Ünite 5: Direkler ve İzolatörler

Giriş

Elektrik enerjisinin, depolanamama dezavantajından ötürü, üretilen enerjinin tüketiciye anında ulaştırılması ve kullandırılması gerekmektedir. Üretim ile tüketim arasındaki bu dengenin aksatmadan sürdürülebilmesi için özel iletim ve dağıtım şebekelerinin kurulmasına ihtiyaç vardır. Elektrik enerjisinin nakli için kurulan hava hatları mesnet noktaları, direkler ve bunların temelleri, yer üstünde çekilmiş iletkenler, iletken donanımları, izolatörler, izolatör bağlantı elemanları ve topraklamalardan oluşur. Enerji iletim hattının başlıca elemanları direkler, iletkenler ve izolatörlerdir. Direkler, enerji taşıyan iletkenleri taşımak, uygun gerginlikte tutmak ve birbiriyle olan temasını önlemek için kullanılır. İzolatörler; iletkenleri direkten ve diğer iletkenlerden yalıtmak için kullanılırlar. Bunların dışında traversler, konsollar, topraklama ve bağlantı elemanları gibi elemanlar da yer almaktadır. Bu elemanların amacı elektrik enerjisini güvenli ve kesintisiz olarak ulaştırmaktır.

Direkler

Hava hatlarında, iletkenleri yerden belirli bir yükseklikte ve birbirinden belirli bir açıklıkta tutan şebeke elemanları direk olarak adlandırılır.

Görevlerine (Kullanıldıkları Yere) Göre Direkler

• Taşıyıcı Direkler: Doğrusal güzergâhtaki hava hattı boyunca veya küçük açılarda yön değişimlerinin olduğu köşelerde kullanılır. Taşıyıcı direk türü, doğrusal güzergâh boyunca yer alır. Köşede taşıyıcı direk türü ise, küçük açılarla sapmaların olduğu köşelerde yer alır.
• Durdurucu Direkler: Doğrusal güzergâhtaki hava hattı boyunca veya büyük yön değişimlerinin olduğu köşelerde kullanılır. İletkenleri hem taşıyıcı direkler gibi taşır hem de belirli gerginlikte tutarlar. Belirlenen sarkma oranlarını aşmaması için uygun mesafelerde bulundurulurlar. Yaklaşık 1 km’de bir veya 7 direkte bir durdurucu direk kullanılır. İki durdurucu direk arası en fazla 3 km olabilir. Durdurucu direk türü doğrusal güzergâh, köşede durdurucu direk türü ise büyük açılarla sapmaların olduğu köşelerde yer alan direklerdir.
• Son (Nihayet) Direkler: Enerji nakil hava hatlarının başlangıç ve bitişlerinde yer alan direklerdir. İletkenlerin tek yönde uyguladıkları çekme kuvvetine karşı koyarak, hat iletkenlerinin gerginliğini devrilmeden sağlarlar.
• Ayırım (Dağıtım, Tevzi) Direkleri: Enerji nakil hatlarının birkaç hatta dağıtıldığı yerlerde kullanılırlar.

