Güç Sistemleri Analizi Dersi 4. Ünite Özet

Elektrik Şebekeleri

Elektrik enerjisinin üretildiği santraller genelde tüketicilerden uzak yerlerde olduğundan tüketicilerin bulunduğu alanlara iletilmesi gerekmektedir. Elektrik enerjisinin üretiminden tüketicilere ulaşıncaya kadar gerekli olan tesisleri; üretim, iletim ve dağıtım olmak üzere üç kısımda incelemek mümkündür.

Elektrik santrali: Elektrik enerjisinin üretildiği yerdir.

İletim şebekesi: Elektrik enerjisinin, üretilen yerden alınıp tüketim bölgelerine ulaştırılması için gerekli olan sistemlere denilir.

Dağıtım şebekesi: Elektrik enerjisinin bir tüketim bölgesi içerisinde alçaltıcı trafo merkezinden alınıp, tüketicilere ulaştırılması için gerekli olan sistemlere denir. Bu sistemler, genellikle orta-gerilim şebekesi (1-35 kV) ile trafo merkezleri ve alçak-gerilim şebekesinden meydana gelir.

Enerji sistemlerindeki gerilim sınıfları dört grup altında toplanır;

1. Alçak-gerilim şebekesi (AG): (0-1) kV arası gerilimler
2. Orta-gerilim şebekesi (OG): (1-35) kV arası gerilimler,
3. Yüksek-gerilim Sınıfı (YG): (35-154) kV arası gerilimler
4. Çok-yüksek-gerilim şebekesi (ÇYG): 154 kV'tan daha büyük gerilimler

İhtiyaca Uygun Dağıtım Şebekesinin Belirlenme Esasları

Bir dağıtım şebekesi, havai hat ve yeraltı kabloları olmak üzere iki farklı şekilde kurulabilir. Aynı değerdeki gücün dağıtılmasında, yeraltı kablo şebekesinin maliyeti havai hat şebekesinin maliyetinin 10-15 katı kadardır. Yeraltı kablo şebekesinin zorlukları aşağıdaki şekilde sıralanabilir; Kablolardaki termal ısınma, Yeraltındaki arızalı kısmın bulunması ve onarılması esnasında karşılaşılan güçlükler, Yalıtkan malzeme kayıpları, Yeraltı kablosunun üretim maliyetinin yüksek olması ve Kablonun yeraltına döşenmesi esnasındaki ek masraflar.

Türkiye'de Kullanılan Dağıtım Sistemi Gerilimleri

Türkiye'de dağıtım sisteminde kullanılabilecek standart gerilimler, TS-83 numaralı Türk Standartlarında belirlenmiştir. Yapılarına göre şebeke çeşitleri üç ana grupta toplanır. Bunlar;

1. Kapalı (ring ve gözlü) şebeke: Kapalı olarak tasarlanır ve oluşturulur. Ring şebeke ve gözlü şebeke olmak üzere ikiye ayrılır.
   
   Ring (Halka) şebeke: Paralel olarak bağlanan birden fazla besleme transformatörünün kullanıldığı kapalı şebeke tipidir. Bu tip şebekelerde oluşabilecek bir arıza durumunda besleme birden fazla transformatör ile yapıldığı için şebekenin tamamı etkilenmez.
   
   Ağ (Gözlü) şebeke: Beslemenin bir veya birden fazla yerden yapıldığı ve alıcıları gözlere ayırarak bir ağ şeklinde besleyen şebekelerdir. Şebekenin herhangi bir noktasında arıza olması durumunda sadece arızalı hatta bağlı aboneler enerjisiz kalır, diğerleri bu durumdan etkilenmezler.
   
2. Açık (dalbudak, radyal) şebeke: Beslemenin genellikle tek kaynaktan yapıldığı şebekelerdir. Bu tür şebekelerde tek besleme olduğundan dolayı dağıtım transformatöründen son tüketiciye kadar hat üzerinde kademeli olarak gerilim düşümü olur. Avantaj ve dezavantajları aşağıdaki şekilde sıralanabilir;

Avantajları:

• Arıza noktalarının bulunması kolaydır.
• Kuruluşu, işletmesi ve bakımı hem ucuz hem de kolaydır.
• Trafodan uzaklaştıkça iletken kesiti düşer ve kurulum maliyeti düşer.
• Kısa-devre gücü düşük olduğundan az sayıda kesici kullanmak yeterlidir.

