Y Y Ü Ü K K S S E E K K G G E E R R İ İ L L İ İ M M
G G Ü Ü Ç Ç K K E E S S İ İ C C İ İ L L E E R R İ İ N N İ İ N N S S E E Ç Ç İ İ M M İ İ
Doç. Dr. Özcan Kalenderli 2005-2006 Güz Yarıyılı K
Keessiicciilleerr HHaakkkkıınnddaa BBiillggii 040400002200225544 MMuurraatt DDooğğrruu KeKessiicciilleerriinn AAnnmmaa DDeeğğeerrlleerrii 040400001100002222 UUğğuurr BBaarrıışş AnAnmmaa DDeeğğeerrlleerriinn BBuulluunnmmaassıı 040400002200117777 HH.. ŞŞeerriiff ÇÇaağğııll P
Poowweerrwwoorrlldd SSiimmüüllaassyyoonn 040400001100227755 SSüülleeyymmaann ÇÇaavvuuşşooğğlluu
1. KESİCİLER ve TÜRLERİ HAKKINDA GENEL BİLGİLER:
Genel olarak 6 çeşit kesici türü vardır:
HAVALI KESİCİLER:
Havalı kesiciler hata anında ark kesme ortamı olarak atmosfer basıncındaki havayı kullanan kesici tipidir. Havalı kesici güç sistemi hatasında gücü hızlı ve otomatik olarak keser. Aynı zamanda alçak gerilim gücünü iletme, izole etme ve dağıtma görevlerinde de kullanılırlar. Havalı kesicilerin pek çok çeşidi vardır. Bunlar 630A’den 5000 A’e kadar olabilir.
Havalı kesicilerde temel ark söndürme ilkesi arkın direncinin artırılmasıdır. Bunun için ark boynuzları , ark dilimleyicileri, mıknatıslı sigorta bobinleri bulunur.
a. Ark boynuzları : arkın boyu uzatılarak direnci artırılır ve söndürülür.
b. Magnetik üfleme : Ark iletken bir yapı olduğundan magnetik alanla yönü değiştirilebilir.
Böylece magnetik kuvvet arkın boyunu uzatır, ısısını düşürür ve söndürür .
c. Söndürme hücreleri : Ark kendinden daha soğuk olan hücre duvarları arasında ilerleyerek soğur ve söner.
d. Metal Engel Koyma: Soğuk metal elektrotlar arkı seri bağlı küçük ark parçalarına bölerek soğutur ve söndürür. Hava üflemeli kesiciler bugün 150 kV a kadar çıkabilmektedir. Hava üflemeli kesiciler ilk bulunan kesicilerdir. Günümüzde nadiren kullanılırlar.
BASINÇLI HAVALI KESİCİLER:
Basınçlı havalı kesicilerde yüksek basınçlı hava kontaklar arasında oluşan arka üflemeli memeleri yardımıyla belirli bir basınçla uygulanır. İyonize olmuş gazlar kontaklardan bu yüksek basınçlı hava yardımıyla uzaklaştırılır. Arkın sönmesiyle söndürme odası yüksek basınçlı hava ile dolar ve bu sayede arkın tekrar tutuşması engellenmiş olur. Bu olay gerçekleştiren basınçlı havalı kesiciler karmaşık yapıda oluşturulmuştur.
Bu kesiciler açma olayı sırasında meydana gelen arkın üzerine basınçlı hava üfleyerek söndürürler. Aniden soğumaya başlayan ark yüksek basınçlı havanın iyonlaşmayı engellemesiyle bir süre sonra söner. Yüksek basınç sağlamak için kompresöre ve hava tankına
dağıtım içinse borulara ihtiyaç vardır. Bu kesiciler 11kV ve 1100 kV arasında kullanılmaktadır.
Günümüzde yüksek gerilimde SF6 sıklıkla kullanıldığı için basınçlı havalı kesiciler sadece 245kV ve üstü için kullanılır.
Havalı kesicide kapama yayları kesicinin ön tarafında bulunan işletme kolunun aşağı doğru itilmesiyle sıkıştırılır. Kesici elle kapatılması küçük kapama kaldıracına basmak suretiyle yapılabilir. Bu kesicilerin kapanmasında genelde yay düzeneği kullanılır. Kapama olayı selenoid, yayın mekanik olarak elle kapatılması ve havalı kaynaklarla sağlanır.
YAĞLI KESİCİLER
İlk yüksek gerilim güç kesicileri yağlı kesici olarak yapılmışlardır. Uzun yıllar yüksek gerilim tesislerinde en çok bu kesiciler kullanılmış ve bu vesile ile enerji naklinin gelişmesinde önemli bir yer almışlardır. Genel olarak Avrupa’da, özellikle Almanya’da daha 1930 ile 1940 yılları arasında bu kesicilerin yerini başka söndürme yöntemleri ile çalışan kesiciler almıştır. Doğu memleketlerde, başlıca ABD, İngiltere ve Sovyetler Birliği’nde bugün hala yağlı kesiciler yapılmaktadır.
Yağlı kesici yapısı basit bir kesicidir. Kullanımı ve bakımı da basittir. Doldurulması için çok miktarda yağ gereksinimi bir sakıncasıdır. Buna ek olarak kazanın yaşlanma ve açma esnasındaki yüksek basınç dolayısıyla aşırı zorlanıp patlaması gelir. Böyle yağlı kesici patlamaları sonunda tesis tamamen tahrip olabilir. Kazandan akan yağ dolayısı ile yangın çıkabilir. Bunun anlamı transformatör istasyonunun tümünün devreden çıkması ve böylece enerjinin kesilmesi demektir
Yağlı kesici, içinde kesici kontaklarının bulunduğu yağ doldurulmuş bir çelik kaptan ibarettir.
