Kesintili Toprak Koruma, Kapasitif Akımlı Arızalara Karşı Kesin Çözüm mü?

Dijitalleşmenin hayatımızın her alanına fayda sağladığı günümüzde, enerjili tesislerde oluşabilecek arızaları simüle etmek ve bunlar gerçekleşmeden önce gerekli önlemleri almak mümkündür. Türkiye’de hem elektrik dağıtım sistemlerinin hem de OSB’lerin ortak sorunu haline gelen kapasitif akımlara bağlı kesintilerin nedenlerini ve potansiyel çözüm olarak ortaya konulan kesintili toprak koruma konusunu enerji sektöründeki ilgililere anlaşılır düzeyde açıklamayı amaçlayan bu kısa makale, ilgili simülasyonların, arıza incelemelerinin ve çok eşitli özgün mühendislik çalışmalarının ülkemizdeki öncüsü olan SIEMENS TÜRKİYE Uluslararası Güç Sistemleri bölümünde danışman olarak çalışan Hasan Göksun Virlan tarafından hazırlanmıştır.

1.     Kapasitif Akım Tanımı

Ön açıklama: Kapasitif akımlar konusu, 2018 yılında bir EPDK projesi olarak yayınladığımız “380/33 kV İzole Trafolardan Beslenen Dağıtım Şebekelerinde Kapasitif Arıza Akımlarının İncelenmesi ve Sisteme Etkileri Üzerine Çözüm Önerileri” isimli AR-GE çalışmasında detaylı olarak işlenmiş ve hem gerçek arıza kayıtları ile hem de yazılım üzerindeki çok farklı senaryolarda irdelenmiştir.

Bir iletim/dağıtım sisteminin kapasitansı, sisteme hiçbir yük bağlı olmasa dahi sürekli bir akımın akmasına sebep olur (Şarj akımları). Genelde kapasitif akımdan bahsedildiğinde yüklerin de kapasitif olması yönünde bir beklenti söz konusudur ve bu durum söz konusu değilse bu fenomenin gerçekleşmeyeceği zannedilir. Ancak sistem kapasitansı yalnızca bağlı yüklerle değil enerji iletimini sağlayan iletkenlerle de ilgilidir. Yer altı kablolarının havai hatlara göre 20 ile 75 kat daha fazla şarj akımına sebep olduğu bilinmektedir. [1]

Kapasitif akım, kablo kapasitansı ve uzunlukla doğru orantılı olarak artar ve uç limit olarak kablo akım taşıma kapasitesine kadar ulaşabilir. Kablo kapasitansının sistem üzerinde iki etkisi vardır: Ferranti etkisi ve şarj akımları. Ferranti etkisi, gerilim altındaki yüksüz ya da az yüklü bir kablonun son noktasında başlangıç noktasına oranla daha yüksek gerilim endüklenmesidir. Kablo şarj etkisi ise yüksüz ya da yüklü durumlarda sistemde kapasitif akım dolaşmasına sebep olur. Yeterince kapasitans mevcutsa bu değer kablo nominal akım seviyesine yaklaşıp enerji iletimini dahi zorlaştırabilir. Ancak şüphesiz bu akımların en büyük etkisi sistemdeki koruma rölelerinin anormal şekilde çalışmasına ve gereksiz enerji kesintilerine sebep olmasıdır ve bu makalede bu etkiye örnekler verilecektir.

2.     Sistemin Kapasitif Baskınlığı

Saf endüktif ya da saf kapasitif bir sistemde akım, sistem gerilimi ile 90 derece kayma (shift) gerçekleştirir. Fark yalnızca 90 derece kaymanın gerilim referansına göre önde mi yoksa geride mi olduğu ile, yani sistemin kapasitif ya da endüktif baskınlığı ile alakalıdır. Sistem kapasitif açıdan baskın ise (Paralel bağlı kapasitif elemanların eşdeğer devredeki VAR değeri, endüktif VAR değerinden fazla ise) akım gerilime göre 90 derece ileride, endüktif sistemlerde ise 90 derece geridedir. Tamamen ohmik sistemlerde ise faz kayması bulunmaz.

Burada önemli olan nokta, bahsedilen akımların yalnızca yük akımları olmadığı, özellikle toprak arızalarında oluşacak 3I0 bileşenlerinin karakteridir. Elektriksel sistemlerde denge genelde R-L eksenine doğru olmakla birlikte kapasitif sistemlerde Ic akımları IL akımlarından büyüktür. Bu noktada yönlü toprak koruma açılarının genel çalışma bölgelerinin dışına çıkabileceği ve ileri yönlü toprak akım seti (ANSI 67N) ayarlanmış rölelerin ileri yönlü toprak arızalarını tespit edemeyebileceklerini, aksine gerisinde yaşanan arızalarda ise hatalı açmaya gidebilecekleri bilinmelidir (Yönlü toprak fonksiyonu ister standart 67N, isterse yönlü-kesintili toprak koruma olsun bu durum değişmez).

