Doğadaki nehirlerin hepsinin belirli bir eğimi vardır. Su, yerçekiminin etkisiyle nehir yatağı boyunca akar. Yüksek rakımlardaki su bol miktarda potansiyel enerji içerir. Hidrolik yapılar ve elektromekanik ekipmanlar yardımıyla, suyun enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülebilir, yani hidroelektrik enerji üretimi sağlanabilir. Hidroelektrik enerji üretiminin prensibi elektromanyetik indüksiyondur; yani bir iletken manyetik alandaki manyetik akı çizgilerini kestiğinde akım üretir. Burada, iletkenin manyetik alandaki "hareketi", su akışının türbine çarpmasıyla su enerjisinin dönme mekanik enerjisine dönüştürülmesiyle sağlanır; ve manyetik alan neredeyse her zaman, jeneratör rotor sargısından geçen uyarma sistemi tarafından üretilen uyarma akımıyla oluşturulur, yani manyetizma elektrik enerjisi üretir.
1. Uyarma sistemi nedir? Enerji dönüşümünü gerçekleştirmek için senkron jeneratörün doğru akım manyetik alanına ihtiyacı vardır ve bu manyetik alanı üreten doğru akıma jeneratörün uyarma akımı denir. Genellikle, elektromanyetik indüksiyon prensibine göre jeneratör rotorunda manyetik alan oluşturma işlemine uyarma denir. Uyarma sistemi, senkron jeneratöre uyarma akımı sağlayan ekipmanı ifade eder. Senkron jeneratörün önemli bir parçasıdır. Genellikle iki ana bölümden oluşur: uyarma güç ünitesi ve uyarma regülatörü. Uyarma güç ünitesi, senkron jeneratör rotoruna uyarma akımı sağlar ve uyarma regülatörü, giriş sinyaline ve verilen düzenleme kriterlerine göre uyarma güç ünitesinin çıkışını kontrol eder.
2. Uyarma Sisteminin Fonksiyonu Uyarma sisteminin başlıca fonksiyonları şunlardır: (1) Normal çalışma koşullarında, jeneratöre uyarma akımı sağlar ve gerilim kararlılığını korumak için jeneratör terminal gerilimine ve yük koşullarına göre verilen yasaya göre uyarma akımını ayarlar. Uyarma akımının ayarlanmasıyla gerilim kararlılığı neden korunabilir? Jeneratör stator sargısının indüklenen potansiyeli (yani yüksüz potansiyel) Ed, terminal gerilimi Ug, jeneratörün reaktif yük akımı Ir ve boyuna senkron reaktans Xd arasında yaklaşık bir ilişki vardır:
İndüklenen potansiyel Ed, manyetik akı ile orantılıdır ve manyetik akı, uyarma akımının büyüklüğüne bağlıdır. Uyarma akımı değişmeden kaldığında, manyetik akı ve indüklenen potansiyel Ed de değişmez. Yukarıdaki formülden, jeneratörün terminal geriliminin reaktif akımın artmasıyla azalacağı görülebilir. Bununla birlikte, kullanıcının güç kalitesi gereksinimlerini karşılamak için, jeneratörün terminal gerilimi temelde değişmeden kalmalıdır. Açıkçası, bu gereksinimi sağlamanın yolu, reaktif akım Ir değiştikçe (yani yük değiştikçe) jeneratörün uyarma akımını ayarlamaktır. (2) Yük koşullarına göre, reaktif gücü ayarlamak için uyarma akımı belirli bir kurala göre ayarlanır. Reaktif gücü ayarlamak neden gereklidir? Birçok elektrikli ekipman, transformatörler, motorlar, kaynak makineleri vb. gibi elektromanyetik indüksiyon prensibine göre çalışır. Hepsi, enerjiyi dönüştürmek ve aktarmak için alternatif bir manyetik alan oluşturmaya dayanır. Alternatif bir manyetik alan ve indüklenen manyetik akı oluşturmak için gereken elektrik gücüne reaktif güç denir. Elektromanyetik bobinlere sahip 