Trafo Koruma Yöntemleri
Trafo sıcaklığının varsayılan maksimum ortam sıcaklığının üzerine çıkmasıyla ilgili sorunlar, bazı koruma araçlarını gerektirir. Sorunları ve kullanılabilecek olası trafo koruma yöntemlerini bu teknik makalede sizlere açıklayacağız.
Trafo korumasına ilişkin hususlar, güç trafosunun uygulamasına ve önemine göre değişir. Modern bir rölenin gerekli tüm koruma fonksiyonlarını tek bir pakette sağlaması normaldir; ara bağlantılar ve daha yüksek genel CT yükleriyle birlikte birden fazla röle gerektiren elektromekanik tiplerin aksine.
Tablo1: Trafo Arıza Tipleri / Koruma Yöntemleri:
No: | Arıza Tipi | Koruma Yöntemi |
1 | Primer Sargı Faz-Faz Arızası | Diferansiyel, Aşırı Akım |
2 | Primer Sargı Faz-Toprak Arızası | Diferansiyel, Aşırı Akım |
3 | Sekonder Sargı Faz-Faz Arızası | Diferansiyel |
4 | Sekonder Sargı Faz-Toprak Arızası | Diferansiyel, Kısıtlı Toprak Arıza (REF) |
5 | Dönüşler Arası Arıza | Diferansiyel, Buchholz |
6 | Çekirdek Arızası | Diferansiyel, Buchholz |
7 | Yağ Tankı Arızası | Diferansiyel, Buchholz Tank Topraklama |
8 | Aşırı Akı Arızası | Aşırı Akı |
9 | Aşırı Sıcaklık Arızası | Sıcaklık |
Bu makalenin aşağıdaki bölümlerinde bireysel koruma yöntemleri hakkında daha fazla ayrıntı verilmektedir. Kombine diferansiyel ve REF, aşırı akı, tank-toprak ve yağ/gaz korumasının bu makalenin sonraki bölümlerinde açıklanacaktır.
İÇİNDEKİLER
1| Trafo Aşırı Akım Koruma
Sigortalar küçük transformatörleri yeterince koruyabilir, ancak daha büyük olanlar, sigortalar gerekli arıza kesme kapasitesine sahip olmadığından, bir röle ve devre kesici kullanılarak aşırı akım koruması gerektirir.
a. Sigorta
Sigortalar genellikle küçük dağıtım transformatörlerini dağıtım gerilimlerinde tipik olarak 1MVA değerlerine kadar korur. Çoğu durumda devre kesici sağlanmaz, bu da sigorta korumasını otomatik izolasyonun tek yolu haline getirir.
Sigortanın oluşabilecek kısa süreli aşırı yüklere dayanabilmesi için maksimum trafo yük akımının çok üzerinde bir değere sahip olması gerekir. Ayrıca sigortalar, güç transformatörlerine enerji verildiğinde çekilen mıknatıslanma ani akımlarına dayanmalıdır.
Yüksek Kopma Kapasiteli (HRC) sigortalar, büyük arıza akımlarında çalışırken çok hızlı olmalarına rağmen, nominal değerlerinin üç katından daha düşük akımlarda son derece yavaştırlar. Bu tür sigortaların transformatörü korumak için çok az şey yapacağı, yalnızca arıza ileri bir aşamaya ulaştıktan sonra hatalı transformatörün bağlantısını keserek sistemi korumaya hizmet edeceği anlaşılmaktadır.
Tablo 2, 11kV transformatörlerle kullanıma yönelik tipik sigorta değerlerini göstermektedir.
Tablo 2: Dağıtım trafolarıyla kullanıma yönelik tipik sigorta değerleri
kVA | Tam Yük Akımı (A) | Nominal Akım (A) | 3 × Derecelendirmede Çalışma Süresi (s) |
100 | 5.25 | 16 | 3.0 |
200 | 10.5 | 25 | 3.0 |
315 | 15.8 | 36 | 10.0 |
500 | 26.2 | 50 | 20.0 |
1000 | 52.5 | 90 | 30.0 |
Bu tablo yalnızca tipik bir örnek olarak alınmalıdır. Farklı HRC sigorta türlerinin zaman özelliklerinde önemli farklılıklar mevcuttur. Ayrıca ikincil tarafta koruma ile sınıflandırma dikkate alınmamıştır.
b. Aşırı Akım Röleleri
SF6 devre kesicileri ve izolatörleri içeren halka ana ünitelerin ortaya çıkmasıyla birlikte, dağıtım transformatörlerinin koruması artık aşırı akım açmaları ile sağlanabilmektedir.
