Nötr Noktası İzole Edilmiş Radyal OG Tesislerde Toprak Hatası Koruması

 

Hilmi Uysal

OG (Orta Gerilim) tesislerinde karşımıza çıkabilecek işletme topraklaması yöntemlerinden bazılarını Tablo-1’de görebilirsiniz.

Nötr noktası doğrudan topraklı sistemler, yüksek direnç / reaktans üzerinden topraklı sistemler ve Zig-Zag trafo üzerinden direnç ile topraklanmış sistemler, Tablo-1’de gösterilmemiş olmasına rağmen karşılaşılabilecek diğer işletme topraklaması yöntemleridir.

Tablo-1

Uzun yıllardır yapılan gözlemler göstermektedir ki, OG tesislerinde meydana gelen hataların büyük çoğunluğunun kaynağı, faz-toprak hatalarıdır. Bir OG tesisinin işletme topraklamasının nasıl yapıldığı, faz-toprak hataları oluştuğunda sistemin davranışını ve ne tür önlemler alınması gerektiğini etkilemektedir.

Bu yazının amacı, Tablo-1’de ilk sırada gösterilmiş olan nötr noktası topraklanmamış (İzole) ve radyal (dal) dağıtımlı bir tesiste, yönlü toprak kaçağı rölelerinin kullanım amacını ve çalışma prensiplerini özetlemektir.

Radyal şebekeler, Şekil-1’de görüldüğü gibi, “ring” (halka) yapısında olmayan ve normal işletme koşullarında tek yönde enerji akışının planlandığı sistemlerdir.

Şekil-1

Eğer radyal bir dağıtım şebekesinin nötr noktası topraklanmamış (izole) ise, böyle bir tesiste herhangi bir faz iletkeni toprak ile temas ettiğinde, yüksek kısa devre akımları oluşmaz. Ayrıca, birkaç saat süreyle enerji sürekliliğinin devamı amaçlandığı için devre kesicilerinin devreyi açması istenmez. Meydana gelen ilk toprak temasında oluşan hata akımları, kabloların oluşturduğu kapasitans devrelerinden kaynaklanır ve bu nedenle akım kapasitif özelliktedir. Akımın değeri, tüm radyal şebekede hata anında gerilim altında bulunan kabloların toplam uzunluğu ile doğru orantılıdır. Yaklaşık hesaplamalar için, kablo uzunluğu başına akım değerlerini (Amper/ kilometre) gösteren Tablo-2’deki değerler kullanılabilir. (Havai hatlar için Tablo-2 geçerli değildir). Ayrıca, toprak hatasının değerinin 10 A ile 30 A arasında oluşacak şekilde planlanması tavsiye edilir.

Tablo-2

İzole sistemlerde ilk toprak hatasının birkaç saatlik sürelerde devam etmesine müsaade edildiğini belirtmiştik. Bunun amacı, enerji sürekliliğinin çok önemli olduğu tesislerde işletmeci personele hata sonrası gerekli işletme manevralarını yapmaları için enerji kesintisi yapmaya gerek kalmadan vakit kazandırmaktır. Fakat ilk toprak hatası devam ederken tesisin herhangi bir noktasındaki diğer faz iletkenlerinden birinde toprak teması meydana gelirse, bu ikinci toprak hatası büyük kısa devre akımlarına sebep olur ve devre kesicilerinin açmasına sebep olur.

Şekil-2A’da ve Şekil-2B’de, izole bir şebekede normal işletme durumu ve örnek olarak L3 fazında toprak teması olması durumu karşılaştırılmıştır.

Şekil-2A

 

 

Şekil-2B

Şekil-2A’da ve Şekil-2B’de görüleceği üzere, L3 fazında meydana gelen toprak teması, diğer fazlardaki toprağa karşı gerilimlerin artmasına sebep olur ve bu şekilde çalışma bir süre devam eder. Bu nedenle, izole şebekelerde kullanılacak olan elektrik ekipmanlarının yalıtım seviyelerinin belirlenmesine tasarım aşamasında çok dikkat edilmelidir.

Unutulmamalıdır ki, radyal bir izole şebekede birinci toprak hatası, büyük kısa devre akımlarına sebebiyet vermez. İşletmenin, enerji kesintisi yapılmaksızın birkaç saat devam etmesine izin verilir ama toprak hatasının yeri en kısa sürede belirlenip hata giderilmelidir. Toprak hatasının yerinin belirlenmesi için yönlü hassas toprak kaçağı (67Ns) röleleri kullanmak en kolay uygulamadır. İzole şebekedeki bir fazın toprağa temasının sonucunda, üç fazın gerilimlerinin vektörel toplamı sıfırdan farklı olur ve artık gerilim (sıfır-bileşen gerilimi) oluşur. Bunun sonucu olarak, gerilim trafolarının açık üçgen sargılarında gerilim okunur. Toprak teması olduğunda oluşan bu gerilim, gerilim rölesi vasıtasıyla izlenebilir ve işletmeci personele “toprak hatası alarmı” vermek için kullanılabilir. Fakat sadece gerilimin ölçümü, hatanın yerinin tespitini sağlamaz. Bu sebeple, yönlü hassas toprak kaçağı röleleri kullanmak gerekmektedir.

Şekil-3

Şekil-3’de görüleceği üzere, toprak hatasının yönü hatanın meydana geldiği çıkış devresinde, diğer hatasız çıkış devrelerinde meydana gelen kısmi akımların tersi yönündedir. Şebekenin bu özelliğinden faydalanılarak hatanın yeri belirlenebilir. Hata yönünün tespiti amacıyla, Şekil-4’de bir çıkış için gösterildiği şekilde, tüm çıkış devrelerinde yönlü hassas toprak kaçağı rölelerinin (67Ns) kullanılması uygun olacaktır. Yön tespitini sağlamak için rölelere gerilim girişi bağlantısı da mutlaka yapılmalıdır.



Şekil-4’deki örnek şemada her üç fazın içinden geçirildiği bir toroidal akım trafosu (Sıfır-bileşen akım trafosu) kullanıldığına dikkat ediniz. İzole şebekelerin tersine, topraklanmış sistemlerde bu akım trafosu zorunlu değildir. Bu akım trafosunu kullanmak, ölçümün hassasiyetini arttırmaktadır ve izole şebekelerde kullanılması tavsiye edilir.

KAYNAKLAR:

1) Planning Guide for Power Distribution Plants / Design, Implementation and Operation of Industrial Networks – SIEMENS (Hartmut Kiank, Wolfgang Fruth, 2011)

2) Planning of Electric Power Distribution / Technical Principles (SIEMENS Totally Integrated Power Application Manuals)

3) Applications for SIPROTEC Protection Relays · 2005