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 kesinlikle işe yaramaz bir güç değildir. Normal şartlar altında, elektrikli ekipmanlar sadece jeneratörden aktif güç almakla kalmaz, aynı zamanda jeneratörden reaktif güç de almak zorundadır. Elektrik şebekesinde reaktif güç yetersizse, elektrikli ekipmanlar normal bir elektromanyetik alan oluşturmak için yeterli reaktif güce sahip olmaz. Bu durumda, bu elektrikli ekipmanlar nominal çalışma kapasitesini koruyamaz ve elektrikli ekipmanların terminal voltajı düşer, böylece elektrikli ekipmanların normal çalışması etkilenir. Bu nedenle, reaktif gücün gerçek yüke göre ayarlanması gerekir ve jeneratör tarafından üretilen reaktif güç, uyarma akımının büyüklüğüyle ilişkilidir. Spesifik prensip burada ayrıntılı olarak ele alınmayacaktır. (3) Güç sisteminde kısa devre kazası meydana geldiğinde veya jeneratör terminal voltajının ciddi şekilde düşmesine neden olan başka nedenler olduğunda, güç sisteminin dinamik kararlılık sınırını ve röle koruma eyleminin doğruluğunu iyileştirmek için jeneratör zorla uyarılabilir. (4) Ani yük azaltma ve diğer nedenlerden dolayı jeneratörde aşırı gerilim meydana geldiğinde, jeneratör terminal voltajının aşırı artışını sınırlamak için jeneratör zorla manyetikten arındırılabilir. (5) Güç sisteminin statik kararlılığını iyileştirir. (6) Jeneratörün içinde ve iletken tellerinde fazlar arası kısa devre meydana geldiğinde veya jeneratör terminal voltajı çok yüksek olduğunda, kazanın yayılmasını sınırlamak için hızlı bir şekilde manyetikten arındırma işlemi gerçekleştirilir. (7) Paralel jeneratörlerin reaktif gücü makul bir şekilde dağıtılabilir.
3. Uyarma Sistemlerinin Sınıflandırılması Jeneratörün uyarma akımını elde etme şekline (yani uyarma güç kaynağının besleme yöntemine) göre uyarma sistemleri harici uyarma ve kendinden uyarma olarak ikiye ayrılabilir: diğer güç kaynaklarından elde edilen uyarma akımına harici uyarma; jeneratörün kendisinden elde edilen uyarma akımına ise kendinden uyarma denir. Doğrultma yöntemine göre ise döner uyarma ve statik uyarma olarak ikiye ayrılabilir. Statik uyarma sisteminde özel bir uyarma makinesi bulunmaz. Uyarma gücünü jeneratörün kendisinden alıyorsa, kendinden uyarmalı statik uyarma olarak adlandırılır. Kendinden uyarmalı statik uyarma, kendinden paralel uyarma ve kendinden bileşik uyarma olarak ikiye ayrılabilir.
En yaygın kullanılan uyarma yöntemi, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, kendinden paralel uyarmalı statik uyarmadır. Uyarma gücünü jeneratör çıkışına bağlı doğrultucu transformatör aracılığıyla alır ve doğrultma işleminden sonra jeneratöre uyarma akımını sağlar.
Kendinden paralel uyarımlı statik doğrultucu uyarı sisteminin bağlantı şeması
Kendinden paralel uyarmalı statik uyarma sistemi esas olarak şu parçalardan oluşur: uyarma transformatörü, doğrultucu, manyetik alan giderme cihazı, regülasyon kontrolörü ve aşırı gerilim koruma cihazı. Bu beş parça sırasıyla aşağıdaki işlevleri yerine getirir:
(1) Uyarma transformatörü: Makine ucundaki voltajı doğrultucuya uygun bir voltaja düşürür.
(2) Doğrultucu: Tüm sistemin temel bileşenidir. AC'den DC'ye dönüştürme işlemini tamamlamak için genellikle üç fazlı, tam kontrollü bir köprü devresi kullanılır.
