Enerji İletim Sistemlerinde 3-faz-6-faz Dönüşümlerinin İletim Kapasitelerine Etkilerinin İncelenmesi

Abstract

Günümüzde elektrik enerjisi talebinde görülen artmalar, enerji üretim merkezlerinin tüketim merkezlerinden uzakta bulunması ve sistemlerin birbirlerine bağlanma ihtiyacı nedeniyle enerji iletim sistemlerinin önemi gittikçe büyümektedir. Enerji iletim sisteminin iletim kapasitesini arttırma gereksinimi, klasik olarak aynı teknik özellikleri taşıyan paralel iletim hatlarını arttırarak veya daha yüksek gerilim kademelerine çıkılarak karşılanmaya çalışılır. Bu olanakların kullanılmasında güzergah kullanımındaki ve aşın yüksek gerilimdeki teknolojik ve çevresel sorunlar gibi belirli sınırlamalar ve mahsurlu durumların ortaya çıkışı söz konusudur. Bu nedenle, üç-fazlı sistemlere bir alternatif olarak, gücü, çevreye elektriksel ve estetik açıdan daha uygun biçimde iletecek az yer kaplayan çok-fazlı sistemler (altı ve daha yüksek) üzerinde inclemeler yapılmaya başlanmıştır. Çok fazlı iletim kavramı ilk olarak 1972 yılında yapılan CIGRE toplantısında Barthold ve Barnes tarafından önerildi. Amaç hat güzergahlarım daha etkin ve ekonomik şekilde kullanarak iletim kapasitesini arttırmaktı. İncelemelerde çok fazlı hatlar iki şekilde göz önüne alınmaktadır, bunlar;. Çok-fazlı sistemin yeni bir tasarım olarak yapılması. Var olan 3-fazlı sistemlerin çok-fazlı sisteme dönüştürülmesi durumlarıdır. 3-fazlı çift-devre bir iletim hattının 6-fazlı tek devre iletim hatuna dönüştürülmesi ikinci duruma örnektir. Çok-fazlı iletim sistemlerinin önemli yararlan;. Hat güzergahının etkin kullanılması. Güç iletim kapasitesini arttırması. Elektriksel çevre etkilerinin azaltılması. Az yer kaplayan bir sistem olması. Simetrik iletken düzenlemesi yapabilme olanağı ve bu sayede dengesizliğin azaltılması. Mevcut sistemlerle uyumluluk olarak verilebilir. Son yıllarda enerji iletimi ile ilgili çevrelerde göz önünde bulundurulan en önemli konu, iletim hatlarında maksimum kapasite ile iletimin sağlanabilmesidir. Bir iletim hattı üzerindeki aktif ve reaktif güç iletimi, hat empedansı, hat uçlarındaki gerilim genlikleri ve açı farklan ile ilişkilidir. Enerji iletim sistemlerinde fiziki güç akış xvı yasalarıyla belirlenen iletim kapasitesi harici bir kontrol olmaksızın Şekil 1' deki görünümü alır. Bir iletim hattı üzerindeki güç iletim sınırlan genellikle üç sınır ile belirlenir:. Isıl (termal) sınır; iletim hattı akım taşıma kapasitesinin belirlediği doğal fiziksel sınır.. Kontrolsüz güç-akışı sınırı; doğal güç-akışının belirlediği sınırdır.. Kararlılık sının; bir güvenli dinamik olarak kararlı güç iletimi için olan gereksinimlerin belirlediği sınır. Isıl sınır i Kontrolsüz güç akış sının Kararlılık sının Şekil 1. Güç iletim kapasitesi sınırlan. îletim kapasitesini arttırma seçeneklerinden biri de iletim sisteminde seri ve şönt kompanzasyon yapılmasıdır. Seri kapasitörler ve şönt reaktörler genellikle uzun iletim hatlannın sırasıyla, seri endüktansını ve şönt kapasitesinin etkisini azaltmak için kullanılır. Geçmişte klasik kompanzasyon sistemleri sabit oranlarda ayar yapmaya izin verirken, son yıllarda güç elektroniği ve kontrol konusunda meydana gelen gelişmeler sayesinde daha esnek ve sürekli ayar olanağı sağlayan FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System - Esnek Alternatif Akün İletim Sistemleri) cihazlarının kullanımı mümkün olmuştur. Güç iletim parametreleri olan gerilim, faz açısı ve hat empedansımn hızlı ve güvenilir kontrolünü sağlayan FACTS cihazlan, güç iletim kapasitesinin ısıl şuurlara yaklaştmlabilmesini sağlamaktadır. Uzun iletim hatü planlaması yapılırken, sadece gerekli kompanzasyon derecesini belirlemek yeterli