Ünite 6: Elektrik Enerjisinin Dağıtımı ve Trafo Seçimi

Giriş

Elektrik enerjisinin üretiminden tüketicilere ulaşıncaya kadar gerekli olan tesisler; üretim, iletim ve dağıtım olmak üzere üç kısımda incelenir. Enerjinin üretildiği yer üretim santralleridir. Bu santraller elektrik üretim kaynaklarına göre termik, hidro elektrik, nükleer santral gibi sınıflara ayrılmaktadır. Bunların yanı sıra rüzgâr enerjisi, güneş enerjisi ve jeotermal enerji (termal su kaynakları) ile çalışan santraller de mevcuttur. Elektrik enerjisinin üretilen yerden alınıp tüketim bölgelerine ulaştırılması ise iletim şebekeleri vasıtasıyla gerçekleştirilir. Genellikle birbirinden uzak olan elektrik üretim santralleriyle tüketim merkezleri arasındaki bağlantı, iletim şebekesi ve enterkonnekte sistemler ile sağlanır. Enterkonnekte sistemler, üretimi tüketim düzeyindeki değişimlere uyarlamayı sağlar. Elektrik enerjisinin iletimi ise enerji nakil hatları aracılığıyla gerçekleştirilir. Dağıtım merkezlerine ulaşan yüksek gerilimli elektrik enerjisi burada orta gerilim değerlerine düşürülerek fabrikalara, tramvay gibi kent içi ulaşım sistemlerine ve kent içi dağıtım şebekesine verilir.

Alçak Gerilim Şebekeleri

Dağıtım şebekelerinde dağıtım transformatöründen tüketicilere kadar olan şebekeye alçak gerilim şebekesi denir. Bu şebekeler, dağıtım transformatörlerinden tüketicilere (abonelere) kadar olan enerji nakil hatlarından oluşur.

Yerleşim birimleri ve sanayilerdeki cadde, yol, meydan ve geçitler boyunca döşenen hat parçalarının birbirine eklenmesinden, kollar ve kolların birbirine eklenmesinden de alçak gerilim dağıtım şebekeleri meydana gelir. Bu şebekelerde kullanılan hatlara alçak gerilim dağıtım hatları denir.

Dağıtım şekillerine göre kullanılan alçak gerilim dağıtım şebekeleri:

• Dallı (Dal-Budak) şebekeler
• Ring (Halka) şebekeler
• Ağ (Gözlü) şebekeler

Şebeke ve tesislerle ilgili bazı temel kavramlar şunlardır:

Gerilim Kademesi: Alçak gerilimde elektrik enerjisinin dağıtımı tek fazlı sistemler için 220 V, üç fazlı sistemlerde ise fazlar arası gerilim 380 V seviyesinde yapılmaktadır.

Tüketici (yük): Elektriksel yük terimi, bazı görevleri yerine getirebilmek ya da gücü başka enerji biçimlerine (ısı, ışık) çevirebilmek için sistemden güç çeken bir aletin elektrik talebi anlamına gelmektedir.

Kayıp Güç: Elektrik enerjisi dağıtım sistemlerindeki kayıpları teknik ve teknik olmayan kayıplar olmak üzere ikiye ayırmak mümkündür. Teknik kayıplar , bir dağıtım şebekesinin elektrikle ilgili özelliklerine bağlı kayıplardır. Bu kayıplar hatlardaki ısıl kayıplardır. Teknik olmayan kayıplar ise gerçekte tüketilen elektrik ve ölçülen elektrik tüketimi ya da faturalama tutarı arasındaki fark olarak tanımlanabilir.

Yıldız Noktası: Herhangi bir işletme elemanının yıldız bağlı faz sargılarının müşterek düğüm noktasıdır. Dengeli sistemlerde buna nötr veya sıfır noktası da denir.

Faz İletkeni: Akım kaynağı ile tüketiciyi birbirine bağlayan iletkenler olup üç fazlı sistemde R, S, T ile işaretlenir ve kesintisiz çizgi ile gösterilir.

