Güç Trafo Merkezlerindeki OG Şebeke ve Şalt Sistemlerinin Tasarım İpuçları

Orta Gerilim (OG) Sistemlerinin Planlanması

Orta gerilim şebekeleri, nominal gerilimleri 1 kV dan 36 kV'a kadar olan şebekelerdir ve OG Hücre Sistemleri de, OG trafo ve şalt merkezlerinde ve ikincil seviye trafo merkezlerinde ve müşteri trafo merkezlerinde kullanılırlar. Bu teknik makale sadece trafo merkezleri ve anahtarlama merkezleri için orta gerilim şalt cihazları ile ilgilidir.

fotoğrafta: 'UniSec' tipi orta gerilim hücrelerinin sisteminin test edilmesi; kaynak: senekis.gr

OG Hücreleri için verilen taleplerden kaynaklı olarak çok farklı sistemler tasarlanması gerekliliğinden dolayı, bir yandan sanayi ve elektrik santrali servis şebekeleri, diğer yandan da kamu hizmetlerine ait şebekeler arasında bir ayrım söz konusudur.

Örneğin, Almanya'da en sık rastlanan şebeke gerilimleri 10 kV ve 20 kV olarak kamu hizmetlerine ait şebekelerde karşımıza çıkar ve diğer taraftan da endüstriyel ve elektrik santrali servis şebekelerinde ise bu değerler: 6 kV, 10 kV ve 30 kV. arasında değişir.

Kamu hizmetine ait şebekelerde yük yoğunluğu kırsal alanlar kıyasla km başına 10 kWatt veya daha az olmakla birlikte, büyük şehirlerde km başına 20 MW veya daha fazla olsa da, endüstriyel ve elektrik santrali servis şebekelerinde genellikle çok daha yüksek seviyelere ulaşır.

Yüksek yük yoğunluğunun yanı sıra, endüstriyel ve güç trafo merkezleri servis şebekeleri sıklıkla aşağıdakiler ile karakterize edilir:

• Arz güvenilirliği için yüksek talepler,

• Voltaj kalitesi için yüksek talepler,

• Yüksek oranda motor yükü ve

• Yüksek kısa devre güçleri.

Sonuç olarak, sanayi ve elektrik santrali servis şebekelerinin yapısı, ilgili üretim süreçlerinin gerekliliklerinden güçlü bir şekilde etkilenmektedir.

Konfigürasyon gereksinimleri ve orta gerilim şalt tesislerinin anma verileri, ilgili şebeke yapısından ayrı ayrı düşülmelidir. Motor yüklerinin kısa devre akımına katkısını hesaba katmak veya şebeke koruması için gereksinimleri formüle edebilmek için normalde bir şebeke hesaplaması yapmak (örneğin NEPLAN ile) gereklidir.

Şekil 1 – 20 kV'da çalıştırılan gerçek şehir şebekesinin tasarımı NEPLAN yazılımı aracılığıyla analiz edildi

Kamu hizmet şebekelerinin işlevi, öncelikle aşağıdaki koşulları yerine getirirken kapsamlı bir elektrik enerjisi arzı sağlamaktır:

• Uygun tedarik güvenilirliği

• Yeterli voltaj kalitesi

• Maliyet etkinliği

Tedarikin uygun güvenilirliğine ilişkin kısıtlayıcı bir planlama kriteri bulunmadığından, genel olarak uygun olarak kabul edilen bir güvenilirlik düzeyi sağlayan bir dizi standart ağ kavramı zaman içinde yerleşmiştir.

Orta gerilim şalt donanımına yönelik talepler, farklı şebeke konseptlerine göre farklılık göstermektedir.Bu nedenle uygun sistem konfigürasyonunun seçimi, her zaman ağ konseptlerini ilgili ağ operatörünün besleme fonksiyonlarıyla eşleştiren ağ planlaması ile ilişkilidir.

Şebeke planlamasının temel işlevleri ve en önemli standart şebeke kavramları bu nedenle aşağıdaki paragraflarda sunulmaktadır.

Kamu Güç Kaynağı için OG Şebekelerin Planlanması ve Optimizasyonu

Şebeke planlamasının işlevi, günümüzde, yenileme yatırımları yaklaşırken, çoğu durumda tarihsel olarak belirlenmiş mevcut ağ yapılarını sorgulamak ve optimize etmekten ziyade şebeke yapılandırmasını planlamaktan daha azdır.

