Yük altında kademe değiştiricilerin ark tabanlı modellenmesi, durum izlenmesi ve arıza tespiti

Güç transformatörleri, farklı gerilim seviyelerini değiştirmek ve düzenlemek için güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılan oldukça pahalı ve önemli ünitelerdir. Güç transformatörlerinin güvenli, güvenilir ve kesintisiz çalışması, güç dağıtımının sürekliliğini korumak için son derece önemlidir. Güç trafosunun en pahalı ve hassas parçalarından biri yük altında kademe değiştiricileridir (YAKD). Bunlar, yük değişiminden kaynaklanan yüksek ve alçak gerilim durumlarını kompanze etmek amacıyla güç trafosunun çıkışındaki gerilim seviyesini sargıların adım oranını değiştirerek düzenleyen cihazlardır. Bir YAKD güç transformatörlerinin en hassas ekipmanı olarak kabul edilir, çünkü transformatörlerin hareket eden tek parçasıdır. Bu nedenle, YAKD'nin çalışma koşullarını sürekli olarak izlemek çok önemlidir. YAKD'nin her operasyonu esnasında belirli zamanlarda bir dizi anahtarlama olayı gerçekleşir. Bu anahtarlama olayları, devre kesicilerin (DK) anahtarlama olaylarıyla karşılaştırılabilir. DK'ler, güç sistemleri içinde yaygın olarak yer alan elektro-mekanik anahtarlama cihazlarıdır. DK'lerin temel amacı arıza akımını güvenli, güvenilir şekilde ve zamanında kesmektir. Bir DK, ömrü boyunca çalışma koşullarını bozan ciddi elektriksel, mekanik ve termal streslere maruz kalmaktadır. YAKD'ler için de durum böyledir, çünkü çok benzer prensiplerle çalışmaktadırlar. Bu sebeple, her bir kademe değiştirme işlemi için YAKD'lerin çalışma koşullarının sürekli olarak izlenmesi hayati önem arz eder. Çevrimdışı, çevrimiçi ve gerçek zamanlı olmak üzere DK'ler ve YAKD'ler için geçerli üç tür durum izleme (Dİ) ve arıza tespiti (AT) yöntemi vardır. Çevrim dışı yöntemlerde, tüm ölçümler hizmet dışı durumda enerjisiz ekipmanlardan elde edilir. Çevrimiçi tekniklerde, ölçümler normal çalışma koşullarında gerekli olduğunda ekipmandan alınabilirken, gerçek zamanlı yöntemlerde ölçümler, gerçek zamanlı örnekleme teknikleri kullanılarak sürekli olarak toplanmalıdır. Ölçüm teknolojilerindeki son gelişmeler ve akıllı şebeke planları dikkate alındığında, gerçek zamanlı yaklaşımlara dayalı Dİ ve AT teknikleri daha gerçekçi ve doğrulanabilir hale gelmiştir. Bu tez, DK ark modellerine dayalı YAKD'ler için yeni bir modelleme ilkesi sunmaktadır. YAKD'lerin çalışma prensibi, belirli zaman aralıklarıyla bir dizi anahtarlama işlemine dayanmaktadır. Tez dahilinde, bu anahtarlama işlemleri ayrı ayrı modellenmiştir ve böylece bir kademe değiştirme işleminin tamamını içeren tam bir YAKD ark modeli türetilmiştir. Arıza konumu algoritmaları YAKD çalışmasından etkilenir çünkü bu algoritma empedansı, karakteristik empedansı ve dolayısıyla iletim ve dağıtım hatlarının hareket eden dalga hızını değiştirir. Önerilen YAKD modeli, kademe değiştirme işlemlerinin farklı tipte arıza konumu algoritmaları üzerindeki olası etkilerini daha fazla araştırmak ve bu tekniklerin performansını iyileştirmek için etkin bir şekilde kullanılabilir. Bir DK anahtarlama yaptığı zaman, ayırma kontakları arasındaki ortam, kesilme gerçekleşmeden önceki yüksek akım akışından kaynaklanan yüksek sıcaklık nedeniyle yüksek oranda iyonlaşır. Bu durumda, DK'nin ark akımı, DK'nin ark kontaklarının tamamen fiziksel olarak ayrılmasından sonra bile akmaya