±250 kV YÜKSEK GERİLİM DOĞRU AKIM (YGDA) SİSTEMİ VE HOKKAIDO-HONSHU SİSTEMLERİ ARASI BAĞLANTIDA KULLANILAN DOĞRU AKIM DENİZ ALTI KABLOSU

+ 250 kV Y ÜKSEK GERİLİM DOĞRU AKIM (Y GDA) SİSTEMİ VE HOKKAIDO HONSHU SİSTEMLER ARASI BAĞLANTIDA KULLANILAN DOĞRU AKIM DENİZALTI KABLOSU

Elektrik Mühendisliği Bölümü ve Denizaşırı Mühendisliği Bölümü, EPDC

adlı dört büyük adadan oluşan Japonya'da Hokkaido adası ana adadan (Honshu) yaklaşık 40 km genişliğin deki ve 300 m derinliğindeki Tsugaru Boğazı ile ay rıldığı için bu iki adadaki güç sistemlerinin birleştiril mesinde pek çok teknik ve ekonomik güçlükle karşı laşılmıştır.

1960'ların başlangıcında yarı iletken teknolojisindeki hızlı gelişmeyle, slikon yarı iletkenli tristörlerin kul lanımı hızla artmıştır. Japonya'da 1970 yılında Sakuma Frekans çevirici merkezine ek olarak, tristör lerin gelişim ve perfonmansını incelemek amacıyla Sakuma Tristörlü Çevirici Test Merkezi (125 kV, ?7,5 M\V) kuruldu. Erişilen teknoloji sonra Shin Shinano Frekans Çevirici Merkezine uygulandı. Daha sonraları çok yüksek gerilim doğru akım kablosu ge liştirildi ve Hokkaido Honshu bağlantı projesi resmi başlangıç için hazır hale geldi.

Hokkaido ve Honshu arasındaki yüksek gerilim doğru akım bağlantısı için temel plan (Şekil 1) 1971 Şuba tında düşünüldü. İzleyen yıllarda petrol krizi ve diğer şartlar nedeniyle yapılan bazı değişiklik ve dönüşler den sonra, Aralık 1979 da 150 MW1ık bir enerjinin taşınmaya başlanmasını öngören bir plan kabul edildi ve Haziran 1980 de kapasitenin iki misline çıkartılma sı ile proje tamamlandı.

ÖNSÖZ Bu broşür, Haziran 1978'de Japonya'nın Hokkaido ve Honshu adaları arasında ELECTRIC POWER DEVE LOPMENT CO. Ltd. (EPDC) tarafından döşenen ve YGDA ile iletim yapacak ilk + 250 kV DC denizaltı yağlı kablosu ile bir nötr hat için döşenen çapraz bağlı polietilen (XLPE) kablonun anahatlarını açıkla maktadır.

Yağlı kablo iletgeni 25 mm çapındaki yağ kanalı ile birlikte 600 m m 2 kesittedir ve 1.200 A taşıyabilmek tedir. Yağlı kablonun toplam uzunluğu 23 esnek ek ile 43 km dir ve geçtiği güzergahta maksimum derinlik 290 m dir.

1.GİRİŞ Dünyanın birçok yerinde geniş alanları besleyen güç sistemlerinin güvenilirlik ve ekonomikliğini geliştir mek amacıyla güç sistemleri arasında bağlantılar ya pılmaktadır. Japonya'da da çok yüksek gerilimli sis temler arası bağlantı en ileri düzeyde gerçekleştiril miştir. Ancak Hokkaido, Honshu, Shikoku ve Kyushu ısı

Şekil a : Hokkaido Honshu VDGA hattı

Bu YGDA hattı Hokkaido 50 Hz (2800 MW) sistemi ni, yukarıda sözü edilen iki frekans dönüşüm istasyo nu aracılığıyla, Honshu'nun 50 Hz (36.300 MW) ve 60 Hz (55.000 MW) sistemleri arasındaki bağlantıyı sağlamaktadır.

Bu bağlantı yedek güç bulundurabilmek, frekansı kontrol etmek, arıza anlarında acil güç yardımında bulunmak ve sistemi ulusal çapta işletmek gibi çeşit li avantajların elde edilmesini sağlamıştır.

