SİSTEM YÖNÜNDEN DEVRE KESİCİLERİ

sistem yönünden devre kesicileri

1. YALITKANLIK DÜZEYLERİ

Yüksek gerilim aygıtlarının ya lıtkanlık düzeyleri; kısmen edi nilen pratik deneyimlerden, kıs men de (örneğin parafudurlar) ça lışma niteliklerinden kaynaklana rak bulunur. Şimdiye kadar şart namelerde (spesifications); ay gıtların yalıtkanlık düzeyleri; TYD, temel yalıtkanlık düzeyi (BİL, Basic Insulation Level) ola rak bilinen yıldırım darbelerine karşı iayanma gerilimi i l e "1 dak. test değeri" diye bilinen güç frekansındaki aşırı gerilimlere karşı dayanma gerilimi i l e be lirleniyordu. Şimdi, manevra (svitch ing) aşın gerilimleri de gözönü ne alınıyor ve çok yüksek geri limli sistemlerin yalıtkanlık düzenlemesinde (insulation co or dination) belirleyici rol oynuyor.

1 . 1 . 100 kV'un ü z e r i n d e k i Gerilimler

Şekil l'de seçilmiş bazı sistem gerilimleri için, yeni uluslara rası devre kesicisi standartı (IEC yayınlan.! 56 2, 1971) i l e en son çıkan yalıtkanlık düzenlemesi standartında (IECyayınları, 71, 1971) verilen yalıtkanlık düzey lerinin bir karşılaştırması ya pılmıştır. 245 kV'a kadar olan sistem gerilimlerinde fark çok büyük değildir. Ancak, yayın 56* da kullanılan; tam yalıtma (nötrü tam topraklı olmayan sistemler için geçerli) ve düşük yalıtma (nötrü tam topraklanmış sistem ler için geçerli) kavramlarına yayın 71'de rastlanmıyor. Ayrıca yayın 71'de, sistemleri tanımla mak için kullanılan nötrü tam topraklı (neutrals effectively earthed) ve nötrü tam topraklı olmayan (neutrals non effectively earthed) kavramlarına bile yer verilmemiş.

Bir sistemin topraklama düzeyi, toprak arıza çarpanı (earth

SG MDOG

kV kV (.tepe)

kV( hspe)

(nms) Yavm ı'ayın Yayın 56

GFDG kV(rms)

Yayın56

450 650 550 185 275 230

850 1050 900 360 460 395

850 950

3lıoso

1175 1300

510 570

1 1175

950 Jıoso

(11175

050 H 1300

1 1425

,300 U!^

[[ 2400

SG :Sistem gerilimi MDDG:Manevra darbe dayanma gerilimi YDDG:Yıldırım darbe dayanma gerilimi YT :Yalıtkanlığı tam YD :Yalıtkanlığı düşürülmüş

Şekil 1. 100 kV'vn üzerindeki sistem gerilimlerinde yalıtkanlık düzeyleri (IEC)

faul t factor) ile belirlenir. Bu yeni değer, eski topraklama çarpanının /3 katı ve eski topraklama katsayısının /J/100 katına eşittir. Toprak arıza çarpanı, uygun yalıtkanlık dü zeyinin seçiminde sistem tasa rımcısına bağlıdır.

362 kV'un altındaki sistem ge rilimleri için, manevra darbe dayanma testleri öngörülmemiş ve güç frekansı testlerinin manevra darbelerini de karşı layabileceği düşünülmüştür. Daha üst gerilimler için yayın 71'de önerilen köklü değişik likler ile geleceğin çok yük sek gerilimli sistemlerinde; manevra aşırı gerilimlerinin yalıtkanlık tasarımında belir leyici etken olacağı sanılıyor.

Manevra darbe gerilimleri; sistemde oluşan manevra aşırı gerilimlerinin genliği ve bun ların aygıtların yalıtkanlığı nı bozma olasılığının istatis tiksel ya da yarı istatistik sel yöntemler ile değerlendi rilmesi sonucunda bulunmuştur. Yıldırım darbe dayanma geri limleri seçmeli ve ek açıkla ma niteliğindedir. Gerçek de ğer, kullanılacak korumanın

riiteliğine uygun olarak seçi l i r . Devre kesicileri için de ğerlerin daha büyük olması do ğaldır ve kendiliğinden gelme dir.

Yayın 71 "de; eski güç frekan sı t e s t i tamamen bırakılmış, yerine özel durumlar için da ha uzun süreli ve daha düşük gerilimdeki testler önerilmiş tir (örneğin, aygıtların kir l i l i ğ e dayanma, yaşlanma ve ömür niteliklerinin tam olarak saptanması için). Bu yeni ya lıtkanlık düzenlemesi kavramı nın devre kesicisi standart larına girmesi belki uzun za man alacaktır. Ancak, birçok elektrik kurumu şimdiden bu konuya eğilmiş ve sipariş şartnamelerinde yer verniye başlamıştır. Yeni kavramların anlamının ve sonuçlarının ne olacağı konusu gelecekte da ha da önem kazanacaktır.

1.2 100 kV'un A l t ı n d a k i Gerilimler

72,5 kV ve altındaki gerilim lerde de değişiklik yapılmış tır. Şekil 2'de, IEC standart larından yayın 56 2 i l e Avru pa pratiğini de içeren yeni yayın 71'de verilen yalıtkan lık düzeyleri karşılaştırıl mıştır. Güç frekansı dayanma gerilimleri oldukça düşürül müş ve yıldırım darbelerine karşı iyi korunmuş aygıtlar için yeni yıldırım darbe da yanma gerilimleri Liste 1 ola rak önerilmiştir.

SG

GFDG

kV(tepe)

kV(rtns)

kV

(rms)

Yayın 71 [seçmeli)

uo«ı üritî.

