Röle Koordinasyonu ve Seçici Kısa Devre Koruması

Röle koordinasyonunu sağlama ile seçici kısa devre koruması, iletim ağları için dikkat edilmesi gereken konulardandır. Bu yazımızda röle koordinasyonu ve seçici kısa devre koruması konusunu hesaplamalarıyla birlikte inceleyebilirsiniz.

A- A+

19.03.2018 tarihli yazı 20208 kez okunmuştur.

Röle Koordinasyonu ve Seçici Koruma Nedir?

Kaynaktan itibaren en uçtaki tüketiciye doğru peşpeşe dizilen besleyicilerden oluşan bir sistemde, aynı arızayı gören rölelerden, kaynaktan daha uzak olanın daha önce; daha yakın olanın daha sonra çalışmasına “seçici çalışma” bu şekilde çalışmayı sağlayan ayar işlemine “röle koordinasyonu” denir. Kısa devrelerden kaynaklanan hasar üzerinde önemli bir etkiye sahip olan seçici koruma ilkesi, korumanın çalışma hızını etkileyen bir faktördür. Koruma ne kadar hızlı çalışırsa sonuçta ortaya çıkan tehlikeler ve hasarlar o kadar az olacaktır. Korumanın çalışma hızı voltaj düşüş süresini de etkilemektedir. Kısa devre arızasının neden olduğu voltaj düşüşünün süresi kısalır, koruma daha hızlı çalışır. Böylece, düşük gerilim nedeniyle şebekenin diğer kısımlarına olan dezavantaj en aza indirgenmiş olur.

Korumanın iyi ve güvenilir seçiciliği, kesintiyi mümkün olan en küçük alana sınırlamak ve ağın arızalı kısmını kolayca göstermek için gereklidir. Bu seçicilik işlemi, düzeltici eylemin şebekenin hatalı kısmına yönlendirilmesini ve tedarikin mümkün olduğunca hızlı bir şekilde geri yüklenmesini mümkün kılar.

Seçici Kısa Devre Korumasını Nasıl Sağlarız?

Seçici kısa devre koruması altı farklı şekilde sağlanabilir.

► Zaman dereceli koruma
► Zaman ve akım dereceli koruma
► Zaman ve yön dereceli koruma
► Akım ve empedans dereceli koruma
► Kilitlemeye dayalı koruma
► Diferansiyel koruma

1) Zaman Dereceli Koruma

Bu yöntem, rölelerin çalışma zamanlarını, arıza noktasına en yakın olan röle ilk önce çalışacak şekilde ayarlamaktadır. Zaman dereceli koruma, belirli zaman karakteristiğine veya ters zaman karakteristiğine sahip aşırı akım röleleri kullanılarak uygulanır. Ters zaman koruma prensibi, besleyicinin başlangıç ve sonundaki kısa devre akımının büyüklüğünün önemli ölçüde farklı olduğu radyal ağlar için özellikle uygundur. Bu durumlarda, belirli zaman rölelerinin lehine ters zaman rölelerinin kullanılması genellikle yüksek arıza akım büyüklüklerinde korumanın çalışma süresini hızlandırabilir. Ters zaman rölelerinin çalışma süresi kısaldığında, arıza akımının büyüklüğü artar.

IEC 60255-151 ve BS 142 standartları, ters zaman röleleri için dört karakteristik zaman-akım eğrisi tanımlamaktadır. Bunlar; normal ters, uzun süreli ters, çok ters ve son derece terstir.

Ters zaman röleleri için çalışma süresi denklem (1)’den hesaplanabilir. Denklem 1’de görülen k değeri, ayarlanabilir bir zaman çarpanıdır. I, ölçülen faz akımı değeridir. I>, ayarlanmış başlatma akım değeridir. α ve β, eğri setiyle ilgili parametrelerdir.

t = ( k.β ) / [ (I / I>)^α– 1 ] (1)

Rölenin standartlara göre belirlenen karakteristiklerinden normal ters, çok ters ve son derece ters karakteristiği kullanıldığında, enerji akım değerinin, ayarlanmış başlangıç akımının 1,3 katını geçmesiyle işlem başlamalıdır. Uzun süreli ters karakteristik kullanıldığında ise, enerji verici akım, ayarlanmış başlangıç akımının 1,1 katını geçtiğinde röle başlamalıdır.

