Yüksek gerilim sorunları ve önlemleri

Endüstriyel sistemlerde en fazla hasara neden olan sekiz aşırı gerilim (temel nedenler ve önleme)

 

AC sistemlerin, DC sistemlerinde bulunmayan birçok aşırı gerilim türüne maruz kaldığını bilmekte önem var. Bu nedenle AC sistemlerinde, aşırı gerilim sorununun daha dikkatli bir şekilde ele alınması gerekmektedir.

 

Yüksek 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 anlatılacak ve önleyici tedbirler önerilecektir.

 

Aşağıdakilerin önlemlerinden bahsedilecektir:

1. Statik aşırı gerilim
2. Daha yüksek voltaj sistemi ile fiziksel temas
3. Seri endüktif-kapasitif devrelerde rezonans etkileri
4. Tekrarlayan aralıklı kısa devreler
5. Anahtarlama dalgalanmaları
6. Zorunlu sıfır akım kesintisi
7. Ototransformatör bağlantıları
8. Şimşek

 

Bunların çoğu, doğrudan elektrik sisteminin kendi içindeki etkilerin sonucudur. Buna karşılık, yıldırım (çok güçlü bir aşırı gerilim kaynağı), yukarıdaki göklerdeki doğanın güç merkezinden 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 da statik yollarla yüksek voltajlar üretebilir ve bu da elektrik muhafaza çerçeveleri yanlış 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 edilebilir aşırı gerilimlerle alındıkları kadar hızlı bir şekilde toprağa boşaltacaktır.

 

Elektrik servis sisteminin topraklanmasına ek olarak, elektrik devresi iletkenleri içeren elektrik makinesi çerçevelerinin ve tüm metalik muhafazaların etkin bir şekilde topraklanması önemlidir.

 

2. Daha yüksek voltaj sistemi ile 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. Düşük voltaj devresinin nötr topraklaması yoksa potansiyeli yüksek voltaj sistemininkine yükseltilecek veya flash over meydana gelecektir.

 

Alçak gerilim sistemi, sağlam şekilde topraklanmış nötr kullanımı ile toprak potansiyeline yakın bir yere demirlenirse yüksek gerilim sisteminden yüksek akım değerleri akabilir, ancak izole edilmiş bir nötr sisteme göre çok daha düşük 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, havai devreler aynı kutup üzerinde hem birincil hem de ikincil olarak bulunur, ancak önemli boşluklar kazara temas tehlikesini en aza indirir.

 

Havai devrelerde birincil ve ikincil arasında ara sıra kesişmeler meydana geldi 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

 

Şekil 1, yukard-ıda bahsedilen tipte arıza bağlantısını göstermektedir. Topraklanmamış alçak gerilim sistemlerinde tehlikeli aşırı gerilimlerden sorumlu olabilir.

 

Bu tip 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 alçak gerilim sisteminin topraklanmasıdır.

 

3. Seri endüktif-kapasitif devrelerde rezonans etkileri

(AC sistemleri ile 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 bilmek önemlidir.

 

(!) Toprakla herhangi bir ara bağlantının kasıtlı olarak yapılmadığı anlamında topraksızdırlar, ancak elektrik sisteminin her elemanı, elektrik sistemi iletkenleri ile toprak arasında doğal bir kapasitif empedans ara bağlantısı oluşturan toprağa bir miktar kapasitans içerir.

 

Her topraklanmamış elektrik sistemi, Şekil 2'deki şemada 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 yarattığı etkiyi anlamak daha kolay olacaktır.Tek bir hat ile toprak arasındaki herhangi bir direnç veya kapasitans değerinin bağlantısının tehlikeli aşırı gerilim üretmediği açıkça görülüyor.

 

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 ifade eder ve tehlikeli derecede yüksek değildir. Uzun süre devam ettirilmedikçe normalde hiçbir tehlikeli etki yaratmaz.

 

(!) Öte yandan, hat ile toprak arasındaki endüktif reaktansın bağlantısı, toprağa ciddi aşırı gerilimlerin üretilmesinden sorumlu olabilir. Hat-toprak devresinin endüktif reaktansının, aşırı gerilim derecesini kontrol eden sistemin toplam kapasitif reaktansına oranıdır.

