OG güç sistemlerine yönelik talepler, devre kesicilerin kullanım yerine bakılmaksızın, doğası gereği büyük farklılıklar gösterir. Tüm bu işlevler açıkça aynı verimlilikle gerçekleştirilemez.
Devre kesicilerin temel işlevi, kısa devre akımlarını kesmek ve yüklerini bu tür arızaların etkisine karşı korumaktır. Bu işlev, yüksek derecede güvenlik ve güvenilirlikle gerçekleştirilmelidir.
Anahtarlama Fonksiyonları
Bir OG güç sisteminde, normal AÇMA/KAPAMA işlemlerinden ayrı olarak, anahtarlama işlemleri aşağıdakilere ayrılabilir:
1| Kısa Devre Kesintileri
2| Kapasitif Akımların Anahtarlaması
3| Endüktif Akımların Anahtarlaması
Çok Düşük Endüktif Akımlar
Düşük Endüktif Akımlar
4| Özel Uygulamalar
Ark Ocağı
Çekiş Sistemi
Gemilerde kullanım
1| Kısa Devre Akımları
Tüm devre kesiciler, anma kısa devre akımlarını kesmek için tasarlanmıştır. Bir devre kesicinin ömründe görülen kısa devre kesintilerinin sayısı, sistemdeki konumuna, sistem tasarımının kalitesine, çevresel koşullara vb. bağlıdır.
Dağıtımın çoğunun havai hatlar aracılığıyla yapıldığı Hindistan gibi ülkelerde (yeraltı kablo ağlarının kullanıldığı büyük kentsel şehirler hariç), dağıtım panosu çok sayıda kısa devre kesintisine maruz kalır.
Bunun nedeni kuş çarpması, hatların kopması, gök gürültülü fırtınalar vb.
Anma kısa devre akımını 25 kA'ya kadar 100 defaya kadar bakım gerektirmeden kesebilen vakumlu şalt, sadece 15-20 işlem yapabilen diğer devre kesicilere kıyasla bu uygulama için bariz bir seçimdir.
Havai hatlardan dağıtımda dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli kriter, arızaların geçici olması nedeniyle gerekli olan otomatik tekrar kapama özelliğidir.
VCB'ler, hızlı hareket ettikleri ve yalıtkanın soğutulması söz konusu olmadığı için iki kapatma arasında minimum bir zaman aralığı ile tekrar kapatılabildikleri için otomatik tekrar kapama görevleri için idealdir.
Kırsal alanlardaki trafo merkezlerinin çoğu dışarıdadır ve uzak yerlerde bulunur. Bu, dış mekan bakım gerektirmeyen devre kesicilerin kurulmasını gerektirir.
Porselen kaplı vakumlu devre kesiciler, dış mekan kiosklarında kullanılan geleneksel iç mekan toplu yağlı devre kesicilere kıyasla bu talebi güvenilir bir şekilde karşılar.
Ayrıca, otomatik tekrar kapatıcılar ve bölümleyiciler için vakum teknolojisinin mevcudiyeti, kırsal uygulamalar için oldukça ekonomik/gözetimsiz trafo merkezleri doğurmuştur.
2| Kapasitif Akımların Anahtarlaması
Bu, kapasitörlerin, yüksüz kabloların ve havai hatların yanı sıra tekli ve paralel kapasitör sıralarının anahtarlamasını içerir. Elektrik şirketlerinin çoğu, güç faktörünü iyileştirmek ve voltaj düşüşleriyle mücadele etmek için sistemlerinde kapasitörler kullanır.
Vakumlu devre kesiciler, bu yükleri yeniden ateşleme ve dolayısıyla ilgili aşırı gerilimler olmadan güvenli bir şekilde ayırır.
Bir kapasitör bankasında anahtarlama yaparken ve özellikle bunları paralelleştirirken, çok yüksek yapma akımları ve yüksek akım yükselme oranları meydana gelir. Sıvı söndürme ortamı ve lale kontakları olan geleneksel devre kesiciler, kontak pimi gecikmesinden muzdarip olabilir. Bu nedenle, bu tür etkileri azaltmak için bu kırıcılar için genellikle ek önlemlere ihtiyaç vardır.
Kısa ön ark süresi boyunca düşük ark oluşumu nedeniyle kontak aralığında çok düşük enerji kaybı ve vakum kesicilerin düz temas yüzeyleri ek önlem gerekliliğini ortadan kaldırır.
VCB'ler, sönümleme reaktörlerine ihtiyaç duymadan, minimum yağlı devre kesicilere ve SF6 devre kesicilere göre çok daha yüksek akımlarda ve yükselme oranlarında Çoklu Kapasitör bankalarının paralelleştirilmesinin yanı sıra tek kapasitör bankasında anahtarlama için uygundur.
Senkron Anahtarlama Cihazları
Bu aparatlar, IEC 62271-103 Standardına göre sınıflandırılır Yüksek voltajlı anahtarlama ve kontrol donanımı - Bölüm 103: 1 kV'dan 52 kV'a kadar (dahil) nominal gerilimler için anahtarlar, anahtarlama sınıfı C2 kapasitör bankları için "özel amaçlı anahtarlar" olarak.
Anahtarlama kapasitif akımları için testler, bu Standart tarafından tanımlanan test koşulları IEC 62271-103'ten daha zorlu olduğundan, IEC 62271-100 Standardına göre yapılmıştır. Bu testler, Standart IEEE C37.09a'nın gerektirdiği testlerle karşılaştırılabilir.
Modern devre kesiciler, birden fazla elektrik arkı yeniden başlatma olasılığını en aza indirecek şekilde tasarlanmış olsa da, kapasitif yüklerin sık sık değiştirilmesi durumunda ara sıra yeniden başlatmaların istatistiksel olasılığı mevcuttur.
Bu şekilde oluşturulan geçici akımların (filtreler veya parafudrlar gibi) etkilerini sınırlamak için geleneksel yöntemlerin kullanılması, sorunu tamamen çözemez ve her halükarda sorunun temel nedeni ile ilgilenmez. Bu risk, senkronize kapatma veya açma gibi kontrollü anahtarlama teknikleri benimsenerek ortadan kaldırılabilir.
Pratikte, anahtarlama aparatının kapama ve açma operasyonları, faz açısına göre kontakların en uygun anda açılıp kapanması için senkronize edilir.
Bu durumlarda, birçok üreticinin özel bir anahtarlama cihazı vardır ve örneğin ABB 'nin 'DS1' tipi bir kapasitör anahtarı vardır. Şekil 1'e referansla, kapasitör bankasına enerji verilmeden önce, cihaz, anahtar açık ve sıra şebekeden izole edilmiş halde a) durumundadır.
Bundan sonra, b)'de gösterildiği gibi, hareketli kontak diyotları bağlar ve sıra doğal olarak sıfır voltajda beslenir.
Son olarak, c)'de gösterildiği gibi, çeyrek çevrimden sonra, hareketli kontak anahtarı kapatır ve akımın kayıpsız akmasına izin verir.
3| Endüktif Akımların Anahtarlaması
Anahtarlamalı endüktif akımların çeşitli durumlarında aşağıdaki değerlerle karşılaşılması muhtemeldir.
Vakumlu devre kesicilerin bu uygulamalar için yeterince uygun olduğu kanıtlanmıştır.
3.1| Çok Düşük Endüktif Akımların Anahtarlaması
Daha eski vakumlu devre kesici tasarımları, 20 A'ya kadar yüksek akım kesme seviyelerine sahipti. Bu kesiciler, transformatörleri anahtarlamak için kullanıldığında, özel aşırı gerilim koruma cihazları gerekliydi.
Diğer devre kesici türleri de örneğin 20 A gibi yüksek kesme akımlarına sahiptir.
2 ila 4 A arasında çok düşük kesme akımlarına sahip Modern Vakumlu Devre kesiciler, yüksüz transformatörleri (en zor endüktif yükler) çok düşük aşırı gerilimle anahtarlayabilir, bu nedenle aşırı gerilim sınırlayıcı gerektirmez.
Endüktif anahtarlama, orta gerilim anahtarlama cihazlarının normal görevi olarak giderek daha önemli hale gelmektedir. Orta gerilim devre kesiciler çoğu durumda endüktif akım anahtarlama dışındaki gereksinimlere göre belirlenir ve seçilir.
Şimdiye kadar bu görev genellikle herhangi bir zorluk teşkil etmemektedir. Devre kesicinin anma kısa devre kesme akımı ile karşılaştırıldığında, endüktif kesme akımı önemsizdir.
Bununla birlikte, endüktif akım, genellikle akım kesme olarak bilinen bir fenomen tarafından doğal sıfırından önce kesilir.
Yükün eşdeğer endüktansı ve kapasitansı dikkate alındığında, salınımlı bir devre hareket etmektedir. Endüktansta depolanan manyetik enerji, akım kesme anında kapasitöre elektrik enerjisi olarak aktarılır. Bu nedenle, kesme akımı, kesme ünitesinin dayanma geriliminin artışını aşabilen çok dik yükselme oranları ile karakterize edilen aşırı gerilimler yaratır.
Sonraki çoklu yeniden ateşlemeler ve sanal akım kesme fenomeni, ağ bileşenlerinin yalıtım dayanım seviyesinin çok üzerindeki voltaj seviyelerine ulaşabilir.
Bu, üst üste bindirilmiş ağın kapasitif ve endüktif faz bağlantılarından kaynaklanmaktadır.
3.2| Düşük Endüktif Akımların Anahtarlaması
İki ana uygulama bu kategoriye girer. Bunlar:
Dengeleyici reaktörlerin anahtarlaması ve
Durmuş rotor başlatma koşulları altında motorların değiştirilmesi.
Bu özel durumlarda, birden fazla yeniden ateşleme nedeniyle yüksek aşırı gerilimler oluşabilir. Vakum kesici üreticileri, başlatma sırasında motorların anahtarlanmasını sistematik olarak araştırdı ve aşağıdaki gözlemleri yaptı:
Gözlem #1
Yüksek voltajlı motorlar, ilgili anahtarlama aşırı voltajlarını sınırlamak için aşırı gerilim koruyucuların sağlandığı vakumlu devre kesiciler tarafından start-stop koşulları altında güvenli bir şekilde çalıştırılabilir.
Gözlem #2
Anahtarlama darbelerinin ön zamanı, esas olarak baraların ve kabloların dalgalanma empedansı ve akım trafosu endüktansları ile sistem konfigürasyonları tarafından belirlenir.
Bu testler, en zorlu koşulları karşılamak için yapıldı ve hizmette bir mikro saniyeden daha kısa bir ön zamanın meydana gelmesinin pek olası olmadığı gözlemlendi. Bu, 1.2/50 mikro saniyelik standart yıldırım dalgalanma dalgasıyla test edilen yüksek gerilim motorlarının güvenli çalışmasını sağlar.
Gözlem #3
Başlatma sırasında 600 A'dan daha yüksek başlatma akımlarına sahip motorların kapatılması, düşük anahtarlama aşırı voltajları üretir ve motorlar, 11 kV kablo sistemlerinde bile aşırı gerilim koruyucularla koruma gerektirmez.
Ayrıca, bu tür anahtarlama işlemlerini gerçekleştirmek için başka tip kesiciler kullanıldığında, çoklu yeniden ateşleme nedeniyle yüksek aşırı gerilimlerin oluşabileceği de gözlemlenmiştir.
Ayrıca, motorlar "AÇIK" konuma getirildiğinde, SF6 devre kesiciler de dahil olmak üzere ark söndürme ortamından bağımsız olarak yüksek aşırı gerilim dalgalanmalarının meydana gelebileceği artık bulunmuştur.
Böylece aşırı gerilim sınırlayıcıları ile sağlanan vakumlu devre kesiciler, "AÇIK" durumdayken bile motora koruma sağlar.
4| Özel Uygulamalar
Ark fırınları gibi özel uygulamalar günde çok sayıda işlemi içerir. Hat tarafındaki alt istasyonlar, şalt sisteminin, katener sistemlerinin şarj akımının değiştirilmesinden trafo mıknatıslama akımlarına, 2 kA ila 12 kA arasında değişen tüm yük akımlarına ve arıza akımlarına kadar değişen koşullarda çalışmasını gerektirir.
