Ülkemizde en sık kullanılan dağıtım şebekesi gerilim seviyesi 34,5 kV’dur. 33 ve 33,6 kV seviyesinde sekonder gerilimi olan güç transformatörleri de oldukça yaygındır ve işletme gerilimi bu aralıklardadır. Nadiren 11 kV ya da farklı gerilim seviyeleri de dağıtım sisteminde bulunmaktadır. İşletme gerilimi ne olursa olsun, bu fiderlerin koruma parametreleri çeşitli yönetmelik ve koruma filozofileri ile belirlenmekte ve asli görevi olan arızalara karşı korumanın yanında dağıtım şebekesinin (Ya da orta gerilim seviyesinde bulunan tesislerin) koruması ile uyumlu olmaya çalışılmaktadır. Bu makalede indirici güç trafosundan sonraki dağıtım çıkış fiderlerinde koruma üzerinde durulacak ve koruma filozofilerinde iyileştirilmesi gereken konulara yer verilecektir.
 

YG/OG Transformatör sargıları orta gerilim seviyesinde gerçekleşen arızalardan dinamik olarak, yıllar boyu taşıdığı yükten ise termal olarak etkilenir. Ortalama YG/OG transformatör ömrü 40-50 yıla kadar uzayabilir. Dağıtım çıkışı ya da transformatör OG fiderlerinde koruma parametreleri belirlenirken genelde transformatör ömrünü artırmak için röle trip zamanları çok kısa seviyelere ayarlanır. Bu yaklaşım yalnızca koruma filozofilerinde değil aynı zamanda yönetmeliklerde de yer almaktadır. Bunun sonuçlarından (Dezavantajlarından) biri olarak, orta gerilimde yaşanan arızalarda ilgili koruma rölesinin değil, tepe noktadaki çıkış rölesinin, hatta güç transformatörü OG rölesinin trip alması sıkça yaşanan bir durumdur. Bu da dağıtım şebekelerinde, OSB’lerde ve endüstriyel tesislerde kayıplara sebep olmaktadır.

Transformatör ömrünü uzun tutmak için röle zaman ayarlarını kısmak üzerinde tartışılması gereken bir konudur. Çünkü transformatörlerin arıza esnasında maruz kaldığı mekanik darbe, esas olarak üzerinden geçen kısa devre akımının süresi ile değil, kısa devre akımının dinamik etkisi, yani akımın peak (tepe) değeri ile alakalıdır. Koruma parametre zaman ayarı ne olursa olsun, kısa devre akımının tepe noktasına ulaşması ilk birkaç milisaniye içindedir ve zaman ayarının kısa verilmesi bunun önüne geçmez, aksine selektiviteyi bozucu etki bırakır. Röle zaman ayarı yalnızca transformatör termal dayanımında ihmal edilecek kadar küçük bir etkiye sahiptir. Termal dayanım için örnek bir hesaplama aşağıda belirtilmiştir. (Bu örneğe göre röle zaman seti 700 ms olarak seçilmiştir.)

IEC 60076-5 standardından hareketle sargı sıcaklıklarının kısa devre akımı ile değişimi veren ifade aşağıda gösterilmektedir:
 

Bakır iletkenli sargılar için;



Alüminyum iletkenli sargılar için;

 

Kısa devre akımı seviyesinin transformatörün sargı sıcaklığına etkisi hesaplanırken aşağıdaki değerler referans alınmaktadır:
 

Bakır iletkenli sargı için hesaplandığında,

θ₁ - θ₂ = 2,8 (℃)’lik bir artış 0,8 saniye sonunda oluşacaktır.

Örnekte 34,5 kV ilk DM barasında üç faz kısa devre arızası oluştuğunda koruma sisteminin en fazla 0,8 sn içerisinde arızayı izole ettiği düşünülmektedir. Bunun 700 ms’si talep edilen trafo giriş ayarı, 100 ms’si ise kesici+ röle geciklmesidir. Bu durumda, 0,8 sn için transformatörün sıcaklığı 80⁰C’den yalnızca 82,8 ⁰C’ye (0,8 saniye için) yükselmektedir.

Ancak ömür hesabında transformatörün sürekli hal sıcaklık değeri kullanılmakta, dolayısıyla bu kısa süre zarfındaki 0,8 ⁰C’lik artışın, transformatör ömründe ciddi seviyede bir kayıp oluşturmayacağı değerlendirilmektedir.

