Fırat Üniversitesi-Elazığ 154 kv luk Enerji Nakil Hatlarında Kullanılan Kafes Direklerin Yıldırım Analizi Asım KAYGUSUZ 1, Mustafa ŞEKER 2 1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü İnönü Üniversitesi asim.kaygusuz@inonu.edu.tr 2 Divriği Nuri Demirağ M.Y.O. Cumhuriyet Üniversitesi mustafaseker@cumhuriyet.edu.tr ÖZET:Bu çalışmada 154 kv luk enerji nakil hatlarında kullanılan kafes direklere yıldırım düşmesi sonucu meydana gelen aşırı gerilimler Alternative Transient Program (ATP) kullanılarak analiz edilmiştir. Aşırı gerilimlerin etkilerini verimli olarak inceleyebilmek için metal direklerin doğru olarak modellenmesi gerekmektedir. Uygulamalarda daha doğru sonuçlar elde edilebilmesi için elektrik direğinin parametreleri yüksekliğe göre değişen uniform olmayan hatlar ile modellenmesi gereklidir. Yıldırımın faz iletkenine düşmesi sık karşılaşılan bir durum olmadığı için analizde en çok karşılaşılan durum olan, yıldırımın toprak iletkenine düşmesi sonucunda ortaya çıkabilecek durumlar incelenmiştir. Ayrıca pilon direk için kullanılan basit direk modeli ve çok katlı iletim direk modelinden (Multistory Transmission Tower Model) elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: İletim Hatları, Yıldırım Aşırı Gerilimleri, Alternative Transient Program (ATP), Direk Modelleri. 1. GİRİŞ Yıldırım düşmesi elektrik sistemlerinde izolatörlerin kırılması, iletkenlerin kopması ve elektrik kesintileri gibi önemli arızalara neden olmaktadır [1]. Ayrıca enerji dağıtım sistemleri ve şalt sahalarında kullanılan aygıtlar, jeneratörler ve elektrik tüketicileri meydana gelen yıldırım aşırı gerilimlerden olumsuz olarak etkilenmektedir. Bu durumlar dikkate alındığında yıldırım düşmesi sonucu meydana gelen aşırı gerilimlerin hesaplanması ve yıldırım düşmesi sonucu meydana gelecek durumlar için gerekli önlemlerin alınması enerji iletiminde büyük önem taşımaktadır. Enerji iletim hattında yıldırım düşmesi olayı faz iletkenine yıldırım düşmesi, direğe yıldırım düşmesi ve toprak iletkenine yıldırım düşmesi olmak üzere üç farklı şekilde meydana gelebilir. Fakat yıldırımın faz iletkenlerine düşmesi sık karşılaşılmayan bir durumdur. Yıldırım genellikle direğe ya da toprak iletkenine düşmektedir [2]. Yıldırımın iletim hatlarındaki etkisi incelenirken elektrik direğinin modellenmesi için farklı modeller kullanılmaktadır. Basit hat modelleri farklı uygulamalarda kullanılsa da daha verimli sonuçlar elde edebilmek için değişen üniform olmayan hatlar ile modellenmesi gerekmektedir [2]. Elektrik tesislerinde yıldırım aşırı gerilimlerin analizi ve etkilerini incelemek için deneysel birçok çalışma yapılmıştır. Fakat pratikte yapılan bu deneysel uygulamalar deneylerin pahalı olması ve deneylerin tekrarlanma zorluğundan dolayı hem maddi hem de zamansal olarak büyük kayıplara neden olmaktadır. Bu nedenle günümüz elektronik teknolojisinin ilerlemesi ile nümerik yöntemler kullanılarak tasarlanmış bilgisayar benzetim uygulamaları aşırı gerilimlerin deneysel uygulamaları ve analizlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır [2-3]. Elektrik direklerinin analizinde ilk olarak elektro manyetik alan etkisi kullanılmıştır ve geometrik şekillerle yapılan hesaplama ile türetilen matematiksel bir model oluşturulmuştur. Kawai iletkenler üzerinde deneysel çalışmalar yapmış ve çalışmaları sonucunda iletkenin karakteristik empedansı ve dalga yayılım hızı hakkında tespitlerde bulunmuştur [4]. Aynı şekilde Chisholm ve Chow da iletkenlerin karakteristik empedansları ve yayılım sabiti ile ilgili çalışmalar yapmıştır [5]. İlk başlarda yapılan çalışmalarda direğe bağlı koruma iletkeninin etkisi dikkate alınmamıştır, son dönemdeki çalışmalarda direğe bağlı koruma iletkeninin etkisi de göz önüne alınarak Ishii ve diğerleri tarafından nümerik yöntemler kullanılmak üzere direk için çok katlı bir model geliştirilmiştir [6]. Bu çalışmada özellikle ülkemizde çoğunlukla kullanılan 154 kv luk enerji nakil hatlarına yıldırım düşmesi sonucu oluşan aşırı gerilimler EMTP nin bir versiyonu olan ATP yardımıyla analiz edilmiştir. Bunun için iki direk tipi olan pilon ve çatal pilon direk tipi ele alınmıştır. Daha sonra bu direklerin basit ve çift katlı modeli oluşturulmuş ve iletim sistemiyle beraber ele alınmıştır. İletim sisteminde kullanılan bu kafes direk modellerinde toprak iletkenine yıldırım düşmesi durumunda meydana gelen aşırı gerilimler direğin uniform olmayan modeli kullanılarak simülasyonu gerçekleştirilmiştir. 2. İletim Hattının Karakteristik Özelliği Bu çalışmada simülasyon için iletim hattında kullanılan faz iletkeni ve koruma iletkenlerine ait TEİAŞ katalog bilgilerinden alınana karakteristik özellikler Tablo-1 de gösterilmektedir. Tablo 1. İletim hattının karakteristiği İletken Tip Çap (mm) Faz iletkenleri Koruma iletkeni Direnç (Ω/km) Kardinal 30.35 0.0586 7N8 9.78 1.4625 Yıldırım analizi yapılırken iletim hattının doğru olarak modellenmesi gerekmektedir. Ayrıca direğin geometrik yapısı ile birleştirilmesinin çok dikkatli bir biçimde yapılması önemlidir. Bunun için iletim hattının geometrisi, iletim hattında kullanılan iletken çapları, yeryüzünden olan yükseklikleri gibi bilgiler ATP programında Şekil 9 da görülen LCC alt birimi yardımıyla kullanıma hazır hale getirilmiştir. 288
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 3. Yıldırım Akımının Dalga Şekli Yıldırım darbesi Şekil 3.1 de görüldüğü gibi yıldırım yolu empedansı olan paralel bir direnç ve akım kaynağı olarak modellebilir. Bu modelde kullanılan paralel direnç değeri 400 Ω olarak alınmıştır [7]. Şekil 1. ATP de akım kaynağı ve yıldırım yolu empedansını içeren yıldırım darbesi modelinin görünümü. Çalışmada yıldırım akımı dalga formunu göstermek için aşağıda verilen Heidler fonksiyonu kullanılmıştır. i( t) Burada; Io ( t τ ).. η n ( t τ ) + 1 = e 2 (1) 2 n 1 t τ 1 [ ( τ1 τ 2 ).( n. τ 2 τ1 )]n η = e (2) I 0 : Yıldırım akımı tepe değeri τ 1 : Akım yükselme zamanına bağlı zaman sabiti τ 2 : Akımın gecikme zamanına bağlı zaman sabiti n: Akım diklik faktörü dür. Çalışmada kullanılan Heidler fonksiyonunun parametreleri sırasıyla I 0 =20 ka, τ 1 =1.2 µs, τ 2 =61.7 µs ve n=2 olarak alınmış ve Şekil 2 de gösterilen yıldırım akımı dalga formu analizde kullanılmıştır [8]. 4. 154 kv luk Hatlarda Kullanılan Kafes Direk Modelleri Bu çalışmada Türkiye de 154 kv luk iletim hatlarında kullanılan Kafes Direklerin (Pilonlar) toprak iletkenine yıldırım düşmesi sonucunda meydana gelebilecek durumlar incelenmiştir. Yıldırım analizinin verimli olarak yapılabilmesi için direklerin karakteristik empedanslarının uygun bir model olarak tasarlanması gerekmektedir. Analizde kafes direklerden Pilon (6 faz-1 koruma iletkeni) ve Çatal Pilon (3 faz-2 koruma iletkeni) direk kullanılmıştır. Burada ele alınan çatal pilon direğin direk modeli üniform olmayan iletim hattı modellemesi temeline dayanmaktadır. Bu modelde direk eşit parçalara bölünerek, her bir bölüm için birbirinden farklı karakteristik empedanslar tanımlanmıştır. Elektrik direğinin karakteristik empedansları direğin üst bölümünde 220 Ω ve direğin temelinde 150 Ω olarak alınmıştır. Bu değişim üstel bir fonksiyon olarak ifade edilmiş ve bu fonksiyon denklem 3 deki gibidir [1]. qx 0 ( x) = 150 e (3) Z. Burada q direk yüksekliği ile ilgili bir sabittir ve x ise yer seviyesinden ölçülen yüksekliktir. Çatal pilon direğin şekli Şekil 3 de ve direğe ait ölçülendirme değerleri Tablo 2 de verilmiştir. Şekil 2. Çalışmada kullanılan yıldırım akımının şekli Şekil 3. Çatal Pilon direk 289
Fırat Üniversitesi-Elazığ Tablo 2. Analizde kullanılan çatal pilon direğe ait boyut ölçüleri a a f h1 h2 h3 h 5.9m 5.9m 7.2m 3.85m 8m 15.15m 27m Tablo 3. Analizde kullanılan pilon direğe ait boyut ölçüleri a b c h1 h2 h3 h4 3.20 4.10 3.50 3.15 4.15 4.15 17.90 Analizde kullanılan pilon direğe ait direk şekli Şekil 5 de gösterilmiştir. Direğe ait ölçülendirme boyutları ise Tablo 3 de verilmiştir. Analizde kullanılan pilon direğin yüksekliği 29.35 m dir. Direğin topraklama direnci ise 17 Ω olarak alınmıştır. Şekil 4. Çatal Pilon direk modelinin ATP deki görünümü Bu çalışmada pilon direk için iki farklı model kullanılmıştır. Birinci model çatal pilon direkte belirtildiği gibi üniform olmayan iletim hattı modellemesine dayanmaktadır. Bu modelde elektrik direğinin karakteristik empedansları direğin üst kısmında 220 Ω ve direğin temelinde ise 150 Ω olarak alınmıştır. İkinci modelde ise çok katlı iletim direk modeli (Multistory Transmission Tower Model) temel alınmıştır [6]. Şekil 6. Çok katlı iletim direk modeli (Multistory Transmission Tower Model). Şekil 7. Pilon direğin basit direk modelinin ATP deki görünümü Şekil 5. Pilon Direk 290
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Analiz sonucunda elde edilen izolatör gerilimleri ve fazlarda indüklenen gerilimler sırasıyla Şekil 10. ve Şekil 11. deki gibidir. 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Şekil 8. Pilon direğe ait çok katlı iletim direk modelinin ATP de oluşturulması (Multistory Transmission Tower Model). 5. Uygulama ve Analiz Uygulama için ele alınan pilon direğin yüksekliği 31.5 m ve çatal pilon direğin yüksekliği ise 27 m dir. Kaynak empedansı 400 Ω ve dalga yayılım hızının ışık hızına eşit olduğu kabul edilmiştir. Analizde 22.8 km lik bir iletim hattı tasarlanmış ve hatta pilon ve çatal pilon direklerin kullanılması durumun toprak iletkenine yıldırım düşmesi sonucunda izolatörlerde ve fazlarda oluşan aşırı gerilimler Alternative Transient Program (ATP) kullanılarak analiz edilmiştir. Çalışmada uygulanan yıldırım akımı dalga formu Şekil 2. de gösterildiği gibidir. Pilon direk için literatürde kullanılan basit direk modeli ve çok katlı iletim direk modeline göre analiz edilerek hangi modelin daha iyi sonuçlar verdiği belirlenmeye çalışılmıştır. Modelde izolatör yerine zincir izolatörün eşdeğeri olan 80 pf lık kondansatörler kullanılmıştır [9]. -0,2 (file 6hatmodel1.pl4; x-var t) v:xx0017-x0001a v:xx0013-x0001b v:xx0012-x0001c Şekil 10. Basit direk modeli kullanılarak ATP analizi sonucunda elde edilen izolatör gerilimleri (kırmızı A, yeşil B, mavi C fazını göstermektedir) 600 [kv] 500 400 300 200 100 0 6hatmodel1.pl4; v:x0001b (file x-var t) v:x0001a v:x0001c Şekil 11. Basit direk modeli kullanılarak ATP analizi sonucunda elde edilen fazlarda indüklenen gerilimler (kırmızı A, yeşil B, mavi C fazını göstermektedir) Şekil 9. Basit direk modeli için pilon direğin yıldırım analizi ATP devre modeli. Şekil 12. Çok katlı iletim direk modeli için pilon direğin yıldırım analizi ATP devre modeli. 291
