Elektrik güç iletimi - Electric power transmission

Grand Coulee Barajı'nda 500 kV Trifaze Elektrik İletim Hatları ; dört devre gösterilmiştir; iki ek devre sağdaki ağaçlar tarafından gizlenmiştir; Barajın 7079 MW'lık üretim kapasitesinin tamamı bu altı devre tarafından karşılanmaktadır.

Elektrik enerjisi iletimi , elektrik enerjisinin bir elektrik santrali gibi bir üretim alanından bir elektrik trafo merkezine toplu hareketidir . Bu hareketi kolaylaştıran birbirine bağlı hatlara iletim ağı denir . Bu, tipik olarak elektrik güç dağıtımı olarak adlandırılan, yüksek voltajlı trafo merkezleri ve müşteriler arasındaki yerel kablolamadan farklıdır . Birleşik iletim ve dağıtım ağı, elektrik şebekesi olarak bilinen elektrik dağıtımının bir parçasıdır .

Elektrik gücünün verimli uzun mesafeli iletimi, yüksek voltaj gerektirir. Bu, ağır akımın ürettiği kayıpları azaltır. İletim hatları çoğunlukla yüksek voltajlı AC (alternatif akım) kullanır, ancak önemli bir iletim hattı sınıfı yüksek voltajlı doğru akım kullanır . Gerilim seviyesi transformatörlerle değiştirilir , iletim için gerilimi yükseltir , ardından yerel dağıtım için gerilimi düşürür ve ardından müşteriler tarafından kullanılır.

Bir geniş alan senkron ızgara da Kuzey Amerika'da bir "ara bağlantı" olarak bilinen, doğrudan aynı göreli AC güç üreten birçok jeneratörler bağlayan frekansa birçok tüketicilere. Örneğin, Kuzey Amerika'da dört ana bağlantı vardır ( Batı Bağlantısı , Doğu Bağlantısı , Quebec Bağlantısı ve Teksas Elektrik Güvenilirlik Konseyi (ERCOT) şebekesi). Avrupa'da büyük bir şebeke Avrupa kıtasının çoğunu birbirine bağlar .

Tarihsel olarak, iletim ve dağıtım hatları genellikle aynı şirkete ait, ancak 1990'larda başlayan birçok ülke var serbestleştirilmiş düzenlenmesi elektrik piyasasında dağıtım işletmeden elektrik iletim iş ayrılması yol açmıştır şekillerde.

sistem

Çoğu iletim hattı, yüksek voltajlı üç fazlı alternatif akımdır (AC), ancak tek fazlı AC bazen demiryolu elektrifikasyon sistemlerinde kullanılır . Yüksek voltajlı doğru akım (HVDC) teknolojisi, çok uzun mesafelerde (genellikle yüzlerce mil) daha fazla verimlilik için kullanılır. HVDC teknolojisi ayrıca denizaltı güç kablolarında (genellikle 50 km'den uzun) ve karşılıklı olarak senkronize olmayan şebekeler arasındaki güç alışverişinde kullanılır. HVDC bağlantıları, bir ağın bir bölümündeki ani yeni yüklerin veya kesintilerin aksi takdirde senkronizasyon sorunlarına ve kademeli arızalara neden olabileceği büyük güç dağıtım ağlarını stabilize etmek için kullanılır .

Bir elektrik güç sisteminin şeması; iletim sistemi mavi

Uzun mesafeli iletimde meydana gelen enerji kaybını azaltmak için elektrik yüksek voltajlarda (66 kV veya üzeri) iletilir . Güç genellikle havai elektrik hatları aracılığıyla iletilir . Yeraltı güç iletimi , önemli ölçüde daha yüksek kurulum maliyetine ve daha büyük operasyonel sınırlamalara sahiptir, ancak bakım maliyetleri azalır. Yeraltı iletimi bazen kentsel alanlarda veya çevreye duyarlı yerlerde kullanılır.

İletim sistemlerinde elektrik enerjisi depolama tesislerinin eksikliği önemli bir sınırlamaya yol açmaktadır. Elektrik enerjisi tüketildiği oranda üretilmelidir. Güç üretiminin talebe çok yakın olmasını sağlamak için gelişmiş bir kontrol sistemi gereklidir . Güç talebi arzı aşarsa, dengesizlik üretim tesislerinin ve iletim ekipmanının hasarı önlemek için otomatik olarak bağlantısının kesilmesine veya kapanmasına neden olabilir. En kötü durumda, bu ardışık bir dizi kapatmaya ve büyük bir bölgesel elektrik kesintisine yol açabilir . Örnekler arasında 1965 , 1977 , 2003 ABD Kuzeydoğu elektrik kesintileri ve 1996 ve 2011 yıllarında diğer ABD bölgelerindeki büyük elektrik kesintileri sayılabilir . Elektrik iletim ağları bölgesel, ulusal ve hatta kıta çapında ağlara bağlanır ve bu tür kesintiler meydana gelmesi durumunda güç akışı için birden fazla yedekli , alternatif yollar sağlayarak böyle bir arıza riskini azaltır . İletim şirketleri, ağın başka bir bölümünde bir arıza olması durumunda yedek kapasitenin mevcut olmasını sağlamak için her hattın maksimum güvenilir kapasitesini (genellikle fiziksel veya termal sınırından daha az) belirler.

Havai şanzıman

Washington Eyaletinde 3 fazlı yüksek gerilim hatları, "Birlikte" 3 yollu
Dört devreli, iki voltajlı enerji nakil hattı; "Birlikte" 2 yollu
Tipik bir ACSR . İletken, dört alüminyum katmanla çevrili yedi çelik telden oluşur.

Yüksek voltajlı havai iletkenler yalıtımla kaplanmaz. İletken malzeme neredeyse her zaman bir alüminyum alaşımıdır, birkaç şerit halinde yapılır ve muhtemelen çelik şeritlerle takviye edilir. Bakır bazen havai iletim için kullanıldı, ancak alüminyum daha hafiftir, yalnızca marjinal olarak azaltılmış performans sağlar ve çok daha az maliyetlidir. Havai iletkenler, dünya çapında birçok şirket tarafından sağlanan bir üründür. Geliştirilmiş iletken malzeme ve şekiller, artan kapasiteye izin vermek ve iletim devrelerini modernize etmek için düzenli olarak kullanılmaktadır. İletken boyutları 12 mm arasında değişir 2 (6. Amerikan tel kalınlığı ) 750 mm 2 (1.590.000  dairesel mil direnci ve değişen, alan) akım taşıma kapasitesi . Güç frekansında büyük iletkenler (çapı birkaç santimetreden fazla) için, akım akışının çoğu, cilt etkisinden dolayı yüzeyin yakınında yoğunlaşır . İletkenin orta kısmı çok az akım taşır, ancak iletkene ağırlık ve maliyet katar. Bu akım sınırlaması nedeniyle, daha yüksek kapasite gerektiğinde çoklu paralel kablolar ( demet iletkenler olarak adlandırılır ) kullanılır. Korona deşarjının neden olduğu enerji kaybını azaltmak için yüksek voltajlarda demet iletkenler de kullanılır .

Günümüzde iletim seviyesi voltajlarının genellikle 110 kV ve üzeri olduğu kabul edilmektedir. 66 kV ve 33 kV gibi daha düşük voltajlar genellikle alt iletim voltajları olarak kabul edilir , ancak bazen hafif yüklü uzun hatlarda kullanılır. Dağıtım için genellikle 33 kV'dan düşük voltajlar kullanılır . 765 kV üzerindeki voltajlar ekstra yüksek voltaj olarak kabul edilir ve daha düşük voltajlarda kullanılan ekipmanlara kıyasla farklı tasarımlar gerektirir.

Havai iletim kabloları yalıtım için havaya bağlı olduğundan, bu hatların tasarımı güvenliği sağlamak için minimum boşluklara uyulmasını gerektirir. Şiddetli rüzgarlar ve düşük sıcaklıklar gibi olumsuz hava koşulları elektrik kesintilerine neden olabilir. 23 knot (43 km/sa) kadar düşük rüzgar hızları, iletkenlerin çalışma boşluklarını aşmasına izin vererek, bir parlama ve arz kaybına neden olabilir. Fiziksel hattın salınım hareketi , salınımın frekansına ve genliğine bağlı olarak iletken dörtnala veya çarpıntı olarak adlandırılabilir .

Webster, Teksas'ta yan yana üç Elektrik Direkleri

Yeraltı iletimi

Elektrik enerjisi, havai elektrik hatları yerine yer altı elektrik kabloları ile de iletilebilir . Yeraltı kabloları, havai hatlardan daha az geçiş hakkı kaplar, daha düşük görünürlüğe sahiptir ve kötü hava koşullarından daha az etkilenir. Ancak, yalıtımlı kablo ve kazı maliyetleri, havai inşaattan çok daha yüksektir. Gömülü iletim hatlarındaki arızaların bulunması ve onarılması daha uzun sürer.

Bazı metropol alanlarda, yeraltı iletim kabloları metal boru ile çevrelenir ve statik veya pompalar aracılığıyla dolaştırılan dielektrik sıvı (genellikle bir yağ) ile yalıtılır. Bir elektrik arızası boruya zarar verirse ve çevredeki toprağa dielektrik sızıntısı oluşturursa, hasarlı boru yerinin boşaltılmasını ve onarılmasını sağlamak için borunun bölümlerini dondurmak için sıvı nitrojen kamyonları harekete geçirilir. Bu tip yeraltı iletim kablosu, onarım süresini uzatabilir ve onarım maliyetlerini artırabilir. Borunun ve toprağın sıcaklığı genellikle onarım süresi boyunca sürekli olarak izlenir.

