AZ YAĞLI, VAKUM VE SF6 ORTA GERİLİM KESİCİLERİNİN ŞARTERLEME PRENSİPLERİNE GÖRE KARŞILAŞTIRILMALARI

AZ Y AĞLI, VAKUM VE ORTA GERİLİM KESİCİLERİNİN ŞALTERLEME PRENSİPLERİNE GÖRE KARŞILAŞTIRILMALARI

Süleyman KASIRGA Fachhochschule Düsseldorf/B. Almanya Elektrik Bölümü.

1. GİRİŞ

Birkaç yıl öncesine kadar Avrupa'da özellikle Federal Almanya'da orta gerilim salt tesislerinde çoğunlukla az yağlı ve havalı kesiciler kullanılmaktaydı. Havalı kesiciler ağır şartların bulunduğu tesisler (Mesela;ark ocağı), az yağlı kesiciler ise enerji dağıtım tesisleri için öngörülmekteydi. Günümüzde Federal Almanya'daki orta gerilim tesislerinde bulunan kesicilerin % 80"i az yağlı kesicilerdir. Ülkemizde bu oran % 90'dır. Az yağlı kesicilerle edinilmiş olumlu işletme tecrü belerinden dolayı, geçmişte ark söndürme ortamına göre SF5 gazlı veya vakum kesicilere gerek duyulma mıştır. Bu prensiplere göre çalışan kesiciler 15 yıldan fazla bir zamandan beri birçok yabancı ülkede v e hat ta bu tip kesicileri ilk defa geliştiren ülkelerde d a h i imal ve piyasaya arz edilmelerine rağmen işletmelere oldukça az sayıda girebilmişlerdir. Ancak şebekele rinde yeteri kadar az yağlı kesicileri sahip olamamış ve bunun yerine tam yağlı kesiciler kullanmış Japon ya, ABD ve ingiltere gibi ülkelerde SFö ve vakum ke siciler diğer ülkelere oranla son yıllarda daha fazla kul lanılmışlardır. Gelişmekte olan her ülkede olduğu gibi, ülkemizde de enerji nakil hatları normalin üzerinde uzayıp aynı hat üzerindeki branşmanlar çoğalmakta ve hatların kesme kapasiteleri artmaktadır. Bu durum başlangıçta doğru olarak seçilmiş kesicilerin çok sık salterleme yaparak

bakım periyotlarının kısalmasına neden olmuştur. Bu nedenle ülkemizde enerji üretim ve dağıtımını üstlen miş kuruluşlar haklı olarak daha az bakım gerektiren kesici tipi aramak zorunda kalmışlardır.

Gelişmiş Avrupa ülkelerinde ise, personel masrafları nın fazla olması, benzer kuruluşları enerji dağıtım te sislerini mümkün olduğu kadar daha az personelle iş letmeye yöneltmiş ve nedeni farklı olmakla beraber bu kuruluşları ülkemizde olduğu gibi bir arayış içine sokmuştur. Son yıllarda SF6 ve vakum kesicilerinin az yağlı kesicilere oranla daha az bakım gerektirdikle rinden bahsedilmesi, bu tip kesicilerin tesis kurucula rının ilgilerini üzerinde toplamasına neden olmuştur. Bunun başka bir nedeni de değerlendirmelerde yalnız eski tip az yağlı kesicilerin dikkate alınmasıdır. Ayrıca az yağlı kesici imalatçıları eski yönetmeliklere göre emniyet katsayılarını çok büyük tutup, işletme ve ba kım talimatlarında bakım periyotlarını gereğinden fazla kısa öngörmek zorunda kalmışlardır. Halbuki son yıllarda az yağlı kesicilerde diğerleri gibi geliştiril miş, bakım periyotları uzamış ve salterleme kapasite leri artmıştır.

Bu yazının amacı her üçkesici tipini karşılaştırmaktır. Ancak sağlıklı bir karşılaştırma yapabilmek için, eski tip az yağlı kesiciler değil, modern az yağlı kesicilerle yine modern SF5 ve vakum kesiciler karşılaştırılacak tır.

2. ARK SÖNDÜRME PRENSİPLERİNE GÖRE KARŞILAŞTIRMA

2.1 Akımın yağda kesilmesi (Şekil 1)

Hareketli kontağın, sabit kontaktan ayrılmasından sonra akım önce metal buharının meydana getirdiği köprü üzerinden akmaya devam eder. Bu arada oluşan yüksek sıcaklık etraftaki yağın ayrışmasına neden olur. Y üksek basınçlı bir gaz kitlesi meydana gelir. Bu ka barcık şeklindeki gaz kitlesi, dışarıdan içeriye doğru yaş yağ buharı, kızgın yağ buharı, asetilen gazı ve hid rojen atom ve moleküllerinden oluşur. Bu gazlara kon taklardan ayrılmış metal iyonları da karışmıştır. Akım gaz kitlesinin merkezinden, sıcaklığı 10 0 0 0 K olan ark üzerinden geçer. Ark yoğun ısıdan dolayı iyonize ol muş hidrojen atomlarından meydana gelen yaklaşık eşit sayıda iyon ve elektronlardan oluşan bir plazma dır. Bu ark plasması bir iletkendir. Y ağ normal şart larda çok düşük bir ısı geçirgenliğine sahip olmasına rağmen, hidrojen gazının ısı geçirgenliği çok yüksek tir (Mesela havadan 20 kat daha fazla). Y ağın ayrış masıyla meydana gelen hidrojen, ark söndürme hücre sindeki arkın yanından geçerek, normal şartlardaki basınç dengeleme hücresine gider ve ısı iletimini sağ lar.