Hokkaido Honshu bağlantı projesinin anahatları aşağıdaki gibidir.

1. Kapasite ve işletmeye giriş tarihi Birinci Bölüm: 150 MW, 125 kV DA, 1.200 A; Aralık 1979 İkinci Bölüm : 300 MW, 250 kV DA, 1.200 A; Haziran 1980 Son Bölüm :600 MW, 250 kV DA, 1.200 A; belirlenmedi.

2. İletim sistemi

Birinci ve ikinci Bölüm:Tek kutuplu DA hattı

Son Bölüm

: Çift kutuplu DA hattı

Toprak dönüşünün deniz olmasının doğurduğu gürül tünün çevreye etkisini önlemek için metalik bir dönüş sisteminde karar kılınmıştır.

2. ÇEVİRİCİ MERKEZLERİN ANAHATLARI

Şekil 2'de çevirici merkezlerin ana devrelerinin basit leştirilmiş bir tek hat şaması verilmiştir. Çizelge I merkezdeki ana elemanların güçlerini göstermektedir.

Çizelge I Merkezdeki Ana Elemanların Güçleri

•haz

Hakodate Çevirici Merkezi

Kamkita Çeviric Merkezi

Gücü'

Gücü

[rotörler

125 kV DA, 1200 A

125 kV DA, 1.200 A 12

Çevirici Trafoları 1 8 7 k V /1 1 0 k V .

275kV/110kV,

empedam

empedans

DA reaktörleri 1 H

IH

AA harmonik 5.. 7.. 11., 13.

5., 7., 11., 13.

filtreleri

harmonikler

rurmonikler

(95 MVAr)

(97 MVAr)

DA filtreleri 6. harmonik: 1 0 u F

6. Harmonik: 0,3 j<F

Daha yüksek: 1,2 uF

A} irı gerilim 0,1 nF Kondansatörü

1,37uF

Reaktifgic

sont reaktörler

Kompanzasyonu 22,5 MVAr

şont kapasitörler

2 2 4 MVAr

şom reaktörler 22,5 MVAr sönt kapasitörler 22,5 MVAr

Şekil 2 : Tek hat şeması

Hakodate merkezinin Hokkaido tarafındaki AA barası 187 kV tek devreli AA iletim hattına. Kamikita mer kezinin Honshu tarafındaki ise 275 kV tek devreli AA iletim hattına bağlanmaktadır.

Bu bara gerilimleri çevirici trafoları aracılığıyla 110 kV'a indirilmektedir.

Hokkaido sistemlerinin göreli küçük kapasitelerinden dolayı arabağlantının güvenirliğini arttırmak için 150 MVV'lık 6 atımlı işletme gözönüne alınmıştır. Bu nedenle, her çevirici köprü, gerekli akım kesme test lerinden geçirilerek geliştirilmiş bir AA havalı bypass kesiciyle donatılmıştır.

AA harmonik filtreleri, kapamalarda oluşacak aşırı gerilimlerin zararlı etkilerini önlemek ve de reaktif güç kompanzasyonunu sağlamak amacıyla biri 5. ve 7. diğeri 11., 13. ve daha yüksek harmonik filtreleri olarak iki ana gruba ayrılmıştır. AA harmonik filtre lerinden 6. ve daha yüksek harmonik filtreleri Hokkaido tarafından merkeze konulmuştur. Honshu tarafındaki merkeze ise, oldukça uzun enerji nakil hattının reaktif gücünü kompanze etmek için 1,37 mikrofarad'lık bir kondansatör konulmuş olduğun dan ve bu kondansatör daha yüksek harmoniklere filt re görevi yapacağından, sadece 6. harmonik filtresi konulmuştur.

3. DA DENİZALTI KABLOSU

3.1. Doğru Akım Denizaltı Yağlı Kablosunun Tasarım ve Yapısı

3.1.1. Kabloların seçimi ve kablo tasarımına ilişkin te mel bilgiler

Tsugaru Straits'deki kablo hattı, deniz yatağının bir çok kez incelenmesinden sonra, deniz akıntısının yavaş olduğu alan boyunca, kayalık kesimlerden ve deniz dibi derinliğinin 300 m yi geçtiği yerlerden kaçınılarak seçilmiştir. Çizelge II enerji nakil hattı ve kablo hattının ana özelliklerini göstermektedir. Güzergah uzunluğu ve kablo hattı boyunca maximum deniz derinliği sırasıyla, 43 km ve 290 m olarak seçilmiştir.

Kablo tipi tesis koşulları dikkate alınarak seçilmiş olup darbe dayanım seviyesi 750 kVtur.

Yağlı kablo, emprenyeli kâğıt kablo, gazlı kablo ve çapraz bağlı polietilen kablo gibi çeşitli denizaltı kablolarından önce, yağlı ve emprenyeli kablolar gü venilirlikleri ve tesis sırsındaki olumlu kayıtlarından dolayı seçilmiş daha sonra da uzun vadedeki yalıtı mın kararlılığı açısından yağlı kabloda karar kılınmış tır.

Çizelge II Enerji Nakil Hattı ve Kablo Hattının Ana Özellikleri

Enerji Nakil Hattı

Toplam Uzunluk; 124 km

İletim Sistemi : Tek kutuplu metal dönüş yöntemi

: 810 m m 2 ACSR, 810 m m 2 ACSR/EAS

Dönüş devresi : 240 mm2 EACSR, 240 mm2 AS (çift)

Kablo Hattı

Toplam Uzunluk: 43,2 km (denizaltı), 1,2 km (kara)

: Denizaltı: 600 m m 2 yağlı kablo, kurşun

kılıf ile güçlendirilmiş zırh Kara : 900 mm2 yağlı kablo, kurşun

Dönüş devresi

kılıf ite güçlendirilmiş zırh : 900 m m 2 kurşun kılıflı yağlı kablo : Denizaltı: 5 0 0 m m 2 kurşun zırh ile güçlendi

rilmiş XLPE kabjo. Kara : 1000 rrfm2 kurşun zırh ile güçlen

dirilmiş X LPE kablo. : 1000 mm2 kurşun kılıflı XLPE

kablo.

3.1.2. Doğru Akım Yağlı Denizaltı Kablolarının Geliştirilmesi, Kabloların Yapısı

Şekil 3 : ± 2 5 0 k V 6 0 0 m m 2 lik denizaltı kablosu 1. Merkezi yağ kanalı 2. Galvanili çelik şeritten spiral 3. Bakır iletken 4. Karbon siyahı ekran 5. Y alıtkan kağıt 6. Karbon siyahı ekran 7. Ekran 8. Kursun alaşımlı kılıf 9. Dolgu maddesi

10. Takviye edici 1 1 . Dolgu maddesi 1 2 . Takviye edici 1 3 . Paslanmayı önleyici tabaka 1 4 . Ağaç kabuğu lifi (Jüt) 1 5 . Çelik telden zırh 1 6 . Jüt k ılıf

Şekil 3'de gösterilen yapı çeşitli elektriksel ve meka nik testlerin ve üretim denemelerinin sonucunda seçil miştir. Geçici (Transient) yağ basıncı oynamalarını düşük bir seviyede tutmak için 25 mm'lik iç çapa sa hip geniş bir yağ kanalı ve düşük bir akışkanlığa sa hip yumuşak alkilbenzen yağı kabul edilmiştir. 600 m m 2 lik kesit, bakır kaybını ve geçici yağ basın cını düşük tutmak için seçilmiştir.

Elektriksel alan şiddeti gözönünde tutularak yalıt kanın kalınlığı biraz da toleranslı olarak 14,5 mm ola rak belirlenmiştir. Yalıtım malzemesi olarak yüksek geçirgenlik katsayısı ve yoğunluğa sahip olmasından dolayı mükemmel bir d .a dielektrik dayanımına ve iyonlaştırılmış su ile yıkanmış olmasından dolayı çok yüksek mekanik dayanıma sahip olan kağıt kullanıl mıştır.

Kablonun kurşun kılıfı mekanik dayanımı arttırmak için normal yeraltı kablosununkinden % 20 daha ka lın yapılmıştır. 3,60 MPa düzeyindeki geçici yağ basıncına ve 2,31 MPa düzeyindeki yağ basıncına kar şı biri 0,1 mm diğeri 0,5 mm kalınlığında paslanmaz çelik şeritler kullanılmıştır. Boylamsal takviye için de 0,5 mm'lik paslanmaz çelik şeritler spiral halinde sa rılmıştır.

