YÜKSEK GERİLİMLİ DOĞRU AKIM (HVDC)

UDK: 621.311 ;621.316.2;621.318.7

Yüksek Gerilimli Doğru Akım (HVDC) Enerji Dağıtımı

Çeviren : Esen ERGiN TEK

ÖZET

Bu yazıda yüksele gerilim doğru akım enerji dağıtımı tekniğindeki son gelişmeler özetlenmiş ve yararlan, sistem bağlantıları, sistem elemanları, rezervlerin derlenmesi, uygulamadaki kolaylık ve işletme emniyeti açılarından ele alınarak açıklanmıştır

SUMMARY in this article the recent developments in High Voltage Dtrect Current (HVDC) transmission systems are summarizeA and their system connections, systems elements, pooling reserves and safety principles are discussed.

1. GEÇMiŞE BtB BAKIŞ

Yaklaşık olarak yarım yüzyıldan beri enerji dağıtımında alternatif akım sistemleri tercih edilmektedir. Alternatif akımla enerji üreten makinalann basitliği ve özellikle gerilim düzeylerinde istenilen değişikliğin kolaylıkla yapılabilme olanağı, bu sistemlerin doğru akım sistemleri üzerinde bir üstünlük sağlamasına neden olmuştur. Böylelikle 1902 yılında Sain-Maurice ile Lausanne arasındaki 22 kVluk ve 1906 yılında Moustiers ile Lyons arasındaki 60 kV'luk doğru akım enerji üetim hatları tarihe karışmıştır. Alternatif akım uygulanıp doğru akım ve doğru akım uygulanıp alternatif akım elde edilebilen yeni aygıtlar tasanmlanabllene dek doğru akım. enerji i'etlmi hiç kimsenin ilgisini

Informations Newsletter dergisinin 28/1972 sayısından çevrilmiştir.

çekmedi. 1933 ve 1950'den sonra yapılan deneyler sonucunda 1954 yılında ilk 20 MW'hk enerji dağıtım sistemi uygulandıktan sonradır ki, doğru akım enerji dağıtımı yeniden önem kazandı. Bu tarihten sonra da kapasiteleri üstel biçimde artarak birçok şebekeler tesis edildi. Günümüzde pek çoğu da tasarım halinde. Doğru akım enerji dağıtımının gelecekteki gelişmesine önemli bir baz olacağından şu ana kadarki gelişmenin ekonomik yararlarının derin bir incelemesi gerekmektedir.

2. UYGULAMA ALANLARI

Anlatılan gelişmelerden doğru akım enerji dağıtımının gelecekte alternatif akım enerji dağıtımının yerini alacağı sonucu çıkarılmamalıdır. Kuşkusuz alternatif akım tekniğinin, henüz iyice yerleşmemiş doğru akım tekniği üzerine bazı

İşletmedeki doğru akım birleştiricileri •

Tarihler

1950 Sovyetler Birliği

1954 tsveç 1961 Fransa - ingiltere 1963 Sovyetler Birliği 1965 Yeni Zelanda 1965 Kontı Skan 1965 Japonya 1966 italya 1968 Kanada 1970 Kanada 1970 A.B.D. 1970 isveç

— Moskova - Kashira — Gotland Adası (1. etap)

— Volgagrad - Donbass

— isveç Danimarka — 50 Hz - 60 Hz Sakama — Sardunya - italya — Vancouver Adası (1. etap) — Vaııcouver Adası (2. etap) — Pasifik kıyıları (1. bağlantı) — Gotland Adası (2. etap)'

Gerilim kV Çıkıggücü MW

Gelecekteki birleştiriciler :

Mevcut Tarihler durum

Gerilim Çıkış gutu

kV

MW

1973 ingiltere

1973 Manitoba (Kanada)

1972 Kanada

Gerçekleş- 1974 Mozambik

tirilmekte 1976

Moza

olan

mbik

projeler

1976 ( ? )

1978 (?) A.B.D.