değildir, aynı zamanda reaktör ve kapasitör banklan için en uygun (optimal) yerlerin de belirlenmesi gerekir. İletim planlamasının temel gereksinimlerinden biri etkili ve ayrıntılı koruma düzenleridir. Bu nedenle öngörülen arıza durumlarında sistem durumunu elde etmek için bir dizi anza analizi yapmak gereklidir. Çok-fazlı sistemlerde anza analizleri daha karmaşık olduğu için üç-fazlı sistemlerden daha farklı analizler yapılmalıdır. Üç fazlı sistemlerde beş farklı anza durumu incelenirken, altı-fazlı sistemlerde incelenmesi gereken anza durumu sayısı on bir adettir. Altı fazlı sistemlerde meydana gelebilecek on bir anza tipi, 1. Bir faz-toprak arızası ( 1 FT) 2. İki faz-toprak arızası (2FT) 3. İki faz arızası (2F) 4. Üç faz-toprak arızası (3FT) 5. Üç faz anzası (3F) 6. Dört faz-toprak anzası (4FT) xvii 7. Dört faz arızası (4F) 8. Beş faz-toprak arızası (5FT) 9. Beş faz arızası (5F) 10. Altı faz-toprak arızası (6FT) 1 1. Altı faz arızası (6F) dir. Altı-fazlı bir iletim sisteminin performansım üç-fazlı sistem ile karşılaştırmak için kararlılık analizleri açısından da incelemelerin yapılması gereklidir. Klasik üç-fazlı sistemlerle ilgili geçici-hal kararlılığı çalışmalarına ilişkin literatürde çok doküman olmasına karşılık altı-fazlı sistemler için çalışmalar çok azdır. Bu tez çalışmasında enerji iletim sistemlerinde iletim kapasitesi arttıranında bir alternatif olan altı-fazlı sistemlerin kullanımının iletim kapasitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. İncelemelerde, altı-fazlı dönüşümde iletim hattı kompanzasyon elemanlarının farklı şekillerde konumlandırılmasının etkileri de araştırılmıştır. İletim sisteminin yüklenme durumu ve kompanzasyon derecesinin büyüklüğü açısından da incelemeler yapılmıştır. Tüm bu verilen durumların iletim sistemi üzerindeki etkilerinin araştırılması, arıza ve kararlılık analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Kararlılık incelemelerinde eşit alan kriteri kullanılmıştır. Daha önceki çalışmalardan farklı olarak alü-fazlı sistemlerde dengesiz arızalarda kararlılık incelemeleri gerçekleştirilmiştir. KEBAN GÖLBAŞI 0-<5H tzzhG S R Sonsuz güç barası Şekil 2. 380 kV çift devre 3-fazlı Keban-Gölbaşı enerji iletim hattının şeması. Örnek sistem incelemeleri için ülkemiz elektrik sisteminde yer alan Keban-Gölbaşı (Ankara) çift-devre üç-fazlı 380 kV iletim hattı (Şekil 2) göz önüne alınarak bu hattın tek-devre altı-fazlı iletim hattına dönüşümü durumunda iletim kapasitelerine etkileri alü farklı iletim modeli için arıza ve kararlılık analizleri de yapılarak gerçeUeştirilmiş, sonuçlar tablolar ve şekiller ile verilmiştir. İncelemeler sonucunda alü-fazlı çalışmada arıza durumunda kompanzasyon elemanları üzerinden akan akımların, üç-fazlı çalışmadaki arıza durumlarında olan akımlarla kıyaslandığında önemli miktarda artabildiğini göstermiştir. Bu sonuçlar koruma düzeninin tasarımında ayrıntılı araştırmaların gerekliliğini ortaya koymaktadır. Kararlılık incelemelerinden elde edilen sonuçlar, göz önüne alınan arıza incelemeleri için altı-fazlı sistemlerin üç-fazlı sistemlere göre daha kararlı olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, üç-faz-altı-faz dönüşürlerinin sağlayacağı bir güç iletim kapasitesinin artımı yam sıra, uygulanacak FACTS ile iletimde kontrollü bir şekilde bir miktar XV1U daha kapasite artıranı sağlanabileceği görülmektedir. İncelenen Keban-Ankara hattının risklere karşı son derece korunmuş olduğu ve gelişen teknolojilerle güç arttırımı yapılabilmesi açısından da çok müsait olduğu tesbit edilmiştir. Bu hatlara uygulanacak gelişen teknolojiler ile ısıl şuurlara yaklaşımı göz önüne alarak güç kapasitelerinin artımında büyük kazançlar sağlanabilecektir.