Örneğin, dahili akım transformatörlerinin sekonder sargılarına bağlanan zaman sınırı sigortaları veya transformatörün birincil tarafında bulunan akım transformatörlerine bağlı röleler tarafından kontrol edilen açma.
Aşırı akım röleleri, standart devre kesici kontrolüyle sağlanan daha büyük transformatörlerde de kullanılır.
Korumada iyileştirme iki şekilde elde edilir: Daha düşük arıza akımları için HRC sigortasının aşırı gecikmeleri önlenir ve aşırı akım özelliğine ek olarak bir toprak arıza açma elemanı sağlanır. Zaman gecikme karakteristiği, sekonder taraftaki devre korumasını ayırt edecek şekilde seçilmelidir.
Genellikle yüksek ayarlı bir anlık röle elemanı sağlanır; mevcut ayar, ikincil bir kısa devrenin çalışmasını önlemek için seçilir.
Bu, primer terminal kısa devrelerinin yüksek hızda temizlenmesini sağlar.
2| Kısıtlı Toprak Arıza Koruması (REF)
Aşırı akım elemanlarını kullanan geleneksel toprak arıza koruması, transformatör sargıları için yeterli koruma sağlayamaz. Bu, özellikle empedans topraklamalı nötre sahip yıldız bağlantılı sargı için geçerlidir.
Kısıtlı toprak arıza korumasının (veya REF korumasının) uygulanmasıyla koruma derecesi çok iyileştirilir. Bu, transformatörün bir sargısı için bir ünite koruma şemasıdır. Şekil 4'te gösterildiği gibi yüksek empedanslı bir tip veya taraflı düşük empedanslı bir tip olabilir.
Yüksek empedanslı tip için, üç hatlı akım transformatörlerinin artık akımı, nötr iletkendeki bir akım transformatörünün çıkışına karşı dengelenir. Önyargılı düşük empedanslı versiyonda, üç fazlı akımlar ve nötr akım, diferansiyel elemanın öngerilim girişleri haline gelir.
Sistem, akım trafoları arasındaki bölgedeki arızalarda, yani söz konusu yıldız sargısındaki arızalarda çalışır. Sistem bu bölge dışındaki tüm arızalarda stabil kalır.
Koruma performansındaki kazanç, yalnızca düşük ayarlı bir anlık rölenin kullanılmasından değil, aynı zamanda yalnızca HV birincil sargısındaki dönüştürülmüş bileşenin (yıldız sargısı sekonder bir sargı ise) değil, tüm arıza akımının ölçülmesinden de kaynaklanır.
Bu nedenle, sargının nötr ucuna giderek daha yakın olan arıza konumları dikkate alındığında olası akım seviyesi azalsa da, primer hat akımını kontrol eden kare kanunu uygulanamaz ve düşük etkili bir ayarla, sargının büyük bir yüzdesi devre dışı bırakılabilir.
Kısıtlı toprak arıza koruması genellikle nötr katı şekilde topraklandığında bile uygulanır. Arıza akımı sargının son dönüşüne kadar bile yüksek bir değerde kaldığından (Şekil 4), toprak arızalarına karşı neredeyse tam koruma elde edilir.
Bu, nötr iletken akımını ölçmeyen sistemlerin performansıyla karşılaştırıldığında bir gelişmedir.
Delta bağlantılı veya topraklanmamış bir yıldız sargıya uygulanan toprak arıza koruması, trafo üzerinden diğer sargılara sıfır dizi bileşeni iletilemeyeceğinden doğası gereği sınırlıdır.
Bir trafonun her iki sargısı da sınırlı toprak arıza korumasıyla ayrı ayrı korunabilir, böylece nispeten basit bir ekipmanla transformatörün tamamı için toprak arızalarına karşı yüksek hızlı koruma sağlanır.
