Ferrorezonans Nedir? Neden Önemlidir?
Ferrorezonans, güç sistemlerini etkileyen lineer olmayan bir rezonans olayıdır. Ferrorezonans terimi ilk kez 1920’li yıllarda, elektrik devresinde meydana gelen salınım olaylarını ifade etmek için kullanılmıştır. Bir salınım olayının ferrorezonans olarak tanımlanabilmesi için devrede en azından aşağıdaki devre elemanlarının olması gerekmektedir:
- Lineer olmayan doyurulabilir endüktans (örn; transformatör)
- Kapasitör
- Direnç
Bu elemanlardan oluşan bir devrede, elektriksel öğelerden birinin değerinin değişmesi ile diğer öğelerin uçları arasındaki akım ve gerilimin değerlerinde ani bir yükselme olur.
Ferrorezonans Neden Oluşur?
Ferrorezonans yük atma, transformatör enerjilendirilmesi veya enerjisinin kesilmesi, kesicinin açılıp kapatılması, tek faz anahtarlama olayları gibi bazı anahtarlama olayları ile başlarken, ferrorezonans riski oluşturan sebepler aşağıdaki gibi sıralanabilir:
- Yıldız noktası topraklanmış şebekelerde sistemin boşta çalışması ya da çok az yükte çalışması,
- İzolasyon hataları,
- Gerilim transformatörünün aşırı yüklenmesi veya boşta çalışması
- Fazlardan birinin veya ikisinin kesilmesi veya açılıp kapatılması
- Bağlama hatası sonucu oluşan simetrisizlikler.
- Transformatör veya kondansatörlerin anahtarlanması,
- Az yüklü güç transformatörlerinin kısa devre yüküyle şebekeye bağlanması
- Bir transformatörü besleyen uzun ve/veya kapasitif kablolar
- İletim hatlarına yıldırım düşmesi
Ferrorezonans Etkileri
Ferrorezonansın meydana gelmesi durumunda aşağıdaki belirtilerin bir veya birkaçı da görülmektedir:
- Fazlar arası ya da faz – nötr gerilimlerinde uzun süreli aşırı gerilimler
- Uzun süreli aşırı akımlar
- Akım ve gerilim dalga şekillerinde bozulmalar
- Gerilim nötr noktasının yer değiştirmesi
- Transformatörlerde yüksüz durumda aşırı ısınma
- Gerilim transformatörlerinde gürültülü çalışma ve demir nüve ile primer sargılarda aşırı ısınma
- Termal etki ya da yalıtımın delinmesi yüzünden elektriksel ekipmanlarda (kapasitör banklar, akım-gerilim transformatörleri, vb.) arızalar.
GERİLİM TRANSFORMATÖRLERİNDE FERROREZONANS
Gerilim transformatörlerinin ferrorezonansla zarar görmesinin en bariz örneği; primer sargının harap olması ve sekonder sargının bozulmamasıdır. Ancak bu belirtiler sadece ferrorezonansa özgü nedenler olmayıp, yukarıdaki sorunların bir veya birkaçının yaşanması mutlak nedenle ferrorezonanstan kaynaklanmayabilir. Örneğin; gerilim nötr noktasının yer değiştirmesi, topraklanmamış nötr bir sistemde tek faz toprak hatası nedeniyle de gerçekleşmiş olabilir. Gerilim transformatörleri kapasitif ve endüktif olmak üzere ikiye ayrılır. Endüktif gerilim transformatörleri, daha yüksek endüktif karaktere sahip olup ferrorezonans devreyi çevirmek için daha düşük kapasitansa ihtiyaç duyduklarından, ferrorezonans oluşmasına daha yatkındır.
Sargıları (demir gibi) ferromanyetik materyallerden) oluşan Ferromanyetik devrelerde, endüktans yüzünden ferrorezonans oluşur. Transformatörler, ferromanyetik endüktansa mükemmel birer örnektirler. Gerilim transformatörlerinin endüktansı ve kabloların topraklama kapasitansı potansiyel olarak bir RLC devresi salınımı yaratmaktadır.
Özellikle, nötrü izoleli ya da düzgün topraklanmamış bir sistemde faz-toprak arasına bağlı tek kutuplu gerilim transformatörü kullanılması, ferrorezonans sonucu aşırı gerilim salınımlarının oluşmasına neden olur. İzolasyonun delinmesi (faz-toprak), yıldırım düşmesi, kapasitör ya da transformatör anahtarlanması aşırı gerilim oluşmasına neden olabilir. Bu aşırı gerilim, gerilim transformatörünü mıknatıslanma empedansına yaklaştırarak, gerilim transformatörünün endüksiyonun yükselmesine neden olur.
İlginizi Çekebilir: Topraklama Çözümleri
Endüktif reaktans (XL) ve kapasitif reaktans (XC) arasındaki bu eşitlik rezonansa neden olur.