Yayın 7! (seçmeli:

3,6 20 40 45

7,2 40 60 60

60 75 75

17,5 75 95 95

95 125 125

36 145 170 170

72,5

325 140

SG :Sistem gerilimi YDDG:Yıldırım darbe dayanma gerilimi

Şekil 2. 1 ve 72,5 kV arasındaki sistem gerilimlerinde yalıtkanlık düzeyleri (IEC)

Manevra aşırı gerilim düzeyleri, pu

•o •

.MDOD kMax. MAG

200 400 600 600 1000 Sistem geril İmi,kV

MDDD: Manevra darbe dayanma düzeyleri

MAG : Manevra aşırı gerilimleri

Şekil 3. Yalıtkanlık düzeyleri (IEC) ve en üst manevra aşırı gerilimleri

Yeni öneri, birçok ülkelerin (daha çok Almanya ve tngilte re) uzun deneyimlerinden kay naklanmıştır. Bu seçmeye bağ lı önerinin 'benimseneceği ve yeni düşük değerlerin yapım yönünden çok yarar sağlayaca ğı sanılıyor.

1.3 A ş ı r ı G e r i l i m l e r Manevra aşırı gerilimleri, bir s is teinin manevra işlemleri sı rasında oluşan gerilimlerdir ve genellikle genlikleri sı nırlıdır. Ancak bazı durumlar da tehlikeli değerlere ulaşa bilir. Bunlar daha çok, trans formatör ve reaktör gibi en düktif devreler ile hat ve kablolar gibi kapasitif devre lerin açılıp kapanışinda olu şur. Yukarıda verilen standart ya lıtkanlık düzeylerinden, ma nevra aşırı gerilimlerinin genliği konusunda kaba bir fi kir edinebiliriz. Şekil 3'de, IEC standartının manevra dar be dayanma gerilimleri (MDDG) pu (per unit) olarak (sistemin faz toprak geriliminin tepe değeri birim alınarak) veril miştir. IEC standartlarında manevra darbe gerilimleri ve rilmemiş ise, değerleri karşı lığı olan yıldırım darbe da yanma gerilimlerinden (YDDG) bulunabilir.

Yalıtkanlık düzeyi ile en yük sek manevra aşırı gerilimi a rasındaki % 15'lik güvenlik payı genellikle yeterli bulu nuyor.. Bu güvenlik payı ile manevra aşırı gerilimlerinin kabul edilebilir en yüksek de ğerleri; Şekil 3fdeki banttan kolaylıkla bulunabilir. Bura dan kolaylıkla manevra aşırı gerilimlerin 145 kV için 3 4 pu, 420 kV için 2,5 pu ve

X : Kaynak empedansı

B : Devre kesicisi

C : Kaçak sığa

,

T : Güç transformatörü

Ib: Kesici üzerinden geçen akım

Ub: Kesicinin uçları arasındaki

gerilim

Ut: Transformatörün uçları

arasındaki gerilim

Şekil 4. Yüksüz transformatör lerin devreden çıkarıl

745 kV için 2 pu dolayında ol duğunu çıkarabiliriz. Bu değer lerin, hem günümüzün, hem de yakın geleceğin yalıtkanlık düzeylerini belirleyeceği sa nılıyor.

1.4 Transformatör ve Şönt Reaktörlerin Devreden Ç ı k a r ı l ması

1.4.1 Akım Kesme

Düşük endüktif akımlar kesi lirken (örneğin transformatör mıknatıslama akımları ve re aktör akımları), eğer devre kesicisinin keseceği akım Şekil 4'teki gibi henüz sıfı ra ulaşmamış ise, sistemde çok büyük aşırı gerilimler doğabilir.

Transformatör ya da reaktörde depo edilmiş olan manyetik e nerji kesme anında sığaç (her zaman bulunan kaçak sığa) e lektrostatik enerjisine dönü şür. Bu sığanın genellikle dü şük değerde oluşu, gerilimin büyümesine ve kontakları yete rince açılıncaya kadar devre kesicilerinde arka arkaya bir çok tekrardan tutuşmala rın (re ignitions) doğmasına yol açacaktır. Transformatör ve sığasının salınım frekansı birkaç Hz dolayında dır. Reaktör akımı ile trans formatör mıknatıslama akımla rının kesilmesi arasında be lirli bir fark vardır. Çekir değin histeresis niteliğinden ötürü, transformatörde; depo lanan enerjinin ancak bir bö lümü açığa çıkar. Reaktörde ise, hava aralıkları büyüktür ve pratik olarak histeresis olayı görülmez. Bu yüzden ay nı akım genliğinde reaktörde açığa çıkan enerji, transfor matördekinden daha fazladır. Ayrıca bir sistemde reaktör akımları transformatörün mık natıslama akımlarından çok da ha büyüktür, örneğin reaktör akımları birkaçyüz amper ol duğu halde, transformatörün mıknatıslama akımları birkaç amper dolayındadır. Tüm bu etkenleri düşündüğümüzde, re aktörün devreden çıkarılmasın da doğacak aşırı gerilimlerin, transformatörlerinkinden çok daha büyük olacağını rahatlıkla söyleyebiliriz.

1.4.2 Aşırı Gerilimler

Tanecikleri yönlendirilmiş (grain oriented) saçlardan ya pılan modern transformatörler de; mıknatıslama akımları çok düşüktür ve histeresis halka sı dikdörtgen biçimindedir. Ayrıca, transformatör yapısı nın sıkı (compact) olması, sargı sığasını artırır. Nor mal işletme koşullarında; mo dern yüksek gerilim transfor matörlerinin devreden çıkarı lışı sırasında doğabilecek en yüksek aşırı gerilimler Şe kil 5'te verilmiştir. Bu aşı rı gerilimlerin genellikle ve en azından 100 kV'un üzerinde ki sistem gerilimleri için za rarsız olduğunu söyleyebili riz.

Ancak, transformatör,devreye alınışından hemen sonra, dev reden çıkarılırsa, tehlikeli aşırı gerilimler doğabilir. Çünkü bu sırada yığılma (in rush) akımları çok yüksektir.

Bu durunda ya da reaktörün devreden çıkarılışında oluşa cak en üst aşırı gerilimlerin bulunması oldukça güçtür. Çün kü devre kesicisinin nitelik leri burada önemli rol oynar. Ancak kaba bir hesaplama bize, aşırı gerilimlerin koruyucu ölçmeleri gerektirecek kadar büyük olabileceğini gösterir.

