İş Güvenliğinde Ark Flaş Simülasyonlarının Önemi ve Gerekliliği

Dijitalleşmenin hayatımızın her alanına fayda sağladığı günümüzde, enerjili tesislerde çalışanlar için iş sağlığı ve güvenliği konusunun bundan ayrı kalması düşünülemez. Bu makale, ark flaş tanımını ve insan sağlığı üzerindeki etkilerini; elektrik iş güvenliği teçhizatının seçiminde hangi kriterlerin yer aldığını; ark flaş analizlerinde gerçekleştirilmesi gereken temel aşama ve simülasyonları genel bilgi olarak açıklamak üzere, bu özgün mühendislik çalışmasının ülkemizdeki öncüsü olan Siemens Türkiye Uluslararası Güç Sistemleri mühendislik bölümünün katkıları ile tarafından hazırlanmıştır.

A- A+

01.02.2019 tarihli yazı 10383 kez okunmuştur.

Siemens Ark Şalt Pano İş Güvenliği İş Sağlığı Güvenlik

Ark Flaş Nedir?

Bir şalt cihazının iki fazı arasında veya faz ve toprak arasında gerilim farkı oluştuğunda, bu fark boşluktaki gazların direncinin bozulmasına yol açar ve ark flaş olarak adlandırılan büyük bir enerji akışının oluşmasına sebep olur. Ark oluştuğunda, ortaya çıkan ısı nedeniyle çevre gazları aniden genişler. Sıcak gazların bu şekilde genişlemesi patlama aralığı içerisinde yangınlara ve personelin zarar görmesine neden olabilir. Ark anında çok parlak bir ışık ve 20.000^°C’ye kadar çıkabilecek ısı açığa çıkmaktadır. Arkın ısı ve ışık etkisinin yanı sıra metallerin eriyerek buharlaşması sonucunda yüksek basınçla bir patlama meydana gelmektedir.

Patlama sonucunda ortaya çıkan yüksek ısıya bağlı yanıklar, patlamanın basınç etkisi ve etrafa dağılan materyaller nedeniyle ark flaş patlamaları çok ciddi bir tehlike oluşturmaktadır. Ark flaş, can güvenliği açısından oluşturduğu büyük riskin (ölümcül kazalara) yanı sıra ortaya çıkabilecek yangın nedeniyle ciddi kazalara sebep olabilmektedir.

Şekil 1: Ark flaş anı

Ark flaşın insan hayatı üzerindeki önemini ve etkilerini aşağıdaki şekilde özetlemek mümkündür:

Ark Flaş’ın ısıl ve ışık etkisi nedeniyle;

► Yüksek ısı nedeniyle metal erimesi
► İnsan bedeninde yüksek derecede yanıkların meydana gelmesi
► Görme organında belirli bozukluklar, görme kayıpları

Ark Flaş’ın yüksek basınç etkisi nedeniyle;

► Yüksek basınçlı patlama etkisiyle beyin fonksiyonlarındaki anlık veya uzun süreli kayıp
► Duyma kayıpları
► Patlama etkisiyle şarapnel saçılımı nedeniyle yaralanmalar

Şekil 2: Ark flaşa maruz kalan çalışan

Ark Flaş İle İlgili Standartlar

Ark flaş etkisi, alçak, orta, yüksek ve çok yüksek gerilim seviyelerinde gerçekleşebilir. Koruma ekipmanlarını seçerken uluslararası standartlara bağlı olarak çalışan yazılımlar üzerinde simülasyonlar gerçekleştirmek, seçilen ekipmanların koruma sınıfının belirlenmesinde kritiktir. Aynı zamanda bu konunun işletme çapında bir felsefe olarak içselleştirilmesi, gerekli eğitimlerin verilmesi, uyarı etiketlemelerinin uygulanması ve çalışma mesafelerine riayet edilmesi gereklidir. Ark flaş analizi çalışmaları için literatürdeki başlıca standartlar aşağıdaki gibidir:

► NFPA 70E: Standard for Electrical Safety in the Workplace, 2015 (National Fire Protection Association): Çalışma alanlarında elektriksel güvenliğin sağlanması için kullanılan standarttır. Bu standartta ark flaş risk kategorisine göre kullanılması gereken kişisel koruma ekipmanlarının ve kişisel koruma kıyafetlerinin tanımı/kategorizasyonu yapılmaktadır.

