ÇAN TİPİ POLARİZE EDİLMİŞ MHO RÖLESİ

UBK: 621.816.926

Yazanlar :

Ayhan TÜRELİ

Şerif ÜNAN

ODTÜ

TEK

ÖZET Enerji nakil hatlarının korunmasında en fazla kullanılan ve en iyi sonuç veren polarize edilmiş MHO rölelerinin çalışma prensibi anlatılacak, sistemin işletme şartlarına göre karakteristiğinin değişmesi gösterilecektir. Çan tipi elemandan yapılmış polarize MHO rölelerinin dinamik karakteristikleri çıkarılacak, sistem işletme şartlarına göre rölenin dinamik davranışı incelenecektir.

SUMMAKY Operatıon prindples o/ polarized mho relay which is uHdely used and showed good per/ormance ft>r protecting transmission llnes uHll be ezplained. For different system conditions, changing of its characteristic loill be shoıon. Dynamic charestiristics of polarized mho relay ıchich is made of a beli type element will be obtained, dynamic behaviour of relay for different system conditions wiU be investigated.

1. MESAFE KORUMASI

1.1. Korunan enerji rtaldl hattöun karakteristikleri :

Mesafe rölelerinin temel' prensibi, kısa devre olan bir enerji nakil hattınjn ucundaki (rölenin bulunduğu yer) voltajın hat akımına oranının hattın kısa devre olmuş kısmının empedansına eşit olmasıdır. Dolayısiyla Şekil 1 a'da görülen ve uzunluğu 1, kjsa devre noktasının rölenin bulunduğu noktadan uzaklığı |x ve birim uzunluğunun empedansi

ZL = ZL 0 L olan bir hattın kısa devre karakteristiği, Şekil 1 b'de görüldüğü gibi, bir empedans düzlemi (R — X düzlemi) üzerinde AB hattı olarak gösterilir. Kısa devre noktasındaki ark empedansı da nazarı itibara alındığında (hattın kısa devre karakteristiği ABCD içindeki alandır. Yani hat üzerinde herhangi bir noktada bir kısa devre olduğunda, fölenin bulunduğu noktadaki voltajın akuna oranı bu ABCD alanı içinde olacaktır.

Hat üzerinde bir kısa devre olmadığında, yani normal enerji nakledildiği işletme durumlarında da. röle noktasındaki voltaj ve akîmın oranı gene aynı R — X düzlemi üzerinde gösterilebilir. Bu durumda röle noktasında görünen empedans aşağıdaki denklemden hesaplanır.

"röle '

(kV)2 cos 0 MW

(D

Burada V faz arası işletme voltajı, MW nakledilen güç miktarı ve 0 de güç faktörüdür. Muhtemel bütün işletme durumları için bu empedans hesaplandığında Şekil 1 b'de görüleni (E) ve (F) alanları elde edilir. Bunlardan (E) alan* enerji akış yönü röle noktasından hatta doğru

* 7.2.1972 tarihinde EÎE idaresi salonunda verilmiştSr.

olduğunda ve (F) alam ise ters yönde olduğu durumlarda elde edilmektedir.

Bir enerji nakil hattının yukarıda belirtilen kısa devre ve normal işletme karakteristikleri hattın konfigürasyon, uzunluk, voltaj, nakledilen enerji miktarı, v.s. ye bağlı olarak birbirlerine yaklaşır veya uzaklaşırlar. Esas mesele bu iki karakteristiğin kesişmemesidir. Aksi takdirde böyle tolr sistemin mesafe koruması ile korunması imkânsız olur. Bu durulmada pratikte rastlanmaz.

1.2. Mesafe rölesinin karakteristikleri :

Mesafe rölesinin fonksiyonu devamlı olarak röle noktasında görünen empedans değerini gözlemek ve bu değer ABCD alanı İçine düştüğünde bir sinyal vererek hat Kesicisini açtırmak, aksi takdirde herhangi bir müdahalede bulunmak olmalıdır. Bu işlemi yapacak sistemler pratikte çeşitli şekillerde gerçekleştirilirler. Aşağıda faz mukayese sistemi izah edilmektedir.