Kablo güzergahının kısa bir bölümü dışında iyi durum da olması nedeniyle zırh, sadece serme sırasındaki ge rilme ve mekanik yıpranmaya karşı, 8 mm çapındaki galvanizli çelik tel tek kat sarılarak yapılmıştır.

Esnek Fabrika Eklerinin Yapısı

Kablo ile yaklaşık aynı mekanik ve elektriksel özellik lere ve hemen hemen aynı dış çapa sahip esnek ekler geliştirilmiştir.

Fabrika eki sırasında kablonun her iki ucu yağın ak masını önlemek için dondurulmuş ve bakır iletkenin her katındaki bakır teller biribiriyle lehimlenmiştir. Kağıdın nemi emmesini önlemek için, emprenye edil miş kağıt şeritler el ile sarılmış, iletgenin üzerindeki ilk kat yağ banyosunda diğer katlar yağ duşu altında yağ emdirilmiştir.

Kağıt yalıtım sonra esnek ekin kurşun kılıfı, boru ha linde kurşunun iki tabaka olarak sıvanıp her iki uçtan kaynaklanmasıyla tamamlanmıştır. Koruyucu kılıf polietilen teypler sarıldıktan sonra ısıtılıp şekillendi rilerek elde edilmiştir.

Esnek ekin bir kesiti Şekil 4'te gösterilmektedir.

Şekil 4 : 1250 kV yağlı denizaltı kablosunun esnek fabrika eklerinin kesiti 1 Jüt kılıf 2 Çelik telden zırh 3 Jüt 4 Paslanmayı önleyici tabaka 5 Takviye edici 6 Dolgu maddesi 7 Dış kur$un alaşımlı kılıf 8 İç kurşun alaşımlı kılıf 9 Ekran 10 Kablo yalıtkanı 1 1 Azalan yalıtkan 12 Elleyapılan yalıtım 13 Bakır iletken 14 Galvanizli çelik şeritten spiral

3.2. Yağ Basma Sistemi önemli ölçüdeki derinlik ve uzun mesafeler gibi yağ basma işlemini zorlaştıran koşullarla başa çıkabilmek için, doğru akım yağlı kabloları iki uca yerleştirilmiş otomatik yağ basma pompalarıyla hidrolik olarak bes lenmek üzere tasarlanmıştır.

Honshu tarafındakinden daha düşük bir değere ayar lanmış bulunan Hokkaido tarafındaki yağ basıncının işletme değeri 1.67 MPa ile 2.26 MPa arasındadır. Her iki merkezdeki yağ rezervuarımn kapasitesi 23 ki dir. Bu miktarın 12 kl'si son aşamada biri yedek ol mak üzere 3 adet olacak kablonun normal işletmedeki yağ gereksinmesi olup kalan miktarı ise sıcaklığa bağlı yağ hacim değişmelerini, sızıntı ve osilasyonu kom panze etmek ve boşaltma için gerekli hava boşluğu olarak düşünülmüştür.

Yağ basma pompalarının her birinin akış hızı 50 1/da kika'dır.

Yağın ve kablonun elastikiyeti de dikkate alınarak boşta ve tam yükteki geçici basınç rejimi kuramsal olarak hesaplanmıştır. Bilgisayarla yapılan çalışmanın sonuçlarına göre, kablo güzergahının orta noktasında maksimum geçici basınç değişimi boşta 1,19 MPa, yükte ise 1,64 MPa dır.

Bu durumda normal işletme koşullarında ve boştaki basıncı 1,67 MPa olan Hokkaido'dakine göre yakla şık 0,186 MPa'lık bir basınç fazlalığı olmaktadır.

Kabloda önemli ölçüde yağ sızıntısına neden olacak bir arıza durumunda pompalama donanımındaki pet rol akış hızı 20 1/saat'ten daha az olmak üzere sınır landırılabilmektedir.

