elektriksebekesi

ELEKTR‹KfiEBEKES‹MAYIS 2008 SAYISININ PARASIZ EK‹D‹RHaz›rlayan: Prof. Dr. Vural Alt›n

flebekesiEkvatoru fazlas›yla saracak kadar. Da¤›-t›m hatlar›n›nki ise, 812.000 km: Ay’a gidipgeldikten sonra, ekvatoru iki keredençeyrek fazla dolanacak kadar. ‹letimhatlar›nda, yaklafl›k 67.000 MVA gücünde,1.000’den fazla trafo var . Da¤›t›m a¤lar›ndaise, 78.000 MVA toplam güce sahip,250 binden fazla …Elektri¤in kritik bir özelli¤i, büyükölçekte depolanamamas›. Dolay›s›yla heran için, ne kadar› tüketiliyorsa, o kadar›-n›n üretilmesi laz›m. “Ne kadar köfte, okadar ekmek” meselesi. Halen hakimolan, büyük kapasiteli merkezi birimleredayal› üretim flebekelerindeki güç ak›fl›,a¤›rl›kl› olarak tek yönlü; santrallardantüketim merkezlerine do¤ru. Rüzgar gibi;yerel, küçük ölçekli ve üretimi de¤iflkenyenilenebilir enerji kaynaklar›n›n flebekeyeba¤lanabilmesi için, iki yönlülü-¤ün sa¤lanmas› gerekmekte. Bu ise flebekeninyap›s› ve yönetiminde, oldukçakökten de¤ifliklikleri gerektiriyor. Halbukiflebeke flimdiki haliyle, zaten oldukçakarmafl›k…‘Güç kalitesi’ aç›s›ndan, AC geriliminüç özelli¤i büyük önem tafl›yor; frekans›,genli¤i ve ayn› derecede önemli olmaklaberaber, pek tan›fl›k olmad›¤›m›z faz›.Bunlar›n sabit tutulmas› gerekmekte.Frekans santral ç›k›fllar›nda, jeneratörlerinkapasitesi zorlanmad›kça, sabit. Bizdeve Avrupa’da, ‘saniyede 50 sal›n›m’,yani 50 Hz. Gerçi alternatörve trafolarda, bununkatlar› olan ‘harmonikler’de oluflur, ama genliklerinormalde küçüktür. Halbukigerilimin genli¤i, iletimve da¤›t›m hatlar› boyunca,malzemenin direnci nedeniyle,do¤rusal olarak azal›r.Afl›r› güç çekildi¤indede öyle. Bu yüzden, ayn›gerilim a¤›ndaki bir hat boyunca,düflen gerilimin aradabir yükseltilmesi gerekir.Bu ifllem, ara istasyonlardaki‘gerilim düzenleyici’(‘regulator’) trafolardayap›lmaktad›r. Ancak, a¤danveya bir k›sm›ndan çekilen güç, kapasiteyizorlayacak düzeye ulafl›nca, düzenleyicilerifllevlerini yerine getiremezhale gelirler ve tüketici ucundaki gerilimdüfler. Lambalar normal parlakl›¤›ndayanamad›klar›ndan, buna ‘kahverengileflme’(‘brown-out’) deniyor. Kapasitedaha fazla zorlan›rsa, hatlardan baz›lar›ndagüç kesilebilir; ya da y›ld›r›m düflmesiveya bir kaza sonucunda hat eriyebilir:Buna da ‘ar›za’... Gerilim düflüklü-¤ü pek çok ayg›t› tasar›m s›n›rlar›n›n d›-fl›nda çal›flmak zorunda b›rak›r ve h›zl›y›pranmaya yol açar. Frekans ta öyledirve güç kalitesinin düflüklü¤ü pahal›yamalolur. Faz daha da karmafl›k…Örne¤in f›r›ndaki ›s›t›c›y› kullan›rken,‘direnç gücü’ (‘rezistif’) kullan›r›z.Dirençte ak›m, gerilim yükseldikçe artar,düfltükçe azal›r; gerilimle ak›m›n ayn›fazda oldu¤u söylenir. Halbuki bir motorçal›flt›r›rken, bir dirence karfl› ifl yap›-yor olman›n yan›nda ayr›ca, gerekenmanyetik alanlar› oluflturmak için bir bobinde kullan›yor oluruz. Bobinde ise,gerilim zirvede iken, ak›m s›f›rd›r ve ak›-m›n gerilimi ‘90° faz fark›’yla izledi¤isöylenir. Öte yandan, ideal bir bobin netolarak güç tüketmez; manyetik alan› inflaederken flebekeden güç çekip, alan›azalt›rken geri verir. ‘Endüktif’ güç olaraknitelendirilen bu durum, diyelim 10damacana su siparifli verip, siparifl kap›-ya geldi¤inde ikisini geri göndermeyebenzedi¤inden; flebekede gereksiz iletimkay›plar›na ve kapasite kullan›m›nda verimsizli¤eyol açar. Bir kapasitörde ise,gerilim ak›m› izler. Gerçi yapt›¤›m›z ifllerdepek fazla kapasitor kullanm›yoruz.Ama kapasitör de bobine benzer flekilde,net güç tüketmez; plakalar›n› yüklerkenflebekeden güç çekip, boflalt›rken geriverir. ‘Kapasitif güç’ denilen bu durumda tek bafl›na, flebeke yönetimi aç›s›ndan,keza s›k›nt› verici. Fakat bobinle kapasitöraras›ndaki toplam 180°’lik fazfark›, yani z›tl›k, bize bir imkan tan›r:Her bobinin yan›na, uygun büyüklüktebir kapasitör konulsa; flebekeyi süreklirahats›z etmeksizin, aralar›nda enerjiaç›s›ndan paslafl›p durabilirler. Bu nedenleda¤›t›m flirketleri büyük miktardagüç kullanan müflterilerinin, tesisatlar›-na, kulland›klar› bobin gücüne uygun‘kapasitör gruplar›’ koymalar›n› flart koflar.Ancak yine de, konutlar›n tüketimiMay›s 20083B‹L‹M veTEKN‹K

direnç ve bobin a¤›rl›kl› oldu¤undan, kapasitifve endüktif güçler genelde, birbirinidengeleyemez. Bu ikisinin toplam›-na, flebekeyle karfl›l›kl› güç al›flverifli anlam›nda‘reaktif güç’ deniyor. Bir hattançekilen gücün reaktif bilefleni artt›kça,gerilimle ak›m aras›ndaki faz fark› büyür(‘kosinüs faktörü’) ve flebeke tam kapasiteylekullan›lamaz hale gelir. Fark› asgaridetutabilmek için, iletim ve da¤›t›mflirketleri taraf›ndan, trafo istasyonlar›-na, kapasitör gruplar› yerlefltirilir. Amaç,bu kapasitörlerin o an için gereken miktar›n›devreye sokup ç›kartarak, flebekeningüç iletim kapasitesini olabildi¤inceyüksek tutmakt›r. Dolay›s›yla, trafo istasyonlar›sadece gerilim de¤ifltirmekle kalmazlar,baflka ifllevler de yerine getirenelemanlarla da donan›ml›d›rlar. Örne¤in,kal›n iletken ‘ba¤lama çubuklar›’ (‘busbar’)üzerinden, istasyona gelen ve gidenhatlar aras›nda güç da¤›l›m› yap›l›r,sistem davran›fl› hakk›nda veriler toplan›r.Türkiye’deki yük da¤›t›m sistemi 6bölgeye ayr›lm›fl durumda. Her birindebir Bölge Kontrol Merkezi (BKM) var.Hepsi, Gölbafl›’danki Ulusal KontrolMerkezi’ne (UKM) ba¤l›. BKM’ler 160Gerilim, emkElektrik gerilimi elde etmenin ikiyöntemi vard›r. Birincisinde, elektostatikyüklerden ve kuvvetlerden yararlan›l›r.Bunun için örne¤in, de¤iflik uygunmalzemelerden yap›lm›fl iki rulmanaras›nda dönen yal›tkan bir kay›-fl›n uygulad›¤› sürtünme kuvvetindenyararlan›l›r. Bu kuvvet arac›l›¤›yla, rulmanlar›nbirinden kopar›lan elektrikyükleri ötekine tafl›n›p, sivri uçlu birmetal elektrotun üzerinden, ikinci rulman›nd›fl›ndaki içi bofl bir metal küreniniç yüzeyine aktar›l›r. D›fl yüzeyindeelektrik yükü birikmesi sa¤lan›r ve kürenin‘yere göre gerilimi’ yükseltilir(Van de Graaf jeneratörü). ‘Yere göregerilim’den söz edilmesinin nedeni yerküreninyüzeyindeki gerilimin, hemenher zaman s›f›r olmas›d›r. Çünkü yar›-çap› çok büyük oldu¤undan, ald›¤› birimyük bafl›na yüzeyinde oluflan gerilimde¤iflimi s›f›ra yak›nd›r. Dolay›s›yla,üzerine ne kadar büyük yük ak›t›l›rsaak›t›ls›n, yüzeyinde kayda de¤er bir gerilimoluflmaz. Bir bak›ma ‘dipsiz biryük çukuru’ gibidir. Topraklama da bunedenle yap›l›r.Tipik bir günlük talep e¤risisantral veya trafo merkezinden, gerçekzamanl› olarak; aktif güç, reaktif güç, gerilim,frekans, trafo kademe pozisyonuverilerini, ak›m ve bunun gibi analog