ORTA GERİLİM ENERJİ DAĞITIM TALİ HATLARINDA ARIZA ANALİZİ

Transkript

1 ORTA GERİLİM ENERJİ DAĞTM TALİ HATLARNDA ARZA ANALİZİ Yılmaz ASLAN Şebnem TÜRE 2,2 Dumlupınar Ünverstes Mühendslk Fak., Elektrk-Elektronk Müh. Bölümü, 4300, Kütahya e-posta: 2 e-posta: Anahtar Kelmeler : Enerj Dağıtım Hatları, Arıza Tespt, Arıza Akımları. ABSTRACT n ths study, a dgtal fault loaton and montorng tehnque usng fbre-opts for radal overhead power dstrbuton lnes s presented. Ths tehnque employs pre-fault and post-fault urrent and voltage nformaton along wth data from laterals. n ths method a knowledge based algorthm s norporated to the supermposed omponents based fault loaton and montorng algorthm to loate shunt faults n radal power dstrbuton lnes wth load taps. By usng lateral urrent data transferred through fbreopt ommunaton lnes to the substaton, the possblty of multple fault pont loatons are elmnated. The effetveness of ths method s verfed through Eletromagnet Transents Program (EMTP) smulatons.. GİRİŞ Ana ve bu hatta bağlı tal hatlardan oluşan orta gerlm (OG) enerj dağıtım hava hatları, elektrk enerjsnn üretm merkezlernden tüketlere ulaştırılmasında öneml br şleve sahptrler. Dağıtım hatlarının sonunda kojenerasyon bulunması, hattan çeklen enerjnn günün bell saatlerne göre değşklk göstermes, hat düzennn ana ve tal hatlar çn farklı olması arıza akımlarının hesaplanmasını oldukça karmaşık hale getrmektedr ]. Dağıtım hatlarında meydana gelen arızalar şönt ve açık devre olmak üzere kye ayrılırlar. Açık devre arızalar hattın kopmasıyla, şönt arızalar se (faztoprak, faz-faz ve faz-faz-toprak) kısa devre sonuu oluşurlar. Bu hatlarda yapılan ölçümler şönt arızaların 2-3 günde br meydana geldğn göstermektedr. Şönt arızaların yaklaşık olarak %75 n faz-toprak arızaları oluşturmaktadır 2]. Enerj dağıtım hatlarında, hat başından kaydedlen akım ve gerlm değerler, arıza yer tesptnde bazen arızanın ana veya tal hatta olması durumunda da aynı empedans değern vereblmektedr 3]. Bu durumda tal hatlara bağlı sgorta ve tekrar kapayıı gb elemanların karakterstkler nelenerek tal hatlarda oluşan arızaların yer tespt edleblr. Anak tal hatların yer altı kablosu le hava hatlardan oluşması, tekrar kapama yapılamaması, kullanılan sınırlı sayıdak sgorta ve koruma elemanı karakterstklernn brbrne yakın veya aynı olması tal hatlarda oluşaak arızaların saptanmasını ye zorlaştırmaktadır. 2. TALİ HATLARDA ARZA BULMA ALGORİTMAS Bu çalışmada ana ve tal hatlardan oluşan br radyal enerj dağıtım hattında tal hatlarda oluşan şönt arızaların yerler tespt edlmştr. Şekl (a) ve (b) de arıza anında hat başından djtal arıza kayded (DAK) tarafından kaydedlen akım ve gerlm dalga şekller görülmektedr. (a) (b) Şekl. Hatbaşında kaydedlen akım ve gerlm dalga şekller. Arıza yer tesptnde; arıza önesnde, arıza anında ve sonrasında kaydedlen toplam 200 ms lk akım ve gerlm değerler kullanılmıştır. Şekl 2. den görüldüğü gb tal hatların başlarında bulunan akım sensörler yardımıyla arızalı olan tal hat bulunur ve o ank akım ve gerlm örnekler DAK tarafından kaydedlr. Bu değerler kullanılarak arızalı tal hattın başındak akım ve gerlm fazörler hesaplanır. Hattın

