Tezin Enstitüye Verildiği Tarih: 12 Aralık 2010 Tezin Savunulduğu
advertisement
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ FERROREZONANS OLGUSUNUN ANLAġILMASI VE ENGELLENMESĠ ĠÇĠN ALINABĠLECEK ÖNLEMLERĠN ĠRDELENMESĠ: DAĞITILMIġ ENERJĠ ÜRETĠMĠ SĠSTEMLERĠNDE FERROREZONANS YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Ömer KARA 504071027 Tezin Enstitüye Verildiği Tarih: 12 Aralık 2010 Tezin Savunulduğu Tarih: 25 Ocak 2011 Tez DanıĢmanı: Doç. Dr. Mustafa BAĞRIYANIK(ĠTÜ) Diğer Jüri Üyeleri: Doç.Dr. Mehmet BAYRAK (Sakarya Ü.) Yrd. Doç. Dr. Ramazan ÇAĞLAR (ĠTÜ) OCAK 2011 Desteğini benden esirgemeyen değerli hocam Sayın Doç. Dr. Mustafa Bağrıyanık’a; tüm eğitim hayatım boyunca hep yanımda olan ve her bireyine çok şey borçlu olduğum Hilmi-Fatma Kara, Sevim-Fehim Yıldız, Ural-Emel Kara; Serap-Serkan Şeker’e ve bugün olduğu gibi gelecekte de desteğine ihtiyaç duyduğum her anda orada olacağına emin olduğum, saygıdeğer Eşim Betül Kara’ya tüm kalbimle teşekkürlerimi sunarım. iii iv ÖNSÖZ İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı Elektrik Mühendisliği Yüksek Lisans Programı dahilindeki eğitimim boyunca, sorumlusu olduğum derslere katılımıma ve teslim etmem gereken projelerimin gerçeklenmesinde laboratuvar imkanlarını kullanmama olanak sağlayan Güral Elektrik Malzemeleri Ticaret ve Sanayi A.Ş.’nin tüm yönetim kadrosuna ve laboratuvar çalışanlarına teşekkür ederim. Aşağıda sunulan çalışma konusuyla ilgili olarak yayımlanmış pekçok makale ve uygulama notunun yanı sıra elektro-mekanik sanayisinin üretimlerinin de inceleme ve değerlendirme sonuçlarını içerir. Bu bağlamda, yaptıkları bilimsel çalışmaların sonuçlarını tüm ilgililerin kullanımına açan bilim insanları ile sektörün gelişmesinde emeği geçen tüm meslektaşlarımızın da bu çalışmada payları vardır. Hepsine teşekkürlerimi ve saygılarımı sunarım. İTÜ’deki lisans ve yüksek lisans eğitimlerim boyunca bilgilerini aktaran ve önümde yeni ufuklar açan tüm hocalarıma yürekten teşekkür eder, saygılarımı sunarım. Ömer Kara Ocak 2011 Elektrik Mühendisi v vi İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ ........................................................................................................................ v ĠÇĠNDEKĠLER ........................................................................................................ vii KISALTMALAR ...................................................................................................... xi ÇĠZELGE LĠSTESĠ ................................................................................................ xiii ġEKĠL LĠSTESĠ ....................................................................................................... xv ÖZET........................................................................................................................ xix SUMMARY ........................................................................................................... xxiii 1. GĠRĠġ ...................................................................................................................... 1 1.1 Tezin Amacı ....................................................................................................... 2 1.2 Literatür Özeti .................................................................................................... 3 1.3 Tezde Savunulacak Görüşler .............................................................................. 4 2. FERROREZONANS DEVRESĠNĠN KARAKTERĠSTĠKLERĠ VE OLGUYU BAġLATAN DURUMLAR ................................................................................... 7 2.1 Amaç .................................................................................................................. 7 2.2 Ferrorezonansın Tanımı ..................................................................................... 7 2.3 Rezonans ve Ferrorezonans ................................................................................ 8 2.4 Ferrorezonans Olgusunun Yaşanabilmesi için Gerekli Durumlar ................... 10 2.5Ferrorezonans Tipleri ve Olgunun Hangi Tipe Ait Olduğunun Belirlenmesi ... 11 2.5.1 Ferrorezonans tipinin belirlenmesinde kullanılan araçlar ........................ 11 2.5.2 Ferrorezonans tipleri ve belirleyici özellikleri ......................................... 12 2.6 Ferrorezonansın Karakteristik Özellikleri ........................................................ 19 2.6.1 Sistem parametrelerindeki değişime karşı aşırı hassasiyet ...................... 20 2.6.2 Başlangıç koşullarındaki değişime karşı aşırı hassasiyet ......................... 21 2.6.3 Aşırı hassasiyetleri incelemek amacıyla oluşturulan PSCAD modeli ve yürütülen simülasyon ............................................................................... 22 2.7 Dalgacık Dönüşümü Kullanalabilen Dijital Röle Uygulamaları ile Ferrorezonansın Tespiti .................................................................................... 26 3. FERROREZONANSA YATKIN DEVRE YAPILARI .................................... 27 3.1 Amaç ................................................................................................................ 27 3.2 Bir ya da İki Fazı Açık Kesicinin Derecelendirme Kondansatörleri Üzerinden Beslenen Ferrorezonans Devresi ..................................................................... 27 3.2.1 Bir ya da iki fazı açık kesicinin derecelendirme kondansatörleri üzerinden beslenen güç transformatörünün ferrorezonans devresi .......... 27 3.2.2 Bir ya da iki fazı açık kesicinin derecelendirme kondansatörleri üzerinden beslenen gerilim ölçü transformatörlerinin ferrorezonansa maruz kalması .......................................................................................... 31 3.3 Gerilim Ölçü Transformatörünün Nötrü İzole Olan Bir Sisteme Bağlı Olması Durumu............................................................................................................. 33 3.4 Bir ya da İki Fazın Açık Olduğu Hallerde Güç Transformatörünün Beslenmesi Hali ................................................................................................................... 34 3.5 Ferrorezonans Olgusuna Gerçek Durum Örnekleri.......................................... 38 vii 3.5.1 Oto-transformatör örneği .......................................................................... 39 3.5.2 Güç transformatörü örneği ....................................................................... 42 3.5.3 Gerilim ölçü transformatörü örneği .......................................................... 45 3.5.4 Dağıtılmış enerji üretiminde yükseltici transformatör örneği .................. 46 3.5.5 Yoğun şehirleşme ya da sanayi bölgeleri örneği ...................................... 48 4. FERROREZONANSI ETKĠLEYEN FAKTÖRLER ....................................... 49 4.1 Amaç................................................................................................................. 49 4.2 Sistem Yükünün Etkisi ..................................................................................... 49 4.2.1 İlgili benzetim ........................................................................................... 50 4.3 Sistem Geriliminin Genliğinin Etkisi ............................................................... 52 4.3.1 İlgili benzetim ........................................................................................... 52 4.4 Hattın Yapısının Etkisi ..................................................................................... 53 4.4.1 İlgili benzetim ........................................................................................... 54 4.5 Transformatör Çekirdek Yapısının Etkisi ....................................................... 55 4.6 Transformatör Sargı Şekillerinin Etkisi ........................................................... 58 4.6.1 İlgili benzetim ........................................................................................... 60 4.7 Transformatör Boyutunun Etkisi ...................................................................... 62 4.7.1 İlgili benzetim ........................................................................................... 63 4.8 Kesici Yapısının Etkisi ..................................................................................... 65 4.8.1 İlgili benzetim ........................................................................................... 65 4.9 Düşük Kayıplı Transformatörlerin Etkisi ......................................................... 66 4.10 Gerilim Ölçü Transformatörlerinin ve Diğer Cihazların Etkisi ..................... 67 4.11 Sistemin Kısa Devre Gücünün Büyüklüğünün Etkisi ve Bu Etkinin Benzetimler ile Modellenmesi ................................................................................ 68 5. FERROREZONANSIN ÖNGÖRÜLEBĠLMESĠ .............................................. 71 5.1 Amaç................................................................................................................. 71 5.2 Ferrorezonansın Öngörülebilmesi İçin Kullanılabilecek Yöntemler ............... 71 5.3 Dallanma Grafikleri ve Dallanma Çizgilerinin Elde Edilmesi ve Yorumu ...... 72 5.4 Sistemin Geçici Hal Cevabının İncelenmesi .................................................... 76 6. FERROREZONANSIN ENGELLENEBĠLMESĠ ĠÇĠN PRATĠK ÇÖZÜM VE ÖNERĠLER .................................................................................................... 77 6.1 Amaç................................................................................................................. 77 6.2 Anma Gücünün %10’undan Düşük Yüklenmiş Transformatörlerin Çalışmasının Engellenmesi ............................................................................. 77 6.3 Kesici Grubu ve Güç Transformatörü Arasındaki Mesafenin Kısa Tutulması 80 6.4 Ferrorezonansa Girme İhtimali Düşük Bağlantı Şekillerinin Kullanımı .......... 82 6.5 Ferrorezonansa Eğilimi Olan Çekirdeklerden Kaçınmak ................................. 82 6.6 Uzun Kablo Hatların Ucunda Düşük Güçlü Transformatörlerin Kullanımından Kaçınmak………………………………………………………………………....83 6.7 Transformatörlerin Yüksüz Enerjilendirilmelerinin Engellenmesi .................. 84 6.7.1 Anahtarlamalı geçici yük ile transformatör enerjilendirilmesinin benzetimi ................................................................................................... 84 6.8 Orta Gerilim Sistemlerinde Sigorta Kullanımının Azaltılması ........................ 86 6.9 Üç Fazlı Anahtarlama Yapabilen Cihazların Tercihi ..................................... 87 6.9.1 Üç fazlı anahtarlama yapabilen cihazın ferrorezonanas devresinde yarattığı farklılığın benzetimle incelenmesi .................................................................... 89 6.10 Tek Fazlı Anahtarlama Cihazlarının Gerilim Altında,Operatör Tarafından El ile Çalıştırılmasının Engellenmesi ......................................................................... 91 6.11 Kaynak Merkezinin Nötrünün Direnç Üzerinden Topraklanması ................. 93 6.12 Gerilim Ölçü Transformatörlerine Ferrorezonans Bastırma Devrelerinin viii Entegre Edilmesi .................................................................................................... 96 6.13 Gerilim Ölçü Transformatörlerinin Tersiyer Sargılarına Direnç Eklenmesi.. 97 6.14Sisteme Seri Olarak Endüktansların Eklenmesi .............................................. 99 6.15 Ferrorezonansı Tanıyabilen Rölelerin Üretilmesi ve Kullanılması .............. 101 6.16 Nötrü Topraklanmamış Transformatörün Enerjilendirmede Geçici Olarak Topraklanması ...................................................................................................... 102 6.17 Gerilim Ölçü Transformatörlerine Kablo Hattın Uzunluğu İle Orantılı Sürekli Yük Eklenmesi ........................................................................................ 102 7. DAĞITILMIġ ENERJĠ ÜRETĠMĠ VE FERROREZONANS ...................... 103 7.1 Amaç .............................................................................................................. 103 7.2 Genel .............................................................................................................. 103 7.3 Ferrorezonansa Uğrama Potansiyelindeki Dağıtılmış Enerji Üretimi Yapan Sistemlerin Benzetimler ile İncelenmesi .............................................................. 105 7.4 Dağıtılmış Enerji Üretiminin Yapan Sistemlerin Ferrorezonanstan Korunması İçin Önerileri ........................................................................................................ 112 8. SONUÇ VE TARTIġMALAR .......................................................................... 113 KAYNAKLAR ....................................................................................................... 115 ix KISALTMALAR AC DC EMTDC HVDC IEEE ĠTÜ OG PSCAD YG : Alternating Current-Alternatif Akım : Direct Current-Doğru Akım : Simutation Engine for Electromagnetic Time Domain Transients : High Voltage Direct Current : Institute of Electrical and Electronics Engineers : İstanbul Teknik Üniversitesi : Orta Gerilim : Power System Simulation Tool : Yüksek Gerilim xi xii ÇĠZELGE LĠSTESĠ Sayfa Çizelge 4.1 : Ferrorezonansa sürüklenme imkanı düşük olan bağlantı şekilleri. ...... 58 Çizelge 4.2 : Ferrorezonansa sürüklenme ihtimali yüksek olan bağlantı şekilleri. ... 59 xiii xiv ġEKĠL LĠSTESĠ Sayfa ġekil ġekil ġekil ġekil 2.1 : Elemanlarının seri bağlı olduğu RLC devresi kolu……………………. 9 2.2 : Seri rezonans devresine ait vektördiyagramı…………………………....9 2.3 : Temel ferrorezonans tipi için faz düzlemi. ............................................. 12 2.4 : Temel ferrorezonans tipinde gerilim bileşenlerine ait frekans spektrumu………………………………………………………………..13 ġekil 2.5 : Temel ferrorezonans hali için Poincaré Bölgesini oluşturan tek nokta...13 ġekil 2.6 : n=3 Alt-harmonik modunda faz düzlemi. .............................................. 14 ġekil 2.7 : Alt-harmonik ferorezonansının sürekli hal çalışmasında gerilim bileşenlerine ait frekans spektrumu … .................................................... 14 ġekil 2.8 : Alt-harmonik ferrorezonansı halinde Poincaré Bölgesi . ....................... 14 ġekil 2.9 : Yarı-periyodik ferrorezonans halinde Poincaré Bölgesi . ...................... 15 ġekil 2.10 : Kaotik ferrorezonans halinde Poincaré bölgesi ………………………..15 ġekil 2.11 : 20.Mayıs.1995’te Dorsey T.M.’de meydana gelen ferrorezonans süresince olay kaydedicinin yaptığı kayıtları . ....................................... 16 ġekil 2.12 : Temel ferrorezonans hali için gerilim dalga şekli örneği . ..................... 17 ġekil 2.13 : Alt-harmonik ferrorezonansı hali için gerilim dalga şekli örneği . ........ 17 ġekil 2.14 : Yarı-periyodik ferrorezonansı hali için gerilim dalga şekli örneği . ..... 17 ġekil 2.15 : Kaotik ferrorezonans hali için gerilim dalga şekli örneği . ................... 18 ġekil 2.16 : 20.Mayıs.1995’te Dorsey T.M. ferrorezonansında birden fazla sürekli hal çalışma noktasının gözlemlenebilmesi . ........................................... 19 ġekil 2.17 : Basit ferrorezonans devresi .................................................................... 20 ġekil 2.18 : Sistem parametrelerine olan aşırı hassasiyet ve zıplama olgusu ............ 20 ġekil 2.19 : Ferrorezonans olgusunu benzetimler ile inceleyebilmek amacıyla kurulan sistem şematiği .......................................................................... 22 ġekil 2.20 : Sistemin ferrorezonansa girmesi sonucu faz-toprak arası gerilim dalga şekli t=0,20s ........................................................................................... 24 ġekil 2.21 : Sistemin ferrorezonansa girmesi sonucu faz-toprak arası gerilim dalga şekli t=0,15s ........................................................................................... 25 ġekil 3.1 : Huawei – Yu tarafından kurulan model ................................................. 28 ġekil 3.2 : Huawei – Yu modelinin 1100kV sistemine göre indirgenmesi.............. 29 ġekil 3.3 : 1100kV sisteminde yaşanan ferrorezonans olayının PSCAD ile benzetimi sonucunda faz gerilimi şekli .................................................. 29 ġekil 3.4 : Bir fazın enerjili olduğu ferrorezonans devresi ...................................... 30 ġekil 3.5 : Ferrorezonans sonucu faz-toprak arası terminal gerilimi ....................... 30 ġekil 3.6 : Tek fazı açık kalan kesici çalışması sonucu ferrorezonans .................... 31 ġekil 3.7 : Nötr noktası izole sistemde gerilim ölçü transformatörünün varlığı ...... 33 ġekil 3.8 : Hatalı anahtarlama sonucunda güç transformatörünü ferrorezonansa sürükleme ihtimali yüksek olan sistem düzenleri .................................. 36 ġekil 3.9 : Kanada Ontario Hydro Sistemi’ndeki oto-transformatör ferrorezonansının yaşandığı sistem ........................................................ 40 ġekil 3.10 : Cataraqui’deki oto-transformatör ferrorezonansının tersiyer sargıya bağlanan 133kW/faz sürekli yükü ile sönümlenmesi ............................ 41 xv ġekil 3.11 : Dorsey YG DC Çevrim İstasyonu’nun 5.Ağustos.1995’teki yapısı ..... 43 ġekil 3.12 : 5.Ağustos.1995 Dorsey arızasında, arıza bölgesindeki sistem parçalarına ait tek hat şeması ................................................................................... 44 ġekil 3.13 : Dorsey İstasyonu’ndaki servis transformatörünün EMTP modeli ........ 45 ġekil 3.14 : Dağıtılmış enerji üretiminde üreticinin dağıtım şebekesine bağlanması ............................................................................................................................ 47 ġekil 3.15 : Dağıtılmış enerji üretimi ile orta gerilim şebeke bağlantısının arıza sonucunda yeni hali ............................................................................... 47 ġekil 4.1 : Yükün ferrorezonansın sönümlenmesindeki etkisinin incelenmesi için hazırlanan devre modeli ........................................................................ 50 ġekil 4.2 : Anma günün %9.7 boyutundaki rezistif yüklü güç transformatöründe ferrorezonans ......................................................................................... 51 ġekil 4.3 : Anma günün %11.4 boyutundaki rezistif yüklü güç transformatöründe ferrorezonans ......................................................................................... 51 ġekil 4.4 : Sistem geriliminin genliğinin ferrorezonans olgusu üzerindeki etkisi ...53 ġekil 4.5 : Hat uzunluğunun etkisinin incelenmesi için kurulan ferrorezonans devresi …………………………………………………………………54 ġekil 4.6 : Ferrorezonans sonucunda faz-toprak arası gerilimi……………………55 ġekil 4.7 : Hat uzunluğunun artması sonucunda değişen sistem cevabı…………..55 ġekil 4.8 : Tipik çekirdek yapıları ........................................................................... 57 ġekil 4.9 : Transformatör bağlantı şekillerinin ferrorezonans üzerindeki etkisini gözlemleyebilmek için kurulan model ................................................... 60 ġekil 4.10 : Transformatör bağlantı şekli üçgen/topraklı yıldız iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi .................................................... 61 ġekil 4.11 : Transformatör bağlantı şekli topraklı yıldız/topraklı yıldız iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi .................................................... 61 ġekil 4.12: Aşırı hale getirilen faz arası kapasitansı ile Çizelge 1’e uygun bağlantılı transformatörde ferrorezonans/ faz-toprak gerilimi ............................... 62 ġekil 4.13 : Aşırı hale getirilen faz arası kapasitansı ile Çizelge 2’ye uygun bağlantılı transformatörde ferrorezonans/ faz-faz gerilimi .................................... 62 ġekil 4.14 : Transformatör gücünün ferrorezonans olayına etkisini incelemek amaçlı devre ........................................................................................................ 64 ġekil 4.15 : Transformatör gücü 1600kVA iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi ..................................................................................... 64 ġekil 4.16 : Transformatör gücü 400kVA iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi ..................................................................................... 64 ġekil 4.17 : Derecelendirme kapasitansı 0.012μF iken ferrorezonans ...................... 66 ġekil 4.18 : Derecelendirme kapasitansı 0.010μF iken ferrorezonans ...................... 66 ġekil 4.19: Sistemin anma kısa devre gücünün artışı ve azalışı ile ferrorezonans olayının sonucunun değişmesini incelemek amacıyla revize edilmiş devre ....................................................................................................... 68 ġekil 4.20: a) arttırılmış, b)sabit tutulmuş, c)azaltılmış anma kısa devre gücü ile yapılan simülasyonların sonuçları .......................................................... 69 ġekil 5.1 : Dallanma grafiği örneği ......................................................................... 73 ġekil 5.2 : Dallanma çizgileri örneği ....................................................................... 75 ġekil 6.1 : Dorsey İstasyonu’na ayrıntılı model ile koşturulan simülasyonun sonucu, sekonderde sabit yük yok iken .............................................................. 78 ġekil 6.2 : Dorsey İstasyonu’na ayrıntılı model ile koşturulan simülasyonun sonucu, sekonderde sabit yük var iken ............................................................... 79 xvi ġekil 6.3 : Kesici ile dağıtım transformatörü arasındaki mesafe 1km iken düzensiz anahtarlamanın sonucu .......................................................................... 81 ġekil 6.4 : Kesici ile dağıtım transformatörü arasındaki mesafe önemli ölçüde azaltılmış iken düzensiz anahtarlamanın sonucu .................................. 81 ġekil 6.5 : Geçici olarak rezistif yük ile yüklenmiş transformatörün incelenmesi için kurulan model ........................................................................................ 84 ġekil 6.6 : Transformatörün yüksüz olarak enerjilendirilmiş halinde primer tarafta faz gerilimi ............................................................................................ 85 ġekil 6.7 : Transformatörün sekonderinde gerçek yük bağlanana kadar devrede olan drençlarin varlğı ile enerjilendirilmesi ................................................... 85 ġekil 6.8 : Ferrorezonans olgusunu inceleyebilmek amacıyla kurulan sistem ....... 89 ġekil 6.9 : Tek fazlı anahtarlama sonucunda ulaşılan sonuç ................................... 90 ġekil 6.10: Üç fazlı anahtarlama sonucunda ulaşılan sonuç ..................................... 90 ġekil 6.11 : Tek fazlı anahtarlama cihazlarının, insan eli ve zaman farkıyla anahtarlanmasından kaynaklı ferrorezonans olayı ................................. 93 ġekil 6.12 : İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının direnç üzerinden topraklanması ........................................................................ 94 ġekil 6.13 : İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının direkt olarak topraklanması .............................................................................. 94 ġekil 6.14 : İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının 20Ω üzerinden topraklanması……………………………………………... 95 ġekil 6.15 : İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının 10Ω üzerinden topraklanması……………………………………………….96 ġekil 6.16 : FSC varlığının ferrorezonansın oluşması halinde sisteme sağlayacağı katkı ………………………………………………...………………….97 ġekil 6.17: Sisteme seri bobin eklenmesinin ferrorezonans üzerindeki etkisini incelemek amacıyla kurulan devrenin ……………………………100 ġekil 6.17: Sisteme herhangi bir ekleme yapılmadan ferrorezonans durumu….…100 ġekil 6.19 : Seri bobinin değerinin 0.01H olduğu halde meydana gelen ferrorezonans olgusunun sonucu………………………………...…………………..100 ġekil 6.20 : Seri bobinin değerinin 0.02H olduğu halde meydana gelen ferrorezonans olgusunun sonucu………………………………...…………………..101 ġekil 6.21 : Seri bobinin değerinin 0.04H olduğu halde meydana gelen ferrorezonans olgusunun sonucu………………………………...………………… 101 ġekil 7.1 : Dağıtılmış enerji üretimi ile orta gerilim şebeke bağlantısının arıza sonucunda yeni durumu..………………… …………………………..105 ġekil 7.2 : Dağıtılmış enerji üretimi yapan rüzgar enerjisi santralinin ferrorezonansa uğramasının incelenmesi amacıyla kurulan PSCAD model ………..106 ġekil 7.3 : Dağıtılmış enerji üretimi yapan sistem parçasında ferrorezonans geriliminin dalga şekli ………………………………………………..107 ġekil 7.4 : Dağıtılmış enerji üretimi yapan sistem parçasında ferrorezonans geriliminin dalga şeklinin ayrıntılı incelenmesi …………………..108 ġekil 7.5 : Generatörün koruma düzeni devre dışı iken arızanın ters beslenmesi ..108 ġekil 7.6 : Generatör ve transformatörün ada çalışmasında beraber olarak modelendiği devre………………………………… …………………..109 ġekil 7.7: Generatör ve transformatörün ada çalışmasında beraber olarak modelendiği devrenin sonucu….………………… ……………….…..110 ġekil 7.8: Ada çalışmasında generatörüdönrüren torkun değişimi………...……...110 xvii ġekil 7.9: Ada çalışmasında yükün resiztif bileşeninin generatör anma gücünün %50'sine eşit olduğu durum …….………………… …………………..111 ġekil 7.10: Ada çalışmasında yükün resiztif bileşeninin generatör anma gücünün %50'sine eşit iken torkun değişimi…...