Elektrik Enerjisi Dağıtımı · Dağıtım Şebekesi Topolojileri

#03 Radyal, loop ve network feeder yapıları; akım profili ve arıza sonrası restorasyon

34,5 kV örnek feeder'da akım profilini bul; bir arızanın radyal, loop ve network yapılarda kesinti ve restorasyon sonucunu karşılaştır.

Soru

Aynı feeder arızasının radyal, loop ve network dağıtım yapılarındaki kesinti ve alternatif besleme sonucunu karşılaştıran üç şema. — Topoloji, aynı arızanın kaç yükü ve ne kadar süre etkilediğini değiştirir.

34,5 kV, üç fazlı bir primer feeder sırasıyla A=120 kW, B=80 kW, C=100 kW ve D=60 kW yük bloklarını 0,90 güç faktörüyle besliyor. Kayıpları ihmal ederek kaynak ve her yük ayrımından sonraki hat akımını hesaplayın. B ile C arasındaki bölüm arızalandığında radyal yapıda kalıcı olarak kesilen yükü bulun. Normalde açık tie anahtarlı loop yapının 200 kW yedek kapasitesi varsa C ve D yüklerinin geri beslenip beslenemeyeceğini, kapasite payını ve restorasyon oranını hesaplayın. Network yapının sonucunu güvenilirlik ve karmaşıklık açısından karşılaştırın.

Yazılı çözüm ve anlatım dökümü(çözümün tamamını gösterir)

