GÜÇ SİSTEMLERİNDE OTOTRANSFORMATÖRLER

güç sistemlerinde ototransformatörler

1. GÎRÎŞ

Güç sistemlerindeki transfor matörleri; fiziksel bağlantı biçimlerine göre iki bölümde toplayabiliriz:

1. Oto bağlı (auto connected) transformatörler

2. Tam bağlı (full connected) ya da "iki sargılı" trans formatörler.

îkinci bölümdeki "tam bağlı" deyimi olayı "iki sargılı" dan daha iyi tanımlamaktadır. Çünkü bir transformatörde ü çüncü ve dördüncü sargılar da bulunabilir.

Ototransformatörler, ileride tartışacağımız nedenlerden, iletim sistemindeki güç trans formatörlerinin çoğunluğunu oluşturur. Ototransformatör leri "tam" transformatörler den ayıran nitelikler; bir sistem ya da uygulama çalış masında ototaransformatörle re daha bir özen gösterilme sini gerektirir.

2. OTO BAĞLI TRANSFORMATÖRLER

Şekil I1de oto bağlantı en basit biçimiyle gösterilmiş t i r . Bu b a s i t şemadan o t o transformatörün birincil üs tünlüğü kolaylıkla çıkarıla bilir.

I Tl

Şekil 1. Ototransformatör bağlantısı

Bir oto transformatörün fizik sel boyutunu aynı çıkış gücün deki "tam" transformatör ile karşılaştırdığımızda aşağıda ki bağıntıyı yazabiliriz;

Ototrafonun eşdeğer gücü =

"tam" trafo gücü x(1 î )

(1)

Bu bağıntıda V /Vn oranı l'e x yaklaştığında ototrafo, tam

trafodan çok daha küçük ola

caktır. Eğer V / V oranı kü

çükse, oto üstünlüğü yok o

lur. İleride tartışılacak o

lan belirli sorunlar; oto

bağlantı ile dönüştürmenin

yararlı olabileceği V / V o

ranını sınırlamaktadır.

Şekil l'deki bağlantı ve faz diyagramından, ototrafoda faz kaymasının olmadığını görürüz. Bu ise ototrafonun kullanılı şını sınırlar. Örneğin oto transformatörler bağlantı grupları farklı iki sistemi birleştirmede kullanılamaz.

Buradaki ototrafo yıldız bağ lıdır ve bu bağlantı biçimi en yaygın olanıdır. Ototrafo nun nötrü topraklanarak, düşük yalıtım kullanılabilir.

Yukarıda anlatılan nitelikler ototrafonun yüksek gerilim i letim sistemlerinin birbirine bağlanmasında çok uygun oldu ğunu ortaya koymaktadır. Çün kü bu tür sistemler çoğunluk la yıldız bağlı, topraklı ve aynı fazdadırlar.

3. ÜÇÜNCÜL SARGILAR

Ototransformatörlerde; çoğun lukla, üçüncül (tersiyer) sar gı diye anılan bir üçüncü sar gı vardır. Bu sargı oto bağ lantıdan ayrıdır.

Üçüncül sargı bulundurulması nın nedenlerini şöyle özetle yebiliriz: 1. Bu sargıya, reaktif güç kompanzasyonu sağlamak için şönt reaktör bağlanabilir. 2. Dağıtım merkezinin kendi enerji gereksinimini kar şılamak için (380/220 V) bu sargıya servis trafosu konabilir. 3. Üçüncü harmonik akımların tutulması için U. Sıfır bileşen empedansın düşürülmesi için Ototrafo, eşdeğeri tam trafo dan daha büyük gücü bir geri limden diğer gerilime dönüş türebildiği için verimliliği daha yüksektir. Empedans ve kayıplara bağlı olduğundan, ototrafolarda regülasyon da düşüktür.

4. OTOTRAFOLARA ÎLİŞKÎN SORUNLAR

4.1 Yalıtım Çekirdek tipi bir transforma törde sargı, çekirdek bacağı nın boyunu aşacağından sargı lar çekirdeğe tabaka halinde yerleştirilir ve çekirdeğe en yakın sargı en düşük ge rilimli olanıdır.