Alternatif akımın kesilmesi şu şekilde olur : Akımın sıfıra ulaşması sırasında, akım tarafından arkta oluştu rulan ısı gücü (ark gerilimi ile akımın çarpılmasıyla he saplanır) de sıfıra ulaşır. Eğer ark merkezinden dışa rıya doğru yeterli ısı iletimi olmuşsa, arkın çevresin

Şekil 1. Az yağlı kesicide arkın sönme olayı a) Transformatör yağında ark b) Ark plasmasının ark tarafından oluşturulan yağ gaz akımı ile koparılması. 1 Y ağ 2 Yaş yağ buharı 3 Kızgın yağ buharı 4 C2H2.H2.H (1000 5000K)

5 Ark (H, H+, e", Cu, Cu+), yaklaşık 10 000 K deki sıcaklık düşer ve ark da iletkenliğini yitirir. Ark sönmüştür. Fakat akımın sıfırdan geçme zamanı çok kısadır. Bu kısa zaman içinde yeterli ısının dışarı iletil mesi gerekir. Arkın geçirgenliğini yeteri kadar düşüre cek ark enerjisi dışarıya iletilemezse, akım sıfırdan başlayarak aksi yönde tekrar yükselerek ark plasması nın gelecek yarım periyot içinde de ısınmasına neden olur. Buna arkın termik olarak yeniden ateşlenmesi denir, ikinci şart, artık iletken olmayan ama sıcaklı ğını koruyan gazların delinme geriliminin yükseltilme sidir. Böylece kontaklar arasında akımın kesilmesin den sonra meydana gelecek tranzient toparlanma geri limi ile ayırma aralığında tekrar atlama olmaz ve arkın tekrar ateşlenmesi önlenmiş olur. Ayırma aralığının delinme gerilimi burada bulunan gazın yoğunluğu ve dolayısıyla basınç ile doğru, sıcaklık ile ters orantılı olarak artar. Bunun için gaz yoğunluğunun akım sı fırdan geçerken belirli bir değere ulaşması gerekir. Burada basıncın muhafazası mümkün değildir. Çünkü dışarıya doğru bir gaz akımı olması ve sıcaklığın düşü rülmesi gerekir. Gaz yoğunluğu arkın ürettiği gaz mik tarı ile doğru, gazım meydana geldiği hücrenin hacmi ile ters orantılıdır. Bu hacim ilk önce hareketli konta ğın boşalttığı hacim ve yağ ile ark söndürme hücre sinin elastikiyetleri ile sınırlıdır. Oluşan gaz basınç dengeleme hücresine giderken etrafındaki yağı iterek

Vakumda yayılmakta olan mün ferit ark, pınch effekt:i akım inin Q yükü nü etkileyen p kuvveti:

endüksiyon |5|« 2TI/Ö ro: ark radyüsü

Arkın tutuftuju ytrdoki ark çapı d:l 100 um Akım roğuntuju: 10s KlA/cm' % : Katot maliemttindtn oluşmuş buhar boana PM Manyftik basınç

KesitA A

Şekil 2. Vakumda ark 1 Metal buharı 2 Arkın yandığı nokta 3 Kontak yüzeyi KA Kontağın ayrıldığı an

hacmini genişletir. Ar k söndürme hücresi öyle dizayn edilmelidirki gazın bir bölümünün dışarı atılmasıyla azalan gaz yoğunluğunun dengelenmesi sağlanabilsin. Burada gaz arkın yanından geçmelidir. Bu da ancak gaz akımının ark'a dikey olarak akıtılması ile müm kündür.

2.2 Akımın vakumdan kesilmesi (Şekil 2)

Sabit kontağın hareketli kontaktan ayrılmasıyla kon taklar arasında bir metal buharı arkı oluşur. Bu ark el ek tr odlar arasındaki deşarjın kontak malzemesinin ouharında olmasından meydana gelir. Metal buharı elektrodda arkın tutuştuğu yerden 6 0 ° lik bir açı ile hızla yayılır. Bu arada metal zerreciklerinin hızı yakla şık olarak 1 0 0 0 0 m/sdir. Gazlı bir ortamda ( N 2 , H2 , SFg) meydana gelen ark bir model olarak düşünülecek olursa, konsantre olmuş bir plasma sütunu olarak ele alınabilir. Bu konsantre olmuş plasma sütunu negatif du bir karekteristiğe (— < 0 ) sahip olduğundan, birçok dt düzgün istikrarlı paralel arklardan değil yaklaşık tek bir arktan oluşur.

Bu konsantre olmuş ark elektrodlarda arkın meydana geldiği yerlerde çok fazla bir enerji yoğunluğuna ne den olur.

Vakumdaki ark ise bunun aksine geniş bir akım saha sında bile sabit ve pozit if bir karakteristiğe sahiptir. Y ayılma bölgesi olarak adlandırılan ve basit bir plaka şeklindeki kont akt a 10 kA lik bir akımı kısa süre ge çirebilen yerde, birbirini iten ve üzerinden yaklaşık 100 er A lik akımları geçiren birçok paralel ark var dır. Bu münferit arklar birbirlerini ittiklerinden her bi ri 10 m/s lik bir hızla katodun dış yüzeyinde ileri geri hareket ederler. Bu dağınık ark kontak yüzeyinde çok az ve eşit dağılımlı bir yanmaya neden olur. Bu özel lik vakum hücresinin uzun ömürlü olmasını sağlar. Bu paralel arkların devamı uygun kontak formları ile ve ya hücrenin dışına yerleştirilmiş bobinlerle sağlanır. Akım elektrod (kontak) malzemesinin buharından oluşan ark plasmasının üzerinden geçeceğinden, bura da kontak malzemesinin seçimine dikkat etmek gere kir. Bu küçük akımlar için de geçerlidir. Çünkü malze meden dolayı arkın karakteristiği negatif ve dolayısıy la ark istikrarsız olur ki, bu da yukarıda belirtildiği gi bi istenmeyen bir olaydır.

