Aşırı gerilim sorunları ve önlenmesi
Enerji verilen sistemlerde elektrik yalıtımı sürekli olarak risk altındadır. Elektrik sistemleri, kaçınılmaz olarak aşırı gerilim üreten birçok türde bozulmalara maruz kalır. Bununla birlikte, uygulama mühendisinin emrinde, aşırı gerilimlerin büyüklüğünü büyük ölçüde azaltacak birçok sistem tasarım ilkesi vardır.
AC sistemlerin, DC sistemlerinde bulunmayan birçok aşırı gerilim türüne maruz kaldığını not etmek önemlidir. Bu nedenle AC sistemlerinde, aşırı gerilim sorununun daha dikkatli bir şekilde ele alınmasını gerekiyor.
Aşırı gerilim kaynakları
AC endüstriyel güç dağıtım sistemlerinin yalıtımına zarar vermeye yetecek büyüklükte çok çeşitli aşırı gerilim kaynakları vardır. Bu makalede, daha belirgin aşırı gerilimlerin oluşturulduğu mekanizma açıklanacak ve önleyici tedbirler önerilecektir.
Aşağıdaki nedenlerin önlemlerinden bahsedilecektir:
1. Statik aşırı gerilim
2. Daha yüksek voltajlı bir sistemle fiziksel temas
3. Seri endüktif-kapasitif devrelerde rezonans etkileri
4. Aralıklı tekrarlayan kısa devreler
5. Anahtarlama dalgalanmaları
6. Zorunlu sıfır akım kesintisi
7. Ototransformatör bağlantıları
8. Yıldırım
Bunların çoğu, doğrudan elektrik sisteminin kendi içindeki etkilerin sonucudur. Buna karşılık, yıldırım (bir aşırı voltajın şiddetli bir kaynağı), doğanın göklerdeki güç merkezinden yerdeki elektrik sistemine iletilir.
1. Statik aşırı gerilim
Rüzgarla savrulan kum veya toz, yüksek oranda yüklenebilir ve açıkta kalan havai elektrik iletkenlerine nispeten yüksek voltaj verebilir. Metalik olmayan kasnaklar üzerinde çalışan hareketli kayışlar, statik yollarla yüksek voltajlar üretebilir ve bu da elektrik muhafaza çerçeveleri uygun olmayan şekilde topraklanmışsa, elektrik sistemi iletkenlerine iletilebilir.
(!)Elektrik yükünün elektrik sistemi iletkenlerine statik yollarla iletilme hızı son derece düşüktür. Elektrik sistemi üzerindeki oldukça yüksek dirençli toprak bağlantısı bile bu statik akımları ihmal edip aşırı gerilimlerle alındıkları kadar hızlı bir şekilde toprağa boşaltacaktır.
Elektrik servis sisteminin topraklanmasına ek olarak, elektrik devresi iletkenlerini içeren elektrik makinesi çerçevelerinin ve tüm metal mahfazaların etkin bir şekilde topraklanması da önemlidir.
2. Daha yüksek voltajlı bir sistemle fiziksel temas
Yüksek voltajlı bir elektrik devresinin iletkenleri, daha düşük voltajlı bir devrenin iletkenleri ile temas ederse temas noktasında her iki devrede de aynı potansiyel olacaktır. Alçak gerilim devresinin nötr topraklaması yoksa potansiyeli yüksek gerilim sistemininkine yükseltilecek veya genel parlama meydana gelecektir.
Düşük voltajlı sistem, sağlam bir şekilde topraklanmış bir nötr kullanımıyla toprak potansiyeline yakın bir yere sabitlenirse yüksek voltaj sisteminden yüksek akım değerleri akabilir. Ancak izole edilmiş bir nötr sistemden çok daha düşük bir voltaj görünecektir.
(!)Endüstriyel sistemlerde birincil ve ikincil gerilimler arasındaki tesadüfi temaslar, farklı çalışma potansiyellerine sahip iletken sistemleri ayıran metal muhafazalar ve metal bariyerler kullanılarak korunur. Bazı durumlarda, üst devreler aynı kutup üzerinde hem birincil hem de ikincil olarak bulunur. Ancak önemli boşluklar kazara temas tehlikesini minimuma indirir.