Yağ bir yandan yalıtımı, diğer yandan da arkı söndürmeyi temin eder. Küçük kesicilerde her üç kutup beraberce bir kazan içine, büyük kesicilerde ise her kutup ayrı bir kazan içine yerleştirilmiştir. Kontaklar açılınca bu açılma aralıklarında ark meydana gelir. Bu arkın hasıl ettiği yüksek sıcaklık (4000 ila 8000K) ark çevresindeki yağı oldukça kısa bir zamanda buharlaştırır ve onu kimyasal olarak parçalar. Bu parçalanmanın esas ürünü olarak hidrojen açığa çıkar. Yağı buharlaştırma için gerekli enerjiyi ark vermiş ve bu yüzden ark soğumuş olup bunun sonucu da ark gerilimi yükseldiğinden artık ark söndürülebilir. Buna ek olarak akımın sıfırdan geçişi esnasında kontaklar arasında deiyonizasyon meydana gelir. Bunu oluşturan nedenler iyonize olmamış gaz ve yağ parçacıklarının bu bölgeye akışıdır. Akış basınç münasebetlerine dayanarak akımın sıfırdan geçişi sırasında hasıl olur, çünkü bu anda hiç yeni gaz üretilemez.
Kazan tipi yağlı kesicilerde basınç, doğrudan doğruya açma aralığına yöneltilmeyip her yana doğru dağıldığından söndürme etkisi maksimum değerine ulaşmaz. Söndürme şiddetini arttırmak amacı ile yağ kazanları içine ek olarak söndürme odacıkları konur. Kontaklar bu odacıkların içine yerleştirilirler. Bu odacıklar içindeki yağ çok kısa bir zamanda buhar ve gaz haline geçtiği için bu olay bir patlama şeklinde olur. Bu sebepten literatürde söndürme odacıklarına patlama odacıkları denir. Bağlama-çözme çubuğu başlangıçta söndürme odacığın deliğini kapalı tutar, böylece önce odacık içindeki basınç yükselir. Bağlama-çözme çubuğu odacığın deliğini açar açmaz odacık içindeki yüksek basınçlı gaz süratle yağ dolu kazan içine akmaya başlar ve bu esnada arkı esaslı bir şekilde soğutur. Akımın sıfırdan geçişi esnasında ortam iyonlardan yeterli derecede arındırılır.
AZ YAĞLI KESİCİLER
Yağlı kesicilerdeki söndürme odacığı örneğinin gösterdiği gibi arkın söndürülmesi için az bir miktar yağa ihtiyaç vardır. Kazandaki geri kalan yağ yalnızca yalıtıma yalıtıma yaramaktadır. Bu yüzden yağın sadece söndürmede kullanıldığı bir kesici geliştirilmiştir. Kutuplar arası ve kutuplarla toprak arası yalıtımı diğer yalıtkanlar üzerinden almaktadırlar. Bu kesiciye az yağlı kesici denmektedir. Az yağlı kesicilerin çoğunda söndürme sistemi akıma bağlı olarak çalışır.
Söndürme sistemi akıma bağlı olmadan çalışan az yağlı kesiciler de vardır. Bir pompa vasıtası ile basılan yağ arkı enlemesine geçerken akım sıfır olduğu anda arkı iyonlarından arındırır. Bu kesicide yağlı kesiciden farklı olarak sadece söndürme odasında yağ bulunur. Kutuplar arası ve kutuplarla toprak arası yalıtım başka yalıtkanlarla sağlanır. Ark ile buharlaşan gazın yüksek basınçta hücrenin dışına akmasıyla ark hızla soğur ve söndürme işlemi tamamlanır. Az yağlı kesiciler alçak ve orta gerilim kademesinde kullanılır. Açma kapama işlemi motor yay kurma mekanizmasıyla yapılır. Kurma motoru AC veya DC gerilimle çalışabilir. Açma işlemi ise bir mandal ile yayın boşaltılmasıyla gerçekleşir. Söndürme sistemi akıma bağlı olarak çalışan az yağlı kesiciler çok çeşitlidirler.
a) VEB Sachsenwerk Dresden Niedersedlitz’in Yağlı Kesicisi
1960 yılına kadar bu fabrikada orta gerilimde kullanılan az yağlı kesiciler imal ediliyordu.
Kesicinin açma gücü 100 ila 600 MVA arasında idi. Söndürme odacığı bir bölme kısmı ile basınç ve boşalma kısımları olmak üzere iki kısma ayrılmıştır. Bu bölme kısmında iki çıkış kanalı vardır. Devreyi açma kapama çubuğu enlemesine iki deliği bulunan bir boru parçasından ibarettir. Devreyi açma kapama çubuğu lale biçimindeki kontaktan ayrıldıktan sonra oluşan ark kendi çevresindeki yağı ayrıştırır. Bu suretle meydana gelen gaz kabarcığının basıncı, açma kapama çubuğunun yan deliklerinden biri bölmedeki alt çıkış kanalına erişinceye kadar yükselir. Tam bu anda boşalma odacığına giden yol serbest olup bu yoldan akan gaz beraberinde arkı da açma kapama çubuğunun içine doğru çeker, arkı soğutur ve akımın sıfırdan geçmesi sırasında açma kapama aralığını iyonlardan arındırır. Eğer ark tekrar tutuşursa her iki yan delik iki çıkış kanalı hizasına gelinceye kadar aynı olay yeniden ortaya çıkar. Boru biçimindeki açma-kapama çubuğu içindeki bir piston küçük ark akımlarında kusursuz söndürmeyi temin eder. Bir yay vasıtasıyla aşağı doğru itilen piston her iki yan deliği kapar. Söndürme basıncını yeter derecede yükselticek kadar yağ ayrıştıktan sonra bu piston geri itilerek akış yolu serbest bırakılır. Açma gücü yüksek kesicilerin söndürme odacıkları da aynı prensibe göre çalışırlar. Yalnız bunların basınç odacığı kısmına diferansiyel piston yerleştirilmiş olup kendisi basınç yarımıyla hareket eder. Bu esnada ark üzerine bir memeden soğuk yağ fışkırtılır.
b) VEB Muskau Kesici Fabrikasının Az Yağlı Kesicisi
1960’dan beri Muskau’daki VEB kesici fabrikasında SCI diye adlandırılan tipte az yağlı kesici yapılmaktadır. Bu kesicilerin ayırıcı özelliği de söndürme odacıklarının nispeten basit yapısıdır.