Akımın sıfıra ulaşmasından sonra, metal buharı çok çabuk kondense olur. Büyük bir kısmı tekrar kontağa döner ve böylece kontak malzemesinin azalması mi numuma inerek kontağın ömrü uzar.

2.3 Akımın kükürthexafluroid (SFg) gazından kesilmesi (Şekil 3)

Hareketli kontağın sabit kontaktan ayrılmasıyla hüc redeki memenin önünde oluşan ark plasması etrafın daki SFg gazını ısıtır. Böylece sabit kontağın bulun duğu hücredeki P] basıncını meydana getirir. Plasma nın etrafındaki gazın daha çabuk ısıtılabilmesi, seri

olarak bağlanmış silindir şeklindeki bir bobinden sağ lanır. Bu bobinin meydana getirdiği manyetik alan ark plasmasının rotasyonunu ve daha fazla gazın ısın masını sağlar. Bunun başka bir yararı da kontak mal zemesinin eriyerek azalmasının minimuma indirilme sidir.

Şekil 3. Kendinden püskürtmeli SF5 kesicisinin ça lışma prensibi. Uygun basınç oranının (P1/P2) seçilmesi ile gazın P | den P2 ye ses hızı ile geçmesi sağlanır. Gaz ilk önce memeden düzgün bir akımla ve daha sonra genleşerek yine ses hızında serbest püskürtmeye geçer. A r k ın alt kısmında meydana gelen girdap, kızgın ark plasması ile oldukça soğuk olan çevredeki SFg gazının karış masını sağlar. Çevrede yeterli soğuk gaz bulunması ve S F Ö gazının düşük sıcaklıklarda dahi ısıyı iyi iletmesi akım sıfıra ulaştığında ark plasmasının elektriki geçir genliğinin çok çabuk düşmesine neden olur. SFg ga zının elektro negatif özelliği, yani elektronların gaz molekülüne bağlı kalması ayırma aralığının dielektriki olarak sağlamlaşıp yalıtılmasını sağlar. Küçük akım larda P1/P2 oranı büyük akımlara oranla daha küçük tür. Bunun için küçük akımların kesilmesinde ark sön dürme etkisini artıracak bir kompresyon silindirine ih tiyaç vardır. 3. KONSTRÜTİF Y APILARI BAKIMINDAN KARŞILAŞTIRMA 3.1 Az yağlı kesici (Şekil 4) Az yağlı kesici kutbu aşağıdan yukarı doğru, hareket li çubuk kontağa (2) hareket iletiminin sağlandığı bi

yel hücresi (1 ), akımı hareketli kontaktan dış bağlantı civatasına (3) ileten makara kontaktan (4), bütün bun ların üzerinde bulunan ark söndürme hücresinden (5) ve sabit kontaktan (6) oluşur. En üstte basınç denge leme hücresi (7 ), yağ filtresi (8) ve yağ gösterge düze ni vardır. Sabit kontak lale şeklindedir.

Şekil 4. Az yağlı kesici kutbu (Sachsenwerk MC tipi) 1 Biyel hücresi 2 Hareketli çubuk kontak 3 Dış bağlantı civatası 4 Makara kontak 5 Ark söndürme hücresi 6 Sabit kontak 7 Basınç dengeleme hücresi 8 Y ağ filtresi 9 Y ağ gösterge düzeni

3.2 Vakum kesici (Şekil 5)

Vakum kesici kutbunda da kontağa hareket iletiminin sağlandığı bir biyel hücresi vardır. Biyel hücresinde kesici kapalı iken gerekli kontak basıncını üreten yay lar (3) bulunur. Akım hareketli kontaktan (13) alt bağlantı terminaline (9) halka şeklindeki kontak (10) Üzerinden geçer. Bundan sonra içinde çanak şeklinde ki kontaklar (1 3, 14), keramik izolasyon (1 7), kon dense kabı (1 8 ), koruyucu ekran silindiri (19) ve me tal körük (12) bulunan vakum hücresi vardır. Mekanik yükü 3 yalıtkan çubuk (2, 15) taşır. Kutbun alt kıs mından çıkarılmış çubuk (6) kontakların durumunu kontrol etmeye yarar.

Şekil 5. Vakum kesici kutbu (Sachsenwerk VA tipi) 1 Mesnet izolatörü 2 1 nci yalıtkan destek 3 Kontak yayı 4 Hareket çubuğu 5 Çalıştırma kolu 6 Kontak kontrol düzeni 7 Tahvil kolu 8 Kol 9 Alt bağlantı terminali 10 Halka kontak 11 Vakum hücresi 12 Metal körük 13 Hareketli kontak 14 Sabit kontak 15 2 nci ve 3 ncü yalıtkan destek 16 Üst bağlantı terminali 17 Y alıtkan keramik 18 Kondense kabı 19 Ekran silindiri 20 Hücrenin hareket çubuğu P |, ?2 Hücredeki mafsallar A Kontak yayı boşta B Kontak yayı ve açma kolu ölü noktada 3.3 SF 6 kesici (Şekil 6) SF5 kesicisinde de diğerlerinde olduğu gibi kutbun alt bölümünü biyel hücresi oluşturur. Biyel hücresine hareketli parçalardan dolayı gaz şamasını önlemek için uygun salmastıralar yerleştirilmiştir. Akım yolu şalterleme borusu (4 ), kompresyon pistonu (1 0), ya lıtkan meme (5), sabit anakontaktan (2) ve ark sön dürme hücresinden oluşur.