devam eder. Bu olaya DK modellemede önemli bir fenomen olan elektrik arkı denir. Geçtiğimiz yıllarda, literatürde çeşitli ark modelleri önerilmiştir. Bu tezde iki iyi bilinen ark modellerinin kombinasyonu kullanılacaktır. İlk model 1939 yılında A. M. Cassie tarafından öne sürülmüştür; bu çalışmada sabit sıcaklık, elektrik alan şiddeti ve akım yoğunluğuna sahip bir elektrik ark kanalı modeli önerilmiştir. Bu modelde, ark iletkenliği ark kesitinin bir fonksiyonudur ve ark enerjisi, enerjinin korunumu kanunu ile elde edilir. Bu model, yüksek akım durumlarında ark davranışını karakterize edebilir. İkinci ark modeli, 1943 yılında O. Mayr tarafından önerilmiş olup, bu modelde ark sıcaklığı değişken kabul edilmekle birlikte, arkın boyutu ve şekli sabitlenmiştir. Böylece, enerji kayıplarının temeli termal iletim yasasına dayandırılmıştır. Önerilen bu model, düşük akımlardaki ark karakteristiklerini doğru bir şekilde gösterebilir. Daha önce de belirtildiği gibi, Cassie ve Mayr ark modelleri, sırasıyla yüksek ve düşük akımlardaki ark davranışlarını temsil edebilir. Bu sayede, her iki ark modelinin kombinasyonu, tüm akım spektrumu içindeki ark davranışlarını simüle edebilecektir. DK'lerin giriş ve çıkış terminalleri ile kademe değiştirici transformatörlerin ani gücü arasındaki fark, ani ark gücünü ve bu gücün DK ve YAKD operasyonları sırasındaki enerjisini hesaplamak için kullanılır. Bir DK için güç farkı, tamamen kapalı veya açık olduğu sürece daima sıfırdır. Öte yandan, normal çalışma koşullarında, transformatörlerin ani güç farkı, trafonun güç kaybına eşittir. Ancak, DK ve YAKD işlemleri sırasındaki güç farkı DK'lerin ve kademe değiştirici transformatörlerin ark gücü haline gelir. DK'ler için ani ark gücü, ark koşulları altındaki hesaplamalarda doğrudan kullanılabilir. Bununla birlikte, YAKD'lerde arkın ani gücünün elde edilmesi için, güç transformatörlerinin tahmini ani güç kaybının, hesaplanan ani güç farkından çıkarılması gerekir. Ardından, kümülatif ark enerjisi ve ark güçlerinin integrali, DK'ler ve YAKD'ler için yeni bir Dİ ve AT algoritmasının tasarımında kullanılır. Bu tezde, DK'lerin ve YAKD'lerin kümülatif ark enerjisinin DK'ler ve YAKD'nin kontaklarının elektriksel aşınmasının iyi bir göstergesi olduğu ortaya konmuştur. Bu nedenle, bu yöntem DK ve YAKD'lerin Dİ'sinin hesaplanması için kullanılır. Dİ algoritmasına ek olarak, tek bir açma veya kademe değiştirme operasyonu için ark güçlerinin ilişkisi, DK veya YAKD operasyonundaki herhangi bir arızayı tanımlamak için kullanılabilir. Yürüyen ortalama filtresi, çıkış sinyalini düzeltmek için kullanılmıştır. Bu bağlamda, çıktı verilerini gösteren noktaları üretmek için giriş dizisinden belirli sayıda örneklem alınmıştır. Bu sayede, önerilen algoritmalar için daha güvenilir veriler bulunacaktır. Dİ algoritmasının uygulanması boyunca sabit kalan Dİ eşik değeri, DK'nin nominal kapasitesindeki izin verilen operasyon sayısına ve üreticiler tarafından tanımlanan YAKD'nin nominal adım kapasitesine bağlı olarak her bir DK ve YAKD tipi için önceden belirlenir. Önerilen Dİ algoritmasının alarm kriterleri, DK veya YAKD operasyonlarına bağlı kümülatif ark enerjisi kullanılarak bulunabilir. Bu bağlamda, DK veya YAKD işlemleriyle ilişkili ölçülen yayılma güçlerinin kümülatif toplamı (yani, kümülatif ark enerjisi), her bir açma veya kademe