NÖTRÜ NON-LİNEER REAKTÖR ÜZERİNDEN TOPRAKLANMIŞ TRANSFORMATÖRÜN MODELLENMESİ Sabir Alioğlu RÜSTEMOV Dicle Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği rustemov@dicle.edu.tr Metin DEMİRTAŞ Bilal GÜMÜŞ Dicle Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği mdtas@dicle.edu.tr ABSTRACT In order to limit non-symmetric short circuit currents on power systems, there are three methods to ground the notr points of transformers: directly, reactance or resistance grounding. It is also possible to ground the notr point of transformers through the non-linear reactor to limit nonsymmetric short circut current. The aim of grounding the notr points of transfomers through the non-linear reactor is to reduce the changing rate of short circuit current as it approaches zero and improve the opening ability of the circuit breakers on power systems. Thus, 220 kV and over of power system transformers notr points can be grounded by non-linear reactor 1. GİRİŞ Enerji iletim sistemlerinde simetrik olmayan kısa devre akımlarını sınırlamak için transformatörlerin nötr noktalarının direkt, dirençli ve reaktanslı olmak üzere üç tipte topraklanması mümkündür [1]. Simetrik olmayan kısa devre akımlarını sınırlamak için transformatörlerin nötr noktalarının non-lineer reaktör üzerinden topraklanması da mümkündür. Transformatörlerin nötrlerinin, non-lineer reaktör üzerinden topraklanmasındaki amaç, sıfır civarında kısa devre akımının değişim hızını yavaşlatmak ve enerji iletim sistemlerindeki güç kesicilerinin açma kabiliyetlerini yükseltmektir [2]. Bu bakımdan 220 kV ve daha yüksek gerilimli enerji iletim sistemlerinde transformatörlerin nötrleri non-lineer reaktör üzerinden topraklanabilirler [3]. Non-lineer reaktörün yüksek gerilim güç kesicilerinin kontakları arasında oluşan geçici toparlanma gerilimine etkisini değerlendirmek için, kısa devre ortadan kaldırıldığı zaman güç kesicisinin kontakları arasında oluşan geçici toparlanma geriliminin değerine bakmak gerekir. Bu değerin hesabı için, nötrü non-lineer reaktörle topraklanmış transformatörün matematiksel modeli kullanılır. Dicle Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bilgumus@dicle.edu.tr direnç, reaktör ve direncin seri veya paralel bağlanarak topraklandıktan sonra generatörtransformatör bloğunu modellemek için aşağıdaki denklemlerden faydalanılır [4]. UN Şekil 1. Transformatörün eşdeğer şeması di di1 di Lkar 2 Lkar 3 dt dt dt röz i1 rkar i2 rkar i3 U 1 U N e1 (t ) Löz di di1 di Löz 2 Lkar 3 dt dt dt rkar i1 röz i2 rkar i3 U 2 U N e2 (t ) Lkar (1) di di1 di Lkar 2 Löz 3 dt dt dt rkar i1 rkar i2 röz i3 U 3 U N e3 (t ) Lkar Burada, Löz LT 1 2 2 L g , Lkar Lg , röz rT 3 3 3 1 rkar rT olup, generatör-transformatör bloğunun 3 öz ve karşılıklı parametreleridir. LT , L g trasformatör ve generatörün uygun 2. ÇALIŞMANIN KAPSAMI endüktanslarıdır. rT bloğun aktif direncidir. Transformatörün eşdeğer şeması şekil 1’de gösterilmiştir. Transformatörün nötrü; lineer reaktör, U N transformatör nötründeki gerilimdir. U 1 , U 2 , U 3 transformatör çıkışındaki gerilimlerdir. Generatör-transformatör bloğunda transformatörün nötrü non-lineer reaktör üzerinden