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. Primer feeder ve üç topolojiyi ayır
Primer dağıtımın aynı elemanları farklı bağlandığında maliyet ve servis sürekliliği değişir.
Primer dağıtım: trafo merkezi barası ile dağıtım trafoları arası
Ana feeder, yük bölgesine gücü taşır
Lateral ve sublateral kollar yükleri ayırır
Radyal: her yük için tek normal besleme yolu
Loop: halka ve normalde açık tie ile alternatif yol
Network: birden fazla kaynak ve bağlantı yolu
Karşılaştırma ölçütleri: maliyet, işletme, süreklilik
Önce bağlantıyı çiz; sonra akım ve arıza sonucunu hesapla
Sesli anlatım metni
Bir önceki derste enerjinin üretimden tüketiciye giderken hangi kademelerden geçtiğini gördük: iletim, alt iletim ve dağıtım. Bu derste artık dağıtım tarafının içine giriyoruz. Primer dağıtım sistemi, dağıtım trafo merkezinin alçak gerilim barası ile dağıtım trafoları arasındaki kısımdır. Bu kısımda feeder, lateral ve gerektiğinde sublateral denen dallar bulunur. Bugünkü ana soru şu: bu feeder'lar sahada nasıl bağlanır? Üç temel yapı göreceğiz: radyal yapı, loop yapı ve network yapı. Her birini sadece şekil olarak değil, maliyet, işletme kolaylığı ve servis sürekliliği açısından okuyacağız.
2. Radyal feeder boyunca akımın azalmasını hesapla
Her ayrımdan sonra aşağı akış gücü azaldığı için feeder akımı da azalır.
Radyal veri: V_LL=34,5 kV, cosφ=0,90
Yükler: 120 + 80 + 100 + 60 = 360 kW
Üç faz aktif güç:
$\displaystyle P = \surd 3\cdot V_{L}L\cdot I\cdot \cos \varphi$
Kaynak akımı:
$\displaystyle I₀ =\frac{ 360 000}{\surd 3\cdot 34 500\cdot 0,90}$
$\displaystyle I₀ = 6,69 A$
A'dan sonra: P=240 kW → I₁=4,46 A
B'den sonra: P=160 kW → I₂=2,98 A
C'den sonra: P=60 kW → I₃=1,12 A
Birim: W/(V·boyutsuz) = A
Sağlama:
$\displaystyle 6,69 > 4,46 > 2,98 > 1,12 A$
Kaynağa yakın kesit bütün aşağı akış yükünü taşır
Avantaj: basitlik ve düşük yatırım maliyeti
Kısıt: arıza için normal durumda ikinci yol yok
Sesli anlatım metni
Radyal yapı en basit feeder düzenidir. Bir kaynak noktası vardır; enerji trafo merkezinden çıkar, ana feeder boyunca ilerler ve lateraller üzerinden dağıtım trafolarına ayrılır. Bu nedenle her yük için normal durumda tek bir besleme yolu vardır. Kitapta da radyal primer feeder, en basit, en düşük maliyetli ve bu yüzden en yaygın primer feeder biçimi olarak verilir. Akım, trafo merkezinden çıkan iletkenlerde en büyüktür; çünkü bütün aşağı akış yükleri bu noktadan geçer. Feeder boyunca lateraller ayrıldıkça akım azalır. Bu durum iletken kesiti, gerilim düşümü ve koruma seçimi için önemlidir. Zayıf tarafı ise servis sürekliliğidir: bir arıza izole edilemezse, arızanın aşağısındaki birçok tüketici enerjisiz kalabilir.
3. Loop yapıda tie kapasitesi ve restorasyonu doğrula
Tie anahtarı ancak arızalı bölüm iki taraftan ayrıldıktan ve yedek kapasite doğrulandıktan sonra kapatılır.
Arıza B–C arasında: aşağı akış yükü C+D
P_kesilen = 100 + 60 = 160 kW
Tie yedek kapasitesi = 200 kW
Kapasite testi: 160 kW ≤ 200 kW
Yedek pay = 200 − 160 = 40 kW
1) Arızalı bölümü iki yönden aç ve izole et
2) Gerilimsiz sağlam bölümü kontrol et
3) Normalde açık tie anahtarını kapat
C ve D geri beslenir; kalıcı kesinti yükü 0 kW
Sesli anlatım metni
Loop yapıda feeder, yük bölgesinin içinden dolaşır ve tekrar bara tarafına veya başka bir besleme noktasına bağlanabilecek bir halka oluşturur. Bu halka her zaman kapalı çalışmak zorunda değildir; çoğu uygulamada normalde açık bir tie switch bulunur. Tie switch, bağlantı anahtarı gibi düşünülebilir. Normal işletmede yükler iki tarafa bölünmüş gibi çalışır. Arıza olduğunda ise arızalı bölüm anahtarlarla izole edilir ve sağlam kalan bölüm diğer yönden yeniden beslenebilir. Bu yüzden loop yapı, radyale göre daha iyi servis sürekliliği sağlar. Bedeli daha fazla anahtar, daha dikkatli koruma koordinasyonu ve bazı durumlarda daha yüksek iletken kapasitesi ihtiyacıdır.
4. Network yapıda çok yönlü beslemeyi değerlendir