Termal etkilerin haricinde, asıl olarak kısa devre akımlarının meydana getirdiği elektromanyetik kuvvetler transformatör yapısında mekanik zorlanmalar oluşturmaktadır. Üç faz kısa devre akımının tepe değeri, mekanik zorlanmaların esas faktörü olarak değerlendirilmektedir. Tepe akımının genliği, başlangıç simetrik kısa devre akımının k√2 çarpılmasından elde edilmektedir. k√2 sabitinin değeri genellikle;
 

 

Kısa devre akımının dinamik kuvveti tepe akımının karesi ile orantılı olduğu için tepe akımı kuvvetin bir fonksiyonu olarak gösterilebilmektedir:

Ancak, toplam elektromanyetik kuvvet ilk periyotta maksimum değerini almakta, süre geçtikçe sönümlenerek sabit bir değerde simetrik formunu almaktadır. Bu yüzden kısa devre akımının tepe durumundaki (ilk periyot) dinamik etkisi, zamandan (ve röle parametresinden) bağımsızdır. Koruma zaman parametresi ne olursa olsun dinamik etki transformatörlerde oluşmaktadır.

Özet olarak, röle trip zamanlarını çok kısa seviyelerde ayarlamak transformatör ömründe kayda değer bir iyileşme sağlamayacağı gibi, gerek dağıtım şebekesinde, gerekse orta gerilim seviyesindeki seçiciliği bozarak büyük maddi kayıplara sebebiyet vermektedir. Zaman seçiciliğinin bozulması ile ilgili durumlar aşağıda açıklanmıştır.
 

Aşağıdaki örnekte, 100 MVA 154/33,6 kV transformatör koruma rölesi 2000/1 akım trafosundan akım bilgisi almakta olup sekonder olarak 0,95 A - 0,42 eğrisi ; 3 A 0,3 sn sabit zamanlı faz arıza korumalarına sahiptir. Dağıtım çıkış fideri ise 600/1 akım trafosuna sahip olup, 1 A- 0,35 eğrisi ; 5 A - 0,14 saniye faz arıza koruma parametrelerine sahiptir. (Mevcut yönetmelik ve kurumsal yayınlarında belirtilen değerlere yakındır)

Bu değerler akım zaman grafiğine döküldüğünde aşağıdaki şekil ortaya çıkmaktadır:

 

Şekil 1: Transformatör Çıkış ve Dağıtım Fider Röleleri Akım Zaman Diagramları
 

Bu şekilde her ne kadar transformatör ve dağıtım çıkış röleleri problemsiz bir şekilde çalışacak gibi görünse de pratikte bunu engelleyen birçok ihtimal vardır.

Örneğin, aynı güç transformatöründen beslenen ve aynı DM’ye giden iki paralel çıkış olması durumu en sık yaşanan senaryodur ve kablo arızası yaşanması durumunda doğrudan güç trafosunun açma sebebidir.

Paralel kablolardan birinin çıkışa yakın kısmında bir arıza yaşanması durumunda, hem ilgili çıkış fider rölesi, hem de transformatör rölesi başlatma alacaktır. Ancak elektriğin doğası gereği yüksek empedans yolu üzerinde kalmış olan ve bu sebeple üzerinden yeterince akım geçmeyen diğer paralel fider rölesi başlatma almayacaktır.



 

Şekil 2: Paralel Hat Arıza Senaryosu

Şekil 2’de görüldüğü üzere, Fider 1 kablosunun şebekeye yakın bölgesinde bir arıza meydana geldiğinde hem transformatör, hem de Fider 1 üzerinden yaklaşık 12 kA geçmektedir. (Arıza noktasına uzak olan Fider 2 üzerinden yalnızca 60A geçmektedir.)

Bu senaryoya bağlı olarak koruma felsefelerinde ihmal edilen noktalardan biri şudur: Fider 1 kesicisinin açması, arızanın temizlenmesi anlamına gelmemekte, kısa devre akımı açma sonrası yolunu değiştirerek Fider 2 üzerinden devam etmektedir.

