ENERJİ HATLARININ KORUNMASI İÇİN TRANSİSTÖRLÜ BİR KARŞILAŞTIRICI

UDK: 621.315, 621,398

Enerji Hatlarının Korunması için Transistorlu

ÖZET

Bir Karşılaştırıcı

Yazanlar :

Dr. Ayhan TÜRELİ OJJ.T.Ü. Öğretim Üyçsi

Sungur PAMİR Elek. Y. Müh.

Bu makalede enerji nakil hatlarında mesafe korunması için geliştirilen transistorlu karşılaştırıcının çalışma ilkesi ve mho rölesi olarak düzenli rejim altında kullanılması açıklanmaktadır.

Deneyler sonucunda teorik röle karakteristiklerinin elde edilebileceği ortaya çıkmış ve çeşitli çalışma şartlan altında karşılaştırıcının duyarlığı tesbit edilmiştir.

Rölenin tatbikattaki kullanılışı sadece mho tipi karakteristiğe inhisar etmeyip, karıştırıcı devrenin çeşitli kombinasyonları ile diğer bütün klasik röle karakteristikleri elde edilebilir.

Giriş:

Bütün mesafe röleleri, enerji sisteminde «röleleme noktası» diye adlandırılan noktadaki akım ve gerilime orantılı iki giriş miktanna sahip olmakla belirtilir. ıtdeal halde röleler, gerilimle akımın hakiki değerine değil de oranına bağlı karakteristiklere sahip olmalıdırlar. Çalışma hududunu tayin eden bu ideal ka rakteristikler böylece Z = V/I kompleks empedansı tarafından tamamen tanımlanmış olur. Z empedansı, eksenleri rezistans ve reaktar^ olan kompleks bir diyagramda gösterilebilir. Eğer Z'nin büyüklüğü |Z|, Z'nin açısı 0 'm bir fonksiyonu olarak çizilirse röle karakteristiklerini tamamen tarif eder.

Rölenin enerji sisteminde gördüğü empedansın geometrik yeri de aynı diyagramda gösterilebilir. Arızaların geometrik yeri orijinden geçen ve hat empedansının açısı kadar eğilimli bir doğrudur. Yük akımları ve voltaj sahnın> lan gibi diğer sistem durumlan cfa aynı diyagramda belirtilir.

Karşılaştıncıların Esas İlkeleri :

Karşılaştıncılar iki giriş büyüklüğünün, fazının veyahut genliğinin karşılaştınlmasına göre iki gruba ayrılır :

a. Faz Karşılaştırması: ± 90° lik faz karşılaştıncısına giren iki sinyal :

s, = a+jb = s, |^L= K, VL+ZRl

S2 = C+jd = S2 |«L= K

(2

olsun, Ki ve K2 skalar miktarlardır.

S;

(ac + bd) + j (be-ad) S,

- a2

Böylece, faz karşılaştıncının çalışması için gerekli şart :

-90° ^ a, -a2 ^ + 90°

Mesafe korunmasının çeşitli karşılaştırma

tiplerine tatbikatı rini değiştirmekle

kKaib,ilKdi2r,.ZBR/u,

tZipR2leprarşaumnelatrredlıer-:

dır :

(1) Yönlü röle. Eğer ZRI = 0 ve Ka = 0 ise yönlü röle elde edilir. Empedans düzleminde bu rölenin karakteristiği Şekil — la da gösterilmiştir. Açma, doğrunun taranmış tarafında olur.

(2) Ohm, Rezistans ve Reaktans röleleri.

Eğer Ohm

Kröale=si

— K, (Şekil

KI = - lb)

e0ldeZeRldil=ir. ZER2ğerolbuurnsalara ilâveten 8 = 0 olursa rezistants rölesi, fakat

9=

ise reaktans rölesi elde edilir. Karakteristikleri Z düzleminde sırası ile düşey ve yatay doğrulardır.

(3) Mho rölesi. Eğer ZR, = 0, ZR2 = Z ve Ki = — K-=K olursa mho rölesi elde edilir. Karakteristiği Şekille de görüldüğü gibi yarı çapı R/ZK olan ve orijinden geçen çapı nL ekseni ile 0 açışım yapan bir dairedir.

