Elektrik Enerjisi ile İlgili Temel Kavramlar

Konu Başlıkları Elektrik’in Kısa Tarihçesi, Ülkemizdeki Gelişmeler, Akım Sistemleri, Gerilim Düzeyleri, Alçak Gerilim Tesislerinde Güvenlik ve Koruma, Topraklamalar ve Sınıflandırma, Alçak Gerilim Şebeke Yapıları, Yüksek Gerilim Şebeke Yapıları, Sistemlerde Verimliliğin Arttırılması, Enerji Tarifeleri.

Tanım olarak “Elektrik”, Ne idüğü belirsiz; ettiğinden belirlidir. Elektrik sözcüğünün kaynağı, kehribar anlamına gelen Yunanca, elektron sözcüğüdür.

Elektrik’in Kısa Tarihçesi Elektriğin iletilebileceği ile ilgili ilk deneyler İngiliz Stephen GRAY (1696-1736) tarafından yapılmıştır. 1729 yılında yaptığı bir deneyle elektriği 255 m uzağa iletmeyi başarmıştır. Benjamin FRANKLİN (1706-1790) elektrik yüklerinin eksi ve artı olarak belirlenip, adlandırılmasını sağlamıştır. Benjamin FRANKLİN, fırtınalı bir havada yaptığı uçurtma deneyiyle paratonerin bulunmasını sağlamıştır.

Elektrik’in kısa tarihçesi Carles Augustin de COULOMB (1736-1802) elektriksel yükü tanımlayarak, elektriğin ölçülebilen bir büyüklük haline getirilmesinde büyük katkı sağlamıştır. Alessandro VOLTA (1745-1827), 18. Yüzyıl sonunda elde ettiği pil ile kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülerek sürekli akım elde edilebilmesini sağlamıştır. 19. Yüzyılda Micheal FARADAY (1791-1867) ve James Clark MAXWELL (1831-1879) in elektromagnetizma üzerine çalışmaları ile bunların matematiksel olarak ifade edilmesini sağlamışlardır. FARADAY elektrik akımının bir manyetik alan oluşturduğunu belirlemiş, bunun sonucunda, sürekli akım üretebilen dinamo geliştirilmiştir.

Elektrik’in Kısa Tarihçesi 1880 yılında New York’ta, 1882’de Londra yakınlarında ticari anlamda ilk santraller kurulmuştur (doğru akımlı sistemler). 1886 yılında Nikola TESLA tarafından, laboratuvar ortamında, alternatif akım‘ın üretilmesi ve ardından transformatörün keşfi, elektrik enerjisinde çok önemli bir dönüm noktası oluşturmuştur.

Ülkemizdeki Gelişmeler İlk uygulama, 1902’de Tarsus’ta bir su değirmenine 2 kW’lık dinamo bağlanarak gerçekleştirilmiştir. İzmir 1905’te elektrik enerjisi ile tanışmıştır. (Selanik1905’te, Şam 1907’de, Beyrut 1908’de). İstanbul Silahtarağa’da 3x600 kW’lık santral 1910 yılında kurulmuş, 1914’te işletmeye alınabilmiştir. Ankara 1924’te, İzmit 1926’da elektrik enerjisine kavuşmuştur.

Ülkemizdeki Gelişmeler Cumhuriyetin ilk yıllarındaki uygulamalar, imtiyazlı yabancı ortaklıklarca gerçekleştirilmiştir. Cumhuriyetin ilk yıllarında liberal ekonomi modeli benimsenmiş; ancak, 1929 ekonomik krizine karşı önlem olarak, 1930’da “Türk Parasını Koruma Kanunu” çıkarılmıştır.

