Elektrik şebekelerinde meydana gelen arızaların hızlı ve doğru tespit edilmesi, hem enerji sürekliliği hem de can ve mal güvenliği açısından kritik öneme sahiptir. Özellikle faz-toprak arızaları, orta gerilim seviyelerinde en sık karşılaşılan arıza tiplerinden biridir. Bu tür arızalar doğru yönetilmediğinde yalnızca arızalı hattı değil, sağlıklı hatları da etkileyerek geniş bölgelerde kesintilere ve ekipman hasarına yol açabilir.

Bu makalede, organize sanayi bölgelerinde (OSB) kullanılan 33 kV orta gerilim dağıtım şebekeleri üzerinden örnek bir çalışma incelenmiş; farklı senaryolar altında faz-toprak arızalarının şebeke davranışına etkileri değerlendirilmiştir. Çalışmada, sayısal modelleme ve simülasyon teknikleri kullanılarak arızaların oluşturduğu akım genlikleri, açıları ve röle koordinasyon problemleri analiz edilmiştir.

Faz-toprak arızası, elektrik hatlarından birinin toprağa temas etmesiyle sistemde akımların dengesizleşmesi olarak tanımlanabilir. Koruma röleleri bu durumu algılayarak hattı devreden çıkarır. Ancak bazı durumlarda yalnızca arızalı hat değil, sağlıklı hatlar da yanlışlıkla açılabilir. Bu olaya sempatik açma denir. Bu çalışmada yapılan simülasyonlar, farklı kablo uzunlukları ve topraklama yöntemlerinin bu hatalı açmalara etkilerini ortaya koymaktadır.

Elektrik Şebeke Yönetmeliği’nde faz-toprak arızalarıyla ilgili düzenlemeler bulunmaktadır.

Örneğin:

“400 kV’yi dağıtım sistemine bağlayan yıldız–üçgen transformatörlerin primer sargılarının nötr noktası doğrudan, sekonder sargısı ise topraklama transformatörü üzerinden topraklanır… 154 kV sistemi dağıtım sistemine bağlayan bir transformatörün sekonder sargısının nötr noktası 1000 A’lik direnç veya nötr reaktörü üzerinden topraklanır.”

Türkiye’de yüksek gerilim şebekesi (154 kV ve 380 kV) TEİAŞ tarafından işletilmektedir. Dağıtım ve OSB bölgelerinde ise genellikle benzer özellikte indirici trafolar kullanılmaktadır.


Örneğin:

154/33 kV Ynyn0 bağlantılı transformatörlerde, orta gerilim tarafı toprak akımlarını 1000 A ile sınırlamak amacıyla 20 ohm direnç üzerinden topraklanmaktadır.
380/33 kV YNd11 bağlantılı transformatörlerde, orta gerilim tarafı harici endüktif karakterli bir topraklama trafosu üzerinden topraklanmaktadır.

Büyüyen şehirler ve gelişen altyapılarla birlikte, dağıtım şebekelerinde yeraltı kablo kullanımı artmış ve şebekenin kapasitif karakteri güçlenmiştir. Özellikle 380 kV trafo merkezlerinde kullanılan endüktif karakterli topraklama trafoları, faz-toprak arızalarının tespiti ve temizlenmesi süreçlerinde riskler oluşturabilmektedir.


 

Şekil 1: Şematik Gösterim

 

İncelenen sistem, yüksek gerilim (380/33 kV) trafosundan beslenen orta gerilim (33 kV) fiderlerinden oluşmaktadır. 4 adet 33 kV fider, 2’şerli ring fiderler şeklinde işletilmektedir: Fider 1-2 ve Fider 3-4. Çalışmada üç farklı senaryo ele alınmıştır:
 

Organize sanayi bölgesindeki mevcut kablo uzunlukları ve işletme koşulları temel alınmıştır. Arıza akımları röleler tarafından tespit edilebilir büyüklüktedir. Ancak sağlıklı fiderlerde sempatik açmalar gözlemlenme riski vardır.

 

Tablo 1: Mevcut Durum Şebeke Verisi
 

Kablo uzunlukları yaklaşık 2,5 katına çıkarılmıştır. Kapasitif akımların artışı nedeniyle yönlü koruma fonksiyonları zayıflamış ve konvansiyonel koruma yöntemlerinin yetersiz kalabileceği görülmüştür.

 

Tablo 2: Uzun Kablo Hattı Durum Şebeke Verisi


 

 

Sisteme 20 ohm nötr direnci eklenmiştir. Arıza akımları ve açıları belirginleşmiş, yönlü toprak koruma fonksiyonlarının etkinliği artmıştır.