İv

Us ter

X»

1 /7

/ '/

S

| c ?

1E İf/TA

tonlu*

Şekil 6. SF6 kesici kutbu (BBC, HC tipi) 1 Bağlantı parçası 2 Kontak 3 Y ardımcı kontak 4 Şalterleme borusu 5 Y alıtkan meme 6 Gaz üfleme hücresi 7 Hareket iletme çubuğu 8 Döndürme mili 9 Conta 10 Tahrik kolu 11 Kompresyon silindiri 12 Biyel hücresi 4. ELEKTRİK! DEĞERLER

4.1 Boşta çalışma karakteristiği

Bu tanımdan yaklaşık akımsız şalterlemelerde Delinme gerilimi = f (kontaklar arası mesafe)

fonksiyonu anlaşılır. Vakumda küçük elektrod mesa felerinde oldukça yüksek bir delinme gerilimi vardır. Bu vakum kesicilere açma sırasında kontaklar arasın da meydana gelen çok yüksek trazient toparlanma ge rilimlerine de dayanma özelliğini kazandırır. Bu özel liğinden dolayı vakum kesiciler kapazitif akımların şalterlenmesinde de güvenle kullanılabilirler. Açma sırasında ayırma aralığının gerilim dayanımı çok hızlı oluştuğundan küçük indüktif akımların ke silmesnde devrede aşırı gerilimler doğacağından va kum kesicilerin bu özelliği devreyi olumsuz olarak et kiler.

Şekil 7. Gerilim dayanımı 1,2/50

Y ağda ve SF5 gazında aynı dederdeki delinme gerili mi, elektrotlar arası mesafe artırmakla sağlanır. Bura da şunu da belirtmek gerekir ki SFg gazı ancak sıkış tırıldığında yağın delinme gerilimine ulaşabilir.

4.2 Ark zamanı

SF6 kesicisinde olduğu gibi az yağlı kesicide de görü lüyor ki, arkın ürettiği gaz akımı ile, mekanik olarak sağlanmış gaz akımı kombinasyonu ile ark zamanı kı saltılabilmiştir. Her iki ark söndürme prensibinde de, küçük indüktif akımların kesilmesinde aşırı gerilim faktörü küçük değerlerde kalır ve böylece şalterleme yapılan devrenin elemanlarının (Transformatör, Mo tor vs.) izolasyonuna zarar verilmemiş olur.

Vakum kesicide ark kendisi tarafından üretilmiş bir gaz akımı ile sönmeyip, tamamen akım şiddetinden bağımsız olarak sönmektedir.

4.3 Ark gerilimi, ark enerjisi

Şekil 8'deki A diyagramında ideal bir kesici arkının akım gerilim karakteristiği görülmektedir. Az yağlı ve SF Ö kesici arkının akım gerilim karakteristiği B diyag ramında gösterilmiştir. Y ağ ve SF5 gazındaki arklar da gerilim düşerken akım yükselmektedir. Bu karakte ristik akımın her yarı dalgasında tekrarlanacaktır. Ark plasması belirli bir termik atalete sahip olduğun dan, geçirgenliğinin zamana göre değişimi (d/dt) za mana göre akımın değişimini (di/dt) takip edemez. Bundan dolayı akımın sıfıra ulaşmasından sonra bir ard akım oluşur (arkın dinamik karakteristiği). Vakum kesicilerde ise durum çok daha başkadır. Burada arkın geçirgenliği soğutma ile değişmediğin den akımı takip ederek gecikmeden sıfıra ulaşır. Va kumdaki arkın başka bir özelliği de gerilimin akımla

beraber artmasıdır. Elektriki yük taşıyıcısı olarak, ga zın artan akımla birlikte sıcaklığı da artır ve böylelik le yoğun bir iyonizasyon sağlanır. Y oğun iyonizasyon gazın geçirgenliğini artırır. Bunu çok küçük olan ark geriliminden anlamak mümkündür. Vakumda ise elek triki yük taşıyıcıları kontak malzemesinden ayrılırlar. Y ani artan akımla beraber elektriki yük taşıyıcılarının ayırma enerjisi de artar ki, bu da daha yüksek bir ark geriliminin oluşması demektir. Elektriki yük taşıyıcı larının diffuziyondan birleşmeye geçmesi sırasında, gerilimde karakteristik bir tepe gerilimi oluşur ki, bu da gerilimin yükselmesine katkıda bulunur. (Şekil 8 diyagram C)

Şekil 8. Ark karakteristik eğrileri

Genel olarak vakum kesicilerde ark geriliminin ortala ma değeri az yağlı ve S F Ö kesicilere oranla çok daha düşüktür. Bu bağıntı yaklaşık olarak ark uzunluğu için de geçerlidir. Buradan arkın sönmesi sırasında vakum kutbunda dönüşen enerji, diğerlerine oranla 8 1 6 defa daha azdır. Bu vakum kesiciler için olumlu bir özelliktir. Çünkü bu özellik kesiciye daha fazla akümüle akımları şalterleyebilme yeteneğini kazandı rır. Vakum kesicilerde ark zamanı 16 kA e kadar akım değerlerinde diğerlerinin % 70'i dir.