Sıklıkla, şebeke operatörünün besleme işlevi tarafından belirlenen arka plan koşulları, artık orta gerilim şebekelerinin kurulduğu ve genişletildiği arka plan koşullarına karşılık gelmemektedir.

Şebeke yapısı üzerinde geri besleme etkileri olabilen ve temel yeniden planlama veya hedef şebeke planlaması için bir fırsat sağlayan tipik değişiklikler aşağıdakileri içerir:

1. Değişen tedarik alanları, örneğin şirket birleşmeleri sonucunda,

2. Yeni veya kaydırılmış yük merkezleri, toplam yük, neredeyse durağan veya sadece biraz yükselen,

3. Hatalı yük tahminleri,

4. Merkezi olmayan üretim tesislerinin entegrasyonu,

5. Maliyetler üzerinde artan baskı, artan ekipman güvenilirliği,

6. Geliştirilmiş ağ yönetimi.

Temel planlama aşağıdaki hususları ve odak noktalarını içerir:

1. Gerçek durumun analizi,

2. Planlama ilke ve kriterlerinin tanımlanması,

3. Yük tahmini,

4. Hedef şebeke varyantlarının geliştirilmesi,

5. Şebeke varyantlarının teknik ve ticari karşılaştırması ve

6. Hedef şebekenin tanımı

Hedef şebeke, sadece şebeke yapısını değil, aynı zamanda trafo merkezlerinin ve anahtarlama merkezlerinin konumlarını ve boyutlarını ve orta gerilim şalt donanımı gereksinimlerini de tanımlar.

Gerçek durumun analizi ve hedef şebeke değişkenlerinin değerlendirilmesi sırasında şebeke hesaplamaları (örn. ETAP ile) yapılır.Bu süreçte, güvenilirliği tahmin etmek için yük akışı ve faz hatası akım hesaplamalarına her şeyden önce olasılık hesaplamaları eşlik eder. Güvenilirliğe ilişkin olasılık hesaplamaları, dağıtım şebekelerinde arzın güvenilirliğinin ölçülmesini kolaylaştırır.

Farklı şebeke ve sistem konfigürasyonlarının hizmet güvenilirliği üzerindeki etkisi, bu şekilde güvenilirlik özellikleri temelinde ölçülebilir.

Şekil 2 – ETAP orta gerilim şebeke tasarımı

Güvenilirlik özelliklerine örnekler arasında kesinti sıklığı (1/a olarak belirtilir), yani kesintilerin ağdaki tüketiciler tarafından bekleneceği sıklık için beklenen değer ve mevcut olmama (min/a olarak belirtilir), yani olasılık yer alır.arzı olmayan bir tüketici bulmaktır.Güvenilirlik özellikleri daha sonra ağdaki tüm arızaların kümülatif etkilerini tanımlar..

Ayrıca, kesintilerin maliyetleri biliniyorsa, kesintilerin arza neden olduğu yıllık maliyetlerin detayları sunulabilir. Her bir tüketici için güvenilirlik hesaplamalarının sonuçları aşağıdaki gibidir:

1. Beklenen kesinti sıklığı (n 1/a)

2. Beklenen müsaitlik durumu (dk/yıl cinsinden)

3. Beklenen ortalama kesinti süresi (dk veya sa olarak)

4. Beklenen enerji zamanında sağlanmadı (MWh/yıl olarak)

Bir bütün olarak sistem için olanlar aşağıdaki gibidir:

• SAIFI (Sistem Ortalama Kesinti Sıklığı İndeksi): 1/a olarak beklenen ortalama kesinti sıklığı)

• SAIDI (Sistem Ortalama Kesinti Süresi Endeksi): Beklenen ortalama mevcut olmama durumu (dk/yıl olarak)

• Beklenen enerji zamanında sağlanmadı (MWh/yıl olarak)

Ek olarak, bireysel ekipman parçalarının şebekenin “güvenilmezliğine” katkıları ölçülebilir. Bu, şebekenin işlevi için ekipmanın öneminin belirlenmesine ve örneğin bakım ve değiştirme çalışmaları için önceliklerin çıkarılmasına olanak tanır.

