Gücün, bir elektrik santralından tüketiciye ulaşıncaya kadar geçtiği yolları gösteren yalın bir çizim. ((Üstteki çizim) Her gerilim düzeyinde, en geçerli gerilim değerleri kullanılmıştır.Üreteçlerde 22 kV olarak üretilen gerilim, ulusal dağıtım şebekesinde 150 kV'a çıkarılır. Daha sonra, bir dizi trafo merkezinde, 30 kV, 10 kV gibi gerilimlere ve en son olarak da 380 /220 V 380 V fazlar arası ve 220 V faz toprak arası değerine indirilir.
1879'da AMPUL'ün bulunmasıyla, elektrik enerjisi, en temel gereksinmelerden biri oldu. Kısa süre sonra, güç ve ısı kaynağı olarak da elektrik kullanılmaya başlandı. Uygulama alanının genişliğine, temizliği ve donanım yalınlığı da eklenince,elektrik, konutlarda, endüstride ve ticarette yaygın biçimde kullanılır oldu.
Elektrik, bir enerji dönüşümü sonucu ortaya çıkar. Kömür, petrol ve nükleer tepkimelerden elde edilen ısı ya da akarsuların gizil enerjisinin harekete dönüşmesi, elektrik sağlayan kaynakları oluşturur.
Elektrik, bir birincil enerji kaynağı değildir. Başkabir deyişle, ışık, ısı ve harekete çevrilmesi için bazı aygıtlar kullanmak gerekir. Ancak, uzak mesafelere kolayca taşınabilmesi nedeniyle, öteki enerji biçimlerinden üstündür.
Enerjiyi santraldan tüketiciye aktarmak için, ilk zamanlar 200 voltluk bir gerilim kullanılırdı. Günümüzdeyse, 400 kilovolta kadar gerilimler kullanılabilmektedir.
Güç yitimleri: Elektrik gücünü, kaynağından tüketiciye ulaştırmak için, iki iletkenli (bir gidiş, bir dönüş) bir devreye gerek vardır. Böylece akım, alıcıdan geçerek iş yapmış olur. Kaynağın görevi, devrede akımı sağlayabilecek gerilim yaratmaktır.
Kaynak, doğru akım gerilimi sağlıyorsa, akımın gücü, yalnızca yükün direncine değil, ohm yasası uyarınca, iletkenin ve kaynağın direncine de bağlıdır. Devredeki toplam güç, gerilim ile akımın çarpımıya da yüke verilen güç ile yitip giden gücün toplamından oluşur.
Güç yitimleri, direnç le ve akımın karesiyle doğru orantılıdır. Bir iletkenin kesitinin alanı yarıya indirilirse (yani direnci, iki katına çıkarrlırsa) yitimler de iki katına çıkar. Akım iki katına çıkarılırsa, yitimler dört katına çıkar. Güç, akım ile gerilimin çarpımına eşit oldu- ğundan, gerilim iki katına çıkarılıp,akım yarısına indirilerek, yitimler dört kez azaltılabilir.
Alternatif akım devrelerinde gerilim, sinüs dalgası biçimindedir (Bk. ALTERNATİF AKIM VE GERİLİM) Bu akımın etkin değeri, en üst değerinin 0,707 katı kadardır. Kuramsal olarak bir alternatif akım donanımı, aynı verimlilikte bir alıcıya, aynı gücü sağlayacak bir doğru akım donanımının iki katı iletken malzemeye gerek gösterir.
Alternatif akımla ilgili başka bir özellik de, devre öğelerinin, özellikle elektrik motoru gibi tepkin yüklerin, magnetik ve Elektrostatik alanlar yaratarak,çevrim boyunca enerji depo etmesi ve salmasıdır. Bunun etkisiyle, bir öğe üstündeki gerilim ile akım arasında, faz farkı ortaya çıkar.Faz farkıyla orantılı olarak da, devrenin etkin gücünü azaltan bir GÜÇ FAKTÖRÜ görülür.
Toplam devre gücü, yüke verilen kuvvet artı devre yitimleri olarak belirtilir.
Toplam güç = 0,707 V maks X 0,707 I maks X I güç faktörü= 0,5 V maks X I maks X güç faktörü.
Burada V maks ve I maks en üst gerilim ve akım değerleridir. Bu eşitlik, alternatif akımın bir bölümünün,devrede hiç bir iş yapmadığını gösterir.
