HAVAİ HATLARDA TOPRAK İLETGENLERİNİN KULLANILMASINDAKİ GERİLİM SINIRI

Havai Hatlarda Toprak İletkenlerinin Kullanılmasındaki Gerilim Sınırları

Yazan : Eririn STOLTE

Elektrik tesislerinin aşın gerilimlere karşı korunmasına ait kaideleri ihtiva eden VDE 0675/9 57 de, 60 kv ve daha düşük gerilimli havai hatlarda toprak iletkenin yıldırım koruması noktai nazarından pratik bir fayda temin etmıyeceğıne işaret edilmiştir. Teknik çevrelerde bu gerilim sınırının yüksekliği hakkında farklı düşünceler ortaya çıktığından aşağıdaki yazıda «Yükselt Gerilim Tesisleri İnceleme Cemiyeti - Studiengesellschaft für Hochspannungsanlagen» nın daha önce yapılmış çelik çubuk sistemi ölçülerinin elde mevcut neticeleri, 30 ve 110 kV için mukayeseli olarak incelenmiş ve bu fikrin husulüne yol açan esaslar olarak ibraz edilmiştir

UMUMÎ HUSUSLAR :

Toprak iletkeni, muayyen kabuller tahtında, havai hatlarda koruma topraklaması ve direkt yıldırım isabetlerine karşı hususî bir kıymeti haiz olan yıldırım koruması içindir. Direkt, yan direkt ve çok küçük omik dirençler üzerinden topraklanmış olan şebekelerde, toprak iletkeni koruma topraklaması olarak ancak kötü topraklama şartlarında, pilon toprak dirençlerinin çok yüksek olması ve yüksek kısa devre akımlarında icabeden temas gerilim değerine toprak iletkeni olmadan erişilinememesi halinde bir mâna ifade eder. Pilon üzerindeki toprak iletkeni yerine bu maksatla zemine ferşedilmiş bir «Zemin iletkeni - Bodenleiter» tercih edilebilir ki, o takdirde de direkler için ayrı toprak iletkeni babında fazla bir yük tahmili icabetmez. Endüktif topraklanmış şebekelerde ve söndürme bobinli şebekelerde cüz'î toprak akımları muvacehesinde, toprak temas gerilimi aşılmayacağından ve ele alınan bu hal için daha başka tedbirler de alınabileceğinden koruma topraklaması olarak bir toprak iletkeni lüzumlu değildir. Pilon tepesine çekilmiş toprak iletkenleri vasıtasıyla, ancak iletkenleri doğru yani kâfi açıklıkla tertiplenmiş havai hatlarda, faz iletkenlerine direkt yıldırım, isabetleri önlenebilir. Aksi takdirde, yakın tesisler dik alınlı gezici dalgalara maruz kalırlar ve trans-

Çevıren: Fevzi ÖZTÜRK

Y Müh - E E 1 formatorlerde delinmelere yok açacak yüksek sarım gerilimleri husule gelebilir.

Hattın bir toprak iletkeni vasıtasıyla direkt ve yarı direkt yıldırım tesirlerine karşı korunması birtakım şartlara tâbidir. Bu şartların eski hatlarda ve hattâ bugün nisbeten daha alçak gerilimli hatlarda nazarı itibara alınmamış olması kâfi bir koruma tesirine erişilinememesine sebep olmuştur. Hattan 200 m. uzaklıktaki mesafeler dahiline düşen yıldırımlarda ındüklenen gerilimler toprak iletkeni sayesinde küçük tutulurlar. Fakat buna rağmen bir gerilim indüklenmesinin önüne geçilemez Bu tarz hâdiselerde yüksek izolasyon seviyeli meselâ 110 kV. luk hatlar 30 ve 10 kV luk hatlara nazaran daha az müteessir olurlar. Eğer yıldırım isabet noktası hattan daha uzak mesafede ise (200 m. den uzak) o takdirde ındüklenen gerilimler iletkenler için bir tehlike teşkil etmezler.

