Yüksek gerilim ve orta gerilim sistemlerindeki baralar, tesislerin can damarı olarak tanımlanabilir. Sistemdeki enerji alışverişinin tamamı bara vasıtasıyla yapılırken meydana gelen arızaların hızlı temizlenememesi durumunda sistemin büyük bir kısmının zarar görmesi söz konusu olmaktadır. Bu sebeple koruma sistemlerinde, bara koruma dizaynına ve boyutlandırılmasına özen gösterilmelidir. Yeni tesis edilen merkezlerde genellikle güvenilirliği ve esnekliği nedeniyle düşük empedanslı bara koruma düzenleri tercih edilmektedir. Yüksek empedanslı bara koruma düzenleri ise her sistem için güvenilir olmasa da, belirli sistemlerde sağlıklı ve ekonomik bir koruma çözümü sunmaktadır.
 

Şekil 1: Ototrafo Koruma HI devre şeması 

Yüksek empedanslı (HI) koruma şemaları ile bara, trafo, ototrafo, reaktör, motor ve generatör gibi elektrik santrali bileşenlerin neredeyse tamamının korunması mümkündür. Farklı ekipmanların HI koruma şemaları Şekil 1,2,3 ve 4’te görülebilir.
 

Şekil 2: Motor, Generatör, Reaktör koruma HI devre şeması 
 

HI koruma özellikle trafoların sınırlamalı toprak arızası korumasında tercih edilmektedir. Bununla birlikte 1 baralı merkezler ile 1,5 kesicili merkezlerin bara korumalarının HI olarak tasarlanması da güvenli ve ekonomik bir çözümdür.

Şekil 3: Trafo yıldız sargı-Sınırlamalı toprak ve üçgen sargı diferansiyel HI koruma şemaları


Şekil 4: Bara Koruma HI devre şeması

HI bara koruma sistemlerinde her 1 bara bölümü için, ilgili baranın akım trafolarının paralellendiği bir HI devre oluşturulur. Şekil 5'te 2 baralı bir merkezdeki koruma bölgelerinin ayrımı görülmektedir. Bu gibi 2 ve daha fazla baralı sistemlerde, fiderin bağlı olduğu baradan diğer baraya transferi yapılırken fider akımının anahtarlanması gerekir. Yapılan anahtarlama, fider akımının bağlı olduğu baranın HI devresinden ayrılarak, yeni baranın HI devresine bağlanmasıdır. Bu anahtarlama senaryosu hem ekipman, hem de koruma güvenliği açısından riskler barındırdığı için elzem durumlarda tercih edilmesi uygun olur. Akım anahtarlamasına gerek bulunmayan 1 baralı ve 1,5 kesicili sistemler için HI bara korumasının uygulanmasında herhangi bir risk bulunmamakla birlikte pratik olması nedeniyle tavsiye edilir.

Şekil 5: İki baralı bir merkezde bara koruma bölgeleri
 

Yüksek empedanslı bara koruma tasarımına başlamadan önce şu noktalara dikkat edilmelidir,

► Yüksek empedanslı koruma yalnızca galvanik olarak birbirine bağlı devrelerde yapılabilir (Güç trafolarının primeri ile sekonderi izole olduğu için Trafo diferansiyel(87T) korumasını yüksek empedanslı yapmak uygun değildir)

► HI koruma devresinde kullanılan akım trafoları, başka koruma devrelerinde kullanılamazlar

► HI devresinde kullanılan akım trafolarının PX tipinde olması gerekir. PX Sınıfı akım trafosu tipiyle birlikte şu bilgiler tanımlanır,

Ör: 2000A/1A VKp = 300V; Im ≤ 20 mA ; Rw2 ≤ 2Ω

► İdeal koşullarda fider akım trafosu ile bara koruma devresi arasındaki mesafenin her fider için aynı olması istenir. Bu mesafenin fiderden fidere çok farkettiği merkezlerde, stabilizasyonu sağlamak için yakın fiderlerin akım trafosu sekonder devrelerine direnç ilavesi düşünülebilir.

► Bara koruma sistemlerinde genişlemeye gidildiğinde, yeni fiderlerin akım trafolarının, kurulu akım trafolarının karakteristiğini sağlıyor olmasına dikkat edilmelidir.

 

► İlginizi Çekebilir: Düşük Empedanslı Diferansiyel Bara Koruma
 

 

Tasarlanacak sistemde tek baralı bir merkezin faz ayrımlı HI diferansiyel devre şeması Şekil 6 üzerinden devrede kullanılması gereken direnç ve varistörün boyutlandırılması anlatılmıştır. Uygun röle ayar değerlerinin belirlenebilmesi için gerekli formüller verilmiştir.

Uygulamanın anlaşılır olması için örnek bir 154kV tek baralı trafo merkezi değerleri üzerinden boyutlandırma yapılmıştır. Verilen değerler örnek bir merkez için geçerli olduğundan, farklı uygulamalarda, bu örnekte kullanılan değerlere benzer değerler olabileceği gibi farklı değerler olabileceği de bilinmelidir.
 

