ELEKTRİK TESİSLERİNDE DAĞITIM VE KORUMA

İ.Kürşat BÜLBÜL

Ege Üniversitesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği

Kaynaklar Practical Power System Protection

Hewitson, Brown, Ramesh Protective Relaying-Principles and Applications

Blackburn, Domin Protection of Electrical Networks

Christophe Preve The Art & Science of Protective Relaying

Russell Mason Power System-Analysis and Design Glover,

Sarma, Overby (Chapter-10) Elements of Power System Analysis

Stevenson (Chapter-13) EPRI Power System Dynamics Tutorial

GÜÇ SİSTEMLERİNDE DAĞITIMTemel Konular

GÜÇ SİSTEMLERİNİN GENEL YAPISI Generatörler / Elektrik Santralları

Gücü üretir Yükler

Gücü kullanır / tüketir İletim Sistemi

Gücü dağıtım sistemine iletir / taşır Dağıtım Sistemi

Gücü yüklere dağıtır / taşır

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

Güç Sistemleri

İletim Sistemi

Dağıtım Sistemi

Dağıtım sistemi

Dağıtım Sistemi

Dağıtım Sistemi

Dağıtım Sistemi

PER-UNIT DEĞERLER

Per-Unit Gerilimler (Örnek)

Baz Gerilimler:

20 kV 138 kV 345 kV

Per-Unit Empedanslar (Örnek)

380 kV Baz Empedansı=(380 kV)2/250 MVA=577,6 ohm

380 kV Bazda Gerçek Empedans=0,1203x577,6=69,49 ohm

FAZ AÇISI GÜÇ AÇISI

Faz Açısı

Güç Açısı

Faz Açısı-Güç Açısı İlişkisi

… Faz Açısı-Güç Açısı İlişkisi

GÜÇ TRANSFERİ DENKLEMLERİ

Güç Transfer Denklemlerinin Çıkartılması

Aktif Güç Transferi

Reaktif Güç Transferi

GERİLİM KONTROLÜ

Reaktif güç; aktif gücün işini yapmasını sağlar.

Güç sistemleri; her iki güç tipi yeterli miktarda olmadıkça işletilemez.

Aktif ile reaktif güç arasındaki açı: 90 derece

Reaktif Güç Analojisi

Büyük bir topun 1 noktasından 2 noktasına taşınması gerekiyor

2 kişi topu gitmesi gereken yere doğru iterken, 1 kişi de topun yörüngeden sapmasını engelliyor

Aktif-Reaktif-Görünür Güç

İndüktif yük

Akım gerilimden

açısı kadar geride

Reaktif güç sıfır Aktif güç

sıfırAkım-gerilim faz farkı sıfır Akım-gerilim

faz farkı 90

(geri-ileri)

Daha az kayıp

Daha az gerilim düşümü

Reaktif Güç Akış Yönü

Yüksek Gerilim – Düşük Kayıp

*IVS Yüksek miktarda güç iletebilmek için

olabildiğince yüksek gerilimler kullanılır. Yüksek gerilim – düşük akım – az kayıp Reaktif güç kontrolü = Gerilim kontrolü Reaktif güç akış yönü genel olarak yüksek

gerilimden düşük gerilim noktasına doğrudur.

Gerilim Kontrolü Analojisi Gerilim (Reaktif Güç) kontrolünün “lokal” bir problem

olduğunu anlamak için “yorgan” analojisini bilmekte yarar vardır:

Yorganın yerdenyükseklik seviyesi

Gerilim seviyesi

Yorganı tavana bağlayan ipler

Reaktif güç kaynağı

Yorganın üzerindeki taşlar

Reaktif güç tüketimi

Gerilim-Reaktif Güç İlişkisi

Gerilim seviyeleri, reaktif gücün varlığıyla doğrudan bağlantılıdır.

Eğer MVar ihtiyacı olan bölgelerde yeterli reaktif güç kaynağı var ise sistem gerilimi kontrol edilebilir.

Reaktif güç yetersizliği durumunda gerilim seviyeleri düşer, reaktif güç fazlalığı durumunda da gerilim seviyeleri yükselir.

Düşük gerilimin nedenleri Yüksek miktarda güç transferleri İletim hattı arızaları Reaktif teçhizat arızaları

Aktif-Reaktif Kayıplar

Güç kayıplarını azaltabilmek için akımın azalması ve gerilimin artması gerekir

Kayıpların azaltılması için gereken diğer yol da hat empedansının azaltılmasıdır.

Denklemlerden de görüleceği üzere aktif güç kayıpları (MW) hattın direncine, reaktif güç kayıpları (MVar) hattın indüktif reaktansına bağlıdır.