Hızlı çalışma ve faz hatası kararlılığı sağlayan yüksek empedanslı bir röle kullanılır.
3| Diferansiyel Koruma
Yukarıda açıklanan sınırlı toprak arıza şemaları tamamen, iletken bir ağa akan akımların toplamının sıfır olduğu Kirchhoff ilkesine dayanmaktadır.
Trafonun tamamını kapsayacak şekilde bir diferansiyel sistem düzenlenebilir. Bu, transformatör işleminin yüksek verimliliği ve birincil ve ikincil sargılarda geliştirilen amper dönüşlerinin yakın eşdeğerliği nedeniyle mümkündür.
Şekil 5 prensibi göstermektedir. Birincil ve ikincil taraftaki akım transformatörleri, bir dolaşım akımı sistemi oluşturacak şekilde bağlanır.
a. Trafo Diferansiyel Korumanın Temel Husuları
Diferansiyel koruma ilkelerinin trafolara uygulanmasında çeşitli hususların dikkate alınması gerekir.
Bunlar şunları içerir:
Trafo sargıları boyunca olası faz kaymasına yönelik düzeltme (faz düzeltmesi)
Çeşitli topraklama ve sargı düzenlemelerinin etkileri (sıfır dizi akımlarının filtrelenmesi)
Sargıların her iki tarafındaki akım trafolarından gelen sinyallerin olası dengesizliğine yönelik düzeltme (oran düzeltmesi)
İlk enerjilendirme sırasında mıknatıslanma ani etkisi
Aşırı akış olası oluşumu.
Geleneksel trafo diferansiyel şemalarında, faz ve oran düzeltme gereksinimleri, ana sargı bağlantılarının ikincil bir kopyası olarak harici araya giren akım trafolarının (ICT'ler) uygulanmasıyla veya faz düzeltmesi sağlamak için ana CT'lerin üçgen bağlantısıyla karşılandı.
Dijital sayısal röleler bunun yerine röle yazılımında oran ve faz düzeltmeyi uygular, böylece birincil CT'lerin sargı bağlantılarına bakılmaksızın çoğu trafo sargı düzenlemesi kombinasyonunun karşılanmasına olanak tanır.
Bu, CT'lere müdahale eden donanımın ek alan ve maliyet gereksinimlerini ortadan kaldırır.
b. Hat akımı trafosu primer değerleri
Hat akımı trafoları, uygulandıkları trafo sargılarının nominal akımlarına yaklaşık olarak eşit olacak şekilde seçilen primer değerlere sahiptir. Primer derecelendirmeler genellikle mevcut standart oranlı CT'lerinkilerle sınırlı olacaktır.
c. Faz düzeltmesi
Trafo diferansiyel korumasının doğru çalışması, röle tarafından ölçülen trafo primer ve sekonderakımlarının aynı fazda olmasını gerektirir. Trafo, Şekil 6'da gösterildiği gibi üçgen/yıldız bağlıysa, dengeli üç fazlı akım, 30°'lik bir faz değişikliğine uğrar.
Düzeltilmezse bu faz farkı, rölenin doğrudan akımı dengesiz bir arıza akımı olarak görmesine ve rölenin çalışmasına neden olur. Faz düzeltmesi uygulanmalıdır.
Elektromekanik ve statik röleler, röleye uygulanan birincil ve ikincil akımların aynı fazda olmasını sağlamak için uygun CT/ICT bağlantılarını kullanır.
Dijital ve sayısal röleler için, trafonun tüm sargılarında yıldız bağlantılı hat CT'lerinin kullanılması ve yazılımdaki sargı fazı kaymasının telafi edilmesi yaygındır.
Röle tasarımına bağlı olarak bu gibi durumlarda gerekli olan tek veri, trafo vektör grubu tanımı olabilir. Faz telafisi daha sonra otomatik olarak gerçekleştirilir.
Primer ve sekonder hat CT'leri aynı sarma konfigürasyonuna sahip olmayabileceğinden, mevcut bir elektromekanik veya statik rölenin yerine böyle bir rölenin kullanılması durumunda dikkatli olunması gerekir.
Faz telafisi ve ilgili röle veri girişi, bu gibi durumlarda daha ayrıntılı değerlendirme gerektirir.
