Tranformatör Enerjilendirme Akımının Etkilerini Azaltıcı Yöntemlerin İncelenmei Review on Elimination Method of Tranformer Inruh Current Kerem YALÇIN 1, Ayşen BASA ARSOY 1 Fen Bilimleri Entitüü Elektrik Mühendiliği A.B.D. Kocaeli Üniveritei keremyalcin1@gmail.com Mühendilik Fakültei Elektrik Mühendiliği Bölümü Kocaeli Üniveritei aba@kocaeli.edu.tr Özet Tranformatörler, ilk devreye alınma enaında çok yükek akım çekerler. Bu enerjilendirme (inruh) akımının değeri bazı koşullarda öngörülen kıa devre akımı değerini bile aşabilir. Bu durum, koruma rölelerinde hatalı algılama ve itemdeki diğer ekipmanların zarar görmei gibi durumlara neden olabilir. Dolayııyla tranformatör enerjilendirme akımları, dikkatle incelenmei ve mutlaka önlem alınmaı gereken bir konudur. Bu çalışmada önce tranfomatör enerjilendirme akımını etkileyen faktörler belirlenmiş, onra da bu akımları azaltıcı yöntemler incelenerek, performan ve uygulanabilirlik açıından karşılaştırılmaı yapılmıştır. Abtract A Tranformer ha high tart-up current while energizing. Thi inruh current can be higher than hort circuit current, cauing dioperation of protection relay and damage to other ytem component. That why inruh current hould be tudied attentively and there mut be precaution for inruh current. In thi tudy, factor affecting tranformer inruh current are explored firt and then ome of the elimination method of inruh current are examined and compared in term of performance and application. 1. Giriş Tranformatör, elektrik güç iteminin en önemli elemanlarından biridir. Gerilim akım büyüklüklerini dönüştürerek gücün iletim ve dağıtım itemlerinde minimum kayıp ile iletilmeindeki payı büyüktür. Bu gerilim akım dönüşümünü uygun argı arımları ile ve manyetik devrei ayeinde ağlar. Tranformatörün manyetik devre içermei, işletmede bazı orunlara yol açabilir. Manyetik malzemelerin mıknatılanma (B H) grafiğinin belli bir noktadan onra lineerliğini kaybetmektedir. Çalışma noktaının bu lineer olmayan bölgeye doğru kaymaı tranformatörden itenen çevirme oranı ve diğer elektrikel parametrelerin ağlanamamaı anlama gelir. Bu olaya manyetik nüvenin doymaı denir. Doyma olayı, tranformatörün taarımı ıraında göz önünde bulundurulmaı gereken önemli parametrelerden biriidir. Tranformatörün enerjilendirilmei enaında nüvenin doyuma gitmeiyle, şebekeden yükek genlikli ve dalga şekli inüzoidal formdan uzak bir akım çekilir [1]. Sinüzoidal olmayan ve tranformatör anma akımının çok üzerinde olan bu enerjilendirme (inruh) akımı itenmeyen bir akımdır. Tranformatörlerin çok ık devreye alınıp devreden çıkarıldığı bazı uygulamalarda, enerjilendirme akımı hem tranformatör, hem de güç itemi açıından bazı akıncalara neden olabilmektedir. Örneğin bir kojenerayon antalinde generatör yükeltici tranformatörünün alçak gerilim tarafı ürekli enerjiliyken yükek gerilim tarafı, ada modundan şebekeyle paralel çalışmaya geçiş anında enerjilendirilmekte ve bu manevra bu tip antrallerde ıkça gerçekleşebilmektedir. Bu nedenle, enerjilendirme akımını azaltıcı yöntemlerin belirlenip doğru uygulanmaı, oluşabilecek haar/zararların önlenmei açıından önem taşımaktadır. Çalışmanın ilk bölümünde tranformatör enerjilendirme akımının tanımı, özellikleri ve heaplanmaı konularına değinilmiştir. Bu akımların azaltılmaı için literatürde geliştirilen yöntemlerin