Topraklanmayan Elektrik Sistemlerl
Topraklanmayan sistemler, elektrik devresinin nötr noktasının kasıtlı olarak toprağa bağlanmadığı güç sistemleridir. Bu sistemlerde, devre elemanları ile toprak arasında doğal olarak oluşan kapasitanslar nedeniyle zayıf bir toprak bağlantısı mevcuttur. Arıza durumunda, bu kapasitanslar üzerinden akan akım, topraklama sistemlerindeki akımlara kıyasla çok daha düşüktür. Bu düşük seviyeli arıza akımları, ekipman üzerindeki gerilim yükselmelerini sınırlayarak ekipman hasarını minimize eder. Ancak, bu sistemlerde arıza tespiti zorlaşabilir ve arıza durumunda sistem gerilimleri yükselebileceğinden, dikkatli bir koruma sistemi tasarlamak gerekmektedir.
Kusurlu bölgelerin izolasyonunda gecikme toleransı, yüksek hizmet sürekliliği gerektiren endüstriyel tesislerde tercih edilen topraklanmayan sistemlerin önemli bir avantajıdır. Bu sistemlerde, arıza durumunda sistemin tamamı hızla devre dışı bırakılmaz. Bunun yerine, arıza akımı düşük seviyelerde kalarak ekipman hasarı minimize edilir ve üretim süreçlerindeki kesintiler en aza indirilir.
"Yeraltı sistemleri, özellikle yıldırım deşarjları, anahtarlama işlemleri ve diğer dış etkenler nedeniyle yüksek genlikli ve kısa süreli geçici aşırı gerilimlere maruz kalmaktadır. Bu aşırı gerilimler, yalıtım bozulmaları, ekipman hasarları ve personel güvenliği açısından ciddi riskler taşımaktadır."
Bu nedenle, normalde kullanılsalar da genellikle tavsiye edilmezler.
İçindekiler:
1| Topraklanmayan Sistemlerdeki Arızalar
Topraklanmayan sistemlerde meydana gelen faz-toprak arızaları, sistemin dengeli çalışma koşullarını bozarak faz gerilimlerinde kaymalara neden olur. Şekil 1a'da gösterilen ideal gerilim üçgeni, arıza durumunda Şekil 1b'de görüldüğü gibi bozulur. Bu bozulma, arıza akımının faz empedanslarından geçişi sırasında oluşan gerilim düşümleri nedeniyle ortaya çıkar. Ancak, topraklanmayan sistemlerde arıza akımları genellikle düşük olduğu için, gerilim üçgenindeki bu bozulma çok küçük olabilir.
Tipik bir devre, akım akışını gösteren Şekil 2'de gösterilmiştir.
Şekil 3'te gösterilen sıra ağlarında, dağıtılmış kapasitif reaktanslar (X1C, X2C, X0C) seri reaktanslara (X1S, XT, X1L, X0L) göre çok daha büyüktür. Bu durum, pozitif sıra ağında X1C'nin, X1S ve XT tarafından neredeyse kısa devre edilmesi anlamına gelir. Benzer şekilde, negatif sıra ağında da dağıtılmış kapasitif reaktans, seri reaktanslar tarafından kısa devreye yakın bir durumda olur.
Bu seri empedanslar çok düşük olduğundan, X1 ve X2, X0C'nin büyük değerine göre sıfıra yaklaşır.
Bu nedenle:
I1 = I2 = I0 = Vs/X0c (denklem 1)
ve
Ia = 3I0 = 3Vs/X0c (denklem 1)
Bu hesaplama, VS ve tüm reaktansların (empedansların) hat-nötr miktarları olduğunu hatırlayarak, birim (pu) veya amper (A) başına yapılabilir.
Hatasız faz b ve c akımları, Denklem 1'in sıra akımlarından belirlendiğinde sıfır olacaktır. Bu, hatanın kendisi için doğrudur.
