YÜKSEK GERİLİM DOĞRU AKIM ENERJİ TAŞINMASINDA GENEL BİLGİLER

Eyüp AKPINAR Neşe KANGAL

I. YÜKSEK GERİLİM DOĞRU AKIM TAŞIMA SİSTEMLERİNİN TARİHÇESİ

Elektrik enerjisinin üretim, taşıma, dağıtım ve tüketim aşamalarında kullanılan almaşık akım (aa.) kuram ve teknolojisinin, elektrik biliminin başlangıcı ve uygulama larını birlikte getiren doğru akım (da.) kuramının geli şim ve sorunlarının içinden doğduğu bilinmektedir. Galvani, Volta, Dersted, Ohm ve Ampere tarafından yapılan ilk buluşlar d a . ile ilgilidir. En yaygın ve ilk uygulamasını iletişim dizgelerinde bulmuştur. İlk elek trikle aydınlatma yine d a . elde edilen dinamolarla yapıl mıştır. Sabit akımla çalışan ilk karbon ark lambaları seri sargılı üreteçlerden beslenirken, sabit gerilimle çalışan parlak akkor karbon lambaların paralel sargılı d a . üreteç lerinden beslendiği bilinmektedir.

Dünyada ilk olarak elektrik enerjisi üretimi yapılan mer kezi birim 1882 yılında New Y ork'ta inşa edilmiştir. 110 V d a . üreten bu birimin enerjisi 1.6 km yan çapın daki bir alanda kullanılmıştır. İlk d a . taşımacılığı 1880 1911 yıllan arasında Avrupa'da kullanılan Thury dizge sidir.

Fransız Mühendis Rene Thury tarafından geliştirilen ve modern yüksek gerilim taşımacılığına benzeyen Thury dizgesi önemli bir yaratıcılık örneğidir. Bu dizgede; ener ji üretim biriminde seri sargılı üreteçler yüksek gerilim oluştuımakta ve üretilen enerji tüketim bölgesindeki d a . seri motorlanna aktarılmaktadır. D a . motorlan alçak gerilim üreten d a . ve a a . üreteçlerine bağlanarak kullanı labilir enerji elde edilmektedir. Doğru akım makinala rında toplayıcı (commutatör) arklarından kaçınmak amacıyla gerilimlerin düşük tutulması d a . enerji dizgele rinde kayıpların yüksek olmasına neden olmuştur. 1890 yıllarında dönüştürgeç, üç faz dizgeler ve a a . motorla rının kullanıma girmesiyle a a . enerji üretimine, o günün teknolojik düzeyinde, yönelmeyi zorunlu kılmıştır. D a . taşımacılığı üzerinde duraksayan araştırmalar 1931 yılın da, İsveç'de 50 KV, 90 A anma değerlerinde civa buharlı denetlenebilen iletkenlerin geliştirilmesi ile, yeniden

gündeme gelmiştir. Civa buharlı denetlenebilen iletken lerle 03 MW, 50 KV, 10 A anma değerlerinde bir d a . taşıma dizgesi 1939 yılında VVettingen ve Zürih arasında (30 km) oluşturuldu. 1936 yılında ABD'de 40 HZ ve 60 HZ'lik iki ayrı a a . dizgesi 5 2 5 MW , 30 kV, 175 A anma değerlerinde 27 km uzunluğunda bir d a . taşıma hattıyla bağlanmıştır.