…………… …………………..111 xviii FERROREZONANS OLGUSUNUN ANLAġILMASI VE ENGELLENMESĠ ĠÇĠN ALINABĠLECEK ÖNLEMLERĠN ĠRDELENMESĠ – DAĞITILMIġ ENERJĠ ÜRETĠMĠ SĠSTEMLERĠNDE FERROREZONANS ÖZET Ferrorezonans, elektrik enerji sistemlerinde meydana gelen geçici olaylar içerisinde görece olarak yavaş bir karakteristiğe sahip olan, ancak sistemden temizlenmesi uzun süreler gerektirebilen, oldukça karmaşık bir olgudur. Doyabilen, lineer olamayan endüktanslar ile kapasitans kaynağı olabilecek yapıların bir arada bulunduğu tüm sistemlerde meydana gelebilir. Bu özellik ise günümüz iletim ve dağıtım sistemlerinin hemen hemen hepsinde mevcuttur. Ferrorezonansın meydana geldiği sistemlerde ortaya çıkan aşırı gerilim ve aşırı akımlar, yalıtımların sadece gerilim açısından değil, aşırı akımların meydana getireceği ve sisteme dahil olan cihazlar için atanmış anma termal dayanımların üzerine çıkabilen ısınmalar ile de yalıtımların kaybına neden olabilir. Yalıtım kaybı neticesinde cihazların onarılamaz şekilde arızalar yaşaması hatta endüktif karakteri baskın olan gerilim ölçü transformatörleri gibi bazı donanımların yangın ya da patlama gibi durumlar sonucunda tamamen ortadan kalkmasının yanı sıra, sistemin kontrol ve takibi konusunda görev yapan bazı cihazların yanlış çalışması (kapasitif kuplajlı gerilim ölçü transformatörlerinin çıkış sinyallerinin bozulması gibi) veya güç transformatörlerinin gövde boyalarının kısmi kaynamalar neticesinde kabarması, dökülmesi ya da balonlaşması gibi neticeler ferrorezonans nedeniyle doğabilir. Benzer sıkıntılar nedeni ile 1900’lü yılların başlarından itibaren inceleme konusu olmaya başlamış ve ilk çalışma konusu transformatörler üzerindeki lineer olmayan rezonans olgusu olmuş ve 1920’de olguya bugün kullandığımız adı verilmiştir. Lineer olmayan rezonans olarak isimlendirilen ferrorezonans ile lineer rezonans arasındaki en büyük fark, ferrorezonans olgusunun lineer rezonanstan farklı olarak çok geniş bir kapasitans değeri zarfı içine denk düşen her hangi bir sığa değerinde meydana gelebilmesidir. Oysa, lineer rezonansın meydana gelebilmesi için sistem besleme frekansında sistemin endüktif ve kapasitif elemanlarından kaynaklı reaktansların eşitlenerek birbirlerinin etkilerini yok etmeleri gerekir. Benzer şekilde harmonik rezonansı da sistem beslemesinde harmonik frekanslarına sahip bileşenlerden birine ait frekans için bu eşitlenmenin yaşanması ile meydana gelir. Ferrorezonans ise, meydana gelen uygunsuz bir anahtarlama sonucunda sistem sığasını belirleyen kapasitif yapılar üzerinde biriken enerjinin doyabilen çekirdek üzerinden boşalarak çekirdeği doymaya götürmesi ile oluşur. Bu nedenle sistem tasarımı yapılırken lineer rezonanstan korunmak amacıyla alınan ve kalıcı olarak sistem yapısı bozulmadığı sürece var olabilecek önlemlere benzer şekilde kalıcı xix çözümler ferrorezonans için mümkün olmayabilir. Ferrorezonans, aşağıda sıralan üç maddede belirtilen özelliklerin bir arada olmadığı sistemlerde meydana gelmeyecektir. Ancak, bu çıkarımın tersi olan, bu üç özelliğe sahip sistemlerde ferrorezonansın kesinlikle oluşacağı çıkarımı doğru değildir. Çünkü, sırladığımız maddeler hali hazırda kullanımda olan sistemlerin çok büyük kısmında bir arada var olabilir. - Kapasitans kaynağı olan yapılar ile lineer olmayan endüktansların bir arada bulunması, - sistemde potansiyeli sabit olmayan en az bir noktanın(izole esilmiş nötr noktası, tek fazlı sigorta çalışması, tek fazlı anahtarlama…) bulunması, - az yüklenmiş sistem bileşenlerinin ( boşta çalışan güç transformatörü gibi) olması, halinde ferrorezonans yaşabilir. Ferrorezonans halinin karmaşıklığını arttıran özelliklerinden diğerleri ise, meydana geldiği sistemin kaynak frekansından farklı bir frekansta aşırı gerilim ve aşırı akımlara neden olabilmesi; birden fazla sürekli hal çalışma noktasına sahip olması ve her hangi bir anda bu noktaların birinden diğerine ufak bir parametre değişikliği nedeni ile sıçraması ve bir önceki noktadan çok farklı sonuçlar arz edebilme yeteneğidir. Ferrorezonans, meydana çıkardığı aşırı gerilim ve akımların sahip oldukları özellikleri itibariyle ferrorezonans olgusunun dört tipe ayrılmasına olanak tanır. Bu tipler, ferrorezonansın en önemli özelliklerinden biri olan sistem frekansından farklı frekansta akım ve gerilimlerin doğmasına neden olabilmesi sayesinde çok farklı dalga şekilleri meydana getirmesinden ötürü ortaya çıkar. Bu tipler, temel ferrorezonans, alt-harmonik ferrorezonansı, yarı-periyodik ferrorezonans ve kaotik ferrorezonanstır. Sistem geriliminin dalga şeklinin sürekli olarak takibini yapabilen cihazların varlıkları söz konusu ise, bu dalga şekillerinin özellikleri analiz edilerek sistemde anlık olarak mevcut olan arızanın ferrorezonans olup olmadığına karar verilebilir. Son dönemlerde bu amaçla yapılan bazı çalışmalar özellikle dalgacık dönüşümü kullanarak sistemden alınan sinyallerin analizini yaparak sistemdeki olağan dışılığın ferrorezonans olup olmadığına karar verebilecek dijital rölelerin üretimini amaçlamaktadır. Diğer taraftan, sistem dahilinde hasar gören bir cihazın arızasının nedeni araştırılırken sistemde var olması beklenen olay kaydediciden alınabilecek dalga şekilleri ile yoruma ulaşılmaya çalışılırken, arızanın oluştuğu anda sistemde normal dışı bir anahtarlama olup olmadığı da incelenmelidir. Oldukça karmaşık bir karaktere sahip olan ferrorezonans olgusu özellikle başlangıç koşullarına ve sistem parametrelerine karşı aşırı hassasiyet sergiler. Bu hassasiyetlerin neticesinde sistemin arızaya geçiş anındaki durumunda küçük bir değişiklik ya da sisteme ait parametrelerden birinin değiştirilmesi sistem cevabında ani ve büyük değişikliklere neden olabilir. Ferrorezonansın en önemli karakteristiklerinden biri olan bu ani değişme özelliğine zıplama özelliği denir. Günümüz enerji sistemlerinin pek çoğunda yukarıda verilmiş olan ve ferrorezonansın olmazsa olmazı olan kıstaslar her an bir arada olabilir. Dolayısıyla, enerji iletim ve dağıtımında görev alan tüm alternatif akım devreleri potansiyel ferrorezonans devresidir. Ancak, bazı devre yapıları diğerlerine oranla daha büyük ihtimale sahiptir. Bu sistemlerin ortak yanlarından biri özellikle yüksek gerilim kesicilerinin derecelendirme kondansatörlerinin lineer olmayan endüktansın doymasına neden xx olması iken diğeri ise orta gerilim sistemlerinde bir fazlı anahtarlamanın yerini tutan çalışmalara neden olan sigortaların kullanımıdır. Ferrorezonansın oluşup oluşmayacağına ve oluşursa boyutunun ve tipinin ne olacağına yukarıda da bahsedildiği gibi sistem parametreleri, başlangıç koşulları ve anahtarlama olayının özelliklerine bağlıdır. Ferrorezonans olgusu üzerinde en önemli etkiye sahip olan faktörler; sistem yükünün varlığı ve tipi, sistem geriliminin genliğinin büyüklüğü, hattın yapısı, transformatör çekirdeğinin yapısı, transformatör sargılarının bağlantı şekilleri, transformatör anma gücü, kesici yapısı, düşük kayıplı transformatörlerin ve farklı yapılardaki gerilim ölçü transformatörlerinden sisteme dahil edilenlerin özellikleri ve sistem anma kısa devre gücünün büyüklüğüdür. Ferrorezonans olasılığının, sistemin ani özellikleri için var olup olmadığını bilebilmek sistemi yöneten mühendisler için büyük önem arz eder. Bu sayede yönettikleri sistem parçasının nereye kadar zorlanabileceğini bilirler. Sadece anlık kararların verilmesi aşamasında değil sisteme eklenecek ve çıkarılacak kısımların uzun dönemdeki etkilerinin de ön görülebilmesi açısından böyle bilgilere sahip olmak çok önemlidir. Sistemi ferrorezonanstan koruyabilmek için böyle bir bilgi hazinesine sahip olmak çok önemli de olsa, ferrorezonansın karakteristiğinden ötürü bu birikim her sistem için ayrı ayrı üretilmelidir. Eğer yapılabiliyorsa özellikle sistem dahilindeki lineer olmayan endüktansların çok iyi modellendiği matematik modeller ile;yapılamıyorsa yine iyi benzetim modellemeleri ile çalışmaların olası her sistem çalışması için tekrarlanarak yapılması ile grafik değerler çıkartılmalıdır. Bu grafikler ferrorezonansın özelliklerinden ötürü çatallanma grafikleri şeklinde olacaktır. Çatalın sınırlarının dışında kalan sistem çalışmaları tercih edilmelidir. Güvenliği arttırmak amacı ile çatallanma grafiğinin sınırları belirli oranda genişletilmeli ve sistemi bu genişletilmiş sınırların dışında tutmakta fayda vardır. Ferrorezonans ihtimalini düşürebilmek için alınabilecek pratik önlemler mevcuttur. Güç transformatörlerini %10 rezistif yükün altında yüklü iken çalıştırmamak, çok sayıda düşük anma gücüne sahip transformatör yerine daha az sayıda görece olarak büyük güçlü dağıtım transformatörlerinin kullanılması, kesici grubu ile transformatör arasındaki mesafeyi kısa tutmak, ferrorezonansa girme ihtimali daha düşük sargı bağlantılarına ve doyma karakteristiği daha düzgün çekirdek yapılarına sahip transformatörler kullanmak, transformatörleri yüksüz olarak enerjilendirmemek, orta gerilim sistemlerinde sigorta kullanımını azaltmak, üç fazlı anahtarlama yapabilen cihazları kullanmak ve orta gerilim şebekelerinde manevra çubukları kullanılarak tek fazlı anahtarlama yaptırılabilen cihazları sistemden çıkartmak önemli faydalar sağlayacak pratik önlemlerdir. Giderek yaygınlaşmakta olan ve çoğunlukla doğaya dost enerji kaynakları ile elektrik enerjisi üretimi yapan dağıtılmış enerji sistemleri de ferrorezonanstan zarar görmesi muhtemel yapılardandır. Bu nedenle orta gerilim seviyesinde şebekeye bağlanan iki devre topolojisi üzerinde benzetim çalışmaları sonucunda; bu tarz üretim yapan sistemlerin ana çalışma konumuna her an düşebilecekleri ve bu nedenle ferrorezonansa karşı korumasız kalbilecekleri durumlar söz konusu olabilir. Bu amaçla, ilgili bölümde çok sayıda benzetim yapılmış, sonuçlar tartışılmış ve önerilerde bulunulmuştur. Ferrorezonans konusunda önemli uğraşlar sonucunda ulaşılan çıkarımları bir araya getiren ve tartışan bu çalışma, olgu hakkında tartışma götürmeyen bilgileri aktarmanın yanı sıra, gerçek olayların incelenmesini; bu olayların PSCAD yazılımı üzerinden modellenerek koşturulan benzetimler ile yeniden canlandırılarak, daha xxi önce yapılan çalışmalarda çözüm olarak sunulan önerilerin irdelenmesini ve yaptığı çıkarımlar ile yeni çalışma ve tartışma konularının işaret edilmesini amaçlayan ve içeren bir eserdir. xxii UNDERSTANDING OF FERRORESONANCE PHENOMENON AND EXAMINING OF PREVENTATION MEASURES – FERRORESONANCE IN DISTRIBUTED GENERATION SYSTEMS SUMMARY Ferroresonance is a very complex and slow transient, occured in electrical energy systems which needs relatively long time to be cleared from the system. This phenomenon can take place in every system which includes any saturable, non-linear inductance and any capacitance source together. Today nearly all AC systems have this components together. Over voltages and over currents are created in the ferroresonant circuit which is enforcing insulations not only by testing their voltage withstands but also by testing their thermal capacity due to the high currents. Additional to the irreparable mulfactions and total destructions of highly inductive equipments such as wound type voltage transformers; improper operations of measurements devices (such as wrong output signalling of capacitive coupling voltage transformers) and paint ruins on the tanks of power transformers can be caused by ferroresonance. In consequence of similar problems, the very first works on the phenomenon is started in the first decade of 20th century and the name of ferroresonance has announced in 1920. The most important difference between ferroresonance which can be also named as the non-linear resonance and linear resonance is the ability of ferroresonance to be occur for a very wide range of capacitance. However, linear resonance needs the equalisation of capacitive and inductive reactances for the system forcing frequency. Likewise, the harmonic resonance requires this equalisation for any harmonic frequency. On the other hand, ferroresonance occurs because of the deenergizing of the system capacitance through the saturable inductances and drawing the inductance to deep saturation after an improper switching. Consequently, the permanent measures that is taken during the system designation against the linear resonance can be unable to make any sense for protection from the ferroresonance. Fortunately, it is possible to say that if any circuit does not includes all of the listed situations ,below, is a safe system from ferroresonance occuration. However, opposite result is not correct which means that if any circuit had these properties, it would directly drawn into the phenomenon. Because, the listed situations are gathered together many times in a year but the ferroresonance is not reported after every events. - Being together of non-linear inductances and capacitance sources, - Presence of at least one floating node in the system (such as insulated neutral point, one-phase fuse operation, one-phase switch operation) - Existance of lightly loaded equipments (such as no load working power transformer). xxiii The other characteristics of ferroresonance which makes it more complex are, the ability of causing over voltages and over currents which can be in different frequencies than the system supply while having more than one stable, continuous working point and the ability of fast jumping from one stable point to another. According to the characteristics of the ferroresonant over voltages and over currents the ferroresonance phenomenon is divided into four types named as; fundamental, sub-harmonic, quasi-periodic and caotic ferroresonances. These types have different wave shapes which are the results of ability of creating different frequency- voltage and current signals. Having the continues and live data acquisition systems can make the system engineers be able to differentiate the ferroresonance situations from the other energy system transients by using any suitable tool including special properties of ferroresonance types. Last years, there ara some studies has introduced that wavelet transform can be applied to the gathered signals from the system and change them into a comparible situation with the usual ferroresonance results. By using such tools, some modules can be added to digital relays which can also follow the ferroresonance clues in the system. Unless having such devices, an observer can use records of event recorders and try to find any unsuitable switching in the system performed and simultaneously followed by unusual system responses. Having a very complex character, the ferroresonance phenomenon is very susceptible to the initial state conditions and system parameters. As a result of this susceptibility, any little change in the inital conditions of the system just before the starting of the ferroresonance or any little constructive change in the parameters of the system can cause very fast and catastrophic changes in the system response. This ability of fast and big changes is one of the most important characteristics of the ferroresonance and named as jump phenomenon. At the present time, the listed criterias can exist together at any time on the modern systems. On acount of this possibility, every AC transmission and distribution systems and sub-systems are potential ferroresonant circuits. However, there is still some more susceptible systems such as including high graing capacitor-equipped high voltage breakers or having medium voltage back-up fuses which can act as one phase switching equipments. Existence of ferroresonance and if exist the dimensions of the fault and the type of the ferroresonance are caused by the system parameters, initial conditions and properties of the unsuitable switching. Mostly effective factors are; presence of system loading and the type of the load, magnitude of the system voltage, structure and specialities of the transmission and distribution lines, structure and designation of transformer cores, connection types of transformer windings, breaker structure and designation, transformer rated power, usage of low-loss transformers and the selection of the different-type voltage transformers that are wanted to be used in the system. To know the presence of ferroresonance probability for the instantaneous system properties is a very valuable ability for the system engineers who are responsible for conducting the system. By the way of this capability they can force the system until it reaches its borders for needed times. Not only for instant decisions but also for the future projections of the system, the possibility of the ferroresonance after an improvent has to be calculated. To have such a data bank to protect the system against the ferroresonance, every data has to be compiled specilly for every individual system. If there is any possibility to having the mathematical model of the xxiv system, the data can be gathered by doing calculations for every possible situations, valid for the system on which these works are conducted. If there is no mathematical model is suitable for the system, the system has to be modelled in a power system simulation software, detailly. For both of the modelings the most important equipment model is the transformer. After the modelling of the system simulations has to be performed for every system situations as the calculations by using mathematical model. After each calculation or simulation, if the results are noted on a graphical plane, there will be a bifurcation diagram for two parameters can be received. These diagrams can be used for the secure conduction of the system. The are between the borders of the graphic shows the ferroresonance possible magnitudes. By enlarging these borders with multiplying them with a safety coefficient the safe working points can be found in the area which is out of the graphic border. To lower the probability of the ferroresonance, there are numerous practical measures to be taken such as; not leting a power transformer work if it is loaded with a resistive burden not more than 10% of the rated power of the transformer, prefering using of one bigger transformer with smaller numbers than numerous smaller transformers, shortening the distance between the circuit breakers and the transformers, using the less susceptible winding connections, using more suitable cores with better saturation characteristic, not energising a transformer if it is lightly loaded, decreasing usage of back-up fuses in medium voltage systems, using three phase operating switches, not letting live work in medium voltage levels. Distributed generation is one of the most popular issues for last years, which usually use nature friendly energy sources. These type of systems are also possible to come any harm because of the ferroresonance. On this account, there is going to be two simulation models, modeling two different connection topologies to distribution network. As the results of simulations performed on these models, it is seen that these type of production is vulnerable for ferroresonance phenomenon. That’s why, during the related topic there are numerous simulations performed on the system models; the results has been discussed and some proposals has been done. This work is gathering the results and comments of numerous important works already performed about ferroresonance phenomenon, discussing the measures that are taken in real world after real ferroresonance situations and examine the proposed measures by modeling numerous example systems in power system simulation software PSCAD and running the simulations, offering new study and discussion areas towards the results reached. xxv 1. GĠRĠġ Ferrorezonans, doyabilen demir çekirdekli endüktaslar ile kondansatörler arasında meydana gelen geniş bir çeşitliliğe sahip, lineer olmayan rezonans durumlarına ad olarak verilen genel bir terimdir [1]. Sonucunda aşırı gerilimler ve çok düzensiz dalga şekilleri ortaya çıkaran olgu, bir ya da daha fazla doyabilir endüktansın seri halde birlikte bulundukları kapasitif sığalar tarafından uyarılması ile ortaya çıkar [2]. Güç transformatörleri, reaktörler ve elektromagnetik gerilim ölçü transformatörleri ile sistem yapısı gereği etkili olabilecek kadar yakın mesafede sisteme dahil olan kapasitif elemanlar arasında yaşanır[3]. Sistemde doğrusal olmayan endüktansın kaynağı bir demir çekirdek içeren her hangi bir transformatör ya da reaktör iken; sığa kaynağı, şönt kondasatör grupları, seri kondansatör grupları, kablo devreleri, havai hatlar ile transformatörlerin ve diğer ekipmanların kendilerine ait kapasitif yapılardır [2]. Potansiyel bir ferrorezonans devresinde bu olgunun başlayabilmesi için gerekli olan durumlar; kondansatör ya da transformatör anahtarlaması esnasında meydana gelebilecek, üç fazın uygun şekilde anahtarlanmaması sonucunda devrede bir ya da iki fazın enerjili olması, yalıtım hataları ve yıldırım darbeleri olabilir [4]. Yeterli sönümün olmadığı durumlarda ferrorezonansın meydana gelmesi ihtimali daha yüksektir [5]. Anma gerilim seviyesinin önemli ölçüde üzerinde, bazen birkaç kat genliğinde olan aşırı gerilimlerin ve bunlardan kaynaklı, yine sistemde anahtarlama elemanları için atanmış anma kesme akımlarının katları mertebesinde aşırı akımların oluşması sonuçlarını doğuran, tehlikeli bir olaydır [3]. Yüksüz ya da çok düşük yüklü transformatörlerin aşırı ısınmaları ve olağan dışı derecede yüksek, derin ve uğultulu sesler çıkarmaları ferrorezonans halinin tipik göstergelerindendir [2]. Günümüzün alternatif akım sistemlerinin neredeyse hepsi ferrorezonansın yaşanması için gerekli olan bileşenleri barındırdıkları gibi, ferrorezonansı başlatabilecek normal dışı durumlara da açıktırlar. Ferrorezonans nedeni ile pek çok system dahilinde kayıtlara geçmiş arızalar mevcuttur. Bu arızalar neticesinde maliyeti yüksek olan donanım kayıplarına kadar farklı boyutlarda pek çok hasar oluşmaktadır. Kaybedilen cihazların yerlerine konması ya da arızalananların tadilatlarının yapılması için 1 harcanan kaynakların korunması amacıyla bugün, özellikle çok uzun iletim hatların sahip ülkelerde sistemlerin matematik modelleri üzerinden incelemeler yapılırken ferrorezonans olgusu da hesaba katılmaya başlamıştır. IEEE bünyesinde kurulan çalışma gruplarından biri ferrorezonans üzerinde çalışmalar yapmak üzerine oluşturulmuştur. IEEE Practical Aspects of Ferroresonance Working Group üyeleri tarafından pek çok inceleme sonucu ve uygulama notları yayımlanmıştır. Bu tez çalışmasının devam eden kısımlarında yer verilecek olan çalışmaların neredeyse hepsinde yapılan incelemelerin doğru sonuçlara ulaşılmasını sağlayabilmesi için öncelikle iyi modellemelerin yapılması gerektiğinin bilim insanları tarafından ısrarla belirtildiği görülecektir. Yine çalışma boyunca bilim insanlarının önerilerinin geçerliliğinin irdelenmesi için kurulan pek çok modelin PSCAD isimli enerji sistemi geçici olaylarının incelenmesini imkanlı kılan yazılım ile yeniden modellenmesi yapılacak ve simülasyonların yeniden koşturulması ile ulaşılan sonuçlar tartışılacaktır. Tartışmaların pek çoğunda ferrorezonansın lineer olmayan karakteristiği ile karşılaşılacak ve çalışmada yer verilen ve ferrorezonans çalışmaları konusunda referans olabilecek kişi ve çalışmaların da bu doğrusallıktan çok uzak olan karakterin kontrol edilebilmesi için bir birlerine parallel olarak önerdikleri sistemin çok iyi matematik ya da benzetim modellerinin oluşturulması ve her senaryo için hesaplama ya da simülasyonların tekrarlanması fikrini destekler neticelere ulaşılacaktır. Elektrik enerji sistemleri dailinde ferrorezonans tarafından hasara uğratılma ihtimaline her an sahip güç ve gerilim ölçü transformatörlerinin bu olgudan korunabilmesi için çalışmalar, uzun süredir devam etmektedir. 1.1 Tezin Amacı Bu çalışmanın amaçlarının başında ferrorezonans konusunda genel bir başvuru ve daha dar bir kapsamda daha ayrıntılı çalışmalara başlama noktası konumunda olabilecek bir kaynak oluşturmak gelmektedir. Çalışmaya amaç olarak belirlenen hedeflerden bir diğeri ise; günümüze kadar açıklanan çalışma sonuçlarında yer verilmiş çalışmaların tanıttıkları, bahis konusu olgu kaynaklı gerçek arızaların boyutlarını etkileyebilecek olan faktörlerin 2 incelenerek, benzetim ortamında yeniden modellenmesi ve uygulanmış ya da uygulanması düşünülmüş çözümlerin geçerliliğinin incelenmesidir. Bu incelemeler sonucunda elde edilen çıkarımların toplu halde, olguya karşı mücadeleye kattıkları katkıların yorumlarını da kapsayacak şekilde yayımlanması ve böylece gerek iletim gerekse de dağıtım sistemlerinin yönetiminde, inşaasında ya da testinde görevli mühendislerin yapacakları çalışmalarda ferrorezonans olgusuna karşı önlemler alabilmelerinde bir kılavuz görevi görebilmek de bu çalışma için belirlenmiş önemli hedeflerdendir. Bu çalışma ile son olarak hedeflenen, dikkat çekici şekilde giderek artan dağıtılmış enerji üretiminin ferrorezonanstan etilenme durumunu incelemek ve genelde doğaya dost kaynaklar ile enerji üretiminin gerçekleşmesini sağlamaları nedeni ile desteklenmesi gereken bu santrallerin, ferrorezonansa maruz kalarak maddi hasarlara uğramaması için uygulanabilecek bazı pratik önlem önerileri sunmaktır. Sunulacak bu önerilerin bazıları ekonomik açıdan ucuz olmayacağı için tartışma konusu olacaktır. 1.2 Literatür Özeti Literatürde, transformatörler üzerindeki rezonans durumları hakkındaki çalışmalar 1907 yılına dek dayanırken, ferrorezonans terimi 1920 yılında ilk kez kullanılmıştır [5]. Olguya yönelik pratik ilginin artışı 1930‟larda dağıtım sistemlerinde gerilim regülasyonu amacıyla kullanılan seri kondansatörlerin, hasar yaratacak boyutta aşırı gerilimleri ortaya çıkaran ferrorezonans hallerine neden olduğunun ortaya konması ile başlamıştır [5]. Benzer şekilde büyük ölçekli enerji iletim sistemlerinde ferrorezonans olayı üzerine yapılan ilk çalışmalar 1930‟lara kadar uzanmaktadır. Konu ile ilgili ilk analitik çalışma 1940‟larda Rudenberg tarafından yapılırken, daha ayrıntılı ve doğru bir çalışma 1950‟li yıllarda Hayashi tarafından tamamlanmıştır[5]. İlk çalışmalar, sistem yapısından kaynaklı kapasitans ile güç transformatörlerinin sargıları arasında yaşanan ve tehlikeli derecede yüksek sargı gerilimlerinin oluşmasına neden olan durumlar üzerine yapılmıştır. 1990‟lara gelinirken, daha düşük sığaların dahil olduğu sistemler üzerine çalışmalar özellikle elektromagnetik gerilim ölçü transformatörleri ile kesici sığaları arasında oluşan ve ölçü transformatörünün kaybına neden olabilen ferrorezonans durumlarına ait çalışmalar 3 da literatürde yer almaya başlamıştır. 2000‟li yıllara yaklaşırken olgunun non-lineer yapısına dair matematik modeller oluşturulurken sistemin ferrorezonans durumunda verdiği farklı cevaplar incelenmiştir. Kieny 1991 yılında yayımladığı çalışmasında sistemin ferrorezonansa kaotik cevabını incelemiştir[3]. Araujo, Saudack ve Marti ise 1993 yılında yayımladıkları çalışmalarında sistemin ferrorezonansa verdiği cevapların periyodik, yarı-periyodik ya da kaotik olabileceğini ortaya koymuştur[6]. Gelecek dönem için çalışmaların ferrorezonans olgusunun sistemler düzeyinde çalışılması ve transformatör modellemelerinin geliştirilmesi olmak üzere iki ana dalda yürütülmesi eğilimleri mevcuttur [5]. Her iki eğilimin de güvenilir ve uygulanabilir sonuçlar vermesi, ferrorezonansa yatkın sistem yapılarının tespitinde ve alınabilecek önlemlerin doğru olarak belirlenmesinde faydalı olacaktır. Yeni teknolojilerin ürünleri olan cihazlar ve uygulamalar için de benzer şekilde yoğun çalışmalar yürütülmektedir. Son dönemlerin en yaygın çalışmalarından biri, kapasitif kuplajlı gerilim ölçü transformatörlerinin ferrorezonans sonucunda sekonder çıkışlarının anlamsızlaşacak şekilde bozulmalarının engellenmesi üzerinedir. Ferrorezonans konusunda temel bilgilerin elde edilebileceği, pek çalışmaya referans olmuş olan ve bu tez çalışmasında da referanslar arasında yer alan Ferracci tarafından 1998‟de Schneider Elektrik kütüphanesine katkıda bulunmak amacıyla yayımlağı çalışması ile Iravani ve ekibi tarafından 2000 yılında yayıladıkları makaleleri tartışmasız önem arz eden çalışmalardır. Bahis konusu iki yayın, bu çalışmada sıra ile [4] ve [5] numaralı referansları oluşturmaktadır. 1.2 Tezde Savunulacak GörüĢler Tez çalışmasında savunulacak görüşlerin başında ferrorezonans olgusunun yaşanmasında başlatıcı etkiyi yaratan yanlış anahtarlamaların ortadan kaldırılması ya da olabildiğince azaltılabilmesi için gerekli yatırımların maddi ağırlığından kaçınılmaması gerektiği gelecektir. Bu savın temelinde sadece kaybedilen enerji sistemi elemanları değil aynı zamanda tehlikeye sokulan enerji üretimi ve enerjinin tüketiciye taşınması halinde ortaya çıkacak kayıpların yatırımları karşılayabileceği yatar. 