EEM0108 Elektrik-Elektronik Mühendisliğinde Malzeme Elektrik İletim Bileşenleri mfkuluozturk@beu.edu.tr
İletkenler Elektrik enerjisinin taşınması ve dağıtılmasında genel olarak bakır, tam alüminyum (AAC) ve çelik özlü alüminyum (ACSR) iletkenler kullanılır. * Tam alüminyum iletken ( AAC-All Alumınıum Conductors ) * Çelik özlü alüminyum iletken ( ACSR-Alumınıum Conductors Steel Reınforced ) * Çelik alüminyum ( St. Al-Steel Aluminium ) Ulusal Eneterkonnekte Şebekesinde Kullanılan İletkenler 154kV EİH larında genel olarak: 477000CM=477MCM (Hawk) 795MCM(Drake) Nadiren de 266.8 MCM (Patridge) 380kV EİH larında genel olarak: 954MCM (Rail yada Cardinal) tipi iletkenler kullanılmaktadır. Dağıtım ve Kırsal hatlarda ise çoğunlukla (OG Hatları) 3AWG (Swallow) 1/0 AWG (Rawen) 3/0 AWG (Piegon) Tipi Çelik-Alimünyum iletkenler kullanılmaktadır. Özel durumlarda, 31.5 ve 34.5 kv OG hatlarında için 266.8MCM ve 477MCM tipi iletkenler de kullanılmaktadır.
İletkenler Yüksek gerilim hava hatlarında kullanılan iletkenlerin, hem enerji taşıma kapasitesi bakımından hem de mekanik dayanım yönden uygun olarak seçilmesi gerekir. İletkenler, gerekli esnekliği sağlamak, askı ve gergi noktalarında oluşan titreşimler sebebiyle kopmanın önlenmesi amacıyla spiral şekilde örgülü olarak yapılır. Spiral şeklinde orgulu yapılmış iletkenlerde her bir damarın yüzeyinde meydana gelen kir ve oksit tabakaları sebebiyle akım, damardan damara değil de spiral orgunun içinde akar. Bu bakımdan örgülü iletkenlerin direnç ve endüktansları, dolayısıyla endüktif reaktansları aynı kesit ve cinsteki örgülü olmayan iletkenlere göre daha büyüktür. Endüktans artışını azaltmak için, katlardaki damarlar birbirlerini izleyen katlarda ters yönde konsantrik olarak yapılır. Ayrıca iletim hatlarının geçtiği güzergâhlarda buz yükleri de dikkate alınmak zorundadır. Ülkemizde 5 buz yükü bölgesi olduğu unutulmamalıdır. Elektrik enerjisinin kullanımı açısından hayati öneme sahip enerji iletim hatlarının incelenmesi için elektriksel eşdeğer devrelerden yararlanılır. Bu eşdeğer devreler hattın uzunluğu ile orantılı olarak değerleri değişen R, L, ve C elemanlarından oluşmaktadır.
İletkenler Burada, R; hattın omik direncini, L; hattın endüktansını ve C de hat iletkenlerinin birbiri arasındaki (CLE ) ve hattın toprağa göre (CE ) kapasitelerinin toplamını temsil etmektedir. Kısa hatlarda kapasitif etki hesaplamalarda kullanılmaz. Enerji iletim hatları uzunluklarına göre; Kısa iletim hatları (0 80 km) Orta uzunluktaki iletim hatları (80 240 km) Uzun iletim hatları (>240 km) Şeklinde üç ana başlık altında sınıflandırılır.
Elektrik İletimi
İletken Özellik ve Standartları
İletken Seçiminde Ölçütler 1. İLETKENLİK: İletkenlik veya geçirgenlik, kullanılan metalin cinsine göre değişir. Gümüş, çok iyi iletken olmasına rağmen, pahalı olması sebebi ile tercih edilmez. Bakır iletken de alüminyum iletkene göre daha iyi iletken olmasına rağmen ağır ve pahalı oluşundan dolayı seçilmez. Galvanizlenmiş çelik tel ile tam alüminyum veya alüminyum alaşımı olan aldrey iletkenler hava hatlarında çok kullanılır. İki aynı metalden yapılan iletkenin kullanışlı olmasının nedeni çelik tel ile alüminyum tel arasında hiçbir kimyevi bağıntının olmamasıdır. Çelik tel sadece dayanım bakımından önemlidir. Esas iletkenlik görevini Alüminyum tel yerine getirir. 2. KORONAYA KARŞI DAYANIKLILIK: Hava hatlarında uygulanan gerilime bağlı olarak özellikle nemli ve sisli havalarda iletkenin etrafında mor renkli ışık halkaları görülür. Buna korona olayı denir. Eğer iletkenin etrafında bir zedelenme varsa ve iletkenin etrafındaki bu ışıklı silindirler birbirine temas edecek olursa iletkenin yüzeyinde delinmeler olur. Dolayısıyla bu durum iletken yüzeyinin iyonize olarak aşınmasına sebep olur. Hava hatlarında kullanılan iletkenlerin korona olayının bu olumsuz etkisine karşı dayanıklı ve yüzeyinin düzgün olmasına dikkat edilmelidir. 3. ÇAP: Yüksek gerilimli hava hatlarında örgülü alüminyum veya çelik örgülü alüminyum iletkenler kullanılır. Alüminyum iletkenler bakır iletkenlere göre daha az iletkenlik gösterdiğinden çapları daha fazla olur. İletken çapı üzerinde buz ve rüzgâr yükü etkili olduğundan iletkenlerin seçilmesinde bu durum göz önünde bulundurulmalıdır.