Yapım Malzemesine Göre Direkler

• Ağaç Direkler: Çamgiller ve sert ağaçlardan yapılan direklerdir. Boyları ortalama olarak 9-15 m, tepe çapları 12-21 cm ve dip çapları 18-28 cm'dir. Aydınlatma direği, taşıyıcı direk, kısa sürede değiştirilecek geçici direk olarak alçak ve orta gerilimde kullanılır. Ekonomik, hafif ve kullanımları kolaydır. Ömürleri ve boyları kısa, mekanik dayanımları zayıf ve tepe kuvvetleri düşüktür. Kuvvet değerlerini arttırmak için ağaç direklere destek yapılabilir.
• Demir Direkler: Alçak, orta ve yüksek gerilimde kullanılabilirler. Olumsuz şartlardan etkilenmemeleri için üzerleri boyanır veya galvaniz demir olarak monte edilir. Demir direklerin mekanik dayanımları çok fazladır. Sağlam, uzun ömürlü ve tepe kuvvetlerinin fazla olmasına rağmen bakımları ve yalıtımları daha zor, maliyetleri de yüksektir. Taşıyıcı için “T”, durdurucu için “D”, nihayet için “N” ve zaviye türü için “Z” harfleri kullanılır.
  • Boru direkler: Yerleşim birimlerinde ve yakınlarında aydınlatma direği olarak kullanılır.
  • A direkler: Bu direklerin isimlendirilmesinde, kullanılan sayılar demir profilin cm olarak yüksekliğini; “I” ve “U” harfleri demirin kesitini ve “k” harfi ise direğin kısa boylu olduğunu belirtir.
  • Kafes direkler: İsimlendirmedeki sayılar 1000 ile çarpıldığında; rüzgâr yokken, direğin kg cinsinden tepe kuvvetini verirler. Ortalama direk boyları ise normal hafif direkler için 9.69-10.43 m, kısa hafif direkler için 8.92-9.52 m, normal ağır direkler için 10.19-10.68 m, kısa ağır direkler için ise 9.42-9.77 m şeklindedir.
  • Putrel/pilon/çatal direkler: Daha çok yüksek gerilim hatlarında kullanılır.
• Beton (Betonarme) Direkler: Yapı malzemeleri çimento ve demir olan, tepe kuvvetleri yüksek, uzun ömürlü, bakım gerektirmeyen ve çevre koşullarından etkilenmeyen direk türleridir. Daire kesitli ve içleri boş olan direklerin üretimi savurma (santrifüj) yöntemiyle yapılır. Dikdörtgen kesitli ve içleri dolu olan bu direklerin üretimi ise titreşim (vibrasyon) yöntemiyle gerçekleştirilmektedir. Aşağıdaki şekilde etiketlendirilebilirler:

Kullanıldıkları Şebekeye Göre Direkler

Kullanıldıkları şebekeye göre direkler;

• Alçak gerilim direkleri (Gerilim < 1 kV)
• Orta gerilim direkleri (1 kV < Gerilim < 34,5 kV)
• Yüksek gerilim direkleri (34,5 kV < Gerilim < 380 kV)
• Çok yüksek gerilim direkleri (Gerilim > 380 kV)

biçiminde dört sınıfa ayrılırlar.

Devre Sayısına Göre Direkler

Devre sayısına göre direkler,

• Tek devreli: 3 faz bulunduran direkler
• Çift devreli: 3+3 faz (2 × 3 faz) bulunduran direkler

olmak üzere ikiye ayrılırlar.

Direk Temelleri

Emniyet ve uzun süreli sorunsuz kullanım için direklerin sağlam şekilde dikilmesi gerekir, ve bunun için direk temelleri oldukça önemlidir. Yatay ve düşey kuvvetlerin etkisinde kalan direklerin temellerinin hesaplanması için değişik yöntemler vardır.

Direklerin Topraklanması

Enerji nakil hattından, direğin kendisinden, yıldırım ve hava koşulları sonucu arızalardan doğan kaçak akımların veya yüksek gerilimlerin direk ve çevresine zarar vermemesi için topraklanması gerekir. Direğin etrafına uygun bakır levhalar veya kazıklar çakılarak yapılır. Direklerin topraklama geçiş dirençleri 4?’u geçmemelidir.

Direğe Etki Eden Kuvvetler

Düşey Kuvvetler

Direğin kendi ağırlığı: Direğin yapımında kullanılan malzemelerden kaynaklanan değerdir.

İletkenin ağırlığı: Direğe asılı olan iletkenin ağırlığıdır. Direğin m cinsinden ağırlık menzili ag ve iletkenin kg/m cinsinden birim ağırlığı p0 iken iletkenin ağırlığı şöyledir:

g _i = p ₀ a _g

Travers ağırlığı: Direkteki travers ağırlığıdır.

