ÇOK YÜKSEK GERİLİMLERDE ENERJİ İLETİMİNİN TEKNİK VE EKONOMİK YANLARI

Çok Yüksek Gerilimlerde

Enerji İletiminin Teknik ve Ekonomik Yanları

UDK : 621.315.052.024.025

Yazan : Rudolf KAHNT

Çeviren: Sevinç Uğur TAHAOGlAJ PETKÎM

ÖZET Bu makalede, 380 kV un üstündeki gerilimlerde enerji iletiminin özel sorunları tartışılmaktadır. DA ve AA enerji iletimi arasında yapılan bir ekonomik karşılaştırmaya ek olarak, AA da gerilim seçilmesi, hava hatlarının tasarlanması ve yalıtım sorunlarına da değinilmektedir.

SVMMARY Special problems pertaining to povver transmıssıon at voltages exceeding 380 kV are discussed. in addition to a comparison between AÇ and DC systems on an economic hasis, questions of AÇ transmission such as voltage selection, plannıng of transmission lines and problems of insulation are considered.

1. GÎRÎŞ Enerjinin büyük ölçüde iletilmesi, ekonomik ve teknik nedenlerden, yüksek gerilimlerin kulla­ nılmasını gerektirir. Bu, özellikle, enerjinin çok uzak mesafelere iletildiği —yani hidroelektrik güç merkezlerinin yük merkezlerinden çok uzakta olduğu— durum için uygun olur. Bununla birlikte, enerji isteminin büyümesi de, daha yakın mesafeler için bile, enerji sistemlerinde çok yüksek gerilimlerin kullanılmasını gerektirir. Bunun bir nedeni, üretilen enerjinin tümünün bir yerde yoğunlaşmasından dolayı büyük enerji üretim merkezlerinden çıkan enerjinin yük merkezlerine ekonomik şekilde iletilmesi zo-runluğudur. Bugün bile 1000 MWa kadar olan türbo-generatör gurupları çalışmaktadır; ileride birkaç bin MW lık güçleri bir tek güç merkezinden iletmek zorunda kalınmış 'olacaktır (1). Bir başka neden olarak da kısa devre düzeyindeki yükselme gösterilebilir. Kısadevre zorlamaları, mevcut enerji sistemleri uygun şekilde bölümlere ayrılmak ve sonra bu bölümler daha yüksek gerilimli hatlarla tekrar birbirine bağlanmak suretiyle, ekonomik bakımdan (*) Siemens'in «Extra-High-Voltage AÇ Transmission» başlıklı yayınından çevrilmiştir

katlanılır şuurlar içinde tutulabilir. Son olarak, enterkonekte çalışma nedeniyle, daha yüksek enerji iletim yeteneği olan hatlar gerekli olabilir. Bu hatlar yalnızca iştirakçilerin kendi enerji üretim merkezlerinin ekonomik çalışmasına olanak vermekle kalmaz, ayrıca gerekli yedek kapasiteyi de sağlar. Bir enterkonekte işletmede, iletilecek enerji o güne kadar kullanılan bir gerilime sahip ek hatlarla arttınlabUirse de, belirli limitlerin üstünde, daha yüksek bir gerilimin kullanılması elverişli olabilir.

Enerjinin büyük miktarlarda iletilmesi için 220 kV ve 380 kV luk gerilimler, nisbeten kısa mesafelerde bile, artık elverişli olmayacaktır; onun için daha yüksek iletim gerilimlerinin işin içine sokulması artık zorunludur. Nüfus yoğunluğu büyük olan bölgelerdeki güzergah sorunları da, mevcut güzergah şeridini en iyi şekilde kullanabilmek için yine daha yüksek gerilimleri gerektirebilir. Örneğin, 700 kV luk bir tek hava hattıyla iletilebilen enerji, yaklaşık olarak 380 kV luk üç hat veya 220 kV luk 12 hattı gerektirir. 500 kV luk enerji iletim sistemleri bugün, SSCB de ve ABD de işletilmektedir. Kanadada da, 700 kV luk bir enerji iletim sistemi 1965 yılında işletmeye konulmuştur. 500 kV ve 700 kV

luk ek sistemler Güney ve Kuzey Amerika, Avustralya, Kuzey Afrika, SSCB, Fransa ve Japonyada tasarlanmaktadır. ÇYG enerji ileti­ minin önemle artacağını gösteren her türlü be­ lirti ortadadır. Eninde sonunda, 380 kV un üs­ tündeki iletim gerilimleri diğer ülkelerde de gozönüne alınmak zorunda kalınacaktır (2,3).

2. AA ENERJİ İLETİMİNİN DA ENERJİ İLETIMİYLE KARŞILAŞTIRILMASI Teknik bakımdan hem AA, hem DA ile ÇYG enerji iletilebilir. Onun içki, diğer unsurlar alı­ nacak kararı zorunlu kılmıyorsa, bağımsız bir tek tasan için akım türünün seçimi yalnızca bir ekonomiklik sorunu olacaktır.

enerji iletim sisteminin tesis masraflarını gös­ termektedir, iletilecek enerjiye bağlı olarak, DA in AA a bakarak ekomik üstünlük göster­ diği uzaklıklar, sırasıyla, 900 km ve 1200 km den başlamaktadır. SSCB ve ABD de 1000 MW ve 2000 MW için yapılan çalışmalar 1000 km nin üstünde uzaklıklar vermiştir (5,6). Kablo kullanıldığında durum farklı olmaktadır. Ye­ raltı kabloları için ekonomik sınır 100-200 km. dolayındadır. Enerjinin hava hatlarıyla iletilmesinde DA kul­ lanılması yalnızca çok uzak mesafeler için eko­ nomik üstünlük sağlamaktadır. Bununla bir­ likte, güzergah sorunu ileride ÇYG kabloları­ nın kullanılmasını zorunlu kılabilir. Bundan dolayı kısa mesafeler için bile — büyük şehir­ lerin beslenmesi durumunda — DA enerji ile-

ÇEVİRİCİ KÖPRÜLER 2COkV, 1000A

«OOMW DA İLETİM 380-380kV

1500km

-»iletim uzaklığı

Malotuş 700-| 106DM

uzaklıklar için daima DA enerji iletimi gözönüne alınmalıdır. DA enerji iletiminin teknik bakımdan AA a sa­ yısız üstünlükleri vardır. Bunlar arasında, ka­ rarlılık probleminin bulunmaması ve kısa devre güçlerinin iletilmemesi sayılabilir. Bu ba­ kımdan DA in gelecekteki bir uygulama alanı olarak, büyük şebekelerin birbirlerine bağlan­ ması gösterilebilir, işlemekte olan hattan bes­ lenme noktalan almanın AA dakinden daha masraflı ve bugüne kadar DA kesiciler için bir ekonomik yapının bulunamamış olması ise sa­ kıncalı yanlarıdır.