►IEEE C2-2017 - 2017 National Electrical Safety Code(R) (NESC(R)): Devreye alma, bakım ve işletme esnasında meydana gelebilecek ark etkilerine karşı temel önlemleri ve kuralları anlatır.

► IEEE 1584: IEEE Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations, 2002 (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Ark flaş analizlerinde kullanılan hesaplama metotları, ekipmanlara ait ark flaş enerji seviyelerinin nasıl hesaplanması gerektiği ve buna bağlı olarak ark flaş tehlike seviyesi sınırlarını belirten standarttır. Bu standartta üç faz güç sistemlerinde ark flaş enerjisi ve limit uzaklık değerleri yardımıyla ark flaş kategorisinin belirlenmesine yardımcı olacak metot ve hesaplama yaklaşımları yer almaktadır.

IEEE 1584’te tanımlı deneysel modeller ve denklemler gerilim seviyesi 208V ile 15kV arası güç sistemleri için kullanılabilmektedir. Gerilimin 15 kV’dan yüksek olduğu ve/veya mesafe belirtilen açıklıklar dışında değere sahipse (bkz. Tablo 1) Ralph Lee metodu kullanılır.

Tablo 1: IEEE 1584 standardı ampirik metodunun uygulanabilirlik alanı [1]

Ark Flaş Analizi Aşamaları

Ark flaş analizlerinde aşağıda belirtilen adımlar üzerinden ilerlenir:

Adım 1: Sistem Verilerinin Toplanması

Ark flaş analizlerinin başlangıç aşaması saha verilerinin toplanmasıdır. Yapılan çalışma ile sahada bulunan transformatör, generatör, motor, elektrik panoları gibi sistem elemanlarının etiket bilgileri ile oluşturulan tek hatta, koruma elemanları da (röle/şalter vb) eklenerek bu elamanlara ait koruma ayar değerlerinin toplanması gerekmektedir.

Şekil 3: Saha verilerinin toplanması

Adım 2: Sistem İşletme Senaryolarının Belirlenmesi

Sistemin birçok çalışma senaryosu olabileceğinden ve buna bağlı olarak ark enerji seviyesi değişeceğinden, tüm çalışma senaryoları önceden belirlenmelidir ve tanımlanmalıdır. Ayrıca her gerilim seviyesi için faz arası bara açıklıkları belirlenmelidir. IEEE 1584 standardında verilen örnek değerler Tablo 2’de verilmiştir.

Tablo 2: Ekipman sınıfları ve tipik bara açıklıkları [1]

Ark flaş koruması her zaman çalışma mesafesindeki kişinin yüz ve vücudundaki enerji seviyesine bağlıdır. Yanık durumlarında yaralanmanın derecesi yaralanmaya maruz kalan kişinin derisinin yanma miktarına bağlıdır. Tablo 3’de IEEE standardına göre tipik çalışma mesafeleri verilmiştir.

Tablo 3: Ekipman sınıfları ve tipik çalışma mesafeleri [1]

(*) Tipik çalışma mesafeleri, ekipmanın önünde duran çalışan ile ekipman içindeki ark kaynağı arasındaki mesafedir.

Adım 3: Arıza Akımlarının Belirlenmesi

Kısa devre analiz programları yardımıyla (Ör. PSS Sincal) sahadan toplanmış olan tüm veriler (yazılım üzerinde) modellenir ve her bir bara ve her bir işletme senaryosu için arıza akımlarının seviyeleri belirlenir. Ark flaş analizleri kesinlikle yalnızca maksimum kısa devreyi verecek senaryolarda değerlendirilmemeli, aynı zamanda minimum faz kısa devre akımını verecek işletme senaryoları da dikkate alınmalıdır. Ark akımı kısa devre akımından daha düşüktür ve minimum ark akımı oluştuğunda, minimum kısa devre akımına bağlı olarak belirlenmiş koruma değerlerinin dahi kör kalma riski vardır. Koruma eşik değerinin altında oluşacak minimum ark akımı, uzun açma sürelerine bağlı olarak (Maksimum duruma kıyasla) daha yüksek enerji oluşturabilmektedir.

