154 kV bir iletim şebekesinin kapalı(ring) sisteme dönüşmesiyle çift taraflı beslenen trafo merkezlerinde bara kısa devre incelemesi
Short circuit analysis of substations' busbars supplied by double feeder with upgrading of 154 kV transmission network to closed-loop system
Yazar: BİLAL ERİM
Danışman: PROF. DR. AYŞEN DEMİRÖREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik üretimi, iletimi ve dağıtımı sektörü, teknolojik gelişmeler sonucu artan bireysel elektrik kullanımı ve sanayi tesislerinin enerji talebi nedeniyle hızla gelişmektedir. Üretim ve tüketim merkezlerinin birbirine bağlanarak enerji alışverişinin gerçekleştiği ve arz-talep dengesinin kurulduğu ana kısım iletim sistemidir ve enterkonnekte şebeke yapısına sahiptir. İletim sistemi artan üretim ve tüketim merkezleri doğrultusunda elektrik enerjisinin kaliteli, dengeli ve sürekli temini için sürekli büyümektedir; çünkü üretim-iletim-tüketim zincirinin dengeli şekilde gelişmesi gerekmektedir. Enerji arzı ile ilgili gerekli koşulların sağlanması ve büyüyen enerji tüketim bölgelerinin talebinin karşılanması için yeni iletim hatları ve trafo merkezleri tesis edilmektedir. Böylece iletim sisteminde birtakım yenilik ve gereklilikler planlanıp gerçekleştirilerek iletim şebekesinde yapılan değişiklikler sonucu enerji arzının kalitesi ve güvenilirliği arttırılmaktadır. Bu değişiklikler sonucu iletim şebekesinde oluşacak yeni durum mevcut durumla karşılaştırılarak bazı öngörüler sunulmalıdır. Bu çalışmada bir iletim şebekesinin, tek hat fiderinden beslenen (radyal) iki trafo merkezi arasında tesis edilen iletim hattının devreye girmesiyle kapalı sisteme dönüşmesi durumunda, kısa devre akımlarındaki değişimler incelenmiştir. 
Güç sistemlerinin incelenmesi işletme verimliliğinin sağlanması ve sistemle ilgili planlamaların yapılması açısından önemlidir. Güç sistemininde kesintiye neden olan, elektriksel teçhizatlara ve meydana geldiği arıza noktasının çevresine hasar veren, iletim şebekesinde gerilimi düşürerek arıza noktasına uzak tüketicileri etkileyen en önemli unsur kısa devre arızasıdır. Bu nedenle güç sistemlerinde en önemli inceleme kısa devre analizidir. Kısa devre hesaplamaları yapılarak bara kısa devre gücü, elektrik teçhizatının kısa devre dayanımı sınıfı, kesicilerin kısa devre akımı kesme kapasitesi ve koruma cihazlarının ayar değerleri belirlenmektedir. Bu çalışmada ele alınan iletim şebekesinde incelenmesi gereken trafo merkezlerinin yüksek gerilim ve orta gerilim barasında kısa devre akımı analizi ve arıza esnasında şebekenin kaynağı konumunda olan trafo merkezlerinin bara gerilimi analizi MATLAB/Simulink programında oluşturulan şebeke modelleri kullanılarak yapılmıştır. 
Kısa devre arızaları geniş kapsamda simetrik ve simetrik olmayan arıza olarak iki farklı grupta incelenirler. Simetrik arıza güç sisteminde kısa devrenin üç fazda da meydana geldiği dengeli üç faz arızasıdır. Bu arıza türünün meydana gelme sıklığı en düşüktür, fakat bu arıza sonucu çok büyük değerde kısa devre akımları oluşur. Simetrik olmayan arıza türleri ise tek faz-toprak, faz-faz ve iki faz-toprak arızasıdır. Güç sistemlerinde meydana gelme sıklığı en yüksek olan tek faz-toprak arızasıdır. Bu çalışmada simetrili bileşenler yöntemi anlatılmıştır ve kısa devre arıza türleri bu yöntemle oluşturulan arızanın bileşen eşdeğer devresi kullanılarak açıklanmıştır. İncelenen iletim şebekesinde tek-faz toprak ve üç faz arızalarının simülasyonu yapılmıştır.
