Yüksek Gerilim Güç Kesicilerinde Anahtarlama Manevraları

YÜKSEK GERñLñM GÜÇ KESñCñLERñNDE ANAHTARLAMA MANEVRALARI

Özgür Yılmaz Siemens San. ve Tic. A.ì. Enerji Yönetimi ñletim Çözümleri Tasarım Mühendisliği Yöneticisi

Yüksek Gerilim Güç Kesicileri, Hava ñzoleli (AIS: Air Insulated Switchgear) ve Gaz ñzoleli (GIS: Gas Insulated Switchgear) merkezlerde kullanılan en önemli ekipmanlardan birisidir. Normal iíletme koíullarında ve geçici rejimlerde açma ve kapama iílemlerinin güvenli bir biçimde yapılabilmesi, birçok açma-kapama iíleminin sonunda bile nominal ve kısa devre akımlarında ark söndürme iíleminin sağlıklı bir íekilde gerçekleítirilebilmesi açısından kesicilerin gerekli özelliklere haiz olması önem arzetmektedir.

AIS merkezlerde kullanılan kesiciler müstakil birimler olmakla beraber GIS merkezlerde kullanılanlar modüler bir yapının parçalarıdır. ìekil 2’de AIS ve GIS kesicilere ait birer örnek gösterilmektedir. ñster AIS ister GIS olsun bütün kesiciler en az aíağıdaki bileíenlerden meydana gelmelidirler:

- Kesme Ünitesi - Çalıíma Mekanizması - Mühürleme Sistemi - ñíletme Çubuğu - Kontrol Elemanları

Kesicilerde bir veya iki adet kesme ünitesi bulunabilir. Günümüzde kullanılan kesme ünitesi teknolojilerinden bir tanesi kendinden sıkıímalı ark söndürme prensibidir. ìekil 1’de bu prensibe ait çalıíma prensibi açıklanmaktadır.

Kesme ünitesindeki ark söndürme iílemi için çalıíma mekanizmasında herhangi ilave bir güce gerek yoktur. Bu enerji tamamen arkın kendi ısısından elde edilmektedir. ìekil 3’de çalıíma mekanizmasına ait prensip íema gösterilmektedir.

Kesici açık ve yaylar boíta iken mekanizmaya DC kontrol gerilimi uygulandığında yay kurma motoru otomatik olarak devreye girer ve kapama yayını kurar. Kesiciye kapama komutu verildiğinde kapama yayında biriken enerji ile kesici kapatılırken açma yayı da kurulur. Hemen sonra yay kurma motoru tekrar otomatik olarak devreye girer ve boíalan kapama yayını tekrar kurar. Artık kesici kapalı ve her iki yay da kuruludur. Bu noktadan sonra tekrar yay kurmaya gerek olmadan kesiciye iki kez açma bir kez de kapama komutu verilebilir.

1 Kontak Desteşi 2 Nozul

3 Ana Kontak 4 Ark Kontaşı 5 Kontak Silindiri

6 Baza

(a)

(b)

ìekil 1: (a) Kesici kapalı konumdadır. (b) Kesici açmaya baílamıí ve ana kontaklar ayrılmıítır. Bu durumda akım ark kontağı üzerinden akmaya baílamıítır. (c) Ark kontağı da ayrılmıí ve arada bir ark oluímaya baílamıítır. Oluían bu ark nedeni ile üst hacimdeki SF6 gazı ısınır ve artan basınç nedeni ile kontak silindiri aíağı yönde hareket eder. Bunun sonucunda alt hacimdeki gaz sıkıíır ve vana ve nozul üzerinden yüksek bir basınç ile ark bölgesine püskürtülerek arkın söndürülmesi sağlanır. (d) Kesici açık konumdadır.