 

 

Şekil 2: Topraklama Trafosu + 20ohm Nötr Direnci



Şekil 3: Şebeke Modeli

 

Teknik Bulgular

► 380/33 kV sekonderi topraklama trafosu üzerinden yapılan değerlendirmelerde, endüktif karakterli topraklama trafosu ile OG kabloların kapasiteleri arasındaki rezonans, yüksek empedanslı topraklama davranışına yol açmaktadır.

► Kablo uzunlukları, arıza akımlarının genliği ve faz açılarını etkiler. TR barasındaki toplam kablo uzunluğu 120 km’ye ulaştığında, 3Io akımı minimum seviyeye inmektedir.

 

► Arıza akımı genlikleri rölelerin algılayabileceği büyüklüktedir.
► 100 A’lık eşik değeri faz-toprak arızalarının tespiti için yeterlidir.
► Ancak yönlü koruma fonksiyonu, sağlıklı fiderlerdeki sempatik açmaları engelleyememektedir. Bunun nedeni, hem arızalı hem de sağlıklı fiderlerde faz açıların birbirine çok yakın olmasıdır.
► 100 A’lık eşik değeri sempatik açmaları çoğu durumda önleyecektir. Ancak ring besleme noktaları değiştirildiğinde kapasitif akım değerleri yükselmekte ve sempatik açma ihtimali artmaktadır.



 

Şekil 4:  Senaryo-1 3Io Akım Genlik ve Açı

 

► Kablo uzunluklarının 2,5 katına çıkarıldığı durumda, kapasitif akımlar ile arıza akım genliklerinin birbirine çok yaklaştığı görülmüştür.
► Faz açıları da benzer hale geldiği için yönlü koruma fonksiyonu çalışmamış, bu da konvansiyonel koruma yöntemlerinin yetersiz kalabileceğini göstermiştir.
► Bu nedenle daha güvenilir koruma için hat diferansiyel koruma gibi primer yöntemlerin kullanımı önerilmektedir.
 

 

Şekil 5: Senaryo-2 3Io Akım Genlik ve Açı

 

► 20 ohm ve 20+20 ohm nötr dirençleri eklenerek yapılan simülasyonlarda arıza akım genliklerinde azalma görülmüştür, fakat bu düşüş röle ayarlarının altında kalmamış, yani sistemin güvenliği bozulmamıştır.

► Faz açılarında belirgin bir iyileşme sağlanmış, kapasitif akımların etkisi azalmıştır.

► Bu durumda yönlü toprak koruma fonksiyonları daha düşük eşik değerleri (ör. 60 A) ile kullanılabilir hale gelmiş ve dirençli arızaların algılanması mümkün olmuştur.



 

Şekil 6:  Senaryo-3 3Io Akım Genlik ve Açı





Şekil 7: 3Io Akım Açı ve Genlikleri

Sonuç ve Öneriler

Organize sanayi bölgelerinde kullanılan orta gerilim şebekelerinde faz-toprak arızaları, işletme güvenliği ve enerji sürekliliği açısından kritik bir konudur. Bu çalışmadan elde edilen bulgular ışığında şu öneriler yapılabilir:

► Kablo uzunluklarının artacağı öngörülüyorsa, klasik röle koordinasyonu tek başına yeterli olmayabilir. Bu durumda hat diferansiyel koruma gibi primer yöntemlerin kullanımı değerlendirilmelidir.
► Topraklama trafolarının tasarımında ve seçilecek topraklama yöntemlerinde, kapasitif akımların etkisi mutlaka dikkate alınmalıdır.
► Sempatik açmaların önlenmesi için dirençle topraklama yöntemleri ve yönlü koruma fonksiyonları birlikte ele alınmalıdır.
► Bu sonuçlar, gelecekte yapılacak şebeke planlamalarında koruma stratejilerinin daha erken aşamada değerlendirilmesi gerektiğini ortaya koymaktadır.


Turan Can Memiş

Akıllı Altyapılar
Şebeke Yazılımları
Güç Teknolojileri / Koruma, Güç Kalitesi ve Topraklama
Güç Sistem Danışmanı


Referanslar

► Elektrik Şebeke Yönetmeliği, Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu
► Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı
► IEC 61936-1: Power installations exceeding 1 kV AC – Part 1: Common rules
► IEEE Std C62.92.1-2000: Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems
► IEEE std 142-1991: IEEE recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems