Ani ve aşırı gerilimlerden korunma

Uygulamalar ve sistemler değiştikçe farklı faktörlerin eklenmesi nedeni ile koruma çözümleri değişkenlik göstermektedir.Bu sebepten yıldırımlardan nasıl korunmamız gerektiğini anlatmadan önce yıldırımların sistemlerimiz üzerindeki etkilerinden bahsedilmesi gerekmektedir.

Yüksek gerilimlerden oluşan darbeler her çeşit elektronik ve elektrik parçaların fonksiyonlarına zarar verir.Tüm elektronik parçalar, elektrik voltajlarını izole etme özelliğini taşımalıdır. İzolasyon gücü ise voltaj değeri ve elektronik parçanın tipine bağlı olarak değişir. Ani gerilim darbeleri ekipmanların test edildiği voltaj değerlerinden çok daha yüksek değerlere sahiptir. Bu sebepten beklenmedik gerilim darbeleri sisteminize ve elektriksel ekipmanlarınıza ciddi anlamda zarar verebilir.Yüksek gerilimler 50/60Hz olan şebeke frekans değerlerindede rahatlıkla gözlemlenir. Fiziksel formasyonları sebebi ile yüksek frekanslara sahip olan gerilim darbeleride mevcuttur.

Aşırı Gerilim Darbelerine Sebep Olan Başlıca Olaylar

• Sürekli olmayan anahtarlama uygulamaları
• Atmosferdeki deşarjlardan oluşan yıldırımlar
• Elektrostatik deşarjlar
• Anahtarlama operasyonlarında oluşan hatalar

İyi topraklama sistemine sahip olan tesislerde ve sistemlerde düşük topraklama dirençlerine rağmen voltaj düşmeleri ve potansiyellerin yükselmesi gözlemlenebilir. Bunun sonucu olarak devrelerde ve tesislerin elektronik yapılarında galvanik, endüktif ve kapasitif kuplajlar oluşabilir. Pek çok tesiste kullanılan analog sinyal dönüştürücüler, röleler ve optokuplörler potansiyellerin ayrılmasında önemli rol oynasalarda, bu parçalar kesinlikle ani/aşırı gerilim koruma modülleri olarak kullanıma uygun değillerdir. Aşağıdaki şemada gerçek bir yıldırım ve jeneratör tarafından oluşturulmuş simule yıldırım grafiğini bulabilirsiniz.

*Gerçek yıldırımın deşaj eğrisi(turuncu) ve simulasyon yıldırımın deşarj eğrisi(yeşil)

Aşırı Gerilimlerin Tesislere Etki Şekilleri

İletken Kuplaj

İletken bir ortamda elektrik enerjisinin fiziksel kontaklar üzerinden transferidir. Gerilim darbeleride ortak topraklama empedansları üzerinden direkt olarak devrelere iletilir. Aşırı gerilimin büyüklüğü yıldırımın amperajına ve topraklama koşullarına göre değişir. Düşen yıldırımlar dolaşan aşırı gerilim dalgaları oluşturur. Bu da sisteminizde bulunan farklı parçalara iletken kuplaj yoluyla etki edebilir. 

Endüktif Kuplaj

Yüksek amperaj değerine sahip olan bir yıldırım güçlü bir manyetik alan oluşturur. Aşırı gerilimler yıldırımın oluştuğu alanın yakınında bulunan devrelere endüksiyon etkisi şeklinde ulaşır(örn. doğrudan topraklamaya sahip konnektörler, güç hatları, data hatları etkilenir).

Kapasitif Kuplaj

Yüksek voltaja sahip bir yıldırım, yüksek seviyede elektrik alanı yaratır. Alanda elektronların taşınması sırasında düşük potansiyellere sahip devrelerde kapasitif dağılımlar oluşur ve ilgili potansiyellerin aşırı gerilim seviyeleri artabilir.

Elektrostatik Deşarjlar

Elektrostatik deşarjlar çoğumuzun bildiği gibi statik elektriğe sahip olan yüzeylerin düşük potansiyele sahip olan yüzey ile temas halinde deşarjıdır. Bu deşarjlar 10,000 Volt mertebelerinde olabilir.Bu tip elektrostatik darbeler elektronik parçalarda bozulma sağlayabilir.

Anahtarlama Operasyonlarındaki Hatalar

50/60Hz frekanslarında anahtarlama operasyonlarda hatalar oluşabilmektedir. Bunun nedeni ise güç kaynağının kontrol ünitesinde oluşan hata veya elektrik panosundaki yanlış bağlantılar olabilir. Bunun sonucu olarak tehlikeli aşırı gerilimlerin oluşturduğu yüksek voltajlar gözlemlenebilir.

Yıldırımlardan Korunma Seviyeleri

Seviye I

200 kA’lik akım değerine sahip olan bir yıldırımı kapsamaktadır. Bu en kötü direk yıldırım düşme senaryosudur. Bu değerin yarısı yani 100kA’i toprak tarafına iletilir,kalan yarısı ise iletken olan yapıya iletilir.4 yollu bir sistemde faz başına 25kA iletilir ve 5 yollu olanlarda 20kA iletilir. Bu tip yıldırımlar için koruma uygulanması gereken alanlar olarak petrokimya fabrikalarını(Ex ortam) ve patlayıcı malzeme depolarını örnek verebiliriz.

