Orta gerilim şalt tesislerinde elektrik arızalarının yaklaşık %5 ini ark arızaları oluşturur. Alçak gerilim ve orta gerilim şalt tesislerinde ark arızalarının oluşma olasılığı yıl başına %0,013 [1] olmasına rağmen, bu arızaların ölümcül sonuçları nedeniyle alçak gerilim ve orta gerilim panoları aşağıdaki standartları sağlamalıdır.


► IEC 60364-4-42 / Alçak gerilim panoları
► IEC 61936-1 / Orta gerilim panoları
 

Ark arızası, iki faz arasında veya faz ve toprak arasında gerilim farkı oluşması sonucunda boşluktaki gazların direncinin bozulması ile büyük bir enerji akışının oluşmasıdır. Ark arızası sonucunda oluşan akıma ark akımı denir. Ark arızaları; ark akımının izleyeceği yola göre seri ve paralel ark arızaları olarak sınıflandırılır (Şekil -1).

Seri ark arızaları, iletkende kopmalar veya aynı iletken hat üzerindeki bağlantı gevşemeleri sonucunda oluşur ve düşük akım ve güç değerlerine sahiptir. Seri ark durumunda devreye seri bağlı yükler akımı sınırlamaktadır. Düşük ark akımı sebebi ile tespiti zor olan seri ark arızaları, oldukça yüksek bir yangın riskine sahiptir ve genellikle paralel bir ark ile sonuçlanır. Buna karşılık, paralel ark arızaları, kısa devre akımları mertebesinde yüksek ark akımı ve güç değerleri ile sonuçlanır. Personel üzerinde ciddi yaralanmalar ve hayati tehlike gibi olumsuz sonuçlara ve güç sisteminde kullanılan ekipmanlar üzerinde onarılamaz ve yıkıcı etkilere sebep olabilmektedir. Tüm ark arızalarının yaklaşık %95'i paralel ark arızaları veya paralel ark arızalarına dönüşen seri ark arızalarından oluşmaktadır [2].

Şekil 1: Ark arızası çeşitleri ve tipik karakteristikleri

Orta gerilim ve alçak gerilim panolarında iç ark arızası olarak da adlandırılan ark arızalarının oluşma nedenleri aşağıdaki gibi özetlenebilir.

► Tasarım ve montaj hataları (Yalıtım seviyesinin doğru belirlenmemesi, koruma cihazlarının ve mesafelerin yanlış seçilmesi, kablo bağlantıların uygun bir şekilde yapılmaması)
► Dağıtım panosunun içine giren küçük hayvanlar ve diğer yabancı cisimler (Unutulmuş aletler)
► Kullanım hataları (Operasyon ve bakım sırasındaki uygunsuz değişiklikler)
► Eskime, aşınma ve çevresel etkiler (Korozyon, toz, nem, kirlilik)

 

Elektrik güç sistemlerinde ark koruması için uluslararası özel bir standart bulunmamakla birlikte yakın gelecekte ark korumasına yönelik özelleşmiş standartların hazırlanması beklenmektedir. Buna karşın, ark arızalarını dolaylı konu edinen uluslararası normlar:

► IEC 62271-200, Yüksek gerilim şalt tesisleri bölüm 200: 1 kV'un üzerinde ve 52 kV'a kadar (52 kV dahil) anma gerilimleri için AC metal muhafazalı şalt tesisleri “İç ark arızalarının oluşmasını önlemeyi amaçlamaktadır. Hataların büyük olasılıkla meydana geldiği konumlarını listeler. Ayrıca, arıza nedenlerini ve arıza olasılığını azaltmak için olası önlemleri açıklar.”

► IEC TR 61641, Alçak gerilim şalt tesisleri “İç arızalar sonucunda ortaya çıkan ark arızalarının test etme kılavuzunu içerir”

► IEEE Std 1584, Ark patlaması hesaplamaları için IEEE Kılavuzu “Güvenlik odaklı bir kılavuzdur. Çalışanların elektrikli ekipman üzerinde veya yakınında çalışmaları sırasında maruz kalabilecekleri enerjinin belirlenmesinde ve ark parlaması tehlike mesafesinin tespitinde uygulanacak teknikleri sağlar.”

