Ünite 2: Elektrik Enerjisi İletim ve Dağıtım Şebekeleri

Giriş

Elektrik enerjisini üreten santraller genellikle tüketim merkezlerinin çok uzağında kurulduğunda, elektrik enerjisi yüksek gerilimli iletim hatlarıyla yerleşim birimlerinin veya sanayi bölgelerinin yakınına ulaştırılır ve tekrar trafo merkezlerinde gerilimleri düşürülerek dağıtımı yapılır. Elektrik enerjisinin üretimi kadar, mümkün olduğunca kayıpsız ve güvenli bir şekilde abonelere ve kullanıcılara dağıtımı da önemli süreçlerden biridir.

Elektrik üretim santralleriyle tüketim merkezleri arasındaki iletim, yerleşme birimlerinin tüketim seviyesine getirilmesini sağlayan elektrik güç sistemleri enterkonnekte sistemlerle sağlanır. İletim hattı boyunca elektrik enerjisi kaybı gerilim seviyesiyle ters orantılıdır. Dahası, gerilim seviyesi arttıkça iletim hattı sayısı azalır, toprak arazilerden, bakım masraflarından da tasarruf elde edilir. Elektrik enerjisi depolanamayan bir enerji türü, olduğundan üretildiği anda hemen kullanıcıya ulaştırılması gerekir. Yüksek gerilim hatları genellikle enterkonnekte şebeke ile yerleşim birimleri arasında iletim sağlarken, orta gerilim ve alçak gerilim hatları ise şehir içi elektrik enerjisi dağıtımında kullanılır.

Elektrik enerji iletim ve dağıtım hatlarının tesisinde iletim hattının geçiş yeri, arazinin coğrafik durumu, hattın minimum kayıplarla iletim maliyeti gibi etkenler ele alınmaktadır. Uzun mesafede iletim hatları havai hat olarak, yerleşim birimlerinde ise yer altı iletim hatları olarak tesis edilirler. Yer altı elektrik enerjisi iletim hatları yüksek seviyede yalıtım malzemesi gerektirdiğinden, havai hatlara oranla pahalı olmasına karşın güvenlik açısından tercih edilebilirler.

İletim ve Dağıtım Şebekeleri

Santrallerde üretilen elektriğin kullanıcıya iletilmesi trafolar, direkler, enerji iletim hatları, izolatörler, kesiciler, ayırıcılar, bobinler, kondansatörler, parafudurlar ve diğer şalt tesisi elemanlarıyla gerçekleştirilir. Santrallerde su, rüzgâr, kömür gibi bir kaynağının enerjisi mekanik enerjiye daha sonra generatörler (alternatörler) ile elektrik enerjisine dönüştürülür. Üretilen gerilim güç transformatörleri yardımıyla yükseltildikten sonra yerleşim merkezlerinin veya sanayi bölgelerinin yakınındaki dağıtım merkezlerine ulaştırılır ve burada orta gerilim değerlerine düşürülerek fabrikalara, tramvay gibi kent içi ulaşım sistemlerine, kent içi dağıtım, aydınlatma ve sinyalizasyon şebekesine verilir. Son olarak gerilim direklere monte edilen veya özel kabinler içerisine yerleştirilen küçük trafolar yardımıyla 220 V ’a düşürülür.

İletim ve Dağıtım Şebekelerinin Yükümlülükleri

Elektrik şebekesi santrallerde üretilen elektrik enerjisinin tüketicilere ulaştırılmasına kadar bütün elektrik tesislerine verilen isimdir. Elektrik enerjisinin tüketim bölgelerine iletilmesini sağlayan şebekelere iletim şebekesi, bu bölgelerde dağıtımını sağlayan şebekelere de dağıtım şebekesi adı verilir. Şebekelerin yükümlülükleri şu şekildedir:

• Kesintisiz bir enerji akışı sağlamalıdır. Özellikle seri imalat yapan fabrikalarda, hastanelerde, iletişim sağlayan tesislerde enerji kesintisi büyük kayıplara yol açar.
• Şebekeler güvenilir, sağlam, basit ve anlaşılır olmalıdır. Çok iyi planlanmış, dış etkilere karşı dayanıklı, bir afet durumunda dahi çalışacak kadar güvenilir olmalıdır.
• Oluşan arızalardan aboneler etkilenmemelidir. Yağışlı havalarda hatlara yıldırım düşmesi vb. çeşitli arızalara karşı korunmalıdır.
• Optimal maliyetle tesis edilmelidir. Bu maliyetin az olmasıyla elektrik enerjisi daha ucuza sunulabilir, ülkemiz fertlerinin satın alma ve sanayicilerin başka ülkelerle rekabet gücünü artırır. Bir ülkenin gelişmişlik düzeyi kişi başına elektrik enerjisi tüketimi ile ifade edilmektedir.
• Dağıtım şebekesi hattın her yerinde aynı özellikte elektrik enerjisi sağlamalıdır. Gerilimin istenen değerden % 10 kadar fazla olmasının cihazların ömrünü azaltır. Frekanstaki değişmeler motorların devir sayılarını değiştirerek istenmeyen sorunlara yol açar.

Dağıtım Şekillerine Göre Elektrik Şebekelerinin Sınıflandırılması

Teknik yönden şebekeler dağıtım şekillerine göre, açık ve kapalı şebekeler olarak ikiye ayrılır. Dallı, Halka (Ring), Ağ gözlü ve Enterkonnekte şebeke olmak üzere toplam dört şebeke sistemi vardır.

Açık Şebekeler

Açık şebekelere dallı (dalbudak) veya radyal şebekeler de denir. Bu yolla oluşturulan şebekenin şekli bir ağacın dallarına benzer. Çok kullanılan bir şebeke türüdür. Yerleşim birimlerinde veya sanayi bölgelerinde enerji beslemesi çoğunlukla tek bir kaynaktan yapılır. Transformatöre yakın olan kalın kesitli hatlara ana hat, uzak hatlara ise branşman hatları denir. Açık şebekelerin tesis, işletme ve bakım bedelleri düşüktür ve arızaların tespiti kolaydır. Abone sayısı artması nedeniyle hatların sadece akımı fazla olan ilgili hattın değiştirilmesi yeterlidir. Bu şebekelerde emniyet azdır. Arıza durumunda çok sayıda abone elektriksiz kalabilir. Gerilim eşitliği yoktur, transformatörden uzaklaştıkça gerilim azalır.

Kapalı Şebekeler

Kapalı şebekeler ring (halka) şebeke ve ağ(gözlü) şebeke olmak üzere iki gruptur. Bir noktadan çıkan iki enerji nakil hattının bir başka noktada yeniden birleşmesiyle ring (halka) tipi şebeke oluşur. Enerji beslemesi birden fazla transformatörün birbirine paralel şekilde bağlanması yoluyla yapılır. Bir arıza olması halinde, sadece arızalı olan kısım devre dışı kalır. Dallı şebekelere göre daha güvenlidir. Şebekenin kesiti her yerde aynıdır. Şebeke oluşturulurken çok fazla sayıda iletken tel kullanıldığı için maliyeti yüksektir. Abonelerin sayısının artmasıyla tüm hatların değiştirilmesi gerekir.

Ağ (Gözlü) şebekelerde besleme bir veya birden fazla yerden yapılabilir. Olası bir arıza durumunda arızalı kısım devre dışı bırakılabilir, diğer abonelerin enerjileri kesilmez. Gerilim düşüşü çok azdır. Sisteme güçlü alıcılar bağlanabilir. Kuruluşları, işletimleri, bakımları zordur. İki ya da daha fazla şebeke arasında, bölgeler veya ülkeler arasında bağlantı yapmada ihtiyaç duyulmaktadır.

Enterkonnekte Şebekeler

Üretim santrallerin bir iletim tesisine, buradan da diğer tesislere bağlanarak beraber çalışmalarına enterkonnekte çalışma, bu şebekeye de enterkonnekte şebeke denir. Elektrik enerjisi talebini kesintisiz bir şekilde karşılamak üzere o ülkenin bütün elektrik santralleri, trafo merkezleri ve tüketicileri arasında kurulmuş olan sisteme enterkonnekte sistem adı verilir. Enterkonnekte sistemde sadece arızalı bölüm devre dışı bırakılarak enerji alışverişinin sürekliliği sağlanabilir.