1978 Mozambik

-Estuary of the Thames -Nelson River (1. etap) - Hydro - Quebec • New Brunswick -Cabora Bassa (1. etap) -Cabora Bassa (2. etap) -Vancouver Adası 13. etap) -Pasifik kıyıları (2. bağlantı) -Cabora Bassa (3. etap)

532 640 450 810 160320 530 960 800 1440 260 312 800 1440 1060 1920

Plânlanan 1975 Projeler 1975

Monitoba (Kanada) Sovyetler Birliği

-Nelson Rıver (2. etap)

900 5000

- Kazakistan (Ekibastuz) Merkez l 500 6 000

Plânlana n hatlar

1970-1980 Sovyetler Birliği

- Merkezi Sibirya - Ural

1975-1980 A.B.D. 1975-3 980

-Batı kıyılarında 3 uzun bağlantı

A.B.D. 1975 ve Japonya sonrası italya - Yugoslavya

-3 uzun doğu - batı bağlantısı -Frekans değişmeleri ve yurt içi bağlantı yıllık

izlanda - Iskoçya

Avustralya - Tasmanya

-Kuzeybatı hidroelektrik sistem

A.B.D. - Alaska

Avustralya - Viktorya

Avrupa

— iç bağlantılar

20000 4000 15500

1000 500 500

1000 20 000-30 000 40000 30000 (?) 15000(?)

Şekli 1. Enerji kapasitesinin artışı • •o 20ÛÛO-15ÛOO-10000--

5000-

Tasan durumunda olan birleştiriciler Onaylanmış tasarımlar Kurulmakta olan birleştiriciler

üstünlükleri vardır. Ama yine de aynı büyüklükteki bir alternatif akım ve doğru akım şebekesi gözönüne alındığında, doğru akım daha kazançlı olmaktadır. Doğru alam enerji dağıtımının üstünlükleri şöyle sıralanabilir: a. Periyodik olmayan bir enerji dağıtımı: Doğru akımla enerji d&ğıtan bir sistem aynı anda alternatif akım ile de enerji dağıtabilmektedir.

b. Ayarlanabilir enerji dağıtımı : Doğru akımla birtakım aygıtlar sayesinde enerji dağıtımında ayarlama olanakları sağlanmaktadır. Bu aygıtlar esas olarak üç faz tam dalga düzeltici ve çevi rici köprülerden oluşmaktadır. Bu köprülerin kollarındaki elemanlar ise elektronik olarak kontrol edilmektedir. Akün iletim süresi her periyotta altı kez ayarlanabildiğinden, herhangi bir geçici rejim anındaki enerji alışverişi de, ör neğin iki devre arasında uygun bir biçimde ayar lanabilmektedir. Bu örellik uygulamada şu yarar lan sağlamaktadır.

1. Kısa devre akımları anma akımına en yakın olacak biçimde sınırlandırılabildiğinden, dağıtım şebekesindeki güç arl.jşı kısa devre akımında bir artışa neden olmamaktadır. 2. Enerji alışverişleri önceden programlanabilmektedir. 3. îki sistem arasına yerleştirilen doğru akım birleştiricileri ile herhangi birinde ortaya çıkan arızanın diğerini etkilemesi önlenmektedir.

S. UZUN MESAFE ENERJi DAĞITIMI

Alternatif akün sistemlerinde dağıtım uzaklığı reaktanstan ötürü lusıtlanmaktadır. Bu kısıtlama, reaktans olmadığından doğru akım sistemleri için kendiliğinden yok olmaktadır. Ek olarak bu sistemlerde şebekenin kurulması kolay ve alternatif akım sistemleriyle karşılaştırıldığında da gerek havai hat gerekse yeraltı kablosu sistemi olarak daha ekonomiktirleı. Bununla birlikte çevirici istasyonlarına yapılan yatırım eklendiğinde toplam maliyet artmaktadır Sadece bu öğeleri ele alıp diğer tüm üstünlükleri bir tarafa itilse bile, her iki sistem için aynı fiyata ma'olacak bir uzaklık saptanması ımümkündür. Bu uzaklık havai hatlarda 800 -1000 kmîye özdeş olmaktadır.

Enerji kaynağına çok uzak noktalar için pek elverişli olan bu tip tasarım ve uygulamaların örneklerine Yeni Zelcuıda, italya, Nelson River ve Cabora Bassa'da rast anmaktadır. Yeraltı kablolarında ise, adı geçen uzaklık 50-80 km'ye özdeş olmaktadır. Bazı durumlarda doğru akım enerji iletimi kusa uzaklıklar içinde kazançlı olmaktadır, örneğin Gotland-Vancouver arasındaki denizaltı kablo hattı uygulamasında olduğu gibi.

4. SiSTEM BAĞLANTILARI îki alternatif akım sisteminin doğrudan doğruya bağlanması için bu iki sistemin aynı frekansta çalışıyor olmaları ve faz açılarının yaklaşık olarak birbirine eşit olrıası gereklidir. Sistem bağlantılarındaki bu iki büyük kısıtlama doğru akım için kendiliğinden yok olmaktadır.