► NFPA 70E, İşyerinde Elektrik Güvenliği Standardı, NFPA (Ulusal Yangından Korunma Derneği) “Çalışanların pratik olarak korunması için elektrik güvenliğiyle ilgili iş uygulamalarını, güvenlikle ilgili bakım gerekliliklerini ve diğer idari kontrolleri ele alır.”

► IEC 61482-1, Gerilim Altında Çalışma-Elektrik Arkının Isıl Tehlikelerine Karşı Koruyucu Giysiler “Elektrik arkının ısıl tehlikelerine karşı koruyucu giyeceklerin özellikleri ve test yöntemleri açıklanmaktadır.”

 

Bir ark arızası için pratikte pasif ve aktif ark koruma olarak ayrılan iki temel ilke mevcuttur.

Pasif koruma, herhangi bir zamanda bir ark arızasının meydana gelme olasılığının en aza indirildiği veya bir ark arızasının ortaya çıkmasının önlenebileceği anlamına gelir. Pasif koruma konsepti, SIVACON S8 gibi alçak gerilim panolarında sıklıkla uygulanır.

Aktif koruma son yıllarda giderek daha da fazla uygulanmaktadır. Aktif koruma prensibi, bir ark arızasının meydana gelebileceğini ve sonucunda oluşacak hasarın boyutunu en aza indirmek için mümkün olan en kısa sürede, yani birkaç milisaniye içinde aktif araçlarla ark arızasının tespit edilmesi ve söndürülmesi gerektiğini varsayar. Siemens'te aktif ark arızası koruma sistemleri, hem alçak gerilim panolarında (SIVACON S8) hem de hava yalıtımlı orta gerilim panolarında (NXAIR) kullanılmaktadır.

Şekil 2: Ark koruma konseptine genel bakış

 

Alçak ve orta gerilim panoları ark arızasına mekanik olarak dayanacak şekilde tasarlanmalı ve test edilmelidir. Ayrıca, pano içindeki arkın muhafaza edilmesi ve ark sonucu ortaya çıkan basınçlı gazların güvenli bir alana yönlendirmesi gerekmektedir. Pasif çözümler ayrıca; yalıtımlı baralar, bölmeler arasında ayırma ve ark korumalı bölgelerin oluşturulması gibi ark sonucunda patlama olasılığını azaltmak için ortaya çıkan tasarımları içerir.

Pasif ark arızası koruması prensibi, alçak ve orta gerilim şalt sisteminin mekanik tasarımına dayanmaktadır. Sağlam tasarım, kapalı ve kilitli kapılarla şalt tesisinin önünde duran bir kişinin, ekipmanın içinde bir ark arızası oluşması durumunda yaralanma riskini azaltır.
 

Temel ilke; ark arızası sırasında ortaya çıkan enerjinin (bir elektrik ark olayı sırasında üretilen termal enerji miktarı) sınırlandırılmasıdır. Şalt tesisinin, oluşacak hasarı ve arızanın personel üzerindeki etkilerini azaltmak için cihaz ve çözümlerle donatılmasıdır.

Bir ark arızası meydana geldiğinde, oluşan ark enerjisi ark akımının büyüklüğü ve arıza temizleme süresi ile orantılıdır. Ark enerjisinin büyüklüğü, ekipman üzerinde oluşacak hasar ve personel üzerindeki etkileri doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle ark arızası en kısa sürede algılanmalı ve arızanın konumu net bir şekilde tespit edilmelidir. Yanlış algılama gereksiz duruşlara yol açacaktır. Aktif ark arızası koruma sistemlerinin doğru çalışması için iki kriter gereklidir:

► Işık/Basınç kriteri: Bir ark arızası oluştuğunda, optik/basınç algılama sensörü tarafından ışık/basınç algılanır.