Yeraltı hatları, havai hatlardan daha az aşırı yüklenmeye veya yeniden derecelendirmeye izin veren termal kapasiteleriyle kesinlikle sınırlıdır. Uzun yeraltı AC kabloları, 80 kilometrenin (80 kilometre) ötesindeki yüklere faydalı güç sağlama yeteneklerini azaltabilecek önemli bir kapasitansa sahiptir. DC kabloların uzunlukları kapasiteleriyle sınırlı değildir, ancak iletim ağıyla birbirine bağlanmadan önce DC'den AC'ye dönüştürmek için hattın her iki ucundaki HVDC dönüştürücü istasyonlarına ihtiyaç duyarlar .

Tarih

1890'da New York City sokakları. Telgraf hatlarının yanı sıra, farklı voltaj gerektiren her cihaz sınıfı için birden fazla elektrik hattı gerekiyordu.

Ticari elektrik gücünün ilk günlerinde, elektrik gücünün aydınlatma ve mekanik yükler tarafından kullanılanla aynı voltajda iletilmesi, üretim tesisi ile tüketiciler arasındaki mesafeyi kısıtladı. 1882'de üretim, uzun mesafeli iletim için voltajı kolayca artırılamayan doğru akım (DC) ile yapıldı. Farklı yük sınıfları (örneğin, aydınlatma, sabit motorlar ve cer/demiryolu sistemleri) farklı voltajlar gerektirdi ve bu nedenle farklı jeneratörler ve devreler kullandı.

Hatların bu özelleşmesi ve düşük voltajlı yüksek akım devreleri için iletimin yetersiz olması nedeniyle, jeneratörlerin yüklerine yakın olması gerekiyordu. O zamanlar endüstri , yüklerinin yakınında çok sayıda küçük jeneratörün bulunduğu dağıtılmış bir üretim sistemi olarak bilinen şeye dönüşecek gibi görünüyordu .

Alternatif akım (AC) ile elektrik gücünün iletimi, Lucien Gaulard ve John Dixon Gibbs'in 1881'de 1:1 dönüş oranı ve açık manyetik devre ile sağlanan erken bir transformatör olan ikincil jeneratör dedikleri şeyi inşa etmelerinden sonra mümkün oldu .

İlk uzun mesafe AC hattı , İtalya'nın Torino kentindeki 1884 Uluslararası Sergisi için inşa edilen 34 kilometre (21 mil) uzunluğundaydı . 2 kV, 130 Hz Siemens & Halske alternatörü ile güçlendirildi ve birincil sargıları akkor lambaları besleyen seri bağlı birkaç Gaulard "ikincil jeneratörü" (transformatör) içeriyordu. Sistem, AC elektrik gücü iletiminin uzun mesafelerde uygulanabilirliğini kanıtladı.

Çalıştırılan ilk AC dağıtım sistemi, 1885 yılında, Roma, İtalya'da Via dei Cerchi'de, kamu aydınlatması için hizmete girdi . 30 hp (22 kW), 120 Hz'de 2 kV değerinde iki Siemens & Halske alternatörü tarafından destekleniyordu ve 19 km kablo ve kapalı bir manyetik devre ile donatılmış 200 paralel bağlı 2 kV ila 20 V düşürme transformatörü kullandı, bir her lamba için. Birkaç ay sonra , Londra'daki Grosvenor Gallery'de hizmete giren ilk İngiliz AC sistemi izledi . Ayrıca Siemens alternatörleri ve şönt bağlantılı primerlere sahip 2,4 kV - 100 V düşürücü transformatörler (kullanıcı başına bir tane) de içeriyordu.

Westinghouse için çalışan William Stanley Jr., Great Barrington'daki hastalıktan kurtulmak için zamanını dünyanın ilk pratik AC transformatör sistemini kurarak geçirdi.

Elektrik mühendisi William Stanley, Jr. , Gaulard-Gibbs'in pratik olmadığını düşündüğü bir tasarımdan yola çıkarak , 1885'te ilk pratik AC transformatör serisi olarak kabul edilen şeyi geliştirdi. George Westinghouse'un desteğiyle çalışarak , 1886'da transformatör tabanlı bir alternatif akım aydınlatması sergiledi. Great Barrington, Massachusetts'teki sistem . Buhar motoruyla çalıştırılan 500 V Siemens jeneratörüyle çalışan voltaj, ana cadde boyunca 23 işyerinde akkor lambalara güç sağlamak için yeni Stanley transformatörü kullanılarak 4.000 fit (1.200 m) üzerinde çok az güç kaybıyla 100 Volt'a düşürüldü. Bir transformatörün ve alternatif akım aydınlatma sisteminin bu pratik gösterimi, Westinghouse'un o yıl içinde AC tabanlı sistemleri kurmaya başlamasına yol açacaktır.

1888, işlevsel bir AC motor için tasarımlar gördü , bu sistemler o zamana kadar eksikti. Bunlar , bağımsız olarak Galileo Ferraris ve Nikola Tesla tarafından icat edilen (Tesla'nın tasarımı ABD'de Westinghouse tarafından lisanslanan) çok fazlı akımla çalışan endüksiyon motorlarıydı . Bu tasarım, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky ve Charles Eugene Lancelot Brown tarafından modern pratik üç fazlı forma daha da geliştirildi . Bu tip motorların pratik kullanımı, geliştirme sorunları ve onlara güç sağlamak için gereken çok fazlı güç sistemlerinin kıtlığı nedeniyle uzun yıllar gecikecektir.

1880'lerin sonlarında ve 1890'ların başlarında, daha küçük elektrik şirketlerinin Avrupa'da Ganz ve AEG ve ABD'de General Electric ve Westinghouse Electric gibi birkaç büyük şirkette finansal birleşmesi görülecekti . Bu şirketler AC sistemleri geliştirmeye devam ettiler, ancak doğrudan ve alternatif akım sistemleri arasındaki teknik fark, çok daha uzun bir teknik birleşmeyi takip edecekti. ABD ve Avrupa'daki yenilikler nedeniyle, uzun mesafeli iletim yoluyla yüklere bağlanan çok büyük üretim tesisleri ile alternatif akımın ölçek ekonomisi, tedarik edilmesi gereken mevcut tüm sistemlerle bağlantı kurma yeteneği ile yavaş yavaş birleştiriliyordu. Bunlar arasında tek fazlı AC sistemleri, çok fazlı AC sistemleri, düşük voltajlı akkor aydınlatma, yüksek voltajlı ark aydınlatması ve fabrikalarda ve cadde arabalarındaki mevcut DC motorları vardı. Evrensel bir sistem haline gelen şeyde , bu teknolojik farklılıklar , çok sayıda eski sistemin AC şebekesine bağlanmasına izin verecek döner dönüştürücüler ve motor jeneratörlerinin geliştirilmesi yoluyla geçici olarak köprüleniyordu . Eski sistemler kullanımdan kaldırıldıkça veya yükseltildikçe bu geçici engeller yavaş yavaş değiştirilecektir.

Westinghouse alternatif akım çok fazlı jeneratörleri, "Tesla Çok Fazlı Sistemi"nin bir parçası olan Chicago'daki 1893 Dünya Fuarı'nda sergileniyor . Bu tür çok fazlı yenilikler iletimde devrim yarattı

Tek fazlı alternatif akımın yüksek voltaj kullanılarak ilk iletimi, 1890'da Oregon'da, Willamette Falls'taki bir hidroelektrik santralinden nehir aşağısındaki Portland şehrine 14 mil (23 km) iletildiğinde gerçekleşti. Yüksek gerilim kullanan ilk üç fazlı alternatif akım, 1891'de Frankfurt'taki uluslararası elektrik fuarında gerçekleşti . Yaklaşık 175 km uzunluğundaki 15 kV'luk bir iletim hattı, Lauffen'i Neckar ve Frankfurt'a bağladı .

Elektrik enerjisi iletimi için kullanılan voltajlar 20. yüzyıl boyunca arttı. 1914'e gelindiğinde, her biri 70 kV'dan fazla çalışan elli beş iletim sistemi hizmete girdi. O zaman kullanılan en yüksek voltaj 150 kV idi. Geniş bir alanda birden fazla üretim tesisinin birbirine bağlanmasına izin verilerek elektrik üretim maliyeti düşürülmüştür. Gün boyunca değişen yükleri beslemek için mevcut en verimli tesisler kullanılabilir. Stand-by üretim kapasitesi çok daha fazla müşteri ve daha geniş bir coğrafi alan arasında paylaşılabildiğinden, güvenilirlik artırıldı ve sermaye yatırım maliyeti düşürüldü. Hidroelektrik güç veya maden ağzı kömürü gibi uzak ve düşük maliyetli enerji kaynakları, enerji üretim maliyetini düşürmek için kullanılabilir.

20. yüzyıldaki hızlı sanayileşme , çoğu sanayileşmiş ülkede elektrik iletim hatlarını ve şebekeleri kritik altyapı öğeleri haline getirdi . Yerel üretim tesislerinin ve küçük dağıtım ağlarının birbirine bağlanması, hükümetler tarafından mühimmat fabrikalarına güç sağlamak için inşa edilen büyük elektrik üretim tesisleri ile I. Dünya Savaşı'nın gereklilikleri tarafından teşvik edildi . Daha sonra bu üretim tesisleri, uzun mesafeli iletim yoluyla sivil yükleri sağlamak için bağlandı.