3. GERİLİMİN SEÇİLMESİ Enerji sağlayan sistemler tasarımlanırken daha yüksek sistem geriliminin ve kullanılacak gerilim kademelerinin seçiminin büyük önemi vardır. Özellikle enerji tüketiminin artması nedeniyle, bu daha yüksek gerilim sisteminin, bundan önceki bir gerilime sahip sisteme bağlı olarak, yeteri kadar büyük bir enerji iletme gücüne sahip olması gerekir. Bir ÇYG siste­ minin ekonomik olarak geliştirilmesi için yak­ laşık l : 2 oranındaki bir gerilim kademesi uy­ gun olur. Örneğin, Kuzey Amerikada, geniş bir 230 kV luk sistemin bulunduğu bölgeler için sonraki kademe 500 kV ve 345 kV luk siste­ min bulunduğu bölgeler için de 700 kV tur. Başka bir orandaki — örneğin l: 3 oranındaki — kademeler, genellikle ilk işleme devresinin uzun sürmesi nedeniyle, çok kere ekonomik ol­ mayan yüksek 'toplam maloluşlara götürür. Bir kural olarak, önce l: 2 oranında bir geri­ lim kademesini almak ve sonra eski kademe­ yi bırakmak daha iyi olur. Yeni bir gerilim ortaya çıktığı zaman, ulus­ lararası enterkonekte işletmenin gerekleri de gözönüne alınarak bir enterkonekte işletmenin gerekleri hatırlanmalıdır. Farklı gerilim düzey­ leri irtibat trafolarının kullanılmasını gerektir­ diği zaman, bu durum güç trafosunun limitleri­ ne artış verir; diğer yandan, aynı gerilim dü­ zeyindeki yedek enerji, sisteme katılan enerji yardımıyla daha kolaylıkla sağlanabilir. Ulusla­ rarası işbirliğinin bir sonucu olarak herhangi bir özel durum için bir ÇYG seçimi artık daha kolaydır. IEC, gelecekteki ÇYG için bir Stan­ dard yapma çabası içindedir. Bu amaçla aşa­ ğıdaki değerler önerilmiştir : 380 kV dan 400/420 kV, 500/525 kV a 700 kV dan 750/765 kV a (Anma gerilimi/maksimum sistem gerilimi)

Şekil 2, iletilen enerji ve iletim uzaklığına bağlı olarak 220, 380 ve 700 kV için ekonomik gerilim kademelerini göstermektedir. Bunlar, çift devreli bir hat ile enerji iletimi için tipik değerlerdir, örneğin, yaklaşık 180 km den baş­ layıp daha yukarı mesafelere 1000 MW lık bir gücün iletilmesi için 380 kV luk bir gerilim el­ verişlidir. 2000 MW için 380 kV un kullanılması ise bütün mesafeler için ekonomiktir. Ancak 4000 MW için, 600 km den başlayarak, 700 kV luk bir gerilim kullanmak yerinde olur.

iletim

devre höt

I-OD—^2p uzaklığı'

*1000km|

\ U-700UV

\ \ 500- ı Vı

\\\

0 -220kV-^

ınnı/v

M v\A\ vv^

—Biletilen güç 2P

Yük faktörü 2500/8760 Yük faktörü 5000/8760

Şekil 2. 220, 380 ve 700 kV da ekonomik iletim bölgeleri. İletim, ekonomik kesitli çift devre hatlarla ve her bir durum için gerekil kompanzasyon sağlanmış ola­ rak yapılmaktadır.

Şekil 3, 4000 MW lık bir gücün iletimi üzerine yapılan ayrıntılı bir incelemenin sonucunu gös­ termektedir (7). Burada iki durum gözönüne alınmıştır: Birincisi, 380 kV luk iki büyük sis­ temin bir hatla bağlanması ve ikincisi, büyük bir güç merkezinden bir yük merkezine enerji ileten bir dallı-ile'tim hattı. Bu gücü iletebil­ mek için 380 kV da iki tane çift devreli hat gerekirken, 700 kV da yalnızca bir çift dev­ reli hat yeterlidir. Bu hatların optimum şekil­ de tasanmlanmasıyla, yaklaşık olarak 600 km ve yukarısı uzaklıklarda bir üst gerilim, bağ­ lantı hattı için ekonomik olur; ancak, 200 km den bile başlasa, aynı gerilim bir dallı iletim hattı için ekonomik olmaz. Eldeki güzergahın genişliğine bağk olarak da, oldukça kısa mesa­ feler için bile 700 kV luk gerilim seçilebilir. Onun için, varılacak sonuçlar enerji iletim ko­ şullarına bağlıdır ve örneğin, yük faktörüyle etkilenir.

ENTERKONEK.TE HATTI

380kV

2ÇD

25kV

UZUN MESAFE İLETİMİ 380 kV 380 kV

220kV 2ÇD

700 k V

700 kV 700 kV 25kV

220 kV

700 kV

ILETIM MALİYETİ

600km

İLETİM MALİYETİ SOOkm

200 400

UZAKLIK

Şekil 3. 4000 MW lık bir AA iletim sistemi için iletim maliyetleri (ÇD = çift devre). (Yıllık yük faktörü 4000/8760, Kayıp gideri 40 DM/MWh, Sermaye gideri % 12).

