Enerji Kabloları

ENERJİ KABLOLARINI SEÇERKEN KABLO SEÇİMİ KRİTERLERİ

Enerji kablolarını seçerken,bazı kriterleri dikkate almamız gerekir.Eğer iletkenlerin sahip oldukları kriterler önceden bilinir ise gerilimin büyüklüğüne ve hattın özelliğine göre iletkenlerin seçilmesi daha doğru olur. Bunlar, kabloların elektroteknik özellikleri, gerilim değerleri, gerilim düşümü ve kesit değerleri, kısa devre akımına dayanım ve sıcaklık değerleri olarak belirtilebilir. Bu kriterler aşağıdaki gibi sıralanabilir;

 KABLOLARIN ELEKTROTEKNİK ÖZELLİKLERİ

Enerji iletim ve dağıtım hatlarında akım,gerilim,güç ve güç kat sayıları gibi büyülükler arasındaki ilişkileri hesaplamaya yarıyan ve hatların özelliklerine göre değişen RL- C değerlerine hat sabiteleri denir. Enerji taşıma hatlarının çalışma gerilimlerinin büyüklüğüne göre hat sabitelerinden bazıları çok küçük değerlere düşer. Bu bakımdan bazıları dikkate alınmayabilir.

 1. DİRENÇ

Elektrik enerjisi,iletim ve dağıtım hatlarında gerilim düşümü ve güç kaybının meydana gelmesine sebep olan hat sabitesidir. Bu nedenle direncin önemi fazladır. Hatların doğru akım ve alternatif akım dirençleri ayrı ayrı düşünülür. Frekans yükseldikçe bu iki direnç arasındaki fark büyür. Alternatif akımdaki dirence etkin direnç de denir. Kablo iletkenlerinin +20 °C’deki Ro doğru akım dirençleri hesaplama veya ölçüm ile bulunabilir, kablo kataloglarından da iletkenlerin doğru akım dirençleri bulunabilir. Kablo alternatif akım direnci R, çelik zırh ve metal kılıfta oluşan ek kayıplar ve deri (skin effect-frekans yükseldikçe akımın kablo merkezinden uzaklaşarak yüzeye yakın geçişi) ve yakınlık olayı(proximity effect) sebepleri ile daha da büyür. İletken direncinin yükselmesine neden olan bu etkenleri, doğru akım direncine bir ΔR direnci eklenmesi şeklinde kabul edilebilir.

Doğru akım direnci;
Ro=L/KxS
Burada, L=iletkenin boyu, K=İletkenlik kat sayısı (Bakır=56, Alüminyum=35 alınır)
S=Kesit
Alternatif akım direnci (Etkin direnç);
R=Ro+ ΔR
R=Alternatif akım direnci Ro=Doğru akım direnci ΔR=Direnç değişimi veya
R=P/I² şeklinde de bulunabilir. P=İletkendeki güç kaybı I=Geçen akım İletkenin ısı derecesinin düşmesiyle direnç azalır.
ÖRNEK:70 mm² kesitli bakır iletkenin 1 km’sinin direncini hesaplayalım. (Kcu=56) Ro=L/KxS Ro=1000/56.4 Ro=0,255 Ohm. Olarak bulunur.
Aynı kesit ve uzunlukta bir bakır iletken ile alüminyum iletkenin dirençleri arasında R=35/56=0,62 gibi orantı vardır.Örneğin yukarıdaki iletken alüminyum olsaydı hattın direnci 0,255/0,62=0,41 Ohm olarak bulunurdu.
YVV 1×4 mm² kablonun 1 km’sinin 20 °C’deki DA direnci 4,61 Ω’dur(Kablo kataloğundan ve tablo 1.7′den).
Tablo 1.7′ de kabloların (bakır ve alüminyum) dirençleri verilmiştir, inceleyiniz.

