Trafo merkezi tasarımı, çeşitli disiplinlerden profesyonel mühendislerin iş birliği gerektiren karmaşık bir iştir. Yine de, genellikle birkaç kişi tüm tasarım sürecine öncülük eder ve teknik ile ekonomik konuları yönetir. Bu teknik makalede, Gaz Yalıtımlı Trafo Merkezleri (GIS) ile Hava Yalıtımlı Trafo Merkezleri (AIS) arasındaki tercihleri tartışılmakta ve bir Hava Yalıtımlı Trafo Merkezinin detaylı tasarımını ayrıntılı bir şekilde incelenmektedir.
Birçok ülke, makalenin başında tartışıldığı üzere, önemli ve yasal olarak bağlayıcı çeşitli güvenlik düzenlemelerine sahiptir. Bir trafo merkezinin üç temel bileşeni şu şekilde sınıflandırılır: Primer, Sekonder ve Yardımcı Sistemler.
Bu 3 temel trafo merkezi sistemini hatırlayalım:
Primer Sistem: Primer sistem, sistemin en yüksek çalışma voltajında, kısmen veya tamamen hizmette olan tüm ekipmanları içerir.
Sekonder Sistem: Sekonder sistem, primer sistemin kontrolü (yerel ve uzaktan), korunması, izlenmesi, otomasyonu ve ölçülmesi için kullanılan tüm ekipmanları kapsar.
Yardımcı Sistem: Yardımcı sistemler, primer ve sekonder ekipmanların çalışmasını sağlamak için gerekli olan sistemlerdir.
İçindekiler Tablosu:
1. Trafo Merkezi Tipinin Seçimi (GIS/AIS)
Trafo merkezi tipi seçimi genellikle ekonomik faktörlere dayanır. Yüksek Gerilim (YG) ekipmanları için, hava yalıtımlı (AIS) trafo merkezleri, Gaz İzoleli Sistemlerin (GIS) eşdeğerlerine göre daha ekonomiktir. Ancak, GIS'in sunduğu geniş alan seçenekleri, yük merkezine olan uzaklık, alan hazırlama ve azaltılmış bakım maliyetleri ile maliyet farkını dengeleyebilir.
Son yıllarda, YG ekipman fiyatlarındaki farkın azalması ve artan çevresel kirlilik ile çevre endişeleri, GIS sistemlerini daha cazip kılmıştır. Bu nedenle, 145 kV ve üzeri voltajlar için hava yalıtımlı iç mekan HV trafo merkezlerinin kurulumu yapılmamaktadır.
GIS trafo merkezlerinin en büyük avantajlarından biri, hava yalıtımlı trafo merkezlerine kıyasla çok daha az alana ihtiyaç duymalarıdır, ancak gelen havai hatlar ve güç trafolarının tüm trafo merkezlerinde aynı boyutlarda olduğunu unutmamak gerekir.
Bu da onları şu durumlarda iyi bir çözüm haline getirir:
Kentsel alanlar: Yüksek arazi maliyetleri ve hava yalıtımlı bir trafo merkezi için gerekli alanın eksikliği.
Dağlık bölgeler: Yüksek saha hazırlama maliyetleri.
Çevresel endişeler: GIS sistemleri kolaylıkla gizlenebilir ve gerektiğinde iç mekanlara veya nadiren yer altına yerleştirilebilir. Yine de, gelen besleyicilerin daima havai hatlar şeklinde olamayacağı akılda tutulmalıdır.
Çok yüksek kirlilik seviyeleri: GIS faz-faz ve faz-toprak izolasyonları kirliliğe karşı dayanıklıdır, fakat metal kaplamalar zorlu çevre koşullarında korozyona uğrayabilir. Bu, açık hava GIS trafo merkezleri için geçerlidir.
1000 m'nin üzerindeki rakım: Dahili GIS izolasyonu, atmosfer basıncına bağlı olmadığı için özel yalıtım malzemelerine sadece burçlar için ihtiyaç duyulur.
Sınırlı alanlarda, hava yalıtımlı trafo merkezlerinin geliştirilmesi, modernize edilmesi veya yenisiyle değiştirilmesi.
GIS trafo merkezlerinin dezavantajları arasında, kapladıkları alanın küçük olması sebebiyle maksimum adım ve dokunma gerilimlerine ilişkin zorlukların ortaya çıkabilmesi yer alır. Bu durum, toprak iletkenlerinin trafo merkezi sınırlarının dışına çıkarılmasını gerektirebilir (IEEE 80).
Mümkünse, bir GIS'deki YG ekipmanı uyumlu olmalı ve ilk sipariş verildiğinde önümüzdeki 20 veya 30 yıl için uzantılar ve yenilemeler dikkate alınmalıdır. İşte buna iyi planlama diyoruz!