Türkiye'de iletim sistemi gerilim seviyeleri 400 kV, 154 kV ve 66 kV'tur. Bu çalışmada incelenen 154 kV gerilim seviyesindeki iletim şebekesi TEİAŞ 5. Bölge Müdürlüğü sorumluluk alanında bulunmaktadır. Bu iletim şebekesinde kaynak konumunda olan 2 adet 400 kV trafo merkezi bulunmaktadır. Bu iletim şebekesinde 5 adet 154 kV trafo merkezi bulunmaktadır. Bu merkezlerden Kaynarca ve Karasu Trafo Merkezleri aktif durumda tek hat fiderine sahip olan radyal merkezlerdir. Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri ise iki adet hat fiderine sahip olmasına rağmen hat fiderlerinden biri radyal trafo merkezlerine bağlı olduğu için mevcut durumda tek hat fiderinden enerji alabilmektedir. İncelenen iletim şebekesi bu nedenle açık sistem şebeke olarak işletilmektedir. Karasu ve Kaynarca Trafo Merkezleri arasında yaklaşık 48 km uzunluğunda bir iletim hattı tesis edilmiştir; ancak henüz devreye alınmamıştır. Bu iletim hattının devreye alınmasıyla Kaynarca ve Karasu Trafo Merkezleri arasında enerji alışverişi olacak ve iletim şebekesi kapalı sisteme dönüşecektir. İletim şebekesinin kapalı sisteme dönüşmesiyle açık sistem şebeke durumunda radyal merkez olan Kaynarca ve Karasu Trafo Merkezleri; tek hat fiderinden enerji alabilen Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri iki hat fiderinden de enerji alabilecek konuma ulaşacaktır.
Bu çalışmada ilk önce ana taslak olarak Simulink'te yedi trafo merkezi alt sistem kutucukları şeklinde oluşturularak iletim hatlarını temsil eden bloklarla şebekedeki yapıya uygun olarak birbirine bağlanmıştır. İletim şebekesinin kaynağı konumunda olan Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezleri'nde güç kaynağı bloğu oluşturulmuştur. Trafo merkezlerini temsil eden alt sistem kutucuklarına güç transformatörü blokları ve transformatörlerin çıkışına dağıtım fiderlerini temsil eden yük blokları yerleştirilmiştir. Ayrıca iletim şebekesi modelinde belirli noktalara akım ve gerilim değerleri dijital olarak okunan ve osilografik görünüm elde edilen ölçüm blokları kullanılmıştır. İncelenen iletim şebekesindeki iletim hattı ve güç transformatörlerine ait bilgiler elde edilmiş ve güncel değerlerine yakın olarak Simulink'te bu elemanları temsil eden bloklara girilmiştir. Güç kaynağı bloklarına ise Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezlerinin 154 kV barasından bakıldığında görülen Thevenin eşdeğer sistem empedansına ait direnç ve endüktans değerleri girilmiştir. Yük bloklarına ise güç trasformatörlerinden maksimum aktif enerjinin çekildiği 2014 yılı Ağustos ayına ait ortalama  aktif ve reaktif güç değerleri girilmiştir.
Bu çalışmada öncelikle açık sistem iletim şebekesinin Simulink modeli oluşturulmuş ve model çalıştırılarak şebekede noktasal akım ve gerilim değerleri ölçü ekranlarından izlenmiştir. Kaynarca, Karasu, Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri'nin 154 kV barasında kısa devre (arıza) bloğu kullanılarak tek faz-toprak ve üç faz kısa devre simülasyonları yapılmıştır. Simülasyonlar sonucu kısa devre akımı değerleri ve bu akımlara ait osilografik görünümler elde edilmiştir. Ayrıca kısa devre öncesinde ve esnasında Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezleri'nin bara gerilimleri incelenmiştir. 
İletim şebekesi modeline Kaynarca-Karasu İletim Hattı'nı temsil eden iletim hattı bloğu eklenerek model kapalı sistem şebeke durumuna dönüştürülmüştür. Kapalı sistem iletim şebekesi Simulink modelinde ilk olarak sistem kısa devre oluşturmadan çalıştırılarak noktasal akım ve gerilim değerleri ölçü ekranlarından izlenmiştir. Kaynarca, Karasu, Sakarya ve Melen Trafo Merkezleri'nin 154 kV barasında tek faz-toprak ve üç faz kısa devre simülasyonları yapılmıştır. Simülasyonlar sonucu kısa devre akımı değerleri ve bu akımlara ait osilografik görünümler elde edilmiştir. Ayrıca kısa devre öncesinde ve esnasında Adapazarı ve Osmanca Trafo Merkezleri'nin bara gerilimleri incelenmiştir. İletim sisteminin kapalı sistem şebeke durumunda elde edilen veriler iletim şebekenin açık sistem şebeke durumunda işletilmesinde elde edilen verilerle karşılaştırılmıştır. İletim sisteminin kapalı sistem durumuna dönüşmesiyle farklı işletme koşulları sağlanmıştır. Kaynarca, Karasu, Sakarya ve Melen Trafo merkezlerinin açık sistem şebeke durumunda beslenemediği hat fiderlerinden enerji alma modelleri oluşturulmuştur. Sonuç olarak, iletim şebekesinin bu koşullarda işletilmesi değerlendirilmiştir. Bu modellerin simülasyonu yapılarak ve noktasal akım ve gerilim değerleri izlenerek kısa devre analizi yapılmıştır.
Orta gerilim barası TEİAŞ'ın işletmesinde olan Kaynarca, Karasu ve Sakarya Trafo Merkezleri'nin iletim şebekesinin Simulink modelindeki alt kutucuklarında güç transformatörünün orta gerilim tarafında üç faz kısa devreleri oluşturulmuştur. Bu kısa devrelerin simülasyonu sonucu arıza akımı değerleri ve arıza akımlarının osilografik görünümleri elde edilmiştir.
Maksimum gerilim katsayısı cmax (IEC 60038'e göre) kullanılarak açık sistem ve kapalı sistem şebeke durumunda maksimum kısa devre akımı değerleri elde edilmiştir ve kısa devre analizi yapılan trafo merkezlerinin sistem empedansının değerleri bulunmuştur.

Abstract:
Nowadays, power generation, transmission and distribution sectors develop rapidly owing to increasing electric power demand of industrial plants and individual electricity use as a result of technological developments. The number of power plants are increasing to meet the increasing demand of power and new generation power plants and power plants producing power from renewable sources are installed to generate electricity economically. These founded power plants must be far away from the areas where electricity is consumed intensively but quality and stable electric energy has to be reached to consumers. Power transmission system is a main energy connection which provides power exchange between production and consumption centers and balance of supply and demand. Power transmission system has a structure of an interconnected network. Power transmission system grows owing to increasing production and consumption centers which must provide quality, stable and balanced electric energy because production-transmission-distribution chain of power  must develop as a balanced manner.
New transmission lines and substations are established for providing necessary conditions about power demand and requirements of growing power consumptions areas. The existing transformers' power is rised or new transformer feeders are established in substations where these operations are necessary. In addition, some innovations and necessities are planned and carried out. Quality and reliability of the power demand are increased as a result of these changes in the transmission system. New situations, which will have occured as a result of changes in the transmission systems, should be compared with current situations at power transmission system and some foresights should be represent. In this study, a change carried out in a power transmission network is analyzed. Upgrading of this power transmission network to closed-loop system with establishing a power transmission line between two radial substations supplied from one line feeder is examined.
The examination of power system is important in terms of providing operation efficiency and planning about system. Short circuit fault is the most significant fact because short circuit causes power cut, it damages electrical equipment and around the point where it occurs and it affects the consumers are away from short circuit by reducing voltage value in the transmission system. Therefore, short circuit analysis is the most important examination in the power system. Besides, short circuit analysis and calculations are used in some applications about power system. Short circuit calculations are important to determine the value of maximum short circuit current which occurs at the busbar of substation, busbar short circuit power, short circuit strength of electrical equipments, short circuit breaking capacity of circuit breakers and set values of protection devices. These datas are important in terms of efficient operation of transmission system and rapid cleaning of short circuit currents. In this study, short circuit analysis at high voltage and middle voltage bus of substations which must be examined and bus voltage analysis of substations which are sources of the transmission network have been performed with using of the network models designing at MATLAB/Simulink program.
Lightning, fail and contamination of insulation, operation fault reasons, mechanical faults are the main factors which cause short circuit. The magnitude of short circuit current depends on the impedance between the source and the point where short circuit occurs, therefore severity of short circuit decreases when short circuit occurs away from the source. For example, substations are powerful sources whose busbars have high power of short circuit and their Thevenin equivalent system impedances are low. Therefore, short circuit currents have great values that occur at the close point of substation. Short circuit currents cause thermal and mechanical damage in power systems. Short circuit must be rapidly and faulted area must be seperate from system not to cut electric power of other consumers for decreasing damage of  short circuit currents. The cleaning process of short circuit is fault detecting of relay which gets instantaneous current data of power system and opening of circuit breaker with sending trip command of relay to circuit breaker. Damage of short circuit can minimize or prevent according to this process time. Especially, relays and circuit breakers must clean fault rapidly in high voltage systems. Various types of short circuit faults occur in power system. Short circuit faults are classified as two groups that are symmetrical and unsymmetrical faults. Symmetrical fault is a balanced three phase fault. Frequency of occurrence of balanced three phase fault is low in power systems, but short circuit currents are highest in this fault. Because of this, circuit breaker short circuit breaking capacity is determined according to this fault. Unsymmetrical fault types are single line-to-ground, line-to-line and double line-to-ground fault. The frequency of occurrence of single line-to-ground fault is highest in power systems. In this study, symmetrical components method has been explained and fault types have been described with sequence equivalent circuits of faults. Besides, simulations of single line-to-ground and three phase faults have been carried out in the transmission system that is in this study.