Toplu güç iletimi

Bir iletim trafo merkezi , gelen elektriğin voltajını düşürür ve uzun mesafeli yüksek voltaj iletiminden yerel düşük voltaj dağıtımına bağlanmasına izin verir. Ayrıca gücü yerel pazarlara hizmet eden diğer iletim hatlarına yönlendirir. Burası PacifiCorp Hale Trafo Merkezi, Orem, Utah , ABD

Mühendisler, enerjiyi mümkün olduğunca verimli bir şekilde taşımak için iletim ağlarını tasarlarken aynı zamanda ekonomik faktörleri, ağ güvenliğini ve yedekliliği de hesaba katarlar. Bu ağlar, güç hatları, kablolar, devre kesiciler , anahtarlar ve transformatörler gibi bileşenleri kullanır . İletim ağı genellikle bölgesel bir iletim organizasyonu veya iletim sistemi operatörü gibi bir kuruluş tarafından bölgesel bazda yönetilir .

İletim verimliliği, hat iletkenlerindeki voltajı artıran (ve dolayısıyla akımı orantılı olarak azaltan) cihazlarla büyük ölçüde iyileştirilir, böylece gücün kabul edilebilir kayıplarla iletilmesine izin verilir. Hattan geçen azaltılmış akım, iletkenlerdeki ısıtma kayıplarını azaltır. Joule Yasasına göre enerji kayıpları akımın karesi ile doğru orantılıdır. Bu nedenle, akımı iki kat azaltmak, herhangi bir iletken boyutu için iletken direncinde kaybedilen enerjiyi dört kat azaltacaktır.

Belirli bir voltaj ve akım için bir iletkenin optimum boyutu, Kelvin'in iletken boyutu yasası ile tahmin edilebilir; bu, dirençte boşa harcanan yıllık enerji maliyeti, sağlamanın yıllık sermaye ücretlerine eşit olduğunda boyutun optimum olduğunu belirtir. kondüktör. Daha düşük faiz oranlarında Kelvin yasası, daha kalın tellerin optimal olduğunu gösterir; metaller pahalı olduğunda, daha ince iletkenler belirtilir: bununla birlikte, elektrik hatları uzun süreli kullanım için tasarlanmıştır, bu nedenle Kelvin yasası, faiz oranlarının yanı sıra bakır ve alüminyum fiyatlarının uzun vadeli tahminleriyle birlikte kullanılmalıdır. sermaye için.

Gerilimdeki artışı kullanılarak AC tarafından elde edilir artırmalı transformatörü . HVDC sistemleri, denizaltı kabloları ve daha uzun mesafeli yüksek kapasiteli noktadan noktaya iletim gibi belirli projeler için ekonomik olarak haklı gösterilebilecek nispeten maliyetli dönüştürme ekipmanı gerektirir. HVDC, birbiriyle senkronize olmayan şebeke sistemleri arasında enerji ithalatı ve ihracatı için gereklidir.

Bir iletim şebekesi, güç istasyonları , iletim hatları ve trafo merkezlerinden oluşan bir ağdır . Enerji genellikle üç fazlı AC ile bir şebeke içinde iletilir . Tek fazlı AC, büyük çok fazlı asenkron motorlarda kullanılamadığından yalnızca son kullanıcılara dağıtım için kullanılır . 19. yüzyılda, iki fazlı iletim kullanıldı, ancak eşit olmayan akımlara sahip dört telli veya üç tel gerektiriyordu. Daha yüksek dereceli faz sistemleri, üçten fazla kablo gerektirir, ancak çok az fayda sağlar veya hiç fayda sağlamaz.

Elektrik santrali kapasitesinin fiyatı yüksektir ve elektrik talebi değişkendir, bu nedenle ihtiyaç duyulan gücün bir kısmını ithal etmek, yerel olarak üretmekten genellikle daha ucuzdur. Yükler genellikle bölgesel olarak ilişkili olduğundan (ABD'nin güneybatı kesimindeki sıcak hava birçok insanın klima kullanmasına neden olabilir), elektrik gücü genellikle uzak kaynaklardan gelir. Bölgeler arasında yük paylaşımının ekonomik faydaları nedeniyle, geniş alan iletim şebekeleri artık ülkeleri ve hatta kıtaları kapsamaktadır. Elektrik üreticileri ve tüketiciler arasındaki bağlantılar ağı, bazı bağlantılar çalışmıyor olsa bile, gücün akışını sağlamalıdır.

Elektrik talebinin değişmeyen (veya saatlerce yavaş yavaş değişen) kısmı, temel yük olarak bilinir ve genellikle yakıt ve işletme için sabit maliyetleri olan büyük tesisler (ölçek ekonomileri nedeniyle daha verimli olan) tarafından sunulur. Bu tür tesisler nükleer, kömürle çalışan veya hidroelektrik iken, konsantre güneş enerjisi ve jeotermal enerji gibi diğer enerji kaynakları temel yük gücü sağlama potansiyeline sahiptir. Güneş fotovoltaikleri, rüzgar, dalga ve gelgit gibi yenilenebilir enerji kaynakları, kesintili olmaları nedeniyle "temel yük" sağlama olarak kabul edilmez, ancak yine de şebekeye güç katacaktır. Kalan veya 'en yüksek' güç talebi, tipik olarak daha küçük, daha hızlı yanıt veren ve doğal gazla çalışan kombine çevrim veya yanma türbini santralleri gibi daha yüksek maliyetli kaynaklar olan tepe güç santralleri tarafından sağlanır .

Uzun mesafeli elektrik iletimi (yüzlerce kilometre), kWh başına 0,005-0,02 ABD Doları maliyetle ucuz ve verimlidir (yıllık ortalama büyük üretici maliyetleri kWh başına 0,01-0,025 ABD Doları ile karşılaştırıldığında, perakende fiyatları kWh başına 0,10 ABD Dolarından fazladır, ve öngörülemeyen en yüksek talep anlarında anlık tedarikçiler için çok sayıda perakende satış). Bu nedenle, uzak tedarikçiler yerel kaynaklardan daha ucuz olabilir (örneğin, New York genellikle Kanada'dan 1000 MW'ın üzerinde elektrik satın alır). Birden fazla yerel kaynak (daha pahalı ve nadiren kullanılsa bile), iletim şebekesini hava koşullarına ve uzaktaki tedarikçilerin bağlantısını kesebilecek diğer felaketlere karşı daha fazla hataya dayanıklı hale getirebilir.

Yüksek güçlü bir elektrik iletim kulesi, 230 kV, çift devreli, ayrıca çift demetli

Uzun mesafeli iletim, fosil yakıt tüketimini değiştirmek için uzaktan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasına izin verir. Hidro ve rüzgar kaynakları kalabalık şehirlere yaklaştırılamaz ve yerel enerji ihtiyacının minimum olduğu uzak bölgelerde güneş enerjisi maliyetleri en düşük seviyededir. Bağlantı maliyetleri tek başına herhangi bir yenilenebilir alternatifin ekonomik olarak mantıklı olup olmadığını belirleyebilir. İletim hatları için maliyetler engelleyici olabilir, ancak yüksek kapasiteli, çok uzun mesafeli süper şebeke iletim ağlarında büyük altyapı yatırımı için çeşitli teklifler , mütevazı kullanım ücretleri ile geri kazanılabilir.

ızgara girişi

En güç istasyonları , güç ünitesi boyutuna bağlı olarak, 2.3 kV ve 30 kV yaklaşık arasında göreceli olarak düşük bir voltaj üretilir. Jeneratör terminal voltajı daha sonra güç istasyonu transformatörü tarafından daha yüksek bir voltaja yükseltilir (115 kV ila 765 kV AC, iletim sistemine ve ülkeye göre değişir).

Amerika Birleşik Devletleri'nde, güç iletimi çeşitli şekillerde 230 kV ila 500 kV arasındadır, 230 kV'dan az veya 500 kV'dan fazlası yerel istisnalardır.

Örneğin, Batı Ara Bağlantı 60 Hz'de 500 kV AC ve ± 500 kV DC North güneye (üzere (1.000 kV net): iki adet birincil değişim voltajı olan Columbia River için Southern California ) ve Kuzeydoğu Southwest (Utah Güney Kaliforniya) . 287,5 kV ( Hoover Barajı - Los Angeles hattı, Victorville üzerinden ) ve 345 kV ( Arizona Kamu Hizmeti (APS) hattı) yerel standartlar olup, her ikisi de 500 kV pratik hale gelmeden önce uygulanmış ve daha sonra uzun mesafe için Batı Arabağlantı standardı AC güç iletimi.

kayıplar

Elektriğin yüksek voltajda iletilmesi, belirli iletkenlere, akan akıma ve iletim hattının uzunluğuna bağlı olarak değişen dirence kaybedilen enerji oranını azaltır . Örneğin, 1000 MW güç taşıyan 765 kV'da 100 mil (160 km) bir açıklık, %1,1 ila %0,5'lik kayıplara sahip olabilir. Aynı mesafe boyunca aynı yükü taşıyan 345 kV'luk bir hattın kaybı %4,2'dir. Belirli bir güç miktarı için, daha yüksek bir voltaj akımı ve dolayısıyla iletkendeki direnç kayıplarını azaltır . Örneğin, voltajı 10 kat artırmak, akımı karşılık gelen 10 kat azaltır ve bu nedenle, her iki durumda da aynı boyutta iletkenlerin kullanılması şartıyla kayıpları 100 kat azaltır . İletken boyutu (kesit alanı) daha düşük akıma uyacak şekilde on kat azaltılsa bile , kayıplar yine de on kat azalır. Uzun mesafeli iletim tipik olarak 115 ila 1.200 kV gerilimlerde havai hatlarla yapılır. İletken ve toprak arasında 2.000 kV'dan fazla var olan aşırı yüksek voltajlarda, korona deşarj kayıpları o kadar büyüktür ki hat iletkenlerindeki düşük direnç kayıplarını dengeleyebilirler. Korona kayıplarını azaltmaya yönelik önlemler arasında daha büyük çaplara sahip iletkenler; ağırlıktan tasarruf etmek için genellikle içi boş veya iki veya daha fazla iletkenden oluşan demetler.