Yüksek gerilim güç kesicileri iki tip yükün anahtarlanması için kullanılırlar. Bunlar endüktif yükler ve kapasitif yüklerdir. Endüktif yüklere örnek olarak transformatörler ve reaktörler verilirken kapasitif yüklere de örnek olarak kapasitör banklar, iletim hatları, kablolar ve filtreler verilebilir. Bu yüklere iliíkin kesici açma ve kapama manevraları sırasında kesici üzerinde bir takım elektrodinamik ìekil 2: Yüksek Gerilim Güç Kesicileri. AIS (üst), GIS (alt)

ve dielektrik gerilmeler oluíabilir. Bu gerilmelerin en aza indirgenmesi ve ideal durumda tamamen ortadan kaldırılabilmesi amacı ile kesici manevraları kontrollü olarak gerçekleítirilmelidir. Bu amaçla Point-on-Wave Switching Device (PSD) adı verilen cihazlar kullanılmaktadır. Kontrol merkezinden kesiciye gönderilen komutlar PSD üzerinden geçirilerek kesicilerin en uygun noktada anahtarlama yapması sağlanır. Bu en uygun noktanın belirlenmesi anahtarlanacak yükün tipine bağlıdır. ìekil 4’te en önemli iki anahtarlama manevrasına iliíkin optimum noktalar gösterilmektedir.

Düíük dirençli ve deíarj edilmií bir kondansatör enerjilenirken oluíacak aíırı gerilimlerin ve yol alma (inrush) akımlarının sınırlanması amacı ile kesici kapama iílemi PSD tarafından gerilim dalga formunun sıfır noktasına yakın noktasında gerçekleítirilir (2 no’lu nokta). Endüktif bir yükün enerjilenmesinde de yine ilk anda oluíacak aíırı akım ve gerilimlerin sınırlanması amacı ile bu sefer gerilim dalga formunun tepe noktasına yakın bir noktada yani akımın sıfır civarında olacağı konumda anahtarlama iílemi gerçekleítirilir.

Kapama anına iliíkin akım/gerilim dalga formları ile süreler arasındaki iliíki ìekil 5’te verilmektedir.

ìekil 5’te görüldüğü üzere kumanda odasından kapama komutu isteği PSD’ye iletildikten sonra PSD gerilim dalga formunun sıfırdan geçtiği ilk andan itibaren bir gecikme süresi baílatır. Bu sürenin sonucunda kapama komutu PSD tarafından kesiciye iletilir ve kesici kapama süresinden ön ark süresi öncesinde elektriksel kapama iílemi gerçekleítirilmií olur ki tam bu noktada gerilim dalga formu tepe değerinde akım ise sıfır noktasındadır.

Açma anına iliíkin akım/gerilim dalga formları ile süreler arasındaki iliíki de ìekil 6’da verilmektedir.

ìekil 3: Çalıíma Mekanizması 2015 Temmuz • Sayı-454

1 Kapama bobini 2 Plaka 3 Köĩe aparatı 4 Başlantı çubuşu 5 Kapama yayı için başlantı çubuşu 6 Açma yayı için başlantı çubuşu 7 Kapama yayı 8 Mamel döndürme kolu 9 Kurma aparatı 10 Kurma ĩaftı 11 Döndürme manivelası 12 Kapama için durdurucu 13 Çalıĩtırma ĩaftı 14 Açma için durdurucu 15 Açma bobini 16 Mekanizma mahfazası 17 Açma yayı

ìekil 6’da görüldüğü üzere kumanda odasından açma komutu isteği PSD’ye iletildikten sonra PSD akım dalga formunun sıfırdan geçtiği ilk andan itibaren bir gecikme süresi baílatır. Bu sürenin sonucunda açma komutu PSD tarafından kesiciye iletilir ve kesici açma süresinden ark süresi kadar sonra elektriksel açma iílemi gerçekleítirilmií olur ki tam bu noktada gerilim dalga formu tepe değerinde akım ise sıfır noktasındadır.

