YATIŞKIN- DURUM İLETİM HAT MODELLERİ

Elektrik enerjisinin, üretilen yerden alınıp tüketim bölgelerine ulaştırılması için gerekli olan sistemlere iletim şebekesi denilir.

Elektrik enerjisinin bir tüketim bölgesi içerisinde alçaltıcı trafo merkezinden alınıp, tüketicilere ulaştırılması için gerekli olan sistemlere ise dağıtım şebekesi denir. Bu sistemler, genellikle orta-gerilim şebekesi (1-35 kV) ile trafo merkezleri ve alçak-gerilim şebekesinden meydana gelir.

Enerji iletim hatları yatışkın-durum ve anlık durum olmak üzere iki farklı şekilde incelenip analiz edilmektedirler. İletim hatlarının anlık durum incelemesi ve modellenmesi oldukça zordur ve çok fazla matematiksel teorem ve işlem gerektirir. İletim hatları genel olarak anlık durumdan ziyade yatışkın-durum dediğimiz sürekli hal durumlarında incelenip modellenmektedir.

İletim hattı, Şekil 5.1’de gösterildiği gibi iki kapılı şebeke olarak tanımlanabilir. Şeklin sol
tarafındaki ilk kapı gönderici-uç ve sağ taraftaki ikinci kapı ise alıcı-uç olarak adlandırılır. Gösterimde, “ S ” indisi gönderici-uç tarafını, “ R ” indisi ise alıcı-uç tarafını simgelemektedir. VS ve S I , sırasıyla gönderici-uç tarafındaki gerilim ve akım değerlerini, VR ve RI ise alıcı-uç tarafındaki gerilim ve akımın fazör değerlerini ifade etmektedir.

80 km’den kısa havai hatlar kısa iletim hattı olarak adlandırılır, Şekil 5.2 deki devre bu tipteki bir hattı göstermektedir. Bu hat tipi sadece seri direnç ve reaktans içerir, şönt admitans ihmal edilir. Bu devre, tekfazlı veya denge koşullarında çalışan transpoz edilmiş üç-fazlı havai hatlara uygulanabilir.

Üç-fazlı hatlarda, Z seri empedans değeri, VS ve VR pozitif sıralı hat-nötr arasındaki gerilim değeri, S I ve RI ise hatlardaki pozitif-sıralı akım değerleri olur. Toplam seri empedans ile birim uzunluk başına düşen seri empedans arasındaki farkı anlamak ve bu iki nicelik arasındaki ilişkiyi karıştırmamak içinaşağıdaki gösterim kullanılır.

z j = + R Lω Ω/ m, birim uzunluktaki seri empedans
y j = + G C S/m ω , birim uzunluktaki şönt admitans
Z zl = Ω, toplam seri empedans
Y yl = S, toplam şönt admitans
l m , hat uzunluğu

Uzunluğu 80 km ile 250 km arasında değişen orta uzunluktaki hatlarda, toplam şönt kapasitans değeri genel olarak hattın her iki ucuna yarı yarıya dağıtılır. nominal π devresi olarak adlandırılan devrede A,B,C,D ve parametrelerini bulabilmek için, seri kısımdaki akım değeri IR+ VRY/2 şeklinde alınır.

Dikkat edilmelidir ki; hem kısa hem de orta uzunluktaki hatlar için, AD-BC = 1 ilişkisi sağlanır.
Ayrıca, aynı hat olduğu sürece herhangi bir uçtan bakıldığında A=D olur.Kısa hat gösterimi
olan seri empedans ve orta uzunluktaki hat gösterimi olan π devrelerini içeren çeşitli devrelerin
A,B,C, D ve parametrelerini vermektedir. Orta uzunluktaki hat gösterimi  gösterilen T devresinin seri empedans değerini hattın her iki ucuna dağıtarak oluşturulabilir. Seri bağlı şebekelerin
genel A,B,C, D ve parametreleri, her bir şebekenin bireysel A,B,C, D ve matrislerinin çarpımı
yapılarak hesaplanabilir. 

Yüklenme terimi uçlara bağlanan yükün elektriksel olarak artması veya azalması durumudur.

Gerilim regülasyonu; gönderici-uçtaki voltajın sabit tutulması durumunda alıcı-uç tarafında
bulunan yükün, yüksüz durumdan tam-yük durumuna geçerken yine alıcı-uç tarafında gerçekleşen voltaj değişimidir.

İletim hattı elektriksel açıdan nominal değerden daha fazla yüklendiğinde iletim hat geriliminin değeri düşer, aksine daha az yüklendiğinde ise gerilim değeri yükselir. Çok yüksek gerilim
(ÇYG) hatlarında anma geriliminin ±5% değerine karşılık, yaklaşık olarak %10’luk bir voltaj
regülasyonu ortaya çıkar. Alçak-gerilim hatlarında, trafolara ait gerilim düşümleri de hesaba katıldığında %10’luk bir voltaj regülasyonu iyiye yakın çalışma koşulları olarak kabul edilebilir.

Hattın yüklenebilirlik durumu için üç temel sınırlandırma aşağıdasıralanmıştır;
1. Termal limit
2. Voltaj-düşüm limiti
3. Yatışkın-durum kararlılık limiti

İletken malzemenin maksimum sıcaklığı onun termal limitini belirler. İletkenin sıcaklığı; direkler
arasındaki iletkenin gerginliğini, bükülümünü ve de gerilme direncindeki kaybı etkiler. Eğer ki sıcaklık çok yüksek ise önceden belirlenmiş şartlar karşılanmayacak ve iletkenin elastik esneme limiti aşıldığından dolayı malzeme soğutulduğunda tekrar eski orjinal formuna dönemeyecektir. İletkenin sıcaklığı aşağıdaki 5 temel faktöre bağlıdır;
a. iletken üzerinden geçen akımın büyüklüğüne
b. iletken üzerinden geçen akımın geçiş zamanına
c. Ortam sıcaklığına
d. Rüzgar hızına
e. İletken yüzeyindeki şartlara.

Kısa iletim hatlarının (80 km’den kısa havai hatlar) yüklenebilirliği; genellikle iletkenin termal limiti
veya devre kesiciler gibi hat terminaline bağlı araçların anma değerlerine bağlıdır. Uzunlukları 300 km’ye kadar olan orta uzunluktaki hatlar için hat yüklenebilirliği; çoğu kez gerilim-düşüm limiti ile belirlenir. Bazı durumlarda çok şiddetli gerilim-düşümleri tolere edilebilecek olmasına rağmen, aşırı bir şekilde V / V 0,95 R S ≥ yüklenen hat üzerinde güvenli çalışma şartlarının sağlandığı kabul edilir. Uzunluğu 300 km üzerinde olan uzun hatlarda ise yatışkın-durum kararlılığı bir limit faktörü olmaya başlar. 

R, L ve C olarak adlandırılan hat sabitlerinin birim uzunluk başına düşen değerleri Ω / m , H/m ve
F/m olarak ifade edilir. Toplu halde, tek bir yerde değildirler fakat hat uzunluğu boyunca eşit orantılı bir şekilde dağıldıkları varsayılır. İletim hat sabitlerinin bu şekildeki doğal dağılımlarını hesaplamak için hattın Δx uzunluğundaki bir parçasını gösteren  devreyi inceleyebiliriz.

Güç sistemlerinin analiz ve tasarımında kullanılan pek çok program, iletim hattı ve trafo gibi şebeke elemanlarının devre gösterimlerini ve şemalarını kullanırlar. Bu yüzden iletim hattının terminal karakteristiklerinin ve özelliklerinin gösteriminde ABCD parametrelerini kullanmak yerine eşdeğer devrelerini kullanmak daha uygundur.  Yapısal olarak  nominal π devresine benzemektedir. İki devre arasındaki tek fark; eşdeğer π devresinde Z ve Y parametreleri yerine Z′ ve Y′ parametreleri kullanılmıştır. Buradaki amacımız; Z′ ve Y′ parametrelerini bulmaktır. (5.53) - (5.55) denklemlerinden yola çıkarak, dağıtılmış hattın ABCD parametrelerinin eşdeğer π devresinin parametreleriyle aynı olduğu gözlenir. 