topraklandığında (Şekil 3) bloğun esas denklemine (1) akı ve mıknatıslanma akımı arasındaki non-lineer ilişkiyi ilave etmek gerekir. i ( (t )) (4) i1 , i 2 , i3 transformatör çıkışındaki akımlardır. e1 (t ) , e2 (t ) , e3 (t ) kaynak gerilimleridir. e1 (t ) Em sin( t ) 2 ) 3 4 e3 (t ) E m sin( t ) 3 e2 (t ) E m sin( t Transformatörün nötrü topraklandığı zaman U N Burada Yıldız bağlı primer sargıdaki akımların toplamı (2) direnç rd (i1 i2 i1 i2 i3 i şeklinde olur. Denklem (5)’in türevini alırsak üzerinden i3 ) olur. rd topraklama direncinin değeridir. Ancak transformatörün nötrü topraklandığı zaman U N , U N Lr reaktör (5) üzerinden did d Lr (i1 i2 i3 ) şeklindedir. dt dt Burada, Lr topraklayıcı reaktörün endüktansıdır. Generatör-transformatör bloğunda transformatörün nötrü paralel bağlı reaktör-direnç üzerinden topraklandığında (1)’inci denkleme aşağıdaki denklemler ilave edilmelidir (Şekil 2). di1 di2 di3 di F ( ) dt dt dt dt (6) şeklinde olur. Burada, F ( ) yayılma magnetik akısına bağlı olan bir fonksiyondur. Mıknatıslanma akımının magnetik mıknatıslanma akısına bağlılığını yazmak için aşağıdaki üstlü fonksiyondan yararlanılır. n i a k n 1 (7) k 1 a1 a2 ... an 1 Farklı çelikler için bağıl yaklaştırma aşağıdaki gibi gösterilir [5]. i a b n c m (8) Burada, a,b,c,n,m üslü fonksiyonu karakterize eden parametrelerdir. i , mıknatıslanma akımı ve magnetik akısının bağıl değerleridir. Yapılan çalışmada baz değer olarak transformatörün nominal parametreleri alınmıştır. Şekil 2. Transformatör nötrünün paralel bağlı reaktör-direnç üzerinden topraklanması di L U N rd id , Lr1U N , dt id (i1 i2 i3 iL ) (3) UN nominal I nominal boşta çalışma akımını , gerilimi, B 314 açısal frekansı, Kf mıknatıslanma akımının forma katsayısı olup, değeri 1,8-2’ye eşit olur [5]. U B ve I B için aşağıdaki bağıntıları yazabiliriz. Burada, i d topraklayıcı direncin akımı, UB i L topraklayıcı reaktörün akımıdır. Yukarıdaki 2 3 katsayıları UN , gibi I B K f .I ilişkilendirme zamanı a,b,c I akımının değerine ve transformatörün gücüne bağlı değildir. Ancak nominal akının maksimum değeri 1’e eşit olur. Non-lineer reaktörde soğuk haddeden çekilmiş çelikten istifade edildiğinde mıknatıslanma akımı ile magnetik akı arasındaki ilişki i a b 9 c 11 Şekil 3. Transformatör nötrünün non-lineer reaktör üzerinden topraklanması (9) Burada, a=0.15 , b=0.18 , c=0.67 değerlerine sahiptir[5]. Eğer reaktör için gerilimin nominal değerini U r kabul edersek, o zaman nominal akım, IN = Ir = Kf . I olur. I nominal akıdaki akım değeri olarak Burada kabul edilir. B 2U r olarak , UB=Ur , IB = IN , 3.314 O zaman denklem (3)’ün yerine i 0.15 Ir I I B 11 0.18 r9 9 0.67 11 (10) B B B veya i A B B 8 C B 10 A 0.15 B ,B 0.18 Ir B ,C (11) 0.67 C 11 B 10 d 1 L0 F ( ) 3 (U 1 U 2 U 3 r0 id ) (15) dt di LB1 e(t ) GU rB .i dt e1 (t ) (16) U1 i i 2 , e (t ) e 2 (t ) , U U 2 i3 e 3 (t ) U3 Löz LKar d dt (12) LB LKar Löz LKar G11 G12 G13 LKar , G G 21 G 22 G 23 G31 G32 G33 LKar LKar Löz 1 G11 1 L0 F 3 , G12 3 L0 F 1 G13 3 L0 F 1 (13) , G21 3 L0 F 1 1 G22 1 L0 F 3 , G23 3 L0 F 1 yazılabilir. Gerçektende 11 C 11 F A B 9 B B Her an için i , ’nin fonksiyonu