Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ VE TESİSLERİNİN TEKNİK ve EKONOMİK AÇIDAN İNCELENMESİ M.Selim TURAN* Adnan KAKİLLİ** turan_ms@hotmail.com kakilli@marmara.edu.tr *Endüstri Meslek Lisesi- Dicle Üni.Tek.Eğt.Fak.Elk.Bölümü, Batman ** Marmara Üni.Tek.Eğt.Fak. Elk.Böl. Göztepe/İST. 1.ÖZET Şehir merkezlerindeki nüfus artışına paralel olarak yerleşim alanları ve endüstri alanları genişlemiş, teknolojik gelişmelerin günlük yaşama yansıması paralelinde, elektrik enerjisinin toplam enerji tüketimindeki payı artmıştır. Büyük şehirlerdeki elektrik enerjisi tüketiminin artması, yüksek gerilim hatlarının ve dağıtım merkezlerinin şehir ve endüstri alanların içinde kalmasına sebep olmuştur. Artan elektrik enerjisi tüketimini karşılayacak yeni tesislerin kurulumu için kullanılacak alanlar azalmıştır. Şehirlerdeki arsa maliyetlerinin yüksek olması, yeterli arsa bulunamaması, kirlilik ve atmosferik şartlar gibi faktörler bilim adamlarını yeni çalışmalar yapmaya zorlamıştır. Bunun bir sonucu olarak da diğer sistemlere göre daha küçük alana kurulabilen ve gelişmiş koruma ekipmanlarına sahip SF 6 gaz izoleli sistemler (Gas Insulated Substation,) geliştirilmiştir. Bu çalışmada, elektrik enerjisi iletimi ve dağıtımında kullanılan gaz izoleli sistemler, geleneksel tesisler ile teknik ve ekonomik açıdan karşılaştırılmıştır. lerin teknik ve güvenlik bakımından üstün, ekonomik açıdan pahalı; arazinin maliyeti ve arızalardaki kayıplar da dikkate alındığında, ekonomik duruma geçtiği tespit edilmiştir. Alan olarak açık tip şalt sahalarına göre %70 daha küçük alana sığdığı bilinmektedir. ebat olarak küçük olduğundan arsa ve arazi konusunda sıkıntılı olan büyük şehirlerde çözüm olarak bina altlarına kurulabileceği gibi daha yüksek gerilimlerde de iletim yapabilme olanağı sağladığı görülmüştür. Geleneksel yani hava yalıtımlı (Air Insulated Substation,) ve trafo merkezlerinin teknik ve ekonomik olarak karşılaştırılması için Hasköy ile İsmetpaşa şalt sahaları baz alınmış ve elde edilen sonuçlar çalışmada sunularak yorum ve öneriler yapılmıştır. 441
2.GİRİŞ Ticari, endüstri ve şehir hayatının zorunlu bir gereği olarak, yerleşim ve endüstriyel alanların daha verimli kullanma isteği gün geçtikçe artmaktadır. Mevcut durumda bina yapımı, yer altı alışveriş alanları, trafik sistemleri ve kamuya ait yapıların da dahil olduğu şehir yapılaşma faaliyetleri her geçen gün artmakta ve kullanılacak alanlar azalmaktadır. Mevcut imkan ve yapılaşma, şehirleşme sürecinin verimliliğini geliştirmeyi zorunlu kıldığından, mevcut eğilim gelecekteki şehirleşme alanlarının daha fazla genişleyeceğini ve kullanılabilecek alanların azalacağına işaret etmektedir. Genişleme ve teknolojik gelişmelerin günlük yaşama yansıması ile, elektrik enerjisinin toplam enerji tüketimindeki payı gittikçe artmaktadır. Özellikle büyük şehirlerin kontrolsüz bir şekilde büyümesi yüksek gerilim hatlarının ve dağıtım merkezlerinin şehir ve endüstri alanları içinde kalmasına