Dağıtık üretim kaynağı içeren elektrik dağıtım sistemlerinde görünmeyen hataların koruma koordinasyonu üzerindeki etkileri

Elektrik enerjisinin kullanılmaya başlandığı ilk yıllarında, elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve dağıtımı doğru akımla (DA) aynı gerilim seviyesiyle ve üretim tesislerine yakın noktalardaki tüketiciler sağlanmaktaydı. Transformatör, asenkron makina ve çok fazlı devrelerin gelişimine bağlı olarak elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve dağıtım alternatif akıma (AA) doğru evrilmiştir. Elektrik güç sistemlerinde AA'nın kullanılmasıyla, elektrik enerjisi üretimi artmış ve düşük maliyetlerle daha uzun mesafelere iletme imkanı doğmuştur. Talep ve üretimin dengelenmesi büyük miktardaki değişken yüklerin devreye alınıp çıkarılması ile gerçekleştirilmekteydi. Kaynak güvenilirliği arızalı enerji santralinin, diğer santraller tarafından karşılanması ile sağlanmaktaydı. Geleneksel elektrik dağıtım sistemleri radyal yapıda çalışacak şekilde dizayn edilmiştir. Bunun sonucunda koruma sistemlerinin tasarımı, tüm sistemin tek bir noktadaki kaynak tarafından beslendiği dikkate alınarak gerçekleştirilir. Elektrik enerjisine olan talebin giderek artması elektrik güç sistemlerinde enterkonnekte şebeke gibi önemli değişiklikleri beraberinde getirmiştir. Enterkonnekte şebekelerde elektrik enerjisi arz güvenilirliği artarken, yapısından ötürü koruma koordinasyonu radyal şebekelere oranla daha karmaşık bir hal almaktadır. Güç akışının birden fazla noktadan gerçekleşmesi, koruma sisteminde yönlü koruma fonksiyonuna sahip rölelerin kullanılmasını gerektirmektedir. Ülkemizde genel olarak elektrik enerjisinin iletim hatlarında gerilim seviyesi 154 kV ve 380 kV olarak gerçekleştirilmektedir. Dağıtım transformatör merkezlerinde bu gerilim değerleri alçaltılarak tüketicilerin hizmetine sunulmaktadır. Günümüzde elektrik enerjisi üretiminde kullanılan fosil yakıtların rezerv kapasitelerinin azalması ve çevreye olan etkileri elektrik dağıtım sistemlerinde dağıtık üretim kaynaklarının (DÜK) kullanılmasına yaygınlaştırmaktadır. Dağıtık üretim tesisleri tüketim noktalarına yakın elektrik güç sistemlerine alçak ve orta gerilim seviyesinde bağlanmaktadır. Elektrik dağıtım sistemlerine DÜK'lerin bağlanması; genel olarak gerilim profiline, hat kayıplarına, enerjinin sürekliliğine olumlu etkileri söz konusuyken, DÜK'ler sisteme entegre olan yeni kaynaklar olduğundan güç akışı tek yönlü olmaktan çıkmaktadır. Elektrik güç sisteminde kısa devre arızası meydana geldiğinde arıza noktası hem şebeke hem de DÜK'ler tarafında besleneceğinden ve DÜK'leri toplam arıza empedansına azaltıcı bir etkisi olduğundan, radyal işletme durumundaki kısa devre akımlarına oranla artacaktır. Bu sebeple koruma koordinasyonu yeniden gözden geçirilmesi gerekmektedir. Ortaya çıkan hatalar ve arızaların hem şebeke elemanlarına etkilerinin en aza indirilmesi hem de insan hayatına ilişkin tehlikeyi sınırlamak için koruma sistemleri kullanılmaktadır. Dağıtım sisteminin kalıcı olarak hasar görmemesi için sistemdeki bütün ekipmanların iyi tasarlanmış bir koruma sistemini altında işletilmelidir. Genel itibariyle koruma sistemi röle, kesici, akım ve gerilim transformatörlerinden meydana gelmektedir. Koruma sisteminin karar mekanizması olan koruma röleleri, meydana gelen arızayı en kısa sürede algılayıp kesicisine açma komutunu göndererek arızalı bölgeyi sistemin sağlıklı çalışan kısmından izole ederek ve bu arızanın olumsuz etkilerine karşı hem dağıtım sistemini hem de bu dağıtım sisteminden elektrik enerjisi ihtiyacını karşılayan tüketicileri arızaların olumsuz etkilerine karşı korumuş olur. Röle koruma ve koordinasyonu çalışmaları temel olarak koruma rölelerinin seçimi ve ayarlarını içeren çalışmalar bütünü olarak tanımlanabilir. Röle ayarları belirlenirken yük noktasındaki rölelerden kaynak tarafına doğru birbirini takip eden röleler arasında akım-zaman eğrileri arasında zaman gecikmeleri ve akım ayar sahaları sağlanarak sürdürülür. Koruma rölelerinin akım-zaman eğrileri seçici koruma şartlarını, ana ve yedek koruma gereksinimlerini yerine getirmelidir. Böylelikle arıza durumlarında minimum yük kaybı ile koruma gerçekleştirilir. Arıza durumunda birbirini takip eden rölelerden aynı büyüklükte arıza akımı geçse bile, arıza noktasına yakın olan röle koruma fonksiyonu, üstteki röleye kıyasla daha hızlı şekilde gerçekleştirmelidir. Koruma bölgeleri oluşturulurken, transformatör, havai hat, kablo, elektrik makinalarının sürekli aşırı yüklenme, arıza dayanım kapasiteleri ve ısıl dayanımları göz önüne alınmalıdır. Elektrik güç sistemlerinin güvenli ve emniyetli biçimde işletilmesinde koruma sistemleri önemli rol oynamaktadır. Güç sistemleri artan enerji talebi karşılamak için genişlemesi, DÜK'lerin bağlanmasıyla karmaşık bir hal almıştır. Bu sebeple koruma sistemlerinin hatalı çalışma ihtimalleri de artmıştır. Koruma sistemleri hatalı çalışma arıza durumları karşısında çalışmama ve istenmeyen açma olarak ikiye ayrılır. Koruma ekipmanlarında meydana gelmesi muhtemel görünmeyen hatalar, güç sisteminde art arda gerçekleşen açmalar sonucunda sistem çökmesine neden olabilmektedir. Görünmeyen hata, elektrik güç sistemlerinde koruma rölesi ya da röle sisteminin başka bir anahtarlama olayının sonucunda yanlış ya da hatalı çalışmasıyla bir devre elemanını, koruma ekipmanındaki arıza sonucunda sistemden izole etmesi olarak tanımlanmaktadır. Görünmeyen hatalar sistemin normal işletme koşullarında etkilerini göstermezken aşırı yüklenme, ters güç akışı ve röleye yakın noktada gerçekleşen arızalarda ortaya çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında Boğaziçi Elektrik Dağıtım A.Ş. (BEDAŞ) Beyazıt İşletme Müdürlüğü'ne ait TM 2107 dağıtım fideri DigSilent Power Factory güç sistemleri analiz programı ile modellenmiştir. Modellenen dağıtım fiderinde radyal işletme, paralel hat ve transformatörlerin devrede olduğu ve DÜK'lerin bağlı olduğu koşullar için ayrı ayrı yük akışı ve IEC 60909/2001'e göre kısa devre analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu analizler doğrultusunda örnek sistemde kullanılan koruma rölelerinin koruma fonksiyonları, ayar değerleri belirlenerek röle koruma koordinasyonu sağlanmıştır. Röle ayar değerleri belirlenirken örnek sistem seçici koruma sağlanacak şekilde, ana koruma rölesi ile yedek koruma rölesi arasında koordinasyon zaman aralığı 0,30 saniye olacak şekilde ANSI/IEEE normal ters zamanlı aşırı akım karakteristiği kullanılmıştır. Değişen şebeke topolojisinin koruma koordinasyonuna etkileri belirtilmiştir. Koruma sistemlerinde meydana gelen görünmeyen hatalardan kaynaklanan hatalı açmaların röle koruma koordinasyonunu etkileri ve hatalı açma ya da korumanın yedek koruma rölesi ile sağlandığı durumlar için örnek sistemdeki yük kayıpları incelenmiştir. Bu çalışma kapsamında görünmeyen hatalardan kaynaklanan yük kayıplarının etkilerini inceleyebilmek için yeni indisler tanımlanmıştır. Bu indislerde koruma ekipmanın normal olarak çalışma durumundaki yük kaybı ile görünmeyen hatalardan kaynaklanan yük kaybındaki artışın dağıtım sistemine etkileri irdelenmiştir.