incelenmei ve detaylı karşılaştırmaı çalışmanın diğer bölümünü oluşturmuştur.. Tranformatör Enerjilendirme Akımı Tranformatörler devreden çıkarıldığında manyetik nüvenin karakteritiğinden dolayı nüvede argılar enerjili olmamaına rağmen bir miktar akı kalır. Buna artık akı denir. Tranformatörün tekrar devreye alınmaında (enerjilendirilmeinde) nüve üzerindeki artık akıdan dolayı tranformatör nüvei doyuma gider. Bu olaydan dolayı tranformatörün enerjilendirilen argıı, şebekeden yükek genlikli ve bol harmonik içeren bir akım çeker. Çekilen bu akıma tranformatör enerjilendirme (inruh) akımı denir. 41
Tranformatörlerin argıları, genellikle bir nüve üzerine arılmış ilindirik arımlar şeklindedir ve endüktan özelliği göterir. Endüktan özelliği göteren bir elemana gerilim uygulanıra, bu gerilime bağlı olarak bir manyetik akı endüklenir. Bu gerilim ile akı araındaki ilişki (1) numaralı denklem ile ifade edilmiştir. d v n (1) dt Bu denklemde n argının arım ayıını, φ manyetik akıyı ve v de gerilimi imgelemektedir. Alternatif gerilim inü fonkiyonu olduğundan manyetik akı da türev ilişkiinden dolayı yine bir inü fonkiyonu olacak, ancak gerilim ile araında 90 faz farkı olacaktır. Tranformatörün enerjilendirilmei anında argıların maruz kalacağı gerilimin endükleyeceği bir manyetik akı olacaktır. Bu akıya ürekli hal akıı denir ve şebeke geriliminden dolayı oluşan akıdır. Artık akı (φ0), ürekli hal akıı (φ) ve şebeke geriliminin (V) grafiği Şekil 1 de verilmiştir. de yukarıda özellikleri tanımlanan enerjilendirme akımının dalga şekli görülmektedir. Akım Şekil : Akı Akım Grafikleri Gerilim Sürekli hal akıı Nüve B-H eğrii Enerjilendirme akımı Nom. akım Bu akım, aşağıdaki problemlere ebebiyet verebilmektedir: Elektrikel yalıtımın bozulmaı Tranformatör argılarında mekanik haar Tranformatörün ömrünün azalmaı Bağlı olduğu güç itemi ile rezonana girme Koruma rölelerinde hatalı algılama Şekil 1: Akı Gerilim Grafikleri Artık akı, genellikle ürekli hal akıının %50 87 i araında bir değerde olur [1]. Nüvedeki artık akı miktarını belirleyen faktörler şunlardır: Nüve karakteritiği Sargı endüktanı Nüve geometrii Tranformatöre bağlı elemanların kapaitif etkii Tranformatör keiciinin açma (devreden çıkarma anı) Normal işletme koşullarında gerilim ile manyetik akı araındaki faz farkı 90 iken bu fark enerjilendirme anında 0 olur []. Aynı zamanda artık akı içeren bir nüvede ürekli hal akıı da akmaya çalışır. Bu durumda manyetik nüve üzerinden akan toplam akı çok büyük bir değer alır ve nüvenin doyuma gitmeine ebep olur. Bu ebepten dolayı tranformatörün enerjilendirilen argıı, şebekeden dengeiz, yükek genlikli, bol harmonik içeren ve geç önümlenen (5-10 periyot) bir akım, yani enerjilendirme akımı çeker. Akım akı ilişkiini göteren grafikler Şekil de verilmiştir. Bu grafikten enerjilendirme anındaki manyetik akının tranformatörün çalışma noktaını doyum bölgeine götürdüğü ve bu yüzden çekilen akımın yükeldiği görülmektedir. Sol alttaki grafikte Literatürde tranformatör enerjilendirme akımını heaplayan birçok matematikel ifade vardır. Bunlardan en yaygın olarak kullanılanı Holcomb eşitliğidir [3]. Hem akımın dalga şeklini karakterize ettiği, hem de doğru onuç verdiği için tercih edilmektedir. Holcomb eşitliği () numaralı denklem ile ifade edilmiştir. Holcomb eşitliğinde kullanılacak