Şekil 6: Uygulanacak HI Bara Koruma Sistemi Şeması
 

 

► Harici arızalarda gerçekleşebilecek maksimum simetrik kısadevre akımı Im_sc,max,ext= 31,5 kA

► Dahili arızalarda gerçekleşebilecek maksimum simetrik kısadevre akımı Im_sc,max,int= 31,5 kA

► Bu uygulamada harici ve dahili kısadevre akımı olarak TMnin maximum simetrik kısadevre akımı kullanılmıştır.

► İlgili fider kesicilerini açma akımı I_r,load=2000A

► Dahili arızalarda gerçekleşebilecek minimum faz-faz simetrik kısadevre akımı Im_sc,min,int= 7,5 kA
 

 

► Devreye bağlanacak akım trafosu adedi N_CT =4

► Akım trafosu oranı kr =Ipr/Isr=(2000 A)/(1 A) = 2000

► Akım trafosu doyma noktası gerilimi Ek= 300 V (AT siparişinde belirtilmelidir)

► Akım trafosunun doyma noktası mıknatıslanma akımı Ie= 20 mA (AT siparişinde belirtilmelidir)

► Akım trafosu sekonder devre direci R_CT= 2 Ω (AT siparişinde belirtilmelidir)

► Akım trafosu sekonder kablaj direnci R_wire = (k_wire . ρ_cu . l_wire)/α_wire

k_wire
=1 (k değeri,4 kablolu AT bağlantısı için 1,6 kablolu AT bağlantısı için 2 alınmalıdır)
ρcu= 0.02171 Ω mm²/m @ 75°C
l_wire=100 m (paralel devredeki en uzun kablonun uzunluğu)
α_wire=4 mm₂
R_wire =(1 . 0.02171Ω mm²/m . 100 m)/(4mm₂ ) = 0.54 Ω 
 

► İlginizi Çekebilir: Topraklama Trafoları

 

Uygulamada Siemens 7SJ8 rölesi kullanılmıştır. Röle Şekil 8’de görülebilir.

► İşletme akımı ayar değeri I_set,range=0.03 A :0.001 :100A
► Röle direnci R_relay=0.1
► Siemens 7SJ8 rölesi ile HI koruma yapılacağı zaman kullanılması gereken ilave ekipmanlar,

Şekil 7: 600A/S1 Varistör

 

Diferansiyel ölçüm devresi, maksimum arıza akımı meydana geldiğinde devrede endüklenen gerilime, U_diff,ext, dayanabilmelidir. Maksimum arıza akımında devrede endüklenen U_diff,ext., pratik olarak (1)’deki gibi hesaplanır R_CT ve R_wire direnç değerleri için paralel devredeki maksimum dirençler alınır.

► U_stab = U_diff,ext = I_max,ext/kr .(R_CT + R_wire)= (31,5 kA)/2000 . (2 + 0,54)=40 V             (1)

Ayar gerilimi, Uset, stabilizasyon geriliminden büyük olmalıdır
 
► U_set ≥ U_stab , 100 V ≥ 40 V → U_set = 100 V √                                                           (2) 

U_set değeri piyasada yaygın kullanılan cihazlarla uyumlu olması için en fazla 300V olarak seçilmelidir.

 

Açma ayarı belirlenirken dahili arıza durumuna ve uygulamaya uygun hassasiyetin seçilmesine dikkat edilmelidir.
 

Şekil 8: 7SJ8 çok fonksiyonu röle

► Akım trafosu doyma noktası gerilimi E_k, U_set değerinin 2 katından büyük olmalıdır

Ek ≥ 2 . U_set                                                                                                                 (3) 

U_set = 100 V, Ek= 300 V, 300 V ≥ 2 . 100 V → 300 V ≥ 200 V √

Dahili arıza durumunda istenen hassasiyetin sağlanabilmesi için diferansiyel devrede dahili arıza durumunda oluşacak akımın I_p,des, belirlenmesi gerekir. Bu akım değeri için diğer HI uygulamalarında minimum kısadevre akımı baz alınır. Bara koruma uygulamalarında ise minimum kısadevre akımı oldukça yüksek olduğu için en küçük fider akımı seçilebilir.

► I_p,des = 600 A                                                                                                           (4)

Bu değere göre akım ayar değeri Iset, belirlenir. Bu değer uygulama gözönünde bulundurularak seçilmelidir.