1.4.3 Yayılan Arızalar

Yüksüz (boşta) transformatör ve reaktörlerin devreden çı karılışında doğan aşırı geri limler, yalnız yalıtkanlık i çin değil, devre kesicisinin

Aşırı gerlllm,pu 6

Ss

«V

•o

—r

200 400 600 800 Sistem geri I imi, kV

Şekil 5. Yüksüz transformatör lerin devreden çıkarı lışında doğan en yüksek aşırı gerilimler

kendisi için de tehlikeli ola bilir. Eğer aşırı gerilimler, sistemde bir atlama ve sonu cunda bir kısa devreye yel a çarsa, devre kesicisinin üze rinden geçecek akım da hızla artar. Bu olay, yayılan arıza (evolving fault) diye anılır ve özellikle kendi ürettiği basınçla çalışan devre kesi cileri (tam ve az yağlı dev re kesicileri) için çok tehli kelidir.

Bu tür kesicilerin reaktör a kımınL ve transformatör mık natıslama akımını kesebilmesi için kesici kontaklarının da ha fazla açılması gerekir. Halbuki, büyük kısa devre a kımlarını kesme işi daha çok küçük kontak açıklıklarında (contact speration) gerçekleş tirilir. Yayılan arıza da, e ğer kesici kontakları çok açık sa (normalde kısa devre akım larını kesebileceği bölgenin dışında ise), kesici çok bü yük akımlar ile karşılaşır. Açığa çıkan enerji, oldukça büyüktür ve kesicinin ark sön dürme hücresinde çok büyük ba sınç üretir. Devre kesicileri nin tasarımı ve testinde, bu olaylar için ayrıca özen gös terilmelidir.

1.4.4 Koruma

Transformatör ve reaktörlerin devreden çıkarılışında doğan aşırı gerilimleri düşürmek i çin iki yöntem kullanılır: Devre kesicilerinde açma kapa ma dirençleri ve parafudurlar (lightning arresters, para foudres, surge diverters). Di rençler, iki yönlü işlev gö rür: Birincisi, ark devresin de sönümleme etkisi yaratarak kesicinin kesmek durumunda kal dığı akımı azaltmak, tkincisi, kesme işleminden sonra trans formatördeki enerjiye boşal ma (deşarj) yolu sağlamak. Edinilen deneyimler bize, bu koşullarda büyük dirençlerin etkili olduğunu gösteriyor.

Yüksek gerilim transformatörle rini ve reaktörleri, atmosfer kaynaklı aşırıgerilimlere karşı korumak için çoğunlukla para fudur kullanılır. Bu parafudurlar transformatör ve reaktörleri manevra aşırıgerilimlerine kar şı da korur ve açığa çıkan ener

X : Kaynak empedansı B : Devre kesicisi C : Kaçak sığa L : tletim hattı It>: Kesici üzerinden geçen akım Ut>: Kesicinin uçları arasındaki gerilim Ug: Kaynak tarafındaki gerilim U : Hat tarafındaki gerilim

Şekil 6. Yüksüz hatların devreden çıkarılması ji yönünden bir sorun yaratmaz, îstenen nitelikte parafudur bulu ftabiliyorsa, diğer kerum biçim lerine gerek duyulmaz. Üzerinde çok sık açma kapama işlemleri yapılan reaktör kesicilerinde direnç kullanılması tavsiye e dilebilir. Böylece parafudurla rın çok sık çalışması önlenmiş olur.

1.5. Hatların ve Kablola rın Devreden Çıkarıl ması

1.5.1. Tekrardan atlama ve tekrardan tutuş ma

Uzun yüksüz hatlar devreden çı karılırken, çok büyük kapasitif akımların kesilmesi sorunuyla karşılaşılır. Kesme işi, akım sıfırdan geçerken, yani gerilim en üst değerindeyken (Şekil 6) olursa, kesme güçleşir. Kesme den sonra, hatta kalan DA geri liminin kaybolması ya da sönüm lenmesi uzun süre alır. Kesici nin kaynak tarafındaki gerilim ise, işletme frekansındaki de ğişmesini sürdürür. Kesmeden yarım çevrim (eyele) sonra, kesicinin uçları arasındaki ge

rilim faz geriliminin iki katı na ulaşır. Eğer bu anda, devre kesicisinin kontakları arasında tekrardan atlama (restrike) o lursa, hattın üzerindeki enerji sistem endüktansı üzerinden bo şalır ve birçok yüz Hz'lik temel frekanslı salınım başlar. Boşalma (deşarj) akımının ilk sıfır ge çişinde kesme tekrarlanırsa (böyle bir olasılık vardır), hattın gerilimi bir öncekinin iki katına ulaşır ve ters yön dedir. Yine bir yarım çevrim sonrasında kesici uçlarındaki gerilim, faz geriliminin üç ka tın* ulaşmış olur ve diğer bir tekrardan atlama (restrike; teh likesi doğar. Böylece hat üze rindeki gerilim kademeli olarak büyür.

Tekrardan atlama ve tekrar dan tutuşma (re ignition) a rasında bir ayrım yapmak gerek lidir. Tekrardan atlama; akım kesme işleminden sonraki 1/4 çevrim (50 Hz) içerisinde, ke sici üzerinden olan boşalmadır. Şekil 6'da da görülebileceği gibi, tekrardan atlama ile ge rilim kademeli yükselir ve teh likeli aşırıgerilimler doğabi lir. Tekrardan tutuşma ise, yine kesme işleminden sonraki 1/4 çevrim içerisinde oluşur, ancak tekrardan atlamada olduğu gibi, gerilimin kademeli yüksel mesine ve tehlikeli aşırıgeri limler in doğmasına yol açmaz. Bu yüzden devre kesicilerinde tekrardan tutuşmaya izin veri lebilir ve tehlikeli sayılmaz.

