DİFERANSİYEL KORUMA

Kemal BAKIRCIOĞLU

ÖZET

Korunan aygıtın her iki tarafındaki akım trafola rına bağlı diferansiyel röle, diferansiyel devre sine giren ve çıkan akımları karşılaştırır. Fark akınıı, aygıttan geçen akımın belirli bir yüzdesi ni aştığında, korunan bölgede bir arıza vardır ve röle gerekli açtırmaları yaptırır. Güç trafosunun vektör grubundan gelen giriş ve çıkış akımları a rasmdaki faz kayması ya ana, ya da yardımcı akım trafoları üzerinde giderilmelidir.

SUMMARY

The differential relay connected to the current transformers on either side of the object to be protected, compares the incoming and outgoing currents in a differential circuit. tfhen the aif ference current exceeds a certain percentage of the current flotting through the protected ob ject, there is a fault in the protected zone, and the relay makes the reguired trippings. The phase shift between primary and secondary currents of the power transformer coming from the vector group must be compensated either on the main or on the auxilliary current transformers.

1. GÎRÎŞ

Diferansiyel korumada, genel olarak, güç sistemi nin bir bölümü akım trafolarıyla sınırlandırılır ve bu korunan bölgeye giren çıkan akımların yön ve genlikleri karşılaştırılarak kısa devrenin var lığı saptanmaya çalışılır. Bu tanımlamadan dife ransiyel korumanın nerelerde kullanılacağı sorusu akla gelebilir. Günümüzdeki uygulamaları şöyle ö zetleyebiliriz:

1. Güç trafolarının korunmasında: Bucholz rölesinin dışında, trafolarda oluşacak kısa devrelere karşı temel korumadır. Çalışması nın hızlılığı, seçiciliği ve duyarlılığı diferan siyel korumasının başlıca nitelikleridir. Bu tür koruma, her iki ya da üç uçta akım trafoları ge rektirdiğinden, küçük güçlü trafolarda kullanıl mamaktadır. Türkiye yüksek gerilim enterkonnekte sisteminde, diferansiyel koruma 10 MVA'in üzerin deki güç trafolarında uygulanmaktadır.

2. üreteç ya da üreteç trafo birimlerinin korun masında:

Hemen tüm üreteç ve üreteç trafo birimlerinde te mel korumadır.

3. Baraların korunmasında: Özellikle üretim merkezleri ve geniş alana yayıl mış büyük salt merkezlerinde kullanılmaktadır. Yurdumuzdaki yaygın 154 kV salt dağıtım merkezle rinde bara korunmaları benimsenmemiştir.

Kemal Bakırcıoğlu, TEK

UDK: 621.316.925.2

4. Hatların pilot iletkenlerle diferansiyel korun masında:

Uzaklık korumasının gerçekleştirilemiyeceği kadar kısa hatlarda kullanılmaktadır. Hattın uçları a rasına ayrıca iletkenler çekileceği ve bu iletken lerdeki gerilim düşümleri düşünülecek olursa, yalnızca çok kısa (1 3 km) hatlar için geçerli o lacağı açıktır, ülkemizde bu tür bir koruma kul lanılmamaktadır.

Yazıda özellikle ilk iki grubun üzerinde durula caktır.

2. DİFERANSİYEL KORUMA İLKESİ

Korunan bölgeye giren ve çıkan akımlar akım tra foları üzerinden diferansiyel röleye verilir ve karşılaştırması yapılır. Sağlıklı çalışma koşul larında rölelere giren ve çıkan akımların vektö rel toplamı sıfırdır ve röleyi çalıştıracak fark akımı doğmaz.. Kısa devre anında ise bu denge bozu lur ve röleden fark akımı geçer, bu akım da röle nin önceden ayarlanmış değerini aşarsa, röle ça lışır ve bölgedeki kısa devreyi besleyen tüm uç ların kesicilerini açtırır. Dışsal kısa devrelerde korunan bölgeden geçen a kımların büyümesi ve akım trafolarının farklı de ğerlerde doymaya ermesinden doğacak fark akımları röleyi çalıştıracak boyutlara erişebilir. Özel likle trafo ve üreteç trafo birimlerinin korunma sında, her iki uçtaki akımlar güç trafosunun dö nüştürme oranına uyarak farklılaşacaklarından , farklı dönüştürme oranlı akım trafoları kullan mak gerekecektir. Akım trafolarının sınırlı dö nüştürmeleri (örneğin, 50 100 200 400 600 800 1000 1200 1500 2000/5A gibi) düşünülecek olursa, farklı dönüştürme oranlı ve farklı doyma özellikli akım trafoları kullanmak zorunda kalacağımız açık tır. Ayrıca akım trafolarının doğruluk sınıflarına ilişkin dönüştürme oran hataları da rölenin çalış masını etkiler. Tüm bu etkenleri gözönüne alırsak sağlıklı çalışma koşullarında bile rölede bir fark akımı doğacak, bölgeden geçen akım arttıkça röle nin yanlış çalışma olasılığı da büyüyecektir. Ak la hemen bölgeden geçen akımın röleyi tutucu (ça lışmasına karşıt) yönde kullanılması gelebilir.

