Alternatif Akım Sistemine Giriş: Birinci Bölüm

Elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve dağıtımı yaklaşık 100 yıldır alternatif akım (AC) sistemi ile yapılmaktadır. Nicola Tesla'nın hediyesi olan alternatif akım sisteminin temel tanımlarını bu yazımızda sizlerle paylaşıyoruz.

• 

Giriş

Kalkınmakta olan ülkemizde daha hızlı bir gelişme sağlanabilmesi için enerji ihtiyacının tam, zamanında ve ucuz karşılanması ve en önemlisi mevcut enerjinin verimli bir şekilde kullanılması büyük önem taşımaktadır. Artan elektrik enerjisi taleplerinin karşılanması için büyük yatırım maliyetlerine, ileri teknolojiye ve yetişmiş insan gücüne ihtiyaç vardır. Standartlara uygun olmayan malzemelerin kullanılmasından veya teknolojiden yeterince yararlanılmamasından kaynaklanan kayıpların bedeli tüketici tarafından ödendiği gibi, can ve mal güvenliği açısından da büyük tehlikeler meydana gelebilmektedir. 

Elektrik enerjisi, ticari ve endüstriyel alanda en çok kullanılan üründür. Sürekli devrede olması gereken bir tüketim unsurudur. Depolanması, mevcut şartlar altında söz konusu değildir, bu nedenle elektrik enerjisi üretildiği anda tüketilmesi gereken bir enerji türüdür. Zamanında kullanım ve verimliliği sağlamak için elektrik enerjisinin çok iyi kontrol edilmesi, şartname ve standartlara göre üretim, iletim, dağıtım yapılması ve yüksek güvenilirlikte kullanım ve uygulama yapılması gerekmektedir.

Şebekelerde akım, yükün değerine bağlı olarak değiştiği için kontrol edilemez ancak gerilim kontrol edilebilir. Bu nedenle besleme geriliminin sağlaması gereken bir takım standartlar mevcuttur. Alternatif akım sistemi, belirli frekanslı (50 Hz) ve belirli bir genliğe sahip gerilimde çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Sonuç olarak gerilimin genliğinde, frekansta oluşan değişiklik veya dalga şeklindeki bozulma bir güç kalitesi problemidir. Generatörler tarafından mükemmele yakın sinüs biçiminde gerilim üretilmesine rağmen şebeke empedanslarından geçen akım, gerilimde bozulmalara sebep olmaktadır. Örneğin;

Şebekede oluşan bir kısa devre sonunda gerilimin ani olarak düşmesi veya gerilimin tamamen kesilmesi,
Enerji iletim hattına yıldırımın düşmesi sonucu oluşacak aşırı gerilimin şebekede ani darbe gerilimleri meydana getirmesi, bunun sonucunda sistemdeki yalıtımın zorlanması veya delinmesi,
Bir harmonik kaynağından meydana gelen bozulmuş akımın, sistem empedansı ile gerilimi etkilemesi, bunun sonucunda diğer tüketicilerin bozuk gerilim ile beslenmeleridir.

Günümüzde tüm elektronik cihazlar, işlevlerini gerçekleştirebilmek için kararlı ve kaliteli bir enerji kaynağına ihtiyaç duyarlar. Elektronik ve bilgisayar teknolojisindeki son gelişmeler, enerji kalitesi problemini daha da önemli hale getirmektedir. Sadece bilgisayarlar değil, mikroişlemci ve mikrodenetleyici sistemleri ile kontrol edilen tüm elektronik cihazlar ve sistemler, kalitesiz enerjiden olumsuz etkilenir.

Son yıllarda bilgisayar yazılım ve donanım teknolojileri ile haberleşme teknolojilerinde yaşanan gelişmeler, üst düzey otomasyon sistemlerinin tasarımını mümkün kılmıştır. Geniş bir alana yayılmış olan enerji dağıtım sistemlerine adapte edilecek üst düzey otomasyon sistemleri ile hem elektrik dağıtım sistemlerinin işletilmesi ve kontrolü daha kolay ve kaliteli gerçekleştirilecek, hem de tüketicilere daha kaliteli ve güvenilir enerji vermek mümkün olacaktır. 

Tanımlar ve Terimler

Alternatif akım sistemi tanımaya başlamadan önce elektrik güç tesisleri ile ilgili tanımları ve terimleri bir arada sunmakta fayda vardır. Elektrik İç Tesisleri Yönetmeliği ve Elektrik Kuvvetli akım Tesisleri Yönetmeliğinden derlenen ve teknik literatürde en çok kullanılan kavramlar, aşağıda verilmiştir:

Adım gerilimi: Topraklama geriliminin, insanın 1 metre'lik adım açıklığı ile köprülenebilen bölümüdür.

Ağ (enterkonnekte) şebeke: Santrallerin birbiri ile bağlantısını sağlayan gözlü şebekedir.

Ağırlık açıklığı: Direğin iki yanındaki iletkenlerin yatay teğetli noktaları arasındaki yatay açıklıktır.

Akım devresi: Akım kaynağı ile tüketim aracı arasındaki kapalı akım yoludur.

Aktif bölümler: İşletme araçlarının normal işletme şartlarında gerilim altında bulunan iletkenleri ve iletken bölümleridir. Orta iletkenler de aktif bölümlere girer, fakat sıfır iletkenleri ve bunlara iletken olarak bağlı bölümler aktif bölüm sayılmaz.

Alçak gerilim: Etkin değeri 1000 volt ya da 1000 volt'un altında olan fazlar arası gerilimdir.

Ana indirici merkez: Gerek enterkonnekte şebekeden alınan enerjiyi, daha küçük seviyeli iletim şebekelerine, gerekse iletilerek dağıtım bölgesine taşınan enerjiyi seçilmiş dağıtım gerilimi seviyesine dönüştüren transformatör merkezleridir.

Ana kolon hattı: İşletmeye ait besleme noktasından (ana buat) tüketicinin ilk dağıtım noktasına (ana tablo, sayaç) kadar olan besleme hattıdır.

Anma değerleri: Anma gerilimi, anma akımı, anma gücü, anma frekansı gibi işletme araçları ile tesislerin boyutlandırılmasında temel alınan değerlerdir.

Anma kesiti (nominal kesit): İletkenlerin standartlarda belirtilen kesit değeridir.

Ara indirici merkez: İki veya daha fazla yüksek gerilim seviyesi kullanılan şebekelerde enerjiyi bir yüksek gerilim seviyesinden diğerine dönüştüren transformatör merkezleridir.

Aşırı akım koruma aygıtları: Elektrik akımını, öngörülen bir sınır değeri aşması durumunda kendiliğinden kesen aygıt ve düzenlerdir. Bunlar,

Eriyen telli sigortalar ile,
Aşırı akım koruma anahtarları (otomatik sigorta, motor koruma anahtarları gibi) olmak üzere iki bölüme ayrılır.

Aşırı gerilim: Genellikle kısa süreli olarak iletkenler arasında ya da iletkenlerle toprak arasında oluşan, işletme geriliminin izin verilen en büyük sürekli değerini aşan, fakat işletme frekansında olmayan bir gerilimdir.

Aşırı Gerilim: Genellikle kısa süreli olarak iletkenler arasında yada iletkenlerle toprak arasında meydana gelen, işletme geriliminin izin verilen en büyük sürekli değerini aşan, fakat işletme frekansında olmayan bir gerilimdir.

Başka şebekelerin etkisi ile oluşan aşırı gerilim: Başka şebekelerin, sözü edilen şebekeye etkisi sonucunda oluşan gerilimdir.

Dağıtım şebekesi: İletilerek tüketilecek bölgeye taşınmış olan enerjiyi, tüketiciye kadar götüren şebekedir.

Dağıtım transformatör merkezi: Yüksek gerilimli elektrik enerjisini alçak gerilimli elektrik enerjisine dönüştüren transformatör merkezleridir.

Demet iletkenler: Bir faz iletkeni yerine, iki ya da daha çok iletken kullanılan ve iletkenler arasında hat boyunca yaklaşık olarak aynı uzaklık bulunan düzendir.

Dış aşırı gerilim: Yıldırımlı havaların etkisiyle oluşan bir aşırı gerilimdir.

Direğin yararlı tepe kuvveti: Direğe gelen rüzgar yükü dışında, tepeye indirgenmiş öteki kuvvetlerin izin verilen yatay bileşenidir.

Direk açıklığı (menzil): İki komşu direk arasındaki yatay uzaklıktır.

Dokunma gerilimi: Topraklama geriliminin, insan tarafından köprülenebilen bölümüdür.

El ulaşma uzaklığı: Normal olarak girilip çıkılan yerlerde insan elinin, yardımcı bir araç kullanmadan her yönde ulaşabileceği uzaklıklardır. Bu uzaklıklar, basılan yüzeyden başlayarak yukarıya doğru 2,5 metre aşağıya ve yanlara doğru 1,25 metre varsayılır.

Elektrik işletme araçları: Tüm olarak ya da ayrı bölümler halinde elektrik enerjisinin kullanılmasını sağlayan araçlardır.

Elektrik işletme yerleri: Esas olarak elektrik tesislerinin işletilmesine ait yerler olup buraların yalnız ilgili işletme personeli girebilir. Örneğin bağlama tesisi bölümleri, kumanda yapıları ayrılmış bölümlerdeki dağıtım tesisleri, ayrılmış elektrik deney yerleri ve laboratuarlar, makineleri yalnızca yetkili personeli tarafından kullanılabilir) santral makine daireleri ve benzeri yerler bu gruba girer.

Elektrik kuvvetli akım tesisleri: İnsanlar, diğer canlılar ve eşyalar için bazı durumlarda (yaklaşma, dokunma vb.) tehlikeli olabilecek ve elektrik enerjisinin üretilmesini, özelliğinin değiştirilmesini, biriktirilmesini, iletilmesini, dağıtılmasını ve mekanik enerjiye, ışığa, kimyasal enerjiye vb. enerjilere dönüştürülerek kullanılmasını sağlayan tesislerdir.

Elektrik tüketim araçları: Elektrik enerjisini, elektriksel olmayan başka bir enerjiye çeviren yada haberleşmede kullanılan elektrik işletme araçlarıdır.

Elektrik zayıf akım tesisleri: Normal durumlarda, insanlar ve eşyalar için tehlikeli olan akımların meydana gelemediği tesislerdir.

En büyük çekme gerilmesi: -50C'da hesap için esas olan ek yükte ya da en küçük ortam sıcaklığında ek yüksüz yahut +50C'da rüzgar yükünde oluşan iletken gerilmelerinin en büyük yatay bileşenidir.

Enerji kabloları: Elektrik enerjisinin iletilmesi veya dağıtılması için kullanılan, gerektiğinde toprak altına da döşenebilen yalıtılmış iletkenlerdir.

Faz iletkeni: Akım kaynaklarını tüketicilere bağlayan fakat orta noktadan ya da yıldız noktasından çıkmayan iletkenlerdir.

Gerçek kesit: Örgülü iletkenlerin, yapım toleransları dikkate alınmaksızın, net kesit değerleridir.

Gövde Teması: Bir hata sonucunda bir elektrik işletme aracının gövdesi ile aktif bölümler arasında meydana gelen iletken bağlantıdır.

Gövde: İşletme araçların her an dokunulabilen, aktif bölüm olmayan fakat bir arıza durumunda gerilim altına girebilen iletken bölümleridir.

Hat Teması: Kısa devre olayının geçtiği akım devresi üzerinde faydalı bir direnç bulunursa, bu olaya hat teması adı verilir.

Hata akımı koruma bağlaması: Gerilim altında olmayan iletken tesis bölümleri üzerinde ya da topraktan anahtarın anma hata akımını aşan bir hata akımının geçmesi durumunda, bir hata akımı koruma anahtarının elektrik devresini kendiliğinden açtığı bir bağlantı biçimidir.

Hata akımı: Bir yalıtkanlık hatası sonucunda geçen akımdır. Hata akımı ya bir kısa devre akımıdır ya da toprak teması akımıdır.

Hata gerilimi koruma bağlaması: Gerilim altında olmayan iletken tesis bölümleri ile bir yardımcı topraklayıcı arasında yüksek bir dokunma gerilimini meydana gelmesi durumunda bir hata gerilim koruma anahtarının elektrik devresini kendiliğinden açtığı bir bağlantı biçimidir.

Hata Gerilimi: Aygıtların gövdeleri arasında ya da bu gövdelerle referans toprağı arasında hata durumunda meydana gelen gerilimdir.

Hava hattı çeşitleri:

i) Küçük aralıklı hatlar: Birbirini izleyen iki direk arasındaki açıklık, çıplak iletkenler için 50 metre'yi, yalıtılmış iletkenler için 60 metre'yi aşmayan hatlardır.

Not: Küçük aralıklı hatlarda 50 metre'den büyük açıklıklar: Küçük aralıklı hatlarda en büyük açıklık olan 50 metre'lik aralık ancak kaçınılmaz nedenlerle arttırılabilir. Küçük aralıklı hatlarda topografya durumu nedeniyle, 50 metre'den fazla bir açıklık gerekirse, bu bölüm büyük aralıklı hatlar gibi işlem görür.

ii) Büyük aralıklı hatlar: Birbirini izleyen iki direk arasındaki açıklık, çıplak iletkenler için 50 metre'yi, yalıtılmış iletkenler için 60 metre'yi aşan hatlardır.

Hava hattı: Kuvvetli akım iletimini sağlayan mesnet noktaları, direkler ve bunların temelleri, yer üstünde çekilmiş iletkenler, iletken donanımları, izolatörler, izolatör bağlantı elemanları ve topraklamalardan oluşan tesisin tümüdür.

İç aşırı gerilim: Toprak temasları, kısa devreler gibi istenilen ya da istenilmeyen bağlama olayları ya da rezonans etkileriyle oluşan bir aşırı gerilimdir.

İki taraftan beslenen kablo şebekeleri: Bir indirici merkezin bir başka indirici merkezde nihayetlenen ve çoğunlukla bir noktada açık işletilen kablo şebekeleridir.

İletim şebekesi: Yerel koşullar nedeniyle belli yerlerde üretilebilen ve ağ şebeke ile en üst düzeyde toplanan enerjiyi tüketicinin yakınına ileten kablo ve/veya hava hattı şebekeleridir.

İletken donanımı: İletkenle doğrudan doğruya temasta olan ve iletkenlerin bağlanması, gerilmesi ve taşınmasına yarayan parçalardır.

İletken kopma kuvveti: İletkenlerin hesapla bulunan teorik kopma değerinin %95'i ya da kataloglarda "kopma yükü" olarak belirtilen değerdir.

İletkenler: Gerilim altında olup olmamasına bağlı olmaksızın bir hava hattının mesnet noktaları arasındaki çıplak ya da yalıtılmış örgülü ya da tek tellerdir