4.4 Akımın kopması (Chopping)

Küçük endüktif akımların (Meselajdalga direnci V L / C

küçük olan kompenzasyon bobinleri, motorlar ve trans

formatölar) kesilmesinde ark direncinin birdenbire

çok yüksek değerlere ulaşarak akımın zamanından

önce sıfıra ulaşmasına akımın kopması (Chopping) de

di

nir. Bu olay L

den dolayı transformatör veya te

dt

sisin izolasyonunu tahrip edebilecek kadar yüksek ge

rilimlerin oluşmasına neden olur. Her üç ark söndür

me prensibinde de akım zamanından önce sıfıra ulaşır,

yani kopar. Ancak az yağlı ve SF5 kesicilerde uygun

dizayn ile ayırma aralığına sevk edilecek gaz akımı ile

ayırma aralığının yalıtkanlığı ayarlanabilir ve dolayı sıyla akımın da tabii olarak sıfır noktasına ulaşabilme sisağlanır. Va k um kesicilerde ise bu mümkün değildir. Bölüm 2.2'de belirtildiği gibi vakum kesicilerde arkın istikrarsızlığı kontak malzemesinden de etkilenmekte dir. Burada kontak malzemesinin ergime derecesi (i?v) ile ısı geçirgenliğin (X ) etkisi çok önemlidir. ı?v*X de ğerleri küçük olan kontak malzemeleri ile daha küçük kopma akımları sağlamak mümkündür. Doğal olarak bu tip kontak malzemelerinin kaynama, düşük elektri ki geçirgenlik gibi olumsuz yanları da vardır. Ancak böyle durumlarda en optimal kombinasyonu seçmek gereker. Bu malzeme modern vakum kesicilerde sin terlenmiş Cr Cu malzemesidir. Bu malzeme ile kop ma akımı birkaç amperle sınırlanabildiği gibi kontak kaynaması önlenmiş ve iyi bir elektriki geçirgenlik sağlanmış olur.

Modern vakum kesicilerde kopma akımları küçük de ğerlerde sınırlamış olmakla beraber, şalterleme yapı lan şebeke elemanlarına zarar verebilecek yüksek ge rilimlerin sınırlanabilmek için yük tarafına parafudur lar öngörmek gerekir. Günümüzde bu amaçla çinko oksit parafudurlar kullanılmaktadır.

5. ÇEVRENİN ETKİLENMESİ

Günümüzde yatırım malları seçilirken yalnız tekno ekonomik açıdan değil, aynı zamanda çevre temizliği bakımından da irdelenmektedir. Şekil 9'daki tabloda her üç prensibin çevreyi etkileyen yanları karşılaştırıl mıştır.

Öz«UM>r

Az yağ. Vakum

SFt

Ark söndürme ortanvjwı

yana

ot>

yon»*»

Teneffüs edilecek havayı kHetmeıi

y<*

wr

Röntgen ıfffilanntn yayılıra*

»rıza hallerinde patlama tehlikesi

Sotlertemo M asmda toksin veya taldrgan arbklann oluşması

Şalterlefne uratmda kutupla oluşan gürültü

Şalterim* ırasında tahrik mtkanizmasmda olman gürültü

var yok yok 90dB(A)

9 0 d B ( A ) »OK»)

Salterleme sıratında gaz yayılma»

İN*63O A'de ısı kayıp deleri .

Bakvn ptrsontti Kin ö z e l koruma donabmı

50 W

gerek yok gerek yok gerek var

Pozitif kriterler

Şekil 9. Az yağlı, vakum ve SFg kesicilerinin çevreyi etkileyen özellikleri

Az yağlı kesicilerde ark söndürme ortamında kullanı lan transformatör yağının yamalığı ve dolayısıyla ko lay ateş almayan karbon hidrojen bileşimleri araştırıl maktadır.

Va k u m kesici ise zararlı röntgen ışınları yaymakt adır. Katottan ayrılan elektronlar yüksek bir enerji ile anot

taki atomlara çarparlar. Elektronların, anottaki atom ların elektron tabakasına girmeleri buradaki elektriki yükün ve Coulomb alanının dengesini bozarlar. Bu olay yön değiştirici kuvvetlerin doğmasına neden olur ki, bu da frenleyici bir etki oluşturur. Böylece Maxwell teorisine göre elektro manyetik ışınlar yayılır. Bu fren leme ışın tayfında Röntgen ışınları vardır. Uygun mal zeme seçimi ve ekranlama ile Röntgen ışınlarının hüc renin dışına yayılması ile önlenir. ANSI normunun (American National Standard Institution) C37.85 no lu yönetmeliğine göre her vakum kesicinin Röntgen ışınları yaymadığı rutin testlerle saptanması ve test protokollarının resmi makamlara ibraz edilmesi gerek mektedir. Röntgen ışınlarını önleyici önlemlerin ve buna ilişkin testlerin her imalatçı tarafından öngörül düğünü düşünmek oldukça güçtür. SFs kesicilerde ise, özellikle şalterleme sırasında oluşan SF5 gazının ayrı şımlarına değinmek gerekir ki bu da bakım sırasında ciddi önlemlerin alınmasını gerektirir. Ark sırasında SF5 gazı aşağıdaki gibi ayrışır;

SF6 +SF4+F2

Bunun yanısıra daha başka SF2, S2F2 bileşimleri de oluşur. Kontaktan ayrılmış ve buharlaşmış metal zer recikleri, beyaz gri renkte "metalfluroid" tozları ola rak kutbun iç cidarına dağılır. Şalterleme sırasında ayrışan SFg gazı rutubet ile daha fazla sorun yaratır lar. Şöyle ki;

F2 + H2 *• 2HF ile

Hidrofluork asidi

SO2F2 "H2SO 4

sülfürik asidini

oluştururlar. Sülfürik asit daha çok SF5 gazındaki kıs mi deşarj ile meydana gelir. Normal şartlarda zehirli olmayan ve havadan ağır olan SF5 gazı bakım sırasın da tesisin alt bölümüne, varsa bodrum katına yayda