İletim ve dağıtım hatlarında kullanılan iletkenlerin direncini ve dolayısıyla kaybını etkileyen faktörler arasında sıcaklık, spiralleşme ve cilt etkisi bulunur . Bir iletkenin direnci sıcaklığı ile artar. Elektrik güç hatlarındaki sıcaklık değişiklikleri, hattaki güç kayıpları üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Örgülü iletkenlerin merkez etrafında sarmal şeklini ifade eden sarmallama, iletken direncinin artmasına da katkıda bulunur. Deri etkisi, bir iletkenin etkin direncinin daha yüksek alternatif akım frekanslarında artmasına neden olur. Korona ve direnç kayıpları matematiksel bir model kullanılarak tahmin edilebilir.

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki iletim ve dağıtım kayıplarının 1997'de %6,6, 2007'de %6,5 ve 2013'ten 2019'a kadar %5 olduğu tahmin edildi. Genel olarak, kayıplar (elektrik santralleri tarafından bildirildiği üzere) ve satılan güç arasındaki farktan tahmin edilmektedir. nihai müşterilere; üretilen ve tüketilen arasındaki fark, herhangi bir hizmet hırsızlığı olmadığı varsayıldığında iletim ve dağıtım kayıplarını oluşturur.

1980 itibariyle, doğru akım iletimi için en uygun maliyetli mesafe 7.000 kilometre (4.300 mil) olarak belirlendi. İçin alternatif akım kullanımında tüm iletim hatları bugün bu çok daha kısadır olsa, 4.000 kilometre (2.500 mil) idi.

Herhangi bir alternatif akım iletim hattında, iletkenlerin endüktansı ve kapasitansı önemli olabilir. Devrenin bu özelliklerine ( dirençle birlikte empedansı tanımlayan ) yalnızca "tepki" içinde akan akımlar , yüke "gerçek" güç iletmeyen reaktif güç akışını oluşturur . Ancak bu reaktif akımlar çok gerçektir ve iletim devresinde ekstra ısıtma kayıplarına neden olur. 'Gerçek' gücün (yüke iletilen) 'görünen' güce (bir devrenin gerilim ve akımının ürünü, faz açısına bakılmaksızın) oranı güç faktörüdür . Reaktif akım arttıkça reaktif güç artar ve güç faktörü azalır. Düşük güç faktörlü iletim sistemlerinde kayıplar, yüksek güç faktörlü sistemlere göre daha yüksektir. Kamu hizmetleri , sistem genelinde kapasitör bankları, reaktörler ve diğer bileşenleri ( faz kaydırmalı transformatörler ; statik VAR kompansatörleri ve esnek AC iletim sistemleri , FACTS gibi) ekler , reaktif güç akışını telafi etmeye, güç iletimindeki kayıpları azaltmaya ve sistemi stabilize etmeye yardımcı olur. voltajlar. Bu önlemler topluca 'reaktif destek' olarak adlandırılır.

aktarma

İletim hatlarından akan akım, her fazın hatlarını çevreleyen ve diğer fazların çevredeki iletkenlerinin endüktansını etkileyen bir manyetik alan indükler . İletkenlerin karşılıklı endüktansı, kısmen hatların birbirine göre fiziksel yönelimine bağlıdır. Üç fazlı enerji nakil hatları, geleneksel olarak farklı dikey seviyelerde ayrılmış fazlar ile gerilir. Fazın bir iletkeninin diğer iki fazın ortasında gördüğü karşılıklı endüktans, iletkenlerin üst veya altta gördüğü endüktanstan farklı olacaktır. Üç iletken arasındaki dengesiz bir endüktans sorunludur çünkü orta hatta iletilen toplam gücün orantısız bir miktarını taşıyabilir. Benzer şekilde, bir hat sürekli olarak yere en yakınsa ve daha düşük bir empedansla çalışıyorsa dengesiz bir yük oluşabilir. Bu fenomen nedeniyle, iletkenler, üç fazın tümü tarafından görülen karşılıklı endüktansı dengelemek için her fazın her göreceli pozisyonda eşit zaman görmesi için iletim hattının uzunluğu boyunca periyodik olarak yer değiştirmelidir. Bunu başarmak için , çeşitli aktarma şemalarında iletim hattı boyunca düzenli aralıklarla özel olarak tasarlanmış aktarma kulelerinde hat konumu değiştirilir .

alt iletim

Filipinler'de bir 115 kV alt iletim hattı , 20 kV dağıtım hatları ve bir sokak lambası ile birlikte , tümü ahşap bir alt iletim direğine monte edilmiştir.
115 kV H çerçeveli iletim kulesi

Alt iletim, nispeten daha düşük voltajlarda çalışan bir elektrik güç iletim sisteminin parçasıdır. Ekipman daha büyük ve daha pahalı olduğundan, tüm dağıtım trafo merkezlerini yüksek ana iletim voltajına bağlamak ekonomik değildir . Tipik olarak, bu yüksek voltajla yalnızca daha büyük trafo merkezleri bağlanır. Yavaşlatılır ve kasaba ve mahallelerdeki daha küçük trafo merkezlerine gönderilir. Alt iletim devreleri genellikle döngüler halinde düzenlenir, böylece tek bir hat arızası birçok müşteriye hizmeti kısa bir süreden fazla kesmez. Döngüler, bir devre kaybının kesintiye neden olmaması gereken "normalde kapalı" veya trafo merkezlerinin bir yedek kaynağa geçebileceği "normalde açık" olabilir. Alt iletim devreleri genellikle havai hatlar üzerinde taşınırken, kentsel alanlarda gömülü kablo kullanılabilir. Düşük voltajlı alt iletim hatları daha az geçiş hakkı ve daha basit yapılar kullanır; onları gerektiğinde yeraltına koymak çok daha uygundur. Daha yüksek voltajlı hatlar daha fazla alan gerektirir ve genellikle yerin üstündedir, çünkü onları yer altına koymak çok pahalıdır.

Alt iletim ve iletim veya alt iletim ve dağıtım arasında sabit bir kesinti yoktur . Voltaj aralıkları biraz örtüşüyor. 69 kV, 115 kV ve 138 kV'luk voltajlar genellikle Kuzey Amerika'da alt iletim için kullanılır. Güç sistemleri geliştikçe, daha önce iletim için kullanılan voltajlar alt iletim için kullanıldı ve alt iletim voltajları dağıtım voltajları oldu. İletim gibi, alt iletim de nispeten büyük miktarda güç taşır ve dağıtım gibi, alt iletim de yalnızca noktadan noktaya değil bir alanı kapsar.

İletim şebekesi çıkışı

At trafo , transformatörler için daha düşük bir seviyeye gerilimi azaltmak dağıtım ticaret ve konut kullanıcılarına. Bu dağıtım, alt iletim (33 ila 132 kV) ve dağıtım (3.3 ila 25 kV) kombinasyonu ile gerçekleştirilir. Son olarak, kullanım noktasında, enerji düşük voltaja dönüştürülür (ülkeye ve müşteri gereksinimlerine göre değişir - ülkeye göre şebeke elektriğine bakın ).

Yüksek voltajlı güç iletiminin avantajı

Yüksek voltajlı güç iletimi, kablolamada uzun mesafelerde daha az dirençli kayıplara izin verir. Yüksek voltaj iletiminin bu verimliliği, üretilen gücün daha büyük bir bölümünün trafo merkezlerine ve dolayısıyla yüklere iletilmesine izin vererek operasyonel maliyet tasarrufu sağlar.

Transformatörsüz elektrik şebekesi.
Transformatörlü elektrik şebekesi.

Basitleştirilmiş modelde, kabul elektrik şebekesi (bir model olarak bir jeneratör elektrik tedarik yere gerilim kaynağının gerilimi ile , bir güç sağlayan, saf direnç ile modellenen tüketim tek bir noktaya kadar) telleri için yeterince uzun olduğunda, önemli direnç .

Direnç, aralarında herhangi bir transformatör olmadan basitçe seri ise, devre bir voltaj bölücü görevi görür , çünkü aynı akım tel direncinden ve güç verilen cihazdan geçer. Sonuç olarak, (tüketim noktasında kullanılan) faydalı güç:

Şimdi bir transformatörün, teller tarafından taşınan yüksek voltajlı, düşük akımlı elektriği tüketim noktasında kullanılmak üzere düşük voltajlı, yüksek akımlı elektriğe dönüştürdüğünü varsayalım. Voltaj oranına sahip ideal bir transformatör olduğunu varsayarsak (yani, birincil kola kıyasla ikincil kolda voltaj bölünür ve akım çarpılır ), o zaman devre yine bir voltaj bölücüye eşdeğerdir, ancak iletim kabloları artık yalnızca . Yararlı güç o zaman:

İçin (tüketim noktasına yakın düşük voltaj yüksek voltaj yani dönüşüm), jeneratörün gücü daha büyük bir bölümü tüketim noktasına iletilir ve daha az bir kısmı kaybolur Joule ısıtma .