Havai devrelerde birincil ve ikincil arasında ara sıra kesişmeler meydana gelir ve bir transformatör içinde birincil ve ikincil arasında arızanın meydana geldiği birkaç durum bilinmektedir.
Şekil 1 – Daha yüksek bir voltaj sistemiyle temastan kaynaklanan 480V topraklanmamış sistemdeki aşırı voltaj
1 – 480V topraklanmamış sistemde daha yüksek bir voltaj sistemiyle temastan kaynaklanan aşırı voltaj
Şekil 1, bu tip arıza bağlantısını göstermektedir. Bu tür arıza, topraklanmamış alçak gerilim sistemlerinde tehlikeli aşırı gerilimlerden sorumlu olabilir.
Bu tür aşırı gerilime karşı en etkili koruma, alçak gerilim sisteminin nötrünü polarize etmeden yüksek gerilim sisteminin maksimum hat-toprak arıza akımını kabul edecek kadar düşük yapılmış topraklama empedansı ile sistemi tehlikeli miktarda alçak gerilim sisteminin topraklanmasıdır.
3. Seri endüktif-kapasitif devrelerde rezonans etkileri
(AC sistemlerle sınırlıdır)
Topraklanmamış-nötr AC sistemleri en yaygın olarak bu nedenden kaynaklanan aşırı gerilimlere maruz kalır. Topraklanmamış-nötr sistemlerin, gerçekten topraktan ayrılmak yerine, aslında kapasitif olarak toprağa bağlı olduğunu kabul etmek önemlidir.
(!)Topraklanmamış-nötr AC sistemleri, toprakla herhangi bir ara bağlantının kasıtlı olarak yapılmadığı anlamında topraklanmamışlar anlamına gelir. Ancak elektrik sisteminin her elemanı, elektrik sistemi iletkenleri ve toprak arasında doğal bir kapasitif empedans ara bağlantısı oluşturan toprağa bir miktar kapasitans içerir.
Her topraklanmamış elektrik sistemi, Şekil 2'deki diyagramda gösterilen temel unsurları içerir. Herhangi bir tek fazlı iletkenin toprağa göre elektriksel davranışı, Şekil 2'nin alt çiziminde gösterildiği gibi, çok daha basit bir eşdeğer devre ile belirlenebilir.
Şekil 2 - Topraklanmamış bir sistemin element bileşimi
Bu daha basit eşdeğer devre açısından, Şekil 3'te gösterildiği gibi hat ve toprak arasında farklı empedans türlerinin bağlanmasının etkisini kolayca anlamak mümkün olacaktır.Tek bir hat ile toprak arasındaki herhangi bir direnç veya kapasitans değerinin bağlantısının hiçbir tehlikeli aşırı gerilim üretmediği ortaya çıkıyor.
Empedansın bağlı olduğu faz üzerindeki potansiyel, kademeli olarak normal bir değerden sıfıra düşer. Kalan iki faz iletkeni üzerindeki toprak potansiyeli, birinci faz iletkeni sıfır potansiyele düşürüldüğünde tam hattan hatta değerine yükseltilecektir.
Bu, yalnızca %73'lük bir aşırı voltajı temsil eder. Bu voltaj, tehlikeli derecede yüksek değildir ve uzun süre devam ettirilmedikçe normalde hiçbir tehlikeli etki üretmeyecektir.
!!!Öte yandan, hat ile toprak arasındaki endüktifreaktansın bağlantısı, toprağa ciddi aşırı gerilimlerin üretilmesinden sorumlu olabilir. Bu bağlantı, hat-toprak devresinin endüktifreaktansının, aşırı gerilim derecesini kontrol eden sistemin toplam kapasitifreaktansına oranıdır.