4 Ancak ferrorezonansın başlatıcı olaylarının hepsi anahtarlama olaylarından meydana gelmediğinden, tez süresince savunulacak diğer görüşlerin başında sistemin ayrıntılı modellerinin sistem yöneticilerinin elinde olması yönünde olacaktır. Bu da bir yatırım demektir. Ancak, iyi model gelecekte system üzerinde yapılması hedeflenecek tüm yenileme ve geliştirme çalışmalarının önceden modele eklenerek incelenmesini de imkanlı kılacaktır. Diğer görüşler ise, ferrorezonansın önlenmesi konusuna değinilen kısımda pratik önlem önerileri olarak sunulacaktır. Sunulan önerilerin desteklenmesi PSCAD üzerinde yapılan modellerin koşturulması ile elde edilen sonuçların verilmesi, yorumlanması ve açıklanmasının yanı sıra, referans olarak alınan çalışmalarda değinilen gerçek olay örneklerinin incelenmesi ve bazılarının yeniden modellenerek tartışılması ile sağlanacaktır. 5 6 2. FERROREZONANS DEVRESĠNĠN KARAKTERĠSTĠKLERĠ VE OLGUYU BAġLATAN DURUMLAR 2.1 Amaç Bu bölümün amacı ferrorezonans üzerinde çalışmaların ve tartışmaların yapılabilmesi için gerekli olan teknik alt yapının açıklanmasıdır. Bu açıklama yapılırken ferrorezonansın tanımı yapılacak, lineer rezonans ile arasındaki fark açıklanacak, özellikleri ve tipleri incelenecektir. Bu tiplere ait karakteristik özellikler ile ferrorezonansın sistemdeki varlığının tespiti ve tespit edilen olgunun tipinin belirlenmesi konusunda kullanılabilecek araçlar tanıtılacaktır. Bölüm sonunda, bu karakteristik özelliklerin kullanılması sistemde ferrorezonans varlığını tanıyabilecek ve bu tespit ile gerekli önlemlerin alınmasını sağlayabilecek dijital rölelerin yapılabileceği fikri ileri sürülecek ve tartışılacaktır. 2.2 Ferrorezonansın Tanımı Ferrorezonans, elektrik enerji sistemlerinde meydana gelen geçici olaylar içerisinde görece olarak yavaş bir karakteristiğe sahip olan bir olgudur [5]. Ancak, sistemden temizlenmesi uzun süreler gerektirebilen, oldukça karmaşık bir doğaya sahiptir. Doyabilen, lineer olamayan endüktanslar ile kapasitans kaynağı olabilecek yapıların bir arada bulunduğu tüm sistemlerde meydana gelebilir. Bu özellik ise günümüz iletim ve dağıtım sistemlerinin hemen hemen hepsinde mevcuttur. Diğer bir adı da lineer olmayan rezonans olan ferrorezonans, en yaygın olarak güç transformatörlerinin uzun havai hatlarla veya yer altı kablo şebekeleriyle beslendiği sistemlerde ya da herhangi bir şekilde izole edilmiş bara kısımlarında kalan gerilim ölçü transformatörlerini içeren sistem parçalarında meydana gelir [7]. Ferrorezonansın meydana geldiği sistemlerde ortaya çıkan aşırı gerilim ve aşırı akımlar, yalıtımların sadece gerilim açısından değil, aşırı akımların meydana 7 getireceği ve sisteme dahil olan cihazlar için atanmış anma termal dayanımların üzerine çıkabilen ısınmalar ile de yalıtımların kaybına neden olabilir. Ferrorezonansın oluşmasını ve sonucu olarak ortaya çıkacak koruma cihazlarının zamansız çalışması, güç transformatörleri ve gerilim transformatörleri gibi elemanların kaybı gibi istenmeyecek olayları engellemek için; - olgunun iyi anlaşılması, - tahmin edilebilmesi, - tanımlanabilmesi, - önlenmesi ya da sistemden temizlenebilmesi, gereklidir[4]. Bu gereklilikleri yerine getirebilmek için, üzerinde önemli ölçüde kafa karışıklığı oluşmuş olan olgunun iyi anlaşılması gerekmektedir. Bu amaçla takip eden kısımda lineer olmayan rezonans ile lineer rezonans arasındaki farklar tartışılarak çalışma sürdürülecektir. 2.3 Rezonans ve Ferrorezonans Lineer olmayan rezonans, kapasitif ve enkdüktif reaktanslarının genliklerinin birbirine eşit olması ile sistem parametrelerinden sadece saf rezistif elemanların empedansı oluşturur halde kaldığı lineer rezonans ile karıştırılmamalıdır. Rezonansın özel halinde, ωn salınımında (U = Ecos(ωnt)) kondansatör ve endüktans terminalleri arasıda yaşanan gerilim düşümlerinin bir birlerini kompanze edişi ile sistem rezonans durumuna girer[4]. Seri rezonans durumundaki sistemde tek empedans olarak direnç yapıları kalır. Bu durumda, Denklem 2.2‟deki gibi olur ki bu değer çok yüksek bir büyüklüğe sahip olabilir. Şekil 2.1‟ de seri rezonansın gözlemlenme olasılığı var olan bir devre verilmiştir. Bu devreye ait yazılabilecek gerilim denkliği Denklem 2.1‟de verilmiştir. Denklem 2.1‟de kapasitif yapılar ile endüktif yapılardan kaynaklı empedanslar üzerindeki gerilim düşümü seri rezonans halinde sıfır olacaktır. Şekil 2, gerilim düşümünün tamamen direnç üzerinde, sistemin besleme gerilimine eşit olacak şekilde oluşacağını vektörel olarak gösterir. Dolayısı ile Denklem 2.1 rahatlıkla elde edilir. Enerji kaybına neden olması, enerji iletim ve dağıtım sistemlerinde direncin her geçen gün 8 düşürülmeye çalışılmasını getirmektedir. Bu da lineer rezonansı daha da tehlikeli yapar. ġekil 2.1 : Elemanlarının seri bağlı olduğu durumda RLC devresi [4]. ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ( ) ( ) ġekil 2.2: Seri rezonansın devresine ait vektör diyagramı [4]. Lineer rezonansın enerji sistemlerinde mevcut olan harmonik bileşenlerine ait frekanslarda meydana gelmesi halinde ise harmonik rezonansı yaşanır. Harmonik rezonansı, ωo sistem salınım frekansı iken rezonans frekansı olan ωn‟nin bir harmonik mertebesine, n* ωo boyutunda denk gelmesi ile yaşanır [4]. ωn, enerji sistemi dahilinde bulunan ve pek çok farklı frekanslarda anahtarlamalar yapan güç elektroniği uygulamalarından kaynaklı olan harmonik gerilim ve akım bileşenlerinden her hangi birisinde endüktif ve kapasitif reaktansların eşitlendiği 9 frekanstır. Harmonik rezonansının oluşması halinde meydana sistem topolojine bağlı olarak ortaya çıkacak olan akım ve gerilim değerleri sisteme bağlı yapılara zarar verebilecek boyutta olabilir. Ferrorezonans, yani lineer olmayan rezonans ise temel olarak aşağıdaki farklarla rezonanstan ayrılır. - Devreyi ferrorezonans haline sürükleyebilecek kapasitans değerlerinin ait olduğu aralık, rezonans haline oranla çok daha geniştir [2], [4], [5], [8]. - Ferrorezonans sonucunda sistemin cevabına ait gerilim ve akım dalgalarının frekansları, sistemin sinüsoidal gerilim kaynağının frekansından farklı olabilir [3], [4], [5]. - Verilen bir devre topolojisi ve eleman değerleri için ferrorezonans halinde birden fazla kararlı çalışma hali mevcut olur [5]. Bunlardan biri lineer yaklaşım ile bulunabilecek, beklenen normal çalışma noktası iken; diğerleri, genellikle tehlikeli haller içeren ve normal olmayan kararlı çalışma noktalarıdır[4]. 2.4 Ferrorezonans Olgusunun YaĢanabilmesi Ġçin Gerekli Durumlar Aşağıda sıralanan koşullar bir sistemde ferrorezonansın oluşması için gerek olan; ancak yeterli olmayan koşullardır. - Kondansatörler (kondansatör ya da benzer şekilde kapasitans kaynağı olan yapılar) ile lineer olmayan endüktansların bir arada bulunuyor olması, - sistemde potansiyeli sabit olmayan en az bir noktanın(izole esilmiş nötr noktası, tek fazlı sigorta çalışması, tek fazlı anahtarlama…) bulunması, - az yüklenmiş sistem bileşenlerinin ( boşta çalışan güç transformatörü ya da gerilim ölçü transformatörü) olması, ferrorezonans için ön şartlardır [4]. Bu durumların bir ya da daha fazlasının var olmaması araştırmacıyı, çalışılan olayın kaynağı olarak ferrorezonansı, olasılıklar arasından eleyebilmesine imkan tanıyabilir. Ancak, bu şartların varlığı ferrorezonansın kaçınılmaz olduğu anlamına gelmez. Çünkü ferrorezonans, başlangıç koşullarına ve sistem yapısı ile sistem dahilindeki ekipmanların karakteristiğine önemli oranda hassasiyet gösterir. 10 2.5 Ferrorezonans Tipleri ve Olgunun Hangi Tipe Ait Olduğunun Belirlenmesi Bu olgunun, ana özelliği aynı topoloji için birden fazla sürekli zaman çalışma cevabı verebilmesidir[11]. Ferrorezonans olgusunun geçici hali ile normal çalışma durumunu ayırmak zor olsa da, ferrorezonansın tiplerine ayrılması geçici durumun etkisi temizlenerek sürekli hale geçtikten sonraki hallerine göre yapılır[4]. Araujo, Soudack ve Marti‟nin 1993‟te yayımladıkları çalışmalarında, sistemin ferrorezonans durumunda verdiği cevapları sınıflandırırken, bunu 3 tipe ayırmış; periyodik, yarıperiyodik ve kaotik olarak isimlendirmiştir. Ferracci‟nin 1998‟de yaptığı sınıflandırma ise 4 tipi cevabı barındırmaktadır: Temel , alt-harmonik, yarı-periyodik ve kaotik. Ferrorezonansa sürüklenen sisteme ait davranışın hangi ferrorezonans tipine ait olduğunun belirlenmesinde, faz düzlemi, güç spektrumu ve Poincaré Bölgesi incelemelerinin yapılması karar vermek için yeterli sonuçlar doğuracaktır. Takip eden kısımda bu araçlara kısaca değinilecektir. 2.5.1. Ferrorezonans Tipinin Belirlenmesinde Kullanılan Araçlar Ferrorezonans tipinin belirlenmesinde kullanılan araçlar faz düzlemi, güç spektrumu ve Poincaré Bölgesi‟dir. Aşağıda bu araçlar kısaca tanıtılmaktadır. - Faz Düzlemi: Faz düzlemi, sistemlerin zamana göre cevaplarını simgeleyen ve üzerinde sistem değişkenlerini barındıran bir noktanın zamanla hareket ederek yer değiştirdiği özet bir matematiksel düzlemdir[3]. Bu düzlemde tanımlanan iki parametrenin belirli aralıklarla işaretlenmesi ile oluşan eğriler ferrorezonans tipinin yorumlanarak belirlenmesinde yardımcıdır. - Frekans Spektrumu: Bu dağılım, gerilim ve akım dalga şekillerini oluşturan bileşenlerin, toplam işaret büyüklüğüne olan orantısal büyüklüklerinin kendi frekanslarında gösterilmesidir. - Poincaré Bölgesi: Faz düzlemindeki sistem cevabına ait eğrinin üzerinde stroboskobik tarzda örneklemeden (belirlenmiş bir frekans ile ölçüm yapıp düzleme işleyerek) elde edilen noktaların faz düzlemine işlenmesi ve bu noktaların birleştirilmesi ile basitçe çizilen bir düzlem bölgesidir [3]. Eğer örnekleme frekansı, 11 sistemin zorlayıcı koşulunun frekansına uyuyorsa (besleme geriliminin frekansı gibi), faz düzlemindeki periyodik bir eğrinin Poincaré bölgesi tek bir noktaya tekabül eder [3]. 2.5.2. Ferrorezonans Tipleri ve Belirleyici Özellikleri Bu bölümde ferrorezonans tipleri tanıtılacak ve bu tiplerin bir önceki bölümde belirtilen araçlar ile analizleri sonuçlarında verdikleri tipik sonuçlar, ayırt edici özellikleri olarak sunulacaktır. - Temel ferrorezonans tipinde, gerilim ve akım işaretlerinin periyotları sistem periyoduna eşittir. Bu durumda gerilim ve akım sinyalleri sistem beslemesine ait frekans ve bu frekansın tam katlarına ait harmonik frekanslarını içerir [4]. Şekil 2.3‟te temel ferrorezonansın karakteristik faz düzlemi örneklenmiştir. Temel ferrorozonans modunda çalışmakta olan sistemde frekans spektrumu incelenirse spektrum ayrık ve besleme frekansı ile harmonik frekanslarında işaretler içerir, duruma ait örnek Şekil 2.4‟te mevcuttur. Poincaré Bölgesi ise, faz düzlemindeki eğrinin belirli bir frekansla örneklenmesi neticesinde normal çaışma halini simgeleyen tek noktadan belirgin derecede ayrık ancak, yine tek bir noktadan mevcut olacaktır. Temel ferrorezonansa ait Poincaré Bölgesi örneği Şekil 2.5‟te görülebilir. ġekil 2.3: Temel ferrorezonans tipi için faz düzlemi 12 ġekil 2.4: Temel ferrorezonans tipinde gerilim bileşenlerine ait frekans spektrumu ġekil 2.5: Temel ferrorezonans hali için Poincaré Bölgesini oluşturan tek nokta - Alt-harmonik ferrorezonans tipinde; periyot, sistem beslemesinin periyodu olan T‟nin n katıdır ve durum alt-harmonik n ya da harmonik 1/n olarak isimlendirilir [4]. Bu tip ferrorezonansın faz düzlemi, Şekil 2.6‟daki gibi n adet kapalı eğri içerir. Alt-harmonik durumu normalde tekil sayılı orantılara sahip harmonikler içerirken; spectrum, Şekil 2.7‟deki gibi n‟nin bir tamsayı f0‟ın ise besleme frekansı olduğu durumda temel frekans olarak f0/n frekansını ve bunun tam sayı katlarını verir [4]. Poincaré Bölgesi‟nde ise, Şekil 2.8‟de örneği verildiği gibi n adet nokta görülür. 13 ġekil 2.6: n=3 alt-harmonik modunda faz düzlemi ġekil 2.7: Alt-harmonik ferrorezonansının sürekli hal çalışmasında gerilim bileşenlerine ait spektrum ġekil 2.8: Alt-harmonik ferrorezonans halinde Poincaré Bölgesi 14 - Yarı-periyodik ferrorezonans cevabı esasen periyodik değildir. Spektrum, nf1+nf2 (n ve m tam sayı, f1/f2 irrasyonel reel sayı) formunda süreksiz bir spektrum gösterir[4]. Poincaré Bölgesinde kapalı bir eğri gözlemlenir. Şekil 2.9‟da yarı-periyodik ferrorezonans durumuna ait Poincaré bölgesi örneklenmiştir. ġekil 2.9: Yarı-periyodik ferrorezonans halinde Poincaré Bölgesi - Kaotik ferrorezonans cevabı ise pratikte beklenmeyen bir sonuçtur[5]. Transformatör çekirdeklerinde var olan kaçınılmaz kayıplar eklendiğinde bu çalışma şeklinin oluşma olasılığını çok zayıflar[6]. Kaotik sistem cevabında faz düzlemeindeki kapalı eğrilerin sayısı ve Poincaré Bölgesi‟ndeki noktaların sayısı sonsuza gider. Pratike yaşanması ihtimali çok düşük olan bu tip ferrorezonanstan kaynaklı olarak sistemde gözlemlenecek gerilim ve akım parametrelerine ait frekans spektrumu incelendiğinde grafik üzerinde her hangi bir ayrık kısma rastlanamaz, sürekli bir dağılıma ulaşılır. Şekil 2.10, tarif edilen şekildeki frekans spektrumunu örneklemektedir. ġekil 2.10: Kaotik ferrorezonans halinde frekans spektrumu örneği 15 Elektrik enerji sisteminde meydana gelebilecek ferrorezonans olgusunun doğru olarak tespit edilebilmesi için sistemin gerçek zamanlı takibini yapabilen ve dalga şekilleri ile ek olarak yukarıda sıralanan araçlardan örneğin frekans spektrumunu verebilen cihazların kullanılması sistemin yönetimi yapan görevliler için olgunun tespitinde kolaylık Mühendisliği olacaktır. Topluluğu Jacobson‟ın toplantısında Temmuz yaptığı 2003‟te, sunumunda IEEE yüksek Enerji gerilim sistemlerinde yaşanan ferrorezonans olaylarına verdiği örneklerden biri olan Kanada‟nın Dorsey Çevirici Merkezi‟nde yaşanan ferrorezonans olayı esnasında sistemde çalışmakta olan olay kaydedicinin kayıt altına aldığı dalga şekilleri Şekil 2.11‟de verilmiştir. 5. Ağustos. 1995 tarihinde yaşanan ferrorezonans olayı transformatör merkezinin B2 barasında görülmüşken, A2 barası bu olgudan temizdir [10]. Ferrorezonans tipi ise alt harmonik ferrorezonansıdır. Anlaşılabilmesi için örneğin altında verilen tipik dalga şekilleri yardımcı olabilir. Dorsey istasyonunda yaşanan ferrorezonansa ilişkin daha ayrıntılı açıklama da ilerleyen bölümlerde verilecektir. ġekil 2.11. 20.Mayıs.1995‟te Dorsey T.M.‟nde meydana gelen ferrorezonans süresince olay kaydedicinin yaptığı kayıtlar [9] 16 Yukarıda verilmiş faz bölgesi, frekans spektrumu ve Poincaré Bölgesi uygulamalarına ek olarak aşağıda dört ferrorezonans tipi için örnek dalga şekilleri verilmiştir. ġekil 2.12. Temel ferrorezonans hali için gerilim dalga şekli örneği ġekil 2.13. Alt-harmonik ferrorezonansı için gerilim dalga şekli örneği ġekil 2.14 Yarı-periyodik ferrorezonans için gerilim dalga şekli örneği 17 ġekil 2.15. Kaotik ferrorezonans hali için gerilim dalga şekli örneği Şekil 2.12, Şekil 2.13 ve Şekil 2.14 sırası ile temel, alt-harmonik ve yarı-periyodik ferrorezonans tiplerinde görülmesi muhtemel gerilim dalgalarına ait şekilleri göstermektedir. Dalga şekilleri harmonik bileşenlerinin tip ve boyutuna bağlı olarak farklılaşabilirken, verilen şekiller fikir verme amaçlıdır ve karşılaşılan gerçek bir durumla tam olarak örtüşmeyebilecektir. Örnek dalga şekli ile yaşanabilecek gerçek olaya ait dalga şekillerinin en çok değişiklik sergileyebileceği ferrorezonans tipi kaotik ferrorezonanstır. Şekil 2.15‟te örnek bir kaotik sistem cevabına ait gerilim dalga şekli verilmiştir; ancak, daha önce de belirtildiği gibi, kaotik sistem cevabı gerçekte oluşma ihtimali göz ardı edilebilecek kadar düşük boyuttadır. Bu tip dalga şekillerine benzetim çalışmalarında sönüme neden olacak rezistif elemanların etkilerinin çok azaltılması ile ulaşılabilir. Sistemde olay kaydedici her hangi bir cihazın olmaması, başka arızalar ile ortak olabilecek bazı belirtilerin pek çok farklı yoruma sebep olabilmesi gibi teşhisi zorlaştıracak durumlarda geliştirilecek ilk refleks, sistemin normal dışı çalışmaya başladığı anı incelemek olmalıdır [4]. Sisteminin kafa karıştırıcı bir karakter sergilediği süreçteki yapısı ve olay sırasında ya da az öncesinde sistemde meydana gelen olayların (transformatör enerjilendirilmesi, endüstri uygulamalarından kaynaklı bir faza fazla yüklenilmesi, yükün kaybı… gibi ferrorezonans olgusunu başlatabilecek bir olay) incelenmelidir[4]. Böyle bir olayın varlığı halinde ise ikinci adım olarak aşağıda sıralanan üç şartın sağlanıp sağlanamadığı incelenmelidir. - Lineer olmayan endüktanslar ile kondansatörlerin bir arada bulunuyor olması, - Sistemde potansiyel noktası sabit olmayan en az bir noktanın(izole esilmiş nötr noktası, tek fazlı sigorta çalışması, tek fazlı anahtarlama…) bulunması, 18 - Az yüklenmiş sistem bileşenlerinin olması ( boşta çalışan güç transformatörü ya da gerilim ölçü transformatörü) ya da sistemde düşük kısa devre gücüne sahip enerji kaynaklarının (generatörler)olması [4]. Yukarıda belirtilen üç maddenin her hangi biri eksik ise sistemin ferrorezonans halinde olmadığı söylenebilecekken; bu şartların sağlanması sistemin ferrorezonansa girmesini de kaçınılmaz kılmak için yeterli değildir. 2.6 Ferrorezonansın Karakteristik Özellikleri Olguyu diğer enerji sistemi olaylarından ayıran üç temel özellik mevcuttur. Bunlar; birden çok kararlı çalışma noktasının mevcudiyeti, sistem parametrelerine ve başlangıç koşullarına karşı sahip olunan aşırı hassasiyetlerdir. Ferrorezonans olgusunun, ana özelliği aynı topoloji için birden fazla sürekli hal çalışma cevabı verebilmesidir [11]. Bu özellik aşağıda verilecek olan diğer karakteristik özelliklerin her ikisinin de içerisinde yer alan bir bileşen olarak gözlemlenebilir. Dorsey TM‟de 20.Mayıs.1995‟te yaşanan olayda kaydedilen gerilim dalga şekilleri birden fazla sürekli hal çalışma noktası olduğunu ispat etmektedir [10]. Şekil 2.16‟da, geçici durum bittikten sonra sistem anma geriliminin açık şekilde daha üstünde bir gerilim ile çalışmasına sürekli olarak devam edebilecek şekilde oturmuştur. ġekil 2.16: 20.Mayıs.1995‟te Dorsey T.M. ferrorezonansında birden fazla sürekli hal çalışma noktasının gözlemlenebilmesi [10] 19 2.6.1 Sistem Parametrelerindeki DeğiĢime KarĢı AĢırı Hassasiyet Ferrorezonansın yaşanabilmesi için gerekli olan kapasitansı ve lineer olamayan endüktansı bir arada içeren ve bu nedenle potansiyel bir ferrorezonans devresi olan Şekil 2.17‟deki devrede mevcut olan endüktansa ait gerilim, VL, kapasitansın fonksiyonu olarak Şekil 2.18‟de verilmiştir. ġekil 2.17: Basit bir ferrorezonans devresi ġekil 2.18: Sistem parametrelerine olan aşırı hassasiyet ve zıplama olgusu Şekil 2.18 incelendiğinde; - C=C1 , sistem çözümü (P1) tektir. Bu çözüm lineer varsayımla elde edilebilecek normal çalışma koşuluna denk düşmektedir. - C=C3 iken üç çözüm (P31, P32, P33, ) vardır. P31 normal çalışma koşullarına denk gelirken, P33 sistemin ferrorezonans içerisinde olduğu hale denk gelmektedir. Nokta nokta çizilmiş kısımdaki cevap ise, P32, pratikte ulaşılamayan bir sonuçtur. - C=C2 iken, sistemin kararlı çalışma noktası olan P21‟den P22 noktasında zıplar. P21 bir limit değer olarak bilinir. 20 - C=C5 iken, sadece ferrorezonans hali olan P5 çalışma noktası olarak mevcuttur. - Kapasitansın büyüklüğü olan C, C3 seviyesinden düşmeye başlaması ile, çalışma noktası P22(ikinci sınır noktası) „den P21 noktasına sıçrar. Bu şekildeki çalışma özelliğinin temelinde ferrorezonans olgusunun ayırt edici özelliklerinden olan zıplama olgusu yatar. Zıplama olgusunun, verilmiş grafikteki hali ile yaşanmasının sebebi sistem parametrelerinden biri olan kapasitansın değiştirilmesidir. Kapasitans gibi diğer parametrelerin değişmesi ile de zıplama olgusu yaşanabilir. Bu çalışmanın ilerleyen kısımlarında verilecek örneklerde görülecektir ki sistemin kaynak geriliminin ve sistemde ferrorezonanstan kaynaklı, olağan dışı akım ve gerilim bileşenlerinin bastırılmasında görevli olan direncin değişen değerleri için sistem cevabında büyük değişiklikler olacaktır. Değişikliklerin nedeni ferrorezonans olgusunun sistem parametrelerine karşı olan aşırı hassasiyetidir. Sistem parametrelerindeki ya da geçici olaylardan birindeki küçük bir değişiklik bir kararlı çalışma noktasından çok farklı bir kararlı çalışma noktasına ani sıçramalar yaratabilir[4]. 2.6.2 BaĢlangıç KoĢullarındaki DeğiĢime KarĢı AĢırı Hassasiyet Ferrorezonans olgusunun elektrik enerjisi iletim ve dağıtım sistemlerinde meydana gelmesi, başlangıç koşulları sistemi bu olguya sürüklemeden imkanlı olmayacaktır. Başlangıç koşulları, bahis konusu geçici olayın yaşanmasından hemen önceki anda sistemin halini betimlemesi açısından önemlidir. En önemli parametreler sistem geriliminin genliği, sistemin kapasitif bileşenlerinin sahip oldukları sığalar ve sistemde sönümü sağlayabilecek direnç değerleridir. Kaynak gerilimi, sistem kapasitansları ve dirençlerinin boyutları, ferrorezonans halindeki sistemin cevabının hangi ferrorezonans tipinde olacağını belirler [12]. Sistemin bir parçası izole edildiğinde,sistem üzerinde bulunan endüktif bileşenler üzerinden boşalacak ve yukarıda örneklediğimiz durumlara sistemi sürükleyecek olan enerjinin miktarı, bu kapasitif yapılara bağlıdır. Büyük önem taşıyan diğer bir başlangıç koşulu da transformatör çekirdeğindeki akı miktarıdır[4]. Akının çekirdekteki yoğunluğu transformatör çekirdeğinin yapısına bağlıdır. Bu konuda önemli bir çalışma [4]‟te verilmiştir. Çekirdekteki artık akının büyüklüğü, transformatörün doymaya sürüklenmesinde ya da doymanın derinleşmesinde itici kuvvet oluşturacaktır [14]. 21 2.6.3 Sistem Parametrelerine ve BaĢlangıç KoĢullarına KarĢı AĢırı Hassasiyeti Ġncelemek Amacıyla OluĢturulan PSCAD Modeli ve Yürütülen Simülasyon Yukarıda açıklanmaya çalışılan sistem parametreleri ya da başlangıç koşullarındaki her hangi bir değişime karşı gösterilecek aşırı hassasiyetin görselleştirilmesi amacıya Şekil 2.19‟da verilen devre, PSCAD (EMTDC) üzerinde modellenmiştir. Modellemenin ardından da dağıtım transformatörünü besleyen hat üzerindeki kesiciye tek fazlı anahtarlama yaptırılarak sistem ferrorezonansa sürüklenmiştir. İlk denemede kesiciye açma sinyali t=200ms‟de giderken ikinci çalışmada ise açtırma t=150ms anında yaptırılmıştır. Bu amaçla sistemin başlangıç koşullarından olan transformatör çekirdeğindeki artık akı miktarı değiştirilmiştir. ġekil 2.19: Ferrorezonans olgusunu benzetimler ile inceleyebilmek amacıyla kurulan sistem Şekil 2.19‟daki devre şeklinden görüleceği üzere sistem enterkonnekte şebekeye 380kV üzerinden bağlanmaktadır. 380kV/154kV transformatör merkezine gelen 380kV anma sistem gerilimine sahip olan hat kuplajlı pi-modeli ile modellenmiştir. Hat gerilimi olarak 380kV, frekansı olarak 50Hz ve uzunluğu olarak 100km atanmıştır. Hattın toplam taşıyabileceği görünür güç 500MVA olarak belirlenmiştir. Birincil iletim sisteminden direkt beslenen diğer bir transformatör merkezine giden ikinci bir hat 380/154 transformatör merkezinde başlayacağı şekilde modellenmiş ve o anda 32,5MVA‟ya yakın bir yük beslemekte olacak şekilde temsil edilmiştir. Aynı transformatör merkezinde yer alan indirme işlemi ise 250MVA gücünde bir güç 22 transformatörü ile yapılmıştır. Transformatörün gücü 250MVA seçilmiş ve doyma olasılığının var olduğu şekilde tanımlanmıştır. Primer traftaki sargı balantısı üçgen iken sekonder kısmındaki bağlantı topraklı yıldızdır. Transformatörün 154kV çıkışına iki hat bağlanmış, biri varlığı olası diğer hatların toplam yükünün ve toplam kayıplarının hepsini simgeleyen yük olarak modellenmişken diğeri ferrorezonansın simüle edilebilmesi için ayrıca modellenmiştir. 154kV iletim hattı yine kuplajlı pi modeli ile modellenmiş, anma faz arası gerilimi 154kV, frekansı 50Hz, toplam taşıyabileceği yükü 100MVA, uzunluğu ise 100km olarak atanmıştır. Hat sonunda indirici transformatör merkezine ulaşılmış ve 154kV/34,5kV çevirme oranına sahip 100MVA gücündeki güç transformatörüne ulaşılmıştır. Yine benzer şekilde indirici transformatör merkezinden başka hatların çıkışını ve bu hatların kayıplarını modellemek amacıyla hemen transformatör çıkışına bir kompleks yük eklenmiştir. Ferrorezonansın modelleneceği kısımdaki dağıtım hattı ise kablo hat ile modellenmiştir. Bu hattın başına üç adet tek fazlı kesici yerleştirilmiştir. Bir adet üç fazlı kesici yerine üç adet bir fazlı kesicinin tercih edilmesinin tek nedeni ferrorezonans benzetiminin, tek fazı açık iken diğerleri iletimde olan bir devre üzerinden yapılmasının istenmesidir. Böylece tek fazlı anahtarlama modellenebilecektir. Ferrorezonansın simüle edilmesinin tasarlandığı kablo hat Prysmian Kablo‟nun katalog bilgilerinden alınmış bilgiler ile modellenmiş ve uzunluk olarak 4km atanmıştır. 4km uzunluğundaki hat pratik olarak ülkemizde kullanılan boyutlarla çelişmemektedir. Ancak, dağıtım transformatörlerini besleyen kablo hatların 3km‟den ( yaklaşık 2 kara milinden) uzun olması, ferrorezonansa karşı yapılan çalışmalar tarafından önerilmemektedir [2]. Verilen devrenin oluşturulmasından sonra sistemde arzu edilmeyecek, tek fazlı bir anahtarlama gerçekleştirilmiştir. Bu dağıtım hattının indirici transformatör merkezi tarafındandaki kısmının başında bulunan kesicinin bir fazı açarken diğer ikisinin kapalı kalması ya da yine hattın aynı ucunda kullanılan sigortalardan birinin erime elemanı eridikten sonra diğerlerinin devrede kalmaya bir süre daha devam etmesi ile oluşmuş olarak kabul edilebilir. Şekil 2.20 ve Şekil 2.21‟de bu istenmeyen anahtarlama olayı farklı anlarda yaşatılmıştır. Bu farklı anlarda yaşatılan anahtarlamaların her ikisinin de sonucunda sistem ferrorezonansa sürüklenmiştir. Fark ise oluşan aşırı gerilimlerin genliklerindedir. Benzer çalışmayı Huawei ve Yu, 2007 yılında sonuçlarını açıkladıkları incelemeleri süresince çok daha yüksek bir 23 gerilim seviyesinde, 1100kV faz arası gerilim kademesindeki sistem üzerinde çalışmışlardır. Ultra yüksek gerilim seviyesinde yapılan bu çalışmadaki sonuçlar çok daha dramatik farklar ortaya çıkartır [13]. Bahis konusu çalışma bu durumu kesici çalışmasının ferrorezonans üzerindeki etkisi olarak isimlendirmiştir [13]. Bu isimlendirme doğrudur; ancak, bu etkinin neden olduğu olaylar zincirindeki bir basamağın atlanmasına neden olabilecek bir isimlendirmedir. Çünkü, ferrorezonans olgusunun sonucu daha vahim hale getiren yukarıda da bahsedildiği gibi transformatör çekirdeğinki artık akının boyutudur. Artık akı miktarı arttıkça doyma derinleşecektir. Şekil 2.20‟deki anahtarlama gerilim dalgası sıfırdan geçilip ters alternansın baş kısımlarında yapılırken; Şekil 2.21‟deki anahtarlama transformatör çekirdeğine ait B-H eğrisinin kapalı eğri grafiğinin en üst seviyedeki haline denk gelmiştir. Her iki grafikte de incelenen faz-toprak gerilimidir. ġekil 2.20: Sistemin ferrorezonansa girmesi sonucu faz-toprak arası gerilim dalga şekli-t=0,20s. 24 ġekil 2.21: Sistemin ferrorezonansa girmesi sonucu faz-toprak arası gerilim dalga şekli-t=0,15s. Dağıtım transformatörünün çıkışında bulunan ve faz başına eşit olarak eklenmiş rezistif yüklerin amacı çalışmanın dengeli yük devrede iken yapılmasını sağlamaktır. Bu şekilde amaçlanan, incelemenin sonuçlarının sadece ferrorezonansın başlangıç koşullarındaki değişime karşı olan aşırı hassasiyetini yansıtmak ve diğer kafa karıştırıcı olabilecek etkenleri basitleştirerek sadece çalışılan konunun simüle edilebilmesini sağlamaktır. Yapılan çalışma sonucunda görülmüştür ki, artık akı miktarı daha düşük olan t=200ms anahtarlaması sonucunda oluşan gerilimin tepe değeri t=150ms anahtarlamasındam kaynaklı durumdakinden daha düşüktür. Ek olarak artık akının daha az olduğu, Şekil 2.20 ile sonucu verilen ilk anahtarlamada sistem sönümü daha etkili olşmuş ve 1saniye sonunda sistemde sönüm hissedilir hale gelmiştir. Şekil 2.21‟de sonucu verilen anahtarlamanın ise sönüme gitmesi için 1 saniye yeterli olmamıştır. Sistemin, başlangıç koşulundaki değişime verdiği cevap açık şekilde gözlemlenebilir. Sistem parametrelerindeki değişime karşı olan hassasiyet ise, ilerleyen kısımlarda çok sayıda incelenecektir. Bu incelemelerin yapılacağı bazı çalışmalarda, yukarıda verilen devre kullanılacakken bazılarında ise EMTDC‟nin modüllerinden biri olan ve iletim hatını direkleri ile birlikte modellemeye izin veren T-Line modülü ile kurulan örnek devreler kullanılacaktır. 