ölçümleri,enerji sayaçlar›n›n ve anahtarlamateçhizat›n›n durumlar›n›, alarm düzeylerihakk›ndaki bilgileri topluyor. SistemUKM taraf›ndan bu verilere göre izlenipyönetilmekte.fiebekeden talep edilen güç düzeyi;gün içinde saatten saate, hafta içi ile sonuaras›nda, y›l içinde mevsimden mevsimede¤iflir. Üretimin bu de¤iflime ayakuydurmas› gerekmektedir. Talebin, heran için sa¤lanmas› gereken asgari düzeyine‘temel yük’ denir (‘baz’). En yüksekde¤er civar› ‘zirve’, alt›nda kalan, temelyüke kadarki k›s›m da ‘orta yük’ düzeyiolarak nitelendirilir. Ekonomik aç›dantemel yükün, üretim filosundaki, iflletmeve yak›t masraflar› en düflük olan santrallartaraf›ndan karfl›lanmas› esast›r.Bunlara ‘temel yük santrallar›’ denir. ‹lkyat›r›m maliyetleri yüksek olsa dahi, y›lboyunca çal›flt›r›l›p, görece düflük masraflaelektrik üreteceklerinden dolay›,kurulmalar› ekonomik olabilir. Talep ortadüzeye do¤ru t›rmand›kça, elektri¤idaha pahal›ya üreten santrallar devreyesokulur veya üretimleri art›r›l›r. Bunlara‘orta yük santrallar›’ deniyor. Birim üretimmasraf›n› yükseltirler. Talep zirveyedo¤ru yaklaflt›¤›nda da, pahal› yak›t kullanan‘zirve yük santrallar›’ devreye sokulur.Bu santrallar›n kurulufl maliyetidüflük olmak zorundad›r. Çünkü, y›l boyuncaçok az, toplamda birkaç gün vehatta saat için kullan›lacak olduklar›ndan,yüksek bir yat›r›m bedelini kald›ramazlar.Buna karfl›l›k, pahal› yak›t kullansalarda olur. Nas›lsa az çal›flacaklar›ndan,fazla yak›t yakmayacak, fakat zirvetalebin de kesintisiz karfl›lanmas›n›sa¤layacaklard›r. Örne¤in do¤al gaz santrallar›böyle santrallard›r: Kuruluflu h›zl›,yat›r›m bedeli düflük, fakat yak›t› pahal›.Ortalama birim üretim maliyetiniKürenin gerilimi, üzerindeki yüklerin,d›flar›da yol açt›¤› elektrik alan›ndankaynaklan›r ve bu elektrik alan›naefllik eden skaler bir ‘potansiyel fonksiyonu’vard›r. Kürenin yere göre gerilimi,bu fonksiyonun küre yüzeyindekive yeryüzündeki de¤erleri aras›ndakifark kadard›r. Karmafl›k görünen buanlat›m, gerçekte tan›fl›k oldu¤umuzkavramlardan oluflur. Kürenin yüzeyinebir miktar yük koymak -ki bunlaryerden de al›nm›fl olabilir- t›pk› yerdenbir avuç tafl al›p, belli bir yüksekli¤ekald›rmak gibidir. Nas›l ki kald›r›lantafllar›n yere göre ‘kütleçekimsel potansiyel’enerjisi artm›flsa, kürenin de yeregöre ‘elektrostatik potansiyel enerji’siartm›fl olur. Tafllar, b›rakt›¤›m›zda kütleçekimikuvvetinin etkisiyle yere düflerkenh›zlan›p kinetik enerji kazanacaklarsa,küreden yere bir iletkenleba¤lant› kuruldu¤unda, yükler de elektrikalan›n›n etkisiyle yere do¤ru h›zlan›pkinetik enerji kazan›r. H›z kazanm›fltafllarla ifl yap›labilir, h›z kazanm›flyüklerle de öyle.‹ki nokta aras›ndaki gerilim fark›,birim büyüklükteki bir yükü birincinoktadan ötekine tafl›mak için yap›lmas›gereken ifl kadard›r. Dolay›s›yla geriliminbirimi, yük bafl›na enerjidir (Joule/Coulomb)ve buna volt denir.Elektrik gerilimi elde etmenin ikinciyöntemi, elektrostatik kuvvetlerin yerine,elektromanyetik kuvvetlerden yararlanmakt›r.Bu yöntem Faraday’›n ‘endüksiyonyasas›’na dayan›r. Yasa flöyledir: Sabitbir manyetik alan bileflenine dik yöndehareket ettirilen iletken bir telin ya daiçinden geçen manyetik ‘alan miktar›’(ak›) zamanla de¤iflen iletken bir halkan›nuçlar› aras›nda ‘elektromotor kuvveti’(emk) oluflur. Bunlardan birincisine, iletkeninhareketli olmas› nedeniyle, ‘hareketliemk’, ikincisine de manyetik ak› zamanlade¤iflti¤inden dolay›, ‘dinamikemk’ denir. EMK bir kuvvet de¤il, bir türgerilimdir ama ‘potansiyel fark›’ da de¤ildir.Birimi volt, ad›ndaki ‘kuvvet’ terimiyan›lt›c› bir tarihsel kal›nt›d›r. Hala kullan›lmas›n›nnedeni, olguyu örne¤in, üzerindenak›m geçen bir direncin uçlar› aras›ndaoluflan potansiyel fark›ndan ay›rdetmek içindir. Gerçi olufltu¤u her ba¤lamda,kendisine z›t yönde efllik eden bir potansiyelfark› da oluflur. Ancak bu potansiyelfark› taraf›nda kamufle edildi¤inden,do¤rudan ölçülmesi olanaks›zd›r.B‹L‹M veTEKN‹K4 May›s 2008

yükseltirler. Ama toplamdaki paylar› düflüksee¤er, bu o kadar önemli de¤ildir.Fakat, Türkiye’nin üretim filosu ters birkompozisyonda yakalanm›fl durumda.Çünkü 2008 y›l› elektrik ihtiyac›n›n%48’ini do¤al gaz santrallar›nda yapaca-¤› üretimle karfl›lamak zorunda.Güç talebinin tüketim merkezleri temelindeizlenip, üretim santrallar› aras›ndada¤›t›lmas› gerekmektedir. Gerçisantrallar, jeneratör ç›k›fllar›na gelen talebiotomatik olarak izleyip, karfl›lamayaçal›fl›rlar. Ancak, kapasiteleri zorland›-¤›nda, devre d›fl›na ç›k›p, kendilerini güvenceyeal›rlar. Bu durumda, tafl›d›klar›güç pay›n›n, di¤er santrallara aktar›lmas›gerekir. Onlardan baz›lar› da dominoetkisiyle zorlan›p, devre d›fl›na kaçarsa,sistem tümüyle güç üretemez hale gelir.Buna da ‘flebeke çöküflü’ deniyor, genelkarartma...Yer darl›¤› dolay›s›yla yar›da kesmekpahas›na; flebeke yönetimi, her an içinjet h›z›yla hareket etmekte olan karmafl›kbir arac› yönetmek gibi. Bu yaz›m›zdadikkatinizi biraz, bu sistemin büyüleyicili¤ineçekmek, kabaca da olsa bileflenlerindenbaz›lar›n› tan›tmak istedik.Umar›z okurken s›k›lmazs›n›z…TürbinlerTürbin, bir ak›flkan›n potansiyel vekinetik enerjisini mekanik enerjiye dönüfltürenbir düzenektir. Bir flaft›nüzerine, eksenine dik daireler oluflturacakflekilde yerlefltirilmifl kanat dizilerindenoluflur. ‹tki (impuls) ve tepki(reaksiyon) türbini olmak üzere, iki çeflidivard›r. ‹tki türbinlerinde daha çok,ak›flkan›n kinetik enerjisinin kullan›m›amaçlan›r. Yüksek kinetik enerjiyle gelenak›flkan, jetler halinde kanatlarayönlendirilir ve çarp›flma sonucundayön de¤ifltirerek, kanatlara momentumaktar›r. Momentum aktarma h›z› kuvvetanlam›na gelir (F=mΔv/Δt). Kanatüzerinde oluflan net kuvvetin etkimenoktas›, kanat ne kadar uzunsa (L),flaft ekseninden o kadar uzakt›r (r). Buuzakl›¤a, yani ‘kuvvet kolu’na r diyelim(r≈L). Kanat, örne¤in ω aç›sal h›-z›yla dönmekte olan flaftla birlikte döndü¤ünden,kuvvet, bir daire üzerindesaniyede ωr kadar yol al›r. ‘Kuvvet çarp›yol’ mekanik ifl demektir (W=ωrF).O halde, saniyede yap›lan ifl, yani güç,kanat uzunlu¤uyla do¤ru orant›l›d›r(P≈ωLF). ‘Kuvvet çarp› kuvvet kolu’natork da denir (T=r.F). Dolay›s›yla, güçayn› zamanda ‘tork çarp› aç›sal h›z’aeflitir (P=ωT). Türbinin dönme h›z› sabitsee¤er, güç yaln›zca tork büyüdükçeartar. Tork da ak›flkan›n özelliklerindekide¤iflimin yan›nda, kanat uzunlu¤uylado¤ru orant›l›d›r. Hesab› dahaçok Newton’un ikinci, ‘net kuvvet yasas›’nadayal›d›r (F=d(mv)/dt).Tepki türbinlerindeyse, türbin birbas›nç kab›n›n içinde olup, kab› her aniçin tümüyle dolduran ak›flkana gömülühaldedir. Ak›flkan türbin yüzeyiniyalayarak akarken, kanatlara kuvvetuygular. Oluflan tork ve üretilen gücünhesab› daha karmafl›k olup, ‘hesaplamal›ak›flkanlar mekani¤i’nin konusudur;daha ziyade Newton’unüçüncü, ‘karfl›t eylem yasas›’na dayan›r(F=m.a).HidroHidroelektrik santrallardaki türbinlerbilindi¤i üzere, ak›flkan olarak kulland›klar›suyu, bir akarsu kayna¤›ndanya da baraj gövdesinin arkas›ndangelen bir tünelden al›rlar. Güç ayar› sudebisinin kontrolüyle yap›l›r. ‹tki tipiolanlarda, suyun enerjisi önce, uygunflekle sahip bir borudan geçirilip, ç›k›fla¤z›nda su jeti haline getirilerek, kinetikenerjiye dönüfltürülür. Daha sonrabu jet, kap fleklindeki rotor kanatlar›-na püskürtülür. En yayg›n olan›, flekildegörülen ‘Pelton türbini’. 