olur. (1), (11), (12), (13) denklemleri i1 , i2 , i3 , i , gibi beş U1 ,U 2 ,U 3 şebekenin düğüm denklemlerinden bulunur. Birkaç dönüştürme yaparak denklem (1)’i toplarsak aşağıdaki ifadeleri elde ederiz. di e1 (t ) e2 (t ) e3 (t ) Löz 2 LKar 1 dt di di Löz 2 LKar 2 ( Löz 2 LKar ) 3 dt dt (röz 2rKar )i1 (röz 2rKar )i2 (röz 2rKar )i3 U 1 U 2 U 3 3U N Eğer, e1 (t ) e2 (t ) e3 (t ) 0 , ifadesinde 8 did d F dt dt 8 (14) ederek, i1 B olur veya bilinmeyene sahiptir. Denklem şeklinde yazabiliriz. Burada, Ir Denklem (11) ifadesini, denklem (6)’da yerine yazarsak, di1 di2 di3 A B 9 dt dt dt B bulunur. d UN yazarak ve denklem (13)’den istifade dt olur. Denklem (15)’i dikkate alarak, denklem (1)’i olur. Burada ; Ir di1 di2 di3 did yazarak, dt dt dt dt di L0 d r0 id U1 U 2 U 3 3U N 0 (14) dt Löz 2 LKar L0 , röz 2rKar r0 kabul edersek, G31 3 L0 F 1 G33 1 L0 F 3 , G32 1 rB11 rB12 rB13 rB rB 21 rB 22 rB 23 rB 31 rB 32 rB 33 rB11 r11 r0 L0 F 3 rB12 r12 r0 L0 F 3 rB13 r13 r0 L0 F 3 rB 21 r21 r0 L0 F 3 rB 22 r22 r0 L0 F 3 rB 23 r23 r0 L0 F 3 rB31 r31 r0 L0 F 3 rB 32 r32 r0 L0 F 3 rB 33 r33 r0 L0 F 3 3 L0 F 1 Şekil 4. Nötrü non-lineer reaktör üzerinden topraklanmış yük transformatörünün eşdeğer şeması Benzer şekilde, şekil 4’de gösterilmiş olan yük transformatörü için de denklemler çıkarılabilir. Yük transformatörünün nötrü non-lineer olarak topraklanırsa diT LT1 GU rT .iT dt (17) Burada, G11 G12 G13 iT iT 2 , U U 2 , G G 21 G 22 iT 3 U3 G31 G32 G 23 iT 1 U1 1 1 rT 12 ryük r0 L0 F 3 3 1 1 rT 13 ryük r0 L0 F 3 3 1 1 rT 21 ryük r0 L0 F 3 3 2 1 rT 22 rT 2 ryük r0 L0 F 3 3 1 1 rT 23 ryük r0 L0 F 3 3 1 1 rT 31 ryük r0 L0 F 3 3 1 1 rT 32 ryük r0 L0 F 3 3 2 1 rT 33 rT 3 ryük r0 L0 F 3 3 3. SONUÇLAR rT 11 rT 12 rT 13 rT rT 21 rT 22 rT 23 Generatör-transformatör bloğunda transformatörün nötrü, non-lineer reaktör üzerinden topraklanmış ve yük transformatörlerinin nötrleri non-lineer reaktör üzerinden topraklanarak, bunları karakterize eden denklemler elde edilmiş ve nümerik yolla çözülebilir hale getirilmiştir. rT 31 rT 32 rT 33 KAYNAKLAR G33 2 1 1 LT 1 L yük L yük L yük 3 3 3 1 2 1 LT L yük LT 2 L yük L yük 3 3 3 1 1 2 L yük L yük LT 3 L yük 3 3 3 G11 1 L0 F 3 , G12 L0 F 3 1 G13 L0 F 3 1 1 , G21 L0 F 3 1 G22 1 L0 F 3 , G23 L0 F 3 1 1 G31 L0 F 3 , G32 L0 F 3 1 1 G33 1 L0 F 3 2 rT 11 rT 1 ryük r0 L0 F 3 3 1 [1] A.C. 661679, Kl. H02 H9100, H02h 7/09, Transformatör Nötrlerinin Topraklanması İçin Kurgular, NAZAROV A.İ., 05.05.1979, Bülyüten N17 [2] BEYBUTOV R.A.,HAŞİMOV A.M., CUVARLI C.M. , Kısa Devre Oluşan Şebekelerde Doydurucu Reaktör., Bakü, İlim,1991,Sayfa 160-169 [3] RÜSTEMOV S.A., Nötrü Non-Lineer Reaktörle Topraklanmış Şebekelerde Geçici Toparlanma Geriliminin Modellendirilmesi, Doktora tezi, Bakü, 1995,149 Sayfa [4] CUVARLI C.M.,DMİTRİYEV Y.V., HAŞİMOV A.M., Kısa Devre Ortadan Kaldırılan Zaman Geçici Toparlanma Geriliminin Değişim Hızının Ve Genliğinin Transformatörlerin Nötrü Rezistans Üzerinden Topraklandığında Analizi.,Bakü,İlim,1979, Sayfa 99-114 [5] ARTYOMEV D.E., TİHODEYEV N.N., ŞUR S.S.,Yüksek Gerilimli Enerji İletim Hatlarında İstatistik Esaslara Göre İzolasyon Seçimi., Moskova, Enerji,1965, 215 Sayfa.