Ülkemizdeki Gelişmeler Bu yasanın çıkması ile söz konusu şirketler, kazançlarını yurt dışına çıkarmakta zorlanmaya başlayınca yükümlülüklerini savsaklamaya yönelmişlerdir. Bunun üzerine çıkarılan “Belediyeler Yasası” ile belediyelere, kendi sınırları içinde su, havagazı, tramvay ve elektrik tesisleri yapma ve işletme olanağı tanınmıştır. 1932’de kamu öncülüğünde gelişme (Devletçilik) modeline geçilmiştir. Böylece, ayrıcalıklı tekeller kaldırılmış, madenler kamulaştırılmış, yabancı ortaklıkların elindeki işletmeler belediyelere devredilmiştir. 1934’te Yüksek Müh. Mektebi’nde (İ.T.Ü.), elektrik ve makina mühendisi yetiştirmek üzere “Elektromekanik Bölümü” kurulmuştur.(1944’te Elektrik ve Makine Fakülteleri).

Ülkemizdeki Gelişmeler Bu yıllarda kurulan işletmeler (örnek olarak) : Karabük Demir Çelik İşletmeleri, Kırıkkale MKE, Kozlu EKİ, Şeker Fabrikaları, Sümerbank Fabrikaları, MTA (Maden Tetkik ve Arama Kurumu), Etibank İşletmeleri, EİE (Elektrik İşleri Etüt İdaresi), İller Bankası, . . . Sözü geçen sanayi kuruluşları, kendi gereksinimlerini karşılamak üzere santraller kurmaya ve çevrelerindeki yerleşim birimlerine enerji vermeye başlamışlardır.

Ülkemizdeki Gelişmeler Bunlara paralel olarak, ulusal enerji planının ilk aşamaları ortaya çıkmaya başlamıştır. Etibank, Zonguldak kömür havzasının düşük değerli ürünlerini kullanmak üzere, 1940’ta, 3x20 MVA’lık Çatalağzı Termik Santralini kurmayı planlamış; ancak, savaş nedeniyle yapımına 1946’da başlanmış ve 1948’de işletmeye alınabilmiştir. Burada üretilen enerjiyi İstanbul’a iletmek üzere, 66 kV’luk iletim hattı kurulmuştur. Bu hat ulusal şebekenin (enterkonnekte sistemin) ilk adımını oluşturmuştur.

Ülkemizdeki Gelişmeler 1950’li yıllarda, TEK gibi bir kurumun oluşturulması fikri birkaç kez gündeme gelmiş, 1970 yılında gerçekleşebilmiştir. Ancak, TEK hiçbir zaman, Avrupa ülkelerinde 1945-50 yıllarında kurulanlara benzer yapıda olamamıştır. Örneğin, yerleşim bölgelerinde belediyelerin sorumlulukları devam ederken, bazı özel şirketler de varlıklarını sürdürmüşlerdir. Belediyelerin elindeki yetki ve sorumluluklar, 1982 yılında TEK’e devredilebilmiştir. Ardından TEK’in diğer KİT’lerle birlikte özelleştirilmesi gündeme getirilmiştir.

Ülkemizdeki Gelişmeler Bir kamu iktisadi kuruluşu olan TEK, Bakanlar Kurulu Kararıyla (1993 ), Türkiye Elektrik Üretim İletim AŞ (TEAŞ) ve Türkiye Elektrik Dağıtım AŞ (TEDAŞ) adı altında iki ayrı iktisadi teşekkülü olarak yapılandırılmıştır. Anayasa Mahkemesi kararıyla TEK’in mülkiyet satış yöntemiyle özelleştirilmesini öngören 3974 sayılı Kanunun temel hükümleri iptal edilmiştir (1994). Bu karar doğrultusunda kamu elektrik işletmelerinin mülkiyet devri ile özelleştirilmesi yolu kapatılmış, buna karşılık, 3096 ve 4046 sayılı kanunlara göre işletme hakkı devri yöntemiyle özelleştirme yolu açılmıştır.

Ülkemizdeki Gelişmeler 20.02.2001 tarih ve 4628 sayılı Elektrik Piyasası Kanununa  dayanılarak, Bakanlar Kurulu Kararı ile TEAŞ, Türkiye Elektrik İletim AŞ (TEİAŞ), Elektrik Üretim AŞ (EÜAŞ) ve Türkiye Elektrik Ticaret ve Taahhüt AŞ (TETAŞ) adları ile anonim şirketler statüsünde, üç ayrı iktisadi devlet teşekkülü biçiminde yapılandırılmıştır. Elektrik Üretim AŞ (EÜAŞ)’ye bağlı bir kısım santraller özelleştirilmiş, bir kısmının da özelleştirilmesi gündemdedir. TEDAŞ ise 2004 yılında, Özelleştirme Yüksek Kurulu kararı ile özelleştirme kapsam ve programına alınmıştır. Dağıtım bölgeleri yeniden belirlenerek, Türkiye 21 dağıtım bölgesine ayrılmıştır. Bu bölgelerden birkaçı, işletme hakkı devri biçiminde özelleştirilmiş, kalanlarının da 2010 yılı sonuna kadar özelleştirilmesi planlanmıştır.

Akım Sistemleri Doğru Akım Yönü ve şiddeti zamanla değişmeyen akımdır. (Pil, akümülatör ya da genel olarak doğrultucularla alternatif akımdan elde edilebilir). t I

Akım Sistemleri Alternatif Akım Yönü ve şiddeti zamanla periyodik olarak değişen akımdır. I t Genel olarak üç fazlı olarak üretilmesi söz konusudur, Akım şiddeti, etkin (karesel ortalama) değer olarak tanımlanır.

Akım Sistemleri Elektriksel güç, P ~ U x I U : Gerilim, (iki nokta arasındaki potansiyel fark), birimi Volt’tur (1 Volt=1 Joule/Coulomb). I : Akım, (elektriksel yük hareketi), birimi Amper’dir. Üretim, iletim, dağıtım ve kullanımda elektriksel gücü arttırmak için Akım, Gerilim ya da her ikisi birlikte yükseltilmelidir.

Akım Sistemleri U = f (I), Pk = f (I2) Pk = f (U2) Akımın büyütülmesi, gerilim düşümü ve iletim kayıplarını arttırır: U = f (I), Pk = f (I2) Gerilimin yükseltilmesi, kısmi boşalma ve yalıtım kayıplarının artmasına yol açar: Pk = f (U2)

Alan Kaynakları Elektrik alan şiddeti : Gerilim’den kaynaklanır. EMO Alan Kaynakları Elektrik Alanı Elektrik alan şiddeti : Gerilim’den kaynaklanır. E, birimi: Volt / metre = V/m (kV/cm) Manyetik alan şiddeti, Akım’dan kaynaklanır. H, birimi: Amper / metre = A/m Manyetik Alan

Gerilim Düzeyleri (Alternatif akımda) Alçak gerilim: U ≤ 1000 V (1 kV) Orta gerilim : 1 kV < U ≤ 72 kV Yüksek “ : 72 kV < U ≤ 500 kV Çok yüksek “ : 500 kV < U Gerilim değerleri, etkin değer olarak tanımlanır. Üç fazlı sistemde gerilim değerleri, aksi belirtilmedikçe, faz arası değerlerdir.

Alçak Gerilim Tesislerinde Güvenlik ve Koruma Alçak gerilim tesislerinde uygulanan başlıca koruma yöntemleri, Beslemenin otomatik olarak ayrılması ile koruma, Koruma sınıfı II olan donanım veya eşdeğeri yalıtımla koruma, İletken olmayan mahallerde koruma, Topraklamasız tamamlayıcı yerel eşpotansiyel kuşaklama ile koruma, Elektriksel ayırma ile koruma, Küçük gerilim gerilim kullanma olarak gruplandırılabilir.

Alçak Gerilim Tesislerinde Güvenlik ve Koruma Elektrik tesislerinde bir yalıtım hatası sonucunda ortaya çıkan tehlikeli dokunma gerilimini ortadan kaldırmak için beslemenin kesilmesi, önemli ve çok uygulanan bir yöntemdir. Devrenin kesilmesi, sigortalar, otomatik anahtarlar, artık akım anahtarları gibi hata akımı ile çalışan devre elemanları ile sağlanır. Bu gibi aygıtların çalışabilmesi için hata akımının, aygıtların önceden ayarlanmış/seçilmiş çalışma akımlarından daha büyük olması şarttır. Topraklama yapılması hata akımının büyütülmesine olanak sağlayabilir. Topraklama, alçak gerilim şebekeleri için dolaylı dokunmaya karşı yöntemlerden biri iken yüksek gerilim şebekelerinde tek yöntemdir. Şebekelerde topraklama, yalnız dolaylı dokunmaya karşı koruma görevi yapmaz, aynı zamanda şebekenin düzgün çalışmasını da sağlar.