En yüksek aşırı gerilim, bu iki reaktans eşit olduğunda ortaya çıkar ve bu noktada normalin on katı kadar olabilir. Bununla birlikte, ikiye bir reaktans aralığında, normalin üç katı veya daha fazla aşırı gerilimlerin üretileceğini belirtmek önemlidir.
Şekil 3 - Hat ile toprak arasındaki yüksek endüktifreaktanslı bağlantıdan kaynaklanan topraklanmamış sistemlerdeki aşırı gerilimler
Bir faz iletkeni ile toprak arasındaki endüktifreaktansın istemsiz bağlantısı birçok şekilde meydana gelebilir, bunlardan bazıları Şekil 4'te gösterildiği gibi olabilir.Bir motor yol verici kontaktörünün çalışan manyetik bobini, kontrol kablosundaki bir toprak kısa devresi ile basmalı düğme istasyonuna veya bir bakım görevlisinin tornavida kaymasına yanlışlıkla faz ve toprak arasına bağlanabilir.
Fazdan toprağa bağlananendüktifreaktans değeri, Şekil 3'te belirtilen tehlike bölgesine düştüğünde, o çalışma voltajının tüm metalik iletken sistemi üzerinden iletilen toprağa tehlikeli aşırı voltajlar üretilecektir.
Bu durumdan kaynaklanan aşırı gerilimler, elektrik sistemi nötründe nispeten hafif dirençli bir topraklama ile tamamen bastırılabilir.
Şekil 4 – Hat ve toprak arasındaki kasıtsız yüksek reaktanslı bağlantı örnekleri
Toprağa verilen toplam şarj kapasitifreaktansı ile yaklaşık olarak aynı omik değere sahip bir topraklama direnci, aşırı gerilimleri neredeyse tamamen ortadan kaldırmak için yeterlidir. Diğer nedenlerle çok daha düşük bir topraklama direnci değerine sahip elektrik sistemi nötr topraklamasını benimsemek için iyi bir neden olduğunu kanıtlayacaktır.
Şekil 3, endüktifreaktansın lineer olması temelinde hesaplanmıştır. Bu reaktans, çalışma modu sırasında manyetik doygunlukla karşılaşması gereken bir demir çekirdek içeriyorsa, performans biraz farklı olacaktır.Bu koşullar altında, endüktif devrenin etkin reaktansı, doymamış reaktanstan çok daha düşük hale gelebilir ve voltaj, etkin endüktifreaktansınkapasitifreaktans değerine uymasına neden olan voltaj sınırları arasında otomatik olarak salınım eğiliminde olacaktır.
Bu işlem karakterine ferrorezonans adı verilmiştir. Bu şekilde geliştirilen maksimum voltaj, lineer bir reaktör tarafından üretilecek kadar yüksek olmayabilir ancak yine de normalin iki veya üç katının üzerinde olabilir. Doymamış reaktans genellikle toprağa kapasitif olduğunda önemli aşırı gerilimler ferrorezonanstan kaynaklanabilir.
!!!Topraklanmış-Y potansiyel transformatörlerinin, bir Y veya kopuk-delta sekonder bağlantılı topraklanmamış sistemlerde uygulanması, potansiyel transformatörlerin manyetizasyonreaktansı faz iletkenlerinden toprağa bağlı hale geldiğinden, rezonans veya ferrorezonans eyleminin bir sonucu olarak aşırı gerilimlerin zarar görmesinden sorumlu olabilir.
Elektrik sistemi nötrü topraklanmışsa bu sistem voltajı salınımları oluşmayacaktır. Bu özel voltaj salınımı türünden özgürlük, hattan hatta voltaj derecesine sahip potansiyel transformatörler kullanılarak ve Şekil 5'te ana hatlarıyla gösterildiği gibi sekonder sargılar üzerinde şönt dirençlerinin uygulanmasıyla topraklanmamış-nötr çalışma ile bile elde edilebilir.