.Şekil 2'de gösterilen tertiple elde edilen ve St ve S2 olarak gösterilen sinyalleri İnceleyelim. Akım ve gerilim trafo sargı oranlarmının bire eşit olduğunu farz <edellm. Bu trafoların bağlantı yönleri ve akım ve gerilim için kabul edilen referans doğrultulan1 dikkate alınarak Şekil 2' den

S t •= V

S2*=IZN - V olarak bulunur. Burada

0,8I. olsunN. Hat kısa devre olduğunda

(2a) (2b)

(3)

V ı= I. \

olduğundan, 0<X<0.8.1 olduğu durumlarda St ve S^ aynı fazda, yani arg (Si/a,) = 0° olacak

HAT KISA 0EVRE KARAKTERİSTİĞİ

NORMAL İŞLETME KARAKTERİSTİĞİ

(b)

Şekü 1

1 olduğu durumlarda ise arg = 180" olacaktır. Hattın gerisinde meydana gelecek kısa devrelerde ise

£V=V

S»

IZN ~ V

olacağından, bu gibi arıza durumlarında da arg lSO0 olacaktır.

JIZH

•1 i

Tt)

sıt

Şekil 2

Netice olarak ortaya çıkan husus, hattın korunan bölgesinde olan kısa devrelerde S^ ve

£L, sinyalleri aynı fazda, kısa devre bu bölgenin dışında olduğunda Jjse Sj ve S2 arasındaki faz açısı 180° derece olmaktadır. Dolayısıyla Şekil 2*de faz komparatörü olarak gösterilen cihaz bu faz değişimini gözleyerek hattın korunan bölge içinde bir kısa devre olup olmadığını! kolayca anlayabilir. Ancak kısa devre noktasındaki ark rezistansı da nazarı itibara alındığında dahili ve harici arızalarda ark (ıSı/a2) tam 0° ve 380° olmayacak, bu değertter civarında ve belirli bir band içinde bulunacaktır. Aynı durum normal isletme durumları için de mevcuttur. Yani komparatör, SI ve Sj arasındaki faz farkının belirli bir band içinde olup olmadığını gözlemesi icap eder. Misal olarak

olduğunda çalışan (yani kesiciyi açtıran) ve

90°<;ÖI<;—eo°

(5)

olduğunda çalışmayan bir Itomparatör düşünelim. Bu komparatörün sınırsal karakteristiği

,0 ı= _ 90° ve ğ = + 90°

(6)

olduğu durumlardır.

Elektrik Mühendisliği 164

Yukarıda belirtilen tipte bir komparatör kullanıldığında ve Sj ve S2 denklem (2a) ve (2b), de belirtildiği şekilde olan bir rölenin aınırsal karakteristiğini bulalım.

Sı

(7)

olsun. Burada Z = Z <^ğ dır. Denklem (2a) ve

(2b)'yi denklem (7) de yerine koyalım ve sol

tarafta her terlimi I ile Ibölelim ve V/I = Z diyelim :

(8)

N 'Z

,

Denklem (8)'i tekrar düzenleyip, her iki tarafın argümanlarını eşitlediğimizde

ark

= 9 + 180°

(9)

z —zN elde edilir. Bu denklemde Z rölenin gördüğü empedanstir. Bu denklemde #'ya ,— 90° ve + 90°

değerleri verildiğinde sınır şartlarını sağlayan

Z noktalarının geometrik yeri, yani rölenin sınırsal karakteristiği bulunur ve bu Şekil 3'de görüldüğü gibi R-X düzlemi üzerine çizilir. Bu sınırsal karakteristiğin içindeki her Z noktası

denklem 4'ü ve dışındaki her nokta ise denklem

(5)'i sağlamaktadır. Rölenin sınırsal karakteristiği, korunan hattın karakteristikleri ile beraber

aynı düzleme çizildiğinde tou rölenin hangi işletme durumlarında çalışacağı anlaşılır.

Şekil 2'de gösterilen mho rölesi pratikte kullanılamaz. Bunun sebtebi röle noktasına çok yakın yerlerde meydana gelen kısa devrelerde V

çok küçük veya sıfır olacağından bu gibi durumlarda sıhhatli bir faz mukayesesi yapılması imkansızlaşır. Dolayısıyla pratikte kullanılan raho

rölelerinde Sa sinyali arızalı olmayan faz voltajlarından seçilir. Bu gibi mho rölelerine «polarize

edilmiş mho röleleri» denmektedir. Bu konferansın gayesi bu tip bir rölenin sınırsa! ve dinamik karakteristiklerinin sisteme bağlı olarak nasıl değiştiğinin gösterilmesidir. Zira dünyanın hemen hemen her yerinde ve röleciler arasında bile polarize leöilmüş mho rölesinin ikarakteıristiğinîn normal mho rölesi karakteristiğinden farklı olduğu gerekli şekilde bilinmemektedir, tik önce kullanılan komparatörün çalışma prensibi izah edilecektir.

Arg(-_),-9D

Şeddi 3

2. ÇAN TtPt FAZ KOMPABATÖBÜ VE ÇALIŞMA PRENSİBİ

Bu komparatörün ana devresi Şekil i de gösterilmiştir. Sı ve S2 sinyalleri dolayısıyla meydana gelecek manyetik akılar aliminyumdan yapılmış ve hassas bir şekilde yataklanmış olan rotor (çan) üzerinde voltajlar endükliyecek, bunun neticesi olarak meydana gelen akımlarla manyetik akılar arasındaki münasebet neticesi kuvvetler meydana gelecek Ve rotor dönecektir. Bunu daha iyi görebilmek için Şekil 5'de görülen ve 0! ve ,05, akılarının kestiği bir alüminyumu levha nazarı itibara alalım. Şekil S'de 0 ı ve 02 nin pozitif ve artmakta oldukları bir t anındaki durum gösterilmektedir. fâı ve 02 nin sinusoidal ve aşağıdaki ifadelerde belirtildikleri şekilde olduklarını kabul edelim.

rotor

tobit gö'btfc

Şekil 4

A.A 41

0 ı (t)

(10a)

02 (t)'

Wt

(10b)

Allminyum diskin endüktansının ihmal edüebileeeğl düşünüldüğünde (aşağıdaki ifadelerde a işareti terimler arasındaki orantıyı göstermektedir)

'0i«-

-«İ0ıl«» O«*H- e)

(İla)

'02,

cos

(llb)

olacaktır. Dolayısıyla

« İ 0 İ ' 0 2 İ I sin, (ıwt |+ 0) coe vırt—.cos

(Wt |+ $) sin tart I

al0ıll02| sin Ö

§ekil 4'deki sistemde 0\ ve ÇQV S4 ve S2 ile orantılı olduklarından ve rotcar merkezden yataklanmış bulunduğundan

• T = k |S,| |Ss| sin •$

(13)

dır. Burada T rotoru döndüren moment, k bir orantı katsayısı ve Q da S, ile S2 arasındaki faz açısıdir. Denktem (13) 'den de görüldüğü üzere

0 ° < Ö < l 8 0 ° olduğunda T > 0 ,

(14)

yani rotor bir yönde dönecek ve

180°<0 <360" olduğlunda TK^ 0,

(15)

yani rotor aksi yönde dönecektir. Sınır gartlan

yani T <= 0 durumu,

ğ ,= o° ve $ = 180°

(16)

ile belirlenmektedir.

Şekil 5

3. ÇAN TÎPİ POLARtZE EDİLMİŞ MHO BÖLESt

Şekil 6'da polariae edilmiş bir çan tipi mho rölesinin ana devresi (basitleştirilmiş) görülmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi bu röle a fazında meydana gelecek faz - toprak arızaları için kullanılmaktadır, b ve o fazlarını toprak anzalarina karşı koruyacak olan diğer iki röle ve faz arası arızalarda çalışacak diğer röleler bu şekilde gösterilmiştir, a - n rölesine tatbik edilen I akımının

Ial

(17)

olarak seçildiği görülmektedir. Bunun nedeni Ek 1 de anlatılmıştır.

Sekile

Şekil 6'dan komparatörün sargılarına tatbik edilen sinyaller

(18a)

S 2 = ( I Z N — V,)/Z,

(18b)

olarak yazılabilir. Burada Z Ve Z3 komparatör sargılarının empedansinl ve kollara bağlı diğer empedanslarm toplamını temsil etmektedirler.

Şekil 7'de toir a - n kısa devre durumunda sistemin simetriıli bileşen devrelerinin bağlantısı görülmekte olup, kısa devre noktasında R ile gösterilen ve ark ve topraklama direncini gösteren bir elemanın da bulunduğu farz edilmiştir. Burada Za röl'e noktasının gerisindeki sistemin eşdeğer devresinin empedansını ve E da sistemin normal işletme gerilimini göstermektedir. Bu devrenin çözümü ile

v., =

Z8(2+p)|+ZF (2+q)

(20)

•v^-i^z.

(21)

(22)

bulunur. Yukarıda

Z,x = V = Z ,

ZL ^ Z L 2=2L

Z . o ^ P Zs ZL0 = q ZL

olarak alinmıg olup rölenin gördüğü empedans,

yani Va/I,

ZF ı=ZL + 3R/(2,+ q)

(23)

dur. Yukarıdaki değerler simetrili bileşen denküemlerinde yettlne konduğunda

(2+kj)ZF

(24)

(25)

ı — I,, [(a — aJ)Z(+pZ ]

(26)

vo

(27)

•Iı=Iı|(2ı+q)

(28)

olarak bulunur.

Denklem (27), (28) ve (24)'deki ifadeler denklem (18a) ve (18b)'de yerine konduğunda

SX = J

(2 + q) (ZN —

(2&a) (29b)

bulunur. Denklem (29a) ve (29b), denklem (7)' deki yerlerine konup düzenlendiğinde

k'zsı+zF • = — z Zp/JV3 Z3

(30)

elde edilir. Bu ifadede k' .= 12 + p)/(2,+ q) dur

Denklem (30)'un 'her iki taraf inin argümanları eşitlendiğinde

k'zsı+zF

) = e + 90°,+ arg (ZD/Z3) (31)

ZF-ZN

ve denklem (31), de kullanılan komparatörün sınır şartlarına tekabül eden 0° ve 180° 3er 0'nın yerine konduğunda, denklem (31) i gerçekleştiren Zp noktalarının geometrik yeri Şekil 8'de görüldüğü gibi elde edilir. Şekil 8'deki karakteristiğin elde 'edilmesinde ark iZp/Z3)ı=0o kabul edilmiş olup, bu şart bu devrelerdeki empedansların gerçekleştirilmesinde kolayca sağlanır.

Yukarıdan da anlaşıldığı üzere polarize edilmiş mho rölesinin sınır karakteristiği kaynak empedansının büyük veya küçük olmasına bağh olarak açılıp kapanmaktadır. Z$ = oo ve Z3 ı= 0 sı nır durumlannda da karakteristik, sırasıyla reaktans ve normal mho karakteristiklerine dönüşmektedir. Röle karakteristiğinin bu açılma özelliği bu tip rölelerin ark rezistansını görebilme kabiliyetlerinin zannedildiğinden çok daha üstün olduğunu göstermektedir.

Şeldl 7 Elektrik Mühendisliği 184

Şekil 8 43

Şekil 8 İncelendiğinde bu rölenin röle noktasının gerisindeki arızalarda da çalışacağı, yani yönlü empedans rölesi olma özelliğini kaybettiği yanlış olarak, zannedilebilir. Şekil 8'deki karakteristik sadece rölenin ilerisindeki arızalar için cari olup, rölenin gerisindeki arızalarda denklem (31)

) = Q + 90°

ZF + Z N

arg Z /Z3)

(32>

şeklini almaktadır. Bu ifadeye göre tou gibi durumlarda karakteristik Şekil 9'da görüldüğü gibi olmakta ve netice olarak röle noktasının gerisindeki arızalarda bu rölenin yönlülük özelliğini kaybetmediği anlaşılmaktadır.

Buradan anlaşılan husus hattın aynı noktasında meydana gelecek arızalarda, Z^'in o andaki değerine göre, röleye tatbik edilen akım ve voltajların, oranlan sabit kalmasına rağmen, büyüklükleri değişmektedir. Dolayısıyla rölenin bu durumlarda çalışma hızı da değişecektir.

Yukarıda belirtilen bütün durumlarda rölenin karakteristiklerini tesbit etmenin güçlüğü görülmekte olup, ayrıca neticelerin çokluğu dolayıaiyla takdim edilebilmesi de ayrı bir güçlük ortaya çıkarmaktadır. Şurası açıkça görülmektedir ki bir rasyonalizasyon ve normallzasyona gidilmedikçe rölenin dinamik karakteristiklerini çıkarmak çok uzun olacak ve her durumun özel olarak tesbit edilmesi icab edecektir. Bu rasyonalizasyon ve normalizasyon şekil Şekil KTda gösterilen ve sistemin tosa devre anındaki basitleştirilmiş eşdeğer diygramınm incelenmesinden

Rs

Şekil 0 4. MESAFE RÖLELERİNİN DİNAMİK KARAKTERİSTİKLERİ Bölüm 3'de bir polarize mho rölesinin sınırsal karakteristiği tesbit edilmiş olup, bununla rölenin hangi işletme şartlarında çalışacağı ve hangi işletme şartlarında çalışmayacağı görülebilmektedir. Ancak çok mühim olan başka bir husus ise ıçalışma îbölgesinde de rölenin çalışma hızı, bunun arıza noktasına ve kaynak şartlarına göre nasıl değiştiğinin bilinmesi de gerek rölenin iyi Mr şekilde uygulanması gerekse tasarım edilmesi bakımlarından bilinmesinin gerektiğidir. Bilindiği Üzere kısa devre hattın herhangi bir noktasında meydana gelebileceği gibi mevsim, ay, (gün ve günün saatlerine göre değişen yük durumuna bağlı olarak sistemin konfigürasyonu değişmekte, her ibir durumda sisteme bağlı olan generatör ve işletmede bulunan hat sayıları değişmekte, dolayısıyla Zt eşdeğer sistem empedansı değişik anlarda değişik değerler alabilmektedir.

