Elektrik dağıtımı

Elektrik dağıtımı elektriğin son kullanıcıya ulaştırılmasıdır. Bir dağıtım sisteminin şebekesi elektriği iletim
sisteminden tüketiciye ulaştırır. Örnek olarak, şebeke; trafo merkezleri, orta gerilim hatları, dağıtım merkezleri,
dağıtım transformatörleri, alçak gerilim dağıtım hatları ve bazen ölçü devrelerini kapsar.
Tarihçe
Elektrik dağıtımın ilk zamanlarında, doğru akım jeneratörleri aynı voltaj seviyesinde yüklere bağlıydı. Üretim, iletim
ve yükler aynı voltaj seviyesinde olmalıydı çünkü doğru akım voltaj seviyesini verimsiz bir yöntem olan motor
jeneratör takımları haricinde değiştirmenin bir yolu yoktu. İlk dönemlerde temel yük olan akkor lambalara uygun
doğru akım gerilim seviyesi(100 volt seviyesi) kullanılmıştı. Ayrıca alçak gerilimin bir faydası da bina içi dağıtımda
daha az yalıtım gerektirmesiydi.
Kablolardaki kayıplar akımın karesi, kablonun uzunluğu ve malzemenin direnci ile doğru orantılıdır, yalnız kesit
alanı ile ters orantılıdır. Yani akımın artması, kablonun uzunluğunun artması veya direnci daha büyük bir malzemenin iletken olarak kullanılması kayıpları artırırken, kablonun kesiti arttıkça kayıplar azalır. İlk iletim şebekelerinde bu uygulamalar için ekonomik olarak en uygun iletkenlerden olan bakır kullanılmıştı. Akım ve kullanılan bakır kesitini azaltmak için yüksek iletim voltajlarına gerek vardı, fakat doğru akım güç devrelerinde voltajı değiştirmek için verimli bir yöntem yoktu.
Edison doğru akım sisteminde kayıpları ekonomik olarak kabul edilebilir bir seviyede tutmak için kalın kablolar ve
mahalli jeneratörlere ihtiyaç vardı. İlk doğru akım enerji üretim tesisleri en uzaktaki müşteriye enerjiyi iletebilmek
için en fazla (1.5 mil)2,4 km uzakta olabilmekteydi.
Thomas Edisonun doğru akımı ile Nikola Teslanın ve George Westinghouseun alternatif akımı arasında akımlar savaşı olarak da bilinen bir rekabet yaşanıyordu. Savaşın sonunda, alternatif akım güç iletiminde daha ön plana geçti.
Enerji santralinde kurulu bulunan güç transformatörleri jeneratörlerden gelen voltaj değerini yükseltmek için, yerel
dağıtım merkezlerinde bulunan transformatörler ise voltaj değerini düşürmek için kullanılmaktadır. Voltajın
yükseltilmesi iletim ve dağıtım hatlarında akım, iletken boyutunu ve bunlara bağlı olarak dağıtım kayıplarını azalttı.
Bu sayede güç daha uzak yerlere daha ekonomik bir şekilde dağıtılır oldu. Hidroelektrik santraller gibi elektrik
üretimi yapan santraller artık yüklerden uzakta olabilecektir.
Güç elektroniğindeki gelişmeler doğru akım voltaj seviyeleri arasında dönüştürmeye izin verse bile alternatif akım ekonomikliği, verimliliği ve transformatörlerin güvenilirliği sebebiyle tercih edilmektedir. Yüksek voltaj doğru akım, büyük güç bloklarının uzun mesafeler taşınması için veya komşu alternatif akım şebekelerini birbirine
bağlamak için kullanılır fakat müşterilere enerji dağıtmak için kullanılmaz.
Elektrik gücü genel olarak enerji santrallerinde 11-25 kv seviyesinde üretilir. Uzun mesafeler bu gücü taşıyabilmek
için 400 kv, 220 kv, veya 132 kv gibi seviyelere yükseltilir. Güç yüksek gerilim hatlarından yüzlerce kilometre
taşınarak enterkonnekte şebeke denilen ortak bir güç havuzuna ulaşır.
Dünyada Elektrik Dağıtım Sistemleri
Dağıtım sistemleri tüm dünyada farklı formlarda bulunmaktadır. Bunlardan iki ana tasarım Kuzey Amerika ve Avrupa tasarımlarıdır. İki tasarımda da donanımlar benzerdir: iletkenler, kablolar, izolatörler, parafudrlar, regülatörler, transformatörler vb. İki dağıtım sistemi de radyaldır.