Şekil 4: PSS Sincal yazılımı üzerinde modellenmiş tek hat şeması

Adım 4: Ark Akımının Belirlenmesi

İlgili bara ve girişinde bulunan koruma ekipmanın üzerinden geçen ark akımının hesaplanması gerekir. Ark arıza akımı, yazılım vasıtası ile 3 faz simetrik kısa devre arıza akımı kullanılarak hesaplanır ve üzerinde çalışılan ekipmana dair ark akımı IEEE-1584 Bölüm 5.2 ve NFPA-70E EK D’de belirtilen aşağıdaki ampirik formülden çıkartılır.

► 1000 V ve altı için;

log I_a= K+0.662log I_bf 0.996 V+0.000526 G+0.5588 V(log I_bf) - 0.00304 G(log I_bf) (1)

► 1000 V ve üzeri için;

log I_a=0.00402 + 0.983 log I_bf(2)

Burada log, 10’luk tabandaki logaritma anlamındadır.

I_a   ark akımı (kA)

K   - 0.153, open box konfigürasyon için
- 0.097, box konfigürasyon için

I_bf  Etkin arıza akım (simetrik 3 faz r.m.s) (kA)

V Sistem gerilimi (kV)

G İki iletken arası mesafe (mm) (Bkz Tablo 2)

Adım 5: Koruma Ekipmanı Karakteristiği ve Ark Süresinin Bulunması

Koruma ekipmanlarına ait verilerin girişi için yazılımda ayarları da modellenmiş olan koruma ekipmanlarından faydalanılır. Her bir röle/şalter için minimum ve maksimum ark durumuna göre ark temizleme süresi tespit edilir. Birden fazla girişin olduğu baralarda koruma ekipmanları için toplam temizleme süresine ve kısa devre katkısına bağlı olarak toplam enerjinin dikkate alınması gerektiği unutulmamalıdır.

Adım 6: Tüm Ekipmanlar için Arıza Enerjisinin Belirlenmesi

Ark akımları ve temizleme zamanları belirlendikten sonra ark flaş enerjisi (Ampirik Metot) IEEE-1584 Bölüm 5.3 ve NFPA 70-E EK D’de belirtildiği üzere aşağıdaki şekilde hesaplanır:

log En =K₁+K₂+1.081 log I_a + 0.0011 G (3)

E_n Zaman ve mesafeye göre düzeltilmiş enerji

K₁ -0.792, açık işletmeler (muhafaza yok)

-0.555, kapalı işletmeler (muhafazalı)

K₂ 0, topraksız ya da yüksek dirençli topraklama sistemleri

-0.113, topraklı sistemler

I_a ark akımı (kA)

G   pano içerisinde iki iletken arası mesafe (bara açıklığı) (mm) (Bkz. Tablo 4)

En = 10^logE_n

Son olarak,

E= 4.184 C_fEn  (t/0.2) (6 10^x / D^x) (4)

E Hesaplanan ark flaş enerjisi (J/cm²)
C_f        1, 1kV üzeri sistemlerde
1.5, 1kV ve altı sistemlerde

t   ark süresi (sn)

D   Muhtemel ark noktasından personele olan uzaklık (çalışma mesafesi) (mm)

X Mesafe katsayısı (Bkz. Tablo 4)

Tablo 4: Sistem gerilimi ve ekipman tipine bağlı iletkenler arası tipik açıklık ve mesafe faktörü [1]

Gerilimin 15 kV’dan yüksek olduğu ve/veya mesafe belirtilen açıklıklar dışında değere sahipse (bkz. Tablo 1) Lee metodu kullanılır. Bu metoda göre ark flaş enerjisi:

E = 2.142 * 10⁶ V I_bf(t/D²) (5)

E Hesaplanan ark flaş enerjisi (J/cm²)

V Sistem gerilimi (kV)

I_bf Etkin arıza akım (simetrik 3 faz r.m.s) (kA)

t ark süresi (sn)

D Muhtemel ark noktasından personele olan uzaklık (mm)

15 kV üzeri gerilim seviyelerinde ark flaş akımının, etkin arıza akıma eşit olduğu kabul edilir.