Voltage levels of Turkey Transmission System are 400 kV, 154 kV and 66 kV. In Turkey, TEİAŞ is responsible for carrying out operation and development facilities of the transmission network. In this study, 154 kV transmission network has been examined which is in the responsibility area of the 5.Regional Office. There are two 400 kV substations in this transmission network which are source of the network. These substations supply the transmission network with 380/158 kV autotransformers. There are five 154 kV substations in this network. Kaynarca and Karasu Substations are radial because they have one active line feeder. Sakarya and Melen Substations must be fed by one line feeder  because of other line feeder of them is connected to radial substation. The transmission network is operated as a open-loop system network. A power transmission line has been built approximately 48 km, but it has not yet commissioned. Power exchange will be carried out between Kaynarca and Karasu Substations with commissioning of this transmission line and the transmission network will upgrade to closed-loop system. Kaynarca and Karasu Substations, Sakarya and Melen Substations, which are fed by single line feeder will be fed by double line feeder with upgrading open-loop system network to closed-loop system network. 
Firstly, seven substations have been formed as subsystem blocks and they have been connected each other that are the same structure with the real transmission network. Source blocks of Simulink have been added to Adapazarı and Osmanca Substations which are source of the transmission network. Power transformer blocks have been placed to subsystem blocks which represent substations and load blocks, which represent distribution feeders, have been also placed to output of transformers. Furthermore, measurement blocks have been used at specific points to get display of values and oscillographic views. Transmission lines and power transformers datas have obtained and they have been entered blocks. Winding resistance, leakage reactance, magnetization resistance and reactance of transformers have been calculated from short circuit test losses and core losses of the same power rating transformer. Value of resistance and inductance, which are components of impedances from 154 kV busbar Adapazarı and Osmanca Substations seperately back to system , have been written in power source block. The avarage values of power consumption in August 2014 when maximum power demand occured have been written in load blocks.
Simulink model of open-loop system network have been formed at first and this model has been run to watch the values of current and voltage from measurement display. Single line-to-ground and three phase faults simulations have been performed at busbars of Kaynarca, Karasu, Sakarya and Melen Substations with using fault block of Simulink. Values of the short circuit currents and oscillographic views have been obtained from results of simulations. Moreover, voltage values of Adapazarı and Osmanca Substations are examined before and during faults.
The transmission network model have been upgraded to closed-loop system with adding Kaynarca-Karasu transmission line block. This closed-loop network model have been run without fault and values of voltages and currents have been watched from displays at specific points. Single line-to-ground and three phase faults simulations have been performed at busbars of Kaynarca, Karasu, Sakarya and Melen Substations in this type of network and values of the short circuit currents and oscillographic views have been obtained from results of simulations. Voltage values of Adapazarı and Osmanca Substations are also examined before and during faults. Datas acquired from open-loop and closed-loop network models have been compared. In addition, datas acquired from open-loop and closed-loop network models have been compared.
Different operating circumstances have been performed with upgrading network to closed-loop system. Simulink models of Kaynarca, Karasu, Sakarya and Melen Substations have been formed  in which these substations are fed by new feeders and the transmission network have been evaluated in this circumstances. Furthermore, model simulations of them have been performed and values of current and voltage have been examined to carry out short circuit analysis.
Three phase faults simulations have been performed in Kaynarca, Karasu and Sakarya Substations of which middle voltage busbar are operated by TEİAŞ. Values of fault current and oscillographic views have been obtained from models have been designed in which circumstances of feeding substations by one or double feeder.
Maximum fault current simulations have been carried out in open-loop and closed-loop system network with using maximum voltage coefficient cmax according to IEC 60038. The values of Thevenin equivalent impedances have been obtained which are from transformer of substation in which simulations are performed back to network with using maximum fault currents.