Elektrik enerjisinin üretildiği anda tüketilmesi gerekliliği üretim ve tüketimin her an dengede tutulmasını gerektirir. Fakat tüketim miktarı bölgelere, mevsimlere ve günün saatlerine göre değişiklikler gösterir. Enterkonnekte sistemler, tüketimdeki değişimlere karşın üretimi uyarlamayı sağlar. Santraller daha ekonomik bir şekilde çalıştırılabilir. Örn. tüketimin düşük olduğu saatlerde üretim kapasitesi düşürülebilir ve bazı santraller devre dışı bırakılabilir. Yağışın bol olduğu yıllarda hidroelektrik santraller daha çok çalıştırılarak ithal kaynak kullanan santraller daha düşük kapasiteye indirilebilir.

Diğer avantajları verimin yüksek olması, santrallerin kuruluş ve işletme maliyetleri azaltması, yedek generator gücünü minimum seviyeye indirmesi olarak sayılabilir. Dezavantajları sistemin kısa devre akımının oldukça yüksek olması, kısa devre arızasından çok sayıda abonenin etkilenmesi, sistemin kararlılığını sağlamanın oldukça zor olmasıdır.

Enterkonnekte sistemde ülkedeki bütün santraller tip ve büyüklük fark etmeksizin bağlanabilir. Ülkemizde yüzlerce kilometre uzunluğundaki enerji nakil hatları ile bir ağ şeklinde şebeke oluşturulmuştur. Bazı komşu ülkelerin sistemleri ile bağlantı yapılabilir. Türkiye'deki enterkonnekte sistem; Bulgaristan, Rusya, Irak, Suriye ve Gürcistan’nın elektrik şebekelerine de bağlıdır.

Gerilimlerine göre Elektrik Şebekelerinin Sınıflandırılması

Elektrik enerjisi iletiminde yüksek gerilim kullanıldığında güç kaybı daha az olmaktadır. Kullandıkları gerilim bakımından da sınıflandırılabilir:

• Alçak gerilimli (AG) şebekeler: 1 kV ’a kadar gerilimli. Dağıtım trafolarından abonelere ulaşan hatlardır.
• Orta gerilimli (OG) şebekeler: 1 ile 35 kV arası. Daha çok küçük şehirler, endüstri bölgeleri için düzenlenir. Orta gerilimli şebekeler yüksek ve çok yüksek gerilim şebekeleri ile alçak gerilim şebekeleri arasında bir köprü görevi yaparlar.
• Yüksek gerilimli (YG) şebekeler: 35 kV ile 154 kV arası
• Çok yüksek gerilimli (ÇYG) şebekeler: 154 kV’tan büyük. Şehirler ve santraller arası bağlantı için kullanılır. Örn. Atatürk Barajı’ndan İstanbul’a elektrik enerjisi taşıyan çok yüksek gerilimli bir şebeke tesis edilmiştir.

Santrallerde generatör çıkışı olarak 10 kV, 14.4 kV ve 15.8 kV gibi gerilimler kullanılmaktadır. Gerilim, transformatörler yardımı ile yüksek gerilime çıkartılır. Taşıma geriliminin 2 kat artması, hatlardaki güç kaybını 4 kat azaltmaktadır.

Enerji Nakil Hatları

Elektrik enerjisini üretildiği yerden tüketildiği yere taşımaya yarayan hatta enerji nakil hattı denir. Taşınacak enerjinin miktarına, merkezler arası uzaklığa bağlı olarak değişik gerilim seviyeleri ve değişik tel cinsi ve kesitleri kullanılır.

