Trakya bölgesi iletim sisteminde kısa devre arıza akımlarının bara ayırma yöntemiyle sınırlandırılması ve kısıtlılık durumları için sistem gelişiminin incelenmesi
Limitation of short circuit fault current in the transmission system in Thrace region with the bus separation method and investigation of system development for contingency conditions
Yazar: MEHMET SIDIK YAMAN
Danışman: DOÇ. DR. SUAT İLHAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Arıza akımları = Fault currents ; Güç sistemleri = Power systems ; Kısa devre arızaları = Short circuit defect ; Yük akış analizi = Load flow analysis

Özet:
Güç sistemlerinde yük akışı ve kısa devre analizi çalışmaları şebeke planlaması, üretim-tüketim dengesinin sağlanması, sistemin kararlı yapıda kalması ve teçhizatların korunması için gerçekleştirilmektedir. Yapılan çalışmalarda, bilgisayar tabanlı programlar kullanılarak elde edilen analizler sonucunda güç sistemlerinin güvenilir ve kesintisiz bir şekilde işletilmesi amaçlanmaktadır. Bu çalışmada, PSS-E programı kulanılarak Türkiye elektrik iletim sisteminin bir parçası olan Trakya bölgesinin 400&154 kV gerilimde işletilen iletim şebekesinde, yük akışı ve kısa devre analizleri yapılmıştır. 
Güç sistemlerinde kısa devre arızaları, şebekede geçici veya kalıcı zararlara sebebiyet vermektedir. Kısa devre arıza akımları, normal işletme durumundaki akımlardan çok büyüktür ve sistemdeki teçhizatlarda aşırı ısınmaya, manyetik zorlanmaya, ark oluşumuna, yangına, patlamaya neden olabilmektedir. Aynı zamanda, iletim sisteminde bölgesel kesintilere veya blackout olarak bilinen sistem çökmelerine de neden olabilmektedir. Bu nedenle, güç sistemlerinde meydana gelebilecek kısa devre arızalarının, analizler yapılarak detaylı incelenmesi, belirlenen limitler arasında sınırlandırılması ve arızalı kısmın mümkün olan en kısa sürede sistemden izole edilmesi oldukça önemlidir.
Tez çalışması kapsamında, güç sistemlerinde meydana gelen kısa devre arıza çeşitleri ve yük akışı analizi yöntemleri hakkında bilgi verilmiştir. Simetrili bileşenler yöntemi kullanılarak, güç sistemlerinde meydana gelen üç faz, tek faz-toprak, faz-faz ve iki faz-toprak kısa devre arızaları teorik olarak açıklanmıştır. Çalışmada, güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılan Gauss-Seidel, Newton-Raphson ve Fast Decoupled yük akışı analiz yöntemlerinin fonksiyonel denklemleri incelenerek, yöntemler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. 
Trakya bölgesi iletim şebekesi Edirne, Kırklareli, Tekirdağ illeri, İstanbul Avrupa yakası, Çanakkale ilinin Gelibolu ve Eceabat ilçelerini kapsayan, gerilim seviyesi 400 kV ve 154 kV olan iletim sisteminden oluşmaktadır. Bölgede, nüfus ve sanayi yoğunluğunun fazla olması, enerjiye olan talebi de arttırmaktadır. Elektrik tüketiminin günden güne arttığı bölgede, iletim sistemine yeni yatırımların yapılması ve bu yeni projelerle analizler gerçekleştirilerek şebekenin güvenli işletilmesi gerekmektedir. Çalışmada, analizlerin yapılacağı gerçek bir sistem olan Trakya bölgesi iletim sistemi hakkında bilgi verilmiştir. Şebekede bulunan iletim hatlarının gerilim seviyesi, uzunluğu, bölgedeki transformatör ve şönt ekipman sayısı, bölgenin kurulu gücü ve puant yükü gibi Trakya bölgesini tanıtan veriler ele alınmıştır.
