Koruma Rölelerinin Gelişimi |
1. Bölüm

İlk devre kesiciler geliştirildiğinde mühendisler, koruma alanında kısa devre arızası oluştuğunda otomatik olarak devreyi kesmenin yollarını aramaya başladılar. İki bölümden oluşacak şekilde planladığımız bu yazı dizimizde, elektrik mühendisliğinin önemli devre elemanı olan koruma röleleri gelişimini inceledik.

A- A+

17.05.2018 tarihli yazı 9103 kez okunmuştur.

Koruma Sistemlerinin Başlangıcı

Devre kesiciler ilk geliştirildiğinde, mühendisler elektrik üretim ve dağıtım bölümlerinde kısa devreler meydana geldiğinde bunların otomatik olarak nasıl engelleneceğini düşünmeye başladılar. Başlangıçta ilk odaklandıkları konu kısa devre akımlarının kesilmesiydi, ancak bu teknik daha sonraları seçici bir biçimde devreye girme gereksinimini karşılamak için değişime uğradı.

Yağ devre kesicilerinin sık sık patlamasıyla ilgili yapılan geçmiş araştırmalar şunu gösterdi ki kesiciler hem arızanın çabucak ortadan kaldırıldığı hem de gecikmenin çok uzun gerçekleştiği durumlarda problem yaşamakta. Ayrıca hata durumlarında, korunan sistemin parçaları çalışmalarını kısıtlayan termal derecelere de sahiptiler.

Birincil Koruma Olarak Eriyen Bağlantı (Fusible-Link)

19. yüzyılın sonunda trafo merkezlerindeki sistemlerin çoğu DC gerilimi ile işletilmekteydi. Jeneratörleri, hatları, motorları ve diğer yükleri aşırı yüklere ve kısa devrelere karşı korumak için eriyen bağlantılar kullanıldı. Sigortalar kurşun, gümüş ve kalaydan yapılırdı. Trafolardaki çalışma gerilimi arttığında, eriyen bağlantılar, operatörleri koruması için porselen ve kil ile kaplanmıştı.

Sigortalar her iki ucundan açıktı ve tüp sigortaları (tube fuses) olarak adlandırıldı. İlk patentler (kurşun alaşımdan oluşan) 1882'de Weston tarafından yayınlandı. 1890 yılında Blathy bölmeli fusible link ve Wurts elektrikli güvenlik sigorta kutusu patentini aldı. 1899 yılında Smith ve Baughman, yeni bir patentle operasyon indikatörü geliştirdiler. Eriyen bağlantı açıldığı anda bunu bildirme işleminin gerçekleştirilmesini sağladılar.

Açma Aygıtından Röleye

Eriyebilir bağlantı, ani kısa devre akımının düşük bir fiyatla kesintiye uğraması gibi çeşitli faydalar sağladı. Dezavantajı ise her işlemden sonra değiştirilmesi gerekiyordu. Bu dezavantajın ortadan kaldırılması, belirlenen tanımlanmış bir akım seviyesine gelindiğinde açma işlemini gerçekleştirecek devre kesiciye bir ölçüm elemanı eklenmesiyle mümkün olmuştur.

1900 yılında Paris'teki Dünya Ticaret Fuarı'nda alman Helios von Froitzheim şirketi bir yüksek gerilim devre kesicinin 3000 kVA gücündeki bir makineyi nasıl kesebileceğini gösterdi. Ark söndürücü bir hava patlamasıyla gerçekleştirildi. Alman şirketin ortaya koyduğu tasarımda sistemin içerisindeki mıknatıs bir aşırı akım durumunda bir mandal açar ve sakızdan yapılmış bir tüpün içinden hava püskürtülür. 1900’lerdeki çoğu devre kesicisi, enerji depolanmış yayı çalıştırma mekanizmasına sahip yağ dolu kesicilerdi.

Amerika Birleşik Devletleri'nde bu zamana kadar, devre kesici olarak seri bağlanan iki ana model üzerinde yoğunlaşma vardı. Biri hat veya motor açmak için diğeri ise cihaz açmak için. İki farklı tür kesici modeli için bu gereklilik 1901'de ABD'de Emmet & Hewlett ve Almanya’da Vogelsang, M. tarafından yağ devre kesici devrelerle tekrardan yeni bir çözüme kavuşturuldu.

Bu aşamada açma cihazları (ölçüm değerlerini doğrudan kullanarak) ve röleler (akım trafolarına bağlanmıştır) sadece akımları ölçüyordu. Açma cihazları yüksek voltaj seviyelerinde çalıştırılıyor ve devre kesicilerin burçlarına takılıyordu. Akım bobininin dönüşü doğrudan korunan devreyi göstermekteydi.

►İlginizi Çekebilir: Buchholz Rölesi Nedir?

Bu cihazlar birincil açma cihazlarıydı , mekanik veya elektriksel olarak çalıştırıldılar. Akımın tek başına bir arıza göstergesi olmadığı açıktı ve bunun sonucu olarak artan akımla beraber açma zamanının (tetikleme zamanı) azaldığı zaman röleleri geliştirildi. Bu tür cihazlar için prosedür olarak indüksiyon prosedürü kullanılmıştır.

►İlginizi Çekebilir: Mekanik Devre Kesici- MCB ve Termik Manyetik Şalter-MCCB Nedir?

Bimetal şeritten oluşan termal röleler 1920'lerde kullanılmaya başlandı. Bu röleler termal koşullara kolayca uyum sağladığından aşırı termal yüklere karşı oldukça faydalıydılar. Avrupa'da ilk aşırı akım röleleri ve açma cihazları, eriyebilir bir bağlantının karakteristik eğrisini elde etmek için geliştirilmiştir. Zaman rölelerini kullanmanın dezavantajı, açma süresinin kullanılan jeneratörlerin sayısına ve gücüne bağlı olmasıydı. Bu cihazlar için açma süresi akımla ters orantılı değildi. Ama hızlıydılar. Bu durum küçük seçici zaman aralıklarına ve koruma seçiciliği eksikliğine neden oldu.

Gerekli zaman aralığı 0,5 ila 1,5 sn iken gerçek röle açma süresi 0.1-0.2 saniyeye kadar düşmekteydi. Kısa devre akımları ile seçicilik elde etmek için zaman gecikmeli röle geliştirildi. IT aşırı akım röleleri akım seviyesine bağlı olmayan sabit bir gecikme süresi sağladı. Bu röleler sabit bir zaman için iletim hatları ve transformatörler için ayar ve koruma şemaları oluşturulmasına imkan sağladı. Fakat 0.1-0.2 sn açma süresine sahip zaman gecikmesine sahip olmayan röleler jeneratörler için IT rölelerinden daha uygundu. Stillwell 1899 yılında daha sonra Almanya’da kullanılan bir zaman rölesinin patentini aldı.

O dönemin özel bir konusu yağ devre kesicileriydi. 1919'da devre kesiciler için yayınlanan bir koruma şemasında gecikme zamanı 1 sn olarak belirlenmişti. 1 sn olarak önerilmesinin nedeni ise motorların dönüş hızlarındaki düşüşü önlemek. 3 fazlı koruma sistemleri için ilk çözüm, akım tarafından hareketlendirilen iki adet indüksiyon kupası kullanılarak üretildi. Zaman gecikmesi, deriden yapılan bir kancalı hava süspansiyonu ile elde edildi.

Sabit bir zaman gecikmesi elde etmek için zamanlama elemanı bir mekanik zamanlayıcıdan, bir yağ şişesinden veya bir deriden oluşuyordu. Bir arıza durumunda, bir elektromıknatıs yayı tetikler. Şimdiye kadar kullanılan aşırı akım rölelerinin tipleri Tablo 1'de gösterilmiştir. M. Vogelsang, 1904'te ilk sıfır gerilim açma cihazını , AEG ise 1906'da yüksek voltajlı devre kesiciler için 3 fazlı bir sıfır gerilim rölesini geliştirdi.