Tablo 1: Zaman-Akım Eğrileri İçin α ve β Parametreleri
Karakteristik tipi	α	β
Normal ters	0.02	0.14
Çok ters	1.0	13.5
Son derece ters	2.0	80,0
Uzun zaman ters	1.0	120.0

Aşağıda göreceğiniz Şekil 1’de ki radyal ağda zaman dereceli koruma düzenlemesine üç aşamalı koruma uygulanmaktadır. Düşük ayar aşamasında (3I>), ters zaman ya da belirli bir zaman karakteristiğine sahipken, yüksek ayarlı ve anlık aşamada (3I >> ve 3I >>>) kesin zaman karakteristiğine sahiptir. Ortak amaç, ağır arıza akım koşulları altında korumanın çalışmasını hızlandırmaktır.

Zaman dereceli seçici koruma şemalarının incelenmesi ve planlanması en uygun şekilde seçicilik şeması kullanılarak gerçekleştirilir. Seçicilik şeması, ilgili koruma röleleri zincirinde bulunan rölelerin çalışma karakteristiklerini gösteren zaman-akım eğrilerinin bir kümesidir. Seçicilik şeması ayrıca, rölenin en düşük ve en yüksek arıza akım seviyeleri, maksimum yük akımı, nominal akımlar ve ağ bileşenlerinin kısa devre akımına dayanım kapasitesi gibi koruma planlaması ve çalışması için gerekli ek bilgileri de içerir. Şekil 1'de rölelerin zinciri iki röle içermektedir. Bu şekil, 1 no'lu röleyle korunan besleyicinin uzak ucunda bir arıza ortaya çıkması durumunda, arıza akım büyüklüğünün [8] ile belirtilen seviyede olacağını göstermektedir. Bu arıza hem röle 1 hem de röle 2'nin başlamasını sağlar. Röle 1 veya devre kesicisi çalışmıyorsa, röle 2’nin çalışmasına izin verilir.

Şekil 1: Radyal Ağın Aşırı Akım Koruması ile İlgili Seçicilik Şeması

Derecelendirme süresi, iki ardışık koruma aşaması arasındaki zaman farkıdır. Doğru derecelendirme süresinin seçimi, korumanın seçiciliği için önemli bir etkendir. Ağır arıza akım koşullarında röle çalışma süresi gereksiz yere uzatılmamalı ve diğer yandan seçiciliği güvence altına almak için tatmin edici bir sınır sağlanmalıdır.

Şekil 1 için, derecelendirme süreleri her bir aşama için ayrı ayrı tanımlanmıştır. Ters zaman aşamaları arasındaki derecelendirme zamanı Δt_IDMT ve kesin zaman aşamaları arasındaki derecelendirme süresi Δt_DT olarak gösterilmiştir. Belirli zaman röleleri için, derecelendirme süresi denklem (2)'den elde edilir. Denklemde t_E, röle çalışma süresinin toleransıdır. t_CB, devre kesici çalışma süresidir. t_R, röle gecikmesi zamanıdır. t_M, güvenlik payıdır.

Δt_dT = 2⋅t _E + t _R + t _CB + t _E (2)

Gecikme süresi, işlem geciktirme zamanlayıcısının geçmesinden hemen önceki süredir. Gecikme süresinin başlangıcından önce arıza ortadan kalkarsa, arıza tarafından başlatılan koruma rölesi hala açma komutunu iptal edebilir. Arıza, gecikme süresi boyunca kaybolursa, açma komutu başlatılır. Şekil 2, derecelendirme sürelerinin ve onları etkileyen faktörlerin nasıl oluştuğunu göstermektedir.

Ters zaman rölelerine dayanan koruma şemaları için Δt_IDMT, denklem (3)’ten elde edilir. E₁, akım ölçümünün yanlışlığının neden olduğu çalışma süresi hatasının ve hata noktasına en yakın konumdaki rölenin çalışma süresi toleransının üst üste binmiş etkisini dikkate alan bir faktördür (%). E₂, akım ölçümünün yanlışlığından kaynaklanan çalışma süresi hatasının ve koruma zincirinde bulunan rölenin çalışma süresi toleransının üst üste binmiş etkisini dikkate alan bir faktördür (%). t_CB devre kesici çalışma süresidir. t_R gecikme süresidir. t_M güvenlik payıdır. t₁, arıza noktasına en yakın röle için hesaplanan çalışma süresidir. I₁ ve I₂ düşük ayar kademeleri (3I>) arasındaki derecelendirme süresinin belirlendiği akım değerleridir. I_kmax maksimum kısa devre akımıdır.

Δt_IDMT = t₁.[ [(1 + (E₁/100)) / (1 - (E₂/100))] -1 ] + t_R + t_CB + t_M(3)

Şekil 2: Derecelendirme Süresinin Belirlenmesi ve Süreyi Etkileyen Faktörler

►İlginizi Çekebilir: Koruma Sistemlerinde Seçicilik-1. Bölüm

Tablo 2: BS 142 standardına göre limit değerleri, yüzde olarak ifade edilen çalışma süreleri (E, doğruluk sınıfı endeksidir.)

I / I>	Normal ters	Çok ters	Son derece ters	Uzun zaman ters
2	2.22 x E	2.34 x E	2.44 x E	2.34 x E
5	1.13 x E	1.26 x E	1.48 x E	1.26 x E
7	-	-	-	1.00 x E
10	1.01 x E	1.01 x E	1.02 x E	-
20	1.00 x E	1.00 x E	1.00 x E	-

2) Zaman ve Akım Dereceli Koruma

Zaman ve akım dereceli koruma, geçiş noktasının önünde ve arkasında oluşan arızalardaki arıza akım büyüklüklerinin farklı olduğu durumlarda kullanılabilir. Zaman ve akım dereceli aşırı akım koruma uygulamasının örneği Şekil 3’te gösterilmektedir. Buna göre, enerji santrali aşırı akım koruması, jeneratör besleyicilerine doğru zaman ve akım gradyanı ile uygulanır. Jeneratörler eşit nominal güce sahiptir ve ters zaman röleleri aynı ayarları paylaşır.

Tek bir jeneratörün röle çalışma karakteristiğinin akım değerlerini kullanım karakteristiği, 3G, Şekil 3’teki herhangi bir zamanda kullanılan jeneratör sayısı ile çarpılarak elde edilir. I_ng, tek bir jeneratörün nominal akımını göstermektedir. Seçicilik diyagramında, 4 numaralı besleyici üzerinde bir arıza meydana geldiğinde, şebeke ve diğer besleyiciler tarafından beslenen toplam arıza akımı [4] ile belirtilen seviyeye ulaşır. Böylece, korumanın çalışma süresi 100 ms'den daha kısa olabilir. Eşdeğer jeneratör tarafından beslenen arıza akımı en az [2] ile belirtilen seviyededir.

Şekil 3’te şebeke tarafından beslenen arıza akımının özellikle düşük olduğu veya bir jeneratörün çalışmadığı durumlarda jeneratör besleyicileri arasında güvenilir bir zaman aşamasının elde edildiği açıkça görülebilir. Aynı çalışma yöntemi, blok transformatörün koruma röleleri ile şebeke tarafındaki arızalar için jeneratör besleyicileri arasındaki zaman sınıflandırmasını planlamak için uygulanabilir.

Şekil 3: Zaman ve Akım Dereceli Aşırı Akım Koruma Uygulaması

3) Zaman ve Yön Dereceli Koruma

Halka ve örgü tipli ağlarda, korumanın seçiciliği, yönlü aşırı akım röleleri ile sağlanabilir. Yönlü aşırı akım rölesi, arıza akımı ayarlanmış başlangıç akımını aştığında ve arıza akımının yönü ayar ile uyumlu olduğunda çalışır. Böylece korumanın seçiciliği hem zamana hem de akım yönüne dayanır.

Şekil 4: Bir Noktadan Temin Edilen Halka Tipli Şebekelerin, Kısa Devre Korumasına Uygulanan Yönlü Aşırı Akım Röleleri

►İlginizi Çekebilir: Elektrik Dağıtım Şebekeleri

Hata akımının yönünü belirlemek için çeşitli prensipler kullanılır. En geleneksel yol, her faz arızasının mevcut fazörünün faz-faz voltajının fazörüyle karşılaştırılmasıdır. Örneğin Şekil 5’te I_L1'in yönü fazör U₂₃'ün yönü ile karşılaştırılmaktadır. Bir veya daha fazla yön karşılaştırması, hatanın ayarlanan röle çalışma yönüne göre ileri veya geri yönde olduğunu gösterirse röle çalışır. Bu şekilde oluşturulan bir örnek çalışma karakteristiği Şekil 5'te gösterilmiştir.

Şekil 5: U_L23 ve U_L31'in Kullanımına Dayanarak L₁ ve L₂ Fazlarının Yönünü Belirleme Prensibi

►İlginizi Çekebilir: 3 Fazlı Sistemler

Halka ve ağ örgülü ağların korunması, aynı zamanda mesafe röleleri kullanılarak da gerçekleştirilebilir. Bu röleler, iletim şebekelerinin, örgülü veya halka şeklindeki dağıtım ağlarının veya zayıf radyal ağların korunması için sıklıkla kullanılmaktadır.

İyi ve güvenilir bir seçicilik elde etmek ve mümkün olduğu kadar çalışma hızı gereksinimlerini karşılamak için, genellikle çok yönlü düşük empedans aşamalarını uygulamak gereklidir. Bunun bir örneği, bir alt iletim şebekesinin kısa devre korumasına çok aşamalı mesafe röle birimlerinin uygulandığı Şekil 6'da görülebilir. Şekil ayrıca, örnek röle ünitesinin farklı bölgelerinin ana erişimlerini göstermektedir. Z1, Z2 ve Z3 bölgeleri ileri yönde, yani korunan hatta doğru ayarlanır. Z4 ise ters yönde ayarlanır.

Şekil 6: Bir Alt İletim Şebekesinin Kısa Devre Koruması için Çok Kademeli Mesafe Koruma Prensibinin Uygulaması

►İlginizi Çekebilir: Röleler ile Trafo Korumanın 8 Yolu

Şekil 6’da MV dağıtım gerilimini göstermektedir. Z1 bölgesi, uzak uç istasyonunu algılayarak minimum çalışma sürelerini mümkün kılar. Z2 bölgesi, uzak uçtan biraz geçmektedir, yani ardışık çizginin Z1 bölgesi ile zaman koordinasyonu gereklidir. Bu nedenle çalışma süresi, derecelendirme payının gerektirdiği kadar geciktirilir. Z3 bölgesi, aşırı koruma yedeklemesi olarak çalışır ve çalışma süresi, her koşulda korumayla ileri yönde koordineli olacak şekilde seçilmelidir. Z4 bölgesi, ters yönde aşırı koruma olarak çalışır ve bu bölgenin erişimi, transformatörlerin MV tarafındaki arızaları bile algılayabilmesi için seçilir. Çalışma süresi buna göre seçilir. Z4 bölgesinin temel amacı, transformatörler için bir yedek koruma olarak çalışmaktır.

4) Akım ve Empedans Dereceli Koruma

Geçis noktasının yakınında oluşan arızalarda korumanın işleyişini hızlandırmak için akım ve empedans derecesine dayalı koruma ilkesi kullanılabilir. Koruma, aşırı akım veya düşük dirençli rölenin tek yönlü veya yönsüz aşaması kullanılarak uygulanır. Amaç, koruma zincirinde bir sonraki rölenin önünde bir arıza ortaya çıktığında, ilgili aşamanın çalışmaması ve zaman-derecelendirmenin gerekmeyecek kadar yüksek olması durumlarında, başlangıç akımını ayarlamaktır. Örneğin, Şekil 6’da ki Z1 bölgesi bu prensibe göre çalışır.

Prensip olarak, aşamaların çalışma süreleri seçiciliği tehlikeye atmadan minimumlarına ayarlanabilir, çünkü koruma sadece akım veya empedans ayarları tarafından belirlenen koruma bölgelerinde meydana gelen arızalarda çalışır. Bu nedenle, normal zaman kademeli bir koruma düzeneği daima, akım veya empedans sınıflamasına dayanan koruma ile paralel olacak şekilde dahil edilmelidir.

Korunan besleyicinin toplam uzunluğuna veya empedansına göre akım dereceli korumanın erişimi, kaynak empedans oranına (SIR=source impadance ratio) bağlıdır. SIR değeri ne kadar yüksekse, korunan besleyicideki korumanın erişimi o kadar kısalır. Z_S, gelen ağın empedansı, yani kaynak empedansıdır. Z_L, korunan besleyicinin geçiş noktasından görülen empedanstır.