50-1300 maras›ndaki, orta ve büyük düflme yükseklikleriiçin kullan›l›r. Kaplar›n geometrisi,su jetinin enerjisini en yüksekoranda emecek biçimde tasarlanm›flt›r.Ortalar›ndan geçen dikey bölücü plakalar,suyun iki yana do¤ru ‘takatsizce’da¤›lmas›n› sa¤lar. Pelton türbinleri,düfley ya da yatay olarak konumland›r›labilir.Jetlerin say›s›n› artt›rmaksuretiyle, tek bir rotordan sa¤lanangüç artt›r›labilir. Yatay konum için genellikleiki olan jet say›s›, dikey konumlariçin ço¤unlukla dört ya da nadirendaha çok olabilir. Yatay konumland›rmahalinde, tek bir jeneratörüsüren ayn› flaft üzerine, bir yerine ikirotor yerlefltirmek de mümkündür. Enyüksek verim, rotor kaplar›n›n h›z›, sujetinin h›z›n›n yar›s› kadar oldu¤undaelde edilir. Bu durumda, tam yükün de%60-80’i aras›nda çal›fl›l›yorsa e¤er,türbinden geçen suyun kaybetti¤i potansiyelenerjinin %90’dan ço¤u mekanikifle dönüfltürülebilir. Jetlerdeki suyundebisi, boru a¤z›n›n içinde kayanPelton türbiniMay›s 20085B‹L‹M veTEKN‹K

Tepki tipi bir Kaplan su türbiniDC jeneratörü(dinamo)Bir Kaplan su türbin-jeneratörünün flemas›.bir ‘m›zrak’ taraf›ndan kontrol edilior.Hareketleri ya¤ bas›nc›yla çal›flan birservomotor taraf›ndan otomatik olarakyönetilen m›zrak, a¤›z ç›k›fl›n› k›smenya da tamamen kapatabilir. Böylece sujetinin h›z›n›, de¤iflen yük talepleri, suyükseklikleri ve debileri için yaklafl›ksabit tutulabildi¤inden, rotor çok farkl›a¤›z aç›kl›klar›nda dahi ayn› h›zladönebilir. Bu nedenle, iyi tasarlanm›flbir Pelton türbininin verimlilik e¤risidüz, fakat öteki tiplerinkine oranla dahadüflüktür. Boru a¤z›ndan ç›kan suyunmiktar›n›, yük talebindeki bir düflüfleparalel olarak hemen azaltmak,borudaki bas›nçta büyük bir yükselmeolaca¤›ndan olanaks›zd›r. Öte yandanayn› debiyi püskürtmeye devam, motorunafl›r› h›zl› dönmesi anlam›na gelece¤inden,böyle durumlarda jetin önüne,ek bir kontrol arac› olarak sapt›r›c›Tepki tipi bir Francis su türbininin sürücüsümontajda, 750 MW.(‘deflektör’) girer. Sapt›r›c›, m›zrakdevreye girip de debiyi azaltana kadar,jetin kinetik enerjisini k›smen da¤›t›r.Tepki türbinlerininse, farkl› tiplerivard›r. Bunlardan Kaplan türbini, 2-80m aras›ndaki küçük düflme yüksekliklerive fakat yüksek debiler için en verimliolan türbin tipidir. fiekilde görüldü¤ügibi, döner k›sm›n› oluflturan rotoru,bir geminin uskur geometrisindedirve genellikle, alternatör flaft›yla bir-Bir ‘do¤ru ak›m’ (DC) jeneratörü,örne¤in sabit bir m›knat›s›n manyetikalan› içinde döndürülen iletken bir bobindenoluflur. fiekil 1’de böyle bir düzenekgörülüyor. Çizimi basit tutmakamac›yla, bobin tek sar›ml› olarak gösterilmifltir.Bobin, flekilde görülmeyenbir türbin taraf›ndan, ω aç›sal h›z›ylasaat yönünde döndürülüyor. M›knat›-s›n manyetik alan› B m, yön ve büyüklükçesabittir. Sar›m›n s›n›rlad›¤› A yüzeyinedik birim vektör k ve k’n›n,manyetik alan B m ile yapt›¤› aç› α. Bobinsaat yönünde döndürüldü¤ünden,bu aç›, sar›m döndükçe büyür. Bafllang›çde¤eri 0 olarak al›n›rsa, t an›nda:α=ωt. Manyetik alan B m’nin gördü¤ü‘etkin sar›m alan›’, yani manyetik alanadik olan alan, A.cosα’ya eflit ve zamanlade¤iflir. Dolay›s›yla, sar›mdangeçen ‘etkin ak›’ miktar› φ = A.B m.cosα= A.B m.cos(ωt) olup, zamanla de¤iflir.Bu durumda bobin, Faraday Yasas›gere¤i içinden geçen manyetik ak›miktar›ndaki de¤iflime karfl› koyan,onu azaltmaya çal›flan bir tepki oluflturur.fiöyle ki sar›mdan geçen manyetikak›, örne¤in flekilde gösterilen durumdaoldu¤u gibi, yukar› yönde ve azal›-yor olsun: Bobinin uçlar› aras›nda, ak›-daki bu azalmay› frenlemeye, yani yukar›yöndeki ak›y› artt›rmaya yönelikbir manyetik alan› üretecek olan ak›-ma yol açacak flekilde bir elektromotorkuvveti oluflur. Gösterilen tepki asl›nda,bobin malzemesini oluflturaniletkenin yap›s›ndaki yük tafl›y›c›lar›ndankaynaklan›r ve cisimlerin kütlelerinedeniyle ivemelenmeye karfl› gösterdikleridirenifle benzetilebilir. Sonuçolarak endüklenmesine çal›fl›lan manyetikalan B e, sar›m›n s›n›rlad›¤› yüzeyedik birim k vektörünün yönünde oldu¤undan,bu manyetik alan› üretebilecekak›m, dolay›s›yla da endüklenenemk, sa¤ el kural›na göre (sa¤ elin baflparma¤›B e yönünde diklefltirildi¤inde,k›vr›lan öteki parmaklar›n iflaret etti¤iyönde) olmak zorundad›r. fiekildekisa¤ el çizimi, ak›m›n yönünü gösterir.Ne ki bu ak›m ancak, sar›mdan güç çekildi¤itakdirde oluflacak, tersi durumdabobinin uçlar› aras›ndaki emk, sar›miçinde herhangi bir ak›m dolaflt›ramayacakt›r.EMK’nin büyüklü¤ü, FaradayYasas›’na göre, N sar›ml› bir bobiniçin, ε=-N.dφ/dt ifadesiyle verilir.Yani: ε= -N.d/dt(A.B m.cosωt) =N.A.B m.ω.sinωt. EMK’n›n yönü, bobininher turunda iki kez yön de¤ifltiriyorolmakla birlikte bobinin uçlar›ndakikesikli halkaya dokunan f›rçalar,yar›m halkalara s›rayla de¤di¤inden,f›rça uçlar›ndaki gerilim, üstteki V-tgrafi¤inde görüldü¤ü gibi hep ayn›yöndedir, yani DC’dir. Dolay›s›yla flekildegösterilen düzenek, dinamo dadenen bir DC jeneratörü olufltururur.F›rçalar genellikle grafitten yap›l›r veyar›m halkalarla temas ettikleri yüzeylerde,s›k s›k elektrik arklar› oluflur.Örne¤in, bir matkab›n s›rt›ndaki yar›klar›niçinde görülen k›v›lc›mlarböyle arklardan kaynaklan›r ve temasyüzeylerini afl›nd›r›r. DC jeneratörleriB‹L‹M veTEKN‹K6 May›s 2008