C Açık kesici kutbu üzerindeki gerilim T Gerilimin periyodu 1 Endüktif yük 2 Kapasitif yük ìekil 4: Optimum Anahtarlama Noktaları (Doğrudan Topraklı ìebeke)

1 Kapama komutu (kumanda odası) 2 Sıfır noktası geçiĩ tespiti 3 Gecikme süresi 4 Kapama komutunun iletilmesi 5 Kesici kapama süresi 6 Kesici kontaklarının kapanıĩı 7 Akım akıĩının baĩlaması 8 Ön ark süresi ìekil 5: Kontrollü Kapama Süreci

1 Açma komutu (kumanda odası) 2 Sıfır noktası geçiĩ tespiti 3 Gecikme süresi 4 Açma komutunun iletilmesi 5 Kesici açma süresi 6 Kesici kontaklarının ayrılıĩı 7 Ark süresi 8 Akımın kesilmesi ìekil 6: Kontrollü Açma Süreci

Yukarıda açıklanan tdelay gecikme süreleri PSD algoritması sonucu hesaplanan sürelerdir. Bununla beraber tbreaker süreleri ise kesiciye ait mekanik açma ve kapama süreleri olup ortam sıcaklığı, varsa yağ basıncı ve DC kumanda gerilimi değerleri ile değiíkenlik gösterir. Bu değerler sensörler vasıtası ile PSD’ye iletilerek PSD’nin açma/kapama sürelerini sürekli olarak güncel tutması sağlanır. Ark süreleri ise devreye alma aíamasında dalga formu kayıtlarını analiz ederek PSD’ye girilir.

PSD cihazları ile kesicilere kontrollü olarak açma/kapama manevraları yaptırabilmek için kesici kutuplarının bağımsız mekanizmalara sahip olması gerekir. Faz farkı dolayısı ile her kutbun ayrı ayrı açıp kapatabilmesi açısından bu durum önem arzetmektedir.

PSD cihazlarının her iki uçtan enerjili sistemlerde kullanılması söz konusu değildir. Bu tip sistemlerde kesiciler senkronizasyon kontrol röleleri üzerinden kontrollü bir biçimde kapatılmalı ve PSD cihazları by-pass edilmelidir.

Bir arıza durumunda koruma röleleri tarafından gönderilen açma komutlarının doğrudan kesici açma bobinine iletilmesi, PSD üzerinden geçirilmemesi gerekir. Ancak modern PSD cihazlarında senkronizasyon kontrolü gerektirmeyen tekrar kapama fonksiyonu da bu cihazlar vasıtası ile kontrollü olarak gerçekleítirilebilmektedir.

Enerji santrallarının hemen çıkıíında tesis edilen yükseltici transformatör merkezlerindeki yüksek gerilim güç kesicilerinde açma kapama manevraları gerçekleítirilmeden önce dikkate alınması gereken bazı noktalar söz konusudur. Kısa devre akımı AC ve DC olmak üzere iki ayrı bileíenden oluítuğu için asimetrik bir yapıya sahiptir. Bunlardan DC bileíen zaman içerisinde azalarak sıfır noktasına yaklaímaktadır ancak santrala yakın arızalarda DC bileíenin tamamen sıfırlanması 200 ms’den önce gerçekleímeyecektir. Kısa devrenin oluítuğu andaki gerilimin ani değeri bu DC bileíen için belirleyici bir rol oynamaktadır. Örneğin kısa devre, gerilimin sıfır noktasından geçtiği sırada meydana gelirse, ki bu en kötü durum olup düíük olasılıklıdır, bu durumda DC bileíen maksimum değerde oluíacaktır. Ark süreleri uzayacağından ve sıfır geçií noktası gecikeceğinden yüksek gerilim güç kesicilerinde bu DC bileíenin kesilmesi sorun teíkil edebilir. Sistemlerde bu tip arıza senaryolarının önüne geçmek mümkün olmayacağından yüksek gerilim güç kesicilerinin bu tip arıza senaryolarında güvenli bir íekilde açma yapabileceği daha önceden hesaplanmıí olmalıdır. Hesap sonucuna göre ark sürelerinin 38-40 ms civarında sınırlı kalması halinde modern kesiciler güvenli bir íekilde manevralarını gerçekleítirebilmektedirler. Bir diğer alternatif de generatör kesicileri (GCB) ile yüksek gerilim güç kesicileri arasında bir açma/kapama sıralaması öngörmek olabilir. Örneğin kesicinin GCB’den sonra açması ve ondan önce kapanması sağlanabilir ancak bu durum kaynak sürekliliği açısından bir dezavantaj yaratabileceğinden her zaman tercih edilmesi mümkün olmayacaktır.