Röle Koruma Sistemlerinde Transformatör Korumasının Analizi

1. Transformatörlerde Sık Görülen Arızalar ve Anormallikler

Transformatör arızaları iç arızalar ve dış arızalar olmak üzere ikiye ayrılabilir.

İç arızalar, sargıların fazlar arası kısa devre arızaları, tek fazlı sargıların sargılar arası kısa devre arızaları, sargılar ve demir çekirdekler arasındaki kısa devre arızaları ve sargıların kopma arızaları dahil olmak üzere, kasanın içinde meydana gelen arızaları ifade eder.

Dış arızalar, transformatörün dış iletken telleri arasında meydana gelen çeşitli fazlar arası kısa devre arızalarını ve iletken tellerin yalıtım burcunun kutu gövdesinden delinmesi sonucu oluşan tek fazlı topraklama arızalarını ifade eder.

Transformatör arızası çok tehlikelidir. Özellikle iç arıza meydana geldiğinde, kısa devre akımının oluşturduğu yüksek sıcaklıktaki ark, transformatör sargısının yalıtımını ve demir çekirdeğini yakmakla kalmaz, aynı zamanda transformatör yağının ayrışmasına ve büyük miktarda gaz üretmesine neden olarak transformatör gövdesinin deformasyonuna hatta patlamasına yol açar. Bu nedenle, transformatör arızalandığında mutlaka bağlantısı kesilmelidir.

Transformatörün anormal çalışma koşulları başlıca aşırı yüklenme, düşük yağ seviyesi, harici kısa devreden kaynaklanan aşırı akım, çalışma sırasında transformatörün yüksek yağ sıcaklığı, yüksek sargı sıcaklığı, yüksek transformatör basıncı ve soğutma sistemi arızasını içerir. Transformatör anormal bir çalışma durumundayken alarm sinyali verilmelidir.

2. Transformatör korumasının yapılandırılması

Kısa devre arızalarına karşı başlıca koruma yöntemleri: ağırlıklı olarak boyuna diferansiyel koruma, ağır gaz koruması vb.

Kısa devre arızalarına karşı yedek koruma: başlıca kompozit gerilim blokajlı aşırı akım koruması, sıfır dizi (yönlü) aşırı akım koruması, düşük empedans koruması vb.

Anormal çalışma koruması: esas olarak aşırı yük koruması, aşırı uyarılma koruması, hafif gaz koruması, nötr nokta boşluğu koruması, sıcaklık, yağ seviyesi ve soğutma sistemi arıza koruması vb. içerir.

3. Elektrik dışı koruma

Transformatörün yağ, gaz ve sıcaklık gibi elektriksel olmayan niceliklerden yararlanılarak korunmasına elektriksel olmayan koruma denir. Başlıca gaz koruması, basınç koruması, sıcaklık koruması, yağ seviyesi koruması ve soğutucu tam durdurma koruması gibi sistemleri içerir. Elektriksel olmayan koruma, sahanın ihtiyaçlarına göre devreyi kesme veya sinyal gönderme şeklinde çalışır.

(1) Gaz koruması

Transformatörün içinde bir arıza meydana geldiğinde, kısa devre akımı ve kısa devre noktasındaki arkın etkisiyle transformatörün içinde büyük miktarda gaz oluşur ve transformatörün yağ akış hızı artar. Gaz ve yağ akışı kullanılarak gerçekleştirilen koruma yöntemine gaz koruması denir.

Hafif gaz koruması: Transformatörün içinde hafif bir arıza veya anormallik meydana geldiğinde, arıza noktası kısmen aşırı ısınır, bu da yağın bir kısmının genleşmesine neden olur, yağdaki gaz kabarcıklar oluşturarak gaz rölesine girer ve hafif gaz koruması devreye girerek hafif gaz sinyali gönderir.

Ağır gaz koruması: Transformatör yağ tankında ciddi bir arıza meydana geldiğinde, arıza akımı büyük olur ve ark, büyük miktarda transformatör yağının ayrışmasına neden olarak büyük miktarda gaz ve yağ akışı oluşturur. Darbe bariyeri, ağır gaz rölesi korumasının devreye girmesini sağlar, ağır gaz sinyali gönderir ve prizi devre dışı bırakır. Transformatörü devre dışı bırakın.

Ağır gaz koruması, yağ tankının iç arızalarına karşı ana koruma yöntemidir ve transformatörün içindeki çeşitli arızaları yansıtabilir. Transformatörde az sayıda sargı arası kısa devre meydana geldiğinde, arıza akımı büyük olsa da, diferansiyel korumada üretilen diferansiyel akım büyük olmayabilir ve diferansiyel koruma çalışmayı reddedebilir. Bu nedenle, transformatörün iç arızaları için, arızayı gidermek amacıyla ağır gaz korumasına güvenmek gereklidir.