Nötr İletkeni (Orta İletken): Çok fazlı bir sistemin, örneğin üç fazlı bir sistemin yıldız noktasından çıkan iletkendir. Bu iletkene yıldız noktası iletkeni de denir. O veya N ile işaretlenir.

Sıfır İletkeni: Özellikle sıfırlama yolu ile korumanın uygulandığı alçak gerilim şebekelerinde doğrudan doğruya topraklanan nötr iletkenidir.

Koruma İletkeni: Cihazların temas yüzeylerini gerilime karşı korumak için bunları topraklayıcılara ve topraklanmış iletkenlere bağlamaya yarayan iletkenlerdir ve noktalı çizgi ile gösterilir.

Anahtar: Elektrik devrelerini açıp kapamaya yarayan bir işletme aracıdır.

Otomatik Anahtar (Şalter): Cihazları korumak maksadıyla termik veya manyetik veya hem termik hem manyetik koruma elemanları ile donatılan ve bir aşırı akım esnasında devreyi otomatik olarak kesen anahtardır.

Güç Anahtarı (Kesici): Normal şartlarda devreyi açıp kapamaya yarayan ve arıza halinde koruma röleleri ile kumanda edilerek, büyük kısa devre akımlarını kesen anahtardır.

Ayırıcı: Şebeke yüksüz halde iken açma kapama işlemi yapabilen, açık durumda gözle görülebilen bir ayırma aralığı oluşturan şebeke elemanıdır.

Kısa Devre: İşletme gereğince birbirlerine karşı gerilim altında bulunan iletkenler (aktif kısımlar) arasında bir izolasyon hatası sonucunda iletken bir bağlantının meydana gelmesi durumudur.

Gövde ve Toprak Temasları: Bir izolasyon hatası sonucunda, elektrikli işletme araçlarının aktif kısımları ile gövdeleri arasında meydana gelen iletken bağlantılarına gövde teması denir. Toprak teması ise bir izolasyon hatası sonucunda bir faz iletkeni ile toprak veya topraklanmış iletken kısımlar arasındaki bağlantı olup bazı hallerde bu bağlantı ark şeklinde kendini gösterir.

Nominal Gerilim: Şebekenin adlandırıldığı gerilim olup şebekenin belirli işletme büyüklükleri buna göre tayin edilirler.

İşletme Gerilimi: Bir işletme aracında veya her tesis bölümünde faz iletkenleri arasında bulunan yerel gerilim değeridir.

Topraklama: Elektrik tesislerinde aktif olmayan bölümler ile sıfır iletkenleri ve bunlara bağlı bölümlerin, bir elektrot yardımı ile toprakla iletken bir şekilde birleştirilmesine topraklama denilmektedir.

Sigorta: Korunacak işletme aracının önünde, ana akım devresine seri bağlanmış olan, özel olarak imal edilmiş gümüş veya bakır telden veya şeritten yapılmış bir iletken parçasından oluşur.

Direk: Enerji taşıyan iletkenleri izolatörler yardımıyla yerden ve birbirinden belli uzaklıkta tutan elemanlardır. Kullanılan malzeme açısından ağaç, demir ve betonarme olmak üzere üç guruba ayrılır. Kullanım amacına göre ise düz bir hatta iletkeni taşıyan direklere taşıyıcı direkler , hattı belli bir yerde tespit etmek amacıyla kullanılan direklere durdurucu direkler , hattın başladığı ve bittiği yerde kullanılan direklere nihayet (son) direkler denir.

İzolatör: Hatlarda iletkeni taşımak için kullanılan çok düşük iletkenlik özelliği gösteren plastik, mika, seramik (porselen) gibi malzemelerdir.