2 sonunda herhang br kaynak bulunması durumunda hattın sonundak kesye an açtırma yaptırılarak hat sonu kaynak akımının etks ortadan kaldırılmıştır. Arızalı tal hat başındak akım ve gerlm fazörlerne Bleşenler Farkı Yöntem uygulanarak tal hatta arızanın yer bulunur. Bu metotla arıza yer tespt hesabında, arıza önes yük akımlarından kaynaklanan hatalar yok edlmştr 4-6]. eştlğ le bulunablr. Şekl 4. te arıza noktasına gerlm farklarının uygulanması gösterlmştr. Burada varsayılan arıza noktası β ya uygulanan gerlm V Aa, b, farklarını, bu noktadak fark akımlarını, bu noktadan P uuna akan fark akımlarını, se bu noktadan Q uuna akan fark akımlarını göstermektedr. Şekl 2. Ana ve tal hatlardan oluşan enerj dağıtım hattı. 2.. Bleşenler Farkı Yöntem Bleşenler farkı yöntemn daha y açıklayablmek çn Şekl 3. te tal hat ve yüklern hmal edldğ br dağıtım hattının model verlmştr. Burada A arıza noktasını, X arıza noktasının P uuna uzaklığı, β varsayılan arıza noktasının P uuna mesafesn (klometre), ve V sırasıyla P uundan kaydedlen akım ve gerlm fazörlern göstermektedr. Şekl 4. Varsayılan arıza noktasına gerlm farklarının uygulanması. β noktasından P uuna akan akım farkı ( ( ; = (4) ve Q uuna akan akım farkı se; = ( L β ) Z ab ] + Z SR ]] V ( β )] (5) şeklnde bulunur. Burada, L klometre olarak hattın uzunluğunu ve Z SR ] hat sonu kaynak empedans matrsn göstermektedr. β noktasındak arıza yol akımları; = + (6) Şekl 3. Arızalı dağıtım hattı model Arıza anında, P uunda kaydedlen akım ve gerlm örnekler kullanılarak β dak arıza önes gerlm; V β + () ( ( ) = β Z ab] ( V ( şeklnde bulunablr. Burada V ( (β) β noktasındak arıza önes gerlm fazörlern, Z ab ] hat brm empedans matrsn (ohm/klometre), V ( ve (, sırasıyla hat başında kaydedlen arıza önes akım ve gerlmn fazörlern göstermektedr. Benzer şeklde β dak arıza anındak gerlm; V β + (2) ( ) = β Z ] V ( ab ( ( olarak bulunablr. Burada V ( ve ( sırasıyla P uunda arıza anında (kes açmadan hemen öne) kaydedlen gerlm ve akım fazörlern göstermektedr. β noktasında hatta uygulanaak gerlmler farkı ; V Aa, b, V β ) = V ( β ) V ( ) (3) ( β ( ( olarak yazılablr. Gelştrlen yönteme göre β arıza noktası sstematk olarak kaydırılarak değerler kontrol edlmektedr Akım Sensörü Tal hatlarda oluşan arızaların bulunması çn toprak arızası çn gelştrlen akım sensörü kullanılmıştır 7]. Bu amaçla aşırı akım röleler veya tekrar kapayıı gb koruma elemanları çn daha öne hatta bağlanan akım transformatörlernden yararlanılmıştır. Şekl 5. ten görüldüğü gb, aşırı akım sensöründe akım transformatöründen elde edlen grş akımı doğrultulup fltre edldkten sonra referans akım değer le karşılaştırılmaktadır. Sensör grş akım değer belrl br süre (20 ms) referans akımı sevyesnden yüksek kalıyorsa, bağlı bulunduğu tal hat çn ana stasyona br arıza snyal gönderr. Gelen snyale göre ana hat başında bulunan DAK tarafından kaydedlen arıza akım ve gerlm örnekler kullanılarak arızalı tal hattın başındak akım ve gerlm değerler hesaplanır. Bu değerler Bleşenler Farkı Yöntem yle değerlendrlerek tal hattak arıza yer bulunur. Böylee ana stasyondan kaydedlen verler kullanılarak snyaln gönderldğ tal hat başındak akım ve gerlm fazörler hesaplanır.