► I_set = (I_p,des)/k_r - N_CT U_set/Ek I_e - I_var(U_set) = (600 A)/2000 - 4 (100 V)/(300 V) .0.020 A = 0,273 A (5)

Iset = 0.3 A

 

(3) ve (5) adımlarında Uset ve Iset değerleri hesaplanmıştı. Bu değerleri kullanarak (6) ile, röle girişine bağlanacak direç değeri belirlenir,

► R_stab = U_set/I_set - R_relay ≈ U_set/I_set =(100 V)/(0,3 A) = 333 Ω ~ 350 Ω                            (6)

Direncin termal dayanımı (7) ye göre belirlenir

► P^_stab,cont ≥ (U_set²)/Rstab= 100²/(350 Ω ) =28 W ~ 30 W                                                (7)

Hesaplanan dayanım, rölenin açma değerine göre hesaplanmıştır. Buna ilave olarak arıza temizleninceye kadar (ts=0,5sn), direncin dayanması gereken arıza akımına göre de boyutlandırma yapılmalıdır. Bunun için cihazın maruz kalacağı maksimum gerilim (8)’e göre hesaplanabilir,

► U_rms,f=1,3 .∜(E_k³ .R_stab.I_sc,max,int/k_r ) = 1,3 .∜(300 V³ .350 Ω .(31,5 kA)/2000) = 807,5 V
(8) 

Direncin maruz kalacağı ve dayanması gereken maksimum güç, 0,5 sn için (9)'a göre hesaplanır,

► P_stab,0.5s ≥ (U_rms,f²)/R_stab= (807,5 V²)/(350 Ω)= 1863 W                                               (9)

Devrede kullanılması tavsiye edilen direnç boyutlandırılmış olup, şu değerlere sahip olmalıdır,

► R_stab = 350 Ω , P_stab,cont ≥ 30 W, P_stab,0.5s = 1863 W                                                                     
 

Dahili arıza durumunda diferansiyel devrenin uçlarında aşırı gerilimler oluşabilir. Oluşan gerilimlerden sekonder devredeki ekipmanları korumak için varistör kullanılır.

Sekonder devredeki ekipmanlar en kötü ihtimalle 3000 V dayanımlıdır. Diferansiyel devrenin uçlarında meydana gelecek maksimum gerilim değeri hesaplanıp 3000 V’tan büyükse ve bu gerilim civarındaysa varistör kullanımı şart, küçükse şart değildir denebilir.

► U_{sc,max,int,rms} = (I_sc,max,int)/k_r (R_relay + R_stab)= (31,5 kA)/2000 (0,1 Ω+ 350 Ω)= 5514,1 V (10)

Akım trafosunun doyması da hesaba katılırsa varistör uçlarındaki maksimum gerilim,

► Û_max,tie = 2√(2Ek(Usc,max,int,rms - Ek)) = 2√(600V(5514 V – 300 V)) = 3538 V              (11)

Ûmax,tie =3538 V > 3000 V → Varistör kullanımı şarttır
 

Tablo 1: Standart varistör seçim tablosu

Varistör seçimi Tablo 1’de ki değerlere göre yapılabilir. U_set = 100 V olarak belirlendiği için 600A/S3/1/S1195 seçilebilir. Katalogdan C ve B değerleri alınarak maksimum gerilim hesaplanır,

► Û_var = C. Î ^ß = 990 ∜((√2 (31,5 kA)/2000) )= 2151 V                                                   (12)

Maksimum gerilim değerinden rms değer hesaplanır ve artık akım bulunarak 30mAdan küçük olduğu görülmelidir. Artık akımd değeri, 1A sekonderli devrelerde 30mA’den, 5A sekonderli devrelerde ise 100mA’den küçük olması gerekir.

► U_var ~ Û_var /√2 = 1521 V                                                                                           (13)

► I_var= 0,52(√2.U_set/C)^1/β = 0,52(√2.(100 V)/990)^1/0.25=0,2 mA √                                    (14)

Varistörün maruz kalacağı maksimum güç aşağıdaki ampirik formülle hesaplanabilir,

► P_var = 4/π . I_sc,max,int/k_r . E_k = 4/π. 31,5kA/2000.300V= 6019 J/s                                (15)

Varistör kataloğundan cihazın dayanabileceği kısa süreli güç değerlerine göre yapılan seçim uygundur.
 

Boyutlandırma tamamlandıktan sonra uygunluğunun kontrolü (16)’ya göre yapılabilir,

► I_p,des,final=~k_r [I_set+N_CT U_set/Ek . I_e+I_var (U_set )]
                 =2000 . [0,3 A+4 (100 V)/(300 V) 0.020 A+0,0002 A]
                =653,73 A > 600A (en düşük yüklü fiderin yükü)                                              (16)

Gerekli hassasiyetin sağlandığının görülmesiyle birlikte sistemin boyutlandırması tamamlanmıştır.

Referanslar

► SIPROTEC 4 - Application:SIP4-APN Circulating Current High Impedance Differential Protection Using Multifunctional Relay 7SJ6 Edition 2014-10-17

►Circulating Current High Impedance Differential Protection Using Multifunctional Relay 7SJ8 (SIP5-APN-030)
►Reyrolle 7SR23 DAD High Impedance Protection Relay Catalog

Yazarlar: Yük. Elektrik Mühendisi Yasemin Bayğar ve Elektrik Mühendisi Deniz Raif Durmaz
Siemens A.Ş. Enerji Yönetimi Bölümü