Epoksit reçine kullanımı ile boyutları da küçültülmüştür. SCI tipi yağlı kesiciler açma kapama çubuğu hareket ederken birbiri ardına sıralanmış olan odacıkların girişlerini serbest bırakır.
Arkın ayrıştırarak oluşturduğu gaz bu odacıklara akar. Bu sırada ark hem boylamasına hem de enlemesine üflenerek soğutulmuş ve akımın sıfırdan geçişi esnasında da açma kapama aralığı iyonlardan arındırılmış olur.
SF6’lı KESİCİLER:
Günümüzde yaygın olarak kullanılmakta olan gaz yalıtımlı kesiciler, 1950-1960 yılları arasında yağ ve basınç kombinasyonu olarak gerçekleştirildi. 1960’lı yıllarda Fransa’da yapılan araştırmalarda bazen SF6 gazı bazen de basınçlı hava kullanıldı. Araştırmaların sonuncunun imalatçıları tatmin etmesi üzerine bugün çok geniş kullanım alanına sahip olan SF6 gazlı kesicileri doğmuş oldu. SF6 açık adı sülfür heksaflorid olan bir gazdır. SF6, 18.yy. başlarında Paris’te Moissanve Lebeu tarafından ilk defa flor gazı içinde kükürdün yakılması ile elde edilmiştir. 1937’de Cooper SF6 gazının yalıtkan olarak kullanılması konusunda araştırmalar yapmış ve SF6’nın yalıtım gazı olarak kullanılabileceğini saptamıştır. 1938’de Alman Panent Grosse elektrik arkını söndürmek amacıyla SF6 gazını kullandı. Sanayileşmesi 1948’de Amerika’da başladı ve SF6 gazlı ilk güç şalteri 1960’da burada üretildi. 1966’da ise ilk gaz yalıtılmış alt tesisi yapıldı. 1970’den itibaren SF6 gerek orta gerilimde gerek ise yüksek gerilim güç kesicilerinde yağ ve basınçlı havanın yerini aldı. SF6 gazı, delinme dayanımının havanın 2 ila 3 katı olması, kimyasal kararlılığı, ısıl iletkenliğinin iyi olması, alev almaması ve ark söndürme karakteristiğinin iyi olması nedeniyle birçok kullanım alanına girdi ve günümüzde orta ve yüksek gerilim enerji sistemlerinde, gaz yalıtımlı kablo, gazlı ayırıcı, yük ayırıcısı, kesici, şalt dolabı ve genel olarak transformatör istasyonlarında oldukça geniş bir uygulama alanı buldu.
Bu kesicide kesme hücresi, yüksek basınçlı silindir biçimli bir kap ve biri sabit diğeri hareketli iki kontaktan oluşur. Kesme ortamı 1.5- 6 bar basınçlı SF6 gazıdır. Kesicinin gerilim dayanımı basınçlı havalılara göre daha yüksektir. SF6 Gazlı kesicide arıza veya yük akımın kesilmesi, açma esnasında sıkıştırılan gazın ark üzerine püskürtülmesi ile gerçekleşir. Böylece ark soğutulur, kontaklar arası ortam iletkenliğini kaybedip yalıtkan olur ve ark söner. SF6 gazı açma sıcaklığında ortama kükürt ve flor iyonları ve elektronlar verir. Bu sırada çok elektronegatif olan flor iyonları ortamdaki elektronları yakalayarak ark akımını sınırlar. SF6 nın ısıya çok çabuk dağıtmasından dolayı sıcaklık hızla düşer. Ark soğur ve söner. Kesme esnasında oluşan ark ürünleri ise, özel bir malzeme kullanılarak zararsız hale getirilir ve böylece SF6 gazı pratik olarak kesicinin ömrü boyunca temiz kalır. Kesici içerisindeki gazın basıncı 1.5 bar (mutlak 2.5 bar)’dır. Her kutbun arka tarafında bulunan basınç boşaltma kapakları, kutbun içerisinde oluşabilecek tehlikeli bir basınç yükselmesini etkisiz hale getirir. Basınç boşaltma kapakları maksimum 8 bar basınçta açarak bir arıza vukuunda kutbun dağılmasını önler. Ark kesme işlemi gerçekleştikten sonra SF6 gazı alçak basınç bölmesinden emilir, süzülür, sıkıştırılır ve tekrar yüksek basınç kısmında depolanır. Açma konumunda kesme aralığındaki SF6 gazının basıncı 3 bardır. Gerilim dayanımı basınçlı havalı kesicilerinkinden yüksektir. Seri bağlı dört kesme aralığı bulunan bir SF6’lı kesicinin 220KV’taki açma gücü 15GVA kadardır. SF6’lı kesicilerin gaz sarfiyatı her açma için sistemin türüne göre 30 ila 300 l’dir. Bu kesiciler yalıtım sınıflarına göre gaz yalıtımlı ve hava yalıtımlı olarak ikiye ayrılır. Gaz yalıtımlı kesiciler 36kV tan 800kV a hava yalıtımlı kesiciler ise 72.5 kV tan 420 kV a kadar kullanılmaktadır.
SF6’lı kesiciler hızlı kesme süresi sayesinde arızaları hemen önleyebilmeleri ve hızlı kesme zamanına bağlı olarak bakım sayısının az olması, generatörleri iletim ve güç sistemlerine direkt olarak bağlamada kritik açma ve kapama olaylarında diğer kesicilere göre daha dayanıklı olmaları, gerilim düşümünün azlığı ve senkronizasyon sağlama açısından en uygun kesici olmaları başlıca tercih nedenleridir.
VAKUMLU KESİCİLER
Bugünkü eğilim SF6 kesicisi olduğu halde geleceğin kesicisi vakumlu kesici olacaktır. ABD, İngiltere, Almanya, Japonya ve Hollanda’daki gelişmeler, hem teknik hem ekonomik açıdan elverişli vakumlu kesicilerin yapımına olanak vermiştir.