Today, power transmission systems have gained more importance due to the increasing demands, remotely located major generating and load centers as well as the necessity of interconnection. The most common way to increase transmission capacity is to increase the system voltages of AC overhead lines or the number of parallel overhead lines, which have the same technical features. However, these solutions have drawbacks such as strong electric fields at ground level in case of extremely high voltages and increased demands for right of way. Therefore, the use of multi-phase systems (six phase or higher) to transmit larger amounts of power in physical space with fewer aesthetics and electrical impacts on the environment has been considered. The concept of multi-phase transmission was introduced for the first time in 1972 at a CIGRE meeting by Barthold and Barnes. The prime objective was to utilize the right of way more efficiently and economically. In studies, multi-phase transmission has been considered in two ways,. as a new design for multi-phase system. as a conversion of existing three-phase systems into multi-phase systems The conversion of three-phase double circuit transmission line into six-phase single transmission line is an example of the second. The benefits of multi-phase lines are,. Efficient utilization of rights of way. Increased power transfer capability. Reduced electrical effects in the environment. Compact structures. Reduced imbalance due to the possibility of having symmetrical conductor arrangements. Compatibility with existing systems In recent years, the most important issue faced by the electrical utilities is to transmit power in maximum capacity. Real and reactive power transfer on a transmission line is governed by the line impedance, voltage magnitudes and angle difference at the line ends. Power transmission capacity determined by physical power flow without any external control is shown in Figure 1. Power transfer limits on a transmission line are in general determined by three levels. xx Thermal level; the inherent physical limit as determined by transmission lines ampacities Uncontrolled power flow level; the limit imposed by the natural power flow. Stability level; the limit imposed by the requirements for a secured, dynamically stable power transfer. Thermal limit Uncontrolled Power flow limit Stability limit Figure 1. The limits on power transfer. An alternative way to increase power transfer capability is to use series and shunt compensation. The insertion of series capacitance and shunt inductance reduces the effect of series line reactance and shunt capacitance respectively in long transmission lines. In the past, classical compensation techniques only allow for adjustments in constant rates, however, recent advances in power electronics and control technology enable the use of Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) which allow for flexible and continuous adjustments. FACTS can control the parameters that govern the operation of transmission systems including series impedance, shunt impedance, current, voltage and phase angle in a quick and reliable way and enable a line to carry power closer to its thermal rating. In the planning stage of long transmission lines, the optimal location of reactors and capacitors should be determined as well as the degree of compensation. One of the basic requirements of transmission planning is an effective and detailed protection system. Therefore, fault analysis should be carried out in order to determine system status in faulty situations. Fault analysis of multi-phase systems is more complicated than of three-phase systems. In three-phase systems, five different fault situations are analyzed; whereas, in six-phase systems eleven different fault situations should be taken into considerations. Faults that may occur in six-phase systems are 1. Single phase-ground (1 LG) 2. Double phase-ground (2LG) 3. Double phase (2L) 4. Three phase -ground (3LG) 5. Three phase (3L) 6. Four phase-ground (4LG) xxi 7. Four phase (4L) 8. Five phase-ground (5LG) 9. Five phase (5L) 10. Six phase-ground (6LG) 1 1. Six-phase (6L) Stability studies should also be carried out in order to compare the performance of three phase and six phase transmission systems. Although there are many studies concerning the transient stability of three-phase systems in literature, studies on the transient stability of six-phase systems are very rare. In this study, the effects of six-phase power transmission on power transfer capacity are analyzed as an alternative way to increase power transfer capacity. Power system loading conditions, degree of compensation and the location of compensation devices are all taken into consideration. Both fault and stability analyses are carried out. Equal area criterion is used in stability studies and different from the other studies on this subject, asymmetrical faults are also taken into consideration in stability studies KEBAN GÖLBAŞI