Halt Can ALTAY 1, Hasan Göksun VİRLAN2 , Serhat UZUN3 , Selm COŞKUNER4
SENKRON MAKõNELERDE
1-3 Hz ENJEKSõYON PRENSõBõ õLE HASSAS
ROTOR TOPRAK KAÇA÷I KORUMASI
Semens San. ve Tc. A.Ş. - IC SG SE PTI 1-2-3 , E P IE4
Gebze Organze Sanay Bölges 1000.Cd. Nr. 1004 41480 Kocael / TÜRKİYE
[email protected], [email protected] , [email protected] ,
[email protected]
I. GİRİŞ
Güç sistemlerinde geniş kullanım alanına sahip olan
senkron makinelerin en büyük kapasiteli uygulamalarına
güç santrallarında rastlanmaktadır. Günümüzde 2000
MW seviyesine kadar çeşitli güç seviyelerindeki
üniteler güç sistemlerine katkı sağlamaktadır. Güç
santrallarının güvenirliği , şebekelerin kararlılığı göz
önüne alındığında ve buna büyük güçteki senkron
generatörlerin yatırım maliyetleri eklendiğinde,
generatörlerin hassas bir şekilde korunması konusu gün
geçtikçe önem kazanmaktadır.
Güç sistemlerinde kaçınılmaz olan kısa devreler ve
tekrar kapama gibi kararsız durumlar sonucu generatör
milleri dengesiz mekanik etkilere maruz kalmaktadır.
Dolayısıyla bu yıpratıcı etkiler generatör miline akuple
edilmiş olan alan sargılarına zarar verebilmektedir.
Generatörlerin terminal büyüklüklerini (gerilim/akım)
kullanarak yapılan temel korumaların yanında , izole
olarak çalışan ve dinamik bir yapıya bağlı olan olan
rotor sargılarının ve ikaz gerilimini taşıyan techizatın
toprak kaçaklarına karşı korunması hayati önem arz
etmektedir.
Topraktan izole olarak rotora uygulanan ikaz devresinde
oluşacak ilk toprak kaçağı sisteme direkt hasar
vermemektedir. Ancak bu arızadan sonra oluşacak ikinci
bir toprak kaçağı, ilgili alan sargısını direkt kısa devre
edecektir. Bu ise rotorun dengesiz manyetik alanlar
üretmesine ve sonuç olarak vibrasyon, ısınma, hatta
milin eğrilerek statora hasar vermesi bile söz konusu
olabilmektedir.
Rotor devresinde ilk kaçağın ardından ikinci kaçağın
oluşması olasılığı yüksektir. İlk kaçak, rotor sargıları için
bir toprak potansiyeli oluşturacak ve çeşitli noktalardaki
toprağa karşı elektriki stresi artıracaktır. [1]
1940 yılında Harms tarafından yapılan bir deneye göre,
4 kutuplu bir makinenin bir kutbunun tamamen kısa
devre edilmesi durumunda rotora ağırlığının 4 katı
kadar bir manyetik kuvvet aksiyel olarak etki etmektedir.
[2]
Sonuç olarak; söz konusu arıza durumunda sadece
alternatör ve türbin çevresi ekipmanda geniş çaplı hasar
oluşmaz , daha da önemlisi operatör güvenliği risk
altında olabilir.
II. KORUMA PRENSİBİ
Rotor toprak kaçaklarına karşı günümüzde çeşitli
koruma düzenleri kullanılmaktadır . Temel bileşende
(50-60 Hz ) bir büyüklüğün farklı bir kaynakla
rotor devresine enjekte edilmesi ve kaçak akımın
okunması , fırçasız tip makinalarda pilot fırça yapısı
ile yardımcı gerilim uygulanması veya direkt rotor
yapısı içine yerleştirilen üreteç ile yapılan süpervizyon
metodları mevcuttur. Tüm bunların yanında, senkron
makinelerde en hassas ölçümü veren yöntem 1-3 Hz
gerilim enjeksiyonu ile yapılan metottur. Son teknolojili
generatör koruma düzenlerinde sıkça kullanılan bu
yöntemle 80 kΩ büyüklüğüne kadar koruma ayarı
yapılabilmektedir.[3]
1-3 Hz Rotor Toprak Kaçağı Koruması (ANSI 64R)
yönteminde, 50 V büyüklüğündeki kare dalga saniyede
2-3 kez işaret değiştirecek şekilde üreteç vasıtası ile
rotor devresine ve rotor şaft toprak fırçası üzerinden
uygulanmaktadır (Şekil-1). Ölçümde düşük frekans
kullanılması, ikaz gerilimlerindeki harmoniklerin
ölçümü etkilememesi amaçlıdır. Uygulanan gerilim aynı
zamanda dijital koruma rölesi tarafından ölçülmektedir.