Özellikler

Kesici devrede iken ark kolay ve söndürme ortamının kontrolü ekonomik

Kesici kutbu sökülmeden mümkün kontak aşınmasının kontrolü değ»

Kutupların dış darbelere karşı mekanik duyarlılığı

duyarlı değil

Vakum mümkün mümkün duyartı

SF6 mümkün mümkün değil duyarlı

Kontak oksidasyonu

Bakım kolaylılığı

Mevcut isletme tecrübesi b.:,kimi

Ark söndürme m a l z e m e sinin temin ve ambarlan masının kolaylığı Y etişmiş personele ihtiyaç

Nakil ve ambarlama zorluğu

çok kolay çok

kutupta mümkün deöil

küften i

kolay ve ekonomik

külfetli çok gerekli

sorun yok sorunlu sorunlu

Şekil 10. Az yağlı, vakum ve S F Ö kesicilerinin bakım ve işletme açısından karşılaştırılmaları

rak buralardaki oksijenin (havanın) yerini alarak canlı lar için tehlikeli olabilecek koşullar yaratabilirler. Şal terleme sırasında "metalfluroidler" nefes yollarında tedavisi zor veya imkansız tahribatlara neden olurlar. İnsan sağlığı için son derece zararlı olan bu zehirli metalfluroidlerin bakım sırasında özel bir elektrik sü pürgesi ile toplanıp, atılmadan önce % 3'lük bir soda çözeltisi ile nötrölize edildikten sonra imha edilmesi gerekir. Bütün bunlar yapılırken personelin koruyucu elbise, maske, eldiven vs. ile donatılması gerekir.

Görüldüğü gibi hiçbir şalterieme prensibi tam olarak problemsiz değildir.

6. BAKIM VE İŞLETME

Kesici devrede iken ve fiderlerin enerjisiz kalmasına gerek kalmadan az yağlı kesicilerde, yağın miktarını ve durumunu bir seviye göstergesi ile, SFÖ kesicilerde ise gaz basıncını sıcaklığa göre kompenze edilmiş bir manometre ile kontrol etmek mümkündür. Vakum ke sicilerde ekonomik sınırlar içinde kalabilen bir kontrol cihazı mevcut değildir. Vakummetrelerin kutuplara montajı kesici kutbunun fiyatını birkaç kat artırır. Sağlıklı bir vakum kontrolü gerilim veya akım ölç mekle sağlanabilir. Akım ancak dışarıdan manyetik alan uygulanarak nA düzeyinde ölçülebilir. Bu meto dun olumsuz bir yanı da ölçü için vakum hücresinin sökülmesidir. Uluslararası düzeyde imalatçılar gerilim ölçme metodunu uygun bulmaktadırlar. Bunun için klasik test cihazları öngörülmektedir. Kesici kutupla rındaki aşınan parçaların değiştirilemeyip, bunun ye rine kutbun tamamen değiştirilmesi gereği vakum ke sicilerinin başka bir olumsuz yanıdır. Vakum kesici kutapları metal ve keramik elemanların birleşmesiyle oluştuğu için dışarıdan gelebilecek mekanik darbeler le diğer kesicilerin aynı elemanlarına oranla daha fazla zarar görürler. Dışarıdan gelen herhangi bir mekanik darbe ile kutuptaki vakumun kaybolması ya hiç farke edilmiş işletme arızalarının çoğunlukla kutupların da ha önce mekanik darbe ile zedelenmesinden kaynak landığı kullanıcılar tarafından ileri sürülmektedir.

Vakum kesiciler yalnız olumsuz yönleriyle değil, olumlu yönleriyle de incelenmelidir. Vakum kesici kutuplarında hava dolayısıyla oksijen bulunmadığın dan, kontakların oksitlenmesi söz konusu değildir. Vakum kesicilerde ark herhangi bir ek mekanizmaya gerek kalmadan söner. Bu nominal açma akımı sınırla rı içinde bütün akımlar ve geçici olaylar için geçerli dir. Vakum kesici kutbunun çok az bir ark enerjisine sahip olması ve metal buharlarının tekrar kondense oluşu bu tip kesicilerin başka bir olumlu yanıdır.

Şekil 11'de bir bakım periyodu içinde yapılabilecek şalterleme sayılarını karşılaştırdığımızda her üç tipin de çok sayıda şalterleme yapabileceği görülür. Tablo da ayrıca tahrik mekanizmasının mekanik ömrü stan dartlarda verilen 1000 veya 3000 şalterlemenin ve hatta 11. VVorking Group'un ileride lEC'de yer alması nı önerdiği sayının çok üstünde olduğu görülür.

SatUrltme durumu

Akımsız

W 000

Nominal akımda

Açma akımının V. 20 sinde

Açma akımının '/. 100 Unda

3 000 100 20

Vakum 10 000 10 000 2000

s*

10 000 S 000

200 50

Şekil 11. Bir bakım periyodu içinde izin verilen şal terleme sayıları

Ayrıca tabloda vakum kesicilerin çeşitli akım değerle rinde bakım gerektirmeden yapabildiği şalterleme sa yısının değerlerine oranla çok fazla olduğu görülür.

7. HER ÜÇ KESİCİ TİPİNİN ÇEŞİTLİ YÖNLERİYLE KARŞILAŞTIRILMASI

Son yıllarda yapılan az yağlı kesicilere ilişkin araştır ma ve geliştirmelerle bu tip kesicilerde çok büyük iler lemeler kaydedilmiştir. Mesela şekil 12'deki diyagra ma göre normal şartlar altında çalışan bir modern az yağlı kesicinin bakım gerektirmeden 10 yıl işletmede görevini yapabileceği ortaya .çıkmaktadır. Ancak pek çok kısa devre şalterlemesi yapılması gereken tesisler de bir bakım periyodu içinde yapabileceği şalterleme sayısı oldukça azdır.