İletken Seçiminde Ölçütler 4. ÖZGÜL AĞIRLIK: Hava hatlarında kullanılan iletkenlerin özgül ağırlıkları az olursa durdurucu direğe gelen çekme kuvveti de az olur. İletkenlerin mekanik olarak zorlanmasına özgül ağırlığının etkisi büyüktür. Bu sebeple hava hatlarında kullanılan iletkenlerin özgül ağırlığının küçük olması gerekir. Özgül ağırlığının küçük olmasıyla direk ve hava hattı donanım malzemelerinde ekonomi sağlanır. 5. SEHİM (SALGI): Yüksek gerilim enerji nakil hatlarında direkler arasına çekilen bir enerji nakil iletkeni kendi ağırlığı nedeni ile sarkar. Gerilmiş olan iletken uçlarının bağlı olduğu iki izolatör arasındaki var sayılan doğru çizgi ile iletkenin en çok sarktığı yer arasındaki uzaklığa sehim denir. Hava hattı iletkenleri durdurucu direkler arasına iletkenin cer (çekme ve gerilme) kuvveti, ağırlığı, rüzgâr yükü, buz yükü, iklim şartları ve direkler arası uzaklık dikkate alınarak çekilir. Sehim hava hattı direklerinin geçeceği yerin arazi şekli ve iklim koşullarına göre ayrılmış, bölgelerin durumlarına göre hazırlanmış olan cetvellerden veya formüllerden hesaplanır. f = Sehim (m) P = Gerilme (kg/cm 2 ) G = İletkenin yoğunluğu (kg/dm 3 ) a = İki direk arasındaki uzaklık (m)
İletken Seçiminde Ölçütler 6. MEKANİK DAYANIKLILIK: Enerji nakil hatlarında kullanılan iletkenlerin mekanik dayanımlarının önceden bilinmesi önemlidir. Hava hatlarında kullanılan iletkenler dış tesirlerin etkisinde kalır. Rüzgâr, buz, kar, sıcak ve soğuk havanın etkisinde bulunan iletkenler tüm bu olumsuz şartlara dayanıklı olmalıdır. İletkenlerin mekaniksel olarak dayanıklılığı örgülü alüminyum tellerin iç kısmında ve orta yerde bulunan galvanizli çelik tellerle sağlanır. Eğer iletkenin mekaniksel dayanımı az olursa dış tesirlerin etkisiyle kopabilir. Kopan iletken başka bir hat üzerine düşebilir. Bütün bu durumların önlenmesi için mekanik kopma dayanıklılığının yüksek olması gereklidir. 7. ISIYA KARŞI DAYANIKLILIK: YG hava hatlarında örgülü çelik alüminyum iletkenler çok kullanılır. Bilindiği gibi üzerinden akım geçen iletken ısınır. İletkenler yaz aylarında hava sıcaklığının artması dolayısıyla daha da ısınır. İletkenin bu ısı artışı sonucu boyu uzar ve sarkma olur. Havanın sıcaklığından dolayı ısı artışı neticesi iletkendeki sarkma sehim hesaplarında dikkate alınmalıdır. Alüminyum iletkenler havadaki hafif bir rüzgârla bile soğuyabilir. Ancak rüzgâr olmadığı ve hava sıcaklığı fazla olduğu zaman iletkendeki uzama çok fazla olur. Bu sebeple alüminyum iletkenin sıcaklıkla orantılı olarak uzama kat sayısının önceden bilinmesinde fayda vardır.