25 2.7 Dalgacık DönüĢümü Kullanabilen Dijital Röle Uygulamaları ile Ferrorezonansın Tespiti Ses ve görüntü işleme çalışmalarında, görece olarak daha uzun zamandır kullanılmakta olan dalgacık dönüşümü (Wavelet Transform), son zamanlarda ferrorezonans olgusunun tespit edilebilmesi amacıyla da kullanılabileceğine dair öngörü ile çalışmalara konu olmaktadır. Ferrorezonansın çalışılan bir sistemde meydana gelmesi halinde, sistemden ölçü transformatörleri aracılığı ile alınan analog sinyallerin dijital röleler tarafından anlaşılabilir sinyaller haline dönüştürülerek sistemde var olan durumun sahip olduğu özelliklerin ferrorezonansa ait karakteristik özellikler ile uyumlu olup olmadığı incelenebilir. Yukarıda ayırt edici özelliklerinden bahsedilen ferrorezonans olgusununun normal çalışma durumu ya da diğer arıza durumları ile karşılaştırılabilir hale getirilmesi ile sistem, ferrorezonans haline girdikten sonra oturacağı yeni sürekli hal çalışma noktası istenmeyen gerilim ve akım değerlerine sahip ise sorunlu sistem parçasının şebekeden ayrılması ile korunabilir. Bu ve benzeri amaçlar ile ferrorezonansın ayırt edilerek sistemdeki varlığından haberdar olabilmek önemlidir ve dalgacık dönüşümü bu nedenle çok sayıda çalışmada ana ya da yan konu olmuştur. Mokryani ve arkadaşları tarafından 2007 yılında yayımlanan çalışmada, kısa süreli ya da ayrık Fourier Dönüşümleri‟nin kullanıldığı algoritmaların , sistemde varlığı hissedildiği halde tam olarak ne olduğu belirlenemeyen bazı olayların yaşanması halinde, olguyu belirlemekte yetersiz kalabilmelerine karşın dalgacık dönüşümünün bu yetersizlikleri aşmada daha etkili olduğu belirtilmiştir [11]. Dalgacık dönüşümü, sistemin verdiği karmaşık cevaptan bazı filtreler kullanılarak alınan örneklerin işlenmesi ile ferrorezonansa ait karakteristik özelliklerin ( daha önceki bölümlerde verilen) ortaya çıkarılması için işlevseldir. Bu dönüşüm, yapay sinir ağları ile entegre edildiği bir uygulamada önemli ölçüde verimli olabilecektir [11]. Yapay sinir ağları ve dalgacık dönüşümü yöntemlerinin entegrasyonu ile ferrorezonansın diğer geçici olaylardan ayrılması sağlanabilmektedir [11]. Dalgacık dönüşümünün ya da diğer farklı matematiksel yaklaşımların ferrorezonans halinin sistemde kısa sürede tespitini sağlayabilecek şekilde kullanımı ile yeni röleler üretilebilir ya da var olan sayısal rölelere yeni modüller eklenerek olgunun neden olacağı sonuçları sistemden uzaklaştırmak için yapılabilecek anahtarlamalar kontrol edilebilir. 26 3. FERROREZONANSA YATKIN DEVRE YAPILARI 3.1 Amaç Kondansatör ve non-lineer endüktasları oluşturabilecek ya da öyle davranabilecek pek çok yapının sistemde olma ihtimalinin çok yüksek olması ve büyük bir çeşitliliğe sahip olan çalışma koşulları nedeniyle ferrorezonansın oluşma ihtimaline sahip devre yapısı çeşidi sayısı sınırsızdır [4]. Ancak, bazı sistem yapılarının ferrorezonansa daha yatkın olduğu açıktır. Bu bölümün amacı, ferrorezonansa girme eğilimi yüksek bazı devre yapılarının incelenmesi, örneklenmesi ve benzetimler ile bu devre yapılarının ferrorezonansa verdikleri cevapların gözlemlenmesidir. 3.2. Bir ya da Ġki Fazı Açık Olan Kesicinin Derecelendirme Kondansatörleri Üzerinden Beslenen Ferrorezonans Devresi Havai hatlara, kablo hatlara ya da açık durumdaki kesiciye ait kapasitansların, üzerinden deşarj olacak bir yol bulmaları ferrorezonans devresinin beslenmesini sağlar [7]. Bu durumda lineer olayan endüktans gerek güç transformatörlerinin gerekse de gerilim ölçü transformatörlerinin sargıları tarafından oluşturulabilir ve bu haliyle gerekli deşarj yolunu sağlayabilir. 3.2.1 Bir ya da Ġki Fazı Açık Olan Kesicinin Derecelendirme Kondansatörleri Üzerinden Beslenen Güç Transformatörünün Ferrorezonans Devresi Güç transformatörleri için önemli hasarlar yaratabilecek sonuçlar doğurabilen bir yapıdır. Mozaffari, Sameti ve Soudack tarafından 1997 yılında yayımlanmış olan ve ferrorezonans olayında başlangıç koşullarının etkilerini konu alan makalede ferrorezonansın genellikle yüksüz ya da çok düşük yüklü transformatörlerin bulunduğu sistemlerde bir ya da iki fazın kaybedilmesi halinde gözlemlenebileceğini ortaya koyulmuştur [12]. Yine benzer yaklaşımla Huawei ve Yu, 2007‟de yayımlanmış makalelerinde kesici çalışma sürelerinin ferrorezonans karakteristiği üzerideki etkilerinden bahsederken kullandıkları modelde de bir fazının kaybedilmiş 27 olduğu, sekonderi açık devre olan transformatör fiderinde tek fazlı bir anahtarlama daha yaşatarak incelemelerini yapmışlardır[13]. Şekil 3.1‟de Huawei ve Yu‟nun kurduğu modelin benzeri kurulmuştur. Bu modelde sistem parametreleri verilmemiş sadece anahtarlama olayı görselleştirilmiştir. Üç fazlı sistemin C fazı başlangıçta kayıptır. Bir nedenle kopmuş iletken olarak düşünülebilir. Bu durumda A fazı üzerindeki kesici açar ve B fazı üzerindeki kesici iletimde kalmaya devam eder. ġekil 3.1: Huawei - Yu tarafından kurulan model [13]. Yukarıdaki sistem, son hali ile indirgenirse Şekil 3.2‟deki model elde edilir. Model, makalenin sahibi bilim insanları tarafından, yayında basitçe verilmiştir. Ancak, modelin EMTP üzerinde kurulmuş hali verilmemiş sadece sonuçları belirtilmiştir. Aşağıda ise benzer devrenin simüle edilebilir şekli, PSCAD üzerinde modellenmiş ve Şekil 3.2‟deki hali ile koşturulmuştur. Huawei ve Yu‟nun 2007 yılındaki çalışmalarında verilen sonuçlar ile yeni kurulan modelin koşturulmasından elde edilen sonuçların karşılaştırılabilir olması için faz arası gerilimin 1100kV olduğu sistemin bir fazına ait etkin değeri olarak 635.1kV atanmıştır. Bu gerilim tranformatörün 1 numarlı sargısının üzerindedir. Transformatörün sekonder gerilimi ise faz-toprak arasında efektif olarak 130kV değerindedir. 0.00658μF boyutundaki kondansatör ise kesiciye ait derecelendirme kondansatörlerine ait toplam sığayı vermektedir. Üreteçlerin çıkışında yer alan endüktans ve kondansatör ise bilim insanlarının atadıkları şekilde modele yansıtılmıştır. Tek fark, bilim insanlarının endüktf reaktans değerini verdikleri 635.1kV tarafındaki endüktansın Henry cinsinden değeri bu reaktans değerinden terse doğru yapılan hesaplanması ile 28 atanmıştır. Modelin EMTDC (PSCAD) üzerinde koşturulması ile Şekil 3.3‟teki sonuca ulaşılmıştır. Şekil 3.3‟te şekli verlen dalga şekli Ea ile ölçülen faz-toprak arası gerilmine aittir. ġekil 3.2: Huawei–Yu modelinin 1100kV sistemine göre indirgenmesi; [13]‟ten uyarlanmış, daha ayrıntılı hale getirilmiştir Şekil 3.3‟te görüldüğü gibi, 635.1 kV olan faz toprak gerilimi ferrorezonansın oluşması sonucu gerilimin tepe değeri 2000kV‟a kadar yükselmektedir. Olaya sistemin verdiği bu cevap alt harmonik ferrorezonansı türünün tipik dalga şekline benzemektedir. ġekil 3.3: 1100kV sisteminde yaşanan ferrorezonans olayının PSCAD ile benzetimi sonucunda faz gerilimi şekli Yukarıdaki çalışmanın bir benzeri ise, PSCAD‟in standart devre elemanları kullanılarak Şekil 3.4‟te verildiği şekli ile kurulmuştur. Bu devrede, kullanlan gerilim değerleri transformatörün primeri için 380kV iken, sekonder tarafta 34,5kV‟dir.Sistem frekansı 50Hz‟dir. Daha önce de yapıldığı gibi, tek fazlı 29 anahtarlamanın modellenebilmesi için üç adet tek fazlı kesici kullanılmıştır. Bir önceki çalışmaya benzer olarak A fazı üzerindeki kesici çalışmanın başından sonuna kadar açıktır. Böylece, devre dışı olan faz benzetilmiştir. Bu durumda iken B fazı t=200ms‟de anahtarlanarak açılmış ve C fazı iletimde kalmıştır. İletim hattı T-Line modülü ile modellenmiştir. Bu modülde iletken sayıları, direk tipi, direk üzerindeki topraklama iletkeni sayısı ve tüm iletkenlerin birbirlerine olan mesafeleri ile toplam hat uzunluğu işlenerek hat modeli oluşturulmuştur. Hat uzunluğu olarak 100km atanmıştır. İndirici güç transformatörünün sekonderine atanmış olan yükler aşırı büyük dirençler olarak modele eklenmiştir. Bu eklenmenin amacı, yüksüz olarak enerjilendirilmiş transformatörü benzetebilmektir. Transformatör sekonderinde her hangi bir yük olmaksızın PSCAD simülasyonunun koşturulmaya çalışılması halinde program hata verecektir. Bu nedenle yok sayılabilecek kadar düşük bir yük atanarak, yazılımın çözmeye çalıştığı denklem takımında ihtiyaç duyduğu format sağlanmıştır. Şekil 3.4‟te verilen bu devrenin çalıştırılması sonucunda yaşanan ferrorezonanstan kaynaklı, Ec ile ölçülen iletimdeki fazın toprağa göre gerilimi Şekil 3.5‟te verilmiştir. ġekil 3.4: Bir fazın enerjili olduğu ferrorezonans devresi ġekil 3.5: Ferrorezonans sonucu faz-toprak arası terminal gerilimi Şekil 3.5‟te verilen dalga şekli, temel ferrorezonans tipini işaret etmektedir. 380kV anma gerilim değerine sahip sistemin faz-toprak arası geriliminin tepe değeri 310kV 30 iken, ferrorezonans durumunun başlamasından itibaren oturulan yeni çalışma noktasında, faz-toprak gerilimin tepe değeri 400kV seviyesindedir. Bu değer IEC standartlarına göre üretimi yapılan elektro-mekanik sanayi cihazlarının 1 dakikalık, sistem frekanslı dayanım gerilmi sınırlarını aşmamaktadır. Bu gerilim ile yalıtımların 1 dakikadan uzun süre ile dayanacağı açıktır. Ancak, bu düzeydeki aşırı gerilimin yaratacağı aşırı akımlardan kaynaklı ısınmaların yalıtımları zorlayacağı kesindir. 3.2.2. Bir ya da Ġki Fazı Açık Olan Kesicinin Derecelendirme Kondansatörleri Üzerinden Beslenen Gerilim Ölçü Transformatörünün Ferrorezonansa Maruz Kalması Durumu Çok yüksek gerilim sistemlerinde, belirli anahtarlama olayları (bara kesicisinin anahtarlaması ya da bara kısmında arızanın kalması…) faz toprak arası bağlı olan gerilim ölçü transformatörlerinin ferrorezonansa girmelerine neden olabilir [4]. En yaygın ferrorezonans olaylarından biri de budur. Dorsey Çevirici İstasyonu‟nda bu durumun gerçek örneğini oluşturan olaydan daha önceki kısımlarda bahsedilmiştir. İlerleyen bölümlerde ise daha ayrıntılı değerlendirilecektir. ġekil 3.6: Tek fazı açık kalan kesici çalışması sonucu ferrorezonans, [4]‟ten uyarlanmıştır. Şekil 3.6‟da durumu görselleştirmek amacı ile verilmiş çizimde görülebilecek olan kesicinin çalışması ile, C kapasitansı gerilim transformatörünün çekirdeğini doymaya götürecek şekilde gerilim transformatörü üzerinden boşalarak ferrorezonansı başlatır [4]. Sistem beslemesinin kesiciye ait Cd derecelendirme kondansatörleri üzerinden salınımın devam etmesini sağlayacak enerjiyi sisteme pompalaması ile ferrorezonans 31 durumu sürer[4]. Sonuçlar gerilim transformatörünün kaybına kadar gidebilir. Resim 3.1, ferrorezonans sonucu kaybedilen bir gerilim transformatörünü göstermektedir. Resim 3.1: Gerilim ölçü transformatörünün ferrorezonans neticesinde kaybı [9]. 32 3.3. Gerilim Transformatörünün Nötrü Ġzole Bir Sistemine Bağlı Olması Durumu Enerji sisteminin kısa süreler için dahi olsa sistem topraklamasının olmadığı halde çalışmaları olasılığı mevcuttur [5]. Bu durum kullanıcılarının tercihi olarak seçilebileceği gibi; sistem topraklamasının devre dışı kalmasına neden olan bir olay sonucunda (örneğin sistem beslemesinin kesilmesi sonucu devreye girecek yedek güç kaynaklarının -dizel jeneratör gibi- nötr noktasının yalıtılmış olması halinde) bir süreliğine oluşabilir [4]. Bu durum Şekil 3.7‟de görsellenmiştir. Sistem topraklamasının ortadan kalkması halinde faz-toprak arasında bağlı olan gerilim ölçü transformatörlerine ait fonksiyon topraklamaları ile sistemin toprağa olan kapasitansı arasında toprak üzerinden bir sıfır serisi devresi oluşur. ġekil 3.7. Nötr noktası izole sistemde gerilim ölçü transformatörünün varlığı [4] Sistemde yapılan anahtarlamalar ( yük atmak, arıza-temizlenmesi…) ya da bir faztoprak arızası sonucunda meydana gelecek aşırı gerilim ve aşırı akımların sonucunda gerilim transformatörünün çekirdeğinin doymaya gitmesi ile paralel ferrorezonans başlar [4]. Son dönemlerde rastlanan ve olguya mükemmel bir örnek oluşturan bir problem Norveç‟in 50-kV şebekesinde yaşanmıştır [5]. Kısa devrenin temizlenmesi sistemi toprağa bağlayan son parçanın da ortadan kaldırılmasına neden olmuştur [5]. Arıza temizlendikten sonra, geriye kalan tek sıfır serisi empedansı toprağa olan kapasitif kuplajdan kaynaklanır [5]. 33 Norveç örneğinde, sistem bu şekilde sadece 3 dakika çalışıldıktan sonra ferrorezonans sisteme bağlı 72 adet ölçüm ve koruma amacıyla kullanılan gerilim transformatörünü tahrip etmiştir [5]. Ağır hasar alan 72 adet cihazın hepsinin de üreticisi aynıdır[5]. Ferrorezonansa uğrayan bir gerilim transformatörünün hasar alması durumunda hasarın gözlemleneceği kısım transformatörün primer kısmıdır [11]. Enerji sistemi dahilinde bulunan gerilim ölçü transformatörlerinin kafa karıştırıcı bir şekilde kaybından sonra incelenebilmesi halinde eğer sekonder kısımları sağlam iken primer kısımları kaybedilmişse buna neden olanın ferrorezonans olgusu olduğu rahatlıkla söylenebilir[5]. Nötr noktası bir şekilde yalıtılmış olan sisteme bağlı gerilim ölçü transformatörlerinin ferrorezonansa uğramaları hali, yaygın bir olaydır. Bu nedenle bu örneğe ilerleyen bölümlerde tekrar dönülecek ve aynı sistemde arıza yaşamaksızın kurtulan diğer transformatörler ile arızalananlar arasındaki farklara değinilecektir. Böyle bir kaybı engellemek için önerilebilinecek sekonder yük uygulamaları üzerinde durulacaktır. 3.4. Tek ya da Ġki Fazın Açık Olduğu Hallerde Güç Transformatörünün Beslenmesi Hali Yüksek gerilim ve orta gerilim sistemlerinde kaynağın 3 fazından birinin ya da ikisinin kaybı halinde yaşanan ferrorezonans durumudur. Yüksek gerilim sistemlerinde bu hal üç fazlı sistem üzerindeki kesicilerden bir ya da iki faza ait olan ünitelerin kesmeye gittiği; ancak diğer faz ya da fazların enerjili kalması durumudur. Orta gerilim sistemleri için ise bu durum; üç fazlı kesici ünitelerinin pahalılığı nedeni ile kullanılan sigortalı ayırıcı kombinasyonlarında, bir faz üzerindeki sigortanın erime elemanının erimesi ile meydana gelebilecek bir durumdur. Her iki gerilim seviyesi için de bir şekilde kaybedilmiş; ancak koruma düzenlerine 3 fazlı açtırma verdirtememiş bir ya da iki faz iletkeninin iletimden çıkması ferrorezonans ile sonuçlanabilir. Sonucun ferrorezonans olması, transformatörün sekonderindeki yük oranının, cihazın anma gücüne oranla çok az olması durumunda yüksek olasılıklı hale gelir [2]. Bu durumda ferrorezonansı besleyecek kapasitans, yer altı kablo dağıtım hattından ya da primeri izole yıldız, topraklı yıldız ya da üçgen olan bir transformatörü 34 besleyen havai hattan kaynaklı olabilir [4]. Lineer olamayan endüktans ise, hali hazırda sistemde yer alan güç ya da gerilim ölçü transformatörlerinin doyabilen çekirdekleri etrafına sarılmış sargıları tarafından sağlanır. Örneğin,seri ferrorezonans devresi kesici ile transformatör arasında açık olarak kalan fazlardan birine ait açık parçadaki faz-toprak arası kondansatörü ile transformatörün mıknatıslanma empedansı arasında yaşanır [4]. Anahtarlama cihazlarının bir ya da iki kutbu açıldığı anda, kondansatör grubunun ya da transformatörün nötr noktalarından birinin toprak bağlantısı varsa; kapasitanslar ve mıknatıslanma reaktansları arasında seri bir bağlantı yolu oluşabilir ve ferrorezonans ihtimali doğar[5]. Eğer her iki nötr noktası da topraklı ya da her ikisi de yalıtılmış ise ferrorezonansın oluşması ihtimali çok düşer [2]. Ancak her iki noktanın da yalıtılması ihtimali çok zordur. Çünkü transformatörün sarımlarının birbirleri ile bağlanma şekilleri, topraktan sargıyı izole edecek şekilde kombine edilebilir; ancak, fazlardan toprağa doğru olan kapasitansın havai hatta engellenme imkanı yok iken; kablo hatta kablonun yalıtımının katmanlı yapısı ve en dış katmanının ekranlanması ile faz arası sığanın varlığı engellenebilecekken, faz – toprak arası sığanın engellenebilmesi olasılığı çok zayıftır. Özetle, ister havai hat isterse de kablo şebekesi olsun faz toprak arası kapasitans varlığı kaçınılmazdır. Bu nedenle geçerli varsayım her iki noktanın da topraklanmış olması halini yansıtandır. Aşağıda verilmiş olan Şekil 3.8‟in a, b ve c maddelerinde görülecek yapılar, ferrorezonans yaşanması ihtimalinin yüksek olarak gösterildiği sistem modelleridir. a maddesinde üç fazı açık transformatör enerjilendirilmeye çalışılırken sadece tek faz kapatılabilmiş ve diğer iki faz açık kalmıştır. b maddesinde de sistem, aynı çalışma durumundadır; ancak, sargı tipleri farklıdır. Sargılar arasındaki benzerlik ise toprak potansiyeline taşınmış her hangi bir noktaya sahip olmamalarıdır. c maddesinde ise transformatör sargısına ait nötr noktası toprak potansiyeline çekilmiştir. Açıktır ki kondansatör grubu ile transformatör sargılarının nötr noktalarının toprağa göre durumlarının bir birlerine zıt oluşu ferrorezonansın meydana gelmesi ya da sonuçlarının büyümesi için destekleyici bir kaynaktır. Sayıca daha çok şemayı inceleyebilmek için [4] faydalı olacaktır. Şekilde toprağa bağlı olan kondansatör grupları, havai ya da kablo hatların toprağa olan kapasitanslarının yanı sıra transformatör primerine bağlı hat üzerindeki cihazların kendi iç sığaları ile bu tek 35 fazlı anahtarlamayı yapan kesiciye ait derecelendirme kapasitelerinin toplamını modeller. Ek olarak transformatörün iç kapasitansı da bu değere katılır. Yüksüz ya da çok düşük oranda yüklenmiş transformatörün enerjilendirilmesi esnasında yaşanacak düzensiz anahtarlama, fazlardan biri kapatırken diğerlerinin normale göre gecikmesi halinde sistemin başlangıç koşulları da uygun ise ferrorezonansı başlatır. İkinci faz üzerindeki kesici kapandığında ferrorezonans sonucu oluşan durum, sistem için daha da zorlayıcı bir hal alır ve üçüncü fazın kapanması ile ferrorezonans sistemden temizlenir [2]. İkinci fazın da kapanması halinde artacak zorlanmanın nedeni yine Şekil 3.8 incelenerek tartışılabilir. Şekil 3.8.c‟de görülecektir ki; kapalı olan iki fazdan her biri ile diğer fazlarla arasında var olan faz arası sığa üzerinde mevcut yük transformatörün sadece açık olan fazının bağlı olduğu sargı üzerinden boşalır. Bu durumda transformatörün çekirdek yapısı da çok önemli olmak üzere çekirdeğin bu sargıyı taşıyan kolunda oluşacak doymayı aşırıya götürecektir. Sistem cevabındaki değişikliklerin yanı sıra en büyük etki transformatör üzerinde yaşanacak ve ısınmanın seviyesi tek fazın kapalı olduğu hale göre daha tehlikeli olacaktır. . ġekil 3.8: Hatalı anahtarlama sonucunda güç transformatörünü ferrorezonansa sürükleme ihtimali yüksek olan sistem düzenleri Diğer taraftan tek fazın kapalı, iki fazın açık olduğu halde ise (Şekil 3.8- a ve b) transformatör sargılarından ikisi üzerinden devresi tamamlayan akım yolu üzerinde birbirine paralel olarak iki sargı direnci mevcut olur. Direnç düşümü ile yük artmakta 36 ve az da olsa bir sönüm artışı sağlanmaktadır. Ancak, bu sönüm artışı kurtarıcı olmadığı gibi düşük kayıplı transformatörlerin kullanımının arttığı günümüzde yaratacağı etki giderek azalacaktır. Bu tipte bir uygunsuz besleme hali sonucu dağıtım sistemlerinde rastlanmış ferrorezonans olaylarından bazı örnekler Dugan‟ın 2003 yılında yayımlamış olduğu ve dağıtım sistemlerinde kendi tecrübe ettiği ferrorezonans olaylarına ilişkin makalesinde yer alan alışveriş merkezi ve orta gerilimden sisteme bağlanan dağıtılmış enerji üretim santrali örnekleridir. Alışveriş merkezi örneğinde 34.5kV gerilim seviyesi ile beslenen alışveriş merkezinin girişindeki dağıtım transformatörüne gelen enerj, alışveriş merkezi yakınlarına kadar havai hat ile taşınmakta ve yine bir direk üzerinde havai hat-kablo geçişi yapılarak yer altına inerek dağıtım transformatörüne ulaşmaktadır [15]. Alışveriş merkezi sahası dışında meydana gelen bir trafik kazası sonucunda geçiş direğine gelen havai hattın bir fazı kopmuş ve bu kopma bir şekilde 1 faz-toprak kısa devresi yaratmayarak aşırı akım röleleri tarafından indirici transformatör merkezindeki kesicilere açma sinyali verilmesine neden olamamıştır.[15]. Bu durum yukarıda verilen ferrorezonansa yatkın devre yapılarından Şekil 3.8.c ile uyum sergiler. Olaya müdahale etmek için alışveriş merkezinin transformatör odasına gelen teknik ekibin karşılaştığı durumda, transformatörün normalin çok üzerinde gürültü ile çalıştığını, kazanın aşırı ısındığını ve boyasından kabarmaların olduğu görülmüştür [15]. Teknik ekibin gelişine kadar geçen 30 dakikalık sürede alış veriş merkezi içerisinde yer alan üç fazlı yüklerin çoğu devreden çıkarak sistemin toplam sönüm etkisini düşürmüş ve ferrorezonans durumunda olan sistemde doymaya giden çekirdek üzerinden akamayan, normalin çok üzerindeki akının bir kısmı devresini kazan üzerinden tamamlamıştır [15]. Üç fazlı transformatörün korunması amacıyla, teknik ekibin uyarısıyla transformatörün orta gerilim besleme hattı üç fazlı olarak açılarak ferrorezonans olayı sonlandırılmıştır [15]. Transformatörün incelemesi sonucunda boyadaki hasar haricinde hasara rastlanmamışken alışveriş merkezinde bazı bilgisayar ve yazar kasalar hasar almış; donanım kayıplarının yanı sıra bazı bilgi kayıpları da yaşanmıştır [15]. 37 Yukarıda verilen örnekte, transformatörün ferrorezonans süresince normalin çok üzerinde gürültülü olarak çalıştığına ve boyasının zarar gördüğüne değinilmiştir. Her iki durum da ferrorezonansın güç transformatörleri üzerinde doğurduğu tipik sonuçlardandır. Ferrorezonansa uğraması için sönümün yani sekonder yükünün düşük olması gereken transformatörün, düşük yükte çok gürültülü çalışmasını normal olarak tanımlamak mantıklı olmayacaktır. Düşük yükte çalışan bir transformatörün gürültü seviyesi, anma yükü ile çalıştığı zamanların da üzerinde ve ek olarak da aşırı zorlanmaların olduğunu belirten derin ve uğultulu bir yapıda ise transformatörün ferrorezonansa girmiş olabileceği akla gelmeli ve ilk iş olarak da transformatörün yüksek gerilim sargısına gelen hat üzerinde arzu edilmeyecek bir anahtarlamanın olup olmadığı araştırılmalıdır. Diğer taraftan transformatör kazanlarının boyalarında balonlaşmalar ya da bu balonların patlaması sonucu bozulan ve aşırı ısınmadan ötürü oluşan kararmalar da transformatörün yaşadığı ferrorezonans olayına ya da olaylarına ait birer ipucudur. Kazandaki aşırı ısınma bu durumların nedenidir. Yukarıdaki örnekte ısınmanın nedeni kısaca, kazana taşan akı olarak anlatılmıştır. 3.5. Ferrorezonans Olgusuna Gerçek Durum Örnekleri Daha önceki kısımlarda [5], [12] ve [13]‟ten alınan gerçek hayatlarda yaşanmış olayların ya da gerçek sistemler üzerinde çalışılarak oluşturulan modellerin incelenmesini içeren ve bu incelemelerin sonuçlarını değerlendiren gerçek durum örnekleri verilmişti. Bu bölümde, yine gerçek durum örnekleri kullanılacak ve ferrorezonansın yaşandığı bu gerçek olaylara sahne olan sistemler üzerinde yetki sahibi olan bilim insanları ve mühendislerce bulunan çarelere, ferrorezonansın yol açtığı sonuçlar ile beraber yer verilecektir. Ferrorezonans olgusunun yaşanabileceği sistem kombinasyonu sayıyı sınırsız olarak kabul ettiğimiz için bu örnekler ferrorezonansın yaşanabileceği özel sistem yapıları olarak düşünülmemelidir. Burada verilen örneklerin ortak özelliği, üzerlerinde literatüre geçen çalışmaların olduğu gerçek olaylar olmalarıdır. Yine bu bölümde yer verilecek, yaygın durum örnekleri de mevcuttur ki; bu örneklerde her hangi bir özel çalışma sonucu ulaşılan çözümlere değinilemeyecek, çok genel çalışamalar oldukları için sadece ferrorezonans yaşanan sistem örnekleri olarak çalışmaya dahil edilecektir. 38 Bu bölümde bahsedilen tüm olaylar gerçek durum örnekleridir. Ancak, daha önceki kısımlarda verilen ve ilerleyen bölümlerde de verilecek olan benzetim çalışmaları ile oluşturulan ferrorezonans durumlarının da gerçekte meydana gelme olasılıkları buradaki örnekler düzeyinde olarak kabul edilmelidir. 3.5.1. Oto-Transformatör Örneği Kanada sisteminde yaşanan gerçek bir olay, Iravani ve çalışma grubundaki arkadaşlarınca 2000 yılında yayımladıkları yavaş geçici olayların modellemesi ve analizi hakkında kılavuz niteliğindeki yayınlarının ferrorezonans hakkında çalışmalarına yer verdikleri üçüncü bölümünde konu edilmiştir. Bu örnek durum, Kanada‟nın Ontario Bölgesi Hydro Sistemi‟nde Cataraqui Bölgesi‟ndeki 230/115kV seviyesinde olan ve Şekil 3.9‟da şematiği verilmiş olan X3H hattı ile beslenen T2 oto-transformatöründe hattın ve 115kV barasının enerjisinin kesilmesi sonucunda ferrorezonansın yaşanmasıdır [5]. Oto-transformatöre gelen hatlardan birinin kesicisi zamanlama konusunda sorunsuz şekilde üç fazlı anahtarlamasını yapabilmiştir; ancak, kesme esnasında oluşan toparlanma gerilimi çok büyük değerler alabilmiş ve oto-transformatörü ferrezonansa sürüklemiştir [5]. Şekil 3.9 incelendiğinde görülecektir ki bahis konusu hat ile uzun mesafeler boyunca paralel uzanmakta olan farklı hatlar da mevcuttur. Buna göre üzerinde olaylı anahtarlamayı yapan kesiciyi barındıran X3H iletim hattı X4H hattı ile yaklaşık olarak 60km, X522A hattı ile de 32.3km mesafeleri boyunca paralel uzanmaktadır. Toparlanma geriliminin aşırı yüksek oluşu nedeni ile kesme hücresinde yeniden bir iletim olayı yaşanmış ve ototransformatör ferrorezonansa girmiştir. Yapılan çalışma toparlanma gerilimin bu düzeyde olmasının kaynağı olarak paralel uzanan hatlar arasındaki kapasitif kuplajın büyüklüğüdür [5]. 39 ġekil 3.9: Kanada Ontario Hydro Sistemi‟ndeki oto-transformatör ferrorezonansının yaşandığı sistem [5]. Örneğin bu noktasında düşülmesi gereken not, ferrorezonansın yaşanmasının nedeninin karşılıklı kapasitif sığaların boyutlarının çok yüksek olması değildir. Bu noktada ferrorezonansı başlatan beklenenin çok üzerinde oluşan toparlanma gerilimleridir. Bu toparlanma gerilimi başarılı kesme manevrasının sonucunun istendiği gibi olmamasına neden olmuştur ve muhtemel olarak üç faza ait kesme hücrelerinden bir ya da ikisinde hücre gerekli söndürmeyi başarana dek iletim devam etmiştir. Bu istenmeyen iletim süreci de ferrorezonansın oluşmasına neden olmuştur. Yukarıda da belirtildiği gibi kapasitif sığanın artışı ile ferrorezonansın oluşmasının ihtimalinin artacağı söylenemez. Zira ferrorezonans, her bir sistem için farklı olma olasılığı çok yüksek olan, çok geniş bir kapasitans değeri aralığında yaşanabilir. Eğer bu zarfını üst sınırı aşılırsa ferrorezonans yaşanmaz. Zarfın içinde kalındığı süre içerisinde kapasitansın artışı sistem cevabını daha karmaşık ve daha zararlı sinyaller içerir hale getirebilir. Örnek olaya dönülürse, oto-transformatörün bir daha böyle bir durum ile yüz yüze gelmemesi için çok sayıda EMTP simülasyonu yürütülmüştür [5]. Çözüm olarak ortaya çıkan fikir, toparlanma geriliminin sönümlenmesi için, arızaya maruz kalan bu oto-transformatörün yıldız bağlantı şekline sahip tersiyer sargısına, faz-toprak arası 40 sürekli yüklerin bağlanması olmuştur ve simülasyonlar gelecekte eklenecek yeni bir hattın diğerleri ile meydana çıkaracağı kuplajların da hesaba katılabilmesi için bu hattın da var olmadığı halde sistem modeline eklenmesi ile yürütülmüştür [5]. Benzetimler süresince, modellenen sistemde faz başına düşen yük miktarı sıfır, 133kW ve 266kW olmak üzerine üç farklı yük miktarı denenmiştir [5]. Yük olmadan yapılan çalışma, gerçek durumun paralelinde sonuçlara ulaşılırken; 133kW/faz yükünde ferrorezonansın sönümünde önemli bir etki sağlanmıştır [5]. Şekil 3.10‟da sönümün varlığı görülebilmektedir. Ancak, bu yük ile sağlanan ferrorezonansın sonuçlarının zarar vericiliğinin düşürülmesidir. Tartışılmaz olarak önemli bir katkıdır. Ancak, bu durumun özel yanı olan kusursuz anahtarlamanın kesici tarafından yapılabilmesine rağmen, açık devrenin sistem yapısından kaynaklı toparlanma gerilimleri nedeni ile süreli halde sağlanamamasıdır. Bu nedenle, ferrorezonansın sönümlenmesinde etkili olan bu yük, sistemin ferrorezonansa girmesini engelleyemeyecektir. Bu nedenle örneğe konu olan sistemin yöneticileri tarafından ferrorezonansın sönümünde ilerleme yaratan bu yük miktarı yeterli bulunmayarak iki katı olan 266kW/faz düzeyine çıkartılmıştır [5]. ġekil 3.10: Cataraqui‟deki oto-tr. ferrorezonansın tersiyer sargıya bağlanan 133kW/faz sürekli yükü ile sönümlenmesi [5] 41 3.5.2. Güç Transformatörü Örneği Çalışmanın başlarında ferrorezonans olgusunun tanıtıldığı bölümlerde Dorsey Yüksek Gerilim Çevirim İstasyonu‟nda gerçekleşen ferrorezonansa değinilmişti. Dorsey İstasyonu, Kuzey Amerika‟da uygulamaları var olan yüksek gerilim seviyesinde, doğru akım ile enerji iletimi sistemlerine ait bir dönüşüm istasyonudur. AC-DC ya da DC-AC çevrimlerinin yapıldığı bir istasyondur. Jacobson‟ın yüksek gerilim sistemlerinde yaşanan ferrorezonans olaylarına ilişkin örnekler vermek amacıyla 2003 yılında yayımladığı çalışmasında bu istasyonda aynı sene içerisinde yaşanmış iki ferrorezonans olayına değinilmiştir. 