ve denetim devrelerinde kullanılan duyarlı elektronik devre elemanları için uygun olmayan bir çevre oluşturur lar. Bu elemanlar güç dizgesinde oluşan, röle ve denetim devreterJyle bağlaşan geçici gerilimlere çok duyarlıdır. Güç dizgesinde oluşan geçici gerilim darbelerinin (surge) nedeni yıldıran, anahtariama olayı ya da kısa devrelerdir. Bu darbeler, denette devrelerine denetim tablolarıyla elektrostatik ve elektromanyetik bağlaşun (coupling) ya parak, ölçü trafolanyla bağlanarak veya trafo merkezi içinde w trafo merkezi ile uzak istasyonlar arasındaki toprak gerilim farklılıklarından ötürü girerler. Kılıftı de netim kablolarının kullanımı, denetim devrelerin ne ki bu türden geçici gerilimlerin denetiminde etkili îr /.arak ölçü trafoları ve uzaktaki İletişim hatları (renu ie com munication Hnei) gibi bazı gerilim darbe kaynaklan özel önlemler gerektirir.

Aşırı yüksek gerilimde iletimin (ultra high voltage trans mission) ve röle ve denetim gereçlerinin pek yaygın ola rak kullanıldığı günümüzde, dagıtnt merkezi tasarımın da geçici gerilim korunması (transient voltage protec tion) ayrı bir önem taşımaktadır. Üretilip, modern dağı tım merkez'ürine yerleştirilen röle ve denetim gereçleri nin elektriksel gürültülü çevrelerde çalışabileceğini doğ rulamak için, \EEE Darbeye Karşı Dayanıkhitk Yeteneği testi {surge vvithstand capability test) tasarlanmıştır.

Bu testte kullanılan dalga biçimi Şekil 1'de görülmekte dir. Geçici dalga, röle ve denetim aygıtının her bir ucu na, herhangi bir zarara ve yanlış işlem yapmaya neden olmaksızın uygulanmalıdır. Bu test, dağıtım merkezj ta sarımında yararlı bir kaynaktır. Çünkü sözkonusu geçici dalga, role ve denetim devrelerinde çok rastlanan bir. dar be şeklidir ve darbeye karşı korunma önlemlerinin uygu lanmasında, darbe büyüklüğü sıfıınriin belirlenmesini sağ lar.

SUMMARY

Povoer Substations are by nature a hostile environment for the precision eleetronic componenis notu bding used in relay and control circuits. Theae components are hıghly sensitive to transient voltages tohich aregenerated in the povoer system and coupled onto relay and control circuits. The transient voltage surges oecuring on the poıver system ere caused by either lightning, suıitching or short eircuits. They enter the control circuits by meansof*kçtro*taticand«le<ctrom<8netic coupling with control cables, bycoupUftg through instrument trantfor mers and by conduetion dut to ground potential diffit rences teithm thetubstetion and b*tween the subttation and remote locations. The us» of shietded control cabtes is effective in controUing most transient voltages in control eircuits but certain sources of surge voltages such as instrument transförmers and remote communication Unes reguire tpecial provisions.

Yüksek gerilim darbesi kaynakları ve onları azaltan veya yokeden aygıtlar, yazının bundan sonraki bölümlerinin konusu olacaktır.

2. GÜÇ DİZGESİ ÜZERİNDEKİ GEÇİCİ GERİLİM KAY NAKLARI

Güç dizgelerinde geçici gerilim ve akımlara neden olan

Uç temel neden vardır.

•

1. Y ıldırım

2. Anahtariama

3. Kısa devreler

, ;.

Her üç neden de farklı > Klik, büyüklük ve uygulanma

Serdar BOZKURT.TEK

......

Albert W. COFFMAN, Pennsylvania Poıuer and Light

Company

2.3 3.0 _

Gerilim KV

Tepe değeri > ilk tepe değerinin % 5O'sl

V

mesi için gerekli zaman tarafından tanımlanır. Şekilde ki tepe gerilimi iletim hattının Yalıtım Düzeyi Tabanına (Base Insulation Level) eşittir. Bununla beraber, herhan gi bir dağıtım merkezi barasındaki bir noktada uygula nan tepe gerilimi, dalga alnının (wavefront) yükselme oranı ile parafudura olan uzaklığına bağlıdır. Parafudur daki gerilim 500 kv'luk bir güç dizgesi için darbe atlama gerilimi 1430 kvolan değeri geçmemelidir.

2.5 3.0

tepe değeri > ilk tepe değerinin % 50'si

Sıkhk= 1.0—1.5 MHZ T o ^ 6 peryot

Şekil 1. Darbeye karşı dayanıklılık yeteneği testi dalga biçimi.