Ototrafoda, sargılar tam tra fodakiler gibi yerleştirilir. Ortak sargı çekirdeğin en yakınına konur ve seri sargı bunun üzerine yerleştirilir.

İki bağlantı biçimi (oto ve tam) karşılaştırıldığında te mel fark görülebilir. Bu fark, geçici aşırı gerilimlere kar şı sargıların yalıtılmasında önemlidir (Şekil 2 ) .

Şekil 2. Ototransformatörün seri sağısının darbe gerilimlerine karşı korunması

Şekil 3.

750 MVR ve 400/220 kV'luk bir oto transformator

Şekil 4.

AEP (ABD) sisteminde 765/345 kV'luk ototransformator merkezi

tki sargılı transformatörde, yüksek gerilim sargısı toprak lıdır ve yalıtımı çoğunlukla düşürülmüştür.' Eğer seri sar gı düşünülecek olursa; gerilim dalgaları (voltage surges) sar gıya hem AG (alçak gerilim) hem de YG (yüksek gerilim) hat tından gelir.

Tasarımcı yönünden seri sargı nın yalıtımı önemli bir sorun dur.

Şekil 2'deki gibi YG hattından .bir gerilim dalgası geldiğini varsayalım. Eğer gösterildiği gibi nötr topraklıysa, soruna aşağıdaki biçimde de yaklaşa biliriz:

AG uçlarına bağlı hatların dalga empedansı (surge impe dance, characteristic impe dance) oldukça düşüktür ve pratik olarak topraklı sayı labilir. Bunun anlamı; hatta görülen gerilim dalgası; top rağa kadar olan tüm sarımlarda değil, yalnızca seri sargının sarımları üzerinde dağılır. V /VJJ oranı l' e yaklaştıkça seri sargıdaki sarım sayısı azalır ve yalıtma güçleşir. Dalga gerilimini sınırlamanın bir yolu; sergi sargının uçla rı arasına parafudur türü ko ruyucu aygıt koymaktır.

Hatta gerilim dalgası göründü ğünde nötr topraklı değilse, daha değişik bir sorunla kar şılaşırız.

Hatta görünen gerilim; AG/ (YG AG) oranında ortak sargı ya aktarılır. V / V H oranının l'e yakın değerlerinde bu oran yüksektir. Bu artırıcı etken de yalıtma sorununu karmaşık laştırır.

Bu tür sorunlar; ototrafola rın kullanımını, gerilim oran larını en az 1,1 olarak sınır lamaktadır.

4.2 Kısa Devre Empedansı

Bir trafonun kısa devre empe dansı; sargıların çekirdek ü zerindeki fiziksel yerleşti rilişine ve sargılar arasında

ki yalıtma aralıklarına bağlı dır.

Empedansı X olan bir tam trans

formatör ototransformatör ola

rak bağlansa; ototrafonun kısa

devre empedansı aşağıdaki gibi

olur.

Xoto~ Xtam

) (2) VH

Bunun anlamı; ototrafonun em pedansı doğal olarak tam tra fonun empedansından daha kü çüktür. Daha büyük empedans elde etmek için 2 nolu denkle min parametrelerini ayarlaya cak ototrafo tasarımı yapıla bilir. Ancak böyle bir tasa rım uygun çözüm olmayabilir.

"sn

TRAHSTORMT0K

*:! tay.

VX

Şekil 5. Kısa devre çalışması için eşdeğer devre

Ototrafo empedansIJ tasarım yönünden çok önemlidir. Çünkü transformatör kısa devreye karşı,başarıyla dayanmalıdır.

Çok sargılı transformatörler ve özellikle ototransformatör lerin kısa devre hesaplamala rında; her sargı için hangi uçta ne tür bir arızanın en yüksek kısa devre zorlanması na yol açacağı gibi, çok sa yıdaki durumun incelenmesi gerekir.

Yukarıdaki belirlemeyi yapa bilmek için, yapımcının tüm sistem parametrelerini bilme si gerekir. Sistem empedans larinin, yalnızca arıza akım larının mutlak değerlerinin bulunmasında değil, ayraca en büyük kısa devre zorlanma larını doğuracak koşulların belirlenmesinde önemli bir etkisi vardır.