Trakya bölgesi iletim sistemi, İstanbul Boğazı ve Çanakkale Boğazı iletim hatları ve kabloları üzerinden Türkiye elektrik iletim şebekesine bağlı bulunmaktadır. Aynı zamanda, Bulgaristan ve Yunanistan ülkeleri ile ENTSO-E bağlantı hatları üzerinden Türkiye elektrik iletim şebekesini, Avrupa iletim sistemine bağlayan bir köprü konumundadır. Çalışmada, Trakya bölgesi iletim sisteminde yer alan herbir transformatör merkezi, bir bara kabul edilerek 119 baralı bir sistemde, N-1 kısıtlılık analizleri ve kısa devre analizleri gerçekleştirilmiştir. Öncelikle, tüm şebeke elemanlarının serviste olduğu bölünmemiş sistem ele alınmıştır. Bölünmemiş sistemde yapılan N-1 kısıtlılık analizinde, bazı iletim hatlarının %90 üzerinde yüklendiği görülmüştür. 
Kısa devre analizlerinde, 400 kV şebekede en yüksek arıza akımı 43 kA seviyelerinde çıkmıştır. Elektrik şebeke yönetmeliğinde, iletim sistemi ekipmanlarının kısa devre arıza akımlarına dayanma kapasitesi 400 kV için 63 kA, 154 kV için 31,5 kA olarak belirlenmiştir. Bölünmemiş sistemde yapılan 154 kV kısa devre analizlerinde 34 adet barada kısa devre arıza akımlarının 31,5 kA sınırını aştığı görülmüştür. 154 kV sistemde, bazı baralarda tek faz-toprak arızası meydana geldiğinde, kısa devre arıza akımlarının 70 kA olarak çıktığı görülmüştür. Bu nedenle, Trakya bölgesi iletim şebekesinin bölünmemiş sistemde işletilmesi mümkün değildir.
İletim şebekesinde ciddi riskler oluşturan kısa devre arıza akımlarını sınırlandırmak adına, bölünmemiş sistemde kısa devre arıza akımı limitini aşan baralarda, bara ayırma yöntemiyle ada sistemi uygulaması incelenmiştir. Uygulanan yöntemde, bazı transformatör merkezlerinde kuplaj fiderleri ve enerji iletim hatları açılarak baralar bölünmüştür. Bölünmüş sistemde yapılan N-1 kısıtlılık analiz sonuçları, bölünmemiş sistemde yapılan sonuçlara yakın çıkmıştır. Ada sistemi uygulandıktan sonra yapılan kısa devre analiz sonuçlarında, 400 kV sistemde arıza akımlarında 3,3 kA'lik bir düşüş gerçekleşmiştir. 154 kV sistemde ise kısa devre arıza akımlarında %55 oranında bir düşüş gerçekleşerek, en yüksek arıza akımı 31,3 kA olarak çıkmıştır. Uygulanan yöntem sonucunda bölünmemiş sistemde, 154 kV şebekede 34 adet baranın limit değerinin üstünde olan kısa devre arıza akımları, bara ayırma yöntemi kullanılarak 31,5 kA limit değerinin altına düşürülmüştür.
Trakya bölgesi iletim sisteminde, tüketimin yoğun olması sebebiyle hat ve transformatör yüklenmeleri fazladır. Bölge iletim sisteminde yer alan bazı hatlar N-1 kısıtlılık durumunda %90 üzerinde yüklenmektedir. Aynı zamanda, bazı transformatör merkezleri tek hat üzerinden sisteme radyal olarak bağlanmaktadır. Çalışmada, şebeke işletmeciliği adına risk teşkil eden bu sorunların çözüme kavuşması için, mevcut sisteme bazı projeler dahil edilmiştir. Şebekeye, iki tane transformatör merkezi ve onların bağlantı hatları, ayrıca sistemin ihtiyaç duyduğu bazı bölgelere yeni iletim hatları eklenmiştir. Sisteme dahil edilen bu yeni projelerle, PSS-E programında 121 baralı bir sistemde, yeniden analizler yapılarak şebekenin güvenli bir şekilde işletilmesi amaçlanmıştır.