tablo_1_7

2. ENDÜKTANS

Üzerinden akım geçen bir iletkenin çevresinde bir manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan değişken bir manyetik alan ise devrede bir endüksiyon elektromotor kuvvet meydana getirir. Bu emk’i manyetik alan devrenin kendisi tarafından meydana getirildiği için öz endüksiyon denir. Bu emk’e ise zıt emk veya self endüksiyon emk denir. Meydana gelen bu zıt emk iletken üzerinden geçen akımdaki artışı artırmaya veya azaltmaya çalışır. Dolayısıyla lenz kanununa göre kendisini meydana getiren sebebe karşı koyar. Dolayısıyla iletkenin alternatif akıma karşı direnci artar. Bu etkiye endüktif reaktans (XL) denir ve iletken üzerinde bir gerilim düşümüne sebep olur. Fakat aktif güç kaybına bir etkisi yoktur. Endüktif reaktans, hatların bir veya üç fazlı oluşları ile, hat iletken düzenlerine, iletkenler arasındaki aralığa ve iletken yarıçaplarına bağlı olarak değişir. Bir fazlı ve üç fazlı simetrik hatlarda hattın 1 km’si için endüktans;
4 – 10 ) 5 , 0 . log . 6 , 4 ( x L r
d
+ = (Henri/Km) formülü ile hesaplanır, L=Endüktans (Henri)
d=İletkenler arası açıklık(cm) r=İletken yarıçapı (cm) (Simetrik hat) Simetrik hat her fazının endüktansı birbirine eşittir.(LR=LS=LT) ve açıklıklar eşittir (d12=d23=d31)
İletkenler asimetrik olarak yerleştirilmiş ise fazların her birinin endüktansı değişiktir. Bu nedenle hatlarda çaprazlama yapılarak endüktans eşitlenir. İletken aralıkları değişik değerde ise d yerine dm eşdeğer aralık konulur. dm=³√¯d12.d31.d23¯
Endüktif reaktans (XL);
XL=2.π.f.L ( Ohm) formülü ile hesaplanır. f=Frekans
Endüktif reaktansın azaltılması için iletken kesitlerinin büyük, iletkenler arası açıklıkların ise küçük tutulması gerekir. Ancak büyük kesit ekonomik olmayacaktır. Ayrıca iletkenlerin cinsi ile işletme geriliminin büyüklüğü ve taşınacak güçler, kullanılacak kesitleri sınırlamaktadır.
YE3SV 1×35ş/16 mm² 20,3/35 kV kablonun 1 km’sinin çalışma indüktansı(yaklaşık) 0,775/0,508 mH (mili Henri).(Kablo kataloğundan)

tablo_1_8

Tablo 1.8: PVC izoleli kabloların endüktif reaktansları (XL) Tablo 1.8′i incelediğimizde 95 mm² kesitli PVC izoleli kablonun; 0,6/1 kV gerilimde; çok damarlı kablo XL’si 0,075 Ohm- bir damarlı 0,088 Ohm. 3,6/6kV gerilimde(95 mm²) 3 damarlı için XL’si 0,088 Ohm- bir damarlı için 0,112 Ohm. 6/10 kV gerilimde(95 mm²) 3 damarlı için XL’si 0,103 ohm-bir damarlı için 0,104 Ohm’dur.