İzolatör ağırlığı: Direkte kullanılan izolatör ağırlığıdır.

Buz yükü: İletkenin mm cinsinden çapı d ve bölgelere göre değişen katsayı k ise kg/m cinsinden buz yükü,

İletkenin mm ² cinsinden kesiti q iken buz yoğunluğu ise:

Buzlu durumda ise iletkenin kg/m cinsinden kütlesi:

g _n = g _i + g _b

Montaj yükü: Direk üzerinde çalışan montörün ağırlığıdır.

Yatay Kuvvetler

Rüzgâr kuvveti: Direk ve iletkenler yüzeylerine uygulanan rüzgâr kuvvetleridir. Dinamik rüzgâr basınç katsayısı c , kg/m2 cinsinden dinamik rüzgâr basıncı p, m cinsinden iletkenin çapı d ve m cinsinden rüzgâr açıklığı aw olmak üzere iletkenlere etki eden rüzgâr kuvveti:

200 m’ye kadar olan rüzgâr açıklıkları için,

w _i = cpda _w

200 m’den büyük rüzgâr açıklıkları için:

w _i = cpd(80+0,6a _w )

Direğe etki eden rüzgâr kuvveti, F m ² cinsinden direğin rüzgâra maruz kalan düşey izdüşüm alanı olmak üzere:

w _d = cpF

İletken çekme kuvveti: Faz ve toprak iletkenlerinden kaynaklanan çekme kuvvetleridir. İletkenin kg/m ² cinsinden gerilmesi ? ve mm ² cinsinden kesiti q olmak üzere iletken çekme kuvveti,

T _max = ?q

Direk Açıklığı (Menzil)

İki komşu direk arasındaki uzaklık menzil olarak adlandırılır.

Maksimum menzil: a _max ile gösterilir. Bir direğin, komşu direğe kadar olabilecek en büyük uzaklığıdır.

Rüzgâr açıklığı (rüzgâr menzili): Bir direğin, iki yanındaki komşu direklere olan uzaklıklarının (a ₁ ve a ₂ ) toplamının yarısıdır.

Ruling menzili (Eşdeğer menzil): İki durdurucu direk arası iletkenin toplam uzunluğunda herhangi bir değişiklik olmayacak şekilde hesaplanan değerdir, şu şekilde hesaplanır:

Ağırlık menzili: a _g ile gösterilir. Bir direğin her iki tarafındaki iletkenlerin yatay teğetli noktaları arasındaki uzaklıktır.

Kritik menzil: Maksimum gerilmedeki akr ile gösterilen menzildir. T _max maksimum cer kuvveti (kg), ß ısı uzama katsayısı, t _n ek yüklü durumdaki sıcaklığı, t ₁ ortamın en düşük sıcaklığı, g _n buzlu iletkenin ağırlığı (kg/m) ve g _i çıplak iletkenin ağırlığı (kg/m) olmak üzere simetrik açıklıklardaki kritik menzil,

Eğik açıklıklarda ise,

Bu ifadede,

olup, ? olarak maksimum gerilmeyi; h seviye farkını; ? _i iletkenin çıplak yoğunluğunu ve ? _b iletkenin buzlu yoğunluğunu belirtir.

Rüzgâr Etkisindeki İletkende Titreşim Frekansı ve Dalga Boyu

Direkler arasındaki iletkenlerde, rüzgârın etkisiyle titreşimler meydana gelir. Oluşan bu titreşimin Hz cinsinden frekans değeri; v rüzgâr hızı (km/h) ve d iletken çapı (mm) olmak üzere, şu şekildedir:

T, yıllık ortalama sıcaklık ve menzilde iletkenin cer kuvveti (kg) ve g iletkenin metrik ağırlığı (kg/m) iken titreşimin m cinsinden dalga boyu ise şu şekildedir.

Traversler

İletkenleri birbirlerinden ve direklerden belirli uzaklıkta tutmak için kullanılan çift taraflı yapı elemanlarıdır. Demir veya betondan yapılabilirler. Traversler üzerine izolatörler monte edilir. Direğin tipi, görevi, işletme gerilimi, taşıyacağı iletken sayısı ve özellikleri, bağlanacak izolatör çeşitlerine göre travers seçimleri gerçekleştirilir.

Konsollar

Traversler gibi iletkenleri, birbirlerinden ve direklerden belirli uzaklıkta tutmak için kullanılan tek taraflı yapı elemanlarıdır. Montajları tamamlandıktan sonra travers ve konsollar topraklanmalıdır.

İzolatörler

İletkenleri direklere bağlayan, taşıyan, birbirinden ve topraktan yalıtan elemanlar izolatör olarak adlandırılmaktadır. Temel görevleri yalıtımdır. Elektrik akımına karşı büyük direnç göstermelidirler. Yüksek sıcaklıklara dayanmalı, farklı çevre koşullarında bozulmadan işlevlerini yerine getirebilmeli ve elektriksel atlamalara izin vermeyecek geometriksel yapıda ve yüzeyde olmalıdırlar. İletken ağırlıklarını taşıması gerektiğinden, malzeme olarak sağlam ve mekanik dayanımları yüksek olmalıdırlar.

İzolatör Türleri

Kullanılan malzeme türüne göre:

• Porselen izolatörler: Sert porselenden yapılan izolatör türüdür. Porselen yüzeyi bir tabaka ile kaplanarak izolatörün dielektrik dayanımı arttırılmakta, ve bu tabaka ile izolatör yüzeyi pürüzsüzleşerek kir tutma oranı düşmektedir. Yağmur sularıyla kendiliğinden temizlenme oranı arttırılmaktadır.
• Cam izolatörler: Dielektrik dayanımları, porselenden daha yüksektir. Üretim maliyetleri de porselene göre düşüktür. Ancak üzerinde kir ve nem tutmaları daha yüksektir.
• Epoksi reçineli izolatörler: Özel uygulamalarda kullanılan reçineli izolatörlerdir.
• Silikon (kompozit) izolatörler: Özel uygulamalarda kullanılan ve silikondan imal edilen türleridir.

Yapılış biçimlerine göre:

• Mesnet izolatörler: Daha çok porselen veya camdan üretilir. 34 kV ’a kadar tek parça olarak üretilirler. Daha yüksek gerilimler için ise (220 kV) çok parçalı olarak üretilmektedirler.
• Zincir izolatörler: Yalıtımı arttırmak için aynı türden izolatörlerin birbirlerine bağlanmasıyla elde edilirler. Orta ve yüksek gerilim hatlarında kullanılırlar.
• Geçit izolatörler: Genel olarak porselen veya camdan üretilen, enerjinin binaya girişinde veya çıkışında kullanılan izolatör türüdür.

İzolatörleri kullanıldıkları hatların işletme gerilimine göre; alçak gerilim izolatörleri (1 kV’a kadar), orta gerilim izolatörleri (35 kV’a kadar), yüksek ve çok yüksek izolatörleri (35 kV’tan büyük) olmak üzere üçe ayrılır. İzolatörler kullanıldıkları yere göre dâhili ve harici tip olarak gururlandırır. Dâhili tip izolatörler, genellikle trafo binalarının içlerinde ve enerji panolarında kullanılır. Harici tip izolatörler ise enerji nakil hattı direklerinde, şalt sahalarında ve trafo binalarının dışında kullanılan izolatörlerdir.

İzolatör Seçimi Ölçütleri

Kurulacak herhangi bir tesis için izolatörler seçilirken işletme (iletim) gerilimi, kullanılan iletkenler, kullanma açısı, izolatörün kullanılacağı hat güzergâhı ve yüzey kirlenmesi göz önünde bulundurulur.