Elektrik aşırı akım ve akım kesintileri koruması

Elektrik tüketimi son yıllarda teknolojinin de gelişmesiyle hızla artmıstır. Elektrik kullanımı gelismisliğin bir göstergesi olarak anımsanmaktadır.Bu nedenlerden dolayı elektrik enerjisine olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. şehirlerde, beldelerde ve hatta köylerde bile birkaç saatlik elektrik kesintisi insanların hayatını felç etmekte günlük yaşam çekilmez bir hal almaktadır.

T.C.Cumhuriyet Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik – Elektronik Mühendisliği Bölümü “Aşırı Akım ve Akım Kesintileri Koruması” Hazırlayan: ARS.GÖR. Didem ALTUN Özellikle optıkublör ve mosfet koruma bölümleri kafamdaki bir çok soruya cevap oldu incelemenizde fayda var Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler

Bu nedenlerden dolayı elektrik teknik personellerinin yani biz elektrik mühendislerinin
görevi enerjinin üretilip dağıtılmasından ziyade harhangi bir arıza durumunda insanların bu olumsuz durumdan daha az bir kısmının etkilenmesini sağlamaktır.

Arızanın gelen ünitelerden diğer ünitelere zarar vermeden en hızlı ve güvenli bir şekilde enterkonnekte sistemden çıkarılması gerekmektedir.Arıza ünitelerinin enterkonnekte sisteminden çıkarılması için mekanik röleler yerine daha hızlı, daha duyarlı ve daha hassas elektronik devreler oluşturulmalıdır. Ancak bu devrelerle arıza durumlarında etkilenen popülasyon azaltılabilir.

Bu amaçlardan yola çıkılarak karsılastırıcı elektronik devrelerle sınırlandırılmış akım değerleri transistör ve tristör gibi anahtarlama elemanları ile kesici motorunun devreye alınması tasarlanmıstır. Bunların sonucunda mekanik röleler yerine tasarlanmış olunan elektronik devrelerin kullanımı önerilmistir.

KORUMA SİSTEMİNİN GENEL PRENSİPLERİ

Generatör, transformatör, kablo, hat gibi şebeke elemanlarının birinde kısa devre veya
izolasyon hatası sonucunda ark veya arıza akımlarının ve asırı gerilimlerin yol açabileceği zararları sınırlandırmak veya en aza indirmek ve sürekli bir kısa devrenin sebekenin genel isletmesi ve özellikle stablitesi üzerindeki etkileri ortadan kaldırmak için hatalı elemanın olabildiğince çabuk devre dışı edilmesi gerekmektedir.

Hatalı elemanın otomatik olarak devre dısı etmek islemi koruma sistemleri vasıtasıyla
gerçeklestirilir. Söz konusu koruma sistemleri başlıca sebekenin hat, kablo, generator veya
transformatör gibi sebekenin bir bölümünü devamlı olarak gözeten ve şebekedeki akım ve bu akım tarafından beslenmekte olan röleler topluluğunu kapsamaktadır.

Gözetilen kısımda hata oluştuğunda ayarlanan değerlerin üstünde röleler isletmeye girer ve bu durumda düzenlenmesi göz önüne alınan sisteme bağlı kontaklar dizisi açılıp veya kapanarak elemanı devreye bağlayan anahtarı açarak hatalı bölümün devre dısı olması sağlanır.Koruma sistemlerinin iletim dağıtım sebekesinde olduğu gibi endüstriyel şebekelerin güvenilir bir şekilde işletilip korunmasında da çok önemli bir yeri vardır.

MOSFETLERLE AŞIRI AKIM KORUMASI

Birkaç amper ya da daha düşük akımlı güç kaynağı gerektiren birçok uygulamada LM317
gibi 3 girisli ayarlanabilr çıkıslı, doğrusal voltaj regülatörü kullanılır. Bunların kullanımı kolay ve ucuzdur. Ayrıca bu elemanların önüne eklenen birkaç elektronik eleman ile de maruz kalınan asırı akım sınırlandırılarak gerekli koruma sağlanır. Bu akım sınırlayıcı, maksimum çıkış akımı Imax’ı sabit bir seviyede tutarak regülatörün zarar görmesini engeller (Hulselman, 2005).

Bir hata meydana geldiğinde geçiş transistöründe harcana güç yaklasık olarak VIN x IMAX’ a esit olur. Asırı yük altında çalısabilen bir regülatörün dizaynında çıkısta ya geri besleme katında bir arıza meydana gelirse aşırı yükte çalısabilen bir parça gerekir (Galinski, 2002).