(2) Basınç koruması

Basınç koruması, transformatör tankındaki iç arızalara karşı da ana korumayı sağlar. Basınç tahliyesi ve ani basınç değişimine karşı koruma özelliklerini içerir ve transformatör yağının basıncına göre tepki verir.

(3) Sıcaklık ve yağ seviyesi koruması

Transformatörün sıcaklığı uyarı değerine yükseldiğinde, sıcaklık koruma sistemi alarm sinyali gönderecek ve yedek soğutucu devreye girecektir.

Transformatör yağında sızıntı olduğunda veya başka nedenlerle yağ seviyesi düştüğünde, yağ seviyesi koruma sistemi devreye girer ve alarm sinyali gönderir.

(4) Soğutucunun tamamen durmasına yönelik koruma

Çalışma halindeki transformatör soğutucusu tamamen durduğunda, transformatörün sıcaklığı yükselir. Zamanında müdahale edilmezse, transformatör sargılarının izolasyonuna zarar verebilir. Bu nedenle, transformatör çalışırken soğutucu tamamen durduğunda, koruma sistemi alarm sinyali gönderir ve uzun bir gecikmenin ardından transformatörü kapatır.

4. Diferansiyel koruma

Transformatör diferansiyel koruması, transformatörün elektriksel miktarının ana koruma yöntemidir ve koruma alanı, her iki taraftaki akım transformatörleri tarafından çevrelenen bölgedir. Bu alan içinde fazlar arası kısa devre ve sargılar arası kısa devre gibi arızalar meydana geldiğinde, diferansiyel koruma devreye girmelidir.

Transformatör diferansiyel koruma prensibine gelince, bunu daha önce detaylı olarak ele aldık; ihtiyacı olan arkadaşlar 6, 7 ve 8 numaralı tarihsel kayıtlardaki ilgili içeriği inceleyebilirler. Bu konuda detaylara girmeyeceğim ve burada sadece uyarma ani akımıyla ilgili bazı kavramları ekleyeceğim.

(1) Transformatörün uyarma ani akımı

Transformatörün hava akımına kapılması sonucu oluşan uyarma akımına uyarma ani akımı denir. Ani akımın büyüklüğü, transformatörün yapısı, kapanma açısı, kapasitesi, kapanmadan önceki artık manyetizma ve diğer faktörlerle ilişkilidir. Ölçümler, transformatörün hava akımına kapılması durumunda, demir çekirdeğin doygunluğundan kaynaklanan uyarma ani akımının çok büyük olduğunu, genellikle nominal akımın 2 ila 6 katı olduğunu ve maksimum değerin 8 katından fazla olabileceğini göstermektedir. Uyarma ani akımı sadece şarj tarafında transformatöre aktığı için, diferansiyel devrede büyük bir diferansiyel akım oluşacak ve bu da diferansiyel korumanın arızalanmasına neden olacaktır.

Uyarıcı ani akım aşağıdaki özelliklere sahiptir: a. Ani akımın değeri çok büyüktür ve belirgin periyodik olmayan bileşenler içerir; b. Dalga formu sivri ve kesintilidir; c. Özellikle ikinci harmonik bileşen olmak üzere belirgin yüksek dereceli harmonik bileşenler içerir; d. Uyarıcı ani akım zayıflar.

Yukarıda belirtilen ani akım özelliklerine göre, ani akımdan kaynaklanan transformatör diferansiyel korumasının arızalanmasını önlemek için projede üç prensip kullanılmıştır: yüksek ikinci harmonik içeriği, asimetrik dalga formu ve büyük dalga formu süreksizlik açısı ile diferansiyel korumanın bloke edilmesi sağlanmıştır.

(2) İkinci harmonik frenleme prensibi

İkinci harmonik frenlemenin özü, diferansiyel akımın bir arıza akımı mı yoksa uyarma ani akımı mı olduğunu belirlemek için diferansiyel akımdaki ikinci harmonik bileşeni kullanmaktır. İkinci harmonik bileşenin ve temel dalga bileşeninin yüzdesi belirli bir değerden (genellikle %20) büyük olduğunda, diferansiyel akımın uyarma ani akımından kaynaklandığına karar verilir ve diferansiyel koruma devre dışı bırakılır.

Dolayısıyla, ikinci harmonik frenleme oranı ne kadar büyük olursa, temel dalgada bulunan ikinci harmonik akım o kadar fazla olur ve frenleme etkisi o kadar kötüleşir.