W*'»

Şekil 5a. AG çıkışındaki tek faz toprak kısa devresi hesaplaması için eşdeğer devre

Bir tipik ototrafonun kısa devre hesaplamalarında; yuka rıda anlatılan etkenlerin na sıl bulunacağını inceliyelim:

Sistem empedansı Transformatör

400 kV .. % 1

230 kV .. % 2,5

Baz; 150 mVA

X _ = % 10,5 HX XJJ_ = % 47,5 Y 3 ^ ^ = % 35

Transformatör: 150 MVA, 400/230/13 kV

Üzerinde çalışılan ototrafo nun en kötü koşulunu saptamak için aşağıdaki arıza türleri

nin incelenmesi gerekir: 1. Tek faz toprak arızası 2. 3 faz simetrik arıza 3. Faz faz arızası Bu arızaların sırasıyla 3 sar gının her birisinde olduğu varsayılmıştır.

Aşağıdaki çözümlemede değiş kenlerden biri Xo/Xı oranıdır. Bu oran arızanın niteliğine göre değişir. Bu hesaplamalar da bilgisayar tekniklerinin kullanılması büyük kolaylık lar sağlar.

Arıztnın , .„ türU ve V 1 'ortak •«seri yeri

3F H FF H FF Y

11.1 8, 8

11,7 8. 5

11,8 8, 2

11,8 7, 8

ç

11.7 7 5

8.7 8, 7

9,2 9, 2

7,5 7, 7

6,4 7,2

5.4 6, 6

4,6 6, 2

3.9 5, 8

7.7 7, 7

7,2 8. 2

10İ2 11.6 12.S 13,3

_ _ 0,8 2,4 3,9 5,1 6,1

20,9

Not:

Arızanın türü

TFT Tek faz toprak arızası 3F Oc faz simetrik arıza FF Faz faz arızası

Arız inin yeri

Alçak gerilim sargısı (400 kV)

Yüksek gerilim sargısı (230 kV)

Y

Tersiyer sargı (13 kV;

Tablo 7 .

Tablo l'deki değerlerden her sargı için en kötü arıza ko şulunu kolaylıkla bulabiliriz.

Sargı

Arızanın tUril v.yr1 V l

Tn X

Sert

FF X

OçUncUl (ttrslyv)

Tablo 2.

Ortak sargıdaki en yüksek a kım AG tarafındaki TFT arıza sında ve ^ol^ı oranı 3 oldu ğunda doğmaktadır.

Yukarıdaki kısa devre hesap lamalarını kaynağı "sonsuz bara" alarak tekrarlarsak, aşağıdaki tabloyu buluruz.

Arızanın türü ve

V"l

'ortak 'seri

3F H FF K 3F Y

12.1 9,6

13,4 9.7

14,1 9.7

14.6 9.7

15,1 9.7

9,5 9,5

8.3 8.3

9.7 9,5

10,0 9,5

9,5 9.5

8.2 8,2

7,9 11,8 14,2 15,7 16,8

0,7 1,0 1,2 1,4 1.5

21.5

Tablo 3.

Bu durumda her sargı için en kötü arıza koşulu;

Sargı Arızanın t Uru ve yeri Vl

.

Seri

•

Ocüncül (tersiyer)

• Kısa devre akım X /x, oranı bUylidUkce

artmaktadır.

°'

Tablo 4..

Seri sargı için en kötü koşul AG tarafındaki TFT arızasıdır.

Yukarıdaki örneklemeler; oto trafonun en kötü koşulunu be lirlemek için yapılan kısa devre hesaplamalarının biraz karmaşık olduğunu ortaya koy maktadır. Çözümün sağlıklı olması, sistemdeki tüm para metrelerin alınıp almamama sına bağlıdır. Parametrele rin gerçek değerleri buluna bilecek ise, varsayımlar yap maktan kaçınılmalıdır.