Röleyi iki sargılı döner bir disk olarak düşünebi liriz; sargıların birinden geçen fark akımı diski çalışma yönünde döndürecek, diğer sargıdan geçen akım ise diski frenlemeye çalışacaktır. Çoğunluk la diferansiyel röleler iki ya da üç tutucu sargı (restraining coils) ve bir çalıştırıcı sargıdan (operating coil) oluşur. Burada sargı kelimesini işlevin açıklanması amacıyla kullanıyoruz. Ger çekte döner diskli (ki bu sargılardan oluşur) di feransiyel röleler olduğu gibi, doğrultmaç köprü leriyle de aynı ilke gerçekleştirilmektedir.

I AİA

1 AİA

* î 1 I2«—

»vıI A11

(

(c)

Şekil 1. Sistemdeki Akımların Durumu (a) Normal çalışmada (b) Dışsal kısa devrede (c) İçsel kısa devrede 1 Korunan bölge 2 Devre kesicileri 3 Akım trafoları R Diferansiyel röle

Transformatör diferansiyel koruması, transforma tördeki sarımlararası, fazlararası ve doğrudan topraklı sistemlerde faz toprak arası kısa devre lere karşı duyarlıdır. Üreteç diferansiyel koru ması ise, fazlararası ve doğrudan topraklı sis temlerde stator faz toprak devrelerine karşı üre teci korur. Röle, üretecin sarımlararası kısa dev resinde duyarsızdır, çünkü üretecin giriş ve çı kış akımları arasında farklılaşma olmaz. Trans formatörde ise, sarımlararası kısa devre, manye tik akıda ve giriş çıkış akımlarında farklılık doğuracağından, röle bu tür arızaları kolaylıkla görür.

Üreteç ve transformatör tek birim olarak bağlan mışsa üretecin diferansiyel koruması, tüm birimi kapsayan diferansiyel koruma dizgesiyle birarada kullanılmalı ve birimin koruması gecikmeli artçı (delayed back up) nitelikte olmalıdır. Birim ko rumasına üreteç baraları, gerilim trafoları ve yerleştirilişe bağlı olarak da servis trafoları girer. Servis trafolarının gücü diferansiyel rö lenin iki ya da üç tutucu sargılı oluşunu belir ler.

3. MIKNATISLAYICI YIĞILMA AKIMI

Transformatör boşta enerjilendiğinde ani bir dal galanma akımı (surge current) doğar. Bu olgu,

trafonun boştaki kayıplarının ilk andaki karşıla nışıdır. Olay yalnızca enerjilenen tarafta oldu ğundan röle bunu fark akımı olarak görür. Trafo devreye alınırken doğan ani yığılma akımları (in rush currents) incelendiğinde, büyük harmonik ö zellikle 2nci harmonik akımların etkinliği göze çarpar. İçsel kısa devre ve mıknatıslayıcı yığıl ma akımlarında (magnetizing inrush currents), DA, temel, 2 nci, 3 üncü ve 4 üncü harmonik bileşen lerin büyüklükleri Tablo'da verilmiştir.

Akım Bileşen DA (Doğru akım)

Mıknatıslayıcı yığılma akımı

•H*B

«i ı l t»

*

•H.B co >u

Q>

:3*B

UH CH :3 >

Ol m o*

İçsel kısa devre akımı

w

M

Akım trafo doymamış Akım trafo doymuş

Temel harmonik 100 100 100 100 100

2 ' n c i Karmonik 62 63 65

3 'üncü harmonik 25 28 30

4 'üncü harmonik

5'inci harmonik

* Çevrim: Cycle (50 Hz'de 20 msn)

Tipik Mıknatıslayıcı Yığılma ve İçsel Kısa Devre Akımlarının Göreli Harmonik Büyüklükleri

Tablo incelendiğinde, yığılma akımlarında ikinci harmonik bilecenlerin en büyük değerlerde olduğu görülür. İçsel kısa devrelerde akım trafoları doy maya ermişse (normal olarak doyar) üçüncü harmo nik etkendir. Ayrıca mıknatıslama akımlarında DA bileşenleri de oldukça yüksek değerlerdedir. Di feransiyel rölenin, trafo servise alınırken doğa cak yığılma akımlarından etkilenmesini (çalışıp yanlış açtırmalar yapmasını) önlemek için aşağıda sıralayacağımız yöntemler uygulanabilir:

1. Rölenin çalışma oranı (pick up ratio) ve zaman gecikmesi artırılarak, yığılma akımlarının etkisi azaltılabilir. Bu durumda rölenin normal çalışma daki duyarlığı azalır ve hızlı çalışma istendi ğinde öğeler arası zaman koordinasyonu zorlaşır.