Kapasitif akımlar kendilerini koruma rölelerinin algıladıkları toprak akımı olarak belli ettikleri için bu noktada sistem işletme topraklamasından bahsetmek gerekmektedir. Uzun yer altı kablolu sistemler (Özellikle 380/33 kV transformatör üzerinden beslenen OSB’ler ve dağıtım merkezleri) endüktif bir dizayna sahipmiş gibi topraklanmış olmalarına rağmen kapasitif akımların baskın çıktığı yerler olabilmektedir.

Bilindiği gibi 380/33 kV transformatörlerin, yani sistemi besleyen ana indirici trafoların 33 kV sargısı üçgen bağlantıda olup herhangi bir nötr noktası bulunmamaktadır. Bu durum harmonikli akımların veya orta gerilim toprak arızalarının 380 kV şebekeye etkisini azaltsa bile dizayn açısından dikkat edilmesi gereken bir unsuru da beraberinde taşımaktadır.

Sistemin toprak koruma açısından izole olarak kalmaması için genellikle 33 kV ana bara ya da 380/33 kV transformatör ile ana bara bağlantısına bir topraklama trafosu (Zigzag bağlantılı trafo) yerleştirmek çok uzun yıllardır süregelen klasik bir yöntem olmuştur.

Şekil-1 Topraklama trafosu bağlantısı

Bir topraklama yöntemi olarak zigzag trafolar şüphesiz tercih edilebilir, ancak bu ekipmanın müsaade ettiği akımın sistemin kapasitif baskınlığında ve dolayısıyla toprak seçiciliğinde belirleyici olduğu artık dikkate alınmalıdır.

3.       Kapasitif Akımların Toprak Koruma Seçiciliğine (Selektivitesine) Etkileri

Kapasitif akımların toprak seçiciliğine etkisi 3 farklı şekilde kendini belli edebilir:

1. İleri yönlü toprak fonksiyonunun istenilenin ters yönünde çalışması. Bunun anlamı, fiderin önünde (Forward) gerçekleşen arıza senaryosunda rölenin çalışmaması (Başlatma almaması) şeklindedir. Bkz. Şekil 2 ve 3.
2. Geri yönlü bir toprak koruma seti atanmamış olmasına rağmen gerisinde yaşanan başka bir arızada hatalı şekilde açma yapması şeklinde gerçekleşebilir. Bkz. Şekil 4.
3. Rölenin yönü doğru tespit edebilmesine rağmen genlik olarak yeterli akım oluşmaması. Bunun sebebi, aşağıdaki örnekte de görüleceği üzere sistemin endüktif baskınlığının azalması veya kaybolmasıdır. Teknik bir dayanağı olmadan seçilmiş olan zigzag transformatörlerin arıza esnasında ürettiği endüktif bileşenli toprak akımı, kablo dağıtım sisteminin kapasitif akımlarına baskın çıkmakta yeterli olmayabilir. (Toplam Ic > IL)

Madde 1 ve 3, ilgili fiderlerin önündeki arızayı algılayamaması sonucunu doğurmaktadır. Çünkü komşu fiderlerin oluşturduğu toplam kapasitif akım (Ic), zigzag trafo üzerinden devresini tamamlayan endüktif akım (IL) ile fider çıkışında karşılaşmış ve hem genlik hem de vektörel anlamda birbirini bir miktar sönümlendirmiştir. Bu sönümlendirme, rölede tanımlı yön bölgesi dışına çıkarsa, ya da genlik olarak ayarlı set değerinin altına düşerse ilgili çıkış fideri çalışmayacaktır.

Ancak bu senaryoda arıza hala temizlenmiş değildir ve zigzag transformatör, arıza nerede olursa olsun üzerinden kendi endüktif toprak akımını geçirecektir.  Zigzag transformatör ana bara üzerinde (Kendi hücresinde) ise trip alır ve bir kilitleme yolu ile güç transformatörünü de açtırır. Çünkü bu trafo rölesinin gördüğü akım, eşdeğer devrede Ic ve IL akımlarının karşılaştığı sönümlenme noktasının yukarısındadır. Zigzag transformatör giriş hücresinde paralel olarak konumlandırılmış ise kendisinden geçen akım transformatör giriş rölesinin gördüğü akıma eşittir ve bu durumda da güç transformatör fider rölesi toprak setinden trip alarak sistemi enerjisiz bırakır.