Zc = L/C karakteristik empedans, kayıpsız hatlar için aynı zamanda dalga empedansı olarak
tanımlanır. Saf rezistiftir ve değer olarak gerçek (reel) sayıdır. γ yayılım katsayısının değeri ise sanal sayıdır.

Dalga boyu; gerilim veya akımın fazını, 2π radyan veya 360° periyodunda değiştirmesi için gerekli
olan uzaklık olarak tanımlanır. λ simgesiyle gösterilir.

Dalga empedans yüklenmesi, kısa adıyla (SIL) terimi, kayıpsız hat aracılığıyla dalga empedansına eşit değerdeki bir yük direncine iletilen güç değeridir.

SIL durumunda gerilim profili yataydır. Bu demek oluyor ki; SIL koşullarında gerilimin büyüklüğü, kayıpsız hat üzerindeki herhangi bir x noktasında sabittir.

SIL durumunda, kayıpsız hat üzerindeki gerçek güç akışı gönderici-uç tarafından alıcıuç tarafına kadar sabit değerde kalır. Reaktif güç akışı ise yoktur, yani değeri sıfırdır.

Güç hatları kendilerine ait dalga empedanslarıyla sonlandırılmazlar. Bunun yerine, yükler hafif
yüklenme koşullarında SIL değerinden çok az bir şekilde saparlar. Ağır yüklenme koşullarında ise hat uzunlugu ve hat kompanzasyonuna bağlı olarak SIL değerinin katları biçiminde sapmalar olur. Eğer hat, dalga empedansı ile sonlandırılmamışsa buna bağlı olarak gerilim profile de düzgün olmaz.

P mak değeri kayıpsız hattın teorik olarak Yatışkın-durum kararlılık limiti olarak ifade edilir. Bu
limit değeri aşıldığı durumlarda; gönderici-uçlara bağlı senkron makineler ve alıcı-uçlara bağlı olanlarla aralarındaki senkronizasyonu kaybederler ve kararlı durumdan çıkarak kararsız duruma geçerler. Böyle bir durum istenmeyen tehlikeli sonuçlara yol açabilir.

Endüktör ve kapasitör devre elemanları, orta ve uzun hatlarda, hat gerilimlerini nominal değere yakın tutmak ve hattın yüklenebilirliğini artırmak için kullanılırlar. Şönt endüktanslar yüksek gerilim hattı boyunca seçilen noktalarda herbir faz ile toprak arasına bağlanırlar. Bu elemanlar bağlandıkları kısımda reaktif gücü emerler ve hafif yük koşullarında meydana gelebilecek aşırı gerilimleri azaltıcı etki yaparlar. Bunlar; aynı zamanda açma-kapama olaylarında ve yıldırım düşmesi sonucu hatlarda meydana gelen geçici aşırı gerilimlerin genliklerini de azaltırlar. Ancak, şönt endüktör tam-yük durumunda devreden ayrılamaz ise iletim hattının yüklenebilirliğini de azaltır.

Şönt kompanzasyonun bir diğer türü de statik VAR sistemleri olarak adlandırılan tristör anahtarlamalı sistemlerdir. Bu sistemler üç ana grup altında toplanabilir;
a. tristör anahtarlamalı kapasitörler,
b. tristör anahtarlamalı endüktörler,
c. paralel kapasiteli tristör anahtarlamalı endüktörler.

Motor, lamba, ısıtıcı gibi cihazların en verimli çalıştığı gerilim nominal gerilim değeridir. Gerilim
değişimlerinin genliği belirli bir değeri aştığı zaman, genellikle kullanıcılarda ya bir arıza meydana gelir ya da verimsiz bir çalışma ortamı oluşur. Eğer gerilim; nominal değerde çok yüksek ise motorun demir kayıpları artar ve ısınır, lambanın ise ömrü kısalır. Eğer gerilim; nominal değerden çok düşükse, lamba daha az aydınlatır, motor momenti dönme eylemi için yetersiz kalır, asenkron makinanın rotoru kayar ve ısınma tehlikesi ortaya çıkar. O halde dağıtım şebekesinin belirli bir noktasındaki gerilimin genliğini nominal değerine yakın ve mümkün olduğu kadar sabit bir değerde tutmak gerekir.