Ark flaş enerjisi ark akımının 100% ve 85% varsayıldığı durumlar için hesaplanır. Bu iki değer karşılaştırılır ve büyük olan nihai ark enerjisi olarak değerlendirilir. Ark akımının küçük olmasına rağmen daha yüksek enerji çıkarabilme durumu, koruma rölesi ya da şalterin ani set değerine ulaşmayacak bir ark akımının oluşması ve buna bağlı olarak temizleme süresinin artması durumunda oluşur.

Adım 7: Tüm Ekipmanlar için Ark Koruma Limit Uzaklıklarının Belirlenmesi

Ark flaş koruma sınırını belirlerken, oluşacak enerjiyi bulmak için yapılan hesaplamalarda ark kaynağından itibaren ikinci derece yanık oluşabilecek bir mesafe dikkate alınır. Enerji, 2. seviye bir yanık oluşturabilecek minimum seviyenin altında tutulmalıdır. Ark flaş koruma sınırında bu enerji 5,0 J/cm²’dir (1,2 cal/cm²).

► IEEE Standardı 1584’e [1] göre limit uzaklık hesaplamasında, ampirik hesaplama modeli için:

D_B= [ 4.184 C_fEn (t/0.2) (6 10^x / E_B) ] ^1/x (6)

► Lee metodu için:

D_B= √(2.142*10⁶ V I_bf (t/E_B ) ) (7)

formüllerinden faydalanılır.

D_BArk noktasından limit uzaklık (mm)

C_f Gerilime bağlı düzeltme katsayısı
1.0 , 1 kV’dan büyük gerilim seviyeleri için, ve
1.5 , 1 kV ve altı gerilim seviyeleri için

E_n Zaman ve mesafeye göre düzeltilmiş enerji

E_B Limit uzaklıktaki ark enerjisi (J/cm²) (*)

t ark süresi (sn)

x Mesafe katsayısı (Bkz. Tablo 4)

I_bf Etkin arıza akım (simetrik 3 faz r.m.s) (kA)
(*)

E_B korumasız vucut için 5.0 J/cm²

Gerek minimum ve maksimum kısa devre akımlarının belirlenmesi, gerekse pratikte hesaplaması zor olan ampirik formüllerin uygulanmasında simülasyon yazılımları kolaylık sağlamaktadır.

Şekil 5: PSS Sincal yazılımı üzerinde ark flaş sonuçları

Adım 8: Ark Flaş Seviyelerinde İyileştirmeler

Ark flaş analizleri, nihayetinde ortaya çıkacak enerjiyi ve buna bağlı olarak giyilmesi gereken koruma kıyafetlerini, tanımlı çalışma mesafelerine bağlı olarak ortaya koyar. Bu analizler sonuç olarak bırakılmamalı ve eğer fırsat varsa mühendislik gözü ile ark flaş kategorisi düşürülmelidir. Bu sebeple, ters zamanlı aşırı akım korumaya kalmış (Ani değeri başlatma almamış) olan koruma ekipmanlarının ayar parametreleri düzeltilmeli ve yeni parametrelerden sonra ark flaş analizi tekrar edilmelidir. Revize edilmiş parametreler aynı zamanda trafo enerjilendirmelerine ve motor kalkışlarına müsade etmeli, sistemin nominal şartlarda açma yaşamasına sebep olmamalıdır. Bu da, ark flaş analizi çalışmasının aynı zamanda röle koordinasyon uzmanlığı gerektirdiğini gösterir.

PPE (Koruma Güvenlik Kıyafetleri) Derecelendirilmesi

Analiz sonuçları bize enerji, temizleme süresi ve ark akımı yanında NFPA 70E standartına göre ark flaştan korunmak üzere giyilebilecek kişisel koruyucu kıyafetleri de vermektedir. Bunlar 4 sınıfta yer alır. Bu sınıflandırmada 1 en düşük seviyede iken 4 en yüksek seviyededir. Bu bölümde NFPA 70 E’de belirtildiği şekilde seviyeler açıklanmıştır. Dikkat edilmesi gereken nokta, bu seviyelerdeki koruma güvenlik kıyafetlerinin bir önceki bölümde tanımlanan gerekliliklerin yerini tek başına almadığıdır (Tanımlanmış gerilim ve hesaplanan enerji seviyesine uygun kıyafetlerin giyilmesi ve çalışma mesafelerine riayet edilmesi). Aşağıdaki tabloda her bir kıyafet sınıfı için dayanması gereken minimum enerji seviyesi belirtilmiştir. Örneğin PPE 1 sınıfındaki koruyucu kıyafetler en azından 16,74 J/cm^² enerjiye dayanıklı olmalıdır ve tercihen daha yüksek enerjiye de dayanıklı olabilir.