Şebeke kablosunun iletkenleri, hem birbirlerinden, hem de çevrelerinden yalıtılmalıdır. Bu yalıtım,olağandışı koşullarda, en üst gerilimi aşacak gerilimlere de dayanabilmelidir. Uygulamada sistem, kaynağın yansız (nötr) noktasındaki toprağa bağlanır. Böylece, yalıtımda ekonomi sağlanmış olur.
Alternatif akım sistemleri: Dünyadaki standart alternatif akım sistemleri, 3 fazlı (trifaze) ve üç telli ya da 3 fazlı ve 4 tellidir. 3 telli sistem, yüksek gerilim için kullanılır. 4 telli ise, hem üç fazın, hem de tek fazın kullanıldığı alçak gerilimin dağıtımında kullanılır.
Alternatif akım sistemlerinin en iyi yanı, gerilimin transformatörler aracılığıyla değiştirilebllmesidir. Bu, doğru akımda yapılamaz. Alternatif akımın değiştirilebilmesi, dağıtım şebekelerine yüksek gerilim verilebilmesini sağlar. Ayrıca transrormatörler,kullanım ucunda da, gerilimin, güvenlik açısından istenilen şebeke gerilimlerine indirilmesine yarar.
Bazı koşullarda alternatif akımın elektrostatik ve magnetik etkilerinin yaratacağı kısıtlamalardan kurtulmak Için, yüksek gerilimli doğru akım kullanılır.
Bir mühendisin, 400' kV'luk hatta çalışacak olan işçinin giysisini denetlemesi. (sağda üstte) Hatta bulunan herhangi bir kaçak, giysiden geçerek işçiyi etkilemeyecektir. Bakım ve küçük onarım işlerinde elektrik kesilmez.(Üstte)
Dağıtım: Gerilim ülkelere göre değişebilir, ama dağıtımın ilkeleri her yerde aşağı yukarı aynıdır. Bir çağdaş dağıtım şebekesi şu biçimde yapılır:
Jeneratör sistemleri, 22 kV'ta elektrik üretir ve santrallarda 2 000 MW ya da daha yüksek güçlerde gruplar oluşturulur. Bu gerilim, uzaklara güç iletimi için ekonomik değildir. Bu nedenle, gerilim, her üretece bağlı transformatörlerle daha yüksek gertllmlere sözgelimi 150 kV'a çıkarılır. Transformatörler,yüksek gerilim devre kesenleriyle (Bk. SİGORTALAR VE DEVRE KESENLER) dağıtım merkezlerine bağlanır. Bu merkezlerden çıkan kablolar, yer altından ve havadan yüksek gerilim ağını oluşturur.
Genellikle, elektrik santralları fazla güç gereksinimi bulunan yerlerden uzak bölgelerde kurulduğundan, söz konusu yerlere elektrik, yüksek gerilim hatlarıyla iletilir. Gereksinim bölgelerindeki ara merkezler, gerilimi düşürür (3-30 kV'a). Orta gerilim de,orta gerilim şebekesine verilir.
Ara merkez, birden çok kenti besleyecekse, elektrik, havadan giden kablolarla küçük ve orta kentlere ulaştırılır.
Güç, 10-30 kV arasındaki, gerilimlerde dağıtım şebekesiyle istenilen bölgeye ulaştırrldıktan sonra,konutlarda kullanılması için tek fazda 110 ya da 220 volta düşürülür. Fabrika gibi büyük tüketiciler, ara gerilimlerden birine bağlanır. Gerekli güç miktarı arttıkça, bağlandıkları gerilim yükseltilir.
Büyük bir şebeke ara trafo merkezinde 750 MVA, 400/275 KV'luk üç fazlı transformatör, (Üst resimde)
Bütün yüklere, tek devreden elektrik vermek, olanaklıdır. Konutlar genellikle, tek hattan beslenir. Bununla birlikte, yükün miktarı ve önemi arttıkça en az iki hat kullanmak gerekli olur. Böylece, hatlardan birinde bir bozukluk olduğunda ya da bakım sırasında, tüketicilerin elektriksiz kalmaması sağlanır.
Kablolar ve hava hatları: Hava hatları, yeraltı hatlarından daha ucuzdur ve daha kolay döşenır, Bu yüzden: kırsal bölgelerde hava kabloları kullanılır.Ancak, yerleşme bölgelerinde, pahalı ve zor da olsa yeraltı kabloları döşemek gerekir.