Transformatör (Trafo): İki veya daha fazla elektrik devresini elektromanyetik indüksiyonla birbirine bağlayan bir elektrik şebekesi elemanıdır. Bir elektrik devresinden diğer elektrik devresine, enerjiyi elektromanyetik alan aracılığıyla nakleder. Transformatörler elektrik enerjisinin belirli gücünde gerilim ve akım değerlerinde istenilen dönüşümü yapan elemanlardır. Gerilimi alçaltıp veya yükseltme özeliklerine göre; alçaltıcı veya yükseltici transformatörler şeklinde sınıflandırılır. Benzer şekilde transformatörleri çalıştıkları gerilimlerine göre alçak, orta, yüksek ve çok yüksek gerilim transformatörleri biçiminde de gruplara ayırmak mümkündür.

Alçak Gerilimde Şebeke Bağlantı Tipleri: Tesisat yönetmelikleri TS 3994’e göre, alçak gerilim şebekelerinde temel olarak üç çeşit şebeke bağlantı tipi kullanılabilir.

Bağlantı şekillerini belirleyen isimlerde ilk harf transformatörün sıfır noktasının toprakla bağlantı durumunu ikinci harf ise cihazların toprağa bağlantı durumunu göstermektedir. Burada: T toprağa bağlı (Terra), I topraktan yalıtılmış (İzolasyon), N nötr hattına bağlı olma durumlarını göstermektedir.

Bu şebekelerde kullanılan koruma iletken tipleri ise; PE koruma iletkeni, S ayrı iki (PE ve Nötr) iletkeni ve C koruma iletkeni ile nötr hattının fonksiyonlarının birleştirildiği (PEN) iletken olarak tanımlanmakta olup dağıtım şebeke tipleri (sistemleri) bağlantı şemaları ile birlikte sırayla incelenecektir.

TN Şebeke Sistemi: Bu şebeke, günümüzde kullanılan en yaygın şebeke tipidir. Burada şebekenin bir noktası (yıldız noktası) doğrudan topraklanır. Buna işletme topraklaması denir. 3 TN Şebeke sistemi mevcuttur:

• TN-C Şebeke Sistemi
• TN-S Şebeke Sistemi
• TN-C-S Şebeke Sistemi

TT Şebeke Sistemi: Bu şebeke tipinde şebekenin yıldız noktası topraklanmış veya yeteri kadar bir empedans üzerinden topraklanmıştır. Tesisteki madeni kısımlar işletme topraklamasından ayrı olarak topraklanmaktadır. Buna koruma topraklaması denir.

IT Şebeke Sistemi: Bu sistemde şebekenin yıldız noktası toprağa karşı yalıtılmış veya yüksek bir empedans üzerinden topraklanmıştır. Şebekeden beslenen cihazlar ise koruma iletkeni üzerinden topraklanır. Şebekede oluşan ilk faz toprak hatası, cihazlara zarar vermez. Ancak ikinci bir izolasyon hatası, toprak temaslı iki fazlı bir kısa devre oluşturur. Bu da cihazlar açısından zararlıdır. Bundan dolayı bu tür şebeke sistemlerinde izolasyon hatalarından korunmak amacı ile izolasyon kontrol cihazı kullanılır. Böylece izolasyon hatası önceden belirlenerek gerekli önlem alınmış olur.

Dağıtım Transformatörleri

Orta gerilimin alçak gerilime düşürülmesi için kullanılan transformatörlere dağıtım transformatörleri denir. (Başka bir değişle gerilim ve güç kapasitesi sırasıyla 35 kV ve 1600 kVA’a kadar olan transformatörlere dağıtım transformatörleri denir.)

Bir dağıtım transformatörünü oluşturan elemanlar ve görevleri aşağıdaki gibidir:

Demir nüve: Manyetik akı oluşmasını sağlar.

Primer sargılar: İnce ve çok sipirli olup transformatörün giriş kısmıdır.

Sekonder sargılar: Kalın ve az sipirli olup transformatörün çıkış kısmıdır.

İzolasyon yağı: Sarımlar sargılar arası ve gövde tank arası izolasyonu ve soğutmayı sağlar.

Ana tank: Sargıların, nüvenin ve yağın bulunduğu kısımdır.

Rezerve tankı: Genleşme ve yedek yağ tankıdır.

Yağ seviye göstergesi: Rezerve yağ servisini göstermek için kullanılır.