Zaman

vp > 2300 KV

500 KV dizgesi için

Şekil 3. Tipik bir yıldırım darbesi dalga biçimi.

Faz Teline Düşen

Y

ıl

d

ırı

/

m,

(••0

Toprak teline veya direğe düşen yıldırım (b)

Şekil 2. I letim hattı üzerine düşen yıldırım darbeleri.

süresi özellikleri gösterirler. Bunlar aşağıda ayrıntılı bir şekilde anlatılacaktır.

Yıldırım darbeleri (lightning surges) genellikle Şekil T de görüldüğü gibi iletim hattı üzerinde oluşurlar. Yıldı rım, arasıra Şekil 2 a'da olduğu gibi, doğrudan bir faz teline düşer. Daha sık olarak ta Şekil 2 b'de olduğu gibi iletim hattı direğine veya toprak (veya yıldırım) teline düşer. Direkteki gerilim, yıldırım darbesindeki akım ve toprak teli ile buna paralel direk toprağının eşdeğer dar be empedansı tarafından bulunur. Bu gerilim, telin yalı tım direncini aştığı zaman uzak bir istasyonda bir trafo yoluyla topraklanmış olan faz teli üzerine bir atlama ya par. Yıldırım darbesi bir kez bir faz teline düştümü (dal ga hareketinden ötürü) kilometrelerce ilerler. Kayıplar dan ötürü dalga küçülmesi en azdır. Fakat anlık (instan taneous) gerilim artarken korona olayı, dalganın kilomet relerce ilerlemesinden sonra önemli ölçüde düzleşmesine neden olarak, dalga hızını azaltır.

Tipik bir yıldırım darbesi dalga biçimi Şekil 3'de görül mektedir. Böyle bir dalga biçimi, tepe değerine varmak için gerekli zaman ile tepe değerinin yarı değerine düş

Anahtarlama yoluyla olan darbeler, kesicilerin ve ayırıcı ların kapanma veya açılma anlarında oluşurlar. Bunun da nedeni, güç dizgesi donanımındaki elektrik ve elektro manyetik alanlarında biriken enerjinin, dizgeye yeniden dağılmasıdır. Anahtarlama darbesi genellikle, dalga boyu anahtarlanan iletim hattının veya bara bölümünün dört katı uzunluğunda olan salımmlar şeklinde olur. Bu yüz den anahtarlama darbesinin sıklığı 5 mil (8,5 km) uzun luğundaki bir hat için 10 kHz, 750 m'lik bir bara bölümü için 1 MHz'dir. Bir dağıtım merkezine çeşitli uzunluklar da hat ve bara bölümleri bağlandığı için, anahtarlama darbesinin dalga biçimi genellikle karmaşık bir yapı gös terir. Ancak deneysel amaçlar için Şekil 4'dekine benzer bir dalga biçimi kullanılabilir. Herhangi bir dağıtım mer kezi barası üstünde bir noktaya uygulanan anahtarlama darbesi gerilimi tepe değeri, anahtarlama elemanına olan uzaklıkla parafudura olan uzaklığa bağlıdır. Parafudur daki gerilim, açma kapama anında 500 kv'luk bir güç dizgesi için 1180 kv olan darbe atlama gerilim (switcihng surge sparkover voltage) değerini geçmemelidir.

Ener jileme anında bir sığaç üzerindeki gerilim Şekil 5'de görülmektedir. İkinci bir anahtarlama olmazsa tepe geri lim değeri 2 p.u.'yu geçmemelidir. Akım büyüklüğü ve sıklık, sığaç kümesi büyüklüğü ile kaynak ve bara arasın daki endüktans tarafından bulunur. Bu türden bir geçici dalganın sıklık aralığı 200 ile 1000 Hz'dir ve salınım bir peryotun dörtte birinde söner. Uygulamada bu salınım, kaynak gerilimi üzerinde bara ve sığaç gerilimlerinin be raber salınmaya başlamasından önce bir sığ acın bara geri limini sıfıra indirmesinde olduğu gibi kısa, yüksek siklik.li

bir salınım tarafından izlenir. Başlangıçtaki geçici dalga nın sıklık ve akım büyüklüğü, baranın darbe empedansı ile fiziksel yapısı tarafından belirlenir. Sıklığı genellikle

Bu salınım iki sığaç kümesinin gerilimi kaynak gerili mine eşitlenirken oluşan düşük sıklıklı bir salınım üzeri ne bindirilir. Bu türden, ard arda bağlı sığaç kümesinin anahtarlanmasında oluşan salınımın sıklığı 1000 Hz ile 10000 Hz arasındadır ve 1 ile 2 milisaniye içinde söner.

