Bölgesel Enerji Kesintileri ve Sebepleri

Bölgesel Enerji Kesintileri (ing. “Power Outage” veya “Blackout”) dağıtım veya iletim tesislerinde yaşanan çeşitli problemler sebebiyle çok miktarda tüketiciyi etkileyen en önemli güç kalitesi problemlerinden biridir. Literatürde, bu kesintilerin Bölgesel Enerji Kesintisi olarak sınıflandırılabilecek boyutta olması için en az bir milyon adam saatlik bir kesinti yaşanmış olması gerekir. Yani bir dağıtım şebekesinde, bin tüketicinin bin saatlik bir kesintiye uğraması da, bir milyon tüketicinin bir saatlik kesintiye uğraması da Bölgesel Güç Kesintisi olarak adlandırılabilir.

Bölgesel Güç Kesintileri, ağırlıklı olarak enerji iletim şebekesinde yaşanan problemler sebebiyle tüketicileri etkilemektedir. Santrallerde (hidroelektrik, doğalgaz, termik, rüzgar, jeotermal vs) üretilen elektrik enerjisinin son tüketiciye mümkün olan en az kayıpla ulaştırılabilmesi için yükseltici trafolar ile yüksek gerilim seviyesine çıkarılmaktadır. Yüksek gerilim seviyesinde bulunan trafo merkezleri (TM, istasyon), iletim hatları ve yer altı kabloları ile güç transformatörleri bir ülkenin ulusal iletim şebekesini oluşturur.

Dünyada yaşanmış en büyük güç kesintilerinin iletim şebekelerinde yaşanan problemler sebebiyle gerçekleştiği  bilinmektedir. İletim sistemi, doğrudan orta gerilim seviyesindeki dağıtım sistemlerini beslemesi nedeniyle, yaşanan kesintiler şehir şebekesinin sıradan kullanıcılarının yanı sıra, endüstriyel tesisleri, şirketleri veya hastaneleri de etkilemekte; hava, kara ulaşımı, internet erişimi, içme suyu dağılımı, eğitim veya ısınma gibi modern hayatın temel ihtiyaçlarını bir süre aksatabilmekte ve ülke ekonomilerine ciddi zararlar verebilmektedir.

Bölgesel Enerji Kesintilerinin Tarihçesi

Bölgesel Enerji Kesintileri, bugüne dek Asya, Avrupa ve Amerika’da birçok ülkenin farklı zamanlarda yaşadığı ortak bir sorundur. Tarihte yaşanmış en büyük güç kesintilerine örnek olarak; 2012 yılında Hindistan’da yaşanan ve 620 milyon kişinin etkilendiği kesinti [1] ; yine Hindistan’da 2001 yılında 230 milyon kişiyi enerjisiz bırakan enerji kesintisi [2]; 2003 yılında İtalya, İsviçre, Hırvatistan, Avusturya ve Slovenya’yı aynı anda etkileyen ve 55 milyon kişinin enerjisiz kaldığı “2003 İtalya Kesintisi”[3]; ve aynı yıl Kanada ve Amerika Birleşik Devletleri’nde 55 milyon kişinin enerjisiz kaldığı “Kuzeydoğu Kesintisi” gösterilebilir [4]. Örneklerde de görüldüğü gibi, büyük enerji kesintileri ülkelerin gelişmişlik düzeyinden veya ekonomik seviyelerinden bağımsız olarak oluşan ve her ülkede belirli bir bölgeyi ve hatta birkaç ülkeyi bir arada etkileyebilen enternasyonal bir sorundur.

Bölgesel Enerji Kesintilerinin Sebepleri

Bölgesel Enerji Kesintileri’nin çoğu zaman birbiriyle ilişkili olan farklı sebepleri olabilmektedir. Bu sebeplerden biri veya aynı anda birkaç tanesi bölgesel veya ulusal bir kesintiye sebep olabilmektedir. Aşağıda neden olabilen temel sebepler sıralanmaktadır:

• Enerji talebindeki sürekli artış

Uluslararası Enerji Ajansı’nın (IEA) verilerine göre 2040 yılına kadar dünya enerji talebinde yüzde 37’lik bir artış yaşanması beklenmektedir [5]. Bu artış ülkesel bazda incelendiğinde, hem ilave üretim santrallerinin yapılmasını; hem de bu santrallerin planlı ve büyük tüketici gruplarına mümkün olduğunca yakın tesis edilmesini zorunlu kılmaktadır. Bunun sebebi, uzun hatlarda oluşma olasılığı daha yüksek olan arıza riskini azaltmak, gerilim ve frekans senkronizasyonunu korumak ve adalaşma durumlarında üretim tüketim dengesini sağlamaktır.