Fider 2 rölesi, arızayı temizlemek için önce Fider 1’in açmasını beklemek durumundadır. Ancak transformatör rölesi ilk andan itibaren başlatma almış olup bu beklemeyi gerçekleştirmeyecek ve atanmış olduğu süre kadar (300 ms) bekledikten sonra trip alacaktır. Paralel iki çıkış fideri açma zaman toplamları 280 ms olup, transformatör 300 ms trip zamanına sahiptir. Kesici açma zamanları da düşünülürse transformatör rölesinin trip alacağı kesindir. İlk durumda Fider 2 üzerinden yalnızca 60A (Veya nominal akımın altında herhangi bir değer) geçeceği için bu senaryoda röle ani akım ayarını düşürmek de fayda sağlamamaktadır. Hem dağıtım şebekelerinde, hem de endüstriel tesislerde (OSB, rafineri, fabrikalar) paralel besleme işletme senaryosuna çok sık rastlanır ve tek çözüm transformatör trip zamanının yükseltilmesidir.

 

Dağıtım fideri çıkışlarında ters zamanlı aşırı akım korumanın yanında genellikle ani zamanlı (0-0,15 sn arası) bir faz akım koruması da seçilir. Çıkış sonrası ilk DM’ye (Dağıtım Merkezi) kadar olan faz-faz arızalarda trip alması için verilen bu parametrenin sakıncalarından bu bölümde bahsedeceğiz.

Prensip olarak bu fonksiyonun aktif edilme sebebi,

Bu parametrenin transformatör ömrüne kayda değer bir fayda sağlamayacağını bir öndeki konularda belirtmiştik. Kablo arızalarında ise çalışabilirliği ve selektiviteye etkisi kısa devre akımının seviyesi ile alakalı olarak aşağıda irdelenmiştir. “İlk DM’ye kadar olan arızalarda çalışacak ayarı vermek” gerçekleştirmesi şansa bağlı olan ve çeşitli sakıncaları beraberinde getiren bir uygulamadır. Mühendisler genellikle transformatör ve ilk DM’ye kadar kablo empedansı ile, şebeke gücünü kullanarak arıza akımına ulaşmaya çalışır. Ancak şebeke dediğimiz yapı dinamiktir ve kısa devre gücü sabit değildir. Gerçekte minimum ve maksimum şebeke gücü arasında, minimum ve maksimum kısa devre akımını oluşturacak bir şebeke gücü bulunmaktadır. Buna göre,

► Maksimum Kısa Devre Akımının Varsayılması

Kısa devre hesabında güç transformatörü ve kablo empedansları dikkate alınırken, şebekenin maksimum gücü, veya transformatörün maksimum kısa devre gücü baz alınırsa, gerçekte oluşabilecek bir kısa devre akımının üzerinde akım geçeceği varsayılmış olur ve koruma set değeri işlevsiz (Ölü) kalır.
 

 

Şekil 3: İlk DM Arıza Senaryosu

Şekil 3’te gösterildiği gibi, ilk DM’de (F1 arızası) trip alması için ayarlanan ani set değeri maksimum duruma göre hesaplanırsa, arıza F2 gibi daha yakın bir noktada bile olsa, şebeke gücünün bir miktar daha düşük olduğu durumlarda bu ayar çalışmayacak ve koruma ters zamanlı aşırı akım korumaya kalacak ve transformatör üzerinden kısa devre akımı geçme süresi de uzayacaktır. Ayrıca arıza 3 faz yerine 2 faz ya da 2 faz-toprak da olabilir. Filozofilerde dikkate alınmayan bu durumda yine ani koruma setinin ölü kalma riski vardır. %5’e varan akım trafosu hataları da ayrıca düşünülmelidir. Bu hatalar örneğin kısa bir kablo empedansının üstleneceği kısa devre akımının çok üzerinde kalabilir.


► Minimum Kısa Devre Akımının Varsayılması

Mühendisler genellikle yukarıdaki riskleri almak istemez ve şebeke kısa devre gücünü minimum koşuldan hesaplar. Böylece koruma rölesinin trip alacağı ve transformatör üzerinden geçen kısa devre akımının uzun sürmeyeceği garanti altına alınmış olur. Ancak bu durumda da seçicilik tamamen kaybolur. Kısa devre akımı pratikte minimum ve maksimum arasında bir yerde olacaktır. Kısa devre akımı minimum koşula göre verilmiş ayarın üzerinde bir değer alacağından, rölenin koruduğu bölge ilk DM’yi de aşar ve röle, alt tarafta bulunan dağıtım şebekesi, endüstriyel tesis, OSB vb işletmelerdeki arızaları ani olarak temizlemeye çalışır. Bu da selektivitenin yapılamaması ve hem işletmesel hem de enerji kesintisi anlamında büyük kayıplar anlamına gelir. Hatta soğutma ünitesi bulunan rafinerilerde gereksiz açmalar yangın, patlama ve gaz sızıntısı riskini ortaya çıkarır. Çıkış rölesi dışında, alt kademede birbiri ile seçici olan ve en son noktaya kadar 5-10 arası koruma rölesi bulunabilir. Büyük endüstriyel tesisler, OSB’ler, üretim tesislerinde durum bu şekildedir. En alt noktalardaki arızalarda dahi yukarı kısımdaki çıkış rölesinin gereksiz olarak trip alması günümüzde sanayii tesislerine zarar vermektedir.