Modelleme ve iletim matrisi

İletim hattı için "kara kutu" modeli

Çoğu zaman, yalnızca gönderme (S) ve alma (R) uçlarındaki voltaj ve akım olan iletim hattının terminal özellikleriyle ilgileniriz. İletim hattının kendisi daha sonra bir "kara kutu" olarak modellenir ve davranışını aşağıdaki gibi modellemek için 2'ye 2 iletim matrisi kullanılır:

Hattın karşılıklı, simetrik bir ağ olduğu varsayılır, bu da alıcı ve gönderen etiketlerin herhangi bir sonuç olmadan değiştirilebileceği anlamına gelir. İletim matrisi T ayrıca aşağıdaki özelliklere sahiptir:

A , B , C ve D parametreleri , istenen modelin hattın direncini ( R ), endüktansını ( L ), kapasitansını ( C ) ve şönt (paralel, sızıntı) iletkenliğini G nasıl ele aldığına bağlı olarak farklılık gösterir . Dört ana model; kısa hat yaklaşımı, orta hat yaklaşımı, uzun hat yaklaşımı (dağıtılmış parametrelerle) ve kayıpsız hat. Tanımlanan tüm modellerde, R gibi bir büyük harf, satır üzerinden toplanan toplam miktarı ve c gibi küçük bir harf , birim uzunluk başına miktarı ifade eder.

kayıpsız hat

Kayıpsız hattı yaklaşım en doğru bir modeldir; hattın endüktansı direncinden çok daha büyük olduğunda genellikle kısa hatlarda kullanılır. Bu yaklaşım için, voltaj ve akım, gönderen ve alan uçlarda aynıdır.

Kayıpsız hat için gönderme ve alma gerilimi

Karakteristik empedans saf gerçektir, bu empedans için dirençli anlamına gelir ve genellikle kayıpsız bir hat için dalgalanma empedansı olarak adlandırılır . Kayıpsız hat, dalgalanma empedansı ile sonlandırıldığında, voltaj düşüşü olmaz. Gerilim ve akımın faz açıları döndürülse de, gerilim ve akımın büyüklükleri hat boyunca sabit kalır. Yük > SIL için voltaj gönderme ucundan düşer ve hat VAR'ları "tüketir". < SIL yükü için, voltaj gönderme ucundan artacak ve hat VAR'ları "üretecektir".

Kısa çizgi

Kısa hat yaklaşımı, normal olarak daha az uzun 80 km (50 mil) daha hatlar için kullanılmaktadır. Kısa bir hat için, sadece bir seri empedans Z dikkate alınırken, C ve G göz ardı edilir. Nihai sonuç, birim başına A = D = 1 , B = Z Ohm ve C = 0 olmasıdır . Bu yaklaşım için ilgili geçiş matrisi bu nedenle:

orta çizgi

Orta hat yaklaşımı uzun 80 ve 250 km (50-150 ml) arasındaki hatlar için kullanılmaktadır. Bu modelde, seri empedansı ve şönt (akım kaçağı) iletkenliği, hattın her iki ucuna şönt iletkenliğinin yarısı yerleştirilerek dikkate alınır. Bu devre, devre şemasının her iki tarafına kaçak iletkenlik yerleştirildiğinde alınan şekil ( π ) nedeniyle genellikle "nominal π (pi) " devresi olarak adlandırılır . Orta çizginin analizi aşağıdaki sonuca götürür:

Orta uzunluktaki iletim hatlarının mantık dışı davranışları:

  • yüksüz veya küçük akımda voltaj yükselmesi ( Ferranti etkisi )
  • alıcı uç akımı, gönderen uç akımını aşabilir

Uzun çizgi

Uzun hat modeli daha yüksek bir doğruluk derecesi gerektiğinde kullanılır ya da söz konusu hat daha uzun 250 km (150 mil) daha olduğunda. Seri direnç ve şönt iletkenlik, dağıtılmış parametreler olarak kabul edilir; bu, hattın her bir diferansiyel uzunluğunun karşılık gelen bir diferansiyel seri empedansına ve şönt girişine sahip olduğu anlamına gelir. Aşağıdaki sonuç , yayılma sabiti olan iletim hattı boyunca herhangi bir noktada uygulanabilir .

Uzun hattın sonundaki voltajı ve akımı bulmak için , iletim matrisinin tüm parametrelerinde (hat uzunluğu) ile değiştirilmelidir .

(Bu modelin tam gelişimi için Telegrapher denklemlerine bakın .)

Yüksek voltajlı doğru akım

Yüksek voltajlı doğru akım (HVDC), büyük miktarlarda gücü uzun mesafelerde iletmek veya asenkron şebekeler arasındaki ara bağlantılar için kullanılır. Elektrik enerjisi çok uzun mesafelerde iletileceği zaman, AC iletiminde kaybedilen güç fark edilir hale gelir ve alternatif akım yerine doğru akım kullanmak daha ucuzdur . Çok uzun bir iletim hattı için, bu düşük kayıplar (ve bir DC hattının azaltılmış yapım maliyeti), her iki uçta gerekli dönüştürücü istasyonların ek maliyetini dengeleyebilir.

HVDC , kablo kapasitansı nedeniyle AC'nin kullanılamadığı uzun denizaltı kabloları için de kullanılır . Bu durumlarda DC için özel yüksek gerilim kabloları kullanılır. Denizaltı HVDC sistemleri genellikle adaların elektrik şebekelerini bağlamak için kullanılır, örneğin Büyük Britanya ile kıta Avrupası arasında, Büyük Britanya ile İrlanda arasında, Tazmanya ile Avustralya anakarası arasında, Yeni Zelanda'nın Kuzey ve Güney Adaları arasında, New Jersey arasında ve New York City ve New Jersey ve Long Island arasında . Şu anda 600 kilometre (370 mil) uzunluğa kadar olan denizaltı bağlantıları kullanılmaktadır.

HVDC bağlantıları, AC elektrik akışı ile şebekedeki sorunları kontrol etmek için kullanılabilir. Bir AC hattı tarafından iletilen güç, kaynak uç voltajı ile hedef uçlar arasındaki faz açısı arttıkça artar, ancak çok büyük bir faz açısı, hattın her iki ucundaki sistemlerin adım dışına düşmesine izin verecektir. Bir DC bağlantısındaki güç akışı, bağlantının her iki ucundaki AC ağlarının fazlarından bağımsız olarak kontrol edildiğinden, bu faz açısı sınırı yoktur ve bir DC bağlantısı her zaman tam nominal gücünü aktarabilir. Bu nedenle bir DC bağlantısı, güç akışı ve faz açısı bağımsız olarak kontrol edilebildiğinden AC şebekesini her iki uçta da stabilize eder.

Örnek olarak, Seattle ve Boston arasındaki varsayımsal bir hat üzerinde AC gücünün akışını ayarlamak için , iki bölgesel elektrik şebekesinin göreli fazının ayarlanması gerekir. Bu, AC sistemlerinde günlük bir olaydır, ancak AC sistem bileşenleri arızalandığında ve kalan çalışan ızgara sistemine beklenmeyen yükler yüklediğinde kesintiye uğrayabilir. Bunun yerine bir HVDC hattı ile böyle bir ara bağlantı:

  1. Seattle'daki AC'yi HVDC'ye dönüştürün;
  2. 3.000 mil (4.800 km) arazi iletimi için HVDC kullanın; ve
  3. HVDC'yi Boston'da yerel olarak senkronize edilmiş AC'ye dönüştürün,

(ve muhtemelen iletim yolu boyunca işbirliği yapılan diğer şehirlerde). Böyle bir sistem, parçaları aniden kapatılırsa, arızaya daha az eğilimli olabilir. Uzun bir DC iletim hattının bir örneği , Batı Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunan Pacific DC Intertie'dir .

Kapasite

Bir iletim hattı üzerinden gönderilebilecek güç miktarı sınırlıdır. Limitlerin kökenleri, hattın uzunluğuna bağlı olarak değişir. Kısa bir hat için, hat kayıpları nedeniyle iletkenlerin ısınması bir termal limit belirler. Çok fazla akım çekilirse iletkenler toprağa çok yakın sarkabilir veya aşırı ısınmadan iletkenler ve ekipman zarar görebilir. 100 kilometre (62 mil) civarındaki orta uzunluktaki hatlar için sınır, hattaki voltaj düşüşü ile belirlenir. Daha uzun AC hatları için sistem kararlılığı , aktarılabilecek gücün sınırını belirler. Yaklaşık olarak, bir AC hattı üzerinden akan güç, alıcı ve verici uçlardaki gerilim ve akımın faz açısının kosinüsü ile orantılıdır. Bu açı, sistem yüklemesine ve üretimine bağlı olarak değişir. Güç akışı azaldığından ancak direnç kayıpları kaldığından açının 90 dereceye yaklaşması istenmez. Yaklaşık olarak, hat uzunluğu ve maksimum yükün izin verilen ürünü, sistem voltajının karesiyle orantılıdır. Uzun hatlarda kararlılığı artırmak için seri kapasitörler veya faz kaydırmalı transformatörler kullanılır. Yüksek voltajlı doğru akım hatları, faz açısı onların çalışması için önemli olmadığından, yalnızca termal ve voltaj düşüş limitleri ile sınırlandırılır.