Gelişen iletim sisteminde yapılan N-1 kısıtlılık analiz sonuçlarında, şebekeye yeni ekipmanlar eklenmeden önce yüklü giden iletim hattı ve transformatörlerin yüklenme oranlarında düşüş gerçekleştiği görülmüştür. Bununla birlikte, radyal beslenen bazı merkezlerin bağlantı sayısı arttırılarak, olası bir arıza sonucunda enerjisiz kalması engellenmiştir.
Gelişen iletim sisteminde 400 kV sistemde yapılan kısa devre analiz sonuçlarında 3-4 kA'lik bir artış görülmüştür. 400 kV sistemde en yüksek kısa devre arıza akımı, tek faz-toprak arızası meydana geldiğinde 43,8 kA olarak çıkmaktadır. Sisteme yeni teçhizatların eklenmesiyle, bazı baralarda bağlı bulunan iletim hattı sayısı arttığı için kısa devre arıza akımlarında artış olması olasıdır.
Trakya bölgesi iletim sisteminin büyümesiyle yapılan 154 kV kısa devre analizlerde, bazı baralarda arıza akımlarının belirlenen sınır değerini aştığı görülmüştür. Kısa devre arıza akımlarını sınırlandırmak için, daha önce uygulanan bölünmüş sisteme ek olarak şebekede bazı değişiklikler yapılmıştır. Bazı baralarda iletim hatları servis harici edilmiş, ototransformatör sayıları azaltılmış, baralara bağlı iletim hattı, generatör ve güç transformatörlerinin baraları değiştirilmiştir. Çalışılan yeni yöntem sonucunda, arıza akımlarının yüksek çıktığı baraların paralel bağlantı sayısı azaltılarak eşdeğer empedans arttırılmış, bu sayede kısa devre arıza akımları sınırlandırılarak iletim sisteminin daha güvenli bir şekilde işletilmesi sağlanmıştır. 
Sisteme dahil edilen yeni projelerle, şebekede N-1 kısıtlılık analizlerinde risk oluşturan durumlar minimize edilerek, kısa devre arıza akımlarının Elektrik Şebeke Yönetmeliğinde belirlenen sınır değerlerinin altında kalması sağlanmıştır.

Abstract:
Load flow and short-circuit analysis studies in power systems are carried out for network planning, ensuring production-consumption balance, keeping the system stable and protecting equipment. In the thesis, it is aimed to operate the power systems in a reliable and uninterrupted manner as a result of the analyzes obtained using computer-based programs. In this study, load flow and short circuit analyzes were carried out in the transmission network operated at 400&154 kV voltage of the Thrace region, which is a part of Turkey's electricity transmission system, by using the PSS-E program.
Short-circuit faults in power systems cause temporary or permanent damage to the network. The short-circuit fault currents are much larger than the currents in the normal operating state and can cause overheating, magnetic stress, arcing, fire, explosion in the equipment in the system. It can also cause regional interruptions in the transmission system or system collapse known as blackouts. For this reason, it is very important to analyze the short circuit faults that may occur in power systems in detail, to limit them between the determined limits and to isolate the faulty part from the system as soon as possible.
In the thesis, information is given about the types of short circuit faults occurring in power systems and the load flow analysis methods. By using the symmetrical components method, three-phase, single phase-to-earth, phase-to-phase and two phase-to-earth short circuit faults in power systems are theoretically explained. In the study, the functional equations of Gauss-Seidel, Newton-Raphson and Fast Decoupled load flow analysis methods, which are widely used in power systems, were examined and the methods were compared with each other.
The transmission network of the Thrace region consists of a transmission system with a voltage level of 400 kV and 154 kV, covering the provinces of Edirne, Kırklareli, Tekirdağ, the European side of Istanbul, Gelibolu and Eceabat districts of Çanakkale. The high population and industry density in the region also increases the demand for energy. In the region where electricity consumption is increasing day by day, it is necessary to make new investments in the transmission system and to operate the network safely by performing analyzes with these new projects. In the study, information is given about the transmission system of the Thrace region, which is a real system where analyzes will be made. Data introducing the Thrace region such as the voltage level and length of the transmission lines in the network, the number of transformers and shunt equipment in the region, the installed power of the region and the peak load are discussed.