Radyatör: Transformatör yağının soğutmasını sağlar.

Tekerlekler: Transformatörü taşımak için kullanılır.

OG–AG buşingi: OG ve AG fazlarının bağlantı terminalleridir.

Ark boynuzu: Gerilim yükselmesinde transformatörü koruyan elemanlardır.

Termometre: Transformatörün sıcaklığını gösterir.

Gerilim kademe komütatörü: Gerilim seviyesini ayarlamaya yarar.

Taşıma kancaları: Transformatörü montaj ve demontaj işleminde kaldırıp indirmeye yarar.

Dağıtım transformatörlerinde bağlantı şekli olarak yüksek gerilim sargıları yıldız veya üçgen, alçak gerilim sargıları ise yıldız veya zikzak tercih edilir.

Dağıtım şebekelerinde kullanılan dağıtım transformatörleri 1600 kVA güce kadar olan transformatörlerdir.

Bunlar, üretim çeşidine göre kuru ve yağlı tip transformatörler olarak iki grupta incelenir:

Yağlı tip transformatörler de sargılar soğutma ve izolasyon amaçlı yağın içerisine yerleştirilmekte olup özellikle 10 kV ve yukarı gerilimlerde tercih edilirler.

Kuru tip transformatörler ise yağ içermeyen harici soğutma sistemini gerektiren transformatörlerdir. Bu tip transformatörlerde kullanılan epoksi reçine, nemin içeriye girmesini engelleyerek transformatörün zor koşullarda, nemli ve kirli ortamlarda rahatlıkla çalışabilmesine imkân sağlamaktadır.

İletim hatlarından taşınan orta gerilimdeki elektrik enerjisini tüketicilerin kullanabileceği alçak gerilime düşüren ve direklerin üzerine monte edilen transformatörler direk tipi transformatörler (trafolar) denir.

Yeni yapılacak direk tipi transformatörler için beton direkler daha çok tercih edilmektedir. Bunun nedeni bakımlarının kolay ve gövdeye kaçak olma olasılığının çok düşük olmasıdır.

Bina tipi transformatörler şehir veya kasabalarda zemini dayanıklı, estetiği bozmayan yerlere alçaltıcı transformatör merkezi görevini yapmak için kurulur. Orta gerilimi alçak gerilime düşürmek için kullanılan 400 kVA gücünden büyük transformatörlerdir.

Alçak Gerilim Dağıtım Transformatör Gücünün ve Yerinin Belirlenmesi

Alçak Gerilim Dağıtım Şebekelerinde Güç Yoğunluğu Hesabı

Tüketime göre transformatör seçimi ve iletkenlerin seçimi bu tüketim miktarına göre hesaplanan güç yoğunluğuna göre yapılmaktadır. Alçak gerilim şebekesinin bir metresine düşen yayılı yüke güç yoğunluğu denir. J ile temsil edilen güç yoğunluğunun SI ölçüm sistemindeki birimi W/m’dir.

Güç yoğunluğu, gerilim düşümü hesabı yapılarak alçak gerilim iletken kesitlerinin belirlenmesinde kullanılır. Nüfusa göre güç yoğunluğu, eşitliği kullanılarak bulunur. {Burada; N nüfus (kişi), kişi başına W cinsinden tüketim (W/kisi), L ise m cinsinden alçak gerilim şebeke uzunluğudur.} Eşitlikteki N çarpımı dağıtılacak toplam gücü verir. Yine bu ifadede 1,1 değeri; toplam şebeke gücüne, şebeke gücünün %10’ kadar kayıp gücünün eklenmesiyle elde edilen bir katsayıdır.

Şehir elektrik şebekelerinde ise enerji analizörleriyle alçak gerilim panosunun kol çıkışlarında ve apartmanlarda yapılan ölçümler neticesine göre kişi başına tüketim, daha sonra imar planında belirtilen kat adedi ve daire sayısına göre şebeke uzunluğu belirlenerek güç yoğunlukları hesaplanmaktadır.

Şehir elektrik şebekelerinde güç yoğunluğu hesabı yapılırken kişi başına elektrik tüketimi değerinin en az 100 W/kisi alınması gerekir.

Eğer yerleşim yerlerinde farklı yoğunlukta yerleşimler ve sosyoekonomik gelişmişlikler var ise şebekenin uzunluğu: L = k ₁ L ₁ + k ₂ L ₂ + k ₃ L ₃ + L formülü ile ifade edilir. {Burada k ile gösterilen tüketim katsayısı; yoğunluk ve sosyoekonomik gelişmişlikteki farklılıklar için projeci tarafından belirlenir.} Bu hesap metodu ile gerçeğe daha yakın hesaplamalar yapılarak gerekli ve yeterli şebeke oluşturma sağlanabilir.

Alçak Gerilim Dağıtım Şebekelerinde Transformatör Gücünün Hesaplanması

Eğer transformatör gücü gereğinden büyük seçilirse transformatör, transformatör merkezi ve merkezden çıkan iletken ve kabloların maliyetinde hem gereksiz yükselmeler olacak hem de kayıplar aşırı derecede artacaktır. Öte yandan transformatör gücü gereğinden düşük seçilmesi durumunda ise kısa zamanda genişletmeye gidilmesi gerekecek, bu da ek bir masrafı getirecektir.

Bir tesiste bulunan elektrik enerjisi tüketicilerinin anma (etiket) güçlerinin toplanması yoluyla bulunan güce kurulu güç denir. Aynı anda elektrik enerjisi talebinde bulunan tüketicilerin sistemden çekeceği güce ise talep gücü denir. Talep edilen gücün kurulu güce oranı ise eş zamanlılık (talep) faktörünü verir.

Eşzamanlılık faktörü, bağıntısı kullanılarak bulunur.

Elektrik projelerine ilişkin hesaplar yapılırken, eş zamanlılık faktörü yardımıyla bulunan talep gücü dikkate alınır. Böylece kullanılmayan enerji için masraf yapılmamış ve gereksiz büyüklükte malzeme kullanılmamış olur.

Alçak gerilimde kullanılacak transformatör gücünün tespitinde, eğer transformatörden sonra enerjinin gideceği panoların çekecekleri kurulu güç değerleri biliniyor ise, formülünden yararlanılır. {Burada; St transformatörün kVA cinsinden görünür gücünü, P _n şebekenin kW cinsinden kurulu gücünü, g eşzamanlılık faktörünü, şebekenin güç faktörünü göstermektedir.}

Transformatör gücünün hesaplanması için kullanılan bir diğer metot bölgenin toplam abone gücü, sanayi ve aydınlatma gibi tüketici güçleri ve kayıp güçler dikkate alınarak güç hesabının gerçekleştirilmesidir.

Alçak Gerilim Dağıtım Şebekelerinde Transformatör Yerinin Belirlenmesi

• Transformatörlerin kurulacağı yer seçilirken dikkat edilecek hususlar aşağıda sıralanmıştır:
• Transformatör yeri, park ve yeşil alanlar olmalı, şahıslara ait özel arsa içine transformatör konmamalıdır.
• Okul ve cami bahçeleri gibi insanların hayatını riske atacak yerler ve görüntüsünü bozacak tarihi veya mimari yerler transformatör yeri olarak seçilmemelidir.
• Küçük ve toplu olan yerleşme bölgelerinde transformatör bölge içine sokulmamalı, bölgenin dışında veya girişinde uygun bir yere yerleştirilmelidir.
• Bölgenin gelişme sahası göz önünde bulundurularak transformatör gelişen bölgeye yakın bir yere yerleştirilmelidir.
• Konutların seyrek ve dağınık olduğu bölgelerde tek transformatör yerine aynı gücü karşılayabilecek küçük güçlü birden fazla transformatör kullanılmalıdır.
• Transformatör, bölgedeki mevcut ve muhtemel sanayi gücü dikkate alınarak bu bölgeye yakın bir yere yerleştirilmelidir.
• İki veya daha fazla transformatör kullanılan bölgelerde transformatörlar birbirine yakın olmamalı ve transformatörün beslediği bölgelerin sınırları düz bir hat oluşturacak şekilde seçilmelidir.