Seviye II

150 kA’lik akım değerine sahip olan bir yıldırımı kapsamaktadır. Bu değerin yarısı yani 75kA’i toprak tarafına iletilir,kalan yarısı ise iletken olan yapıya iletilir.4 yollu bir sistemde faz başına 19kA ve 5 fazlı bir sistemde faz başına 15kA düşer. Bu tip yıldırımlar için koruma uygulaması gereken yapılara hastaneler, yangın alarmına sahip yük gemileri ve telekominikasyon binaları verilebilir.

Seviye III/IV

100kA’lik akım değerine sahip olan bir yıldırımı kapsamaktadır. . Bu değerin yarısı toprak tarafına iletilir,kalan yarısı ise iletken olan yapıya iletilir. 4 yollu bir sistemde faz başına 12,5kA ve 5 fazlı bir sistemde faz başına 10kA düşer. 12,5kA değeri bu seviyede kullanılır. Bu tip yıldırımlar için koruma uygulaması gereken yapılara endüstriyel tesisler, evlerimiz ve idari binalar örnek verilebilir.

Paratoner ve Parafudr

Pek çok tesiste paratoner kullanımı olduğu için parafudr (aşırı gerilim darbelerinde koruma modülleri) tercih edilmemektedir. Fakat elektrik akımını direkt olarak toprağa aktaran paratonerler yıldırımın sadece doğrudan etkisini azaltabilir, yukarıda açıkladığımız dolaylı etkilerini tam tersine arttırmaktadır. Bu sebepten dolayı yıldırımı direkt olarak üzerine çeken paratonerin kullanıldığı bir tesiste kesinlikle aşırı gerilim modülleride kullanılmalıdır.

Yüklenici firmaların birçoğu teslim ettikleri projelerde 2 yıllık bir garanti sağlamaktadır. Pek çok hatanın aşırı gerilimlerden ve darbelerden kaynaklandığını düşünürsek, koruma modülleri kullanılmayan yapılarda yıllık oranda ciddi bir maliyet kaybı oluşabilmektedir. Sigorta şirketlerinin risk analizleri sonucunda aşırı gerilim modülleri kullanılmayan yapılarda talep ettikleri prim oranlarını yüksek tutmasıda günümüzde olan bir gerçektir.

Yıldırımlardan korunmada yapılan risk analizi hesaplaması aşağıda ufak bir denklem ile anlatılmaktadır. (Alıntı:Özcan Kalenderli “Yıldırımdan Korumada Risk Analizi” yazısı)

RX = NX . PX . LX

Burada:

NX: Yıllık tehlikeli olay sayısı,

PX: Yapının hasarlanma olasılığı,

LX: Kayıptır

Aşağıda Türkiye’ye ait yıllık ortalama yıldırımlı gün sayısını içeren haritayı inceleyebilirsiniz.

Aşırı Gerilimlerden Korunma Parçaları

Aşırı gerilim darbelerinden teknik ekipmanlarınızı tam anlamıyla koruyabilecek ideal bir çözüm bulunmamaktadır. Hızlı reaksiyon zamanına, yüksek akım taşıma kapasitesine ve uzun servis ömrüne sahip tek bir devre elemanı bulunmamaktadır.

Genel olarak 3 devre elemanı kullanmaktayız:

• Gaz deşarj tüpü(ark aralığı)
• Varistörler
• Süpresör Diyotlar

Gaz Deşarj Tüpleri(GDT)

GDT elemanlarının deşarj kapasiteleri oldukça yüksektir. Tipine bağlı olarak 100kA’e kadar çıkabilirler. GDT’ler izoleli camdan veya seramik(alüminyum oksit) kılıflarından oluşmaktadır.

Varistörler(MOV)

Varistörler(MOV-Metal Oksit Varistörleri) voltaj değerine bağlı olan direnç değerine sahip aşırı gerilim koruma parçalarıdır. Aşırı gerilimler varistör üzerinden akım akışı ile sınırlandırılırlar. Varistör çeşidine göre orta veya yüksek seviyeli 40kA ile 80kA aralığında değişen deşarj kapasitesi sağlamaktadırlar. Tepki süreleri 25ns’den düşüktür. Buna rağmen varistörlerin iki önemli dezavantajıda hesaba katılmalıdır. İlki oldukça yüksek olan kapasitansı ve yaşlanma karakteristiği.

Yüksek frekanslarda varistörlerin sahip oldukları yüksek kapasite değerleri devreler için problem teşkil etmektedir.Bazı sinyal gücü zayıflıklarında 100kHz’in üzerinde frekans değerleri beklenir.Bu sebepten dolayı data iletim sistemlerinde varistör teknolojileri kullanım için uygun değildir.