Dağıtım merkezlerinde diğer bir geçici akım ve gerilim kaynağı ise kısa devrelerdir. Kısa devre akımı büyüklüğü, birinci tepe değerinde 45000 amp (RMS) ile 130000 amp (RMS) arasında değişir. Hata akımın DA bileşeni 6S000 amp'e kadar değişir ve bir iki peryotta söner.

5 0 —1 0 0 0 M Zaman

2 3 P.U.

3. GÜÇ Dİ2GELERİNDEKİ GEÇİCİ DALGALARIN 500 10.000 Alsan RÖLE VE DENETİ M DEVRELERİ İ LE

BAĞLAŞIMI

Şekil 4. Tipik bir anahtarlama darbesi dalga biçimi.

Güç dizgelerindeki geçici dalgalar, röle ve denetim devre lerine çeşitli yollarla girerler:

Sığaç Gerilimi

Denetim kablolarıyla darbe bağlaşımı (surge coupl ling) yaparak, Toprak gerilim farklılıklarıyla, Akım trafoları, doğrusal birleştiriciler ve gerilim tra folarıyla, Denetim kablolarıyla AA bağlaşımı yaparak.

P.U.

Volt

Bu yolların tümü, özellikle kablolarla doğrudan bağlaş

maya daha önem verilerek bundan sonraki kısımda anla

tılacaktır. Kablolar için bağlaşma faktörünü belirleyen,

öz ve karşılıklı empedansların hesaplanmasında kullanı

lan denklemler Ek A'da verilmektedir.

Şekil 5. Bir sığaç kümesinin enerjilenmesi sırasındaki gerilimler.

Bir faz teli ile bir denetim kablosu arasındaki en basit bağlaşma, faz teline paralel (koşut) olarak yönlendiril miş topraklanmamış tek bir denetim kablosudur. iki ilet kenin durumu ve üstündeki akım ile gerilimin denklemle ri Şekil 7'de görülmektedir. Denetim kablosu üstünde oluşan gerilim dalgasının nedeni, dizgedeki kabloların uç

Faz teli Denetim Kablosu

Toprak

Şekil 6. Ardarda bağlı sığaç kümesinin enerjilenmesi sırasındaki gerilimler.

0.5 10 MHz arasındadır. Başlangıçtaki salınım olayı, Şekil 6'da görülen ard arda bağlı bir sığaç kümesinin anahurlanmasındaki duruma benzer bir şekilde açıkla nabilir. Şekil 6'da iki sığaç kümesinin gerilimi dengele nirken oluşan yüksek sıklıklı bir salınım görülmektedir.

I . Z + I c Z<,pc

= I.Z, + I Z

<J> <pc

cc

= *\

= Bağlaştırma Faktörü =• Z / Z ,

, de ne t i m kablosu Ş e k ) l 7 B l r f a z t e l ı l l e t o p r a k l a n m j ı m ı s b r smdaki darbe bağlaşımı.

ELEKTRİK MVHENDÎSLtĞt 267 268

noktalarındaki süreksizliklerdir (discontinuities). Sürek sizliklerdeki durum, yani lc=O, denklemlerde yerine ko nur. Böylece denetim kablosu üstündeki gerilim dalgası nın, faz teli üzerindeki gerilim dalgasıyla olan ilgisini gös teren gerilim bağlaşma faktörü (voltage coupling factor), K, bulunur. Denetim kablosunun öbür ucuna varan geri lim dalgası gelen dalga gibi aynı polariteyle yansıtılır. Aynı anda kablonun sonundaki süreksizlikten ötürü, ne gatif polariteli ters yönde giden eşit bir dalga oluşur. Ne gatif dalga pozitif dalgaya eşit olduğundan sonuç olarak yansıtılmış bir dalga yoktur.

tif polariteyle yansıtılır, iletkendeki gerçek gerilim, şe kilde nokta nokta çizgilerle görüldüğü gibi, ileriye ve ge riye giden dalgaların toplamıdır. Yansıtılmış dalga Za man 3'de topraklanmamış uca vardığı anda, polaritesi ve büyüklüğü değişmeden tekrar yansıtılır. Topraklanma mış uçtaki gerilim, başlangıçtaki ileri giden dalga (pozi tif polariteli), ters yöne giden dalga (negatif polâriteli) ve yansıtılıp ileri giden dalganın ( nefatif polariteli) toplamı na eşittir. İletkenin topraklanmamış ucundaki gerilimin dalga biçimi Şekil 10'da görülmektedir. 0.4 p.u. voltluk ilk tepe değeri Şekil 9'daki Zaman 3'de oluşur. Salını