(Ucont). Rotor devresinde toprağa bir kaçak oluşması
durumunda, üretecin devresi tamamlanacak ve
bir arıza akımı dönmeye başlayacaktır. Bu akım Rm
direncinden (~375 Ω) geçerek , dijital koruma rölesinin
okuyabileceği bir gerilim düşümü oluşturacaktır (Umeas).
Bu gerilim değeri röle içerisinde arıza akımı olarak
modellenecek ve uygulanan gerilim ile arıza empedansı
hesaplanacaktır.
Kare dalga üreteci, beslemesini generatör terminal
gerilim trafosundan sekonder olarak (100/110 V
AC) veya UPS gibi harici bir besleme kaynağından
alabilmektedir (220VAC). Beslemenin harici kaynak
ile yapılmasının avantajı; makine ikazlanmadan
oluşabilecek kaçakların tespit edilebilmesidir. Bunun
yanında statik frekans konvertörü ile başlatma veya
110
Haziran 2014
emsad.indd 1
02.07.2014 15:08
pompa düzeneği ile hidroelektrik üretimi (pump storage
power plants) gibi geçici hal çalışmaları kullanılıyorsa,
sadece generatör çalışma sırasında terminal gerilimi
ile süpervizyon tercih edilebilmektedir. Sekonder
mühendislik sırasında bu tercih yapılmalıdır.
gerilim frekansı 1,5 Hz iken; bu değeri 1 Hz veya
0,5 Hz seviyesine düşürerek kapasitif akımların
sönümlenmesi için aralık genişletilebilir. [4]
Kapasitif etki arızasız durumda kaçınılmaz olduğu için
ölçüm devresinin süpervizyonu için de kullanılabilir.
Saha testlerinde bu değer ölçülerek yarı büyüklüğünde
bir büyüklük nihai süpervizyon eşiği olarak belirlenir.
Şekil-3 : Kapasitif akım süpervizyonu yapılan koruma rölesinde
açık devre alarmı
Test rezistörleri ile gerçekleştirilen 5 kΩ ‘luk bir toprak
arızasına ait arıza kaydı ve korumanın lojik izleri aşağıda
yer almaktadır. Arıza algılandıktan 1 sn sonra açma
gerçekleşmiştir (Şekil-4).
Şekil-1 : Prensip 1; 3 Hz rotor toprak kaçağı devresi [4]
Normal işletme durumunda , rotor ve toprak arasına
gerilim uygulanması ile devrede kapasitif akımların
oluşması söz konusu olmaktadır. (Şekil-2)
Şekil-4 : Rezistif bir arızanın röle kaydı
Şekil-5 ’teki eşdeğer devre incelendiğinde, Re=5 kΩ
değerindeki arıza direnci , Rs=10+10=20 kΩ ve Rm ≈
375 Ω dirençleri üzerinden Uh = 50 V kare dalga gerilim
üreteci bir kısa-devre oluşturmaktadır. Topraktan dönen
akım ( Ie),
Şekil-4’te ölçülen Umeas (Um ≈ 1,52 V) değeri ile elde
edilmektedir.
Şekil-2 : Sağlıklı durumda enjekte edilen gerilim (Ucont)
ve ölçülen kapasitif akım (Umeas)
Uygulanan kare dalga ile oluşan kapasitif akımların
bir arıza olarak değerlendirilmemesi için işaret
değişiminden önce akımın sıfır seviyesinde
sönümlenmesi gerekmektedir. Sıfır seviyesi akım en
az 100 ms (Tsön>100ms) boyunca devam etmeli ve iki
dalga boyunca aynı yanıtı vermelidir (Şekil-2) .Burada
kapasitif akım,
3,54 mA (1) tepe değere sahiptir.