büyüklüklere ilişkin denklemler ie (3) ve (4) numaralı denklemler ile ifade edilmiştir. Denklemlerde kullanılan indilerin tanımları da Çizelge 1 de verilmiştir. i( t) k V R L hava in( t ) e R Lhava t in( ) Bm Br B arcco( ) Bm (3) Lhava arctan( ) R (4) Çizelge 1: Denklemlerde Kullanılan İndilerin Tanımı İndi Tanımı İndi Tanımı R Sargı direnci B m Nüvenin anma akıı L hava Sargının havaya göre endüktanı B Doyumun başladığı akı Nüvedeki artık akı Bu formülde nüvedeki artık mıknatılık için; makimum akım değerini heap etmek adına nüvede kalabilecek en fazla artık akı bulunduğu kabul edilir. B m ve B değerleri de nüve acının B r () 4
malzemeine ve taarım parametrelerine bağlı olarak belirlenen değerlerdir. 3. Azaltıcı Yöntemler 3.1. Tranformatöre Seri Empedan Bağlamak Uygulamadaki en yaygın yöntemlerden biriidir. Bu yöntem, elektrik devre teoriinde eri empedanın eşdeğer empedanı ınırlayıp akım ınırlama özelliği temeline dayanmaktadır. Sitemin eşdeğer empedanı, tranformatöre eri bir empedan bağlanmaıyla artar ve çekilen akım azalır. Aynı zamanda bu eri empedan, tranformatör terminalindeki gerilimi düşüreceğinden oluşacak ürekli hal akıı azalır. Bu akının azalmaı da tranformatörün daha düşük enerjilendirme akımı çekmeine katkı ağlar. Seri empedan olarak akım ınırlama direnci (af rezitif) veya akım ınırlama reaktörü (af endüktif) kullanılabilmektedir. Direnç uygulamaı reaktöre göre daha yaygın bir uygulamadır. Akım ınırlama dirençleri, tranformatör ürekli işletme koşuluna geçtikten onra genellikle kıa devre edilerek devreden çıkarılmaktadır. Eğer akım ınırlama reaktörü kullanılıyora ürekli işletmede de devrede kalabilmekte, ancak çok büyük güçlü tranformatörlerde kıa devre edilerek devreden çıkarılmaktadır. Akım ınırlama reaktörünün kullanımındaki akıncalardan birii de endüktif karakterli bir eleman olduğundan item ile rezonana girme olaılığıdır. 3.. Kontrollü Anahtarlama Kontrollü anahtarlama prenibinin başlangıcı 1990 lı yılların ortalarına dayanmaktadır. Tranformatörün her bir fazının ayrı ayrı veya tüm fazlarının aynı anda uygun bir anda anahtarlanmaı ve nüve geometriinden dolayı faz akıları araındaki ilişkinin kullanılmaı prenibine dayanır. Üçgen bağlı argılarda ve/veya 3 bacaklı nüvelerde dengeli gerilim altındaki her bir fazın akılarının toplamı ıfırdır. Uygun zamanda anahtalama; artık akı ve ürekli hal akıının değerlerinin birbirlerine göre en uygun zamanda anahtarlanmaı anlamındadır. Endüktif devrelerde oluşan manyetik akının, akı endükleyen unurun birden değişmei ile aynı oranda değişemeyeceği bilinmektedir [4]. Buna göre akılar açıından en uygun anahtarlama anı, artık akı ile o anki gerilim değerinden dolayı endüklenecek ürekli hal akıının birbirine eşit olduğu andır. Bu durum bir periyotta iki kez meydana gelmektedir. Böylece tranformatör nüvei daha az doyacak ve çekilen enerjilendirme akımı azalacaktır. 3..1. Seri Anahtarlama Fazların ıra ile ve çeyrek periyot içeriinde devreye alınmaı tratejiidir. Yukarıda da bahedildiği gibi artık akının o anki gerilim değerinin endükleyeceği ürekli hal akıına eşit olduğu anda keicinin kapanmaı durumudur. Seri anahtarlamadaki manyetik akıların zamana göre değişimi Şekil 3 te verilmiştir. Grafikteki A, B ve C anahtarlama anlarını götermektedir. Artık akılar (φ 0) Sürekli hal akıı (φ) Şekil 3: Seri Anahtarlamada Akı Zaman Grafiği Bu tratejinin uygulanabilmei için 3 fazı birbirinden bağımız kontrol edilebilen bir keici ve 3 fazın ürekli hal akı bilgiine ihtiyaç vardır. 