ÖNSÖZ Enerji iletim sistemleri enerji iletim hatlarından (hava hatları, yeraltı kabloları, denizaltı kabloları) ve transformatör merkezlerinden (açık-klasik tip ve gaz izoleli tip-GIS) meydana gelmektedir. Enerji iletim sistemleri, enerji üretim sistemleri (santraller) ile enerji dağıtım sistemleri (mesken ve sanayi yükleri) arasındaki bağlantıları gerçekleştirmektedir. Ülkemizdeki enerji iletiminde kullanılan gerilim seviyeleri 154 kV ve 380 (400) kV’dur; 66 kV’luk hatların çoğu 33 kV’a dönüştürüldüğü için Türkiye genelinde yaklaşık 110 km kadar 66 kV’luk hat kalmıştır. 33 (34.5) kV ve daha düşük gerilimli hatlar ise enerji dağıtım hatlarıdır. Ülkemizde enerji iletim sistemleri ile ilgili kamu kuruluşu Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketidir (TEİAŞ). TEİAŞ’ın en son yayınlanan 2017 yılı istatistiklerine göre, ülkemizdeki 154 kV’luk ve 380 kV’luk enerji iletim hava hatlarının uzunlukları, sırasıyla 43495.0 km ve 22595.7 km’dir. 154 kV’luk ve 380 kV’luk yeraltı kablolarının uzunlukları, sırasıyla 342.6 km ve 89.7 km’dir. 380 kV’luk transformatörlerin sayısı 327 ve toplam kurulu gücü 66378.0 MVA, 154 kV’luk transformatörlerin sayısı ise 1394 ve toplam kurulu gücü 96372.0 MVA’dır. Enerji iletim hatlarına ait hesaplar en temelde mekanik hesaplar ve elektriksel hesaplar olarak ikiye ayrılır. Enerji iletim hava hatlarının mekanik hesapları elektriksel hesaplardan bağımsız yapılmaktadır. [S. Ay, “Enerji İletim Sistemleri Cilt 4”, Birsen Yayınevi, 2018]. Enerji iletim hatlarının elektriksel hesapları ise “sürekli işletmeye ilişkin hesaplar” ve “geçici işletmeye ilişkin hesaplar” olmak üzere iki temel başlık altında toplanabilir. Bilindiği gibi ülkemizdeki üniversitelerin Elektrik Mühendisliği veya Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümlerinin ders programlarında elektriksel hesapların işlendiği “Enerji İletim Sistemleri” veya “Enerji İletimi” ya da “Elektrik Enerjisi İletimi” başlıklı -çoğunlukla zorunlu- dersler yer almaktadır. Bu kitap, 6 cilt olarak planlanan “Enerji İletim Sistemleri” kitap serisinin beşincisidir ve elektriksel hesapları içermektedir. Bu Kitap (cilt 5); YTÜ Elektrik Mühendisliği Bölümü Lisans Programındaki “Enerji İletim Sistemleri” ve YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Programındaki “Enerji İletim Sistemlerinin Tasarımı” derslerinin konularını -cilt 1, 2, 3, 4 ve 6 ile birlikte- kapsamaktadır. Sekiz bölümden oluşan kitabın ikinci, üçüncü ve dördüncü bölümlerinde sürekli işletmeye ait hesaplara yer verilmiştir; beşinci, altıncı ve yedinci bölümlerde ise geçici işletmeye ait hesaplar bulunmaktadır. Kitabın birinci bölümünde genel tanımlar ve sekizinci bölümünde işletmeye ilişkin büyüklükler verilmiştir. Kitaptaki ilgili konuları destekleyici ek bilgiler “Not” vurgusuyla verilmiştir. Kitabın hacmini çok artırmamak düşüncesiyle, çözümlü problemler daha önce ayrı bir kitapta toplanmıştı [İ. Güney ve S. Ay, “Enerji İletim Hatları Problemleri”, Birsen Yayınevi, 2017]. Yüksek Lisans ve Doktora tez danışmanım olan, bugüne kadar bilgilerinden ve önerilerinden her zaman yararlandığım değerli hocam Prof. Dr. Nesrin TARKAN’a teşekkür etmeyi bir borç bilirim. Kitabın Elektrik Mühendisliği Bölümlerindeki öğrencilere, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümlerindeki öğrencilere ve ilgili mühendislere yararlı olmasını dilerim. Selim AY YTÜ, Davutpaşa, 3 Aralık 2018
İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ...............................................................................................................................................ix SEMBOL LİSTESİ ............................................................................................................................x KISALTMALAR LİSTESİ ...........................................................................................................xvii 1.0 GENEL TANIMLAR VE KAVRAMLAR 1.1 Kompleks Büyüklükler ve Fazör Kavramı ...............................................................................1 1.2 per-unit Büyüklükler...............................................................................................................11 1.3 Elektrik Enerji Sistemleri .......................................................................................................19 1.4 Elektrik Enerji Sistemlerinde Güç Tanımları .........................................................................42 1.5 SI Birim Sistemi .....................................................................................................................48 1.6 Elektrik Enerji Sistem Elemanlarına Ait Veriler ....................................................................52 2.0 ENERJİ İLETİM HATLARININ AKIM TAŞIMA KAPASİTESİ 2.1 Hava Hattının Sürekli Akım Taşıma Kapasitesi.....................................................................54 2.1.1 IEEE Std. 738’e göre akım taşıma kapasitesinin hesaplanması...........................................60 2.1.2 CIGRE Technical Brochure 601’e göre akım taşıma kapasitesinin hesaplanması ..............64 2.1.3 IEC 61597 Standardına göre akım taşıma kapasitesinin hesaplanması ...............................67 2.1.4 ESAA D(b) 5 Standardına göre akım taşıma kapasitesinin hesaplanması...........................68 2.2 Hava Hattının Dinamik Akım Taşıma Kapasitesi ..................................................................73 2.3 Hava Hattının Transient Akım Taşıma Kapasitesi .................................................................75 2.4 Yeraltı Kablosunun Akım Taşıma Kapasitesi ........................................................................76 2.5 Denizaltı Kablosunun Akım Taşıma Kapasitesi.....................................................................88 2.6 Sinüsoidal Olmayan Yüklenme Durumunda Akım Taşıma Kapasitesi..................................91 3.0 ENERJİ İLETİM HATLARININ ELEKTRİKSEL PARAMETRELERİ 3.1 Hava Hatlarının Elektriksel Parametreleri..............................................................................96 3.1.1 Hava hattının direnci............................................................................................................97 3.1.2 Hava hattının endüktansı....................................................................................................101 