5. OTOTRANSFORMATÖRLERİN TAM TRANSFORMATÖRLER ÎLE KARŞILAŞTIRILMASI

Yukarıdaki kısa devre hesap lamalarını aynı çıkış empe danslı bir tam trafo için tek rarladığımızda; AG sargısın daki kısa devre akımını oto trafonun ortak sargısındaki kısa devre akımıyla karşılaş tırabiliriz. Ototrafonun or tak sargısındaki en büyük kı sa devre akımı anma akımının 11,8 katı olduğu halde, tam trafonun AG sergisindeki kısa devre akımı anma akımının 8,2 katına düşmektedir.

6. OTOTRANSFORMATÖRLERDE GERİLİM AYARI

Transformatörlerde gerilim ayarı; ya boşta kademe de ğiştirme (BKD) ya da yük al tında kademe değiştirme (YAKD) yöntemleriyle yapılır. Yük al tında kademe değiştirme yön

teminin kullanılması çok yay gındır ve bu atraçla birçok ül kelerde tek tip aygıt kulla nılmaktadır.

Transformatörlerde YAKD, ya faz geriliminin ya da faz açı sının denetlenmesi için, ba zan da her iki işlevin bir a rada yapılması amacıyla kulla nılır. Burada yalnızca faz gerilimi nin ayarı üzerinde duracağız. Gerilimin ayarı iki nedenden gerekebilir; 1. Transformatöre gelen geri lim değişkendir. 2. Yüke bağlı gerilim değiş melerini karşılamak için trafo çıkış geriliminin değiştirilmesi istenebilir. Kademe değiştirme aygıtının devrede nereye yerleştirile ceği, aygıtın ne nitelikte olması gerektiğini de belir ler. Aygıtın elektriksel yer leştirilişinde aşağıdaki nok talar gözönünde tutulmalıdır; 1. Ayar devresindeki akımın büyüklüğü 2. Gerekli yalıtkanlık düzeyi 3. Transformatörün empedans niteliği 4. Akı yoğunluğunun değişin.j. Ototransformatörlerde YAKD uy gulaması, hem müşteri hem de yapımcı yönünden üzerinde ö zenle durulması gereken bir konudur. Şekil 6'da kullanılabilecek temel düzenlemeler verilmiş tir.

KADUOLMR MOTK

KADtHELBRİH IHVIRÎLMİS SARGIYLA BAĞLANTISI I»

YG AYAKLAMIYOR AG AYARLANIYOR

Şekil 6. Gerilim ayarı devresi nin ototransformatöre yerleştirilişi

Şekil 6.a'da YAKD, nötr çıkı şına ya da ortak sargıya yer leştirilmiştir. Nötr toprak lıysa, YAKD, nötr çıkışında kinden daha büyük bir yalıtı mı gerektirmez. Şekil 6.b,c ve d'de; YAKD, il ke olarak ortak sargıya yer leştirilmiş ve sargıya eşit yalıtılmıştır.

Şekil ö.b'de akım seri sargı dadır. Şekil ö.c'de akım, ayar sargısındadır ve en çok ortak sargı akımına yükselmektedir. Şekil ö.c'de akım AG sargısı nın akımına ulaşmaktadır ve en yüksek değerde olanıdır.

Şekil 6.b,c ve d'de artan ge rilim kadar ayar devresine sarım eklendiğinden akı yo ğunluğu değişmez. Şekil 6.a1 da ise akı yoğunluğu kademe konumuna bağlı olarak değişir.

6.1 Akı Yoğunluğunun

Değişmesi

Kademe değiştirici, değişken gerilim alan sargıların dışı na konuyorsa, akı yoğunluğu nun değişeceği söylenebilir. Akı yoğunluğunun değişmesi; sarım başına gerilimin anma değere göre sapmasının sonu cudur.

Ototransformatörlerde YAKD or tak sargıya yerleştirilirse; akı yoğunluğu kademe konumuna bağlı olarak değişir. Burada akı yoğunluğu gerilimin hangi taraftan (AG ya da YG) ayar landığına bağlı değildir.

