Ark Sönümleme Reaktörleri (Toprak Arızası Nötrleştiricileri veya Petersen Bobinleri) Nasıl Çalışır?
- Hüseyin GÜZEL
- Jul 8
- 7 min read
Ark Akımının Azaltılması
Ark bastırma (sönümleme) reaktörleri, bir önceki yüzyılın başlarında bu özel reaktör uygulaması fikrini ortaya atan W. Petersen'in anısına toprak arızası nötrleştiricileri veya Petersen bobinleri olarak da adlandırılır. Yüksek voltajlı güç sistemlerinde, tek fazlı toprak arızaları meydana gelebilir. Bunlar, genellikle kirlenmiş yalıtkanlar veya kuşlar, sincaplar vb. gibi hayvanların varlığı nedeniyle azalan dielektrik mukavemetiyle birleşen geçici aşırı gerilimler tarafından başlatılabilir.
Kapasitif akımlara yol açan arklar ortaya çıkar. Akım belirli seviyelerin üzerindeyse ark uzun süre devam edebilir ve iletken kopmasına ve yalıtkanlar gibi malzemelere zarar verebilir.
Hatta yangına bile neden olabilir. Genellikle ark akımı 5-10 A'nın altına düştüğünde arkların kendiliğinden söndüğü varsayılır.
Ark sönümleme reaktörünün amacı ark akımını azaltmak ve böylece arkın sönmesi için gerekli koşulları sağlamaktır.
Bir ark söndürme reaktörünün uygun endüktansını belirlemek için toprak arıza akımını bilmek gerekir. Bu da güç sisteminin her faz iletkeninin toprağa Ce kapasitansı ile verilir.
İçindekiler Tablosu:
1| Ark sönümleme reaktörünün temel prensibi
Bir ark sönümleme reaktörünün etkisini göstermek için, prensibi açıklamak için yeterli olsa da, biraz basitleştirilmiş bir örnek kullanacağız.
Şekil 1, solda R, S ve T terminallerine sahip bir transformatörün sekonder sargısı olabilecek bir enerji kaynağını göstermektedir.
Her fazın Ce toprak kapasitansına sahip olduğu bir sisteme bağlanmıştır. Bu kapasitans iletkenlerin tüm uzunluğu boyunca dağıtılmıştır, ancak faz başına bir konsantre kapasitör Ce olarak gösterilir.
Bu kapasitansın üç fazda da aynı olduğunu, yani havai hatların faz iletkenlerinin mükemmel şekilde döndürüldüğünü varsayalım. Faz R'de bir toprak arızası gösterilir.
Basitlik adına, arıza noktasındaki empedansın ihmal edilebilecek kadar küçük olduğunu varsayıyoruz. Başka bir deyişle, faz R'nin potansiyeli, bozulmamış ve simetrik koşullarda transformatör sargısının nötr noktasında (yıldız noktası) veya yakınında bulunan toprak potansiyeline eşittir.
Toprak arızası nedeniyle, faz S ve T'nin toprak potansiyelleri artmıştır. Normal çalışmada, sistem ve toprak arasında akım alışverişi vardır, böylece bir fazın toprağa kapasitansı, diğer iki fazın kapasitansı boyunca akım için bir dönüş yolu görevi görür ve tersi de geçerlidir.
Toprak arızası bu kapasitif akım akışını değiştirmiştir.
Şimdi, akımın S ve T fazlarından toprağa dönüşü toprak arızasından geçer ve R fazına girer. S ve T fazlarının toprağa olan potansiyellerinin artması nedeniyle, bu fazlardan toprağa olan akımlar da artmıştır.
Gerilimler ve akımlar arasındaki vektör ilişkileri Şekil 2'de gösterilmiştir.
Bu örnekte, S ve T ses fazlarındaki toprakla ilgili potansiyelin normal sistem voltajı U'ya (hat-hat) eşit olduğu varsayılır.
Başka bir deyişle, bu fazlardaki toprak potansiyeli √3 faktörüyle artmıştır. (Bu faktör pratikte √3'ten düşük veya yüksek olabilir). Nötr Δu kaymıştır, bu durumda normal hat-nötr voltajına eşittir.
S ve T fazlarından toprağa giden kapasitif akımlar, Ics ve Ict, sırasıyla Us ve Ut'ye göre 90° öndedir. Toprak arızası Ie'deki kapasitif akım, Ics ve Ict'nin vektörel toplamıdır.
Ics = Ict = U × ω × Ce
Ie = 2 × U × ω × Ce × cos30° = √3 × ω × Ce
Sistemdeki hatların ve kabloların toplam uzunluğuna orantılı olan Ce'ye bağlı olarak, Ie oldukça yüksek olabilir ve arıza noktasında bir ark oluşturabilir.
Transformatör sargısının nötrü ile toprak arasına bir ark bastırma reaktörü L bağlandığında, L'den toprağa endüktif bir akım akar ve burada toprak arızası üzerinden dönüş yolunu bulur.