(4) Kayık Empedans rölesi. KI = K, Ka = — K ve0, = 0, = 9 yapılırsa, karakteristiği orijini de içine alan bir daire olan kayık empedans rölesi elde edilir, Şekil - İd.

(b) Ohm Rölesi

( c ) Mho Roleai

( d ) Kayık-empedans Eölesi

Şekil — i: Röle Karakteristikleri

En yaygın kullanılan ve kullanılmış olan bazı faz karşılaştıncılan; endüksiyon diski karşılaştıncı endüksiyon canlı karşılaştıncı redresör köprü faz karşılaştıncı ve gerilimle çalışan transdüserlerdir.

b. Genlik Karşılaştırması. îdeal genlik karşılaştırıcısı, iki giriş sinyalinin genliği aynı seviyeye gelince açma işareti verir. Bundan böyle aralarındaki faz farkı ne olursa olsun |Sı| = |&| olmalıdır, yani a°+ b2 = c" + d 2 genlik karşılaştıncısının çalışma şartıdır.

Genlik karşılaştıncı da önceki paragrafta anlatılan karakteristikleri verir, fakat tatbikatta empedans ve Ohm karakteristikleri için daha uygundur.

En çok tanınan bazı genlik karşüaştmcılan; endüksiyon diski karşılaştıncı, dengeli kaldıraç karşılaştıncı, redresör köprü genlik karşılaştıncı, akımla çalışan transdüser, göbeği polarize - hareketli olan bobin karşılaştmcıdır.

Dizayn Edilen Transistorlu Karşılaştuıeının Çalışma tikesi:

Karşılaştırıcının çalışma ilkesi genişlik modülasyomu usulüne dayanmaktadır. Bu usûlde, röleye gelen S, ve S, sinyallerinden genişlik modülasyonlu bir dalga elde edilmekte ve bu

dalganın genişliği ölçüldükten sonra esir röleyi açmak için karar verilmektedir.

Karşılaştıncıda. bu ilkeden nasıl istifade edildiği Şekil - 2 de blok şemada gösterilmiştir, îlk katta, nakil hattına irtibatlı akün ve gerilim transformatörlerinden elde edilen sistem sekonder büyüklükleri kanştırıcı transformatörlerde kanştırılmaktadır. Çeşitli röle karakteristikleri bu transformatörlerin primerlerini münasip tarzda bağlıyarak elde edilmektedir. Kanştırma transformatörlerinin sekonderlerinde de gerekli röleleme sinyalleri Sı ve Sj elde edilir. İkinci katta, Sj ve S; sinyallerine iîd «VE» ve bir «YAHUT» kapısı ile genişlik modülasyonu yapılır. VE kapısı puşpul durumda çalışır ve çıkış sinyalinin genişliğinin müddeti iki girişin aynı anda pozitif kaldığı zaman kadardır, modülasyonun tekerrür miktan her 20 milisaniyede bir defadır. YAHUT kapısının iki görevi vardır: Birincisi, VE kapılannın çıkışım kombine ederek modülasyonun tekerrürünü iki misli arttırmak ve ikincisi de dedektörün ölçme islerine başlaması için bir nev'i anahtar vazifesini görmektir. Üçüncü katta modüle edilmiş sinyalin genişliği dedekte edilir, ölçülür ve eğer genişlik evvelce tesbit edilmiş bir değeri aşarsa açma impulsu doğurulur. Yani çalışmanın eşik değeri bu katta tâyin edilir. Eğer genişlik 5 milisaniye

KİT I

KAT I I

^r\ r~ ölçme Devresi

s,1

I . "T8" Kapısı

1 \/

•ÎAHUT Kapı.