D a . taşımacılığı üzerine araştırmalar I I . Dünya Savaşı öncesi Almanya'da da yapılmıştır. 4 MW, 110 kV bir taşıma dizgesi (5 km) Berlin yakınlarından yapılmıştır. İkinci büyük proje olan 6 0 0 MW , 40 KV'luk bir dizge (1 00 km) Elbe ve Bertin arasında planlanmış fakat I I . Dünya Savaşı nedeniyle bu proje tamamlanamamıştır. II.Dünya Savaşı sonrasında SSCB'de D.A. taşımacılığı üze rine araştırmaların hızlandığı gözlenmiştir. SSCB'de hidro lik kaynaklı enerji üretim birimlerinin büyük ölçekte ener ji tüketimi yapan sanayi bölgelerine olan uzaklığı nede niyle d a . taşımacılığına ağırlık verilmiştir. 1946 1950 arası beş yıllık kalkınma planlarında d a . taşımacılığını alarak araştırma ve geliştirme çabalan için programlar yapılmıştır, ilk d a . taşıma dizgesi 1950 yılında Moskova ve Kashira (112 km, 30 MW , ± 1 0 0 kV) arasında işlet meye alınmıştır. 1954 yılında isveç'de 96 km uzunlu ğunda ve 20 MW, 100 kV anma değerlerinde Gotland projesi oluşturulmuştur. 1957 yılında SSCB'de Lenin grad'ta "D.A. Enstitüsü" kurularak araştırmalar genişle tilmiş ve 474 km, ± 4 0 0 kV, 900 A, 720 MW Stalingrad taşıma dizgesi kurulmuştur. Son yıllarda 2000 2500 km uzunluğunda d a . dizgelerinin planlandığı açıklanmak tadır. D a . taşıma projelerinin birçoğu Çizelge 1 ve Çizim 1'de verilmiştir.

1960'lardan sonra yan iletken Mühendisliğindeki geliş meler sonucu yüksek gerilim ve akıma (4000 V, 3000 A) dayanıklı tristörler geliştirilmiştir. 1968 yılında Japonya' da tristör uygulamalı deneyler yapılmış ve Hakkaido Honshu taşıma hattı inşa edilmiştir. Günümüzde dünya ölçeğinde 25 GW değerinde d a . taşımacılığı yapılmak tadır. Planlanan ve inşa edilmekte olan dizgelerle birlikte 60 GVY bir rakam ortaya çıkmaktadır.

ÇİZELGE 1. Dünyadaki YGDA Güç Taşıma Projeleri

Donan im 1 Gotland

Ülke

Guç Gerilim (MW) (KV)

İşletilmekte olan hatlar

İsveç

20 30 100 150

2 Kanal geçişi İngiltere 160 İ 100

3 Volgograd üonbass

r ransâ S.S.C.B.

4 Kanti Skan )animarka

[sveç

5 Sakuma

720 '1400

300 2x125

6 Yeni Zelanda Keni Zelanda

600 İ 250

7 Sardina İtalya

8 Vancouver Kanada

9 Pasifik Intertie

1440 ± 400

10 Nelson Nehri I

11 Kingsnorth İngiltere 12 Rel Nehri Kanada

1.aşama 1080

2.aşama 1620

t 300 t 450 İ 266 2x80

13 Skagerrak 14 Stiegal

Norveç

Danimarka

İ 250 25

15 Cabora Bassa Mozambik 3. Afrika t.Safha 960 2.Safha 1440

1 266 * 400

16 Vancouver Kanada (genişletme)

17 Sguare Bot t» A.B.D. 18 Shin shinano Japonya

Son saf la 1920

500 1 .Safha

+ 533 280 t 250 2x125

Akını (A)

>>ftmlUıcu oleman Tslptmeve nl mı s

Tasıma uzunluğu (km)

tipi

tarihi

favaihntT^Fa'TTT Ioplam

200 0 800 0

96 iva/hava soğutma

ı Tristör

Civa

1954/70 1961

900 470

0 470

'•

1000 95

85 180

1200 0 1200 570

0 39 609

1000 292 121 413

1200 41

1800 1362

0 1362

1965 1965

1967 1968/69 1970

0 Hava Soğutmalı Tristör

1000 112 130 242

0 Hava Soğutmalı

18C0 1414

1414 Yağ soğutmalı

32 72 Hava soğutmalı Tristör

0 734

0 Yağ soğutmalı

1973 1981/82 1972

1976 1977 1979 1976/77

1 Q77 17/'

£on saf ha 600 4x125

19 Nelson (anada 1 .Safha

Nehri II

İ 250 1800 895

son saf İ 500 h 1800

895 Su soğutmalı

21 Hakkoido Honshu

1. aşama 150 125

2.aşara 300 250

124 44 108 hava soğutmalı tristör

son sa: ha 600 İ 250

20 Cu(Undervoo( ABD

Mineapolit)