Toprak arızası üzerinden endüktif akım, faz S ve T tarafından sağlanan kapasitif akımın ters yönündedir.
Şekil 4, Şekil 3'teki önceki vektör diyagramına ark bastırma reaktörünün varlığından önce eklenen IL vektörünü gösterir.
Δu, reaktörden geçen akım IL'yi çalıştıran voltajdır ve I<sub>L</sub> doğal olarak Δu'ya göre 90° geridedir.
Reaktörün reaktansını ayarlayarak IL'ye Ie ile aynı sayısal değer verilebilir ve le ve IL zıt yönlere sahip olduğundan, arızadan geçen akım sıfıra veya sıfıra yakın olacaktır.
Daha sonra arıza noktasındaki arkın kendi kendine sönme olasılığı yüksek olur ve güç sisteminin çalışması kesintisiz ve elektrik beslemesinde herhangi bir kesinti olmadan devam edebilir.
2| Reaktör verileri nasıl belirlenir?
Reaktörden geçen akım, reaktörün kurulacağı sistemin toprak kapasitansı tarafından belirlenen kapasitif akımı eşitleyecektir. O zaman Ce'yi bilmek gerekir.
Ce, güç sisteminde doğrudan ölçümle bulunabilir. Ancak, sistem bu tür ölçümler için nadiren kullanılabilir olabilir, bu nedenle Ce daha sonra hesaplamalara dayanarak tahmin edilmelidir.
Sistemler hem havai hatlar hem de kablolar içerebilir ve bir kilometrelik kablo, bir kilometrelik havai hattan çok daha yüksek toprak kapasitansına sahiptir. Kablolardan Ce'ye olan katkı, kablo tedarikçilerinden alınan belirli verilere ve kabloların toplam uzunluğuna dayanarak hesaplanabilir.
Havai hatlardan Ce'ye olan katkı, kablolar için olduğu kadar kolay ve aynı doğrulukta belirlenemeyebilir.
Havai hatlar için Ce, aşağıdaki gibi çeşitli parametrelerle belirlenir:
İletkenlerin toprak üzerindeki yüksekliği
Üç fazlı iletkenlerin geometrik konfigürasyonu
Faz başına paralel iletken sayısı
Varsa topraklama tellerinin sayısı ve faz iletkenlerine ve toprağa olan uzaklıkları
İletkenlerin boyutları
Hat altındaki bitki örtüsünün genişliği
Buz ve kardan kaynaklanan mevsimsel değişimler.
İdeal koşullar altında (düz toprak, toprağa ve iletkenler arasındaki sabit mesafeler) toprağa kapasitans için kesin formüller literatürde çıkarılmıştır (örneğin: R. Wilhelm ve M. Waters: Yüksek Gerilim İletiminde Nötr Topraklama, 1956).
Ancak ark söndürme reaktörlerinin reaktansının geniş sınırlar içinde değiştirilebileceği göz önüne alındığında, Ce'nin daha basit yaklaşık hesaplama yöntemleri amaç için yeterli olacaktır.
Şekil 5a ve 5b, bir havai hat sisteminde tipik şarj akımlarını (toprak arıza akımları) hat uzunluğuna bağlı olarak, sistem gerilimlerini ise parametre olarak göstermektedir.
Diyagramlar 50 Hz için geçerlidir. 60 Hz için akımlar %20 artırılmalıdır. Bu diyagramlardan kapasitif arıza akımı kolayca tahmin edilebilir.
Bir ark söndürme reaktörünün nominal akımı kapasitif arıza akımıyla aynı olmalıdır, bu da reaktörün bu akımı belirli bir süre taşıyabilmesi gerektiği anlamına gelir.
Ayrıca, reaktörün reaktansı, reaktör boyunca belirli bir voltaj göründüğünde bu akımın geçmesine izin verecek şekilde olmalıdır.
Bu voltaj, reaktörün hizmette maruz kalacağı en yüksek voltaj olacaktır. Uygulama.
Kabloları Hesaba Katmak
Kablolar da sistemin bir parçası olduğunda, kabloların topraklama hatası akımına katkısı hesaba katılmalıdır. Bu tercihen kablo tedarikçilerinden alınan bilgilere dayanmalıdır, ancak bu tür bilgilerin eksik olması durumunda, rehberlik etmesi için bazı veriler sağlıyoruz.
Kabloların toprağa kapasitansı, kablo tasarımına ve boyutlarına bağlı olarak 0,1 — 0,7 μF/km aralığında değişebilir. Şekil 6'da gösterilen üç farklı tasarımı ele alıyoruz.
Her faz için topraklama kapasitansı, μF/km kablo cinsinden Ce, aşağıdaki Şekil 7, Şekil 8 ve Şekil 9'da ordinat ekseninde gösterilmiştir.