Eğer bir faz telinin yakınındaki bir iletken, koruyucu bir

kılıf ile olabileceği gibi her iki ucundanda topraklanırsa,

akım ilişkileri önceki durumdaki gerilim ilişkilerinin bir

benzeri olur. Bu yapı, Şekil 7'deki denklemlerin admi

tans şeklinde tekrar yazılmasıyla Şekil 8'de gösterilmek

tedir. Bu denklemler, empedans denklemlerindekine ben

zer bir şekilde kablonun uç noktalarında Vc=0 yerleş

tirilerek çözülür. SonuçU akım bağlaşma faktörü (current coupling factor) eksi işaretlidir ve çoğunlukla

gerilim bağlaşma faktöründen farklı bir büyüklüğe sahip

tir. Bunun anlamı şudur: Şekil 8'deki akım dalgası sol

dan sağa doğru ilerlerken, topraklanmış iletkendeki akı

mın yönü sağdan soladır. Bu da akla uygun bir sonuçtur.

Çünkü topraklanmış iletkendeki akım, faz telindeki

akımdan dolayı oluşan akı (flux) değişmesine karşı ko

yar.

Zaman 2

V. Y . + V Y <(> (J>C C C

Şekil 8. Bir faz teli İle topraklanmış bir denetim kablosu ara sındaki darbe bağlaşımı.

Zaman 3

Birçok AA devresinin örneği olabilen bir yapı (İletken y a t a r a bir u ç u n topraklanmışta) Şekil 9'da görülmek tedir. Zaman Vde iletkendeki gerilim, iletkenin toprak lanmamış olduğu durumdaki gerilimin benzeridir. Dalga kablonun topraklanmamış ucuna vardığı zaman, aynı bi çimde ve büyüklükte fakat Zaman 2'de olduğu gibi nega

vukardaki şekiııer Faz telindeki gemim

5 e k i | 9 B î r faz t e l ( | ( e b | r u c u t o p r a k l a n m ( Ş d e n e t ( m k a b l o s u arasındaki darbe bağlaşımı.

ELk KİRİK MÜHENDİSLİĞİ 267 • 268 452

mın nedeni iletkenin her iki ucunda oluşan ard arda yansımalardır. Salınımın dalga boyu kablonun uzunluğu nun dört katı olduğundan, salınım sıklığı kablonun boyu ile bulunur. Salınımın tepeden tepeye genliği, denetim kablosunun boyu ile başlangıçtaki dalganın biçimine bağlıdır. Gerilim dalgasının etrafında salındığı merkez değeri, başlangıçtaki dalganın eğimi ile doğru orantılıdır.

ı.o f.u. volt

• K S'.ı. ut —*

' .;• J ::IM lut+0)

Ve = K (a) = K Sin ut $= T Sin (u,tt O)

Zaman Usan

Şekil 10. Bii ucundan topraklanmış bir denetim kablosunun geçici durum davranışı.

E üin ut $= I Sin (ut+e)

Hata akımlarında veya sığaç enerjileme anında oluşan 60 Hz. gibi düşük sıklıklı geçici dalgalarda, dalga boyu denetim kablosunun boyuna kıyasla o denli büyüktür ki, kablonun kendine özgü salınımları görülmez. Denetim kablosunun topraklanmamış ucundaki anlık gerilim, faz telindeki akımın di/dt oranı ile karşılıklı endüktansının çarpımına eşittir. Sinüzoidal bir akım için kablonun ucundaki RMS gerilim, karşılıklı empedans (mutual impedance) ile RMS faz akımının çarpımına eşittir.

(c)

üstteki Şekiller Faz Teli Alttaki Şekiller Denetim Kablosu

Şekil 1 1 . Bir faz teli ile bir denetim kablosu arasındaki alçak sıklıklı bağlaşma.

Şekil 11 'de faz teli ile denetim kablosu arasındaki üç çe şit alçak sıklıklı bağlaşma görülmektedir. Şekil 11 a'da denetim kablosu topraklanmamıştır ve denetim kablo sundaki gerilim, darbe gerilimi bağlaşımında da kullanı lan bir değişmez, K, ile faz teli gerilimine bağlıdır. Şekil 11 b'de denetim kablosu her iki uçtan da topraklanmış tır ve denetim kablosunun akımı, faz akımına bir bağ laşma faktörü ile bağlıdır. Bu bağıntı, darbe akımı bağ laşma faktörüne benzerdir fakat aynısı değildir. Burada ki farklılığın nedeni, toprak üstünde giden bir iletkenin sıklık artarken endüktansının azalması olayıdır. Şekil 11 c'de de denetim kablosu yalnızca bir uçta topraklan mıştır ve topraklanmamış uçta irgitlenen gerilim (indu ced voltage), faz akımı ile karşılıklı empedansa bağlıdır. Bu durumda şu varsayım yapılabilir: Faz akımının dalga boyu denetim kablosunun uzunluğundan daha fazladır. Böyicce bu varsayıma göre denetim kablosunun karakte ristik sıklık salınımı önemini kaybeder.

