Doğadaki nehirlerin hepsinin belirli bir eğimi vardır. Su, yerçekiminin etkisi altında nehir yatağı boyunca akar. Yüksek rakımlardaki su, bol miktarda potansiyel enerji içerir. Hidrolik yapılar ve elektromekanik ekipmanların yardımıyla, suyun enerjisi elektrik enerjisine, yani hidroelektrik üretimine dönüştürülebilir. Hidroelektrik üretiminin prensibi elektromanyetik indüksiyonumuzdur, yani bir iletken manyetik alandaki manyetik akı hatlarını kestiğinde akım üretecektir. Bunlar arasında, iletkenin manyetik alandaki "hareketi", su akışının türbine çarparak su enerjisini dönme mekanik enerjisine dönüştürmesiyle elde edilir; ve manyetik alan neredeyse her zaman jeneratör rotor sargısından akan uyarım sistemi tarafından üretilen uyarım akımı tarafından oluşturulur, yani manyetizma elektrikle üretilir.
1. Uyarma sistemi nedir? Senkron jeneratörün enerji dönüşümünü gerçekleştirebilmesi için bir DC manyetik alana ihtiyacı vardır ve bu manyetik alanı oluşturan DC akımına jeneratörün uyarma akımı denir. Genellikle, elektromanyetik indüksiyon prensibine göre jeneratör rotorunda manyetik alan oluşturma işlemine uyarma denir. Uyarma sistemi, senkron jeneratör için uyarma akımı sağlayan ekipmanı ifade eder. Senkron jeneratörün önemli bir parçasıdır. Genellikle iki ana parçadan oluşur: uyarma güç ünitesi ve uyarma regülatörü. Uyarma güç ünitesi, senkron jeneratör rotoruna uyarma akımı sağlar ve uyarma regülatörü, uyarma güç ünitesinin çıkışını giriş sinyaline ve verilen düzenleme kriterlerine göre kontrol eder.
2. Uyarma sisteminin işlevi Uyarma sisteminin aşağıdaki ana işlevleri vardır: (1) Normal çalışma koşulları altında, jeneratör uyarma akımını sağlar ve gerilim kararlılığını korumak için jeneratör terminal gerilimi ve yük koşullarına göre verilen yasaya göre uyarma akımını ayarlar. Uyarma akımı ayarlanarak gerilim kararlılığı neden sağlanabilir? Jeneratör stator sargısının indüklenen potansiyeli (yani yüksüz potansiyeli) Ed, terminal gerilimi Ug, jeneratörün reaktif yük akımı Ir ve uzunlamasına senkron reaktans Xd arasında yaklaşık bir ilişki vardır:
İndüklenen potansiyel Ed manyetik akı ile orantılıdır ve manyetik akı uyarma akımının büyüklüğüne bağlıdır. Uyarım akımı değişmeden kaldığında, manyetik akı ve indüklenen potansiyel Ed değişmeden kalır. Yukarıdaki formülden, jeneratörün terminal voltajının reaktif akımın artmasıyla azalacağı görülebilir. Ancak, kullanıcının güç kalitesi gereksinimlerini karşılamak için, jeneratörün terminal voltajı temelde değişmeden kalmalıdır. Açıkçası, bu gereksinimi karşılamanın yolu, reaktif akım Ir değiştikçe (yani yük değiştikçe) jeneratörün uyarma akımını ayarlamaktır. (2) Yük koşullarına göre, uyarma akımı reaktif gücü ayarlamak için verilen bir kurala göre ayarlanır. Reaktif gücü ayarlamak neden gereklidir? Transformatörler, motorlar, kaynak makineleri vb. gibi birçok elektrikli ekipman elektromanyetik indüksiyon prensibine göre çalışır. Hepsi enerjiyi dönüştürmek ve aktarmak için alternatif bir manyetik alan oluşturulmasına güvenir. Alternatif bir manyetik alan ve indüklenen manyetik akı oluşturmak için gereken elektrik gücüne reaktif güç denir. Elektromanyetik bobinli tüm elektrikli ekipmanlar manyetik alan oluşturmak için reaktif güç tüketir. Reaktif güç olmadan motor dönmez, transformatör voltajı dönüştüremez ve birçok elektrikli ekipman çalışmaz. Bu nedenle, reaktif güç hiçbir şekilde işe yaramaz bir güç değildir. Normal koşullar altında, elektrikli ekipman