enerji hatlari

ELEKTRİK ve ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELE 487

ENERJİ HATLARI

Dr. A.Terciyanli

GİRİŞ

Genel 2

Enerji Hatları

Bahar Dönemi

Başarı Değerlendirmesi: Derse Devam

% 15

Kısa Sınavlar*

% 20

Ara Sınav

% 25

Final Sınavı

% 40

Kaynaklar 3

1. 2. 3. 4. 5. 6.

7.

Yüksek Gerilim Enerji Nakil Hatları Proje (15.8 kV-36 kV), Atilla Yunusoğlu, 2004. Elektrikle Enerji Taşıma, Hüseyin Tekinel, ADMMA Elektrik Bölümü, 1974. Yüksek Gerilim Hava Hatlarının Mekanik Hesabı, Muhittin Dilege, İTÜ Kütüphanesi, 1963. Yüksek Gerilim Tekniği - I, Muzaffer Özkaya, İTÜ Kütüphanesi, No. 1359, 1988. Yüksek Gerilim Tekniğinin Temelleri, Sefa Akpınar, KATÜ Müh. Fak., Yayın No. 185, 1997. High Voltage Engineering Fundamentals, E. Kuffel, W.S. Zaengl and J. Kuffel, Newnes/ELSEVIER, 1986. High Voltage Engineering- Theory and Practice, M. Khalifa, Marcel Dekker, 1990.

Dersin içeriği 4

1) Yüksek Gerilim (YG) Enerji İletim Sistemleri 2) Yüksek Gerilim Temel Devre Elemanları 3) Yüksek Gerilim Tekniğinin Temelleri • Statik Elektrik Alanı ve Elektrot Sistemleri • Katı, Sıvı ve Gaz Yalıtkanlarda Boşalma Olayları 4) Enerji İletim Hatlarının Genel Tasarım İlkeleri 5) Enerji İletim Hatlarında Kullanılan Donanımlar

6) Enerji İletim Hatlarının İşletilmesi

Giriş 5

Günümüzde; • Tıbbi alanda, • Çevre mühendisliği alanında, • Nükleer fizik alanında, • Kaplama ve boyama alanında endüstriye girmiş olan Yüksek GerilimTeknolojisi önceleri elektrik enerjisinin ekonomik bir şekilde uzak mesafelere taşınması ile ortaya çıkmıştır.

Giriş 6

• Gerilimin yükseltilmesi beraberinde can güvenliği, delinme ve atlama sorunları, ölçme ve koruma gibi bazı sorunları da getirmektedir. • Yüksek gerilimlere çıkıldıkça elektrod sistemleri ile bunlarda kullanılan yalıtkan türleri de araştırma konusu olmuş, bir yandan bunların delinme dayanımının yükseltilmesi gündeme gelirken öte yandan uzun ömürlü, ucuz,

hafif ve küçük boyutlu olanları dikkati çekmiştir. Örneğin bugün artık SF6 gazıyla hem yüksek yalıtım seviyelerine çıkılabilmekte hem de kullanılan aygıtın boyutu küçültülebilmektedir.

Giriş 7

• Yüksek gerilim tekniği (YGT) çevre mühendisliğine, yüksek gerilimli ozon generatörleri yardımıyla nahoş kokulu gazları gidererek yardımcı olurken öte yandan da baca gazlarıyla çıkan tozları elektrostatik yolla çökelterek çevre kirliliğinin önlenmesine yardımcı olmaktadır. • Elektron mikroskoplarında (1938 ,University of Toronto; 1939, Siemens) yine

YGT yardımıyla büyük değerli alan şiddetlerine çıkabiliriz. • Evlerimizde, televizyonlarda görüntü tüpü için yüksek gerilim kullanıldığı gibi laboratuvarlarımızda kullanılan osiloskoplarda da yüksek gerilimden faydalanmaktayız.

Yüksek Gerilimin Tarihçesi 8

• Elektrik mühendisliğinde temel buluşlar, örneğin Ohm’un, Amper’in Edison’un buluşları doğru gerilim üzerine olmakla beraber enerji iletimi alanında hızlı gelişmeler, tarih itibariyle alternatif gerilim alanında olmuştur.