GEÇİŞ DİRENÇLERİ :

Hatta direkt yıldırım isabeti hallerinde, yıldırım akımının tevlit ettiği pilon tepesi geriliminin hat izolasyonunun % 50 - atlama darbe gerilim değerinden daha küçük kalabilmesi ve bu suretle geri atlamalara mani olunabilmesi için iyi bir pilon topraklaması elzemdir. B a a t z' m donelerine göre * akım şiddetlerinin mertebesi 400 kA, e baliğ olabilen yıldırım pozitif veya negatif yüklü bulutlardan hasıl olabilir. (Şekil 1) de yıldırımın akım şiddetlerine ve polaritesine tâbi olarak ıhtimalât dağılış eğrisi verilmiştir.

-100 -80-60 .no-20 O 20 40 60 80 IPC Aldırım Aİum îjıddefc'ı k.k ŞEKİL : 1

Yıldırım akımlarının Polaritelerine tâbi olarak Ihtimalât dağılışı

Bu malzemede S X değen (11) denklemine göre daima S . k kıymetine eşittir. O halde ordinat eksenleri:

Çıplak nakil için S . X = 120 Buzlu nakil için S . X = 120 . 5,81 = 698 2 x buzlu nakil için S . X = 120.10,62 = 1276 Rüzgârlı nakil için S . X = 120 . 2,49 = 299 noktalarının «O» noktasına birleştirilmesi ile ortaya çıkar. Durum, verilen abak üzerinde kesikli çizgilerle gösterilmiştir. Buzlu haldeki A noktasına tekabül eden sıcaklık C noktasında — 5 derece olmalıdır. (10) Denklemine göre apsis ekseninin ölçeği:

0 - 0,945. t dir. Normal olarak bakır nakillerde ısı uzama

katsayısı 1,8.105 olduğundan bunlar için 0 = t olacaktır. Sırf bir açıklama maksadıyla burada böyle bir fark ele alınmıştır. Bu ölçek dahilinde istenen sıcaklıklar C noktasına göre işaretlenir Her bir sıcaklık noktasından da istenilen durumdaki (buzlu, rüzgârü v.s.) sistem içerisinde M ve F değerleri okunur. Bu -tarzda hareketle Tablo : 6 daıki kıymetler elde edilir.

Anlatıldığı için uzun gibi görünen, fakat hakikatte, alışıldıktan sonra çok az hesaba ihtiyaç gösteren bu usul ile tabloların bir başka menzil için hemen yapılması imkân dahilindedir.

TABLO: 6 S = 120 m için Fleş - Ge rilme - Sıcaklık Tablosu

Sıcaktık °C

Abaktakı Nok.

%

T

To

m.

— 25

—5

—- O

Buz 2 xBuz

Rüz.

2,750 4,645 2,703

— 45,7 5,57

2,495 5,13 2,444

— 240 6,16

2,365 2,678

5,43 4,77

2,311 2,630

—

415 44,5

— 5,72

2,643 4,830 2,595

— 43,9 5,80

2,584 4,94 2,535

— 106,4 5,92

2,610 4,90 2,561

— 43,4 5,88

2,576 4,96 2,526

— 42,7 5,95

2,531 5,06 2,4904

— 42,1 6,08

ı J HERZOG Über den Durchhang von -weichen Kupferdraeten bel Frelleitungen E T Z 9 August 1B94 B • XV S . 437

- JACOBSEN Abaque üniversel poür chainettcs asymetriques C l . G B E . 24 Juln 3 Juillet 1948 Raport No. 229

3 G SILVA Contribution â l'etude mecanique des lignes aeriennes d'aprös les lols de la chaînette E G E , 8 et 16 Fe.vrler 1930 t XXVII p • 195 - 206 et 242 - 246 ı L TRDXA Abaques pour le calcul de la Jleche et de la tension des conduoteurs. R G E. 23 Fevri er 1924 t XV p. 338-326

E M M 37-38

5 F BESSER • Einheitskurve für Durchaenge und Zugspannungen be bei Frelleitungen E T. Z 14 und 21 Jull 1938, B XL, S 751-752 und 774- 776

« K GİRKMANN und E KÖNIGSHOFER . Dle Hochspannungs - Freileltungen. Wien-Sprlnger-Verlag 1952.