 

En yüksek aşırı gerilim, bu iki reaktans eşit olduğunda ortaya çıkar ve bu noktada normalin on katına kadar çıkabilir. Bununla birlikte, ikiye bir reaktans aralığında normalin üç katı veya daha fazla aşırı gerilimlerin üretileceğini belirtmek önemlidir.

 

Şekil 3 - Hat ve toprak arasındaki yüksek endüktif reaktanslı bağlantıdan kaynaklanan topraklanmamış sistemlerdeki aşırı gerilimler

Bir faz iletkeni ile toprak arasındaki endüktif reaktansın kasıtsız bağlantısı, bazıları Şekil 4'te gösterilen çeşitli şekillerde meydana gelebilir. Bir motor yol verici kontaktörünün çalışan manyetik bobini, kontrol kablosundaki bir toprak kısa devresi ile basmalı düğme istasyonuna veya bir bakım görevlisinin tornavida kaymasıyla yanlışlıkla faz ve toprak arasına bağlanabilir.

 

Endüktif reaktans değeri (fazdan toprağa bağlanan), Şekil 3'te belirtilen tehlike bölgesine düştüğünde, bahsedilen çalışma voltajının tüm metalik iletken sistemi üzerinden iletilen toprağa tehlikeli aşırı gerilimler üretilecektir.

 

Bu durumdan kaynaklanan aşırı gerilimler, elektrik sistemi nötründe nispeten hafif dirençli bir topraklama ile tamamen önlenebilir.

 

Şekil 4 – Hat ve toprak arasındaki kasıtsız yüksek reaktanslı bağlantı örnekleri

 

Toprağa verilen toplam şarj kapasitif reaktansı ile yaklaşık 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 olduğu açık olacaktır.

 

Şekil 3, endüktif reaktansın lineer olması temelinde hesaplanmıştır. Bu reaktans, dikkate alınan 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 endüktif reaktansın kapasitif reaktans 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, kapasitif reaktansın zemine göre birçok katı olduğunda önemli aşırı gerilimler ferrorezonanstan kaynaklanabilir.

 

(!) Topraklanmış-Y potansiyel transformatörlerinin, bir Y veya kopuk-delta sekonder bağlantılı topraklanmamış sistemlerde uygulanması, potansiyel transformatörlerin mıknatıslanma reaktansı faz iletkenlerinden toprağa bağlı hale geldiğinden rezonans veya ferrorezonans eyleminin bir sonucu olarak aşırı gerilimlerin zarar görmesinden sorumlu olabilir.

 

Elektrik sistemi nötrü topraklanmışsa bahsi geçen sistem voltajı salınımları oluşmayacaktır. Bu özel voltaj salınımı türünden özgürlük, hatlar arası voltaj derecesine sahip potansiyel transformatörler kullanılarak ve Şekil 5'te özetlendiği gibi sekonder sargılara şönt dirençleri uygulanarak topraklanmamış-nötr çalışma ile de 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 kaçınmak için:

1. Hatlar arası anma gerilimi ile PT'ler T1, T2 ve T3'ü seçin
2. Direnci transformatör mıknatıslama reaktansının %40'ından fazla olmayan bir ikincil yükleme direncini uygulayın.

 

ÖNEMLİ NOT: Yükleme direnci her bir sekonder için uygulanabilir ancak daha sonra güç tüketecek ve sürekli olarak ısıyı serbest bırakacaktır.

 

Seri kapasitör eriticiler, özellikle büyük boyutlu makinelerde, kVA talebini azaltma ve çalışma güç faktörünü büyük ölçüde birliğe iyileştirme özellikleri sebebiyle sık sık uygulanmaz.

 

Bununla birlikte, seri kapasitör kaynakçı, topraklanmamış nötr bir AC besleme sistemi için kesin bir voltaj tehlikesi arz eder. Kaynak makinesinin çalışması sırasında hem seri kondansatör 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 arasındaki bağlantıda (P noktası) 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 zıtlık 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 toprak arızaları

Püskürtme veya kesintili toprak arızası bağlantıları ile topraklanmamış AC endüstriyel sistemlerinde önemli aşırı gerilimler meydana getirebilir. 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, şiddetli aşırı gerilimlerin oluşmasında önemli bir unsurdur.