1000 1 400 1250 710

0 710

22 Finlandiya ?inlandiya 1070 3x±«5 2100

5SCB

23 Inga Shaba Zire

1 500

170C

1978 1981/82

1979 1980

1979 1981 1981

_ Çizelge 1 (Devamı)

24 Acaray

Paragay

25 Itaipu

26 Avuaturya Vnısturya

Çekoslovokva Ç'kf»s'lo'>a'ry

2x1600

27 Ekibastua

Center

6000 1 7 5 0

28 Kanal geçi şi II

29 Nelson Neh ri II

tngiltere Fran*a

2000 2000

2*1270 1 500

30 Gali adası 31 Pasifik

1600 2200

1400 1 500

1800 783/B60 0

3790 0

4000 2400 0

0 17+46

•3

2000 930

2000 780/ 19

2200 1700 0

II

32 ıntcrdagı

ABB

l.yoî

2.yol X J O U

lluO 800

3.yol

HOOO

33 Okulahana

Union

34 Vtalker

South teyaa

35 Erle geçişi ABD

500 250 300 2000

36 EPRİ Proty» ABD

37 Brezilya

Ar jantln

Brezilya 50

Arjantin

38 Arjantin

39 Leyte

Luzon

Arjantin 50

Filipinle 900

1 350

12« 406 23

783/860

66 9«0

799/ 1114 1700

«00

0 429

••

Tristör Su soğutmalı Tristör hava soğutmalı

Tristör » ••

1985 1983 198i 1984 1990

I9ö6

— Deneme

ÇİZİM 1. Dünyadaki YGDA taşıma projeleri

ELEKTRtK MÜHENDİSLİĞİ 339 340

II. TAŞINACAK GÜCÜN AA. VE DA. DİZGELERİNDE KARŞILAŞTIRILMASI

Aa. ve da. taşıma kapasitesinde basit bir karşılaştırma yapabilmek için;

i) Aa. ve da. taşıma iletkenlerinin ve yalıtımının aynı malzemeden yapıldığı;

ii) Sıcaklık yükselmesi ile getirilen akım taşıma kapasi tesinden dolayı aa.'mın etkin değeri da. değerine eşit olduğu;

iii) Yalıtım malzemelerinin gerilime dayanma değeri aa. dizgesindeki gerilimin tepe değerine göre alınırsa; da. taşımasındaki gerilim aa. taşıma dizgesindeki gerilim tepe değerine eşit olduğu, varsayımlarının yapılması gereklidir.

Belirtilen varsayımlara dayanarak aa. dizgesinde iletilen güç,Pa:

Pa=3Va'aCos* olup, burada

Va : Faz gerilimi, la : Faz akımı,

Cos<j>: Güç faktörüdür. D a . dizgesinde ise iletilen güç, P d :

olup, burada V(j : Toprağa göre hat gerilimi, İd : Hat akımıdır. Varsayımlarda verilen eşitlikler kullanılınca ( l a = İd ve Vd = V^TVa) aşağıdaki eşitlik edle edilecektir.

Pd

V2\» 'a

Pa 3 ValaCos0

Cos <t> = 0.943 olarak alınırsa, bu durumda

Pa Pd = — — eşitliği elde edilir.

Üç evreli bir dizge yerine, iki iletkenli ve toprak dönüşlü bir dizge kullanılarak aynı gücün taşınabileceği görülmek tedir. D a . taşımacılığında oluşabilecek güç kaybı, aa. taşımasında oluşabilecek güç kaybının 2/3'ü kadar ola caktır. Aynı biçimde da. taşımacılığında izolatör sayı sında 2/3 oranında azalma, taşıma direklerinde ucuzluk, basitlik ve direklerin hacim olarak dar yapımları sağla nacaktır.

Eğer aa. taşıma hatlarında sıcaklık kıstası yanında güç taşıma kapasitesini belirleyen diğer kıstaslar da dikkate alınırsa; d a . taşımacılığında tek bir iletkene düşen güç, a a . taşımacılığında tek bir iletkene düşen gücün 4 katına kadar yükselir.

ffl. D.A. DİZGELERİNİN AA. GÖRE ÜSTÜNLÜKLERİ a) A a . taşıma kapasiteleri, taşıma kararlılığından dolayı sınırlıdır. D a . taşımada kararlılık sorunu yoktur ve güç taşıma iletkenin tam kapasitesi ile iletilir. Böylece ola naklar ekonomik anlamda kullanılmış olur.

b) D a . taşıma direkleri basit, küçük ve hafif yapıda ola bilir. Bu ekonomik bir altyapıyı birlikte getirecektir.

c) İletkenlerdeki yalıtım malzemeleri da.'da a a.'dan daha yüksek yalıtım özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, yalıtım a a . kablolarından daha incedir ve bu da yapıyı basitleştirmenin yanında yatırımları ekonomik kılar.

d) Tepkin (reaktif) güç akışı da. taşıma iletkeninde olmayacağı için, taşıma hattı boyunca kompanzasyon sorunu oluşmayacaktır.

e) Enerji üretim birimlerinin tüketim birimlerine olan uzaklığı artınca a a . dizgesinde gerilim ve akımların den gelenmesi için zorunlu olan fazlardaki "döndürme" tek niği d a . taşımasında sorun olmaktan çıkacaktır.

f) İki farklı frekanstaki a a . dizgeleri birbirine d a . taşıma dizgesi ile bağlanarak sürekli güç akışı iki taraflı olarak denetlenebilir.

g) D a . taşıma gücünün yönü ve genliği tristörlerin ateşle me açılarını denetleyerek denetlenebilir.

h) Dengeli üç faz a a . dizgesinde, fazlardan birinin arıza görmesi durumunda, üç fazın korunması amacıyla tüm enerjinin kesilebileceği riskine karşılık; d a . taşımasında iki iletkenden birinin arıza görmesi durumunda bile diğer iletkenle güç taşınmaya devam edilebilecektir. (Bakınız Çizim 2 ve Çizim 31.

i) D a . taşıma hattındaki kısa devre arızası anında geçe cek akım bağlı bulunduğu a a . dizgesini etkilemez. Bu akımın değeri düşüktür.

IV. D A . DİZGELERİNİN AA"YA GÖRE SAKINCALARI a) D a . taşımacılığında kullanılan doğrultmaç ve evirgeç gruplarının ilk yapım maliyetlerinin yüksek oluşu.

b) Doğrultmaç ve evirgeç grupları oldukça yüksek tep kin (reaktif) güç çekmektedirler. Ancak, kompanzasyon amacıyla konulan sığaçlar çevirgeçlerin ürettiği yüksek frekanstaki gerilimleri süzme amacıyla da kullanılabilir.

c) Topraklanmış da. dizgeleri; yeraltı su boruları ve yer altı kablolarında elektrolitik hasara neden olur. Bu konu da yapılan araştırmalar göstermiştir ki, d a . dizgesinin topraklanma yerinden 30 40 km'lik yarıçap içerisinde bu tip hasarlar oluşabilmektedir. Topraklanmış da. denizaltı kabloları denizci pusulalarında hatalara neden olmaktadır. Çevirgeç gruplardaki tristörlerin açma ve kapama sırasında oluşturduğu yüksek frekanstaki geri limler radyo ve TV yayınlarını etkileyebilmektedir. Bunu

d) Tek Hat diyagramı c) Tek kutup sistem

b) 3 faz hat diyagramı d) Ç i f t Kutup sistem

e) Çirt kutup sistem Çizim 2. DA vanalarının bağlantı diyagram örnekleri

V veya V. i l e çal iş ir

A r ı z a durumynda hizmet d ı ş ı

V. YÜKSEK GERİLİM DOĞRU AKIM (Y.G.D.A.) TAŞIMASININ EKONOMİK ÜSTÜNLÜKLERİ

Y .G.D.A. taşıması, doğrultmaç ve evirgeçlerin maliyeti nin yüksek olmasına rağmen taşıma hatlarının ve direkle rin ucuzluğu nedeniyle Y .G.A.A. dizgeleriyle karşılaştı rıldığında, 500 km'nin üzerindeki enerji taşımalarında Çizim 4'de görüldüğü gibi ekonomik üstünlük sağlamak tadır.

Y atırım maliyeti

+2V veya 2V i l e ç a l ı ş ı r .

U A r ı z a durumunda hizmet d ı ş ı

Çizim 3. Çift kutup üç sistem arıza durumunda tek kutup çalışır örnekler önlemek için koruyucu ve ayırıcılarda metal topraklan ma gerekmektedir. d) Doğrultmaç ve evirgeçlerin ürettiği yüksek frekans taki gerilimler bağlantılı bulunduğu a a . dizgelerini de etkilediği için süzücü devrelerin tasarımı zorunludur. e) A a . güç dizgelerinde, güç dizgesinin daha fazla güç aktarımı için; herhangi bir ek bağlantı kolaylıkla yapıla bilir. Buna karşın d a . taşıma dizgelerinde böyle bir ek bağlantıdaki güç akışının denetimi ve arızanın fark edil mesi, gerekli koruma aletlerindeki teknolojik yetersizlik ler nedeniyle, oldukça zordur. D a . taşımacılığında genel likle iki terminalli dizgeler oluşturulmaktadır. Ancak, son yıllarda çok terminalli dizgelerin Korunma ve dene timi için araştırmalar da sürdürülmektedir (5).

Çizim 4.

Enerji iletim uzaklığı (km)

Kritik uzaklıktaki değişim, taşıma dizgelerinin çevirgeç birimlerinde kullanılan malzemenin maliyetine ve kali tesine bağlı olduğu , a, b, c, d başlangıç yatırım maliyet

lerinin bu birimlerin fiyatını gösterdiği dikkate alınarak söylenebilir. Bu kritik uzaklık, Y .G.D.A. taşımacılığında kullanılan teknolojinin geliştirilmesi için yapılan yatırım larla düşebilecektir. Ayrıca farklı ülkelerde, üretilen tek noloji içerisindeki sermaye yoğunluğuna ve ulusal sanayi

ürünlerinin bu enerji taşıma dizgelerindeki kullanılabilir liliğine göre kritik uzaklık değişmektedir.

iki farklı frekansta çalışan enerji birimlerinin birbirlerine bağlantısının yapılabilmesi için Y .G.D.A. dizgesi kullanı labilir. Böyle bir uygulamada kritik uzaklığa bakılmak sızın Y .G.D.A. doğrultmaç ve evirgeç dizgeleri için yapı lacak yatırım maliyeti, enerji kaynaklarının verimli kulla nımı dikkate alındığında, çok ucuza gelebilir. Aynı fre kansta çalışan iki enerji üretim ve dağıtım biriminde fre kans denetimi ve dizgenin çalıştırılması farklı yöntem lerle yapıldığında yine bu iki dizgenin birbirlerine olan bağlantısı a a . dizgeleriyle yapılamamaktadır. Y .G.D.A. dizgeleri bu sorunların ekonomik bir çözümünü içermek tedir.

Farklı kaynaklara dayalı enerji üretim birimlerine sahip ülkeler, yükteki zamana göre değişimde bu kaynakları en verimli biçimde kullanma gereğini duymaktadırlar. Y .G.D.A. taşımacılığı, enerji tüketiminin tepe noktası farklı zamanlara gelen komşu ülkelerin ortak ekonomik çıkarlarına bağlı olarak daha ekonomik bir alternatif oluşturabilmektedir. Bunun bir örneğini Fransa ve ingil tere arasında denizaltı Y .G.D.A. taşımacılığı için son yıllarda gerçekleştirilmekte olan proje oluşturmaktadır.

Y .G.D.A. taşımacılığının en ekonomik olduğu yerlerden birisi de denizaltı taşımacılığıdır. Taşımanın yapıldığı kablonun uzunluğu arttıkça d a . taşımacılığının kapasi

tesi a a . taşımacılığına göre hızla artmaktadır. Bununla ilgili bir grafik Çizim 5'de verilmiştir (1). Çizim 5'te taralı alan a a . taşımacılığı, grafiğin üst kısmı d a . taşıma

cılığı ile ilgilidir. Dünyanın çeşitli bölgelerinde d a . taşı manın amacı ve benimsenen nedenlerini gösteren genel bir bilgi Çizelge 2'de verilmiştir (1).

ÇİZELGE 2. DA Taşıma Amacı ve Benimseme Nedenlerinin özellikleri

DA AŞIMA PROJESİ

KAPASİTE (MU)

SLETMEYE İRİS YILI

GİKİS AMACI

EMEL TEK YIU GUÇ

SİSTEMLERİN BAĞLANMASI

EKONOMİ

TAŞIMASI IDROLIK +

YUK

EKONOMİK 1 ACTL

IIAVAİ

AŞIMA SİSTEM

AYNAĞI KLETME

KAYNAK HAT

ELEKTRİĞİ

BENİMSEME NEDENLERİ

EKONOMİ YERALTI KABLOLA RI

ASENKRON KISA DEVRE ÇEVRE

BAĞLAMA KAPASİTE ÖNEMİ

LERİNİN YOK HAVAİ

EDİLMESİ

HAT

Gotland

1954/78

Kanal Geçişi

Volgograd Donbass 720

Konti Skon

Sakuma

Yeni Zelanda

(o)

Sardinia

Vancouver

682*1

1968/78

Pasifik Intertie 1440

Ren Nehri

Nelson Nehri

1620+2

1973/77

o o

Kingsnorth

Gorbora Bassa

1920*3

Stiegal

Skagarak

Sguare Butte

Shin Shinano

60O*3

Inga Shaba

1120*3 (1977)

a:

ifokak Mido Monstı

6OO*3

Gali adası

160O*3

Eki hstııs

6000*3

Cı ııto:

o o o

DA DFNE YİMİ KA ZANMASI

c C

]

|

. __ J

1: Birinci ve ikinci kutuplar, * 2 Yalnızca bir çift kutup, * 3: Son güç İşletmeye alma yıllan birinci safhanın işletme başlangıcı yılıdır. o = Ülke içi taşıma bağlantısı için, o = Uluslararası taşıma bağlantısı için

Kablo uzunluğu (km)

80 70 60 50 40

30) 20 10]

«XI 200 3ÖO 400 500 600 700 800

Tatma ' kapatimi (MVH)

Çizim 5.

KAYNAKÇA:

(1) Overseas Engineering Department, EPDC; "High Voltage DC Transmission System".

(2) Kimbark, W. Edvvard; Direct Current Transmission I, Wiley Interscience, New York.

(3) Marstensson, Heine; History of High Voltage D.C. Trans mission, IEEE Power Engineering Revievv, July.page: 16 17.

(4) Povh, D usan; HVDC Transmission, Siemens Power Engi neering III (1981) Special I üsse "High Voltage Techno logy", Page: 11 17.

(5) K.R. Padıyar; "Stability of Converter Control For Multi terminal HVDC Systems", IEEE Transsactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS 104, No: 3, March 1985.

fi) Doç. Dr. H. Nusret Yükseler; "Y.G.D.A. Enerji İletimi ve Ekonomisi", Kaynak, Nisan 1985, Sayı: 30, Sayfa: 23 27.