ENERJİ SİSTEMLERİNDE YENİ KISA DEVRE BULMA YÖNTEMLERİ

Enerji Sistemlerinde Yeni Kısa Devre Bulma Yöntemleri

Yazan :

V. E. Kazansky A. D. Kuznetsov

Çeviren:

Osman SEVAlOĞLU ODTÜ

ÖZET

Bir iletim hattındaki ktsa devrenin tam yerinin bulunması sistemin verimli çalışabilmesi için şarttır. Akım ve gerilimlerin otomatik olarak ölçi'-lmesiyle kısa devrenin yerini derhal belirten bir yöntem geliştirilmiştir.

SUMMARY

Determination of the exact location of a fault on a transmission Üne is an essential reguirement for efficient system operadan. A method has been evolved automatically recording currents and voltages which provides immediate indication of where the short-circuit has occured.

İ. GİRİŞ

110 kV ve üzerindeki modern enerji sistemlerinde 'ampermetre ve voltmetrelerden meydana gelen otomatik ölçme üniteleri geniş olarak kullanılmaktadır. Bu ölçme üniteleri bir kısa devre anında akım ve gerilimlerin dengeli bi" leşenlerini otomatik olarak ölçecek şekilde hazırlanmıştır, ölçmelerden elde edilen değerlerle kısa devrelerin kararlı ve kararsız noktalarını derhal bulmak ve sistemin kısa devre süresini azaltmak mümkündür. Bazı ülkelerdeki 110 kV ve üzerindeki bütün enerji sistemlerinde bu ölçme ünitelerim' kullanmak yararlı görülmüştür. Bu ünitelerin fonksiyonları röle koruma ve diğer otomatik sistem koruma cihazlannınkine benzemektedir. Yalnız bu ölçme cihazlarının bazı zor ve önemli koşullan sağlaması gerekmektedir.

Bu koşullardan birincisi; kısa devrenin meydana geldiği ilk anlarda, yani enerji sisteminin çeşitli kısımlarının röle koruma ünitesinden ayrılmadan önce uygun dengeli bileşenlerin ölçülmesidir. Bunun yapılabilmesi için ölçme cihazlarının kısa devreden sonraki ilk 0,08-0,09 saniyelik arada çalışması ve daha sonraki gerilim ve akün değişmelerini etkilenmemesi gereklidir.

îkinci olarak, akım ve gerilim dengeli bileşenlerinin muhtemel bütün değerlerinin devrenin belirli noktalarında hemen ölçülmesi gereklidir. Bu nedenle aletlerin çoğu zaman 40'm üzerinde-bir skala çarpım faktörüne sahip obuası istenir.

Üçüncü olarak, kısa devrenin uzaklığım saptarken akım ve gerilimlerin sinusoidal dalgalar

* Energy International, C. 8, S. 19 Ekim, 1971 dergisinden çevrilmiştir.

olduğu kabul edildiğinden, dengeli bileşenlerin yalnızca ilk harmoniklerinin ölçülmesi yeterlidir.

YukardaM koşullan tam olarak sağlayan aletlerde genellikle bir bellek kondansatörü kullanılmaktadır. Bu sistemlerde bir kısa devre anında akım ve gerilimler iki safhada okunur. Birinci safhada, yani kısa devre esnasında bellek kondansatörü ölçülen akım veya gerilimin değeriyle orantılı olarak doldurulur. Bu kondansatör ölçme .' transformatöründen gelen küçük akım ve gerilim değerlerinde bile çabuk dolacak şekilde seçilmiştir, ikinci safhada, bellek kondansatöründekji yük okuyucu bir üniteye boşaltılır. Bu okuyucu ünite tekrarlayıcı ve uzun periyod bellekli mantık devresini kontrol etmektedir, ikinci safhada aletlerin yüksek hızla çalışmasına gerek yoktur. Bu sebepten planlanması kolay, çalışmaları yavaş ve sağlam aletlerin kullanılması mümkündür.

2. FIP KISA DEVRE BULMA SİSTEMİ

Şekil l'de FIP kısa devre bulma sisteminin genel devre şeması görülmektedir. Test sisteminde temel olarak bir bellek kondansatörü kullanılmıştır, diğer sistemlerden farklı olarak bir de okuyucu ünitesi vardır. Diyagramdaki ana elemanlar aşağıda verilmiştir

1. Hızlı Şart Ünitesi (HŞÜ): Bir giriş trans* formatörü, tam dalga redresörü, R tetik röle si ve Cj bellek kondansatöründen meydana gel miştir. R, anahtan R rölesiyle kontrol edilmek tedir.

2. Okuma Ünitesi (OÜ) : Bir P ölçme rölesi ve C2 okuma kondansatöründen oluşmuştur. 3. Tekrarlama Ünitesi (TU): Genellikle bura da bir elektrik darbe sayıcısı kullanılmakta dır.