1.5.2. Koruma

Uç fazlı sistemdeki koşullar yukarıda anlatılanlardan daha karmaşıktır. Bir fazdaki tekrar dan atlama, diğer fazlara <•'» sıçrayabilir. Böylesi bir durum iyidir, çünkü kesici kutupları arasındaki gerilim en üst değe re ulaşmadan bu faz üzerinden boşalma olur. Pratikte karşıla şılan aşırıgerilimler üzerine yapılan kapsamlı çalışmanın so nuçları Şekil 7'de verilmiştir. Eğriler; tekrardan atlamalı devre kesicilerinde yüksüz hat ların açılması sırasında doğan aşırıgerilimlerin istatistiksel verilerini gösteriyor.

Nötrü tam (effectively) topraklı sistemlerde aşırıgerilimler ço ğunlukla 3 pu'in altında kalı

Manevra aşırı geri I imi,pu

KS

1s. L >\

<

0,1 0,51 5 X) 50 90 Olasılık,?

1. Kaynak tarafı. Nötrü ark sön dürme bobini ile topraklan mıştır.

2. Hat tarafı. Nötrü tam top raklıdır.

3. Kaynak tarafı. Nötrü tam topraklıdır.

Şekil 7. Yüksüz hatların tek rardan atlamalı (re striking) devre kesi cileri ile devreden çıkarılması sırasında doğacak aşırı gerilimler yor. Ancak olasılığı çok az da olsa, 3 pu'i aştığı oluyor. Da ha önce üzerinde durduğumuz ka bul edilebilir yalıtkanlık dü zeylerini düşündüğümüzde, 3 pu' lik değerin pkstra yüksek geri limli (EYG) sistemler için çok yüksek olduğunu söyleyebiliriz. Bu yüzden 145 kV'un üzerindeki sistemlerde kullanılan devre kesicileri, tekrardan atlama o layından etkilenmemelidir (re strike free olmalıdır).

rilimler doğabilir. Dalganın karşı uçtaki yansımasından son ra, hat üzerindeki gerilim sis tim geriliminin üç Vatına ula şır. Bu duruma hattın hızlı tek rar kapanması (reclosing) sıra sında rastlanabilir.

Bir üç fazlı hatta, kesicinin kutupları (3 fazda) aynı anda kapanmazsa, çok daha büyük aşı rıgerilimler doğabilir. Bir faz daki gerilim dalgası, diğer faz lardaki gerilim dalgalarını en dükliyerek bu fazlardaki gerili min daha da büyümesine yol açar.

Yüksüz hatların devreye alınma sı sırasında doğan aşırıgeri limleri düşürmenin etkin yolu, devre kesicilerinde kapama di rençleri kullanmaktır. Bu yön temde hattın kapatılması işi i ki aşamada gerçekleştirilir: Birinci aşamada, direnç hatta seri girer ve gerilim bölünür. Böylece hattın üzerindeki yürü yen gerilim dalgasının genliği düşürülür. tkinci aşamada, di ' renç kısa devre edilir. Bu sıra da hatta ikinci gerilim dalgası doğar, ancak bunun genliği sı nırlıdır. Aşırıgerilimleri en etkili biçimde düşürmek için, kapama direncinin hattın dalga empedansına eşit ve direncin devreye alınma süresinin 10 ms dolayında olması gerekir.

1.6. Hatların ve Kablola rın Devreye Alınması

1.6.1. Yürüyen dalgalar

Bir hat sisteme bağlandığında, hatta gerilim dalgası sürülür. Eğer hattın öbür ucu açık ise, sürülen dalga karşı uçtan yan sır ve gerilim iki katına çı kar(Şekil 8 ) . Devreye alınmadan önce, hattın üzerinde bir artık yük varsa (trapped charge) ve kapama anında sistem gerilimi, hat üzerindeki gerilime zıt yönde ise, daha büyük aşırı ge

yürüyen dalgalar direnç ile kapatma

Şekil 8. Yüksüz hatların devreye alınması

Manevra aşırı gerilimi,pu

512 51020 50 80909596

Olası Iık, % 1. Alan testleri: Aşırı gerilimi düşürmek için hiçbir yöntem kullanılmamıştır. 2. Bilgisayar çalışması: Aşırı gerilimi düşürmek için tek kademeli direnç kullanılmış tır. 3. Bilgisayar çalışması: Aşırı gerilimi düşürmek için çok kademeli direnç kullanılmış ve kapama süreci denetlenmiş tir.

Şekil 9. Yüksüz hatların devreye almışında doğan aşırı gerilimler

1.6.2. Aşırı gerilimler Bir hat, boşta kapatıldığında ya da tekrar kapatıldığında (re close) en yüksek aşırıgerilimler hattın açık ucunda oluşur'. Çe şitli durumlar için aşırıgerili min dağılma eğrileri Şekil 9'da gösterilmiştir. Kapsamlı ve ay rıntılı olarak yapılmış alan testlerinden ve bilgisayar ça lışmalarından aşırıgerilimlerin hiçbir gerilim düşürme yöntemi kullanılmadığı zaman bile, 3 pu'i aşmadığını görüyoruz. Günümüzün yalıtkanlık düzeylerini gözönü ne alırsak, bu aşırı gerilimler, 420 kV'a kadar olan sistemler için bir sorun yaratmaz ve bugün bu sistemlerde aşırıgerilimler düşürülmeye çalışılmıyor. An cak, yalıtkanlık düzeylerinin düşürülmesi yolundaki genel e ğilim 362 kV'a kadar olan sistem lerde bile aşırıgerilimlerin sı nırlanmasını gerektiriyor. Şe kil 9'dan da görülebileceği gi bi, tek kademeli kapama direnci ile, manevra aşırıgerilimleri 2 pu'e kadar düşürülebiliyor. Bugün 525 kV ve 765 kV sistemle rinin yalıtkanlık düzeyleri, bu düşürmeyi gerektiriyor ve bu

sistemlerin devre kesicilerinde tek kademeli kapama direnci kullanılıyor.