Vakumlu kesicilerde ilk önemli araştırma 1926 ile 1931 yılları arasında California Teknoloji Enstitüsü tarafından yapılmıştır. Bu araştırma sonunda birkaç laboratuar yapılmış, ancak o günün teknolojisi pratik ve ekonomik bir kesici geliştirmeyi sağlayamadığı için çalışmalara son verilmiştir. 1950’li yıllara gelindiğinde vakuma ilgi tekrar başlamış ve araştırmalar tekrar yapılmaya başlanmıştır. Bunun sonucunda 1960’lı yıllarda, o zamana kadar kullanılan yağlı kesicilerden daha uzun ömürlü ve güvenilir olan vakumlu kesiciler imal edilmiştir. Vakumlu kesiciler, yapımlarında kullanılan malzemeler açısından doğa dostudur. Canlılar için zararsızdır ve yangın tehlikesi içermez. Bu nedenle SF6 gazlı kesicinin kullanımının minimuma indirgenmeye çalışıldığı yerlerde en çok tercih edilen kesici tipidir. Doğaya zarar vermemelerinin yanında, devre kesme karakteristiğinin iyi olması, güvenli olması, bakım maliyetinin düşük olması, kompakt boyutları nedeniyle, küçük hacim ve düşük kesici ağılıları olması nedeniyle günümüzde oldukça fazla tercih edilmektedirler. Bugün 100kA e kadar kısa devre akımı kesebilen anahtarlama elemanları mevcuttur. Bu nedenle vakum teknolojisinin yeterince geliştiği söylenebilir ve kesici kapasitelerini arttırmaktan çok maliyeti daha düşük, daha ucuz, daha güvenilir ve bakımı oldukça az kesicilerin geliştirilmesi amaçlanmaktadır.
Bu kesicide kesme hücresi yüksek vakumlu silindir biçimli seramik bir kap ile bunun içinde iki elektrodan oluşur. Bunlar kesicinin kontaklarıdır. Elektrotlardan biri sabit diğeri hareketlidir. Hareket, kesme hücresi dışında bulunan bir tahrik mekanizmasınca sağlanır.
Hareketli kontak kolu madeni bir körüğe bağlı olarak hareket eder. Madeni körüğün bir ucu kontak koluna, diğer ucu seramik silindire tesbit edilmiştir. Hücre içinde bulunan yalıtılmış madeni bir silindir ve yoğuşma ekranı olarak işlev görür. Kabın içinde 10^-6 ile 10^-10 torr basıncında vakum bulunur
Kontaklar birbirinden ayrılırken oluşan ark üzerinden geçen akım ilk akım sıfırına kadar akar. Bu akım sıfırında ark söner ve maden buhar elektrotlar ile yoğuşma ekranı üzerinde yoğuşur. Ark bölgesi dışında yüksek vakum bulunduğundan maden buharı süratle o bölgeye doğru yayıldığından ortam çabucak yalıtkan duruma geçer. 10 kA’den küçük akımlarla ark boşalması birkaç ark üzerinden gerçekleşerek ark bütün kontak yüzeyine yayılmış olarak oluşur.
Kontak yüzeyi ısıl bakımdan az zorlanır.
10kA’den büyük akımlarda ise ark kendi magnetik alanının oluşturduğu basınç etkisi ile ince bir silindir biçimini alır ve arkın elektrot üzerindeki çıkış noktasında akım yoğunluğu çok yükselir. Bunun sonucu kontak malzemesi daha çok buharlaşacağı için akım sıfırında arkın sönmemesi beklenebilir. Bunu önlemek için kontaklara özel bir biçim verilerek akım yolu değiştirilir ve oluşacak magnetik alan etkisi ile ark elektrot çevresinde döner. Böylece kontak yüzeyinde sadece bir noktanın aşırı ısınmasının önüne geçilmiş olur. Akım sıfırına yakın değerlerde bu döner ark yayılmış ark biçimine geçer. Bu yöntemle kesicinin kesme yeteneği yükseltilmiş, kontakların az aşınması ve kesme aralığının süratle yalıtkan duruma geçmesi sağlanmış olur.Paschen eğrisinde kesici 10^-9 ile 10^-4 mbar basınç aralığında çalışmalıdır. Bu aralıkta kontaklar arasının delinme gerilimi sabit kalmaktadır. 10^-2 mbar civarında delinme gerilimi minimum değerini alır. Vakumun düşmesi vakum hücrelerine atmosferden sürekli olarak moleküller, özellikle de hidrojen molekülleri sızması sonucu ortaya çıkar. Vakum hücresinin basıncı 10^-4mbar’ın üstüne çıkarsa kesme aralığında çarpma iyonizasyonu başlayacağından delinme gerilimi değeri düşer ve kesme hücresinin elektriksel ömrü bitmiş olur.
Kesicinin mekanik ömrü, vakum hücresi için 30000, tahrik mekanizması için 50000 ile 60000 açma-kapamadır. Kesici anma akımında 20000, anma kısa devre akımında ise 100açma yapabilmektedir.
Kontak malzemesi olarak termik emisyonu olan madenler, yeterli maden buharı verdikleri için, arkın varlığını sürdürebilmesi bakımından iyi şartlar oluştururlar. Bu tür kontaklar ile elde edilen kopma akımı değerleri, arzu edileceği üzere, küçüktür. Buna karşılık, yüksek buhar basıncı verdiklerinden, arkın sönmesi zorlaşır ve tekrar tutuşma tehlikesi ortaya çıkar. Gelişmeler sonucu bugün sinterlenmiş Cr-Cu kontaklar ile kopma akımı 1 A mertebelerine kadar düşürülebilmiştir. Toz haline getirilmiş bakır-krom karışımına yüksek basınç uygulanarak elde edilen sinter malzemesinden, vakumda bakırın ergime sıcaklığı altında kuru sinterleme yöntemiyle kontak malzemesi imal edilir. Vakumlu kesicide ark söndürme maddesi bulunmaz.
Bu kesici çok yüksek gerilim kademelerinde kullanılmazlar. Özellikle düşük gerilim kademelerinde (7.5kV-12kV) SF6 ya göre kullanımı kolay olmasına rağmen pahalı olduğundan tercih edilmezler.