2. Trafo enerjilenirken, akım uçları kısa devre edilerek röle körletilir, duyarsız duruma getiri lir. Bunun da sakıncası, enerjileme anında ya da hemen sonra doğabilecek kısa devrelerde, trans formatörün diferansiyel korumasız kalmasıdır.

3. DA bileşenleri süzgeç devreleri üzerinden rö leye tutucu akım olarak verilebilir. Bu durumda içsel kısa devre ve yığılma akımlarının ayırt e dilmesi güçleşir. Eğer içsel kısa devrelerde, a kım trafoları doymaya eremiyorsa, DA bileşenleri büyük değerlerdedir ve tutucu akım olarak kulla nıldığından, rölenin arızayı görememe tehlikesi vardır.

4. Daha büyük harmonik akımların tutucu olarak röleye verilmesi: Bu yöntem yukardakilerden daha tutarlıdır, yalnız akım trafolarının doymasıyla normal içsel kısa devrelerde harmonik akımlar bü yür ve rölenin çalışması güçleşebilir.

5. İkinci harmonik akımların röleye tutucu yönde verilmesi: Bu yöntem saydıklarımız içerisinde en tutarlısıdır. Böylece yığılma ve içsel kısa devre akımları daha doğru olarak ayırt edilebilir. Süz geç yardımıyla süzülen ikinci harmonik akımlar röleye tutucu yönde verilerek, rölenin transforma tör enerjilenirken yanlış çalışması ya da mıkna tıslayıcı yığılma akımlarından etkilenmesi önlen miş olur. Diferansiyel rölelerde aranacak başlıca nitelik de budur.

iv

i)

150 Hz

Şekil 2. Yığılma Akım Süzgecinin Frekans Karakte ristiği

Yığılma akımlarının genlik ve süreleri aşağıdaki etkenlere bağlıdır:

Transformatörün gücü

Bağlanacak sistemin kısa devre gücü

Sistemde kaynaktan trafoya kadar olan direncin büyüklüğü

Transformatör manyetik devresinin türü

Transformatörün daha önceden enerjilenip ener jilenmediği (trafodaki artık akıların nicelik ve nitelik durumu)

Gerilim dalgası sıfırdan geçerken trafo enerjile nirse, maksimum yığılma akımı doğar. Bu anda yük sek endüktanslı devrede akım ve akı en büyük de ğerlere ulaşır. Eğer transformatörde, bir önceki enerjilenmeden artık akı kalmışsa, bu artık akı yeni enerjilenme anında doğacak akı ve akımı ya artırıcı ya da azaltıcı yönde etkiler. Güç trans formatörleri çoğunlukla doyma eğrisinin dirsek bölgesinde çalışacak biçimde yapıldıklarından, gerilimi sıfır anında enerjilenen trafonun akısı + bir önceki artık akı manyetik çekirdeği kesin likle doymaya götürür ve mıknatıslayıcı akım bile şenlerin aıtmasına yol açar. Şekil 3'de tipik mık natıslayıcı yığılma akı dalgası görülmektedir.

I

Şekil 3. Mıknatıslayıcı Yığılma Akım Dalgası

Yığılma akımı ilk birkaç çevrimde hızla ve daha sonra çok yavaş olarak azalır. Direnç düşükse yı ğılma akımının tamamen sönmesi 4 5 saniye sürebi lir.

Transformatörün doymasıyla L (endüktans) değeri

düşeceğinden

devrenin zaman

sabitesi

L/R değişir. Yığılma akımının zaman sabitesi kü

çük birimlerde 10 çevrim, daha büyüklerde ise 1

dakika dolayındadır.

Sistemde kaynaktan trafoya kadar olan direnç, yı ğılma akımının sönümünü belirler. Yığılma akımla rı, üreteçlere yakın trafolarda uzun, uzak trafo larda ise kısa sürer.

Her enerjilenmede maksimum yığılma akımı görül mez. Çünkü gerilimin sıfır anında enerjilenme ola sılığı oldukça azdır. Eğer trafoda artık akı yok sa, maksimum gerilim anındaki enerjilenmelerde yığılma akımı sıfırdır. En büyük yığılma akımı transformatörün ilk sisteme alınışında görülür. Trafonun dışındaki kısa devrelerde sistem bölümle rinin açılarak gerilimin önce düşüp sonra normale dönmesi, yıkılma akımlarını doğurabilir. Bu du rumda transformatör kısmî enerjilendiğinden yığıl malar tehlikeli değildir. Bir trafo, enerjili bir trafoya paralel olarak sisteme alınıyorsa, doğa cak yığılma akımları her iki trafo üzerinde pay laşılacağından etkisi azalır.

