Yerleşik Alanlarda Tek Fazlı Dağıtım Traforlarında İnovatif Uygulama Çözümleri için ABD Kırsal ve Yarı Kenti Elektrik Ağının Modernizasyonu

1 Kırsal Elektrik Ağı Zorlukları ve Tek Fazlı Tranformatörlerin Teknik Avantajları​

ABD'nin kırsal ve yarı kentsel elektrik ağı, yaşlı altyapı ve düşük yük yoğunluğu nedeniyle verimsiz enerji sağlama ile karşı karşıyadır. Hat kayıpları %7-12 arasında olup, bu oran şehir ağından (4%-6%) çok daha yüksektir. 60% üzerinde kırsal alanlar 300 metrelik güç sağlama yarıçap standartını aşmaktadır, bu da yaygın gerilim istikrarızlığını (%15-20 zirve gerilim düşüşü) bozmaktadır. Düşük yük yoğunluğunda bölgelerde (<2 MW/mil.kare) üç fazlı tranformatörler %30 yükleme oranı altında çalışmaktadır, bu da aşırı boşta kayıplara yol açmaktadır. Tek fazlı dağıtım tranformatörleri bu sorunları şu şekilde çözer:

​1.1 Teknik Özellikler​

• ​Elektromanyetik Prensip: Birincil/ikincil bobinler arasındaki sarım oranı aracılığıyla gerilim dönüştürme.
• ​Çekirdek Tasarımı: Spiral çekirdek teknolojisi ve adımlı birleşme tasarımını kullanarak, S9 tipi üç fazlı tranformatörlere göre boşta kayıpları %30-40 azaltır.
• ​Kompakt Dağıtım: Kapasite aralığı: 10-100 kVA; ağırlık: üç fazlı ünitelerin ​1/3'ü; dire üzerine monte edilmesiyle iz düşümünü minimize eder. Yüksek gerilime (10 kV) doğrudan erişimi sağlayarak, düşük gerilimli sağlama yarıçapını 80-100 metreye sıkıştırır.

​1.2 Verimlilik ve Maliyet Avantajları​

• ​Enerji Verimliliği: %30-60 yüklemede demir/korozyon kayıplarının azalması sonucu >98% operasyonel verimlilik.
• ​Kayıp Azaltma: Hat kayıpları %1-3'e düşer (4-8 puan daha düşük).
• ​Mali ROI: Kurulum maliyeti: 50 kVA ünitede 8.000 TL vs. 315 kVA üç fazlı ünitede 28.000 TL. Geri ödeme süresi: yeniden düzenleme için 5-6 yıl veya yeni projeler için 2-3 yıl.

​2 Teknik Yenilikler ve Tasarım​

​2.1 Çekirdek Yapısı ve Elektriksel Performans​

• ​Sarmal Yapılandırması: Düşük-yüksek-düşük sarmal yapısı kısa devre dayanım kapasitesini (>25 kA) ve termal istikrarı artırır.
• ​Bağlantı Modları:
• Üç tarama düşük gerilim: Orta sarmal taraması topraklama için 220V çift fazlı çıkış.
• Dört tarama düşük gerilim: Esnek sağlama için çift bağımsız sarmallar (10kV/220V oranı).
• ​Güvenlik Uyumluluğu: UL onaylı; yalıtım sınıfı: 34.5 kV (150 kV BIL); kendini sıfırlayan basınç rahatlama valfleri ve yıldırım koruması.

Tablo 1: Tek Fazlı Tranformatörlerin Teknik Parametreleri

​2.2 Gelişmiş Malzemeler ve Akıllı Teknolojiler​

• ​Çekirdek Malzemeleri:
• CRGO Çeliği: Düşük maliyet; boşta kayıp yaklaşık 0.5 W/kg.
• Amorf Metal (AMDT): Boşta kaybı %70 daha düşük (0.1 W/kg); değişken yükler için idealdir.
• ​Akıllı Entegrasyon:
• Gerilim/akım/harmoniklerin gerçek zamanlı izlenmesi.
• Yalıtım yaşlanma uyarıları için sıcaklık takibi.
• Otomatik reaktif kompensasyon (gücü faktörü >0.95).
• Arızalı noktaların bulunması, kurtarma süresini azaltır (örneğin, 2.3 saatten 27 dakikaya).

​3 Dağıtım Stratejileri ve Senaryoları​

​3.1 Hedef Uygulama Alanları​

• Düşük yük yoğunluğu bölgeleri: Nüfus yoğunluğu <500/kare mil; yük yoğunluğu <1 MW/kare mil.
• Doğrusal arazi (örneğin, yol kenarındaki topluluklar).
• Uç nokta gerilim sorunları (<110V).
• Çalmaya meyilli bölgeler (düşük gerilimli tarama risklerinin azalması).

​3.2 Hibrit Tek/Üç Fazlı Ağ Mimarisi​

• ​Topoloji: 10 kV ana hat (üç fazlı, topraklanmamış nötral) iki faz hatı (örneğin, AB-fazı) aracılığıyla tek fazlı tranformatörlere güç sağlar.
• ​Faz Dengesi: Rotasyonel faz bağlantısı (AB→BC→CA) dengesizliği <15% sınırlandırır.
• ​Kapasite Oranı: Tek fazlı üniteler toplam kapasitenin %40-60'ını oluşturur.

Tablo 2: Senaryoya Göre Konfigürasyon

​3.3 Kurulum Optimizasyonu​

• ​Dire Standartları: 12 m/15 m beton direler (yük kapasitesi ≥2 ton).
• ​Konum Planlaması: Minimum hat kaybı için coğrafi bilgi sistemine dayalı "altın merkez noktası" analizi.
• ​Yalıtım: 15 kV kavşak bağlı polietilen iletkenler (95 kV yıldırım toleransı).

​Vaka Çalışması: Pennsylvania'daki Lancaster İlçesi ortalama yarıçapı 82 m olan 127 tek fazlı ünite dağıttı, kayıpları %8.7'den %3.1'e indirerek yılda 1.2 GWh tasarruf sağladı.

​4 Vaka Çalışmaları ve Faydalar​

​4.1 Proje Analizi​

• ​Iowa Grinnell Kırsal Modernizasyonu:
• 4×315 kVA üç fazlı üniteleri 31×50 kVA tek fazlı tranformatörlerle değiştirdi.
• Sonuçlar: Gerilim 117-122V arasında stabilize oldu; kayıplar %2.3'e düştü; yıllık tasarruf: 389.000 kWh; geri ödeme süresi: 5.2 yıl.
• ​Arizona Yarı Kentsel Genişleme:
• Hibrit tasarım (1×167 kVA üç fazlı + 8×25 kVA tek fazlı) ön maliyeti %18 azalttı (154Kvs.154K vs. 154Kvs.188K) ve yılda 5.800 kWh kaybedi.

​4.2 Nicelendirilmiş Faydalar​

​Ekonomik ve Çevresel Etki:

• ​Düşük CAPEX: Üç fazlı çözümlere göre %20-40 tasarruf.
• ​Yıllık Tasarruf: ​$85-120/kVA​ kayıp azalması sonucu.
• ​CO₂ Azalması: Koalıya bağımlı bölgelerde her %1 kayıp azalması için yıllık 8.5 ton CO₂ azalması.