Bu tip uygulama ile faz açıları farklı Fransız ve ingiliz örneklerinde ve frekansları farklı, (50 Hz-60 Hz) Japon örneğinde olduğu gibi enerji alışverişinde optimuma 'erişilerek büyük yararlar sağlanmaktadır. Herde görüleceği üzere bu tip uygulama sadece yeni kurulacak sistemlerde değil, kurulu sistem kapasitelerinde de büyük çapta ekonomiklik vaadetmektedir. '

s r'J

j» !

ü

c!

rnn

L] .j l

J

L-

-•

i:T^•i i» 1 i rj L

r •T

r- j

^

î1

Şekil Z. Gratz düzeltici köprülerinin genel diyagramı.

5. PUANT SAATLERİNDE ENERJi ALIŞVE-

RlŞl

/

Puant saatleri, yöresel bazı yaşam koşullan ve iklime bağlı olarak değişir. Amerika Birleşik Devletleıi'nin Pasifik kıyıları bunun tipik örneğidir. Bu tip geniş alanlardaki sistemlerde coğrafi saate bağlı olarak puant saatleri değişir. Amerika Birleşik Devletleri'nin doğu ve batı yakası arasında kurulacak bir enterkonekte sistemin •% 5 ekonomi sağlayacağı hesaplanmıştır.* Daha az saat farkının olduğu Avrupa'da bile buna benzer bir çözümün % 2 ekonomi sağlayacağı söylenebilir. Üstelik kıtalar düzeyinde, belli kapasitede bu biçimde bir enerji dağıtımı için yapılacak yatırım, şu anda kurulu olan aynı kapasitede sisteme yapılacak yatırımdan üç kat daha ucuz olacaktır.

7. İŞLETME KOLAYLIĞI

Buraya kadarki gözlemlerden doğru akım sistem birleştiricilerinin, sistemin işletmesinde büyük kolaylıklar sağladığı anlaşılmaktadır. Su güne

6. REZERVLERİN DERLENMESİ

Puant saatlerinde, yukarda anlatılan biçimde, yapılacak enerji alışverişinden sağlanan kazancın bir o kadarının da, kurulu kapasiteyi guruplandırarak, yani birkaç sistemi tek elden besleyerek sağlanacağı da hesaplanmıştır. Fransa Milli Elektrik Kurumu'nun (EdF) Araştırma Bölümünün yaptığı bir çalışmaya göre, rezervlerin derlenmesinden elde edilecek kazancın sistem büyüklüğüne bağlı olmadığı da anlaşılmıştır.

Amaç, ister puant saatlerinde enerji alışverişi sağlamak, ister rezervleri derlemek olsun, alternatif akımla çalışan sistemleri birleştirme tasarımı o biçimde olmalıdır ki, birleştirici şebekede ya da sistemin herhangi bir yanında ortaya çıkabilecek arızalarda sistemin kararlılığı güvence altına alınsın. Bu durum enterkonekte sistemi oluşturan sistemlerin kısa-devre enerjisini o düzeye yükseltmektedir ki, hiç birinin kesme kapasitesi bunu kesmeye tam anlamıyla yetmemektedir. Kısacası, sistemin herhangi bir yanındaki anza tüm sistemde hissedilmektedir. Bu güçlükler, birleştirici şebeke doğru akımla çalıştığında ortadan kalkmaktadır. Şöyleki; doğru akım sistemleri periyodik olmadığından sistemin herhangi yanındaki kararsızlığa ilgisiz kaldığından ve çok hızlı bir biçimde ayarlanabildiğinden, anza anında transfer olan enerji müsaadesi edilebilir düzeyden yukan çıkamamaktadır.

Görüldüğü gibi yüksek gerilim doğru akım sistemleri, gelecekteki gelişmeler, özellikle CIGRE' nin 1970 yılı tartışmalarında sözü edilen Fransa ve ingiltere arasındaki birleştirici şebekeyle enerjinin derlenmesi için büyük olanaklar sağlamaktadır.

* Federal Enerji Komisyonu'nun yaptığı bir araştırmaya göre.

Şekil 3. Çevirici köprülerin doğrultuca olarak kullanılması» a = 15° :

------- Bir fazdaki atam -------Köprü çıkış gerilimi —. —. Birinci kolun uçlarındaki gerilim

Şekil 4. Çevirici köprülerin Invertör kullanılışı p = 30° : ------- Bir fazdaki akım ------ Köprü çıkış gerilimi

—.—. 1. kolun uçlarındaki gert-illm

olarak

kadar bu kolaylıkların ancak bir bölümü bilinmekteydi. Hiç olmazsa enerji akışının, özellikle arıza anında, çok hızlı ayarlanabilmesi çevirici istasyonlardaki sistem işletmecilerine sonsuz serbestlik sağlamaktadır.