Girisli Gerilim Regülatörleri için Aşırı Akım Koruma Devresi (Hulselman,2005)

Sekil 4.1’ deki devreye göre R4 geri besleme direnci ile geçiş transistörünü korumak için akım sınırlaması yapan bir ek devre kullanılır. Normal sartlarda Q2 transistörü iletimde değildir. R1 ve R2 dirençleri iletimde olan Q1 mosfetini besler. Çıkısta aşırı yükleme meydana geldiğinde Q2 iletime geçer, Q1’ e uygulan gerim azalır ve böylece drain ve source arası direnç artar ve LM317 regülatörü üzerindeki aşırı akımı sınırlanır.

Yönlü Koruma Seçiciliği

Gözlü güç sistemlerinde, her iki taraftan beslenen hatalarda hata akımının akış yönüne duyarlı olan bir koruma ünitesi gereklidir. Hata yerini seçici olarak belirleme ve hatalı kısmı ayırmak için yönlü asırı akım koruma üniteleri kullanılır.

Basit problemlerde koordinasyon problemi için mesafe rölelerini hesaba katmaksızın yönlü
asırı akım rölelerinin kurulumunda daha basit hesaplara ihtiyaç duyulur ve daha uygundur. Yani çözümü mümkündür. Fakat bu durumda röle kurulumunun hesapları ile koruma şeması rölelerinin her ikisi de etkidiği için seçici olmayabilir. Yönlü asırı akım röleleri ve mesafe röleleri koordine edilmez (Urdaneta, 2000)

OPTOKUPLÖR – FOTOTRANSİSTÖR İLE KONTROL DEVRELERİ

Optokuplörler, led – fotodiyot, led – fototransistör, led – foto tristör ya da led – foto triyak çiftinin bir paket içerisinde kullanılması ile elde edilen elemanlardır. Sekil 4.2’ de optokuplör fototransistörün çesitli bağlantı şekilleri gösterilmistir.

Optokuplör – Fototransistör Röle ve Motor Kontrolü

A1 ve A2 anahtarı kapatıldığı zaman optokuplör çıkış verir. (T1) transistörün bazına (-) negatif sinyal gelir. (T1) transistörü iletime geçer. (T2) bazınada (+) pozitif sinyal geleceğinden, (T2) transistör iletime geçer ve röle çalışır. Rölenin normalde açık uclarına bağlanan motor rölenin enerjilenerek durum değistirmesi sonucunda çalısır.

Eğer bu devrede kullanılan direnç değerleri (T2) transistörünün çıkısını çok büyük değerlere kadar artırabilecek değerler seçilirse Sekil 4.3’ deki gibi motor direk transistör üzerinden enerjilendirilerek çalıstırılabilir (Çelik).Fakat koruma devrelerinde kullanılan kesici motorlarını çalıstırmak için yeterli olamayacağı düsünülerek röle üzerinde sürülmesi daha güvenilir ve hassas sonuçlar doğuracaktır.

ELEKTRONİK ELEMANLAR İLE RÖLE KONTROLÜ VE ASIRI AKIM KORUMASI

şekil 5.1’ de elektronik elemanlardan olusan bir asırı akım koruması görülmektedir. Bu devre
yardımı ile mekanik röle sistemleri ile olusturulan asırı akım korumalarının dezavantaj olarak kabul edilen bazı durumlarının ortadan kaldırılabileceği öngörülmüstür.

Bu devrenin tasarlanmasındaki amaç asırı akımdan kaynaklanan arızalarda mekanik
sistemlerden daha hızlı, hassas, maliyeti düsük ve kullanımı kolay bir sistem olusturmaktır. Bundan önce ki bölümlerde mekanik rölelerin harekete geçmelerine yönelik bilgiler verilmisti. Bunlara dayanarak ve elektronik bir elemanın çalısma hızının ne kadar düsük olduğu göz önüne alınarak, elektronik elemanlarla olusturulan koruma devreleri mekanik röle koordinasyonu ile olusturlan koruma devrelerine göre daha verimli olması olması sonucu çıkarılabilir.

SONUÇLAR

Bu tez çalışmasında enerji nakil hatlarında ve avadanlıklarında çesitli sebeplerle oluşabilen
aşırı akımlardan korunmak için gelistirilen sistemler gelistirilmistir. Bu sistemlerin neredeyse
tamamının elektromekanik rölelerin koordinasyonlu bir şekilde çalısmasıyla oluştuğu görülmüştür.

Bir enerji dağıtım siteminin aşırı akımlara karsı korunmasında istenilen bazı özellikler vardır.
Bu özelliklerin basında seçicilik gelir. Seçicilik ile enerji dağıtım sistemin olusabilecek bir arızada sadece hasarlı kısım hattan ayrılır. Diğer kısımlar çalışmalarına devam ederler.

Elektromekanik rölelerle yapılan koruma sistemleriyle seçicilik sağlanır. Fakat her hattan gelebilecek arızalar göz önüne alındığında sistemin koordineli bir sekilde çalısması zordur. Röle guruplarının koordineli çalısmasını sağlamak çalışanlara zorluklar yasatır. Fakat elektronik olarak tasarlanmış olunan devrelerde seçicilik gayet basit elemanlarla, zorlanmadan sağlanabileceği öngörülmektedir.