2. KESİCİ TÜRLERİNİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI Tam Yağlı Kesiciler
Avantajları :
Tam yağlı kesicilerin yapısı basittir. Kullanımı da kolaydır.
Dezavantajları :
Tam yağlı kesicilerde yağ değiştirmek çok pahalı bir işlem olmaktadır. Örneğin 230kV’luk bir kesiciye toplam 50000 litre yağ gerekmektedir. Kullandığı yağ miktarından da anlaşılabileceği gibi tam yağlı kesicilerin boyutları çok büyüktür. Kazan yaşlandıkça mukavemeti azalır ve yüksek basınç oluşturan açma işlemi esnasında patlama riski doğurur. Bünyesindeki yağın da dışarı çıkmasıyla bu kesiciler hem can hem mal güvenliği için tehlike arz ederler.
Az Yağlı Kesiciler Avantajlar :
Boyutları tam yağlılara nazaran küçüktür ve daha az yer kaplarlar. Bu nedenle fiyatları daha ucuzdur. Montajları kolaydır ve kullanımları basittir. Daha az yağ kullanırlar. Yalıtım testi için özel cihazlara gereksinimleri yoktur.
Dezavantajları :
Ark söndürme işlemini karşılayan yağ miktarı az olduğundan daha sık değiştirmek gerekir. Bazı türlerinde yağ kaçırma görülebilir ve bu olay ciddi yangın tehlikeleri oluşturabilirler. Bu yüzden yanıcı atlayıcı ortamlarında uygun değildirler. Bir başka dezavantajları da endüktif ve kapasitif akımları kesmede pek başarılı olamayışlarıdır.
Havalı Güç Kesicileri Avantajları :
Fiyatları ucuzdur ve sistemleri çok basittir. Az bakım gerektirmeleri de başka bir avantajdır.
Bakım yapmadan aynı kesiciyle çok sayıda açma kapama yapmak mümkün olur.
Dezavantajları:
Bu kesiciler artık çok eskide kalmış modellerdir ve artık uygulamadan kalkmıştır. Basit yapıları çalışanlar için ve yangın riskine karşı tehlike arz eder. Yüksek gerilim ve yüksek güç seviyelerinde uygun değildirler. Doğru akım uygulamalarında kesmeyi zorlaştıran yapıları vardır.
Basınçlı Havalı Güç Kesicileri Avantajları :
Basınçlı havalı kesiciler çok hızlı açma yapabilirler. Bunun sebebi havanın söndürme hücresine hareketinin ihmal edilebilecek sürede gerçekleşebilmesidir. Bu sayede ark sadece bir çevrimde söndürülebilmektedir. Kapama da çok hızlı gerçekleşebilmektedir. Söndürme hücresinde basıncın, valf hareketiyle hemen düşmesi sonucu kontaklar yay basıncıyla çok hızlı şekilde kapanırlar. Bu tür kesicilerin montajları ve bakımları kolaydır. Yapılan deneyler basınçlı havalı güç kesicilerinin çok yüksek gerilime uygunluğunu ortaya koymuştur.
Dezavantajları :
Kompresör, hava tankı ve boru tesisatı gibi ek elemanlara ihtiyaçları vardır. Bu kesicilerin maliyetleri de çok yüksek olmaktadır.
SF6 Güç Kesicileri Avantajları :
SF6 gazında ısıl iletkenlik fazladır. Bunun yanında arktaki elektrik alan şiddeti daha küçüktür.
Bu sayede ark enerjisi düşer ve ısıya dönüşen enerji azaldığından kontaklar daha az aşınır. SF6 gazının bir başka avantajı ise ark akımı sıfıra gelmeden önce ortamdaki ısınma neticesinde (basınç da bu yüzden artınca) SF6 gazında iletkenliğin diğer gazlara nazaran daha hızlı azalmasıdır. Ayrıca kesme işlemi ardından SF6 gazı daha yüksek gerilimlere dayanır hale gelir ki bu da önemli bir avantajdır. Kontaklar arasına az miktarda gaz verilerek elektron yakalama ilkesiyle söndürme yapılabilir. Bu da kesiciye düşük akımları da , kısa devre akımlarını da yaklaşık verimlilikle kesebilmeyi sağlar. Bu kesicilerde kaza riski çok düşüktür. Diğer bir avantajı ise işletmelerinin basit olmasıdır.
Dezavantajları :
Bu kesicilerin fiyatları yüksektir. Bu, önemli bir dezavantaj teşkil eder. Diğer bir dezavantaj ise kesicinin içinde yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen reaksiyonlardır ki neticede zehirli gazlar ortaya çıkar. Bu gazların hiçbir şekilde dışarıya çıkmamaları gerekmektedir. Bu gazların atmosfere salınmaları da doğamız için tehlike içerir. Bu yüzden kesici gövdesindeki herhangi bir olası sızıntı ciddi bir problemdir. SF6 gazının sebep olduğu diğer bir problemse bu gazın düşük basınç ve sıcaklık seviyelerinde kolay sıvılaşmasıdır. Bu özellik, hususiyetle yüksek yerlerde (soğuk yerlerde) ve soğuk iklimlerde problem teşkil edebilir. Düşük sıcaklık iç basıncı da düşürecek, düşük basınç ve düşük sıcaklık etkisiyle sıvılaşan gaz içerideki basıncın daha da düşmesini getirecektir. Bu da kesicinin işlevini büyük ölçüde kaybetmesi demektir. Kimi uygulamalarda kesici gövdesinin ısıtılması yoluna gidilerek problem çözülmeye çalışılmışsa da bu ek maliyet ve yer anlamına geldiğinden bir dezavantaj oluşturur.
Vakumlu Kesiciler:
Avantajları :
SF6 gazlı kesicilerden daha ekonomiktir. Çok iyi seviyede ,verimli kesme işlemi yapabilirler.
Ortamın vakum olmasından dolayı dielektrik dayanımları diğer kesicilerden çok üstündür.
Neredeyse hiç bakıma ihtiyaçları yoktur. Bazı modellerinde 10 yıllık kullanım ardından bazı aksamları yağlamak gerekmektedir ki bu sıfır bakım maksimum kullanım anlamına gelir.