3.103

IA

I

J \

fi

İM —

7=

1 2 5 10 20 kA

• Kısa devre açma a k ı m

Besleme kesicisi

Çıkış kesicisi Vakum kesici

Şekil 12. Az yağlı ve vakum kesicinin bir bakım peri yodu içinde yapabileceği şalterleme sayısı Mekanik ömür bakımından da az yağlı kesiciler bir ba kım periyodu içinde 10000 şalterleme yapabilmekte

veya oaKim periyodunun süresi 10 yıl olabilmektedir. Yine az yağlı kesicilerin geliştirilmesi sonucu bu tip kesicilerin ve dolayısıyla daha ekonomik imalatı müm kün olmuş maliyetleri de diğerlerine oranla daha da düşürülebilmiştir. Bu gelişmelerle az yağlı kesicileri kullananlar için önemli olan işletme emniyeti de sağ lanmıştır.

Az yağlı kesicilerin şalterlemeye hazır olduklarını yağ gösterge düzeninden anlamak mümkündür. Her şalter lemede yağın çok az da olsa bir kısmı ayrışmadan do layı azaldığından yağ düzeyinden kesicinin daha kaç şalterleme yapabileceğini anlamak da mümkündür. Ayrıca az yağlı kesiciler boşta çalışan kabloları ve enerji nakil hatlarını, arkın tekrar tutuşmasına mey dan vermeden ve küçük endüktif akımları izin verilme yen yüksek tranzient toparlanma gerilimlerini oluştur madan şalterleyebilmektedirler.

Az yağlı kesicilerin olumsuz yanı ark söndürme orta mında transformatör yağının kullanılmasıdır ki bu da kesici açma sırasında fonksiyonunu yerine getiremedi ği zaman bazen çok tehlikeli patlama ve yangınlara neden olabilmektedir. Bu yanma olayına daha çok es ki tip az yağlı kesicilerde rastlanmaktadır. Az yağlı kesicilerin olumsuz başka bir yanı da çok sayıda kısa devre arızası olan fiderlerde daha sık bakıma ihtiyaç göstermeleridir.

SFg kesicileri az yağlı kesicilere oranla bir bakım peri yodu içinde 2 3 defa daha fazla şalterleme yapabilir ler. Ancak bakımın çok daha zor olması, personelin daha iyi eğitilmesi gereği, bakım sırasında birçok özel cihazların gerekmesi bu tip kesicilerin olumsuz yanı dır. SF5 kesici kutuplarından birinin herhangi bir ne denden dolayı patlayarak zehirli şalterleme artıkları nın (metalfluroid tozları) tesise yayılması çok tehlike li bir durum yaratır ki bundan dolayı birçok Avrupa ülkesinde tercih edilmemektedir. Ayrıca bu ülkelerde ki işyeri sağlığına ilişkin sıkı yönetmeliklerde işletme cilerin dikkate almaları gereken önemli bir husustur.

Vakum kesicilerde bir bakım periyodu içinde yapıla bilen şalterleme sayısı o kadar yüksektir k i , normal iş letme şartlarında (özel durumlar hariç) bu sayıya tesi sin ömrü boyunca ulaşılamaz. Şalterleme sırasında ke sici kutbu fonksiyonunu yerine getiremeyip tahrip ol duğu zaman diğer tiplerde olduğu gibi etrafına zarar vermez.

Vakum kesicilerin küçük değerlerdeki ark enerjisi ayır ma aralığındaki iyonizasyonun çok çabuk sona erme sine ve akımın zamanından önce sıfıra ulaşıp kopması na neden olur ki bu da 100 A in üzerindeki akımlarda yüksek gerilimlerin oluşmasına neden olur. Vakum kesicilerin bu özelliği şebekelerde önlem alınsa bile olumsuz bir özelliktir.

8. TEKNOEKONOMİK KARŞILAŞTIRMA

Az yağlı kesicinin bakımında yalnız kontaklar ve ark söndürme hücresi gözden geçirilerek yağı değiştirilir.

Eskimiş yağ kolayca imha edilebilir. Bakım çok basit olduğundan en fazla 3 saat içinde yapılabilir. Personel bunun için kolayca eğitilebildiği gibi özel cihaz ve önlemlere gerek yoktur.