 

Düşük voltajlı topraklanmamış nötr sistemlerde aralıklı toprak arıza koşullarının genellikle 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 zarfında 40 ila 50 arasında motor arıza yapmıştır.

 

(!) Ohmik 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 Ec nötr etrafında senkron hızda döner. Elektrik nötr bir merkezi simetri noktasıdır ve bireysel faz voltajları saf temel frekans sinüs dalgaları ise toprak potansiyelinde sabit kalır.

 

Şekil 7 - Bir hat ile toprak arasındaki tekrarlayan anlık temas nedeniyle topraklanmamış sistemlerde aşırı gerilimler

 

A fazı iletkeni B'de gösterildiği gibi topraklanırsa sistem voltaj üçgeni yer değiştirir. B'de gösterilen faz konumunda, A fazı voltajı, şasiye giden şarj akımının (gerilimin 90° ilerisinde) sıfırdan geçtiği anda maksimum değerindedir.

 

Kısa devrenin küçük bir boşluk veya bir ark içermesi durumunda ark akımı bu noktada sönecektir. Hat-toprak kapasitansında 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 söylüyor.

 

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 yarım döngü zaman aralığı sırasında, A fazının potansiyelinin, zemin potansiyeline göre sıfır değerinden normal hattan nötr tepe voltajının yaklaşık iki katına kademeli olarak arttığına 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 olacağını unutmayın.

 

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 Dalgaları

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 bilmek önemlidir ancak normal bir sıfır akım sırasında dielektrik kuvvetini hızla oluşturmak için harekete geçmek ve sonraki yarım döngü sırasında akım akışının yeniden kurulmasını önlemek de önemlidir.

 

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 faydalı olacaktır.

 

(!) İlk olarak dikkate alınması gereken, açık anahtarlama kontakları arasında 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 ayrıldıysa 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 sıfırda hattan hatta kısa devrenin kesilmesinden kaynaklanan aşırı gerilimler

 

Kaçınılmaz olarak, bu dönüşün nispeten yüksek frekanslı bir salınım şeklini almasına neden olan endüktif kapasitif sabitler olacaktır. Bu, a' ve b' noktalarının potansiyelinin, nihai değerlerini yaklaşık eşit bir miktarda aşmasına neden olur.

 

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 ulaşıldığı nokta, aynı zamanda bir gerilimin sıfıra ulaşılacağı noktaya daha yakın yaklaşacak ve böylece ortaya çıkma eğiliminde olan gerilimin mevcut sıfırın hemen ardından kontaklar arasında büyüklüğünü azaltacaktır.

 

Kontak kapanmasında esas olarak kullanım makinesinde aşırı gerilim oluşturan bir başka geçiş geçişi şekli Şekil 9'da gösterilmektedir.

 

Burada bir açık çevrim ototransformatör başlatma düzenlemesi gösterilmektedir. Başlatma bağlantısına %65 gerilim uygulandığı ve makine rotorunun senkron hıza yaklaştığı varsayılmaktadır. Daha sonra motorun, tam hat voltajı üzerinden yeniden bağlanmaya hazırlanmak üzere başlangıç musluğundan bağlantısı kesildi.

 

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.

 

Şekil 9 - Motor çalışırken devre kesici açık çevrim ototransformatör başlatmasını kapattığında olası anahtarlama aşırı gerilimi

Bu noktada, üç hat anahtarlama kontağının her birinde görünen potansiyel fark, vektör ilişkileriyle gösterildiği gibi normal hat-nötr voltajının bir buçuk katıdır. Hat değiştirme ünitesinin şimdi kapalı olduğunu ve ilk kontak kuranın kutup 1 olduğunu varsayalım; motor terminali R'nin potansiyeli, potansiyel ea'yı aniden üstlenme eğiliminde olacaktır, ancak kaçınılmaz geçici aşma, onu toprağa göre normalin %250'sine kadar devam ettirecektir.

 

Motor terminalleri A ve C'nin potansiyeli, kontaklar 2 ve 3, kontak 1 ile hemen hemen aynı anda kapanmadıkça toprağa göre %325'lik bir voltaja geçici bir sapma gösterme eğiliminde olacaktır. Bu şekilde gelişebilecek aşırı gerilimleri en aza indirmek için reaktör başlatma veya Korndörfer ototransformatör başlatma gibi kapalı çevrim başlatma düzenlemeleri harekete geçirilmelidir.