• Yüksek gerilim şebekesinde meydana gelen arızalar ve aşırı yüklenmeler

Üretilen enerji, yükseltici trafolar ile yüksek gerilim (110-170 kV) veya çok yüksek gerilim (220-400 kV) seviyesine çıkarıldıktan sonra farklı karakteristikte ve mesafede enerji iletim hatları ile indirici trafo merkezlerine taşınmaktadır.

İletim hatlarına fiziksel temas (damper, ağaç dalı, poşet, uçurtma vb) veya yıldırım düşmesi hatlarda en sık yaşanan arıza sebeplerindendir ve tamamen engellenmesi havai hatlarda mümkün olamamaktadır. Yüksek gerilim yer altı kablolarında ise bu ihtimaller bulunmamakla birlikte yatırım maliyeti daha yüksektir. Arıza sebebi olarak doğalgaz çalışması vb nedenlerle kablonun delinmesine bağlı kısa devre oluşumu söz konusu olabilmektedir.

Yüksek gerilim güç transformatörlerinde (indirici veya yükseltici trafolar) yaşlanmaya bağlı izolasyon zayıflaması veya açık şaltta bulunan trafolarda hayvan temasının neden olduğu kısa devre oluşumu söz konusu olabilmektedir.

Arızanın yaşandığı elektriksel ekipman (havai hat, yer altı kablosu, güç transformatörü vb) koruma röleleri tarafından ilgili kesicileri açtırarak arızanın temizlenmesi sağlanabilmektedir. Ancak bu sırada devre dışı kalan elektriksel eleman, enerji taşıma vazifesini yerine getiremez ve beslediği tüketiciler eş zamanlı olarak farklı kaynaklardan da beslenmiyorsa bu tüketiciler enerjisiz kalır. Benzer şekilde, elektriksel ekipmanın, uzun süreli nominal seviyesinde belirtilen değerler üzerinde yüklendiği (termal dayanımının aşıldığı) durumlarda, koruma röleleri yine ekipmanın aşırı ısınmasını ve hasar görmesini önlemek amacıyla, kesicilere açma komutu göndererek ilgili elemanı sistemden ayırır. 

• N-1 ve N-2 koşullarının arıza/bakım gibi durumlarda sağlanamaması

Gerek arıza, bakım gerekse aşırı yüklenme sebebiyle olsun, devreden çıkan iletim hatlarının beslediği yükleri eş zamanlı olarak besleyen diğer hatların, arızalı hat sistemden ayrıldıktan sonra dahi, payına düşen ilave yükü nominal çalışma koşullarını aşmayacak şekilde paylaşıp taşıyabilmeleri gerekmektedir (N-1 koşulu). Daha kötü bir senaryo olarak, devreden çıkan elemanlar birden fazla da olabilir (Kritik bir hattın bakımı sırasında başka kritik bir hatta arıza oluşması sonucu iki hattın da sistemden ayrılması durumunda sistemin çökmeden devam edebilmesi,  N-2 koşulu). Bir elektriksel sistemde N-x koşulu ne kadar çok sağlanıyorsa bölgesel çökmelere karşı o sistem o kadar dayanıklı demektir.

Unutulmaması gereken önemli bir nokta olarak, bir yüksek gerilim hattı devreden çıktıktan sonra, çıkış öncesi taşıdığı yükünün sistemde kalan yardımcı/yedek hat(lar) tarafından karşılanması esnasında, bu yardımcı/yedek durumundaki hat(lar) da kendi termal dayanımı üzerinde yüklenirse, o(nlar) da aşırı ısınıp hasarlanmadan önce koruma röleleri tarafından sistemden ayrılmaktadır. Bu şekilde sistemden ayrılan hatlar ve hat başına taşınması gereken yük zincirleme olarak artarak bölgesel çökmelere sebep olabilmektedir. Bu çöküşler saatlerce veya gün boyu sürebilir ve kontrol edilmesi zordur.

Günümüzde N-1 ve N-2 analizleri çeşitli model-leme ve simulasyon yazılımları kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir (Ör: SIEMENS PSS SINCAL).