7 G MARKT • Frelleitungen an Hanglsolatoren. E T Z 12 Junl 1924, B : XLV, 8 620

» O STRAND . über uhglelchmaessie verteilte Zusatzlast beı Hochspannungsleitungen mit Haenglsolatoren E T Z. 5 Maerz 1931, B • IJI, S . 316-320

M CANAY Havai Hat Nakillerinde Fleş ve. Gerilme Hesabı Metodlan ve Yeni Bir Metod

Nakilin lineer ağırlığı : p = 0,830 kg/m (Tablo : 3).

(4) İfadesine göre fıktif genime : M = 950/450. 0,830 = 2,55

Bu değere karşılık abaktan okunacak fıktıf fleş :

F = % 5,015

O halde •

Yatay germe kuvveti: 450.0,830 (2,55 — 0,05015) = 935 kg

Hakiki fleş : 450.0,05015 = 2,26 m.

2 — Türkiye'nin II. Bölgesinde bulunan, 120-m yatay menzilli bir yüksek gerilim hattı 16 mm2 lik bakır nakillerle çekilecektir. Bakırın ısı uzama katsayısı 1,7 .10-5 alınacaktır Maximum yatay gerilme 15 kg/mm2 yi. geçmıyecektır Bu asılma halı için fleş - gerilme sıcaklık tablosunu yapınız

Problemin çözümünde evvelce verilen sırayı aynen takip edeceğiz.

a) Seçilecek menzil venlmıştir

S = 120 m

h - 0m

Bu menzil şekil: 2 de verilen sınınn solunda kaldığından uygundur.

b) Yükleme faktörleri Tablo : 3 ten alınır, k (çıplak nakil) = 1 kR = 2,49 k B = 5,81 k = 10,62

2B c) Tablo : 5 yardımı ile kntık menzil ve sıcakHğı hesap edelim. (14) ve (15) numaralı eşitlikler kullanılacaktır. Menzil, 120 m. II. Bölge için hesap edilerek bulunacak kritik menzil 31,5 m den büyük olduğu için maxımum gerilime —5 derecede, buz yükü altında teşekkül edecektir.

Mahallî en yüksek sühunet 40 derece (II. Bölge için) hesapla bulunacak kritik sıcaklık 51,1 dereceden küçük olduğuna göre maximum. fleş yine — 5 derece sıcaklıkta ve buz yükü altında husule gelir.

d) Buzlu haldeki yatay gerilme (1) şartını sağlıyacağına göre fiktif yatay gerilme :

m = 15.16/120.0,141.5,81 = 2,444

B dir. (6) Eşitliği göz önünde tutularak basit bir tatonmanla abak üzerinde bu duruma ait nokta tesbit edilir (A noktası).

M = 2,4953 F = 0,0513 m = 2,444

Menzi( — -

200 m.

ŞEKİL: 3

24 mm* İlk bakır nakilin kullanılabilecek menzil sınırları

E. M. M 37 - 38

gun şekilde sapmaları neticesi bir dengeleme hasıl olursa da, sabit izolatörler halinde bu zorlamalar direğe aynen intikal eder. Bu husus Çekoslovakya yönetmeliğinden başka maalesef hiçbir yönetmelikte esaslı bir şekilde ele alınmamıştır6. Mevzu ile ilgilenenlere bu mevzudaki ilk çalışmayı7 ve Strand'ın etüdünü " tavsiye ederek probleme girmekten ve mevzuu dağıtmaktan çekinilmiştır.

e) IVIaximum menzil sınırının tâyini : En başta bahsedildiği gibi, yönetmeliğimiz askı noktalarında husule gelebilecek azamî gerilmenin sıfır derece sıcaklıkta ve normal şartlann iki misli buz yükü altında malzemenin kopma gerilmesinin % 70' ini aşmamasını şart koşmaktadır (eşitlik: 2). Bu şart her nakilin kabili tecviz olan direk arası mesafesini, seçilen maximum yatay gerilmeye ve menzil eğimine göre tahdit eder. Bu mesafe, arazinin eğimi arttıkça düşer ve yatay gerilmenin değeri azaldıkça da artar. Büyük kesitli kuvvetli nakiller için maximum menzil kıymetleri, kullanılan normal direk açıklıklarının oldukça üzerinde bulunduğundan bu sınır, büyük kesitli nakillerde önemli değildir. Küçük kesitli nakillerde ise maximum menzil kullanılan direk açıklıkları mertebesindedir. Dolayısıyla küçük kesitli nakillerde herhangi bir yanlışlığa meydan vermemek gayesiyle bu sınırın evvelden tâyini yerinde bir harekettir. Aksi halde, hiç farkına varılmadan bazı eğik menzillerde (2) ifadesi ile verilen şart yerine getirilmemiş olur. Bu menzillerin tâyininde takip edilecek usul şudur. Muayyen bir menzil (S, 0) seçildikten sonra maksimum yatay gerilme seçilir. Evvelce anlatıldığı gibi bu gerilmeden hareketle sıfır derece sühunette ve iki misli buz yükü altındaki M fiktik gerilme ve buradan da askı noktasındaki hakiki gerilme bulunur. Eğör bu kıymet

0.70 T k w m n , dan küçükse menzil biraz büyültülür ve hesap tekrar edilir. Bu şekilde tatonman yoluyla ,

T1

— O 7ft T

eşitliğini

max -2 buz- ~~ sağlıyan (S,,

v, ı

0)

v

çiJf.t^leO prim

elde

edilerek

bir eğri çizilir Yönetmelik esaslarına uygun

bütün eğik ve yatay menziller bu eğrilerin

sınırladığı sahanın solunda bulunmalıdırlar.

Verilen izahattan kolayca anlaşılacağı

üzere böyle bir hesabın yapılması zaman ve

sabır istiyecektir. Fakat bu hesabın bütün

nakiller için bir kere yapıldıktan sonra herkes tarafından kullanılması mümkündür.

Yüksek gerilimde kullanılmasına müsaade

edilen en zayıf nakillerden 16 ve 25 mm2 likleri için bu hesap tarafımdan yapılmıştır. Hesap neticeleri şekil: 2 ve 3 deki grafiklerde

görülmektedir. Çelik gibi daha kuvvetli malzemeden imal edilmiş olan nakillerin maksimum menzilleri daha büyük kıymetlerde olacaklarından 16 ve 25 mm2 lik hatların 'sırf bu

eğrilere göre kontrolü mümkündür.

5 — MİSALLER : 1 — Yatay olarak 450 m. lik bir menzile 95 mm2 kesitinde bakır bir nakil askı noktalarındaki gerilme 10 kg/mm2 yi geçmiyecek şekilde geriliyor Yatay germe kuvveti ve fleş miktarı nedir ?

1—1—1—r-ı—1—1—1—1—j—1—1

ŞEKİL : 2 16 mm2 lik bakır nakilin, kullanılabilecek menzil sınırlan.

E M M. 37-38

k (rüzgârlı nakil) kıymetinin hesabında munzam rüzgâr kuvvetinin yatay olarak geldiği goz onunde bulundurulmalıdır. Tablo : 2, 3 ve 4 te bu hesaplar yapılmış ve gerek munzam yükler ve gerekse k değerleri her nakil kesiti karşısında verilmiştir. İki misli^buz yüküne ait k kıymeti ise •

2B = 2.kB — 1

(13)

formülü ılc kolayca hesap edilebilir.

c) Maxımum germe ve maximum fleşın hangi yükleme durumunda husule geleceğini evvelden tâyin için kritik menzil ve kritik sıcaklığın hesabı

Kritik menzil ve kritik sıcaklığın hesaplanması için aşağıdaki basitleştirilmiş ifadeler kullanılır.

/ A.a

/ -"kritik ~

(14)

p V *•

+B

(15)

q.E.a k

Burada yeni olarak rastlanılan notasyonlardan q (cm2) olarak nakilin hakiki toplam kesitini göstermektedir. A ve B ise, değerleri her bölgeye göre tablo : 5 ten alınacak birer katsayıdır.