Unutmamak gerekir ki yeterince uzun bir kabloya sahip fider, yukarıdaki senaryoların üçünü birden gerçekleştirebilir. Röle ekipleri, bir arıza ihbarı ile sahaya gittiklerinde, gerçekte arızanın yaşandığı fider rölesinde başlatma olmamasına rağmen arıza yaşamamış olan komşu fiderde ve üstüne üstlük güç trafosu fiderinde açma ile karşılaşabilir.

Bu durum gerek OSB’lerde gerekse dağıtım sistemlerinde röle koordinasyona bağlı açmaların temel sorunlarından biridir ve çözüm; tüm sistemin PSS Sincal benzeri bir yazılım ile modellenmesi, kapasitif akımlar ile endüktif akımların hangisinin baskın olduğunun irdelenmesi ve gerekirse topraklama sisteminde/elemanında değişikliğe gidilmesidir. Özellikle işletmeye henüz dahil olmamış yeni trafo merkezlerinde, beslenecek sistemin kapasitif akımları dikkate alınarak topraklama dizaynı yapılmalıdır.

Şekil-2 İleri yönlü toprak arızası

Şekilde görülen PSS Sincal yazılım çıktısına göre; yeşil renkli dağıtım çıkış fiderinin beslediği bir bölgede (arıza yaşanması durumunda rölenin gördüğü toprak akımı 666 A’nın üzerinde ve akımın açısı bu örnek için 100 derece civarında çıkmaktadır. Bu örnekte topraklama trafosu 1 kA seviyesinde seçilmiştir ancak komşu fiderlerin kapasitif katkısı ile toprak akımı fider çıkışında 666 civarına inmiştir.

Şekil-3 İleri yönlü toprak arızası açısında yaşanan değişim

Sistemde uzun yer altı kablolarına sahip başka komşu fiderlerin anahtarlanması durumunda ise, bu kablolarda oluşan kapasitif akım, arıza noktasındaki toprak akımının genliğini 420 A’ya kadar düşürmekte, aynı zamanda eşdeğer devreye kapasitif bir etki verdiği için ilgili rölenin yön tayinini için kullandığı akım açısını 116 derece olacak şekilde değiştirmektedir.  Bu örnekte uzun yer altı kablosu arızalı fiderde değil komşu fiderdedir. Ancak komşu fider üzerinden dolaşan, kırmızı ile işaretlenmiş kapasitif akımlar mavi renkli (Zigzag trafo kaynaklı) endüktif akım ile tamamen zıt açıdadır ve birbirlerini hem genlik hem de vektörel anlamda sönümlendirmeye çalışır. Ne kadar çok kablo fideri bağlı ise bunların hepsi arızanın yaşandığı fiderde toplanarak aşırı akım rölesine ters yönlü ve akımın genliğini azaltıcı bir etki yapacaklardır. Bu da rölenin ileri yönlü arızayı hissetmemesi riskini getirmektedir.

Şekil-4 Geri yönlü toprak arızasında hatalı trip alma

Bu örnekte ise komşu fiderin mesafesini kısaltıp, esas fider kablosunu 10 km 240 mm2 olarak simüle ediyoruz. Arızayı ise komşu fiderde oluşturuyoruz. Görüldüğü üzere, 10 km yer altı kablosuna sahip arızasız fider, üzerinden geçen 117 A’lık kapasitif akım neticesinde açma yaşıyor (Üstelik ileri yönlü ayarlanmış olmasına rağmen). PSS Sincal yazılımında çarpı ile işaretlenmiş kutular hatalı çalışan röleleri göstermektedir. 10 km civarındaki kabloların dağıtım şebekelerinde sıklıkla bulunabileceğini ve 117 A’nın da klasik toprak setleri civarında olmadığı unutulmamalı. Yani bu da yaşanması çok muhtemel bir senaryo olarak karşımızda.

4.       Kesintili Toprak Koruma ve Kapasitif Akım İlişkisi

Önceki başlıklarda kapasitif ve endüktif akımların karşılaşmasının yalnızca açısal olarak değil genlik olarak da bir sönümlenmeye sebep olduğu belirtilmişti. Bu sönümlenmiş akımlara dair osilografik arıza kayıtları incelendiğinde 3I0 toprak akımlarının efektif düzlemde dahi sinüzoidale yakın karesel bir şekilde yükselip alçaldığı, elektriksel tabirle pulse yaptığı gözlenmektedir.

