Mobil trafo merkezi tasarımı ve kısa devre analizi
Designing and short circuit analysis of mobilesubstation
Yazar: ÇAĞIN ÖZÇİVİT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CANAN  ZOBİ KARATEKİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik = Electricity ; Elektrik enerji sistemleri = Electrical energy systems ; Elektrik enerjisi = Electrical energy ; Elektrik güç sistemleri = Electric power systems ; Elektrik kesintileri = Power outages ; Elektrik makineleri = Electric machinery ; Elektrik santralleri = Power plants ; Elektrik üretimi = Electricity generation ; Elektriksel analiz = Electrical analysis

Özet:
Ülkemizde artan nüfusla birlikte elektrik enerjisine olan ihtiyaç giderek artmaktadır.
Elektrik enerjisi enerji santrallerinde üretilir, yükseltici trafo merkezleri ile gerilim
yükseltilir, enerji iletim hatları vasıtasıyla uzun mesafelerce taşınır ve indirici trafo
merkezleri ile alçak gerilim seviyesine indirilerek son kullanıcıya ulaştırılır.
Enterkonnekte sistemde trafo merkezleri çok kritik öneme sahip yapılardır. Enerji
ihtiyacının artışı, trafo merkezlerinin artışına sebep olur. Trafo merkezleri elektrik
enerjisinin üretildiği noktadan enterkonnekte sisteme, iletim sisteminden dağıtım
sistemine bağlandığı kritik noktalarda yer almaktadır. Ayrıca trafo merkezleri sadece
gerilim değiştirilmesine sağlamaz, aynı zamanda enerji dağıtımının da bu
merkezlerden yapılmasına olanak sağlar. Bu noktalarda meydana gelebilecek bir arıza,
tüm sistemi enerjisiz bırakabilir. Sadece bağlı olduğu tüketim noktasını değil, diğer
tüketim noktalarını da enerjisiz bırakabilir. Trafo merkezleri herhangi bir nedenden
dolayı devre dışı kalabilir. Bu nedenlerden bazıları; trafonun patlaması, orta gerilim
modüler hücrelerdeki ekipmanların zarar görmesi, doğal afetler, savaş durumları vb.
durumlar olabilir. Böyle bir durumda ya mevcut sistemdeki arıza çabuk bir şekilde
giderilmeli ya da dağıtım sistemine ek enerji takviyesi yapılmalıdır. Bu enerji takviyesi
jeneratör sistemleri, mobil trafo merkezleri vb. yöntemler olabilmektedir. Bazı arıza
durumlarında mevcut durumdaki arıza hemen giderilemeyebilir. Bu durumda jeneratör
sistemleri bir çözüm olabilmektedir. Enerji kesintisi uzun süre olacaksa bu yöntem
maliyetli olabilir. Jeneratörler yerine mobil trafo merkezleri kullanılabilir. Elektrik
enerjisini tedarik eden kurum veya kuruluşlarda yedekte hazır mobil trafo merkezleri
varsa hızlı bir süre içerisinde sistem devreye alınır ve son kullanıcıya enerji verilir.
Mobil trafo merkezleri sadece enerji kesintisi nedeniyle kullanılmaz. Aynı zamanda
bir bölgeye geçici enerji tedariki durumunda da kullanılabilir. Ayrıca büyük ve uzun
mesafeler içeren büyük inşaat projelerinde enerji iletimi yüksek maliyet sebebiyle
alçak gerilimden ziyade orta gerilimde yapılır. Bu durumlarda mobil trafo merkezleri
kullanıcının tam ihtiyacına yönelik yapılar olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez
çalışmasında gerilimi 34.5 kV'dan 400 V'a indiren 1600 kVA anma gücünde indirici
tip bir mobil trafo merkezi tasarımı yapılmıştır. Tasarımda mobil trafo merkezinin orta
gerilim ve alçak gerilim elektrik dağıtım tek hat şemaları oluşturulmuştur. Orta gerilim
devresindeki kesicilerin, ayırıcıların, ölçü transformatörlerinin, dağıtım
transformatörün, koruma rölesinin, parafudrların ve modüler hücrelerin seçimi
yapılmıştır. Kablo kesitleri hesaplanmıştır. Alçak gerilim devresindeki kesicinin
seçimi ve akü redresör grubu hesabı yapılmıştır. Mobil trafo merkezinin metal köşk
mimari çizimleri ve ekipmanların köşk içerisindeki yerleşimi yapılmıştır. Daha sonra
ise mobil trafo merkezinin topraklama sistemi ile ilgili bilgiler verilmiştir. Elektrik dağıtım şebekelerindeki en önemli problemlerin başında kısa devre arızaları