3.1.3 Hava hattının reaktansı.......................................................................................................111 3.1.4 Hava hattının kapasitansı ...................................................................................................113 3.1.5 Hava hattının süseptansı.....................................................................................................127 3.1.6 Hava hattının kondüktansı..................................................................................................129 3.1.7 Hava hattının empedansı ....................................................................................................131 3.1.8 Hava hattının admitansı......................................................................................................131 3.1.9 Toprağın hat empedansı üzerindeki etkisi..........................................................................133 3.1.10 Karakteristik empedans......................................................................................................139 3.1.11 Hat parametrelerinin ölçme yoluyla belirlenmesi............................................................141 3.2 Yeraltı Kablolarının Elektriksel Parametreleri .....................................................................145 3.2.1 Yeraltı kablosunun direnci .................................................................................................148 3.2.2 Yeraltı kablosunun empedansı ...........................................................................................155 3.2.3 Yeraltı kablosunun süseptansı............................................................................................159 3.2.4 GIL kablolarda direnç, endüktans ve kapasitans................................................................166 4.0 ENERJİ İLETİMİNE AİT ELEKTRİKSEL BÜYÜKLÜKLER 4.1 Karakteristik Güç..................................................................................................................169 4.2 İletilen Güç ...........................................................................................................................172 4.3 Bara Admitans ve Bara Empedans Matrisleri.......................................................................180 4.4 Seri Kapasitör .......................................................................................................................189 4.5 Şönt Kapasitör ......................................................................................................................193 4.6 Seri Reaktör ..........................................................................................................................194 4.7 Şönt Reaktör .........................................................................................................................195 4.8 Enerji İletim Hattı Modelleri ................................................................................................198 4.8.1 Kısa iletim hattı modeli......................................................................................................198 4.8.2 Orta uzunluktaki iletim hattı modelleri ..............................................................................205 4.8.3 Uzun iletim hattı modeli.....................................................................................................213 4.9 Yükün Empedansı.................................................................................................................230 4.10 Enerji İletim Hattının Şarj Akımı .........................................................................................232 4.11 DC İletim Hattı Modeli.........................................................................................................234 4.12 Enerji İletim Sisteminin Dört Uçlu Sabitleri ........................................................................241 4.13 Transformatörlerin Hesaplara Etkisi.....................................................................................246 4.14 İzolatör Zincir Verimi...........................................................................................................250 4.15 Enerji iletim Hatlarında Manyetik Alan ve Elektrik Alanı Hesapları...................................258 4.15.1 Manyetik alanın hesabı ......................................................................................................261 4.15.2 Elektrik alanının hesabı......................................................................................................264 4.16 Enerji İletim Hatlarındaki Güç Kayıpları .............................................................................272 4.16.1 Faz iletkenlerindeki joule kayıpları....................................................................................273 4.16.2 Koruma telindeki kayıplar..................................................................................................276 4.16.3 Güç transformatörlerindeki bakır (sargı) kayıpları ............................................................277 4.16.4 Güç transformatörlerindeki demir (nüve) kayıpları ...........................................................279 4.16.5 Enerji iletim hatlarındaki korona kayıpları ........................................................................284 4.16.6 Zincir izolatörün izolasyon kayıpları .................................................................................298 4.16.7 Asenkron motorun kayıpları ..............................................................................................299 4.17 AC Güç Akışı .......................................................................................................................299 4.18 DC Güç Akışı .......................................................................................................................307 5.0 ENERJİ İLETİM SİSTEMLERİNDE KISA DEVRE VE KARARLILIK 5.1 Simetrili Bileşenler Teorisi...................................................................................................318 5.2 Enerji İletim Sistemindeki Elemanların Simetrili Bileşen Empedansları.............................324 5.2.1 Şebekenin simetrili bileşen empedansları ..........................................................................326 5.2.2 İki sargılı transformatörlerinin simetrili bileşen empedansları ..........................................329 5.2.3 Üç sargılı transformatörlerinin simetrili bileşen empedansları ..........................................337 5.2.4 Hava hatlarının simetrili bileşen empedansları ..................................................................343 5.2.5 Yeraltı ve denizaltı kablolarının simetrili bileşen empedansları ........................................353 5.2.6 Akım sınırlayıcı bobinlerin simetrili bileşen empedansları ...............................................357 5.2.7 Senkron generatörlerin simetrili bileşen empedansları ......................................................357 5.2.8 Santral ünitelerinin simetrili bileşen empedansları ............................................................365 5.2.9 Asenkron generatörlerin simetrili bileşen empedansları....................................................367 5.2.10 Asenkron generatörlü rüzgâr santralinin simetrili bileşen empedansları ...........................367 5.2.11 Çift beslemeli asenkron generatörlü rüzgâr santralinin simetrili bileşen empedansları.....369 5.2.12 Asenkron motorun simetrili bileşen empedansları.............................................................371 5.2.13 Fotovoltaik santralin simetrili bileşen empedansları..........................................................378 5.2.14 Kapasitörlerin simetrili bileşen empedansları....................................................................379 5.2.15 Statik yüklerin simetrili bileşen empedansları ...................................................................380 vi 5.3 Enerji İletim Sistemlerinde Kısa Devre................................................................................382 5.3.1 Başlangıç kısa devre akımı.................................................................................................392 5.3.2 Kısa devre akımının DC bileşeni .......................................................................................393 5.3.3 Başlangıç kısa devre gücü..................................................................................................394 5.3.4 Geçici kısa devre akımı......................................................................................................394 5.3.5 Sürekli kısa devre akımı.....................................................................................................394 5.3.6 Darbe kısa devre akımı.......................................................................................................396 5.3.7 Simetrik açma akımı ..........................................................................................................397 5.3.8 Asenkron motorlar için açma akımı ...................................................................................398 5.3.9 Asimetrik açma akımı ........................................................................................................401 5.3.10 Simetrik açma gücü............................................................................................................401 5.3.11 Termik akım.......................................................................................................................404 5.3.12 Senkron generatörlerin zaman sabitleri..............................................................................406 5.3.13 Kısa devre türleri................................................................................................................406 5.3.14 Kısa devre eşdeğer empedansının hesaplanmasında kullanılan devre teoremleri..............407 5.3.15 Kısa devre akımlarının faz bileşenleri ile hesaplanması ....................................................413 5.3.16 Kısa devre akımlarının simetrili bileşenler ile hesaplanması.............................................415 5.3.17 Ark direnci .........................................................................................................................421 5.3.18 Kısa devre akımlarının belirli bir gerilim referans alınarak hesaplanması.........................423 5.3.19 Kısa devre eşdeğer empedanslarının bara admitans matrisi ile hesaplanması ...................424 5.3.20 Toprak teması.....................................................................................................................426 5.3.21 Toprak yolundaki akım dağılımı........................................................................................430 5.3.22 DC enerji iletim hatlarında kısa devre hesabı ....................................................................437 5.4 Enerji İletim Sistemlerinde Kararlılık...................................................................................438 5.4.1 Sürekli kararlılık analizi.....................................................................................................439 5.4.2 Dinamik kararlılık analizi ..................................................................................................440 5.4.3 Geçici (transient) kararlılık analizi.....................................................................................442 5.4.4 Eşit alan kriteri ...................................................................................................................447 6.0 YILDIRIM DARBESİNİN ENERJİ İLETİM HATLARINA ETKİLERİ 6.1 Yıldırım Darbesi ...................................................................................................................453 6.2 Yıldırım Darbesinin Enerji İletim Hatlarına Direkt Etkisi ...................................................463 6.3 İletkenlerin ve Direklerin Darbe Empedansları ....................................................................475 6.4 Yıldırım Darbesinin Enerji İletim Hattına Düşmesi .............................................................488 6.5 Enerji İletim Hattının Tasarımında Yıldırım Darbesinin Dikkate Alınması.........................495 6.6 Yıldırım Darbesinin Enerji İletim Hatlarına Endirekt Etkisi................................................498 7.0 ENERJİ İLETİM SİSTEMLERİNDE TOPRAKLAMA 7.1 Topraklama İletkeninin Kesitinin Belirlenmesi....................................................................510 