Bünyesinde hiçbir ark söndürme veya soğutma maddesi yoktur. Bunun sebebi açma olayı esnasında kontak yüzeyinde oluşan plazma yapısındaki metal buharı sayesinde arkın sıfırdan geçinceye kadar devam etmesi ve bu anda birbirinden uzaklaşmakta olan kontaklar arasında tekrar yükselen dielektrik dayanımın arkın kendiliğinden sönmesini sağlamasıdır. Metal buharı ise mikro saniyeler mertebesinde sürede kontaklara geri döner. Vakumlu güç kesicilerinin güvenilirlikleri çok yüksektir. Bu kesicilerin bir diğer önemli avantajı ise her türlü akımı kesme kabiliyetlerinin olmasıdır. Örneğin 90o ye varan açılardaki endüktif akımları dahi kesebilirler.
Dezavantajları :
Vakumlu kesiciler günümüzde henüz alçak gerilim seviyelerinde uygun olabilecek fiyat seviyelerini yakalayamamışlardır. Bu kesicilerin çok yüksek gerilim seviyelerinde de uygulamaları henüz görünmemektedir.
3. YÜKSEK GERİLİM GÜÇ KESİCİLERİNİN ANMA DEĞERLERİ
Kumanda elemanları ve yardımcı donanımları dahil edilen bütün kesiciler için belirtilmesi gereken anma değerler şunlardır:
1. Anma gerilimi 2. Anma yalıtım düzeyi 3. Anma frekansı 4. Anma akımı
5. Kısa devre anma kesme akımı
6. Toparlanma geçici gerilimin anma değeri 7. Kısa devre anma kapama akımı
Yukarıdaki anma değerlerden başka özel durumlarda verilmesi gereken değerler de bulunmaktadır:
a. Anma gerilimi 52 kV ve daha yüksek, anma kesme akımı 12,5 kA.den büyük olan üç kutuplu kesiciler için kısa hat arızasındaki anma değerleri
b. Anma gerilimi 72,5 kV ve daha yüksek olan, hava hatlarını kapatmak ve açmak üzere üretilmiş 3 kutuplu kesiciler için boşta hat kesme akımı
c. Açma-kapama düzenlerinin olması halinde bu düzenlerin anma besleme frekansı
d. Eğer kesicide basınçlı gaz kullanılıyorsa, açma-kapama işlemleri için gereken gaz anma besleme basıncı
Bu anma değerlerin dışında talep edildiği takdirde verilmesi gereken anma değerler de şunlardır:
I. Boşta kablo anma kesme akımı
II. Kondansatörler için anma kesme akımı III. Endüktif akım anma kesme değeri
IV. Faz uyumsuzluğunda anma kesme akımı V. Yardımcı devreler anma besleme gerilimi VI. Yardımcı devreler anma besleme frekansı
3.1. Anma Gerilimi:
Kesiciye ait anma gerilimi, kesicinin kullanılacağı şebekenin en yüksek geriliminin en üst sınırlarını belirler. Üç kutuplu bir kesicinin anma gerilimi 50 Hz frekansında aşağıdaki standart değerlerden seçilmelidir:
Un < 72,5 kV ve =72,5 kV olan kesiciler için:
3,6-7,2-12-17,5-24-36-52-72,5 kV Un > 72,5 kV olan kesiciler için:
100-123-145-170-245-300-362-420-525-765 kV
3.1.1. Gerilim Sınıflarına göre Devre Kesicilerinin Sınıflandırması:
Aslında yüksek gerilim kesicilerinin sınıflandırılmasında başlangıç noktası olarak kesicinin kullanılacağı devredeki anma gerilim değeri en mantıklı seçenektir. Bu seçenek yüksek gerilim kesicilerini 2’ye ayırır:
1. 1000 volta kadar olan gerilim değerlerinde kullanılan düşük gerilim devre kesicileri
2. 1000 volt veya daha üzeri gerilim değerlerinde kullanılan yüksek gerilim devre kesicileri
Bu gruplar, örneğin yüksek gerilim kesicileri alt gruplara ayrılmaya devam ederler, örneğin 123 kV ve üzeri gerilim değerlerine veya 75kV ve daha altı gerilim değerlerine sahip olanlar alt gruplar olarak ayrılır. Bu şu anda da geçerli olan uluslararası bir ayrım standardları ( ANSI C37.06 [3] ve International Electrotechnical Commision [IEC] 62271-100 ( IEC 60056) [4]) kapsamındadır.
3.2. Anma Yalıtım Düzeyi:
20 °C sıcaklık, % 65 bağıl nem ve 1013 mbar hava basıncı altında kesicinin anma yalıtım düzeyi aşağıdaki tablolardan seçilmelidir.
Anma gerilimi < 72,5 kV ve =72,5 kV olan kesiciler için:
Anma Gerilimi (efektif değer) [kV]
Anma Dayanma gerilimi (ef.
değer) [kV]
3,6 10 7,2 20 12 28 17,5 38
24 50 36 70 52 95 72,5 140
Anma gerilimi 100kV ile 245kV arasında olan kesiciler için:
Anma Gerilimi (efektif değer)
[kV] Anma Dayanma gerilimi (ef.
değer) [kV]
100 150
185 123 185
230 145 230
275 170 275
325 360 245 395
460
3.3. Anma Frekansı:
Kesicinin anma frekansı, kesicinin kullanılacağı şebekenin frekansıdır. Kesicinin diğer anma değerleri anma frekansına bağlıdır ve frekansa göre seçilmelidir. Üç fazlı kesicilerin anma frekansı 50 Hz olmalıdır.
3.4. Sürekli İşletme Anma Akımı:
Kesicinin sürekli işletme anma akımı, kesicinin zarar görmeden ve çeşitli bölümlerinin aşırı ısınmaksızın, sürekli olarak taşıyabildiği anma frekansındaki akımın efektif değeridir.