Dezavantajları:

• Gerilim dengesizliği vardır ve trafodan uzaklaştıkça gerilim düşer.
• Hat üzerindeki arıza noktasından sonraki aboneler enerjisiz kalır.
• İşletme maliyeti düşüktür.
• Hatlardaki işletme verimi düşüktür.

3. Enterkonnekte şebeke: Kesintisiz bir enerji sağlamak ve mevcut enerji ihtiyacını karşılamak için, elektrik santrallerini ve bütün şebekeleri birbirine bağlayan sistemlere enterkonnekte sistem denir. Avantaj ve dezavantajları aşağıdaki şekildedir;

Avantajları:

• Verimleri Yüksektir, Sistemde kesintisiz enerji vardır, Santraller ekonomik olarak çalışır ve Yedek generatör sayısı azdır.

Dezavantajları:

• Sistemin kısa-devre akımından alıcılar etkilenebilir ve Sistemin kararlılığını sağlamak zordur.

Direkler

Elektrik enerjisinin üretildiği santrallerden tüketim merkezlerine ve abonelere havai hatlar yardımıyla iletilmesini sağlayan, toprakla iletken arasında yalıtkanlık oluşturan şebeke donanımına direk adı verilir. İmal edildikleri malzemelere göre direkler üç ana grupta toplanırlar. Bunlar;

1. Demir direkler: Temel yapı elemanı demir olan bu direkler, enerji iletim ve dağıtımında en yaygın kullanılan direk çeşididir. Bu direklerin avantaj ve dezavantajları şu şekilde sıralanabili
   Avantajları: Sağlamdır, Onarımları kolaydır, Ömürleri uzundur, Tepe kuvvetleri büyüktür ve Parçalara ayrılabildiği için taşınması ve montajı kolaydır.
   Dezavantajları: Bakımları pahalıdır, Maliyeti yüksektir, Yalıtımı zordur ve Havanın nem etkisine karşı korumak gerekir.
2. Ağaç direkler: Bu direkler, geniş yapraklı kestane ve meşe ağacının veya iğne yapraklı ağaçlardan olan ladin, ardıç, çam veya köknar ağaçlarının özel işlemlerden geçirilmesi ile üretilirler.
   Avantajları: Esnektir, her yöndeki kuvvetlere karşı aynı direnci gösterir, Kaçak akımlara karşı daha güvenlidir, Boya masrafı yoktur, Ucuzdur, Hafif olduklarından dolayı taşımaları ve dikilmeleri kolaydır ve Tekrar tekrar farklı yerlerde kullanılabilme özelliğine sahiptir. Tırmanması kolaydır.
   Dezavantajları: Yıldırım düşmesi halinde yanabilir, Yüksek-gerilimlerde kullanılmaz, Tepe kuvvetleri düşüktür, Ömürleri kısadır ve Esnek olduklarından fleş (sarkma) değişebilir.
3. Betonarme direkler: Çimento, kum, su ve diğer katkı maddelerinin eklenmesiyle hazırlanan beton ile yüksek dayanımlı çelik tel ve çelik çubukların birarada kullanılmasıyla elde edilen direklerdir.
   Avantajları: Kimyasal etkilerden etkilenmez, Demir direklere oranla maliyetleri daha düşüktür, Hava şartlarından etkilenmez, Ucuz temel işçiliği gerektirir, Bakıma ihtiyaç göstermez ve Değişik amaçlara göre dizayn edilebilir ve Tepe kuvvetleri büyüktür. Ömürleri uzundur.
   Dezavantajları: Taşınmaları, montajı ve dikilmeleri zordur ve Ağır ve kırılgandır.

Beton direkler; santrifüj (SBA) ve vibre (VBA) olmak üzere iki tipte imal edilirler. Santrifüj direklerin içi boş, vibre direklerin içi doludur. Direkler, kullanım yerlerine göre yedi farklı şekilde sınıflandırılır. Bunlar;

1. Dağıtım (Ayırım (A)-Branşman (B)) direkleri: Ana hattın kollara ayrıldığı yerlerde kullanılan direklerdir.
2. Durdurucu direkler (D): Hava hattını belli bir yerde sabitlemek için kullanılan direklerdir. Görevleri; hem hat iletkenlerini taşımak hem de durdurucu bağ ile bunları tespit etmek olan doğrusal güzergâhtaki iletkenlerin gergin durması ve sarkmamasını sağlamaktır.
3. Köşe durdurucu direkler (KD ): Havai enerji nakil hatlarında iletkenleri taşımak amacıyla köşe noktalarda kullanılırlar.
4. Taşıyıcı direkler (T): Düz bir havai hat boyunca sadece iletkenleri taşımak amacıyla kullanılan direklerdir.
5. Köşe taşıyıcı direkler (KT): Havai enerji iletim hattının yön değiştirmesini gerektiren köşe noktalarda kullanılan taşıyıcı direklerdir.
6. Nihayet (Son) direkler (N): Havai hattın başlangıç veya bitiş noktalarında kullanılan üzerlerine etki eden tek yönlü çekme kuvvetine dayanıklı olan direk çeşididir.
7. Geçit direkler (G): Havai hat boyunca yer alan karayolu, demiryolu, suyolu gibi yerleri geçmek amacıyla kullanılan özel yapıya sahip olan direklerdir.

OG hatlarındaki direklere, yatay ve düşey olmak üzere başlıca iki kuvvet etkisinin olduğu kabul edilir. Bu kuvvetleri aşağıdaki şekilde gösterilebilir;

1. Yatay kuvvetler: Rüzgâr Kuvveti, İletken Çekme (Germe) Kuvveti ve İletkene Etki Eden Ek Rüzgâr Yükü
2. Düşey kuvvetler: İletkene Etki Eden Ek-Buz Yükü, İletken Ağırlığı, İzolatör Ağırlığı, Direğin Kendi Ağırlığı ve Montör Ağırlığı

Kablolar

İki elektrik noktasını birbirine bağlayan, dış çevresi elektrik akımına karşı yalıtılmış, bir ya da birden çok damarı bulunan elektrik enerjisini iletmeye yarayan iletim elemanıdır. Türk Standartlarına göre kablolar, işletme şartları ve kullanılış amacına göre altı farklı gruba ayrılır;

1. B-kabloları (TS-916): Dış kısmı termoplastikten üretilmiş ve hareketli tesislerde kullanılan ağır işletme koşullarına uygun olarak imal edilen kablolardır. Yeraltı uygulamalarında bu kablolar kullanılmazlar.
2. F-kabloları (TS-936): Normal ve hafif işletme koşullarına uygun, hareketli tesislerde kullanma imkânı sağlayan kablolardır. Tıpkı B-kablolarda olduğu gibi bu kablolar da yeraltına, sıva içine ve altına döşenmezler.
3. Alvinal kablolar: Ucuz, doğada bol bulunan ve kolay elde edilen, iletim hatlarında en çok tercih edilen malzemelerin başında gelmektedir. Damar sayısı ve kullanım amacına göre alvinal kablolar başlıca; Alvinal-D, Alvinal-K ve Alvinal-Z olmak üzere 3 ayrı çeşit olarak üretilirler.
4. Y-Kabloları (TS-212): Y-Kabloları, sabit tesislerde ve ağır işletme şartlarında kullanılan dayanıklı kablolardır. Bu kablolar, enerji kabloları ile sinyal ve kumanda kabloları olmak üzere başlıca iki gruba ayrılır.
5. N-kabloları (TS-833): N-Kabloları, sabit olan elektrik tesislerinde, normal ve hafif işletme şartlarında kullanılan kablolardır.
6. Alpek kablolar: Alpek kablolar, askı telli, plastik yalıtkanlı alüminyum kablolardır. Alpek kabloların teknik ve ekonomik bakımdan çıplak kablolar ile yeraltı kablolarının arasında yer almaktadır.

Çelik Özlü Alüminyum İletkenler

Orta-gerilim enerji nakil hatlarında, mekanik zorlamaların fazla olması nedeniyle çelik özlü alüminyum iletkenler (St-Al) kullanılmaktadır. Enerji hatlarında kullanılan alüminyum iletkenler çelik damarlarla donatılarak mekanik mukavemetleri artırılır. Alüminyuma göre daha dayanıklı, bakıra göre ise daha hafiftir.

Nötr İletkeni

Transformatörün yıldız noktasından çıkan topraklanmış nötr iletkeni, şebekede sıfır iletkeni olarak kullanılır. Sıfırlama, nötr iletkeni aracılığıyla yapılan topraklamadır. Tüketicileri tehlikeli temas geriliminden korumak için alıcıların metal kısımları bu nötr veya sıfır iletkenine bağlanır.

İzolatörler

Havai enerji nakil hatlarında kullanılan iletkenlerin direklere bağlantısını sağlayan, iletkenleri taşımaya yarayan, taşıdığı iletkenlerin direklere, toprağa ve diğer iletkenlere karşı yalıtımını sağlayan cihazlara izolatör denir. Yapıldıkları malzeme çeşidine göre üç çeşit izolatör vardır;

1. Porselen izolatörler: Genelde % 50 kaolin, % 25 kuvars ve % 25 feldspat silikat gibi kimyasal malzemeler karıştırılarak ve yüksek ısılarda fırınlanarak elde edilirler.
2. Cam izolatörler: Cam malzeme, porselene göre daha ucuz olmasına rağmen porselene göre daha az tercih edilir.
3. Epoksi reçineli izolatörler: Epoksi reçine kullanılarak üretilen izolatör çeşididir. Porselen ve cama göre uygulama alanları çok azdır, gerekli olmadıkça tercih edilmezler.

Enerji iletim hatlarında kullanılacak izolatörler; işletme gerilimine, hat güzergâhına, kullanım açısına, iletken kesitine, iletken cinsine ve yüzey kirlenmesine göre seçilmelidir.

Kullanım amaçlarına göre izolatörler, üç farklı gruba ayrılırlar;

1. Mesnet izolatörler: Enerji hatlarının ve baraların, kesinlikle temas edilmemesi gereken elektriksel kısımlarından yalıtımını sağlayan izolatörlerdir.
2. Zincir izolatörler: Aynı tip malzemelerden yapılmış izolatörlerin birbirine eklenmesi sonucu oluşan izolatörlere zincir izolatörler denir.
3. Geçit izolatörler: Kesicilerde, kondansatörlerde, transformatörlerde ve diğer işletme araçlarının gerilim bağlantısında kullanılırlar.

Parafudrlar

Enerji nakil hatlarını, jeneratör ve transformatörlerin yalıtkanlarını yıldırımın zararlı etkilerine karşı korumak amacıyla kullanılan koruyucu devre elemanlarıdır. Özellikle trafoların giriş ve çıkışları ile baralarda sıkça kullanılır.

Ayırıcılar

Güç sistemlerinde, OG ve YG iletim hatlarında devre yüksüz halde iken açma-kapama işlemi için kullanılan ve tasarım bakımından en basit tipteki ayırma elemanına ayırıcı (seksiyoner) adı verilir. Genel olarak; ayırıcılar yedi farklı bileşenden oluşurlar. Bunlar;

1. Hareketli kontaklar: Açma-kapama işleminde hareket aksamıyla beraber hareket eden kontaklardır.
2. Kilit: Bıçaklı ayırıcılarda hat ayırıcısı ile toprak bıçağı arasında bulunan ve her iki aksamın senkronize biçimde açılıp kapanmasını engelleyen elektriksel veya mekanik cihazlardır.
3. Mesnet izolatörleri: Ayırıcı üzerindeki gerilim altında bulunan kısımlardan ve topraktan yalıtılmış, üzerine sabit kontak ve hareketli kontakların monte edildiği yalıtkan kısımdır.
4. Şase: Açma-kapama düzeneğinin ve izolatörlerin sabitlendiği köşebent veya profilden imal edilen metal parçadır.
5. Mekanik Düzen: Açma-kapama işleminde hareketli kontakları hareket ettiren kısımdır.
6. Sabit Kontaklar: Açma-kapama esnasında sabit kalan hareketsiz parçalardır.
7. Yaylar: Elektrolitik bobinden üretilerek açmakapama işleminin hızlı şekilde gerçeklemesini sağlarlar.

