Mikroşebekelerin aşırı akım rölesi ile adaptif ve entegre korunması

Yenilenebilir enerji kaynaklarının daha verimli ve daha erişilebilir hale gelmesiyle birlikte birçok birey veya kurum kendi elektrik enerjilerini üretmeye başlamıştır. Ayrıca, merkezden uzak küçük yerleşim birimlerine yüksek güçlü merkezi santrallerde üretilen elektrik enerjisini iletmek masraflı bir işlemdir. Bu temel sebepler mikroşebeke kavramının ortaya çıkmasını sağlamışlardır. Mikroşebekelerin amacı aynı şehir şebeke sistemlerinde olduğu gibi elektrik üretmek ve üretilen elektriği civardaki yüklere iletmektir. Ancak, mikroşebekeler boyutları bakımından daha küçüktür, ayrıca bir çok dağıtık üretim kaynağı içermektedirler. Bu dağıtık üretim kaynakları güneş panelleri, rüzgar türbinleri, biyogaz tesisleri, çeşitli enerji depolama üniteleri gibi genellikle düşük güçlü kaynaklar olmaktadır. Mikroşebekeler sadece mikro generatör olarak adlandırılan bu düşük güçlü dağıtık üretim kaynakları ve çeşitli yükler ile işletilebilirler veya bir ana şebekeye bağlı olarak çalışabilirler. Şebekeye bağlı çalışma durumunda mikroşebekede üretilen fazla enerjiyi ana şebekeye aktarırlar, eğer yerel kaynaklarda üretilen enerji bölgedeki yükler için yetersiz kalıyorsa ana şebekeden enerji alırlar. Herhangi bir arıza durumunda veya istemli olarak, mikroşebekenin ana şebekeyle olan bağlantısı kesilebilir, böylece mikroşebeke güç adası modunda çalışmaya başlar. Mikroşebekeler gerekli koruma ve kontrol sistemlerine sahiplerse ada durumunda çalışmaları bir sorun teşkil etmez aksi halde sistem düzgün şekilde çalışmayacak, frekans ve gerilimde büyük değişimler meydana gelecektir. Mikroşebekeler genellikle birden fazla kaynak içerdikleri, yenilebilir enerji kaynakları gibi oldukça değişken güç üreten kaynaklar barındırdıkları, şebekeye bağlı ve güç adası modunda olmak üzere farklı çalışma durumlarına sahip oldukları için güç akışı da buna bağlı olarak büyük değişimler gösterebilmektedir. Bu sebeple mikroşebekelerin kontrolü ve koruması radyal yapıya sahip geleneksel şebekelere nazaran daha zordur. Günümüzde sıklıkla karşılaştığımız geleneksel yönlü aşırı akım koruması birçok büyük sistemi başarıyla korumak için yeterli olabilmektedir. Bu koruma sisteminde kullanılan röleler akımın genliğine bakarak arızayı tespit eder, akımın yön bilgisi de arızanın koruma bölgesinde olup olmadığını tespit etmesine yardımcı olur. Eğer örnek sistemde olduğu gibi ters zamanlı röleler kullanılırsa rölelerin zaman gecikmeleri de akımın genliğine bağlı olarak değişecek şekilde ayarlanabilir. Bu tip rölelerin koordinasyonu için ardışık röleler arasında zaman aralıkları kullanılır. Rölenin arızayı algılama alt sınırının belirlenmesi ve zaman aralıklarının uygulanması için rölenin ayar değerleri olan IS ve TMS uygun şekilde ayarlanır. Birbirleri arasında veya merkezi bir kontrol ünitesiyle haberleşme hattına sahip olmayan bu rölelerin ayarlarının bir kez ayarlandıktan sonra tekrar değişmesi sadece manuel olarak mümkündür, bu işlem otomatik olarak gerçekleşemez. Bu sebeple bu koruma şeklinin, şebekedeki yük akışının sıklıkla değiştiği durumlarda kullanılması oldukça güçtür. Yük akımının sıklıkla değiştiği durumlar için bu değişimlere uyum sağlayabilen bir koruma sisteminin kullanılması gerekmektedir. Bu koruma sistemi de adaptif koruma sistemi olarak adlandırılır. Adaptif koruma şebedeki akım bilgilerini ve kesicilerin durumlarını kontrol eder, değişiklik tespit edilmesi durumunda yük akışını tekrar hesaplar ve röle ayarlarını buna bağlı olarak değiştirir. Adaptif koruma sisteminin uygulanması için rölelerin bir ana merkezle haberleşmesi zorunluluğu bulunmaktadır, aksi halde hesaplamalar değişimlerden sonra tekrar yapılarak rölelere aktarılamaz. Ayrıca arızanın her an gerçekleşebilme ihtimaline karşı haberleşmenin oldukça hızlı olması gerekmektedir. Böyle geniş ve hızlı bir haberleşme ağını kurduktan sonra entegre korumanın uygulanması klasik koruma metodlarına göre daha kolay ve hızlı olur. Entegre koruma sistemi aynı baraya bağlı kesicilerin bir entegre röle tarafından kontrol edildiği ve bütün entegre rölelerin bir merkezle haberleşerek çalıştığı bir sistemdir. Bu sistemin daha hızlı olması istenirse entegre rölelerin birbirleriyle haberleşmesi de sağlanabilir. Bu durumda entegre röleler kendi baralarından aldıkları ölçümleri ve diğer entegre rölelerin ölçümlerini karşılaştırarak arızayı ve arızanın yerini kısa sürede tespit edebilirler. Bu sistemde röle koordinasyonu için fazladan bir ayara ihtiyaç duyulmaz. Bütün bunlar dikkate alındığında, mikroşebekeler için adaptif-entegre bir koruma sisteminin yönlü aşırı akım röleleriyle oluşturulmuş geleneksel bir sisteme göre korumanın seçiciliği ve güvenilirliği açısından daha avantajlı olduğu söylenebilir. Ancak, merkezi bir kontrol ünitesine bağlı haberleşme özelliğine sahip bir koruma sistemi yönlü aşırı akım röleleriyle oluşturulmuş geleneksel bir sisteminden daha karmaşıktır. Bu sebeple, mikroşebekeleri korumak amacıyla adaptif-entegre bir koruma sisteminin tercih edilmesinin daha uygun olacağının gösterilmesi gerekmektedir. Karşılaştımanın yapılabilmesi amacıyla örnek bir mikroşebeke modellenmiş ve bu şebekede her iki koruma sistemi de uygulanmıştır. Örnek mikroşebeke normal durumda şebekeye bağlı olarak çalışmaktadır, ayrıca güç adası modunda da çalışabilmektedir. Aslına uygun bir örnek teşkil etmesi için güneş enerjisi santrali, rüzgar türbini ve biyogaz tesisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları ve çeşitli güçlerde yüklerden oluşturulmuştur. Örnek sistemin normal çalışma durumu maksimum yükte çalışma olarak belirlenmiş ve koruma sistemlerinin ilk ayarları bu duruma göre yapılmıştır. Geleneksel koruma sisteminde bu ayarlar her durum için sabit kalırken adaptif-entegre koruma sistemi farklı durumlara göre rölelerin akım ayar değerlerini (IS) belirli bir algoritma yardımıyla değiştirmektedir. Koruma sistemlerinin karşılaştırılması için dört farklı durum belirlenmiştir. Bu durumlar normal çalışma, bir kısım yüklerin devreden çıkarılması, yerel kaynaklardan birinin devreden çıkarılması ve güç adası modunda çalışma durumlarıdır. Bütün bu durumlar için 1 numaralı hatta 3 faz, faz faz, faz faz toprak ve tek faz toprak arızaları gerçekleştirilmiştir. Yönlü aşırı akım röleleri (YAAR) ile uygulanan geleneksel korumanın koordinasyonu, arızanın gerçekleştiği hattın iki ucundaki rölelerin yedek korumayı sağlayan diğer hatlardaki rölelerden daha önce kesicilere açma sinyali göndermesi esasına dayanır. Bu durumda hatalı açma sinyallerini önlemek için sistemdeki ekipmanların özelliklerine bağlı olarak yedek koruma ile birincil koruma arasında belirli bir zaman aralığı bulunması gerekir. Örnek sistemde bu zaman aralığı 300 - 350 ms olarak belirlenmiştir. Adaptif-entegre koruma sisteminde ise hatların korunması, akım yönlerinin karşılaştırılması prensibine dayanmaktadır. Bu durumda arızayı tespit eden entegre aşırı akım rölesi (EAR) komşu EAR'lerle haberleşerek yön sorgulaması yapar. Her iki EAR tarafından da hattın ortasına doğru akan akım tespit edilirse arıza da tespit edilmiş olacaktır. Normal çalışma ve bir kısım yüklerin devreden çıkarılması durumlarında her iki koruma sistemi de beklendiği üzere doğru bir biçimde çalışmıştır. Sistemde değişiklik olmasına rağmen ikinci durumda da YAAR ile geleneksel korumanın doğru biçimde çalışmasının sebebi, yüklerin devreden çıkarılmasının arıza durumunda akan akım üzerindeki sınırlı etkisidir. Ancak, yerel kaynaklardan birinin devreden çıkarılması ve güç adası modunda çalışma durumlarında YAAR kullanılarak oluşturulan sistem seçicilik ve güvenilirlik konusunda başarısız olmuştur. Adaptif-entegre koruma sistemi ise her iki durumda da başarılı bir şekilde çalışmaya devam etmiştir. Sonuç olarak, mikroşebekelerde adaptif-entegre koruma sisteminin YAAR ile oluşturulan geleneksel koruma sisteminden daha başarılı bir koruma sağladığı bu çalışmayla beraber gösterilmiştir.