Nadiren, mevcut faz dengeleme tesisleri trafo sargı bağlantısını karşılayamaz ve bu gibi durumlarda araya giren CT'lerin kullanılması gerekir.
d. Sıfır dizi akımlarının filtrelenmesi
Bir trafo sargısının sıfır dizi akımını harici bir toprak arızasına aktarabildiği bir tür sıfır dizi filtrelemenin sağlanması önemlidir. Bunun amacı, bölge dışı toprak arızalarının trafo koruması tarafından bölge içi arıza olarak görülmemesini sağlamaktır.
Bu, eski röleler için delta bağlantılı hat CT'leri veya araya giren CT'ler kullanılarak elde edilir ve dolayısıyla hattın ve/veya ara CT'lerin sargı bağlantısında, gerekli herhangi bir faz kompanzasyonuna ek olarak bunu dikkate almak gerekir.
Dijital ve sayısal röleler için röle yazılımında gerekli filtreleme uygulanır. Tablo 3, faz telafisi ve sıfır dizi filtreleme gereksinimlerini özetlemektedir.
Tablo-3: Çeşitli vektör gruplarının güç trafoları için CT bağlantıları
Trafo Bağlantısı | Trafo Kayması | Saat Yüzü Vektör | Faz Telafisi Gerekli | YG Sıfır Dizi Filtreleme | AG Sıfır Dizi Filtreleme | |
Yy0 | 0° | 0 | 0° | Evet | Evet | |
Zd0 | 0° | 0 | 0° | Evet | ||
Dz0 | 0° | 0 | 0° | Evet | ||
Dd0 | 0° | 0 | 0° | |||
Yz1 | Zy1 | -30° | 1 | 30° | Evet | Evet |
Yd1 | -30° | 1 | 30° | Evet | Evet | |
Dy1 | -30° | 1 | 30° | |||
Yy6 | -180° | 1 | 180° | Evet | Evet | |
Zd6 | -180° | 1 | 180° | Evet | ||
Dz6 | -180° | 1 | 180° | Evet | ||
Dd6 | -180° | 1 | 180° | |||
Yz11 | Zy11 | 30° | 11 | -30° | Evet | Evet |
Yd11 | 30° | 11 | -30° | Evet | ||
Dy11 | 30° | 11 | -30° | Evet0 |
YyH | YzH | (H/12) × 360° | Hour ‘H’ | −(H/12)× 360° | Evet | Evet |
YdH | ZdH | (H/12) × 360° | Hour ‘H’ | −(H/12)× 360° | Evet | |
DzH | DyH | (H/12) × 360° | Hour ‘H’ | −(H/12)× 360° | Evet | |
DdH | (H/12) × 360° | Hour ‘H’ | −(H/12)× 360° |
e. Oran düzeltmesi
Diferansiyel elemanın doğru çalışması, diferansiyel elemandaki akımların yük altında ve arıza koşullarında dengelenmesini gerektirir.
Birincil ve ikincil hat CT oranları, transformatör nominal sargı akımlarıyla tam olarak eşleşmeyebileceğinden, dijital/sayısal röleler, CT girişlerinin her biri için oran düzeltme faktörleriyle sağlanır.
Düzeltme faktörleri, hat CT oranları ve transformatör MVA derecesi bilgisinden röle tarafından otomatik olarak hesaplanabilir. Bununla birlikte, araya giren CT'ler kullanılırsa oran düzeltme o kadar kolay bir iş olmayabilir ve delta bağlantılı CT'ler veya ICT'ler söz konusuysa √3 faktörünün hesaba katılması gerekebilir.
Transformatöre bir kademe değiştirici takılıysa, hat CT oranları ve düzeltme faktörleri normal olarak transformatörün orta kademesinde akım dengesini sağlamak için seçilir.
Nominal olmayan kademe işleminden kaynaklanan akım uyumsuzluğunun sahte çalışmaya neden olmayacağından emin olmak gerekir.
f. Bias (Eğilim) ayarı
Bias, herhangi bir ünite koruma şemasıyla aynı nedenlerle trafo diferansiyel korumasına uygulanır; harici arızalarda stabilite sağlarken hassas ayarların dahili arızaları tespit etmesine izin verir.
