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 DAĞITIM Temel 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 Very often, quantities on the power system are specified as a percent or per-unit of their base or nominal value. For example, suppose the voltage at a 345 kV bus is measured as 349 kV. If the nominal or base bus voltage is 345 kV, then the measured voltage is 101.2% (349/345) percent of nominal, or 1.012 per-unit. Using per-unit values makes it very easy to judge where a system value is with respect to its base value. Per-unit values also make it easy to compare values between parts of the system with different base voltage values.

Per-Unit Gerilimler (Örnek) The per-unit system allows a system operator to view a power system and rapidly obtain a feel for the voltage profile. Baz Gerilimler: 20 kV 138 kV 345 kV

Per-Unit Empedanslar (Örnek) The impedance of an element (such as a transformer) is often stated as a per-unit or a per-cent value. For example, a large power transformer may have an impedance of 5%. Stating the impedance in a percentage form is a variation of the per-unit system. To convert from a % impedance value to a per-unit value simply divide the % value by 100. Therefore, a transformer with a 5% impedance has a 0.05 p.u. (5/100) impedance. To convert from a p.u. impedance value to the actual impedance stated in ohms, multiply the p.u. value by the base impedance. The base impedance is dependent on the voltage level the equipment operates at and the rating (in MVA) of the equipment. The base impedance is equal to the voltage squared divided by the MVA.

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 Eğer akım gerilimden geride ise (indüktif sistem) faz açısı pozitif, akım gerilimden ileri ise (kapasitif sistem) faz açısı negatifdir. Akım ile gerilim arasındaki açı farkı MW ile MVA arasındaki açı ile aynıdır.

Güç Açısı Güç açısı; güç sistemindeki iki bölge arasındaki gerilim faz açıları arasındaki farktır. Aktif güç; geri faz açısına doğru akar. Güç açısı büyüdükçe (90 dereceye kadar), söz konusu iki nokta arasındaki aktif güç akışı da büyür.

Faz Açısı-Güç Açısı İlişkisi

… Faz Açısı-Güç Açısı İlişkisi

GÜÇ TRANSFERİ DENKLEMLERİ

Güç Transfer Denklemlerinin Çıkartılması

Aktif Güç Transferi

Reaktif Güç Transferi Hat kapasitansı ihmal edilirse 1. denklemin ikinci kısmı kaldırılabilir. Güç açısı 20 dereceden küçük ise Cos. Terimi 1’e yakın olacaktır. Bu durumda denklem 3. satırdaki şekle gelir. 3. denklemden genel olarak; reaktifin akış yönünün yüksek gerilimden düşük gerilime doğru olacağı anlaşılmaktadır. Güç açısı arttıkça belirtilen ihmaller yapılamaz duruma gelir. Dolayısıyla güç açısı yeterince büyük ise reaktif akış düşük gerilimden yüksek gerilime doğru olabilir.

GERİLİM KONTROLÜ

Reaktif Güç Analojisi 2 kişi topu gitmesi gereken yere doğru iterken, 1 kişi de topun yörüngeden sapmasını engelliyor Büyük bir topun 1 noktasından 2 noktasına taşınması gerekiyor 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

Aktif-Reaktif-Görünür Güç İndüktif yük Akım gerilimden açısı kadar geride

Akım-gerilim faz farkı sıfır Akım-gerilim faz farkı 90 (geri-ileri) Reaktif güç sıfır Aktif güç sıfır Akım-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 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 yerden yükseklik 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

İndüktif reaktans Kapasitif reaktans

EİH - Reaktif Davranışı Hattın (doğal kapasitansının) ürettiği reaktif !!! Üretilen MVAr gerilime bağlı, akımdan bağımsız Hattın tükettiği (kaybettiği) reaktif !!! Tüketilen MVAr akıma bağlı, gerilimden bağımsız

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.

EİH – Bazı önemli parametreler Gerilim Kesit R XL YC XL/R Z0 P0 Mvar üretimi kV MCM W/km ms/km W 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 0,319 3,452 304 475 154 1272 0,051 0,395 2,877 8 371 64 7 954 0,070 0,403 2,810 6 379 63 795 0,081 0,391 2,909 5 366 65 477 0,134 0,427 2,649 3 402 59 154 (Kablo) 1000 mm 0,018 0,190 61,543 11 56 424 146 630 mm 0,027 0,123 46,173 52 456 115 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 artıyor Reaktif 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.

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 Akımı Paralel 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.

İKAZ KONTROL SİSTEMİ BLOK DİYAGRAMI Ölçülen Voltaj (Terminal Voltaj) Hedef Voltaj Voltaj Regülatör EFD İkaz Ölçülen Voltaj (Terminal Voltaj)

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 Rotor ısınma sınırı Şebeke Normal / Aşırı İkaz Çalışma Aşırı ikaz Stator ısınma sınırı Aşırı ikaz limiti GENERATÖR YÜKLENME EĞRİSİ Şebekeye Aktif Güç Basıyor Düşük ikaz limiti Düşük ikaz Düşük İkaz Çalışma Şebeke Stabilite sınırı Çekirdek ısınma sınırı Şebekeden Reaktif Güç Çekiyor

(b) (a) 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.

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.