Güç dizgelerinde oluşan geçici gerilimler. Şekil 12'deol

duğu gibi toprak gerilimi farkı yolu ile röle ve denetim gereçleri üzerinde etkirler. Toprak akımı, I bir toprak direnci üzerinden aktığı zaman, Aygıt 1'in yakınındaki toprak gerilimi Aygıt 2'nin yakınındaki toprak gerilimin den daha yüksektir. Eğer araçlardan biri topraklanırsa, toplam toprak gerilim farkı diğer aygıtla kendi yerel (lo cal) toprağı arasında oluşur. Eğer her iki aygıt da toprak lanırsa, toprak akımının bir kısmı denetim devresi üzerin den akabilir. Uygulamada toprak gerilim farkını kestir mek oldukça güçtür, ancak bu değer iletim hattındaki faz toprak arası geriliminin büyüklüğüne yakındır. Top rak gerilim farkının, dizgeye giren iletişim devreleri (in coming communication circuits) üzerinde oldukça fazla bir etkisi vardır.

Akım trafolarının ikincil sargılarında, birincil sargıların daki geçici akımın sonucu olarak yüksek gerilimler olu şur, ikincil sargının yükü indüktiv olduğu için, bu gerilim sıklıkla birlikle artarak oldukça yüksek ikincil sargı geri _

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 267 • 26S

Aygıt 1 Denetim veya i letlşlm Devresi o

Aygıt 2 O

bir sığaç kümesinin anahtarlanmasındaki davranış ile eş değer görülebilir.

g

AAAA

TOPRAK DİRENCİ

Şekil 12. Toprak gerilim artışı.

rAZ TELİ

DOĞRUSAL BAĞLA ŞTIRICI

Vs I$ Xc

M . 0 1 3 3 mH

limlerine neden olur. Bir akım trafosu yüksek sıklıklarda doyuma neden olmaksızın, yüksek ikincil sargı gerilimleri üretebilir. Akım trafosu doyuma ulaştığı zaman, Şekil 13'de olduğu gibi yüksek gerilim sıçramaları (spikes) üre tebilir. Bu sıçramaların nedeni akım trafosu çekirdeğin deki akımın yönü değiştiği anda, çekirdeğin kısa bir an için doyumdan çıkmasıdır. Bu süre boyunca akım trafo su çekirdeğindeki akının değişmesi oranı, akım trafosu nun doyumda olmadığı andaki akı değişme oranına eşit tir. Gerilim sıçramalarının tepesi (peak), akıdaki değişme oranı en çok olduğu anda meydana gelir ve bu tepenin büyüklüğü kuramsal olarak trafonun akım değiştirme oranı ile güç dizgesindeki faz toprak arası gerilimin tepe d*&erinin çarpımına eşittir.

Akım trafosu Çekirdeğindeki Akı İkincil Gerilim

şekil 14. Faz telleri İle doğrusal bağlaştırıcı devreleri arasındaki bağlaşma.

Geçici dalgalar denetim devrelerine Şekil 15'de olduğu gibi, bağlaşma sığaçlı gerilim trafoları (coupling capaci tor potential device) yoluyla da girebilir. Bir akım dar besi, gerilim trafosuna bağlaşım sığacı yoluyla girer. Bu durumda geçici akım gerilim trafosunun toprağı ile ikin cil uçları arasında bölünür. Bu noktada üretilen gerilim dalgası, birbirine paralel olan iki yolun darbe empedansı tarafından bulunur. Daha sonra bu gerilim dalgası ikincil uçlara doğru hareket eder. Böylece röle ve denetim dev relerine girer. Gerilim trafosundan toprağa doğru giden darbe gerilim dalgası, negatif bir dalga olarak yansıtılır ve bu dalga gerilim trafosuna varır varmaz, darbe gerilimi azalmaya başlar. Bu yüzden bir gerilim trafosu ikincili üzerindeki darbe gerilimi büyüklüğü,gerilim trafosu ikin ciline giren darbe akımı büyüklüğü, gerilim trafosu ile toprak arasındaki uzaklık ile bulunur. Fakat gerilim tra fosu toprağı üzerindeki bir taşıyıcı akım boşaltma bobini (carrier current drain coil) yukarıdaki durumu biraz kar ma sıklastırır.

Şekil 13. Akım trafosu ikincil sarımında oluşan gerilim sıçra maları.