Şimdiye kadar, kablo güzergahı boyunca sıcaklık dağılımını öngörmek neredeyse imkansızdı, bu nedenle maksimum uygulanabilir akım yükü genellikle çalışma koşullarının anlaşılması ile risk minimizasyonu arasında bir uzlaşma olarak belirlendi. Kablo boyunca gerçek zamanlı sıcaklıkları ölçen endüstriyel dağıtılmış sıcaklık algılama (DTS) sistemlerinin mevcudiyeti , iletim sistemi kapasitesinin izlenmesinde ilk adımdır. Bu izleme çözümü, ya doğrudan yüksek voltajlı bir kablonun içine entegre edilmiş ya da harici olarak kablo yalıtımına monte edilmiş sıcaklık sensörleri olarak pasif optik fiberlerin kullanılmasına dayanmaktadır. Havai hatlar için bir çözüm de mevcuttur. Bu durumda fiber optik, havai iletim hatlarının (OPPC) bir faz telinin çekirdeğine entegre edilmiştir. Entegre Dinamik Kablo Derecelendirmesi (DCR) veya aynı zamanda Gerçek Zamanlı Termal Derecelendirme (RTTR) olarak da adlandırılan çözüm, yalnızca yüksek voltajlı bir kablo devresinin sıcaklığını gerçek zamanlı olarak sürekli olarak izlemeyi değil, aynı zamanda mevcut ağ kapasitesini maksimuma güvenli bir şekilde kullanmayı da sağlar. Ayrıca, operatöre, ilk çalışma koşullarında yapılan büyük değişiklikler üzerine iletim sisteminin davranışını tahmin etme yeteneği sağlar.

Kontrol

Güvenli ve öngörülebilir çalışmayı sağlamak için iletim sisteminin bileşenleri jeneratörler, anahtarlar, devre kesiciler ve yükler ile kontrol edilir. İletim sisteminin voltaj, güç, frekans, yük faktörü ve güvenilirlik yetenekleri, müşteriler için uygun maliyetli performans sağlamak üzere tasarlanmıştır.

Yük dengeleme

İletim sistemi, güvenlik ve hata toleransı marjları ile temel yük ve tepe yük kapasitesi sağlar . Pik yükleme süreleri, büyük ölçüde endüstri karışımı nedeniyle bölgeye göre değişir. Çok sıcak ve çok soğuk iklimlerde evdeki klima ve ısıtma yüklerinin toplam yük üzerinde etkisi vardır. Genellikle yılın en sıcak bölümünde öğleden sonra geç saatlerde ve yılın en soğuk bölümünde sabah ortası ve akşam ortasında en yüksektir. Bu, güç gereksinimlerinin mevsime ve günün saatine göre değişmesine neden olur. Dağıtım sistemi tasarımları her zaman temel yükü ve tepe yükü dikkate alır.

İletim sistemi genellikle, yükleri üretimle eşleştirmek için büyük bir tamponlama kapasitesine sahip değildir. Bu nedenle, üretim ekipmanının aşırı yükleme arızalarını önlemek için üretim, yüke uygun tutulmalıdır.

İletim sistemine birden fazla kaynak ve yük bağlanabilir ve düzenli bir güç aktarımı sağlamak için kontrol edilmelidir. Merkezi güç üretiminde, yalnızca yerel üretim kontrolü gereklidir ve büyük geçişleri ve aşırı yük koşullarını önlemek için üretim birimlerinin senkronizasyonunu içerir .

In dağıtılan enerji üretimi jeneratörleri coğrafi olarak dağıtılır ve işlem çevrimiçi getirmek ve çevrimdışı dikkatlice kontrol edilmelidir. Yük kontrol sinyalleri, ayrı hatlar üzerinden veya güç hatları üzerinden gönderilebilir. Gerilim ve frekans, yükleri dengelemek için sinyal mekanizması olarak kullanılabilir.

Voltaj sinyalleşmesinde, üretimi artırmak için voltaj değişimi kullanılır. Herhangi bir sistem tarafından eklenen güç, hat voltajı azaldıkça artar. Bu düzenleme prensipte sabittir. Ağa her yeni bir jeneratör eklendiğinde ayrı bileşenlerin ve ayar noktalarının yeniden yapılandırılması gerekeceğinden, gerilime dayalı düzenlemenin ağ ağlarında kullanılması karmaşıktır.

Frekans sinyalleşmesinde, üretici birimler güç aktarım sisteminin frekansıyla eşleşir. Gelen Droop hız kontrolü frekans azalması durumunda, güç artar. (Hat frekansındaki düşüş, artan yükün jeneratörlerin yavaşlamasına neden olduğunun bir göstergesidir.)

Rüzgar türbinleri , araçtan şebekeye ve diğer yerel olarak dağıtılmış depolama ve üretim sistemleri, elektrik şebekesine bağlanabilir ve sistem çalışmasını iyileştirmek için onunla etkileşime girebilir. Uluslararası olarak, eğilim, yoğun bir şekilde merkezileştirilmiş bir güç sisteminden merkezi olmayan bir güç sistemine doğru yavaş bir geçiş olmuştur. Bir dizi yeni ve yenilikçi çözüm içeren yerel olarak dağıtılan üretim sistemlerinin ana özelliği, elektriğin üretildiği yere daha yakın tüketilmesine yol açarak iletim kayıplarını azaltmalarıdır.

Arıza koruması

Aşırı yük koşulları altında, sistem bir kerede değil, incelikle başarısız olacak şekilde tasarlanabilir. Brownouts güç ihtiyacının karşılanması altına düştüğünde meydana gelir. Kesintiler , tedarik tamamen başarısız olduğunda meydana gelir.

Yuvarlanma kesintileri (yük atma olarak da adlandırılır), elektrik talebi arzı aştığında yetersiz gücü dağıtmak için kullanılan, kasıtlı olarak tasarlanmış elektrik kesintileridir.

iletişim

Uzun iletim hatlarının operatörleri, elektrik şebekesinin ve genellikle ilgili üretim ve dağıtım tesislerinin kontrolü için güvenilir iletişim gerektirir. Hattın her iki ucundaki arıza algılayan koruyucu röleler , korunan hat bölümüne giren ve çıkan güç akışını izlemek için iletişim kurmalıdır, böylece arızalı iletkenlerin veya ekipmanın enerjisi hızla kesilebilir ve sistemin dengesi yeniden kurulabilir. İletim hattının kısa devrelerden ve diğer arızalardan korunması genellikle o kadar kritiktir ki, ortak taşıyıcı telekomünikasyon yeterince güvenilir değildir ve uzak bölgelerde ortak bir taşıyıcı mevcut olmayabilir. Bir iletim projesiyle ilişkili iletişim sistemleri şunları kullanabilir:

Nadiren ve kısa mesafeler için, bir kamu hizmeti, iletim hattı yolu boyunca gerilmiş pilot telleri kullanacaktır. Kullanılabilirlik elektrik enerjisi iletim organizasyonunun kontrolü altında olmadığı için ortak taşıyıcılardan kiralık devreler tercih edilmez.

İletim hatları veri taşımak için de kullanılabilir: buna güç hattı taşıyıcısı veya güç hattı iletişimi (PLC) denir . PLC sinyalleri, uzun dalga aralığı için bir radyo ile kolayca alınabilir.

Kenya'da ek fiber optik kablo taşıyan Yüksek Gerilim Direkleri

Optik fiberler, bir iletim hattının bükümlü iletkenlerine, havai kalkan tellerine dahil edilebilir. Bu kablolar, optik topraklama kablosu ( OPGW ) olarak bilinir . Bazen , iletim hattı çapraz kollarına bağlı , tamamen dielektrik kendinden destekli ( ADSS ) kablo olan bağımsız bir kablo kullanılır .

Minnesota gibi bazı yargı bölgeleri, enerji iletim şirketlerinin fazla iletişim bant genişliği satmalarını veya telekomünikasyon ortak taşıyıcısı olarak hareket etmelerini yasaklar . Düzenleyici yapının izin verdiği yerlerde, kamu hizmeti kuruluşu ekstra karanlık fiberlerdeki kapasiteyi ortak bir taşıyıcıya satarak başka bir gelir akışı sağlayabilir.

Elektrik piyasası reformu

Bazı düzenleyiciler elektrik iletimini doğal bir tekel olarak görmektedir ve birçok ülkede iletimi ayrı olarak düzenlemeye yönelik hareketler bulunmaktadır (bkz. elektrik piyasası ).

İspanya , bölgesel bir iletim organizasyonu kuran ilk ülke oldu . O ülkede iletim operasyonları ve piyasa operasyonları ayrı şirketler tarafından kontrol edilmektedir. İletim sistemi operatörü Red Eléctrica de España (REE) ve toptan elektrik piyasası operatörü Operador del Mercado Ibérico de Energía – Polo Español, SA (OMEL) OMEL Holding | Omel Holding . İspanya'nın iletim sistemi Fransa, Portekiz ve Fas'ınkilerle bağlantılıdır.

