Bir senkron jeneratörde ani bir değişiklik (örneğin bir kısa devre) meydana geldiğinde, makinenin manyetik alanları anında dengeye ulaşamaz. Akım akışına karşı gösterilen toplam reaktans, bu geçiş süresi boyunca üç aşamadan geçer.
Subtransient (Ara Geçiş) Dönemi: Çok kısa anlık tepki (0-3 periyot).
Transient (Geçiş) Dönemi: Kısa süreli tepki (3 periyottan birkaç saniyeye).
Steady-State (Kararlı Hal) Dönemi: Kalıcı, sabit tepki (Birkaç saniyeden sonra).
Bu her bir dönemde makinenin akıma karşı gösterdiği reaktans (direnç) farklıdır.
Reaktanslar makinenin bir arıza (kısa devre) veya yük değişikliği durumunda elektriksel olarak ne kadar direnç göstereceğini veya tepki vereceğini gösteren değerlerdir.
Bu değerler, jeneratörün:
Kısa devre akımının anlık büyüklüğünü,
Sistemdeki geçici (transient) ve kalıcı (steady-state) kararlılığını,
Gerilim regülasyon yeteneğini belirler.
Subtransient Reaktans
Bir kısa devre anında ilk ve en küçük reaktans değeridir. Jeneratörün, kısa devre olur olmaz ilk milisaniyelerde akımın akmasına gösterdiği en düşük empedansıdır.
Senkron jeneratörün terminalinde bir kısa devre arızası (genellikle üç fazlı kısa devre) meydana geldiği anda, makinenin manyetik akıdaki ani değişime karşı gösterdiği en düşük anlık reaktans değeridir.
Jeneratörün kısa devre anında üreteceği maksimum akımı belirler. Bu akım, koruma rölelerinin ayarlanması ve kesicilerin (şalterlerin) boyutlandırılması için kritik öneme sahiptir. Şalt cihazlarının (kesicilerin) anlık açma kapasitesini belirlemede kullanılır.
Kısa devre anında, hem rotorun ana sargısı (alan sargısı) hem de kısa devre çubukları (damper sargıları) geçici olarak manyetik akıyı sıkıştırarak akım akışına izin verir. Bu düşük reaktansı, rotor üzerindeki damper (sönümleyici) sargılar ve alan sargısı oluşturur. Bu sargılar, manyetik akıdaki ani değişime tepki vererek akının hemen çökmesini engeller ve akıma anlık bir yol açar.
Bu reaktans, arızanın ilk birkaç milisaniyesinde (genellikle 1/4 ile 1/2 periyot arası) geçerlidir. Kısa devre akımının mutlak maksimum tepe noktasına ulaştığı andır.
Subtransient Reaktans, arızanın oluştuğu ilk andan itibaren geçerli olup, genellikle ilk 1 ila 3-4 çevrim (cycle) içinde etkisini sürdürür. Bu süre, makinenin tipine ve büyüklüğüne bağlı olarak değişmekle birlikte çok kısadır (yaklaşık 10-20 milisaniye).
Reaktansın en küçük olduğu bu dönemde, kısa devre akımı maksimum değerine ulaşır. Bu anlık, yüksek akım, başlangıç simetrik kısa devre akımı (Ik'') olarak adlandırılır.
Subtransient Reaktansı Oluşturan Mekanizma
Subtransient reaktansın bu kadar düşük olmasının nedeni, makinenin rotorunda bulunan iki ana sargının anlık tepkisidir.
Alan Sargısı (Field Winding)
Rotor üzerindeki ana mıknatıslanma kaynağıdır.
Amortisman (Damper/Sönümleyici) Sargıları
Bunlar, rotorun kutup yüzeylerine veya kutup başlarına yerleştirilmiş, birbirine kısa devre edilmiş bakır veya pirinç çubuklardır (sincap kafese benzer).
Stator akımındaki ani artıştan (kısa devreden) dolayı statorda oluşan manyetik akı, damper sargılarını keser ve bu sargılarda çok büyük bir indüklenmiş akım oluşturur (Lenz Yasası).
Bu indüklenmiş akım, stator akısının etkisini anlık olarak nötrleyecek bir manyetik akı oluşturur. Bu reaksiyon, makinenin içindeki toplam net reaktansı düşürerek akımın kolayca akmasına olanak tanır.
Subtransient reaktansın belirlenmesinde amortisman sargılarının kaçak reaktansı baskındır.
Jeneratörün manyetik yolları d ve q eksenlerinde farklıdır. Bu durum, subtransient reaktans değerinin de iki ayrı bileşeni olmasını gerektirir.
| Reaktans | Tanım | Not |
| D Eksen Subtransient Reaktansı X''d | d-ekseni boyunca (alan sargısı ile aynı hizada) ölçülen anlık reaktans. | Hem alan hem de damper sargıları akı değişimine katılır. |
| q Eksen Subtransient Reaktansı (X''q) | q-ekseni boyunca (d-eksenine 90 derece faz farklı) ölçülen anlık reaktans. | Sadece damper sargıları akı değişimine katılır. |
Kısa devre akımının en büyük olduğu ilk anlık değeri (Ik'') belirlediği için, bu akımı güvenli bir şekilde kesebilecek anahtarlama cihazlarının (devre kesicilerin/şalterlerin) maksimum açma kapasiteleri bu değere göre belirlenir.