sebep olmuştur. Elektrik enerjisi vazgeçilmez bir enerji olup bu bağlamda bugün yaygın olarak kullandığımız elektrik enerjisinde verimliliği sağlamak, kalite ve güvenirliliği artırmak koşuluyla üretim maliyetlerini azaltmak ve sistem kayıplarını en aza indirmek, elektrik enerjisi sistemlerinin planlanması ve işletilmesinde en önemli hedefler haline gelmiştir. Dünyada 1960 yılından beri kullanılan SF 6 gaz izoleli trafo merkezleri kullanılmaktadır.türkiye de ise 1980 li yılların sonuna kadar elektrik enerjisi tüketimi ve büyük şehir nüfuslarının yüksek olmaması nedeniyle bu teknolojiye ihtiyaç duyulmamıştır. Ancak Son 20 yılda şehirlere olan göç, elektrik enerjisi tüketimindeki artış, yüksek gerilim iletim hatlarının şehir merkezleri ve endüstri alanları içinde kalması, güvenlik ve kullanım alanı bakımından bu teknolojinin kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. 3.YÜKSEK GERİLİM ŞALT SAHALARI Yüksek gerilim şalt sahaları elektrik enerjisini üreten kaynaklar ile tüketici kaynakları arasındaki güç iletim zincirinin önemli bir halkasını oluşturur. Trafo merkezleri iki farklı şekilde tasarlanabilir. Bunlardan sürekli olarak kullanılan hava yalıtımlı açık şalt sahalı trafo merkezleri diğeri ise açık ve kapalı alanlarda kurulan SF 6 gazı ile yalıtılmış kapalı ve mahfazalı trafo merkezleridir. hava yalıtımlı trafo merkezleri, çevre şartlarının dikkate alınmadığı ve yer sınırlamasının olmadığı her yerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. ler 800kV a kadar yüksek gerilimlerde tasarlanabilmektedir. lerin montaj maliyetleri düşüktür. Açık şalt sahalı trafo merkezlerinin elamanlarının her biri tesiste monte edilir. Ancak elemanların açık alanda oluşundan dolayı, gerilim altında çalışma yapmak ve dokunmak tehlikelidir. Bu trafo merkezleri hava ve çevre etkilerine doğrudan maruz kalmaktadır. Açık şalt sahasına ait örnek şekil 1 de gösterilmiştir. 442
Şekil 1. Hava İzoleli Açık Şalt Şahası[3] uygun bir şekilde bir araya getirilmiş kompakt boyutları ve tasarımı nedeniyle, 1100 kv a kadar olan trafo merkezleri şehir ve endüstri bölgelerindeki yük merkezlerinin tam ortalarına kurulabilme imkanı sunmaktadır. Burada kullanılan elamanların büyük bir kısmı fabrikada montaj edilmektedir. kesici devresi, ayrıcılar, akım trafosu, kontrol ve koruma ekipmanları, dahili kilitleme ile izleme vb. elemanlardan oluşmaktadır. ın topraklanmış metal mahfazası, ın iç ünitelerini sadece çevre etkilerine karşı değil, ayrıca çalışanları da elektrik çarpmalarına karşı koruma görevi yapar. ler açık alanda, bina içlerine ve bina altlarına da tesis edilebilmektedirler. Şekil 2 de trafo merkezine ait yerleşim planı verilmiştir [1]. Şekil 2. Gaz İzoleli Şalt Şahası Yerleşimi[1] 443
4. VE TRAFO MERKEZLERİN EKONOMİK AÇIDAN KARŞILAŞTIRILMASI ve tesisleri yapı olarak birbirine benzemektedirler. Yapı olarak benzemekle beraber farklılıkları da mevcuttur. Burada ve ler teknik ve ekonomik açıdan ele alınmıştır. Enerji dağıtımı için yapılan büyük parasal yatırımlar ve büyük şehirlerdeki alan sınırlılığından dolayı, dağıtım hatları ve trafo merkezlerinin projelendirilmesi optimizasyon çalışmalarını gerekli kılmaktadır. Transformatör merkezlerinin maliyet hesabının yapılabilmesi için önce maliyet fonksiyonun elde edilmesi gerekir. 4.1TRANSFORMATÖR MERKEZLERİNİN MALİYET FONKSİYONLARI Trafo merkezlerinin maliyet fonksiyonu akım, gerilim, güç ve sabit gider terimlerine bağlı olarak ifade edilebilir. Bu değerleri yazarken optimizasyon analizlerinde Cosθ=1 ve P=S olduğu varsayılacaktır. Bu açıklamalar ışığında bir trafo merkezine ait maliyet fonksiyonu şu şekilde yazabilir.[2] A= A 0 + A 1 U + A 2 P + A 3 I (1) Bu ifadede A 0 sabit, A 1 gerilime bağlı giderler, A 2 güce bağlı giderler, A 3 ise akıma bağlı giderleri göstermektedir [2]. Transformatör merkezlerine ait gider türlerini ve giderleri etkileyen faktörler aşağıdaki gibi sıralayabiliriz. Tablo 1 Gider Türleri ve Gideri Etkileyen Faktörler[2] S.No Gider Türleri Gideri Etkileyen Faktör 1 Güç Transformatörü Güç 2 Kesici Güç 3 Ayırıcı Gerilim 4 Akım Transformatörü Akım 5 Gerilim Transformatörü Gerilim 6 Mesnet İzolatörü Gerilim 7 Parafudur Gerilim 8 Kablaj Güç 9 Ölçü ve Koruma Güç 10 Çelik Konstrüksiyon Sabit 11 Taşıma Giderleri Sabit 12 Genel Giderleri Sabit 14 İnşaat İşleri Sabit 15 SF 6 Gazı Sabit 16 Arazi Sabit 444
Transformatör merkezi maliyet fonksiyonlarında bulunan güce bağlı terim akım ve gerilim değeri cinsinde de yazılabilir. Optimizasyon analizlerinde güç katsayısı 1 alındığı için A 2 P ifadesi yerine A2 3UI yazmak mümkündür[2]. 4.2 VE TRANSFORMATÖR MERKEZLERİNİN MALİYET TERİMLERİNİN BULUNMASI Nüfusun yoğun olduğu büyük şehirlerde, yüksek gerilim şebekeleri şehir merkezlerinin ve endüstri alanlarının içinde kaldığından elektrik enerjisinin taşınması ve iletilmesi büyük mali yatırımlar gerektirmektedir. Transformatör merkezleri tasarlanırken birçok faktör göz önünde bulundurulmalıdır. Gelecekte olabilecek gelişmeleri de göz önüne alarak uygun projeler yapılmalıdır[2]. İki transformatör merkezinin maliyet yönünden karşılaştırılabilmesi için aynı karakteristik özellikleri gösteren malzeme ve uygulamalar baz alınmıştır. 100 MVA gücünde 170 kv luk 3 adet çıkış fideri, 2 adet bara fideri, 1 adet bağlantı fideri, 2 adet transformatör fideri ve 13 adet 36 kv metalclad ı bulunan ve trafo merkezlerinde kullanılan malzemeler ve gider türleri Tablo 2 de gösterilmiştir[3]. Tablo 2 ve Trafo Merkezinde Kullanılan Malzemeler[3] S.No Trafo Merkezi Kullanılan Malzemeler Gider Türü 1 1 1 100 MVA 154/34,5 kv Güç Trafosu Güç 2 6 6 170 kv Kesici Güç 3 14 3 170 kv Topraklama Ayırıcı Gerilim 4 15 14 170 kv Ayırıcı Gerilim 5 3 0 170 kv Hızlı Topraklayıcı Ayırıcı Gerilim 6 37 15 170 kv Akım Trafosu Akım 7 12 10 170 kv Gerilim Trafosu Gerilim 8 6 170 kv Parafudur Gerilim 9 87 75 İzolatör Gerilim 10 13 13 36 kv Kesici Güç 11 14 17 36 kv Ayırıcı Gerilim 12 72 72 36 kv Akım Trafosu Akım 13 12 12 36 kv Gerilim Trafosu Gerilim 14 170 kv ve 36 kv Güç Kabloları Güç 15 Her Fider İçin Koruma ve Ölçü Röleri Güç 16 Genel Giderler Sabit 17 İnşaat Sabit 18 Arazi Sabit 170 kv ve transformatör merkezlerinin, maliyet olarak karşılaştırma için trafo merkezinin kurulduğu alan olan İstanbul Üsküdar ilçesi Selimiye bölgesi arsa birim fiyatı referans olarak alınmıştır[4]. Malzeme ve uygulamalar için 445
kullanılan birim fiyatlar ise ihalesi yapılmış 170 kv Hasköy ve 170 kv İsmetpaşa transformatör merkezlerinin fiyatları kullanılmıştır[5-6]. Alan boyutu olarak Selimiye Trafo Merkezi ve İsmetpaşa Trafo Merkezi kurulum alanları baz alınmıştır[5]. Yapılan hesaplamaların sonucunda ; 100 MVA, 170 kv sistemi için maliyet fonksiyonu aşağıdaki şekilde elde edilmiştir.. A=2.949.977,36+4.081,43 U+21.650,110 P+1.735,81 I (2) 100 MVA, 170 kv sistemi için maliyet fonksiyonu ise aşağıdaki şekilde elde edilmiştir. A=10.124.988,49+1.479,69 U+11.886,43 P+171,03 I (3) ve Trafo merkezlerinin maliyet terimlerini karşılaştırılması Tablo 3 de verilmiştir [5]. Tablo 3 ve Trafo Merkezlerinin Maliyet Terimleri[3] A 0 ($) A 1 ($/kv) A 2 ($/MVA) A 3 ($/A) 2.949.977,36 4.081,43 21.650,110 1.735,81 10.124.988,49 1.479,69 11.886,43 171,03 / 0,29 2,76 1,82 10,15 Sabit Terimlerin Karşılaştırılması Güce Bağlı Maliyet Terimlerin Karşılaştırılması Dolar($) 12.500.000 11.000.000 9.500.000 8.000.000 6.500.000 5.000.000 3.500.000 2.000.000 500.000 $/MVA 25.000,00 20.000,00 15.000,00 10.000,00 5.000,00 0,00 A0($) 2.949.977 10.124.988 Trafo Merkezi Çeşitleri A2 ($/MVA) 21.650,11 11.886,43 Trafo Merkezi Çeşitleri Gerilime Bağlı Maliyet Terimlerin Karşılaştırılması Akıma Bağlı Maliyet Terimlerin Karşılaştırılması $/kv 5.000,00 4.000,00 3.000,00 2.000,00 1.000,00 $/A 2.000,00 1.500,00 1.000,00 500,00 0,00 A1 ($/kv) 4.081,43 1.479,69 Trafo Merkezi Çeşitleri 0,00 A3 ($/A) 1.735,81 171,03 Trafo Merkezi Çeşitleri Şekil 3 ve Trafo Merkezlerinin Maliyet Terimleri Karşılaştırılması[3] 446
Şekil 3 deki grafikler ve tablo 3 incelendiğinde; trafo merkezi güç, akım ve gerilim maliyet terimleri olarak trafo merkezinden daha büyük olduğu görülmektedir. Güç maliyet terimi ın 1,82 katı, gerilim maliyet terimi in 2,76 katı, akım maliyet terimi ise in yaklaşık olarak 10,15 kat daha büyüktür. trafo merkezi ise sabit terim olarak ten 3,43 kat büyüktür. Bunun temel nedeni kullanılan arazinin e göre daha büyük olması ve arazi fiyatının yüksek olmasıdır. 100 MVA gücünde 170 kv'luk 3 Adet çıkış fideri, 2 Adet bara fideri, 1 Adet bağlantı fideri, 2 Adet Transformatör fideri ve 36 kv 13 Adet Metal Clad'ı fideri bulunan ve transformatör merkezlerinin maliyet fonksiyonuna göre çıkan maliyetleri; =6.829.886,97 $ =11.199.785,77 $ Aşağıdaki grafik incelendiğinde in toplam maliyeti toplam maliyetinden 1,63 kat daha yüksek olduğu görülmektedir. Bu oran arazi fiyatları arttığında daha da artacaktır. Şekil 4 ve Trafo Merkezinin Maliyetleri[3] Teknik üstünlüklerinden dolayı sistemlerinde bakım gereksinim ve teçhizatın arızalanma olasılığı lerin oldukça altındadır. Bakım çalışması ve arıza sebebiyle yapılacak 1 saatlik 100MW lık arızanın sebep olacağı kayıp yaklaşık olarak; 100000kWx0.15YTL/KWh= 15000YTL/h hesaplanabilir ki teçhizat değişikliği durumu ve iş gücü kaybı bu rakamı ciddi oranda artıracaktır. Bu düşünüldüğünde maliyetin daha da düşeceği görülecektir. 447
5.SONUÇ Bir tesisinde kullanılan teçhizatlar ( Kesici, ayırıcı, topraklama anahtarı, baralar, akım ve gerilim transformatörleri vb.) boru şeklindeki metalik mahfaza ile kuşatılır. Mahfaza içine basınçlı SF 6 gazı doldurulur. Yüksek gerilim altındaki parçalar döküm reçine izolatörler tarafından taşınırlar. lerde SF 6 gazının yalıtım gazı olarak kullanılması, tesis ebatının küçük ve çevre ile önemli derecede uyumlu olmasını sağlamaktadır. İhtiyaca bağlı yüksek gerilim iletim ve dağıtım tesisleri aşağıda sıralanan nedenlerden dolayı her yere kurulamamaktadır. *Büyük şehirlerde, *Endüstrileşmiş şehir ile sanayi alanlarında, *Dar vadili dağlık bölgelerde, *Yeraltı güç istasyonlarında, *Sahil bölgelerinde (Tuz ile ilgili problemlerde ), *Çevre ve estetiğin önemli problem olduğu yerlerde, *Mobil Elektrik santrallerde ve şalt tesislerinde, *Mevcut trafo gücü genişletilmesinde, Buna benzer alanlarda; kullanılacak alanın az olması ve arazi fiyatının çok yüksek olması sebebiyle, trafo merkezleri geleneksel trafo merkezlerinin yerini alırlar [7]. tesisleri tesislerine göre daha küçük bir alana kurulmaktadır. 145kV için gerekli boyut 21,45m iken için gerekli boyut 3,5 m dir Alan olarak ise tüm elamanları 1040m 2 kuruluyorken, sadece 360m 2 kurulabilmektedir. Gerilim değeri büyüdükçe boyutlardaki fark artacaktır[8]. SF 6 gaz yalıtımlı tesis için gereken küçük kurulum alanı, pahalı zemin ve temel çalışmalarından tasarruf sağlar. Yer problemi konusunda bazen ciddi sorunlar yaşanabilmektedir. İstanbul Göztepe Gaz İzoleli trafo merkezinin inşaatı için bir park alanı istimlâk edilmiş ve halkın tepkisini çekmiştir. Bu tepkilerden dolayı trafo inşaatı bir yıl gecikmeli olarak bitmiştir. yerine kurulmuş olsaydı tepkiler daha da artabilirdi. Ankara Maltepe Gaz İzoleli Trafo Merkezi gibi tesisleri bina altlarına kurularak, diğer katlardan tasarruf edilmiştir. SF 6 gaz basınç miktarını değiştirerek maliyet ve güvenilirlik açısından farklı tesis tipleri elde edilebilir. SF 6 gazının elektrik dayanımı basınçla artığından dolayı, yüksek basınçlarda tesisler daha düşük boyutlu yapılabilmektedir. Yalnız izoleli parçaların dielektrik dayanımlarının yüksek olması ve çevresel elektrik alanının homojen olma ihtiyacı malzemelerin üretimde maliyeti yükseltir. Tesisler daha büyük gerilimler için tasarlanmak istenirse, SF 6 gaz basıncı değiştirilerek istenilen işletme gerilimine geçilebilir[9]. trafo merkezi güç, akım ve gerilim maliyet terimleri olarak trafo merkezinden daha pahalıya mal olmaktadır. sistemin güç maliyet terimi 448
ın 1,82 katı, gerilim maliyet terimi 2,76 katı, akım maliyet terimi ise yaklaşık olarak 10,15 kat daha büyüktür. Bunun temel nedeni sistemlerinde kullanılan malzeme boyutlarının küçük olması sebebiyle yüksek akım ve gerilime karşı dayanabilmesi için son teknolojik sistemle imal edilmeleri ve kullanılan yalıtım maddesi fiyatının yüksek olmasıdır [3]. trafo merkezi ise sabit terim olarak ten 5,64 kat daha büyüktür. Bunun temel nedeni kullanılan arazinin e göre daha büyük olması ve arazi fiyatının yüksek olmasıdır. 100 MVA gücünde 170 kv'luk 3 Adet çıkış fideri, 2 Adet bara fideri, 1 Adet bağlantı fideri, 2 Adet Transformatör fideri ve 36 kv 13 Adet metalclad fideri bulunan ve transformatör merkezlerinin maliyet fonksiyonuna göre çıkan maliyetleri; =6.829.886,97 $ =11.199.785,77 $ Yukarıda fiyatlar incelendiğinde in toplam maliyeti toplam maliyetinden 1,66 kat daha yüksek olduğu görülmektedir. Teknik üstünlüklerinden dolayı sistemlerinde bakım gereksinim ve teçhizatın arızalanma olasılığı lerin oldukça altındadır. Kurulumdan sonra yapılan bakım çalışmaları ve arızalar sebebiyle üretilen elektrik enerjisinin satılamaması, zaman kaybı, bakım giderleri eklendiğinde maliyet açısından daha avantajlı duruma geçmektedir. Milli güvenliği etkileyen stratejik nedenlerden dolayı seçimi mecburi olabilir. Bazı ülkelerde elektrik teçhizatının askeri ve terörist saldırılara karşı korunması her geçen gün önem kazanmaktadır. ın saklanabilme ve korunma özellikleri önemli bir avantaj sağlar. Gaz izoleli sistemler büyük şehir ve endüstri merkezlerinin ileride talep edilebilecek elektrik enerjisinin dağıtımındaki çözüm yollarından biri olacaktır. SF 6 gazının, izolasyon yönünden mükemmel elektriksel performansı, iyi ısıl özellikleriyle ark söndürme nitelikleri yanında kimyasal olarak zehirsiz ve yanıcı olmamasından dolayı; kalite ve güvenilirlikle elektrik enerji iletim dağıtımında kullanımını artıracaktır. 449
KAYNAKLAR [1] Siemens, Gas-Insulated Switchgear For Substation, (2004) [2] Kakilli, A. : Elektrik Enerjisi İletim ve Tüketiminin Optimal Planlanması, Yüksek Lisans Tezi Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Turkey, (1993) [3] Turan M. S. : Gaz İzoleli sistemlerinin teknik ve ekonomik açıdan incelenmesi Yüksek Lisans Tezi Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Turkey, (2005) [4] http://www.milliemlak.gov.tr/_ihale/satis/ihale_genel.asp, (Erişim Tarihi: 02.01.2005) [5] Teiaş İletim Hatları ve Trafo Merkezleri Proje ve Tesis Daire Başkanlığı Trafo Merkezleri Proje Müdürlüğü Teknik Dokümanları, (2005) [6] http://www.tcmb.gov.tr/, (Erişim Tarihi : Mayıs 2005) [7] http://www.eci.siemens.com/marketplaces/servlet/index.jsp?sdc_rh=null &sdc_flags=null&sdc_sectionid=0&sdc_secnavid=0&sdc_countryid=0&s dc_conttype=4&sdc_contentid=1000000028346&sdc_langid=1&sdc_mpi d=27, (Erişim Tarihi : Kasım 2004 ) [8] Vatech 145kV- 40 ka The New Compact Solutıon, (2004) [9] Trablus, S.: Gaz İzoleli İstasyon Yüksek Lisans Tezi YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü (1990) 450