 

Anahtarlama aşırı gerilimlerinin en şiddetli kaynaklarından biri, senkronize olmayan ve iki bölümde üretilen gerilimler yaklaşık 180° faz dışı olduğunda birbirinden ayrılan iki sistem bölümünün ayrılmasıdır. Bu durumun elemanları, sisteme göre adımdan çekilen ve dahili olarak üretilen voltajı 180° faz dışı olan bir senkron motoru gösteren Şekil 10'da gösterilmektedir.

 

Soldaki birincil besleme sisteminin topraklanmış nötrle çalıştığı ve sağda gösterilen motor devresinden çok daha küçük bir reaktans içerdiği kabul edilir. Anahtarlama kesicisinin üç kutbu da vektör diyagramında belirtilen zamana kadar kapalı konumda tutulmuştur.

 

Şekil 10 - Kademe dışı koşullar sırasında senkron motor kesintiye uğradığında olası aşırı gerilimler

 

Çekme işlemi sırasında, motor stator sargılarında yanan demanyetize edici reaktif akımın, motordaki geçici reaktanstan önce dahili olarak üretilen voltajın normal değerin %50'sine kadar bastırılmasına neden olduğu varsayılmıştır. Vektör sistemi gösterilen konumdayken, A fazındaki akım sıfırdan geçer, bu da kontaklar ayrılmışsa kesintiye fırsat tanır.

 

A fazı iletkenindeki akım bu noktada kesilirse, motor A fazı terminalinin (a2 noktası) potansiyeli, yeni sabit durum konumu EA'ya sağa atlama eğiliminde olacaktır.

 

Kaçınılmaz geçici aşma, potansiyelinin noktalı çizgi ile gösterildiği gibi EA noktasının diğer tarafına eşit bir mesafede sallanmasına neden olacaktır. Bu geçici gezinin maksimumunda, a2 noktasının potansiyeli, pozitif yönde zemine olan normal tepenin yaklaşık %3 katına ulaşacaktır.

 

(!) Az önce bahsedilen örneklerin aksine, normal olarak çalışan bir döner makineyi veya dönen makinelerin kompozit sistemini ayırmaya dahil olan daha olağan anahtarlama işlemi, çok az anahtarlama aşırı gerilimini içerir. Anahtarlama kesicilerinin her iki tarafındaki sistemler, hemen hemen aynı büyüklükte ve aynı faz konumuna çok yakın olan dahili üretilen voltaj kaynakları içerir. Kesinti meydana geldiğinde, anahtarlama cihazının her iki tarafında potansiyelde çok az değişiklik meydana gelme eğilimindedir.

 

Ark ocağı devreleri, fırın içinde bir ark devam ederken kapatılırsa oldukça ciddi bir aşırı gerilim kaynağı olabilir. Birincil devre kesici kontakları parçası olarak, fırın arkında akım akmaya devam ederken kesici kontaklarındaki akım sıfıra zorlanabilir.

 

Böylece devre kesici, ikincil devrede akım akışı devam ederken hat akımının kesilmesini sağlar. Fırın iç akımı azaldıkça, bir arkın normal ters volt-amper karakteristiğine göre fırın arkındaki potansiyel artar. Ark voltajı, akım azaldıkça kademeli olarak artar ve ark koptuğunda önemli bir voltaj düşüşüne neden olabilir.

 

Bu voltaj ark ocağı anotunda belirtildiği gibi yüksek olmasa da, yine de normal çalışma voltajının birçok katı olabilir ve dönüş oranı ile transformatörün birincil tarafına yansıtılacaktır.

 

Transformatörün yüksek gerilim terminallerinde oluşan voltaj, tehlikeli derecede yüksek olabilir ve flash over oluşturmak için yeterli olabilir.

 

6. Zorlanmış-akım-sıfır kesintisi

Şimdiye kadar, aşırı gerilimleri değiştirme tartışması, yalnızca normal bir akım sıfırında kesintiyi ele aldı. Zorlanmış akım sıfırı veya akım sıfırının kesilmesi terimi, normal doğal akım sıfırından oldukça farklı bir zamanda akımı sıfır değerine zorlayabilen akım akışına karşı büyük bir karşı voltaj geliştirme özelliğine sahip devrenin bir kesme mekanizmasını (sigorta, anahtar, küçük tel iletken bölümü, vb.) tanımlamak için kullanılır.