Amerika Birleşik Devletleri'nde RTO'ların kurulması, FERC'in Kamu Hizmetleri tarafından Açık Erişim, Ayrımcı Olmayan İletim Hizmetleri Yoluyla Toptan Satış Rekabetini Teşvik Etme Kararı 888 ; Mahsur Maliyetlerin Geri Kazanımı, 1996 yılında yayınlanmıştır. Amerika Birleşik Devletleri'nde ve Kanada'nın bazı bölgelerinde, birkaç elektrik iletim şirketi, üretim şirketlerinden bağımsız olarak çalışır, ancak yine de, dikey entegrasyonun olduğu bölgeler - Güney Amerika Birleşik Devletleri - vardır. elektrik sistemi sağlam. Ayrışma bölgelerinde, iletim sahipleri ve üretim sahipleri, RTO'ları dahilinde oy haklarına sahip piyasa katılımcıları olarak birbirleriyle etkileşime girmeye devam ederler. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki RTO'lar, Federal Enerji Düzenleme Komisyonu tarafından düzenlenir .

Elektrik enerjisi iletiminin maliyeti

Yüksek voltajlı elektrik iletiminin maliyeti ( elektrik enerjisi dağıtım maliyetlerinin aksine ), bir tüketicinin elektrik faturasında ortaya çıkan diğer tüm maliyetlerle karşılaştırıldığında nispeten düşüktür. Birleşik Krallık'ta, iletim maliyetleri kWh başına yaklaşık 10 p'lik bir teslim edilen yerel fiyatla karşılaştırıldığında, kWh başına yaklaşık 0,2 p'dir.

Araştırma, elektrik enerjisi T&D ekipmanı pazarındaki sermaye harcamasının düzeyinin 2011 yılında 128,9 milyar dolar değerinde olacağını değerlendiriyor.

Satıcı iletimi

Tüccar iletimi, üçüncü bir tarafın, ilgisiz yerleşik bir kuruluşun franchise alanı aracılığıyla elektrik iletim hatları inşa ettiği ve işlettiği bir düzenlemedir.

Faaliyet Gösteren tüccar iletim projeleri ABD'de dahil Çapraz Ses Kablo dan Shoreham, New York için New Haven, Connecticut , Neptün RTS İletim Hattı dan Sayreville, New Jersey için Yeni Köprü, New York ve Path 15 California. ITC Holdings Corp. tarafından önerilen bir sualtı iletim hattı olan Lake Erie Connector da dahil olmak üzere, Amerika Birleşik Devletleri'nde ek projeler geliştirilmekte veya önerilmiştir ve Ontario'yu PJM Interconnection bölgesindeki yük hizmeti veren kuruluşlara bağlamaktadır.

Avustralya'da yalnızca bir düzenlemesiz veya piyasa ara bağlantısı vardır : Tazmanya ve Victoria arasındaki Basslink . Başlangıçta piyasa ara bağlayıcıları olarak uygulanan iki DC bağlantısı, Directlink ve Murraylink , düzenlenmiş ara bağlayıcılara dönüştürülmüştür. NEMMCO

Tüccar iletiminin daha geniş çapta benimsenmesinin önündeki en büyük engel, yararlanıcıların geçiş ücretini ödemesi için tesisten kimin yararlandığını belirlemedeki zorluktur. Ayrıca, alternatif iletim hatları, tekelleştirilmiş ve düzenlenmiş bir oran tabanına sahip yerleşik kamu hizmeti işletmeleri tarafından sübvanse edildiğinde, bir tüccar iletim hattının rekabet etmesi zordur. Amerika Birleşik Devletleri'nde, 2010 yılında yayınlanan FERC'in 1000 Emri, bir kamu politikası ihtiyacının bulunduğu yerlerde üçüncü şahıs yatırımlarının ve ticari iletim hatlarının oluşturulmasının önündeki engelleri azaltmaya çalışır.

Sağlık kaygıları

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki büyük bir araştırma da dahil olmak üzere bazı büyük araştırmalar, elektrik hatlarının yakınında yaşamak ile kanser gibi herhangi bir hastalık veya hastalığa yakalanma arasında herhangi bir bağlantı bulamadı. 1997'de yapılan bir araştırma, kişinin bir elektrik hattına veya trafo merkezine ne kadar yakın olduğunun önemi olmadığını, kanser veya hastalık riskinde artış olmadığını buldu.

Ana akım bilimsel kanıtlar, ev akımları ve yüksek iletim güç hatları ile ilişkili düşük güçlü, düşük frekanslı, elektromanyetik radyasyonun kısa veya uzun vadeli bir sağlık tehlikesi oluşturmadığını göstermektedir. Bununla birlikte, bazı araştırmalar, çeşitli hastalıklar ile elektrik hatlarının yakınında yaşamak veya çalışmak arasında istatistiksel korelasyonlar buldu . Elektrik hatlarına yakın yaşamayan insanlar için herhangi bir olumsuz sağlık etkisi kanıtlanmamıştır.

New York Eyalet Kamu Hizmeti Komisyonu belgelenen bir çalışma gerçekleştirdik Görüş sayılı 78-13 (Haziran 19, 1978 tarihinde yayınlanan), elektrik alanlarının potansiyel sağlık etkilerini değerlendirmek için. Çalışmanın vaka numarası, komisyonun çevrimiçi veritabanında, DMM'de bir vaka numarası olarak listelenemeyecek kadar eski ve bu nedenle orijinal çalışmayı bulmak zor olabilir. Çalışma, New York'tan Kanada'ya 765 kV'luk bir iletim hattında mevcut (ancak yeni inşa edilmiş) bir geçiş hakkının kenarında ölçülen elektrik alan gücünü, geçici standart maksimum olarak 1,6 kV/m kullanmayı seçti. Siparişin verilmesinden sonra New York Eyaletinde inşa edilen herhangi bir yeni iletim hattının kenarındaki elektrik alanı. Görüş ayrıca New York'ta inşa edilen tüm yeni iletim hatlarının voltajını 345 kV ile sınırladı. 11 Eylül 1990'da, manyetik alan kuvvetleriyle ilgili benzer bir çalışmadan sonra, NYSPSC Manyetik Alanlara İlişkin Geçici Politika Bildirimini yayınladı . Bu çalışma, kış-normal iletken derecelendirmesini kullanarak geçiş hakkının kenarında 200 mG'lik bir manyetik alan ara standardı oluşturdu. Bu sonraki belge, çevrimiçi veri tabanı sisteminden daha eski olduğu için NYSPSC'nin çevrimiçi veri tabanında bulunması da zor olabilir. Günlük eşyalarla karşılaştırıldığında, bir saç kurutma makinesi veya elektrikli battaniye 100 mG – 500 mG manyetik alan üretir. Bir elektrikli tıraş makinesi 2,6 kV/m üretebilir. Elektrik alanları korunabilirken, manyetik alanlar korunamaz, ancak genellikle bir devrenin her bir fazının enine kesitteki konumu optimize edilerek en aza indirilir.

Yeni bir iletim hattı önerildiğinde, ilgili düzenleyici kuruma (genellikle bir kamu hizmeti komisyonu) yapılan başvuruda, geçiş haklarının kenarında genellikle elektrik ve manyetik alan seviyelerinin bir analizi yapılır. Bu analizler, bir yardımcı program veya modelleme yazılımı kullanan bir elektrik mühendisliği danışmanı tarafından gerçekleştirilir. En az bir eyalet kamu hizmeti komisyonu, önerilen iletim hatları için geçiş haklarının kenarındaki elektrik ve manyetik alanları analiz etmek için Bonneville Güç İdaresi'ndeki bir mühendis veya mühendisler tarafından geliştirilen yazılıma erişebilir . Çoğu zaman, kamu hizmeti komisyonları, elektrik ve manyetik alanlardan kaynaklanan herhangi bir sağlık etkisi hakkında yorum yapmayacak ve bilgi arayanları eyaletin bağlı sağlık departmanına yönlendirecektir.

100 µT (1  G ) (1.000 mG) üzerindeki manyetik alanlara yüksek düzeyde akut maruziyet  için belirlenmiş biyolojik etkiler vardır . Bir yerleşim ortamında, 0.3 µT (3 mG) üzerindeki konut güç frekansı manyetik alanına ortalama maruz kalma ile ilişkili , özellikle çocukluk çağı lösemisi olmak üzere, "insanlarda kanserojenlik için sınırlı kanıt ve deney hayvanlarında kanserojenlik için yeterli kanıttan daha az kanıt vardır". 0,4 µT'ye (4 mG) kadar. Bu seviyeler, Avrupa'da yaklaşık 0,07 µT (0,7 mG) ve Kuzey Amerika'da 0,11 µT (1,1 mG) olan evlerdeki ortalama konut güç frekansı manyetik alanlarını aşmaktadır.

Dünyanın doğal jeomanyetik alan gücü, gezegenin yüzeyinde 0,035 mT ile 0,07 mT (35 µT – 70 µT veya 350 mG – 700 mG) arasında değişirken, sürekli maruz kalma sınırı için Uluslararası Standart 40 mT (400.000 mG veya 400 G) genel halk için.

Sağlık etkileri olabilecek yolların sağında Ağaç Büyüme Düzenleyici ve Herbisit Kontrol Yöntemleri kullanılabilir .