FAZ TELİ

Doğrusal bağlaştırıcılar (linear couplers) darbelere karşı kısmen duyarlıdır, çünkü bunların çıkış gerilimi Şekil 14'te olduğu gibi sıklıkla doğru orantılıdır. Y üksek sık lıklı geçici bir dalga LC birincil sargısından geçtiği zaman ikincil sargıda oluşan yüksek gerilim doğrusal bağlaştırı cının ikincil çıkışlarının bir veya birkaç yerinde arızaya neden olur. Böylece ikincil sargıda dengesiz bir gerilim oluşur. Bunun sonucunda da röleler hatalı işlem yapar lar. Herhangi bir arıza meydana gelmemiş olsa da yüksek ikincil sargı gerilimi doğrusal bağlaştırıcının sarım ora nındaki önemsiz hataları büyütebilir, böylece rölelerin yanlış işlem yapmasına neden oluriar. Bu olay genellikle

Bağlaşım \ Sığadan

Gerilim trafosunun darbe empedansı şekil 15. Faz telleri İle gerilim trafosu devresi arasındaki bağ laşma.

4. DARBE GERİLİMLERİNİ DENETLEME Y OLLARI

Denetim devrelerine kablolarla doğrudan veya gerilim trafoları yoluyla bağlaşarak veya birçok durumda oldu ğu gibi toprak gerilimi artışı yoluyla giren darbe gerilim leri, her iki uçta kılıfı topraklanmış kabloların kullanıl masıyla en iyi bir şekilde denetlenebilirler. Kılıflı kablo nun etkisi Şekil 16'da görülmektedir.

Kılıflı bir kablonun, herhangi bir darbe gerilimine olan tepkisi Şekil 16 a'.da gösterilmektedir. Kılıf akımı, faz akımına akım bağlaşma faktörüyle bağlıdır. Kılıf akımı tarafından kablo üzerinde irgitlenen gerilim, kılıfla kablo arasındaki karşılıklı empedansı (Z^) kullanarak bulunur. Herhangi bir kılıflı koaksiyal kabloda, kılıf ile kablo ara sındaki karşılıklı empedans (Zsc), kılıfın öz empedansına ( z s ) eşittir. Aynı zamanda faz teli ile kılıf arasındaki kar şılıklı empedans (Z0 s) ise faz teli ile kablo arasındaki karşılıklı endüktansa (Z0 c) eşittir. Bu değerleri yerine koyduğumuz zaman kılıf akımından ötürü denetim kab losunda irgitlenen gerilimi, faz akımından ötürü kabloda irgitlenen gerilime eşit fakat ters işaretli olarak buluruz. Superpozisyon yöntemi kullanılırsa kablo üzerindeki toplam gerilim, kılıf akımından Ötürü irgitlenen gerilim ile faz akımından ötürü irgitlenen gerilimin toplamına eşittir. Böylece, faz akımından ötürü denetim kablosu üstünde irgitlenen darbe gerilimi tamamen yok edilmiş olur.

Şekil 16 b, kılıflı bir kablonun, ortamda alçak sıklıktı ge çici dalgaların bulunması durumundaki davranışını gös

termektedir. Denetim kablosu üzerindeki gerilimin kılıf tarafından yok edilmesi olayı, darbe gerilimi olayının yok edilmesi gibidir. Yalnızca darbe empedansı yerine reaktanslar kullanılır.

Şekil 16 c'de ise kılıflı bir kablonun, toprak gerilim far kı olan bir ortamdaki davranışını göstermektedir. Kılıf akımı toprak gerilim farkının büyüklüğü ile kılıfın öz empedansı (Xs) tarafından bulunur. Kılıf akımından ötürü kablo üstünde irgitlenen gerilim, kablo ile kılıf ara sındaki empedans (X$c) ile bulunur. Kablo ile kılıf ara sındaki karşılıklı empedans (Xsc) kılıfın Öz empedansına eşit olduğundan, kılıf akımından ötürü kabloda oluşan gerilim tam olarak toprak gerilim farkına eşittir. Böyle ce kablonun herhangi bir ucundaki, denetim kablosu (X$) ile toprak arası gerilimi yok edilir.

Böyle durumlarda kılıfın etkinliği kılıf direnci tarafından azaltılır. Bu direnç darbe gerilimleri için önemsizdir, fa kat 60 Hz'lik geçici dalgalar için kılıfı oldukça etkisiz yapar. Böyle durumlarda, yakın bir yere yerleştirilen dü şük dirençli topraklanmış bir iletken, düşük sıklık giri şimine (low frequenc interference) karşı iyi bir koruma yapacaktır. Gerçi yakına yerleştirilen bir iletkenin, di rençsiz kılıflı koaksiyal bir kablo gibi etkili olabileceği fiziksel olarak olanaksızdır, ama yakına yerleştirilen bu iletkenin, kılıfın bir ucundan diğer ucuna olan toprak ge rilim farklılıklarını azaltmakta ek bir yararı vardır. Böy lece kılıf akımları denetlenir ve kılıfın yanması önlenir. Kılıfın yanması birçok dağıtım merkezinde sorun yarat masa da, yüksek kapasiteli elektrik üretim ve dağıtım merkezlerinde bu konu göz önüne alınmalıdır.