Havai Enerji Hatları

Santrallerde üretilen elektrik enerjisinin en ekonomik metotlarla tüketicilere ulaştıran yöntem havai hatla iletimdir. Genelde bakır veya alüminyum iletken kablo ile taşıyan direkler, yalıtkan izolatörden oluşur. Rüzgâr, yağmur, şimşek, yıldırım gibi olaylardan olumsuz etkilenirler. Havai hatların yer altı hatlarına göre avantajları:

• Daha az maliyetle kurulur.
• Arızalarının tespiti daha kolaydır.
• Bakımları ve arızalı bölümlerinin daha kolaydır.
• Akarsu, köprü ve yollardan geçişleri daha kolaydır.
• Daha kısa zamanda tamamlanırlar.
• Ulaşımın güç olduğu dağ, orman ve uçurum gibi engebeli arazilerde enerji iletimi daha kolaydır.
• Hava hattının güzergâhının altını tarım, hayvancılık vb. gibi yöntemlerle değerlendirmek mümkündür.

Bunların yanında dezavantajları:

• Çevre şartlarından kolayca etkilenirler.
• Meydana gelen arızaların tamiri hava şartlarının imkân vermesine bağlıdır.
• Ömürleri uzun değildir.
• Görsel kirliliğe neden olabilir.
• Taşıdıkları yüksek gerilimler nedeniyle çevrelerinde elektromanyetik alanlar yaratarak tv, radyo yayınlarını vb. olumsuz yönde etkilerler.
• Orman geçişlerinde yangına neden olabilirler.
• Alçaktan uçan hava taşıtları için tehlike yaratırlar.

Yer Altı Enerji Hatları

Boğaz geçişleri ve şehir içlerinde hava hattının kullanımı mümkün olmayan yerlerde gibi yer altından iletim ve dağıtım yapılması gerekir. Yer altı enerji hatlarının avantajları:

• Direk ve diğer malzemelere ihtiyaç göstermez.
• Cadde ve meydanların görüntü estetiği bozulmaz.
• Atmosferik olaylardan etkilenmez.
• Havai hatlardaki gibi bakım ihtiyaçları yoktur.
• Yerleşim bölgelerinde daha güvenlidir.
• Yer altı kablolarının cadde, meydan ve parkların özelliklerine göre düz veya kavis yaptırılarak döşenebilir.

Yer altı enerji hatlarının dezavantajları:

• Havai hatlara göre kuruluş maliyeti yüksektir.
• Arıza tespiti zordur.
• Arızalarının onarımı zordur.

Enerji İletim Hatlarında Güzergâh Seçimi

Elektrik enerjisi iletim hatları tesis edilecek yerin önce ölçekli planı ya da haritası alınarak araziye ait her türlü bilgi haritaya işlenir. Enerji iletim hattı geçiş yolunun mümkün olduğunca en kısa yoldan düz hat şeklinde döşenmesi istenir. Yer altı hatları daha pahalı olduğundan bu husus daha çok önem kazanır. Güzergâh hazırlanırken dikkat edilecek hususlar:

1. Mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır.
2. Bakımının ve işletmenin kolaylığı için iletim hatları yollara yakın yapılmalıdır.
3. Nehir, vadi, sel yatağı, çeltik tarlası, bataklık, heyelan, çığ ve kaya döküntüleri bulunan yerlerden geçmemelidir.
4. Yerleşim bölgelerinden, imar planına dâhil olan alanlardan, değerli ağaçlar bulunduran bölgelerden ve askeri birliklerin bulunduğu yerlerden geçmemelidir.
5. Dik doğrultuda yükselme özelliği gösteren zeminlerden kaçınılmalıdır.
6. Demir yolu, kara yolu, su kanalı, enerji ve haberleşme hatları, nehir, dere ve vadiler üzerinden sıklıkla geçmemeli, geçecekse dik kesme imkânları araştırılmadır.
7. Kara ve demir yolu istimlak sınırlarından en az 20 m mesafede olmak geçilmelidir.
8. Gaz ve petrol boru hattıyla yan yana veya paralel geçişlerinde boru hatlarının direk ayaklarına uzaklığı en az 30 m olmalıdır.
9. Radar ve telsiz istasyonlarını etkilemeyecek uzaklıktan geçmelidir. Hava alanları için 10 km yarıçaplık daire olmalı.
10. Kanallarından geçerken iletken tel yüksekliği 13,5 m olmalıdır.
11. Küçük hat büyük hattın üstünden geçmemelidir.
12. Demir yollarından geçerken durdurucu direkler kullanılmalıdır.
13. Otoyol kenarlarından geçerken +2 m emniyet mesafesi konulmalıdır.
14. Direk ara mesafesi bir önceki mesafenin 2,5 katını geçmemekle birlikte uzun mesafeli direklerin önünde durdurucu direk kullanılmalıdır.
15. Civarda yapılmış ve yapılması planlanan her türlü tesis için kara yolları, DSİ, ziraat teknisyenliği, orman idaresi, il imar müdürlüğü ve belediyelerle gerekli izinler alınmalıdır.
16. Kısa devre etkisi yapmasını önlemek maksadıyla patlayıcı madde depoları ve çimento fabrikalarının kül etki alanlarının geçmelidir.
17. Telefon hatlarının kesişme açıları 60 dereceden küçük olmamalıdır.
18. Sit alanlarından geçmek zorunda kalırsa ilgili kurumlara başvuruda bulunarak gerekli izinler alınmalıdır.