Orta gerilimin (30 kV ve altı) dağıtımında, hava hatları ile yeraltı hatları arasında önemli bir fiyat farkı yoktur. Bu tür hatların döşenmesi de herhangi bir teknik zorluk çıkarmaz. Bu nedenle, küçük kentlerde orta gerilim yeraltı kablolarıyla dağıtılır.
10 KV'lık bir hatta çalışma.Hat çalışmaları için akımın kesilmemesi tüketicinin bu çalışmalardan zarar görmemesini sağlar.Bozuk direklerin değiştirilmesi gibi önemli bir işlem bile, elektrik kesilmeden yapılabilir. (Üst resim)
Ara trafo merkezleri: Ara trafo merkezlerinin amacı yüksek gerilimli bir ağı, orta gerilimli bir ağa ya da orta gerilimli bir ağı düşük gerilimli bir ağa,transformatörler ve anahtarlar yardımıyla bağlamaktır.
Anahtarlar,tevzi çubukları,devre kesiciler ve şalterlerden oluşur. Bir devre kesici, olağandışı yüklenmiş bir hattı ayırabilmeli ve kısa devre olan yerleri devre dışı bırakabilmelidir. Şalterler, alçak gerilim dışında, bir devreyi (ya da devrenin bir parçasını) ayırmak için kullanılan yüksüz öğeler ya da bir devre keslclyi bir tevzi çubuğuna bağlamaya yarayan anahtarlardır.
Şalter,hareketsiz kontaklı ve hareketli bıçaklı yalın bir aygıttır. Tevzi çubukları, röle istasyonlarında devreleri bağlamak için, seramik ızolatörlere takılmış borular ya da bakır çubuklardan oluşur.
Koruma: Sistemler, kıyılardaki korozyon ortamı ve yıldırım düşmesi gibi doğal nedenler ya da bir vincin takılması gibi kazalar nedeniyle bozulabilir. Bir iletken toprakla ya da başka bir iletkenle kısa devre yapabilir. Böyle bir durumda devreye verilen enerjinin hemen kesilmesi gerekir. Bu nedenle hatlara, otomatik korunma sistemleri yerleştirilir.
En yalın korunma aracı, aşırı yük altında eriyip akımı kesen sigortalardır. Sigortalar, 11 kV'luk gerilimiere kadar kullanılabilir. Devre kesicilerin döşendiği yerlerde, öteki koruyucu aygıtlar kaçak akımı bulur ve devre kesiciye sinyal gönderirler. Devre kesici de akımı keser.
Bazı durumlarda korunma sistemi, önceden belirlenen akım düzeyi geçildiğinde çalışır. Sistem, anında çalışacak gibi ya da biraz gecikmeli olarak ayarlanır. Birden çok sistemin döşendiği durumlarda, trafoya uzaktakiler çok çabuk, yakındakiler daha yavaş geçecek biçimde ayarlanır. Böylece, hattın sonundaki bir arızanın, yalnızca o bölümü devre dışı bırakması sağlanır. Bu tür düzenleme, 11 kV'a kadar olan ve tek yandan beslenen devreler için uygundur.
Daha karmaşık sistemler, devreye giren ve çıkan akımı ölçüp, arada fark varsa harekete geçerler. Böylece, sağlam bir devreden hatalı bir devreye akan hatalı akım, sağlam devrenin kesilmesini gerektirmez.
Başka bir sistem de, hem akımı, hem de gerilimi ölçerek, arıza ile devre bölücünün arasındaki uzaklığı hesaplar. Bozukluğun ortaya çıktığı yer, sistemin koruduğu bölgenin dışındaysa sistem hemen harekete geçmez.
Eşzamanlama: Genellikle elektrik sistemleri, frekansı 50-60 Hz olan 3 fazlı alternatif akımdır. Bu nedenle, bir üretecin üretime geçmesi için, öteki üreteçlerle uyum içinde çalışması gerekir.
Üreteçteki her fazın gerilimi, doruk noktasına,öteki üreteçleri fazlarıyla aynı anda ulaşmalıdır.Üretecin eşzamanlaması için, hızı, gerilim dorukları uyuşuncaya kadar biraz artırılarak ya da azaltılarak ayarlanır. Devre kesici tam anında kapanır ve üreteç,sistemdeki öteki üreteçlerle eşzamanlanmış olur.
