154 kV bir iletim şebekesinin kapalı(ring) sisteme dönüşmesiyle çift taraflı beslenen trafo merkezlerinde bara kısa devre incelemesi

Elektrik üretimi, iletimi ve dağıtımı sektörü, teknolojik gelişmeler sonucu artan bireysel elektrik kullanımı ve sanayi tesislerinin enerji talebi nedeniyle hızla gelişmektedir. Üretim ve tüketim merkezlerinin birbirine bağlanarak enerji alışverişinin gerçekleştiği ve arz-talep dengesinin kurulduğu ana kısım iletim sistemidir ve enterkonnekte şebeke yapısına sahiptir. İletim sistemi artan üretim ve tüketim merkezleri doğrultusunda elektrik enerjisinin kaliteli, dengeli ve sürekli temini için sürekli büyümektedir; çünkü üretim-iletim-tüketim zincirinin dengeli şekilde gelişmesi gerekmektedir. Enerji arzı ile ilgili gerekli koşulların sağlanması ve büyüyen enerji tüketim bölgelerinin talebinin karşılanması için yeni iletim hatları ve trafo merkezleri tesis edilmektedir. Böylece iletim sisteminde birtakım yenilik ve gereklilikler planlanıp gerçekleştirilerek iletim şebekesinde yapılan değişiklikler sonucu enerji arzının kalitesi ve güvenilirliği arttırılmaktadır. Bu değişiklikler sonucu iletim şebekesinde oluşacak yeni durum mevcut durumla karşılaştırılarak bazı öngörüler sunulmalıdır. Bu çalışmada bir iletim şebekesinin, tek hat fiderinden beslenen (radyal) iki trafo merkezi arasında tesis edilen iletim hattının devreye girmesiyle kapalı sisteme dönüşmesi durumunda, kısa devre akımlarındaki değişimler incelenmiştir. Güç sistemlerinin incelenmesi işletme verimliliğinin sağlanması ve sistemle ilgili planlamaların yapılması açısından önemlidir. Güç sistemininde kesintiye neden olan, elektriksel teçhizatlara ve meydana geldiği arıza noktasının çevresine hasar veren, iletim şebekesinde gerilimi düşürerek arıza noktasına uzak tüketicileri etkileyen en önemli unsur kısa devre arızasıdır. Bu nedenle güç sistemlerinde en önemli inceleme kısa devre analizidir. Kısa devre hesaplamaları yapılarak bara kısa devre gücü, elektrik teçhizatının kısa devre dayanımı sınıfı, kesicilerin kısa devre akımı kesme kapasitesi ve koruma cihazlarının ayar değerleri belirlenmektedir. Bu çalışmada ele alınan iletim şebekesinde incelenmesi gereken trafo merkezlerinin yüksek gerilim ve orta gerilim barasında kısa devre akımı analizi ve arıza esnasında şebekenin kaynağı konumunda olan trafo merkezlerinin bara gerilimi analizi MATLAB/Simulink programında oluşturulan şebeke modelleri kullanılarak yapılmıştır. Kısa devre arızaları geniş kapsamda simetrik ve simetrik olmayan arıza olarak iki farklı grupta incelenirler. Simetrik arıza güç sisteminde kısa devrenin üç fazda da meydana geldiği dengeli üç faz arızasıdır. Bu arıza türünün meydana gelme sıklığı en düşüktür, fakat bu arıza sonucu çok büyük değerde kısa devre akımları oluşur. Simetrik olmayan arıza türleri ise tek faz-toprak, faz-faz ve iki faz-toprak arızasıdır. Güç sistemlerinde meydana gelme sıklığı en yüksek olan tek faz-toprak arızasıdır. Bu çalışmada simetrili bileşenler yöntemi anlatılmıştır ve kısa devre arıza türleri bu yöntemle oluşturulan arızanın bileşen eşdeğer devresi kullanılarak açıklanmıştır. İncelenen iletim şebekesinde tek-faz toprak ve üç faz arızalarının simülasyonu yapılmıştır. Türkiye'de iletim sistemi gerilim seviyeleri 400 kV, 154 kV ve 66 kV'tur. Bu çalışmada incelenen 154 kV gerilim seviyesindeki iletim şebekesi TEİAŞ 5. Bölge Müdürlüğü sorumluluk alanında bulunmaktadır. Bu iletim şebekesinde kaynak konumunda olan 2 adet 400 kV trafo merkezi bulunmaktadır. Bu iletim şebekesinde 5 adet 154 kV trafo merkezi bulunmaktadır. Bu merkezlerden Kaynarca ve Karasu Trafo Merkezleri aktif durumda tek hat fiderine sahip olan radyal merkezlerdir. Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri ise iki adet hat fiderine sahip olmasına rağmen hat fiderlerinden biri radyal trafo merkezlerine bağlı olduğu için mevcut durumda tek hat fiderinden enerji alabilmektedir. İncelenen iletim şebekesi bu nedenle açık sistem şebeke olarak işletilmektedir. Karasu ve Kaynarca Trafo Merkezleri arasında yaklaşık 48 km uzunluğunda bir iletim hattı tesis edilmiştir; ancak henüz devreye alınmamıştır. Bu iletim hattının devreye alınmasıyla Kaynarca ve Karasu Trafo Merkezleri arasında enerji alışverişi olacak ve iletim şebekesi kapalı sisteme dönüşecektir. İletim şebekesinin kapalı sisteme dönüşmesiyle açık sistem şebeke durumunda radyal merkez olan Kaynarca ve Karasu Trafo Merkezleri; tek hat fiderinden enerji alabilen Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri iki hat fiderinden de enerji alabilecek konuma ulaşacaktır. Bu çalışmada ilk önce ana taslak olarak Simulink'te yedi trafo merkezi alt sistem kutucukları şeklinde oluşturularak iletim hatlarını temsil eden bloklarla şebekedeki yapıya uygun olarak birbirine bağlanmıştır. İletim şebekesinin kaynağı konumunda olan Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezleri'nde güç kaynağı bloğu oluşturulmuştur. Trafo merkezlerini temsil eden alt sistem kutucuklarına güç transformatörü blokları ve transformatörlerin çıkışına dağıtım fiderlerini temsil eden yük blokları yerleştirilmiştir. Ayrıca iletim şebekesi modelinde belirli noktalara akım ve gerilim değerleri dijital olarak okunan ve osilografik görünüm elde edilen ölçüm blokları kullanılmıştır. İncelenen iletim şebekesindeki iletim hattı ve güç transformatörlerine ait bilgiler elde edilmiş ve güncel değerlerine yakın olarak Simulink'te bu elemanları temsil eden bloklara girilmiştir. Güç kaynağı bloklarına ise Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezlerinin 154 kV barasından bakıldığında görülen Thevenin eşdeğer sistem empedansına ait direnç ve endüktans değerleri girilmiştir. Yük bloklarına ise güç trasformatörlerinden maksimum aktif enerjinin çekildiği 2014 yılı Ağustos ayına ait ortalama aktif ve reaktif güç değerleri girilmiştir. Bu çalışmada öncelikle açık sistem iletim şebekesinin Simulink modeli oluşturulmuş ve model çalıştırılarak şebekede noktasal akım ve gerilim değerleri ölçü ekranlarından izlenmiştir. Kaynarca, Karasu, Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri'nin 154 kV barasında kısa devre (arıza) bloğu kullanılarak tek faz-toprak ve üç faz kısa devre simülasyonları yapılmıştır. Simülasyonlar sonucu kısa devre akımı değerleri ve bu akımlara ait osilografik görünümler elde edilmiştir. Ayrıca kısa devre öncesinde ve esnasında Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezleri'nin bara gerilimleri incelenmiştir. İletim şebekesi modeline Kaynarca-Karasu İletim Hattı'nı temsil eden iletim hattı bloğu eklenerek model kapalı sistem şebeke durumuna dönüştürülmüştür. Kapalı sistem iletim şebekesi Simulink modelinde ilk olarak sistem kısa devre oluşturmadan çalıştırılarak noktasal akım ve gerilim değerleri ölçü ekranlarından izlenmiştir. Kaynarca, Karasu, Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri'nin 154 kV barasında tek faz-toprak ve üç faz kısa devre simülasyonları yapılmıştır. Simülasyonlar sonucu kısa devre akımı değerleri ve bu akımlara ait osilografik görünümler elde edilmiştir. Ayrıca kısa devre öncesinde ve esnasında Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezleri'nin bara gerilimleri incelenmiştir. İletim sisteminin kapalı sistem şebeke durumunda elde edilen veriler iletim şebekenin açık sistem şebeke durumunda işletilmesinde elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. İletim sisteminin kapalı sistem durumuna dönüşmesiyle farklı işletme koşulları sağlanmıştır. Kaynarca, Karasu, Sakarya ve Melen Trafo merkezlerinin açık sistem şebeke durumunda beslenemediği hat fiderlerinden enerji alma modelleri oluşturulmuştur. Sonuç olarak, iletim şebekesinin bu koşullarda işletilmesi değerlendirilmiştir. Bu modellerin simülasyonu yapılarak ve noktasal akım ve gerilim değerleri izlenerek kısa devre analizi yapılmıştır. Orta gerilim barası TEİAŞ'ın işletmesinde olan Kaynarca, Karasu ve Sakarya Trafo Merkezleri'nin iletim şebekesinin Simulink modelindeki alt kutucuklarında güç transformatörünün orta gerilim tarafında üç faz kısa devreleri oluşturulmuştur. Bu kısa devrelerin simülasyonu sonucu arıza akımı değerleri ve arıza akımlarının osilografik görünümleri elde edilmiştir. Maksimum gerilim katsayısı cmax (IEC 60038'e göre) kullanılarak açık sistem ve kapalı sistem şebeke durumunda maksimum kısa devre akımı değerleri elde edilmiştir ve kısa devre analizi yapılan trafo merkezlerinin sistem empedansının değerleri bulunmuştur.