E Sin ut

I Sin (üit+8)

Is

t£

±>

•G

I. İ4L i* xa

= Is *ac

X ^3 Xgg B8

(«0

Şekil 16. Topraklanmış, kılıflı koaksiyal kablonun etkisi

X (jıC (b)

I s = Vg Xa

Vc = Ig XQC xsc xTVg

= Vg (c)

Etkisizleştirme veya yalıtma trafoları, uzak istasyonlara giden kablolar üstündeki toprak gerilim farklılıklarına karşı koruma amacıyla sık sık kullanılırlar. (Şekil 17 ve Şekil 18'e bakınız). Etkisizleştirme (neutralizing) trafo larının ortak bir çekirdek üstünde çeşitli sargıları vardır. Gelen her bir hat için bir sargı bulunur ve etkisizleştirme sargısı diye adlandırılan fazladan bir sargı da, uzaktaki toprak ile yerel toprak arasına bağlanır. Etkisizleştirme sargısı, kılıflı koaksiyal kabloda olduğu gibi diğer sargı lardaki toprak gerilim farkına eşit bir gerilim oluşturur. Uzaktaki toprağa bağlı hattın, devreye giren diğer hat lar gibi aynı yolu izlemesi önemlidir. Etkisizleştirme trafoları AA veya DA devreleri için kullanılabilirler ve 50 veya 60 sargı bulundurabilirler. Bu yüzden büyüklüğü, ağırlığı ve maliyeti oldukça fazladır. Genellikle bu trafo lar, ikincil üzerine yerleştirilen neon lambası veya karbon oloKları gibi tamamlayıcı koruma düzenleri ile kullanıla bilirler.

Yerel Denetim veya İletişim Devresi

Gelen Kablo

devreleri için kullanılırlar ve her bir trafoda yalnız bir çift tel kullanılabilir. Genellikle bu trafolar da, neon lam baları ve karbon blokları gibi tamamlayıcı koruma düzen leri ile kullanılırlar.

Şekil 19 geçici gerilimleri tutmak için mevcut diğer araçları özetlemeketedir. Bunlar yalıtım atlama özelliği olan araçlar (gap breakdown devices), yarı iletken araç lar ve sıklığa duyarlı araçlar olarak sınıflandırılabilirler.

Yalıtım;AtJanıa_ÖzeJ!ikii_O!ania_r

Karbon Blok Ark Boynuzu Gaz Boşaimalı tüpler. Neon lambası

Yarı Metkenler

Zeııer Thyrite M.OV. Optik Bağlaştırıcı

Sıklığa Duyarlı Olanlar

Şönt Sığaç Bypass Sığaç Seri İrgitleç Etkin ve Edilgin Su/geç

Sekil

lygıtljr.

Sekil 17. Etkisizleştirme trafosu.

v aliŞtjm atlama özelliği olan araçlar mevcut akımıır tümü nü taşıyabilir, fakat bu araçlar düşük tekrarlanabilir dar be atlaması gerilim genliği (low rapeatability of sparko ver voltage magnitude) özelliği gösterirler ve akım akışını durdurmak için yardımcı kesici araçlar gerektirebilirler. Yalıtım atlaması özelliği olan araçlardan biri olan gaz boşaimalı tüp en duyarlı olanıdır..

Yerel {' Denetim j Devresi (.

Yerel Toprak

Genel Kablo

Uzaktaki Toprak

Piyasada yarı iletkenlerden yapılan araçların çok çeşidi vardır. Bunlar genellikle zener diyotlar, thyrite'lar veya M.O.V'lar olarak sınıflandırılırlar. Zenerlertek yönlüdür ler ve oldukça yüksek empedans ve düşük akım taşıma yeteneği gösterirler. Düşük akım uçuna yeteneği, yük sek sıklıktaki akımhrda, Zenerin bit sığaçla paralel (by pass) bağlanmasını gerei t i > . Thyrite vt M.O.V. iy ol dukça yüksek akıin ta;*ma /deneği olan iki yöüüi araçlardır, Thyrite genellikle geçici dalga geçtiktin . >n ra pozitif açma sağlayabilemek için yalıtım atlama b e l likti bir aygıt ile seri oiarak kullanılır.