Koruma sistemlerinde olusabilecek zararları ortadan kaldırmak için aşırı akım durumlarında
devre büyük bir hızla açılmalıdır. Çağdaş enerji sistemlerinde kararlılığı korumak için kısa devre çok hızlı açılmalıdır. 300-500 kV hatlarda açılma süresi 0,1–0,125 sn. , 110–220 kV için 0,15-0,3sn.’dir. 6 ve 10 KV’luk dağıtım sebekelerinde ise 1,5-3 sn. kadardır (Şerifoğlu,2006). Çünkü bu hatlar elektrik santrallerinden uzak oldukları için generatör gerilimlerinin tehlikeli değerlere kadar inmesine sebep olmaz, bu da sistemin kararlılığını etkilemez. Açılma süresinin kesin değeri özel hesaplarla bulunur.

Hızlı korumaları uygulayabilmek için önce noktanın gerilimini tayin etmek gerekir. Eğer gerilim
nominal değerden %60 düsükse sistemin kararlılığını korumak için hızlı koruma kullanılmalıdır.
Elektromekanik rölelerle olusturulan koruma sistemlerinde harekete geçme süresinin saniye
mertebelerine geçmektedir.

Fakat elektronik elemanlarla olusturduğumuz koruma sistemlerinde bu sürenin saniye mertebesinin çok çok altına kadar düsebileceği tahmin edilmektedir. Bu da arızalı hatlarda açmanın hızını artıracak ve böylece hattaki arıza daha büyük hasarlara neden olmadan sistemden ayrılacaktır.

Hassasiyette koruma sistemlerinde göz önünde bulundurulması gereken bir baska noktadır.
Koruma sistemi çalısma alanındaki asırı akımlara karsı belirli bir hassasiyet göstermelidir. Fakat bu hassaslık özel hesaplarla belirlenen sınırları geçmemelidir. Aksi takdirde sistem an küçük akım dalgalanmalarında bile açılacak ve istenmeyen durumlara neden olacaktır. Röle koordinasyon sistemlerinde bu sınır belirlense bile tam değerlerde koruma yapmak mümkün değildir. Fakat bu çalışmada önerilen elektronik elemanlarla olusmuş koruma devrelerinde kullanılan karsılastırma devreleri ile belirlenen sınırlarda tam olarak koruma sağlanabileceği düşünülmektedir.

Sonuç olarak tez çalısmamın amacı olan daha hızlı, daha hassas, daha güvenli çalısan ve aynı zamanda maliyeti daha düsük elektronik devre tasarımı teorik olarak yapıldı. Bu çalısmanın gerçekte uygulanması ile elektrik tesislerindeki arızalardan daha az bir popülasyonun etkileneceği öngörülmektedir.

aşırı akım ve akım kesintileri koruması
koruma sisteminin genel prensipleri
Koruma Sisteminde Olması Gereken Sartlar
Rölelerde Olması Gereken Nitelikler
Sistemde bir hatanın varolma kriterleri
Sebeke üzerinde bir hatanin varoluş kriterini kuran etkenler
koruma sistemi koordinasyonu
Koordinasyon islemleri
Koruma Koordinasyonu Için Gerekli Veriler
Koruma Koordinasyon Prosedürü
Koordinasyon Zaman Aralıkları
koruma sistemlerinde seçicilik
Zaman Karakteristikli Seçicilik
Akım Karakteristikli Seçicilik
Lojik Seçicilik isletme tarzı
Diferansiyel Koruma Seçiciliği Avantajları
Kombine Seçici Sistemler
Toprak Hata Yönlü Koruma
Karakteristik açı
sebeke koruması
koruma sistemi gereklilikleri
Genel Olarak Koruma Sistemi Gereklilikleri
aşırı akım koruması
orta gerilim sebekelerinde hatlarin kisa devreye karsi korunması
Hatların Kısa Devreye Karsı Korumak için Uygulanan Koruma Sistemleri
Faz asırı akım koruması
Fark akım koruması
Mesafe koruması
Zaman karakteristikleri
Sabit zaman karakteristiği
Ters akım-zaman karakteristiği
Karakteristiklerin Uygulama Özellikleri Ve Uygulama Yerleri
Normal ters akım-zaman karakteristikleri
Fazla ters akım-zaman karakteristikleri
Çok fazla ters akım-zaman karakteristikleri
Uzun gecikmeli ters akım-zaman karakteristikleri
Radyal Sebekelerde Faz Asırı Akım Korumasının Ayarlanması
Akım değerlerinin ayarlanması
Nötrü Doğrudan Topraklı Orta Gerilim
Radyal Sebekelerde 3-fazlı Hatların Korunması
Nötr yüksek empedans üzerinden topraklı orta gerilim sistemleri
Toprağa iki Kat Kapanmada Asırı Akım Koruması
iki Fazlı Doğru Operatif Akım Koruması
Bağımsız karakteristikli koruma
Bağımlı karakteristikli koruma
transformatör koruması trafo nedir
transformatörü etkileyen ana hatalar
transformatörün devreye alinmasi sirasinda meydana
Asırı Yükler
Trafoların asırı yük korumaları
Kısa Devreler
transformatörde 3-faz aşırı akım koruması
kisa devre koruması
Trafolarda iç ve Dış Kısadevreler
Genel özellikler
Trafoların Asırı Akım Korumaları
iki sargılı aldatıcı trafolar
Ard arda gelen ters akım koruması
Ard arda gelen sfır akım koruması
transformatör diferansiyel koruma
Akım Kesilmesiyle Olusan Diferansiyel Koruma
Oran Diferansiyel Rölesi ve Akımların Etkisi
Toprak Hata Akımının Büyüklüğü trafo nedir
Transformatör Termik Asırı Yük Koruması
Gaz Etkisiyle Çalısan Röleler
Buchholz rölesi
Ani basınç rölesi
Gaz etkisi ile çalısan rölelerde ortaya çıkan problemler
Transformatör korumaları ile ilgili örnekler
elektronik elemanlar ile koruma ve kontrol
mosfetlerle aşırı akım koruması
optokuplör fototransistör ile kontrol devreleri
Optokuplör Fototransistör ile Röle veya Motor Kontrolü
Optokuplör – Fototransistör ile Röle Kontrolü
elektronik elemanlar ile aşırı akım koruma
elektronik elemanlar ile röle kontrolü ve aşırı akım koruması
elektronik elemanlar ile motor kontrolü ile aşırı akım koruması