4. HAVA HATLARI VE SiSTEM MASI

TASARLA- 500 kV hatlarda 1600 700 kV hatlarda 2200 mm2

Bir

ÇYG

hava

hattının

tasarlanmasında iletken seçimi en

önemli etkendir, iletkenin elektriksel

bakımdan

tasarımlanması

ve

boyutlandı-nlmasmda, hem ekonomik

kesit ve hem de korona emredici

unsurlardır.

olmaktadır. Enterkonekte hatları için

bu ekonomik kesitler, yük

faktörlerinin oldukça düşük olması

nedeniyle daha küçük olabilir. Ya­

yınlanmış

verilerde

hatların

tasarlanmasında öngörülen kesit

alanları, 500 kV için 1500-2400 mm2 ve

Ayrıntılı incelemeler, yük faktörü ve enerjinin maloluş değerine bağlı olarak, doğal yüklerde (dalga empedansı yüklerinde) yüklenmiş çelik-aluminyum iletkenler için ekonomik akım yo­ ğunluğunun 0,6-0,8 A/mm2 olduğunu göstermiştir. Buna göre ekonomik kesit

700 kV için 2400-2800 mm2 dir. Korona kayıpları ve koronanın neden olduğu radyo girişimleri, iletkenin yüzeyindeki maksimum gerilim gradyanına bağlıdır. Radyo girişimiyle ilgili uyulması zorunlu gerekler, nüfus

alanları için yaklaşık değerler:

yoğunluğu

büyük

bölgelerden

380 kV hatlarda 1200 mm*

geçildiğinde, çok sıkıdır. Maksimum iletken gradyanı, iletkenin kesitine ve

demet düzenine bağlı olarak, 15-18

kV/cm yi geçmemelidir (8,9,10). Bu büyüklüklerle korona kayıpları ekonomik bakımdan önemsiz bir duruma gelir. Çok yüksek gerilimlerde korona problemleri .genellikle, demet iletken­ lerin kullanılmasıyla çözülmüştür. Bu yolla, aynı zamanda, pek çok teknik üstünlük de sağ­ lanmıştır. Uygulamada ve tasarlamada, örgülü iletkenlerle yapılan aşağıdaki demet iletken düzenlerinin yeterli olduğu ortaya çıkarılmış­ tır. 380 kV için: Genellikle ikili demet; ayrıca üçlü ve dörtlü demetler. 500 kV için: îkili ve üçlü demetler. 700 kV için: Dörtlü demet.

Ekonomiklik yönünden bir demetteki üç ve­ ya dört iletken, aynı toplam kesite sahip bir tek iletkene hemen hemen eşdeğerdir. Onun için iletkenin seçimi iletkenin yüzündeki gerilim gradyanı, enerji iletim koşulları ve bazı durum­ larda da, ileride gerilimin daha yüksek bir ge­ rilime çevrilebilmeği olanaklarına dayanır. Yükün sürekli artışı nedeniyle, bir YG sistemi tasarısı uzun süreli bir tasarlamayı gerektirir. Yeni hatları önce, oldukça uzun bir sürede da­ ha alçak bir gerilimde işletmek çokçası ekono­ mik olur. Pek çok durumlarda hava hattı ka­ fes direklerini daha yüksek bir gerilim için ta­ sarımlamakla beraber başlangıçta demetteki iletken ve zincirdeki izolatör sayısını azaltarak hattın donanımını yapmak elverişli bulunmuş­ tur. Bir çift devreli hattın başlangıçta birinci devresini çekip daha sonra da, uygun bir za­ manda, ikinci devresini çekmek ve daha yük­ sek bir gerilime dönüştürmek olanağı vardır. Böylece sistemin yetenekleri yükün artışına uy­ gun olarak arttırılmış olur. Direklere başlan­ gıçta daha alçak gerilimli çift devreli bir hat da çekilebilir, îleride demetteki iletken sayısı ve zincirdeki izolatör sayısının uygunluğu sağ­ lanarak hattın daha yüksek gerilimli tek dev­ reli bir hatta dönüştürülmesi olanaklı olur. özel durumlarda kafes direk temellerinin daha yüksek gerilimdeki gerilmeler için tasarımlan­ ması bile tam anlamıyla elverişlidir. Direğin diğer kısımları da başlangıçta herhangi bir gerilim için tasarımlanabilir ve sonra daha yüksek bir gerilim için değiştirilebilir. Her iki ucunda trafo bulunan yüksek gerilimli yeni bir hat, daha alçak bir gerilim düzeyin­ deki yüksek gerilim hatlarıyla paralel olarak bağlanacağı zaman, yeni hattın istenilen büyük­ lükte bir yükü üstüne alabilmesini sağlamak için çokçası ek tedbirler alınması gerekir. Bu durumda iyi bir yöntem, iki gerilim düzeyi arasında faz açısı kontrolü yapabilen ve «Kuadratür Trafo» demlen trafoların kullanılmasıdır.

Bu trafolarla, ana gerilime göre fazı 30*—60* arasında değişebilen bir tamlayan gerilim dev­ reye katılabilir. Bu trafonun sargılarının, daha sonra yalnızca faz regülasyonu için kullanılmak üzere, bağlantıları yeniden yapılabilecek şekilde düzenlenmiş olması istenilir.

5. YALITIM SORUNLARI Çok yüksek gerilimlerdeki toplam maloluş be­ delleri yalıtım tarafından, doğal olarak, alçak gerilimlerdekinden daha geniş şekilde etkilenir. Bu nedenle, güvenlik için yapılacak harcamala­ rın ekonomiklikle dengeli durumda olması ge­ rekir .Transformatörlerin, şönt reaktörlerin v.b. iç yalıtımları için kullanılan yağlı kâğıt, aslın­ da, alçak gerilimlerde olduğu gibi çok yüksek gerilimlerde de aynı şekilde davranır. Ama bu, dış yalıtım —yani havadaki güvenlik uzaklığı— için böyle değildir. Gökgürültülü fırtınalar sıra­ sındaki atmosferik boşalımların neden olduğu dalgalara benzer dik alınlı dalgalar kullanılarak yüzeysel atlama gerilimi ile yüzeysel atlama uzaklığı arasında —hattâ geniş hava aralıkların­ da bile— doğrusala yakın bir bağıntı elde edi­ lir. Diğer yandan hava aralığının 50-60 Hz fre­ kanslı gerilimler için bağıl elektriksel dayanı­ mı, yaklaşık 2 m lik bir uzaklığa karşılık olan bir yüzeysel atlama değerine kadar düşer. Yalan bir geçmişteki incelemeler, dalga alın süresi 100300 mikrosaniye olan açma-kapama aşın gerilimleriyle de benzer koşullar elde edildiğini gös­ termiştir.