KAT I I I

U T IV

DBE8KTÖR

Şekil-2 Karıştmcımn Blok Şeması

veya daha fazla ise bir impuls doğurulur. Sı ve Sa sinyallerinin faz açılan cinsinden çalışma şartı şöyledir:

- 90° ^ a, - a2 ^ + 90° ki bu da faz karıştırıcılar için çalışma şartıdır. Son katta ise doğurulan impuls esir rölesini açmak için muhafaza edilir, bu ise iki kararlı multivibratörde kilitleme tarzında yapılır ki impuls geldiği taktirde röle uyarılmış durumda kilitlenir kalır.

recek röleme sinyallerini elde etmek için karıştırılır. 1 nci trafo «ölçme devresi», 2 nci trafo «polarize etme devresi» diye adlandırılır. Genellikle SI ve S2, 1 ve 2 denklemlerindeki gibi ifade edilir, bu denklemlerdeki K'lar ve Z/j'lar, Rcve R^seri dirençleri ile trafoların sarım sayısından tâyin edilir. Karıştırma devresinin parametreleri Şekil - 3 den istifade edilerek yazılabilir:

K,

n3

nt Polarli» «ta» Davre»!

Şekil — 3. Karıştırma Devresinin Genel Hali Karşılaştmcırun Yapısı: 1. Karıştırma devresi. Şekil - 3 de görüldüğü gibi röleleme sinyalleri Sı ve S2, sistemin sekonder değerlerinden alınmaktadır. Bu se konder değerler nakil hattına bağlı gerilim ve akım trafolarından elde edilen numune hat gerilimi ve hat akımıdır. Bu büyüklükler evvelki bölümde anlatılan röle karakteristiklerini ve-

Elektrik Mühenaialıgı 131

2*2 =

Burada Zr «sekonder empedansı» veya «taklit empedansı» diye anılır ve akım trafosunun çıkışına şöntlenir, geçici rejim sinyallerini gidermek için büyüklüğü ve açısı umumi yetle hat empedansınınkine eşit yapılır, ve böylece primer gerilimin skalar bir oranı olur, bunun neticesinde R - X düzleminde karakteris tik dairelerin orijinden geçen çapı hat açısının eğimi ile çakışır.

R c ı ve R c = seri dirençleri, iki gerilim akım girişine transfer eder ve ölçme trafosunun sekonderindeki çıkış çalışma ve denge büyüklüklerinin cebrik bir toplamıdır. RCı'm değeri, arıza anında nı sarımından geçecek azami akıma ve RCa de arızasız durumda tatbik edilecek azami gerilime göre hesaplanır. Aynı şartlar sırası ile polarize etme devresi dirençleri RKı ve RF2 için de varittir.

Karıştırma transformatörlerindeki dirençlerin değerini değiştirerek ve değişken sarım

oranı Ss'nin

sağlayarak K v e genliği ve fazı

Zde8 ğişitniriblmöyilşecoeludre.

Sı

VE kapısı transistörlerini faal hale getirmek için muayyen bir asgari sinyal gerektiğinden trafonun çekirdeğinin malzemesi orijin etrafında çok doğrusal B - H eğrisi verebilecek

kalitede olmalıdır. Böyle kaliteli karıştırıcı

trafolar daha hassas sinyaller çıkarabilirler.

Rölenin tam menzilinde arızalarda Sı sinyali

sıfıra çok yakın olduğundan böyle hassas trafo gereklidir.

2. Giriş VE kapısı ve anahtar YAHUT kapısı. Bu katta karıştırıcıya gelen röleleme sinyallerine puşpul durumda çalışan İM VE kapısı ile genişlik modülasyonu yapılır. îki VE kapısının müstakil çıkışları YAHUT kapısında kombine olur, böylece Sı ve S/nin her yarım alternansında modülasyon temin edilmiş olur, yani bir tam alternans içinde modüle edilmiş dalganın tekerrür miktarı iki defa arttırılmış olur.

Her bir VE kapısının topraklanmış emetör konumunda çalışan ve kolektörleri müşterek bağlanmış iki transistoru vardır. Bir VE kapışırım İki girişini aynı karıştırıcı trafonun sekonderine bağlayacak yerde, biri ölçme trafosunun bir ucuna diğeri de poiarize eden trafonun bir ucuna bağlanır (Şekil - 4). Diğer iki giriş de geri kalan uçlara sırası ile bağlanmıştır. Böylece aynı trafonun sekonderinin iki

ucundaki bazlarda aynı genlikte fakat zıt polaritede iki sinyal bulunur.