gelmektedir. Kısa devre arızası her an meydana gelebilir. Dolayısıyla sisteme bağlı tüm ekipmanlar daima kısa devre arızasından korunması gerekmektedir. Eğer koruma
yapılamazsa can ve mal kayıpları meydana gelebilir. Mobil trafo merkezi tasarımında
seçilen koruma ekipmanları en yüksek kısa devre arıza şartlarına göre seçilmiştir. Tez
çalışmasında mobil trafo merkezi tasarımında seçilen ekipmanların en kötü kısa devre
şartlarına göre sistemi koruyup korumadığı incelenmiştir. Kısa devre arızaları simetrik
ve asimetrik olarak iki farkı tipte incelenir. Simetrik arıza, dengeli üç fazlı kısa devre
arızasının meydana geldiği durumdur. Genelde en yüksek kısa devre akımları bu
durumda oluşur. Asimetrik (simetrik olmayan) kısa devre arızaları ise faz-toprak, fazfaz
ve iki faz-toprak kısa devre arızası olmak üzere üç tipte incelenir. Genelde dağıtım
şebekelerinde en çok tek faz-toprak kısa devre arızaları meydana gelir.Tez çalışmasında MATLAB/Simulink programında bulunan elektrik şebekesi
modelleri kullanılarak mobil trafo merkezinin modeli oluşturulmuştur. Mobil trafo
merkezinin orta gerilim baralarında üç faz, faz-toprak ve faz-faz kısa devre arızaları
meydana geldiği varsayılmıştır. Çalışmada iki farklı simülasyon yapılmıştır. Birincisi,
mobil trafo merkezi direkt 100 MVA kısa devre gücündeki bir gerilim kaynağına
(sonsuz güçlü dağıtım şebekesine) bağlı olduğu durum için simülasyon yapılmıştır. Bu
simülasyonda önce tam yükte normal çalışma durumundaki osilografik akım ve
gerilim grafikleri elde edilmiş, daha sonrasında 34.5 kV orta gerilim barasında üç faz,
faz-toprak ve faz-faz kısa devre arızaları meydana gelmesi durumunda kısa devre
akımı hesaplanmış ve osilografik akım ve gerilim grafikleri oluşturulmuştur. İkinci
simülasyonda ise tasarlanan mobil trafo merkezinin, İstanbul'un Beykoz ilçesindeki 9
adet trafo merkezinin bulunduğu bir mahallenin dağıtım şebekesine bağlandığı durum
incelenmiştir. Bu trafo merkezleri kısa devre gücü 16500 MVA olan, 100 MVA anma
gücünde 380/34.5 kV'luk Beykoz GIS indirici merkezden beslenmektedir. Dokuz adet
trafo merkezlerinden biri 1600 kVA anma gücündedir. Senaryo olarak bu şebekede
işletmede olan 1600 kVA trafo merkezinin arıza yaptığı ve yerine çalışmada tasarımı
yapılan 1600 kVA gücündeki mobil trafo merkezinin devre alındığı düşünülmüştür.
Gerçek tabanlı bu dağıtım şebekesi MATLAB programının Simulink alt
programındaki elektrik şebekesi modelleri kullanılarak modeli oluşturulmuştur. Her
bir trafo merkezi bir alt sistem olarak kutucuklar halinde modellenmiştir. Sistemin
genel modeli ve her bir trafo merkezinin modelleri gösterilmiştir. Mobil trafo
merkezinin bağlı durumda tüm trafo merkezleri tam yükteyken önce mobil trafo
merkezinin, arızanın olmadığı normal çalışma durumundaki osilografik akım ve
gerilim grafikleri elde edilmiş, daha sonrasında 34.5 kV orta gerilim barasında üç faz,
faz-toprak ve faz-faz kısa devre arızası meydana gelmesi durumunda kısa devre akımı
hesaplanmış ve osilografik akım ve gerilim görünümleri elde edilmiştir. Sonuç olarak elde edilen her iki simülasyon senaryosunda, elde edilen tüm akım ve
gerilim değerleri bir tablo haline getirilip sunulmuştur. İki simülasyonda kendi
içerlerinde hem normal çalışma simülasyonlarına hem de kısa devre arıza
simülasyonlarına bakılarak, tasarımda seçilen ekipmanların normal ve kısa devre
çalışma koşullarına uygun olup olmadığı kontrol edilmiştir.

Abstract:
Need of electrical energy gradually increases owing to population increase. Electrical
energy is produced in power plants and the voltage of power is converted to high
voltage by step-up substations, then it is transferred long distance by transmission line
and finally is converted to distribution network voltage level which end user can use.