tablo_1_9

3. KAPASİTANS

Bir kablo iletkenin yükünün potansiyeline oranına iletkenin kapasitesi denir, C ile gösterilir. Kapasitenin birimi farattır (F). Farat çok büyük bir kapasite birimi olduğu için uygulamada daha çok farat’ın milyonda biri olan mikrofarat (µf) kullanılır. Yalıtkan ile birbirinden ayrılmış karşılıklı iki iletken kondansatör özelliği gösterir. Kablo iletkenleri kendi aralarında olduğu gibi toprak zeminle de kondansatör özelliği gösterir. Yüksek gerilim enerji nakil hatlarına uygulanan alternatif gerilimin değişken özelliğinden dolayı elektrik yükünün miktarı da değişir. Elektrik yükündeki bu değişme bir elektrik akımı oluşturur. Elektrik yükündeki bu değişme sebebi ile meydana gelen bu elektrik akımına şarj akımı denir.Bu şarj akımı hattın geriliminin düşmesini,güç kat sayısını,verimini ve iletim stabilitesinin değişmesinde etkili olur. Kapasite(C) ile gösterilir ;
r d C
. log
0242 , 0
=
(µF/Km) formülü ile hesaplanır.(3 fazlı eşit aralıklı Enerji Nakil Hattı -ENH’nın 1km’si için)
r d C
. log
0121 , 0
= (µF/Km) formülü ise 1 fazlı sistemler içindir. XC=1/2.π.f.C (Ohm) formülü kapasitif reaktans hesaplanması içindir.
XC=Kapasitif reaktans
ÖRNEK: Aralarında 100 cm açıklık bulunan dolu iletkenlerden oluşmuş üç fazlı bir sistemin iletkenleri eşkenar üçgenin köşelerini oluşturacak şekilde yerleştirilmiştir. İletken çapı 20 mm’dir. Bu sistemin km’sinin endüktansını ve kapasitesini hesaplayınız. 4 – 10 ) 5 , 0 . log . 6 , 4 ( x L
r
d
+ = 4 – 10 ) 5 , 0 . log . 6 , 4 ( 1
100
x L + = = 0,00097 mH/Km (Endüktansı)
r d C
. log
0242 , 0
=
1 100 . log
0242 , 0
= C = 0,0242/2 =0,0121 µF/Km (Kapasitansı)

Yer altı kablolarının iletken damarları (fazları) arasındaki aralıklar (d) daha küçük olduğundan bu kablolardaki kapasite hava hatlarına göre daha büyüktür. Kapasite 66 kV’luk gerilimden yüksek olan enerji iletim hatlarında dikkate alınır. Daha düşük gerilimlerde kapasite değeri dikkate alınmaz.

YE3SV 1×35ş/16 mm² 20,3/35 kV kablonun 1 km’sinin çalışma kapasitesi (yaklaşık) 0,116 µf’tır (Kablo kataloğundan).

Elektrik enerjisi dağıtım ve iletim tesislerinin proje çizimi, hesaplamaları ve yapımında hat sabitelerinin önemi büyüktür. Eğer enerji nakil ve dağıtım hatlarının empedansını hesaplamak için, kapasitans dikkate alınmadığında; empedans Z=√R²+XL² ile bulunur. Burada Z=Empedans (Ohm) cinsindendir.

Enerji nakil hatlarında hat sonu geriliminin sabit tutulabilmesi için yüke paralel bağlı senkron makineler kullanılır. Hatların başındaki senkron generatörler(aşırı ikazlı senkron makineler) gereken kapasitif reaktif gücü verebilecek kapasitede iseler hatlara kapasitör konulmasına gerek duyulmaz.Hatlardan çekilen yükler, çoğunlukla endüktif yüktür. Yani akım gerilime göre geri fazdadır. Bu durum hat başı gerilimi ile hat sonu gerilimi arasında farklar meydana gelmesine sebep olur.

Gerilim farklılığını önlemek için çoğunlukla hatlara şönt kapasitörler konulur. Hatların endüktansı fazla ise endüktif reaktans(XL) üzerinde meydana gelen gerilim düşümünü önlemek için ise seri kapasitörler kullanılır.

Seri kapasitörler enerji nakil hatlarının 2/3 mesafesinde uygun bir yere tesis edilir. Seri kapasitörlerin amacı hattın empedansını azaltmaktır. Devreye seri olarak tesis edilen kondansatör grupları, negatif bir reaktans sağlayarak enerji nakil hatlarının uzunluk ve kesiti ile belirlenen hat empedansını düşürür. Bu sayede de daha fazla güç iletimi sağlanır. Seri kapasitörler enerji nakil hatlarının ortasına (Örnek olarak 380 kV’luk Keban-Gölbaşı ENH için Kayseri’deki kapasitör tesisi verilebilir) veya enerji nakil hattının trafo merkezlerine giriş ve çıkışına(Örnek olarak Seydişehir-Erzincan hattının her iki ucuna %22,5′luk kompanzasyon yapabilecek seri kapasitör tesisi verilebilir)tesis edilir. Ayrıca şönt kapasitörler de tesis edilmektedir. Şönt kapasitör yardımıyla şebekeden çekilen reaktif gücün bir kısmı karşılanır. Bu sayede endüktif reaktif akım ve enerji kayıpları düşülerek gerilim yükseltilmiş olur. Bunun sonucu olarak indirici trafo merkezlerinin ve enerji nakil hatlarının yüklenebilme kapasiteleri artırılır. Yer altı enerji hatları kullanılarak sistemin kapasitif değeri artırılabilir.