“War of Currents”- 1890’lı yıllar Edison vs. Tesla and Westinghouse

Edison’un alternatif akım daha öldürücüdür (being electrocuted or “Westinghoused”) kampanyasının sonucu olarak 6 Ağustos 1890 ‘da ilk elektrikli sandalye icat edilmiştir!!!

Yüksek Gerilimin Tarihçesi 9

• 1910’lu yıllarda 100 kV kullanılmasına rağmen 1920’li yıllarda 100 kV’la 50 MW’lıkbir güç 50 km’lık mesafeye iletilmiştir. •1930-1950 arası yıllarda 300 kV’la 250 MW’lık bir güç 400 km’ye iletilirken; 1954’te 380 kV’la enerji iletimi başlamış ve bu gerilimle 1960’lı yıllarda 1000 MW’lık güç taşıması gerçekleştirilmiştir.

•Bugün artık 1.000 kV’la 10.000 MW’lık güçler iletilirken 1.600 kV’luk olanları da deneme altındadır.

Yüksek Gerilimin Tarihçesi 10

• Elektrik enerjisinin başlangıçta alternatif gerilimle iletilmesinin tercih nedenlerinden biri (en önemlisi) transformatörlerin icadıdır. • Son yıllarda güç elektroniğinde ortaya çıkan gelişmelerle birlikte yüksek doğru gerilimle (YDG) enerji iletimi araştırmacıların dikkatini çekmiş ve uygulama alanına yeniden sokulmuştur. • İlk YDG’le enerji iletim uygulaması1954 yılında İsveç’le Gotland adası arasında 96 km’lik bir deniz altı kablosuyla yapılmıştır. Tek iletkenle 30 MW’lık bir güç 150 kV’luk bir doğru gerilimle iletilmiştir. Akıma dönüş yolu deniz üzerinden sağlandığı için deniz içerisinde bulunan diğer endüstriyel kuruluşlara ait borular ciddi elektriksel korozyona uğramıştır. Bu yüzden tek iletkenle iletim yerine bugün artık iki iletkenli doğru gerilimle iletim yapılmaktadır.

Yüksek Gerilimin Tarihçesi 11

• 1970’de Amerika’da Oregon ile California arasındaki 1362 km’lik mesafeye 1600 MW’lık bir güç 400 kV’luk bir doğru gerilimle iletilmiştir. • Son olarak 1989-1990 yılında Güney Finlandiya ile Doğu İsveç arasında 35 km’lik 220 kV’luk doğru gerilimle 420 MW’lık bir güç iletilmiştir. • Bugün dünyanın değişik bölgelerinde 60’ı aşkın yerde yüksek doğru gerilimle enerji iletimi yapılmaktadır.

Gerilim Seviyeleri 12

IEC (The International Electrotechnical Comission) nin tanımlamalarına göre; 1.

Alternatif gerilimde 1.000 V’un,

2.

Doğru gerilimde 1200 V’unüzerindeki gerilimler yüksek gerilim olarak anılmaktadır.

ELEKTRİK KUVVETLİ AKIM TESİSLERİ YÖNETMELİĞİ, 2000. Alçak gerilim < 1000 V Yüksek gerilim > 1000 V Tehlikeli gerilim > 65 V

Gerilim Seviyeleri 13

YG Sistem Elemanları 14

A. Temel Elemanlar 1.Senkron Generatörler 2.GüçTransformatörleri

3.Kesiciler 4.Ayırıcılar 5.Enerji İletim Hatları (Hava Hatları) 6.Direkler 7.İzolatörler

8.İletkenler ve Kablolar 9.Baralar

YG Sistem Elemanları 15

B. Ölçme ve Koruma Elemanları 1.Akım Transformatörleri 2.Gerilim Transformatörleri

3.Gerilim Bölücüler 4.Parafudurlar 5.Ark Boynuzları ve Koruma Halkaları 6.Koruma (Topraklama) Hatları 7.Röleler