Substations are very important in this process. Increase of energy need causes increase
the number of substations. Substations play an important role during from the point of
producing to interconnected, transmission and distribution system of electricity. It
makes possible to distribute the electricity as well as converting the voltage. Any fault
that may be occured in substations may cause power outage or black out on not only
the places they supply, also for a town, city or a country depending on protection
selectivity. There may be a fault for some reason. For instance, some of them can be
exploding of transformers, fault in modular switchgears, natural disasters or state of
war etc. If there is a fault in substations, it must be troubleshot as soon as possible.
Otherwise, power is needed to supply to end-users by emergency systems such as
diesel generators or mobile substations. In some cases, faults may not be troubleshot
in a short time. Diesel generator systems can supply the power if it is short time cut.
However, cost of fuel consumption can be higher than using mobile substation if the
fault is serious and troubleshooting takes a long time. Mobile substations can be used
for kind of these situations as emergency or temporary power supply. If there is a
mobile substation which belongs to electricity distribution companies that supply the
energy to related area and waits for emergency or temporary supply, it can be sent and
commissioned. Then it supplies power to the end-users in a short time. It is not only
used during the energy cut, also used for temporary supply as an example of
transmitting the power on medium voltage instead of low voltage for a long distance
in some kind of big road construction sites, industrial projects because transmission of
power on low voltage has higher cost than medium voltage. Mobile substations are the
answer for those kinds of problems. It provides steady and stable energy to end-users.
It can be produced according to related need. It saves cost of makeshift power
installation. In this study, 1600 kVA 34,5/0,4 kV a mobile substation which is in
accordance with Turkey electricity distribution network standards has been designed.
Short circuit analyze has been determined and simulated at MATLAB/Simulink
program. First, medium and low voltage single line diagram of the mobile substation
have been created and then selected the devices used in substation such as SF6 gases
circuit breakers, load breaks, measurement transformers, distribution transformer,
protection relay, surge arrester and modular medium voltage switchgears. Cable
section and battery charger unit have been calculated for the substation. Thereafter,
architectural, layout and view drawing in the metal kiosk have been made. In addition,
earthing system of the mobile substation have been explained. Short circuit fault is the most important fact because short circuit causes energy cut, it
damages electrical equipment at the point where it occurs. Thereby, equipment
connected on the network must be protected from it. It may cause loss of life and
property if it is not taken precaution. Protection equipment in mobile substation are
selected according to short circuit analyze. In this study, selected devices in the design
have been determined in the worst-case short circuit fault on medium voltage side of
mobile substation. Short circuit faults are classified as two groups as symmetrical and
unsymmetrical faults. Symmetrical fault is a balanced three phase short circuit fault.
Its short circuit currents are highest if compared with the others. Because of that, 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-toground
fault. In this study, after modelling the mobile substation, two different simulation have been
done. One of them is that mobile substation has been supposed to be connected to only
mains which has 100 MVA short circuit capacity. In that simulation, current and
voltage oscillographic graphs have been obtained when there is no fault as a first case.
In the second case, three phase, single line to ground and line to line fault have been
carried out on medium voltage busbars of mobile substation and values of the short
circuit currents and oscillographic graphs have been obtained from results of
simulations. In second simulation, current and voltage of mobile substation have been
examined in case of connected to a real distribution network including 9 pieces
substations which are located in a street in Beykoz, Istanbul. Short circuit power of
380/34,5 kV Beykoz GIS network is 16500 MVA and rated power of it is 100 MVA.
9 pieces substation are in operating in that network which are supplied from Beykoz
GIS. One of the operating substations has 1600 kVA rated power. It is supposed that
operating 1600 kVA substation had a fault, it was out of operation and designed mobile
substation in this study have been connected to that network for temporary power
supply as a case. This real network distribution system has been used for simulation
of designed mobile substation by modelling at MATLAB/Simulink program. Each
substation has been modelled and formed as a subsystem in the study. In the first case,
Current and voltage oscillographic graphs have been obtained from results of the
simulation when there was no fault which means operating under normal conditions.
Then as a second case, three phase, single line to ground and line to line fault have
been carried out on medium voltage busbars of mobile substation and values of the
short circuit currents and oscillographic graphs have been obtained from results of
simulations for this network.As a result, obtained all simulation of current, voltage and fault currents have been submitted as a chart. Selected protection equipment in the designed mobile substation have been check and compared whether they are suitable under the fault cases or not,
according to results from the simulations if it is connected to a network in Turkey.