3... Eş Zamanlı Anahtarlama Şekil 3 te anahtarlama anlarının birbirine çok yakın olduğu görülmektedir. A anahtarlama anında fazın biriinin ürekli hal akıı artık akıya eşitken diğer fazların ürekli hal akıı ile artık akı araında çok büyük bir fark yoktur. Buna göre 3 faz aynı anda A anında enerjilendirilebilir. Seri anahtarlamaya göre çekilen enerjilendirme akımı bir miktar fazla olacaktır. Bu trateji alçak gerilim itemleri için çok kullanışlıdır. Çünkü alçak gerilimde 3 fazı birbirinden bağımız kontrol edilebilen keiciler pek yaygın değildir. Eş zamanlı anahtarlamada akıların zamana göre değişimi Şekil 4 te verilmiştir. Ayrıca bu tratejinin uygulanabilmei için her fazı enkron kontrol edilen bir keici ve 3 fazın ürekli hal akı bilgiine ihtiyaç vardır. Kontrollü anahtarlama prenbinin performanını doğrudan etkileyen etkenler aşağıda ıralanmıştır. Eğer bu yöntem kullanılacaka bu etkenler göz önünde bulundurulmalıdır [5]. Keicinin kapamaı enaında kontaklar tam kapanmadan başlayan ark Keicinin kapama ürei Akı ölçümündeki hatalar Kontrollü anahtarlama prenibinde 3 çeşit trateji öngörülmektedir. 43
Artık akılar (φ 0) kontrollü anahtarlama yaparak arttırılabilir. Ancak uygun bir direnç değeri eçilmei durumunda kontrollü anahtarlama yapmaya gerek kalmaz [6]. Nötr noktaındaki direncin ürekli işletmede devrede kalmaında herhangi bir akınca yoktur. Tranformatörün faz gerilimleri dengeli olduğu ürece nötrdeki direnç üzerinden bir akım akmayacaktır. Yine de itenire bu direnç kıa devre edilerek devre dışı bırakılabilir. Yönteme ilişkin nötrdeki direnç değeri akım grafiği Şekil 6 da verilmiştir. Sürekli hal akıı Şekil 4: Eş Zamanlı Anahtarlamada Akı Zaman Grafiği 3..3. Gecikmeli Anahtarlama Diğer iki tratejideki yaklaşımlar ile tranformatörün ilk fazı enerjilendiğinde, diğer fazdaki artık akı miktarı elimine edilip ihmal edilebilecek bir eviyeye düşebilir. Bu eliminayon birçok tandart tranformatör nüve geometriinde olabilmektedir. Buna göre ilk faz enerjilendirildiğinden birkaç periyot onra diğer iki faz enerjilendirildiğinde şebekeden çekilen enerjilendirme akımının daha düşük olmaı beklenir. Gecikmeli anahtarlamada akı zaman grafiği Şekil 5 te verilmiştir. B ve C fazının enerjilendirilmei A fazının enerjilendirilmei Şekil 5: Gecikmeli Anahtarlamada Akı Zaman Grafiği Bu tratejinin uygulanabilmei için 3 fazı birbirinden bağımız kontrol edilebilen bir keici ve yalnızca ilk fazın ürekli hal akı bilgiine ihtiyaç vardır. 3.3. Nötr Noktaına Direnç Bağlamak Bölüm 3. de anlatılan kontrollü anahtarlama prenibi, her bir fazın akılarının üçgen bağlı argılarda veya 3 bacaklı nüvelerde toplamının ıfır olmaıdır. Bu yüzden yıldız bağlı argılarda kontrollü anahtarlama yöntemi verimli olarak kullanılamamaktadır. Ancak enerjilendirme akımının dengeiz bir akım olmaı, tranformatör argıının nötrünün toprağa bağlı olmaı durumunda enerjilendirme akımının nötrden toprağa doğru da akmaı demektir. Bölüm 3.1 de anlatılan eri empedan bağlama prenibinden faydalanılarak nötr ile toprak araına direnç bağlanmaı benzer bir etki yaratacak ve çekilen enerjilendirme akımını azaltacaktır. Yöntemin performanı Enerjilendirme Akımı (A) Nötr Direnci (Ω) Nötr Direnci (ohm) Şekil 6: Enerjilendirme Akımı Nötr Direnci Grafiği 3.4. Enerjilendirmeden Önce Artık Akı Ayarı Yapmak Şebeke geriliminden kaynaklı ürekli hal akıını ve tranformatörün artık akıını ölçmek ve izlemek pratikte uygulanmaı zor bir işlemdir. Tranformatörün artık akıı, enerjilendirme önceinde bilinen bir eviyeye çekilire, kontrollü anahtarlama ile beraber tranformatör düşük enerjilendirme akımı çekerek devreye alınabilir [7]. Böylece herhangi bir akı ölçümüne gerek kalmaz. Burada tek gerekli olan tranformatör nüveinin artık akıını arttırabilecek bir düzenek ile kontrollü bir keicidir. Tranformatör nüvelerinin üzerinde tutabileceği artık akı miktarı manyetik malzemeinin karakteritiğine göre değişmektedir. Bu değer ık kullanılan nüve malzemeleri için 0,80 0,87 p.u. araındadır. Eğer tranformatörün artık akı eviyei; tranformatör enerji altında değilken bilinen bir polarite için (pozitif veya negatif) makimum eviyeine yükeltilebilire, tranformatörü devreye alacak keicinin anahtarlama anı otomatik olarak belirlenmiş olur ve bunun için yalnızca şebeke gerilim bilgii yeterlidir. Tranformatörün artık akıını makimum değere yükeltebilecek devre Şekil 7 de verilmiştir. Primer iletkene (şarj için) Toprağa 1. faz eneejilendirme. faz enerjilendirme 3. faz enerjilendirme Şekil 7: Artık Akı Ayar Düzeneği [7] 44
Şekil 7 de verilen cihaz, tranformatör enerji altında değilken tranformatörün enerjilendirilecek argıına bağlanarak tranformatör nüveindeki artık akı miktarını itenen polaritede makimum değerine getirir. Bu işlemden önce cihaz kondanatör içerdiği için şarj edilmei gerekir. Tranformatör devreye alınmadan önce cihaz itemden ayrılır ve tranformatör devredeyken itemde bulunmaına gerek yoktur. Tranformatör keicii, Bölüm 3. de de anlatıldığı gibi artık akının şebeke geriliminden dolayı endüklenecek ürekli hal akıına eşit olduğu an kapanacak şekilde anahtarlanır. Yalnız bu yöntem ile 3. deki yöntem araındaki fark burada artık akı ve şebeke ürekli hal akıı bilgiine ihtiyaç duyulmamaıdır. Gerilim akı araındaki matematikel ilişki bilindiğinden ve tranformatörün nüveindeki artık akı bilinen bir polarite için makimum değerde olduğundan anahtarlama anı bulunabilir. Örneğin bir tranformatörün nüveinin tutabileceği makimum artık akı miktarı 0,87 p.u. ie Şekil 7 deki cihazla artık akı pozitif olarak ayarlandıya keici 10 de; negatif olarak ayarlandıya 330 de kapanmalıdır. Yöntemin performanını incelenmek itenire Bölüm 3. deki grafikler bu yöntem için de geçerli olacaktır. 4. Yöntemlerin Karşılaştırılmaı Tranformatöre eri empedan bağlamak, en yaygın yöntemlerden biriidir. Uygulamaı baittir ve uygulama için karmaşık kontrol düzenekleri gerektirmez. Ancak akım ınırlama dirençleri ve reaktörleri pahalı ekipmanlardır. Özellikle bu ekipmanlar ürekli devrede kalacak biçimde dizayn ve imal edilire fiyatları çok daha fazla artmaktadır. Kontrollü anahtarlama, on zamanlarda yaygınlaşan bir yöntemdir ve doğru uygulandığında performanı yükektir. Aynı zamanda ek bir ekipmana ihtiyaç duymaz. Bunun yanında her iteme kolayca uygulanamamaı, hataız akı ölçümü yapılmaı gerekliliği ve karmaşık kontrol itemi gerekinimi uygulanmaını zorlaştıran unurlardır. Öte yandan yaygın olarak kullanılan AG keicilerinin 3 fazı ayrı ayrı kontrol edilememei; yöntemin AG tranformatör argılarında