Güzergâh üzerinde bir açı oluşturan noktalara some noktası denir. Rüzgâr yükü ile doğrudan ilgilidir. Hat boyunca az sayıda olmalıdır. Some açısının fazla keskin olmamalıdır.

Havai Enerji İletim Hatlarının Tesisi

A noktasından B noktasına tesis edilecek bir enerji nakil hattının güzergâhı belirlendikten önce some noktaları belirlenir. Some noktalarının arazideki yerlerinin uygun olup olmadığı belirlenir. Arazinin profili çıkartılır. Güzergâh üzerine direklerin hangi noktalara geleceği işlenir. Uygun direkler belirlenerek arazinin eğim durumuna göre direğin ayak durumu tespit edilir. Yapım aşamasında hattın doğrultusu ve hatta dik gelecek doğrultu kazıklar çakılarak araziye işaretlenir. Bu işlemlerden sonra direğin hafriyatı yapılarak montaj çalışmalarına geçilir.

Şebeke Hat Sabiteleri

Enerji iletim hatlarında akım, gerilim, güç ve güç katsayıları gibi büyüklüklerin durumlarına göre değişen hattın direnç, indüktans ve kapasitans gibi değerlerine hat sabiteleri denir. Enerji iletim hatlarının çalışma gerilimlerinin büyüklüğüne göre hat sabitelerinden bazıları çok küçük değerlere düşer ve dikkate alınmayabilir.

Enerji İletim Hatlarında Direnç

Direnç, elektrik enerjisi iletim ve dağıtım hatlarında gerilim düşüşüne ve güç kaybına neden olur. Bir iletkenin doğru akım direnci şu şekilde ifade edilebilir:

L iletkenin boyu, K iletkenlik katsayısı, S ise iletkenin kesit alanıdır. İletkenlik K ile özdirenç ? arasında,

ilişkisi olduğundan,

biçiminde de yazılabilir. Direncin değeri sıcaklığa bağlı olarak da değişir. Her maddenin direncinin sıcaklıkla değişim miktarı farklıdır:

R ₀ referans olarak alınan T ₀ sıcaklığındaki dirençtir. ? ise direncin sıcaklıkla değişim katsayısıdır.

İletkenlerin doğru akımdaki dirençleri ile alternatif akımdaki etkin dirençleri farklıdır. Alternatif akımdaki etkin direnç doğru akım direncinden daha büyüktür. Alternatif akımdaki etkin direnç şu şekilde gösterilebilir:

P iletkendeki güç kaybını ve I ise iletkenden geçen akımdır.

Enerji İletim Hatlarında İndüktans

İçinden akım geçen bir iletkenin çevresinde bir manyetik alan oluşur. Lenz Yasası gereğince bu durum iletken üzerinden geçen akımı azaltmaya çalışır. Birinci ünitede,

eşitliği gösterilmiştir. Enerji nakil hatlarında indüktif reaktansın azaltılması için iletken kesitlerinin büyük, iletkenler arası açıklıkların ise küçük tutulması gerekir. Yer altı enerji kablolarında iletkenler (fazlar) arasındaki aralıklar küçük olduğundan indüktif reaktans değerleri çok küçüktür.

