Termik, hidroelektrik ve doğalgaz çevrim santralleri gibi yüksek kısa devre akımı katkılarına sahip enerji üretim tesislerinde koruma sistemlerinde geleneksel ANSI 50/51 koruması, arızi durumlarda yedek ( back-up) koruma görevini güvenilir şekilde yerine getirmektedir. Küresel yenilenebilir enerji 2015 – 2024 yılları arasında yaklaşık %140 artışla 2.600 GW artış göstermiştir. Aynı zamanda mikro-şebeke olarak işletilen endüstriyel tesislerin de yaygınlaşması ile enerji dönüşümündeki bu yenilenebilir kaynak artışı, güç sistemlerinin hem işletme hem de koruma felsefesini etkilemektedir.

Rüzgar ve güneş gibi kaynakların sisteme entegrasyonu, arızi durumlardaki kısa devre akımı katkılarının azalmasına ve koruma rölelerinin daha karmaşık ve düşük üretim kapasiteli senaryolarla karşı karşıya kalmasına neden olabilmektedir. Konvansiyonel aşırı akım korumaları (50/51), yalnızca akıma dayalı bir prensiple çalıştığından, düşük kısa devre akımlarının olduğu sistemlerde güvenilir bir çözüm sunmamaktadır. Yüksek anma gücüne sahip senkron generatörlerde akım seçiciliği ile bu koruma aktif bir şekilde işlevini yerine getirirken, aynı üretimin birden fazla rüzgar türbin fideri veya fotovoltaik sistemler ile sağlandığı durumlarda ayarların kör kalmasından dolayı röleler arızayı tespit edemeyebilirler.

 

Yenilenebilir enerji kaynaklarında kısa devre katkısı rüzgar ve güneş/enerji depolama sistemlerinde aşağıdaki durumlardan dolayı yetersiz kalabilmektedir.

Rüzgar tesislerinde: Her ne kadar alt geçici (sub-transient) kısa devre akımları nispeten yüksek olsa da üretim kapasiteleri ve kısa devre zaman sabitlerinin düşük olmasından dolayı, akım daha hızlı sönümlenmekte ve koruma sistemlerinin çoğunlukla arızayı tespit edip temizledikleri geçici hal (transient) ve sürekli hal (steady state) durumlarındaki akım seviyesi yetersiz kalabilmektedir.


 

Şekil 1: Örnek rüzgar tesisi ve şebeke bağlantısı

Diğer yandan dal sayısının fazla olması şebeke bağlantı noktalarında akım seçiciliği için yeterli kısa devre akımı sunsa da fider özelinde yapılacak olan korumalarda yetersiz kalabilmektedir.

Güneş santrali ve enerji depolama tesislerinde: Güneş santrali ve enerji depolama tesislerinde ksıa devre akımlarının düşük olmasının başlıca iki sebebi bulunmaktadır. Bunlar eviricilerin akımı sınırlaması ve şebekeye yükseltici trafo ile bağlandıklarından gerilim seviyesindeki artış (örneğin 0,69/34,5 kV) olarak verilebilir.

Şekil 2: Örnek enerji depolama tesisi

Eviricilerin akım sınırlama özelliği ile kısa devre akımı genellikle 1,15-1,5 pu ile sınırlanmaktadır. Bu kapsamda endüstrideki yaygın uygulamalarda şebeke analizleri gerçekleştirilirken en fazla %150*In kadar kısa devre akımı oluşacağı kabul edilmektedir. Yükseltici (step-up) trafo vasıtasıyla üretim tesisinin şebekeye bağlanması sonucundaki gerilim artışı ve trafo empedansıyla da kısa devre akımı seçicilik için düşük kalabilmektedir.

Yenilenebilir enerji kaynakları dışında, senkron generatör tarafından üretimin gerçekleştirildiği tesislerde de kısa devre katkıları düşük kalabilmektedir. Senkron makinenin uyartım sisteminin doğrudan generatörün terminallerinden beslendiği durumlarda, kısa devre anında terminal gerilimi hızla düşeceğinden ikaz akımı azalır; yeterli reaktif gücün sağlanamamasından dolayı arıza akımı hızlı bir şekilde sönümlenir.

Yukarıda bahsedilen durumlarda kısa devre katkısı düşük olmasına rağmen, tüm arızalar için ortak olan husus arızi durumlardaki gerilim çöküşüdür. Bu kapsamda geleneksel back-up aşırı akım koruması gerilim ile ilişkilendirildiğinde, gerilim kontrollü aşırı akım koruması (ANSI 51V), hem generatörlerde hem de inverter tabanlı yenilenebilir enerji tesislerinde kritik bir koruma fonksiyonu olarak kullanılmaktadır.