likte dikey olarak yerlefltirilir. Ancakyatay konumland›r›ld›¤› durumlar davard›r. Uskurdaki kanat say›s› 3 ila 8aras›nda de¤iflebilir ve rotor çap› enbüyük ünitelerde 10 m’ye ulaflabilir.Ak›fl, flaft ekseni boyunca olur. Dönmesini,t›pk› Pelton türbininde oldu¤u gibisu jetlerinin sa¤lad›¤› itme kuvvetindende¤il, suyun rotor ç›k›fl›nda ivmelenmesisonucu oluflan tepki kuvvetiylebaflar›r. T›pk› döner bahçe sulay›c›lar›nda,borudan yüksek bas›nçla gelensuyun, sulay›c›n›n kavisli kollar›na düflükh›zla girip, düflük atmosfer bas›nc›ylakarfl›laflt›¤›nda ivmelenerek d›flar›ç›kmas› sonucu oluflan tepki kuvvetininsulay›c›y› döndürmesi gibi.Tepki tipi türbinlerin bir baflkas›da, ‘Francis türbini’dir. 10-350 m aras›ndakiorta büyüklükte düflme yüksekliklerindedaha yüksek verimle çal›-fl›r. Tasar›m gücü civar›ndayken,%90’›n üzerinde verimi vard›r. Tek birünitenin gücü 750 MW’› aflabilir. Büyükhidroelektrik santrallarda, 4-5 üniteparalel olarak kullan›l›r.bu yüzden, sorunlu ve görece k›saömürlüdür. Halbuki f›rçalar kullan›lmad›¤›nda,bobinin uçlar› aras›nda,alttaki ε-t grafi¤inde görüldü¤ü gibiAC gerilim elde edilir. Böyle bir AC jeneratörü,yap›s› görece basit oldu¤undandaha az sorunlu ve daha uzunömürlü olur. AC gerilimin tercih nedenlerindenbiri budur.Tekrar pahas›na jeneratörden güççekilmedi¤i sürece, bobin sar›mlar›ndaemk var olmakla birlikte, ak›m dolaflmaz.Güç çekildi¤inde bobin sar›mlar›ndaak›m dolaflmaya bafllar. Ak›m,sar›mlar›n iletken yap›s›ndaki elektronlarcatafl›n›r. Hareket halindekibu elektronlara, m›knat›s›n sabit alan›taraf›ndan F e=qvxB m=-evxB m kuvvetiuygulan›r. O zaman flu soru ortayaç›kar: fiekilde bir dikdörtgen olarakgösterilmifl olan sar›m›n sa¤ ya da solkenarlar› x, ön ve arka kenarlar› da yuzunlu¤undaysa, bu kenarlar üzerindekitoplam kuvvetlerin büyüklüklerinedir? Sar›m› oluflturan iletkenin yap›s›n›n,uzunlu¤u boyunca ayn› oldu-¤unu varsayal›m. ‹letkenin içinde serbestçedolaflabilen elektronlar›n say›-s›, birim uzunluk bafl›na n ve uzunlukboyunca hareketlerinin ortalama h›z›,yani ‘sürüklenme h›z›’ da v olsun. Ohalde, iletkenin herhangi bir kesitindensaniyede n.v tane elektron geçerve bu, ak›m fliddetinin I=n.v.e büyüklü¤ündeoldu¤u anlam›na gelir. Öteyandan, iletkenin dL diferansiyeluzunlu¤unun tümünde, her an içindq=dL.n=dL.I/(v.e) tane elektron bulunur.M›knat›s›n manyetik alan›B m’nin, bu elektronlar›n tümü üzerindeetki ettirdi¤i kuvvetin büyüklü¤ü,dF = dqvxB m = -((I/v.e).dL)evxB m = -I.dL.(v/v)xB m kadard›r. Sar›m›n herhangibir noktas›ndaki elektronlar›nh›z› v, hem sar›ma o noktada te¤et,yani dL do¤rultusunda ve hem de ak›-ma ters yönde oldu¤undan; –v/v,hem o noktada sar›ma te¤et, yani dLdo¤rultusunda ve hem de ak›m yönündebir birim vektör oluflturur. Dolay›s›yla,dL=dL.(-v/v) vektörü, al›nannoktada sar›ma te¤et ve ak›m yönündebir vektör olur. Bu durumda dadF=I.dLxB m eflitli¤ini elde ederiz. Dolay›s›yla,sar›m›n herhangi bir parças›üzerindeki kuvveti, o parça üzerindekidiferansiyel kuvvetlerin toplam›, yanibir integral olarak elde edilebilir:F=?I.dLxB m. Buradaki I ve B m sabitolduklar›ndan, integral I.(∫dL)xB mfleklinde basitleflir. Örne¤in, sa¤ ya dasol kenar üzerindeki dL’lerin hepsiDüflen suyun miktar›nda ya da düflüflyüksekli¤inde veya yük talebindekayda de¤er de¤ifliklikler oldu¤u takdirde,uskur geometrisindeki türbinlerinverimi %75’in alt›na düfler. Debifazlal›¤›na karfl› önlem görece kolay vegenellikle, girifl vanalar›n›n ‘yük talebiniizleyen otomatik kontrolü’yle sa¤lan›r,ya da fazla su, yak›n konumda inflaedilmifl olan baca fleklindeki bir depoya(‘penstok’) sapt›r›l›r. Gerekti¤indebu baca suyu, ‘yüksüz bafllatma’için kullan›labilir. Düflüfl yüksekli¤indekimevsimsel de¤iflimlerin ya da yükayn› yönde ve sabit bir B m’ye dik olduklar›ndan;∫dL bize x uzunlu¤unuverir. O halde, flekilde mavi oklarlagösterilen kuvvetler, F=I.x.B m büyüklü¤ündeolup, z›t yönlüdür. Bu ikikuvvet, ayn› do¤ru üzerinde olmad›¤›ndan,sar›m üzerinde bir ‘kuvvetçifti’ oluflturur. Sar›ma uygulad›klar›tork, yani ‘kuvvet çarp› kuvvet kolu’,T=F.y.sinα = (I.x.B m).y.sinωt kadard›r.Burada, x.y, sar›m›n yüzey alan› A’yaeflit oldu¤undan, T=I.A.B m.sinωt eldeedilir. Halbuki, sar›m›n ön ve arka kenarlar›üzerindeki kuvvetler, z›t yönlüolmakla beraber, ayn› do¤ru üzerindeoldu¤undan, bobini kasmaktan baflkabir sonuca yol açmazlar. Bobin ω aç›-sal h›z›yla dönmekte oldu¤una göre,T torku taraf›ndan bobin üzerinde; W= ω.T = ω.I.A.B m.sinωt =-I.dφ/dt h›-z›yla ifl yap›lmaktad›r ve bunun içingereken enerji türbin taraf›ndan sa¤lanmakzorundad›r. Dikkat edilecekolursa, tek sar›m için ε=-dφ/dt oldu-¤undan W=ω.T ayn› zamanda,P=I.ε’ye eflittir. Olmas› gerekti¤i gibi.Çünkü bu son ifade, türbin taraf›ndanbobin üzerinde yap›lan mekanik iflin(W), bobinden çekilen elektrik gücüne(P) eflit olmas› gerekti¤i anlam›nagelir.May›s 20087B‹L‹M veTEKN‹K

talebindeki oynamalar›n yol açt›¤› verimdüflüklü¤ü sorunlar›n› aflmak içinde Kaplan türbininde, rotor kanatlar›-n›n aç›lar› ayarlanabilirdir. Bu, ya¤ bas›nc›ylaçal›flan ve genellikle rotor gövdesiiçine yerlefltirilmifl bulunan birservomotor arac›l›¤›yla baflar›l›r. Ya¤,turbin ve alternatör flaft› üzerindekiyar›klardan geçen borularla iletilire. Oanki su ak›fl›na göre en uygun kanataç›s› ayar›, bir pilot servomotor taraf›ndanyap›l›r. Bu nitelikleriyle, suyundüflme yüksekli¤indeki mevsimsel oynamalarsorun olmaktan ç›kar.Rüzgar türbinleri de su türbinlerinebenzer. Ak›flkanla kapl› olarak çal›flt›klar›ndan,ak›flkan›n hem itki, hemde tepkisinden yararlanacak flekilde tasar›mlan›rlar.En büyük üniteleri 5-6MW güç düzeyinde olur. Ancak 50Hz’lik flebeke frekans›n› tutturacak kadaryüksek h›zlarda dönemediklerinden,DC gerilim üretirler. Daha sonra,gerekiyorsa, bu gerilim flebeke frekans›ndaAC’ye dönüfltürülür. Su ve rüzgartübinleri, gereksinim duyduklar›ak›flkan› do¤adaki haliyle kullan›r veak›flkan›n enerjisi, yenilenebilir niteliktedir.Halbuki buhar ve gaz türbinlerininak›flkan›, ayr›ca üretilmek zorundad›r.Örne¤in, buhar türbinlerinin buhar›genellikle, kömür, do¤algaz ya daAC jeneratörü(alternatör)petrol gibi bir yak›t›n ya da türevinin,bir kazanda yak›larak içeri¤indeki kimyasalenerjinin ›s›ya dönüfltürülüp suyaaktar›lmas›yla üretilir. Gaz türbinleriyseak›flkan olarak, do¤algaz›n yanmas›ylaoluflan s›cak gazlar› do¤rudankullan›r. Her ikisinde de amaç, eldeedilen yüksek bas›nç ve s›cakl›ktakiYukar›daki düzene¤in dura¤ank›sm›na ‘statör’, dönen k›sm›na da ‘rotor’denir. Bu durumda, statör sabitbir manyetik alan üretmekte ve içindedöndürülen rotordan AC gerilim eldeedilmektedir. Ancak genelde, güçlübir sabit m›knat›s üretmek zor ve pahal›oldu¤undan, sabit m›knat›s yerine,DC ak›mla uyar›lan bir elektrom›knat›skullan›l›r. Bu durumda, d›fltakistatör bobini DC ak›mla uyar›l›r, sabitbir manyetik alan üretir, içte döndürülenrotorun bobininden de AC gerilimelde edilir. Ama güç santrallar›nda,hareketli bir parçadan gerilim almakgörece zor oldu¤undan statörle rotorunifllevleri yer de¤ifltirir. Yani rotorbobinine DC ak›m verilip, manyetikalan üretilirken, statör bobininden gerilimelde edilir. K›sacas›, rotor bobinineverilen DC ak›m, rotora göre sabitbir manyetik alan üretir ve bu alan,rotor türbinin zorlamas›yla döndü-¤ünden, rotorla birlikte dönerek, statörsar›mlar›nda emk endüklenir.Yandaki flekilde böyle bir alternatördüzene¤i görülüyor. Statörün üç,rotorun tek bobini var. Do¤ru ak›mlabeslenen rotor bobini, sabit büyüklüktebir B manyetik alan› üretmekte vetürbin taraf›ndan ω aç›sal h›z›yla dönmeyezorlanan rotorla birlikte dönerken,statördeki üç ayr› bobinin üzerindengeçerek, her birinde AC gerilim endüklemektedir.Dikkat edilecek olursa,statör bobinlerinden ard›fl›k herhangiikisinin eksenleri aras›nda 120°lik aç›vard›r. Bu nedenle, ard›fl›k bobinlerinAC gerilimleri birbirini, 120°lik faz fark›ylaizler. Buna ‘üç fazl› gerilim’ denir.Fazlar›n her üçünün frekans› darotorun dönme frekans›na eflittir. Gerilimlerinbüyüklükleri de ayn› ama fazlar›farkl›d›r. fiimdi soru fludur: Geriliminbüyüklü¤ünü belirleyen nedir?ak›flkan›n termodinamik enerjisini (entalpi),bas›nç ve s›cakl›¤›n› düflürürkenmekanik enerjiye dönüfltürmektir. Butip türbinleri kullanan santrallar, ak›flkan›ntemin ya da haz›rlanma süreci›s›ya dayal› oldu¤undan, ‘termik santral’olarak nitelendirilir. Nükleer santrallarda bu aç›dan, asl›nda termiksantral s›n›f›na girer. Ancak ›s› üretimikimyasal enerji yerine, kalpte yer alançekirdek parçalanmalar›ndan a盤a ç›-kan ‘nükleer enerji’ye dayal›d›r.BuharBuhar türbini, statör denilen sabitbir kasa ve içindeki bir flaft›n üzerindesabitlenmifl rotor k›s›mlar›ndan oluflur.Rotor flaft ekseni boyunca yerlefltirilmifl,birden fazla dairesel kanat evresinesahiptir. fiaft› döndüren tork;kazanda ya da bir buhar üretecindeüretilip boru hatlar›yla statöre kadargetirilen yüksek bas›nç ve s›cakl›ktakibuhar›n, türbinin içinden geçerken rotorunkanat evreleriyle etkileflmesinisa¤lamak suretiyle elde edilir. ‹tki tipitürbinlerde, statöre kadar yüksek bas›nçve s›cakl›kla gelen buhar, rotorkanatlar›na, statördeki meme a¤›zlar›ylayönlendirilir. A¤›zdan ç›karken ans›-z›n geniflleyen buhar›n bas›nç ve s›cak-Statör ve rotor bobinlerinin daireselsar›lm›fl olduklar›n› varsayal›m. Sar›msay›lar› N s ve N r, yar›çaplar da R sB‹L‹M veTEKN‹K8 May›s 2008

lar sözkonusu olunca, yanma odas›n›nçeperinin ve gaz türbinine ba¤lant› elemanlar›n›n,en az›ndan bafllatma s›ras›ndaso¤utulmas› gerekir. Ç›k›fltaysa,bas›nç benzer olmakla birlikte, s›cakl›kkeza yüksek olur. Sonuç olarak, gaztürbininden daha yüksek verim eldeedilir. Ancak, gaz› yakmak için, büyükmiktarda havay› s›k›flt›r›p gazla kar›flt›rmakgerekir ve gaz s›k›flt›rman›nenerji verimi daha düflük oldu¤undan,döngünün pompalama everesi dahafazla enerji tüketir. Dolay›s›yla, gazdöngüsü verimi %40’›n alt›nda gerçekleflir.Bu verimi, yüksek s›cakl›ktaki ç›-k›fl gazlar›n›n ›s›s›n›, bir ›s› de¤ifltiricisindesu ›s›tmak için kullan›p, buhardöngüsüne dayal› ikinci bir türbin arac›l›¤›ylaek elektrik üreterek yükseltmekmümkündür. Hem de, ikinci devredekitürbinin buhar ç›kt›s›n›n bir k›sm›,birinci devredeki yanma odas›n›nçeperinin ve türbine ba¤lant› elemenlar›n›nso¤utulmas›nda kullan›larak, yeniden›s›t›labilir. Bir yandan gaz (Brayton),bir yandan da buhar (Rankine)döngüsüne dayanan bu ikili tasar›m›kullanan santrallara ‘bileflik (kombine)döngülü güç santral›’ (CCPP); ikincidevredeki ›s› de¤ifltiricisine de, ›s› gerikazanmaya yönelik anlam›nda, ‘›s›y›geri kazanma buhar üreteci’ (HRSG)deniyor. Gaz ve buhar türbinlerini ayn›flaft üzerine oturtan, ‘bileflik döngülügaz türbini’ (CCGT) tasar›mlar› davar. Buhar döngüsünden ayr›ca süreç›s›s› elde ediliyorsa e¤er, böyle bir ‘termik’santral, ‘bileflik döngülü efl-üretimsantral›’ olur (CCCT). Bu durumda,toplam verim %60’› bulur. Ancak,santral›n maliyeti yükselir ve dikkatedilecek olursa, bu ek sermaye yat›r›mlar›n›nhepsi yak›t tasarrufu içindir.Türbin-jeneratörSonuç olarak bir türbin-jeneratörbirimi; bir ucundaki türbin taraf›ndanyataklar üzerinde döndürülen ve di¤erucundaki alternatörü döndüren birflafttan oluflur (bknz. AC Jeneratörü).500 MW’l›k bir buhar ünitesinde, jeneratörba¤lant›s›yla birlikte flaft uzunlu-¤u 30 metreyi, dönen kütle 250 tonubulur. Bu kütlenin dakikada 3000 devirh›zla dönmesi gerekmektedir. Gerçinükleer santrallar›n ço¤unda oldu¤ugibi, jeneratör rotoru dört kutupluysa,dönme h›z› 1500 devir/dk’ya iner.fiaft, yumuflak metalden ya da ya¤ emdirilmiflkeçe yataklar üzerinde döner.Yataklar› s›zd›rmaz k›lmaya çal›flmak,aradaki temas›n fazla s›k› olmas› ve yata¤›nafl›nmas› anlam›na geldi¤inden,keçelerin biraz ya¤ s›zd›rmas›na izinverilir. Ancak, türbin k›sm›ndan yata¤abuhar girmemesi gerekir, çünkü yata¤›bozar. Öte yandan, araya kat› parçac›klargirerse yata¤› afl›nd›r›r. Dolay›s›yla,keçelere flaft içerisindeki oluklardanya¤ iletilir ve bu ya¤, dönme s›ras›ndakeçeler taraf›ndan sürekli olarak, kendili¤indenemilir. Yataklar›n, dolay›s›ylada flaft›n üzerine oturdu¤u elemanlar›nesnek olmas› gerekmektedir.Çünkü aksi halde, flaft›n hareket serbestisininfazlaca k›s›tlanmas›; kütleda¤›l›m›ndaki ufak tefek dengesizliklerinya da yatay terazidan hafif kaymalar›noluflmas› halinde, kas›lmas›na yolaçar. Bu da, rotorun tam h›zla dönerkenç›lg›nca yalpalamaya bafllay›p, etraf›n›darmada¤›n›k etmesiyle sonuçlanabilir.Ayn› durum, sistemden tahammülününs›n›r›nda yük çekilmeye çal›-fl›lmas› halinde de, türbinin bunu bazenkarfl›lay›p bazen karfl›layamamas›nedeniyle olur. Halbuki esnek elemanlarüzerindeki rotor, yata¤›n› gerekti¤iMay›s 200811 B‹L‹M veTEKN‹K