jeneratörden yalnızca aktif güç elde etmekle kalmaz, aynı zamanda jeneratörden reaktif güç de elde etmesi gerekir. Elektrik şebekesindeki reaktif güç yetersizse, elektrikli ekipman normal bir elektromanyetik alan oluşturmak için yeterli reaktif güce sahip olmayacaktır. Daha sonra bu elektrikli ekipmanlar nominal çalışmayı sürdüremez ve elektrikli ekipmanın terminal voltajı düşerek elektrikli ekipmanın normal çalışmasını etkiler. Bu nedenle, reaktif gücü gerçek yüke göre ayarlamak gerekir ve jeneratör tarafından üretilen reaktif güç, uyarma akımının büyüklüğüyle ilişkilidir. Burada belirli ilke ayrıntılı olarak açıklanmayacaktır. (3) Güç sisteminde kısa devre kazası meydana geldiğinde veya diğer nedenlerden dolayı jeneratör terminal voltajı ciddi şekilde düştüğünde, jeneratör güç sisteminin dinamik kararlılık sınırını ve röle koruma eyleminin doğruluğunu iyileştirmek için zorla uyarılabilir. (4) Jeneratör aşırı voltajı ani yük atılması ve diğer nedenlerden dolayı meydana geldiğinde, jeneratör terminal voltajının aşırı artışını sınırlamak için jeneratör zorla manyetikliği giderilebilir. (5) Güç sisteminin statik kararlılığını iyileştirin. (6) Jeneratörün içinde ve bağlantı tellerinde faz-faz kısa devre meydana geldiğinde veya jeneratör terminal voltajı çok yüksek olduğunda, kazanın genişlemesini sınırlamak için manyetikliği giderme işlemi hızla gerçekleştirilir. (7) Paralel jeneratörlerin reaktif gücü makul bir şekilde dağıtılabilir.
3. Uyarma sistemlerinin sınıflandırılması Jeneratörün uyarma akımını elde etme biçimine (yani uyarma güç kaynağının besleme yöntemine) göre uyarma sistemi, dış uyarma ve öz uyarma olarak ikiye ayrılabilir: diğer güç kaynaklarından elde edilen uyarma akımına dış uyarma; jeneratörün kendisinden elde edilen uyarma akımına öz uyarma denir. Doğrultma yöntemine göre döner uyarma ve statik uyarma olarak ikiye ayrılabilir. Statik uyarma sisteminin özel bir uyarma makinesi yoktur. Uyarma gücünü jeneratörün kendisinden elde ediyorsa öz uyarmalı statik uyarma olarak adlandırılır. Öz uyarmalı statik uyarma, öz paralel uyarma ve öz bileşik uyarma olarak ikiye ayrılabilir.
En yaygın kullanılan uyarma yöntemi, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, kendi kendine paralel uyarma statik uyarmasıdır. Uyarım gücünü jeneratör çıkışına bağlı doğrultucu trafosu üzerinden alır ve doğrultmadan sonra jeneratör uyarma akımını sağlar.
Kendiliğinden paralel uyartımlı statik doğrultucu uyartım sisteminin kablo şeması
Kendi kendine paralel uyarım statik uyarım sistemi esas olarak şu parçalardan oluşur: uyarım trafosu, doğrultucu, manyetik giderme cihazı, regülasyon kontrolörü ve aşırı gerilim koruma cihazı. Bu beş parça sırasıyla şu işlevleri tamamlar:
(1) Uyarım trafosu: Makine ucundaki voltajı, doğrultucuya uyan bir voltaja düşürün.
(2) Doğrultucu: Tüm sistemin çekirdek bileşenidir. Üç fazlı tam kontrollü bir köprü devresi genellikle AC'den DC'ye dönüşüm görevini tamamlamak için kullanılır.
(3) Mıknatıslanmayı giderme cihazı: Mıknatıslanmayı giderme cihazı, mıknatıslanmayı giderme anahtarı ve mıknatıslanmayı giderme direnci olmak üzere iki parçadan oluşur. Bu cihaz, bir kaza durumunda ünitenin hızlı bir şekilde mıknatıslanmasını gidermekten sorumludur.
(4) Düzenleme kontrolörü: Uyarım sisteminin kontrol cihazı, jeneratörün reaktif gücünü ve voltajını düzenleme etkisini elde etmek için doğrultucu cihazının tristörünün iletim açısını kontrol ederek uyarım akımını değiştirir.
(5) Aşırı gerilim koruması: Jeneratör rotor devresinde aşırı gerilim olduğunda, devre aşırı gerilim enerjisini tüketmek, aşırı gerilim değerini sınırlamak ve jeneratör rotor sargısını ve bağlı ekipmanlarını korumak için açılır.
Kendiliğinden paralel uyarımlı statik uyarım sisteminin avantajları şunlardır: basit yapı, daha az ekipman, düşük yatırım ve daha az bakım. Dezavantajı ise jeneratör veya sistem kısa devre yaptığında uyarım akımının kaybolması veya büyük ölçüde düşmesi, bu sırada uyarım akımının büyük ölçüde artırılması (yani zorunlu uyarım) gerektiğidir. Ancak, modern büyük ünitelerin çoğunlukla kapalı baralar kullandığı ve yüksek gerilimli elektrik şebekelerinin genellikle hızlı koruma ve yüksek güvenilirlikle donatıldığı düşünüldüğünde, bu uyarım yöntemini kullanan ünite sayısı artmaktadır ve bu aynı zamanda yönetmelikler ve şartnameler tarafından önerilen uyarım yöntemidir. 4. Ünitenin elektriksel frenlenmesi Ünite boşaltıldığında ve kapatıldığında, mekanik enerjinin bir kısmı rotorun büyük dönme ataleti nedeniyle depolanır. Enerjinin bu kısmı ancak itme yatağı, kılavuz yatağı ve havanın sürtünme ısı enerjisine dönüştürüldükten sonra tamamen durdurulabilir. Havanın sürtünme kaybı çevrenin doğrusal hızının karesine orantılı olduğundan, rotor hızı ilk başta çok hızlı bir şekilde düşer ve ardından düşük hızda uzun süre rölantide kalır. Ünite düşük hızda uzun süre çalıştığında, itme kafasının altındaki ayna plakası ile yatak burcu arasındaki yağ filmi oluşturulamadığı için itme burcu yanabilir. Bu nedenle, kapatma işlemi sırasında ünitenin hızı belirli bir belirtilen değere düştüğünde, ünite frenleme sisteminin devreye alınması gerekir. Ünite frenlemesi, elektrikli frenleme, mekanik frenleme ve kombine frenleme olarak ayrılır. Elektrikli frenleme, jeneratör ayrıldıktan ve manyetikliği giderildikten sonra üç fazlı jeneratör statorunu makine uç çıkışında kısa devre yapmak ve ünite hızının nominal hızın yaklaşık %50 ila %60'ına düşmesini beklemektir. Bir dizi mantıksal işlem yoluyla frenleme gücü sağlanır ve uyarma regülatörü, jeneratör rotor sargısına uyarma akımı eklemek için elektrikli frenleme moduna geçer. Jeneratör döndüğü için, stator rotor manyetik alanının etkisi altında kısa devre akımı oluşturur. Üretilen elektromanyetik tork, frenleme rolü oynayan rotorun atalet yönünün tam tersidir. Elektrikli frenlemeyi gerçekleştirme sürecinde, frenleme güç kaynağının harici olarak sağlanması gerekir; bu, uyarma sisteminin ana devre yapısıyla yakından ilgilidir. Elektrikli fren uyarma güç kaynağını elde etmenin çeşitli yolları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Elektrikli fren uyarım güç kaynağını elde etmenin çeşitli yolları
İlk şekilde, uyarma cihazı kendi kendine paralel uyarma kablolama yöntemidir. Makine ucu kısa devre olduğunda, uyarma trafosunun güç kaynağı yoktur. Frenleme güç kaynağı özel bir fren trafosundan gelir ve fren trafosu tesis gücüne bağlanır. Yukarıda belirtildiği gibi, çoğu hidroelektrik projesi kendi kendine paralel uyarma statik doğrultucu uyarma sistemi kullanır ve uyarma sistemi ve elektrikli fren sistemi için bir doğrultucu köprüsü kullanmak daha ekonomiktir. Bu nedenle, elektrikli fren uyarma güç kaynağı elde etmenin bu yöntemi daha yaygındır. Bu yöntemin elektrikli frenleme iş akışı aşağıdaki gibidir:
(1) Ünite çıkış devre kesicisi açılır ve sistem ayrılır.
(2) Rotor sargısı manyetikliğini kaybetmiştir.
(3) Uyarım trafosunun sekonder tarafındaki güç anahtarı açılır.
(4) Ünite elektrik freni kısa devre anahtarı kapalıdır.
(5) Elektrikli fren trafosunun sekonder tarafındaki güç anahtarı kapalıdır.
(6) Doğrultucu köprü tristörü iletime geçmek üzere tetiklenir ve ünite elektrikli fren durumuna girer.
(7) Ünitenin hızı sıfır olduğunda, elektrikli fren serbest bırakılır (kombine frenleme kullanılıyorsa, hız nominal hızın %5 ila %10'una ulaştığında, mekanik frenleme uygulanır). 5. Akıllı uyarma sistemi Akıllı hidroelektrik santrali, bilgi sayısallaştırma, iletişim ağı, entegre standardizasyon, iş etkileşimi, operasyon optimizasyonu ve akıllı karar alma özelliklerine sahip bir hidroelektrik santrali veya hidroelektrik istasyonu grubunu ifade eder. Akıllı hidroelektrik santralleri, proses katmanı ağı (GOOSE ağı, SV ağı) ve istasyon kontrol katmanı ağı (MMS ağı) olmak üzere 3 katmanlı 2 ağ yapısı kullanılarak dikey olarak proses katmanı, ünite katmanı ve istasyon kontrol katmanına ayrılır. Akıllı hidroelektrik santrallerinin akıllı ekipmanlarla desteklenmesi gerekir. Hidro-türbin jeneratör setinin çekirdek kontrol sistemi olarak, uyarma sisteminin teknolojik gelişimi, akıllı hidroelektrik santrallerinin yapımında önemli bir destekleyici rol oynar.
Akıllı hidroelektrik santrallerinde, türbin jeneratör setini başlatma ve durdurma, reaktif gücü artırma ve azaltma ve acil kapatma gibi temel görevleri tamamlamanın yanı sıra, uyarma sistemi IEC61850 veri modelleme ve iletişim işlevlerini de karşılayabilmeli ve istasyon kontrol katmanı ağı (MMS ağı) ve proses katmanı ağı (GOOSE ağı ve SV ağı) ile iletişimi destekleyebilmelidir. Uyarma sistemi cihazı, akıllı hidroelektrik santral sistem yapısının birim katmanında, birleştirme ünitesi, akıllı terminal, yardımcı kontrol ünitesi ve diğer cihazlar veya akıllı ekipmanlar ise proses katmanında düzenlenmiştir. Sistem yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Akıllı uyarım sistemi
Akıllı hidroelektrik santralinin istasyon kontrol katmanının ana bilgisayarı IEC61850 iletişim standardının gereksinimlerini karşılar ve uyarma sisteminin sinyalini MMS ağı üzerinden izleme sisteminin ana bilgisayarına gönderir. Akıllı uyarma sistemi, proses katmanında veri toplamak için GOOSE ağı ve SV ağ anahtarlarıyla bağlantı kurabilmelidir. Proses katmanı, CT, PT ve yerel bileşenler tarafından çıktı olarak verilen verilerin tümünün dijital biçimde olmasını gerektirir. CT ve PT birleştirme ünitesine bağlanır (elektronik transformatörler optik kablolarla bağlanır ve elektromanyetik transformatörler kablolarla bağlanır). Akım ve voltaj verileri sayısallaştırıldıktan sonra optik kablolar üzerinden SV ağ anahtarına bağlanırlar. Yerel bileşenlerin kablolar üzerinden akıllı terminale bağlanması ve anahtar veya analog sinyallerin dijital sinyallere dönüştürülerek optik kablolar üzerinden GOOSE ağ anahtarına iletilmesi gerekir. Şu anda, uyarma sistemi temel olarak istasyon kontrol katmanı MMS ağı ve proses katmanı GOOSE/SV ağı ile iletişim işlevine sahiptir. IEC61850 iletişim standardının ağ bilgi etkileşimini karşılamanın yanı sıra, akıllı uyarım sistemi kapsamlı çevrimiçi izleme, akıllı arıza teşhisi ve uygun test işlemi ve bakımına da sahip olmalıdır. Tam işlevli akıllı uyarım cihazının performansı ve uygulama etkisi gelecekteki gerçek mühendislik uygulamalarında test edilmelidir.
Gönderi zamanı: 09-Eki-2024
