Yüksek Gerilim Hatları ve Kuleler: Türleri Tasarım ve Güvenlik

Ultra yüksek gerilimli AC trafiği merkezlerinin yanı sıra, daha sık karşılaştığımız güç iletim ve dağıtım hatlarıdır. Yüksek kuleler, dağlar ve denizler üzerinden uzanıp şehirlere ve köylere ulaşan iletkenleri taşıyarak uzaklara doğru uzanır. Bu da ilginç bir konu—bugün, iletim hatlarını ve destekleyen kulelerini inceleyelim.

Güç İletimi ve Dağıtımı

Öncelikle, elektriğin nasıl teslim edildiğini anlamaya çalışalım. Elektrik enerjisi endüstrisi genellikle dört aşamadan oluşur: elektrik üretimi, iletim, (trafiği) dağıtım ve tüketim.

• Üretim kömür ve hidroelektrik santraller gibi geleneksel jeneratörlerin yanı sıra rüzgar ve güneş enerjisi gibi modern kaynakları içerir. Tüm bunlar üretim kategorisine girer.

• İletim iletim hatları ve kulelerine dayanır.

• Trafik (veya Dönüşüm) genellikle transformatörleri kullanır. Santraldeki step-up transformatörler uzun mesafeli iletim için gerilimi artırırken, dağıtım tarafındaki step-down transformatörler bölgesel dağıtım ağları ve son kullanıcılar için uygun seviyeye indirir.

• Dağıtım tüketiciler tarafında çeşitli step-down transformatörler, orta ve düşük gerilimli ekipman, anahtarlama cihazları ve tesisatı içerir.

• Tüketim evlerdeki elektrikli cihazları, belediye altyapısında, binalarda, endüstriyel tesislerde ve diğer uygulamalardaki elektrik kullanımını ifade eder.

Yapısal olarak, iletim hatları ikiye ayrılır: havada iletim hatları ve kablo hatları. Aşağıda bir güç iletim sisteminin şematik bir diyagramı bulunmaktadır:

Uzun mesafe güç iletimi için hangi gerilim seviyeleri uygun olabilir? Taşınma kaybını azaltmak ve verimliliği artırmak için genellikle 500 kV ve üzeri AC gerilimleri kullanılır. 500 kV ile 750 kV arasındaki gerilimler Ekstra Yüksek Gerilim (EHV) AC iletimi olarak sınıflandırılırken, 1000 kV AC sistemleri Ultra Yüksek Gerilim (UHV) AC iletimi olarak bilinir. Karşılaştırıldığında, orta gerilimden 110 kV–330 kV'ye kadar çalışan hatlar genellikle dağıtım hatları olarak kategorize edilir. Bu sınıflandırmalar artan güç talebi, sistem kapasitesi ve bölgesel enerji dağılım kalıplarıyla değişebilir.

Gerilim seviyeleri faza-faza gerilime atıfta bulunur—yani üç faz (A, B ve C) arasındaki herhangi iki faz arasındaki gerilim. Evlerde kullanılan 220 volt faz gerilimidir, bu da herhangi bir faz ile toprak arasındaki gerilimdir. Gerçekten, konutlara sağlanan elektrik gücü 380 volt hattı voltaj sisteminden gelir. Sadece binanın girişinde üç faz (A, B ve C) ayrılmıştır—her faz bir apartman binasının farklı bir birimini besleyebilir. Şehirlerde veya konut bölgelerinde yaygın olarak görülen kare, kutu şeklindeki yapı—bu, yerleştirilmiş (veya kutu tipi) trafik (gösterilen resme bakınız).

Kutu tipi trafik, orta gerilimli ekipman, transformatörler ve düşük gerilimli dağıtım cihazlarını entegre eder. Şehirsel orta gerilimli dağıtım ağını (genellikle 10 kV veya 20 kV) konutlara veya belediyelere uygun 380 V gücüne dönüştürür. Kabloları göremeyebilirsiniz, çünkü Çin'deki günümüz şehir dağıtım ağları çoğunlukla yeraltı kablosunu kullanır. Ancak, bazı eski konut alanlarında veya kırsal bölgelerde, transformatörlere bağlanan ve ardından binalara veya bireysel tüketicilere uzanan havada hatları hala görebilirsiniz.

Açık alanlarda, genellikle gördüğümüz havada iletim hatları, kuleler ve iletkenlerden oluşur. Çeşitli kule tipleri vardır ve iletim hatları doğrudan akım (DC) veya alterne akım (AC) olarak sınıflandırılır.

Çin'in elektrik üretimi ve tüketimi coğrafi açıdan önemli bir dengesizlik gösterir. Kömür, rüzgar, güneş ve hidroelektrik gibi zengin enerji kaynakları geniş batı bölgelerinde yoğunlaşırken, büyük yük merkezleri binlerce kilometre uzaklıktaki orta ve doğu bölgelerindedir. Bu coğrafi uyumsuzluk, uzun mesafe güç iletimini zorunlu kılar.

Son yıllarda, büyük ölçekli rüzgar ve güneş enerjisi bazlarının hızlı gelişmesiyle, uzun mesafe güç iletimi talebi sürekli artmaktadır. Güç teslimatının omurgası olan ultra yüksek gerilim (UHV) ağların inşası hızlandırılmış, Çin'in enerji geçişine ve sürdürülebilir gelişimine güçlü bir ivme kazandırmıştır. Tüm bu uzun mesafe iletim sistemleri, kuleler ve havada hatlar aracılığıyla ağın birbirine bağlanmasını sağlar.

Havada İletim Hatları

Bir havada iletim hattı, iletkenlerin izolatörler ve donanımlar kullanılarak kulelerden asılmasıyla, iletkenler ile zemin veya binalar arasında güvenli bir boşluk sağlamaktadır. Bir iletim hattının temel işlevi, elektrik enerjisini taşımak, santralleri ve trafik merkezlerini bağlamak, paralel işlemi etkinleştirmek ve güç sistemini birleşik bir ağ haline getirmektir.

Havada hatlar, daha düşük yatırım maliyetleri, hızlı inşaat, basit ve kolay kurulum, sorunların ve tehlikelerin kolay tanımlanması, basit bakım ve onarım gibi avantajları sunar. Uzun mesafe iletimi için, yüksek güç kapasitesi nedeniyle genellikle havada hatlar kullanılır. İletim mesafesi ne kadar uzunsa, gereken gerilim seviyesi o kadar yüksektir.

Ancak, havada hatlar geniştir ve dış ortamda sürekli olarak çalıştığından, çevresel koşullar ve doğal faktörler tarafından sıklıkla etkilenebilir. Bu, yıldırım çarpması, rüzgar hasarı, buz birikimi, kirlilik yanması, dış müdahale, iletken titreşimleri ve kuş ile ilgili olaylar gibi çeşitli operasyonel arızalara yol açar.

Daha fazlasıyla, yüksek gerilimli anahtar cihazlarıyla çalışırken, mühendisler genellikle yüksek gerilim (HV), ekstra yüksek gerilim (EHV) ve ultra yüksek gerilim (UHV) sistemleriyle uğraşır, bunların çoğu havada hatlar aracılığıyla birbirine bağlanmıştır. Bu nedenle, yüksek gerilimli ekipmanlar için teknik gereksinimler, işletim ortamı ve hizmet koşulları gibi hat durumlarına yakından bağlıdır. Havada hatların özelliklerini ve arızalarını anlamanın, yüksek gerilimli ekipmanların teknik özelliklerini anlamak için önem taşıdığını anlamak gerekir.

Havada İletim Hattı Bileşenleri

Bir havada iletim hattının ana bileşenleri, temeller, kuleler, iletkenler, izolatörler, donanım (parçalar), yıldırım koruma cihazları (havadan toprak kablosu ve dalga tutucular gibi) ve topraklama sistemlerini içerir. Modern hatlar ayrıca optik toprak kablosu (OPGW) ve güç hattı taşıyıcı iletişim sistemleri gibi yardımcı bileşenleri de içerebilir.

(1) Iletkenler

Iletkenler akımı ileterek elektrik enerjisini taşır. Standart hatlar için tek iletken faz tipiktir. Ancak, EHV ve yüksek kapasiteli iletim hatları için, iki, üç, dört veya daha fazla alt iletkeni (genellikle dairesel yapıda düzenlenmiş) kullanan paket iletkenler yaygın olarak benimsenmiştir. Bu, korona salınımını azaltır, güç kaybını minimize eder ve radyo, televizyon ve diğer iletişim sinyallerine müdahale etmeyi azaltır.

(2) Kalkan (Toprak) Teller ve Topraklama Sistemleri

Kalkan telleri, iletim kulelerinin tepesinde asılır ve her kuledeki topraklama sistemine aşağı iletkenler aracılığıyla bağlanır. Yıldırım çarpması sırasında, faz iletkenlerin üzerinde yer alan kalkan tel, yıldırımın yolu keser ve akımı topraklama sistemi aracılığıyla toprağa yönlendirir. Bu, iletkenlere doğrudan çarpmaların olasılığını azaltır, hat yalıtımını aşırı gerilim hasarlarından korur ve güvenilir işlemi sağlar. Kalkan telleri genellikle 110 kV ve üzeri dereceli hatların tam boyunca monte edilir ve genellikle galvanize çelik ipliklerden yapılır.

(3) Kuleler (Pylonlar)

Kuleler, iletkenleri ve kalkan tellerini ile ilişkili donanımlarla birlikte destekler, iletkenler, kuleler, zemin ve herhangi bir çaprazlama yapısı veya bina arasında güvenli elektriksel boşlukları sağlar.

(4) Izolatörler ve Izolatör Zincirleri

Izolatörler, bir iletim hattının ana yalıtım bileşenleridir. iletkenleri destekler veya askıya alırken, kulelerden elektriksel olarak izole ederek güvenilir dielektrik direnç sağlar. Mekanik stres, elektrik gerilimi ve korrodici atmosferik gazlara maruz kalacak şekilde, izolatörler yeterli mekanik dayanım, yalıtım performansı ve bozulmaya karşı dayanıklılığa sahip olmalıdır.

(5) Donanım (Parçalar)

Iletim hattı donanımı, iletkenleri ve toprak tellerini desteklemek, sabitlemek, bağlamak ve korumakta kritik bir rol oynar, sağlam ve güvenilir bağlantılar sağlar. Donanım, işlevine göre beş ana türe ayrılır: hat klemeleri, bağlama parçaları, bağlantı parçaları, koruma parçaları ve itme ipi parçaları.

(6) Temeller

Temel, kuleyi zemine sabitler, eğilmeyi, çökmesi veya çöküşü önler.

Bu bileşenlerin her birini, sonraki tartışmalarda detaylı olarak inceleyeceğiz.

(7) Kuleler (Pylonlar)

Birçok tür iletim hattı ve kule bulunmaktadır, gerilim seviyeleri 1000 kV'ye kadar ulaşabilir. Kule malzemeleri arasında ahşap, beton, çelik örgü ve çelik tüp yapıları bulunur ve şekilleri ve tasarımları çok çeşitli olabilir. Bir iletim hattının amacı, minimum kayıplarla bir ucundan diğer ucuna elektrik gücünü taşımaktır. Bu nedenle, aynı gerilim sınıfı içinde, hatlar, impedansı minimize etmek ve iletken kesit alanını maksimize etmek için tasarlanır. Kuleler, hatları destekleyerek ve diğer iletken nesnelerle temas etmelerini engelleyerek topraklama arızalarına neden olur. Bu nedenle, yüksek ve yapısal olarak kararlı inşa edilirler. Aşağıdaki resimde yaygın kule tipleri gösterilmiştir.

Mühendislik uygulamalarındaki gerçek fonksiyonlarına dayanarak, kuleler birkaç türe ayrılır: düz çizgi (askı) kuleleri, açı (köşe) kuleleri (yön değiştirmek için kullanılır), uç kuleleri (trafik merkezlerine bağlanmak için kullanılır), transpozisyon kuleleri (faz rotasyonu için kullanılır) ve büyük açıklıklı kuleler (büyük nehir, göl veya boğazları geçmek için tasarlanmıştır). Her kule tabanında temel bulunmaktadır. iletkenler, izolatör zincirleri aracılığıyla kirişlerden asılır.

Eğer bir çelik örgü kulesine yakından bakarsanız, yukarı doğru uzanan iki küçük "boynuz" görürsünüz—her biri bir tarafta inci tel taşır. Bunlar güç iletimi için değildir; bu havada toprak kablosu (kalkan tel) olarak bilinir, yıldırım koruması için kullanılır.

Iletim kuleleri çeşitli şekillerde gelir. Tek devreli hatlar için yaygın yapılandırmalar arasında yatay olarak düzenlenmiş iletkenlerle "şişe" tipi ve üçgen iletken düzenlemesiyle "kedi başı" tipi bulunmaktadır. Hakimiyet hakkı sınırlı veya ekonomik olarak gelişmiş, arazisi az olan bölgelerde, aynı yapıda iki hatta hatta dört devre taşıyan kompakt kuleler sıkça kullanılır. Ultra yüksek gerilim (UHV) DC iletim hatları için, pozitif kutup ve negatif kutup olan iki devreyi asan T-tipi kuleler de vardır.

Bir iletim hattı koridoru, yüksek gerilimli havada elektrik hattının dışarıdan iletkenlerinden yanal olarak uzanan şerit biçimli bir alan ifade eder. Genişliği, gerilim seviyesine bağlı olarak belirlenir ve Elektrik Tesisleri Koruma Yönetmeliği kapsamında düzenlenir. Örneğin, 500 kV hat için korunan bölge 20 metre genişliğindedir. Bu bölgede sınırlı tarım faaliyetleri izinlidir, ancak yanıcı maddelerin depolanması veya binaların inşası kesinlikle yasaktır.

Iletim kulelerinde birçok dikilitaş benzeri cihaz ve küçük "rüzgar değirmeni" not ettiniz mi? Bunlar ne için? Hepsi kuş cihazları! Kuş engel dipleri, kuşların yuva yapmasını önlerken, küçük dönerek "rüzgar değirmeni" cihazları kuşları korkutur—her ikisi de genellikle kulelere monte edilir.

Iletim kulelerinin yapısı, kuşların yuva yapmak için ideal bir yer sağlar. Ancak, kuş dışkıları iletken olur. İsolatör zincirlerine dışkılandığında, iletken ile toprak arasında iletken bir yol oluşturabilir, bu da yanma, toprak arızası hatta faz arası kısa devre gibi durumlara yol açabilir. Bu nedenle, güç hatları, "öfkeli kuşlar" olarak adlandırılabilecek bir duruma karşı oldukça hassastır. Ayrıca, iletim hatlarının (veya koridorlarının) yakınında bulunan yüksek ağaçlar da güvenli işlemi tehdit edebilir—örneğin, toprak açıklığı ihlallerine veya kısa devrelere neden olabilir—ve bu nedenle düzenli olarak budanmalıdır.