kadar esnetip, kendisi için en sa¤l›kl›dönme eksenini bulur.Büyük bir santralda, birden fazlasay›da türbin-jeneratör ünitesi, paralelba¤l› olarak çal›fl›r. Kazan, tipine ba¤l›olarak y›lda birkaç kez bak›ma al›nmakzorundad›r. Bak›m sonras›nda kazan›ndevreye al›nmas›, donan›mdakibileflenlerin ›s›l floka u¤ramas›na yolaçmayacak flekilde, kademeli olarakyap›l›r. Bunun için, bafllang›çta üretilenbuhar sisteme düflük bas›nçla sal›-n›r ve elemanlar›n yavafl yavafl ›s›n›p,uyumlu bir flekilde genleflmesi sa¤lan›r.Türbinin ise, flaftta ya da rotor kanatlar›ndayamulmalara meydan vermemekiçin, homojen bir flekilde ›s›t›lmas›gerekir. Bu yüzden, rotor ›s›nmas›ras›nda, 10-15 devir/dk h›zla döndürülür.Ancak, buhar›n gücü henüz rotorudöndürecek kadar yüksek olmad›-¤›ndan, bu ifllem, ayr› bir ‘rotor döndürmeayg›t›’yla yap›l›r. Daha sonra,buhar›n girifl h›z› art›r›l›p, rotor kademeliolarak h›zland›r›l›r. Dönme h›z›otomatik bir ‘denetçi’ taraf›ndan yönetilmektedir.Bu s›rada türbinin üretti¤igüç, flaft›n yataklar›ndaki sürtünme veaç›sal ivmelenme s›ras›nda kütlesininsergiledi¤i eylemsizlik kuvvetlerinekarfl› ifl yaparak harcan›r. Eylemsizlikkuvvetlerine karfl› yap›lan ifl, flaft›ndönme kinetik enerjisinde birikir. Bunatürbini ‘t›rmand›rma’ (‘ramp-up’)ya da ‘yol verme’ ifllemi deniyor,en az yar›m saat kadar zamanal›r. Yolda s›rad›fl› sal›n›mlar alg›land›¤›takdirde, türbinidurdurup kasay› açarak,kanat ayarlar›n›n gözdengeçirilmesi gerekebilir. ‘So-¤uk bafllatma’ denilen bu ifllemlerintamam›, bir ya da birkaçgünde tamamlan›r. Nükleer santrallardaise yak›t de¤ifltirme için, bir hafta-ongün gerekir. Halbuki bir do¤algaz santral›ndaki gaz türbini için, busüre daha k›sa, birkaçdakikad›r. Bir hidroelektriksantral›ndaysa,rotor genelde çok kutupluoldu¤undan, türbinyavafl döner ve birdakikadan k›sa bir sürededevreye al›nabilir,saniyeler düzeyinde…Hedeflenen dönmeh›z›na ulafl›ld›¤›nda,türbin yaln›zca sürtünmekuvvetlerini yenecek kadar, göreceaz bir güç üretmektedir. Alternatör art›kçal›flmaya haz›rd›r ve bobinineak›m verildi¤i takdirde, ç›k›fllar› aras›ndagerilim üretmeye bafllayacakt›r. Ç›-k›fla henüz herhangi bir yük ba¤lanmam›flt›r.Rotor bobinine ak›m vermekiçin, küçük ünitelerde bir dizel jeneratörkullan›labilir. Ancak, büyük üniteleriçin gereken jeneratörler pahal› oldu¤undan,böyle santrallarda uyar›ak›m›, santral›n kendi AC ç›k›fl›n›nDC’ye döndürülmesiyle karfl›lan›r. Dolay›s›yla,devreye al›nacak olan alternatörün,çal›fl›r halde olan di¤er türbinjeneratörbirimlerinden birine ‘yük’olarak ba¤lanmas› gerekir. Fakat e¤er,örne¤in genel bir ar›zadan sonra ya dakazan bak›m› sonras›nda tüm birimlerdevre d›fl› ise, o zaman, uyar› ak›m›n›nbir baflka santraldan sa¤lanmas› gerekir.Buna ‘siyah bafllatma’ deniyor. Zamanzaman karfl›lafl›lan bu zorunluluk,büyük santrallar›n birbirine ba¤l›olmas›n› gerektirmekte. ‹fllem için geneldehidroelektrik santrallar› kullan›-l›r. Çünkü, çal›fl›r halde olmayan birhidroelektrik santral›, hem k›sa zamandadevreye al›nabilir, hem de türbiniçal›flt›rmakiçin gereken güç düzeyi, sadecesu yolu kapa¤›n› açmay› gerektirdi¤inden,düflüktür. Bu ve uyar› ak›m› içingereken güç, fazla büyük olmayan birdizel jeneratör taraf›ndan karfl›lanabilir.Rotor bobinine ‘d›flar›dan’ uyar›ak›m› verildi¤inde, statörün ç›k›fllar›aras›nda gerilim oluflur. Gerilimin düzeyitipik bir ünitede 33 kV’tur. Ancak,statörün uçlar› henüz birbirine ba¤l›olmad›¤›ndan, yani devresi aç›k oldu-¤undan, bobinlerinde ak›m dolaflmamaktad›r.Ak›m s›f›rken elektrik gücüüretilmez (P=VaI). Dolay›s›yla, türbininmekanik gücünde art›fl gerekmez.Mekanik bir benzetmeyle, rotor ve statör,diflli birer çark gibidir. Rotor dönüyorolmakla birlikte, ‘difl’leri henüzstatörünkilerle eflleflmedi¤inden, statöregüç aktar›lmamaktad›r. Sistem tambu durumda iken statörün, ç›k›fllar›birbirine ba¤lanarak ‘k›sa devre’ yap›ld›¤›n›varsayal›m. Statör sar›mlar›nda,AC ak›m dolaflmaya bafllar. Bu ak›m,bir manyetik alana yol açar. Manyetikalan her an için, rotorun döner manyetikalan›n›n, statör bobininde yol açt›¤›ak› de¤iflimini azaltacak yöndedir(‘Lenz Kural›’). Yani, rotorun manyetikalan›na karfl› koyar ve rotor dönmektezorlanmaya bafllar. Mekanikbenzetmemizde, çarklar›n diflleri birbirininiçine girmifl gibidir. Rotor statöregüç aktarmaktad›r. Türbin flaft›n dönmeh›z›n› sabit tutmakta zorlanmayabafllay›nca, denetçi devreye girer ve kazandanbuhar çekiflini h›zland›r›r. Statördekiak›m büyüdükçe, rotorun dönmesinekarfl› koyuflla birlikte, rotoruntürbinden çekip statöre aktard›¤› güçde artar. Türbinin gücü, üretebilece¤ien büyük düzeye ulaflt›¤›nda, statörbobinindeki ak›m ‘denge düzeyi’nevar›r. Bu ak›m, alternatörün üretebilece¤ien büyük ak›md›r(I max). Statörün ç›k›fl gerilimiyleçarp›m› da alternatörünüretebilece¤i en büyük güç(P max=VaI max)... Dolay›s›yla,33 kV ç›k›fll› 500 MW’l›k birünitenin statöründe 15.000Amper ak›m oluflur; yani ortaçapta bir y›ld›r›m›n göbe¤indekikadar…Rotor ise, görece alçak, 7,5kV gerilimle, bunun dörtte biri,4.000 Amper kadar ak›m çekmekteve 30 MW düzeyinde güç tüketmekte-B‹L‹M veTEKN‹K 12 May›s 2008

dir. Rotor çekti¤i elektrik gücünü daima,sar›mlar›ndaki direnç kay›plar›naharcar. Çünkü, statöre aktard›¤› elektrikgücü kendisininki de¤il, ba¤l› oldu¤uflaft›n dönerken yapt›¤› mekanikiflin elektri¤e dönüfltürdü¤ü k›sm›d›r.Ya da flaft›n, türbin taraf›ndan üzerindeyap›lan mekanik ifli, alternatörünrotorundaki elektrik gücünü dayanaknoktas› olarak kullan›p elektri¤e dönüfltürerek,statöre aktarmakta oldu¤usöylenebilir. Statördeki güç ise flimdilik,keza sar›mlardaki direnç kay›plar›-na harcanmaktad›r. Her iki sar›m›n datafl›d›¤› ak›mlara dayanabilmesi için,hem iyi yal›t›lm›fl olup, hem de so¤utulmas›gerekir…Statörün içi ya¤la, d›fl› da suyla so-‹letim kay›plar›Bir enerji kayna¤›n›n ekonomikolarak tafl›nabilece¤i en uzun mesafe,yolda karfl›lafl›lan kay›plar›n kayna¤›niçerdi¤i enerji miktar›na eflit oldu¤umesafedir. Elektrik için bu mesafe,mevcut teknolojiler ve flimdiki fiyatlarla,8000 km kadar. Dolay›s›ylaelektrik de¤erli bir kaynak. ‹letildi¤imesefelerin birkaç yüz kilometreyibuldu¤u oluyor, Rusya’da 1000 kilometre...Bunu L ile gösterelim. ‘Kökalt› kare’ (‘RMS’) de¤erleriyle konufluyorolal›m, ama RMS indisini kullanmayal›m.Hedef tüketim merkezi, ortalamaP kadar güç talep ediyor olsun.P=ε⋅I oldu¤undan, iletim hatt›ndanI=P/ε genlikli bir ak›m çekilir.Hat, alüminyum ya da bak›r, hangimalzemeden yap›lm›fl olursa olsun,kendisinin de bir özdirenci (ρ) vard›r.Hatt›n toplam direnci, telinin kesitalan›yla ters, uzunlu¤uyla do¤ruorant›l› olup, R H=ρ⋅L/A’ya eflittir. Dolay›s›yla,tüketim merkezine P gücüiletilirken bir yandan da hatt›n üzerinde;P H=R H⋅I 2 =ρ⋅L⋅P 2 /(A⋅ε 2 ) kadarenerji, ›s›ya dönüflerek ziyan olmaktad›r.Yani hattaki kay›plar›n, hedefeulaflt›r›lan güce oran›;y=P H/P=ρ⋅L⋅P/(A⋅ε 2 ) kadard›r. Tüketicininkulland›¤› enerjiyi faturaland›-racak ve iletim hatt›ndaki kay›plar› dabundan karfl›layacak oldu¤umuza göre,bu kay›p oran›n› olas› en düflükdüzeye indirmeye çal›flmam›z gerekir.Diyelim, kay›p/iletim oran› y’nin, Bat›Avrupa ülkeleri için geçerli olany max=%2,5 oran›n› aflmamas›n› hedefliyoruz.Yani ρ⋅L⋅P/(A⋅ε 2 )ρ⋅L⋅P/(ε 2 .y max) olarak seçmemizgerekir. Bu eflitsizli¤in her iki taraf›n›L ile çarparsak; A telin kesit alan› oldu¤unagöre, sol tarafta L⋅A bize, hatiçin kullan›lan iletken telin toplamhacmi için; H>ρ⋅L 2 ⋅P/(ε 2 .y max) k›s›t›n›verir. Nihayet, her iki taraf› bir deiletken malzemenin özkütlesi ρ k ileçarpt›¤›m›zda, telin toplam kütlesiiçin M=ρ k.H > ρ k⋅ρ⋅L 2 ⋅P/(ε 2 ⋅y max) k›s›-t›n› elde ederiz.En iyi iletken metaller, s›ras›yla gümüfl,bak›r ve alüminyum. ‹lk ikisi pahal›.Alüminyum kulland›¤›m›z› düflünelim.Alüminyumun özdirenciρ=2,82x10 -8 Ω.m, özkütlesiρ k=2700kg/m 3 . Bunlar›,L=100km=10 5 m, P=500MW=5x10 8 W,ε=33kV=3,3x10 4 V de¤erleriyle birliktekütle k›s›t›na yerlefltirirsek;¤utulabilir. Ancak, rotor bir s›v›n›niçinde h›zl› dönemeyece¤inden, gazlaso¤utulmak zorundad›r. Hava bu durumdauygun bir so¤utucu de¤ildir.