YÜKSEK GERİLİM ENERJİ NAKİL HATLARI

Transkript

1 Enerjinin Taşınması Genel olarak güç, iletim hatlarında üç fazlı sistem ile havai hat iletkenleri tarafından taşınır. Gücün taşınmasında ACSR(Çelik özlü Alüminyum iletkenler) kullanılırken, dağıtım kısmında havai yada yeraltı kablolarıyla olabilir. İletim hatları tek devre yada çok devreli olabilir. Kablolarda AC kullanımının yanında DC de kullanılabilir. DC devrede kapasitif akımın olmayışı gücün iletilmesini daha kolay hale getirir. Güç kabloları; Kağıt yalıtılmış Yağ doldurulmuş Basınçlı gaz Plastik yalıtkanlı EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 1

2 Genelde enerji üç fazlı sistemler ile güç taşınırken HVDC olarak taşımanın da kendine göre yararları vardır. Havai hatlar ile km lik hatlar yada 50km uzunluğundaki kablolu iletimde HVDC hatlar, AC iletime göre daha ekonomiktir. Üç fazlı sistemde faz ve hat gerilimleri aşağıdaki gibi verilebilir. İletim hattında Nötr yoktur. Nötr dağıtım sisteminde bulunur. U: Fazlar arası gerilim, hat gerilimi U F : Faz gerilimi U F = U 3 Üç fazlı sistemde güç P = 3. U. I. cosφ(w) EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 2

3 Her iletim hattının bir R direnci vardır. İletilen güç arttıkça direnç üzerindeki kayıplar da artar. Kayıplar, ısı salınımı olarak ortaya çıkar. Üç faz güç kayıplarına neden olur. P = 3. R. I 2 Bağıl Güç Kayıpları p = ΔP P = 3.R.I2 3.U.I.cosφ = P 3.U.cosφ 3.R.I = 3.R 3.U.cosφ 3.U.cosφ p = P R U 2.cos 2 φ İletim kayıplarının azaltılabilmesi için iletken direnci düşürülür, gerilim arttırılır ve güç katsayısı yükseltilir. EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 3

4 İletim kayıplarının azaltılabilmesi için İletken direnci (R = l k.s ) düşürülebilir, Güç katsayısı (cosφ) yükseltilebilir. Gerilim arttırılabilir (U) Direnci düşürmek için iletkenin kesiti (S) arttırılabilir. Hattın uzunluğu sabit olduğunda bu durum uygun gibi görünse de iletkenin ağırlığını arttıracak, daha büyük ve dayanıklı direklerin tasarımını gerektirecek ve dolayısıyla daha fazla maliyet getirecektir. Güç katsayısını (cosφ) yükseltmek belli bir aralıkta yapılabilir. Güç katsayısını yükseltmek kompanzasyon gerektirdiği için ek bir maliyet getirecektir. En uygun yol gerilimin arttırılmasıdır. Gerilimin arttırılmasıyla beraber bakır kayıpları (I 2. R) azalır. EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 4

5 Bir iletim hattının gerçek eşdeğer devresinde hat sabitlerinin parametreleri hat aralığı üzerinde eşit dağıldığı varsayılır. Bu yüzden, uzun bir iletim hattı eşdeğer devresi şekildeki gibi çizilebilir. R : İletim hattının birim uzunluğunun direnci (Ω/km) L: İletim hattının self indüktansı (H/km) C : Birim uzunluk kapasitansı (F/km) G : Birim uzunluk kaçak iletkenliği (S/km) Uzun iletim hattının eş değer devresi EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 5

6 Hattın kayıpsız olduğu kabul edildiği durumda Z = jω. L. l ve Y = jω. C. l Bu durumda dalga (karakteristik) empedansı Z o = L C = L C Dalga empedansı, rezonans, yıldırım ve anahtarlama olaylarından kaynaklanan yürüyen dalgaya karşı bir direnç elemanı gibi davranan empedanstır. Yürüyen dalganın hızı (hem gerilim hem de akım dalgası) ışık hızına eşittir ve aşağıdaki ifade ile hesaplanabilir. v = 1 L.C (Dalga yayılım hızı) Bu hız, kablolarda kablonun yalıtkanının dielektrik sabitine bağlıdır ve yaklaşık olarak ışık hızının yarısıdır. EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 6

7 Herhangi bir iletim hattı, karakteristik empedans değerine eşit bir omik yük ile yüklenmesi durumunda hat sonundan yürüyen dalga yansıması olmaz ve kayıpsız olarak yük tarafına geçer. Bu durumda hattın yükü Dalga Empedans Yükü(SIL:Surge Impedance Load) olarak verilir. SIL değeri aynı zamanda hattın yüklenebilirlik değerini de göstermektedir. SIL değeri aynı zamanda Doğal Güç olarak da ifade edilmektedir. Doğal gücün değerini belirleyen gerilimin seviyedir. Bu durumda güç iletiminde reaktif güç bulunmamaktadır. SIL = U2 = 3.U 2 F Z C Z C İletim hatları genellikle doğal güç ile yüklü değildir. Eğer Doğal güç > İletilen güç ise gerilim arttırılır. Bu durumda ek olarak indüktans gereklidir. P 0 (Doğal güç) üç faz gücüdür. P 0 = 3. R 0. I 2 = 3. R 0. ( U 3 R 0 ) 2 P 0 = U2 R O EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 7

8 Örnek: U = 380kV luk tek devre (ikili demet) 954MCM (cardinal) iletkenli bir enerji iletim hattının yerden yüksekliği h = 31, 75m dir. a) Hattın karakteristik (dalga) empedansını hesaplayınız. b) Hattın doğal gücünü bulunuz. c) Hat doğal güç ile yüklendiğinde hattan geçen akımı, iletim kayıplarını ve reaktif gücünü bulunuz. d) Hattı doğal güç ile yüklemek için hattın sonuna bağlanacak elemanın değerini hesaplayınız. Hat uzunluğu l = 500km, Öz iletkenlik k = 31, 56m/Ω. mm 2 Işık Hızı v = m/s Boşluğun dielektrik sabiti ε 0 = 8, F/m Havanın bağıl dielektrik sabiti ε r = 1 954MCM Cardinal iletkenine ait özellikler r = iletken yarıçapı = 15, 21mm h = yükseklik (mm) Toplam Kesit = 547, 34mm 2 Hattın birim uzunluğunun kapasitansı (C ) C = 2.π.ε ln( 2.h r ) [F/m] EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 8

9 a) Hattın birim uzunluğunun kapasitansı C = 2.π.ε ln( 2.h = 2.π.1.8, r ) ln( ,21 ) C = 6, F/m C = 6, 673 pf/m Hattın karakteristik empedansı Z C = L C = birim uzunluğunun endüktansı bilinmelidir. Dalga yayılım hızı v = 1 endüktansı yalnız bırakılıp L = 1 v 2.C denklemde yerine konularak; L C bağıntısından elde edilir. Bu formulde hattın L.C formülünden hattın birim Z C = 1 L.C C = 1 v 2.C 2 = 1 v.c = , = 499, 525Ω EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 9

10 b) Hattın gerilimi U = 380kV = V ve karakteristik empedansı Z C Z o = 499, 525Ω olduğuna göre hattın doğal gücü, P o = U2 Z o = ,525 = 289, W = 289, 075MW c) Doğal güç faz ile yıldız noktası arasına Z o değerinde omik yük bağlandığındaki toplam güçtür. I = U/ 3 Z o veya I = P o 3.U.cosφ Hatta doğal güç kullanıldığında reaktif güç çekilmediğinden hattın sonuna sadece omik direnç bağlı olur. Bu durumda cosφ = 1 olarak alınır. I = U/ 3 Z o = / 3 499,525 = 439, 203A EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 10

11 Hat iletkenlerinin omik direnci ile ortaya çıkan ve iletkenlerdeki iletim kayıplarının toplamına eşit olan toplam iletim kaybı P = 3. R. I 2 ile hesaplanır. R = l k.s P = 3. l k.s. I2 = ,56.547,34 P = 16, W = 16, 75MW. 439, 2032 d) Hattın doğal güç ile yüklenmesi için hattın sonuna hattın dalga empedansına eşit değerde bir empedans bağlanması gerekir. Z o = 499, 525Ω EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 11

12 Örnek: Üç fazlı bir iletim hattının uzunluğu 400km dir. Hattın anma gerilim 220kV ve hattın parametreleri R = 0, 1Ω/km, L = 1, 26mH/km, C = 0, 009μF/km ve G = 0 olduğuna göre, a) Hattın dalga empedansını b) Hattın direncini ihmal ederek dalganın yayılma hızını hesaplayınız. Dalganın hattın bir ucundan diğer ucuna gidiş süresini bulunuz. Hattın dalga empedansı Z 0 = L C = 1, = 374, 166Ω Dalga yayılım hızı v = 1 L.C = 1 1, = km/s Dalganın bir uçtan bir uca t = l v = 400km km/s = 1, s t = 1, 347ms EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 12

13 Örnek: Güç faktörü cosφ = 0, 85 olmak üzere maksimum 100MVA lık bir güç iletimi için tesis edilen enerji sisteminde iletim hattından maksimum 400A akım çekilebilmektedir. İletim hattının uzunluğu l = 400km olup kullanılan iletkenin öz iletkenliği k = 35m/Ωmm 2 ve akım yoğunluğu j = 0, 5A/mm 2 dir. a) Bu iletim sisteminin gerilimini belirleyiniz. b) İletim hattındaki kayıp gücü bulunuz. c) Standart gerilim için kayıp gücü hesaplayınız. a) Enerji iletimi üç fazlı olarak yapıldığından görünür güç denklemi S = 3. U. I ifadesinden devre gerilimi U = S 3.I = = 144, 337kV EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 13

14 b) İletim hattında kullanılan iletkenin kesiti (S), akım yoğunluğu (J) ile akım (I) arasındaki ilişkiden yararlanılarak hesaplanır. Akım yoğunluğu J = I S S = I J = 400 0,5 = 800mm2 Omik direncin değeri R = l = k.s = 10, 714Ω Üç fazlı devre için güç kaybı c) Standart gerilim seviyesi U = 154kV olarak alınırsa, P = 3. R. I 2 = 3. 10, = W P = 5, 143MW Yeni devre akımı I = S = U = 374, 903A Akım yoğunluğu J = I S S = I J = 374,903 0,5 = 749, 806mm 2 Omik direncin değeri R = l k.s = ,806 = 11, 432Ω Üç fazlı devre için güç kaybı P = 3. R. I 2 = 3. 11, , = W P = 4, 82MW EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 14

15 KAYNAKLAR Prof.Dr. Muzaffer Özkaya, Yüksek Gerilim Tekniği Cilt 1 ve Cilt 2 (Birsen Yayınevi) Prof.Dr. Özcan Kalenderli, Yüksek Gerilim Elemanları Yrd.Doç.Dr. C.V. BAYSAL Yüksek Gerilim Tekniği Ders Notları EEM13414 YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 15