Hokadate çevirici merkezindeki bakım ekibi her iki uçta bulunan pompa istasyonlarındaki, kablo yağ ba sıncı, yağ akış hızı, rezervuardaki yağ hacmi, pompa ların çalışıp çalışmadığı gibi, işletme koşullarına iliş kin bilgileri bir UHF sistemi ile sürekli izlemektedir.

Y ağlı denizaltı kablosunun hidrolik tasarım ilkeleri Şekil 5'te verilmiştir.

1.73 MPa Honshu ÇM'deki P mi n .

0.50 M Pa

1.67 MPa Hokkaido

ÇM deki Pmi

_ +6m 0.06 M Pa

Sekil 5 : Hidrolik tasarım ilkeleri

1,64 MPa : Kapama anındaki geçici basınç rejimin de basıncın maksimum değişimi

0,59 MPa : Çalışma basıncının değişim aralığı 1,19 MPa : Açma anındaki geçici basınç rejiminde basıncın maksimum değişimi 0,35 MPa : Y ağ ve suyun özgül ağırlığına bağlı olarak ortaya çıkan basınç farkı 2 90 M : Maksimum su derinliği

3 3 . X LPE Y ALITK ANLI GERİ DÖNÜŞ KABLOSU

3.3.1. Gereksinimler

Beklenen aşırı gerilimleri sınırlamak ve de sistem sta bilitesini sağlamak için devrenin bir ucu çevirici mer kezde doğrudan topraklanmış olduğundan, sistemin geri dönüş devresinin kararlı durum DA gerilimi, yani, 1200 A'lik anma akımının doğurduğu gerilim düşü mü, oldukça düşük yaklaşık 4,5 kV'dir. Ote yandan aşırı gerilimler gözardı edilemez. Ana devredeki bir toprak arızasında dönüş kablosunda alternatif dalga biçiminde 100 kV'luk bir aşırı gerilim beklenmekte dir ve prafudurlar da yaklaşık 170 kV'luk yıldırım aşırı gerilimini yutacak biçimde seçilmiştir. Bu ne denle dönüş kablosunun yalıtım seviyesi sistem aşırı gerilimlerine göre tasarlanmıştır.

332. Kablo ve esnek eklerin yapısı

Kablo ve eklere elektriki ve mekanik geliştirme testle rinin iki kez uygulanmasından sonra, kablo yapısının Şekil 6'da gösterildiği gibi olmasına karar verilmiştir.

O©0000000

Şekil 6: 5 0 0 m m 2 lik çapraz bağlı polletilen denizaltı kablosu 1 Bakır iletken 2 iç yarı iletken tabaka 3 Y alıtım (X LPE) 4 Dış yarı iletken tabaka 5 Kurşun alaşımlı kılıf 6 Paslanmayı önleyici tabaka 7 Pamuk şerit 8 Çelik telden zırh 9 Jüt dış kılıf

Ana devrenin yağlı kablosunda olduğu gibi bu kablo nun eklerinin de kablonun kendisi çapında ve aynı zamanda kendisi kadar güvenilir ve esnek olması ge rekmektedir. İletgenin üç kata sarılmış her bir damarı, ana kablonun esnek ekleri için geliştirilmiş aynı tek nikle, biribirine kaynaklanmıştır. Ekin iç iletken, yalıtkan ve dış yarı iletken şeritle rin elle sarılmasının ardından plastik döküm işi ısıtı cılarla yapılmaktadır. Daha sonra ek bir kurşun boru ile. kaplanmakta ve her iki yanı kablonun kurşun kılıfı ile kaynaklanmaktadır. Paslanmayı önleyici tabaka polietilen şeritlerin elle sarılmasından sonra ısıtıla rak şekillendirilmektedir.

3.3.3. Kablonun ve Esnek Eklerin Kalitesi Kablonun yalıtımının X LPE'nin gerilim zaman karek teristiğine bağlı olduğu anlaşıldığından, yalıtım sevi yesi işletmede karşılaşılacağı varsayılan sayıda aşırı gerilimin ordanda uygulanması yerine, bilinen AA da yanım gerilimin uygulanması ile hesaplanmıştır. Bu nedenle AA dayanım testleri, darbe dayanım ve DA dayanım testleriyle birlikte uygulanmaktadır.