yüksek gerilim

ELEKTRİK ve ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

ELE 487

ENERJİ HATLARI

GİRİŞDr. A.Terciyanli

Genel2

Enerji Hatları Bahar Dönemi

Başarı Değerlendirmesi:

Derse Devam % 15

Kısa Sınavlar* % 20

Ara Sınav % 25

Final Sınavı % 40

Kaynaklar3

1. Yüksek Gerilim Enerji Nakil Hatları Proje (15.8 kV-36 kV), Atilla Yunusoğlu,

2004.

2. Elektrikle Enerji Taşıma, Hüseyin Tekinel, ADMMA Elektrik Bölümü, 1974.

3. Yüksek Gerilim Hava Hatlarının Mekanik Hesabı, Muhittin Dilege, İTÜ

Kütüphanesi, 1963.

4. Yüksek Gerilim Tekniği - I, Muzaffer Özkaya, İTÜ Kütüphanesi, No. 1359,

1988.

5. Yüksek Gerilim Tekniğinin Temelleri, Sefa Akpınar, KATÜ Müh. Fak., Yayın No.

185, 1997.

6. High Voltage Engineering Fundamentals, E. Kuffel, W.S. Zaengl and J. Kuffel,

Newnes/ELSEVIER, 1986.

7. High Voltage Engineering- Theory and Practice, M. Khalifa, Marcel Dekker,

1990.

Dersin içeriği4

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

Giriş5

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.

Giriş6

• 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.

Giriş7

• 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 Tarihçesi8

• 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!!!


• 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.


• 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.


• 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 Seviyeleri12

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 VYüksek gerilim > 1000 VTehlikeli gerilim > 65 V

Gerilim Seviyeleri13

YG Sistem Elemanları14

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


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


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 Sistemleri18

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.


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.


• 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.


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

için yaptığımızda:

Pd= 2.Ud.Id

Pa= 3.Ua.Ia.Cosø


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.

AGEİ23

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.

AGEİ24

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.

DGEİ25

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.

DGEİ26

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.

DGEİ27

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.

DGEİ28

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 Karşılaştırması29

1. Enerji İletiminin Ekonomikliği

2. Teknik Performans

3. Güvenilirlik

Ekonomik karşılaştırmada iletim hattının

maliyeti olarak yapılan yatırımlar (kuruluş

masrafları) ile işletim masrafları ele

alınmıştır.


Kuruluş Masrafları

a. Güzergah üzerindeki yerlerin

satın alınması (istimlak)

b. Direklerin yapımı, montajı,

dikilmesi

c. İletkenler, izolatörler

d. Hat başı ve sonu aygıtları


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’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.


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.


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 sakıncaları35

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 sakıncaları36

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 sakıncaları37

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.

yüksek gerilim

Documents