(3) Diferansiyel hızlı kırılma koruması

Transformatörün içinde ciddi bir arıza meydana geldiğinde ve büyük bir arıza akımı nedeniyle akım transformatörü (CT) doygunluğa ulaştığında, CT'nin sekonder akımı da çok sayıda harmonik bileşen içerir. Yukarıdaki açıklamaya göre, bu durum ikinci harmonik frenleme nedeniyle diferansiyel korumanın bloke olmasına veya gecikmeli çalışmasına neden olabilir. Bu da transformatöre ciddi hasar verecektir. Bu sorunu çözmek için genellikle diferansiyel hızlı kesme koruması ayarlanır.

Diferansiyel hızlı kesme elemanı aslında boyuna diferansiyel koruma için yüksek değerli bir diferansiyel elemandır. Genel diferansiyel elemanlardan farklı olarak, diferansiyel akımın etkin değerini yansıtır. Diferansiyel akımın dalga biçiminden ve harmonik bileşenin büyüklüğünden bağımsız olarak, diferansiyel akımın etkin değeri diferansiyel hızlı kesme elemanının ayar değerini (genellikle diferansiyel koruma ayar değerinden daha yüksek) aştığı sürece, ani akım gibi uyarma gerektirmeyen kriterlerin bloke edilmesiyle transformatörü hemen keser.

Aşağıda transformatörün yedek koruma sistemi tanıtılmaktadır.

Transformatörler için birçok yedek koruma konfigürasyonu mevcuttur. Bu sayıda esas olarak iki tür yedek koruma tanıtılmaktadır: karmaşık gerilim blokajlı aşırı akım koruması ve transformatörler için topraklama koruması.

1. Karmaşık basınç kilitlemesi için aşırı akım koruması

Karmaşık gerilim blokajlı aşırı akım koruması, büyük ve orta ölçekli transformatörlerde fazlar arası kısa devre arızalarına karşı yedek koruma sağlar. Aşırı akım korumasının hassasiyet gereksinimlerini karşılayamadığı yükseltici transformatörler, sistem kontak transformatörleri ve alçaltıcı transformatörler için uygundur. Negatif sekans gerilimi ve düşük gerilimden oluşan bileşik gerilim, koruma aralığı içindeki çeşitli arızaları yansıtabilir, bu da aşırı akım korumasının ayar değerini düşürür ve hassasiyeti artırır.

Kompozit gerilim aşırı akım koruması, kompozit gerilim elemanı, aşırı akım elemanı ve zaman elemanından oluşur. Korumanın giriş akımı, transformatörün kendi tarafındaki akım transformatörünün (CT) sekonder üç fazlı akımıdır ve giriş gerilimi, transformatörün kendi tarafındaki veya diğer taraflardaki gerilim transformatörünün (PT) sekonder üç fazlı gerilimidir. Mikrobilgisayar koruması için, bu tarafın gerilimi yazılım aracılığıyla diğer taraflara sağlanabilir, böylece herhangi bir taraftaki PT arızalandığında herhangi bir tarafın aşırı akım korumasının hala kullanılabilir olması sağlanır. Çalışma mantığı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

2. Transformatörün topraklama koruması

Büyük ve orta ölçekli transformatörlerin topraklama kısa devre arızalarına karşı yedek koruma sistemleri genellikle şunları içerir: sıfır dizili aşırı akım koruması, sıfır dizili aşırı gerilim koruması, boşluk koruması vb. Aşağıda, nötr noktasının üç farklı topraklama yöntemine dayalı kısa bir tanıtım yer almaktadır.

(1) Tarafsız nokta doğrudan topraklanmıştır

Nötr noktası doğrudan topraklanmış, 110 kV ve üzeri gerilime sahip transformatörler için, topraklama arızalarına tepki veren sıfır dizili akım koruma sistemi, yüksek akım topraklama sisteminin bulunduğu tarafa monte edilmelidir. Hem yüksek hem de orta tarafta doğrudan topraklanmış transformatörler için, sıfır dizili akım koruma sisteminin bir yönü olmalı ve bu yön her iki taraftaki bara hatlarına doğru olmalıdır.

Sıfır dizili akım korumasının prensibi, hat sıfır dizili korumasına benzer, lütfen 30. sayıya bakınız. Sıfır dizili akım, nötr nokta akım trafosunun (CT) sekonder akımından alınabilir veya yerel taraftaki CT'nin sekonder üç fazlı akımı tarafından kendiliğinden üretilebilir. Yönlendirme elemanına bağlı sıfır dizili gerilim, yerel taraftaki PT'nin açık üçgen geriliminden alınabilir veya yerel taraftaki sekonder üç fazlı gerilim tarafından kendiliğinden üretilebilir. Mikrobilgisayar koruma cihazında, esas olarak kendiliğinden üretilen yöntem kullanılır.