Ie =√3 × 2 × π × f × Y × U × Lc × 10^3
Bu formülde:
Ie, amper cinsinden kapasitif topraklama hatası akımıdır
f, güç frekansıdır
Y, Şekil 7, 8 veya 9'daki diyagramlardan birinin ordinatıdır, μF/km cinsinden
U, sistem voltajıdır (hatlar arası) kV cinsinden
Lc, sistemdeki gerçek kablo tipinin toplam uzunluğudur, k cinsinden
3| Toplam kapasitif toprak arıza akımı
Toplam kapasitif toprak arıza akımı, havai hatlardan ve kablolardan gelen katkıların aritmetik olarak eklenmesiyle belirlenir.
Genel olarak, reaktörün nominal akımı çok küçük olmamalıdır. Reaktörün kusurlu ayarlanması durumunda, artık reaktif akım endüktif olmalıdır. Kapasitif bir artık akım, sağlıklı fazlar üzerindeki toprağa olan voltajın hat-hat sistem voltajından daha da yüksek olmasına neden olabilir.
4| Ark sönümleme reaktörlerinin tasarımı
Ark sönümleme reaktörleri tek fazlıdır. Tıpkı trafo çekirdekleri gibi çelik saclardan oluşan bir çekirdeğe sahiptirler. Çoğu durumda, çekirdeğin sarımla çevrelenmiş bir merkez kolu ve iki sarılmamış yan kolu ve üst ve alt boyunduruklar manyetik yolu kapatır.
Sargı, trafo sargılarına benzer. Sistemin toprak kapasitansına reaktansı ayarlamak için kademe değiştiricilere sahip olabilir.
Reaktans belirli bir aralıkta değiştirilebilir. En yüksek ve en düşük reaktans arasındaki ilişki, pratik nedenlerden dolayı 2,5:1 ile sınırlıdır. Daha düşük sistem voltajları (22 kV ve altı) için ilişki 3:1 olabilir. Daha geniş bir aralık gerekiyorsa, çekirdekteki boşlukları düzenleyerek 10-12:1 elde edilebilir.
Durumun oldukça kararlı olduğu, yani sistemin toprak kapasitansında hiç veya çok nadir değişiklik olmadığı yerleşik sistemlerde, devre dışı bir musluk değiştiricisi vasıtasıyla kademeli reaktans ayarlaması yeterli olacaktır. Sık sık uzatma veya kesitlendirmeye tabi olan sistemlerde, çekirdekteki boşlukları değiştirerek otomatik ayarlama tercih edilebilir.
Ark bastırma reaktörleri çoğu durumda yağa daldırılmıştır. Ark bastırma reaktörleri normalde reaktör boyunca voltajın gösterilmesi ve ölçülmesi için ikincil bir sargı ile donatılmıştır.
İkincil sargı bazen kalıcı bir toprak arızası durumunda seçici toprak arıza rölelerini etkinleştirmek için arıza akımının aktif bileşenini artırmak amacıyla bir dirençle yüklenir. Bir ark bastırma reaktörü, örneğin bir havai hattın iletkeni yere düştüğünde elbette bir toprak arızasını ortadan kaldırmaz.
Ancak reaktör, bu gibi durumlarda arıza akımını en aza indirerek maddi hasarı sınırlayabilir.
Normalde, ark bastırma reaktörleri reaktörden geçen akımın gösterilmesi ve ölçülmesi için dahili bir akım trafosuna sahiptir.
5| Sistem bağlantısı
Ark söndürme reaktörleri güç sistemi nötrü ile toprak arasına bağlanır. Sistem nötrü, yıldız veya zikzak bağlı trafo sargılarının nötr burcunda bulunabilir.
Ark söndürme reaktörünün kurulması istenen yerde böyle bir sargıya sahip bir trafo yoksa, bir topraklama reaktörü (nötr kuplör olarak da adlandırılır) nötr noktası sağlayabilir.
Bir ark sönümleme reaktörünün reaktansını belirlerken, trafonun veya topraklama reaktörünün sıfır dizi reaktansı dikkate alınmalıdır. Bu sıfır dizi reaktansı reaktör reaktansıyla seri olarak gelir. Daha sonra, reaktör reaktansı ile bağlı trafonun veya topraklama reaktörünün sıfır dizi reaktansının üçte birinin toplamı sistem kapasitansını eşitleyecektir.
Ark söndürme reaktörünün reaktansını belirlemek için, bağlandığı trafonun sıfır dizi reaktansı bilinmelidir.
IEC 60076-1 Güç transformatörleri Bölüm 1: Genel, üç fazlı bir sargının sıfır dizi empedansını, anma frekansında faz başına ohm olarak ifade edilen, birbirine bağlı üç fazlı yıldız bağlı veya zikzak bağlı sargının hat terminalleri ile nötr terminali arasındaki empedans olarak tanımlar.
Referanslar:
Transformer handbook by ABB
Distribution Automation Handbook – Elements of Power Distribution Systems by ABB
Arc Suppression Coils by Swedish Neutral AB
Neutral Earthing Resistor by Swedish Neutral AB