Kademe değiştirici mevcutsa durum biraz karmaşıktır.
Hat CT/ICT oranları ve düzeltme faktörleri, nominal kademede akım dengesini sağlayacak şekilde ayarlandığında, nominal olmayan kademe, diferansiyel koruma tarafından dahili bir arıza olarak görülebilir. Minimum önyargının, trafonun maksimum kademesinin ve olası CT hatalarının toplamından daha büyük olacak şekilde seçilmesiyle, bu nedenden dolayı hatalı çalışma önlenir.
Bazı röleler, Şekil 7'de gösterildiği gibi üç bölümlü bir önyargı (bias) özelliği kullanır.
İlk bölüm, trafo mıknatıslama akımından daha yükseğe ayarlanır. İkinci bölüm, nominal olmayan kademe ayarlarına izin verecek şekilde ayarlanırken üçüncü bölüm, ağır arıza koşullarını karşılamak için nominal akımın çok üzerinde başlayan daha büyük bir önyargı eğimine sahiptir.
g. Çoklu sargılı trafolar
Ünite koruma ilkesi, ikiden fazla bağlantıya sahip bir sistem için geçerli olmaya devam eder, dolayısıyla üç veya daha fazla sargıya sahip bir transformatör, yukarıdaki ilkelerin uygulanmasıyla yine de korunabilir.
Güç trafosunun üç sargısından yalnızca biri bir besleme kaynağına bağlı olduğunda ve diğer iki sargı yükleri beslerken, Şekil 8(a)'da gösterildiği gibi bağlanan yalnızca iki grup CT girişine sahip bir röle kullanılabilir. Ayrı yük akımları CT sekonder devrelerinde toplanır ve kaynak tarafındaki besleme akımıyla dengelenir.
Gösterilen şemalar basitlik açısından tek aşamalıdır.
Birden fazla hatalı akım besleme kaynağı mevcut olduğunda, Şekil 8(a)'daki şemada, paralel iki akım trafosu seti arasında herhangi bir önyargı oluşturmadan dolaşan akımın tehlikesi vardır.
Bu nedenle, iki ikincil için ayrı CT girişleriyle bir rölenin kullanılması önemlidir - Şekil 8(b)'ye bakınız.
Üçüncü sargı, hiçbir bağlantı çıkarılmamış üçgen bağlı bir üçüncül sargıdan oluştuğunda, trafo, koruma amacıyla iki sargılı bir trafo olarak kabul edilebilir ve Şekil 8(c)'de gösterildiği gibi korunabilir.
4| Ani Mıknatıslanma Koşulları Sırasında Diferansiyel Koruma Nasıl Korunur?
Mıknatıslanma ani fenomeni, enerjilendirilmiş sargıya, diğer sargılarda eşdeğeri olmayan bir akım girişi üretir. Bu nedenle ani akımın tamamı dengesizlik olarak görünür ve diferansiyel koruma, dahili bir arıza nedeniyle bunu akımdan ayırt edemez.
Bias ayarı etkili değildir ve koruma ayarının çalışmayı engelleyecek bir değere yükseltilmesi, korumanın değerini azaltacaktır.
Bu nedenle, korumanın hatalı çalışmasını önlemek için diferansiyel elemanın geciktirilmesi, kısıtlanması veya bloke edilmesi yöntemleri kullanılmalıdır.
a. Zaman gecikmesi
Bu olay geçici olduğundan, küçük bir zaman gecikmesi sağlanarak stabilite korunabilir. Ancak bu zaman gecikmesi, açma sırasında bir arıza meydana gelmesi durumunda rölenin çalışmasını da geciktirdiğinden, yöntem artık kullanılmamaktadır.
b. Harmonik kısıtlama
Ani akım, genel olarak bölge içi arıza akımına benzese de, dalga biçimleri karşılaştırıldığında büyük ölçüde farklılık gösterir. Dalga formlarındaki fark, koşullar arasında ayrım yapmak için kullanılabilir.
Daha önce belirtildiği gibi ani akım tüm harmonik düzenleri içerir, ancak bunların hepsi bias sağlamak için eşit derecede uygun değildir.