Ureteç transformatör birimleri de anma gerilimine yavaş yavaş getirildiğinden bunlarda yığılma soru nu yoktur.

4. AKIM TRAFOLARI DÖNÜŞTÜRME ORANLARI FARKLILIĞININ RÖLEYE ETKÎSÎ

Transformatörde giriş ve çıkış akımlarının aynı olmaması, bizi farklı dönüştürme oranlı akım tra foları seçmeye zorlar. Yüksek gerilim akım trafo larının dönüştürme oranları da standartlar ve ya pımcılar tarafından sınırlandırılmıştır. Dönüş türme oranlarındaki farklılığın röledeki etkisini bir örnekle yakından görelim:

örnek 1. 154/30 kV ve 25 MVA'lık güç trafosunun diferansiyel koruması: Trafonun giriş ve çıkışın daki akım trafoları, trafonun anma gücündeki akım larının hemen üzerindeki değerlerde seçilir. Akım trafosu çıkışları 1 ya da 5 A'dir. Türkiye'de ço ğunlukla 5 A çıkışlı akım trafoları kullanıldığın dan örneklerde bu değeri kullanacağız. Standart akım trafosu dönüştürme oranları: 50 100 200 400 600 800 1000 1200 1500 2000/5 A. Trafonun anma gücünde (25 MVA) 154 kV ve 30 kV' dan geçen akımlar:

11 = 25000 /(/3 154) = 93,7 A

154 kV akım trafosu: 100/5 A

1 = 25000 / (/5 3O) = 481 A 2

30 kV akım trafosu: 600/5 A

Güç trafosu anma gücünde çalışırken akım trafola rının çıkışından, daha doğrusu röleden geçecek a kımlar:

11 = 93,7 • 5/100 = 4,68 A 12 = 481 • 5/600 = 4,01 A Röleden geçecek fark akımı: İR = M İ2 = 0,67 A

6. TOPRAKLI SİSTEMLERDE KORUNAN BÖLGENİN DIŞINDAKİ FAZ TOPRAK ARIZALARININ RÖLEYE ETKİSİ

Doğrudan ya da düşük değerli direnç üzerinden topraklı sistemlerde diferansiyel koruma bölgesi nin dışındaki faz toprak kısa devreleri de röleyi e t k i l e r . Özellikle yıldız üçgen bağlı transforma törlerin yıldız tarafında oluşacak faz toprak kısa devrelerinde, kısa devreli faz ve sağlam fazlar dan birinin trafo g i r i ş ve çıkışındaki akımlar çok farklıdır. Bu farklılık rölenin çalışmasına ve sistemin arzu edilmeyen yerlerden açılmasına yol açabilir.

örnek 2. Dyn 1 bağlantı gruplu transformatörün yıldız tarafında faz toprak kısa devresi:

Şekil 4. 154/30 kV, 25 MVA'lık Güç Trafosunun Diferansiyel Koruması

Jl/X2: 154 kV ve 30 kV'dan geçen akımlar i l , i 2 : 254 kV ve 30 kV akım trafolarının çıkış akımları IR : Röleden geçen fark akımı

Rölenin tutucu sargıları olmasa ve İR > 0,5 A a yarlansa, röle transformatörün anma gücünde b i l e çalışacak ve istenmeyen açtırmalar yaptıracaktır.

örnekte de görülebileceği gibi istediğimiz dönüş türme oranlı yüksek gerilim akım trafolarını sağ layamadığımızdan (örneğin 93,7/5 A ve 481/5 A gi bi) , rölede bir fark akımının doğması kaçınılmaz dır. Bu fark akımını, ya röle üzerindeki (varsa) ayar uçlarıyla ya da akımları röleye yardımcı a kım trafoları üzerinden vererek s ı f ı r l a y a b i l i r i z . Yardımcı akım trafolarının seçimini ilerde göre ceğiz.

5. GÜÇ TRAFOSU BAĞLANTI GRUPLARININ RÖLEYE ETKÎSÎ

Buraya kadar, röle yönünden, akımların yalnızca genliklerini gözönüne aldık. Transformatörlerin bağlantı gruplarından gelen g i r i ş ve ç ı k ı ş akım ları arasındaki faz kaymaları üzerinde de durmak gerekir, örneğin Ynd5 bağlantı gruplu transforma törün g i r i ş ve ç ı k ı ş akımları arasında 5*30=150 derece faz kayması vardır. Bu akımları röleye ay nen verirsek, genlikleri e ş i t olduğu halde faz kaymasından ötürü yine bir fark akımı doğacaktır. Röleye gelen akımların genliği ayarlanmış ve 5 A olsun; g i r i ş ve ç ı k ı ş t a 150 derece faz kayması varsa röleden geçecek fark akımı,