'Darbe sayısı N aşağıdaki eşitlikten saptanabilir:

Şekil 1. FIP tipi kayıt test gurubu fonksiyonel devi e diyagramı

Ölçme ampermetreleri ve voltmetreleri birbirlerinden sadece şarj üniteleriyle aynlırlar. Voltmetre-hızlı şarj ünitesinde bir gerilim transformatörü, ampermetre-hızh şarj ünitesinde de sekonderi şöntlenmiş bir akım transformatörü bulunur. Yüksek akım ve âletim hattında bir kısa devre olunca hızh şart ünitesinin girişinde A genişliğinde bir sinyal meydana gelir. Bu A sinyali R tetik rölesini harekete geçirir. Bundan 0,04 saniye sonra tetik rölesinin R, kontağı kapanır ve C, kondansatörü V0 gerilimine kadar dolar. Formüldeki K orantı faktörüdür.

V0 = KA

A sinyalinden 0,09 saniye sonra R-l kontağı açılır. Rj kontağı kapanarak, Cj kondansatörü; R2, Pj kontaklan ve P rölesinin sanmlan aracıhğıyle Cj kondansatörüne bağlanmış olur. Böylece C2 kondansatörü dolmaya başlar ve C,'dn uçlan arasındaki V0 gerilimi V/e düşer:

v- - v°^rrcr

Sarımlarından geçen yük akımıyla P rölesi ha1-

rekete geçerek C2'nin dolmasına yetecek kadar bir gecikmeden sonra R, kontağını açar ve

P2 kontağını kapatır. Böylece C,'den ayrılmış olan C2 kondansatörü P2 kontağı aracığıyla kısa devre edilmiş ve tekrarlama ünitesinin girişine ilk doğru akım darbesi verilmiş olur. C2' nin boşalmasını ve tekrarlama ünitesinin düzgün çalışmasını sağlıyan 'bir aradan sonra, P

rölesi tekrar P2 kontağını açarak Pj kontağını kapatır. Bu durumda kondansatörlerin uçlan

arasındaki gerilim V2 değerine düşer:

-V

- v bir

Cı c, + c2

Böylece okuma ünitesi ikinci doğru akım darbesi meydana

getirir, bu darbe de tekrarlama ünitesi

tarafında alınır. Çalışma bu şekilde kendini

tekrarlar.

Okuma ünitesinin her yeni elektrik darbesi meydana getirişinde devrenin elektrik yükü bir ölçüde azalacağından, N darbe sonunda C2 kondansatörünü dolduran akım P rölesini uyaramıyacak kadar zayıflar.

'• - ya da

N = C (InA— in -^K- ) olmalıdır.

Burada C, VN ve K'nıu değerleri sabittir ve l

C =- -ile tarif edilmiştir.

3. FIP SİSTEMİNİN GENEL ÖZELLİKLERİ

1. Darbe sayıcısı tarafından alınan darbelerin sayısı, A sinyalinin logaritmik bir fonksiyonu1 dur. Yani yan-logaritmik eksenlerde A ve N arasındaki bağıntı daima bir doğrudur* (Şekil 2.). Bu doğruya aletin kalibrasyon eğrisi denir. Aynı logaritmik ifadedeki C katsayısı ıkalibraseğimini,—-^— terimi de eVğryinoinneğrisinin

Jx dikey hareket miktarmı ifade eder.

-»A

Şekil 2. Yan - logaritmik eksenlerde alet ayar eğrisi.

Kalibrasyon eğrisini, sistemin parametrelerini kullanarak belli bir standarda ayarlamak mümkündür. C, ve C2 değerlerini değiştirmek suretiyle C değeri yani eğrinin eğimi, VN ve K'yı değiştirerek de eğrinin dikey hareket miktan ayarlanabilir. 2. K ve VN'nin aynı oranda değişmeleri sistemin okumalarını etkilemez, fakat K veya VN*-

Kısa devrenin generatöre olan uzaklığının hesaplanması, yan logaritmik eksenlerde A ve N arasındaki bağıntının doğrusal öz ması halinde mümkündür. Çünkü bir mantık devresi tarafından sayılan darbe sayısı N, yan-logaritmik eksenlerde A sinyalinin genliği ile yani kısa devre akımının şiddetiyle doğru orantılıdır. Kısa devre akımının şiddeti ise aslında kısa devrenin generatöre olan uzaklığının bir fonksiyonudur. Dolayısıyla darbe sayısı N'e bakarak bu uzaklığı tam olarak kestirebilmek mümkündür.

nin aletin kalibre edildiği değerlere oranla % x kadar değişmesi, sonuçların da % x kadar hatalı olmasına neden olur.