05.08.1995 tarihinde, saat 14.18‟de, bir 4.16kV anma gerilim seviyesine sahip kesici, Manitoba‟daki Dorsey Çevirici İstasyonu‟nda bulunan, 1500kW gücündeki asenkron motorun beslenmesi için çalışılması esnasında, kapatma işleminde başarısız olmuştur [10]. Sonuç olarak, 11 adet 230kV anma gerilim seviyesindeki kesici, 230kV/4.16kV transformatörün (SST1) bağlı olduğu B2 barasını temizleyebilmek için açmış ve hemen ardından yüksüz kalan SST1 transformatörü normalden açık şekilde daha yüksek ses çıkararak çalışmaya başlamıştır [10]. Bu ses seviyesi SST1‟e yakın olan ve o anda yüklü olan SST2 transformatörünün de çıkardığı sesten aşikar şekilde yüksektir [10] . Şekil 3.11, istasyonun tek hat semasını vererek isimleri geçen transformatör, motor ve kesicileri göstermeye çalışmaktadır. Bu çalışma esnasında oluşan gerilim dalga şekilleri ise istasyonda var olan olay kaydedici tarafından kaydedilmiştir. Bu kayıtlara ait çoklu grafik çizimi daha önce Şekil 2.11‟de verilmiştir. Olay kaydediciden alınan dalga şekilleri incelendiğinde, yüksek orandaki bozulma ve 1.5pu‟ya kadar yükselen aşırı gerilimler fark edilebilir [10]. Alt harmonik ferrorezonansına dair bir sürekli hal oluşmuştur [10]. 42 ġekil 3.11: Dorsey YG DC Çevrim istasyonunun 5. Ağustos. 1995‟teki yapısı Olayın devamında, Dorsey senkron kondansatörüne entegre olan VAr kontrolörü B2 barasındaki ferrorezonans aşırı gerilimine cevap vermiş ve devrede olan (on-line) senkron kondansatörünün reaktif güç çıkışını neredeyse sıfıra kadar düşürmüştür [10]. Servisteki Dorsey 230kV A2 barası, gerilim seviyesinin korunabilmesi için tüm çabalara rağmen yarım saat sonra yaklaşık olarak 0.91pu değerinde stabilize olmuştur [10]. Bir taraftan da Dorsey gerilimini kontrol etmeyi amaçlayarak denenen tüm önlemlerin neticesiz olması sonucunda, ferrorezonansı elimine edebilmek için F9 filtre grubu, B2 üzerine saat 14.58‟de kapatılmıştır ve netice alınmıştır [10]. Ancak, ferrorezonansın o ana kadar olan varlığı güç transformatörünün yüksek gerilim girişine bağlı olan, endüktif karakterli, sargılı tip gerilim transformatörünü V14F büyük hasara uğratarak kullanılamaz hale getirmiştir [10]. Şekil 3.12, bahis konusu arızanın yaşandığı sistem parçası dahilindeki bileşenleri göstermektedir. Bu şematikte baraya bağlı diğer elemanlar bara kapasitans matrisi ile gösterilmiştir. Kesici derecelendirme kapasitansının bu denli yüksek olmasının şaşkınlık yaratmasını engellemek için bu değerin yukarıda bahsedildiği gibi arıza anında kesmeye kapasitanslarının giden kesicilerin toplamlarıdır ve kendilerine Jacobson 43 ait tarafından kesme çemberlerinin [10]‟da bu durum belirtilmiştir. Yine toprağa doğru olan kaçak kapasitanslarda toplanarak tek bir eleman olarak modellenmiştir ġekil 3.12: 05. 08. 1995 Dorsey arızasında, arıza bölgesindeki sistem parçalarına ait tek hat şeması [10] Benzer bir durumda ferrorezonansın yenilemesi engellemek için sistemin başarılı bir EMTP modelinin hazırlanması için çalışılmış ve literatürdeki diğer çalışmalardan yararlanılarak transformatör modeli kurulmuştur [10]. Bir önceki örneğin verildiği Iravani ve çalışma arkadaşları tarafından hazırlanmış makalede de en önemli altı çizilen konularda biri; benzetim çalışmalarının sisteme nasıl bir yapı eklenerek ferrorezonansın engellenebilmesi ya da kısa sürede sönümlenebilmesi imkanına sahip olunması için modelin kusursuza yakın olması gerektiği belirtilmiş ve en önemli modelin de transformatör modeli olduğu üzerinde durulmuştur [5]. Aynı bakış açıcı ile Dorsey İstasyonu‟nu böyle bir sıkıntıdan temizlemek isteyen yetkililer de doğru model için çalışmışlardır ve transformatör çekirdeğinin matematik modelini ancak 13‟üncü dereceden bir denklem olarak ortaya koyabilmişler ve yine literatürde var olan önemli çalışmalardan yararlanarak kurdukları EMTP modelinde çekirdek kayıplarını temsil eden paralel direnç grubuna bir direnç daha ancak ferrorenansın başlaması ile paralel olarak eklenir [10]. Çalışmalar sonucunda oluşturulan transformatör modeli Şekil 3.13‟te verilmiştir. Yapılan benzetim çalışmaları ile 1995 yılının Eylül ayında servis transformatörün sekonder çıkışına 200Ω değerine denk gelen sürekli yükler yüklenmiştir [10]. Çalışmaların yapıldığı dönemde bu sürekli yükün aynı zamanda sürekli enerji kaybı anlamına gelmesinden kaynaklı olarak yükün her hangi bir aşırı gerilim sistemde belirlenir belirlenmez devreye alınacak şekilde bir anahtarlama düzeninin peşi sıra eklenmesi arzu edilmiş; ancak istasyonun yapısı gereği ve ek olarak da başarısız 44 olma ihtimali var olan bir anahtarlamanın daha sorunu çok büyüteceği düşünülerek kesiciden vaz geçilmiş ve dirençler direkt bağlanmıştır [10]. Buna karşın Şekil 3.14 incelendiğinde 200Ω değerindeki direnç yine bir anahtar grubunun ardındadır. Burada bir hata yoktur. Fark ferrorezonans olayı ile modelin son halinin verildiği zaman arasında Dorsey İstasyonu‟nda yapılan bara güçlendirme çalışmalarında pek çok sistem bileşenin de yeni yatırım ile yenilenmesi ve buna ek olarak geçen kısa sürede de olsa anahtarlama cihazlarının güvenilir hale gelmesidir [10]. ġekil 3.13: Dorsey İstasyonu‟ndaki servis transformatörünün EMTP modeli 3.5.3. Gerilim Ölçü Transformatörü Örneği Bu kısımda anlatılacak örnek ise yine Dorsey İstasyonu kayıtlarından çıkarılan ve Jacobson tarafından 2003 yılında yayımlanan makalede yer almıştır. DORSEY HVDC çevirici istasyonu 230kV AC barası, üzerlerinde çevirici tüplerinin ve iletim hatlarının sonlandığı 4 kısımdan oluşur [10]. 20.Mayıs.1995, saat 22.04‟te Şekil 3.11‟de yer alan tek hat şemasında gösterilmiş olan A2 barası transfer kesicilerinin ve akım transformatörlerinin incelenmesi; ayırıcıların bakımı ve arıza testlerinin yapılması için sistemden çıkarılmış ve takiben 22.30 sularında V13F kod numaralı gerilim ölçü transformatörü büyük ölçüde arıza yaşamış ve arıza 33m uzaklığına kadar ekipmanlara çeşitli boyutlarda hasarlar vermiştir [10]. Normal anahtarlama süreci, baranın ve enerjili B2 barasına 9 adet açık kesicinin kademelendirme kondansatörleri (toplam 5061pF) üzerinden bağlı gerilim ölçü transformatörlerinin enerjisiz kalması ile sonuçlanmıştır [10]. Normalde A2 barasına bağlı olan bir servis transformatörü ise daha önceden ayrılmıştır. Ancak, meydana gelen bir ferrorezonans durumu açık kesicilere ait kademelendirme kondansatörlerinin gerilim ölçü transformatörünün primeri üzerinden boşalarak cihazın arızaya geçmesine neden 45 olmuştur [10]. Yukarıdaki kısımlarda Resim 1 ile verilen görüntü, yanmakta olan V13F‟nin C fazıdır, 20. Mayıs. 1995‟te bu cihaz kullanılamaz hale gelmiştir [9]. Bu boyutta bir arızadan 5 ay kadar bir süre sonra yenileme çalışmalarının başladığı Dorsey istasyonunda endüktif karakterli, sargılı tip gerilim ölçü transformatörü kullanımından vazgeçilerek kondansatörlü gerilim ölçü transformatörleri sisteme dahil edilerek tüm gerilim transformatörleri bu teknolojiye yükseltilmiştir [10]. Kondansatörlü gerilim transformatörleri ek olarak birer de ferrorezonans bastırma devresi taşımaktadır [10]. Bune ek olarak bir önceki örnekte de verilen servis transformatörlerinin sekonderlerine eklenen 200Ω değerindeki dirençler ile ferrorezonansa karşı önlem alınmıştır. 3.5.4. DağıtılmıĢ Enerji Üretiminde Yükseltici Transformatör Örneği Dugan‟ın 2003 yılında özellikle Kuzey Amerika sistemleri üzerinde yaptığı çalışmalardan edindiği tecrübelerini yansıttığı çalışmasında, sık rastlanmaya başlayan örneklerden biri olarak verdiği ve Şekil 3.14‟te fikir vermesi amaçlı olarak şekli verilen, dağıtılmış enerji üretim sistemlerinde ortaya çıkan ferrorezonans olaylarına da değinilmiştir [15]. Verilen örnekte, orta gerilim dağıtım hattında bir arıza yaşanmış ve neticesinde tek fazlı, sigortalı yük ayırıcılarından birinin sigortasının erime elemanının erimesi sonucunda açmasına neden olmuştur[15]. Dengesiz çalışmayı sezen üretecin koruma sistemi de kesiciye açma sinyali vererek jeneratörü sistemden almıştır [15]. Sonuçta oluşan durum ise Şekil 3.15‟te verilmiştir. Şekil 3.15 incelendiğinde devre tam anlamıyla bir ferrorezonans devresidir. Üç fazlı dağıtım transformatörü 2 faz ile beslenmekte ve sekonderde yük yoktur. İlerleyen bölümlerde ferrorezonanstan kaçınmak için alınabilecek önlemler sıralanırken tek, fazlı anahtarlamalardan uzak durabilmek için Şekil 3.14 ve Şekil 3.15‟te görülebilen tek fazlı yük ayırıcılarının yanı sıra her hangi bir üç fazlı anahtarlama elemanına bağlı olmaksızın sigortaların da kullanımı da kaçınılması gereken durumlar olarak tanıtılacaktır. 46 ġekil 3.14: Dağıtılmış enerji üretiminde üreticinin dağıtım şebekesine bağlanması, [15]‟ten uyarlanmıştır. . ġekil 3.15. Dağıtılmış enerji üretimi ile orta gerilim şebeke bağlantısının arıza sonucu yeni hali 47 3.5.5. Yoğun ġehirleĢme ya da Sanayi Bölgeleri Örneği Yoğun şehirleşme ya da sanayi bölgeleri örneğinde ise işaret edilen durum genellikle transformatörün anma gücüne oranla düşük sayılabilecek kısa devre gücüne sahip olan kaynaklar ile beslendiği ve kaynak ile transformatör arasında kablo hatlarının uzun olduğu sistemlerdir. Ferracci‟nin 1998 yılında Schneider Electric kütüphanesine kazandırdığı yayınında bu sistem yapısına işaret edilmiştir. Ancak, sorun sadece şehirleşmiş alanlara ait olmaktan çok, yer altı kablolarının giderek artan kullanımından kaynaklı olarak şehirleşme konusunda geri kalmış bölgelerin de sorunudur [4]. Bu yapının benzeri olarak son dönemlerde Türkiye şebekesine bağlanan pek çok rüzgar enerjisi santrali de nitelendirilebilir. Özellikle görece olarak diğerlerinden büyük olan bazı rüzgar tarlalarında çok sayıda rüzgar gülünün ürettiği enerji genellikle tek bir yükseltici transformatöre uzun kablo hatlar ile taşınmaktadır. Ek olarak rüzgar enerjisi santralinin çıkışı ise hava koşullarına göre değişen bir güç seviyesine sahiptir. Bu konuyla ilgi çekici bir örnek Türkiye‟nin Manisa ili Soma ilçesinde kurulan ve 150 adet rüzgar gülü içeren ve yüksek gerilim sistemine 1 adet 150MVA transformatör üzerinden bağlanan santralin rüzgar gülleri bölgedeki dağ sırasının üzerinde yerleştirilmiş ve transformatör merkezi ile aralarında önemli mesafeler bulunan yapıdadır. Gelişmekte olan bu enerji üretimi şekli, önemli yatırımların yapıldığı bu santrallerin ferrorezonanstan korunmasını özelinde de çalışmaların yapılabileceği ve üzerinde bilimsel tartışmaların yürütülebileceği inceleme alanları sunmaktadır. 48 4. FERROREZONANSI ETKĠLEYEN FAKTÖRLER 4. 1 Amaç Bu bölümde ferrorezonans olayının başlayıp başlamamasınında ya da hali hazırda var olan ferrorezonans durumunun sonuçlarının boyutlarının değişiminde etkili olan faktörler incelenecektir. Yapılacak benzetimler ile, ferrrezonans üzerinde etkili olduğu ileri sürülecek olguların değerleri değiştirilerek karşılaştırmalar yapılacak ve ferrorezonans üzerindeki etkinliğin ispatı yapılmaya çalışılacaktır. Bu bölümün amacı; okuyucuya, üzerinde çalıştığı sistemde yapılacak değişiklikler esnasında ferrorezonans durumuna yaklaşıp yaklaşmadığı hakkında fikir yürütebileceği donanımı sağlamaktır. Bu amaçla aşağıda olguyu etkileyen faktörler sıralanmıştır. 4.2 Sistemdeki Yükün Etkisi Diğer parametrelerin değiştirilmesinin yapısal olarak daha zorlayıcı olduğu iletim ve dağıtım sistemlerinde ferrorezonans üzerinde etkili olan birleşenlerden en kolay ve hızlı değişim sergileyebilecek olanı yüktür. Yükün varlığı ve boyutu ile oynanarak yapılacak çalışmalarda görülecektir bazı küçük değişimler dahi dramatik etkiler yaratabilmektedir. Ferrorezonans sonucu olarak ortaya çıkan aşırı akım ve gerilimlerin sönümlenebilmesi için sistemde saf rezistif bileşeni belirli bir değerin üzerinde olan bir yükün varlığı hayati etkiler yaratabilir. Ancak, bütün bu anlatılanlar, tüm gün boyunca yüklü olarak çalışan sistem parçaları için geçerli kabul edilebilir. Var ya da yok olarak iki değer sergileyen yüklere sahip olan sistemlerde ferrorezonansın sönümlenmesi için yüke güvenilemez [5]. Örneğin, büyük sulama pompalarını besleyen dağıtım transformatörlerinin sekonder yükünün varlığı ya 1 ya da 0‟dır.Diğer taraftan yönetimi enerji sistemini yönetenlerin elinde olmayan yükler için ise, sistemin ferrorezonansa karşı korunmasında sönüm sağlamaları noktasında güvenilmesi yanlıştır, çünkü yük özgürdür [5]. 49 Rezistif yükün artışı ile ferrorezonansa uygulanan sönüm artar ve ferrorezonans olayının yarattığı aşırı akım ve aşırı gerilimlerin genlikleri düşerken; sistemden temizlenme süreleri de kısalır. 4.2.1 Yükün Ferrorezonans Üzerindeki Etkisinin Benzetimler Aracılığı ile Ġncelenmesi Yükün ferrorezonans üzerindeki dramatik etkisini görsel hale getirebilmek için oluşturulan PSCAD modeli Şekil 4.1‟de görülebilmektedir. Model oluşturulurken kaynak olarak 380kV anma gerilimine sahip olan sistem modellenmiştir. Sistem kuplajlı pi modeli kullanılarak oluşturulan hat modeli ile indirici transformatör merkezine ulaştırılmıştır. Bu noktada her hangi bir indirme işlemine maruz kalmadan merkezden yine 380kV hat ile ayrılarak başka bir transformatör merkezine giden hat ve yükünün toplamı pi modelinin hemen çıkışındaki toplu, kompleks yük modeli ile modellenmiştir. Bundan sonra, 50MVA değerindeki indirici transformatöre girilmektedir. Sekonderde, faz arası anma gerilimi seviyesi 33kV anma gerilimine sahiptir. 33kV seviyesinde birden fazla hattın beslenmesinin mümkün olduğu düşünülerek yine bir toplu yük modeli ile 33kV barasından çıkan diğer hatlar ve bu hatlardaki tüm kayıplar modellenmiştir. 4km‟lik bir kablo hat ile dağıtım transformatörüne ulaşılmaktadır. Kablo hat, yer altı kablosu olarak modellenmiş ve kullanılan değerler Prysmian Kablo kataloğundan alınmıştır. Dağıtım transformatörünün çıkışında ise rezistif yük, dengeli olarak her faza eklenen dirençler ile modellenmiştir. ġekil 4.1: Yükün ferrorezonans sönümündeki etkisinin incelenmesi için hazırlanan devre modeli 50 Yükün etkisinin incelendiği bu kısımda ilk denemede dağıtım transformatörünün sekonderdeki rezistif yükünün transformatörün anma gücüne olan oranı %9,7‟dir. Bu yük altında sistemi ferrorezonansa sürükleyebilecek, normal dışı bir anahtarlama sonucunda ulaşılan gerilim dalga şeklin Şekil 4.2‟de verilmiştir. Sistemin ferrorezonansa sürüklendiği açıktır. ġekil 4.2: Anma gücünün %9.7 boyutundaki rezistif yüklü güç transformatöründe ferrorezonans Devrede yük haricinde tüm parametreler aynı tutulur ve dağıtım transformatörünün sekonderine bağlı dirençlerin büyüklüğü azaltılarak yük %11,4‟e çıkarıldığında ferrorezonanstan korunulmaktadır. Bu sönüm, Şekil 4.3‟te görülebilir. ġekil 4.3: Anma gücünün %11.4 boyutundaki rezistif yüklü güç transformatöründe ferrorezonans Grafikler, modeldeki 3 adet tek fazlı kesiciden A fazı üzerinde olanının açmaya gitmesi üzerine oluşan ferrorezonans durumunun farklı yük değerleri için verdiği 51 cevapları göstermektedir. Çok büyük sayılmayacak direnç değerindeki azalma sonucu az miktarda artan yük, aşırı gerilimin sönüme gitmesini sağlamıştır. Bu modelde de tek fazlı kesicilerin kullanılmasının tek nedeni, hatalı anahtarlamayı modelleyebilmektir. 4.3. Sistem Geriliminin Genliğinin Etkisi Sistem geriliminin genliğinin büyümesi sistemin ferrorezonansa girme ihtimalini arttırır [2]. Amerika Birleşik Devletleri orta gerilim sistemleri içerisinde bildirilmiş ferrorezonans durumu sayısı 34.5kV ve 25kV sistemlerinde, 15kV sistemine göre çok daha fazladır [12]. IEEE tarafından son revizyonu 2008 yılında yayımlanmış olan, 3-fazlı dağıtım sistemlerinde transformatör bağlantıları için uygulama kılavuzunda gerilim seviyesi olarak 15kV ve daha altının atandığı sistemlerin pratikte ferrorezonanssız sistemler olarak bilindiği; ferrorezonans ihtimalin mutlaka var olduğu ama daha yüksek gerilim seviyelerine oranla daha düşük olduğu belirtilmiştir.Sistem geriliminin genliğinin büyümesi yalıtkan malzeme miktarının artmasını, dolayısı ile sisteme ait kapasitif yapıların büyümesi sonucunu doğuracaktır. 4.3.1 Sistem Geriliminin Genliğinin Ferrorezonans Üzerindeki Etkisinin Benzetimler ile Ġncelenmesi Şekil 4.1‟de verilen modeli bu kısımda da kullanabilmek amacı ile daha önce değiştirilen tek parametre olan yük sabitlenirken YG/OG indirici güç transformatörünün sekonder gerilimi ile oynanacaktır. İlk deneme OG seviyesinde gerilimin 33kV olduğu ve deneme sonucunda ortaya çıkan aşırı gerilimin şeklinin Şekil 4.4‟te üstte verildiği durumdur. İkinci deneme ise OG seviyesinde, gerilimin 15kV olarak seçilmesi ile yapılmıştır. İkinci denemenin sonucu ise Şekil 4.4‟te altta verilmiştir. Buna göre üstteki dalga şeklini veren, primer gerilim seviyesi faz arasında 33kV olan durumda, modelin PSCAD‟te koşturulması ile yapılan çalışmada sistemde ferrorezonans gözlenmiş ve faz-toprak geriliminin tepe değeri 1.74pu olmuştur. Aynı çalışma ikinci gerilim seviyesi için tekrarlandığında ise ferrorezonanstan kaynaklı olarak gerilim artışı 1.23pu seviyesindedir. Alttaki eğrinin de gerçekte bir ferrorezonansı yansıttığının altını çizmekte fayda vardır. Anma gerilimi düzeyinin 52 15kV olduğu sistem için, faz-toprak geriliminin tepe değeri 12.25kV olmalıyken; bu örnekte 15,28kV olarak okunmuştur. Bu bir ferrorezonans halidir ve sonucun gerilim ile bağlantısının doğru incelenebilmesi için p.u. tabanına geçilmiş ve değerler yukarıda verilmiştir. ġekil 4.4: Sistem geriliminin genliğinin ferrorezonans olgusu üzerindeki etkisi 4.4. Hattın Yapısının Etkisi Günün getirdiği ihtiyaçlara cevap olarak sistemlerde yapılan değişikler sonucunda uzayan havai hatlar ya da kablo şebekenin kullanımı sistemin başlangıç parametrelerini değiştirmektedir [12]. Değişecek en önemli parametre hat yapısından kaynaklı olacak olan kapasitanstır. Havai hattın boyunun uzaması ya da kablo şebekenin uzunluğunun artışı sığayı arttıracaktır. Artan sığanın ise ferrorezonans ihtimalini arttıracağı kesin değildir. Olgunun yaşabilmesi için sistem kapasitansının sistem yapısına bağlı olarak alt ve üst sınırı değişecek olan bir aralığa düşmesi gerekmektedir [2]. Lineer olmayan yapıya bağlı olarak, artan kapasitans ferrorezonansın oluşması ihtimalinin artacağı anlamına gelmez ve lineer ekstrapolasyonlara bağlı olarak elde edilen çalışma yönergeleri geçerli olmayabilir [5]. Ancak, sığa artışı ferrorezonansın yaşanmasına imkan tanıyan kapasitans değerlerini içeren zarfın içerisinde kalmak şartıyla artış göstermesi halinde, çekirdeğin doymasını desteklemesi açısından oluşacak dalga şekillerinin fark 53 etmesine ve ferrorezonans tipinin değişmesine önemli etkide bulunacaktır [6]. Yine ferrorezonansı sağlayacak aralık içerisinde artan kapasitans sistem cevabının daha karmaşık bileşenler içermesine neden olacaktır. 4.4.1 Hattın Yapısının Ferrorezonans Üzerindeki Etkisinin Benzetimler ile Ġncelenmesi Bu kısımda hattın yapısının ferrorezonans üzerinde ne düzeyde etki olduğunu araştırmak üzere daha önce Bölüm 3.2.1‟de verilmiş olan, PSCAD benzetimi için kullanılan devre tekrardan ele alınacaktır. Şekil 4.5‟te bu devre yapısı gözlemlenebilir. Devrenin sahip olduğu özellikler Bölüm 3.2.1‟de ayrıntılı olarak verildiğinden, burada sadece devre üzerinde yapılan değişikliğe değinilecektir. ġekil 4.5: Hat uzunluğunun etkisinin incelenmesi için kurulan ferrorezonans devresi Şekil 4.6‟da devrenin ilk hali koşturulan benzetimin sonucu verilmiştir. Bu sonucun sağlandığı devrede T-Line modülü ile gösterilen iletim hattının uzunluğu 100km‟dir. Hat boyunun etkisini objektif olarak incelemek amacı ile, verilen devrede yapılan tek değişiklik hat boyunun 100km‟den 160km‟ye yükseltilmesi olmuştur. Şekil 4.7‟deki sonuç, bir önceki sonucu yaratan olayın aynen tekrarının, daha uzun hat boyuna sahip sistem üzerinde yapılması neticesinde elde edilmiştir. Her iki dalga şekli de ferrorezonans olgusuna maruz kalındığını göstermektedir. Ancak hat boyunun uzaması ile, ferrorezonans sonucunda ortaya çıkan aşırı gerilimin değeri çok büyümüştür. Bu büyüme incelenirken, grafiklerden ilkinin gerilim sınırlarının +400kV/-400kV arasında iken, ikincisinin sınırlarının +700kV/-700kV arasında olduğuna dikkat edilmelidir. Ek olarak dalga şekli yapısı da değişmiş ve sistem cevabının yapısı temel ferrorezonans durumundan çıkmış ve daha karmaşık bir hal almıştır. 54 Konu başlığı altında sadece hat boyunun değişiminin irdelenmesinin akıl karıştırmasına izin verilmemelidir. Çünkü, hat boyunun değişimi; hattan kaynaklı toplam kapasitansın artması, hat iletkenlerinin boylarının uzamalarından kaynaklı direnç artışı ve endüktansın büyümesi olarak yorumlanabilir. Bu durumda, kapasitans artışı iletim hattının bir noktası ile toprak arasına kondansatör bağlanması; artan direnç, iletim hattının boyu aynı kalması halinde kullanılan iletkenin kalınlığının azalması ve endüktans değerindeki artış da, hattın yolu üzerindeki bazı noktaları diğer iletim hatları ile paralel geçmesi olarak yorumlanabilir. Böylece değişen hat yapısının ferrorezonans üzerinde etkili olduğu aşağıdaki benzetim sonuçlarının incelenmesi ile gösterilebilir. ġekil 4.6: Ferrorezonans sonucu faz-toprak arası terminal gerilimi ġekil 4.7: Hat uzunluğunun artması ile değişen sistem cevabı 4.5 Transformatör Çekirdek Yapısının Etkisi Magnetik doymanın en önemli belirleyicisi transformatör çekirdeğinin yapısıdır. 3 fazlı enerji iletim hattının beslediği transformatör yapısı, ancak 3 adet tek fazlı transformatörden oluşuyorsa ya da cihaz 3 fazlı tripleks bir yapıya sahipse magnetik 55 kuplaj yok kabul edilebilir [5]. Bu durumda transformatörü besleyen kablo hattaki her faza ait kablolar ekranlanmış ise hesaba sadece faz-toprak arası kapasitanslar katılır. Çekirdek yapısı sıfır serisi akılarının sirküle edebilmesi için akı yollarına sahip olup olmadıklarına ya da fazlar arası kaçak akının birbirlerinin etkileyip etkilemediklerine göre transformatörün ısınmasının ve gürültü seviyesindeki artışın altındaki asıl neden olan fiziksel zorlanmaların boyutlarına etki eder. Çekirdek yapısı doyma karakteristiği belirleyeceği gibi; çekirdek kayıpları sıfır serisi akılarına etkiyecek sönüm üzerinde etkilidir. Herhangi bir ferrorezonans çalışmasının en kirtik kısmı, transformatörün modellenmesidir [5]. Transformatör lineer olmayan karaktere sahip birleşenler içerir [5]. Modellemenin doğruluğu, en çok magnetik doymanın ve çekirdek kayıplarının doğru temsiline bağlıdır [5]. Özellikle Türkiye iletim ve dağıtım sistemleri dahilindeki tüm transformatörlerin 3 fazlı olması nedeniyle, transformatör çekirdeğinin modele 3 adet tek fazlı transformatör çekirdeği olarak katılması ülkemiz enerji sistemi için yapılacak çalışmalarda modellemenin en önemli parçalarından birinde büyük bir yanlışın yapılmasına neden olur. Üç fazlı bir transformatörünün çekirdeğinin magnetik açıdan üç adet tek fazlı transformatöre eşit olduğu doğru değildir [5]. Özellikle, transformatör çekirdeklerinin geçici ya da dengesiz hallerdeki cevaplarının incelendiği durumlarda, böyle bir kabul çalışmayı önemli hatalara sürükleyebilir [5]. Üç adet tek fazlı transformatör çekirdeğinin karakteristiğine benzer bir karakteristik sağlayacak olan üç fazlı tek trasformatör çekirdeği tipi, üç fazın her birinin magnetik olarak birbirinden izole olduğu tripleks çekirdektir [5]. Tripleks yapıda çekirdek laminasyonunun nasıl olduğu önemli olmaksızın, sıfır kümesi akıları çekirdekte sirküle edecek, tank ısınması problemi oluşmayacak ve normal, dengeli çalışma koşulları altında, her fazdaki mıknatıslanma akımları birbirleri ile olan 120 derecelik faz açısı farkı haricinde aynı olacaktır [5]. Diğer tüm çekirdek tipleri, fazlar arası direkt akı bağlantılarını çekirdek üzerinden sağlarken; herhangi bir faza gerilim uygulanması halinde, diğer fazlarda da gerilim endüklenecektir [5]. Ek olarak, çekirdek bacaklarındaki doymanın derecesi çekirdekte akan akının nasıl bölüneceğini de belirlerken; her bir sargı tarafından görülen relüktans, transformatör çekirdeğinin bacaklarındaki doymaya bağlı olarak değişecek ve böylece uyarma akımları, dengeli durumlarda dahi fazdan faza farklılık gösterecektir [5]. Şekil 4.8‟de tipik çekirdek yapılarının görselleştirilmesi mevcuttur. 56 ġekil 4.8. Tipik çekirdek yapıları, [5]‟ten uyarlanmıştır. Çekirdek tipi transformatörler, üretim için en az çekirdek malzemesine ihtiyaç duyan ve lamine sacların üst üste yığılması ile hazırlanan tiplerdir [5]. Dengesiz çalışmalar sonucu meydana gelen ve çekirdekte sirküle edemeyen sıfır serisi akılar, kazana kadar itilir ve kazanda Eddy akımlarının akmasına neden olarak, hasar doğurabilecek ısınmaları ortaya çıkarır [5]. Sadece dengeli yüklerin olduğu sistemlerde kullanılması ekonomik faydası ile tercih edilmelidir. Kabuk (shell) tipi çekirdek sıfır serisi akılarının çekirdekte sirküle etmesine imkan verecek akı yoluna sahiptir. Bu yapı dengesiz çalışma için çok daha uygundur [5]. Dört-bacaklı çekirdekler, çok yaygın kullanılmamakla beraber, sıfır serisi akılarının akabilmesi için ek bir magnetik yola sahiptirler [5]. Bu tip çekirdek, çıkış fazlarının benzer karakterlere sahip olmadığı tek çekirdek çeşididir [5]. 57 Beş bacaklı-yığılı tip transformatör çekirdekleri de sıfır serisi akılarına sirküle etme imkanı tanıyan magnetik yollara sahitir. 5 adet bacakyan ortada kaln üçü sargıları taşıdığından dört bacaklılara oranla çok daha simetriktir [5]. 5 bacaklı-üst üste sarılmış tip transformatör çekirdekleri dört eşmerkezli, laminasyonlu çekirdeklerden oluşur ve sadece uyumlu fazların birbirleri ile bir magnetik yol üzerinden bağlı olmalarını sağlayan eşsiz bir özelliği vardır [5]. Çekirdekler arasında hiç akı kaçağı olmadığı düşünülerek, dış taraftaki iki sargı grupları arasında magnetik bağ yoktur ve sıfır serisi akılarının sirküle edebilmesi için gerekli yola sahip olması nedeniyle tank ısınmasını minimize eder [5]. 4.6 Transformatör Sargı ġekillerinin Etkisi Tek kutuplu anahtarlamalar esnasında ferrorezonansın oluşup oluşmayacağı üzerinde transformatör sargılarının bağlantı şekilleri önemli etkiye sahiptirler [2]. Verilen bir sisteme ve işletme tarzına göre seçilecek transformatörün bağlantı şekli ferrorezonans ihtimalini en aza indirmelidir [2]. Çizelge 1, ferrorezonansa sürüklenme ihtimali düşük ya da olmayan bağlantıları gösterirken; Çizelge 2, ferrorezonansa sürüklenme ihtimali düşük ya da olmayan bağlantıları gösterir. Çizelge 4.1: Ferrorezonansa sürüklenme ihtimali düşük olan ya da olmayan bağlantılar 58 Her ne kadar ferrorezonansa girme ihtimali düşük olan sargı tiplerinden de olsa eğer transformatöre gelen hatta faz arası kapasitans kuplajı mevcutsa, Çizelge 1‟deki sargı tiplerine sahip transformatörler de ferrorezonansa girebilir [2]. Çizelge 4.2: Ferrorezonansa sürüklenme ihtimali yüksek olan bağlantılar 59 4.6.1 Transformatör Sargı ġekillerinin Etkisinin Benzetimler ile Ġncelenmesi Transformatör sargı şekillerinin ferrorezonans durumunun oluşmasında önemli oranda belirleyiciliğe sahip olduğunun savunulduğu yukarıdaki görüşlerin desteklenmesi amacıyla yürütülmek istenen PSCAD benzetimleri için, Şekil 4.9‟daki devre modellenmiştir. Daha önceki kısımlarda, yükün ferrorezonans olayı üzerindeki etkisinin incelenmesi amacıyla kurulmuş olan bu modelde, bu kısımdaki çalışma konusunun objektif olarak incelenebilmesi için yük de dahil olmak üzere tüm parametreler sabit tutulacak, sadece dağıtım transformatörünün sargılarının tipleri değiştirilecektir. Bu fikirle yapılan çalışmaların ilkinde dağıtım transformatörüne ait primer sargının bağlantısı üçgen iken sekonderinki topraklı yıldızdır. Bu durumda koşturulan simülasyon sonucunda elde edilen sistem cevabı, ferrorezonansı işaret etmekte ve önemli oranda aşırı gerilimler doğurmaktadır. Ferrorezonansa yatkın bir bağlantı yapısına sahip transformatörün bulunduğu sistemde, yaşanılan uygunsuz anahtarlama sonucunda meydana gelen ferrorezonans durumu Şekil 4.10‟da verilen dalga şekli ve genliğine sahip aşırı gerilimlere neden olmakta iken, sadece bağlantı şeklinin ferrorezonansa daha az yatkın olan tiplerden biri olarak değiştirilmesi ile oluşan devrenin uygunsuz anahtarlama ardından verdiği cevap Şekil 4.11‟de verilmiştir. ġekil 4.9: Transformatör bağlantı şekillerinin ferrorezonans üzerindeki etkisini gözlemleyebilmek için kurulan model 60 ġekil 4.10: Transformatör bağlantı şekli üçgen/topraklı yıldız iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi ġekil 4.11: Transformatör bağlantı şekli topraklı yıldız/topraklı yıldız iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi Açıkça görülmektedir ki, eğer sistem ferrorezonansa sürüklenme açısından başlatıcı faktör olabilecek bir olayın yanı sıra, kapasitif elemanlar ile doyabilen çekirdeğe sahip endüktansları ve düşük yükü bir arada barındırıyorsa; transformatör bağlantı şekli ferrorezonansın oluşup oluşmaması konusunda belirleyici olur. Yukarıda bahsi geçen diğer bir konu ise, faz arası kapasitansının yüksek olması halinde ferrorezonanstan uzak olduğu düşünülen yapıların dahi ferrorezonansa sürüklenebileceği olmuştur. transformatörünün sargı şekli Şekil 4.9‟daki topraklı devre yapısında yıldız/topraklı-yıldız olarak dağıtım seçilip, transformatörü besleyen hattaki faz arası kapasitans da arttırılırsa, sistemin ferrorezonansa sürüklenebileceği Şekil 4.12 ve Şekil 4.13 ile gösterilmiştir. 61 ġekil 4.12: Aşırı hale getirilen faz arası kapasitansı ile Çizelge 4.1‟e uygun bağlantılı transformatörde ferrorezonans/ faz-toprak gerilimi ġekil 4.13: Aşırı hale getirilen faz arası kapasitansı ile Çizelge 4.2‟ye uygun bağlantılı transformatörde ferrorezonans/ faz-faz gerilimi Sargı şekli, normalin üzerine çıkarılan hat kapasitansı neticesinde ferrorezonansa girilmesini engelleyememiş olsa da oluşacak aşırı gerilimlerin sınırlanmasında açıkça faydalı olmuştur. Çünkü, Şekil 4.12 ya da Şekil 4.13‟teki gerilim şekillerine ait değerler Şekil 4.10‟dakilerin çok altında kalmaktadır. 4.7. Transformatör Boyutunun Etkisi Belirli bir gerilim seviyesinde ve çevirme oranında olan transformatörler arasında çekirdek yapısı ve sargı tipi de aynı tutulduğu halde karşılaştırma yapılırsa anma gücü daha yüksek olan güç transformatörünün ferrorezonansa olan yatkınlığı, gücü düşük olana oranla belirgin şekilde azdır. Transformatör anma görünür gücünün 62 artması ile bu transformatörün bulunduğu sistem parçasının ferrorezonansa girme ihtimali düşer [2]. 4.7.1. Transformatör Boyutundaki DeğiĢikliğin Ferrorezonans Üzerindeki Etkisinin Benzetimler Ġle Ġncelenmesi Şekil 4.14‟te verilen devre daha önce Bölüm 2.6‟da ayrıntılı olarak tanıtılan devrenin sadece dağıtım transformatörünün gücü ve yine dağıtım transformatörünün sekonderindeki yük ile oynandığı ve geri kalan tüm özelliklerinin aynen korunduğu halidir. Bu noktada, transformatör gücü ile ilişkilendirilecek çalışmada neden yükün de değiştiğini açıklamakta fayda vardır. Daha önceki kısımlarda yükün ferrorezonans durumu üzerindeki etkisinden bahsedilmişti. Bu bahis yapılırken transformatör sekonderindeki yükün rezistif bileşeninin transformatörün anma gücüne olan oranının önemi vurgulanmıştı. Yüke karşı ferrorezonans olgusunun sahip olduğu hassasiyetten ötürü, çalışmayı objektif olarak yapabilmek adına rezistif yük bileşeninin değişen transformatör gücüne oranını sabit tutabilmek adına yük de değiştirilecektir. Devre üzerinde koşturulacak ilk benzetimde dağıtım transformatörünün anma gücü 1600kVA‟dır ve sekonder tarafta faz başına 1Ω ile %10‟luk dengeli yük sağlanmıştır. Bu durumda meydana gelen sağlıksız anahtarlamaya sistemin verdiği cevap şekil 4.15‟te görülebilir. Aynı devre üzerinde, dağıtım transformatörü 400kVA‟ya çekilerek ve sekonderdeki dengeli rezistif yükü sağlayacak faz başına düşen direnç değeri 4Ω‟a çıkarılırsa, %10‟luk rezistif yüklenme sağlanmış olarak ikinci benzetim koşturulmuş ve sonuç Şekil 4.16‟da verilmiştir. 63 ġekil 4.14: Transformatör gücünün ferrorezonans olayına olayı üzerindeki etkisini incelemek amaçlı devre ġekil 4.15: Transformatör gücü 1600kVA iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi ġekil 4.16: Transformatör gücü 400kVA iken uygunsuz anahtarlama sonucu terminal gerilimi 64 4.8. Kesici Yapısının Etkisi Günümüzün yüksek gerilim kesicilerinin sahip olduğu kapasitif sığaları, 1950 ile 1980 arasında üretilen kesicilere oranla 2 ile 50 kat arasında değişen büyüklüklere ulaşmıştır [9]. Kesme ortamlarının geliştirilmesi ile çoklu kesme çemberlerine olan ihtiyaç azalmıştır [10]. Örneğin 230kV sisteminde hava patlamalı kesiciler 4 ile 6 çembere ihtiyaç duyarken; az yağlı kesiciler 2 ile 4; SF6 kesiciler ise 2 adet çembere ihtiyaç duymaktadır [10]. Bir hava patlamalı kesici için her bir kesme çemberine paralel olarak eklenen kondansatörlerin değeri 30 ile 800pF arasında iken; az yağlı kesicilerde 800 ile 1300pF; SF6 kesicilerde 1500 ile 1600pF arasındadır [10]. Ferrorezonans olayı hakkında çalışma boyunca ortaya konan önemli özelliklerden biri ferrorezonansın belirli bir sistemde meydana gelmesi için, sitemdeki toplam kapasitans değerinin sistemin kendine has özellikleri tarafından belirlenen, alt ve üst sınırlara sahip olan bir zarfta kalması gerekmektedir. Sistem dahilindeki kesicilere ait derecelendirme kondansatörlerinin sığaları da toplam kapasitansa eklenecektir. Ferrorezonansın oluşmayacağı bir değere denk gelinmesi halinde, kesici kapasitansı tek başına, ferrorezonansı başlatabilmek için yeterli olmayacaktır. Ancak, artan derecelendirme kapasitanslarından ötürü ferrorezonansa girilmesine neden olan sığa değerlerine ait zarfın alt sınırı geçmişe oranla çok daha kolay aşılabilmektedir. 4.8.1 Kesici Yapısının Ferrorezonans Üzerindeki Etkisinin Benzetimler ile Ġncelenmesi Kesici yapısının ferrorezonans olayının yaşanması üzerindeki etkilerinin incelemesini modellemek için Şekil 3.2‟de verilen model dahilindeki kesici kademelendirme kapasitansının değerleri ile oynanarak aşağıdaki karşılaştırma sağlanmıştır. Buna göre Şekil 4.17‟de kademelendirme kondansatörünün değeri 0.012μF iken, Şekil 4.18‟de ise bahis konusu sığa değerinin 0.010 μF iken elde edilen benzetim sonuçlarını göstermektedir. Derecelendirme kapasitansının artışı ile ferrorezonans sonucunda değişikliğin olduğu açıktır. Ancak, yukarıda da belirtildiği gibi; bu artış sistemi ferrorezonansa sürükleyebilecek kapasitanslara ait üst değerin aşılmasını sağlarsa, ferrorezonans yaşanmayacaktır. 65 ġekil 4.17: Derecelendirme kapasitansı 0.012μF iken ferrorezonans ġekil 4.18: Derecelendirme kapasitansı 0.010μF iken ferrorezonans 4.9 DüĢük Kayıplı Transformatörlerin Etkisi Gittikçe artan enerji tüketimine karşın çevrenin korunmasına duyulan ihtiyaçtaki artış ve ülkelerin ekonomik yapılarının oluşturduğu zorlayıcı koşullar nedeni ile elektrik enerjisinin üretim, iletim, dağıtım ve tüketim kademelerinin hepsinde verimliliğinin arttırılması ve artışın sürekli bir akım halini alması zorunlu olmuştur. Bu trendin bir neticesi olarak düşük kayıplı transformatörlerin kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Pek çok ülkenin elektrik ve dağıtım şebekelerini yöneten şirketler, satın aldıkları yeni transformatörlerin üretim sonundaki kabul testlerinde istenilen verim seviyesini 66 yakalayamaması halinde siparişlerin iptallerine kadar giden kararlılıkla davranmaktadır. Son dönemde buna benzer bir durum TEİAŞ ile büyük üreticilerden biri arasında yaşanan sıkıntılı zamanlara neden olmuştur. Verim düzeyinin yükseltilmesi eğiliminin yanı sıra, teknolojik ilerlemenin bir diğer getirisi de yüksek verimli transformatörlerin sahip oldukları kapasitans değerlerindeki artıştır [5]. Düşük kayıplı transformatörlerin, verim artışlarının sağlanması amacıyla yapılan geliştirmeler sonucu bu transformatörlerin sürekli kayıplarını oluşturan bakır ve çekirdek kayıplarındaki düşüşlerdir. Bu nedenle yüksek verimli transformatörlerin ferrorezonans açısından bakıldığında sistem sığasındaki artışa katkıda bulunmalarının yanı sıra var olan diğer bir önemli etkileri de olgunun yaşanması halinde sönüm etkisi yaratacak sekonder yüke, düşük kayıpları nedeniyle katkı sağlayamamaya başlamalarıdır [5]. 4.10 Gerilim Ölçü Transformatörlerinin ve Diğer Cihazların Etkisi İletim ve dağıtım sistemlerinde sisteme dahil olan cihazların kapasiteleri de sistem toplam kapasitansına etki eder. Özellikle kullanımı yaygınlaşmakta olan kapasitif kuplajlı gerilim ölçü transformatörleri sistemde sığa artışına neden olmaktadır. Daha önce de bahsedildiği gibi ferrorezonansın yaşanmasına neden olacak kapasite değerleri sistem yapısına bağlı olan bir alt eğri ile bir üst eğri arasında kalan bir bölgede yer alır. Çalışma süresince sistemin anlık yapısına göre bu alt ve üst sınırlar, eğriler üzerinde hareket edecektir. Eğer yükselen kapasitans değeri maksimum eğrisinin üzerine çıkarsa ferrorezonans beklenmeyecektir. Ancak; bu sınırların dışına çıkılamıyorsa artan kapasitif etki, genelde, ferrorezonans halinde sıfır serisi üzerinde taşınacak enerjinin artışı demek olacaktır. Bu da bazı hassas cihazların alabileceği hasarı arttırabilecektir. Ek olarak sınırlar dahilinde kalarak artan sığa sistem cevabının karmaşıklığını da arttıracaktır. Bu duruma örnek daha önceki kısımlarda verilmiştir. İlerleyen kısımlarda değinilecek dallanma grafikleri ile de sistem sığasının ferrorezonansın oluşmasına neden olabileceği değerlerini içeren bölgenin sınırlarını oluşturan eğrilere değinilecektir. 67 4.11 Sistemin Kısa Devre Gücünün Büyüklüğünün Etkisi ve Bu Etkinin Benzetimler ile Modellenmesi Sistemin kısa devre gücü arttıkça, ferrorezonansa girme ihtimali düşer. Şekil 4.14‟te verilmiş olan sistemde, daha önce başka bölümlerde verilen benzetimlerden farklı olarak, gerilim ölçüm noktası 154/34.5kV transformatörünün yüksek gerilim terminali olarak değiştirilmiştir. Sistemin 154kV seviyesinden beslenen yüklerinin bahis konusu durumda devre dışı oldukları varsayılsın. Devre bu varsayımla beraber Şekil 4.19‟daki halini alır. ġekil 4.19. Sistemin anma kısa devre gücünün artışı ve azalışı ile ferrorezonansın sonucunun değişmesini incelemek amacıyla revize edilmiş devre Şekil 4.20‟de ise, a, b ve c grafikleri sırası ile sistemin arttırılmış kısa devre gücü, sabit tutulmuş kısa devre gücü ve azaltılmış kısa devre gücünü göstermektedir. Anma kısa devre gücünde +%5, ±%0 ve -%5 boyutlarında küçük oynamalar yapılmıştır. Buna rağmen aşağıdaki şekillerde aşırı gerilimin boyutunun, sisteme ait anma kısa devre gücünün artışı ile azaldığı aşikardır. 68 a. b. c. ġekil 4.20. a) arttırılmış, b) sabit tutulmuş, c) azaltılmış anma kısa devre gücü ile yapılan simülasyonların sonuçları 69 70 5. FERROREZONANSIN ÖNGÖRÜLEBĠLMESĠ 5.1 Amaç Bu bölüme çalışmada yer verilmesindeki amaç, ferrorezonansa karşı önlem alabilmenin en iyi yolunun, sistem için olgunun yaşanması riskinin hangi haller için var olduğunu bilmek olduğuna olan inançtır. Bu nedenle sistemin ferrorezonans tehlikesine karşı çok iyi analizlerinin yapılması gerekmektedir. Bu bölümde, sistemler için riskli olabilecek parametre aralıklarının hesaplanmasında kullanılan yöntemlere, avantaj ve dezavantajlarına değinilecektir. Dallanma grafiklerinin yorumlanması konusunda bir örnek üzerinde çalışılacak ve dallanma grafikleri ya da dallanma çizgileri gibi araçların sistem yönetimi esnasında ne kadar değerli olabileceği yorumlanacaktır. 5.2 Ferrorezonansın Öngörülebilmesi için Kullanılabilecek Yöntemler Sistemin yönetimi ile görevli mühendisler için ferrorezonans konusunda olmaları gereken en önemli veri, hangi sınırlar dahilinde sahip sistemlerini ferrorezonanstan koruyabilecekleridir. İdeal çözüm, sistemin normal ve normal dışı çalışma anlarında tüm konfigürasyonları için ve gelecekte sistemde yapılabilecek tüm modifikasyonlar için risk hesabını yaparak, bir güvenlik marjının sağlanabilmesi ve karşı önlemler alınabilmesidir [4]. Güvenilir ve inanılır bir çözüm, çalışılacak ferrorezonans tiplerine uygun sayısal yöntemlerin çalışmaya katılabilmesi ile sağlanır [4]. EMTP ve benzeri simülasyon programları, tanımlanmış bir sistemin ferrorezonans olgusuna sahne olacağı parametre aralıklarını vermeleri açısından yeterli kesinliğe sahip değildirler [5]. Bu kesinlik eksikliğinin temel nedeni ise transformatör modellemesindeki yetersizliktir [5]. Diğer bir çalışma ise analog benzetim yöntemidir. Ancak, bu sistemin küçük bir benzerini kurmak anlamına gelen çalışma metodu, sistem parametrelerinin boyutlarının orantısal olarak küçültülmüş olması nedeniyle ferrorezonans için uygun 71 değildir. Çünkü, çok karmaşık bir enerji sistemi olayı olan ferrorezonansın sistem parametrelerine ve sistem başlangıç durumuna karşı aşırı hassastır [4]. Bu hassasiyet nedeniyle orantısal olarak parametrelerin boyutlarının küçültülmesi normalde meydana gelecek sistem cevabının da orantısal olarak alınmasını sağlayamayacaktır. Analog simülasyonun avantajı gerçek zamanlı sonuç alınabilmesi iken; dezavantajı gerçek olayı yeterli bir hassasiyet ile modelleme imkanının yokluğudur [4]. Zaman tanım kümeli olan bir sayısal benzetim ile olgunun geçici olay kısmı incelenebilir; ancak, ferrorezonans olgusu tarafından başlangıç koşullarına karşı gösterilen aşırı hassasiyet nedeni ile simülasyonların her başlangıç koşulu için tekrar tekrar yapılması gerekmektedir [4]. Bu durumun sağlanabilmesi ise pek gerçekçi değildir. Görece olarak pek çok enerji sistemi olayına oranla uzun olan geçici karakteristiği ile ferrorezonans olgusuna ait geçici ve sürekli zaman cevaplarını ayırmak pek kolay değildir. Sayısal yöntemler kullanılarak yapılacak hesaplamalar sonucunda ulaşılacak güvenli çalışma bölgelerinin bulunabilmesi için, geçici olaydan kaynaklı verilerin temizlenmesi gerekmektedir [4]. Sürekli halin incelenmesinin gerekliliği, geçici etkilerin her hangi tehlikeli bir durum içermeyeceği anlamına kesinlikle gelmez [5]. Sistemin ferrorezonansa girdiği bazı durumlara aşırı gerilim ve aşırı akım değerleri çok kısa sürede büyük hasar yaratabilecek düzeylere ulaşabilir [5]. Ancak, başlangıç koşullarına karşı olan aşırı hassasiyet olgunun geçici olan kısmı için hesaplamaların yapılmasını pek anlamlı kılmayacaktır. Yine de olgunun geçici kısmının varlığı göz ardı edilmemelidir. 5.3 Dallanma Grafiklerinin ve Dallanma Çizgilerinin Elde Edilmesi ve Yorumu Kullanılacak matematiksel yöntemler ile ulaşılmak istenenler, sistem için dallanma grafiklerinin elde edilebilmesidir. Bu eğriler, sistemin ferrorezonansa girme ihtimalinin var olduğu çalışma noktalarının tespit edildiği ve belirlenecek güvenlik marjları ile sistemin güvenli çalışmasının sağlanması için faydalanılabilecek grafiksel çıkarımlardır. Ferracci tarafından bu karmaşık olguya ait diferansiyel denklem gruplarının frekans tanım bölgesinde belirli bir yaklaşıklıkla çözülmesi için Galerkine Metodu tanımlanırken , zaman tanım kümesinde çözüm için Poincaré Haritası Sabit Nokta Yöntemi işaret edilmiş, ve dallanma (bifurcation) grafiklerine ulaşabilmek için Rahatsızlık Metodu ve Sürdürme Yöntemi önerilmiştir [4]. 72 Iravani ve ekip arkadaşları çalışmalarında, bir ferrorezonans devresinin modellenmesinde en önemli kısmın transformatörün doğru modellenebilmesi olduğunu belirtmiş ve transformatör modelinin sayısal hesap yöntemlerine aktarılabilmesi için Cherry tarafından 1949‟da oluşturulup, 1953 yılında Slemon tarafından geliştirilen Düalite Dönüşümü‟nü tanıtmışlardır [5]. Düalite Dönüşümü sonucunda magnetik devre, elektrik devresine benzetilmiş bir hal alır. Böylece dallanma grafiklerine geçilebilme imkanı doğar. İteratif proses ile parametrenin (örneğin gerilim kaynağının genliği) bir sistem (enerji sistemi gibi) cevabını (transformatör çekirdeğindeki akı miktarı gibi) tanımlayan denklemlerin çözümleri üzerindeki etkisinin incelenmesini sağlayan çözüm eğrisindeki her nokta, bilinen bir çözümden hareketle adım adım hesaplanır [4]. Örneğin seçilen parametrenin E0 değeri için bilinen bir x0 çözüme başlanır ve komşu çözüm olan x1, x0 ve E1 parametrelerinin birlikte çözülmesi ile elde edilir [4]. Sonuç olarak adım adım ortaya çıkan eğri, bir dallanma (bifurcation) grafiğidir. Aşağıda dallanma grafiği örneği verilmiştir. Bu örnek Ferraci tarafından yayımlanmış çalışmada dallanma grafiklerinin örneklenmesinde kullanılmıştır [4]. ġekil 5.1: Dallanma grafiği örneği, [4]‟ten uyarlanmıştır. Bir dallanma grafiği örneği içeren Şekil 5.1, bir gerilim ölçü transformatörünün dahil olduğu tipik bir ferrorezonans devresine aittir ve farklı değerler alan R2 direnci transformatörün sekonderine bağlı yükü göstermektedir [4]. Bu haliyle pek çok farklı bilim dalında kullanılan, çok çeşitli dallanma grafiği tiplerinden sadece birine örnek olan bu çizim, ferrorezonans hakkında daha önceki kısımlarda anlatılanlar ile paralellik içindedir. Buna göre sekonder kısımdaki direnci azalarak yükün büyütülmesi ile R2 = Rb eğrisi elde edilir ve bu eğride yaşanacak zıplama sonucunda ferrorezonans durumuna geçmek için gerekecek kaynak gerilimi seviyesi 73 yükselecektir. Yani ferrorezonansa girme ihtimali düşecektir. bölümlerde değinilen yük etkisi ve zıplama olgusu Daha önceki özelliklerinin de gözlemlenebildiği ve sistemi kontrol eden mühendislere önemli bilgiler sunabilecek olan bu grafikler sistemin diğer parametreleri için de oluşturulabilir. İteratif bir çalışma soncunda bulunacak çalışma noktalarından oluşan eğri takımının sınırları göz önünde bulundurularak sistem yöneticileri, kontrol ettikleri sistemin ferrorezonansa girmesini karşın önlem alabilirler. Dallanma grafiklerinin yukarıda bahsedildiği şekilde kullanım imkanı verilen örneğe dönülerek incelenebilir. Buna göre, verilmiş devre parametreleri ( ve R2‟nin Ra‟ya eşit olduğu özel halde) Şekil 5.1‟de görülebilir ki; E parametresine ait büyüklük E1 değerinin altında kaldığı sürece bir temel frekans ferrorezonansının; sürekli hal şartlarının altında yaşanması ihtimali yoktur [4]. Sistem yöneticileri için çok önemli bir donanım sağlayan bu eğrilerin doğru olarak temin edilebilmesi için en hayati gereksinim doğru modellemedir. Bir ferrorezonans çalışması için modellemesinin doğru olup olmaması ile en çok etki yaratan sistem bileşeni transformatördür [5]. Transformatör, ferrorezonansın oluşabilmesi için gerek koşullardan biri olan, lineer olmayan endüktansın varlığını sağlayan bileşendir. Sistemdeki transformatörün doğru olarak hesaplara yansıtılabilmesi için üreticisinden alınacak bilgiler önemlidir. Ancak, transformatör üreticilerinden elde edilecek fabrika test bilgileri, çekirdek parametrelerinin elde edilebilmesi için genellikle yeterli olmaz [5]. Yeterliliğin sağlanabilmesi için; üretici tarafından yapılan açık devre testlerinde tipik olarak seçilen akı yoğunluğu olan, 0.8-1.14pu aralığındaki değerler yerine 0.2-1.3(ya da daha üstü) pu aralığındaki değerler ile yapılmalıdır [5]. Ek olarak da gerilim değerleri gerek simülasyonlar gerekse tahminler sonucunda uaşılan en yüksek seviyeye denk düşecek şekilde tayin edilmelidir [5]. Yeni bir transformatör için bu verilerin sağlanabilmesi, sistem için belirlenecek güvenli çalışma koşullarının doğru olmasını imkanlı kılacaktır. Doğru modelleme ve itinalı çalışmalar ile hazırlanacak dallanma grafikleri sayesinde sistemi ferrorezonanstan uzak tutacak kapasitans değerleri ya da diğer bir değişle sistemi ferrorezonansa sürükleme ihtimali olan kapasitans sınırları saptanabilir. Belirlenen bir güvenlik marjı ile bu tehlikeli değerleri içeren zarf genişletilerek ulaşılacak sonuç olan yeni grafik, sistem üzerinde çalışmakta olan mühendislerin sistemin çalışmasını kontrol edişlerinde kolaylık sağlayacaktır. Yeterli marja sahip 74 bir dallanma eğrisini kullanan sistem kontrolörleri sisteme eklenecek hat ya da cihazların kapasitansları nedeniyle tehlikeli değerleri içeren zarfa girilip girilmeyeceğini bilebilir, böylece önlem alabilir ya da yatırımı farklı bir yöne aktarabilir. Temel ferrorezonans hali için hazırlanan bu eğrilerin kullanım kolaylığını arttırmak amacıyla dallanma çizgilerine geçilebilir. Şekil 5.1‟deki dallanma grafiğinden Şekil 5.2‟deki dallanma çizgilerine geçilmesi ile anlaşılması daha kolay bir eğri takımı elde edilebilir. Şekil 5.2‟deki dallanma grafikleri yorumlandığında; tüm enerji sistemi çalışma koşulları içerisinde, eğer gerilim kaynağının E genliği, En değerinden düşükse, R2 direnç değeri genliğinin Rn değerinden düşük olması bir temel-frekans ferrorezonansının yaşanmayacağını garanti eder [4]. ġekil 5.2. Dallanma çizgileri örneği, [4]‟ten uyarlanmıştır. Alt-harmonik ferrorezonans tipi için çıkarımı yapılacak dallanma grafikerlinde ise, sistemin sürüklenme ihtimalinin var olduğu ferrorezonans tipinin alt-harmonik tipi olduğu, grafikte belirlenen noktaların kapalı bir eğri oluşturmaya başlaması ile de anlaşılabilir. Bu eğrinin oluşması sırasındaki hesaplardaki parametrelere rahatsız edici bir değişiklik yapılırsa dallanma grafiği temel durumdaki eğri yapısına benzer bir hal almaya başlar. Aynı durum tersi için de geçerlidir. Belirli bir sistem için elde edilecek dallanma grafikleri sistem parametrelerinde sapmaların olabileceğinin göz önüne alınması ile güvenlik marjları temin edilerek değerlendirilmelidir [4]. 75 5.4 Sistemin Geçici Hal Cevabının Ġncelenmesi Gerek [4], gerekse de [5] dahilinde sistem sürekli hal cevabının bulunabilmesi için yöntemler verilmiştir. Yöntemler farklıdır; ancak, ferrorezonans hali için güvenli ve riskli çalışma bölgelerinin tespitini amaçlamaktadırlar. Diğer bir ortak özellikleri ise sürekli hal için risk analizinin yapılmasıdır. Sistemin geçici hal cevabı için risk analizi ise dijital benzetim-simülasyonprogramları aracılığı ile yapılabilmektedir [4]. Ferrorezonans olgusunun geçici hali pek çok farklı olguya oranla uzun sürelidir ve bu uzun süre içerisinde oluşan aşırı gerilim ve akımlar sistemde sorunlar yaratabilir. Matematiksel çalışmaların sürekli hal cevabı için sağlanıyor olması geçici halin tehlikesiz olduğu sonucunu kesinlikle doğurmamalıdır [5]. Geçmiş yıllardaki çabalar, transformatörlerin eşdeğer devrelerinin geliştirilmesine ve devre geçici olayları analiz programları-EMTP gibi- üzerinde simülasyonların yapılmasına odaklanıldığı gözlemlenir [5]. Bu programlar, trapezoidal gibi iyi derecede güvenilir sayısal entegrasyon yöntemleri kullansalar da bir simülasyonun sonuçlarının doğru olabilmesi için temel olarak modellemenin doğru olarak yapılması ile sağlanabilir (ek olarak eğer çalışılacak konu ferrorezonans ise başlangıç koşulları da hesaba katılmalıdır) [5]. Zaman tanım kümesindeki sayısal benzetimlerin aşağıda ifade edilenler gibi göz ardı edilemez avantajları olduğunu unutulmamalıdır [4]. - Verilen bir sistem konfigürasyonu ve sayısal parametre büyüklükleri için başka bir metot kullanılarak ulaşılan sonuçların sağlanmasında kullanışlıdır [4]. - Enerji sistemi bileşenlerinin iyi modellenmelerine dayanarak ilgili gerilim ve akım dalga şekillerini ayrıntılı olarak verir [4]. 76 6. FERROREZONANSIN ENGELLENEBĠLMESĠ ĠÇĠN PRATĠK ÇÖZÜM VE ÖNERĠLER 6.1 Amaç Çalışma kapsamında ferrorezonansın oluşabileceği sistemlerin sahip olması gereken özellikler olarak sayılan tüm hususlar, günümüz enerji iletim ve dağıtım sistemleri tarafından karşılanabilir. Bu nedenle, ferrorezonansın yaşanabileceği sistem yapısı sayısı sınırsız gibidir. Ancak, bazı önlemler alınabilir. Bu önlemlerin yeterli şekilde alınabildiği sistemler, uzun süreler boyunca, ferrorezonans olgusu yaşamaksızın çalışmalarını sürdürebileceklerdir. Bu bölümün amacı sistemleri ve sistem dahilindeki cihazları ferrorezonansa karşı koruyabilmek adına bazı öneriler sıralanmıştır. Ek olarak, daha önce verilen örnekler için uygulanan çözüm fikirlerinin tanıtılması ve yapılan öneriler ile paralelliklerinin tartışılması hedeflenmiştir. 