Sistem boyunca dağıtılmış kapasitif reaktanslar (X1C, X2C) aslında seri reaktanslarla (X1S, XT vb.) paralel bağlantıda olduğu için, pozitif ve negatif sıra akımları (I1, I2) sıfır sıra akımına (I0) tam olarak eşit değildir. Bu durum, Ib ve Ic olarak adlandırılan sıfır sıra bileşenlerinin oluşmasına neden olur. Bu bileşenler, özellikle hata durumlarında, hata akımları için alternatif dönüş yolları olarak görev yaparlar.
Bu, Şekil 3'te gösterilmiştir.
Eğer Ia = −1 pu ise, o zaman Ib = 0,577 ∠+30° ve Ic = 0,577 ∠−30° olur.
Topraklanmayan sistemlerde, özellikle endüstriyel uygulamalarda, sıfır sıra kapasitif reaktans (X0C), pozitif ve negatif sıra kapasitif reaktanslara (X1C, X2C) yaklaşık olarak eşittir. Bu durum, sistemdeki trafo, kablo, motor, aşırı gerilim koruma kapasitörleri ve diğer ekipmanların toplam kapasitansının bir yansımasıdır. Dolayısıyla, X0C, sistemdeki dağılmış kapasitansların toplamına eşit kabul edilebilir.
Farklı elektrik güç sistemi bileşenlerinin (trafo, hat, kablo vb.) birim uzunluk başına kapasitans değerleri, standart referans kaynaklarında tablolar ve grafikler halinde sunulmaktadır. Mevcut bir elektrik sistemindeki toplam kapasitans değeri ise, sistemde ölçülen faz şarj akımının faz-nötr gerilimine bölünmesi ile hesaplanabilir. Bu hesaplama, özellikle sistemde kapasitif etkilerin önemli olduğu durumlarda, sistem parametrelerinin belirlenmesi ve analizleri için kullanılır.
Topraklanmayan bir sistemde, farklı bölgelerde meydana gelen arızalar, sistemin sıfır sıra kapasitif reaktansı (X0C) üzerinde önemli bir etki yaratmaz. Bu durum, sistemdeki seri empedansların (X1S, XT vb.) çok daha büyük olması nedeniyle, arıza akımlarının neredeyse sabit bir değere sahip olmasından kaynaklanır. Dolayısıyla, arıza akımı, arızanın meydana geldiği noktaya bağlı olarak önemli ölçüde değişmediği için, koruyucu rölelerin arıza yerini belirlemesi oldukça zorlaşır.
Pozitif bir faz-toprak arızası durumunda, sağlıklı fazlardaki faz-toprak gerilimleri, yaklaşık olarak √3 katına çıkarak önemli ölçüde artar (Şekil 1b). Bu durum, sistemdeki gerilim seviyelerinin normal çalışma koşullarına göre çok daha yüksek değerlere ulaşmasına neden olur. Bu nedenle, topraklanmayan sistemlerde, hat-hat yalıtımı, sistemdeki ekipmanların bu yüksek gerilimlere dayanabilmesi için mutlaka sağlanmalıdır.
Normal dengeli sistemde (bkz. Şekil 1a) Van = Vag, Vbn = Vbg ve Vcn = Vcg. Bir toprak arızası meydana geldiğinde, faz-nötr gerilimleri ve faz-toprak gerilimleri oldukça farklıdır.
IEEE 100 standardına göre nötr (N), üç fazlı bir sistemde eşit olmayan reaktanslara sahip elemanların bir araya geldiği noktada oluşan ve sistemin fazlarına göre potansiyel olarak daha düşük bir noktadır. Şekil 1b'de gösterildiği gibi, nötr noktası, sistemdeki gerilim vektörlerinin toplamının sıfır olduğu noktadır. Bu nokta, sistemdeki akım dengesini sağlamak ve gerilim seviyelerini kontrol etmek için önemli bir referans noktasıdır.
