Transcript indir

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

Yükler
 Gücü

kullanır / tüketir
İletim Sistemi
 Gücü

üretir
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 Analojisi
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
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
Akım-gerilim
faz farkı sıfır
Aktif güç
sıfır
Akım-gerilim
faz farkı 90
(geri-ileri)
Daha az kayıp
Daha az gerilim
düşümü
Reaktif Güç Akış Yönü
Yüksek Gerilim – Düşük Kayıp
S V I
*
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
XL
XC
İndüktif reaktans
Kapasitif reaktans
EİH - Reaktif Davranışı

Hattın (doğal kapasitansının) ürettiği reaktif
V2
MVArüretilen 
XC
!!! Üretilen MVAr gerilime bağlı, akımdan bağımsız

Hattın tükettiği (kaybettiği) reaktif
MVArtüketilen  I 2  X L
!!! 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
kV
Kesit
R
XL
YC
XL/R
Z0
P0
Mvar üretimi
W
MW
Mvar/100 km
MCM
W/km
W/km
ms/km
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
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
1000 mm
0,018
0,190
61,543
11
56
424
146
630 mm
0,027
0,123
46,173
5
52
456
115
380
154
154
(Kablo)
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.
 V fiili 
MVArfiili  MVArnom  

Vnom 
2
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
Hedef
Voltaj
Voltaj
Regülatör
İkaz
EFD
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
Aşırı ikaz
Rotor
ısınma
sınırı
Aşırı ikaz
limiti
GENERATÖR
YÜKLENME
EĞRİSİ
Şebeke
Normal / Aşırı
İkaz Çalışma
Stator
ısınma
sınırı
Şebekeye Aktif
Güç Basıyor
Düşük
ikaz limiti
Düşük ikaz
Stabilite
Şebekeden Reaktif Çekirdek sınırı
ısınma
Güç Çekiyor
sınırı
Düşük İkaz
Çalışma
Şebeke
(a)
(b)
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.