Geleceğin, yalıtkanlık düzeyle ri çok düşük ekstra yüksek geri lim (EYG) ve ultra yüksek geri lim (UYG) sistemlerinde, aşırı gerilimlerin daha çok düşürül mesi gerekecektir. Böyle bir durum çok basamaklı kapama di rençlerinin kullanılması ve ka pama sürecinin denetlenmesiyle gerçekleştirilebilir. Bu ise, devre kesicilerin tasarımını da ha da karmaşıklaştırıyor.

2. KISA DEVREYİ KESME

2.1. Düzelme Gerilimi

2.1.1. Güç frekansı düzel me gerilimi

Pratik nedenlerden ötürü, düzel me gerilimini (recovery voltage) birbirini izleyen iki zaman ara lığı için düşünmemiz gerekir. İlk zaman aralığında geçici ge rilim , ikinci zaman aralığında ise güç frekansı gerilimi doğar. Güç frekansı düzelme gerilimi (power frequency recovery vol tage) temel olarak sistemin ke sicinin bulunduğu noktadaki açık devre gerilimine eşittir. Ancak bazı durumlarda bu gerilim düşer, çünkü kısa devre anında üreteç lerin (generatör) manyetik et kisi kalkar (demagnetized). Bu etki üreteç reaktansları devre de önemli yer tutuyorsa görüle bilir ve devre kesicilerinin anma değerleri saptanırken göz önüne alınmaz.

Üç fazlı bir sistemde, kısa dev renin temizlenmesinden hemen sonra doğan güç frekansı geri limleri her faz için farklıdır. Uç faz toprak kısa devresinin temizlenmesinde, ilk açılan fazdaki gerilim en yüksektir. Uç faz kısa devrede sistemin nötr noktasının gerilimi simetri den ötürü sıfırdır,(Şekil 10). Kesici kutuplarından biri açıl dığında (faz a ) , simetri bo zulur. Eğer sistemin nötrü top raklı değilse, üç faz kısa devre iki faz arası arızaya dönüşür ve nötr noktasının gerilimi U a düşer. Açılan ilk kutbun uçları arasındaki gerilim, nötr nokta sının gerilimi artı faz gerilimi olur (1,5 U a ) .

tik açan kutbun gez ilimi, faz geriliminin bir çarpanla çar pımından bulunur ve bu çarpan, ilk açan kutup çarpanı (first pole to clear factor) diye anı lır. İlk açan kutup çarpanı, nötrü topraklı olmayan sistem lerde 1,5'tur. Diğer topraklı sistemlerde bu çarpan; sistem empedanslarından pozitif bile şenin (X ) sıfır bileşene (X,,)

oranına bağlıdıri, Nötrü tam top raklı (effectively earthed) sis temlerde; X / Xo > 0,33 dola yındadır ve ilk açan kutup çar panı l.S'ten küçüktür. 300 kV ve üzerindeki sistemle rin nötrü de tam topraklanmış tır ve hemen hemen bu sistem lerdeki tüm kısa devreler top raklıdır. Bu sistemlerde ilk a çan kutup çarpanı 1,5 yerine 1,3 alınabilir. Ancak bazı elek trik kuruluşları topraklamalar dan bazılarının unutulabileceği gerekçesiyle bu çarpanın daha yüksek tutulmasını istiyor. İlk açan kutup çarpanının toprak a rıza çarpanına (earth fault factor) eşit olmadığını belirt mekte yarar var. Sistemdeki di rençleri gözönüne almazsak, toprak arıza çarpanı 1,4 1,73 arasında değişmesine karşın, diğer çarpan 1,3 1,5 arasında değişir.

u.

uj u»

11 k açan kutup çarpanı,K

3X0 7T3

O 0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Sistem reaktans oranı, Xı/X0

Şekil 10. İlk açan kutup çarpana

347 Elektrik Mühendisliği 223

Şekil 11. Geçici düzelme gerilimi

2.1.2. Geçici düzelme gerilimi

Geçici düzelme gerilimi, GDG (transient recovery voltage, TRV) kısa devrenin kesilmesinden sonra, kesici kontakları ara sında oluşan gerçek gerilimdir. Şekil 11'de basit bir devre i çin gösterilmiş olan, salınım biçimindeki GDG, giderek siste min açık devre gerilimine dönü şür. Sistemin gerçek yapısının çok karmaşık oluşu, çok sayıda salınım frekansının doğmasına yol açar.

Kısa devre güçlerinin büyük ol duğu sistemlerde; salınım frekan sı, genlik çarpanı ve GDGYH de ğerleri oldukça düşüktür ve devre kesicisinin değerlerine çok yakındır. Sistemlerde gücün büyük bir bölümü uzun hatlarda iletildiğinden, büyük değerli kap^sitanslar salınım frekansını düşürür. Hatların ayrıca salınım ları sönümleme etkisi vardır.

145 ve 420 kV'luk sistemlerin tipik salınım frekansları 1,5 0,7 kHz, genlik çarpanı 1,4 , ilk açan kutup çarpanı 1,3 1,5 ve GDGYH 600 1000 V/ys dolayın dadır.

Kısa devre güçleri düşürülmüş sistemlerde (özellikle bazı hat ların servis dışı olması halin de) salınım frekansları ve gen lik çarpanları daha da büyür. Kısa devre akımları düşürülmüş testlerde (% 10, % 30, % 60 testleri) bu durum gözönüne alın malıdır.

Transformatör ve seri reaktör ler ile kısa devre akımları sı nırlanmış sistemlerde, çok büyük salınım frekansları ve genlik çarpanları oluşur. Devre kesicisi tasarımında bu durumun üzerinde önemle durulması gerekir.

2.1.3. Değişkenlerle benzetme

Mevcut sistemlerin geçici dü zelme gerilimleri üzerinde yo ğun çalışmalar yapılmış ve basit benzetmelerin, gerçek sistem koşullarını yeterince yansıtma dığı görülmüştür. GDG'nin biçimi,

bazı durumlarda çok karmaşık laşıyor ve yalnız iki değişkenle benzetilmesi yeterli olmuyor. Yeni IEC devre kesicisi stan dartında (yayın 36, 1971, 1972) GDG'ni tanımlamak için, iki de ğişken ve dört değişken yöntem leri önerilmiştir.

tki değişken yöntemi, ilke ola rak önceki bölümde anlatılanın aynıdır. Ancak GDG'nin benzeti mi için, tepe gerilimi (U , kV)

ile tepe gerilimine ulaşma süre si (t3, us) kullanılmış ve sa lınım frekansı ile genlik çar panına yer verilmemiştir (Şekil 12). Bir sistemde sürekli bulunan terminal kapasitanslarının et kisini içermesi için, zaman ge cikmesi (td» ys) de gözönüne alınmıştır. GDG benzetiminde iki değişken yönteminin kulla nılması, 100 kV'un altındaki sistemler ve kısa devre güçleri sınırlanmış ya da gücün çok az bir bölümünün uzun hatlardan i letildiği daha yüksek gerilimli sistemler için yeterli oluyor.

Çok yüksek gerilimli ve kısa

devre güçleri büyük olan sistem

lerin geçici düzelme gerilimini

belirlemek için dört değişken

li yöntem geliştirilmiştir. Bu

yöntemde, GDG'nin benzetimi için

iki tepe gerilimi (U , ü ; KV)

ile bu gerilimlerin karşılığı

olan iki tepe gerilimine ulaş

ma süresinden (ti, tî» ps)

yararlanılmıştır. Ayrıca iki

değişkenli yöntemdeki gibi,

zaman gecikmesi (t<j, ys) de gözönüne alınmıştır. Şekil 13'de tipik bir örnek verilmiş ve

Daha önceki kesici standartların da; geçici düzelme gerilimi (çoğunlukla tekrardan atlama ge rilimi diye anılırdı), salınım frekansı (temel frekans) ve gen lik çarpanı (tepe gerilimin güç frekansı geriliminin tepe değe rine oranı) ile tanımlanırdı. Geçici düzelme geriliminin yük selme hızı, GDGYH (rate of rise of recovery voltage, RRRV) aşa ğıdaki bağıntıdan bulunurdu:

/T

GDGYH (V/ys) îlk açan kutup çarpanı Genlik çarpanı Salınım frekansı (kHz) Sistem gerilimi (kV)

0 I,

Şekil 12 Geçici düzelme gerili minin iki değişkenle benzetilmesi

Şekil 13. Geçici düzelme gerili minin dört değişkenle benzetilmesi

Kesicinin uç I a r ı arasındaki gerî Um

Şekil 14. Kısa hat arızaları dört değişkenin nasıl bulunacağı gösterilmeye çalışılmıştır. Devre kesicisi standartlarında (IEC, yayın 56, 1971/1972) da ha çok örneklemeler, daha ayrın tılı benzetmeler ve farklı sis tem durumları için değişkenlerin değerleri de verilmiştir. Dört değişken yöntemi, kesici şart namelerini karmaşıklaştırmış ve test devrelerinin tasarımında güçlükler çıkarmıştır. Bu kadar ayrıntıya girmenin yararlı olup olmadığı sorusu da akla gelebi lir. Ancak, günümüzde genel eği lim, daha fazla ayrıntıya inmek ve özellikle ilk geçici düzelme gerilimini, İGDG (initial tran sient recovery voltage , ITRV) iyîcc belirlemektir. İGDG' nin belirlenmesi, bazı kesiciler için, özellikle SF6 gazını ark söndürme ortamı olarak kullanan kesiciler için önem kazanmış tır.

2.2. Kısa Hat Arızaları 2.2.1.Olayın tanıtımı Kısa hat arızalarında (short line faults) daha da özel durum larla karşılaşılır. Kısa hat a rızası deyimij hat üzerinde, kesiciden 1 T 5 km uzağındaki arızaları tanımlamak için kul lanılır. Şekil 14'de, sistem tek fazlı çizilmiş ve arıza a nındaki gerilimin dağılımı gös terilmiştir. Kesici uçlarındaki bir arızada (terminal faults)

gerilim düşümünün tamamı kesi cinin kaynak tarafındadır.(şe kilde noktalı doğru ile gösteril miş) ve kesici üzerinden en büyük kısa devre akımı geçer. Arıza, hat üzerinde bir yerde olsaydı, hattaki gerilim düşü münden ötürü kısa devre akımı daha az olacak ve kesicinin ol duğu noktada belirli bir gerilim (Ut,) görülecekti. Kısa devre akımının kesilmesin den sonra, kesicinin kaynak ve hat tarafındaki gerilimler , birbirinden bağımsız olarak sa lınmaya başlar ve kesicinin uç ları arasındaki geçici düzelme gerilimi, bu iki gerilimin far kı olur. Her iki gerilim, kes meden önce devre kesicisinin bulunduğu noktadaki gerilimin (Uf,) ani değerinden başlayaraV salınır. Kaynak tarafındaki gerilim, sistem frekansı ile salınır ve giderek açık devre gerilimine yükselir. Gerilim düşümünün bir bölümünün kaynak tarafında olması (diğer bölümü hat tarafındadır), salınımın genliğini azaltır. Kesicinin a çıİmasından sonra hat üzerinde kalan yük, gerilim dalgaları üretir ve hat üzerinde ışık hı zı ile yürüyen bu dalgalar her iki uçtan geriye yansır. Yürü yen ve yansıyan dalgalar kesici nin hat tarafındaki gerilimini oluşturur (Şekil 14'deki teste re dişi biçimindeki gerilim). Bu tarafta herhangi bir gerilim kaynağı olmadığından ve hattaki kayıplar nedeniyle, gerilim bir güre sonra kaybolur.