2. Trafo Merkezi Düzeninin Seçilmesi
Her ne kadar belirli bir bara şemasına uygun çeşitli düzen tipleri için inşaat detaylarını sağlamak mümkün olmasa da, yaygın tasarım durumları için genel rehberler sunmanın faydalı olduğu önerilmektedir.
2.1. Primer Devre
Genellikle, bara sistemi için üst düzeyde ve şalt cihazı bağlantıları için alt düzeyde olmak üzere sadece iki seviyeli iletken düzenlemeleri tercih edilir. Sert veya esnek iletkenler kullanılarak yapılan çözümler için Şekil 1'e ve ilgili notlara bakabilirsiniz.
Şekil 1 – Esnek veya Sert İletkenli AC Trafo Merkezi
Ağır bileşenler, devre kesiciler ve ölçüm trafoları gibi, montaj, sökme ve bakım işlemleri için uygun yolların hizasına ve kenarına yerleştirilmelidir. Bakım genellikle donanımlı araçlarla gerçekleştirilir. Bu nedenle, operatörün çalışma aletlerini kullanırken canlı parçalarla arasındaki güvenlik mesafelerini dikkate alarak yolun genişliği ve bölümler arası mesafe büyük önem taşır. Lütfen Şekil 2'ye bakınız.
Şekil 2 – AC Trafo Merkezindeki Güvenlik Mesafeleri
Uzun süreli hizmet kesintilerini önlemek için, kelepçeler veya iletken arızaları sebebiyle, enerji iletkenlerinin veya topraklama kablolarının birden fazla bara sistemini geçmemesi tavsiye edilir; bkz. Şekil 3.
Şekil 3 – İki Açıklığa Sahip Üst Geçit
Olası olduğu durumlarda, trafo merkezinin her iki tarafında hat bölümlerinin kullanılması tercih edilen bir yöntemdir. Şekil 4'e bakınız.
Figure 4 – Devre kesicilerin konfigürasyonları: (a) Trafo merkezinin bir tarafında devre kesiciler; (b) Trafo merkezinin her iki tarafında devre kesiciler.
Hat ve trafo bölümleri dizilimi, mümkünse, baraların ya da bağlantı iletkenlerinin aşırı yüklenme ihtimalini minimize edecek biçimde düzenlenmelidir.
Yerleşim tasarımında, trafo merkezinin genişletilme olasılığının dikkate alınması gerekir. Bu konu, halka şemalı baralara sahip trafo merkezleri durumunda daha da önemlidir. Belirli bir tasarım, halka (ring) şemasından 1 ½ devre kesici şemasına sahip çift baraya kolay bir dönüşüme izin verir. Şekil 5'e bakınız.
Şekil 5 – Mesh düzenlemesi
Bir trafo merkezini doğrudan yıldırım darbelerinden korumak için yıldırım koruması şarttır. Bu koruma, havai topraklama kabloları veya paratonerler kullanılarak sağlanabilir. Topraklama kabloları ile etkili bir koruma alanı oluşturmak daha kolaydır.
Şalt ekipmanlarında topraklama kablosunun düşme riskini engellemek için özel önlemler alınmalıdır.
2.2. Sekonder Devre
Primer devre ile kontrol ekipmanı arasındaki elektromanyetik girişimi azaltmak ve ekonomik sebeplerden dolayı (özellikle kablo kullanımında) bir çözüm olarak, kontrol, koruma ve otomasyon cihazlarını merkezi bir noktadan uzaklaştırmaktır.
Bu şekilde sekonder ekipmanları içeren kiosklar, anahtarlama ekipmanına mümkün olduğunca yakın kurulmalıdır. Sert iklim koşullarında (çok soğuk/sıcak), bu çözüm ekonomik olmayabilir.
Şekil 6'da, enerji yönetim sistemleriyle ilgili teknoloji trendleri dikkate alınarak, kontrol ve koruma sistemleriyle ilgili sekonder devrelerin bir düzenleme örneği gösterilmektedir.
Şekil 6 – Mesh düzenlemesi, Bölüm a (bkz. Şekil 7)
2.3. Sert veya Esnek İletken Arasındaki Seçim Kriterleri
Şu anda, 500kV'a kadar olan gerilim seviyeleri için, sert iletkenli trafo merkezi tasarımı daha basit ve ekonomik olduğundan tercih edilmektedir. Bu uygulamalarda, alüminyum alaşımlı borular kullanılmaktadır. Ancak, daha yüksek gerilim seviyelerinde, korona etkisini kabul edilebilir düzeyde tutacak eşdeğer çaplı boru demeti iletkenlerinin kullanımı, kurulumu daha zor hale getirebilir.