SIR = | Z _S | / | Z _L |

5) Kilitlemeye Dayalı Koruma

Kilitlemeye dayalı korumanın amacı, korumanın çalışmasını hızlandırmaktır. Bu koruma şekli, özellikle bara koruma için uygundur. Temel düşünce, koruma zincirindeki ardışık koruyucu röleler arasındaki kilitlemenin kullanılmasıdır.

Şekil 7’de bara ve trafoya uygulanan birbirine bağlı koruma sistemi verilmiştir. B_out iletilen kilitleme sinyalini, B_in ise alınan kilitleme sinyalini göstermektedir. Besleyicide bir arıza meydana geldiğinde, gelen ve giden besleyicilerin aşırı akım röleleri çalışmaya başlar. Arızalı besleyicinin aşırı akım rölesi, gelen besleyici rölesinin 3I>>> aşamasının çalışmasını engelleyen bir kilitleme sinyali gönderir ve ayarlanan gecikme süresinden sonra devre kesiciyi açar. Arıza koruma alanı içinde, yani bara üzerinde göründüğünde, herhangi bir kilitleme sinyali oluşmaz ve gelen besleyici rölesinin 3I>>> aşaması, ayarlanan gecikme süresinden sonra devre kesiciyi açar. Bu durumda zaman aşamalı çözüme de ihtiyaç vardır.

Şekil 7: Bara ve Trafoya Uygulanan Birbirine Bağlı Koruma Sistemi

►İlginizi Çekebilir: Bara Kısa Devre Isınma Hesapları

Güvenilir ve seçici bir işlem için, kilitlenecek aşırı akım aşaması biraz gecikmeli olmalıdır. Şekil 7’de ki uygulamada, gelen besleyici rölesinin 3I>>> aşaması bu amaçla kullanılmaktadır. Gerekli gecikme, uygulanan röle tipinin özelliklerine ve kilitleme kanalının uygulanmasına bağlıdır. Gerekli gecikme sürelerinin bulunmasıyla, aşırı akım aşamasının engellenmesi için mümkün olan en kısa zaman ayarı elde edilir. Tipik olarak bu süre, kilitleme devresine herhangi bir yardımcı röle dahil edilmemesi koşuluyla, yaklaşık 100 ms'dir. Kilitleme koruma prensibi, halka veya örgülü ağ şebekelerinde de uygulanabilir, bu durumda yönlü aşırı akım röleleri veya mesafe röleleri kullanılır.

6) Diferansiyel Koruma

Diferansiyel koruma, transformatörler, makineler, baralar, hatlar ve besleyiciler gibi herhangi bir iletim şebekesinin korunmasına uygulanabilecek yararlı bir koruma yöntemidir. Diferansiyel rölesi, bir nesnenin gelen faz akımlarını aynı nesnenin giden faz akımları ile karşılaştırır. Bu akımlar, genlik veya faz açısına göre birbirinden farklıysa veya rölenin ayar değerleri tarafından izin verilenden daha fazla olursa, röle açılacaktır. Ölçme prensibi, rölenin sadece koruma alanı içindeki arızalar üzerinde çalışmasını sağlar. Bu nedenle korumanın çalışma süresi çok kısadır, tipik olarak bir döngüden daha kısadır. Koruma alanı, mevcut ölçüm noktaları arasındaki alan olarak tanımlanır.

Çalışma prensiplerine göre, diferansiyel koruma düşük empedanslı ve yüksek empedanslı diferansiyel olarak ikiye ayrılır. Düşük empedanslı bir diferansiyel şeması korunan nesnenin her iki tarafındaki akımları ölçer ve bunlardan diferansiyel akım oluşturur. Uygulamada, esas olarak akım trafolarının ve rölenin ölçüm hatalarından kaynaklanan küçük bir diferansiyel akım, koruma alanında bir arıza olmamasına rağmen fark edilebilir. Yüksek empedans prensibi, makinelerin, kısa hatların ve bara sistemlerinin kısa devre koruması için uygundur.

Kaynak:

►electrical-engineering-portal.com
►Distribution Automation Handbook Section 8.2 Relay Coordination