uygulanmaını zorlaştırmaktadır. Bu durum OG için genelde öz konuu olmadığından yöntem OG itemler için daha kullanışlıdır. Öte yandan bu yöntemin uygulanabilirliği tranformatör nüve geometrii ve argı bağlantı grubuna bağlı olduğundan kııtlanmıştır. Nötr noktaına direnç bağlamak, nüve geometrii ve/veya bağlantı grubundan dolayı kontrollü anahtarlamanın tek başına uygulanamadığı yıldız bağlı tranformatörlerde kolayca uygulanabilecek bir yöntemdir. Ek bir önleme gerek kalmayacak kadar enerjilendirme akımını azaltabilmektedir, ancak kontrollü anahtarlama ile beraber kullanılıra çok daha efektif bir onuç verebilmektedir. Optimum direnç değerinin eçimin, anahtarlama tratejiinin, yöntemle ilgili heaplamaların ve imülayonların daha detaylı incelenip üzerinde durulmaı gerekmektedir. karşılayabilecek özellikte olmaı gerekir. Bu yüzden bu yöntemin de özellikle güç tranformatörlerinde maliyet olarak uygulanabilirliği dikkatli incelenmelidir. 5. Sonuçlar Bu çalışmada tranformatör enerjilendirme akımının tanımı, özellikleri, heaplanmaı ve azaltıcı yöntemler hakkında bilgi verilmiş ve yöntemler karşılaştırılmıştır. Bölüm 3.1 de verilen yöntem en yaygın kullanılan yöntemdir ancak getirdiği fazla maliyet en büyük dezavantajıdır. Bölüm 3. de verilen yöntem; ek bir ekipmana ihtiyaç duymadığından uygulamaı baitmiş gibi görüne de detaylarındaki uygulama zorluklarının da göz önünde bulundurulmaı gerekir. Bölüm 3.3 te verilen yöntem bait bir efektif bir yöntemdir ancak performanı ve onuçları ile ilgili detaylı çalışmalar gerektirmektedir. Bölüm 3.4 te verilen yöntem, efektif onuçlar verebilen bait bir yöntemdir ancak tranformatör gücü büyüdükçe kullanılmaı gereken cihazın imal edilebilirliği ve maliyeti mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır. 6. Kaynaklar [1] Brunke, J. H., & Fröhlich, K. J. (001). Elimination of Tranformer Inruh Current by Controlled Switching - PartI: Theoretical Conideration. IEEE Tranaction on Power Delivery, 76-80. [] Jamali, M., Mirzaie, M., & Gholamian, S. A. (011). Calculation and Analyi of Tranformer Inruh Current Baed on Parameter of Tranformer and Operating Condition. Elektronika Ir Elektrotechnika, 17-0. [3] Chiea, N. (010). Power Tranformer Modeling for Inruh Current Calculation (Doktora Tezi). Trondheim: Norwegian Univerity of Science and Technology. [4] Kulkarni, S. V., & Khaparde, S. A. (004). Tranformer Engineering (Deign and Practice). New York: Marcel Dekker, Inc. [5] Brunke, J. H., & Fröhlich, K. J. (001). Elimination of Tranformer Inruh Current by Controlled Switching - Part II: Application and Performance Conideration. IEEE Tranaction on Power Delivery, 81-84. [6] Cui, Y., Abdulalam, S. G., Chen, S., & Xu, W. (005). A Sequental Phae Energization Technique for Tranformer Inruh Current Reduction - Part I: Simulation and Experimental Reult. IEEE Tranaction on Power Delivery, 943-949. [7] Taylor, D. I., Law, J. D., Johnon, B. K., & Ficher, N. (01). Single-Phae Tranformer Inruh Current Reduction Uing Prefluxing. IEEE Tranaction on Power Delivery, 45-5. Enerjilendirmeden önce artık akı ayarı yapmak, kontrollü anahtarlama ile aynı temele dayanmaktadır. Bu yöntemin en büyük avantajı akı ölçümü ve izlenmeine gerek duymamaıdır. Bu yöntemde ihtiyaç duyulan cihazda kullanılan ekipmanlar tranformatörün mıknatılanma akımını 45