Büyük üç sargılı transformatörler için üç kademeli sıfır dizili akım koruması kullanılabilir. Bunlardan Bölüm I ve Bölüm II'nin yönlendirmeleri vardır, Bölüm III'ün ise yönlendirmesi yoktur. Her bölümde genellikle iki gecikme seviyesi bulunur ve kısa gecikmeyle arıza aralığı daraltılır (bara kuplörü veya ana bara tarafındaki şalter atlaması), uzun gecikmeyle ise transformatör kesilir (üç taraflı şalter atlaması). Spesifik koruma konfigürasyonu, gerçek duruma göre belirlenir.

Şekilde gösterildiği gibi, sıfır sıralı yönlü akım korumasının I veya II bölümü devreye girdikten sonra, arızanın kapsamını azaltmak için önce kısa bir gecikme t1 veya t3'ten sonra bu taraftaki bara kuplörü veya anahtar atlanır. Arıza hala mevcutsa, daha uzun bir gecikme süresi t2 veya t4'ten sonra transformatörü kesmek için üç taraflı anahtar atlanır. III bölümünün yönü yoktur ve transformatör bir gecikmeden sonra doğrudan kesilir.

(2) Tarafsız nokta topraklanmamıştır

Sıfır dizi akımı, sıfır dizi devresi oluşturmak için transformatörün nötr noktasından geçer. Ancak, tüm transformatörlerin nötr noktaları topraklanırsa, topraklama noktasındaki kısa devre akımı her bir transformatöre yönlendirilir ve bu da sıfır dizi aşırı akım korumasının hassasiyetini azaltır. Bu nedenle, sıfır dizi akımını belirli bir aralıkta sınırlamak için, nötr noktası topraklanmış olarak çalışan transformatör sayısı konusunda düzenlemeler bulunmaktadır.

Topraklama olmadan çalışan transformatörler için, toprak arızaları sırasında arıza noktalarındaki boşluk arklarının transformatöre aşırı gerilim hasarı vermesini önlemek amacıyla sıfır dizili gerilim koruması yapılandırılmalıdır.

Tamamen yalıtımlı transformatörün nötr noktasının yüksek yalıtım seviyesi nedeniyle, sistemde toprak kaçağı meydana geldiğinde, sıfır dizili akım koruması önce nötr noktası topraklanmış transformatörü keser ve eğer arıza devam ederse, sıfır dizili gerilim koruması devreye girerek transformatörü topraklamadan nötr noktasını keser.

(3) Nötr nokta, deşarj boşluğu üzerinden topraklanır.

Ultra yüksek gerilim transformatörlerinin tamamı yarı yalıtımlı transformatörlerdir ve nötr nokta bobininin toprağa olan yalıtımı diğer parçalara göre daha zayıftır. Nötr nokta yalıtımı arızaya yatkındır. Bu nedenle, boşluk koruması yapılandırılmalıdır.

Boşluk korumasının işlevi, topraklanmamış nötr noktalı transformatörün nötr noktasının izolasyon güvenliğini korumaktır.

Şekilde gösterildiği gibi transformatörün nötr noktası ile toprak arasına bir arıza aralığı yerleştirin. Topraklama izolasyon şalteri kapatıldığında, transformatör doğrudan topraklanır ve sıfır dizili aşırı akım koruması devreye girer. Topraklama izolasyon şalteri devre dışı bırakıldığında, transformatör aralık üzerinden topraklanır ve aralık korumasına geçer.

Aralık koruması, transformatörün nötr noktasından geçen aralık akımı 3I0 ve bara PT açma üçgeni gerilimi 3U0'ın kriter olarak kullanılmasıyla gerçekleştirilir.

Bir arıza nedeniyle nötr nokta yükselirse, aralık bozulur ve büyük bir aralık akımı 3I0 oluşur. Bu durumda, aralık koruması devreye girer ve transformatör bir gecikmeden sonra devreden çıkarılır. Ayrıca, sistemde topraklama arızası meydana geldiğinde, nötr nokta topraklama transformatörünün sıfır dizi koruması devreye girer ve önce nötr nokta topraklama transformatörü devreden çıkarılır. Sistem topraklama noktasını kaybettikten sonra, arıza hala devam ediyorsa, bara PT'sinin açık üçgen gerilimi 3U0 çok büyük olacaktır ve bu durumda da aralık koruması devreye girecektir.