değiştirme işleminden sonra, önerilen Dİ algoritmasının Dİ eşik değeri ile karşılaştırılır. Müterakim değer önceden tanımlanmış eşik değerine her ulaştığında, sistem operatörünü bilgilendirmek için bir alarm sinyali gönderilir. Bu durum, DK veya YAKD'nin maksimum kontak aşınmasına ulaştığını ve muayene edilmesinin gerekli olduğunu gösterir. Aksi halde, algoritma, ark enerjisini ölçmeye ve depolamaya devam eder. Diğer yandan, DK'lerin izin verilen maksimum ark zamanları genellikle üreticiler tarafından tanımlanır ve çeşitli DK tipleri için küçük farklılıklar gösterir. Bu değerler, DK'lerin arızalanmadan atlatabileceği maksimum ark sürelerini ifade ederler ve 15 ms ile 25 ms arasında değişiklik gösterirler. Buradan da anlaşılabileceği gibi, DK ark sürelerinin ölçümü oldukça karmaşık bir iştir. Bu nedenle, önerilen AT algoritması, çeşitli ark süreleriyle ilişkili olarak ark enerjisini, yani ark güçlerinin zamana bağlı integralini kullanarak DK ark sürelerini dolaylı olarak ölçer. Normalize edilmiş ark gücünün integrali AT eşik miktarından daha büyükse, DK düzgün bir şekilde çalışamaz ve bu nedenle aynı DK'ye tekrar bir açma sinyali gönderilir veya arızanın izolasyonu için ilgili öncül DK'lerin açması sağlanır. YAKD'ler için, tek bir kademe değiştirme operasyonu için tahmin edilen ark enerjisi, AT açma seviyesine ulaştığında, güç transformatörünü sistemden ayırmak için bir açma sinyali gönderilir. Aksi takdirde AT algoritması sabit kalır ve bir sonraki kademe değiştirme işlemlerini değerlendirmeye alır. Bilgisayar simülasyon çalışmalarının sonuçları, Dİ algoritmasının, bakım süresini ölçmek için DK'nin veya YAKD'nin ark kontaklarının elektriksel aşınmasını etkin bir şekilde değerlendirdiğini kanıtlamaktadır. Öte yandan, AT algoritmasından elde edilen sonuçlar, AT algoritmasının, DK'lerin veya YAKD'lerin başarılı veya hatalı açma ve kademe değiştirme işlemleri arasında ayrım yapabileceğini ve hata koşullarını etkin bir şekilde saptayabileceğini göstermektedir. Bu çalışmada, 1. Bölüm, YAKD'lerin Dİ ve AT'si için bir giriş ve literatür taraması içermektedir. Kademe değiştiricilerin arıza bölgesi tespiti algoritmalarına etkileri ve tezin motivasyonları Bölüm 2'de açıklanmıştır. DK'lerin farklı ark modellerinin kısa bir açıklaması ve Habedank ark modelinin elektro-manyetik transient programının yeniden yapılandırılmış versiyonu (EMTP-RV) içerisinde uygulanması, Bölüm 3'te tartışılmıştır. Bölüm 4, DK'lerin Dİ'leri için mevcut yöntemleri ve bu amaçla ark nedeniyle güç kaybının ölçümünü kullanan bir Dİ algoritmasının önerilmesini içerir. Bölüm 5, mevcut uygulamaları ve DK'lerin AT'leri için yeni bir güç tabanlı algoritmayı barındırmaktadır. Kesiciler için tasarlanmış Dİ ve AT algoritmalarının performans analizi amacıyla uygulanan gerçek zamanlı test çalışmaları Bölüm 6'da tartışılmıştır. Bölüm 7'de YAKD'ler için orijinal bir modelleme konsepti ve onun uygulanması tanıtılmıştır. Bölüm 8, yaygın uygulamaları ve YAKD'lerin Dİ'leri için yeni bir güç tabanlı algoritmayı içermektedir. YAKD'lerin AT uygulamaları için aynı güç tabanlı algoritma üzerinden tasarlanan başka bir modifikasyon ve onun simulasyon çalışma-ları Bölüm 9'da açıklanmıştır. YAKD'lerin çalışmaları ilgili test çalışmaları Bölüm 10'da tartışılmıştır. Bölüm 11 yapılan çalışmalar ile ilgili sonuç ve önerileri kapsamaktadır.