Sürekli işletme anma akımı, aşağıdaki standard değerlerden seçilmelidir:
400-630-800-1250-1600-2000-2500-3150-4000-5000-6300 A
3.5. Kısa Devre Anma Kesme Akımı:
Kesicinin kısa devre anma kesme akımı, şebeke frekanslı toparlanma gerilimi
kesicinin anma gerilimine ve geçici rejim toparlanma gerilimine eşit olan bir devrede, kesicinin bu koşullarda kesebildiği en büyük kısa devre akımıdır.
Kısa devre anma kesme akımı şu değerlerle belirlenir:
a) Akımın alternatif bileşeninin efektif değeri b) Akımın doğru akım bileşen yüzdesi
Standard bir kesici aşağıdaki özellikleri sağlamalıdır:
a) Kesici, kısa devre anma kesme akımını anma geriliminden daha düşük gerilimlerde de kesebilmelidir.
b) Anma geriliminden daha yüksek gerilimlerde hiç bir kesme akımı garanti edilmez.
Kısa devre anma kesme akımı alternatif akım bileşeninin efektif değeri 6,3-8-10-12,5-16-20-25-31,5-40-50-63-80-100 kA değerlerinden seçilmelidir.
3.6. Anma Kısa Devre Kapama Akımı:
Kesicinin anma kısa devre kapama akımı, kesicinin anma gerilimine karşılık gelen kısa devre akımıdır. Anma kısa devre kapama akımının değeri, anma kısa devre kesme akımı alternatif akım bileşenin efektif değerinin 2,5 katı olmalıdır.
3.7. Anma Kısa Devre Süresi:
Kesici kapalı durumda iken anma kısa devre kesme akımına eşit bir akımı
geçirebildiği süredir. Standard süre 1 saniyedir. Eğer 1 saniyeden daha yukarı değerkullanılacaksa 3 saniye değeri kullanılabilir.
3.8. Anma İşlemler Dizisi:
Kesicilerde anma işlemler dizisi 2 farklı şekilde yapılabilmektedir.
a) A - t - KA – t’ - KA b) KA – t’’ – KA
Burada A açma işlemini, KA ise kapama işlemini ve hemen ardından gelen açma işlemini, t de hızlı otomatik yeniden kapama düzeni bulunmayan kesicilerde 3 dakikadır. t’’ hızlı otomatik yeniden kapama düzeni bulunmayan kesicilerde 15 saniye olmaktadır.
3.9. Boşta Hat Anma Kesme Akımı:
Boşta hat anma kesme akımı, kesicinin anma geriliminde, en büyük manevra aşırı gerilimlerini aşmadan kesebildiği boşta hat en büyük kesme akımıdır. Boşta hat anma kesme akımı, sadece 72,5 kV ve üstü üç fazlı hava hatlarını açıp kapamak için verilmelidir. Standart değerler aşağıdadır:
Boş Hat Anma Kesme Akımı Standart Değerleri:
Anma Gerilimi (efektif değer) [kV]
Anma Dayanma Gerilimi (ef.
değer) [kV]
72,5 10 100 20 123 31,5 145 50 170 63 245 125 300 200 362 315 420 400 525 500 3.10. Boşta Kablo Anma Kesme Akımı:
Boşta kablo anma kesme akımı, anma gerilimde kesicinin en büyük manevra aşırı gerilimlerini aşmadan kesebldiği boşta kablo en büyük kesme akımıdır. Bu anma değerin belirtilme zorunluluğu yoktur. Anma gerilimi 24 kV.un altında olan kesicilerde bu anma değerinin verilmesi gereksizdir.
3.11. Kondansatör Anma Kesme Akımı:
Kesicinin anma geriliminde ve bu standartlarda verilen kullanma ve işletme koşulları altında en büyük manevra aşırı gerilimlerini aşmadan kesebildiği en büyük kesme akımıdır. Yalnız başına kullanılan kondansatör bataryası anma kesme akımının belirlenmesi zorunlu değildir. 52 kV anma değerine kadar kesici anma değerleri koordinasyon çizelgesi aşağıda verilmiştir.
4. Arıza Koşulları Altında Kesicilerin Anma Değerlerinin Belirlenmesi ve Bunlara Göre Kesici Seçimi
Kesicilerin anma değerleri normal çalışma koşullarına göre seçildiği gibi aynı zamanda şebekedeki herhangi bir arıza halinde oluşan koşullara da dayanacak şekilde seçilmelidir. Arıza hallerinde aşırı gerilim, akım, sıcaklık vb. altında kalan kesicilerin anma değerleri de bu
koşullara uygun şekilde olmalıdır.
Normal çalışma koşulları için seçilmesi veya belirlenmesi gereken anma değerleri şu şekildedir:
Anma Gerilimi
Kesicinin bulunduğu şebeke noktasında oluşabilecek en yüksek gerilim değerinden büyük olmalıdır.
Yalıtım Koordinasyonu
Yalıtım koordinasyonu kesici çevresinde olaşabilecek atlamalara ve delinmelere dayanıklı olacak şekilde seçilir. Bunun için arıza akımı ve gerilimi değerlerinden yararlanılır.
Anma Frekansı
Şebekenin frekans değeri diğer anma değerlerini değiştirdiğinde kesicinin anma frekansı da bu dikkate alınarak seçilmelidir.
Anma Sürekli Çalışma Akımı
Şebekenin normal çalışması esnasındaki tüm akımlara istenilen sürelerde dayanacak şekilde seçilmelidir.
En Düşük Çalışma Sıcaklığı
Kesicinin kullanıldığı ortamın minimum sıcaklık değerlerine göre seçilir. Standartlar aşağıdaki gibidir:
Bina içi (dahili) kesicilerde: -5 ve -20 derece Bina dışı (harici) kesicilerde: -25 ve -50 derece
Yükseklik
Normal işletme koşullarında kesicinin kullanılacağı yükselti 1000 metreyi geçmemelidir.
Kesicilerin arıza halindeki anma değerleri ve karakteristikleri şu şekilde tanımlanmıştır.