Şekil 8'de çekirdek akı yo ğunluğunun kademe konumuna bağlı olarak (V /Vu oranları için) değişmesi verilmiştir. Buradan da görüleceği gibi,

Şekil 7. Yük altında kademe değiştirme aygıtı Elektrik Mühendisliği 223

K) 15

ıs K> s o s o e•

Şekil fi. Kademe konumu ve gerilim oranının işlevi olarak transformatör akı yoğunluğunun değişmesi

akı yoğunluğunun değişimi gerilim oranının bir işlevi dir.

Sarım başına gerilimin değiş mesinden gelen akı yoğunlu ğundaki değişme; çekirdek kesitinin normalin üzerinde olmasını gerektirir. Bu da, transformatörün ağırlığının ve boyutlarının artmasına ve böylece maliyet yükselme sine yolaçar.

Diğer bir sorun ise; çekir dek üzerindeki diğer sargı ların akım yoğunluğunun de ğişmesinden etkilenmesi ve ayar devresinin dışındaki sargılarda istenmeyen geri lim dalgalanmalarının doğma sıdır. üçüncül sargılar buna örnek gösterilebilir.

6.2 E m p e d a n s D e ğ i ş m e s i

Transformatör empedansları da YAKD aygıtının yerleştirilme sinden etkilenir.

2 nolu denklemden; transfor

matör yüzde empedansının ka

deme konumuna bağlı olarak

değiştiğini söyleyebiliriz.

Çünkü |l (V /V )| terimi ka

deme konumuna bağlıdır ve em

pedanstaki değişme sarım ba

şına gerilimin de değişmesine

yolaçar.

Ayar sargısının çekirdek üze rinde; ortak ve seri sargıla rın arasına ya da seri sargı nın dışına yerleştirilmesi de transformatörün empedans ni teliğini etkiler.

RCS

rrİlli

I1

11 0

Şekil 9. Kademe konumunun ve ayar devresinin yerleş tirilişine bağlı olarak empedansm değişimi

Şekil 9'da; YAKD aygıtının o t» transformatörün nötrüne ya da ortak sargısına yerleştiri lişine bağlı olarak empedans değişmeleri verilmiştir. Ayrı ca transformatörün yalnız ba şına ya da diğer birimlerle paralel olarak çalışmasının da empedans değişmelerini et kileyeceği söylenebilir.

Standartlar bu konuya çok az değinir ve genel olarak trans

formatörlerin anma gerilimin deki empedansları belirli sı nırlar içerisindeyse, trans formatörlerin paralel çalışa bileceğini söyler. Ancak, pa ralel çalışma için kademele rin en üst ve alt değerindeki empedansların da belirli sı nırlar içerisinde olması ge rekir.

6.3 A y r ı K a d e m e Değiştirme Birimleri

Ayarlanması istenen gerilim arttıkça, alışılmış YAKD yön temlerinin yeterli olmadığı görülür. Geleceğin büyük güç lü transformatörlerinde; çok büyük akımlar taşıyacak YAKD aygıtlarının yapılması pratik olmayacaktır. Bu durumda; güç transformatörüne dışardan bağ lanan ayrı kademe değiştirme birimlerinin kullanılması ge rekecektir.

7. ÖZET

Günümüzün EYG ve UYG sistem lerinde yararlılıkla kullanı

labilecek ototransformatörlerin tam transformatöre göre üstün lüklerini şöyle özetleyebiliriz:

1. Fiziksel boyutlarının küçük Jüğü,

2. Verimliliğinin daha fazla olması,

3. Daha iyi gerilim ayarının y ap il ab i İme s i,

A. Maliyetlerinin daha düşük olması.

Oto bağlı transformatörlerde; empedans özeğrisi (characteris tic), kısa devre zorlanması ve yük altında kademe değiştirme üzerinde önemle durulmalıdır. UYG sistemlerinde transformatör güçleri çok büyüyecektir. Bu durumda ototransformatör uygula masının yeniden gözden geçirile ceği ve tam transformatörlerle karşılaştırıldığında varolan üstünlüklere bazı durumlar için yenilerin ekleneceği sanılmak tadır.

(Autotransformers in Power Sys tems. B.G.Klinga, Power Divi sion, ASEA, VâsterSs, İsveç)

Şekil 10. 500 MVA'lık 140 kV ± % 10 gerilim ayarı yapan bir transformatör Elektrik Mühendisliği 223