İ! = 5[0°_= 5 i2 = 5JJL500 = 5( 0,866 + 0,5 j) iR = il i 2 = 9.65İ 210

Bu fark akımı da röleyi çalıştırmaya yeter. Güç trafosunun g i r i ş ve çıkış akımları arasındaki faz farkının ana ya da yardımcı akım trafoları ü zerinde giderilmesi gerekir.

o ; o ı_

Şekil

5. Diferansiyel Koruma Bölgesinin Dışında ve Yıldız Tarafta Faz Toprak Kısa Devresi

1: Güç trafosu 154/30 kV, 100 MVA, ukd = % 10

2: Akım trafoları 3: Korunan bölge 4ı 154 kV bara, üç faz kısa devresi

5000 MVA Zh: Hat empedansı (100 MVA bazında)

Zh\ = Zhz 0,08 pu ZhQ = 0,10 pu

Sistemin durumu ve belirleyici değerleri Şekil 5' de gösterilmiştir.

Kaynak empedansı Zk = 100/5000 = 0,02 j = Zkı = Zk 2

Kısa devre akımlarını bulmak için sistemin pozitif, negatif ve sıfır bileşen değerleri Şekil 6'da dü zenlenmiştir. Hesaplamalarda 1 al ts imgesi (endisi) pozitif, 2 negatif, 0 sıfır bileşenlerini göste rır.

i<

Ztrl h MB

Ikl

b ti

îtL

şekil 6. Sistemin Pozitif, Negatif ve Sıfır Bile şen Devreleri

A fazının pozitif, negatif ve sıfır bileşen akım ları birbirine eşittir.

lal = *a = *ao = Ek/Zt 2

Ek = 1,0 birim

Z = ZI + Z + Z

o

Z = j 0,40 t

xai Ja2 = ^o = ~j 2,5 birim la = Ioı + I 2 + lao = "j 7,5 birim O

Ib = 0

I =ö c

154 kV .tarafta da aynı şekilde transformatörün A fazı sargısından j 7,5 birim, B ve C sargıların dan da sıfır akımı akar. Kısa devre öncesinde, transformatör üzerinden bir yük akışı yoksa, j 7,5 birimlik kısa devre akımı 154 kV'un A ve C, 30 kV'un ise yalnızca A fazından akar. Bu durumda diferansiyel rölenin C fazı öğesinin çalışması, kısa devre korunan bölgenin dışında olduğu halde, kaçınılmazdır.

Arıza öncesinde 154 kV'dan 30 kV'a 0,8 güç çarpan lı 50 MVA'lık bir yük aktığını düşünürsek, yük a kımı:

I = (50/100)'(0,8 + j 0,6) = 0,4 + j 0,3 birim y

Arıza anında C fazından akan akımlar: 30 kV'da

I = 0,4 + j 0,3 birim, c

154 kV'da

I = 0,4 + j 0,3 ( j 7,5) = 0,4 + j 7,8 birim c

Bu akımlar gerekli faz kaydırmaları yapılmadan röleye verilirse, röle C fazının çalışacağı açık tır. Yıldız taraftaki akımlar, gerekli faz kayma sını giderecek biçimde üçgen bağlı akım trafoları üzerinden röleye verilerek bu sakınca giderilebi lir. Topraklı sistemlerde diferansiyel koruma bölgesinin dışındaki faz toprak kısa devrelerinde rölenin yanlış çalışmasını önlemek için, faz kay ması olmayan güç transformatörlerinde bile (YnYnO) akımlar röleye üçgen bağlı akım trafoları üzerin den verilmelidir.

7. ÎKÎ VE ÜÇ SARGILI TRANSFORMATÖRLERDE DİFERANSİYEL KORUMA

Aşağıda iki ve Uç sargılı güç transformatörlerinin diferansiyel korumasında, akımların röleye nasıl verileceğini örneklerle inceleyeceğiz. Her iki örnekte ana akım trafoları yıldız bağlanmış ve her iki ya da üç besleme ucundan gelecek akımların genlik ve faz kaymalarının denkleştirilmesi yar dımcı akım trafoları üzerinden yapılmıştır. Bu tür yardımcı akım trafoları, röle üzerinde yeterli genlik ayar olanakları olmadığında kullanılır. Daha sonra verilen şekillerde yaygın kullanılan güç transformatörlerinin faz kaymaları ana akım trafoları üzerinde giderilmiştir. Üzerinde durul ması gereken nokta, farklı bağlantı biçimlerine göre faz kaymalarının ana ya da yardımcı akım tra foları üzerinden nasıl giderildiğidir. Güç trafo su sargılarında polariteler (x) işaretiyle göste rilmiştir. Akım primer (birincil) sargısının (x) işaretli ucundan girer, sekonderin (ikincil) de (x) işaretlisinden çıkar. Akım trafolarının pola riteleri de aynı biçimde gösterilmiştir. Bağlantı grubu Yn d5 olan bir güç transformatöründe, pri mer sargıların yıldız bağlı ve ortak ucun toprak landığı, sekonder sargının ise üçgen bağlı ve ay nı faza ait sekonder hat akımlarının primerdeki lerden 5 30 = 150 derece geri olduğu anlaşılmalı dır.