Anma kısa devre kesme akımı Anma kısa devre kapama akımı Kısa devre anma süresi
Anma geçici toparlanma gerilimi İlk kutup katsayısı
Faz uyumsuzluğu karakteristikleri Anma Kısa Devre Kesme Akımı:
Kesicinin herhangi bir kısa devre arızası halinde anma geriliminde kesebileceği en yüksek akım değerini tanımlayan bileşendir. Bu akım değeri şebekenin türüne ve bu şebekede olası en yüksek akımı akıtabilecek arızaya göre seçilmelidir.
Kısa devre halindeki arıza akımının iki bileşeni vardır. Bunlar kısa devre akımının alternatif akım bileşeni ve doğru akım bileşenidir. Bu değerlerin seçilmesinde alternatif akımın efektif değeri ve doğru akım bileşeninin yüzde değeri göz önüne alınır.
Anma kısa devre akımının alternatif akım bileşeninin efektif değeri için şebekenin gücüne ve oluşabilecek maksimum arıza akımına göre aşağıdaki standart değerlerden biri seçilebilir.
• 6,3 kA
• 8 kA
• 10 kA
• 12,5 kA
• 16 kA
• 20 kA
• 25 kA
• 31,5 kA
• 40 kA
• 50 kA
• 63 kA
• 80 kA
• 100 kA
Anma kısa devre kesme akımının doğru akım bileşeninin yüzde değerinin seçimi için ise kesicinin açma süresi göz önünde bulundurulur. Kesicinin en kısa açma süresine karşılık gelen bir doğru akım yüzde bileşeni verilen standart değerler arasından seçilmelidir.
Bunların yanı sıra bu durumda seçilecek kesici şu özelliklere de sahip olmalıdır:
1) Kesici anma geriliminden daha düşük değerlerde de anma kısa devre kesme akımını kesebilmeli.
2) Anma geriliminden yüksek değerlerde ise üretici anma kısa deve kesme akımının kesilmesi garanti edemez.
Anma Kısa Devre Kapama Akımı:
Kesicinin anma gerilimine karşılık gelen kısa devre akımıdır.
Kesicinin kısa devre koşulları altındaki anma kısa devre kapama akımı arıza akımının tepe değerinden büyük olmak zorundadır.
Normalde kesicinin anma kısa devre kapama akımı, anma kısa devre kesme akımının alternatif akım bileşeninin efektif değerinin 2.5 katından büyük olarak seçilir.
Kısa devre anma süresi:
Kesicinin anma kısa devre kesme akımını geçirebilme kapasitesinin süresini tanımlayan büyüklüktür.
Güç kesicisinin kısa devre anma süresi korunan yükün veya şebekenin hassaslık derecesine göre seçilmelidir. Standart olarak bu değer 1 saniye civarındadır fakat daha uzun süreli bir zaman değeri istendiğinde 3 saniye olarak seçilebilir.
Kısa devre süresinin kısa devre anma süresinden büyük olması koşulunda akım ile zaman arasında I2t = sbt. İlişkisi bulunmalıdır.
5. ÖRNEK UYGULAMA: POWERWORLD SİMULASYONU
Çalışmamız boyunca ele aldığımız sistemimizde 5 adet bara, 3 adet generatör ve 4 adet
yük modellenmiştir. Birim değer ile çalışılmakla beraber temel gerilim değeri 138 kV ve temel akım değeri de 418.37 A’dir. Generatörlerin güçleri, yükün çektiği güçler ve hattın gücü şekil üzerinde rahatlıkla görlebilmektedir.
Baralara göre dağılmış yük durumları ver paylaşımlarıda şekilde gorulmektedir.
Bu durumda elimizdeki mevcut değerler güç akışı listesi olarak aşağıdaki gibi elde edilmiştir.
Kesici seçimi için sistemde meydana gelecek bir arızada oluşacak kısa devre akımının bilinmesi önemlidir. Bu nedenle, bizde burada sistemin herhangi bir noktasında arıza meydana getirerek oluşacak kısa devre akımını hesapladık.
1 numaralı bara ile 2 numaralı bara arasındaki hattın ortasında 3 faz arızası olduğunu varsayarsak yapılan hesaplardan kısa devre akımını buluruz.
Arızayı hattın ortasındaymış gibi gösterip analiz yaptığımızda görüldüğü gibi arıza akımı 3131 A çıkmıştır ve yük açısı da 46° görülmüştür.
Ortam sıcaklığı: Yıl boyunca minimum sıcaklık -5°C, maksimum sıcaklığın +32°C olduğu varsayılırsa, bina dışı kesici için -25°C veya -50°C, maksimum +30°C veya +40°C
değerlerinden bir tanesi seçilmelidir.
Anma gerilimi: 144 kV Anma frekansı: 50 Hz
Anma dayanma gerilimi: 230kV veya 275kV
Sürekli işletme anma akımı: Temel akım 418,37A olduğu için standart değerlerden 630A seçilir.
Kısa devre anma kesme akımı: Kısa devre akımı 3131 A olduğu için standart değerlerden 6,3kA seçilir.
Bulunan anma kısa devre kapama akımı: Bunun değeri kısa devre anma kesme akımının 2,5 katı olduğu için 15,75kA olarak hesaplanır.
Bu sefer 1 numaralı bara ile 3 numaralı bara arasındaki hattın ortasında faz-faz arızası olduğunu varsayarsak yapılan hesaplardan kısa devre akımını buluruz.
Arızayı gene hattın ortasındaymış gibi gösterip analiz yaptığımızda görüldüğü gibi arıza akımı 1978.5 A çıkmıştır ve yük açısı da -142° görülmüştür.
Ortam sıcaklığı: Aynen bina dışı kesici için -25°C veya -50°C, maksimum +30°C veya +40°C değerlerinden bir tanesi seçilmelidir.
Anma gerilimi: 145kV Anma frekansı: 50Hz
Anma dayanma gerilimi: 230kV veya 275kV
Sürekli işletme anma akımı: Temel akım 418,37A olduğu için standart değerlerden 630A seçilir.
Kısa devre anma kesme akımı: Kısa devre akımı 1978,5 A olduğu için standart değerlerden 6,3kA seçilir.
Bulunan anma kısa devre kapama akımı: Bunun değeri kısa devre anma kesme akımının 2,5 katı olduğu için 15,75kA olarak hesaplanır.