• Doğru Adalaşamama

İletim hatlarında meydana gelen arıza durumlarında, eğer bir yedekleme sağlanamıyorsa elektriksel sistemde adalaşmalar meydana gelmesi mümkündür. Yani tüm sistem, kendi üretim ve tüketimine sahip ve birbiri ile enerji transferi olmayan farklı bölgelere ayrılabilir.  N-1 ve N-2 koşulları incelenirken, potansiyel adaların da arıza sonrası kendini idame ettirme durumu incelenmelidir. Adalaşma sonrası çöküşün devam edip etmemesinde en kritik nokta, her bir adadaki üretim tüketim dengesi ve frekans değeri olmaktadır. Bir adada tüketimin üretimden oldukça fazla olması durumunda frekans düşmekte ve santrallerin çalışma aralığının dışına çıkmaktadır. Bu noktada, kaynak durumundaki santrallerde generatörün, frekans çalışma aralığının altına inmesi nedeniyle, kendi koruma röleleri tarafından sistemden ayrılmasıyla üretim tüketim dengesi tüketimin lehine daha da bozulabilmektedir. Tam tersi durumda, üretimin tüketime göre oldukça baskın olduğu bir adalaşma senaryosunda ise frekans yükselmekte ve generatör çalışma frekans aralığının üst eşiği aşılmaktadır. Bu durumda, santrallerde bulunan generatör koruma röleleri kesicilerini açtırıp, kısa bir zaman içinde adadaki üretimi sonlandırabilir. Sonuç olarak, ideal adalaşma için üretim santrallerinin tüketimin yoğun olduğu lokasyonlara yapılması, kimi zaman pratikte zor olsa da, uzun dönemli bir planlama ile gerçekleştirilebilir.

• Hatalı röle parametreleri ve hatalı ölçü trafosu boyutlandırmaları

Bölgesel enerji çöküşlerine sebep olan en önemli sebeplerden bir diğeri hatalı röle parametreleridir. Yüksek gerilim havai hatlarda ve yeraltı kablolarında ana koruma elemanı olarak mesafe koruma veya kablo diferansiyel koruma röleleri kulanılır.

Bu koruma elemanlarının çalışma prensipleri aşağıda kısaca açıklanmaktadır:

Mesafe koruma rölesi, akım ve gerilim bilgisini kullanarak empedans hesabı yapan ve arızanın yerini tespit edebilen bir röledir. Bu rölelerde, korunmak istenen hattın empedans bilgileri ve metrajı röleye yüklenir. Böylece röle arıza esnasında ölçtüğü akım ve gerilim bilgisine bağlı olarak arızanın lokasyonunu tespit eder. Eğer arıza korunan hat üzerinde gerçekleşmişse ani olarak kesici açma komutu (trip) oluşturur ve haberleşme altyapısı varsa hattın karşısındaki diğer mesafe koruma rölesine de açma komutu gönderir.

Mesafe koruma rölelerinde iki röle arasındaki haberleşmeye dayalı çeşitli müsade, blokaj filozofileri oluşturulabilir fakat hepsinde asıl amaçlanan, arızanın korunan hattın üzerinde oluşması durumunda ani olarak arızayı temizlemektir. Bunun için Z1 (Zone 1) ve Z1B (Hızlandırılmış Z1B) isimli empedans parametreleri koruma rölelerine yüklenmelidir. Rölenin yazılımı ile yüklenen bu değerlerde bir hesaplama hatası yapılırsa,  örneğin girilmesi gereken empedans bilgisi yüksek girilirse, buna ilave olarak haberleşme problemi veya gecikmesi yaşanırsa (iki kötü koşulun bir arada oluşması rastlanmayan bir durum değildir), mesafe koruma rölesi aşırı bir fonksiyon göstererek kendi hattından ilerideki başka hatlara ait arızaları da ani olarak temizleyebilmektedir. Bu durumda arızası bulunmayan bir iletim hattı gereksiz yere sistemden ayrılmaktadır. Normalde mesafe koruma rölelerinin, kendi hattında olmayan, fakat komşu hatlarda meydana gelen arızaları yedeklemek için geciktirilmiş zamanlı yedek koruma empedans parametreleri bulunmaktadır (Zone 2, Zone 3 vs). 

Tam tersi durumda empedans bilgileri olması gerektiğinden oldukça düşük seviyede röleye aktarılmışsa, bu durumda röle kendi hattı üzerindeki arızaları komşu hattaymış gibi değerlendirerek beklemeye geçmekte ve bekleme süresi sonunda gerideki trafo merkezlerinde bulunan diğer koruma röleleri ile beraber yedek koruma (Zone 2) fonksiyonunu çalıştırmaktadır. Bu durumda da gerideki trafo merkezlerinde gereksiz açmalar (sistemden ayrılmalar) yaşanabilmektedir.