 

Bir elektrik devresindeki herhangi bir eleman, akım akışı sırasında yüksek bir potansiyel düşüşü geliştirme yeteneğine sahipse, bu şekilde gelişen potansiyel bağlı devre iletkenlerinde görünecektir. Bu şekilde gelişen aşırı gerilimler, devrelerin endüktif elemanlarında depolanan enerji tükenene kadar (bir akım sıfırı zorlanana kadar) devam edecektir.

 

(!) Bu şekilde tehlikeli aşırı gerilimlerin oluşmasından, bir uzunluktaki küçük tel iletkenler aracılığıyla oluşturulan yüksek akım kısa devresi sorumlu olabilir. Böyle bir devrede akım oluştuğunda, depolanan manyetik enerji devrenin tüm endüktif elemanlarında birikir. İletkenin kaynama noktasına ulaşıldığında, iletken bakır, bitişik küreler arasında küçük bir yay ile uzun bir küçük erimiş bakır kürecik dizisine ayrılma eğilimindedir.

 

İletkenin tüm bölümü boyunca toplam voltaj düşüşü, devrenin normal çalışma voltajının birkaç katı olabilir. Bu aşırı gerilim aralığı sırasında akımın büyüklüğü azalır; ancak aşırı gerilim, akımın büyüklüğü sıfır değerine döndürülene kadar devam edecektir.

 

Aşırı voltaj sorunları nedeniyle, vakum kontak anahtarı çok az uygulama bulur. Vakum anahtarı, akımı tamamen kontak kısmından anında kapatma eğilimindedir. Uygun aşırı gerilim bastırıcılar böyle bir kesici ile ilişkilendirilmedikçe, endüktif devrelerde uygulanırsa yüksek gerilimler geliştirilecektir. Bu şekilde üretilen aşırı gerilimler, devrenin başka bir kısmı daha düşük bir voltajda bozulmadıkça, vakum anahtarının dışında kıvılcım çıkarmaya yeterli olabilir.

 

Akım sınırlayıcı sigortalar, bir zorlamalı akım kesicinin bir örneğini oluşturur. Normal bir akım sıfırından önce akımı sıfır değerine indirebilme özelliğine sahiptirler. Böyle bir kesicinin çalışması sırasında aşırı gerilimler meydana gelir.

 

7. Ototransformatör bağlantıları

Endüstriyel sistemlerde, her ikisi de tamamen nötr topraklanmadıkça, farklı yalıtım seviyelerine sahip iki elektrik sistemini birbirine bağlamak için ototransformatörlerden kaçınılmalıdır. Ototransformatör sargıları tarafından oluşturulan iki sistem arasındaki ortak metalik ara bağlantı, daha yüksek voltaj sisteminde beklendiği gibi düşük voltaj sistemini hemen hemen aynı geçici voltajlara maruz bırakma eğilimindedir.

 

Bazı istisnalar vardır ve belirli bir örnek doğayı açıklamaya hizmet edecektir.

 

Başlangıçta 2400 V'ta çalışacak ve daha sonra 4100 V'luk çalışma potansiyeli ile orantılı yalıtım seviyeleri içeren tüm ekipmanlarla birlikte 4160 V'a dönüştürülecek bir sistem planlanırsa, bu 2400 V sistemi başka bir 4160 V sistemi ile birbirine bağlamak için uygun bir ototransformatör kullanmak tatmin edici olacaktır.

 

Bir dizi durumda sistem aşırı gerilimlerinden sorumlu olan olağandışı bir ototransformatör eylemi varyasyonu, Şekil 11'de gösterildiği gibi topraklanmamış-nötr bir sistem üzerinde çalışan uzatılmış sargılara sahip bir transformatör ile temsil edilir.

 

Bu tür uygulamalar çoğunlukla test alanlarında veya elde edilecek çok çeşitli çıkışlara ve gerilimlere izin vermek için çok sayıda kademeye sahip çok amaçlı transformatörler içeren geliştirme alanlarında bulunur.