Tablo 5: Çalışanlar İçin Güvenlik Gereksinimleri [2]

Aşağıdaki tanımlar NFPA 70E verilerine en yakın ve ilgili açıklamaları içermektedir.

PPE Seviye 1 – Bu PPE seviyesi kıyafetleri enerji seviyesinin 4 cal/cm²'ye kadar olan lokasyonlarda giyilir. NFPA 70 E’ye göre bu PPE seviye şunları kapsar:

► Koruma kıyafetleri (minimum 4 cal/cm² için):
► Uzun kollu üst ve uzun pantolon ya da tulum
► Yüz koruması veya flaş koruma başlığı
► Ceket, parka, yağmurluk
► Koruma ekipmanları:
► Baret
► Güvenlik gözlüğü
► Duyma koruma (kulak kanalına giren)
► Koruma eldiveni
► Deri çalışma ayakkabısı

PPE Seviye 2 – Bu PPE seviyesi kıyafetleri enerji seviyesinin 4 ila 8 cal/cm² arasında olduğu lokasyonlarda giyilir. NFPA 70E’ye göre bu PPE seviye şunları kapsar:

► Koruma kıyafetleri (minimum 8 cal/cm² için):
► Uzun kollu üst ve uzun pantolon ya da tulum
► Flaş koruma başlığı veya yün başlık
► Ceket, parka, yağmurluk
► Koruma ekipmanları:
► Baret
► Güvenlik gözlüğü
► Duyma koruma (kulak kanalına giren)
► Koruma eldiveni
► Deri çalışma ayakkabısı

PPE Seviye 3 – Bu PPE seviyesi kıyafetleri enerji seviyesinin 8 ila 25 cal/cm² arasında olduğu lokasyonlarda giyilir. NFPA 70E’ye göre bu PPE seviye şunları kapsar:

Koruma kıyafetleri (minimum 25 cal/cm² için):

► Uzun kollu gömlek
► Pantolon
► Tulum
► Ceket
► Ark seviyeli ark flaş ceketi
► Ark seviyeli ark flaş pantolonu
► Ark seviyeli ark flaş başlığı
► Eldiven
► Ceket, parka, yağmurluk

Koruma ekipmanları:

► Alev seviyeli başlık (Hard hat liner)
► Güvenlik gözlüğü
► Duyma koruma (kulak kanalına giren)
► Deri çalışma ayakkabısı

PPE Seviye 4 – Bu PPE seviyesi kıyafetleri enerji seviyesinin 25 cal/cm² ve üzeri olduğu lokasyonlarda giyilir.

NFPA 70 E’ye göre bu PPE seviye şunları kapsar:

► Koruma kıyafetleri (İlgili enerji ve gerilim seviyesine göre):
► Uzun kollu gömlek
► Pantolon
► Tulum
► Ceket
► Ark seviyeli ark flaş ceketi
► Ark seviyeli ark flaş pantolonu
► Ark seviyeli ark flaş başlığı
► Eldiven
► Ceket, parka, yağmurluk
► Koruma ekipmanları:
► Alev seviyeli başlık (Hard hat liner)
► Güvenlik gözlüğü
► Duyma koruma (kulak kanalına giren)
► Deri çalışma ayakkabısı

Yurt içi ve yurt dışındaki birçok kritik tesiste gerçekleştirilmiş ark flaş analiz referansları ile Siemens Türkiye PTI, mühendislik ve dijital çözümleri birleştirerek müşterilerine iş güvenliği koruma ekipmanları seçiminde yol göstermekte, aynı zamanda yüksek nitelikli danışmanlık hizmeti vermeye devam etmektedir.

Kaynak:

►IEEE 1584, IEEE Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations, 2002
►NFPA 70E, Standard for Electrical Safety in the Workplace, 2015
►NESC C2-2017 National Electrical Safety Code