örnek 3. 154/34,5 kV, 25 MVA ve Ynd5 bağlantı gruplu güç transformatörünün ana ve yardımcı akım trafoları üzerinden diferansiyel koruması:

Şekil 7. 154/34,5 kV, 25 MVA ve Ynd5 Bağlantı Gruplu Güç Transformatörünün Diferansi yel Koruması

Transformatörün anma gücündeki akımlardan ana ve yardımcı akım trafolarının bulunması: 154 kV tarafta: Ip = 25000/(/5«154)=93,7 A

Ana akım trafosu: 100/5 A ve y ı l dız bağlı ip= (93,7/100)*5=4,69 A

Yardımcı akım trafosu:4,69/(5/>^3)A dönüştürme oranlı ve üçgen bağlı.

34,5 kV tarafta: I = 25000(/3'34,5)=418 A s Ana akım trafosu: 600/5 A ve yıl dız bağlı

i = (418/600) 5=3,49 A s

Yardımcı akım trafosu 3,49/5 A ve yıldız bağlı.

Diferansiyel rölede fark akımı doğmaması için rö leye gelen her faza ait ip2ve is2 akımlarının e şit olması gerekir (Şekil 7).

154 kV'da:

Iap=93,7; Ibp=93,7|240°; Içp=93,7|120°

iap=4,69; ibp=4,69]240°; i =4,69|120° cp

iapı =5//3; ib =(5//3) [240°; i =(5//5) 1120°

pl

cpı

pp ibP2=icpl ibpı=5[90° icP2= iapı icpı =51 30°

34,5 kV'da:

Ias=418| 150°; Ibs=41şL iaS=3,49| 150°;ibs = 3,49 iası=5| 150°; ibsı=5[90f;

I =418] 30° c8

; i . =3,49 | 30° Ps i c s ı =5J 30°

? = iası=5| 150°

ip2=J s2 koşulu her faz için gerçekleştirilmiştir.. Akımların faz kaymaları ve genliklerinin yardımcı akım trafolarında, iki sargılı güç transformatör leri için nasıl düzeltildiğini görmüş olduk. Şimdi de üç sargılı güç transformatörlerinde bu işlemin gerçekleştirildiğini görelim.

ö r n e k 4. 380/154/15,8 kV; 180/180/44 MVA ve Ynyn 0d5 bağlantı gruplu transformatörün diferan siyel koruması:

ÇeJtil 8. 3«0/254/25,8 kV, 180/180/44 MVA ve Ynyn 0 d5 Bağlantı Gruplu Güç Transfor matörünün Diferansiyel Koruması

Transformatörün anma gücündeki akımlarımdan ana akım trafolarının bulunması:

380 kV'da: Ip = 180 000/(/I 380) = 273 A Ana akım trafosu: 300/5 A yıldız bağlı

154 kV'da: Is = 180 000/(/J* 154) = 675 A Ana akım trafosu: 800/5 A yıldız bağlı

15,8kV'da: It = 44 000 /(/3« 15,8) = 1610 A Ana akım trafosu: 2000/5 A yıldız bağlı.

Transformatörün 180/180/44 MVA anma değerleri, primer, sekonder ve tersiyer (üçüncül) sargıları nın dayanabilecekleri güçleri gösterir. Yoksa, primerden 180 MVA verildiğinde, sekonderden 180 MVA ve tersiyerden 44 MVA alınacağı anlamına gel mez. Primerden 180 MVA verildiğinde, bu güç, se konder ve tersiyer sargılarda yüklerin durumuna göre paylaşılır.

Bizim trafomuzda primer 180 MVA, sekonder 150 MVA ve tersiyer 30 MVA güç dağılımı olsun. Buna göre röleye gelecek akımları bulalım ve genlik düzelt me için yardımcı akım trafolarının nasıl seçildi ğini görelim.