Bu şekilden, sağ üçgen etrafındaki voltaj düşüşü:
Vbg − Vbn − Vng = 0 (denklem 3)
ve sol üçgen etrafındaki:
Vcg − Vcn − Vng = 0 (denklem 4)
Ek olarak:
Vng + Van = 0 (denklem 5)
Temel denklemlerden,
Vag< + Vbg + Vcg = 3V0 (denklem 6)
Van + Vbn + Vcn = 0 (denklem 7)
Denklem 6'dan Denklem 7'yi çıkararak, Denklem 3'ten Denklem 5'e kadar olanını koyarak
ve Vag = 0 ile
Vag − Van + Vbg − Vbn + Vcg − Vcn = 3V0,
Vng + Vng + Vng = 3V0,
Vng< = V0 (denklem 8)
Bu nedenle nötr kayması sıfır dizi voltajıdır. Şekil 1a'daki dengeli sistemde, n = g, V0 sıfırdır ve nötr kayması yoktur.
2| Geçici Aşırı Gerilimler
Kesicilerde veya arıza durumlarında oluşan elektrik arklarının söndürülmesinden sonra yeniden tutuşması, özellikle topraklanmayan sistemlerde tehlikeli seviyelerde geçici aşırı gerilimlere yol açabilir. Bu durum, Şekil 4'te görselleştirildiği gibi, sistemdeki indüktans ve kapasitans değerleri nedeniyle ortaya çıkan rezonans olayları ile yakından ilişkilidir. Yeniden tutuşan ark, sistemde yüksek frekanslı salınımlar oluşturarak yalıtımın bozulmasına ve ekipman hasarına neden olabilir.
Saf kapasitif bir devrede akım, gerilimden 90 derece faz öndedir. Bu durum, akımın sıfır olduğu veya sıfıra yakın bir değere düştüğü anlarda gerilimin maksimum veya maksimum değerine yakın olduğu anlamına gelir. Kesici açıldığında, devredeki enerji kapasitörde depolanır ve kapasitif devrenin zaman sabitine bağlı olarak yavaşça azalır. Bu sırada, gerilim kaynağı (VS) ise kendi değerini korur.
Böylece, yarım çevrimde, açık kontaktaki voltaj normal tepe değerinin neredeyse iki katıdır.
Yeniden vuruş durumunda (Şekil 4), kapasitif devrenin gerilimi, başlangıçtaki +1 per unit (p.u.) değerinden -1 p.u. değerine doğru bir geçiş yapar. Ancak, devrenin endüktans ve kapasitans değerleri nedeniyle oluşan rezonans etkisi sebebiyle, gerilim bu değeri aşarak yaklaşık -3 p.u.'a kadar yükselebilir. Bu durum, elektrik tesisatındaki gerilimin normalin çok üzerinde değerlere ulaşmasına yol açar.
Arkın tekrar sönmesi ve yeniden tutuşması durumunda (anahtarın açılıp kapanması), sistemdeki gerilim dalgaları, devrenin doğal frekansında salınım yapmaya başlar. Bu salınımlar, gerilimin başlangıçtaki +1 per unit (p.u.) değerinden çok daha yüksek seviyelere çıkmasına neden olabilir. Özellikle, sistemdeki endüktans ve kapasitans değerlerine bağlı olarak, gerilim yaklaşık +5 p.u.'a kadar yükselebilir. Bu durum, yalıtım sistemleri için ciddi bir tehdit oluşturur ve ekipman hasarına yol açabilir.
Yeniden vuruş sonrasında gerilim, negatif yönde yaklaşık -7 per unit (p.u.) değerine kadar yükselebilir. Bu aşırı gerilim, sistemdeki yalıtım seviyelerini aşarak yalıtım bozulmalarına ve dolayısıyla büyük çaplı arızalara yol açabilir. Bu nedenle, topraklanmamış sistemler özellikle dikkatli tasarlanmalı ve işletilmelidir. Özellikle daha yüksek gerilim seviyelerinde (13,8 kV ve üzeri) kullanıldığında, yalıtım koordinasyonu ve koruma sistemlerinin titizlikle seçilmesi gerekmektedir.
Bu sistem kullanılırsa, topraklama arızasını bulmak ve düzeltmek için derhal dikkat etmek önemlidir. Arıza akımı çok düşük olduğundan, arızayı görmezden gelmek ve çalışmaya devam etmek kolaydır.