Genel olarak hangi şebeke konseptinin, hangi tedarik işi için şebeke maliyetlerinin hizmet güvenilirliğine en verimli oranını sağladığını söylemek mümkün değildir, çünkü daha yüksek seviyeli yüksek gerilim şebekeleri ve alt gerilim şebekelerinin biçimleri ve son olarak ama en az değil,genellikle belirtilen nominal sistem voltajı da dikkate alınmalıdır.

Patlamaya dayanıklı tasarımlı trafo merkezleri için, trafo merkezleri arasında orta gerilim bağlantısı yoktur.Bu durumlarda, Şekil 3'te gösterilen basit halka ağı konsepti genellikle tercih edilir.

Şekil 3 – Bireysel trafo merkezlerinin orta gerilim tarafında birbirine bağlı olmadığı halka şebekesi

Düşük yük yoğunluğuna sahip geniş toplama alanlarında, Şekil 4'te gösterildiği gibi zıt istasyonlu bir konsepti uygulamak genellikle daha ekonomiktir. Zıt istasyonlar yük ayırıcı sistemler olarak tasarlanabilir.

Şekil 4 – Ayrı trafo trafo merkezlerinin OG tarafında birbirine bağlı olmadığı karşılıklı istasyonlara sahip şebeke

Trafo merkezlerinden yük merkezleri sağlanacağı zaman, Şekil 5'te gösterildiği gibi bir yük merkezi trafo merkezi sağlanması yararlıdır. Bu, trafo merkezine besleme kabloları ile bağlanır ve yüke yakın güç sağlar, örneğin;halka şebekeler

Yük merkezi trafo merkezleri, devre kesici sistemler olarak tasarlanacaktır.

Şekil 5 – Bireysel trafo merkezleri OG tarafında birbirine bağlı değil

Trafo merkezlerinin orta gerilim tarafında bağlı olduğu ağlar, bu alt istasyonlar kendinden güvenli tasarımda olmadığında kullanılır.Yedek besleme daha sonra orta gerilim şebekesinden etkilenir.

Trafo merkezleri ya doğrudan dağıtım kabloları ile (Şekil 6) ya da Şekil 7'de gösterilen zıt istasyon konseptinde olduğu gibi besleme kabloları ile birbirine bağlanır. Bu ağ konseptleri, ilave bir trafo merkezinin inşasından kaçınılması gerektiğinde ekonomik bir alternatif sağlayabilir.veya başlangıçta yalnızca bir transformatörle uygulanır.

Şekil 6 – Tek tek karşılık gelen trafo trafo merkezlerinin OG tarafında birbirine bağlı olduğu şebeke

Bununla birlikte, maliyet etkinliği, ilgili münferit durum için kontrol edilmelidir.

Bu şebeke kavramlarının operasyonel yönetimi, ağda anahtarlama işlemleri gerçekleştirilirken trafo merkezlerinin orta gerilim ağı üzerinden birleştirilmesinden kaçınılması gerektiğinden daha karmaşıktır.

Aksi takdirde, örneğin yüksek sirkülasyon akımları akabilir veya ekipmanın kısa devreye dayanma kapasitesi aşılabilir.

Şekil 7 – Karşı istasyonlu ilgili trafo merkezlerinin OG tarafında birbirine bağlandığı şebeke

Uygulamada, bir dağıtım şebekesi operatörünün tedarik bölgesi içindeki yük yoğunluğu sıklıkla oldukça geniş bir aralıkta değişir ve daha yüksek ve daha düşük seviyeli şebekeler tek tip değildir.

Bu, sunulan ağ kavramlarının çoğunlukla saf haliyle değil, melez olarak karşımıza çıktığı anlamına gelir.

Sunulan tüm şebeke konseptlerinin ortak bir özelliği, dağıtım kablolarının radyal çalışma modudur; bu, yalnızca basit işletim yönetimini (yukarıda belirtilen istisna dışında) kolaylaştırmakla kalmaz, aynı zamanda özellikle tek fazlı arızalarda basit bir koruma stratejisi ve sorun gidermeyi kolaylaştırır (toprak arızaları / kısa devreler).

Kaynaklar:

1. Pocket book by #ABB

2. Optimal reconfiguration of radial MV networks with load profiles in the presence of renewable energy-based decentralized generation by Nasser G.A. Hemdana, Benjamin Deppec, Magnus Pielke, Michael Kurrat, Tanja Schmedes and Enno Wiebene