Yüksek gerilim iletim hatlarında, indüktif reaktans bileşeni direnç bileşeninden çok daha büyüktür (İletken tipine ve kesitine bağlı olarak 3-15 kat). Bu durum gerilim kontrolünü önemli ölçüde etkileyen bir unsurdur.

MVAr Transferi için MW

MW transferi arttıkça MVAr kayıpları daha büyük oranda artmaktadır

Ortalama olarak;

yüklü iletim hatlarındaki MW transferindeki birim artış, sisteme bu artışın kübü oranında MVAr ilavesi gerektirir.

Örneğin MW transferi 2 katına çıktığında MVAr ihtiyacı 2x2x2=8 katına çıkar

LX

CXİndüktif reaktans

Kapasitif reaktans

Hattın (doğal kapasitansının) ürettiği reaktif

!!! Üretilen MVAr gerilime bağlı, akımdan bağımsız

Hattın tükettiği (kaybettiği) reaktif

!!! Tüketilen MVAr akıma bağlı, gerilimden bağımsız

Cüretilen X

VMVAr

2

Ltüketilen XIMVAr 2

EİH - Reaktif Davranışı

EİH Naturel Yükü (Surge Impedance Loading)

Bir iletim hattının naturel yükü; hattın MVAr ihtiyacının (kayıplarının) tam olarak hattın doğal kapasitansı tarafından sağlandığı anda gerçekleşen MW transfer değeridir.

İletim hattı; naturel yükünün altında yüklendiğinde net reaktif üretici (kapasitif), naturel yükünün üstünde yüklendiğinde de net reaktif tüketici (indüktif) olarak davranır.

Gerilim Kesit R XL YCXL/R

Z0 P0 Mvar üretimi

kV MCM km km s/km MW Mvar/100 km

380

3Ph 0,017 0,260 4,289 15 246 587 62

3C 0,023 0,266 4,192 12 252 573 60

2C 0,035 0,321 3,418 9 306 472 50

2R 0,035 0,319 3,452 9 304 475 50

154

1272 0,051 0,395 2,877 8 371 64 7

954 0,070 0,403 2,810 6 379 63 7

795 0,081 0,391 2,909 5 366 65 7

477 0,134 0,427 2,649 3 402 59 6

154(Kablo)

1000 mm 0,018 0,190 61,543 11 56 424 146

630 mm 0,027 0,123 46,173 5 52 456 115

EİH – Bazı önemli parametreler

Z0 : Karakteristik empedans (Surge Impedance)

P0 : Naturel Güç (Surge Impedance Loading)

Yeraltı kablolarının şönt kapasitansı havai hatlara göre çok yüksektir!

EİH Arızaları

Aktif kayıplar 57 MW artıyorReaktif kayıplar 844 MVAr artıyor

Aynı gerilim için ilave 1024 MVAr gerekli

Açı farkı 26’dan 68 dereceye çıkıyor

Şönt Kapasitör Çıkışlarının Gerilime Bağımlılığı

Şönt kapasitörlerin MVAr sağlama kapasiteleri gerilim düştükçe azalır.

Eğer sistem gerilimi %90’a düşerse, şönt kapasitör, nominal kapasitesinin %81’ini (0,9x0,9) sağlayabilir.

Sistem operatörleri, gerilim çok düşmeden şönt kapasitörleri devreye almalıdır. Böylece MVAr kapasitesinin azalması engellenmiş olur.

2

nom

fiilinomfiili V

VMVArMVAr

Gerilim Kontrolünde Kullanılan Teçhizat

Gerilim kontrolü için temel kaynaklar sistem generatörleridir.

Kapasitörler ve reaktörler alternatif teçhizatlardır. Üretilmeleri ve sisteme ilave edilmeleri kolaydır. Bunlar sistemin kalıcı bir parçası olabileceği gibi ihtiyaca göre devreye alınacak şekilde de (kesiciler aracılığıyla) tasarlanabilirler.

Kapasitörler

Güç sistemine şönt ya da seri olarak bağlanabilirler.

Seri kapasitörler, devreye alındığı iletim hattının empedansını düşürmek için kullanılır.

Şönt kapasitörler MVAr kaynağı olarak MVAr ihtiyacı olan en yakın bölgeye monte edilir.

Şönt Kapasitörler

Hem iletim hem de dağıtım seviyesindeki baralara bağlanabilirler.

Daha önce de bahsedildiği gibi MVAr çıkışları bağlı oldukları baraların o anki gerilimine göre (karesi ile orantılı) değişir. Örneğin 154 kV baraya bağlı 60 MVAr nominal gücündeki kapasitör, bara gerilimi %95 nominal (146 kV) iken devreye alınırsa nominalin %90 (0,95x0,95) değerine karşı gelen 54 MVAr üretir.

Seri Kapasitörler Seri kapasitörler, uzun iletim hatlarında hattın indüktif

reaktansını (XL) azaltmak için kullanılır.

Hattın indüktif reaktansı azalırsa hattın güç transfer kapasitesi arttırılmış olur. Dolayısyla seri kapasitörler iletim sisteminin güç transfer kapasitesini arttırırlar.

Seri Kapasitörler

Seri kapasitörün reaktansı ile hattın indüktif reaktansı arasında 1800 faz farkı olduğundan, hattın reaktansı kapasitörün değeri kadar azalmış olur.

Seri kapasitör devreye alındığında hattan yapılabilecek güç transferi (güç açısını arttırmadan) arttırılmış olur.,

Seri kapasitör ile yapılacak kompanzasyon %70 oranını aşmamalıdır (Arıza akımlarını sınırlamak için)

Reaktörler

Güç sistemine şönt ya da seri olarak bağlanabilirler.

Şönt reaktörler sistemden reaktif gücü absorbe ederler.

Seri reaktörler, devreye alındığı iletim yolunun reaktansını arttırırlar.

Reaktörler

Şönt Reaktörler Sistemden reaktif gücü çekerek sistem geriliminin

düşmesini sağlarlar. İletim hatlarına ve trafoların tersiyer sargılarına

bağlanırlar.Seri Reaktörler Temel kullanım amacı arıza akımlarını limitlemektir. Generatörler arasındaki güç osilasyonlarını azaltmak

için de kullanılır.

Trafoların Gerilim Kontrolü İşlevi

Trafolardaki kademe değiştiriciler ile sarım oranları değiştirilerek sargılarda indüklenen gerilim kontrol edilebilir. Bu da trafonun primer ve sekonder gerilimlerinin kontrol edilebilmesini sağlar.

Yük altında kademe değiştirilebilen ve değiştirilemeyen trafolar mevcuttur.

Ototrafolar ve güç trafolar genelde yük altında kademe değiştirilebilen, generatör yükseltici trafoları ise yük altında kademe değiştirilemeyen türdendir.

Kademe Değiştirici ve Reaktif Güç

Kademe değiştiriciler, trafo sarım sayılarını değiştirerek gerilimi kontrol ederler. Trafo sarım oranı değiştiğinde trafodaki reaktif güç akışı değişir. Gerilimin değişmesi için reaktif güç akışının değişmesi gerekir.

345/138 kV nominal gerilimli trafo 138 kV kademesinde, trafonun kaybı 3 MVAr

Trafo kademesi 142,3 kV konumuna yükseltiliyor. Ancak kademe karşılığı 4,3 kV artmasına rağmen sekonder gerilim 3 kV artıyor. Kademe değişikliğinin gerilime etkisi, trafonun bağlı olduğu güç sisteminin kuvvetine göre değişir. Bir başka deyişle, trafonun sistemdeki konumu ve güç sisteminin o andaki durumu gerilimin ne kadar değişeceğini etkiler. Eğer primer taraf zayıf ise (reaktif güç rezervi yetersiz) kademe değişikliği neticesinde sekonder tarafta gerilim artışı olmayabilir.

Kademe 151,8 konumuna yükseltiliyor. Ancak sekonderdeki gerilim 146 kV seviyesine yükselebiliyor. Primer gerilimi 3 kV düşüyor. Kademe değişimi ne kadar büyük ve primer taraf ne kadar zayıf ise primer taraftaki gerilim düşümü o oranda fazla olur.

Trafolarda Sirkülasyon AkımıParalel çalışan trafolar, farklı gerilim kademe pozisyonlarında çalıştıklarında, trafolar arasında sirkülasyon reaktif akımı, dolayısıyla da sirkülasyon reaktif güç akışı oluşur.

(b) durumunda A trafosunun kademesi B’ye göre %5 düşük değere ayarlanmıştır.

…Trafolarda Sirkülasyon Akımı Paralel çalışan trafolar, farklı gerilim kademe pozisyonlarında

çalıştıklarında, trafolar arasında sirkülasyon reaktif akımı, dolayısıyla da sirkülasyon reaktif güç akışı oluşur.

Sirkülasyon reaktif gücü, trafoların daha fazla yüklenmelerine ve kayıplarının artmasına neden olur.

Eğer trafoların empedansları farklı ise sirkülasyon reaktif gücünün oluşmasını önlemek için trafolar bilinçli olarak farklı kademe pozisyonlarında çalıştırılabilir.