TABLO: 5

A B k hıhk Antik

I

2+0 -51 Buztu s,

*/

480 -5" Buzla

tz

Buz yükü rüzgâr yükünden daima büyüktür ve ayrıca buzlu haldeki muhit sıcaklığı (—5 derece) rüzgâr yükünün teşekkülünde kabul ettiğimiz sühunetten (5 derece) küçüktür O halde muayyen bir menzilde buzlu haldeki gerilme rüzgârlı haldeki gerilmeye nazaran daima daha büyük olacaktır. Bu sebepten Sk kritik menzili, eskiden olduğu gibi buzlu hal ile mahallî en düşük sühunette çıplak nakil arasında yapılacak bir mukayeseye göre tâyin edilmelidir.

Seçilen yatay menzilin aşağıdaki mukayeselerine göre maximum yatay gerilmenin hangi halde teşekkül edeceği bilinebilir.

1.

S < S,, S2

Bu menzillerin tâyininde takip edilecek

usul şudur. Muayyen bir menzil (S, 0) seçil-

dikten sonra maxımum yatay gerilme seçilir. Evvelce anlatıldığı gibi bu gerilmeden hareketle s:;fir derece sühunette ve iki misli buz yükü altındaki M fıktif gerilme ve buradan da askı noktasındaki hakiki gerilime , bulunur. Eğer bu kıymet;

0-70 T k o p n m maximum gerilme mahalli en düşük sühunette teşekkül eder.

S,, So < S

maxımum genime — 5 derece sıcaklığında ve

buz yükü altında teşekkül eder.

Maxımum fleşın teşekkülü için de buzlu hal, çıplak nakilin mahallî en yüksek sühunetteki durumu ile mukayese edilmelidir. Rüzgârlı haldeki fleş, rüzgârın fleş düzlemini eğmesinden dolayı düşey sarkmaya nazaran daima daha küçüktür Burada da 2 hal mevcuttur.

t < ^ , t2

maxımum fleş — 5 derece sıcaklığında ve buz

yükü altında teşekkül eder.

t, t2 < t

maximum fleş mahallî en yüksek sühunette

meydana gelir

d) Seçilen normal menzil etrafında muhtelif açıklıklar için fleş - gerilme - sıcaklık tablolarının çıkarılması:

Maxımum gerilmenin teşekkül edeceği hal yukarıdaki tarzda tesbit edildikten sonra abak üzerinde bu noktanın yeri belli demektir. (A noktası). Bu duruma ait S. i. nın tâyini ile apsis ekseni üzerindeki sıcaklık noktası (Şekil : 1 deki C noktası) tesbit edilir. Bunu müteakip herhangi bir t sıcaklığındaki C noktası (10) eşitliği ile verilen ölçek dahilinde kolayca bulunur. Herhangi bir yükleme durumu altındaki asılmayı karakterize eden A' noktası ise, tablo: 2, 3 ve 4 te verilen k yükleme faktörü yardımı ile S. X (k eşit değil 1) dan elde edilecek eğik ordinat ekseni içerisinde C noktasından hareketle bulunacaktır. Mekanik bir iki işlemden (paralel çizme v.s.) ibaret olan bu metotla çok kıra bir zamanda muhtelif menziller için fleş - gerilme - sıcaklık tablolarının hazırlanması mümkündür. Her konumdaki boyutsuz M, F değerlerinden (3), (4), (5) ve (6) eşitliklerini kullanarak hakiki boyutlu kıymetlere geçilir.

Bir germe menzili içerisindeki bütün açıklıkların birbirine eşit olmamasından dolayı askı noktalarını zorlıyan bir takım munzam gerilmeler husule gelir. Zincir izolatörlerin kullanılması halinde bu cins izolatörlerin uy-

TABLO:4 Çelik Kabloların Karakteristik Değerleri

Çap ve Kes \t[mm,mm]

Munzam Yüklerle/m] Mw,YükFakHruk

££

5$

Hakiki

Kesit

ç

-5

fctç

Buz

I. E.

Böl. Böl.