Bu açıdan bakılırsa New Brunswick ve Hydro CJuebec'deki şebekele'1 doğru akım birleştıricıleriyle birbirine bağlan'nca, yeni sistemin kararlılığının çok üst düzeyde olacağı umulmaktadır

8. İŞLETME EMNİYETİ

Doğru akını enerji iK-tımınm uygulamasının en önemli özelliği puant saatlerinde ve arıza anlarında sistemin zorunlu olarak enerji alışverişine itilmesidir. Günümüz sistemlerinde her iki durumda da sistemin düzenli olarak işletilmesi için ek enerjiye gereksinme vardır, işte doğru akım enerji iletiminin işletme emniyeti açısından da alternatif akım, enerji iletimine üstünlük sağlamasının nedeni budur

9. TEKNİK

Yüksek düzeyde enerji iletimine olanak sağlayan çevirici gereçlerin ana elemanı Şekil 2'de görülen düzeltici köprüdür.

Alternatif akım dalgaları harmoniklennin süzü1mesinin ana işlemlerden biri olduğu söylenebilir. Harmoniklerin etkilerini azaltmak için ikili 6-faz sistemden oluşmuş iki köprü kullanmaya yönelinmiştir. Üç fazın iıer birindeki tristörlerin iletim süreleri eş tutularak, karakteristikleri belli olmayan harmoniklerin etkisi de önlenmiştir.

Çevirici istasyonların kurulmasında üzerinde önemle durulan diğer bir öğede, açma-kapamalardan ötürü ortaya çıkan zararlı dalga ve osilasyonların önlenmesidir.

Resim 1. Hava soğutmalı trlstör düzeneği

10. ÇEVİRİCİ KÖPRÜNÜN ELEMANLARI

Bir valf gibi, alternatif olarak akıma yol açıp kapama işlemi iki tür aygıtla yapılır : Cıva buharlı tüpler ve tristörler. Civa buharlı tüpler bilinen dayanıklılığı nedeniyle hemen hemen günümüze kadar kurulmuş tüm Sistemlerde yer alır.

Şekil 5. Bir çevirici istasyonun şematik diyagramı.

Günümüzde ise bütün dikkatler, aşırı akını ve gerilimlerden ötürü işletmedeki kısa ömürlerine rağmen, trıstörlere çevrilmiştir. Aslında bunlann narinliği tesiste gösterilecek duyarlılıkla tamamen ortadan kalkabilir. Trıstörlerin civa buharlı tüplere kargı üstünlükleri aşağıda gösterilen nedenlerden ötürü açıktır :

— Çalışmadaki ısı değişikliklerine karşı çok da yanıklı olduğundan, ayrıca ısılarının regüle edil mesine hiç gerek kalmamaktadır.

— Bakımları için özel aletlere hiç gerek yoktur.

— Boyutlarının çok küçük olması, zararlı radyo dalgaları üretmesine engel olmaktadır.

— Çok sayıda birbirine benzer devrelerin olması aynı igı görecek türlü büyüklükte düzenekler ku rulmasına olanak sağlamaktadır.

— Tristör Jcöprülerinin civa buharlı köprüler üze rine diğer üstünlüklerinden biride, geriye doğru ark olmasının yâni, geçici olarak her iki yöne kontrolsüz iletme tehlikesinin olmayışıdır. Bu özellik aslında çok önemlidir. Çünkü, enerji da ğıtımındaki anormal değişiklikler, transforma törler üzerine uygulanan anormal gerilimler gibi serviste görülen büyük güçlükler, bu geriye doğ ru ark oluşmasının doğal bir sonucudur özellikleri ve uygulamaları basit olarak anlatılan trıslörlü çevirici istasyonlar artık yaygınlagmaya Başlamıştır Bunlar kuruluş biçimlerine göre iki ayrı sınıfa ayrılmaktadırlar • Yağ içine veya açık havaya kuruluş. Bu işi yapan günümüz firmaları ise genellikle açık havaya kurulanları tercih etmektedirler. Çünkü, bunlar onarım ve bakımı daha kolay olduğundan, daha esnektirler. Kuşkusuz bunların da havaya karşı korunmaları yapılmaktadır. Tristör devreleri metal muhafazalar içine konarak aynı zamanda radyo frekans karışımları da önlenmektedir.

Resim Z. Yağ1 soğutmalı tristör düzeneğinin öntipl

Resim S. Yüksek gerilim deneyleri yapılmakta olan bir yağ soğutmalı tristör dUzeneği