Fırat Üniversitesi-Elazığ Şekil 6 da verilen denklemlere göre pilon direğin eşdeğer karakteristik değerleri hesaplandığında R 1 =4.347Ω, R 2 =R 3 =5.72 Ω, R 4 =23.17 Ω ve L 1 =0.85Mh, L 2 =L 3 =1,119 mh, L 4 =4.53 mh olarak elde edilmiştir. Analiz sonucunda elde edilen izolatör gerilimleri ve fazlarda indüklenen gerilimler sırasıyla Şekil 13. ve Şekil 14. deki gibidir. Çatal pilon direğin analizi sonucunda elde edilen izolatör gerilimleri ve fazlarda indüklenen gerilimler sırasıyla Şekil 16. ve Şekil 17. de görüldüğü gibidir. 1,5 1,0 0,9 0,8 0,6 0,6 0,4 0,2 0,3-0,2 (file 6hatmodel2.pl4; x-var t) v:xx0017-x0001a v:xx0019-x0001b v:xx0022-x0001c Şekil 13. Çokkatlı iletim direk modeli kullanılarak ATP analizi sonucunda elde edilen izolatör gerilimleri (kırmızı A, yeşil B, mavi C fazını göstermektedir) 2,0 CATAL1.pl4; v:xx0008 (file x-var t) v:xx0010 v:xx0011 Şekil 16. Çatal pilon direk modeli kullanılarak ATP analizi sonucunda elde edilen izolatör gerilimleri (kırmızı A, yeşil B, mavi C fazını göstermektedir) 600 [kv] 500 1,6 400 300 0,8 200 100 0,4 6hatmodel2.pl4; v:xx0019 (file x-var t) v:xx0017 v:xx0022 Şekil 14. Çok katlı iletim direk modeli kullanılarak ATP analizi sonucunda elde edilen fazlarda indüklenen gerilimler (kırmızı A, yeşil B, mavi C fazını göstermektedir) 0 CATAL1.pl4; v:x0001b (file x-var t) v:x0001a v:x0001c Şekil 17. Çatal pilon direk modeli kullanılarak ATP analizi sonucunda elde edilen fazlarda indüklenen gerilimler (kırmızı A, yeşil B, mavi C fazını göstermektedir) SONUÇLAR Şekil 15. Çatal pilon direğin yıldırım analizi ATP devre modeli. Bu çalışmada, Alternative Transient Programı (ATP) yardımıyla 154 kv luk enerji nakil hatlarında kullanılan kafes direklerin koruma iletkenine yıldırım düşmesi durumunda, izolatörlerin ve fazların maruz kaldığı aşırı gerilimler hesaplanmıştır. Bunun için çatal pilon ve pilon tipi direk modeli kullanılmıştır. Pilon direk için kullanılan basit direk modeli ve çok katlı iletim direk modeli (Multistory Transmission Tower Model) ile elde edilen analizler karşılaştırıldığında çok katlı iletim direk modelindeki paralel bağlı direnç ve indüktanslardan kaynaklanan etki dikkate alındığında izolatör ve fazlar üzerinde basit direk modeline göre daha yüksek gerilim seviyeleri oluştuğu görülmektedir. Gerçeğe daha yakın olan direk modeli kullanılarak yıldırım analizi yapılması ve buradan elde edilen sonuçların kullanılması, güç iletim sistemlerinde oluşan aşırı gerilimler karşısında koruma ve izolasyon seviyelerinin belirlenmesine yardımcı olabilir. 292
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 6. KAYNAKLAR [1] Kaygusuz, A, Mamiş, M.S., Akın, E., Yıldırım Düşmesi Nedeniyle İzolatörler Üzerinde Oluşan Aşırı Gerilimler,Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 10. Ulusal Kongresi, 2003. [2] Ueda, T., ve Diğ., A Comparasion Between Two Tower Models For Ligtning Surge Analysis of 77 kv System, IEEE Trans., 2000. [3] Kaygusuz, A, Mamiş, M.S., Akın, E., s-domain Analysis of Lightning Surges on Transmission Towers, First Int. Conf. on Technical and Physical Problems in Power Eng (TPE), Bakü, Azerbaycan, 2002. [4] Kawai, M., Studies of The Surge Responce on a Transmission Line Tower, IEEE Trans, Pas-83, pp. 30-34, 1964. [5] Chislom, W.A., Chow Y.L., Strivastova, K.D., Lightning Surge Responce of Transmission Towers, IEEE Trans., Pas-102,(8), pp. 3232-3242, 1991. [6] Ishii, M., ve diğ., Multistory Transmission Tower Model for Lightning Surge Analysis, IEEE Trans. on Power Del., vol. 6, No.3, pp. 1327-1335, 1991. [7] Bewly, B.V., Travelling Waves on Transmission Systems, New York Dover, 1963. [8] Ferete, K., Nikolovski, S., Knezevic, G., Stojkov, M., Kovac, Z., Simulation of Lightning Transients on 110 kv overhead-cable Transmission Line Using ATP- EMTP, IEEE, 2010. [9] Shaida, N., Jamoshid, B.T., Lightning Simulation Study on Line Surge Arresters and Protection Design of Simple Structures, Degree Of Master Of Engineering (Electric Power) Faculty of Electrical Engineering University Technology, Malaysia, 2008. 293