Görüldüğü gibi maksimum koşulu dikkate almak, ani ayarı ölü bırakma riskini taşıyarak anlamsız bir hal almakta, minimum seviyede ayar vermek ise (daha yüksek akım geçtiği durumlarda) seçiciliği tamamen yok etmektedir. Bu çelişkinin oluşmasındaki neden, aşırı akım koruma rölesinden YG mesafe koruma rölesi gibi davranmasını beklemekten kaynaklanmaktadır.

Çözüm, tıpkı dünyadaki diğer uygulamalarda ve literatürde olduğu gibi zaman selektivitesi yapmaktır. İki ardışık röle ile akıma bağlı seçicilik yapılamaz. Zaman selektivitesinde iki röle arasındaki zaman farkı (Grading time) kesici açma, drop out (Bırakma), röle gecikme zamanları düşünüldüğünde en az 200 ms olmalıdır. Daha düşük ayarlandığı durumlarda, (Örneğin 10,20,30…100 ms) mutlaka beraber ve gereksiz açmalar yaşanacaktır.

 

 

 

Şekil 4: Kendi Üretimine Sahip Bir Tesiste Üç Farklı Arıza

Ülkemizde yalnızca üretim santrallerinde değil, büyük endüstriyel tesislerde de yüksek güçlü generatörler bulunabilmektedir. Hatta bazı durumlarda generatör kısa devre gücü şebeke kısa devre gücünü aşabilmektedir. Bu ve benzeri koşullarda çıkış fiderleri için öngörülen ani açma değeri radyal bir dağıtım şebekesi gibi düşünülerek verilmemelidir.

Örneğin, 1 no’lu arıza için (Minimum ya da maksimum kısa devre hesabı yapılarak) verilen kısa zamanlı ayar değeri, generatörün kısa devre katkısı sebebi ile iki numaralı arıza noktasında da 1 numaralı rölenin gereksiz yere trip almasına sebep olabilir. (Bir ve iki numaralı çıkışların birlikte açması) Bu da üretim tüketim dengesinin anlık durumuna bağlı olarak endüstriyel tesislerde çöküşe neden olabilmektedir. Özellikle yakıt ve gaz ile alakalı kritik süreçleri olan rafineri benzeri tesislerde şebekeden istemsiz ayrılmalar büyük risk taşımaktadır.

Başka bir örnek olarak, 3 no’lu şebeke arızasıdır. Bu arıza, iletim şebekesinde hızlı bir şekilde temizlense dahi, arıza esnasında çöken gerilim toparlanana dek generatör tarafından şebekeye doğru güç akışı gerçekleşecektir. Bu da yine çıkış 1 fiderinin gereksiz açmasına sebep olabilir. Arıza temizlendikten sonra generatörden şebekeye doğru güç akışının reaktif olması sebebi ile yönlü koruma dahi yapılsa trip alma riski her zaman vardır. (Aşağı kesimdeki bir arıza ile şebekeye doğru reaktif gücün yönü röle için aynı olacağı için) Bu ve benzeri sebeplerden ötürü çıkış fiderlerinde kısa zamanlı ani ayar değeri vermek şebeke kararlılığı açısından problemlere sebep olabilir.

Özet olarak, çıkış dağıtım fideri koruma parametreleri belirlenirken;

 

 

 

Kaynaklar: 

[1] IEC Std. 60076- Part 5: Power Transformers- Ability to Withstand Short Circuit 

Yazarlar: Hasan Göksun VİRLAN, Ersan BOZKURT
Siemens San. ve Tic. A.Ş. - EM  SG  PTI
Yakacık Cad. No:111 , 34870, Kartal   İstanbul / TURKEY
e-mail :   goksun.virlan@siemens.com
               ersan.bozkurt@siemens.com