Ancak, arıza ile diğer fazlar temelde normal hat-toprak voltajının 1,73 katında çalışmaktadır. İlk topraklama arızasına bir yalıtım bozulması neden olduysa, daha yüksek voltajlar arızasız fazların bozulmasını hızlandırabilir ve çift hat-toprak veya üç fazlı arızaya neden olabilir.
Daha sonra, yüksek hata akımları ortaya çıkar ve hızlı bir kapatma ve anında üretim kaybı gerekir.
Gerçek uygulamada, tamamen topraklanmayan sistemler yoktur. Bir veya üç voltaj trafosu kullanılarak bir hata dedektörü uygulanır uygulanmaz, sistem bu cihazların yüksek empedansı üzerinden topraklanır. Rölelerin ve ilişkili balast dirençlerinin direnci, geçici aşırı voltajları sınırlamaya yardımcı olur, böylece esasen çok az aşırı voltaj vakası vardır.
3| Topraklanmayan Sistemler için Topraklama Algılama Yöntemleri
Topraklama hatalarının tespiti için en güvenilir parametre gerilimdir. Zira, topraklama akımları genellikle düşük seviyelerde olup, hatanın konumuna göre önemli ölçüde değişkenlik göstermez. Bu nedenle, Şekil 5 ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, farklı gerilim ölçüm yöntemleri uygulanarak topraklama hatası yerleri tespit edilebilir. Gerilim ölçümleri, hem hat üzerindeki gerilim dağılımını belirlemek hem de hatanın tipini tespit etmek için kullanılır.
Bunlar bir topraklama hatasının var olduğunu ancak birincil sistemde nerede olduğunu göstermez.
3.1| Üç fazlı trafolar
Yıldız-topraklanmış birincil ve kırık delta bağlı ikincil sargılara sahip gerilim trafosu bağlantıları, birçok uygulamada tercih edilen bir yapıdır (Şekil 5). Bu yapı, hem gerilim dönüşümü hem de koruma sistemleri açısından avantajlar sunar.
Balast dirençleri, gerilim trafolarının nötr noktası üzerinden oluşan dengesiz akım yollarını sınırlamak amacıyla kullanılır. Bu dirençler, özellikle gerilim trafoları ile sistemin kapasitif karakteristiği arasındaki etkileşim sonucu ortaya çıkan ferrorezonans olaylarının şiddetini azaltarak, ekipmanların ömrünü uzatır ve sistemin güvenilirliğini artırır.
Şekil 1b'deki Şekil 5'teki röle için voltaj şudur:
Vpq = 3V0 = Vag + Vbg + Vcg
Vpq = (√3VLN cos30°) × 2 = 3VLN (denklem 9)
Bu nedenle, topraklanmayan sistemde faz-toprak arızası için röleye sağlanan voltaj, hat-nötr normal voltajının üç katıdır.
Genellikle, birincil VLN'nin VT oranı: 69,3 V kullanılır, böylece maksimum katı toprak röle voltajı 3 × 69,3 = 208 V olur. Röle bir alarm göndermek için kullanılacağından, sürekli voltaj derecesi bu değerden büyük veya ona eşit olmalıdır. Aksi takdirde, yardımcı bir voltaj düşürücü trafo kullanılmalıdır.
Şekil 5 basitleştirilmiştir. Genellikle, gerilim trafosu yıldız topraklı-yıldız topraklı olacak ve yardımcı yıldız topraklı-kırık delta trafosu kullanılacaktır.
Bazen ana gerilim trafosunun, biri kırık deltaya bağlanabilen çift sekonderi olacaktır. Görsel göstergeler sağlamak için her kırık delta sekonder sargısına lambalar bağlanabilir.
Deneyimden elde edilen sekonder sargı boyunca tipik direnç değerleri Tablo 1'de gösterilmiştir.
Tablo 1 – Sekonder sargı boyunca tipik direnç değerleri
3.2| Tek fazlı trafolar
Şekil 6'da gösterilen tek fazlı trafo, sekonder devresinde yeterli sönümleme (direnç) bulunmadığı için ferrorezonans olayına karşı oldukça hassastır. Bu durum, trafo sargılarında zararlı gerilim dalgalanmalarına ve aşırı ısınmaya neden olabilir.