Elbette, en iyi çözümün seçimi, ülkeden ülkeye değişen malzemelerin bulunabilirliğinden ve farklı şirket deneyimlerinden etkilenir.
Aşağıdaki paragraflarda, her iki çözümün temel avantajları ve dezavantajları listelenmiştir.
2.3.1 Sert iletken (Bara) çözümü
Avantajlar
Basitlik, işletme yapılandırmasının kolay okunması
Sadece iki seviyeli tesis düzenlemesi
Bakım için trafolara veya şalt sahasına kolay erişim.
Pantograf veya yarı pantograf ayırıcıların kolay kullanımı
Kolay trafo merkezi uzantısı
Elektrodinamik kuvvetlerin etkisinin kolay doğrulanması
Kısa montaj süresi
Tesis kurulumu için daha düşük topraklama alanı
Dezavantajlar
Busbarların her iki tarafındaki devre kesicilerin geçici olarak rahatsız edici şekilde atlatılması.
Tüp yapısının rüzgar hızı frekansı ile mekanik rezonans oluşturma ihtimali bulunmaktadır. Bu durum, uygun sönümleme aygıtları kullanılarak engellenebilir.
Bazı ülkelerde tüplerin ve destek malzemesinin bulunabilirliğiyle ilgili zorluklar.
Şekil 7 – Sert İletkenler (baralar)
2.3.2 Esnek iletken çözümü
Avantajlar
Havai hatlarda kullanılan aynı malzemenin kullanımı
Ultra yüksek gerilim trafo merkezlerinde korona etkisini azaltmak için uygun çapa sahip çoklu iletkenlerin demetlenmesi kolayca gerçekleştirilir
Dezavantajlar
Simpleks şemalar için de karmaşık düzenler
Elektrodinamik kuvvetlere dayanıklılığın zor doğrulanması.
Bara üst geçitleri sağlanacak
Trafo merkezindeki üç iletken seviyesinin sonucu olarak önemli çevresel etkiler
Yğksek inşaat maliyeti.
Pantograf ve yarı pantograf ayırıcıların kullanımında yaşanan zorluklar
Trafo merkezinin genişletilmesindeki zorluklar.
Şekil 8 – Esnek İletkenler
3. Genel Kriterler ve Kurallar
3.1 Güvenlik Kuralları – Tanımlar
Adım Gerilimi – Bir kişinin, herhangi bir iletken parçaya dokunmadan bir insan adımı mesafesini aşarak deneyimlediği yüzey potansiyeli farkı [IEEE 80].
Dokunma Gerilimi – Erişilebilir toprak yüzeyi ile yüzeyde bulunan ve bir kişinin eliyle dokunabileceği ölü kısım arasındaki maksimum potansiyel fark. [IEEE 81].
Güvenli Akım – İnsan vücudundan geçen ve maruz kalan kişinin yaşamı ve sağlığı için tehdit oluşturmayan akım, IEC 60479-1 ve -2 standartlarına göre belirlenir. Maksimum adım ve dokunma voltajları, güvenli akım seviyelerini aşmayacak şekilde ayarlanarak, bir kişiden geçen akım sınırlandırılır.
Tasarım aşamasında bir trafo merkezi için önerilen servis ve onarım yöntemleri göz önünde bulundurulmalıdır. Birçok ülkede, canlı parçalar ile personel arasındaki minimum mesafe standartlara bağlanmıştır.
Aşağıdaki parametreler genellikle tanımlanır:
Erişilebilir yüzeyler üzerinde canlı parçaların minimum yüksekliği.
İzolatörlerin en alçak parçalarının erişilebilir yüzeyin üzerindeki minimum yüksekliği.
Canlı parça ile koruyucu raylar, çitler vb. arasındaki minimum yatay mesafe.
Trafo merkezinde çalışma sırasında canlı parça ile insan vücudu (veya iletken aletler) arasındaki minimum mesafe.
Ana devre, izole edildikten sonra topraklanıncaya kadar canlı olarak kabul edilmelidir. Topraklama cihazı uygulanmadan önce iletkendeki voltajın kontrol edilmesi gerekmektedir. EHV ve UHV trafo merkezlerinde, bağımsız bir cihazla voltaj testi yapmak zor olduğundan, ayırıcılar açık konumdayken görsel kontrol yapıldıktan sonra, devreyi topraklamak için uzaktan kumandalı bir topraklama anahtarı kullanılır.
Ayrıca, canlı kısımların yakınında taşınabilir bir topraklama iletkeni olan uzun bir çubuk tutmanın tehlikeli olduğu unutulmamalıdır. Bu sebeple, 145 kV ve üzeri gerilimlerdeki trafo merkezlerinde topraklama anahtarları tercih edilmektedir. Taşınabilir topraklama cihazları ise sadece ek topraklama amaçlı, örneğin uzun barlarda indüklenen voltajlara karşı koruma sağlamak için kullanılır.