IEEE Std C37.102 standardı, senkron generatörlerin düşük kısa devre akımı verebildiği senaryolarda 51V fonksiyonunun tercih edilmesi gerektiğini açıkça vurgulamaktadır. Benzer şekilde IEEE Std C37.91, güç transformatörleri ile birlikte çalışan generatör-trafo ünitelerinde gerilim kontrollü aşırı akım fonksiyonlarının seçiciliğe katkısını ortaya koymaktadır.

Yenilenebilir enerji tarafında ise, inverter tabanlı üretimlerin akım sınırlama özelliği nedeniyle yalnızca akıma dayalı koruma fonksiyonlarının yetersiz kalabileceği IEEE ve IEC standartları tarafından tanımlanmış, voltaj koşullu koruma yaklaşımlarının gerekliliği belirtilmiştir. Ayrıca IEC 61400-21, rüzgâr türbinlerinin düşük kısa devre katkısını açıklamakta ve bu nedenle akım yerine gerilim tabanlı parametrelerin dikkate alınmasını önermektedir.

Tüm bu standartlar, 51V korumasının yalnızca generatörlerde değil, dağıtık enerji kaynaklarının yaygınlaştığı günümüz şebekelerinde de güvenilir ve seçici bir back-up koruma fonksiyonu olarak kritik rol oynadığını teyit etmektedir.

 

Bu kısımda ANSI 51V korumasının fonksiyonları Siemens Siprotec 5 serisi koruma cihazları baz alınarak incelenmektedir. Tanım olarak ANSI 51V, standart aşırı akım korumasının yapısal olarak gerilimle ilişkilendirilmesidir. ANSI 51V koruması, topolojik olarak benzer görünse de üç farklı fonksiyon yapısına sahiptir:

Gerilim bağımlı ters zamanlı aşırı akım (voltage dependent)
Gerilim koşullu ters zamanlı aşırı akım (voltage released)
Düşük gerilim mühürlemeli sabit zamanlı aşırı akım (undervoltage seal-in)

Bu fonksiyonlar, korunacak ekipmanın özellikleri ve koruma felsefesine bağlı olarak tek başına veya birlikte ANSI 51V koruması altında uygulanabilmektedir.

 

Bu fonksiyonda aşırı akım kademesinin açma eşiği (threshold current Ip), gerilim büyüklüğüne bağlıdır. Gerilim seviyesi nominal değerlerin altına düştükçe, başlatma akımı değeri azalır. Bu azalma, ölçülen anlık gerilim ve nominal gerilim oranının başlatma akımıyla çarpılması sonucunda gerçekleşir; doğrusal ve doğru orantılı bir bağıntı söz konusudur. Şekil-3’te gerilim oranının başlatma akımına etkisi verilmiştir.
 

Şekil 3: Başlatma akım eşiğine gerilim etkisi

V = Ölçülen faz-faz gerilimi
V_rated = Anma gerilimi
PU sett. = Başlatma akım ayarı ( Current Ip threshold)
PU(V) = Gerilim etkisi uygulanması sonucu azaltılmış akım başlatma eşiği

Akım başlatma eşiği, gerilim azalmasına orantılı olarak düşer. Bunun sonucunda, sabit bir I akımı için kullanılan eğri formülündeki I/Eşik-değeri oranı artar ve çalışma süresi kısalır. Özet olarak gerilim azaldığında çalışma eğrisi sola kayarak eşik seviyesi ve çalışma süresi azalır. Şekil 4’te ilgili fonksiyonun ayarları verilmiştir.
 

Şekil 4: Gerilim bağımlı fonksiyon ayarları

Akım seti, koruma yapılacak ekipmanın işletme ve dizayn karakteristiklerine bağlı olarak beklenen en yüksek işletme akımının yaklaşık %20-%30 fazlasına ayarlanır. Eğri katsayısı (TMS-Time Multiplier Setting) koordinasyon sonucu verilmek istenen açma süresine göre ilgili eğri formülünden hesaplanarak belirlenir.

 

Bu kademe gerilim bağımlı ters zamanlı aşırı akım kademesi ile aynı yaıda oluşturulmuştur. Tek fark, başlatma (pickup) koşulları ve çalışma eğrisi üzerindeki etkileridir. Kontrol gerilimi, ayarlanan düşük gerilim eşiğinin altına düştüğünde fonksiyon aktif hale gelir.
 

Şekil 5: Gerilim koşullu fonksiyon ayarları

Şekil 5’te görüldüğü üzere korumanın gerilim bağımlı fonksiyon gibi çalışmaya başlaması bir gerilim eşiğine (Undervoltage released) koşullandırılmıştır. Ölçülen gerilim, bu eşik değerin altına düştüğünde başlatma akımına V/Vrated oranı uygularak fonksiyon aktif hale gelecektir.