Aşırı akım koruma rölelerinin (overcurrent relays) hızlı açma eşikleri (instantaneous trip setting) bu maksimum akımı temel alarak ayarlanır, böylece arıza hızla izole edilebilir.
Ölçüm Yöntemi
Jeneratör yüksüz (boşta) çalıştırılır ve terminal gerilimi nominal gerilimin belirli bir yüzdesine (örneğin %50'sine) ayarlanır. (Çok yüksek akımlardan kaçınmak için genellikle nominal gerilimde test edilmez.)
Jeneratör terminallerine (çıkış uçlarına) ani bir şekilde bir kısa devre anahtarı (veya kesici) aracılığıyla üç fazlı kısa devre uygulanır. Kısa devre anında, jeneratörün statik akımı ve gerilimi, yüksek hızlı osiloskoplar ve veri kayıt cihazları kullanılarak hassas bir şekilde kaydedilir.
Kısa devre testi sonucunda elde edilen akım dalga formu,anlık olarak sönümlenen DC bileşeni ve üç aşamada (subtransient, transient, senkron) sönümlenen AC bileşeni içerir.
Subtransient Reaktans akım dalga formunun ilk anlık AC tepe noktası kullanılarak hesaplanır.
Kaydedilen akım dalga formundan önce sönümlenen DC ofset bileşeni ayrılır.
Sadece simetrik AC bileşenine ait üst ve alt zarf eğrileri belirlenir.
Başlangıç Akımının Tespiti (Ik''): Bu zarf eğrileri geriye doğru t=0 anına (kısa devre anına) ekstrapole edilir. t=0'daki AC simetrik akım değeri (Ik'') bu şekilde belirlenir.
Subtransient Reaktans, genellikle pu (per-unit) cinsinden hesaplanır:
Epre_fault = kısa devreden hemen önceki terminal gerilimidir
Ik'', t=0 anındaki simetrik AC akımıdır.
Büyük jeneratörlerde tam kısa devre testleri pahalı ve zor olabilir. Alternatif olarak, makine düşük hızda ve düşük frekansta (5-10 Hz) döndürülerek özel testler yapılır. Bu test, makinenin endüktif özelliklerini belirlemeye yardımcı olur, ancak en doğru sonuçlar her zaman tam hızlı kısa devre testinden elde edilir.
Tipik Subtransient Reaktans Değerleri
| Jeneratör Tipi (Tahrik Kaynağı) | Güç Aralığı | Rotor Tipi | Tipik Xd′′ Aralığı (pu) | Açıklama |
| Nükleer Türbin Jeneratörleri | Çok Büyük (800 - 1500+ MVA) | Yuvarlak (Silindirik) | 0.10 - 0.20 | Yüksek hız ve büyük güç nedeniyle, makine boyutları optimize edilmiştir. Bu da reaktans değerlerini nispeten düşük tutar. |
| Termik (Kömür/Doğalgaz) Türbin Jeneratörleri | Büyük (100 - 800 MVA) | Yuvarlak (Silindirik) | 0.12 - 0.25 | Nükleer jeneratörlere benzer yüksek hızlı yapıdadır. X''d değerleri, yüksek akım kısıtlaması nedeniyle dar bir aralıkta tutulur. |
| Hidroelektrik Jeneratörleri | Orta/Büyük (10 - 500 MVA) | Çıkık Kutuplu | 0.15 - 0.35 | Düşük hızda çalışmaları ve çıkık kutuplu (salient pole) yapıları nedeniyle, X''d değerleri genellikle Yuvarlak Rotorlu makinelere göre daha yüksek olma eğilimi gösterebilir. |
| Küçük Jeneratörler (Dizel/Gaz Motorlu) | Küçük ( < 10 MVA) | Çıkık Kutuplu | 0.15 - 0.25 | Makine tasarımları daha kompakt ve standart olduğu için, reaktanslar hidroelektrik makinelere yakın bir aralıkta kalır. |
Bir jeneratörün gücü ne kadar büyük olursa (özellikle yüksek hızlı nükleer ve termik jeneratörlerde), X''d değeri o kadar düşük tutulur, çünkü bu büyük sistemlerdeki nominal akımlar zaten çok yüksektir ve koruma sistemleri en kötü durumdaki yüksek akımı kesmek zorundadır.
X''d değerinin öncelikli değerlendirilmesinin ana sebebi, mühendislik pratiğinde en kötü durum (en yüksek akım) senaryosunu temsil etmesidir. X''q'yu bilmek daha kesin bir analiz sağlasa da, koruma ve şalt cihazı boyutlandırma gibi kritik uygulamalarda genellikle X''d değeri yeterli ve güvenli bir temel oluşturur.
Şebeke Kararlılığına Etkisi
Geçici kararlılık, bir sistemin büyük ve ani bir bozulmadan (örneğin bir kısa devre, büyük bir yük atımı veya hat açılması) sonra tekrar senkron çalışmaya devam etme yeteneğini inceler.
Rotor Hareketi Üzerindeki Etkisi (Güç Transferi)
Kısa devre anında, jeneratörün ürettiği elektrik gücü (şebekeye aktarılan güç) aniden sıfıra yakın bir seviyeye düşer. Ancak, jeneratöre giren mekanik güç (türbin gücü) aynı kalır.
Bu güç dengesizliği, rotorun hızlanmasına ve rotor açısının artmasına neden olur. Rotor açısındaki bu hızlı artış, makinenin senkronizasyonu kaybetme (out-of-step) riskini artırır. Sistemin kararlı kalması için kritik olan, arıza temizlendikten sonra sisteme ne kadar hızlı güç transfer edebildiğidir.
Subtransient reaktans düşükse, arıza temizlendikten hemen sonra makinenin şebekeye aktarabileceği maksimum güç yüksek olur.
X'reaktansı geçici kararlılığı belirlese de, X''bu açının ilk hareketini kısıtlar. X'' ne kadar düşükse, arıza anında makinenin iç gerilimi o kadar az çöker ve arıza temizlendikten sonra güç geri kazanımı o kadar hızlı olur.
Kritik Temizleme Süresi (Critical Clearing Time - CCT)
X'' değeri, sistemin kritik temizleme süresini (arıza kesiciler tarafından temizlenmeden önce rotor açısının kararlılık sınırını aşmayacağı maksimum süre) dolaylı olarak etkiler:
X'' ne kadar küçükse, kısa devre akımı o kadar büyük olur. Büyük kısa devre akımı, arıza noktasındaki gerilimi daha fazla çökerterek güç açığını ( Pmek - Pelec) büyütür.
Büyüyen güç açığı, rotorun daha hızlı hızlanmasına ve CCT'nin kısalmasına yol açar.
Bu nedenle, düşük X'' değeri, kesicilerin daha hızlı açılmasını gerektirir.
Gerilim kararlılığı, bir sistemin, bozulmalardan sonra tüm baralardaki gerilimin kabul edilebilir sınırlar içinde tutulabilme yeteneğidir.
Kısa Devre Anında Gerilim Düşüşü
Kısa devre anında, jeneratörün X'' reaktansı, arıza akımını kısıtlayan ilk empedanstır.X''ne kadar düşükse, arızadan çekilen akım o kadar yüksek olur ve bu yüksek akım, arıza noktası etrafındaki tüm baralarda daha derin ve daha yaygın bir gerilim çökmesine neden olur.
Gerilim Desteği
Ani bir bozulma sonrasında jeneratör, geçici olarak çok düşük olan X'' reaktansı üzerinden sisteme anlık olarak çok büyük bir akım (reaktif güç) sağlayarak gerilim desteği sağlar.
Bu destek, sistem geriliminin tamamen çökmesini önlemede ve sistemdeki diğer yüklerin ve motorların çalışmaya devam etmesinde kritik rol oynar.
Bir arıza (kısa devre) meydana geldiğinde, arıza noktası ile jeneratör terminalleri arasındaki empedans (toplam direnç) aniden çok düşük bir seviyeye iner. Bu büyük düşüm nedeniyle, arıza noktasının yakınındaki tüm baraların gerilimi anında çöker ve nominal seviyenin çok altına iner. Gerilim desteği, jeneratörün iç mekanizmasının bu gerilim düşüşüne karşı gösterdiği aktif ve düzeltici tepkidir. Bu tepki, jeneratörün bir gerilim kaynağı olarak çalışmaya devam etme yeteneğinden kaynaklanır. X'' reaktansının düşük olmasının nedeni olan damper ve alan sargıları, manyetik akının (dolayısıyla iç gerilimin) aniden çökmesini engeller. Bu durum, jeneratörün çok güçlü bir iç gerilime (E') sahip olduğu anlamına gelir. Jeneratörün içinde hala güçlü bir E' gerilimi varken, dışarıda gerilim Vt aniden çöker. Bu büyük gerilim farkı E' - Vt, jeneratörden dışarıya doğru çok büyük bir akımın (I''k pompalanmasına neden olur. Bu yüksek akım neredeyse tamamen reaktif güçtür ve bu reaktif güç, sistemin gerektirdiği manyetizasyonu karşılayarak gerilim seviyesini korumaya çalışır. Jeneratör, düşük X'' sayesinde sisteme anlık olarak çok büyük miktarda akım (reaktif güç) enjekte ederek, gerilim düşüşünün olabileceğinden daha kötü olmasını engeller ve gerilimin tamamen sıfırlanmadan bir miktar değerde kalmasını sağlar.
0 Yorumlar