Yüzeysel otlama uzaklığı .m T8

2000 kV 3000 *-%50 delinme gerilimi

Açma-kopoma aşırı gerilimi ı

Ts=DO-300/jS

Darbe gerilimi 1.2/50pS fÇubuk-Topraklı plâka

çubuk-Topraklı nokta

Şekil 4. Çeşitli elektrod düzenleri için delinme gerilimi. Darbe gerilimleri 1,2/50 [j,s ve açma-kapama aşın gerilimleri için eş­ değer dalga Ts =~ 100-300 ^s dir.

Şekil 4 de, 1,2/50 mikrosaniyelik standard dar­ be dalgası ile eşdeğer açma —kapama aşın gerilim dalgasındaki (dalga alın süresi Ts = 100—300 mikrosaniye) % 50 delinme gerilimle­ rine karşılık olan yüzeysel atlama uzaklıkları, çubuk-topraklı çubuk ve çubuk-topraklı plaka elektrod düzenlemeleri için karşılaştırmalı ola­ rak gösterilmiştir. Bu eğriler, bir takım yayın­ lanmış test sonuçlarının ortalama değerlerini göstermektedir (11). Elverişsiz koşullardaki li­ mit eğrilere göre, havadaki güvenlik uzaklığının açma-kapama aşırı gerilimlerindeki yaklaşık 1000 kV a kadar olan elektriksel dayanımı, darbe gerilimlerindeki dayanımının °/o 70 i kadardır. 1000 kV dan sonra bu oran, artan gerilimle gittikçe daha kötüleşir. Yüzeysel atlama uzak­ lığının artmasıyla, açma-kapama dalgalan delin­ me geriliminde hemen hemen bir artış meyda­ na gelmez. Bu durum, uygulamada karşılaşılan havadaki bütün yalıtım düzenlerine temelde uy­ gun düşer. Çok yüksek gerilim sistemleri, parafudrlar yar­ dımıyla atmosferik aşın gerilimlere karşı kap­ samlı şekilde korunmuştur. Parafudrlar zorlan­ maları zararsız bir değere —koruma düzeyine— kadar düşürür. Onun için yalıtım düzeyi, atmos­ ferik aşırı gerilimler tarafından değil toprak arızalan ve açma-kapama işlemleri —yani açmakapama aşırı gerilimleri— nedeniyle enerji sisteminde ortaya çıkacak iç etkenli aşın geri­ limler tarafından belirlenir. Bu, havadaki güven­ lik uzaklıklannın elektriksel dayanımını arttır­ makla beraber, ÇYG sistemlerinin açma-kapama aşırı gerilimlerine karşı yalıtılmasına çok önemli bir nedendir. Bu yüzden, bir ekonomik boyutlamayı olanaklı kılmak için, açma-kapama aşırı gerilimlerini sınırlayan tedbirlerin alınmasında, yukanda belirtilenlerin tümü de gereklidir. 500 kV ve 700 kV luk sistemlerde aşın gerilim katsayısı 2 ye kadar düşürülebilmiş olacaktır. Ancak, 1000 kV gibi daha yüksek gerilimlerde daha da ciddi sınırlamalar gerekir. Uygulamada, bir toprak arızası nedeniyle yükün atılması üzerine uzun bir hattın sonunda doğa­ cak gerilim zorlanmaları çok önemlidir. Bu yüz­ den ortaya çıkacak büyük aşın gerilimler, uzun hatların sonlarına doğrudan doğruya bağlana­ cak şönt reaktörler yardımıyla etkili bir şekilde smırlandınlabilir. Bu reaktörler, Ferranti Etkisi sonucu diğer unsurlar arasında doğan gerilim yükselmelerinin etkisini zararsız duruma geti­ rir ve geçici aşın gerilimleri düşürür. Gerili­ mi sabit tutmak amacıyle reaktörler olağan iş­ letmeye tahsis edilirse, büyük aşırı gerilimler ortaya çıkmazdan önce, bunların tekrar etkili duruma geçebilmesinin sağlanması gerekir. Bu kendi kendine harekete geçen hızlı devreye gir­ melerle yapılabilir. Örneğin, ark aralıkları üzerinden kendi kendine gecikmesiz yeniden devre­ ye girmeler önerilmiştir (12). Bir başka düşün­ ce de, sürekli olarak enerjilendirilmiş, kontrol edilebilir, doğrusal olmayan karakteristikli şönt reaktörler kullanmaktır. Bu yöntem, yüksüz durumda ve yükün atılması durumunda tam et­ kili olmaktadır (13). Uzun iletim hatlarının açma-kapaması sırasın­ da meydana gelen aşırı gerilimler de ayn bir sorun ortaya çıkanr. «Geçici düzelmesiz» kesici­ ler kullanılarak «hattın yere düşmesi» sorunu­ nun üstesinden gelinmiştir. Hatlann üzerine yapılan açma-kapamalarda, önceden devreye gi­ ren dirençler yardımıyla aşın gerilimlerin sınır­ lanması için gereken yapılabilir. Bu, özellikle yüklü durumdaki hatlar üzerine kapama yapıl­ dığı zaman —yani bir arıza üzerine yapılan ka­ pamadan sonraki tekrar kapamada— önemlidir. Açma-kapama aşırı gerilimlerini sınırlamak için başka bir yol da parafudr kullanmaktır. ÇYG sistemlerinde yalnızca atmosferik aşın ge­ rilimleri değil açma-kapama aşın gerilimlerini de azaltmada parafudrlar kullanılabilir. Bu yön­ tem, parafudrlann tasarımındaki gelişmeler —özellikle modern parafudrlann uzun süreli boşalma kapasitesi— nedeniyle ümitli görünmek­ tedir. Aşırı gerilimleri sınırlamak için yukanda belirtilen yöntemleri uygulamada kullanmak ise bir ekonomiklik sorunu olmaktadır. Sistemin sıfır noktasını topraklama yöntemini de, büyük ölçüde, yalıtım boyutlandırması etki­ ler. Bir ÇYG sistemindeki bütün transformatör­ lerin sıfır noktalannın, topraklama katsayısının küçük olmasını sağlamak amacıyle, doğrudan doğruya topraklanması gereği temelde istenilen bir husus olarak ortaya çıkar. Aynı husus, hat­ lara doğrudan doğruya bağlanan şönt reaktörler için de öyledir. Bu gibi şönt reaktörler için, bir toprak arızasında meydana gelen gerilim yük­ selmesine tepki gösterdiklerinden, pozitif simet­ rili bileşen reaktansına oranla daha düşük bir sıfır simetrili bileşen reaktansı istenilir. Gerilim zorlanmalanna ek olarak, sistemin işlet­ me gerilimi yükseldikçe iklimsel etkiler ve at­ mosferik kirlenmeler yüzünden yalıtım dayanı­ mında meydana gelen zayıflama, dış etkenli yalı­ tım bakımından gittikçe artan bir önem kazan­ maktadır. Yalıtım dayanımının, yukanda belir­ tilen azaltılmış güvenlik katsayılanyla bile, iş­ letme geriliminin üstündeki olağan gerilim yük­ selmeleri için yeterli olması gerekir.