Şekil 10

çıkabilirler. Burada mühim olan nokta, ^ , in büyüklüklerinden ziyade birbirlerine olan oranlandır. Dolayısıyla

K'=ZF/ZN

(33)

yfcVZN

(34)

olsun. Burada Z korunan (bölgenin empedansı dlup,aynı zamanda rölenin akımı (devresindeki empedansm. değerine de eşittir. Herhangi bir kısa devre durumunda Şekil 10'dan,

sr.=

Vı=E3

(37)

1—X

(38)

olacaktır. Aynı röle korunan kısmın emptedansı kZ olan bir hatta uygulansın. (Rölenin mesafe ayan için ekseriya Şekil 6'da gösterilen ara akün trafosunun sekonder taraf kademesi değiştirilir ve

yukarıdaki k bu kademenin ilk duruma oranını göstermektedir.). Bu durumda

X''= •

y.= .

.+ y)kZN

V =Ex' + y'

S', = İ Vs p

(39)

1—X'

S'2 = E (

(40)

Be' + y'

olacaktır. Denklem (37) ve (38) denklem (3S) ve (40) ile karşflaışttrııldığmda x=x' ve y=y' olduğu durumlarda. S ^ S ' , ve S a = S ' 2 karakteristiği bir defa x, y ve ,t (rölenin çalışma zamanı)'ye bağlı olarak çıkarıldığı takdirde bu röle herhangi tip, voltaj ve uzunluğu haiz bir hatta uygulandığında dinamik olarak nasıl davranacağı telli olmuş demektir. Dolayısıyla "temel devresi Şekil 10 gibi olan bir röte test masası üzerinde rölenin belli bir 2^ 'e ayarlanmış durumda, değişik X ve y durumlarında rölenin çalışma zamanı tesbit edilir. Neticeler Şekil ll'de görüldüğü gibi bir sc—y düzleminde, eşzamanlı noktaların birleştirilmesiyle eş - zaman eğrileri olarak taktimı edilmektedir. Kısa devre noktasının değişmesine bağlı olarak röle çalışma zamanının nasıl değiştiği daha açık (görülmek istendiği takdirde ise Şekil 12 deki herhangibir y değerinden bir İdik hat çıkarılarak, tou hat üzerinde her x'e tekabül eden t'ler okunur ve Şekil 12"de görüldüğü gibi anzanoktası - zaman eğrileri elde edilir.

SONUÇ

Bölüm 3'de sjnırsal karakteristiği ve Bölüm 4'de de dinamik karakteristikleri çıkarılan polarlze mho rölesinde S! sinyali V^'den alınmıştı. Pratikte bu şekilde olabileceği gibi aynı sinyal V. veya Vc veya bunların V ile karışımlarından da elde edilebilir. Ancak her durumda gerekil faz kaydırmasının yapılması gerekmektedir. Bir rölenin gerek tasarım ve gerekse uygulanmasında bütün mümkün polarizasyon sinyalleri durumunda rölenin gerek sınırsal gerekse dinamik karakteristikleri incelenmeli ve en uygun olanı seçilmelidir.

Şekil 11

BİRİM ZAMAN

O1 Ol

Polarlze mıho rölelerinin arıza anlarında sınırsa! karakteristikleri kaynak empedansına bağlı olarak açıldığa dolayısıyla ark ve topraklama empedanslannın büyük olduğu hallerde bile koruma fonksiyonunu rahatça yapabildikleri (çok kısa hatlar hariç) görülmektedir. Bu sebeplerden ötürü enerji nakil hatlarına en çok uygulanan röleler bunlar olmaktadır.

Ek 1. a-n rölesine tatbik edilecek akımın seçilmesi :

Bir a-n kısa devresi olduğu zaman röle noktasında, denklemi (20), (21) ve (22)"den, olduğu yazılabilir. Denklem (41), ark empedansı

R'nin sıfır olduğu, yani 'V',,+V'i2'+V'jı0'= 0, durumu için yazılmıştır. Denklem (41)'in sağ tarafına I^Zjjc ilave «didip çıkarıldığında,

, [ .,*«] *(

r K-\ i

) ( 4 2

bulunur. Denklem (42)'den. görüldüğü gibi, bir a-n rölesinin hattın kısa devre olmuş kısmının pozitif bileşen ejttpedansını görebilmesi için röleye Va voltâjj ve (IB bik 'edil'melidir. Bu akün pratik'te Şekil 6'dak' tertiple elde edilmektedir.

Elektrlfc