Devrenin çalışması en iyi şekil - 5 de görüldüğü gibi röleleme sinyallerinin kapılamasını ani durumda inceleyerek anlaşılabilir. Görülüyor ki röleleme sinyalleri aynı anda aynı

polariteye sahip olduklarında, yani çakışık

iken, YAHUT kapısı doymuş hale gelir, ve sıfır voltluk arasındaki

ççaıkkıışşımn agmenüişdlidğei tiSıilevedirSe2ktsinoylaalrlearki

değişir ve dedektör için gerekli sinyali sağlar.

3. Genişlik Dedektörü. Bu katta, genliği

sıfır olan sinyalin genişliği dedekte edilir, Ölçülür ve eğer evvelce tayin edilmiş bir değeri

aşarsa impuls doğurulur. Dedektör, şekil - 4 de

görüldüğü gibi, sıfır seviyesini sadece YAHUT

kapısı aktif hale gelince yani doyunca temin

eder ve ölçme işlemine bağlar. Sıfır seviyesi

temin edilince C kondansatörü R potansiyometresi üzerinden CR zaman sabitesi ile şarj

etmeye başlar. Muayyen bir zaman sonra kondansatörde teşekkül eden gerilim Tr7 ve Tr8

transistörlerinin durumunu değiştirebilecek

bir seviyeye ulaşır ve impuls doğar. Eğer YA-

HUT kapısı bu muayyen zaman geçmeden kesilirse, kondansatördeki gerilim Tr7 nin durumunu değiştirecek seviyeye ulaşamaz ve Tr8 in

kolektöründe bir impuls görülmez.

Başlangıçta Di diyodu ters polarmalanmıştır, ve Tr7 ile zaman devresini izole eder. Tr7 ise Tr8 in kolektöründen yapılan pozitif geri

GIRIŞ *nm KAPıSı

•1AHUI" KAPISI |

EBIBKIÛR

KİLİTLEME DEVRESİ

Şekil — 4: Karşüaştmcı

Elektrik MühendJ/jUgi 181

Vı ı -terminal T d e

'S2 terminal 2 de

t

I ci "VE" Kapısı çıkışı

ı "terminal I1 de S2 terminal 2'de

i II ci "VE" Kapısı çıkışı

"TAHUT" Kapısı çıkışı

* * >î »

"H" noktasında

I„i

Dedsktörün çıkışı

Şekil — 5- Açma sinyalinin doğuşu

besleme ile doymuş halde ve Tr8 ise Tr7 nin kolektörüne direkt küple olduğu için kesimdedir. Muayyen bir zaman aralığından sonra C kondansatörü üzerindeki gerilim değiştirme seviyesine ulaşır. Tr7 nin baz gerilimi potansiyel bölücünün orta ucundaki gerilimden daha pozitif olur. Tr7 kesilerek değiştirme gerilimini Tr8 in bazına tatbik eder ve Tr8 i aktif duruma sokar. Bu, Tr8'in kolektöründ© pozitife giden bir impuls doğurur ki B13 pozitif geri besleme direnci üzerinden Tr7 yi daha kesik halde tutmağa yarar. YAHUT kapısının iletkenliği azalıp kesime gelince sıfır seviyesi kaybolur ve kondansatörü şarj eden akımın

Elektrik MUhendısH.Şi 131

devresi açılır. Bunun ardından kondansatör çabucak D,, D2 diyodlan ve Rll direnci üzerinden deşarj olur ve diğer bir ölçme periyodu için hazırdır. Fakat, eğer sıfır seviyeli sinyal muayen saniyeden daha az durursa transıstörler durum değiştiremez ve Tr8 in kolektörü aym gerilim seviyesinde kalır. Bundan dolayı, muayyen zaman 5 milisaniye olarak seçilirse — 90° ^=ci) — a2 ;= + 90° olduğunda pozitife giden bir impuls elde edilir. Bunu takiben, impuls iki kararlı multivibratörtin bazına, esir röleyi uyarmak üzere, transfer olur.

4. İki kararlı multivibratör kilitleme ünitesi. Bu katta, yukarıda meydana gelen ve te-

tikleme impulsu denilen impuls esir röleyi açmak için muhafaza edilir. Bir defa impuls geldiğinde esir rölenin açması ve bu duruma kilitlenmiş kalması zaruridir.