YG Sistem Elemanları 16

B. Ölçme ve Koruma Elemanları 1.Akım Transformatörleri 2.Gerilim Transformatörleri

3.Gerilim Bölücüler 4.Parafudurlar 5.Ark Boynuzları ve Koruma Halkaları 6.Koruma (Topraklama) Hatları 7.Röleler

YG Sistem Elemanları 17

C. Kontrol ve Kumanda Elemanları 1. Röleler 2. Kesicilerin Kontrol ve Kumanda Devreleri

D. Gerilim Ayar Elemanları 1. Seri veya Paralel Bağlı Reaktörler 2. Seri veya Paralel Bağlı Kapasitörler

Enerji İletim Sistemleri 18

Endüstrinin gelişmesi elektrik enerjisine olan ihtiyacı artırmaktadır. Bu isteği ek olarak yaşam seviyesi arttıkça toplumların da elektrik enerjisi tüketimi artmaktadır. Öte yandan elektrik enerjisinin üretildiği yerden tüketildiği yere

iletimi enerjide kayıplara yol açmaktadır. Örneğin üçfazlıbir sistemde;

Pk’nın ifadesinden görüldüğü gibi bağıl kayıpları küçük tutabilmek için iletim gerilimini (U) yüksek tutmamız gereklidir.

Enerji İletim Sistemleri 19

Aynı U geriliminde enerji iletim sistemi için; • Alternatif Gerilimle Enerji İletiminde (AGEİ) güçfaktörü Cosø ortaya çıkmaktadır. • Doğru Gerilimle Enerji İletiminde (DGEİ) güç faktörü tanımlı olmayacağı için Pk’nın küçülmesine yol açacaktır. • İletimin DGEİ ile yapılması üretim tarafında doğrultucu, tüketim tarafında evirici kullanım zorunluluğunu getirmektedir. Bu da maliyet sorunlarına ek

olarak açma-kapama sorunlarını beraberinde getirmektedir.

Enerji İletim Sistemleri 20

• Özdeş iletkenlerde D.G.’deki doğru akım ile A.G.’deki etkin akımın, ısıl etki göz önünde tutularak eşit olduğunu kabul edersek iletken başına,

a.

DGEİ’de aktif güç

Pd= Ud. Id

b.

AGEİ’de aktif güç

Pa= Ua. Ia.Cosø olur.

Eğer iletkenleri aynı direkler üzerinde aynı izolatörler vasıtasıyla taşıyacak olursak, izolatörün dayanabileceği gerilim Ud ise, AGEİ durumunda, aynı

izolatör Ua geriliminin tepe değerine dayanabilecektir.

Enerji İletim Sistemleri 21

Bu karşılaştırmayı DGEİ’de iki iletkenle, AGEİ’de üç iletkenle enerji iletimi

için yaptığımızda: Pd= 2.Ud.Id

Pa= 3.Ua.Ia.Cosø

Enerji İletim Sistemleri 22

Görüldüğü gibi her ikisi de aynı gücü taşıyabilmektedir. Ancak, DGEİ ile enerji taşırken daha az iletken dolayısıyla daha az izolatör, direk konsolu

vs. kullanılacağından DGEİ ile iletim daha ekonomik olacaktır.

AGEİ 23

Elektrik alanında ilk buluşların çoğu doğru akım alanındadır. Yine, ilk elektrik enerji iletiminin 1882’de, Thomas A. Edison tarafından 100 Voltluk bir doğru gerilimle, New York’ta 1.6 km’lik bir uzaklığa yapılmıştır. Ancak, bütün bunlara rağmen sonraki yıllarda iletimin alternatif gerilimle yapılmasına transformatörlerle asenkron motorların bulunuşunun yol

açtığı söylenebilir.

AGEİ 24

Transformatörün, enerji iletiminin her kademesinde gerilimin yükseltilmesinde, düşürülmesinde kullanılabilen, verimi yüksek, yapımı kolay bir aygıt olmasının yanında asenkron motorların da doğru akım motorlarına göre daha basit yapılı olmaları ve daha az bakım gerektirmeleri bunların tercih edilmelerine yol açmıştır. Böylece, tüketici aygıt olarak asenkron motorun alternatif akıma

ihtiyaç duyması enerji üretiminin de alternatif gerilimde olmasını zorunlu kılmıştır.