Alçak veya orta gerilim dağıtım hatlarında sadece direnç, endüktans dikkate alınır. Yüksek gerilimli iletim hatlarında ise direnç, endüktans ve kapasitans gibi sabiteler dikkate alınır. İletken damarları (Fazları) arasındaki aralıklar daha küçük olduğundan yeraltı kablolarındaki kapasite, hava hatlarına göre daha büyüktür. Yeraltı kablolarının geometrik ortalama mesafe (GMD) hava hatlarına göre daha küçüktür. Bu sebeple yeraltı kablolarının endüktif reaktansları (XL) çok küçüktür.

GERİLİM DEĞERLERİ

Kablo ve iletkenlerin anma gerilimleri Uo/U şeklinde belirtilmektedir.
Uo; Faz iletkeni ile toprak veya konsantrik iletkenler, ekran, zırh ya da metal kılıf gibi topraklama elemanları arasındaki gerilimdir.

U; İki faz iletkeni arasındaki gerilimdir.

Kablo ve iletkenlerin anma gerilimleri uluslararası standart ve norm kurumlarınca; Uo/U=0,6/1 -1,8/3- 3,6/6 -6/10 -8,7/15 -12/20 -20,3/35 KV ve daha yukarı değerlerde standartlaştırılmıştır.

Ø Üç fazlı dalgalı akım sistemlerinde Uo gerilimi ile U gerilimi arasındaki oran: Uo=U/√3

Ø İletkenlerinden hiçbirisi topraklanmamış olan bir fazlı dalgalı akım veya doğru akım sistemlerinde Uo gerilimi ile U gerilimi arasındaki oran: Uo=U/2 Ø İletkenlerinden bir tanesi topraklanmış olan bir fazlı dalgalı akım veya doğru akım sistemlerinde ise Uo gerilimi ile U gerilimi arasındaki oran: Uo=U Kabloların işletme gerilimleri;
Doğru akım(DC) tesislerinde Uo=0,6 kV’a göre imal edilmiş bir kablonun arıza yapmadan çalışabilmesi için müsaade edilen en yüksek işletme gerilimi: Um=1,8kV’tur. Bir veya çok fazlı dalgalı akım(AC) tesislerinde ise, belli bir anma gerilimine göre imal edilmiş kabloların müsaade edilen en yüksek işletme gerilimleri Um için değerler aşağıdaki Tablo 1.10 da gösterilmiştir, inceleyiniz .

tablo_1_10

Tablo 1.10′ u incelediğimizde; 4. satırdaki 6/10 kV’luk kablo için, anma gerilimi 10kV, müsaade edilen en yüksek işletme gerilimi 12kV’tır (üç fazlı dalgalı akım için).

Enerji iletim ve dağıtımı yapılmasında gerilimin büyük önemi vardır. Enerji nakil gerilimi ne kadar yüksek olursa çekilen akım azalacak ve dolayısıyla enerji nakil iletken kesiti düşecektir. Böylece iletken kesitinin düşmesi maliyeti azaltacaktır. Bunu bir örnekle açıklayalım;
ÖRNEK:Gücü 1730 KW, güç katsayısı 1 olan bir merkezin beslemesinin önce 10 KV ile sonra da 50 kV gerilim ile yapıldığında, besleme hattının direnci 1 ohm olsun. (Hat uzunluğu 1 km.)

10 kV gerilimle besleme yapıldığı durum;
I=P/√3.U.Cosφ =1730 000/1,73. 10 000.1 =100 Amper Pk=I².R=100².1=10 Kw (Besleme hattındaki kayıp güç) 50 KV gerilimle besleme yapıldığı durum;
I=P/√3.U. Cosφ =1730 000/1,73.50 000.1=20 Amper Pk=I².R=20².1=0,4 Kw (Besleme hattındaki kayıp güç) Sonuç olarak;besleme hat gerilimi 10 kV’tan 50 kV’a çıkartıldığında,hattan çekilen akım 100 amper’den 20 amper’e düşmüştür.Gerilim 5 kat arttırıldığında,akım 5 kat düşmüştür.

10 kV besleme geriliminde hatta oluşan güç kaybı 10 kV, 50 kV besleme geriliminde 0,4 Kw güç kaybı oluşmaktadır. Besleme gerilimi 5 kat arttırıldığında güç kaybı 25 kat azalmıştır.
Gerilimi yükseltmekle hem hattan çekilen akımı böylece hatta oluşan güç kaybı çok önemli miktarda azaltılabilir. Akımın azaltılması enerji nakil hattı iletken kesitini de azaltacaktır.

GERİLİM DÜŞÜMÜ VE KESİT DEĞERLERİ

Üç fazlı bir sitemde enerjiyi belli bir uzaklığa iletmek için kullanılan iletkenler gerilim düşümü ve güç kaybı oluşturur. Kullanılan şebeke çeşidine göre uygun görülen gerilim düşümü yüzdesinin belirli bir değerin üstünde olmaması gerekir. İletken kesitlerinin izin verilen gerilim düşümünden daha fazla bir gerilim düşümüne sebep olmaması istenir. Ayrıca iletken kesiti gereğinden fazla kalınlıkta tespit edilirse ekonomik olmaz. Bu sebeple elektrik enerjisi iletim ve dağıtım şebekelerinde kullanılan iletkenlerin kesitleri, izin verilen gerilim düşümü yüzdelerine uygun kalınlıkta hesap edilmelidir. Elektrik enerjisi iletim ve dağıtımında kullanılan iletkenlerin aşağıda belirtilen gerilim düşümü değerinden daha fazla olmaması istenir. Bu gerilim düşümü değerleri şunlardır; Alçak gerilimli dağıtım şebeke ve hatlarında %5′ten daha fazla gerilim düşümüne müsaade edilmez. Kendi transformatörü bulunan tesislerde, transformatörlerin AG çıkışından itibaren gerilim düşümü bakımından en kritik durumdaki tüketiciye kadar olan toplam gerilim düşümü aydınlatma tesislerinde % 6,5 motor yüklerinde % 8′i aşmamalıdır. Ring olması halinde yüksek gerilim için yukarıdaki açıklamalar aynen geçerlidir. Orta gerilimli şebeke ve hatlarında % 10′dan daha fazla gerilim düşümü olmamalıdır. Gerilim düşümü, indirici trafo merkezlerinin sekonderinden itibaren yüksek gerilim dağıtım şebekelerinde % 7′yi aşmamalıdır. Ancak ring şebekeler için ayrıca arıza hallerinde ringin tek taraflı beslenmesi durumu için gerilim düşümü tahkikleri yapılmalıdır. Bu durumda gerilim düşümü % 10′u aşmamalıdır İletken kesitlerinin normalin üstünde bir gerilim düşümü vermemeleri için uygun görülen enerji kaybının % değeri ise; Yakıt olarak fuel-oil veya kömür kullanan termik santrallerde üretilen elektrik enerjisinin iletilmesinde % 6-7 alınabilir. Hidroelektrik santrallerde üretilen elektrik enerjisinin iletilmesinde ise %10-12′den daha fazla olmamalıdır. Bilindiği gibi enerji nakil hatlarında ve enerji dağıtım şebeke hatlarında üç fazlı alternatif akım kullanılır. Üç fazlı sistemde hatlar üzerinde düşen gerilim düşümünün vektörel toplamı ve yüzde değeri hat gerilimi dikkate alınarak hesaplanır. Kabloların gerilim düşümü hesaplanırken omik dirençten başka endüktif reaktans da göz önüne alınmalıdır.