Bu direnç olmadan Vbg hesaplanır (denklem 10)
Dağıtılmış sistem kapasitansı (Xc) ile trafo uyarma reaktansı (Xe) arasındaki oran 3 olduğunda, sistemin doğal frekansı, güç sisteminin çalışma frekansına yakın bir değere gelir. Bu durum, ferrorezonans olarak adlandırılan bir rezonans olayının oluşmasına neden olur. Teorik olarak, bu koşullar altında sistemdeki gerilim (Vbg) sonsuza doğru gidebilir. Ancak, gerçekte, trafonun doygunluğu bu artışı sınırlar. Bununla birlikte, gerilim üçgeni (abc) üzerindeki nötr noktasının, üçgenin normal sınırlarının oldukça dışında bir konuma kayması oldukça olasıdır.
Şekil 7'de gösterildiği gibi buna "nötr inversiyon" denir.
Bu durumda, XC/Xe oranı 1,5'tir, bu nedenle, yukarıdaki Denklem 10'da, Şekil 7'de gösterildiği gibi Vbg = 2,0 pu'dur. Basitlik açısından, sistemde veya gerilim trafosu sekonderinde direnç varsayılmaz.
Neredeyse dört kat daha yüksek sürekli faz-toprak gerilimleri deneyimlenmiştir. Ayrıca, değişken trafo-uyarıcı empedansının sistem kapasitansıyla etkileşimi, çok yüksek ve bozuk dalga biçimleriyle ferrorezonans üretebilir. Tek VT'nin bu uygulaması önerilmez, ancak kullanılırsa sekonder sistem dirençle yüklenmelidir.
Yukarıda belirtildiği gibi, bu toprak algılama şeması, 'nötr' inversiyon ve ferrorezonansı önlemek için dikkatli kullanılmalıdır. Gerilim rölesi, kontaklarının normal hat-toprak sekonder gerilimi için açık tutulacak şekilde ayarlanır.
Faz b'de bir toprak arızası meydana geldiğinde, voltaj çöker ve gerilim rölesi düşük voltaj kontaklarını kapatmak için sıfırlanır. Bir faz a veya c topraklama hatası meydana gelirse, röle voltajı yaklaşık 1,73 V artarak rölenin aşırı voltajda çalışmasına neden olur.
Düşük voltaj veya aşırı voltaj çalışması genellikle operatörleri bir topraklama hatası konusunda uyarmak için bir alarmı tetikler, böylece düzenli veya uygun bir kapatma ayarlayabilirler.
4| Topraklanmayan Sistemlerin Avantajları, Yalıtım Arızası Durumu ve Toprak Arızası Nasıl Bulunur?
Bu üçlü video serisi, topraklanmayan sistemlerin çeşitli yönlerini ele almaktadır. İlk klip, topraklanmayan sistemlerin sunduğu avantajları ve bu sistemlerin işletmelerde neden tercih edildiğini detaylı bir şekilde açıklamaktadır. İkinci klipte ise, topraklanmayan sistemlerde sıkça karşılaşılan yalıtım hatalarının neden olduğu sorunlar ve bu hataların sistem üzerindeki etkileri incelenmektedir. Son klipte ise, yalıtım hatalarının farklı yöntemlerle nasıl tespit edileceği ve bu hataların giderilmesi için izlenebilecek adımlar detaylı bir şekilde sunulmaktadır.
Bölüm-1 | Topraklanmayan Sistemlerin Avantajları
Bölüm-2 | Yalıtım Arızası Durumunda Ne Olur?
Bölüm-3 | Topraklanmayan Sistemlerde Toprak Arızalarını Nasıl Bulursunuz?
Referans: | Protective Relaying Principles and Applications by J. Lewis Blackburn and Thomas J. Domin |
Format: | |
Boyut: | 6.79 MB |
Sayfa: | 638 |
İndirme | Buraya tıklayınız (AMAZON'dan orijinal kaynağı satın alabilirsiniz) |
Comments