► Akım kriteri: Akım trafoları keskin bir akım artışı kaydeder.


İç ark arıza cihazının bir ark arızasını tespiti ve bir açma başlatması gerekiyorsa, her iki kriterin de karşılanması gerekmektedir. Ark arızası durumunda, öncelikle optik sensörler pano içerisindeki ışığı algılar ve koruma sürecini tetikler. İstenmeyen enerji kesintileri yaşamamak için birinci kriterin doğrulanması gerekmektedir. Bu nedenle, kesiciye açma sinyalini göndermek için koruma rölesinin hata akımını algılaması ve iki kriterinde sağlandığının teyit edilmesi güvenilirliği arttırmak için gerekmektedir (Şekil-3).
 

Şekil 3: Aktif ark arızası koruma prensibi

 

Ark enerjisi, enerjisi, bir ark arızası oluştuğunda hasarın olası büyüklüğünü belirler. Ark süresi de ortaya çıkacak enerjinin büyüklüğünü belirleyen en önemli faktördür. Ark arızasının, basınç ve sıcaklık artışı olmak üzere iki önemli sonucu vardır (Şekil-4). Malzeme yangınını önlemek için ark arızası yaklaşık 50 ms içerisinde sönümlenmelidir. Şalt tesisinin basınca dayanımı ve uygun basınç tahliye sistemi sönümlenmenin gerçekleşmesi için gereklidir.
 

Şekil 4: Bir ark  arızasının sonuçlarının zamana bağlılığı

Bir ark arızası durumunda, açma süresini daha da azaltmak ve bunun sonucunda oluşan güçlü basınç artışını önlemek için özel bir ark söndürme cihazı tercih edilebilir. Orta gerilim şalt tesislerinde birkaç milisaniyede ark arızası sönümlendirilebilmektedir. Aşağıda ark sönümleme cihazı kullanılmış ve kullanılmamış bir orta gerilim panosunda, ark arızasının fiziki sonuçları net bir şekilde görülebilir.




 

   Ark Sönümleli Pano                             Ark Sönümlemesiz Pano

 
Ark sönümleme sistemi kullanılmamış sistem kullanılamaz hale gelmiş iken, kullanılan sistem kısa süre içinde tekrar çalışmaya devam edebilecektir. Ark sönümleme sistemleri ile ark arızaları başlangıcından itibaren 5 milisaniye içinde söndürülebilmektedir. Sistemin çalışma hiyerarşisinde, ark flaş koruma rölesi ark arızasını algılar ve aynı zamanda ark söndürme sistemini tetikler ve arızayı besleyen devre kesiciyi açar. Kontrol cihazı, ark söndürme mekanizmasını tetikleyerek, ark akımının akması için düşük empedanslı bir paralel yol oluşturur. Bu sayede ark akımı sönümlendirilmektedir.



Sonuç:


Ark süresinin minimize edilmesi, orta gerilim ve alçak gerilim panolarında yüksek güçlü ark arızaları sonucu ortaya çıkan ark enerjisinin dolayısı ile ölümcül risklerin azaltılması için en etkin yöntemdir. Sonuç olarak ark koruma ve sönümleme sistemleri ark arızalarının etkilerini önemli ölçüde azaltabilir. Mümkün olan en iyi koruma, elektrik dağıtım sisteminin ve tüm ekipmanlarının entegre olduğu bütüncül bir çözümle ortaya çıkacaktır. Personelin korunması, işletme sürekliliği ve ekipmanların korunması önceliklerimiz olmalıdır.

Kaynakça

[1] 2017, CIGRE WG B3.37, Mitigating the effects of arcs in M. V. Switchgear
[2] 2014, P. Müller, University of Stuttgart, dissertation: Detektion von strom-schwachen Störlichtbögen in Nieder-spannungsschaltanlagen (Detection of low-current arc faults in low-voltage switchboards)
[3] 2019, Siemens AG, Article No. EMMS-B10128-00-7600, SIQuench: Arc quenching device for medium-voltage switchgear