İki kararlı mulbivibratör esasında karşılıklı d.c. kuplajlı bir çift transistor amplifikatörüdür. Şekil - 4'e bakarak çalışması şöyle izah edilebilir; herhangi bir anda TrlO'nun kesimde olduğunu farz edersek, kolektörü yaklaşık olarak V c c gerilimindedir, bu voltajın bir miktarı Tr9 un bazına transfer olur ve onu doymuş hale sokar, aynı anda VBB gerilimi TrlOa tatbik ettiği polarma ile onu iyice kesimde tutar. Eğer Tr9 un bazına pozitif bir impuls gelirse aktif halden uzaklaşır ve kolektörü V c c 'ye düşer. Bu düşme R16 ve R19 potansiyel bölücüsü üzerinden TrlO'un bazına transfer olur ve TrlO doyar, kolektörü de yaklaşık olarak sıfır volta çıkar ve R17, R18 potansiyel bölücüsü Tr9'a ters polarma tatbik eder ve onu keser. îlk duruma dönüş bir reset düğmesine basıp Tr9u doymuş hale getirecek sinyali onun bazına tatbik etmekle olur.

Tatbikatta TrlO transistorunun kolektöründeki R, direnci rezristif empedansı 1.8 kiloohm olan bir röle bobini ile yer değiştirecektir. Bu röle bobini, 50 milivat tatbik edildiğinde kontaklarını kapatabilecek bir esir röle olmalıdır.

Röleleme sinyalleri tam arızanın eşiğinde iken şekil - 5 de gösterilmiştir.

Karşılastıncının Mho Rölesi Olarak Kullanılması :

& ve S, röleleme sinyalleri için genel ifar deler 1 ve 2 denklemleri ile verilmiştir. Mho karakteristiği Z^ı = 0, ZR3 = ZR ve Kt = — K, = K yaparak elde edilir. Böylece röleleme sinyalleri:

s3 = KV

ZR I

olur. Eğer her bir trafonun sargısının sarım sayıları eşitse devre sabiteleri şuna indirgenir:

•rr

Rrl ve rölenin menzili

ve ZR =

JC2

K

R C ı ve R c - nin değerlerini değiştirerek menzili yani mho dairesinin çapını değiştirmek kabildir. Hattın korunması gereken seksiyonu esas olarak Z^/K. oranı, yani rölenin menzili ile tayin edilir.

4.5 lik bir menzil için şu direnç değerleri hesaplanmıştır: Rc- = R ^ ı = 970 Ohm, ~RV, = 215 Ohm. Sı ve S3 sinyallerini elde etmek için 1000 sanmlık karıştırıcı trafolar Şekil - 6 da görüldüğü gibi bağlanmıştır.

Terminal

•* Terminal

Ölçme Devresi Folarize Etme Devresi

2 -o 2 '

Şekil — 6: Mho karakteristiği için karıştırma devresi

Karakteristik mho dairesini elde etmek

için polarize gerilimini sabit tutup, ölçme gerilimi esir röleyi ancak açıncaya kadar yavaş

yavaş arttırılır. Bu işlem ölçme geriliminin değişik faz açılan için tekrarlanır ve

ölçme gerilimi

VP

Polarize gerilimi V, oram o faz açısındaki röle menzilini verir. VP /V, 'nin 0 'nın fonksiyonu olarak polar koordınatlardaki grafiği karakteristik daireyi verir. Aynı işlem farklı polarize gerilim değerleri için tekrarlandığında ideal olarak her defasında aynı daire elde edilmelidir.

Tatbikatta ölçme gerilimi taklit empedansı üzerinde teşekkül eden gerilim olacaktır, böylece mho dairesinin orijinden geçen çapı E ekseni ile korunması gereken hattın empedans açısı kadar, takriben 80°, bir açı yapması sağlanmış olacaktır.