İzolatörler Enerji nakil hava hatlarında kullanılan iletkenleri hem taşımaya hem de toprak ile diğer iletkenlere karşı izole etmeye yarayan şebeke malzemelerine izolatör denir. İzolatörler, elektrik akımına karşı büyük direnç gösteren, sıcak ve soğuk hava şartlarına dayanıklı malzemeler olan porselen ve camdan imal edilir. Bunlara ilaveten, silikon ve epoksi reçineli izolatörler de yapılmakta ancak maliyeti yüksek olduğundan pek kullanılmamaktadır. İzolatörün yüzey kaçak yolu uzun yapılarak toprağa kaçak akımların oluşması önlenir. Porselen İzolatör Cam İzolatör
Porselen İzolatörlerle Cam İzolatörlerin Karşılaştırılması Cam izolatörler, şeffaf olduğundan çatlama ve kırılmaların tespiti daha kolaydır, porselen izolatörlerde daha zordur. Cam izolatörlerin termik genleşmeleri, porselen izolatörlere göre daha küçük olduğundan ortam ısısının değişmesinde fiziki zarar görme olasılığı azdır. Cam, ışığı geçiren bir madde olduğundan güneş ışığında daha az ısınır, porselen izolatör daha çok ısınır. Cam izolatörler, porselen izolatörlere göre hem daha ucuz hem de dielektrik dayanımı daha yüksektir. Nem, cam izolatör üzerinde porselene göre daha çabuk yoğunlaşır. Bu da cam izolatör üzerinde pisliklerin toplanmasına ve kaçak akımlara neden olur. Taşıdığı İletkenin Gerilimine Göre İzolatör Çeşitleri Alçak gerilim izolatörleri: Anma gerilimi 1000 V a kadar olan ve TS 76 kapsamına giren izolatörlerdir. Bunlar: Taşıyıcı (E), durdurucu (ED), mesnet (ED), gergi (ED), mekanik (EM) ve makara (EM) tipi izolatörlerdir. Küçük boyutlu olanlar alçak gerilimde kullanılır ve bunlara fincan tipi izolatörler de denilmektedir.
Orta gerilim izolatörleri: Anma gerilimi 35 KV a kadar olan izolatörlerdir. Bunlar: Pın tipi izolatörler (VHD 10-15- 20-35), Hava Hattı mesnet izolatörleri ( VKS 35), Zincir izolatörler (U 40-60- 70-100) (K1), Çubuk izolatörler ( L 40-70- 100), Demir yolu izolatörleri, Dolu tip mesnet izolatörleri (MD), Ayırıcı mesnet izolatörler (C 4-170), Ayırıcı itici mesnet izolatörler (SCD 30), Geçit izolatörleri (DAF 30 / 400), Bara mesnet izolatörleridir (SAR 30 ), Trafo buşing izolatörleri
Yüksek ve çok yüksek gerilim izolatörleri: Anma gerilimi 35 KV tan büyük olan izolatörlerdir. Burada porselen ve kompozit ( silikon) izolatörler yüksek gerilim enerji iletim hatlarında 170 kv ve 420 kv gerilim kademelerinde kullanılmaktadır. Çöl, deniz ve endüstriyel kirliliğin yüksek olduğu bölgelerde hidrofobik özelliğinin yüksek olması sayesinde daha iyi yalıtım sağlaması, kompozit izolatörün delinmez tip olması, montaj kolaylığı, porselen izolatöre ve cam izolatöre oranla daha hafif olması gibi avantajlarından dolayı tercih edilmektedir.
Hariçten dahile geçit izolatörleri Pano tipi mesnet izolatörleri Harici OG izolatörleri Harici AG izolatörleri
Transformatör buşing izolatörleri
Direkler Santrallerde üretilen enerjinin tüketim ve kullanma bölgelerine iletilmesinde iletkenleri taşıyan, toprakla iletken arasında yalıtkanlık sağlayan ve hat boyunca uygun aralık ve yükseklikte yerleştirilen şebeke donanımına direk denir. İletimde çeşitlerine göre kullanılan 7 tip direk bulunmaktadır. Durdurucu direkler. Köşede durdurucu direkler. Taşıyıcı direkler. Köşede taşıyıcı direkler. Nihayet direkler. Branşman direkler. Tevzi Direkler Yapıldıkları malzemeye göre 3 tip direk vardır. Demir direkler Beton direkler Ağaç direkler
1, 2, 6, 8, 9, 11, 14, 15, 16, 17 Taşıyıcı Direkler 3, 5 Branşman Direk 12 Köşede Taşıyıcı Direk 4, 7, 13 Nihayet Direk 10 Tevzi Direk
Durdurucu Direkler Enerji nakil hatlarında, düz hattı durdurmak amacıyla kullanılan direklere denir. Taşıyıcı direklere bağlanan iletkenlerin gergin durmasını sağlar. İletkenlere gelen gerilme kuvveti durdurucu direklerle temin edilir. Genellikle durdurucu direkler arsında 7 adet taşıyıcı direk bulunabilir. Yol ve nehir atlamaları gibi özel durumlarda durdurucu direkler karşılıklı birbirine bağlantılı olabilir. Köşede Durdurucu Direkler Enerji nakil hava hatlarının köşe noktalarında kullanılan ve aynı zamanda durduruculuk görevi yapan direklere denir. Düz doğrultuda giden hattın, büyük sapmalarında kullanılan direklerdir. Taşıyıcı direkler Hava hatlarında durdurucu direkler arasında iletkeni taşımak, yani iletkenin ağırlığını tutmak amacıyla kullanılan direklerdir. Köşede taşıyıcı direkler Enerji nakil hava hatlarının köşe noktalarında iletkenleri taşımak amacıyla kullanılan direklerdir.