DGEİ 25

Alternatif gerilimle enerji iletimine olan ilginin yükseliş dönemlerinde bile doğru gerilimle enerji iletiminin arkası bırakılmamış, araştırmalara devam edilmiştir.

Civa buharlı doğrultucu ve eviricilerin henüz ortaya çıkmadığı dönemlerde mekanik bir güç kaynağı ile seri uyarmalı bir doğru akım generatörünün ürettiği enerji iletilerek tüketim noktasında bulunan seri uyarmalı D.A. motorunu çalıştırmaktaydı.

DGEİ 26

Hat başında yüksek gerilimlere çıkmak için seri bağlı seri generatörler kullanılmaktaydı. Fransız mühendisi olan Rene Thury (1860-1938) – ”King of the DC” tarafından tasarlandığı için Thury sistemi diye adlandırılan bu yöntem 1880’den 1930 yılına kadar

Avrupa’nın değişik yerlerinde 15 uygulama alanı buldu.

DGEİ 27

Civa buharlı doğrultucuların Peter Cooper Hewitt tarafından 1903 yılında icadıyla alternatif akımdan doğru akıma geçiş daha verimli ve daha hızlı hale getirildi. Thyratronun 1928’de icadına kadar Eviricilerde önemli bir gelişme olmadı. Bugünkü Tristörlerin civa buharlı karşıtı olan Thyratronun ortaya çıkışıyla Thury sistemine

göre daha verimli, daha ekonomik ve daha hızlı çalışan bir sistem oluşturma imkanı doğdu.

DGEİ 28

Büyük güçlü civa buharlı doğrultucu ve eviricilerin de kendilerine özgü sorunları bulunmaktaydı. Örneğin, soğutma, civanın özelliğini kaybetmesi, ark problemleri gibi. 1960’lıyıllarda yarı-iletken bir eleman olan Tristörün bulunmasıyla bu problemlerin çoğu kendiliğinden ortadan kalktığı gibi daha statik, daha hızlı, daha ucuz ve daha ekonomik sistemler kurulabildi. Bunlarda da soğutma sorunları, özellikle büyük akımlarda, bulunmaktadır. HVDC in 1971: this 150 kV mercury arc valve converted AC hydropowervoltage for transmission to distant cities from Manitoba Hydro generators.

AGEİ ile DGEİ Karşılaştırması 29

1. Enerji İletiminin Ekonomikliği 2. Teknik Performans 3. Güvenilirlik

Ekonomik karşılaştırmada iletim hattının

maliyeti olarak yapılan yatırımlar (kuruluş masrafları) ile işletim masrafları ele alınmıştır.

AGEİ ile DGEİ Karşılaştırması 30

Kuruluş Masrafları a. Güzergah üzerindeki yerlerin satın alınması (istimlak) b. Direklerin yapımı, montajı, dikilmesi

c. İletkenler, izolatörler d. Hat başı ve sonu aygıtları

AGEİ ile DGEİ Karşılaştırması 31

Teknik Performans DGEİ’nin AGEİ’ne göre bazı teknik üstünlükleri bulunmaktadır. Bunlar; a. İletilen gücün tam kontrolü b. İlintili bulunduğu, alternatif akım sisteminin dinamik

kararlılığına katkıda bulunması c. Arıza akımlarının hızlı kontrolü

AGEİ ile DGEİ Karşılaştırması 32

AGEİ’de hat başı gerilim fazorü Ub, hat sonu Us, hat reaktansı X ve δ faz açıları arasındaki fark olmak üzere iletilen güç:

Uzaklık arttıkça δ büyür. Kuramsal olarak δ, 90°olunca kararsız çalışma başgösterir. Dolayısıyla, kararlıbir güç iletimi AGEİ’de enerji taşınan uzaklığa bağlıdır.

AGEİ ile DGEİ Karşılaştırması 33

Gerilim Kontrolü A.G.E.İ’de voltaj kontrolü hat kapasiteleri ve endüktif gerilim düşümü ile karmaşık hale gelir.