Dağıtım Şebekelerinde Reaktif Güç Kompanzasyonu

Reaktif gücün transformatörden veya santralden alıcıya kadar taşınması,

• Hattaki güç kayıplarını arttırmakta,
• Hattan taşınabilecek elektriksel güç miktarını (hattın güç transfer kapasitesini) azaltmakta,
• Hattan geçen akımın artması nedeniyle hattaki gerilim düşümünün artmasına dolayısıyla hat sonu geriliminin azalmasına neden olmaktadır.

Elektrik sisteminde, elektrik motoru, bobin vb. gibi yüklerin mıknatıslanma etkisi ile elektrik enerjisini yine elektrik enerjisine veya farklı bir enerjiye çeviren cihazların faz akımını geri kaydırmasından dolayı, şebeke üzerinde yaratmış oldukları endüktif reaktif gücü dengeleme ve fazın akımını olması gereken konuma geri çekme işlemine reaktif güç kompanzasyonu denir.

Reaktif güç kompanzasyonunun yapılması ile şebekeden çekilen reaktif gücün dolayısıyla akımın azalması sonucunda:

• Şebekenin enerji (güç) taşıma kapasitesi artacak,
• Şebeke iletkenlerinin kesitleri azalacak,
• Şebekedeki gerilim düşümleri azalacak,
• Şebekedeki kayıp güçler azalacak,
• Hatlarda açma kapama yapan kesici ve ayırıcılar büyük seçilmeyerek sistem en verimli hale getirilecektir.

Alçak Gerilim Dağıtım Şebekelerinde Kompanzasyon

Alçak gerilim dağıtım şebekelerinde yapılacak kompanzasyonda genel kural; reaktif güçlerin kendilerini tüketen cihazlara en yakın noktada üretilmesidir. Böylece abonelerden başlayarak dağıtım hatlarından itibaren üretim kaynağına kadar söz konusu cihazlar için gerekli reaktif enerji sistemden taşınmayacaktır.

Vektörel anlamda aktif güç ve reaktif güç vektörlerinin arasındaki açı, faz farkını gösterir.

Güç Kondansatörleri ile Kompanzasyon:

Kompanzasyon amaçlı kullanılan kondansatörler güç kondansatörleri olarak adlandırılır. Güç kondansatörleri kasa tipi ve tüp tipi şeklinde imal edilerek endüstriyel uygulamalarda güç faktörü düzeltme ve filtreleme amacıyla kullanılır.

AG güç kondansatörleri bakım gerektirmez fakat belirli aralıklarla faz akımlarının ölçülmesi ve bulunduğu ortamın sıcaklık kontrolünün yapılması gerekir.

Senkron Motorlar ile Kompanzasyon: Güç katsayısının düzeltilerek şebekede aktif gücün artmasını sağlamak için senkron motorlar kullanılır. Bu amaçla kullanılan senkron motorlara senkron kompanzatör veya senkron kondansatör adı verilir.

Şebekeye bağlanan senkron motor şebekeden boşta çalışma kayıplarını karşılayacak kadar az bir aktif güç ve şebekeye istenen reaktif gücü vererek, bir reaktif güç üreticisi şeklinde çalışır.

Orta Gerilim Dağıtım Şebekelerinde Kompanzasyon

Şehir ve kasaba şebekelerinde kompanzasyon tesisinin AG’de yapılması işletme ve bakım açısından büyük zorluklar taşımaktadır. Bu nedenlerden dolayı şehir ve kasaba şebekelerinde OG’de kompanzasyon yapmak tercih edilebilir.

Orta gerilim şebekelerinde kondansatörler;

• YG/OG transformatör merkezlerine,
• OG/OG transformatör merkezlerine,
• OG şalt ve tevzi merkezlerine,
• OG hatlarında direk üzerine,

tesis edilebilir.