Çünkü, yüksek gerilim alt›nda, görecekolay ayr›fl›p, ‘korona etkisi’ sergilerve yak›ndaki kasaya s›çramalara yolaçar. Oysa hidrojen, 13,6 eV’luk görecebüyük iyonlaflma enerjisi nedeniyle,yüksek gerilime karfl› daha dayan›kl›-d›r. Dolay›s›yla, rotorun içinde döndü-¤ü kasa, hidrojen gaz›yla doldurulupso¤utulur. Hidrojen de ayr›ca, d›flar›dasuyla… Fakat flimdi de flu durum var:En küçük atom olmas› nedeniyle mikroskopikaral›klardan dahi kolayl›klas›zabilen hidrojen, havayla kar›flt›¤›takdirde, ufak bir k›v›lc›mla patlayabilir.Bu olas›l›¤› önlemek üzere içerdekihidrojenin d›flardaki havayla al›flveriflinikesmek için, rotor bölmesinin çeperindekiek yerleri, sürekli beslenenya¤la yal›t›l›r. Statörünse do¤rudansuyla so¤utulmas› mümkün.Alternatör bir kez çal›flmaya bafllad›ktansonra, uyar› ak›m›n› santral›nkendi ç›k›fl›ndan sa¤lamaya bafllar vebirim, ‘emre amade’ hale gelmifl olur.Santral di¤er elektrik gereksinimlerinide ayn› fleklide, kendi ç›k›fl›ndan sa¤larve güç üretim kapasitesinin yaklafl›k%10’unu, bu amaçla kullan›r. Dolay›s›yla,emre amade bir santral, kendigüç ç›k›fl›na ba¤l›d›r ve baflka herhangibir yük omuzlamam›fl olsa dahi,kendisini yük olarak tafl›maktad›r.M> 2,7x10 3 kg/m 3 x 2,82x10 -8 Ω.m x10 10 m 2 x 5x10 8 w / (0,025x3,3 2 x10 8 ) =2,7x2,82x5/(0,025x3,3 2 )]x10 5=1,4x10 7 kg buluruz. Yani M>14 binton!... Alüminyumun toplam hacmiV>M/ρ k=1,4x10 7 kg/2.700kg/m 3=5.185m 3 olur. Uzunlu¤u L=10 5 m oldu¤unagöre, kesitiA>5.185m 3 /10 5 m=0,05185m 2 =518,5cm 2 ’dir. Çap› ise; A=πD 2 /4’ten,D>(4A/π) 1/2 =(4x518,5/π) 1/2 =25,7cm!... Halbuki gerilimi, örne¤in380kV’a ç›kart›rsak, kütle, hacim vealan de¤erleri gerilimin karesiyle tersorant›l› oldu¤undan; k›s›tlar,(33,3/380) 2 =7,68x10 -3 faktörüyle azalarakM>107,5 tona, V>39,8 m 3 ’e veA>3,98 cm 2 ’ye iner. Telin çap› ise,D>2,25 cm olur. Kabul edilebilir düzeyler...Ayr›ca; kablo inceldikçe, a¤›rl›-¤›n› tafl›yan iletim hatt› kulelerinin maliyetide ona göre düfler. Dolay›s›yla,uzun mesafe iletim hatlar›nda; hem iletimkay›plar›n› hem de flebekenin yat›-r›m maliyetlerini en azda tutabilmekiçin, 765kV’a varan yüksek gerilimlertercih edilir. Türkiye’deki üretim birimleri,ço¤unlukla güney ve güneydo¤uda,tüketim merkezleriyse kuzeybat›daoldu¤undan, iletim hatlar› uzundur.Bu yüzden, iletim kay›plar› %3.1 düzeyindeve %2.5 civar›ndaki OECD ortalamas›n›nüzerinde. 4 Mevcut iletim hatlar›n›nyaklafl›k 11.600 km’lik k›sm›380 kV, 25.000 km’lik k›sm› ise 154kV’luk olup, bu alandaki iyileflme 380kV’luk iletim pay›n›n art›r›lmas›ylamümkündür.May›s 200813B‹L‹M veTEKN‹K

H›z denetimiTürbinin dönme h›z› ayar›, ‘denetçi’arac›l›¤›yla yap›l›r. Denetçi, elektromekanikbir geri besleme düzene-¤idir. Sistemin mekanik bilefleni temelolarak hele, 1785 y›l›nda JamesWatt’›n, Newcome’un icat etti¤i buharmakinas›n›n h›z denetimi için gelifltirdi¤i‘uçan toplar’› (flyball) kullan›yor.fiekilde görülen bu basit fakat etkilidüzenekte, flaft üzerine ‘kayar bir yaka’ile oturtulmufl bulunan toplar›ndönme yar›çap›, flaft›n dönme h›z›naTrafoBir trafo, yan yana duran, ayn› demirçekirdek üzerine sar›lm›fl iki bobindenoluflur. Yükseltici bir (step-up)trafoda, bu bobinlerden ikincisinin sar›msay›s› birincisindekinden fazla, örne¤inn kat› kadard›r. Birinci bobindengeçen AC ak›m, bu bobinde zamanlade¤iflen bir manyetik ak› üretmektedir.Bu ak› ikinci bobinde, dahafazla say›da sar›m halkas›n›n içindengeçmekte oldu¤undan, n kat› kadardaha büyük bir ak› oluflturur. Dolay›-s›yla, ikinci bobindeki toplam ak›n›nzamanla de¤iflim h›z›, birincidekindenn kat› kadar daha büyüktür. Faradayyasas› gere¤i, bu durum ikinci bobindekigerilimin birincidekinin n kat› kadardaha büyük olmas› anlam›na gelir(ε=-N⋅dφ/dt). Buna karfl›l›k, ikinci bobindekiak›m birincidekine göre n kat›kadar azal›r. Öyle olmas› gerekir zaten.Ki güç, P=V⋅I, trafo kay›plar›n› dagöz önünde bulundurmak kayd›yla,korunmufl olsun. Trafo, içi ya¤ dolubir kutunun içine yerlefltirilmifltir. Ya-¤›n amac›, hem güç aktar›m›nda sorunyaratabilen nemi uzak tutmak,ba¤l› olarak ve merkezkaç kuvvetininetkisiyle büyür ya da küçülür. Toplarböylelikle, ba¤l› bulunduklar› kollar›,yukar› kald›r›r ya da afla¤›ya indirir.Nihayet, bu kollar›n hareket ettirdi¤iyatay bir çubuk, çubu¤un di¤er ucundakive buhar kazan›n›n üzerindekibir kelebe¤in aç›kl›¤›n› azalt›p ço¤altarak,kazanda üretilen buhar›n dahaaz ya da daha fazla bir k›sm›n›n d›flar›sal›nmas›n› sa¤lar. Sonuç olarak;kazandan gelen buhar›n bas›nc› de-¤ifltikçe, flaft›n dönme h›z› denetlenmiflolur. Günümüzdeki denetleyiciler,flaft›n dönme h›z›n› hele benzerbir düzenekle alg›l›yor olmakla birlikte;bu bilgiyi do¤rudan kullanmak yerine,elektrik sinyaline (art›k say›sal)dönüfltürdükten sonra, ilgili pnömatikelemanlar› kumanda edebilecekbir ‘servomotor’a gönderiyorlar. Denetimifllevi için kullan›lan veri, tabiiki yaln›zca bundan ibaret de¤il. Ço¤udenetleyici, baz›lar› flaft üzerine yerlefltirilmiflolan ‘alg›lay›c›’lardan(transducer) gelen bir düzineye yak›ngirdi ve bunun yar›s› kadar ç›kt› sinyaliyleçal›fl›r. Bu arada flaft›n dönmeh›z› yan›nda; alternatördeki s›cakl›k,boru ya da kanallardaki bas›nç ölçümlerinial›p, o anki güç talebiyle arzaras›ndaki fark›n düzeyini de hesabakatar. Ve bu verileri de¤erlendirerek;örne¤in Pelton türbininde jetin ç›k›fla¤z›ndaki m›zrak ya da sapt›r›c›n›nhareketlerini, ya da Kaplan türbinlerindekanat aç›lar›n›, ilgili pnömatikelemanlar arac›l›¤›yla yönetirler. Ayr›-ca, sistemin afl›r› sal›n›mlar sergilemeyebafllad›¤› durumlarda, yükle ba¤lant›y›kesip, sistemi güvence alt›naalacak flekilde programlan›rlar.Trafo merkeziBüyük santrallarda çal›flt›r›lan tipikbir jeneratörün, 33,3kV gerilimle,tümüyle dirençlerden oluflan bir grupyüke, 15kA ak›m sa¤lamakta oldu¤unuvarsayal›m. Jeneratör bu durumda,P=500Mw=5x10 8 J/s güç üretmektedir.Türbindeki mekanik güç %100 verimleelektrik gücüne dönüfltürülüyor olsun.Gerçek de¤er %99’a yak›nd›r. Türbininsa¤lamas› gereken torkun; dönme h›z›3000 devir/dk = 50 devir/s = 100 πhem de s›çramalara karfl›, bobinlerikutu çeperinden yal›tmakt›r. Trafolardamaliyeti ve ulafl›labilen gerilim düzeylerinibelirleyen ana etken, bu yal›-t›m sorunu. ‘Alçalt›c›’ bir (step-down)trafoda ise, tam tersine, ikinci bobindekisar›m say›s› birincidekinden dahaazd›r. Bu yüzden, gerilimi yükseltmekyerine düflürürler. Trafolar›n ilk bak›fltabiraz gizemli görünebilen bu ifllevi,bir bak›ma diflli çarklar›nkine benzer.Nas›l ki küçük bir çarktan, yar›çap› vedolay›s›yla da difl say›s›, varsayal›m nkat› kadar büyü¤üne aktar›lan tork nmisli büyür ve fakat bu arada aç›salh›z da ayn› oranda küçülürken, torklaaç›sal h›z›n çarp›m› olan güç sabit kal›yorsa;burada da ona benzer flekilde.Ya da hidrolik bir benzetmeyle, hidrolikpompa ve asansörler gibi… ‹çi s›-k›flt›r›lamaz bir ak›flkanla dolu kapal›bir kab›n yaln›zca, biri di¤erinkinin nmisli genifl yüzey alan›na sahip iki pistonç›k›fl› varsa; küçük pistona F kuvvetiuygulad›¤›m›zda, bas›nc›n ak›flkaniçerisinde aynen da¤›l›m› (PascalYasas›) gere¤i, büyük pistonun yüzeyindeF’nin n kat› kadar bir kuvvetoluflur. Fakat buna karfl›l›k, büyükkuvvete d kadar yol katettirebilmemiziçin, küçük kuvvetin uygulama noktas›n›d’nin n misli kadar hareket ettirmemizlaz›md›r. Yani güç ve enerji korunur.Trafolar›n bu, diflli çarklara yada hidrolik pompalara benzeyen basitve maliyeti düflük yap›s› nedeniyledirki, AC gerilimi yükseltip alçaltmak, buifllemi DC gerilimle yapmaya oranlaçok daha kolayd›r. Gerçi flimdi art›kDC gerilimi, trafolar›n AC’de yapt›¤›gibi, yüksek verimle de¤ifltiren ‘kat›hal’ ayg›tlar› var. Fakat geçen yüzy›l›nbafllar›nda bu teknoloji yoktu. Edison’unflirketi DC güç da¤›tmaya bafllam›flken,Tesla’n›n gelifltirdi¤i AC geriliminrakip Westinghouse flirketi taraf›ndanbenimsenmesi üzerine iki flirketaras›nda patlak veren ‘ak›m savafllar›’n›nAC’nin zaferiyle sonuçlanm›flolmas›n›n ana nedeni buydu. Prizimizeelektrik böyle gelir. Sektöre eme¤igeçen isimsiz kahramanlara sayg›yla…B‹L‹M veTEKN‹K14 May›s 2008

ad/s oldu¤una göre; P=ωT iliflkisinden,T = (5x10 8 J/s)/(100π rad/s) =159 kN⋅m (kilo Newton-metre) olmas›gerekir. Kanatlar›n ortalama uzunlu¤uL = 30 cm olsa, üzerlerinde F = T/L =159/0.3 = 530 kN kuvvet var demektir;yani 54 ton kütlenin a¤›rl›¤›… Emreamade 500 MW’la; bir konutun günlükelektrik enerjisi tüketimi 2,5-3,5kWh olmakla birlikte, maksimum güçgereksinimi 2,5-3,0 kW kadar oldu¤undan,diyelim 2’fler kW’tan 250.000 konutaelektrik gücü sa¤lanabilir. Ancak,santrallar güvenlik ve çevre gerekçeleriyle,yerleflim birimlerinden uzakta yada tafl›nmas› güç olan enerji kaynaklar›n›nyak›n›nda kurulur. Ayr›ca, potansiyeltüketiciler farkl› yerleflim merkezlerindeyaflad›¤›ndan, gücün her birininaya¤›na kadar iletilmesi gerekir.Öte yandan, belli bir gücün iletimi s›ras›ndayolda karfl›lafl›lan kay›plar, gerilimintersiyle azal›r. Dolay›s›yla, iletimkay›plar›n›n en azda tutulabilmesi için,önce jeneratör ç›k›fl›ndaki 33,3 kV’lukgerilim; 380 ya da 765 kV, hatta 1 milyonvolta varan ‘çok yüksek’ düzeylereyükseltilir. Bu ifllem, santral ç›k›fl›ndaki‘ana trafo istasyonu’nda yap›l›r(Bkz. Trafo). Ondan sonras›, birdenfazla koldan yola ç›kan ‘yüksek gerilima¤›’…‹letim, Da¤›t›mElektrik iletim a¤›, hiyerarflik biryap›ya sahiptir. ‹letim mesafesi yüzlercekilometreyi bulur. Hatlardakigerilimin düzeyini plastik yal›t›mla,canl›lar›n temas halinde zarar görmeyecekleridüzeylere indirmek, ekonomikaç›dan olanaks›z. Dolay›s›yla, hatlar›nç›plak olarak kullan›lmas› zorunlulu¤uvar. O halde bu ç›plak hatlar›n,karayla temas halindeki canl›lar›nerifliminden, olabildi¤ince uzak tutulmas›gerekir. Hatlar bu yüzden,normalde ulafl›lamayacak yüksekliktekidireklerin üzerinden ç›plak olarakiletilir. Talep edilen güç düzeyi artt›kça,direnç kay›plar›n›n yol açt›¤› ›s›nmanedeniyle hatlar uzar ve direkleraras›ndaki k›s›mlar, afla¤›ya do¤ru dahafazla sarkar. Civardaki engellerede¤memeleri için, direkler aras› mesafek›sa tutulur; 100-300 metre kadar.Bitki örtüsüyle kapl› bir alandan geçiliyorsae¤er, hatta do¤ru büyüyena¤açlar, düzenli olarak budan›r.A¤›n belkemi¤ini, ‘yüksek gerilim’(YG) a¤› oluflturur. Bu a¤›n de¤iflik k›-s›mlar› farkl› gerilimlerle çal›fl›yor olabilir.Yüksek gerilim hatlar›n› tafl›yandireklerin genellikle üç ya da iki koldaüçerden alt›, hatta alt›flardan oniki hat bile tafl›d›¤› görülür. Bunlarüçerli faz hatlar›d›r. Ayr›ca bir nötrhat, direklerin en tepesinden uzanmaktad›r.Direklerden afla¤›ya indirileniletken uzant›larla topraklanm›flolan bu sonuncu hatt›n görevi, y›ld›-r›m düflmesi halinde, enerjiyi topra¤aaktararak, alt›ndaki faz hatlar›n› korumakt›r.YG a¤›n›n amac›, ‘orta gerilim’(OG) tafl›yan bölgesel a¤lar› beslemektir.‹letti¤i yüksek gerilim, OGa¤lar›n›n girifl noktalar›n› oluflturanYG/OG trafo istasyonlar›nda, 100 kVcivar›ndaki, örne¤in 66 kV ya da 132kV’luk OG düzeylerine indirilir. OGa¤lar›, ortalama 100 MW civar›ndakigüç tafl›ma kapasiteleriyle, ‘alçak gerilim’(AG) a¤lar›n› besler. ‹lettikleri ortagerilim, AG a¤lar›n›n girifl noktalar›n›oluflturan OG/AG trafo istasyonlar›nda,3,3-33 kV aras›ndaki AG düzeylerineindirilir. Tüketim merkezlerineart›k yaklafl›lm›fl demektir ve ortalama10 MW civar›nda güç tafl›yabilenAG a¤lar› bu gücü, mahalle aralar›ndagördü¤ümüz, eskiden yeflil boyal›iken art›k minik birer evmifl görüntüsüverilen metal kapl› küçükodalardan oluflan yerel ‘alt trafo istasyonlar›’nada¤›t›r. Bu yerel istasyonlardaAG, da¤›t›m›n son aflamas›ndakiküçük ölçekli tüketicilere iletilmeküzere, 220 V’a indirilir. Bu sonuncuifllem, yerel da¤›t›m›n havadan yap›ld›¤›yerlerde bazen sokak aralar›ndagördü¤ümüz elektrik direklerinin baz›lar›n›nalt›nda bulunan kutular›niçindeki alçak gerilim trafolar›ndagerçeklefltiriliyor da olabilir (Bkz.Trafo).Prof.Dr. Vural Alt›nDipnotlar1 TE‹Afi2 TEDAfi3 http://www.hitachi.com/rev/1998/revoct98/r4_104.pdf4 Elektrik Enerjisi Sektörü, DEK-TMK, 2004.May›s 200815 B‹L‹M veTEKN‹K