Ayırıcı Çeşitleri ve Özellikleri;

Monte edildikleri yere göre ayırıcılar;

1. Dâhili Tip Ayırıcı: Dâhili tip ayırıcılar bina içlerinde, duvar veya sac hücreler üzerine monte edilir ve ayırıcının mekanik kumanda kolu hücre dışında bırakılır.
2. Harici Tip Ayırıcı: Harici ayırıcılar direk üzerinde veya açık hava şebekelerde kullanılır.

Yapı özelliklerine göre ayırıcılar;

1. Tek döner izolatörlü ayırıcı: Bu tarz ayırıcıların izolatörlerinden birisi kendi etrafında dönebilecek şekilde tasarlanmıştır.
2. Çift döner izolatörlü ayırıcı: Her iki kontağı da kendi ekseni etrafında 90° dönebilecek şekilde dizayn edilmiştir.
3. Toprak ayırıcı: Dâhili veya harici olarak imal edilen bu ayırıcılar, hattın girişine veya çıkışına konulan ve hattın enerjisi kesildiğinde toprak bıçağını kapatarak hat üzerinde biriken yükü toprağa aktaran ayırıcılardır.
4. Dâhili tip bıçaklı ayırıcı: Bu ayırıcılar bina içerisindeki hücrelere yerleştirilerek kumanda kolu emniyetli mesafede hücre dışına çıkarılır.
5. Harici tip bıçaklı ayırıcı: Bu ayırıcılar, bina dışındaki direk üzeri veya açık hava şebekeleri gibi yerlerde kullanılırlar.
6. Sigortalı ayırıcı: Aşırı darbe akımlarında; kontaklarına seri olarak bağlı sigortası devreye giren, bağlı olduğu hat üzerindeki arızaları şebekenin diğer kısımlarına hissettirmeyen ve devreyi açan ayırıcı çeşididir.
7. Çabuk açma-kapamalı (Otomatik) yük ayırıcı: Biri açma diğeri kapama olmak üzere iki adet yayı vardır. Açma işlemi operatör müdahalesi ile olabildiği gibi bir röle veya sigortanın etkisi ile olabilir. Kapama işlemi ise sadece operatörün müdahalesiyle mümkündür.
8. Alttan sigorta ilaveli yük ayırıcı: Bu tür ayırıcılar, herhangi bir nedenle sigortalardan birisinin atmasından sonra ani olarak devreyi açarak tesisin tek veya iki faza kalmasını önler.
9. Tek salt yaylı yük ayırıcı: Kontaklarının pozisyonu gözle görülebilen, normal yüklü devreleri açıp kapatan, kesiciden tasarruf etmek amacıyla kullanılan ayırıcılardır.

Görevlerine göre ayırıcılar;

1. Bara ayırıcı: Enerji iletim hatlarında kesici ile bara arasına bağlanan ve kesicinin açık olduğu durumlarda açma-kapama işlemi yapabilen ayırıcılardır.
2. Bara bölümleyici ayırıcı: Gerilim değerleri eşit olan baraların birleştirilmesi veya birbirlerinden ayrılması amacıyla kullanılan ayırıcılardır.
3. Topraklama ayırıcı: Enerji iletim hatlarında hat üzerinde biriken artık kapasitif elektrik yükünü toprağa aktarmak için kullanılan özel tip ayırıcılardır.
4. Hat ayırıcı: İletim hattının giriş ve çıkışlarında, kendisiyle birlikte kullanılan kesici ile hat arasına bağlanırlar.
5. By-Pass ayırıcı: Kesiciye paralel bağlanan ve kesici kapalı iken açılıp kapatılabilen ayırıcılardır.
6. Transfer ayırıcı: Ana bara ile transfer bara arasındaki ayırıcıya transfer ayırıcı denir.