Alçak Gerilim Tesislerinde Güvenlik ve Koruma Topraklama: Elektrikli işletme araçlarının (generatör, transformatör, motor, kesici, ayırıcı, direk, aydınlatma armatürü, buz dolabı, çamaşır makinası v.b.) aktif olmayan (normal işletmede gerilim altında olmayan) metal kısımlarının bir iletkenle toprakla birleştirilmesidir. Toprakla bağlantı, çeşitli şekillerdeki topraklayıcılarla (topraklama elektrotları) yapılır. Topraklama direnci: Bir topraklama tesisi ile bundan yeteri kadar uzakta bulunan referans toprak arasında ölçülen direnç değeridir. Bu değer topraklama barasından başlayarak, topraklama iletkeni ve barasının dirençleri, topraklama elektrotlarının yüzeyi ile toprak arasındaki geçiş direnci, topraklayıcıdaki yayılma direnci ve toprağın direncinden oluşur. Genel olarak yayılma direnci, diğerlerine göre büyük olduğundan, topraklama direncinin, topraklayıcının yayılma direncinden oluştuğu kabul edilir. Toprak özdirenci, toprak cinsine, rutubet durumuna ve sıcaklığına bağlıdır.

Topraklayıcıdan Akım Geçmesi Bir topraklayıcıdan (topraklama elektrodundan) toprağa akım geçtiğinde, topraklayıcıdan çevreye doğru akım yayılması olur. Bu yayılma, topraklayıcı çevresindeki potansiyelin yükselmesine yol açar. Toprak içinde eşpotansiyel noktaları birleştiren eğrilerin bir potansiyel çadırı veya hunisi meydana getirdiği düşünülür. Bir topraklama elektrodunun yükselen potansiyeli, bu elektrodun etki alanında bulunan ikinci bir elektroda bağlı metal kısımlara taşınarak, bu kısımlarda referans toprağa göre gerilim yükselebilir. Bu olaya potansiyel sürüklenmesi adı verilir. Adım gerilimleri, şekilden de görüldüğü gibi, elektrot çevresinde yüksek olur. Potansiyel değişiminin yumuşatılması için elektrot çevresine potansiyel düzenleme elektrotları yerleştirilmesi yararlı olur.

Potansiyel (çadırı) değişimi UST TOPRAKLAMA GERİLİMİ DOKUNMA GERİLİMİ UE UST ADIM GERİLİMİ USS POTANSİYEL DAĞILIMI DÜZENLENMEMİŞ POTANSİYEL DAĞILIMI DÜZENLENMİŞ 1 m.

Topraklamanın amaca göre sınıflandırılması Topraklama başlıca üç amaçla yapılmaktadır [1]. Koruma topraklaması: İnsanları tehlikeli dokunma gerilimlerine karşı korumak için işletme araçlarının aktif olmayan metal kısımlarının topraklanması. (Temel topraklaması önemli ve yeni binalarda zorunlu olarak uygulanması gereken bir yöntemdir.) İşletme topraklaması: İşletme akım devresinin, tesisin normal işletilmesi için topraklanması. Fonksiyon topraklaması: Bir iletişim tesisinin veya bir işletme elemanının istenen bir fonksiyonu yerine getirmesi için yapılan topraklama. Yıldırım etkilerine karşı koruma, raylı sistem topraklaması, iletişim tesisleri işletme topraklaması vb.

Alçak Gerilim Şebeke Yapıları Yönetmeliklerde üç çeşit topraklama bağlantısı tanımlanmıştır. Bu bağlantıları tanımlayan ilk harf transformatör/generatör yıldız noktasının toprakla ilintisini gösterir: T - Toprağa bağlı, I - Topraktan yalıtılmış. İkinci harf aygıtların toprağa bağlantı durumunu gösterir: N - Nötr (sıfır) hattına bağlı. Buna göre, TN, TT ve IT biçiminde üç ana sistem vardır. TN sisteminde üç alt grup ortaya çıkmaktadır. TN-C, TN-S, TN-C-S S: Ayrık (Separated), C: Birleştirilmiş (Combined).