6.2 Anma Gücünün %10’undan Daha Yüksek Değerde Aktif Güç Dağıtımı Yapmayan Transformatörlerin Kullanılmasının Engellenmesi Sekonder yükün sürekli var olabilmesini sağlayabilmek açısından, anma gücünün %10‟undan daha düşük değere sahip rezistif yükler ile yüklenmiş transformatörlerin çalıştırılması engellenmelidir [4]. Güç transformatörlerinin ferrorezonanstan uzak tutulabilmesi için en az %10‟luk saf rezistif güç gereksinimi olan yük ile yüklenmiş olmaları gerekmektedir [2]. Düşük yük özellikle halka şebeke çalışan orta gerilim sistemlerinde ya da enterkonnekte çalışan yüksek gerilim sisteminde başka transformatörlere paylaştırılmalı ve çok düşük yüklenmiş transformatörlerin çalışması engellenmelidir. Bu önerinin doğruluğuna dair sağlama iki gerçek örnekle verilebilir. Bunlardan ilki, Kanada‟da yaşanmış olan ve daha önceki sayfalarda bahsi geçmiş olan ototransformatör örneğidir. Ontario Hydro Sistemi oldukça uzun mesafeler boyunca birbirlerine paralel uzanan yüksek gerilim hatlarının karşılıklı etkileşimleri nedeniyle 77 oldukça ilginç bir yapıdır. Paralel uzanan hatlardan birindeki anahtarlama sonucunda, kusursuz olarak üç faza da komuta edilmiş olabilmesine rağmen, diğer paralel hatlarla olan karşılıklı kapasitif kuplaj kesme sonucunda kaçınılmaz olarak oluşan toparlanma gerilimi seviyesini çok yükseltmiştir. Öyle ki, ulaşılan toparlanma gerilimi seviyesi, normalde aynı hattın yalnız başına uzanması durumunda ancak ve ancak hat üzerine eklenmiş önemli boyutta kondansatör gruplarının varlığı ile sağlanabilir büyüklüktedir. Bu aşırı gerilimler, kesicinin söndürme çemberlerini başarısızlığa uğratmış ve enerji iletiminin üç fazında da istenilen kesme işleminin yapılabilmesine imkan tanımamıştır. Sonuç olarak oto-transformatör ferrorezonansa sürüklenmiştir. Daha sonra, geleceğe dair projeksiyonlar da yapılarak, yapılan çalışmalar sonucunda bahis konusu hattın en azından sürekli olarak beslemek üzere 266kW/faz yükü ile yüklenmesi gerekliliği sonucuna ulaşılmıştır. Yükün aktif yük olarak tanımlandığına dikkat edilmelidir. Diğer örnek için seçilen durum ise Dorsey Yüksek Gerilim Çevirici İstasyonu‟nda, servis transformatörünün ferrorezonansa sürüklenmesi sonucunda sistemde oluşan hasarların tekrarlanmaması için servis transformatörlerinin sekonder çıkışlarına yerleştirilen 200Ω değerindeki sürekli rezistif yüklerdir. Şekil 6.1, Dorsey İstasyonunda yaşanan ferrorezonans olgusunun, ayrıntılı bir modelleme sonucunda benzetiminin yapılması ile elde edilen eğrilerdir. Şekil 6.2 ise, 200 Ω değerindeki sürekli dirençlerin servis transformatörlerinin sekonderlerine bağlıyken yapılan açtırma testi sonuçlarını ve bu durumda sürekli yükün sönüme olan katkısını göstermektedir [10]. ġekil 6.1. Dorsey İstasyonu‟na ait ayrıntılı model ile koşturulan simülasyonun sonucu, sekonderde sabit yük yok iken 78 ġekil 6.2. Dorsey İstasyonu‟na ait ayrıntılı model ile koşturulan simülasyonun sonucu, sekonderde sabit yük var iken Dorsey İstasyonu‟nda bulunan bu çözümün sistem yöneticileri tarafından ilk başta, sürekli enerji kaybı nedeni ile hoş karşılanmamıştır [10]. Her hangi bir işe yaramadan enerji harcayan bu dirençlerin sisteme sadece arıza anında alınması fikri ise 1995 yılında var olan anahtarlama düzenlerine yeteri kadar güven duyulamaması nedeni ile o dönemde gündemden düşmüştür[10]. Anahtarlama cihazının sistemde her hangi bir nedenle oluşan aşırı gerilimler sistemde tespit edilir edilmez kapamaya gidemeyebileceği korkusu 1995‟de dirençlerin direkt olarak bağlanmasına neden olurken 2003 yılında yapılan büyük bütçeli yatırımda daha önce imkan olmayan anahtarlama düzeni sisteme eklenmiştir [10]. Dirençlerin devreye girmesinin bu kadar önemsenmesi yukarıda yapılan önermeyi destekler. Resim 6.1, örnek olayla ilgili önlem olarak Dorsey İstasyonu‟ndaki servis transformatörlerinin sekonderine eklenen direnç gruplarını göstermektedir. Servis transformatörlerinin sekonder çıkışları 4.16kV seviyesindedir [9]. Bu nedenle, dirençlerin girişleri epoksi reçineden üretilmiş orta gerilim buşingler ile yapılmıştır. Alt uçları ise toprak potansiyelinde olduğu için topraklıdır. 79 Resim 6.1: Dorsey İstasyonu‟ndaki servis transformatörlerinin sekonderine eklenen direnç grupları 6.3 Kesici Grubu ile Güç Transformatörü Arasındaki Mesafenin Kısa Tutulması Ferrorezonans olgusunun yaşanabilmesi için sistem kapasitansının olguya sebebiyet verecek alt ve üst sınır değerleri arasında olması gerekmektir [2]. Bu durumda ferrorezonans devresi için üst sınır olan değeri bulmak ve bu değere ulaşmak zor olabilecektir. Dolayısı ile alt sınırın altında kalmaya çalışmakta fayda vardır. Transformatör ile kesici arasındaki mesafenin kısalması kapasitans değerinin kritik değerin altına çekebilir. Orta gerilim uygulamalarında kesici hücresini transformatöre yaklaştırarak ya da transformatörün besleme kısmının hemen girişine kesicileri taşıyarak ve anahtarlamayı her üç fazda da gerilim seviyesi uygun iken yaparak kapasitansın düşürülmesi sağlanabilir [4]. Düşürülmüş kapasitans kesme işlemi 80 esnasında oluşacak toparlanma gerilimlerini de daha sağlıklı değerlerde tutacaktır. Şekil 4.7‟de verilmiş olan ve üzerinde daha önceki bölümlerde açıklamalar yapılmış olan devre modeli kullanılarak kesici grubu ile transformatör mesafesi arasında değiştirilerek savunulan görüşün doğruluğu araştırılacaktır. Şekil 6.3‟teki gerilim şeklininin oluştuğu ferrorezonans devresinde, yer altı kablosunun boyu 1km olarak modellenmiştir. Şekil 6.4‟te görülen sistem cevabı ise, kablo hattın mesafesinin 200m‟ye çekilerek modelin koşturulması ile elde edilmiştir. ġekil 6.3. Kesici ile dağıtım transformatörü arasındaki mesafe 1km iken düzensiz anahtarlamanın sonucu ġekil 6.4. Kesici ile dağıtım transformatörü arasındaki mesafe önemli ölçüde azaltılmış iken düzensiz anahtarlamanın sonucu 81 Her iki grafikte de ferrorezonans halinin varlığı açıktır. Ancak ilk grafiğin gösterdiği gerilim dalga şekli diğerine oranla tercih edilemeyecek kadar yüksek tepe gerilimleri ve farklı frekanslı bileşenler gibi zorlayıcı unsurlar içermektedir. İkinci grafikteki dalga ise temel frekanslıdır ve anma geriliminin 1.10-1.15 katı seviyesinde bir aşırı gerilim endüklenmiştir ki, sistem dahilindeki bu seviyedeki yükseliş çok uzun süreler sistemde kalsa da hasar yaratmayacaktır. 6.4 Ferrorezonansa Girme Eğilimi DüĢük Bağlantı ġekillerinin Kullanımı Ferrorezonansa girme eğilimi daha düşük olan transformatör sargı bağlantı çeşitlerinin kullanımı tercih edilmelidir [2]. Ferrorezonansı etkileyen faktörlerin incelendiği kısımda verilen ve bağlantı şekillerini ferrorezonansa yatkınlıklarına göre ikiye ayırarak veren tablolardan Çizelge 4.1‟deki bağlantılar ferrorezonans olgusuna karşı çok daha güvenlidirler. Sistem planlanırken, ferrorezonans tehlikesini düşük tutmak amacıyla bağlantı şekilleri seçilecekse hat kapasitansları ile transformatör bağlantı şekillerinin toprağa karşı aynı yapıda olmasına özen gösterilmelidir. Bu temel prensibe göre, transformatörü besleyen hat üzerinde faz-toprak arası kapasitanslar mevcut ise; bu tarafta olan sargının bağlantı şekli topraklı bir nokta içermelidir. Eğer, bir şekilde, faz-toprak arası kapasitansların sıfırlanabildiği ancak; faz-faz arası kapasitansların mevcut olduğu bir hat ile transformatör beslenmekteyse, bu hat tarafına bakan sargının bağlantı şekli topraksız olmalıdır. Daha önce, Bölüm 3‟te ferrorezonansa yatkın devre yapılarından bahsedilirken verilen Şekil 3.8‟de en tipik ferrorezonans devrelerine ait devre çizimleri, burada belirtilen prensibi sağlayamayan yapılardır. 6.5 Ferrorezonansa Eğilimi Olan Çekirdeklerden Kaçınmak Ferrorezonansa eğilimi olan çekirdek yapılarının kullanımından olabildiğince kaçınılmalıdır [5]. Tercih edilecek transformatör çekirdeklerinin daha yüksek akılarda doymaya gidecek ve simetrik olarak akı yolunu düzenleyebilecek çekirdekler arasından seçilmesinde fayda vardır. Zaten sistem simetrisini bozan anahtarlamaların önemli ölçüde tetikleyicisi oldukları ferrorezonans olgusunu, diğer bir simetrisizlikle desteklemekten kaçınmak gerekir. 82 Daha önceki bölümlerde verilen örneklerden birinde, Norveç sistemindeki üç farklı üreticiye ait olan gerilim ölçü transformatörleri arasında bir üreticinin üretimi olan 72 adedinin ferrorezonans sonucunda kaybedildiğinden bahsedilmişti. Bu markaya ait gerilim ölçü transformatörlerinin akı yoğunluğu, sistemin anma gerilimi için, diğerlerine oranla %25 ve %30 oranlarında daha yüksektir ve buna göre bu marka ölçüm transformatörünün diğer iki markaya oranla daha kolay doymaya gideceği açıktır [5]. Çekirdek yapısı daha uygun olan diğer üreticilere ait transformatörler ferrorezonanstan hasar almayacak kadar az etkilenmişlerdir. 6.6 Uzun Kablo Hatlarların Ucunda DüĢük Güçlü Transformatörlerin Kullanımından Kaçınmak Kablo hatlarının uzun mesafeler kat ettiği sistemlerde düşük güçlü transformatörlerin kullanımından kaçınılmalıdır [2]. Bunun yerine mümkünse birkaç küçük güçlü transformatörün birbirine yakın bölgelerde çalıştığı sistemlerde transformatör sayısı azaltılarak ferrorezonans ihtimalinde belirgin bir düşüm sağlanabilir. Ferrorezonansı etkileyen faktörlerin tartışıldığı kısımda Türkiye dağıtım şebekelerinde rastlanılan transformatör güçlerinden 400kVA ve 1600kVA anma güçlerine sahip transformatörler aynı şebeke üzerinde, aynı hat tarafından beslenir halde sınanmış ve ferrorezonans sonucunda doğan aşırı gerilimlerin 1600kVA transformatörün kullanıldığı seçenekte çok daha az zorlayıcı olduğu görülmüştür. Şekil 4.15 ve Şekil 4.16 tekrar incelenirse, fark rahatlıkla görülebilir. Diğer taraftan, böyle bir uygulama ile birkaç küçük transformatörün müşterilerinin tek bir cihaza bağlanması ile büyük cihazın yüksüz çalışması ihtimalinin de azaltılmasını sağlar. Çok sayıda tüketici tek bir transformatöre bağlandığında her an sistemde bir yükün var olması olasılığı güçlenir. Ancak, bu yorum yapılırken eklenmelidir ki; eğer 1 ya da 0 yüklerini besleyen birkaç transformatörün yüklerinin birleştirilmesi sonucunda tek bir transformatöre geçilecekse, yine yüksüz zamanlar yaşanabilecektir. Örneğin 5 km yarı çaplı bir sahadaki sulama pompalarının hepsi birden yağmurlu bir günde devre dışı olabilir. Küçük transformatörlerin birleştirilerek daha büyük güçlü tek bir cihaza geçmek standartlaşma açısından da fayda sağlayacaktır. Örneğin, transformatör bakımlarında kullanılacak malzemeler hep aynı olacaktır. Koruma amacıyla kullanılacak sigortalar tek tip olabilecek, kesici kullanılacaksa hepsi aynı özellikleri sağlayabilir halde 83 olacaktır. Böylece kurumlar, arızalardan sonra yenilenmesi ya da parça değişikliği içeren bir tadilat geçirmesi gereken pek çok ekipman için depolarında birer tip malzeme bulundurabilecektir. Böylece toplu alımlar ya da benzeri finansal teknikler ile malzemenin birim fiyatının da düşürülmesi sağlanabilir. 6.7 Transformatörlerin Yüksüz Enerjilendirilmelerinin Engellenmesi Transformatörlerin yüksüz enerjilendirilmeleri engellemelidir [16]. Böyle enerjilendirme çalışmalarına sahne olması kaçınılmaz olan sistemler mevcutsa, sekonder yük transformatör için ferrorezonansa karşı koruma sağlayabilecek bir düzeyine yükselene kadar transformatör çıkışına bağlı dirençler sistemde tutulabilir [16]. Bu dirençler, sekonder yükü takip edebilen bir sistem ile yük güvenli hale gelince devreden çıkarılabilir. Böylece transformatör uygunsuz anahtarlamanın yaratacağı sonuçlardan korunduğu gibi sürekli enerji kaybı da engellenebilir [16]. 6.7.1 Anahtarlamalı Geçici Yük ile Transformatör Enerjilendirilmesi Benzetimi Yukarıda önerilen, bir anahtarlama düzeneği ile sisteme transformatör enerjilendirilmesi öncesinde bağlanan ve transformatör gerçek yükü ile yüklendikten sonra da aynı anahtarlama düzeneği kullanılarak sistemden alınacak olan geçici yükün incelenmesinin yapılacağı bu sistemde, model olarak Şekil 6.5‟te verilen devre kullanılacaktır. ġekil 6.5. Geçici olarak rezistif sekonder yük ile yüklenmiş transformatörün incelenmesi için kurulan model 84 Model incelendiğinde YUKA,B ve C kesicileri ile sisteme eklenen ve devre dışı bırakılan 10kW‟lık yük, transformatör enerjilendirilirken; sekonderde gerçek bir yük olmaması halinde evrede tutulacak olan yüktür. Enerjilendirme aşamasında B fazı kapadıktan kısa süre sonra açmıştır ve besleme iki faza düşmüştür. Şekil 6.6‟da geçici yük 10 saniyelik benzetim boyunca devreye hiç girmemiş; ancak, gerçek yük olan 100kW ve 20kVAr‟lık yük beşinci saniyede devreye girmiştir. Şekil 6.7‟deki grafik ise ilk 6 saniye boyunca geçici yüklerin devrede kaldığı ve yine beşinci saniyede gerçek yükün devreye girdiği durumda primer gerilimini göstermektedir. ġekil 6.6. Transformatörün yüksüz olarak enerjilendirilmiş halinde primer tarfta faz gerilimi ġekil 6.7. Transformatörün sekoderinde gerçek yük bağlanana kadar devrede olan dirençlerin varlığı halinde enerjilendirilmesi 85 6.8 Orta Gerilim Sistemlerinde Sigorta Kullanımının Azaltılması Orta gerilim sistemlerinde sigorta kullanımı azaltılmalıdır [15]. Orta gerilim enerji dağıtım sistemlerinde yaygın kullanılan sigortaların erime elemanları, erimeleri ile tek fazlı anahtarlama yaparak sistemin ferrorezonansa olan eğilimini arttırır [15]. Bu nedenle sigorta kullanımı azaltılmalıdır [15]. Dengeli yüklerin olduğu sistemlerde sigorta erimesi sonucunda oluşan yeni düzende, yükü besleyen diğer iki faza ait akımlar arasındaki açı değişecek ve anahtarlama sonucunda faz üzerinden akacak akımlar büyüyecektir. Bu akımların sigortaları eritmesi beklenir. Ancak, pratikte, Türkiye genelinde özel ya da kamuya ait dağıtım şirketleri transformatörleri için sigorta seçimini her transformatör için özel hesaplar yaparak seçmez ve seçimi sigorta üreticilerine bırakır ya da sigorta üreticilerinin hazırladığı tablolardan seçer. Bu tablolar dahilindeki anma akımı değerlerinden bazıları birkaç farklı transformatör anma gücü için önerilebilmektedir. Bu halde, tek fazın kaybından sonra sistem ferrorezonans tarafından hasara uğratılmadan diğerlerinin de kesmeye giderek üç fazlı anahtarlamayı sağlamaları bazı transformatör büyüklükleri için daha olası iken diğerleri için güçtür. Örneğin, geçtiğimiz dönemlerde özelleştirilen dağıtım şirketlerinden biri İç Anadolu Bölgesi içerisindeki çalışma alanındaki transformatörlerin korunması için Türkiye genelindeki orta gerilim, artçı sigorta üreticileri ile çerçeve anlaşması yaparak ihtiyaç duyduğu zamanlarda, anlaşmanın geçerli olduğu süre boyunca aynı fiyattan aynı malzemeyi satın alabilmek kolaylığına ulaşmak istemiştir. Bu amaçla kendi belirlediği ihtiyaçları doğrultusunda üreticilerle temasa geçmiştir. En önemli üreticilerden biri 100kVA ve 160kVA transformatörler için 6A‟lik anma akımı seviyesine sahip sigortalarını önermiştir. Sigorta kullanımının diğer bir handikabı ise, erime elemanın sargının ortasından değil de uç kısımlarından erimeye başlaması halinde arkın söndürülmesi için gerekli olan sürenin uzaması ve bu durumdan kaynaklı olarak oluşan aşırı ısınma sonucunda sigortanın patlayarak ortadan kalkması ile tek fazdaki akımın istenmeyecek şekilde kesilmesine neden olabilmesidir. Böyle bir durum 3 fazlı anahtarlama yapabilen sigortalı yük ayırıcılarının da çalışmasını engelleyecektir. Çünkü bu tip cihazların kesme yapabilmeleri için gerekli olan mekanik çalıştırma sinyali sigortaların vurucu pimlerinden alınmaktadır. Takip eden maddede bahsi geçecek olan, üç fazlı anahtarlama yapabilen cihaz tiplerinden biri olan sigortalı, üç fazlı yük ayırıcılarının düzgün çalışması için sigorta erime elemanının erimesinden sonra vurucu pimi tutan 86 güçlü tel de düzgünce erimeli ve pim kurtularak yeterli kuvvet ile yuvasından fırlamalıdır. Üretici bunu sağlayacak düzeneği kurmakla yükümlüdür. Bu amaçta orta gerilim, mekanik sigortalarının geliştirmeleri tamamlandıktan sonra tüm tip testleri yapılmalı ve testlerden başarı ile geçen sigorta yapılarında her hangi bir değişiklik yapılmaksızın üretimleri sürdürülmelidir. 6.9 Üç Fazlı Anahtarlama Yapabilen Cihazların Tercihi Üç fazlı anahtarlamalar yapabilen cihazlar tercih edilmelidir [2]. Bu cihazların kullanımının bütçe olarak yararlı bulunmadığı hallerde ise sigorta kullanımında ziyade sistemin korunmasını hattın başındaki üç fazlı kesiciye bırakmak daha iyi olacaktır [15]. Orta gerilimlerde kullanılmak üzere üretilen kesiciler, Türkiye pazarında yer alan ve yerli üreticilerin de ürünlerinin de dahil olduğu, 12-24-36 kV seviyelerinde üç fazlı anahtarlamayı mekanik hareketi tek bir mekanizma aracılığı ile gerçekleştirebilecek düzeydedir. Yerli üreticilerin günümüzde kısıtlarını anma akımı ve kısa devrede kesme akımı değerleri oluşturmaktadır. Bu değerlerin görece olarak daha yüksek olduğu sistemlerde ise uluslar arası üreticiler vakumlu ya da SF6‟lı tiplerde çözümlere sahiptirler. Daha yüksek anma en yüksek sistem gerilimleri için de belirli değerlere kadar 3 fazlı kesmeyi sağlayabilmek amacı ile kesicinin pasif kısımlarında, mekanik olarak birbirine bağlı 3 faza da aynı anda hareketin iletilmesini prensip olarak edinen kesici tiplerin mümkündür. Resim 6.2‟de Siemens üretimi bu tip bir kesici görülebilir. “Live-Tank” olarak isimlendirilen kesici tipi, 145kV maksimum sistem gerilimine sahip olan bir şebekede üç fazı birden kontrol eden tek mekanizma ile donatılmış olarak Resim 6.2‟de görülebilir. Özellikle ABD sisteminde önemli oranda yer alan ve Avrupa sistemlerinde de giderek ilgi çeken AIS ve GIS sistemlerinin kombinasyonu olan yapılar da çalışma konusuna uygun örnekler teşkil eder. Bahis konusu yapılara bir örnek Resim 6.3‟te verilmiştir. ABB üretimi olan PMI model isimli bu cihaz, üzerinde havai hat ile bağlantının yapılmasını sağlayan terminalleri barındıran buşingler ile AIS‟den GIS‟e geçiş sağlar ve GIS yapısının içeriside akım ve grilim ölçü transformatörleri ile kesici ve ayırıcıyı barındırır. Tek mekanizma ile 3 fazlı anahtarlama yapabilir. Bu sistemler “Dead-Tank” olarak tanımlanır. 87 Resim 3. SIEMENS 3A P1 FG , 145kV Live-Tank tipindeki kesicinin 3 fazının tek mekanizma ile kumanda edilebilir yapısı [16] Resim 4. ABB PMI, 362kV “Dead-Tank” tipindeki kombine ekipmanın 3 fazının tek mekanizma ile kumanda edilebilir yapısı [17] 88 Eğer yük, görece olarak yukarıda bahsedilen cihazların kullanımını ekonomik kılamayacak kadar yüksek değilse; üç fazlı anahtarlama yük ayırıcılarının kullanımı ile yapılabilir. Sigortalar ile kombine edilen yük ayırıcıları ise operatörden gelen sinyaller ile anahtarlama yapabilmelerinin yanı sıra; kısa devrelerde ya da uzun süreli aşırı akım durumlarında sigortanın erime elemanının erimesi ile ortaya çıkan sigorta vurucu piminden aldığı mekanik sinyal ile kendiliğinden de harekete geçerek üç fazlı açmaya gidebilirler. Giderek yayılmakta olan orta gerilim modüler hücrelerinin kullanımı, dahilde kullanılmak üzere üretilen hava yalıtımlı yük ayırıcılarının kullanımını da arttırmaktadır. Bu çözüm, uygulanabildiği değerler için kesiciye oranla çok daha ekonomik iken, bir önceki maddede anlatılan şartların sigorta üreticisi tarafından sağlanması şartıyla, ferrorezonans ihtimalini sigortalı ayırıcı kullanımına oranla neredeyse sıfıra çekmesi ile çok daha güvenilirdir. 6.9.1 Üç Fazlı Anahtarlama Yapabilen Cihazın Ferrorezonans Devresinde Yarattığı Farklılığın Benzetimlerle Ġncelenmesi Daha önce Bölüm 2.6.3‟te verilmiş olan modelin yeniden koşturulması ile yapılacak bu çalışmada sadece anahtarlama cihazı değiştirilmiştir. Daha önceki devrede tek fazlı anahtarlamayı modelleyebilmek için üç adet tek fazlı kesici kullanılmışken, Şekil 6.8‟de yeni halini alan devrede 3 fazlı anahtarlamayı modelleyebilecek şekilde 1 adet 3 fazlı kesici kullanılmıştır. Devrenin tüm diğer özellikleri Bölüm 2.6.3 verilmiştir. ġekil 6.8: Ferrorezonans olgusunu benzetimler ile inceleyebilmek amacıyla kurulan sistem 89 Şekil 6.9‟da verilen devre, tek fazlı anahtarlama neticesinde dağıtım transformatörünün primer tarafındaki A-fazı gerilimini, faz-toprak arasındaki haliye göstermektedir. Şekil 6.10‟da ise aynı devrede, devrenin aynı noktasında ve tüm başlangıç koşulları korunarak gerçekleştirilen 3-fazlı anahtarlamanın sonucu mevcuttur. ġekil 6.9: Tek fazlı anahtarlama sonucunda sistemde başlayan ferrorezonans ġekil 6.10: Üç fazlı kesmenin mümkün kılınmasından sonra ulaşılan sonuç 90 6.10 Tek Fazlı Anahtarlama Cihazlarının Gerilim Altında Operatör Tarafından El ile ÇalıĢtırılmasının Engellenmesi Üç adet tek fazlı anahtarlama cihazının kullanıldığı durumlarda, gerilim altında operatör tarafından anahtarlama yaptırılması engellenmelidir [15]. Kuzey Amerika dağıtım şebekeleri dahilinde, özellikle de kablo dağıtım şebekelerine bağlı transformatörlerin var olduğu sistemlerde branşman direkleri ile havai hattın yer altına geçiş yaptığı noktalarda bağlantılar “fuse-cutout” olarak bilinen, sigortalı tek fazlı ayırıcı ya da yük ayırıcısı görevi gören cihazlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Resim 6.4‟teki örnek, bu tür cihazlara için verilebilecek en donanımlı yapılardan biridir. Çünkü, ek olarak bir de ark söndürme hücresi içererek, 200A‟e kadar görünür yük akımlarını kesebilmektedir. Söndürme hücresinin altına doğru yer alan çengel ise bu alt bölümde bahsedilen operatör çalışmasını imkanlı kılan yapıdır. Bu çengele elindeki yalıtılmış manevra çubuğu ile ulaşan operatör bu çengelden çekerek bir fazlı anahtarlama yapabilir. İzole manevra çubuğu örneği de Resim 6.5‟te verilmiştir. Resim 6.4: Wzkuaili PRWG1-12FW marka ve tipli 12kV, hava yalıtımlı söndürme hücresi ihtiva eden “fuse-cutout” [18] 91 Resim 6.5: Güral Elektrik XS-36A marka ve tipli 36kV‟a kadar çalışmaya olanaklı izole manevra çubuğu [19] Resim 6.4 ve Resim 6.5‟te verilen ekipmanlar ile yapılacak çalışma ancak ve ancak tek fazlı anahtarlama olayının yaşanması anlamına gelecektir. Dugan‟ın 2003 yılında Kuzey Amerika‟da yaşanan ferrorezonans olaylarını örneklendirdiği çalışmasında bu duruma da değinilmiş ve Şekil 6.11‟de verilen çizim ile örnek güçlendirilmiştir. Örnek bir olayda, çok sayıda bina içeren bir site için 12.47kV seviyesinde bir yer altı dağıtım şebekesi kurmaktadır ve kablo hatlar çekilip transformatör bağlantıları da tamamlandıktan sonra sistemi deneme amaçlı olarak havai hattan kabloya geçişin yapıldığı direk üzerindeki tek fazlı, sigortalı ayırıcılar ile enerjilendirmiştir [15]. Yalıtımların sınanmasının ardından sistemin yeniden enerjisiz hale getirilmesi işinin başlaması ile problem ortaya çıkmıştır [15]. Sistemin sırası ile birinci ve ikinci fazları sigortalı, tek fazlı anahtar ile operatöre bağlı olan bir zaman farkı ile açılmıştır [15]. İkinci fazın açıldığı andan itibaren, sadece tek faz iletimde kalmıştır, transformatör daha önce rastlanmamış yüksek bir ses ile çalışmaya başlamıştır[15]. Manuel olarak bir izole manevra çubuğu kullanılarak yapılan operasyon ile üçüncü anahtarın açılması, bu tipteki yavaş anahtarlama çalışmasının söndüremeyeceği boyutta bir arkın yaşanmasına neden oluşmuştur [15]. Bu durum, büyük sürpriz yaşayan hat çalışanına yüksüz olduğuna emin oldukları sistemde beklenilmeyecek seviyede bir akımın varlığını göstermiştir [15]. Akımın kaynağı ferrorezonans olgusu iken ferrorezonansı tetikleyen enerjinin kaynağı yer altı kablo şebekesinin kapasitansı ve durumu tetikleyen olay ise yapılan tek fazlı anahtarlamalardır. 92 ġekil 6.11: Tek fazlı anahtarlama cihazlarının, insan eli ve zaman farklarıyla açılmasından kaynaklı ferrorezonans olayı, [15]‟ten uyarlanmıştır. 6.11 Kaynak Merkezinin Nötrünün Direnç Üzerinden Topraklanması Kaynak merkezinin nötrünün direnç üzerinden topraklanması ferrorezonansın etkisini azaltabilir [4]. Ferrorezonans bir sıfır serisi arızasıdır. Bu nedenle bu önlem bir sönüm sağlayabilir. Ancak, bu önlem alınmadan önce sistemin yapısına ne kadar uygun olduğu incelenmelidir. Bu inceleme yapılırken sistemin sahip olduğu koruma düzenlerinin işlevlerinin kaybedilmemesi için azami dikkat gösterilmelidir. Bu dikkatli çalışmanın sonucu olarak hedeflenmesi gereken sistemin ferrorezonansa olan yatkınlığının azaltılmasının yanında diğer arızalara karşı oluşturulan koruma düzeninin işini tam olarak yapabilecek şekilde kalması sağlanmalıdır. Şekil 6.12‟de daha önce de üzerinde çalışılan devrenin indirici transformatörü olan 380kV/33kV 93 transformatörünün orta gerilim sargısının nötr noktasının topraklamasına direnç eklenmiş hali görülebilir. ġekil 6.12: İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının direnç üzerinden topraklanması Şekil 6.13 ve Şekil 6.14 eklenen dirençlerin sırası ile 0 Ω (yani nötr noktası direkt topraklıdır) ve 20 Ω olduğu durumları göstermektedir. ġekil 6. 13: İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının direkt olarak topraklanması 94 ġekil 6.14: İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının 20 Ω değerindeki direnç üzerinden topraklı olduğu hal Verilen örnekle, yapılan önermedeki kesin olmayan fikir arasında bazı benzerlikler olabilir. Örneğin Şekil 6.15‟te dalga şeklinin görülebildiği benzetimde, nötr noktasına eklenen direnç 10 Ω‟dur. Direnç 10 Ω‟dan 20 Ω‟a çıkarken, Şekil 6.14‟te görüldüğü gibi, ferrorezonansın bastırıldığı açıktır. Ancak, Şekil 6.13‟te verilen grafik de incelendiğinde ferrorezonans olgusunun karmaşıklığına bir örnek daha verildiği görülecektir. Çünkü bu dalga şeklini veren benzetimde nötre eklenen direnç yoktur ve nötr direkt topraklıdır. Böylece, direkt topraklama sonucunda ferrorezonans sönümü en iyi, direnç 10 Ω iken en kötü ve direnç 20 Ω‟ iken direkt topraklamada elde edilen sonuca daha yakın sonuçlar elde edilmiştir. Bu durumda nötr noktasının direnç üzerinden topraklanması işi ferrorezonans etkisini azaltmak için yapılacaksa, önce sistemin çok iyi bir matematik modelinin çıkarılması veya bu yapılamıyorsa kullanılacak benzetim programı dahilinde yapılacak modellemenin daha önceki kısımlarda bahsedilen özellikleri sağlayacak şekilde oluşturulmalıdır. Doğru modeller kullanılarak nötr noktasının toprağa olan direncinin nasıl etkileyeceği ve eğer bu direncin kullanılmasına karar verilirse en doğru değerin ne olması gerektiği hesaplanmalıdır. 95 ġekil 6.15: İndirici transformatörün sekonder sargısının nötr noktasının 10 Ω değerindeki direnç üzerinden topraklı olduğu hal 6.12 Gerilim Ölçü Transformatörlerine Ferrorezonans Bastırma Devrelerinin Entegre Edilmesi Gerilim ölçü transformatörlerinin ferrorezonanstan korunması amacıyla sekonderlerine ferrorezonans bastırma devresi bağlanmalıdır. Ferrorezonans, sargılı tip (elektromagnetik) gerilim ölçü transformatörleri üzerinde daha büyük etki yaratmakta olduğu için Dorsey Çevrim İstasyonu‟nda kapasitif kuplajlı gerilim ölçü transformatörlerinin kullanımına geçilmiştir [10]. Ancak, kapasitif kuplajlı gerilim ölçü transformatörleri de ferrorezonanstan olumsuz etkilenirler ve ferrorezonansın yaşandığı durum süresince normaldekine oranla aşırı derecede bozulmuş sekonder cevabı verirler [20]. Ferrorezonans bastırma devresi, sistemde aşırı gerilimlerin oluşması ile gerilim ölçü transformatörünün sekonderine yük eklenmesini ve böylece ferrorezonanstan kaçınmak için yukarıda değinilen yüksüz çalışmama zorunluluğunu sağlar. Ferrorezonans bastırma devreleri, olgununun gerilim ölçü transformatörleri açısından tehlikesi azaltmak adına farklı topolojilerde olabilirler. Bazı FSC (ferroresonance suppression circuit-ferrorezonans bastırma devresi) yapıları olgu esnasında gerilim ölçü transformatörüne yük olarak metal-oksit parafudrları eklerken bazıları ise doyabilen endüktanslar ekler [20]. Günümüzde pek çok gerilim ölçü transformatörü 96 FSC donanımına sahip olarak sistemlere eklenir. Ancak, sistem yapısı ve korunacak gerilim ölçü transformatörünün sahip olduğu özelliklere göre FSC topolojisi seçilmeli böylece ferrorezonansın etkisi söz konusu cihazlar üzerinde minimize edilmelidir. FSC yapısının tayini için sistem modeline FSC modeli de dahil edilerek benzetimler yapılabilir ve en etkili topoloji seçilebilir [20]. Şekil 6.16, Dorsey Çevrim İstasyonunda yaşanan ferrorezonans durumunun ve sistemin modelleri üzerinde yapılan benzetimler sonucu olarak ulaşılan ve FSC varlığının etkisini gösteren dalga şekillerini içerir. ġekil 6.16: FSC varlığının ferrorezonansın oluşması halinde sisteme sağlayacağı katkı, [9]‟dan uyarlanmıştır 6.13 Gerilim Ölçü Transformatörlerinin Tersiyer Sargılarına Direnç Eklenmesi Tersiyer sargıya sahip olan gerilim ölçü transformatörlerinin açık üçgen şeklindeki tersiyer sargılarında faz eklenmelidir [5]. arasına uygun şekilde boyutlandırılmış dirençler Tersiyer sargı kullanılmasının amacı dengesiz çalışma durumlarında dengesizliğin etkilerini transformatör açısından ortadan kaldırmaktır. İyi modellenen bir sistemde devre çözümü ya da benzetimler sonucu ulaşılan değerlere sahip dirençler, gerilim ölçü transformatörlerini ferrorezonanstan koruyabilecek olan sürekli sekonder yükü teşkil ederler. Norveç örneğinde, arıza öncesinde tersiyer sargıda faz sargıları arasında 60 Ω olarak bağlanmış yükün, arıza 97 sonrası yapılan çalışmalarda yetersiz olduğu ortaya çıkmış ve direncin 10Ω‟a çekilerek yükün 6 katına çıkarılması gerektiği belirlenmiştir [5]. Daha yüksek maliyetli dirençler üretici açısından tercih edilmemek istenebilir; ancak, bu dirençler gerilim ölçü transformatörünün korunmasını ve dolayısı ile çok daha büyük bir masrafın oluşmasını engellediği sürece mantıklı bir maliyet artışıdır. Ferraci‟nin 1998‟de yayımladığı çalışmasında ferrorezonans olgusundan kaynaklı çok sık kayıpların yaşandığı gerilim ölçü transformatörlerinin korunmasında belirlenecek sekonder yük için hesaplama kriteri verilmiştir. Bu hesaplama yöntemi, tek bir sekonder sargının olduğu hal için Denklem 6.1‟de ve biri tersiyer olmak üzere iki sekonder sargının olduğu hal için Denklem 6.2‟de verilmiştir [4]. Tek sekonder sargı halinde: Rminimum= US2 / (k* (Panma – Pölçü aletleri) (6.1)[4] Çift sekonder sargı halinde: Rminimum= (3√3)*US2 / Pe (6.2)[4] Bu denklemler de US, sekonder sargı (faz-toprak) gerilimi iken; Panma, Pe ve Pölçü aletleri sırası ile gerilim ölçü transformatörü, tersiyer sargı ve ölçü aletleri için atanan anma termal güçleridir [4]. Burada verilen direnç değerleri gerilim ölçü transformatörlerine bağlanabilecek en büyük, sürekli yüklerin belirlenmesi amacı ile verilmiştir. Sekonder yük büyüdükçe ferrorezonanstan uzaklaşılacağı düşüncesi ile yükü olabildiğince arttırmak, ölçü transformatörünün aşırı ısınmadan ötürü hasar almasına neden olmamalıdır. Direncin en büyük değeri ise gerilim ölçü transformatörürün karakteristiğine bağlıdır. Direnç değeri ferrorezonans ihtimalini azaltacak kadar küçük, ölçü transformatörünün yanmasına izin vermeyecek kadar büyük olmalıdır. Çarpan olarak Denklem 6.1‟de verilen k faktörü, hesap hatalarını ve sistem durumlarını hesaba katabilmek için IEC 186‟da belirtilen, 0.25 ile 1 arasında değişen bir skalerdir. 