Akım seti, koruma yapılacak ekipmanın işletme ve dizayn karakteristiklerine bağlı olarak beklenen en yüksek işletme akımının yaklaşık %20-%30 fazlasına ayarlanır. Eğri katsayısı (TMS-Time Multiplier Setting) koordinasyon sonucu verilmek istenen açma süresine göre ilgili eğri formülünden hesaplanarak belirlenir.

Koşul için verilecek gerilim değeri yaygın uygulamalar ve tecrübeler ışığında, anma geriliminin %75-%80 aralığına ayarlanmaktadır. Diğer bir husus olarak aktif bir şekilde gerilim ölçümü yapıldığından, korumanın doğru çalışması adına gerilim devresi süpervizyonu olan “measured voltaj failure” fonksiyonu ile denetim sağlanarak gerektiğinde korumanın bloke edilmesi önerilmektedir. Bu, sistemden ziyade ölçüm alınan gerilim trafosundan veya sekonder devre bağlantılarından kaynaklı yanlış ölçümler sonucu hatalı açmaların önüne geçecektir.

 

Bu fonksiyon yaygın olarak sabit zamanlı back-up aşırı akım korumasının verileceği senkron generatörle üretim yapılan tesislerde uygulanmaktadır. Uyarma gerilmi makine terminallerinden elde edilen generatörlerde, yakın mesafeli arızalar durumunda (örneğin generatör veya generatör-trafo bölgesinde) kısa devre akımı hızla azalır. Uyarma gerilminin ortadan kalkması nedeniyle, birkaç saniye içinde akım, akım eşiğinin altına düşer. Rölenin bırakma (drop-out) bölgesine düşmesini önlemek için, kısa devre tespitinde ek kriter olarak pozitif bileşen gerilimleri kullanılır.
 

Şekil 6: Düşük gerilim kilitlemeli fonksiyon ayarları

Koruma cihazı aşırı akımdan başlatma aldığında, pozitif bileşen gerilimi ayarlanabilir V-seal-in eşiği’nin altına düşerse, akım yeniden eşik değerinin altına inse dahi açma sinyali, ayarlanabilir bir V-seal-in süresi boyunca korunur. Eğer gerilim, mühürleme (seal-in) süresi dolmadan önce normale dönerse ya da düşük gerilim mühüleme işlevi harici bir dijital giriş üzerinden bloke edilirse, mühürleme bozulur ve başlatma alan röle bırakma (drop-out) durumuna geçer.

Akım seti beklenen en yüksek yüklenme akımının en az %40 üzerine ayarlanmalıdır. İlave olarak senkron generatörlerde ayar verilirken kısa devre düşüm eğrisinin (decrement curve) dikkate alınması önerilmektedir. Gerilim ölçümüne dayalı diğer fonksiyonlar gibi gerilim devresi süpervizyonu olan “measured voltaj failure” fonksiyonu ile denetim sağlanarak gerektiğinde korumanın bloke edilmesi önerilmektedir.

Mühürleme gerilimi ayarı için aşağıdaki formül kullanılabilir:



Özetle, ANSI 51V fonksiyonu Siemens SIPROTEC 5 serisi koruma cihazlarında üç farklı yapıda uygulanabilmekte olup; gerilim bağımlı, gerilim koşullu ve düşük gerilim mühürlemeli aşırı akım kademeleri sayesinde, hem senkron generatörlerde hem de inverter tabanlı üretim tesislerinde kısa devre akımlarının hızlı sönümlenmesi veya düşük seviyelerde kalması durumlarında güvenilir ve seçici bir koruma sağlamaktadır.


Sonuç

ANSI 51V koruması, klasik aşırı akım fonksiyonunun gerilim ölçümüyle desteklenmiş gelişmiş bir versiyonu olarak, modern güç sistemlerinde artan yenilenebilir enerji entegrasyonu ve generatörlerin düşük kısa devre katkısı nedeniyle kritik hale gelmiştir. IEC ve IEEE serisi standartlarda tanımlandığı üzere 51V, farklı ekipman tipleri ve koruma felsefelerine uygun esnek çözümler sunmaktadır. Bu yönüyle 51V, hem şebeke güvenilirliği hem de tesis güvenliği için back-up koruma felsefelerinin merkezinde yer almaktadır.



Orhan Zengin

Şebeke Yazılımları
Güç Teknolojileri / Koruma – Koordinasyon, Güç Kalitesi ve Topraklama
Güç Sistem Danışmanı



Referanslar

► Siemens Siprotec 5 7UM**/7SJ** Series Manual
► Siemens PSSRSincal Simulasyon Yazılım Programı
► DIGSI 5 V09.90 Röle Arayüz Programı
► IEEE Std C37.102 – IEEE Guide for AC Generator Protection
► IEEE Std C37.91 – IEEE Guide for Protecting Power Transformers
► IEEE Std 1547 – IEEE Standard for Interconnection and Interoperability of Distributed Energy Resources with Associated
Electric Power Systems Interfaces
► IEC 61400-21