Gerilim kontrolü reaktif güç kontrolü ile gerçeklenir. Örneğin, hat üzerinde bir noktanın gerilimini artırmak için o noktaya reaktif güç vermek; o noktanın gerilimini düşürmek için o noktadan reaktif güç çekmek gerekir. Bu reaktif güç

hat boyu ile artmaktadır. Dolayısıyla A.G.E.İ’de reaktif güç kontrolüne, kısaca ek masraflara gerek vardır.

AGEİ ile DGEİ Karşılaştırması 34

Güvenilirlik Güç elektroniğindeki gelişmelerle DGEİ’de hat başında bulunan doğrultucular ile hat sonunda bulunan eviriciler son derece güvenilir, statik yapıdaki uzun

ömürlü elemanlar haline gelmişlerdir. Enerji salınımları da söz konusu olmadığından DGEİ’de enerji kesintisi de söz konusu değildir.

AGEİ’nin sakıncaları 35

Reaktif Kayıplar : İç direnci ihmal edilebilen bir iletim hattının L ve C’den dolayı bir reaktif kaybı olacaktır. Eğer L’nin kaybı ile C’ninki birbirini dengelerse, yani hattın eşdeğer empedansı hattın karakteristik empedansına eşit olursa enerji iletimi ekonomik olur. Oysa D.G.E.İ’de reaktif enerji söz konusu olmadığından bu ekonomiklik doğal olarak sağlanır. Kararlılık : Eğer δ, 90°olursa kararsız çalışmalar ortaya çıkar. Geçici hal durumunda güvenli bir kararlı çalışma için δ< 30° olmalıdır. Akım Taşıma Kapasitesi : A.G.E.İ.’de iletim hatları, özellikle yeraltı kablolarında toprağa kaçak akımlar hattın akım taşıma kapasitesini etkiler. Boşalma akımları hesaba katılmaksızın belirli bir akıma göre tasarlanmış hat işletmede, çıkış tarafında daha az akım verir.

AGEİ’nin sakıncaları 36

Ferranti Olayı: Boşta çalışan iletim hatlarında, hattın kapasitif etkisinden dolayı hat sonunda aşırı gerilimler ortaya çıkabilir. Ferranti olayı olarak bilinen bu olay sonucunda oluşan aşırı gerilim yalıtım ve can güvenliği bakımından tehlikeli olabilir. Frekans Etkileri: Frekans, iletim hatlarında deri olayı (skin effect) nedeniyle akım taşıma kapasitesini düşürür, hattın omik ve korona kayıplarını artırır. Ayrıca, frekans daha önce anlatılan faktörlerin içinde gizli olarak bulunduğundan onları da etkiler. Gerilim Düşümü: Endüktif ve kapasitif gerilim düşümleri iletim hattında ve kablolarda gerilim ayarlamalarına dolayısıyla ek masraflara yol açar. Tesis Masrafları: Doğru gerilime göre iletken sayısı, dolayısıyla direklerde konsol, izolatör v.s. masrafları fazladır.

DGEİ’nin sakıncaları 37

Evirici ve Doğrultucu Kullanım Zorunluluğu: D.G.’in A.G.’ye veya A.G.’in D.G.’ye çevirilmesi için evirici ve doğrultucuya ihtiyaç vardır. Yüksek gerilimde bu aygıtlarda kullanılan yarı-iletkenlerin çok sayıda sorunları vardır. Açma-Kapama Sorunları: Gerek statik yapıdaki (güç elektroniği elemanları) gerekse mekanik yapıdaki Açma-Kapama elemanları D.G.’de çalışırken yine çok sayıda problemlere sahiptir. Örneğin, Mekanik olanlarda ark sorunu, statik olanlarda iletimden çıkma sorunları gibi. Harmonik Sorunları: A.G. tarafında akım ve gerilim harmoniklerine ek olarak kullanılan trafoların çekirdeğindeki akı ve akım harmonikleri ek kayıplara yol açacaktır. Çekirdeklerde Doymalar: Sistemde kullanılan trafoların çekirdeklerinde doğru akı bileşeni, dolayısıyla doyma ile karşılaşılabilir.