(3) Manyetik giderme cihazı: Manyetik giderme cihazı, manyetik giderme anahtarı ve manyetik giderme direnci olmak üzere iki parçadan oluşur. Bu cihaz, bir kaza durumunda ünitenin hızlı bir şekilde manyetikten arındırılmasından sorumludur.
(4) Düzenleme kontrolörü: Uyarma sisteminin kontrol cihazı, jeneratörün reaktif gücünü ve gerilimini düzenleme etkisini elde etmek için doğrultucu cihazın tristörünün iletim açısını kontrol ederek uyarma akımını değiştirir.
(5) Aşırı gerilim koruması: Jeneratör rotor devresinde aşırı gerilim oluştuğunda, devre aşırı gerilim enerjisini tüketmek, aşırı gerilim değerini sınırlamak ve jeneratör rotor sargısını ve ona bağlı ekipmanı korumak için devreye alınır.
Kendinden paralel uyarmalı statik uyarma sisteminin avantajları şunlardır: basit yapı, daha az ekipman, düşük yatırım ve daha az bakım. Dezavantajı ise jeneratör veya sistem kısa devre yaptığında uyarma akımının kaybolması veya büyük ölçüde düşmesidir; bu durumda uyarma akımının büyük ölçüde artırılması (yani zorlamalı uyarma) gerekir. Bununla birlikte, modern büyük ünitelerin çoğunlukla kapalı bara sistemleri kullandığı ve yüksek gerilim şebekelerinin genellikle hızlı koruma ve yüksek güvenilirlik ile donatıldığı göz önüne alındığında, bu uyarma yöntemini kullanan ünite sayısı artmaktadır ve bu aynı zamanda yönetmelikler ve şartnameler tarafından önerilen uyarma yöntemidir. 4. Ünitenin Elektrikli Frenlenmesi Ünite yüksüz bırakıldığında ve kapatıldığında, rotorun büyük dönme ataleti nedeniyle mekanik enerjinin bir kısmı depolanır. Bu enerji kısmı, itme yatağı, kılavuz yatağı ve havanın sürtünme ısı enerjisine dönüştürüldükten sonra tamamen durdurulabilir. Havanın sürtünme kaybı, çevrenin doğrusal hızının karesiyle orantılı olduğundan, rotor hızı ilk başta çok hızlı bir şekilde düşer ve daha sonra uzun süre düşük hızda rölantide çalışır. Ünite uzun süre düşük hızda çalıştığında, itme başlığının altındaki ayna plakası ile yatak burcu arasında yağ filmi oluşamadığı için itme burcu yanabilir. Bu nedenle, kapatma işlemi sırasında, ünitenin hızı belirli bir değere düştüğünde, ünite frenleme sisteminin devreye alınması gerekir. Ünite frenlemesi, elektrikli frenleme, mekanik frenleme ve kombine frenleme olmak üzere üç şekilde yapılır. Elektrikli frenleme, jeneratörün bağlantısı kesildikten ve manyetik alan giderildikten sonra, makine ucundaki çıkışta üç fazlı jeneratör statorunun kısa devre edilmesi ve ünitenin hızının nominal hızın yaklaşık %50-60'ına düşmesinin beklenmesidir. Bir dizi mantıksal işlemle 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 üretir. Oluşan elektromanyetik tork, rotorun atalet yönünün tam tersidir ve frenleme görevi görür. Elektrikli frenleme sisteminin gerçekleştirilmesi sürecinde, frenleme güç kaynağının dışarıdan sağlanması gerekmektedir ve bu, uyarma sisteminin ana devre yapısıyla yakından ilgilidir. Elektrikli frenleme uyarma güç kaynağının elde edilme yöntemleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Elektrikli fren uyarma güç kaynağını elde etmenin çeşitli yolları
İlk yöntemde, uyarma cihazı kendinden paralel uyarma kablolama yöntemidir. Makine ucunda kısa devre olduğunda, uyarma transformatörünün güç kaynağı olmaz. Frenleme güç kaynağı, özel bir fren transformatöründen gelir ve fren transformatörü santral gücüne bağlanır. Yukarıda belirtildiği gibi, çoğu hidroelektrik santral projesinde kendinden paralel uyarmalı statik doğrultucu uyarma sistemi kullanılır ve uyarma sistemi ve elektrikli fren sistemi için bir doğrultucu köprüsü kullanmak daha ekonomiktir. Bu nedenle, elektrikli fren uyarma güç kaynağının bu şekilde elde edilmesi daha yaygındır. Bu yöntemin elektrikli frenleme iş akışı aşağıdaki gibidir:
(1) Ünite çıkış devresi kesicisi açılır ve sistem bağlantısı kesilir.