Sistem nötrü ve aygıtlar ayrı ayrı topraklanmış TT Sistemi N L1 L2 L3 Bina 1 Bina 2 Sistem nötrü ve aygıtlar ayrı ayrı topraklanmış Yalıtılmış nötr hattı Y.Müh. İsa İLİSU

Sistem nötrü yalıtılmış ve aygıtlar topraklanmış IT Sistemi N R PE L1 L2 L3 Sistem nötrü yalıtılmış ve aygıtlar topraklanmış Y.Müh. İsa İLİSU

Koruma ve nötr fonksiyonları birleştirilmiş TN-C Sistemi N L1 L2 L3 PEN PE Koruma ve nötr fonksiyonları birleştirilmiş Y.Müh. İsa İLİSU

Koruma ve nötr fonksiyonları farklı iletkenlerle sağlanmış TN-S Sistemi N L1 L2 L3 PE Koruma ve nötr fonksiyonları farklı iletkenlerle sağlanmış Yalıtılmış nötr hattı Y.Müh. İsa İLİSU

A noktası ayrıca topraklanmalıdır. TN-C-S Sistemi L1 L2 L3 N TN-C TN-S A PEN L1 L2 L3 N PE Koruma ve nötr fonksiyonları, şebekenin bir bölümünde birleştirilmiş, bir bölümde ayrılmış A noktası ayrıca topraklanmalıdır. Yalıtılmış nötr hattı Y.Müh. İsa İLİSU

Yüksek Gerilim Şebeke Yapıları Yüksek gerilim şebekelerinde nötr noktasının topraklama durumu üç farklı şekilde olabilir. Nötrü, 1. Yalıtılmış, 2. Empedans üzerinden topraklanmış, 3. Direkt topraklanmış şebeke. Faz-Toprak kısa devrelerinde, hata akımını küçültmek/-sınırlamak için, nötr noktasının empedans üzerinden topraklanması tercih edilmektedir. Diğer taraftan hata akımının röleler tarafından doğru biçimde algılanması ve toprak kısadevresi halinde sağlam fazlarda ortaya çıkan aşırı gerilimleri sınırlayabilmek için hata akımının, büyük ölçüde sınırlandırılmaması yoluna gidilmektedir.

Yıldız Noktası Yalıtılmış Şebeke Ic1 Ic2 L1 L2 L3 ICE UL1 UL2 UL3 Un: Faz arası gerilim, c : Gerilim faktörü olmak üzere, ICE = 3.CE.cUn/ 3 CE IC2 IC1   Y.Müh. İsa İLİSU

Yıldız Noktası Bobin Üzerinden Topraklanmış Şebeke IL Ic1 Ic2 L1 L2 L3 ICE UL3 UL1 UL2 IRes L ICE = 3.CE.cUn /  3 IL= c.Un / 3..L ICE = IL 3CE = 1/ L Y.Müh. İsa İLİSU

Sistemlerde Verimliliğin Arttırılması Verimliliğin arttırılması, doğru planlama, proje, tesis ve işletme ile mümkündür. İyi bir sistemde herşeyden önce, Teknik kayıpların neler olduğu ve miktarı bilinmeli, Ticari kayıpların neler olduğu ve miktarı iyi bilinmeli, Tüketiciye sunulan enerjinin devamlılığı sağlanmalı, iyi bir işletme yapılmalıdır.

Sistemlerde Verimliliğin Arttırılması OG /AG transformatör çıkışlarında fazlarda dengeli yük dağılımı yapılmalıdır. Özellikle AG hatlarındaki bağlantılar uygun klemenslerle yapılmalıdır. Bağlantılar sıkı olmalı, oksitlenmiş klemensler temizlenmeli, yıprananlar değiştirilmelidir. OG'de Dağıtım gerilimi doğru seçilmelidir. OG'de YG/OG İndirici merkezlerinde kompanzasyon yapılmalı, AG'de tüketicilerin bireysel ya da grup kompanzasyonu yapması sağlanmalıdır. Kablo sistemlerinde akımların, manyetik etki ile oluşturabilecekleri kayıplar göz önüne alınmalıdır.

Sistemlerde Verimliliğin Arttırılması AG'de hava hatlarından yeraltı kablosuna geçilmelidir. Şehir şebekesinde ağaçlar arasında kalan hatlarda, hem kayıplar artmakta hem de rüzgarda ağaç dallan iletkeni sallayarak, klemens bağlantılarını gevşetip, kopmasına neden olmaktadır. Enerji kullanımının, puant zamanı dışına kaydırılması cazip hale getirilmelidir. Böyle bir uygulama, üretim ve iletim birimlerinde büyük yararlar sağlayacaktır. (Enerji tarifeleri).

Sistemlerde Verimliliğin Arttırılması Gerilim Düşümleri Azaltılmalı Gerilim düşümleri, tüketicilerin daha fazla akım çekmesine, transformatör ve iletkenlerinin daha fazla ısınmasına dolayısıyla enerji kaybına sebep olur. OG/OG ve OG/AG transformatörlerinin çıkış gerilim seviyeleri kademe değiştiricilerle ayarlanmalıdır. Kullanıcıya sunulan gerilim, hat başında, nominal değeri, %10‘dan daha fazla aşmamalı, hat sonunda %10'dan daha fazla düşmemelidir. Gerek OG gerekse AG'de iletken kesitleri yükü karşılayacak boyutta seçilmeli, enerji taşıma mesafeleri olabildiğince kısa tutulmalıdır. Kaynak, kullanıcıya en yakın mesafede olmalıdır. Özellikle OG/AG transformatörlerinin yer seçimi bu konuda çok önemlidir.

Sistemlerde Verimliliğin Arttırılması Bilgisayar, tv gibi aygıtlar uzun süre, hazır (stand-by) konumunda bekletilmemeli, Aydınlatmada, gün ışığından olabildiğince yararlanılmalı, Aydınlatmada yüksek verimli lambalar kullanılmalı, sık açma-kapamalardan sakınılmalıdır.

Enerji Tarifeleri Gün boyunca enerji kullanımı, saatlere göre önemli değişiklikler gösterir. Kullanımın en yoğun olduğu zaman dilimi, genel olarak akşam saatleridir (puant zamanı). Öte yandan, üretimden kullanım noktasına kadar, tüm enerji sisteminin yoğun kullanımı karşılayacak kapasitede olması zorunludur. Sonuçta var olan enerji sistemi, günün belirli saatlerinde tam kapasite ile diğer saatlerinde ise düşük kapasite ile çalışmaktadır. Bu durum, doğal olarak, sistemin verimli kullanılmasına engel olmaktadır.

Enerji Tarifeleri Enerji Üretim, İletim ve Dağıtım kuruluşları, enerji kullanımını puant zamanı dışına kaydırmaya yönelik olarak, günün belirli saatleri için farklı tarifeler uygulama yoluna başvurmaktadırlar. Çok zamanlı tarife uygulamasında saat dilimleri Gündüz : 06-17, Puant : 17-22, Gece : 22-06 olarak uygulanmaktadır.

Kaynaklar [1] Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği, T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Ankara 2001. [2] Elektrik Piyasası Tarifeler Yönetmeliği, Resmi Gazete Tarihi: 11.08.2002, Sayı: 24843. [3] Elektrik Kuvvetli Akım Tesisleri Yönetmeliği, Resmi Gazete Tarihi: 30.08.2000, Sayı: 24246. [4] Elektrik Piyasası Kanunu, Resmi Gazete Tarihi: 03.03.2001, Sayı: 24335 (Mükerrer). [5] Elektrik Piyasası Serbest Tüketici Yönetmeliği, Resmi Gazete Tarihi: 04.09.2002, Sayı: 24866.

Elektriksel Ayırma ile Koruma (İletken Mahaller) 48/230 V. Küçük gerilim P N PE 230/230 V. Ayırma koruması P N PE Burada küçük gerilim ve ayırma koruması birlikte uygulanmıştır.