Çok yönlü besleme tek arızanın etkisini küçültebilir; koruma ve yük akışı ise daha karmaşık olur.
Network: bir yük noktası için birden fazla besleme yolu
Kaynaklar ve feeder bağlantıları yükü paylaşabilir
Tek hat arızası doğru korumayla küçük alana sıkışır
C+D yükü = 160 kW başka yollara dağıtılabilir
Yük paylaşımı iletken akımını ve I²R kaybını azaltabilir
Gerilim profili farklı besleme yönleriyle desteklenebilir
Koruma yönü, anahtarlama ve yük akışı birlikte çözülür
Yaygın hata: en güvenilir yapıyı her yerde en iyi sanmak
Yüksek sürekliliğin karşılığı yüksek maliyet ve karmaşıklıktır
Sesli anlatım metni
Network yapı daha ileri bir düzendir. Burada feeder'lar yalnızca tek bir hat veya halka gibi değil, birden fazla trafo merkezi ve bağlantı hattı üzerinden birbirine bağlanmış bir ağ gibi çalışır. Bir yük noktası birkaç yönden beslenebilir. Bu, özellikle yoğun şehir merkezlerinde ve hizmet sürekliliğinin çok önemli olduğu bölgelerde değerlidir. Yük birkaç yola bölündüğü için benzer bir radyal sisteme göre kayıplar daha düşük olabilir ve gerilim profili daha iyi tutulabilir. Fakat network yapının tasarımı ve işletmesi daha zordur. Koruma, anahtarlama, yük akışı ve arıza analizi birlikte düşünülmelidir. Yani network en güvenilir görünen seçenek olabilir, ama aynı zamanda en karmaşık ve pahalı seçeneklerden biridir.
5. Aynı arızanın üç topolojideki sonucunu karşılaştır
Arıza yeri aynı kalsa da alternatif yol ve anahtarlama düzeni kesinti alanını değiştirir.
Başlangıç: B–C arızası C+D=160 kW yükü ayırır
Radyal: ikinci besleme yolu yok
Radyal kalıcı kesinti = 160 kW
Radyal restorasyon oranı = 0/160 = %0
Loop: arızayı iki taraftan izole et
Tie kapasitesi 200 kW > 160 kW; sağlam taraf geri beslenir
Loop restorasyon oranı = 160/160 = %100
Network: yük zaten birkaç kaynak ve yolla desteklenir
Doğru koruma arızayı en küçük bölgeye ayırır
Sanity check: restore edilen güç hiçbir zaman 160 kW'ı aşmaz
Sonuç: bağlantı topolojisi, kesinti alanı ve süresini belirler
Sesli anlatım metni
Topolojileri en iyi bir arıza senaryosuyla ayırırız. Radyal feeder'da ana hattın ortasında arıza olursa, arızanın aşağısındaki yükler normalde başka bir yoldan enerji alamaz. Bölümlendirme anahtarları varsa arızalı parça ayrılır, ama yine de tek yönlü besleme temel kısıttır. Loop yapıda aynı arıza iki taraftan izole edilebilir; sonra normalde açık bağlantı anahtarı kapatılarak sağlam kısım diğer yönden beslenebilir. Network yapıda ise yükler zaten birden fazla kaynaktan beslendiği için tek bir hat arızası, doğru koruma ve anahtarlama ile daha küçük bir kesinti alanına sıkıştırılabilir. Bu nedenle topoloji seçimi sadece çizim tercihi değildir; doğrudan güvenilirlik ve yatırım maliyeti tercihidir.
6. Topoloji seçimini maliyet ve süreklilik dengesiyle yap
En uygun topoloji yük önemine, kesinti toleransına, teknik sınırlara ve bütçeye bağlıdır.
Radyal: düşük maliyet; tek yol ve düşük süreklilik
Loop: anahtar + alternatif yol; hızlı restorasyon
Network: çok yönlü besleme; yüksek süreklilik
Örnek akımlar: 6,69 → 4,46 → 2,98 → 1,12 A
Örnek loop: 160 kW geri besleme, 40 kW kapasite payı
Seçim: yük yoğunluğu + müşteri önemi + kesinti toleransı
Gerilim düşümü, koruma ve yatırım bütçesi de sınırdır
En pahalı yapı otomatik olarak her bölge için doğru değildir
Sıradaki konu: dağıtım otomasyonu ve SCADA
Sesli anlatım metni
Özetleyelim. Radyal yapı basit, ucuz ve yaygındır; ama tek besleme yolu nedeniyle servis sürekliliği sınırlıdır. Loop yapı, anahtarlar ve alternatif besleme yolu sayesinde arıza sonrası restorasyonu kolaylaştırır. Network yapı ise birden fazla besleme yönüyle yüksek güvenilirlik ve daha iyi yük paylaşımı sağlar; buna karşılık tasarım ve işletme karmaşıklığı artar. Pratikte seçim, yük yoğunluğuna, müşteri önemine, izin verilen kesinti süresine, gerilim düşümü sınırına ve yatırım bütçesine bağlıdır. Bir sonraki derste bu topolojilerin modern işletme tarafına geçeceğiz: dağıtım otomasyonu ve Supervisory Control and Data Acquisition, yani SCADA nedir?