Toplam sargının bir kısmına uygulanan sistem hattı voltajı ile çalıştırılırsa, sargı uzantısının sonundaki vektör voltajı Şekil 11'de gösterildiği gibi olacaktır çünkü sargı uzantısında geliştirilen dönüş başına volt, ikaz sargısındaki dönüş başına volt ile tam olarak aynı olacaktır.

 

Şekil 11 – Bir ototransformatörün sargı uzantısındaki toprak bağlantısı nedeniyle topraklanmamış sistemlerde aşırı gerilim

 

Sargı uzantısının ucu yanlışlıkla toprağa bağlanırsa veya toprağa kısa devre geliştirirse, toprak potansiyeli noktası gerilim üçgeninin merkezinden yalnızca yüksek sistem-toprak kapasitans bağlantısı ile sargı uzantısının aşırı ucunun potansiyeline doğru hareket etme eğiliminde olacaktır.

 

Bu eylemin bir sonucu olarak, herhangi bir uzatılmış sargının mevcudiyetinin, bir faz iletkeninin potansiyelinin, normal çalışma potansiyelinin %173'ünden fazlasına yükselmesine neden olacağı açıktır.

 

(!) Daha fazla miktarda sargı uzantısı mevcutsa, aşırı gerilim derecesi çok daha şiddetli olabilir. Bu aşırı gerilimlerin aynı metalik sisteme bağlı tüm cihazlara taşınacağını anlamak önemlidir. Bu nedenle, bir binanın bir köşesindeki küçük bir test alanındaki bir transformatörün sargı uzantısındaki bir toprak kısa devresi, o binadaki üretken makinelerin yarısını içerebilen aynı yük merkezi trafo merkezinden beslenen tüm ekipmanlarda aşırı voltaj oluşturabilir.

 

Daha önce pek çok kez olduğu gibi, elektrik besleme sisteminin nötr topraklanması bu tür potansiyel aşırı gerilimi de iyileştirecektir.

 

Arızalı transformatörün uzatılmış sargı kısmının kısa devresinden kaynaklanan kısa devre akımına eşit veya daha büyük bir toprak arıza akımı sağlayan bir sistem topraklama ekipmanı, sistem hattından toprağa potansiyelleri güvenli sınırlar içinde tutacaktır. sınırlar. Genel olarak, test alanlarında bulunacak bu karakterdeki transformatörler nispeten küçük fiziksel boyuttadır ve gerekli sistem topraklama ekipmanı üzerinde kısıtlayıcı gereksinimler getirmez.

 

Nitekim, tüm alçak gerilim sistemli ekipmanlarda (600 V ve altı) nötrü sağlam bir şekilde topraklamak standart uygulamadır.

 

8. Yıldırım

Endüstriyel güç sistemlerinin maruz kaldığı en yüksek aşırı gerilimler, yıldırımdan kaynaklananlardır. Bu aşırı gerilimlerin uygun koruyucu önlemlerle sınırlandırılması, maliyetli ekipman arızaları ve hizmet kesintilerinden kaçınılması için gereklidir.

Aşırı gerilimlerin doğası

Toprağa bir yıldırım düşmesi, yüksek yüklü bir yoğunlaştırıcının, bir plakayı oluşturan bir bulutun, diğerini toprak ve dielektrik arasındaki havanın kıvılcımını temsil eder. İlk şarjın 1 milyar volt kadar yüksek olduğu tahmin edilmiştir ve 200.000 amp kadar yüksek darbe akımları ölçülmüştür.

 

Yıldırım doğrudan dış mekan elektrik ekipmanının terminallerine düşebilse de, bu genellikle uygun ekranlama ile önlenebilir. Bu nedenle, aşırı gerilimler genellikle ekipmana (hem iç hem de dış mekan) genellikle tesise güç getiren veya bazı durumlarda gücü tesis içinde dağıtan açık havai hatlar yoluyla ulaşır.

 

Doğrudan Vuruşlar ve İndüklenmiş Dalgalanmalar

Yıldırım, hatta doğrudan bir darbe ile veya hattın yakınında bir darbeden toprağa elektrostatik indüksiyon yoluyla bir iletim hattında aşırı voltaj üretebilir. Doğrudan darbe ile bir hatta görünen olası maksimum voltaj 15 milyon volt ve indüklenmiş bir dalgalanma için 500.000 volttur.

 

Bu gerilimler iletken ve toprak arasında görülür.