. ***

Şekil — 7a: 3 VrmS de mho karesteristiği

Düzenli Rejimde Mho Dairesi: Şekil - 7a ve b de elde edilen mho karakteristikleri gösterilmiştir, ölçmeler V P = 3 V.rma'den VP = 90 Vrms'e kadar yedi farklı polarize gerilimde yapılmıştır. Polarize gerilimin bu kadar büyük değişikliğine rağmen mho karakteristiği oldukça dairesel ve rölenin menzili de istendiği gibi hemen daima 45 de sabit kalmıştır. Çok alçak polarize gerilimlerde mho dairesinin deforme olması ve menzilin düşmesi beklenmekte idi. Buna rağmen VP = 5 Vrn,s de rölenin menzili halâ 4.5 ve karakteristik oldukça daireseldir. Fakat V P = 3 VrmB menzil 3.85 e düşmektedir, amma dairede belirli bir deformasyon görülmektedir.

Birim Başına Menzil Grafiği : Birim başına menzil şöyle tarif edilir:

-<*>• Şekil — 7b: Vp = 90 V,m3 de mho

Karakteristiği

Birim başına menzil

Esir röleyi ancak açacak Vp /V/

Karşılaş tıncının ayar edildiği Vp/V,

Bu oranın polarize gerilime karşı grafiği çizildiğinde rölenin duyarlığı hakkında iyi bir fikir verir. Deney, mho dairesinin ekseni üzerindeki çalışmaya tekabül eden bir açıda, ve Sı ile Ss sinyalleri tam çakışık olmadığı hallerde, açmanın doğrulukla olup olmadığım göstermek için, mho dairesi ekseninden 20° kayık iken yapılmıştır.

Kaynak empedansı Sistem empedans oranı,

Hat empedansı arttıkça polarize gerilimin genliği azalmaktadır, çünkü rölenin bulunduğu yerdeki gerilim:

Vrolo = Vh»t ile ifade edilir. Za kaynak empedansı ve ZL hat empedansıdır. Bu gerilim çok büyük sistem empedans oranlarında çok küçülmekte, dolayısiyle rölenin göreceği gerilim çok ufalmakta ve VE kapısı transistörlerine ön gerilim verebilmek için de muayyen asgari gerilime ihtiyaç olduğundan hatalara sebep olmaktadır.

Şekil — 8 deki «birim başına menzil» eğrileri, V,, gerilimi azaldıkça karşüaştırıcımn tep* kişini göstermektedir. Polarize gerilim 3 Vrm9 ye kadar düştüğünde mho dairesi ekseni üzerindeki çalışmada hata % 13 ve eksenden 20° kayık çalışmada ise VP = 4 Vrms de hata % 13 dür.

H«t V a

HO

^ Bir

/ <?*

19.»

/

o?

»0» d«lr•BI ekt enimle ' V N . EJcoenc en 20° kayık_

Polarna Gerilimi

ŞefciZ — 8: Birim başına menzil grafiği

Sonuç:

Genişlik modülasyonu ile Sı ve S- nin çakışma müddetini ölçme ilkesine dayanan transistorlu karşılaştıncı düzenli rejimde tatminkâr sonuçlar vermiştir. Bu karşılaştıncı ile arızanın tesbiti ve esir rölenin açması çok basit ve direkt bir yolla sağlanmıştır.

Karşüaştıncının gerçek kullanışlılığı «test bench» denen deney cihazı üzerinde dinamik rejim altında denendikten sonra ortaya çıkacaktır. Böyle bir cihaz Türkiyede ilk defa Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Fakültesi lâboratuvarında kurulmaktadır. • Hazırlanınca dinamik rejim deneyleri yapılacaktır.

Referanslar 1. ADAMSON, C and WEDEFHOI^ L.

M.: «Power system protection with particular referance to the application of junction transistors to distance relays», Proc. IJSJ3., 103, Part A, 1956, P. 379.

2. GUERTİN, M.B.: «Static comparators for distance protection», thesis for M. Sc., Victoria University of Manchester, 1965.

3. SUNGUR PAMİB «Transistorized comparator for distance protection», thesis for M. M.E.T.U, 1966.

4. . TUNCAY DOĞRUÖZ : «A Bridge comparator for distance protection», thesis for M. Sc, M.E.T.U. 1966.

İLAN

4 Ocak 1968 tarihinde ilân edilecek Kota çalışmaları ile ilgili olan üyelerimizin gerek Ticaret Bakanlığında Odamızı temsil etmek ve gerekirse komisyonlarda çalışmak üzere Odamıza müracaatlarım rica ederiz.