Rûzqâr Buzlu Rüzgarlı

V* 52,5 1.

k${mn Böl.

BÛ

44 52.5

4fjmm

re 15,9 7 5,1 0,12* 0.576 0,802 0.3930,W İ65 6,47 3A7 3,60

25 24.Z \> 6,3 0,189 0,691 0,9*1 0,5220,587 3,66 4,38 2.76 3J0

35 34.4 m 7,5 0,268 0.816 1,090 0,G640,7*2 3,05 4-,07 2.48 2,77

50 19.5 il 9,0 0,386 0,986 £286 0,86/ 0,35* 2,55 3,35 2,23 2,47

50 48,3 19 9,0 0,377 0,977 1,277 0,852 0,915 2,59 3,38 2,26 2.51

tm 70 £5,8 n 10,5 0,569 1,236 1,563

1,248 2,10 2,66 135 2.14-

95 33,2 w 12,5 0,72$ 1,4-361,789 1,333 1,^51 197 2,45 1,83 1,93

yını mümkündür İlerideki misallerimizde bu hususa tekrardan döneceğimizden burada daha fazla detaya girmiyeceğiz.

Sühunetin değişmesi halinde apsis eksenindeki kayma miktarını (Şekil: 1 de CC mesafesini) doğru olarak hesap edebilmek için bu eksen ölçeğini tanımamız gerekir. Eksen 0 fiktik sıcaklığına göre taksimatlanmıştır. Hakiki muhit sühunetinde dt sıcaklık farkı, kablo malzemesine tâbi olarak bu eksen ölçeğinde dO milimetre miktarında alınmalıdır. Her iki büyüklük arasında aşağıdaki bağlantı mevcuttur.

d0- =

dt

(10)

1,8.10-' cos2

Burada a kablonun ısı uzama katsayısıdır. Bakır nakiller için (ısı uzama katsayısı 1,8. İO5 olmak şartı ile) düz menzillerde 1 derece 1 mm'ye tekabül eder.

Ordinat ekseninin konumu menzil, malzeme ve munzam yük ile alâkalı olarak değişmekteydi. Bu eksen, apsis ekseni üzerindeki büyük «O» noktasının, abağın ortalarındaki S . X skalası üzerinde bu asılma konumuna ait S. X değerine tekabül eden nokta ile birleştirilmesiyle eLde edilir.

1,3.10»

s.x =

g 0,0089

(11) COS8 0

Burada: g : Nakilin toplam yoğunluğunu (kg/cm3)

E : Nakilin elâstisıtesini ve k katsayısı da :

(kg/cm2)

k=

lvıunzam yukiu halde kablo linier ağırlığı

Munzam yüksüz halde kablo linier ağırlığı

(12)

olarak yükleme katsayısını gösterir.

S. Kıymeti verilen malzeme ve menzile göie bir kere hesap edilir (k = 1 için) ve sonra her yeni'yükleme durumunda k katsayısı ile çarpılır.

4 _ NAFİA VEKÂLETİ YÖNETMELİĞİNE UYGUN OLARAK YAPILACAK NAKİL MEKANİK HESABI VE İŞLEM SIRASI :

İki hal mevcuttur:

1. Menzilin bilinmesi (S ve h belli)

, 2 Güzergâhın bilinmesi.

İlk hal, ikincinin özel bir durumu olduğu için burada bununla fazla meşgul olmıyacağız. İkinci hal ise en ziyadesiyle rastlanan durumdur. Hesap sırasında aşağıdaki sıranın takibi tavsiye edilir.

a) Verilen donelere göre (hat gerilimi, malzeme v.s.) normal direk açıklığı «S» in tâyini ve (1) ifadesine uygun maximum yatay gerilmenin tesbiti b) Kablo lineer ağırlığının, her bir yükleme hali için tâyini ve buradan k yükleme faktörünün tesbiti.

k (çıplak nakil) = 1 k (rüzgârlı nakil)

k (buzlu nakil)

k (2 x buzlu nakil)

M M. 37 - 38

7-7