Sönümlenme süresinin kapasitif etkiler nedeni ile
100 ms’yi aştığı durumlar yaşanabilmektedir. Bu ise
sistemin yanlış ölçümler almasına neden olmaktadır.
Bu gibi durumlarda kare dalga üretecinin frekansı
azaltılabilmektedir. Yukarıdaki örnekte enjekte edilen
Şekil-5 : Şekil-4’teki arızanın eşdeğer devresi ve arıza direncinin
hesabı
111
Haziran 2014
emsad.indd 2
02.07.2014 15:08
III. PRİMER TEST ADIMLARI
Verilen ayarların çalışabilirliği ancak generatör –
ikaz , koruma sistemi ve arayüzlerin kurulumunun
tamamlanması ile belirlenebilir. Rotor şaft toprağının
etkin topraklanması ve bu referansın koruma sistemine
gidiyor olması kritik öneme sahiptir (Şekil-1). Diğer
tüm ölçüm devreleri için ise elektromanyetik girişimlere
karşı gerekli önlemler (uygun ekranlama vs. ) alınmış
olmalıdır.
Sıcak testler makine durağan iken gerçekleştirilir
ve temel olarak aşağıdaki test adımları
izlenmelidir:
teyid edilmesi , indikasyon ve kesici açmalarının
kontrol edilmesi.
g. Alarm ve açma direnç seviyelerinin doğru ölçümünün
teyid edilmesi , indikasyon ve kesici açmalarının
kontrol edilmesi.
IV. REFERANSLAR
[1] IEEE- Std 242-2001 “Recommended Practice
for Protection and Coordination of Industrial and
Commercial Power Systems”
[2] PAC World Magazine Mart 2010, “Protection
History – Generator Protection”
[3] Siemens , “Multifunctional Machine Protection
7UM62 Manual V4.6”
[4] Siemens , “Controller Unit 7XT71 Manual A1 ”
fotoğraf-1 : Test rezistörü
a. Koruma sistemi aktif hale getirildiğinde, enjeksiyon
bağlantıları ayrılarak sadece panel üzerinde doğru
değerlerin, doğru noktalarda üretildiğinin teyit
edilmesi.
b. Fırçalar üzerinden süpervizyon geriliminin makineye
uygulanması.
c. Referansları ölçen koruma rölesindeki değerlerin
kaydedilmesi.
d. İzole haldeki devreden dönen kapasitif akımların
ölçülmesi ve yarı değerinin süpervizyon eşiği olarak
set edilmesi. Enjeksiyon devresini bir noktadan açık
devre ederek açık devre alarımının oluştuğunun
görülmesi.
e. Fırça – toprak arasına test resistörü (Resim-1)
tesis edilmesi. Alarm seviyesinin 10 kΩ üstü
gibi bir değerden başlayarak 1 kΩ azalacak
adımlarladirençlerin uygulanması ve değerlerin
kaydedilmesi.
f. Alarm ve açma direnç seviyelerinin doğru ölçümünün
Güç Teknolojileri Bölümü ( IC SG SE PTI ),
Siemens A.Ş.Akıllı Şebekeler çatısı altında, şebeke
danışmanlığı, dinamik analiz, şebeke entegrasyonu,
koruma-koordinasyon gibi güç sistemleri analizi
konularında hizmet vermektedir. Güç sistemlerinin
modellenmesi,planlanması ve analizleri için kullanılan
PSS® ailesi yazılım araçlarını sağlar. Aynı zamanda
bölüm, Siemens Power Academy TD çatısı altında
iletim-dağıtım, yazılımsal modelleme ve koruma
konularında profesyonel eğitimler sunmaktadır.
Enerji Üretimi Enstrumantasyon ve Elektrik
Sistemleri (E P IE) birimi, Siemens A.Ş. Enerji
Üretimi çatısı altında; enerji üretim tesislerinin yapım
aşamasındaki mühendislik çalışmalarından işletme
ömrünün sonuna kadar santral kurulumu, bakımı ve
yönetimi için gerekli proje yönetimi, ürün ve çözümleri
sunmaktadır. Siemens Türkiye olarak alanında Siemens
Global’de Proje Yönetimi ve Mühendisliği ile Yetkinlik
Merkezidir (Center of Competence).
112
Haziran 2014
emsad.indd 3
02.07.2014 15:08
Download

SENKRON MAKõNELERDE 1-3 Hz ENJEKSõYON