Kararlılık: Bir devrenin kararlılığı, onun olağandışı gerilim, frekans ya da eşzamanlama bozukluğuna dayanma özelliğidir. Devre boyunca iletkenlede indüklenen magnetizma (reaktans) etkisiyle, gerilim doruklarının yerlerinde kayma olabilir. Devre boyunca verilen güç, güç-açı kuralı denen bir matematiksel bağınıtıyla belirlenir. Gerilim dorukları arasındaki açı arttıkça, iletilen güç de artar. Açı 90 dereceye'ye erişince, güç en yüksek değere erişir, sonra azalır. Aynı bağıntı, üretecin veriminde de kullanılır.
Ancak burada, rotor açısı önemlidir. Bu açı, rotorun üstünde dönen alanın kutbunun, statorda dolaşan gerilimin doruğuyla yaptığı açıdır. Buhar türbinine fazla buhar geldikçe, rotor hızlanır, açı büyür ve dolayısıyle daha çok güç oluşur.90 dereceye kadar bu durum sürer.90 dereceyi geçer geçmez, birdenbire bir azalma görülür ve rotor eşzamanlılığını yitirir.
Normal bir sistemde en çok verim, 30° dolayında alınır. Bu değerden, 90 derece'ye varmak için,türbin gücünde % 100'lük bir artış gerekir.
Üretece yakın bir yerde arıza olduğunda, gerilim sıfıra düşerek, üretecin verimini de sıfıra düşürür (hatta yüksek bir akım bulunsa da, gerilimle aynı fazda olmadığından, bır işe yaramaz). Bu arıza sürerken, verimin sıfır olmasına karşılık, türbine sürekli buhar gücü verilir ve rotor hızlanır. Bu nedenle, arızanın hızla onarılması gerekir.
Arıza ortadan kalktığında, rotor hızı çok yüksektir. Bu yüzden üreteç, türbine verilenden daha çok güç üretmeye çalışır. Sonuç olarak rotor yavaşlamaya başlar ve güç girdi çıktısının uyuştuğu bir açıda kalır. Arızalı bir devre, kesildiğinde sistemle üreteç arasındaki reaktans artacaktır.
Günümüzde arızaların, 120 milisaniyede (ms) düzeltilmesi olanaklıdır. Ayrıca, bu süreyi 80 ya da 40 ms'ye indirmek için çalışmalar yapılmaktadır.
Kararlılığı artırmak için buhar girişini kısan, rotor hızını artıran REGÜLATÖR gibi otomatik aygıtlar da vardır. Bu aygıtlar, arızanın giderilmesinden hemen sonra, giriş gücünü azaltıp, çıkış gücünü artırır.
Denetim: Elektrik gereksinimi, gün ve yıl boyunca değişir. Ancak, büyük ölçüde elektriğin istendiği zaman kullanılması için depolanması olanaksızdır. Bu yüzden, üretimin talebe göre ayarlanması gerekir.Küçük değlşiklikler, frekans ve gerilimde küçük farklarla sağlanır.
Denetim merkezlerinde mühendisler birkaç saat,birkaç gün ya da hafta için tahmin yaparlar. Böylece, hangi santralın, ne zaman devreye gireceği planlanır.
Talepteki değişikliğe bağlı olarak üreteçler çalıştırılır ya da durdurulur. Hangilerinin önce, hangilerinin sonra çalıştırrlacağı, santralların elektrlk üretme harcamaları göz önüne alınarak belirlenir. Eski küçük santralların işletilmesi, genellikle yenilerden daha pahalı olmaktadır ( Bk. ELEKTRİK SANTRALI )
Sistemin gerilimi, transformatörlerle gerilim oranını biraz değiştirerek, üreteçlerin rotor alanının kuvvetini ayarlayarak ya da kablo sistemlerindeki şöntlerle denetlerıır. Sistem frekansı ise, türbine verilen buhar miktarıyla ayarlanır .
Tüketicilere verilen frekans ve gerilim, yasalarla denetlenir. Sözgelimi, bunlar normal değerlerinin % 1 ile % 6 'sı arasında tutulmak zorundadır.
Alıntıdır.Kaynak: Nasıl Çalışır Ansiklopedisi,2. cilt,Sayfa 663-666'dan bir alıntıdır.