Avrupada ve dünya genelinde delta(üçgen) üç faz sistemi yaygındır. Delta(üçgen) kullanımında nötr kablosu yoktur ve bu sebepten daha ekonomiktir. Yani orta gerilim seviyesindeki enerji naklinde üç iletkenli üç fazlı sistem kullanılır, dağıtım transformatörlerinde orta gerilim, alçak gerilim seviyesine dönüştürüldükten sonra dört iletken(üç faz bir nötr) olarak tüketicilere ulaşır. Amerikada ise orta gerilim seviyesi 4 iletkenli üç fazlı çoklu topraklanmıştır. Gerilim ve güç taşıma kapasiteleri benzerdir. Kuzey Amerika tasarımlarına göre, Avrupa tasarımları daha büyük transformatörlere ve transformatör başına daha fazla müşteriye sahiptir. Çoğu Avrupa sistemlerinde transformatörler üç fazlı 300den 1000 kVAya kadardır, Amerikada ise 25 ve 50 kVAlık tek fazlı transformatörler bulunmaktadır.
Sekonder gerilimler dağıtım sistemlerinde birçok farklılığın kaynağıdır. Kuzey Amerikada hem 120V hem de 240V
sağlayan split phase denilen üç iletkenden oluşan bir tertip kullanılmaktadır, 120/240 V sekonder gerilim seviyesi
standartlaşmıştır. Gerilim düşümü sebebiyle transformatörden 250 ft(76.2m.) mesafeye elektrik hizmeti sunulması
pratikte uygulanmaktadır. Ayrıca yıldız bağlı üç faz dört iletkenli sistemlerde ticari kullanımlar için bulunmaktadır.
Avrupada ise sekonder gerilim yaklaşık 1mil(1.6 km) taşınabilmektedir. Avrupa sekonder gerilimleri genellikle üç
fazlı 220,230 veya 240 V olarak belirlenmiştir. Avrupa ve Amerika sistemleri kıyaslandığında voltajın iki katına
çıkmasıyla, beslenen aynı yük dört kat mesafede olabilmektedir. Avrupada sekonder gerilimlerde üç faz, Amerikada
ise sekonder gerilimlerde tek faz kullanılmasının da etkisiyle Avrupa sekonder gerilimi, Amerika sekonder
gerilimine göre aynı yük ve aynı gerilim düşümü değerleri sağlanarak toplam da sekiz kat mesafeye elektrik hizmeti
sunabilir durumdadır.
Avrupada yollar ve binalar elektrik şebekesinin kurulmasından önce yapıldığı için şebeke için yapılacak tasarım
mevcut yapılara uyum göstermek zorundadır. Amerikada ise yolların çoğu elektrik şebekesi ile birlikte yapılırlar.
Japonyada konut kullanımı için 100V seviyesi kullanılmaktadır. Japonyada konutlar için iki faz ve bir nötrden
oluşan bir hat tertibi kullanılmaktadır. Japonyada Honshunun doğu ve kuzey kısımları(Tokyoyu da içerir) 50 Hz
frekans kullanırken, Honshunun batısı(Nagoya, Osaka ve Hiroshimayı kapsar) 60 Hzi kullanır. Bu farklılıktan
dolayı çeşitli aparatlar frekans değerlerini dönüştürmek için kullanılmaktadır.
Dağıtım Şebekesi Konfigürasyonları
Alçak gerilim dağıtım şebekeleri genellikle radyal(dal budak) ya da kapalı(ağ, ring ya da gözlü) şekildedir. Radyal(dal
budak) şebeke trafo merkezinden çıkarak başka herhangi bir besleme noktasına bağlı olmadan doğrudan şebeke
bölgesine geçer. Örnek olarak çevresiyle bağlantısı olmayan uzun kırsal bölge hatları gösterilebilir.
Kapalı bir şebeke ise genellikle yoğun yerleşim yerlerinde(şehirlerde) bulunur ve diğer besleme noktalarına çoklu
bağlantısı vardır. Bu bağlantı noktaları normal olarak açık ve şebekeyi besler durumdadır fakat şebekede, işletme
hizmetiyle, yani gerektiğinde anahtarlama cihazlarının(kesiciler, ayırıcılar gibi) açılıp kapatılması ile çeşitli yapılandırmalar(konfigürasyon) yapılabilmektedir. Bu anahtarlama ekipmanlarının işletimi uzaktan bir kontrol merkezinden SCADA gibi otomasyon sistemleri marifetiyle veya hat işçisi denilen Türkiye'de ise EKAT(Elektrik Kuvvetli Akım Tesisleri)belgeli personel tarafından gerçekleştirilir.
Yüksek Gerilim indirici istasyonları(trafo merkezleri) konfigürasyonları tekli besleme, çift besleme ve çift besleme
çift baralı sistemdir. Orta gerilim dağıtım merkezleri konfigürasyonları; tek hatlı bağlantı, ring şebeke bağlantısı,
paralel besleme şeklinde olabilmektedir.
Dağıtım fiderleri trafo merkezinden çıkan ve genellikle bir hata tespit edildiğinde hattı açan kesiciler vasıtasıyla
kontrol edilirler. Otomatik kontrol üniteleri, oluşacak hataların etkilerini en aza indirmek ve fideri daha izole
edebilmek için kurulurlar. Uzun fiderlerde gerilim düşümü problemi kapasitörler veya gerilim regülatörleri kurularak
engellenmeye çalışılır.