Kumanda şekillerine göre ayırıcılar;

1. Elektrik motoru ile kumandalı ayırıcı: Ayırıcıda açma-kapama işlemini yapan düzeneğin hareketi, bir DC veya AC motor yardımıyla gerçekleştirilir.
2. Mekanik kumandalı ayırıcı: Açma-kapama işlemi, galvanizli çelik malzemeden yapılmış, elle kumanda edilen bir cihaz yardımıyla gerçekleştirilir.
3. Elle kumandalı ayırıcı: Emniyet mesafesi yeterli olan bazı ayırıcı türlerinde açma-kapama işlemini gerçekleştiren mekanik kol, ıstanka adı verilen ucu kancalı, fiber malzemeden yapılan, uzun sopa şeklindeki alet yardımı ile manuel olarak el ile kumanda edilir.
4. Basınçlı hava ile kumandalı ayırıcı: Açma-kapama işlemini gerçekleştiren mekanik düzenek, hava basıncıyla çalışan pnömatik bir sistemle kontrol edilir.

Kesiciler

Kesici, elektrik tesislerinde açma-kapama olayı esnasında kontaklar arasında meydana gelen elektrik atlaması yani arkın, kısa-devre akımının ve yük akımının şebekeye olan zararlı etkilerini yok edecek şekilde tasarlanıp geliştirilen koruma elemanıdır. Kesiciler iki temel kısımdan oluşurlar. Bunlar;

• Sabit ve Hareketli Kontaklar: Kontaklar yağlı ve parçalı dilimli olarak yapılmış olup, biri hareketli diğeri ise sabittir. Kesicinin akım taşıyan kısmıdır.
• Ark söndürme hücresi: Kontakların birbirinden ayrıldığı bölümdür. Ayrılma işlemi esnasında arkın meydana geldiği ve yine bu arkın söndürüldüğü ortam ark söndürme hücresidir.

Genel olarak kesiciler, çalışma mekanizmalarına göre;

1. Elektromanyetik bobinli mekanizma: Kesicinin hareketli kontağı, mil çubuk ve demir çekirdekli bobinler tarafından hareket ettirilir.
2. Elle kurmalı yaylı mekanizma: Kesici kontaklarının kol gücüyle manuel olarak açılıp kapatıldığı düzenektir.
3. Basınçlı havalı mekanizma: Bu mekanizmalarda kesici kontaklarının açılıp kapanmasını sağlayan etki, kompresörden elde edilen hava kuvvetinden elde edilir
4. Motorla sürülen yaylı mekanizma: Açma-kapama işleminin, 75 W gibi küçük güçlü, DC veya AC akımla çalışan motorlarla gerçekleştirildiği düzeneklerdir.

Genel olarak kesiciler ark söndürme ortamına göre;

1. Tam yağlı kesiciler: Tüm açma-kapama ve ark söndürme işlemleri yağ içindedir. Bu da yangın riskini arttırdığı için günümüzde pek kullanım alanları yoktur.
2. Az yağlı kesiciler: Bu gruptaki kesiciler; tam yağlı kesicilerin geliştirilmiş şekli olup burada kullanılan yağın görevi izolasyonu sağlamak değil, açmakapama esnasında oluşan arkı söndürmektir.
3. SF6 gazlı kesiciler: SF6 gazının yüksek termik kapasitesi, ark esnasında oluşan ısıyı hızlıca uzaklaştırır. Hızlı rejenerasyon özelliği de kontaklar arasındaki dielektrik dayanımının hızla tekrar kullanılmasını sağlar.
4. Manyetik itmeli kesiciler: Bu gruptaki kesicilerde, açma işleminde oluşan arka ait doğal manyetik alan, demir gövde vasıtasıyla şiddetlendirilir ve ark; oluşan manyetik alan yardımıyla tek bir yöne doğru itilir.
5. Vakumlu kesiciler: Kesme hücresi yüksek vakumlu silindir şeklindeki seramik gövdeli bir kap ile hareketli ve sabit kontaklardan oluşur.
6. Basınçlı hava üflemeli kesiciler: Bu tip kesiciler, basınçlı havanın ark üzerine gönderilip arkın söndürülmesi ilkesi ile çalışırlar.