Enerji nakil hatlarının indüktanslarının hesaplanması bir bobininin indüktansının bulunmasından daha zordur, iletkenin cinsine, çapına, örgü şekline, faz sayısına, fazlara ait iletkenlerin direk üzerindeki pozisyonlarına, faz iletkenleri arasındaki uzaklığa bağlı olarak farklılık gösterir. Üç fazlı çelik özlü alüminyum iletken kullanılması durumunda kilometre başına indüktans,

GMR iletkenin geometrik ortalamada yarıçapıdır. GMD ise geometrik olarak iletkenler arası uzaklığı ifade eder:

Enerji İletim Hatlarında Kapasitans

Birbirinden hava, boşluk veya bir yalıtkanla ayrılmış iki iletken bir kondansatör (kapasitör) oluşturur. İletim hatlarındaki iletkenler kendi aralarında veya toprak zeminle kondansatör davranışı gösterir. Benzer durum yeraltı enerji kabloları için de yapılabilir. Havai hatlarda oluşan kapasitans, havanın dielektrik sabitine, iletkenler arası mesafeye ve iletkenle toprak arasındaki uzunluğa bağlıdır. Daha çok 66 kV ’dan daha yüksek gerilimler için önemli olup daha düşük gerilimler için ihmal edilebilir. Birinci ünitede kapasitif reaktans:

olarak tanımlanmıştı. Enerji nakil hattının 1 km ’sinin faz başına mikrofarad (µF) cinsinden kapasitans değeri,

burada r ise iletkenin yarıçapıdır. Hat sonlarından çekilen yükler, çoğunlukla indüktif karakterlidir, akım gerilime göre geri fazdadır. Böylelikle hat başı gerilim ile hat sonu gerilimi arasında fark meydana gelir. Bu gerilim farkını azaltmak için çoğunlukla hat sonlarına paralel kondansatörler (kapasitörler) konulur. Hatların kendi indüktansı büyük ise indüktif reaktans üzerinde meydana gelen gerilim düşümünü önlemek için ise seri kondansatörler kullanılır, hattın toplam empedansını azaltılır. Bu işleme seri kompanzasyon adı verilir. Bu sayede daha fazla güç iletimi sağlanır. Bu duruma maksimum güç transferi adı verilir.

Korona Olayı ve Kayıpları

Nemli ve sisli havalarda enerji nakil hatlarındaki gerilimin belirli bir değerinde havanın iletim hattının yüzeyinde iyonize olduğu görülür. Gerilim artırılmaya devam edilirse iletkenin çevresinde mor renkli ışıklı bir halka belirir. Bu olaya korona olayı denir. Koronayla birlikte parazitler oluşur. Bu parazitler radyo ve televizyonların çalıştığı frekanslarda olduğu için girişimlere neden olur.

Korona sırasında havadaki O ₂ molekülleri atomlarına ayrışır. Ayrışmış olan atomlar O ₂ ile birleşince ozon (O ₃ ) gazı oluşur. Bu gaz ile nitrik asit oluşturabilir. Bu ise hattın aşınmasına neden olur. Korona kaybına neden olan korona akımı sinüzoidal olup gerilim düşümlerine yol açar. Kimyasal reaksiyonlara ve ses titreşimlerine de yol açabilen korona olayı gerilimin büyüklüğü, frekansı, hatlarda kullanılan iletkenlerin yarıçapları, hatlar arası açıklık, hatların pürüzlülük derecesi, sıcaklık, nem, basınç gibi etkenlerle yakından ilgilidir. Korona olayı bir enerji kaybıdır. Korona olayının yol açtığı kayıpları azaltmak için iletkenlerin yüzeyleri düzgün ve parlak bir sırla kaplanır.

Kaçak Geçirgenlik

Enerji nakil hatlarındaki akım taşıyan iletkenlerin kendi aralarında veya iletkenlerle toprak arasında görülen kaçak akımların etkisini ifade eder. Kaçak akımlar hatlarda güç kaybına neden olabilir. Fakat bu etki çok küçük olduğu için genellikle hesaplamalara dahil edilmez.