Bu uygulamalar ayrıca, şalt donanımının, kullanım ömrü boyunca sinüzoidalden dik cepheli dalgalanmalara kadar çeşitli dalga biçimlerindeki bir dizi voltaja dayanma kabiliyetine sahip olmasını gerektirir.
Vakumlu devre kesicilerin, bu tür uygulamalar için tüm geleneksel ve SF6 devre kesicilerden üstün olduğu bulunmuştur.
4.1| Ark Fırın Uygulamaları
100 MVA'ya kadar olan elektrik ark ocaklarında genellikle özel devre kesiciler kullanılır ve bu amaçla şimdiye kadar hava üflemeli devre kesiciler kullanılmıştır.
Bu uygulamada, fırına düşen hurda, eritme işlemi sırasında elektrotlar arasında kısa devrelere neden olmakta ve anahtarlanacak akımlar, fırın transformatörünün anma akımının sıfır ile 1-8 katı arasında kalmaktadır. Anahtarlama sıklığı, 2000 A'e kadar nominal akımlarla günde 100 operasyona kadar çıkabilir.
Normal yağlı, havalı ve SF6 devre kesiciler bu uygulama için uygun değildir. Özel açık devre kesiciler, nispeten küçük miktarlar için katı gereklilikler nedeniyle çok pahalıdır.
Standart vakumlu devre kesici, bu uygulama için ekonomik ve güvenilir bir çözüm sunar.
4.2| Çekiş Sistemi Uygulaması
Elektrik çekişi için kullanılan sistem genellikle 15 ile 25 kV arasında gerilimlere ve 16-2/3, 50 ve 60 Hz frekanslarına sahiptir. Tek fazlı cer devre kesicilerinin ana işlevi, sık sık meydana gelen ve genellikle geçici olan, havai katener sistemindeki kısa devrelerin hızlı bir şekilde kesilmesidir.
VCB'ler kısa temas hareketine ve daha kısa ark sürelerine sahip olduklarından, toplam kırılma süresi oldukça azdır ve bu nedenle kısa kırılma sürelerinin özel gereksinimlerini kolayca karşılar.
16-2/3 Hz çekiş sistemlerinde, mevcut sıfır, her 30 milisaniyede bir meydana gelir ve bu da yaklaşık 33 milisaniyelik bir ark süresine neden olur. Tek fazlı bir kesicinin kontak aralığındaki ark enerjisi, üç fazlı devre kesicilerinkinden çok daha büyük olmasına rağmen, düşük ark voltajı nedeniyle bir vakumlu devre kesicide geleneksel devre kesicilerden çok daha düşüktür.
Bir havai katener sisteminde meydana gelen kısa devrelerin sayısı, iletim hatlarında meydana gelenlerden çok daha fazladır.
Böylece, vakumlu devre kesicilerin daha yüksek izin verilen kümülatif akımı, yani anma kısa devre akımında 100 operasyona kadar veya anma normal akımda 30.000 operasyona kadar, onları bu uygulama için özellikle uygun hale getirir.
4.3| Devre Kesicilerin Gemilerde Kullanımı
Gemilerde kullanılması amaçlanan devre kesiciler, aşağıdaki özel gereksinimleri karşılamalıdır:
Eğimli bir konumda bile çalışır durumda kalmalıdırlar;ve
Gemilerde kullanılan devre kesiciler, fiili kullanımda titreşimlere maruz kalmaktadır.
Devre kesici üreticileri, vakumlu devre kesiciler söz konusu olduğunda bu gereksinimlere daha kolay uyum sağlayabilmektedir.
Referans Kaynaklar:
Switchgears book by #BHEL – Bharat Heavy Electricals Limited
SWITCHING OF SMALL INDUCTIVE CURRENTS USING VACUUM CIRCUIT BREAKERS by Pavel NOVAK, Mario HAIM, Peter BEER, Uwe KALTENBORN and Stephane MELQUIOND (#Schneider #Electric)
IEC: 62271-100, “High Voltage Alternating Current Circuit Breakers”
IEC: 62271-200, “Metal Enclosed Switchgear and Control Gear for Rated Voltage up to and including 38kV”
Medium voltage switching devices: technologies and applications by #ABB