Süpresör Diyotlar

Süpresör diyotlarının fonksiyonları zener diyotlar ile benzerlik gösterir fakat zener diyotlara göre daha yüksek akım taşıma kapasitesine sahiptirler ve hızlıdırlar.Voltaj seviyelerindeki bozulmalarda çok çabuk bir şekilde iletken hale gelebilirler. Bu özelliğine rağmen akım taşıma kapasiteleri çok yüksek değildir. Sadece birkaç yüz amper diyebiliriz.

Bu parçaların kombinasyonlarından oluşan devre yapıları farklı korunma ihtiyaçlarına göre seçilebilir.Eğer bir gerilim darbesi bu parçaların birleşiminden oluşan bir devrenin girişine ulaştığında GDT yüksek akımın deşarjını sağlayarak yanacaktır.Bu parçadan sonra darbeden kalan artık kısım varistör ve/veya süpresör diyot üzerinden geçerek sınırlandırılır.Eğer GDT devre elemanı tetiklenmezse ki bu daha düşük bir voltaj seviyesi yükselmesinin olduğu durumdur, darbe varistör veya tek başına süpresör diyot üzerinden deşarj edilir. Aşağıda parçaların bir darbe karşısında oluşturdukları tepkilerin grafiksel anlatımlarını bulabilirsiniz.

Sonuç olarak yıldırımın yarattığı zararlardan etkilenmeniz için direkt olarak tesisinize düşmesi gerekmemektedir. Bulutlar arasında oluşan deşarjlar ve yıldırımın tesisinze yakın bir yerler düşmüş olmasıda sizi ve ekipmanlarınızı etkileyebilmektedir.

Eğer tesisinizde bulunan herhangi bir bölümde döngüsel olarak bir arıza gözlemliyorsanız bunun nedeni o kısımda sürekli olarak tekrarlayan darbe olabilir. Bunun tespiti Weidmüller’in zsize sunduğu Varitector Logger 30 ürünüyle yapılabilir. Ürünü sürekli olarak bozulma yaşanan alana yerleştirmeniz duruma göre bir hafta veya bir ay kadar bekletmeniz yeterlidir. Daha sonrasında önünde bulunan ekrandan gün ve saat bilgisi ile birlikte kaç adet darbe alındığının bilgisini edinip gerekli koruma çözümünü uygulayabilirsiniz.

Weidmüller sizlere sistemlerinize uygun olarak son standartlara uygun aşırı gerilim koruma modüllerini sunmaktadır.

Koruma modüllerinin seçiminde ilk önce tesisinizin risk seviyelerini ve hangi kısımların sizin için daha kritik olduğunun belirlenmesi gerekmektedir. Genel olarak test kriterlerine göre 3 adet sınıflandırma bulunmaktadır. Sınıf I(B),Sınıf II(C) ve Sınıf III(D). Tip I’in test edildiği aralık 10/350µs kısmındaki eğridir.  Test değerleri 12,5kA ile 25 kA arasındadır. “10/350µs” nin anlamı darbenin akım değerinin %90 maksimum seviyeye 10 µs’de ulaşması ve azalarak yarı seviyeye 350µs’de gelmesidir. Tip II 8/20µs lik kısımda bulunan eğride test edilmektedir. Weidmüller koruma modüllerinde 2 kutup olan modüller 75kA, 4 kutup olan modül 100kA’e kadar çıkabilir. Tip III olan koruma modülleri cihazların ve ekipmanların korunmasında rol alır. Bu modüller 0.1 ile 20kV değerleri arasında test edilmiştir.

Weidmüller aşırı gerilim koruma modüllerinde geniş bir portföyü sizlere sunmaktadır. Dijital ve analog sinyallerinizin, cihazlarınızın ve kontrol ekipmanlarınızın, tesislerinizin tam anlamıyla korunmasında güncel standartlara ve sertifikalara sahip ex ortamlarda dahil olmak üzere çözümler sağlamaktadır.

Weidmüller VPU Serisi

Yıldırımların ve aşırı gerilimlerin binalar ve tesisler için risk taşıdığının önemi küçümsenmemelidir.

Bu sebepten yatırımlarınızı her zaman en son teknoloji ile birlikte korumalısınız ki bu da en güncel IEC/EN 61643-11 standardına uyumlu yeni aşırı gerilim koruma  sistemlerinden VPU serisinin kullanımı ile mümkün.

• Merkezde konumlanmış geniş durum göstergesi , koruma fonksiyonunun durumu hakkında görsel olarak bilgi edinmenizi sağlar.
• El aleti kullanımına ihtiyaç duyulmadan montaj rayına kenetlemede kolay, hızlı takma ve sökme ile en verimli şekilde kullanımı sağlanmaktadır.
• Push In teknolojisi ile birlikte uzaktan sinyalizasyon bağlantısı hızlı haberleşmeyi ve koruma fonksiyonu ile ilgili güvenilir bilgiyi sağlar.
• Koruma modülünün sokete kilitlendiği duyulur ve hissedilir. Bu durum rüzgar türbini üreticileri tarafından belirlenen titreşim direnci üzerindeki gereksinimlere uyum sağlar.