Ülkeye göre politika

Amerika Birleşik Devletleri

Federal Enerji Düzenleme Komisyonu (FERC) elektrik iletim ve Amerika Birleşik Devletleri içinde toptan elektrik satış birincil düzenleyici kuruluşudur. Aslen 1920'de Kongre tarafından Federal Güç Komisyonu olarak kuruldu ve o zamandan beri birçok isim ve sorumluluk değişikliği geçirdi. FERC tarafından düzenlenmeyen, başta elektrik enerjisi dağıtımı ve gücün perakende satışı olmak üzere, devlet otoritesinin yetkisi altındadır.

Elektrik iletimini etkileyen daha dikkate değer iki ABD enerji politikası, 888 sayılı Emir ve 2005 tarihli Enerji Politikası Yasasıdır .

FERC tarafından 24 Nisan 1996 tarihinde kabul edilen 888 No.lu Emir, "toptan toplu enerji piyasasında rekabetin önündeki engelleri kaldırmak ve ülkenin elektrik tüketicilerine daha verimli, daha düşük maliyetli enerji getirmek için tasarlanmıştır. Bu kuralların yasal ve politik temel taşı şudur: eyaletler arası ticarette elektriğin kime ve kime taşınabileceğini kontrol eden tekele ait iletim kablolarına erişimde gereksiz ayrımcılığı gidermek." 888 sayılı Emir, eyaletler arası ticarette elektrik enerjisinin iletilmesi için kullanılan tesislere sahip olan, bunları kontrol eden veya işleten tüm kamu hizmetlerinin açık erişim, ayrımcı olmayan iletim tarifelerine sahip olmasını şart koşuyordu. Bu tarifeler, herhangi bir elektrik üreticisinin ürettikleri gücün iletimi için mevcut elektrik hatlarını kullanmasına izin verir. 888 sayılı Emir aynı zamanda kamu hizmetlerinin elektrik hatlarını açık erişim hizmeti olarak sağlama ile ilgili maliyetleri geri almasına da izin vermektedir.

8 Ağustos 2005'te kongre tarafından kanun haline getirilen 2005 tarihli Enerji Politikası Yasası (EPAkt), güç aktarımını düzenlemeye ilişkin federal yetkiyi daha da genişletti. EPAct, FERC'ye elektrik iletimi güvenilirlik standartlarının uygulanması ve elektrik iletimine yatırımı teşvik etmek için oran teşviklerinin oluşturulması dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere önemli yeni sorumluluklar verdi.

Tarihsel olarak, yerel yönetimler şebeke üzerinde otorite uygulamışlardır ve kendi devletleri dışındaki devletlere fayda sağlayacak eylemleri teşvik etmek için önemli caydırıcı unsurlara sahiptirler. Ucuz elektriğe sahip bölgeler, diğer bölgeler yerel enerji için rekabet edebilecek ve oranları artırabilecekleri için , elektrik ticaretinde eyaletler arası ticareti kolaylaştırmayı teşvik etme konusunda caydırıcı bir etkiye sahiptir . Örneğin, Maine'deki bazı düzenleyiciler, tıkanıklık Maine oranlarını düşük tutmaya hizmet ettiğinden, tıkanıklık sorunlarını ele almak istemiyor. Ayrıca, sesli yerel seçmenler görsel etki, çevresel ve algılanan sağlık sorunlarına işaret ederek izin vermeyi engelleyebilir veya yavaşlatabilir. ABD'de üretim, iletimden dört kat daha hızlı büyüyor, ancak büyük iletim yükseltmeleri, birden fazla devletin koordinasyonunu, çok sayıda birbirine geçme iznini ve şebekeye sahip 500 şirketin önemli bir kısmı arasında işbirliğini gerektiriyor. Politika açısından bakıldığında, şebekenin kontrolü balkanlaştırılıyor ve hatta eski enerji sekreteri Bill Richardson bile buna üçüncü dünya şebekesi olarak atıfta bulunuyor . AB ve ABD'de sorunla yüzleşmeye yönelik çabalar var. ABD ulusal güvenliğinin önemli ölçüde artan iletim kapasitesindeki ilgisi, 2005 enerji yasasının yürürlüğe girmesine neden oldu ve Enerji Bakanlığı'na devletlerin harekete geçmeyi reddetmesi halinde iletimi onaylama yetkisi verdi. Ancak, Enerji Bakanlığı gücünü iki Ulusal Çıkar Elektrik İletim Koridoru belirlemek için kullandıktan kısa bir süre sonra , 14 senatör DOE'nin çok agresif olduğunu belirten bir mektup imzaladı.

Özel şanzıman

Demiryolları için ızgaralar

Elektrikli lokomotiflerin veya elektrikli çoklu ünitelerin düşük frekanslı AC gücüyle çalıştığı bazı ülkelerde , demiryolları tarafından işletilen ayrı tek fazlı cer gücü şebekeleri vardır . Başbakan örnekler (dahil Avrupa'daki ülkeler Avusturya , Almanya ve İsviçre 16 dayanan eski AC teknolojisini kullanan)  2 / 3  (Norveç ve İsveç de 50 Hz kamu beslemesinden bu frekans ancak kullanım dönüşümü kullanan Hz; İsveç bir 16 sahiptir  2 / 3  Hz çekiş ızgarası, ancak yalnızca sistemin bir parçası için).

süper iletken kablolar

Yüksek sıcaklık süper iletkenleri (HTS), elektrik gücünün kayıpsız iletimini sağlayarak güç dağıtımında devrim yaratmayı vaat ediyor. Sıvı nitrojenin kaynama noktasından daha yüksek geçiş sıcaklıklarına sahip süperiletkenlerin geliştirilmesi , en azından yüksek yük uygulamaları için, süperiletken enerji hatları kavramını ticari olarak mümkün kılmıştır. Gerekli soğutma ekipmanı, direnç kayıplarının çoğunluğunun ortadan kaldırılmasıyla tasarruf edilen gücün yaklaşık yarısını tüketeceğinden, bu yöntem kullanılarak atığın yarıya indirileceği tahmin edilmiştir. Consolidated Edison ve American Superconductor gibi bazı şirketler , bu tür sistemlerin ticari üretimine çoktan başladı. SuperGrid olarak adlandırılan bir varsayımsal gelecek sisteminde , iletim hattının bir sıvı hidrojen boru hattı ile birleştirilmesiyle soğutma maliyeti ortadan kaldırılacaktır.

Süper iletken kablolar, kablolar için irtifak hakkı satın almanın çok maliyetli olacağı büyük şehirlerin iş bölgeleri gibi yüksek yük yoğunluklu alanlar için özellikle uygundur .

HTS iletim hatları
Konum Uzunluk (km) Gerilim (kV) Kapasite (GW) Tarih
Carrollton, Gürcistan 2000
Albany, New York 0.35 34.5 0.048 2006
Holbrook, Long Island 0,6 138 0.574 2008
Tres Amigas 5 Önerilen 2013
Manhattan: Hydra Projesi Önerilen 2014
Essen, Almanya 1 10 0.04 2014

Tek telli toprak dönüşü

Tek telli toprak dönüşü (SWER) veya tek telli toprak dönüşü, bir elektrik şebekesi için uzak alanlara düşük maliyetle tek fazlı elektrik gücü sağlamak için tek telli bir iletim hattıdır. Esas olarak kırsal alanların elektrifikasyonu için kullanılır, ancak aynı zamanda su pompaları gibi daha büyük yalıtılmış yükler için de kullanılır. Tek telli toprak dönüşü, denizaltı güç kabloları üzerinden HVDC için de kullanılır.

Kablosuz güç iletimi

Hem Nikola Tesla hem de Hidetsugu Yagi , 1800'lerin sonlarında ve 1900'lerin başlarında büyük ölçekli kablosuz güç iletimi için sistemler tasarlamaya çalıştı, ancak ticari bir başarı elde edemedi.

Kasım 2009'da LaserMotive, yer tabanlı bir lazer vericisi kullanarak dikey olarak 1 km'lik bir kablo tırmanıcısına güç vererek NASA 2009 Power Beaming Challenge'ı kazandı. Sistem, alıcı ucunda 1 kW'a kadar güç üretti. Ağustos 2010'da NASA, düşük dünya yörüngesindeki uydulara güç sağlamak ve lazer güç ışınları kullanarak roket fırlatmak için lazer güç ışınlama sistemlerinin tasarımını sürdürmek için özel şirketlerle sözleşme yaptı.

Güneş enerjisi uydularından dünyaya güç iletimi için kablosuz güç iletimi incelenmiştir . Yüksek güçlü bir mikrodalga veya lazer verici dizisi, gücü bir rectennaya ışınlayacaktır . Büyük mühendislik ve ekonomik zorluklar, herhangi bir güneş enerjisi uydu projesiyle karşı karşıyadır.

Kontrol sistemlerinin güvenliği

ABD Federal hükümet elektrik şebekesi duyarlı olduğunu itiraf siber savaş . Amerika Birleşik Devletleri İç Güvenlik Bakanlığı , Federal hükümet de bu güvenlik ABD 'akıllı grid' nesil geliştikçe inşa edilmiştir sağlamak için çalışıyor kontrol sistemi ağlarının güvenliği artırmak açıklarını tespit ve yardım endüstrisine için sanayi ile çalışır ağlar.

Haziran 2019'da Rusya , elektrik şebekesinin ABD tarafından siber saldırı altında olmasının "mümkün" olduğunu kabul etti . New York Times , Amerika Birleşik Devletleri Siber Komutanlığından Amerikalı bilgisayar korsanlarının, potansiyel olarak Rus elektrik şebekesini bozabilecek kötü amaçlı yazılım yerleştirdiğini bildirdi .

Kayıtlar

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma