Kablo ve Bara ile Enerji Aktarımında Önemli 4 Nokta

Enerji aktarımı birçok farklı şekilde yapılabilir. Kablolar ve baralar (elektrik dağıtım hattı), enerji aktarımının en yaygın ve en güvenilir yolu olarak görülüyor. Ancak bu sistemin ortaya çıkaracağı problemler de bulunuyor. Gelin bu problemlerin oluşmaması için alınan önlemleri aşağıdaki 4 başlık altında inceleyelim.

A- A+

28.06.2020 tarihli yazı 13612 kez okunmuştur.

İletkenleri Paralel Olarak Gruplamak

Bu yöntem, belirli bir akımın (genellikle birkaç yüz amper) üzerinde, birkaç iletkenin paralel olarak kullanılması, kesitlerinin sınırlandırılmasını ve iletkenlerin kullanımlarının kolaylaştırılmasını sağlar. Transformatör ve ana alçak gerilim panosu arasındaki iletkenler için sıklıkla kullanılan bu teknik, aynı zamanda yüksek güç gerektiren bağlantılar için de kullanılır.

► İlginizi Çekebilir: Bara Kısa Devre Isınma Hesapları

İletkenlerin bir üçgen veya bir trefoil içinde (yonca) düzenlenmesi en iyi dengeyi sağlar, ancak genellikle faz başına iki veya üç iletkenle sınırlıdır. Dolayısıyla, katmanların üst üste binmesi soğutmayı sınırlandırır ve bir demet şeklinde kurulum tercih edilir. Birden fazla iletken paralel olarak düzenlenmişse, her biri, her fazdan bir iletken içeren paralel iletken sayısı kadar grupta düzenlenmelidir. İletken grupları birbirine yakın monte edilmelidir. Bu yakınlık kuralı, tek iletkenler (fazlar, nötr ve koruyucu iletken) için de geçerlidir.

Paralel iletkenler aracılığıyla 3 fazlı dağıtım katı geometrik yerleşim kurallarına uygun olmalıdır. Bu kural tüm iletkenlerin aynı tipte, aynı kesitte, aynı uzunlukta olduğunu ve rotalarında herhangi bir dağıtma içermediğini ve ayrı ayrı tedarik edilemediğini varsayar. Bu koşullardan herhangi birine uyulmaması durumunda, paralel iletken demetinin tek bir cihaz tarafından genel olarak korunması mümkün olmayacaktır. Bu durumda iletken başına bir koruma cihazı gerekecektir. Paralel iletken sayısının olabildiğince sınırlandırılması önerilir. Ayrıca dört kablonun üstünde, daha iyi akım dağılımı sağlayan prefabrik bara sistemlerinin kullanılması tercih edilir.

Kuralların Ardındaki Teori

Alternatif akımda, elektrik iletkenleri Ohm cinsinden ifade edilir.

Direnç (R) (Ohmik direnç olarak da adlandırılır.)

Reaktans (Lω)

Kapasitör (1/cω)

240 mm²'nin ötesinde, reaktansın sağladığı katkının empedansta baskın faktör olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle iletken, akımı ve gerilimi değiştirerek bir alıcı gibi davranır. Aşağıdaki grafikte 45° faz kayması bulunmaktadır (cosϕ = 0.5). Direnç ve reaktans eşittir. Bu akımlar için kapasitans bileşeninin göz ardı edilebileceğine dikkat edilmelidir.

Şimdi bazı tanımlamalar yapacağız.

Kendiliğinden İndüksiyon veya İletkenin Endüktans Katsayısı (L)

L, iletkeni çevreleyen manyetik akıdaki (Φ) varyasyonu takiben bir iletkende dolaşan "e" elektromotor kuvvetini belirler. İletkenin endüktansı, malzemenin manyetik özelliklerine, ortamına ve geometrisine (uzunluk, dönüş sayısı) bağlıdır.

e = −L × dΦ / dt

Karşılıklı Endüktans

Simetrik bir bağlantı için, öz-indüksiyon katsayısı her bir iletken için algılanabilir şekilde aynıdır.

L = mH / km cinsinden (0.05 + 0.46 log d / r).

Formüldeki d, iletkenlerin eksenleri arasındaki ortalama mesafedir ve r, iletkenin çekirdeğinin yarıçapıdır. Asimetrik bir düzenlemede, mesafeler farklı olduğu için, iletkenler arasındaki karşılıklı endüktanslar da farklı olacaktır.

Paralel İletkenlere Yapılan Uygulama

Paralel olarak birkaç özdeş iletken içindeki akımların eşit dağılımı, iletkenlerin her birindeki empedansların eşitliğine benzersiz bir şekilde bağlıdır. Endüktans oranının bölümdeki artışla baskın hale gelmesiyle birlikte, iletkenlerin geometrik düzeni baskın olacaktır.

Üç Fazlı Düzen

3 fazlı (nötrlü veya nötrsüz) bir kablo veya iletken demetinde, akımların vektörel toplamı sıfırdır ve iletkenler tarafından oluşturulan manyetik indüksiyon, birlikte gruplandıklarında ve düzgün bir kalıpta düzenlendiklerinde çok düşük kalır. Eğer bu olmazsa, iletkenlerin kendiliğinden indüksiyon katsayısı, oluşturulan manyetik alanın etkileşimi ile değişir.

Kısa Devreler İçin Önlemler

Kısa devre durumunda iletkenleri etkileyebilecek yıkıcı etkiler vardır. Bu etkilerin geneline “Elektrodinamik Gerilmeler” denir. Bu gerilmelerden biri olan termal gerilim, normalde koruma cihazlarının (sigortalar, devre kesiciler) sınırlayıcı gücü tarafından sağlanan koruma sonucu oluşur.

Kablo Kanalındaki İletkenler

İki aktif iletken arasında kısa devre meydana geldiğinde, kısa devre akım yoğunluğuna maruz kalan iletkenler, akım yoğunluğunun karesiyle orantılı bir kuvvetle itilir. Eğer iletkenler kötü bir şekilde sabitlenirlerse, vuruşmaya başlayacaklar ve bağlarından kopacaklar. Bu duruma gelen iletkenler, başka bir iletkene veya toprağa dokunarak son derece yıkıcı bir ark etkisine sahip yeni bir kısa devreye neden olabilecek güce sahip olurlar.

Çok iletkenli kablolar ve özel önlemler gerektiren tek iletkenli kablolar bu iletkenlerin uygulayabileceği kuvvetlere dayanacak şekilde tasarlanır. Aşağıdaki tabloda verilen örnekler kısa devre durumlarını engellemek için alınabilecek önlemlerdir. Ancak bu önlemler durumdan duruma farklılık gösterir. Tablo 1’de bu önlemleri görebilirsiniz.

Tablo-1

Isc = Kısa devre akımı
kA = Kiloamper

Prefabrik Bara Kanalı

Prefabrik bara kanallarının kullanımında çok az sınırlama olsa bile, kısa devre direnci özelliklerinin aslında yukarı akım koruma cihazlarıyla koordine olup olmadığını kontrol etmek önemlidir. Bara kanalı, koruma cihazının (devre kesici) atması için gereken süre boyunca kısa devre ile ilişkili termal gerilime dayanabilecek sağlamlıkta olmalıdır. Benzer şekilde, bara kanalının geçişine izin verdiği elektrodinamik kuvvetler, yukarı akım koruması tarafından sınırlanan tepe akımıyla uyumlu olmalıdır.

Varsayılan tepe değeri (Ipk), kısa devre akımının (Isc) efektif değerine bir asimetri faktörü (n) uygulanarak cihazların sınırlayıcı eğrileri okunarak veya veri yokken belirlenebilir. Tablo 2’de bunu görebilirsiniz.

Tablo-2

► İlginizi Çekebilir: Bakır Baralarda Mat/Parlak Kalay Kaplamanın Karşılaştırılması

İletkenlerden ve kablolardan oluşan kanallarda olduğu gibi, varsayılan kısa devre akım hesaplamaları ve koruma cihazlarının belirlenmesi de herhangi bir kurulumdan önce yapılmalıdır.

Manyetik Etkilerle İlgili Önlemler

► İletkenlerden yüksek akımların geçmesi, birbirine yakın olan metalik kütlelerde manyetik etkilere neden olur ve bu da malzemelerin zarar verecek düzeyde ısınmasına neden olabilir. Bu nedenle, birkaç kablolama önlemi gereklidir.
► Oluşturulan indüksiyonu azaltmak için, iletkenleri mümkün olduğunca düzenlemek gerekir. İletkenleri bir yonca (trefoil) içine yerleştirmek geçerli bir çözüm.

► Kablo kanalı bölümlerindeki ortaya çıkan önemli ölçüdeki ısınmayı önlemek için, bir iletken çevresinde halka oluşturan parçaların çıkarılması öneriliyor.
► Manyetik halkayı kırmak için bazı bölümler ve aksamlar çıkarılabilir. Isınmaya neden olabilecek manyetik alanları önlemek için tel kablo tepsisini kesmek, ısınmayı azaltacaktır.

Manyetik Döngüler

Manyetik döngülerde oluşan indüksiyonu en aza indirmek için, bir devredeki tüm çalışır durumdaki iletkenlerinin aynı metal bölmelere yerleştirilmesi tavsiye edilir. Böylece akımların vektörel toplamı sıfır olacak ve oluşturulan alanlardan biri de sıfır olacaktır.

Bir akımın bir iletken içindeki dolaşımı, oransal bir H alanı yaratır. Böylece ortamda indüksiyon B oluşur. B'nin değeri H alanının değerine, dolayısıyla akıma ve ortamın veya malzemenin manyetik özelliklerine de bağlıdır. Malzemenin geçirgenliği ne kadar artarsa, alan çizgileri o kadar yoğunlaşır ve indüksiyon o kadar yüksek olur.

Çalışma Akımı ve Gerilim Düşüşü

Prefabrik Bara Kanalı

► Gerekli düşüşleri yapmakta kullanılacak olan bara kanalını seçebilmek ve gerçek akımı hesaplamak için bazı verileri bilmemiz gerekiyor.
► Besleme tipinin türü. 3 fazlı, tek fazlı vb.
► Kanal beslemesinin konfigürasyonu: bir uçtan, her iki uçtan, ortadan, vb.
► Nominal besleme gerilimi
► Kanal tarafından sağlanması gereken yüklerin sayısı, gücü ve cos ϕ değeri,
► Yük eşzamanlılık faktörü,
► Yük kullanım faktörü,
► Besleme noktasındaki varsayılan kısa devre akımı,
► Ortam sıcaklığı,
► Kanaldaki çubukların düzeni (kenarda, düz, dikey).
► 3 fazlı bir besleme için gerçek çalışma akımı, aşağıdaki formülle belirlenir.

I_B= Çalışma akımı (A cinsinden)
P_TOT = Kurulu toplam aktif güç (W (Watt) cinsinden)
Kc = Eşzamanlılık faktörü
Ku = Kullanım faktörü
d = Besleme faktörü, kanal beslemesine göre belirlenir. Kanal bir uçtan beslenirse “1”, her iki uçtan beslenirse “0,5” olarak alınır.
Ue = Çalışma gerilimi (V cinsinden)
cos ϕ = Ortalama güç faktörü

Seçilecek olan bara kanalı, hesaplanan akım değerinin hemen üzerindeki nominal akım değerine göre seçilir.

Joule Etkisinden Kaynaklanan Kayıplar

Joule etkisinden kaynaklanan kayıplar esasen çubukların elektrik direncinden kaynaklanmaktadır. Kaybedilen enerji ısıya dönüşür ve kanalın ısınmasına katkıda bulunur. Bu kaybı hesaplayabilecek formüller üç faz ve tek faz için ayrı ayrı bulunuyor.

Üç faz için: P = 3 × R_t × I_B²× 10⁻³
Tek faz için: P = 2 × R_t × I_B² × 10⁻³

P = Birim uzunluk başına harcanan güç (W/m cinsinden)
R_t = Termal dengede ölçülen faz çubuklarının doğrusal direnci (mΩ / m cinsinden)
I_B= Çalışma akımı (A cinsinden)

Doğru bir hesaplama için, Joule efektinden kaynaklanan kayıplar, dağıtıcılar arasındaki her bölüm için, içinde dolaşan gerçek akım dikkate alınarak hesaplanmalıdır.

Gerilim Düşüşü

Seçilen bara kanalı uzunsa (≥ 100m) gerilim düşüşünü kontrol etmek gereklidir. IEC 61439-6 standardına göre, 3 fazlı kanallardaki gerilim düşüşü aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır.

u = k × √3 × (R × cosϕ + X × sinϕ) × I_B × L

u = Sistem kompozit voltaj düşüşü (V cinsinden)
R ve X = Direnç ve reaktansın ortalamaları, (Ω / m cinsinden)
I_B = Dikkate alınan devrenin akımı (a)
L = Dikkate alınan devrenin uzunluğu (m olarak)
cos ϕ = Dikkate alınan devrenin güç faktörü
k = Yük dağılımı faktörü

Kaynak:

► electrical-engineering-portal.com