Nihayet (son) direkler Enerji nakil hatlarının başlangıç ve sonunda kullanılır. Hattın tek taraflı toplam cer (gerilme) kuvvetine dayanabilecek durumda olan direklere denir. Branşman direkleri YG hava hatlarında taşıyıcı ve köşede taşıyıcı durumda olan direklerden bir veya iki yönde kol veya şube hattı ayrılıyorsa, bu durumdaki taşıyıcı ve köşede taşıyıcı direklere branşman direkleri denir. Tevzi (dağıtım ) direkleri Enerji nakil hava hatlarında ikiden fazla nihayet bağı ile bağlı olan hatların tevzi edildiği yani kollara ayrılarak dağıtımının yapıldığı direklere denir. Direkteki hatlardan kesiti en büyük olan hat, ana hat olarak kabul edilir. Bunun dışında kalan diğer hatlar bu ana hattın birer branşmanı veya kolu durumundadır. Ana hatlarla bu direklere kadar gelen enerji, bu direkten ayrılan branşmanlarla daha küçük kapasiteli enerjiler halinde dağıtılır.
Demir direkler Demir direkler ağaç direklere nazaran çok daha uzun ömürlü ve beton direklere göre de daha hafiftir. Demir direkler iletkenlerin her türlü tertip şekline uygulanabilir. Herhangi bir sebeple meydana gelebilecek direk arızalarının tamir edilmesi de kolaydır. Ancak beton direklere göre bakım ve işletme masrafları daha fazladır. Demir direk tipleri şunlardır: Boru direkler A ve kafes direkler Putrel direkler ( pilon veya çatal)
Betonarme direkler Çimento, su ve katkı maddelerinin uygun oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen beton ile yüksek dayanımlı çelik tel veya çelik çubukların kullanılmasıyla elde edilir. Beton ve çelik malzemenin gözeneksiz bir şekilde uygunluğunun sağlanması için titreşim (vibrasyon) veya savurma (santrifüj) metodu uygulanır. Bu yöntemle imal edilen direklere betonarme direk denir. Betonarme direklerin demir direklere göre en büyük avantajı hava şartlarında ve özellikle sanayi bölgelerindeki zararlı gaz ve buharlardan az etkilenmeleridir. Ayrıca kullanılan demir miktarının aynı işi gören demir direklere oranla az olması (%60) demir malzemeden tasarruf sağlar.
Ağaç direkler Alçak ve orta gerilimli iletim ve dağıtım hava hatlarında kullanılır. Mekanik dayanımları azdır. Köknar, ardıç, karaçam gibi ağaçlardan yapılır. Hava şartlarından olumsuz etkilendikleri için özel işlemlere tabi tutulur. Bu işlemler ağaç direğe bakır sülfat emdirilmek veya katranlamaktır. Ağaç direklerin kullanış şekillerine göre sınıflandırılması şu şekildedir: Ağaç direk çeşitleri: Tek ağaç direkler Çift ağaç direkler ( ikiz veya H ) A direkler Payandalı direkler Kirişli direkler Lenteli direkler (gergi telli )
Hava hattına etki eden çekme (cer), ağırlık, rüzgâr ve buz yükü gibi kuvvetlere dayanabilecek durumda olmaları istenir. Bu kuvvetler durdurucu, köşe ve tevzi direklerine aynı zamanda fakat değişik yönlerden etki ederler. Taşıyıcı direklerde ise iletkenleri sadece taşımaya ve tutmaya yaradıklarından bunlarda hatların cer kuvveti yerine hat doğrultusunda dik yöndeki rüzgâr kuvvetleri esas alınır. Direkler kullanıldıkları hattın gerilimine göre de sınıflandırılır. I-Alçak gerilim direkleri II-Orta gerilim direkleri III-Yüksek ve çok yüksek gerilim direkleri
Ayırıcılar Orta ve yüksek gerilim sistemlerinde devre yüksüz iken açma kapama işlemi yapabilen ve açık konumda gözle görülebilen bir ayırma aralığı oluşturan şalt cihazlarıdır. Tesis bölümlerini birbirinden ayırıp bakım ve kontrol işlerinin güvenli bir şekilde yapılmasını sağlar. Ayrıca birden fazla ana bara bulunan sistemlerin açma ve kapama manevralarına hazırlanmasında ve birbirine bağlanmalarında kullanılır. NOT: Ayırıcılar ile devreden akım geçerken yani devre yüklü iken açma kapama işlemi yapılmaz. Yapılırsa ayırıcı ve ayırıcıyı açıp kapatan kişi zarar görür.
Kesiciler Kesiciler, orta ve yüksek gerilim şebekelerinde yük akımlarını ve kısa devre akımlarını kesmeye yarayan cihazlardır. Bu cihazlar devreyi, boşta, yükte ve özellikle kısa devre hâlinde açıp kapayabildikleri gibi otomatik kumanda yardımı ile açılıp kapanmasına da olanak sağlarlar. Böylece insanları tehlikeden korumakta, alçak ve yüksek gerilim cihazlarında meydana gelebilecek hasarı önleyip en aza indirgemektedir. Kesiciler hem ark söndürme özelliğine, hem de çok hızlı hareket etme özelliklerine sahiptir. Enerjiyi keserken önce kesici açılır, daha sonra ayırıcı açılmalıdır. Kesicinin en önemli görevi kısa devre anında devreyi açmaktır. Son yarım yüzyıl içerisinde şebekelerin gittikçe büyümesi kısa devre akımlarını büyütmüş ve böylece kesicilerin işi daha da zorlaşmıştır. Bu süre içinde güç iletim sistemlerinin gerilimleri 110 kv'lardan 750 kv'lara ulaşmış ve bunun sonucunda kısa devre açma güçleri 1000 MVA'dan 50000 MVA'lara varmıştır. Sistem stabilitesi bakımından, toplam kesme süresi önemli ölçüde kısalmıştır. Kesiciler çalışma gerilimlerine göre, tekrar kapama özelliğine göre, bina içi-bina dışı, çalışma mekanizmasına göre farklı çeşitleri bulunmaktadır.
Güç Transformatörleri (Trafolar) Alternatif akımın gücünü ve frekansını değiştirmeden alçaltmaya veya yükseltmeye yarayan bir elektrik makinesi olarak transformatörlerin, elektrik enerjisinin AC de taşınmasında önemli bir yeri vardır. Dönüştürme oranı
Güç Transformatörleri (Trafolar) Bütün elektrik makinelerinde olduğu gibi transformatörler de çalışmaları sırasında ısınır. Bu ısınma transformatörün özellikle sargılarında ve demir nüvesinde oluşan kayıpların bir sonucudur. Döner makinelerde soğutmayı az da olsa sağlayan hava akımlarının oluşmasına karşın, duran makine olan transformatör daha olumsuz şartlarda çalışır. Transformatörlerin soğutma yöntemi harf simgelerle belirtilir. Her simge 4 harften oluşur. 1. harf: Sargılarla temasta bulunan iç soğutma ortamı: O Yanma noktası 300 C olan mineral yağ veya sentetik sıvı yalıtkan K Yanma noktası > 300 C olan sıvı yalıtkan L Yanma noktası ölçülemeyen (yanıcı olmayan) sıvı yalıtkan 2. harf: İç soğutma ortamı için dolaşım türü: N Soğutma donanımı içinden ve sargılardan doğal termosifon akış F Soğutma donanımı içinden zorlamalı dolaşım ve sargılardan termosifon akış D soğutma donanımı arasından zorlamalı dolaşım, soğutma donanımı sisteminden en azından ana sargılar içine yönlendirme 3. harf: Dış soğutma ortamı: 4. harf: Dış soğutma ortamı için dolaşım türü: A Hava N Doğal konveksiyon W Su F Zorlamalı dolaşım (Vantilatörler, pompalar) Örnek: ONAN/ONAF: Transformatörün, yüksek yükte arzulandığı gibi işletmeye sokulalabilen bir vantilatör grubu bulunur. Yağ dolaşımı, her iki durumda da yalnız termosifon etkisiyle oluşur.