The transmission system of the Thrace region is connected to the Turkish electricity transmission network via the Bosphorus and Hellespont transmission lines and cables. At the same time, it is in the position of a bridge connecting Bulgaria and Greece countries and Turkey's electricity transmission network to the European transmission system via ENTSO-E connection lines. In the study, each transformer substation in the Thrace region transmission system was accepted as a busbar, and N-1 contingency analyzes and short circuit analyzes were carried out in a system with 119 busbars. First of all, the undivided system in which all network elements are in service is considered. In the N-1 contingency analysis performed in the undivided system, it was observed that some transmission lines were loaded over %90.
In the short circuit analysis, the highest fault current in the 400 kV network was found to be 43 kA. In the electrical network regulation, the capacity of the transmission system equipment to withstand short-circuit fault currents is determined as 63 kA for 400 kV and 31,5 kA for 154 kV. In the 154 kV short-circuit analyzes made in the undivided system, it was observed that the short-circuit fault currents in 34 busbars exceeded the limit of 31,5 kA. In the 154 kV system, when a single phase-earth fault occurs in some busbars, it has been observed that the short-circuit fault currents are 70 kA. For this reason, it is not possible to operate the transmission network of the Thrace region in an undivided system.
In order to limit the short-circuit fault currents that occur serious risks in the transmission network, the application of the island system with the busbar separation method has been examined in the busbars exceeding the short-circuit fault current limit in the undivided system. In the applied method, the busbars are divided by opening the coupling feeders and energy transmission lines in some transformer centers. N-1 contingency analysis results in the divided system were close to the results in the undivided system. In the results of the short-circuit analysis made after the island system was applied, a 3,3 kA decrease was observed in the fault currents in the 400 kV system. In the 154 kV system, there was a %55 decrease in short-circuit fault currents, and the highest fault current was 31,3 kA. As a result of the applied method, the short-circuit fault currents, which were above the limit value of 34 busbars in the 154 kV network in the undivided system, were reduced below the limit value of 31,5 kA by using the busbar separation method.
In the transmission system of the Thrace region, line and transformer loads are high due to the high consumption. Some lines in the regional transmission system are loaded over 90% in case of N-1 contingency. At the same time, some transformer centers are connected radially to the system over a single line. In the study, some projects were included in the existing system in order to solve these problems that risky to the network management. Two transformer substations and their connection lines, as well as new transmission lines to some regions where the system needs, have been added to the network. With these new projects included in the system, it is aimed to operate the network safely by reanalyzing a 121 busbar system in the PSS-E program.
In the results of the N-1 contingency analysis made in the developing transmission system, it was observed that the loading ratios of the loaded outgoing transmission line and transformers decreased. However, by increasing the number of connections of some radial fed centers, it is prevented from being de-energized as a result of a possible failure.
In the developing transmission system, an increase of 3-4 kA was observed in the results of the short circuit analysis made in the 400 kV system. In a 400 kV system, the highest short-circuit fault current is 43,8 kA when a single phase-to-earth fault occurs. With the addition of new equipment to the system, it is possible that there will be an increase in short-circuit fault currents as the number of transmission lines connected in some busbars increases.
In the 154 kV system, the short-circuit analyzes made with the development of the transmission system in the Thrace region, it was observed that the fault currents in some busbars exceeded the specified limit value. In order to limit the short-circuit fault currents, some modifications have been made in the network in addition to the previously applied split system. 
In some busbars, the transmission lines were taken out of service, the number of autotransformers was reduced, the busbars of the transmission lines, generators and power transformers connected to the busbars were changed. As a result of the new method studied, the equivalent impedance was increased by reducing the number of parallel connections of the busbars with high fault currents, thus limiting the short-circuit fault currents and providing a safer operation of the transmission system. With the new projects included in the system, the situations that risky in the N-1 contingency analyzes in the network were minimized, and it was ensured that the short-circuit fault currents remained below the limit values determined in the Electricity network regulation.