98 6.14 Sisteme Seri Olarak Endüktansların Eklenmesi Bu pratik çözüm önerisi diğer bazı öneriler gibi sistemin iyi bilinmesini ve iyi şekilde modellenebilmiş olmasını gerektirir. Sistemde her faza eşit değerli olarak yerleştirilen seri bobinler ferrorezonans olgusunun varlığı halinde sönüm yaratılmasına katkıda bulunacaktır. Ancak, sisteme bu amaçla eklenen seri endüktansların değerlerinin çok iyi hesaplanması gerekmektedir. Bu hesabın temelinde sistemin anma gerilimi ve anma frekansı altında sahip olduğu kapasitanstan kaynaklı kapasitif reaktans ile sistemde hali hazırda var olan endüktanslara ek olarak gelen bobinin katkısı ile oluşan toplam endüktif reaktansın büyüklüklerinin birbirlerine eşit olmalarından kesinlikle kaçınmak vardır. Eğer bu eşitlik sağlanırsa sistem lineer rezonansa sürüklenebilir. Ancak, sadece temel frekans ve normal çalışma durumlarının yanı sıra sistemin pek çok farklı çalışma durumları da modellenmeli ve eklenen endüktans değerinin, her hangi bir çalışma halinde, sistemi olduğundan daha kötüye götürmemesi gerekir. Şekil 6.17‟deki devrede seri bobinlerin eklendiği noktalar işaretlenmiş olarak görülebilmektedir.Denemenin modelinin temelini Şekil 6.8‟deki devre oluşturmaktadır. Farklı olarak, ferrorezonans olgusunun sistemde yaşatılabilmesi için 154kV iletim hattındaki yük kaldırılmıştır. Düzensiz anahtarlama ise orta gerilim şebekesinden kaldırılarak yüksek gerilim şebekesi üzeride gerçekleştirilecek şekilde düzenlenmiştir. Ferrorezonans olgusunun oluşması için gerekli olan en önemli bileşenlerden olan lineer olmayan, doyabilir endüktansın kaynağı bu modelde 154kV/34.5kV indirici transformatörüdür. Bu transformatörün yüksek gerilim sargılarına ait bağlantı şekli üçgendir. Ek olarak uzun bir havai hat ile beslendiğine de dikkat edilirse, sistem kapasitansının önemli ölçüde olacağı sonucuna varmak yanlış olmayacaktır. Ferrorezonans olayının yaşanması garanti altına alınmaya çalışılarak, ferrorezonans devresine eklenen seri endüktansın etkisi araştırılacaktır. Ferrorezonansın sağlanabilmesi adına transformatörün orta gerilim tarafına bağlı yük orta gerilim, kablo hattının başındaki kesicinin açılması ile kaldırılmıştır. Şekil 6.18, devreye her hangi bir seri bobin eklenmemişken anahtarlamanın yapılması halini göstermektedir. Sistem ferrorezonansa girmektedir. Bundan sonra, sisteme seri bobinlerin eklenmesi ile araştırılmak istenen olgu üzerinde çalışılmaya başlanabilir. Şekil 6.19, Şekil 6.20 ve Şekil 6.21 sırası ile 154kV iletim hattına seri olarak 0.01H, 0.02H ve 0.04H değerlerinin eklenmesi ile ferrorezonans halindeki değişimi gösterir. 99 ġekil 6.17: Sisteme seri bobin eklenmesinin ferrorezonans üzerindeki etkisini incelemek amacıyla kurulan devre ġekil 6.18: Sisteme her hangi bir ekleme yapılmadan önceki ferrorezonans durumu ġekil 6.19: Seri bobinin değerinin 0.01 H olduğu halde meydana gelen ferrorezonans olgusunun sonucu 100 ġekil 6.20: Seri bobinin değerinin 0.02 H olduğu halde ferrorezonans olgusunun sonucu ġekil 6.21: Seri bobinin değerinin 0.04 H olduğu halde ferrorezonans olgusunun sonucu Daha önceki kısımlarda ulaşılan benzer sonuçlara paralel olarak, yine ferrorezonans durumu ile ilgili lineer bir karakter yakalanamamıştır. Bu nedenle sistemde bu uygulamanın yapılması isteniyorsa sisteme ait çok iyi bir model üzerinde çalışmalar yapıldıktan sonra endüktansların değerine karar verilmelidir. Unutulmamalıdır ki, ferrorezonans çok karmaşık bir olgudur. 6.15 Ferrorozonansı Tanıyabilen Rölelerin Üretilmesi ve Kullanılması Ferrorezonansı tanımlayabilen röle uygulamalarının yapılabilmesi halinde, bu modüller pek çok korumayı barındıran dijital rölelere eklenmelidir. Ferrorezonansın belirlenen süre içerisinde sönümlenememesi söz konusu olursa, daha önce önerilen 101 üç fazlı anahtarlama yapabilen cihazlar ile ferrorezonansın sistemden temizlenmesi sağlanır. 6.16 Nötrü TopraklanmamıĢ Transformatörün Enerjilendirmede Geçici Olarak Topraklanması Nötr noktası ulaşılabilecek şekilde olan; ancak, sistem yöneticileri tarafından bu noktanın yalıtılmasının uygun görüldüğü transformatörler daha önceki bölümlerde anlatılan ve bir ferrorezonans prensibi gibi kabul edilebilecek hattın ve transformatörün toprağa karşı aynı düzene sahip olması halini sağlayamayabilirler. Sahip olunması istenen bu düzen, olgudan daha kolay korunabileceği çıkarımına uymak konusunda başarısız sayılabilirler. Çünkü, enerji üretiminin yıldız noktasının topraklandığı Türkiye sistemi gibi sistemlerde toprağa karşı olan kapasitans eğer engellenemiyorsa, ferrorezonansı tetikleyecek bir olaydan sonra transformatör çekirdeğinin doymaya gitmesi her an mümkün olabilir. Bu nedenle, transformatörün sargı bağlantı şekli, anahtarlama olayı öncesinde Çizelge 4.1‟deki sargı tiplerinden birine benzetilir ve anahtarlama olayının tüm geçici etkileri temizlenene kadar bu şekilde tutulursa ferrorezonansın yaşanması ihtimali önemli ölçüde azalacaktır [4]. Sistem normal çalışma haline girdiğinde nötr noktasının topraklaması kaldırılabilir. 6.17 Gerilim Ölçü Transformatörlerine Kablo Hattının Uzunluğu ile Orantılı Sürekli Yük Eklenmesi Gerilim ölçü transformatörlerinin ferrorezonanstan korunmasının sağlanabilmesi için uygulanabilecek sekonder yük hattın uzunluğuna özellikle orta gerilimde kablo hattının uzunluğuna bağlı olarak arttırılmalıdır. Kablo hata bağlı bir gerilim transformatörünün varlığı durumunda eğer hat boyu 2km civarında ya da daha uzun ise en azında gerilim ölçü transformatörünün %20‟si kadar sürekli yük ile yüklenmesi gerekmektedir [1]. 102 7. DAĞITILMIġ ENERJĠ ÜRETĠMĠ VE FERROREZONANS 7.1 Amaç Bu bölümün amacı, günümüzde giderek yaygınlaşan dağıtılmış enerji üretimlerinin ferrorezonansa olan yatkınlıklarının incelenebilmesi ve olguya karşı alınabilecek önlemler ile ilgili önerilerin sunulabilmesidir. 7.2 Genel Çevre sorunlarının sadece insanlık açısından değil gezegen açısından da tehdit oluşturmaya başladığı son yıllarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının arttırılması, kirliliğin geriye döndürülmesi başarılamayacaksa da en azından artışının yavaşlatılabilmesi düşüncesi ile kamuoyu tarafından çok büyük destek gören bir çalışma alanıdır. Bu tip enerji üretiminde enerji kaynağının maliyetsiz oluşu, özellikle Türkiye gibi petrol ve türevlerinin doğal kaynak olarak bulunmadığı ülkelerde ekonomik açıdan da ilgi çekicidir. Türkiye‟de en yaygın olan yenilenebilir enerji kullanan üretim alanları rüzgar enerjisi santralleri ve akarsular üzerinde kurulan su toplama işi yapmaksızın sadece akan suyun enerjisinden yararlanan hidrolik santrallerdir. Önemli oranda popüler olan bu yenilenebilir enerji uygulamaları, gerek merkezi yönetimin destekleri gerekse de yatırımcıların faaliyetleri neticesinde son yıllarda önemli oranda artmıştır. Özellikle rüzgar enerjisi kullanarak enerji üretmek için kurulan sistemler arasında çok büyük çeşitlilikler mevcuttur. Bu farklılıklar, kaynaklarını sadece santrallerin güçleri arasındaki büyük çeşitlilikten değil, kullanılan üreteçlerin yapıları ve sisteme bağlanılan gerilim seviyeleri gibi göz ardı edilemez farklardan da alır. 2010 yılının sonları ve 2011 yılının başları itibariyle Türkiye‟de rüzgar enerjisinden faydalanarak elektrik enerjisi üreten sistemler açısından var olan uygulama, 500kW‟a kadar olan kurulu güçler için üretecin şebekeye bağlanması zorlaması yokken; bu değerin üzerinde anlık üretim kapasitelerine sahip yapılar mutlaka 103 sisteme bağlanmalıdır. Rüzgar kullanan santraller arasında önemli farklardan biri, yukarıda da değinildiği gibi bağlantı gerilimi seviyesidir. Genellikle, göreceli olarak, daha küçük olan santraller orta gerilim dağıtım şebekesinden sisteme dahil olurken, büyük olanlar sahip oldukları şalt sahaları aracılığı ile yüksek gerilim iletim şebekesi üzerinden sisteme bağlanırlar. Dağıtılmış enerji üretiminin, dağıtım şebekesi dahilindeki pek çok bağlantı noktasından faydalanarak sisteme girmelerindeki artış, sistem korumasının pek çok yeni ve zorlayıcı durum karşısında da koruma yapması gerekliliğini doğurur [21]. Dağıtılmış enerji üretimi santrallerinin bağlandıkları ve sisteme enerji pompaladıkları pek çok noktada var olan techizatlar, bu tarz enerji üretiminin getirdiği ek özellikler düşünülmeksizin, seçilerek devreye alınmıştır. Söz konusu uyumsuzluklar koruma sistemlerinin uygunsuz çalışmasına neden olabilmektedir. Dağıtılmış enerji üretimlerinin şebekeye bağlanmaları ile artış gösteren koruma sistemi sorunları; röle hassasiyetlerindeki azalma, otomatik yeniden kapamalı kesicilerin senkronizasyonlarını kaybetmeleri, hatalı açtırmalar, istem dışı geçilen ada çalışmalar ve ferrorezonanstır [21]. Dağıtılmış enerji üretimi yapan santraller için kurulan koruma sistemleri bağlandıkları barada meydana gelen anormallikler halinde generatörlerin korunması amacıyla, 10-30 periyot içinde generatörü sistemden ayırırlar. Bu noktada, daha önceki bölümlerde değinilmiş olan gerçek durum örneklerinden , dağıtılmış enerji üretimi ile ilgili çalışmayı hatırlamakta fayda vardır. Dugan‟ın 2003 yılında, orta gerilim şebekesi dahilinde meydana gelen ferrorezonans durumlarını incelediği çalışmasında, dağıtılmış enerji üretimi yapan sistem parçasının şebekede meydana gelen bir arıza sonucunda generatör korunmak için en kısa sürede koruma devresi tarafından sistemden ayrılış ve önündeki transformatörü yüksüz olarak sistemde bırakmıştır. Şekil 6.22‟de anahtarlamalar sonucunda sistem parçasının yeni hali verilmiştir. Yüksüz olarak arızalı sisteme bağlı kalan transformatöre gelen fazlardan birinin üzerindeki sigortanın erimesi ile tek fazlı hat kaybı yaşanmış ve transformatör ferrorezonansa sürüklenmiştir [15]. 104 ġekil 7.1: Dağıtılmış enerji üretimi ile orta gerilim şebeke bağlantısının arıza sonucu yeni hali 7.3 Ferrorezonansa Uğrama Potansiyelindeki DağıtılmıĢ Enerji Üretimi Sisteminin Benzetimler ile Ġncelenmesi Şekil 7.1‟de verilen şemada oluşturulan yeni devre yapısının ferrorezonansa girme ihtimalinin varlığı daha önceki bölümlerde, ferrorezonansın özelliklerinin tartışılması ve bunların benzetimler ile irdelenmesi sonucunda elde edilen birikim ile rahatlıkla söylenebilir. Ancak, söz konusu olan konunun güncel önemi ve bu öneme paralel olarak çektiği ilgiden ötürü okuyucunun faydalanabileceği bir benzetim modeli hazırlanmış ve Şekil 7.2‟de sunulmuştur. Dağıtılmış enerji üretimi yapan tesislerin maruz kalabilecekleri ferroreoznans olaylarından biri olan olayın Şekil 7.2‟deki modeli kurulurken, 3MW‟lık rüzgar türbinine bağlanmış olan senkron generatörün modeli PSCAD 4.2.1 sürümünde mevcut olan örnek çalışmalardan alınmıştır. Rüzgar generatörü orta gerilim şebekesine bir yükseltici güç transformatörü aracılığı ile bağlanmıştır. Acil durumlarda generatörü sistemden alabilmek için generatör ile transformatör arasında üç fazlı bir kesiciye yer verilmiştir. Transformatör ile orta gerilim şebekesini temsil eden üreteç arasında ise, sigorta çalışmasını benzetebilmek için 3 adet tek fazlı kesici eklenmiş ve açma süreleri belirlenmiştir. Buna göre 34,5kV seviyesindeki hattın C fazında bir faz-toprak kısa devresi 15inci saniyede başlar. 105 ġekil 7.2: Dağıtılmış enerji üretimi yapan rüzgar enerjisi santralinin ferrorezonansa uğramasının incelenmesi için hazırlanan PSCAD modeli 106 Arızanın ortaya çıkmasından hemen sonra generatörün önünde yer alan ve BRK olarak isimlendirlen kesici açmaya gitmiştir. Kesicinin açmasınıdan 100ms sonra, BRKC olarak isimlendirilen tek fazlı kesici, sigorta erime elamanının erimesini benzetmek amacıyla açılmıştır. Şekil 7.3, 60 saniyelik benzetim sürecinde arıza anını, ferrorezonansın başlangıcını ve yaklaşık 10 saniye içerisindeki sönümünü göstermektedir. Uzun süren çalışmanın toplamını göstermek amaçlı olan Şekil 7.3‟e bakarak oluşan aşırı gerilimlerin ferrorezonanstan kaynaklanmasının anlaşılması zor olacağı için şekildeki grafikte süre daraltılarak Şekil 7.4 elde edilmiştir. ġekil 7.3: Dağıtılmış enerji üretimi yapan sistem parçasında ferrorezonans Şekil 7.4‟te daha dar zaman aralığı için incelenen anormal dalga şeklinde görülecektir ki dalga şeklinin frekansı sistem frekansından açıkça düşüktür. Ek olarak gerilim dalga şeklinin yapısının bir de tepeden başlayarak sıfıra yakınsayan bir eğri içerdiği gözlemlenebilir. Bu durumda, sistem cevabı iki farklı frekansın toplamı gibi davranmaktadır. Bu haliyle yarı-periyodik ferrorezonansına denk gelmektedir. Bu ferrorezonans hali ile zorlanan, sistemdeki güç transformatörüdür. Ancak, eğer generator sistemde tutularak C fazı üzerindeki kısa devrenin devamı beklenir ve sigorta erimesi ile başlayacak olan ferrorezonanans hali ile generatörün bir arada bulunmasının sonuçları incelenecek olunursa ters besleme neticesince arıza noktasında gerilimin sürekli kaldığı görülecektir. Şekil 7.5‟te sönümün oluşmadığı 107 görülebilmektedir. Bu durumun ne kadar devam edebileceğini ise, tüm koruma sistemi devre dışı bırakıldığı için 2MW gücündeki generatörün ısıl kapasitesi belirler. ġekil 7.4: Dağıtılmış enerji üretimi yapan sistem parçasında ferrorezonans geriliminin dalga şeklinin ayrıntılı incelenmesi ġekil 7.5: Generatörün koruma düzeni devre dışı iken, arızanın tersten beslenmesi 108 Gurkiran ve Vaziri tarafından 2006 yılında yayımlanan makalede, sistemde bir arıza sonucunda dağıtılmış enerji üretimi yapan sistem parçası ada çalışma konumuna geçtiğinde, eğer yeterli boyutta kapasitif bileşen içeriyorsa kendi çalışması ile ferrorezonansa sürüklenebilir. Böyle bir olayın yaşanabilmesi için gerekli olan durum bileşenleri; generatörün ada çalışması yapıyor olması, generatör ile beraber, aynı anahtarlama sonucundan ada konumunda kalan yükün generatör tarafından beslenebilmesi gerekmektedir [21]. Ek olarak adada kalmış ve generator gücünün %30 ile %400 arasındaki kapasitans ve yine adada doyabilen, lineer olamayan endüktans görevini görebilen bir de transformatör olmalıdır. Bilim insanlarının yukarıda sıraladığı bu gereklilikler sağlanacak şekilde Şekil 7.2‟deki devre revise edilmiş ve Şekil 7.6‟daki devre modellenmiştir. Arıza ve tüm kesici anahtarlamalarının hepsi bir önceki benzetimle aynen korunmuş; ancak, transformatör 3-fazlı kesme yapabilen kesicinin arkasına alınmış, generatör ile kesici arasındaki kapasitif sığa yükseltilmiş ve generatörün %10 boyutunda aktif, %5boyutunda da reaktif yüklenmiş bir yük adaya eklenmiştir. ġekil 7.6: Generatör ve transformatörün ada çalışmada beraber olarak modellendiği devre Şekil 7.6‟daki devre PSCAD üzerinde koşturulduğunda elde edilen gerilim dalga şekli, Şekil 7.7‟de verilmiştir. Şekil 7.8‟de ise generatörü dödüren türbinden gelen torktaki değişim gösterilmiştir. Açıktır ki tork ile transformatör çıkışındaki gerilim birbirlerine paralel artış izlemiş ve tork değeri ferrorezonanstan kaynaklı yeni kararlı 109 çalışma noktasına oturulması ile sabit bir değer almıştır. Ferrorezonans olayı açıkça görülebilmektedir. ġekil 7.7: Generatör ve transformatörün ada çalışmada beraber olarak modellendiği devrenin sonucu ġekil 7.8: Ada çalışmada generatörü döndüren torkun değişimi 110 Bilim insanlarının adada generatör ile birlikte olması gerektiği öngörülen yükün boyutu ile oynanarak deneme yapılır. Yükün rezistif bileşeni generatör gücünün %50‟sine denk gelecek kadar yükseltildiğinde, Şekil 7.9‟daki sonuca ulaşılır. Görülür ki yükün sönüm etkisi bu durumda da çalışmıştır. ġekil 7.9: Ada çalışmasında yükün rezistif bileşeni generatörün anma gücünün %50‟sidir 7.10‟daki grafikte ise genaratörü döndüren torkun değişimi incelenmektedir. Tork ile gerilim eğrileri yine parallellik sergilemiştir. Ancak, tork gerilimdeki ani değişim gibi hızlı değişimler sergilememiştir. Bu durumun nedeni ise torku etkileyen yapılardan biri sistemdeki arızadan hiç etkilenmeyen rüzgardır. Bu nedenle çok hızlı bir değişimin izlenememesi normal kabul edilebilir. ġekil 7.10: Ada çalışmasında yükün rezistif bileşeni generatörün anma gücünün %50‟si iken torkun değişimi 111 7.4 DağıtılmıĢ Enerji Üretiminin Ferrorezonanstan Korunması Ġçin Öneriler Yukarıda yapılan benzetim çalışmaları sonucunda, dağıtılmış enerji üretimi yapan sistem parçalarının ferrorezonanstan korunabilmesi için şu çıkarımlar yapılabilir: 1- Sistemde oluşabilecek her hangi bir anormalliğin daha önceden belirlenen sınırların üzerinde istenmeyen sonuçlar doğurması halinde ada çalışmaya geçmekten kaçılmamalı ve geçilmelidir. Daha önceden belirlenen sınırlar, üretecin toplam gücü, generatörün ve diğer cihazların ısıl kapasitesi ve anma kısa devre gücü gibi parametreleri göz önünde bulundurularak belirlenmelidir. Amaç, ada haline geçmek için oluşması gereken en küçük bozulma oranını bulabilmek, bu noktaya kadar sistemde kalmaya devam etmektir. Bir tür optimizasyon çalışması olan bu araştırma sürecinin sonunda elde edilecek sınır değerleri bilgisinin en iyi şekilde kullanılması ile sistemde büyük sorunlar yaratmayacak olaylar sonusunda üretecin ferrorezonansa sürüklenmesi engellenebileceği gibi; üretece zarar verecek durumlarda ise üretec sistemden yalıtılmış olacaktır. 2- Ada çalışmanın yapılacağı kısımın tüm verileri iyice bilinmeli ve sistem üzerinde yapılacak değişikliklerin nasıl sonuçlanacağını bilebilmek adına daha önceden hesaplamalar ya da benzetimler yapılmalıdır. 3- Ada çalışması halinde, ada sınırları içerisinde kalacak olan kapasitif elemanların büyüklüğünün düşürülmesi mümkün değilse, ada çalışma başlar başlamaz devreye girebilecek olan sönüm amaçlı rezistif yükler bulundurulabilir. Bu yüklerin devreye girmesi sistem yükünü ve yükün yapısını takip edebilen bir analizör, bir bilgisayar programı ve doğru anahtarlama elemanları ile yapılabilir. Böylece, ada içinde hali hazırda yük varsa sönüm dirençleri devreye alınmaz. 112 8. SONUÇ VE TARTIġMALAR Elektrik enerji sistemlerinde rastlanabilecek en karmaşık olgulardan biri olan ferrorezonans hakkında bu çalışma süresince literatür çalışması, olgunun özelliklerinin incelenmesi, olgunun hassasiyet gösterdiği faktörlerin açıklanması yapılmış, konu gerçek hayattan alınan olayların açıklama ve incelemeleri ile örneklenmiştir. Gerek olgunun görsellenebilmesi gerekse de ileri sürülen görüşlerin tartışılabilmesi için çok sayıda PSCAD modeli oluşturulmuş ve bu modellerin koşturulmsı sonucunda elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Benzetimler süresince, olgu üzerinde belirtilen görüşün objektif olarak irdelenebilmesi için, deneyler sadece 1‟er parametrenin değiştirilip, diğerlerinin sabit tutulması ile çalışmalar yürütülmüştür. Tüm benzetim sonuçları ilgili konu başlıkları altında incelendiği gibi, farklı konulara değinilirken daha önceki bölümlerde tanıtılmış modeller yeniden kullanılmış; böylece karşılaştırma olasılıkları da yaratılmaya çalışılmıştır. Çalışmanın en önemli kısımlarından biri olarak, ferrorezonansın daha önceden tahmin edilemeyecek olmasına ragmen risk analizlerinin doğru yapılamasını sağlayacak olan dallanma grafik ve eğrileri anlatılmıştır. Doğru modellemenin önemi açıklanmış ve özellikle transformatör modellemesinin doğruluğunun ne denli etkili olduğunun altı çizilmiştir. Ferrorezonansa karşı sistemler dahilinde ve sistemlerin kurulumları aşamasında uygulanması halinde olgunun ihtimalini düşürecek olan önerilerde bulunulmuştur. Ortaya çıkan tartışma konularından biri kaynağını buradan almaktadır. Çünkü, çalışmada önerilen anahtarlama cihazları, anahtarlamalı cihazlar ile gerekli halde sisteme yükü sokan ve gereksiz ise çıkaran cihazların kullanımı ve sistemin çok iyi modellenmesi gerekliliği gibi öneriler yükseltmektedir. 113 genelde sistemlerin maliyetlerini Bu durumda, tartışma, bunca yatırımı yapıp bu cihazları almanın ve yıllar boyunca hiç karşılaşılmayabilinecek ferrorezonans için büyük miktarlarda parayı harcamanın ne kadar doğru olduğudur. Bu tartışma için çalışmayı hazırlayanın net bir cevabı olamaz. Ancak, sistemin çok iyi bir fizibilitesinin yapılması gerektiği önerilebilir. Bu fizibilitede, korunacak sistemin müşterilerinin enerji kesilmlerininden ne kadar etkileneceği ve sistem üzerinde var olan özellikle güç transformatörleri ve gerlilim ölçü transformatörlerinin kaybının ne düzeyde bir masraf yaratacağı hesaplanmalıdır. Fizibilitenin sonucu olarak karar verilebilir. Ancak, burada çalışmada altı sık sık çizilmiş olan devrelerin modellenmesine duyulan ihtiyacın kaçınılmaz olduğu bilinmelidir. Ancak ve ancak iyi modeller sayesinde sisteme yapılacak yatırımların ferrorezonansa yatkın bir sistem yaratmayacağından emin olunmalıdır. Çalışmanın son kısmında yapılan dağıtılmış enerji sistemleri üzerindeki ferrorezonans olayının incelenmesindeki amaç, son dönemde iyice yaygınlaşan dağıtılmış enerji üretimi santrallerine ait cihazların sağlıklarının korunmasıdır. Bu başlık altında da, sistemin korunmasi için yapılan ve temelini sistem yükünün sürekli takibine dayayan öneri de tartışılabilir. Ancak, büyük paralar harcanarak yapılan pek çok yatırımın neredeyse yatırım masrafı kadar koruma sistemlerine masraf yapılması gelişmiş ülkelerde çok yaygın olan ve gelecekte ülkemizde de yaygınlaşması kaçınılmaz olan bir akımdır. Çalışma, gerek var olan sistemlere yeni kısımların eklenmesi ya da yeni; ancak, çok sayıda bara ve eleman içermesi ile karmaşıklaşan sistemlerin korunması amacıyla manevralardan once alınabilecek önlemleri vermesiyle, gerekse de dağıtılmış enerji üretimi yapan sistemlerinin uzun süreler güvenle çalışması amacıyla yapılan çalışmalarda ferrorezonansın da dikkat edilmesi gerekli olan bir olgu olduğunu göstermesi ve aranacak çözümleri kolaylaştıracak önerilerde bulunması ile uygulama alanlarına sahiptir. 114 KAYNAKLAR [1] Santosa, S., Dugan, R. C., Grebe, T. E., ve Nedwick, P., 2001: Modelling Ferroresonance Phenomena in an Underground Distribution System. www.ipst.org/TechPapers/2001/IPST01Paper034.pdf. Alıntılama Tarihi : 20. Nisan. 2010 [2] IEEE, 2008. IEEE Guide for Application of Transformer Connections in ThreePhase Distribution System, s. 20-27. Date of Approval: June 2, 1977. Date of Affirmation March 27, 2008. [3] Emin, Z., Al Zahawi ,B. A. T., Auckland, D. W., ve Tong, Y. K., 1997: Ferroresonance in Electromagnetic Voltage Transformers: A Study Based on Nonlinear Dynamics Ferroresonance in a High Voltage Power Sistem. IEE Proc. Gener. Transm Distrib., Vol. 144, No:4, s.383-387. [4] Ferracci, P., 1998: Ferroresonance. Cahier Technique Schneider, Vol. 190 . www.schneiderelectric.com. Alıntılama Tarihi: 15. Haziran. 2010 [5] Iravani, M. R., Chaudhary, A. K. S., Giesbrecht, W. J., Hassan, I. E., Keri, A. J. F., Lee, K. C., Martinez, J. A., Morched, A. S., Mork, B. A., Parniani, M., Sharshar, A., Shirmohammadi, D., Walling, R. A., ve Woodford, D. A., 2000. Modelling and Analysis Guidelines for Slow Transients – Part: The Study of Ferroresonance. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 15, No.1, s.255- 265. [6] Araujo A. E. A.,Soudack A. C., ve Marti J. R., 1993: Ferroresonance In Power Systems: Chaotic Behaviour, IEE Proceedings C, Vol. 140, No:3. [7] Tong Y.K., 1997: NGC Experience on Ferroresonance in Power Transformers on HV Transmission Systems. IEE, Savoy Place, Londra, 1997. IEEE Explore‟dan alıınmıştır. Alıntılama Tarihi: 8.Şubat.2009 [8] Zhou, L. X., ve Yin, Z. D., 2007: Research on Ferromagnetic Resonance Region and the Controllable Damping. IEEE, PowerTech, 2007. [9] Jacobson D., 2003: Examples of Ferroresonance in a High Voltage Power System-sunumu. IEEE Power Engineering Society 2003 General Meeting, July 13-17, Toronto, Ontario. [10] Jacobson D., 2003: Examples of Ferroresonance in a High Voltage Power System. IEEE Power Engineering Society 2003 General Meeting, July 13-17, Toronto, Ontario. [11] Morkyani, M., ve Haghifam, R., 2007: Identification of Ferroresonance Based on Wavelet Transform and Artificial Neural Networks, IEEE Manuscript receiving date: 2007. 115 [12] Mozaffari S., Sameti M., ve Soudack A.C., 1997: Effect of Initial Conditions on Chaotic Ferroresonance in Power Transformers. IEE Proceedings, General Transmission Distribution., Vol. 144, No:5, s.456-460. [13] Huawei L., ve Fan Y., 2007: Impact of Breaker Operations on Ferroresonance in Power Systems. The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments ICEMI’2007IEEE 2007. [14] Smith, K., n.d.: Wind Farm Transformer Inrush Studies. PSCAD Application Notes. https://pscad.com/resource/File/Library/Application_Note__Wind_Farm_Transformer_Inrush_Studies.pdf. Alıntılama Tarihi: 18.Kasım.2010 [15] Dugan, R. C., 2003: Examples of Ferroresonance in Distribution Systems. http://www.ece.mtu.edu/faculty/bamork/FR_WG/Panel /DuganPanel.pdf . Alıntılama Tarihi : 12.Mayıs.2010 [16] SIEMENS, n.d.: High Voltage Circuit-Breakers 3AP1/2 72.5kV up to 550kV. www.hv-circuit-breaker.com. Alındığı Tarihi: 21.Ekim.2010. [17] ABB, n.d: Type PMI, 362 kV, up to 63 kA Power Circuit Breaker. www.abb.com. Alındığı Tarihi: 21.Ekim.2010. [18] Url 1: <http://en.wzkuaili.com/fuse-cutout/89.html>, alındığı tarih:11.Kasım.2010. [19] Güral Elektrik, n.d: Insulating Sticks. www.guralelektrik.com. Alındığı Tarih: 13.Kasım.2010. [20] Graovac, M., Iravani, R., Wang, X., ve McTaggart, R. D., 2003. Fast Ferroresonance Suppression of Coupling Capacitor Voltage Transformers. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 18, No. 1, s.158-163. [21] Gurkiran, K., ve Vaziri, M., 2006: Effects of Distributed Generation (DG) Interconnections on Protection of Distributed Feeders. IEEE Explore‟dan alınmıştır. Alınma Tarihi: 21.Temmuz.2010 . 116 ÖZGEÇMĠġ Ad Soyad: Ömer KARA Doğum Yeri ve Tarihi: ĠZMĠR-19.05.1985 Adres: Soğanlık Orta Mahalle, Yalnız Selvi Caddesi No:38, Uplife Park Sitesi, D Blok, Daire:55, 34880, Kartal-Ġstanbul, Türkiye. Lisans Üniversite: Ġstanbul Teknik Üniversitesi 117