3.2 Aşırı Gerilim ve Yalıtım Seviyeleri
Bir trafo merkezinde kurulan tüm ekipmanlar, şebekenin nominal güç frekansı gerilimine göre tasarlanmalıdır. Güç frekansındaki geçici aşırı gerilimler, genellikle ani yük kaybı, toprak arızaları, anahtarlama aşırı gerilimleri ve yıldırım aşırı gerilimleri gibi nedenlerle meydana gelir.
Yeteneklerinin belirlenmesi için aşağıdaki voltaj testlerine tabi tutulur:
Yıldırım Darbe Dayanım Gerilimi. (1.2/50)
Anahtarlama Darbe Dayanım Gerilimi (250/2500)
Güç frekansı (50 veya 60 Hz) (ıslak ve/veya kuru).
Ayrıca, salınımlı voltaj veya kesik dalga testi gerekebilir. Test voltajı değerleri, yalıtım seviyesini belirler. Standart yalıtım seviyeleri IEC Standardı 71'de tanımlanmış olup, ağ parametreleri farklı değerler belirleyebilir [IEC 60071-1, -2].
Yalıtım seviyesinin belirlenmesi, yalıtım koordinasyonuna; yani ağın çeşitli bölümlerinin karakteristiklerine (genellikle hatlar), aşırı gerilimlere karşı kullanılan korumalara (örneğin, ZnO parafudrlar oldukça etkilidir), rakım gibi faktörlere ve ayrıca trafo merkezinin istenen güvenilirlik düzeyine (kabul edilebilir alevlenme riski) bağlıdır. Bu sebeple, aynı trafo merkezinin farklı bölümleri için yalıtım seviyesi değişebilir.
3.3 Akım Derecesi ve Aşırı Akımlar
Anlık yük akışı bir trafo merkezinde, tüm elektrik şebekesinin genel durumuna bağlı olarak değişir. Genelde, bireysel bir trafo merkezinin devrelerindeki akımların nominal değerlerini saptamak için, gelecekteki şebeke gelişimlerini de kapsayan kapsamlı bir şebeke analizi yapılması gerekmektedir.
Teorik olarak, şebekede görece düşük toplam elektrik üretimi ile maksimum akım akışı sağlanabilir. Örnek olarak, bir pompalı depolama santralinin beslenmesi veya bir trafoda baypas tesisatının kullanılması gösterilebilir.
Bir trafo merkezi tasarlanırken akımın etkisinin aşağıdaki iki yönünün dikkate alınması gerekir:
Termal etkiler, indüklenen akımları da içerecek şekilde, bir nesnenin sıcaklığının artması veya azalması sonucu oluşan fiziksel değişiklikleri ifade eder.
Tesisin iletken bileşenleri ve destek yapılarına etki eden mekanik kuvvetler.
Ekipmanların hassas termal modellemesi zordur, çünkü iletken parçaların sıcaklıklarını etkileyen birçok faktör vardır; örneğin, önceki yüklemeler, çevresel sıcaklık, rüzgar hızı ve güneşlenme koşulları. Bu yüzden termal tasarım genellikle deneyseldir ve nominal akım ile kısa devre akım değerlerini içeren tip testleri ile doğrulanır. İletkenlerin sarkma açısından termal davranışlarını tahmin etmek üzere standart prosedürler geliştirilmiştir.
Nominalden fazla kısa vadeli bir akım değeri atamak mümkün olabilir ancak buna yol açan analiz, hiçbir "sıcak noktanın" (transformatörler, terminaller, bara destek noktaları) gözden kaçırılmamasını sağlamak için olmalıdır.
Kısa devre akım değerlerinin hesaplanması yöntemleri IEC Standardı 909'da verilmiştir ve kısa devre akımının etkileri IEC Standardı 865-1'e uygun olarak değerlendirilebilir.
3.4 Elektriksel İzinler
Tüm YG tesisatını karşılık gelen test voltajlarıyla test etmek mümkün değildir. Bu nedenle, test edilmemiş düzenlemelerde gerekli yalıtım seviyesini elde etmek için canlı parçalar veya canlı ve ölü parçalar arasındaki havadaki minimum boşluklar belirtilir. Boşluklar evrensel olarak belirtildiğinden, en kötü durumda kıvılcım aralığı yalıtımının yeterli güvenilirlikle varsayılması gerekir.
Belirli düzenleme öngörülen yalıtım testi (IEC 60071-1) ile test edilmişse daha küçük boşluklara izin verilir. Havadaki canlı parçalara olan minimum mesafe değerleri de pratik deneyime bağlıdır ve bu nedenle, farklı ülkelerdeki kuralları karşılaştırırken bazı farklılıklar bulunabilir.
Comments