KAYNAKLAR

1. Çernobrovov, N.B., 1974. Röle Korumaları. Enerji Yayınevi, 679, Moskova.

2. Üstünel, M., Altın, M., Kızılgedik, M., 2001. Endüstriyel Elektronik. OSTİM Mesleki Eğitim
Merkezi, 195, Ankara.

3. Üstünel, M., Altın, M., Kızılgedik, M., 2001. Endüstriyel Elektronik. OSTİM Mesleki Eğitim
Merkezi, 212, Ankara.

4. Serifoğlu, N., Soysal, O., 2006. Elektrik Enerji Sistemleri Cilt II. Papatya Yayıncılık, 215,
İstanbul.

5. Özkaya, M., 1996. Yüksek Gerilim Tekniği Cilt I. Birsen Yayınevi, 332, İstanbul.

6. Alparslan, Y., 1978. Yüksek Gerilim Tekniği. 147, Ankara.

7. Güler, N., 1985. Röleler. Tek Eğitim Müdürlüğü Foto – Film ve Baskı Üniteleri, 45, Ankara.

8. Gürsel, G., Kültür, D., 1997. EMO, 176, İzmir.

9. Haktanır, D., 2001. Yüksek Gerilimde Kısa Devre ve Kısa Devrelerin Üniter Hesabı. MASHRAE, Mınst. D, TCEE, MAIEE, Emobilim, Cilt 1, Sayı 2, s. 8 – 13.

10. Gençoğlu, M.T., Türkoğlu, İ., 1998, Mikrobilgisayar Kontrollü Röle Tasarımı. V. Bilgisayar ve Haberlesme Sempozyumu. S. 37-40.

11. Tedas, 2001. Elektrik Dağıtım Sistemi Temel Eğitimi. 238, Ankara.

12. Çelik, Enstrimantasyon. Mersin Üniversitesi. S. 49 – 53.

13. Zeineldin, H.H., 2006. Optimal Coordination of Overcurrent Relays Using a Modified
Particle Swarm Optimization. Electric Power Systems Research 76 pp. 987 – 995.

14. Abdelaziz A.Y., Talaat, H.E.A., 2002. An Adaptive Protection Scheme for Optimal
Coordination of Overcurrent Relays. Electric Power Systems Research 61 pp. 1 – 9 .

15. Urdaneta, A.J., 2000. Presolve Analysis and İnterior Point Solution of the Linear
Programming Coordination Problem of Directional Overcurrent Relays. Electric Power and Energy Systems 23 pp. 819 – 825.

16. Entriquez A.C., 2006. Enhanced Time Overcurrent Coordination. Electric Power Systems Research 76 (2006) pp. 457 – 465.

17. Hulselman, Herb., 2005. MOSFET Enhances Voltage Regulator’s Overcurrent Protection. EDN,pg 74.

18. Galinski, Martin., 2002. Circuit Folds Back Current During Fault Conditions.,EDN,pg 102.

Yukarıda özetler verildi;