2.2.2. Geçici düzelme gerilimi

Kesici uçlarındaki geçici geri limin ilk tepe değerinin genli ği düşük olduğu halde, yükselme hızı çok yüksektir ve gerilim daha sonra, yavaş salınımlarla açık devre gerilimine ulaşır. Gerilimin ilk tepe değerine çıkma süresi, dalganın hat üze rinde gidip karşı uçtan yansı masına kadar geçecek samandır. Kısa hat arızalarında, bu süre çok kısadır ve ilk tepe değerine ulaşma hızı çok yüksektir. Yeni devre kesicisi standartlarında (IEC, yayın 56) kısa hat arı zalarında değişkenlerin nasıl bulunacağı anlatılmış ve çeşit li durumlar için gerilim gen likleri ile tepe değerine ulaş ma süreleri verilmiştir.

2.2.3. Devre kesicisinin durumu

Kısa hat arızalarında görülen, gerilimin çok büyük yükselme hızı (10 000 kV/ys 'y<* kadar) , bazı kesicilerde, özellikle ba sınçlı hava ile çalışanlarda ciddi zorluklar yaratır. Bu yüzden havalı kesicilerde, kü çük açma dirençlerinin kullanıl ması kısa devreyi kesme yönünden yararlı olur. Kısa hat arızala rındaki koşullar, Şekil 15'teki gibi özel bir durum için akım ve gerilimin büyüme hızları çizi lerek daha iyi gözlenebilir. Devre kesicisinin çalışma eğri sini (testlerle saptanan), hat tın hesaplama ile bulunan akım ve gerilim eğrileriyle karşılaş tırarak, kesicinin çalışma nite liği üzerinde bir karara varı labilir. Bu tür çalışmalarda; hattın birkaç kilometre uzağın daki bölge, kritik bölge bulun muştur. Daha kısa hatlarda, ge rilimin yükselme hızı daha faz ladır, ancak gerilimin tepe de ğeri düşük olduğundan, devre kesicileri, arızaları daha ko lay temizler. Uzun hatlarda ge rilimin tepe değeri artar, an cak yükselme hızı düşüktür.

Devre kesicilerinin kısa hat a rızalarını karşılayabilecek bi çimde tasarlanmasının ekonomik olup olmayacağı sorunu ile kar şılaşılabilinir. Çünkü bu tür arızalara pratikte çok az rast lanır. Yine de birçok elektrik kuruluşu kesicilerin bu niteliği üzerinde öneml«*duruyor.

Kısa devre akımı, kA

Kesicinin ^çalışma eğrisi ttin

6 5 4 3 2 1 0 50

Gerilimin İ l k yükselme h ı z ı , kV/us

«0 150 200

Gerilimin i l k tepe değeri, kV

Sistem: 245 kV Kısa devre gücü: 10 000MVA Hat: Tek i l e t k e n i i

Şekil 15. Kısa hat arızası 349

2.3. Fazlar Kayıkken Kapatma

Herhangi bir nedenden, senkro nize edilmemiş iki enterkonnekte sistem birleştirilmek istenirse, fazları kayık kapatma (out of phase svitching) ile karşılaşı rız. Şekil 16'da genel bir sis tem bölümü verilmiştir. Devre kesicileri, baradaki toplam kı sa devre gücüne göre (örneğin "a" noktasındaki bir kısa devre ye göre) seçilmiş ise, fazları tam kayık (180° out of phase) İlci sistemi birleştiren nokta daki en yüksek akım, kesicinin kesme akımının X 50'sine ulaşır.

Merkez I1deki devre kesicisi i

çin Xı=X + X ise, "a" nokta

sındaki kısa devrede, sistem 1

ve sistem 2'den gelen kısa dev

re güçleri eşittir. Ancak bu,

gerçek bir durumu yansıtmıyor,

çünkü bat, sistem 2'den gelecek

güç ve> akımı oldukça düşürür.

Birçok ülkelerde yapılan araş tırma, fazları kayık sistemlerde doğacak akımın, normal kısa dev re akımının ancak Z 25'ine ulaş tığını göstermiştir. IEC 8tan

Sistemintek hat şeması

°»

Hat akımının oranı

lama (restrike) olayı ile kar

Hal ka

şılaşılır. Bu durumda birinci

bara

kesici, kontakları önceden ay

s i stemi rılmış olduğu halde daha büyük

cn>

bir akımı kesme durumunda ka lır. Böyle bir aarumu, daha

önce incelediğimiz yayılan arı

Birbuçuk za olayına benzetebiliriz.

kesici sistemi

2.5. Kısa Devre Akımı

Günümüzün birçok sistemlerinde,

kısa devre güçlerinin hızla

artması, yalnız devre kesicile

Şekil 17. Paralel devre kesici ri için değil, baralar, hatlar

lerinin açılıp kapa

ve diğer aygıtlar için de önem

tılması

li sorunlar yaratmıştır. Kısa

devre güçlerini sınırlayacak

etkin ve ekonomik bir yolun ol

maması, daha büyük kesme güçlü

devre kesicileri talebini artır

dartlarında da (yayın 267, 1968) mıştır.

devre kesicilerinin,anma kısa

devre akımının % 25 değerindeki akımı, bir fazdaki gerilim nor mal faz geriliminin, nötrü top raklı sistemlerde 2 katına, topraksız sistemlerde de 2,5 katına çıktığında kesmesi ön görülmüştür. Fazlar kayık durum

Şekil 18'de, 1930 1972 arası ABD pazarında bulunan EYG dev re kesicilerinin kesme akımı ve kesme süreleri verilmiştir. Bu gün 63 kA'lik devre kesicileri kullanılıyor ve 80 kA'likler de

dayken yapılan açma ve kapama

larda; doğacak geçici düzelme

geriliminin tepe değeri ve yük

selme hızı oldukça düşüktür.

Sistemlerde olanağı varsa faz

lar kayıkken açma ve kapamalar dan kaçınılmalıdır.

2.4. Paralel Kesicilerin

Kesme süresi (Tj, ),

Kesme akımı

çevrim

( l 0 ) , kA

1 0 n 1 1 1 1 1100

Açılıp Kapatılması

9H 1 1 1 1 1 90

Bazı durumlarda, bir kısa dev

reyi temizlemek için iki kesi cinin de paralel ( aynı anda)

ol—•— 1—J

i 1 1 hr—I w

7İ M çalışması gerekebilir. Böyle bir duruma halka baralı (ring bus)

1H

1 70

ve birbuçuk kesicili (one and a half breaker bus) merkezlerde rastlanır. Bu merkezlerde, bir çıkış hattındaki (a noktasında ki) kısa devre, Bı ve B2 kesi cilerinin paralel çalışmasıyla temizlenir.

el H 1 1 b

I 51 H ı—I ri

4| M—hi—H

11ti l «o

H 1» 1 140

O 2 4 6 8 10

Sistem reaktansının oranı: Xı

Şekil 16. Fazlar kayıkken kapatma

Arkı söndürmek için gerekli ba sıncı kendisi üreten devre kesi cilerinde (tam yağlı ve az yağ lı devre kesicileri) kısa devre nin paralel kesilmesi, özellik le kesme süresi uzun ise tehli keli olabilir. Kısa devre akımı devre kesicileri üzerinde ken diliğinden ikiye bölünmez ve kesicilerde üretilmesi gereken basınç farklı olur. Bir kesi cideki ark önce söner ve diğer kesicideki ark,akımın bir son raki sıfır geçişinde söndürül meye çalışılırsa, tekrardan at

r

1930 1940 1950 1960 1970 1980 Yıl

Şekil 18. 1930 1972 arası ABD piyasasındaki devre kesicisi anma değer leri (230 765 kV)

Elektrik Mühendisliği 223 350

yapılmakta. Günümüz devre ke siciler indeki en düşük kesme süresi 2 çevrimdir (cycle), an cak 1 çevrimlik devre kesicile rin de yakında gerçekleştirile ceği sanılıyor.

Devre kesicilerinde, asimetrik kesme gücü gereği de giderek artıyor. Bunun nedeni hem kısa devre güçlerinin, hem de kısa devre akımındaki DA (doğru akım) bileşenlerinin artmasıdır. Şe kil 19'da tipik bir asimetrik akım dalgasının biçimi ve AA, DA bileşenlerinin tanımlamaları gösterilmiştir. DA bileşeni daha çabuk sönümlenir ve genli fi devre kesicisinin açma sü resine bağlıdır. DA bileşeninin sistemin X/R oranı ile belirle nen çeşit sönümleme düzeylerine göre nasıl değiştiği, Şekil 20' de gösterilmiştir. Şekilde ay rıca, IEC standartında (IEC 56, 1971/1972) devre kesicisini be lirleyen eğri de verilmiştir. IEC eğrisi günümüz sistemleri nin genel bir ortalamasını yan sıtıyor ve her durum için ge çerli olmayabilir. Günümüzde X/R oranı 30 olan sistemler vardır ve geleceğin çok büyük sistemlerinde bu oranın 50'ye çıkması bekleniyor. Buradan şu sonuca kolaylıkla varılabili nir; devre kesicilerinde, kesme süreleri daha da düşürülmeli ve.

asimetrik akımları kesme gücü daha da artırılmalıdır.

2.6. Kesme Süreleri Devre kesicilerinde, kesme sü relerinin daha da düşürülmesi gereği yukarıda belirtilmişti. Birçok durumlar için 5 çevrim lik kesicilerin yeterli olduğu görüşü çok eski değildir. Şimdi ise, 3 çevrimlik, hatta 2 çev rimlik devre kesicileri istemi ile sık sık karşılaşılıyor ve 1 çevrimlikler üzerinde de tartış malar sürdürülmekte.

Arızanın toplam temizlenme sü resinin, bir sistemin kararlılık sınırı üzerindeki etkisi büyük tür. Şekil 21'den, belirli bir sistem bölümünde kararlılık sı nırları içerisinde iletilebile cek en büyük gücün, çeşitli a rızalar için arızanın temizlenme süresine nasıl bağlı olduğu gö rülebilir. Bu tür hesaplamalar da, sistemin niteliği de sonucu etkiler. Burada örnek olarak, gelecekte kurulacak olan 800 kv'luk İsveç sistemi anılabilir. Bu sistemde, üç faz arızaların temizlenme süresi 100 ms'den 70 ms'ye düşürüldüğünde, üretim merkezlerinden birinin üretimi 3000 MW'tan 3500 MW'a çıkarıla biliyor.

biI eşen I,%

Kararlılık sınırı, MW

Tek faz toprak arızası Çift faz toprak arızası

Üç faz arı za

Arı zanın

temizlenme süresi,ms

Şekil 21. Arızanın temizlenme süresine göre karar lılık sınırı

Yeni sistemlerin başlangıçtaki kısa devre güçleri, daima dü şüktür. Böyle olduğu halde, bü yük kesme güçlü kesicilerin kul lanılma nedeni geleceğin gerek sinmelerini karşılamak içindir. Bu tür kesicilerde, anma değe rinden daha düşük anza akımları nı kesme r.Uresi de önemlidir. Aynı şey, düşük üretim ve yükte çalışan eski sistemler için de söylenebilir. Her iki durumda da, sistem kararlılık sınırına yakın çalışıyorsa, arızanın te mizlenme süresinin kısa oluşu daha da önem kazanır.

kontak açı İması

DA b i l e ş e n i : ^ x 100 %

"•••AA

Şekil 19. Asimetrik akım Elektrik Mühendisliği 223

102030 40 5060 70 8090

Kısa devrenin hesap Ianmasından sonraki süre, ms

Şekil 20: Asimetrik kısa devre akımının DA bileşeni

Tekrar kapama (reclos ing) iş lemlerinde ölü sürenin (dead time) kararlılık sınırı üzerin deki etkisi büyüktür. Bu süre, devre kesicisinin durumuna göre değil, kısa devre arkının sö nümlenmesine (deionisation) gö re belirlenir. Ancak, arızanın temizlenme süresinin kısalığı, arkın sönümlenme süresini etki lediğinden, tekrar kapama ölü süresinin biraz daha düşürüle bileceği sanılıyor.

(ASEA, Pamphlet KT 90 102 E System Aspects of Circuit Brea ker Requirements)