Şekil 5 - Bir toprak göstergesi veya sıfır bileşen gerilim dedektörü için topraklanmış-Y kırık delta potansiyel transformatörleri
İstenmeyen hattan toprağa toprak voltajı salınımlarından kurtarmak için:
1. Hattan hatta anma gerilimi ile PT'ler T1, T2 ve T3'ü seçin.
2. Direnci transformatör mıknatıslamareaktansının %40'ından fazla olmayan bir ikincil yükleme direnci uygulayın.
Önemli Not – Yükleme direnci her bir sekonder için uygulanabilir ancak daha sonra sürekli olarak güç tüketecek ve ısıyı serbest bırakacaktır.
Seri kapasitör eriticiler, özellikle büyük boyutlu makinelerde kVA talebini azaltma ve çalışma güç faktörünü büyük ölçüde birliğe iyileştirme yetenekleri nedeniyle ara sıra uygulanır.
Bununla birlikte, seri kapasitör kaynakçı, topraklanmamış nötr bir AC besleme sistemi için kesin bir voltaj tehlikesi arz eder. Kaynak makinesinin çalışması sırasında, hem seri kapasitör hem de kaynak trafosu primerindeki voltaj, nominal hatlar arası voltajın birkaç katı olacaktır. Fiziksel elektrik bağlantıları ve ilgili vektör voltaj ilişkileri aşağıdaki Şekil 6'da gösterilmektedir.
Şekil 6 – Seri kapasitör kaynak makinesinde topraklama teması sonucu topraklanmamış sistemlerde oluşan aşırı gerilimler
Seri kondansatör ile kaynak trafosu (P noktası) arasındaki bağlantıda bir toprak arızası meydana gelirse toprak potansiyelinin konumu, AC sistem voltaj üçgeninin merkezi yerine bu bağlantı noktasının yeri olma eğiliminde olacaktır.
(!)Toprağa olan toplam sistem kapasitif empedansının, kaynakçı serisi kapasitörünkine göre genellikle yüksek olması beklenir ve bu nedenle, toprak potansiyelinin konumunda bu kaymaya pratik olarak hiçbir muhalefet sunmaz.
Şekil 6'da gösterilen durumda, A fazı iletkeninin potansiyelinin, normalin yaklaşık yedi katı olan toprağa yaklaşık 2000 V'a yükseltilebileceği açık olacaktır. Diğer durumlarda olduğu gibi bu aşırı voltaj, bu ortak çalışma voltajında metalik olarak birbirine bağlı tüm ekipmana iletilir.
Tüm bu rezonanslı endüktif-kapasitif aşırı gerilim tehlikeleri, elektrik sistemi nötr topraklaması ile ortadan kaldırılabilir.
4. Aralıklı tekrarlayan kısa devreler
Püskürtme veya kesintili toprak arızası bağlantıları ile topraklanmamış AC endüstriyel sistemlerinde önemli aşırı gerilimler geliştirilebilir. Kısa devre yolunun kesintili karakteri aşağıdakilerin sonucu olabilir:
1. Bir elektrik iletkeninin toprakla aralıklı olarak temas etmesine neden olan titreşim,
2. Aralıklı olarak toprağa iletken bir yol oluşturan erimiş iletken metalin saçılan parçacıkları,
veya
3. İletken ve toprak arasındaki ayırma boşluğunun art arda bozulması ve kapatılması.
İletken ve toprak arasında sabit bir ayrım içeren son durumda, bu boşluk boyunca giderek artan bir arıza gerilimi, ciddi aşırı gerilimlerin oluşmasında önemli bir unsurdur.
Düşük voltajlı topraklanmamış nötr sistemlerde aralıklı toprak arıza koşullarının oldukça yaygın olarak normalin beş veya altı katı aşırı voltaj oluşturduğu gözlemlenmiştir. Alışılmadık bir durum, 480 V topraklanmamış bir sistemi içeriyordu. 1200 V'u aşan hat-toprak potansiyelleri bir test voltmetresinde ölçülmüştür. Sorunun kaynağı, sonunda, motoru çalıştıran bir ototransformatördeki aralıklı bir toprak hatasına kadar takip edildi.
Kaynağın bulunmasının üzerinden yaklaşık iki saat geçmiş ve bu süre içinde 40 ila 50 arasında motor arıza yapmıştır.