7.2 Direklerin Topraklama Direnci.............................................................................................512 7.3 Şalt Merkezinin Topraklama Ağının Direnci .......................................................................519 7.4 Topraklama Ağının Tasarımı................................................................................................536 7.4.1 Göz gerilimi .......................................................................................................................544 7.4.2 Adım gerilimi.....................................................................................................................546 7.4.3 Topraklama ağı ile ilgili genel açıklamalar........................................................................549 vii 8.0 ENERJİ İLETİM SİSTEMLERİNİN PLANLANMASI VE İŞLETİLMESİ 8.1 Yük Faktörü..........................................................................................................................552 8.2 Güvenirlik.............................................................................................................................555 8.3 Enerji Kalitesi .......................................................................................................................560 8.3.1 Harmonikler .......................................................................................................................561 8.3.2 Fliker ..................................................................................................................................565 8.3.3 Frekans sapması .................................................................................................................567 8.3.4 Gerilim düşmesi .................................................................................................................567 8.3.5 Gerilim yükselmesi ............................................................................................................567 8.3.6 Gerilim kesilmesi ...............................................................................................................568 8.3.7 Aşırı gerilim .......................................................................................................................568 8.3.8 Düşük gerilim.....................................................................................................................568 8.4 Enerji İletim Hatlarında Dengesizlik Oranları......................................................................568 8.4.1 Akım dengesizlik oranı ......................................................................................................569 8.4.2 Gerilim dengesizlik oranı...................................................................................................570 8.5 Enerji İletiminde Kayıp Enerji..............................................................................................574 8.6 Devrede Olma Oranı ve Devre Dışı Olma Oranı..................................................................574 8.7 Ortalama Kesinti Sıklığı .......................................................................................................575 8.8 Yıllık İletilemeyen Enerji .....................................................................................................575 8.9 Bakım Maliyet Endeksi ........................................................................................................576 8.10 Stabilite Endeksleri...............................................................................................................576 8.11 Yük Tahmini.........................................................................................................................577 8.11.1 Lineer regresyon ................................................................................................................579 8.11.2 Lineer olmayan regresyon..................................................................................................580 8.11.3 Zaman serileri ....................................................................................................................580 8.11.4 Hata büyüklükleri...............................................................................................................582 8.12 Enerji İletim Sistemlerinde Optimum Büyüklükler..............................................................585 8.13 Enerji İletim Hava Hatlarının Boru Hatları Üzerindeki Elektromanyetik Etkisi..................591 8.14 Enerji İletim Hava Hatlarının Boru Hatları Üzerindeki Elektrostatik Etkisi........................597 KAYNAKLAR................................................................................................................................ 600 EK A. TÜRKİYE ENERJİ İLETİM SİSTEMİNİN TASARIM ESASLARI.........................................610 EK B. METEOROLOJİK PARAMETRELERİN ENERJİ İLETİM SİSTEMLERİNİN ELEKTRİKSEL BÜYÜKLÜKLERİ ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ .............................................614 EK C. JAKOBİYEN MATRİS ...................................................................................................................618 EK D. HAVA HATLARINDA İZOLATÖR SEÇİMİ .............................................................................619 EK E. ÇOK FAZLI ENERJİ İLETİMİNDE ENDÜKTANS VE KAPASİTANS HESABI ................623 EK F. ENERJİ İLETİM HAVA HATLARINDA KULLANILAN İLETKENLER .............................626 EK G. BARALARIN DİRENÇ VE REAKTANS HESABI ....................................................................630 EK H. KISA DEVRE NOKTASINDA FAZLARIN AKIMLARI VE GERİLİMLERİ .......................633 EK I. KISA DEVRE HESAPLARINDA “MVA YÖNTEMİNİN” KULLANILMASI ........................635 EK J. KAFES DİREKLERİN DARBE EMPEDANS FORMÜLLERİ .................................................637 DİZİN .............................................................................................................................................. 639
Internet Explorer tarayıcısının 9.0 ve daha eski sürümlerini desteklememekteyiz. Web sitemizi doğru görüntüleyebilmek için tarayıcınızı güncelleyebilirsiniz, güncelleyemiyorsanız başka bir tarayıcıyı ücretsiz yükleyebilirsiniz.