Orta gerilim şebekelerinde toprak arızası için koruma karardestek sistemi geliştirilmesi
Devoloping protection decision support system for earth faults in medium voltage networks
Yazar: MERT BEKİR ATSEVER
Danışman: PROF. DR. MEHMET HAKAN HOCAOĞLU
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik dağıtım sistemleri = Electric distribution systems ; Koruma röleleri = Protection relays ; Yer altı kabloları = Underground cables

Özet:
Tek faz toprak arızaları sırasında, arızanın olmadığı bölgede bulunan toprak koruma röleleri kapasitif şarj akımlardan dolayı hatalı açma sinyali üretmektedir. Etkin topraklanmamış dağıtım şebekelerinde yeraltı kablosu kullanımının agresif bir şekilde artması ile hatalı açma sayısı artmaktadır. Hatalı açma yük kayıplarına, maddi kayıplara sebep olmaktadır. Hatta, güvenirlik endekslerinin olumsuz etkilenmesine de yol açmaktadır. Literatürde kapasitif akım temelli hatalı açma olarak bilinen bu problemin giderilmesi noktasında seçilen koruma türünün ve röle ayarlarının şebeke topolojisine uyumlu olarak optimize edilmesi gereklidir. Böylece seçici koruma koordinasyonu sağlanabilir.
Koruma rölelerinin ayarlarının optimize edilmesi çok sayıda kısıt içeren optimizasyon yaklaşımı ile gerçekleşmektedir. Etkin topraklanmış şebekelerde yüksek genlikli arıza akımı sadece arızalı bölgede görülmektedir. Bu sebeple, literatürde toprak arızaları için geliştirilen optimizasyon çalışmaları optimal röle ayarları yardımıyla röle çalışma süresinin minimize edilmesini hedeflenmektedir. Böylece yüksek genlikli arıza akımının şebeke elemanları üzerindeki ısıl stresi minimize edilir. Etkin topraklanmamış şebekelerde ise daha düşük genlikli arıza akımları görülmektedir. Ayrıca faz toprak kapasiteleri üzerinden devresini tamamlayan kapasitif şarj akımları arıza bölgesi dışındaki rölelerin hatalı şekilde açma sinyali üretmesine de sebep olmaktadır. Etkin topraklanmamış şebekelerde toprak rölesinin çalışma süresi sabittir. Bu nedenle seçici koruma koordinasyonunun sağlanması için röle çalışma süresinin minimize edilmesinden ziyade çalışması gereken röle sayısının minimize edilmesi gerekmektedir.
Bu tezde etkin topraklanmamış şebekeler için çalışan röle sayısını minimize eden yeni optimizasyon yaklaşımları önerilmiştir. Önerilen yaklaşımlarda yönlü toprak koruma için genlik, yönsüz toprak koruma için genlik ve açı, ilave koruma yöntemi için ise negatif sıra genlik ayarları optimize edilmiştir. Bu üç koruma türü bir paket haline getirilerek Koruma Karar Destek Sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemin etkinliği farklı iki radyal dağıtım şebekesi üzerinde çeşitli durum senaryoları için incelenmiştir. Koruma Karar Destek Sistemi kullanımı ile radyal dağıtım şebekelerinde kapasitif akım temelli hatalı açma problemi giderilmiştir.

Abstract:
During single-phase earth faults earth fault protection relays located in the area where there is no fault generate false tripping signals due to capacitive charging currents. Aggressive usage of underground cables in non-effectively earthed distribution networks causes an increasing number of false trips. False tripping causes additional loss of load and financial losses. Further, false tripping negatively impacts the reliability indices. To eliminate this problem, known in the literature as capacitive current-based false tripping, the selected protection type and earth fault relay settings must be optimized in accordance with the network topology. Thus, selective protection coordination can be achieved. 
Optimizing the settings of protection relays is carried out with a highly constrained optimization approach. In effectively earthed networks, a high magnitude of fault current only appears in the faulted area. For this reason, optimization studies developed for earth faults in the literature aim to minimize relay total operating time with the help of optimal relay settings. Thus, the thermal stresses of high-magnitude fault current on the network are minimized. In non-effectively earthed networks, fault currents with lower magnitudes are observed. In addition, capacitive charging currents completing the circuit through phase-ground capacities cause fault currents to be seen outside the fault zone. Non-effectively earthed networks are protected by definite time relay characteristics. Therefore, rather than minimizing relay operating time, the number of relays that need to operate should be minimized to ensure selective protection coordination. 
In this thesis, novel optimization formulations that minimize the number of operating relays for non-effectively earthed networks are proposed. With the optimization formulas, magnitude settings for non-directional earth fault protection, magnitude and angle for directional earth fault protection, and negative sequence magnitude settings for the additional earth protection method are optimized. These three types of protection stages form a package, obtaining the Protection Decision Support System. The effectiveness of the proposed optimization approach was examined for different case scenarios on two different radial distribution networks. With the usage of Protection Decision Support System, the problem of capacitive current-based false tripping in radial distribution networks has been resolved.