(!)Ohm değeri çok yüksek (X0, X1'in on katından fazla) reaktans ile topraklanan elektrik sistemleri de biraz farklı bir biçimde hareket eden bu aynı mekanizma tarafından aşırı gerilime maruz kalır. Aşırı gerilimlerin oluşumundan kesintili bir elektrik bağlantısının nasıl sorumlu olabileceğine dair bir anlayış, topraklanmamış-nötr bir sistemde bir püskürtme veya kesintili hat-toprak arızası durumu incelenerek en kolay şekilde elde edilebilir.
Şekil 7'de, A'da normal dengeli koşullar altında çalışacak olan üç fazlı bir AC sisteminin vektör voltaj modeli gösterilmektedir. Gerilim vektörleri Ea, Eb ve Ecnötr etrafında senkron hızda döner. Elektrik nötr bir merkezi simetri noktasıdır ve bireysel faz voltajları saf temel frekans sinüs dalgalarıysa toprak potansiyelinde sabit kalır.
Şekil 7 - Bir hat ile toprak arasındaki tekrarlayan anlık temas nedeniyle topraklanmamış sistemlerdeki aşırı gerilimler
A fazı iletkeni topraklanırsa sistem voltaj üçgeni B'de gösterildiği gibi yer değiştirir.B'de gösterilen faz konumunda, A fazı voltajı, toprağa giden şarj akımının (gerilimin 90° ilerisinde) sıfırdan geçtiği anda maksimum değerindedir.
Kısa devrenin küçük bir boşluk veya ark içermesi durumunda ark akımı bu noktada sönecektir. Hattan toprağa kapasitansta sıkışan yükün, voltaj üçgenini aynı kaydırılmış konumda tutma eğiliminde olacağına dikkat edin. Başka bir deyişle, nötrün potansiyeli (toprağa göre) AC voltaj dalgasının tepe değerine eşit bir DC potansiyelinde kalma eğiliminde olacaktır.
Bütün bunlar sadece, B'de oluşan sıfır akımın hemen ardından kısa devredeki boşlukta herhangi bir voltajın yeniden ortaya çıkma eğiliminin çok az olacağını bize gösteriyor.
Bununla birlikte, sonraki yarım döngü sırasında, AC tarafından üretilen voltajlar polaritelerini tersine çevirir (vektörler 180° döner), bu da üç fazlı vektör voltaj modelinin C'nin üst kısmında gösterilen konumu almasına neden olur.
(!)Bu bir yarım döngü zaman aralığı sırasında A fazının potansiyelinin kademeli olarak sıfır değerinden, toprak potansiyeline göre normal hat-nötr tepe voltajının yaklaşık iki katına çıktığına dikkat edin.A fazının hat-toprak potansiyelinin bu değeri, toprak arıza devresindeki boşluğu kırmak ve A fazı ile toprak arasındaki bağlantıyı yeniden kurmak için yeterli olabilir. Eğer öyleyse, A fazı potansiyeli aniden toprak potansiyeline çekilme eğiliminde olacaktır.
Kaçınılmaz olarak, A fazı iletkeninde toprak kısa devre noktasına bir miktar sistem reaktansı olacaktır, bu da A fazı iletken potansiyelinin +2 ile -2 arasında muhtemelen normalin 20 ila 100 katı bir frekansta salınımına neden olacaktır.Kısa devre katı bir metalik bağlantıdan oluşuyorsa bu salınım sıfıra düşerek A fazı iletkenini toprak potansiyelinde bırakır.
Bu yüksek frekanslı geçici salınımla bağlantılı olarak, toprağa karşılık gelen bir geçici şarj akımı olacağına dikkat edin.
Toprağa giden bu geçici şarj akımı veya yeniden akım akımı, C'nin alt kısmında gösterildiği gibi sistem voltaj salınımı negatif yönde maksimum gezindeyken tekrar sıfır değerine ulaşacaktır.
5. Anahtarlama dalgalanmaları
Devre anahtarlama işlemleri, devre parametrelerinde ani değişiklikler meydana getirir ve genellikle kısa süreli olmasına ve normalin iki ila üç katını aşmamasına rağmen aşırı gerilimlerin oluşmasından sorumlu olabilir.Normal AC anahtarlama kesicilerinin, akım akışı sırasında devre akımının akışına çok az muhalefet sunduğunu, ancak normal bir sıfır akım sırasında dielektrik kuvvetini hızla oluşturmak için hareket ettiğini ve sonraki yarıda akım akışının yeniden kurulmasını engellediğini bilmek önemli olacaktır.
Bu işlem sonucunda devrenin endüktansında depolanan manyetik enerjinin kesinti sırasında atılmasına gerek kalmaz.
Kesinti, depolanan manyetik enerjinin sıfır olduğu normal bir akım sıfırında gerçekleşir. Bu tür aşırı gerilimlerin üretildiği mekanizmanın niteliksel olarak anlaşılması da faydalı olacaktır.
(!)İlk olarak dikkate alınması gereken, eğer anahtarlama kontakları açıldıysa, anahtarlama kontaklarında görünme eğiliminde olan voltaj değişikliği miktarıdır.Örneğin, Şekil 8'de, A ve B fazları arasındaki hattan hatta kısa devre durumu gösterilmektedir. Devre kesici hala kapalıyken, a' ve b' potansiyeli ortak olmalıdır ve vektör diyagramında gösterildiği gibi, ea ve eb potansiyellerinin tam ortasında yer alacaktır.
Şekilde gösterilen vektör ilişkileri ile arızalı devredeki akım sıfırdan geçecek ve bu da kontaklar kopmuşsa devre kesicinin kesinti yapmasına fırsat tanıyacaktır.
Akım akışı bu akım sıfırında kesilirse, a' potansiyeli ea'ya dönme eğilimindeyken, b' noktasının potansiyeli eb'ye dönme eğilimindedir.
Şekil 8 - Akım sıfır noktasında hattan hatta kısa devrenin kesilmesinden kaynaklanan aşırı gerilimler
Kaçınılmaz olarak, bu dönüşün nispeten yüksek frekanslı bir salınım biçimini almasına neden olan endüktifkapasitif sabitler olacaktır. Bu, a' ve b' noktalarının potansiyelinin, nihai değerlerini yaklaşık olarak eşit bir miktarda aşmasına neden olur.
Verilen bu örnekte, b' noktasının potansiyeli pozitif yönde geçici olarak normal tepe voltajının 1,73 katı değerine sallanırken, a' noktasının potansiyeli negatif yönde normal tepe değerinin 1,73 katına karşılık gelen bir salınım yapacaktır.
(!)Akım akışı sırasında önemli direnç düşüşü sağlayan devre kesiciler, geçiş gerilimlerinin büyüklüğünü azaltma eğilimindedir.Kısa devrenin daha yüksek güç faktörünün bir sonucu olarak, akımın sıfıra ulaştığı nokta, gerilimin sıfıra ulaşacağı noktaya daha da yakınlaşacaktır. Böylece, akım sıfırından hemen sonra kontaklarda görünme eğiliminde olan voltajın büyüklüğünü azaltır.
Kontak kapanmasında esas olarak kullanım makinesinde aşırı gerilim oluşturan bir başka geçiş geçişi modeli Şekil 9'da gösterilmektedir.
Burada bir açık çevrim ototransformatör başlatma düzenlemesi gösterilmektedir.Başlangıç bağlantısına %65 gerilim uygulandığı ve makine rotorunun senkron hıza yakın olduğu varsayılmıştır.Daha sonra motorun, tam hat voltajı üzerinden yeniden bağlanmaya hazırlanmak üzere başlangıç musluğundan bağlantısı kesilir.
Bu aralık sırasında, motor içinde dahili olarak üretilen voltajın, nominal değerin %50'sine düşmesi ve besleme sistemine göre 180° faz dışı olacak şekilde açıda geriye kayması mümkündür.