(2) Rotor sargısı manyetik özelliğinden arındırılmıştır.
(3) Uyarıcı transformatörün ikincil tarafındaki güç şalteri açılır.
(4) Ünite elektrikli fren kısa devre şalteri kapalıdır.
(5) Elektrikli fren transformatörünün ikincil 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 (eğer kombine frenleme kullanılıyorsa, hız nominal hızın %5 ila %10'una ulaştığında mekanik frenleme uygulanır). 5. Akıllı uyarma sistemi Akıllı hidroelektrik santrali, bilgi dijitalleştirme, iletişim ağı, entegre standardizasyon, iş etkileşimi, işletme optimizasyonu ve akıllı karar verme özelliklerine sahip bir hidroelektrik santrali veya hidroelektrik santral grubunu ifade eder. Akıllı hidroelektrik santralleri, proses katmanı, ünite katmanı ve istasyon kontrol katmanı olmak üzere dikey olarak üç katmanlı 2 ağlı bir yapıda proses katmanı ağı (GOOSE ağı, SV ağı) ve istasyon kontrol katmanı ağı (MMS ağı) kullanılarak oluşturulur. Akıllı hidroelektrik santrallerinin akıllı ekipmanlarla desteklenmesi gerekir. Hidro-türbin jeneratör setinin çekirdek kontrol sistemi olarak, uyarma sisteminin teknolojik gelişimi, akıllı hidroelektrik santrallerinin inşasında önemli bir destekleyici rol oynar.
Akıllı hidroelektrik santrallerinde, türbin jeneratör setinin çalıştırılması ve durdurulması, reaktif gücün artırılması ve azaltılması ve acil durum kapatma gibi temel görevlerin yanı sıra, uyarma sistemi IEC61850 veri modelleme ve iletişim fonksiyonlarını da karşılayabilmeli ve santral 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 ünite katmanında, birleştirme ünitesi, akıllı terminal, yardımcı kontrol ünitesi ve diğer cihazlar veya akıllı ekipmanlar ise proses katmanında yer almaktadır. Sistem yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Akıllı uyarı 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, akım transformatörü (CT), gerilim transformatörü (PT) ve yerel bileşenler tarafından üretilen verilerin tümünün dijital biçimde olmasını gerektirir. CT ve PT, birleştirme ünitesine bağlanır (elektronik transformatörler optik kablolarla, elektromanyetik transformatörler ise kablolarla bağlanır). Akım ve gerilim verileri dijitalleştirildikten sonra, optik kablolar aracılığıyla SV ağ anahtarına bağlanır. Yerel bileşenlerin kablolar aracılığıyla akıllı terminale bağlanması ve anahtar veya analog sinyallerin dijital sinyallere dönüştürülerek optik kablolar aracılığıyla GOOSE ağ anahtarına iletilmesi gerekmektedir. 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 uyarma sisteminin kapsamlı çevrimiçi izleme, akıllı arıza teşhisi ve kolay test işlemi ve bakım özelliklerine de sahip olması gerekmektedir. Tam işlevli akıllı uyarma cihazının performansı ve uygulama etkisi, gelecekteki gerçek mühendislik uygulamalarında test edilmelidir.
Yayın tarihi: 09.10.2024