Pratikte sadece ikinci harmonik kullanılır. Bu bileşen tüm ani dalga formlarında mevcuttur. Ardışık yarım periyot bölümlerinin polaritenin ters çevrilmesiyle tekrarlanmadığı ancak belirli ordinatlarda ayna görüntüsü simetrisinin bulunabildiği dalga formlarının tipik bir örneğidir.
İkinci harmoniğin oranı, çekirdeğin doygunluk derecesine göre bir miktar değişir, ancak akının tek yönlü bileşeni mevcut olduğu sürece her zaman mevcuttur. Tutar, transformatör tasarımındaki faktörlere göre değişir.
Normal arıza akımları ikinci veya diğer çift harmonikleri veya kararlı durum koşulları altında doymuş demir çekirdekli bobinlerde akan bozuk akımları içermez. Kararlı durum doygunluğuna kadar enerji verilen bir akım trafosunun çıkış akımı, tek harmonikler içerecek, ancak harmonikler bile içermeyecektir.
Ancak akım trafosunun arıza akımının geçici bileşeni tarafından doyurulması durumunda ortaya çıkan doygunluk simetrik olmaz ve çıkış akımına harmonikler bile dahil edilir. Bu, diferansiyel rölenin arıza kararlılık performansını iyileştirme avantajına sahip olabilir.
Bu nedenle ikinci harmonik, ani etkilere karşı dengeleyici bir önyargı için çekici bir temeldir, ancak geçici doyma tarafından üretilen harmoniklerin rölenin normal çalışmasını geciktirmemesi için akım trafolarının yeterince büyük olmasını sağlamak için dikkatli olunmalıdır. Diferansiyel akım, ikinci harmoniği çıkaran bir filtreden geçirilir.
Bu bileşen daha sonra, çalışma devresinde akan ani akımın tamamı nedeniyle çalışma eğiliminin üstesinden gelmeye yeterli bir sınırlama miktarı üretmek için uygulanır.
Bu sayede hassas ve yüksek hızlı bir sistem elde edilebilir.
c. Ani akım algılama engelleme – Boşluk algılama tekniği
Ani akımı karakterize eden başka bir özellik, iki dalga formunun (c) ve (d) döngüde akımın sıfır olduğu dönemlere sahip olduğu Şekil 9'da görülebilir.
Bu sıfır periyodunun minimum süresi teorik olarak döngünün dörtte biridir ve 1/4f saniyeye ayarlanmış basit bir T1 zamanlayıcısı tarafından kolayca tespit edilir.
Şekil 10 devreyi blok diyagram formunda göstermektedir. Zamanlayıcı T1, yalnızca akımın 1/4f saniyeyi aşan bir süre boyunca sıfır olması durumunda bir çıkış üretir. Diferansiyel akımın anlık değeri ayar referansını aştığında sıfırlanır.
Döngünün sonuna doğru ani akımdaki sıfır meydana geldiğinden, sıfır koşulunun mevcut olması durumunda tespit edilebilmesini sağlamak için diferansiyel rölenin çalışmasını 1/f saniye geciktirmek gerekir. Bu, T1 zamanlayıcısından gelen bir çıkış tarafından sıfırlanan ikinci bir zamanlayıcı T2 kullanılarak gerçekleştirilir.
1/4f saniyeyi aşan bir süre boyunca hiçbir akım akmadığında, T2 zamanlayıcısı sıfırlanır ve bu zamanlayıcılar tarafından kontrol edilebilecek diferansiyel röle bloke edilir. Rölenin ayarını aşan bir diferansiyel akım aktığında, T1 zamanlayıcısı sıfırlanır ve T2 zamanlayıcısı 1/f saniye içinde bir açma sinyali vermek üzere zaman aşımına uğrar. Diferansiyel akım, transformatör ani akımının karakteristiğiyse, o zaman T2 zamanlayıcısı her döngüde sıfırlanır ve açma sinyali bloke edilir.
Bazı sayısal röleler, mıknatıslanma ani algılaması için harmonik kısıtlama ve boşluk algılama tekniklerinin bir kombinasyonunu kullanabilir.
Referans Kaynak // Network Protection and Automation Guide by (ex) Alstom Grid, now General Electric
Comments