3. Yan logaritmik eksenlerde kalibrasyon eğ risinin doğrusal olması nedeniyle darbe sayısr-

100 nın A'ya göre yüzde değeri sabittir ve % —— ye eşittir, yani A'ya bağlı değildir. Gerçek darbe sayısının A. %—1(~—0t0 olduğu kolayca göstenlebilir. Bu nedenle sayıcıdaki hatadan dolayı darbe sayısında meydana gelen alet hatası sabittir. Yüksek skala faktörlü aletlerin değeri, bunlarda toplam darbe sayısının düşük olmasından ileri gelmektedir. Bu nedenle maximum kuanrum hata da sabittir. Kuantum hatanın sonsuz küçük parçalara bölünebilmesi için C eğrisinin eğimini biraz fazla seçmek yeter.

4. Eğrinin kalibrasyon eğiminden % x kadar sapma, aynı şekilde % x kadar bir alet hatasına sebep olur. Darbe sayısının A'ya göre yüzde degeri sabit ve % --1-0-0-- 'ye eşit olduğundan C'nin î~l

% x kadar değişmesi % x. N/C değerinde bir hata meydana getirir, yani okunan değerler arttıkça hata da artar.

5. Kondansatörlerin değerinin orantılı olarak değişmesi aleflin okumalarını etkilemez. Test sisteminde kullanılan devrenin de yararlan bu dur. Çünkü mevsim koşullan ve sıcaklık değiş meleri yapılan aynı olan iki kondansatörü de aynı oranda değiştirerek C eğrisinin eğimini sabit tutar, böylece fazladan bir alet hatasının meydana gelmesi önlenmiş olur.

6. Yüksek eğimli kalibrasyon eğrilerinde ale tin ölçme taban değeri VN'dir. Tavan değeri ise sadece darbe sayıcısı tarafından sınırlanmjştır. Bu durumda aletin skala çarpım faktörü B aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir:

NM = CJnB

Burada NM sayılabilen darbe sayısıdır. Aletin skala çarpım faktörünün yeterli bir değerde, örneğin 50'nin üzerinde olması için C = 20 ve NM = 100 seçmek yeterlidir, dolayısıyla 100 darbeye ayarlanmış bir darbe sayacı genellikle test sistemi için istenen koşullan sağlar. Test sistemi hızlı şarj ünitesi girişine sinüsoid akım veya gerilimler uygulandığı zaman kalibre edilmelidir. Bu durumda Cj kondansatörünün gerilimi Şekil 3'teki a^b-c-d-e-f-g-h 'kırık çizgilerinde olduğu gibi yükselir. C, kondansatörünün dolması yaklaşık olarak Tch'da tamamlanır. Burada Tch sistemin zaman sabitesidir. Kısa devre anında giriş akımının dalga şekli aperyodik sönümlü 'bir bileşen tarafından bozu-

(ur. Su sönümlü bileşenin zaman sabitesi Znc ise ve hızlı şarj ünitesinin dolması üç Tcb'dan daha uzun sürerse, bileşenin değeri sıfıra çok yaklaşır, ve dalgadaki bozulma, aleti etkilemez. Aleti bu sönümlü bileşenin etkisinden kurtarabilmek için -rch değerinin C, kondansatörünün okuma ünitesinde, ayrılmasından az önce dolma işlemini tamamlayacak şekilde seçilmesi gerekin

Şekil 3. K, kapasitörü şarj sürecini gösterir grafik.

FIP test sisteminin genel teknik özellikleri aşağıda sıralanmıştır:

a. Akım yada gerilim ölçmelerinde bütün ha ta % 3'ten düşüktür.

b. Aletin ölçme alanı (tavan ve taban skala çalışma değerleri arasındaki fark) 50'ye kadar yükselebilir.

c. Kısa devrenin olmasından en geç 0,09 saniye sonra sinyal kaydedilmiş olur.

d. Kullanılan voltmetrelerin ölçme değerleri 5 V ile 250 V arasında değişir.

e. Ampermetreler ıkullanıldıklan ölçme değer lerine göre ayrılırlar:

0,2 A'den 10,0 A'e kadar

0,4 » » 20,0 »

1,0 » » 50,0 »

2.0 » » 100,0 '»

f. 100 V değerindeki bir potansiyel farkında voltmetrenin sarfiyatı 3,0 VA'i geçmez.

g. 5 A ölçen ve ölçme tabanı l A olan amperampermetrenin bütün direnci 0,12 fl'u geç mez.

Sistemde 'kullanılan ampermetreler özel olarak yapılmıştır, yani kolaylıkla ölçme değerleri değiştirilebilir.

Şimdilik FIP test sisteminin kullanıldığı yirmi enerji sisteminden alman sonuçlara göre, kısa devrenin uzaklığını, bütün hat boyunun % 2-5'i kadar bir hatayla bulmak mümkün olmaktadır.