- W L = 1 / W C
Gerilim transformatörlerinin primer sargılarında dolaşan akım yoğunluğu, içinde yüksek ısıya neden olur ve bunun sonucunda da aşırı basınç üretir. Rezonans oluşan bir RLC devresinde, aşırı gerilimler sona erdiğinden düşük frekans salınımları (50 Hz’lik sistemlerde 16,7 Hz) başlar. Bu düşük frekans salınımları, gerilim transformatörlerinin manyetik sargılarında manyetik reaktansın oldukça düşmesi yüzünden doyuma neden olur. Gerilim transformatörlerinin primer sargılarında dolaşan akım yoğunluğu, içinde yüksek ısıya neden olur ve bunun sonucunda da aşırı basınç üretir. Salınım devresinde sürekli şebeke tarafından güçlendirilen, iki bileşen arasındaki reaktif enerji, gerilim transformatörlerinin içerisinde alev alana kadar ısıya dönüştürülür ve sonuç olarak gerilim transformatörünün sekonder sargıları sağlamken primer sargıları zarar görür.
Resim 1-2: Ferrorezonans yüzünden patlayan gerilim transformatörünün primer sargıları
Resim 3-4: Ferrorezonans yüzünden patlayan gerilim transformatörünün sekonder sargıları
GERİLİM TRANSFORMATÖRLERİNDE FERROREZONANSIN ÖNLENMESİ
Tek kutuplu endüktif gerilim transformatörü kullanıldığında, devre kapatıldığında ya da toprak hatasının sönümlenmesi sürecinde ferrorezonans oluşabileceğini unutmamak çok önemlidir. Ferrorezonans, gerilim transformatörlerinin aşırı ısınmasına ve bu ısınmaya bağlı olarak zarar görmesine ya da gerilim aşırı endüktiflenmesine neden olabilir. Bu durum, ancak gerilimin çok aşağıya çekilmesi veya sabit bir omik direnç yüklenmesi ile sönümlendirilebilir. Ferrorezonansın ne zaman oluşabileceğini kestirmek pek mümkün olmasa da, önceden alınacak önlemler sayesinde oluşma riski azaltılabilir ve önlenebilir. Önleyici birkaç tedbirin içinde uygulanabilmesi en pratik ve ekonomik yöntem; gerilim transformatörlerinin sekonder sargılarında sabit bir sönümleme direnci ile birlikte açık üçgen sargı kullanmaktır.
3 faza ait gerilim transformatörlerinin koruma sargıları Şekil – 1 deki devre gibi açık üçgen bağlantının iki ucu sabit bir omik direnç ile kapatıldığında, buradan 3. harmonik akımı geçeceğinden bu sayede rezonansa girmesi engellenir. Bu direncin avantajı, ölçüm hassasiyetini etkilememesi ve normal işletme koşullarında herhangi bir kayba neden olmamasıdır. Açık üçgen devresi şekil-1 deki gibi daima tek bir noktadan topraklanmalıdır. Direnç sadece dengesiz durumlarda açık üçgen devrede akım dolaşmamaktadır.
SÖNÜMLEME DİRENCİNİN HESAPLANMASI
Sönümlenme direnci gerilim transformatörünün etiketinde verilen verilerle hesaplanabilir. Direnç için önerilen minimum direnç (R) ve güç (PR) hesabı aşağıdaki şekildedir:
` R_D >= (U_\Delta^2)\overS_\Delta = sqrt3∙(U_{sr}^2)/S_{sr} P_v >= (3,3∙U_{sr})^2/R_D `
U sr bȶ Gerilim transformatörünün direnç bağlanacak nominal sekonder sargı gerilimi
S v : Gerilim transformatörünün dirençle ilgili sekonder sargısının nominal ısıl yükü (VA)
Enerji dağıtım sistemlerinde kablo sistemlerinin sayısı arttıkça, sistemlerin arızasız ve kesintisiz bir şekilde çalışması için, gerilim transformatörlerinin korunması çok önemli bir hale gelmiştir. Güç sistemlerinde meydana gelen ferrorezonans, kararlı aşırı gerilim ve aşırı akım karakteristiğinden dolayı elektrik ekipmanları için çok zararlı olabilir.
Bu nedenle sistemler Ferrorezonans riski dikkate alınarak tasarlanmalı ve ferrorezonansı önlemede etkili bir yol olduğundan; tüm gerilim transformatörlerinde açık üçgen bağlantı ve sönümleme direnci kullanılmalıdır.
Kaynaklar
[1] D.A.N. Jacobson, “Examples of Ferroresonance in a High Voltagepower System”, in Power Engineering Society.
[2] F.Akça, “Enerji İletim Sistemlerinde Ferrorezonans Olayları”,SAU Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi,6.Cilt,2. Sayı,2002.
[3] V.Valverde, A.J. Mazon, I.Zamora, G.Buiges, “Ferroresonance in Voltage Transformers: Analysis and Simulations”, Electrical Engineering Department E.T.S.I.I.
[4]R.C. Dugan,” Examples of Ferroresonance in Distribution Systems”, Fellor, IEEE
[5]Ferracci, P.: “Ferroresonance”, Group Schneider: Cahier nº 190, 1998.
[6] R. F. Karlicek and E. R. Taylor, “Ferroresonance of Grounded Potential Transformers on Ungrounded Power Systems”, Power Apparatus and Systems, Part III. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, 1959.
[7] Erbay, Ali, “Parameter Study of Ferro- Resonance with Harmonic Balance Method”, Degree Project in Electric Power Systems Second Level,201
[8] Siemens, “Damping resistor “,2005.
eren Yorum
yusuf topgaç
says:Faydalı bilgiler , teşekkür ederim.