6. ENERJİ SAĞLAMA GÜVENLİĞİ Bir enerji iletim sisteminin tasarlanmasında is­ letme güvenliğinin de çok büyük bir önemi var­ dır. Çok yüksek gerilimler, genellikle, çok bu-

yük miktardaki enerjilerin iletimi için ve yük­ selen işletme gerilimiyle gittikçe daha ciddi duruma gelen bir arızanın doğuracağı sorunlar bakımından kullanılır. Yedek tesisler yardımıyla enerji sağlama güvenliğini arttırmak masraflı olduğundan, yedek güç sorununun inceden in­ ceye gözden geçirilmesi gerekir. Bir ÇYG sisteminin tasarlanması sırasındaki te­ mel sorunlardan birisi, başlangıçta yalnız bir hattın mı yoksa çok sayıda hattın mı inşa edil­ mesi gerektiğidir. Enerji iletebilme gücü yeter­ li daha alçak bir gerilim düzeyindeki paralel hatlar elverişli olmadığı zaman, tesislerin geniş­ letilmesi çalışmalarının daha birinci aşamasın­ da bile birkaç hat daha inşa etmek gerekli olabilir. Aksi durumda —yani tek hat durumun­ da— arızalar geniş bir bölgeye enerji sağlama olanağının ortadan kalkmasına neden olabilir. Enerji sağlama güvenliğiyle çok yakından ilgili noktalardan birisi de hat arızalarında güvenlik uzaklığı sorunudur. Sıfır noktası topraklanmış sistemlerde tek fazda ark meydana getiren top­ rak arızaları çok önemli olduğundan, yüksek hızlı tekrar kapayıcı kullanılması en etkili yön­ temdir. Eğer çalışan yalnız bir hat varsa, karar­ lılık nedenleriyle, genellikle yalnız tek fazlı tek­ rar kapama uygulanmalıdır. Ancak çok yüksek gerilimlerde hattın boyu, hattın meydana getir­ diği kapasite nedeniyle doğan bileşke akım yü­ zünden, tek fazlı tekrar kapayıcının yarar sağ­ layabildiği bir maksimum uzunlukla sınırlıdır. Onun için, örneğin, hat üzerinde ara salt mer­ kezleri kurulması gerekebilir. Bileşke akımla­ rın etkilerinin özel cihazlarla karşılanması da ayrıca önerilmiştir. Paralel hatlar durumunda kararlılık koşulları daha elverişlidir. Hat arıza­ lan için, bir bileşke akım sorunu ortaya çıkar­ mayan üç fazlı kendi kendine tekrar kapama uy­ gulanabilir. Trafo ve salt merkezi arızaları için yedek teç­ hizat kullanılabilir. Ancak bu durumda, örneğin trafolar arızalandığı zaman, yedek trafonun kendi kendine devreye girmesi şeklindeki anında bir yedeklerime masrafının mı yerinde olacağı, yoksa arızalı trafonun sağlamıyla değiştirilmesi için gerekli zamanın mı kabul edilebilir oldu­ ğunun gözönüne alınması gerekir.

7. CİHAZLARIN VE TESiSLERiN ANMA DEÇERLERİNİN BELiRLENMESi Trafoların, salt merkezlerinin ve tesislerin diğer kısımlarının anma atomlarının ÇYG için belir­ lenmesi, genellikle, hava hattının enerji iletim olanaklarına dayanır; bununla birlikte değişmez bir büyüklük değildir ve hattın uzunluğuna bağ­ lıdır : Kısa hatlarda bu büyüklüğü ısısal sınırlamalar belirlemekle birlikte, uzun hatlarda gerilim düşümünü gözönüne almak gerekir. Enerjinin çok uzak noktalara iletilmesi duru­ munda, tepkin güç ve kararlılık soruman, bu­ nun gerektireceği bir sının zorunlu kılar. Daha çok uzun hatlarda doğal yüke, enerji iletebilme gücü olarak da bakılabilir. Gerilim ayan ve kararlılık ek tedbirlerle oldukça iyileştirile-bilir. Bunun sonucu olarak da, doğal yüklerin bir sınır değer olması zorunluğu kalmaz; onun yerine, iletim gücü bakımından, daha çok bir ana büyüklük olarak gözönüne alınır.

Çeşitli gerilimler için doğal yükler :

380 kV hava hattı için yaklaşık

500 kV » » »

»

700 kV » » » »

1000 kV » » » »

600 MW 1000 MW 2000 MW 4000 MW

Tesislerin ve cihazların anma akımları, bir kural olarak, doğal yüklere karşılık olan akımın yak­ laşık iki katı olarak belirlenir; kısa hatlar du­ rumunda bu değer akımın dört katı olabilir. Trafoların anma büyüklüklerini, izin verilen maksimum trafo boyutları ve taşınma ağırhklan sınırlar. 700 kV luk trafoların, kesinlikle, iş­ letmeye sokulabilecek durumda —yani buşingleri dışındaki bütün kısımları birleştirilmiş ola­ rak— bir yerden bir yere taşınması isteniyorsa, bu ancak, doğal yükleri karşılayacak üç tek fazlı trafodan oluşan bir üç fazlı gurupla sağlanabilir. Bunun yanında, birkaç üç fazlı trafonun paralel bağlanması da çok gerekli olabilir. Daha büyük anma değerlerine, trafonun kullanılacağı yerde birleştirme yapılarak ulaşılabilirse de ÇYG de bugüne kadar böyle bir uygulama hiç yapılmamıştır. ÇYG hatlarına doğrudan doğruya bağlanacak şönt reaktörlerin boyutlandınlması hatların uzunluğuna bağlıdır. Eğer şönt reaktörler kesici­ lerle bir olağan işletmeye sokulup-çıkanlabiliyorsa, bileşke gerilimdeki değişmelere önem verilmesi gerekir. Tesislerin ve cihazların kısa devre büyüklükleri­ nin belirlenmesine özel bir özen gösterilmelidir. Bir şebekenin kurulması genellikle bir hat ve iki salt merkezinin kurulmasıyla başlar. Bu du­ rumda kısa devre düzeyi oldukça düşüktür. Enerji isteminin büyümesi yeni hatların ve ana şebekeye kısa tali hatlar üzerinden bağlanmış yeni trafo merkezlerinin kurulmasını gerektirir. Böylece kısa devre düzeyleri, yüke bağlı doğru­ sal artışa bakarak daha çok yükselir. Büyük güç merkezleri şebekeye doğrudan doğruya bağlan­ dığı zaman ise birden bire artışlar meydana gelebilir. Üç fazlı bir kısa devre sonunda ortaya çıkacak

en yüksek arıza akımlarının ÇYG sistemleri için belirtilmiş bulunan bugünkü değeri 50 kA ka­ dardır. Bu değere karşılık olan kısa devre dü­ zeyleri aşağıdadır:

380 kV da yaklaşık

35 GVA

500 kV da »

45 GVA

700 kV da »

60 GVA

ÇYG sistemlerindeki toprak arızası akımları,

üç fazlı arıza akımlarına eşit veya daha büyük

olabilir, örneğin, ingilizlerin gelecekteki 400

kV luk sistemleri için 50 kA lik üç fazlı anza

akımları yanında toprak anza akımları 60 kA

olarak öngörülmüştür. Maksimum toprak arı­

zası akımlarına karşı alınan tedbirler her za­

man daha yüksek bir topraklama katsayısını

gerektirir. Bu nedenle de, yalıtım için oldukça

yüksek masrafları zorunlu kılacak daha yük­

sek bir yalıtım düzeyi gerekir. Diğer yandan,

büyük toprak arızası akımlarının etkilerinin

karşılanması da zorunludur. Salt merkezlerin­

de seçici koruma ve koruyucu topraklama sis­

temleri için pek çok sıkı tedbirler gerekir.

8. TEPKİN GÜÇ ÇYG hatlan, kendi yüklerine bağlı olarak, bü­ yük çapta tepkin gücün de alınıp-verilmesini gerektirir. Şekil 5, herhangi bir yükteki bir de­ ğişmez gerilimde, hava hattının beher 100 km sinden akacak tepkin enerjiyi göstermektedir. Küçük yüklerde, örneğin 220 kV luk bir hat, yaklaşık 15 MVAr lık bir kapasi'tif şarj gücü­ nü gerektirir. Diğer yandan, 700 kV luk bir hat için anma gerilimindeki şarj gücü 200 MVAr kadardır. Yüksüz bir hat için gerekli şarj gü­ cü, hattın işletme geriliminin büyümesi nede­ niyle, gerçekten oldukça yüksektir. Genellikle, bir sistemin şarj enerjisinin çok küçük bir bölümünü generatörler verir; daha büyük bölümü ise şönt reaktörlere sağlanır. Ekonomik nedenlerden, bu reaktörler, daha çok orta gerilimler —örneğin 30 kV— için tasarımlanır ve ÇYG trafolarının üçüncü sargılarına bağlanır. 380 kV ve daha yukarısı gerilim düzeylerine kadar, açma-kapama aşın gerilimlerini sınırlamak amacıyle, reaktörlerin hatta doğrudan doğruya bağlanması zorunludur. Reaktörlerin anma güçleri toplamı sistemin kü­ çük yüklerdeki koşullarına göre kararlanır. Sis­ tem genişletileceği zaman, ilk adımda şarj ener­ jisinin % 100 ünün karşılanması gerekebilirse de daha sonra % 75 ini karşılamak yeterli olur. ÇYG için tasanmlanacak reaktörlerin vereceği tepkin güç, hatların uzunluklanna ve yalıtım koordinasyonuna bağlıdır. Şekil 6, 500 kV luk bir sistemde şarj enerjisinin tamamını karşıla­ mak için reaktörlerin sistem içindeki dağılımı­ nın nasıl tasarlandığını göstermektedir (15). An­ ma güçleri toplamına göre, reaktörlerin °/o 40 ı doğrudan doğruya hava hattına, % 60 ı ise trafoların üçüncü sargılanna bağlanmıştır. Bir ÇYG şebekesinin ilk günlerinde hatlar henüz kendi doğal yüklerinde çalışmakta olduğundan, şönt reaktörler hatta doğrudan doğruya bağlanabilir. Açma-kapama koşullan daha az ağır ve gerilim kademeleri daha küçük olduğundan gerilim, or­ ta gerilim reaktörlerinin devreye sokulup çıkart Var -200

Şekil 5. ÇYG Hava hatlarının yükün bir fonk­ siyonu olarak tepkin güç istemi.

rılmasıyla kontrol edilebilir. Bununla beraber,

iletilecek güç doğal yüke erişir erişmez hatta gerekli tepkin güç şarj gücüyle başabaş gele­ ceğinden, şönt reaktörlerin bir kısmı veya tü­

mü devreden çıkanlmalıdır. Hattın doğal yü­ künün üstünde güçler iletildiği zaman, hat için gerekli tepkin güç yük artışıyla birlikte çok

keskin bir artış gösterir. Tepkin güç seri veya paralel bağlı kondansatör guruplanyla sağlan­

mak zorunda da kalınabilir. Kondansatörler yerine büyük senkron kondenserler de kulla­ nılabilir. Bunlar da şönt reaktörlerle değiştiri­

lebilir ve böylece çok esnek bir kontrol sağla­ nabilir (16).

Tepkin güç sorunu, gerilim kontrolü sorunuyla

çok yakından olanak verdiği

700kV

ilgilidir. oranda,

Tepkin

enerji, kendi

özkaynağından karşıla-nabilirse gerilim dar

sınırlar içinde tutulabilir ve böylece hatlar ve

trafolardan tepkin enerji istenilmez. ÇYG

şebekelerinin gerilimleri kademe ayarlı

trafolarla, şönt reaktörlerin devreye sokulup

çıkanlmasıyla ve senkron kondenserler

yardımıyla kontrol edilebilir. Bu kontrol

ÇYG trafolanyla yapıldığı zaman, yükte geri­

lim ayan yapan teçhizat, masrafları alçak gerilimlerdekinden daha çok arttınr. Bu nedenle

trafolarda gerilim kademe ayarının bulunup bu­ lunmamasının tartışılması gerekir.

Şekil

3x3

3x30

3x35

2x35

6.

Şönt reaktörlerin 500

kV hık bir sistem içinde düzenlenmesi

(büyüklükler MVAr dır). Reaktörler 500

kVa doğrudan doğruya veya orta

gerilime

kesiciler

üzerinden

bağlanmıştır.

9. KARARLILIK

ÇYG iletim sistemlerindeki koşullar, kural ola­ rak, kararlılık bakımından elverişsiz koşullar­ dır. Bunun nedenlerinden birincisi, talî hatlarla bağlanmış salt merkezleri arasındaki uzun mesafeler; ikincisi, ekonomik nedenlerle kulla­ nılan gelişmiş bir tasarıma sahip büyük türbogeneratörlerin daha küçük makinalannkinden oldukça büyük bir senkron reaktansa sahip olmalarıdır. Bu iki etken hatta bağlı makinalar arasındaki rotor sapma açısında bir artışa ne­ den olur ve böylece, ayn bir tedbir alınmazsa büyük bir yükte, sürekli kararlılık bozulabilir. Bu tedbirlerin arasında hava hatlarında birden fazla iletkenden oluşan demet tertiplerinin kul­ lanılması ve trafoların empedans gerilimlerinin düşürülmesi de vardır. Uygulamada, sürekli ka­ rarlılık sınırına, enerjinin verildiği ve enerjinin alındığı noktalar arasındaki açı yaklaşık 30° ol­ duğu zaman erişilir. Onun için, doğal güç iletil­ diği zaman, yalnızca 500-600 km lik uzaklıklar için kararlı çalışma olabilir. Doğal gücün iM katı güçler için bu uzaklık yalnızca 250-300 km olabilir. Daha büyük uzaklıklarda seri kondansa­ törler kullanarak kararlılık arttırılabilir. Seri kondansatörlerin etkisinin hattın elektriksel bo­ yunun kısalması veya doğal gücünün büyümesi şeklinde ortaya çıktığı söylenebilir. Verilen bir yükte kararlılığı artırmak için hattın yük açısı küçültülmelidir. Uygulamadaki bu küçültme ora­ nı % 20-40 arasındadır. Çok büyük açılarda, ferromagnetik devrelerle ilgili olarak, aşırı ge­ rilim ve aşırı yüklere neden olabilecek sabharmonik seyremeler riski vardır. Toplam etkili reaktansın % 50 den az bir bölümünün, bu ne­ denle, karşılanması gerekir (17). Hat üzerinde ara yerlere —örneğin hat uzunluğunun yarısında bir yere— konulacak senkron kondenserler yardımıyla da kararlılık iyileştirilebilir. Kararlı­ lık bakımından senkron kondenserler, bir ek güç merkeziyle aynı etkiye sahiptir. Bunlar hattı iki enerji iletim sistemine bölerler ve böylece de kararlılığı korurlar. Kısa devrelerle ilgili gerekler ve kısa devreler­ den sonra sistemi olağan işleme durumuna getir­ meye yarayan kendi kendine tekrar kapayıcılarla ilgili gerekler (geçici kararlılık), sürekli ka­ rarlılık gereklerinden çok daha ağırdır. Kullanı­ lacak kendi kendine tekrar kapayıcının özellikle­ rinin belirtilmesi çok önemlidir. Daha önce de belirtildiği gibi, çok uzun hatlara tek fazlı tekrar kapayıcının ekonomik olarak uygulanabileceği şüphelidir. Uç fazlı tekrar kapayıcının, tek fazlı toprak arızaları için bile, gelecekte genellikle kullanılması olanağı vardır. Diğer hatlardan ba­ ğımsız bir hat için üç fazlı tekrar kapayıcı kul­ lanılırsa kararlılık bakımından güçlükler ortaya çıkar. Bu durum özellikle, bir sistemin çalışmaya başladığı ilk günlerindeki durumuna uyar. Bu sırada generatörler, bir alçak gerilim düzeyinde ve çok sayıda seri bağlı trafodan geçerek iletilen bir enerji verir. Hatlar paralel bağlandığı zaman, hattın birisi devreden çıktığında, yine de, işlemekte olan makinalann kararlılığının oldukça iyi durumda kalmasını sağlayacak bir senkronlayan dönme momenti vardır.