3 peryottak akım örnekler le karşılaştırılmaktadır. Ardışık k peryottak karşılıklı üç akım örneğ çn değşm %40 ve daha fazla se aynı şlem gerlm örneklerne de uygulanmakta ve arıza oluş zamanı belrlenmektedr. Şekl 5. Akım sensörü blok dyagramı 2.3 OG/AG İstasyonu İle Tal Hat Bağlantı Noktaları Arası Haberleşme Enerj dağıtım stasyonları ve kontrol merkezlernde haberleşme amaıyla koaksyel kablo, mkro dalga, enerj hatları vb. gb brçok alternatf bulunmaktadır. Burada haberleşme amaıyla elektromanyetk alanlardan etklenmedkler ve yüksek kapastelernden dolayı fber optk hatlar terh edlmştr. Yerel bağlantı ağı çn yıldız şebeke, ver letmnde se enerj sstemlernde ençok terh edlen half-duplex sstem öngörülmüştür 8] Akım ve Gerlm Fazörlernn Elde Edlş ve Arayüz Hataları Gelştrlen metod, ölçüm yapılan baradan alınan akım ve gerlm şaretlernden elde edlen fazörler le çalışaak şeklde tasarlanmıştır. Akım ve gerlm transformatörlernden (AT ve GT) elde edlen altı analog şaret, mkroşlem tabanlı donanım sayesnde devamlı olarak kaydedlmektedr. Bu aşamada analogdjtal çevr (ADC) analog şaretler ayrık zamanlı değerlere dönüştürülmektedr. Arıza anında, DAK tarafından kaydedlen akım ve gerlm blgler kullanılarak arıza oluş zamanı, arıza tp ve arıza yol akımları hesaplanmaktadır. Uygulamada AT ve GT lern frekans tepkler le analog arayüz brmlernden kaynaklanan hatalar, antalasng fltrelernn tepkler le analog-djtal çevrmden kaynaklanan kuantalama hataları, bu brmlern modeller blgsayar benzetme dahl edlmek suretyle dkkate alınmıştır. EMTP blgsayar benzetmnden elde edlen akım ve gerlm verler ayrıa 2-bt çözünürlükte (4 khz de) örneklenmştr. Böylee elde edleek sonuçların daha gerçekç olması sağlanmıştır. 2.5 Arıza Oluş Zamanı Tespt OG hattının bağlı olduğu dağıtım stasyonundak DAK, akım ve gerlm sensörlern kullanarak akım ve gerlm değerlern sürekl kaydetmektedr. DAK'dak buffer 0 peryotluk blgy sürekl olarak muhafaza etmektedr. Şekl 6. da arıza oluş zamanı algortması görülmektedr. Arıza oluş zamanının tespt çn br peryotluk akım örnekler sürekl olarak br önek Şekl 6. Arıza oluş zamanı tespt algortması (N toplam örnek sayısı, N peryottak örnek sayısı, v, V ve çn eşk sevyes, T zaman aralığı). 2.6 Admtans Matrslernn Elde Edlmes Şekl 7. de br radyal enerj dağıtım hattı ve bu hatta bağlı tal hatlar görülmektedr. Burada V P ve P hat başından elde edlen akım ve gerlm fazörlern,. tal hat bağlantı noktasındak gerlm,. Tal hattın akımını, j se ana hattın j. kısmından akan akımı, Z j se k tal hat arasında kalan ana hattın empedans matrsn göstermektedr. Şekl 7. Radyal enerj dağıtım hattı Enerj dağıtım hattında br arıza meydana geldğnde varsayılan arıza noktasından hattın her k uuna doğru görülen empedanslar, hat sonuna bağlanması olası kojenerasyon dkkate alınarak kaynak 5] te açıklandığı gb hesaplanmıştır. Şekl 8. de se dağıtım hattına bağlı br tal hat model görülmektedr. Burada, V ;. tal hattına bağlı yükün gerlmn, akımını, L L V