 

Dalga Şekilleri

Yıldırımın ürettiği gerilim dalgalanmaları yüksek büyüklüklere sahip olmakla birlikte süreleri çok kısadır. Mikrosaniye (saniyenin milyonda biri) cinsinden ölçülür. Tipik olarak voltaj, maksimum veya "tepe" değerine çok hızlı bir şekilde yükselir (1 ila 10 psec) ve daha sonra daha yavaş düşer ve 20 ila 150 psn'de tepe değerinin %50'sine ulaşır.

 

Şekil 12'de gösterildiği gibi, yıldırım (ve test amacıyla yapay olarak üretilenler) tarafından üretilen bir voltaj veya akımın, dalgalanmanın şekli, geleneksel olarak iki sayı ile ifade edilir.

 

Şekil 12 – Gerilim ve akım dalgalarını tanımlamak için kullanılan terimler

 

 

Birincisi, dalga cephesinin “sanal sıfırından” dalganın tepe değerine ulaştığı ana kadar geçen süredir, ikinci sayı ise sanal sıfırdan voltajın veya akımın yüzde 50'ye düştüğü zamana kadar geçen süredir. tepe değeri. Bir dalga cephesinin sanal sıfırı, bir gerilim dalgası için tepe değerinin %30 ve %90'ı ve tepe noktasının akım dalgası için değer %10 ve %90'ı olan dalganın önündeki noktalardan çizilen düz bir çizginin sıfır ekseni ile kesişimidir.

 

Her iki zaman da genellikle mikrosaniye cinsinden ifade edilir. Örneğin, 95 kV 1½ × 40 psec dalga, 95 kV tepe değerine sahip, sanal sıfır zamanından 134 psec'de tepe değerine yükselen ve 40 psec’te sanal sıfır zamanından itibaren tepe değerinin %50'sine (47,5 kV) düşen bir dalgadır.

 

Seyahat eden dalgalar

Bir iletim hattında yıldırım tarafından üretilen voltaj dalgalanması, hattın tüm noktalarında aynı anda görünmez; bunun yerine, vuruş noktasından uzaklık arttıkça, daha sonraki zaman aralıklarında görünür. Ayrıca, dalgalanmanın büyüklüğü ve şekli (voltaj-zaman) düzgün bir çizginin tüm noktalarında yaklaşık olarak aynı kalır, ancak zaman fazında basitçe yer değiştirir.

 

Gerçekte, darbenin meydana geldiği hat üzerinde bir voltaj-zaman dalgası olarak ortaya çıkan dalgalanma, hat üzerinde başlangıç noktasından zıt yönlerde üniform bir hızla hareket eden iki özdeş voltaj-mesafe dalgası haline gelir.

 

Tüm dirençler ihmal edildiğinde, şu şekilde gösterilebilir:

1. Voltaj dalgaları, 1/√LC fps'ye eşit bir hızla, büyüklük veya şekilde değişiklik olmaksızın iletken boyunca ilerler; burada L, Henrys cinsinden hattın ayağı başına endüktans ve C, hattın ayağı başına farad cinsinden kapasitanstır.
2. Gerilim dalgasına bir akım dalgası eşlik eder ve tam olarak aynı şekle sahiptir, yani hattın herhangi bir noktasında herhangi bir anda iletkende akan akım, iletkenden toprağa olan gerilimle doğru orantılıdır.
3. Akım ve voltaj arasındaki orantı sabitine dalgalanma empedansı Z denir ve √LC ohm'a eşittir; burada L, hattın herhangi bir birim uzunluğu için henrys cinsinden endüktans ve C, aynı birim uzunluk için farad cinsinden kapasitanstır. Amper cinsinden akım, ohm cinsinden aşırı gerilim empedansına bölünen volt cinsinden gerilime eşittir.

 

Bir havai hattın endüktansı ve kapasitansı, bir akım veya voltaj dalgasının hızının (yayılma hızı olarak adlandırılır), psec başına 984 ft olan boş uzaydaki ışığın hızına eşit olacak şekildedir. Çoğu hesaplamada, yuvarlak sayı 1000 kullanılır.

 

Bir kablodaki yayılma hızı, yapısına göre değişir, ancak tipik bir değer, psec başına 600 ft'dir.