Geçici kararlılık çok sayıda yollardan iyileştiri­ lebilir. örneğin, kendi kendine tekrar kapama­ dan önceki ölü zaman sırasında, rotorun haraketini durdurmak amacıyle, yüksüz generatörlerin uçları arasına çok hızlı olarak bir direnç sokulmalıdır (18). Böylece makinalann hareketi geciktirilebilmiş ve sistemle senkron durumda kalması sağlanmış olur. Bu gibi dirençler ol­ dukça büyük ek masraflar çıkaracağı gibi, bü­ yük değerli kesme dirençleriyle ilgili bir dene­ me de bugün yoktur. Generatör uyarmasını kontrol etmeye yarayan yüksek hızlı cihazlar kararlılığın iyileştirilmesinde çok daha önemli­ dir. Uyarma ne kadar hızlı olarak değiştirilebi­ lirse, yükün ortadan kalkmasından sonraki ro­ tor seyremeleri de o kadar güçlü olarak sindirilebilir. Kullanılagelmekte olan uyarma teçhizatlan bu amaç için uygun değildir. Bunun yanında rotor sapma açısını kontrol eden özel regü­ latörlerle ilgili modern doğrultucu uyarma teçhi­ zatı kullanılarak kararlılık koşullan oldukça iyileştirilebilir.

Tamamloyıcı unsurlar

ÇY6 Hava hattı

Tamamlayıcı unsurlar

Şekil 7. Bir yan-dalga iletim sisteminin şema­ tik diyagramı.

Özellikle büyük güçler uzak mesafelere iletildi­ ğinde, kararlılık sorununa bir çözüm olarak «yarı-dalga iletim sistemi» denilen bir yöntem gözönüne alınabilir. Reaktör ve kapasitör gurup­ larının etkisiyle hattın elektriksel boyu, hattın iki ucundaki makinaların rotorları arasındaki açısal sapma 180° den biraz daha büyük olacak şekilde artar. Böyle bir yan dalga iletim siste­ minin çok önemli özellikleri vardır (19). Bu sis­ tem, kararlılık bakımından, rotor sapma açısı yalnızca birkaç derece olan bir iletim sistemi gibi davranır. Bu yolla hem sürekli, hem geçici kararlılığın ikisi de sağlanabilir. Gerilim he­ men hemen hattın her iki ucunda da aynı ve yük­ ten bağımsızdır. Hat tam olarak kompanze edil­ miştir ve dış etkenli hiçbir tepkin enerji ortaya çıkmaz. Yan-dalga iletim yöntemini geliştirmek için yine de yapılması gereken pek çok iş vardır. Bununla birlikte bu sistem, bugünkü tecrübelere göre özellikle yüksek gerilim DA ener-İi iletiminin elverişli olduğu uzak mesafelere enerji iletiminde, AA in ekonomik olarak kul­ lanılmasına olanak verir.

KAYNAKLAR 43. National Power Survey. A Report by the

Federal Power Commission. U. S. Govern ment Printing Office. Washington, October 1964. 44. Sporn, Ph.; Nagel, T. J.; Price, W. S.: Elec tric Povver Transmission in the USA. Looking Ahead to the Year 2000. CIGRE Report No. 412 (1964). 45. Jancke, G. : Grundsâtzliche Gesichtpunkte bei der Projektierung von Höchstspannungsübertragungen. Bull. Schweiz. Elektrotechn. Ver. 55 (1964) pp. 420 to 424. 46. 400 kV-Forschungsgemeinschaft e. V., Hidelberg. High-voltage D. C. Power Transmis sion. Recommencement of Research in the

Federal Republic of Germany. Report No. 20a (1966). 47. Lsykow, J. L; Sokolcnv, W. N.; Rokotjan, S. S.: 750 kV-Fernübertragungen in der Sowjetunion (German translation). Arch. Energiewirtsch. (1964) pp. 901 to 908. 48. McGregor, D. M. : Economic and Operating Suitability of Direct Current for EHV Transmission. Electr. Eng. 82 (1963) pp. 182 to 189. 49. Dorsch, H. : Aussprache zum Fachbericht: Planungsfragen in Drehstrom-'Höchstspannungsnetzen. VDE-Fachber. 23 (1964) pp. 138 and 139. 50. Reıchmann, J.; Leslie, J. R.: A Summary of Radio Interference Studies Applied to EHV Lines, IEEE Transactions, Power Apparatus and Systems 83 (1964) pp. 223 to 228. 51. Fleischauer, W.; Kalckhoff, G.: Funkstörungendurch Korona bei 380 kV Anlagen. Siemens-Z. 32 (1958) pp. 484 to 490.

52. Bartenstein, R.; Hirsch, F.; Schafer, E.: Corona Measurements on A Four-Conductor Bundle for 700 kV Three-Phase Overhead Lines. CIGRE Report No. 426 (1966).

53. Elsner, R.: Der Einfluss der Netzvorgânge auf die Isolationsbemessung von Höchstspannungsübertragungen. Elektrotechn. Z. A 85 (1964) pp. 778 to 790.

54. Arc Connection of Reactors at 500 kV. Elec tr. Rev. 175 (1964) pp. 856.

55. N elman, L. R.: Grundsâtzliche Gedanken zum Aufbau eines Grossverbundnetzes und dıe Damit Zusammenhangenden Wissenschaftlichen Aufgaben in Russischer Sicht (Ger man translation). Arch. Energiewirtsch. 15 (1961) pp. 148 to 162.

56. Booth, E. S.; Clark, D.; Egginton, J. H.; Forrester, J. S.: The 400 kV Grid System for England and Wales. Proc. IEE, Paper No. 3883 S, 109 A (1963) pp. 493 to 519.

57. Brewer, W. M.; Lentz, O. A.: How SCEC EHV Grid Was Planned. Electr. World 161 (1964) pp. 41 to 43.

58. Bonfert, K.: Die Blindleistungsmaschine in der Höchstspannungsübertagung. VDE-Buchr. Bd. l (1963) pp. 149 to 170.

59. Jancke, G.: Planung Grosscr Hochstspannungsnetze. Elektrotechn. Z. A 80 (1959) pp. 321 to 331.

60. Glavıtsch, H.: Stabilitat und Betriebsfrequente Spannungserhöhung in Höchstspannungsnetzen 500 bis 700 kV VDE Fachber. 23 (1964) pp. 140 to 148.

61. Hubert, F. J.; Gent, M. R.: Half-Wavelength Power Transmission Lines. IEEE Spectrum 2 (1964) pp. 87 to 92.