4 YL bu yüke at admtans matrsn, l se tal hattın uzunluğunu göstermektedr. şeklnde ve herhang br tal hatta arıza olması durumunda arıza anındak hat akımı se, ] ] V ] Y ] = (5) ER olarak bulunur. Yukarıdak eştlkte. tal hat Y ER bağlantı noktasından hat sonuna doğru görülen empedansı (bu noktadak tal hat empedansı harç) göstermektedr. Şekl 8. Tal hat model Tal hat başındak gerlm V, V T ] l Z ] ] + V = ] şeklnde bulunur. Burada ] ] (7) Z T = Y olmak üzere. tal hattın empedans matrsdr (Ω/brm uzunluk). Yük akımı ; ] ] = Y ] V ] = (8) 3. UYGULAMA Gelştrlen yöntem Şekl 9. da görülen dağıtım sstemnn blgsayarda benzetm yapılarak test edlmştr. Benzetm yapılan dağıtım sstemnde yatay hat düzen kullanılmış ve letkenler arası mesafe 0.6 m alınmıştır. Benzetmden elde edlen akım ve gerlm örnekler kullanılarak arızalı tal hattın ana stasyona olan mesafes hesaplanmıştır. Yöntemn güvenrlğ değşk kaynak kapasteler, arıza tpler ve arıza dren çn test edlmştr. olarak (7) de yerne konulduğunda V ] = U + l Z ] Y ]] V ] (9) Şekl 9. kv Enerj dağıtım sstem şeklnde bulunur. Eştlk (9) dan yerne konulursa. tal hat akımı ; T ] = Y ] U + l Z ] Y ]] V ] = Y ] V E T ] (0) Y ] Y ] U + l Z ] Y ]] ] V çeklp (8) de elde edlr. Burada. tal hattın ana hat bağlantı noktasından görünen admttans matrs, E = () olarak yazılablr. 2.7 Tal Hat Başlarında Akım ve Gerlmler Şekl 7. de görülen dağıtım sstemnde tal hat başındak gerlmler, V ] V ] Z ] ] P = (2) j= j j olarak yazılablr. Tal hatlar arasında kalan ana dağıtım hattından geçen akım se yük akımları dkkate alınarak eştlk (3) tek gb hesaplanablr. N ] = P ] j= (3) L j Arızasız tal hatlardak arıza önes ve sonrası akımlar, ] ] ] j j+ = (4) Şekl 9 dak dağıtım sstemnde hat sonuna bağlı kaynak devre dışı edlerek. tal hatta çeştl arızalar oluşturulduğunda elde edlen değerler Çzelge de verlmştr. Çzelge. numaralı tal hatta meydana gelen şönt arızalar çn gerçek ve hesaplanan arıza yerler (Hat sonu kaynak yok). tp Dren (Ω) mesafe (km) mesafe (km) a-e a-e a-e a-b-e a-b Çzelge dek sonuçlardan faz-toprak arızalar çn arıza drennn artışına bağlı olarak hata mktarının da arttığı görülmektedr. Anak, 50.0 Ω luk arıza drenne karşılık meydana gelen hata %8.83 varında kalmaktadır. Faz-faz-toprak ve faz-faz arızalarındak hata oldukça düşüktür. Şekl 9. dak dağıtım hattının sırasıyla 2. ve 3. tal hatlarında arızalar oluşturulduğunda elde edlen değerler Çzelge 2 ve 3 te verlmştr. Çzelge 2 den görüleeğ gb özellkle faz toprak arızasında arıza drennn artmasıyla brlkte ölçümdek hatanın artmasının beklenmesne karşılık, arıza noktasında sağlam faz arıza yol akımlarının mnmum olduğu değerler brbrnden uzaklaşmaktadır. Bu noktaların artmetk ortalaması alındığında hata düşeblmektedr. Faz-faz arızasında se hatanın nspeten yüksek çıkmasının