SF6 kesicisinin bakımı için önce kesici kutupları ye rinden söküp, kutuplardaki gaz özel bir cihaz ile alın dıktan sonra, kutup açılarak içindeki metalfloroidler toplanıp daha önce de belirtildiği gibi % 3'lük bir soda eriyiği ile nötrölize edildikten sonra imha edilir. Kon taklar ve ark söndürme hücresi kontrol edildikten son ra kutup kapatılarak 1 torr'luk vakumda bekletilerek sızdırmazlığı kontrol edilir. Bundan sonra gaz doldu rularak rutubet ve gaz kaçağı kontrol edilir. Kutuplar yerlerine monte edilerek kesici işletmeye hazır duru ma getirilir. Bütün bu işler için gerekli zaman en az iki gündür. Bu bize aynı şartlarda çalışan SF5 kesicileri nin bakımı için gerekli bakım ekibinin, az yağlı kesici lerin bakımı için gerekli bakım ekibine göre artırılma sı gerektiğini gösterir. Ayrıca SFg kesici bakım perso nelinin çok iyi eğitilmesi de gerekmektedir. Az yağlı ve vakum kesiciler bakım sırasında özel cihaz ve ge reçleri gerektirmedikleri halde SF5 kesicilerinin bakı mında gaz boşaltma cihazı, 1 t orr'luk vakumu sağla yacak vakum pompası, gaz doldurma ve rutubet ölç me cihazı gibi daha birçok bakım ve kontrol cihazları na ihtiyaç vardır. Bakımı yapılan kesici fiderleri ba kım sırasında enerjisiz kalamıyacağına göre yedeklen meleri gerekir k i , buradan da SF5 kesici yedek sayısı nın az yağlı kesici yedek sayısına oranla artırılması ge rektiği ortaya çıkar. Bütün bu belirtilenlerin ötesinde, SFg kesicisi imal edilen ülkelerde kesiciler bakım için fabrikasına gönderilmektedir. (Mesela Fransa'da). İma latçılar dış ülkelerden fabrikaya gönderilemeyen kesi cilerin de sağlıklı bir bakımının ancak kendi elemanla rı tarafından yerinde yapılabileceğini öne sürmekte dirler. Bunun için gelişmemiş Afrika ülkelerinde ba kım kolonileri kurarak sattıkları kesicilere ek olarak bir de hizmet satmaktadırlar. Bu Türkiye şartlarında çok zor bir husustur. Şekil 11'deki tabloda verilen bir bakım periyodu içinde yapılabilecek şal terleme sayı ları tekrar incelendiğinde ve her iki tipin bakımı için harcanan zaman, özel cihaz ve donatım için yapıla cak yatırımlar dikkate alındığında başlangıçta az yağ lı kesiciden daha üstün görünen SF5 kesicisinin pek üs tün olmadığı ortaya çıkar.

Va k um kesiciler ise daha uzun bakım periyoduna sa hip olmasına rağmen, çok kısa devre arızası şalterle yerek ömrü bitmiş kutupların bakımı yapılamayıp an cak yenisi ile değiştirildiğinden atılması gerekir. Ku tuplar tipine göre kesici fiyatının % 6 0 7 0 ' ini kapsa maktadır. Vakum kutbunun yurt içi imkanlarla ima latı mümkün olamayacağından devamlı olarak dışa ba ğımlı kalıp, döviz karşılığı ithal edilen kısmı ömrü bi tince atılacaktır.

Vakum ve SFg kesiciler mekanik darbeye karşı daha duyarlı olduklarından taşınması ve ambarlanmas ıs ıra sında gerekli özen gösterilmediğinde meydana gelecek

zarar ve ziyan veya buna ilişkin alınacak önlemler için yapılacak ek yatırımlar da dikkate alınmalıdır. SFg ve vakum kesicileri geliştirip ilk defa piyasaya arz edilen ülkelerde dahi yeterli işletme tecrübesi birikimi mev cut değildir. Bunun için bu tip kesicilerin ileride daha ne gibi problemler doğuracağını şimdiden kestirmek mümkün değildir.

Şu anda SFg ve vakum kesici fiyatları, nakliye, si gorta ve gümrük masrafları dikkate alındığında aynı nominal değerlerdeki az yağlı kesici fiyatlarının en az iki katıdır. Ancak SFg ve vakum kesicilerin ileride yurt içi imkanlarla imalatı gerçekleşse bile yine de f i yatları çok özel malzemeler gerektiğinden az yağlı ke sicilerin 1,5 katı olacaktır.

Az yağlı kesicilerin seçiminde, kullanılacakları yerde beklenen kısa devre açma akımının birkaç katı daha fazla nominal kısa devre açma akımına sahip bir az yağlı kesici seçmek suretiyle, bir bakım periyodu için de şalterleme sayısını artırmak mümkündür. Böyle bir seçim yapıldığında yine de ekonomik sınırlar içinde kalınabilir. Üstelik döviz kaybı da önlenmiş olur.

1 978 yılından bu yana Türkiye'de % 1 00 yerli az yağlı kesici imalatı yapılmaktadır. Bu imalatla birlikte yan sanayiside gelişmiştir. Bu gün Türkiye'de çok özel prozeslerle az yağlı kesici kontağı, kutup tüpü ve ark söndürme hücresi gibi önemli kesici parçalarını imal eden bir yan sanayi vardır. Halbuki SFg kesici imalatı içni böyle bir yan sanayi mevcut değildir. Böyle bir yan sanayinin oluşması büyük yatırım ve teknolojiyi gerektirmektedir.

Vakum kesicilerde ise; dünyada ancak birkaç firma vakum hücre teknolojisine sahiptir. Hatta bazı firma lar bu teknolojiye sahip olamadıklarından ve modern az yağlı kesicileri de geliştiremediklerinden SFg kesici imalatını, kendi teknolojik imkanları açısından daha uygun bulmuşlardır. Bunun için vakum hücrelerin y ur t içi imkanlarla imalatını ç o k uzun bir sürede dü şünmek gerekir.

9. SONUÇ

Bu yazının amacı en iyi kesici prensibini seçmek de ğildir. Zaten bu da mümkün değildir. Çünkü her Uç t i pin de diğerlerine üstün yanları vardır. Ancak işletme ciler daha az bakım gerektiren kesici tipini ararken teknik açıdan olduğu kadar ekonomik açıdan da titiz likle incelemelidirler. Burada ihmal edilmemesi gere ken bir husus da çevre temizliği ve işçi sağlığıdır. Bu konuda gelişmiş ülkelerdeki tecrübe birikimlerinden yararlanmak mümkündür.

KAY NAKLAR

1. Kari StegmüUer "Schaltprinzipien der Mittelspannungs Leistungsschalter ölarm Vakuum SFg"

2. Helmut Kindler "Über den Einsatz und die Eigenschaften von Vakuum Leistungsschaltem in Mittelspannungsnetzen. Vergleich mit den anderen Schalterbauformen"