Normalde trafoların farklı kademelerde çalıştırılmasından kaçınılması gerekir. Ancak, sistem restorasyonu gibi bazı özel durumlar esnasında, trafolardaki MVAr kayıplarını arttırmak için bilinçli olarak farklı kademeler ayarlanabilir. Böylece sistem geriliminin bir-kaç kV düşmesi sağlanabilir.

Ayrıca bazı kritik durumlarda, farklı empedanslı trafolardaki yüklenme oran farklılığını gidermek amacıyla da farklı kademe ayarlaması yapılabilir.

Generatörlerin Gerilim Kontrol İşlevi

Generatörler gerilim kontrolünün temel yapı taşlarıdır. Güç sistemlerinin gerilim profilinin kontrol edilebilmesi

için generatörlerin ikaz sistemleri kullanılır. İkaz sistemi, generatörün terminal gerilimini ve MVAr

üretimini kontrol eder. Otomatik gerilim regülatörü, ölçtüğü generatör terminal

gerilimi ile gerilim set değerini karşılaştırır. Eğer ölçülen gerilim set değerinden düşük ise rotor sargılarına uygulanan DC ikaz akımını arttırır, yüksek ise azaltır.

Ölçülen Voltaj (Terminal Voltaj)

Hedef Voltaj

VoltajRegülatör

İkaz EFD

İKAZ KONTROL SİSTEMİ BLOK DİYAGRAMI

Reaktif Yüklenme Eğrileri

Her generatörün tasarımı ile ilgili MVAr yüklenme kapasitesi özel bir eğri ile gösterilir.

Bir generatör düşük ikazlı bölgede çalışırken (sistemden reaktif çekerken), sıfır noktasından uzaklaştıkça güç sistemi ile arasındaki manyetik bağ zayıflar. Generatörün manyetik bağı zayıfladığında, sistemle senkronizasyonunun kaybolması ihtimali artar. Bu durumun oluşmaması için genelde generatörlerin sözkonusu bölgede çalışmasını önleyici koruma sistemleri mevcuttur.

Generatörlerin reaktif kapasite limitleri, genellikle termal (ısısal) nedenlerden kaynaklanır. Bu nedenle sistem gerilimi arttıkça, akım şiddeti düşeceğinden generatörün reaktif kapasitesi de artar.

Şebekeye Reaktif Güç Basıyor

Normal / Aşırı İkaz Çalışma

Şebeke

Şebeke

Düşük İkaz Çalışma

Şebekeden Reaktif Güç Çekiyor

Aşırı ikaz

Düşük ikaz

Şebekeye Aktif Güç Basıyor

Aşırı ikaz limiti

Rotor ısınma sınırı

Stator ısınma sınırı

Düşük ikaz limiti

Çekirdek ısınma sınırı

Stabilite sınırı

GENERATÖR YÜKLENME EĞRİSİ

Generatörlerin reaktif kapasitesi (özellikle düşük ikaz yönünde), generatörün soğutma sisteminin kapasitesi ile doğrudan bağlantılıdır. Bu nedenle genel olarak hidrolik santral ünitelerinin (b) –MVAr kapasitesi termik santral ünitelerine (a) göre daha fazla olur.

(a) (b)

Senkron Kompansatör

Bazı generatörler (özellikle hidrolikler) senkron kompansatör olarak çalıştırılabilir. Generatör bu modda sistemden az bir miktar aktif güç çekerken ikaz akımı değiştirilerek sistemden çekilen veya sisteme verilen reaktif güç değiştirilir.

Generatörler kompansatör modunda çalıştırıldıklarında, sisteme daha fazla reaktif kapasite sağlayabilirler.

Sistem Gerilimi Yükseltici Manevralar

Mevcut sistem teçhizatının (hatlar, trafolar vb.) tümünün serviste olduğu kontrol edilir. Örneğin bir hat gerilimi düşürmek amacıyla ya da bakım için servis harici olabilir)

Şönt reaktörler servis harici edilir. Şönt ve seri kapasitörler servise alınır. Trafo kademeleri ayarlanır. Bölgedeki ve komşu sistemlerdeki generatörlerden daha fazla

+MVAr talep edilir Bölgedeki generatörlerin çıkış güçlerinin dağılımı

değiştirilebilir. Örneğin, yük akışını değiştirmek için bir santraldan yük düşerken diğer santralın yükü arttırılabilir.

Sistem Gerilimini Düşürücü Manevralar

Şönt ve seri kapasitörler servis harici edilir Reaktörler servise alınır Trafo kademeleri ayarlanır Bölgedeki generatörlerden daha fazla –MVAr

talep edilir. Komşu sistemlerden destek talep edilir. Düşük MW yüklü ve yüksek MVAr üreten hatlar

(sistem güvenliğini azaltmayacak ise) açılır.