Bu pulse’lara dair dip seviyesi, standart toprak koruma fonksiyonu tercih edildiğinde toprak başlatma akımının altında kalabilir ve böyle bir durumda röle drop out’a yani serbest bırakmaya yönelebilir. Sürekli başlatma alıp drop out’a düşen ancak bir türlü trip alamayan röle açma komutunu kesiciye gönderemediği için arıza temizlenemez.

Bu sebeple kapasitif özelliğin endüktif özelliğe baskın olduğu sistemlerde kesintili toprak koruma fonksiyonu tercih edilmektedir. Bu fonksiyon, röle bir kere başlatma aldıktan sonra akım eşiğinin altına bile inse, atanmış süre boyunca drop out’a düşmeyecek şekilde tasarlanmıştır.

Bu gözle bakıldığında kesintili toprak koruma fonksiyonunun toprak seçiciliğine artı bir özellik kattığı bir gerçektir. Ancak tartışılması gereken birkaç nokta bulunmaktadır.

1. Bu fonksiyonun yalnızca ihtiyaç duyulan yerler yerine, kapasitif baskınlığın olmadığı sistemlerde de kullanılmasına gerek yoktur. Özellikle 154 kV üzerinden beslenen (Yani 34.5 kV seviyesinde zigzag transformatör yerine direnç üzerinden topraklanmış), uzun yer altı kablolarının bulunmadığı sistemlerde müstakil müşteri fiderlerinde kesintili toprak korumaya gerek yoktur. Ayrıca aktif edildiğinde zaman setlerinin klasik toprak koruma fonksiyonunun altında verilmemesi gerekir.
2. Kesintili toprak korumanın seçilmesi, pulse etkisine destek olmasına rağmen kapasitif akımların yön tayininde yaşatacağı açı kaymasına engel olmaz. Eğer yön açıları kapasitif çalışma bölgesi dışında seçiliyorsa, yönlü kesintili toprak koruma da başlatma almayabilir.
3. Üçüncü ve belki de en önemli konu olarak, pulse yapan akımların tepe noktası da kesintili toprak koruma akım setinin altında kalabilir. Bu durum bir kere daha arıza simülasyonlarının yazılım üzerinde gerçekleştirilmesinin önemini ortaya çıkarmaktadır. Farklı fiderlere ait kabloların çeşitli noktalarında (Sistemdeki her iletkenin %10, %20…%100’ünde) ve farklı baralarda oluşturulan toprak arıza simülasyonları, ana besleme çıkış fiderlerinde farklı davranışların oluşacağını ortaya çıkarmaktadır. Öyle noktalarda arıza yaşanabilir ki, sönümlenmiş ve pulse yapan akımın tepe noktası dahi sıfır mertebesine yakınsayabilir ya da 34,5 kV seviyesinde işletmesel anlamda ayarlanması mümkün olmayan toprak setlerine tekâmül edebilir. Örneğin tepe noktası 40 A’de pulse yapan bir kesintili toprak arızasını yakalayabilmek için 20-30 A toprak seti vermek, arızanın olmadığı ancak basit bir trafo enerjilenmesi ya da dengesizlik esnasında gereksiz açmalara sebebiyet verebilir. Bu demektir ki kesintili toprak korumanın dahi kapsayamadığı küçük akımlı arızaların yaşanması pekâlâ mümkündür.

Şekil-5 33 kV Seviyesinde kesintili toprak arızası

Yukarıdaki örnekte dip noktası sıfıra yakınsayan, tepe noktası 100-120 A civarında pulse yapan bir kesintili toprak arızası örneği görülmektedir. Bu örnekte kesintili toprak koruma fonksiyonu kullanılacaksa 100 A’nın altında toprak seti vermek gerekecektir. Unutmamak gerekir ki başka bir noktada arıza yaşanması durumunda, ya da kapasitif katkı sağlayacak ilave kabloların eklenmesi sonucunda tepe noktası akımı çok daha aşağıda kalabilir ve kesintili toprak koruma fonksiyonu da işe yaramayabilirdi.

Sonuç olarak, kesintili toprak koruma fonksiyonu (Yönlü ya da yönsüz) kapasitif sendrom yaşayan sistemlerde standart 50 N toprak korumaya göre belli bir miktar faydalı olabilir. Ancak bu fonksiyonun dahi çalışmayacağı kör noktalar olacaktır. Kesin çözüm gerek trafo merkezi dizayn aşamasında, gerekse problemli mevcut bir sistemde işletme topraklamasının endüktif baskınlığını artırmak (Daha fazla IL akımına izin verecek topraklama yöntemleri oluşturmak) değerlendirilmelidir.

5.     Referanslar

[1]           NEI: “Underground vs. Overhead Transmission and Distribution”,