Mesafe koruma rölesinde ayrıca yük ve hat açılarının yanlış girilmesi, paralel hatlarda karşılıklı akuple etkisi’ne (mutual coupling effect), veya simulasyon yapmadan tespit edilmesi zor olan ilave kısa devre katkılarına dikkat edilmemesi, doğru belirlendiği düşünülen röle parametrelerinin istenmeyen sonuçlara sebep olması ile sonuçlanabilmektedir. [7]

Kablo diferansiyel koruma rölesi ise, ağırlıklı olarak yüksek gerilim yeraltı kablolarının ana koruma elemanı olarak kullanılan, fakat havai hatlarda da ana veya artçı koruma elemanı olarak kullanılabilen bir röledir. Yedek fonksiyonları hariç, diferansiyel koruma fonksiyonu yalnızca akım temelli olarak, Kirchhoff kanununa göre çalışmaktadır. Kablonun başı ve sonundaki kablo diferansiyel röleler haberleşirken, giren ve çıkan akımların toplamının sıfır olmaması durumu teorikte kablo üzerinde bir arıza olduğu anlamına gelir ve ani olarak temizlenmesi gerekir. Bu koruma rölesi akım temelli çalıştığı için akım trafolarının seçiminden (boyutlandırılmasından) direkt olarak etkilenir ve teknik anlamda yetersiz akım trafosu seçiminin olması durumunda, kendi koruma bölgesinin dışına çıkarak komşu hatlardaki arızalarda gereksiz açma komutu üretebilmektedir.

Akım trafosu boyutlandırılırken (seçilirken) genelde yapılan en büyük hata, kablonun taşıyabileceği akımın üzerinde bir primer değer seçip diğer özellikleri dikkate almamaktır. Kablo diferansiyel rölenin dış arızalarda (komşu hatlardaki arızalarda) gereksiz açma üretmemesi için, kablonun hem başında hem de sonundaki akım trafolarının benzer doyma karakteristiği göstermesi önem arz etmektedir. Bir taraftaki akım trafoları, diğer taraftaki akım trafosu grubundan fazla veya önce doyuma ulaşırsa aradaki fark da bir diferansiyel akım olarak algılanıp kesiciyi açtırabilmektedir. Halbuki akım trafolarının seçiminde dikkat edilen primer (nominal) değer, bir akım trafosunun ne derece doyacağını belirleyen birçok faktörden yalnızca biridir.  Diğer faktörler ise kısa devre akımının büyüklüğü, sistemdeki R/X’e bağlı olarak ortaya çıkan dc bileşen katsayısı, rölenin geçici durumlarda doymayı algılayabilmesi için öngörülen Ktd faktörü, akım trafosunun gücü, doğruluk katsayısı ve kablo ile akım trafosu arasındaki sekonder kablonun kesit ve metrajıdır.    

Sonuçlar ve Özet

Bölgesel enerji kesintilerinin önüne geçmek için, arıza oluşumlarının engellenmesi durumu (çevresel faktörlerle ilişkili olduğu için) pratikte mümkün değildir. Arızaların oluşumu engellenenemese bile, sonuçları minimize edilebilir. Bunun için öncelikle sistem modelinin simulasyon üzerinde oluşturulması; gerekli analizlerin (N-1, N-2, adalaşma senaryoları) yapıldıktan sonra ortaya çıkacak sonuçlara göre planlı bir şekilde sistemdeki zayıf noktaların güçlendirilmesi ve yatırımların  belirlenmesi (masterplan), röle ayar değerlerinin ve ölçü trafoları boyutlandırma hesaplarının yine simulasyonlar üzerinde kontrol edilmesi önem taşımaktadır.

SIEMENS Güç Teknolojileri Bölümü ( EM-DG PTI ) , Akıllı Şebekeler çatısı altında, şebeke danışmanlığı, dinamik analiz, şebeke entegrasyonu, koruma-koordinasyon gibi güç sistemleri analizi konularında hizmet vermektedir. Güç sistemlerinin modellenmesi, planlanması ve analizleri için kullanılan  PSS® ailesi  yazılım araçlarını sağlar. Aynı zamanda bölüm, Siemens Power Academy TD çatısı altında iletim-dağıtım, yazılımsal modelleme ve koruma konularında profesyonel eğitimler sunmaktadır.

Hasan Göksun VİRLAN / goksun.virlan@siemens.com

[1]   http://www.ndtv.com/india-news/blackout-for-19-states-more-than-600-million-indians-494955

[2]   https://www.wsws.org/en/articles/2001/01/ind-j09.html

[3]  http://www.theguardian.com/world/2003/sep/30/italy.johnhooper

[4]   http://www.cbc.ca/archives/entry/2003-the-great-north-america-blackout

[5]   https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/WEO_2014_ES_English_WEB.pdf

[6]   https://siemens-mdb.nureg.de/

[7]   Numerical Distance Protection - Gerhard Ziegler / voltimum