5 neden sağlam fazlar çn hesaplanan arıza yol akımlarının çok düşük seyretmes ve arayüz le çevrm hatalarından daha çok etklenmelerdr. Çzelge 2. 2 numaralı tal hatta meydana gelen şönt arızalar çn gerçek ve hesaplanan arıza yerler tp Dren (Ω) mesafe (km) mesafe (km) a-e a-e a-e a-b-e a-b Çzelge 3. 3 numaralı tal hatta meydana gelen şönt arızalar çn gerçek ve hesaplanan arıza yerler tp Dren (Ω) mesafe (km) mesafe (km) a-e a-e a-e Şekl 9. dak dağıtım hattı sonundak kaynak kısa devre sevyes (SCL) sırasıyla 0 MVA ve 00 MVA değerlerne çıkarılarak arızalar tekrar edldğnde elde edlen sonuçlar Çzelge 4 ve 5 te verlmştr. Sonuçlardan aynı tür arızalar çn ölçme hatalarının brbrne çok yakın olduğu görülmektedr. Bunun neden arıza anında hat sonundak kesye an açtırma yaptırılarak hattın sonundak kaynak devre dışı edlmektedr. Dolayısıyla hattın sonundak kaynağın arıza akımlarına yapaağı etk ortadan kaldırılmaktadır. Yapılan testler, hat sonu kaynak devre dışı edldkten en az 40 ms sonra arıza sonrası akım ve gerlm ölçümlernn yapılması gerektğn göstermştr. Çzelge 4. 3 numaralı tal hatta meydana gelen şönt arızalar çn gerçek ve hesaplanan arıza yerler (Hat sonu kaynak SCL 0 MVA) tp Dren (Ω) mesafe (km) mesafe (km) a-e a-e görülmüştür. Gelştrlen bu yöntemn, özellkle tal hat uzunluklarının ana hat uzunluğuyla kıyaslanablr olan dağıtım sstemlernde daha şlevsel ve ekonomk olarak uygulanableeğ görülmektedr. Uygulanan algortma çevrm dışı (off-lne) olduğu çn arıza anında haberleşme kanallarından kaynaklanableek gekmeler sakına yaratmayaaktır. KAYNAKLAR ] Cook V. Fundamental Aspets of Fault Loaton Algorthm Used n Dstane Proteton, EE Proeedng, No.33,Pt.5, pp (986) 2] Gönen, T. Eletr Power Dstrbuton System Engneerng, Text Book, MGraw-Hll, (986) 3] Zhu J., Lubkeman L Davd, Grgs A.A. Automated Fault Loaton and Dagnoss on Eletr Power Dstrbuton Feeders, EEE Wnter Meetng, 996 4] Aslan Y., Aggarwal R.K., Johns A.T. Fault Loaton n Overhead Dstrbuton Systems Usng Supermposed Components, 30 th Unverstes Power Engneerng Conferene 995 at Unversty of Greenwh, UK, September, (995) 5] Aggarwal R. K. Aslan Y. Johns A. T. A New Conept n Fault Loaton for Overhead Dstrbuton Systems Usng Supermposed Components, EE Pro. C, May, 44 (3), pp (997) 6] Johns A. T., Moore P. J., Whttard R. New Tehnque for the Aurate Loaton of Earth Faults on Transmsson Systems, EE Pro. C, Marh, 42 (2), pp 9-27 (995) 7] Kakmoto H., Hayash T., Handa H., Yukhra K., Okamura Y., ve Odaka N. Development of Automat Fault Pont Loatng and Setonal solatng System for Power Dstrbuton ne, Eletral Engneerng n Japan, Vol.5, No.5, 995, pp ] Moore.P J. Power System Proteton, vol.4: Dgtal proteton and sgnallng, The nsttuton of Eletral Engneers, (997) Çzelge 5. 3 numaralı tal hatta meydana gelen şönt arızalar çn gerçek ve hesaplanan arıza yerler (Hat sonu kaynak SCL 00 MVA) tp Dren (Ω) mesafe (km) mesafe (km) a-e a-e SONUÇ Bu çalışmada Bleşenler Farkı Yöntem kullanılarak orta gerlm enerj dağıtım tal hatlarında arıza yer tespt yapılmıştır. Yöntemn performansı, blgsayar benzetm le yapılan uygulamalarda test edlerek