380 kV , 180 MVA

Ip=180 000/(/3".380)*273 A

I =273; I =273|24QQ; I =273| 120°

ap

hr

cp

ip=(273/300).5=4,55 A

iap=4,55; ibp=4,55| 240°; i =4,55| 120° cp

Yardımcı akım trafosu: 4,55 / (5//3) dönüştürme oranlı ve üçgen bağlı

iapı=5//3; ibp=(5//3) |240°; i c p = Röleye gelen akımlar iap2= ibpı iapı =5 [ 150° ibp2= icpı ibpı =51 90° icpı=5 I —30

1120°

154 kV , 150 MVA

I =150 000/(/J 154)=562 A s

I =562; I =562|240°

as

bs

i =(562/800) 5=3,51 A s ias=3,5l[0°; ibs=3,51|240°; i =3,51|120° cs

Yardımcı akım trafosunu sekonder yükün primerdeki ne oranından bulabiliriz.

(150/180)«5=4,17 A akımın röleden çıkması i çin, yardımcı akım trafosu

3,51/(4,17//3)=4,21/(5//3) dönüştürme oranlı ve üçgen bağlı olması gerekir.

iası=4,17//3; ibsı=(4,17//3) |240°;

irsi =ft,17//3)| 120°

İaa7 = ihsi ia«ı =4,171 150° ibs2=icsl "ibsl =4,17|_9pJ> ics2=iasl i 4 1 7 L 3 0 °

15,8 kV , 30 MVA I =30 000/(/3 15,8) = 1095 A

i =(1095/2000)'5=2,74 A t

i f=2,741 150°; i =2,

fl

bt

i t=2,74| 30° c

Tersiyer yükün primerdekine oranından,

(30/180)*5=0,83 A akımın röleden çıkması için, yardımcı akım trafosu

2,74/0,83 = 16,45/5 A dönüştürme oranlı ve yıldız bağlı olmalıdır.

iatı =0,831 150°; ibtı =0,83L?_ç£; içti =0,831 30°

Böylece rölede i =is2=it2 koşulu her faz için p2 gerçekleşmiş olur.

Daha genel olarak, yardımcı akım trafolarının dö nüştürme oranlarını aşağıdaki şekilde de bulabili riz.

Primerden geçen güç, sekonder ve tersiyerdekile rin toplamına eşittir.

Ip'/7'380=I *»/3'<154+It*»/3"'15,8

(D

Ana akım trafolarının çıkışındaki akımlar,

ip=(Ip/300)«5; Ip=60 ip

is=ds/800)'5; I =160 i

(2)

i =(It/2000) 5; It=400 i

Primere ait yardımcı akım trafosunu hemen sapta yabiliriz. Trafonun anma gücünde röleye 5 A veri lecektir (rölelerin çalışma akımları 1 ya da 5 amperdir) ve akım trafosu sargıları üçgen olacak

180 MVA'de I =273 A; i =(273/60)=4,55 A

İ2p=5 A olması için akım trafosu 4,55/(5//!) dö nüştürme oranlı ve üçgen bağlı olmalıdır.

Yardımcı akım trafolarından sekondere ait olanı üçgen, tersiyerinki ise yıldız bağlı ve bunların bağlantı biçimleri güç trafosundan gelen faz kay masını giderecek şekilde olacaktır.

Elimizdeki bir diğer bağıntı ise, rölenin normal çalışmada dengede olması gereğidir.

i p=5 A 2

İ2s=(is/>/3)/x (üçgen bağlı

İ2t=it/y

(yıldız bağlı)

x ve y sekonder ve tersiyerdeki yardımcı akım trafolarının dönüştürme oranlarıdır (sargılar a rası).

5=(i «/3)/x + i /y

(3)

(1) no'lu denklemde (2)deki değerleri yerine ko yar ve i =4,55 A alırsak,

60 380»4,55 = 160 154 i + 400»15,8 it s

5=(i /3)/l,46+(i /3,28)

(4)

(3) ve (4) no'lu eşitliklerden yardımcı akım tra folarının dönüştürme oranlarını bulabiliriz.

x=l,46=4,21/(5//3)A

y=3,28=16,45/5 A

Çok daha kolay ve pratik bir yöntemde, önce pri merdeki yardımcı akım trafosunu primerin anma gücünde röleye 5 A verilecek şekilde (yukarda yaptığımız gibi) buluruz. Daha sonra sekonder an ma gücünde, tersiyer sıfır yükte alınarak sekon derin yardımcı akım trafosu bulunur, tersiyer i çin de aynı yöntem uygulanır.

1. 380 kV'da 180 MVA

Ip=273 A; ip=<273/60) =4,55

Röleye 5 A vermek için yardımcı akım trafosu 4,55 / (5//3)A dönüştürme oranlı ve üçgen bağ lıdır.

2. 380 kV ve 154 kV'da 180 MVA, 15,8 kV boşta Bu durumda rölenin dengelenmesi gerekir.

Is=675 A; i =675/160 4,21 A; 180 MVA'de 380 kV s dan röleye gelen akım 5 A'dir, dengeleme için 154 kV'dan da 5 A çıkması gerekir.Bunun için de yardımcı akım trafosu 4,21/(5//5)A dönüştürme o ranlı ve üçgen olmalıdır.

3. 380 kV ve 15,8 kV'da 44 MVA, 154 kV boşta

Bu güçte primer ve tersiyerdeki akımlar

Ip=44 000/(/3«380) = 66,9 A; i =66,8/60=1,113 A; p

i p=(l.113/4,55) 5=l,223 A 2

i =1610 A; i =1610/400=4,02 A

Rölenin dengelenebilmesi için tersiyer taraftan 1,225 A akımın çıkması, bunun için de, yardımcı

akım trafosunun 16,45/5 A [(4,02/16,45)«5=1,223] dönüştürme oranlı ve yıldız bağlı olması gerekir.

8. AKIM TRAFOLARI Diferansiyel rölenin doğru ölçüm yapabilmesi, kendi yapısının duyarlığı kadar, akım trafoları nın sistemdeki akımları röleye ne derece doğru aktardığına da bağlıdır. Tüm koruma ve ölçme iş lemlerinde, gerçek sistem koşullarının saptanma sından doğan yanlışlıklar çoğunlukla ölçü trafo larından ve özellikle akım trafolarından gelmek tedir. Akım trafolarının doğruluk sınıflarına bağlı dönüştürme oran hataları ve giriş çıkış a kımlarının faz kaymaları ölçü hatalarının başlıca larıdır. Her iki ya da üç uçtaki akım trafolarının farklı değerlerde doyması ve zaman sabitelerinin farklı lığı, korunan bölgelerin dışındaki kısa devreler de çalıştırma (fark) akımının büyümesine ve röle nin yanlış çalışmasına yolaçabilir. Bağlantı i letken uzunluklarının eşitsizliği, yalnızca bir tarafta yardımcı akım trafolarının kullanılması, diğer röle ve ölçü aygıtlarının akım trafolarını ayrıca yüklemesi ve farklı ana akım trafolarının kullanılması (aşırıakım çarpanı, dönüştürme oranı ve yüklenme farklılığı) fark akımlarının artırıcı yöndedir,

9. RÖLE AYARI Diferansiyel koruma rölelerinde, taban ayarı (ba sic setting Zg) ve çalışma oranı ayarı (pick up ratio setting % V) diye anılan iki tür ayar ola nağı vardır.

Şekil 9. Diferansiyel Röle Çalışma Eğrisi in: Rölenin anma akımı it: Tutucu akım iç: Çalıştırıcı akım g : Taban ayarı v : çalışma oranı

Daha önce de belirttiğimiz gibi diferansiyel rö lenin ölçü öğesine iki tür akım verilirj biri ça lıştırıcı, diğeri tutucu yön ve görevdedir. Ça lışma oranı, rölenin çalıştırma akımının (fark a kımı) tutucu akımına oranıdır. Bu akımlar rölenin anma akımına göre tanımlanır (bizde 5 A ) . Diferansiyel rölenin çalışma eğrisi genel olarak

üç bölgeden oluşur (Şekil 9 ) .

1. Rölenin tutucu akımdan bağımsız çalıştığı böl ge: Bu bölgede röle aşırıakım ilkesiyle çalışır ve rölenin çalışması taban ayarıyla belirlenir. Bu ayar özellikle güç transformatörünün mıknatıs lama akımına göre yapılır. Rölenin çalışmasında tutucu akımın etkisi yoktur.

2. Tutuculuğu ayarlanabilen bölge: Rölenin çalış ması taban ve çalışma oranı ayarlarıyla belirle nir.

3. Sabit tutucu değerli bölge: Rölenin taban aya rı, transformatör mıknatıslama akımının en büyük değerine göre seçilir. Kademe değiştiricili trans formatörlerde akım eşdeğerleme yalnız bir kademe

için yapıldığından, diğer kademelerde fark akımı nın röleyi çalıştırması, çalışma oranının artırıl masıyla önlenebilir.

KAYNAKLAR

1. "Differential Protection of Transformers and Generators", Brown Boveri, Re1ays and Protec tion Schemes, CH ES 33 10E

2. Power System Protection, cilt 2, The Electiri city Council.ed., 1969 London

3. Applied Protective Relaying, Westinghouse, Electric Corporation Relay Instrument Division, Nevark, New Jersey 1964

•»t 1

"'

T?"

ıg,

•4 JL W

•at in

ut n«

İ NVN

ÜS*

>>

^ 3 ATA

A,L.

EleictriA Mühendisliği 214

kJ.

•

Ut

C Iı» "

Y ndTI

£—

üT * a i

•aı ık* •H jc ı

Ut ».

L

"^ 1 ( s*' 1 W

^ ET

'•» iç»

11 ^,

^<

V

1 *"