Şekil I 8. Y alıtım trafosu

Yalıtma trafoları yerel bir devre ile devreye giren kablo lar arasında elektriksel yalıtım sağlarlar. Bu trafolar AA

Geçici dalgaya karşı diğer bir koruma yolu da optik '> ıf laşmadır (optical coupling) ki bu yol bir devrenin lıer iki kısmı arasında tam bir elektriksel yalıtım sağlaı. Bu ay gıtlar ya sayısal (digital) bilgi geçiren foto diyotlar. ya da örneksel (analog) bilgi geçiren foto tranzistörler kullanır

ELEKTRÎKMÜHENDİSLİĞİ 267 268 456

lar. Ayrıca bu aygıtlar yüksek gerilim yalıtımı sağlaya bilmek için ışık boruları (ligin pipes) ile de kullanılabilir ler.

Geçici dalgayı yokeden aygıtların sonuncusu ise sıklığa duyarlı olanlardır. Bu aygıtların, en basiti, herhangi bir denetim devresinin terminali ile toprağı arasına yüksek sıklıklı geçici dalgaları süzmek için şönt edilmiş bir sığaçtır. Bu türden aygıtların özel bir çeşidi ise yüksek sıklıklı geçici akımlar için bir zener üzerine paralel bağlı bir sığaçtır. Bazen seri bir bobin geçici akımı tutmak için kullanılır ve genellikle de basit bir süzgeç oluştur mak için bir sığaç ile şönt edilir. Daha ileri düzeydeki et kin ve edilgin süzgeçler (aetive, passive filters) bazı ge çici akım çeşitlerini tutabilmek için yapılırlar. Sıklığa duyarlı tüm aygıtların ortak bir kusuru vardır. O da bağ landıkları devrede faz gecikmesine ve genlik kaybına ne den olmalarıdır, fakat bu birçok durumda bir sorun ya ratmaz.

4. SONUÇ

Geçici yüksek gerilim dalgaları röle ve denetim gereçle rinde bazı sorunlar yaratmalarına karşın, lEEE'nin Darbeye Karşı Dayanıklılık Yeteneği testi sınırları iç*inde uygun bir şekilde denetlenebilirler. Bir güç dizgesindeki darbe dalga biçimi ile herhangi bir denetim devresinde irgitlenen dalga, tam olarak belirlenemezler. Bununla be raber, bu sorunların kaynağını belirlemek ve uygun bir çözüm önermek için oldukça iyi bir yaklaşım yapılabi lir. Yüksek gerilim alanı içinde kılıflı denetim kablosu ile dizgeye giren iletişim devreleri arasında yalıtın :rafo ları kullanarak, bu türden olası birçok geçici dalga sorun ları çözülebilir.

/.) G.igul lii enç.ohrrvmetre D — eşdeğer toprak dönme derinliği

== 2160 v P/f, GMR = Geometrik ortalama yarıçap, feet r = iletkenin yarıçapı, feet iv Reaktans Yer Üstünde Bir İletken İçin X0 = J0.004657 f log, „ Oe/GMR 0) ohm 'mil Sonsuz Toprak Düzlemi Üzerindeki Bir İletken İçin X0 = J0.004657 1 lojc, i 1U : .'« MR 0 ) oh" '«ıil Kar^ılıkL İndüktu Reui:r .i'i•• Yer Üstünde İki İletken için

X<pc = j0.004657flogı0(De/Dc)ohm/mil Sonsuz Toprak Düzlemi Üzerindeki İki İletken İçin X0c = J0.004657 f logj o (D* 0e /D0c) ohm/mil Bir İletkenin Darbe Empedansı Z(p= 138 logıo(2h0/ r<f>) ohm tki İletkenin Karşılıklı Darbe Empedansı Z<JK = 138 log ı0 (D'0c/D0c) ohm

EK A iletim Hattı Empcdaıısının Bulunması

Faz Teli ( 4>) Denetim Kablosu (c) ıc

Denettm Kablosu İmajı

Faz Teli İmajı

Kullanılan Terimlerin Tanımı f = Sıklık, Hz ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 267 • 268

KAYNAKLAR

1. American National Standards Institute; "Guide for Surge VVithstand Capability (SWC) Tests." ANSI C37.90a 1974

2. Bewley, L.V., "Traveling VVaves en Tr.ınsmission Systems." Newyork, Dover Publications, 1 9 t i

3. Kauffmann, R.H., and CamiHî, G. "Över Voltage Protection of Current Transformer Secondarv *Vin dings and Associated Circuits." A l t E Tr.nsact.ons, Volume62(1943),p.467

4. Kotheimer, W.C; "Theory of Shielding and Ground ing of Control Cables to Reduce Surges", Pennsyiva ni» Electric Association Fail Meeting, 5 Ekim 1973.

5. VVestinghouse Electric Corporation; "Electrical Trans mission and Distribution Reference Book." E ast Pitt burgh, Pennsylvania: Westinghouse Corporation, 1964.