Kısa devre akımı altında switchgear için koşul oluşturmak

Anahtarlama Ekipmanlarında Akım Akışının Oluşumu ve Ön Vuruş Fenomeninin Ayrıntılı Açıklaması
Anahtarlama ekipmanlarında, özellikle devre kesiciler (CB) ve yük kesme anahtarları (LBS)’de, akım akışı, kontakların kapanmaya başladığında elektrik arkının başlatılması sürecine atıfta bulunur. Bu süreç, kontakların fiziksel olarak temas etmesiyle tam olarak başlamaz, ön vuruş adı verilen bir fenomen nedeniyle birkaç milisaniye önce başlayabilir. Aşağıda bu fenomenin ve etkilerinin ayrıntılı açıklaması bulunmaktadır.
1. Ön Vuruş: Kontaklar Dokunmadan Önce Arkın Başlatılması
•    Dielektrik Bozulma: Kontaklar kapanma işlemi sırasında birbirlerine yaklaşırken, aralarındaki yalıtım ortamı (örneğin hava, SF6 veya vakum) dielektrik bozulmayı yaşar. Bu, kontaklar arasındaki boşlukta elektrik alanın kontakların birbirine yaklaştıkça artması nedeniyledir. Alan şiddeti yalıtım ortamının dielektrik gücünü aştığı anda, boşluk bozulur ve anahtarlama arki başlatılır.
•    Elektrik Alanının Oluşumu: Kontaklar birbirlerine doğru hareket ederken, aralarındaki elektrik alanı oluşur. Bu alan, kontaklar arasındaki gerilimle orantılıdır ve kontaklar arasındaki mesafeyle ters orantılıdır. Alan yeterince güçlü olduğunda, bu alan boşluktaki gaz moleküllerinin iyonlaşmasına neden olur ve akımın akabileceği bir iletken yol oluşturur.
•    Arkın Başlatılması: Ark, kontakların fiziksel olarak dokunmadan önce, genellikle birkaç milisaniye önce başlar. Bu erken ark başlatılmasına ön vuruş denir. Ön vuruş sırasında, ark kontaklar arasındaki küçük boşlukta oluşur ve akım, kontakların fiziksel olarak temas etmesini beklemek yerine arka ile akmaya başlar.
2. Ön Vuruşun Etkileri
•    Kontak Yüzeylerinde Aşırı Erime: Ön vuruşta yer alan enerji büyükse, kontak yüzeylerinde aşırı erimeye neden olabilir. Bu, kısa devre koşullarında, akım çok yüksek olabileceğinden özellikle sorunlu olabilir. Kontak yüzeylerindeki erimiş metal, kontakların birleşmesine neden olabilir, yani iki yüzey birbirine katlanır.
•    Kontakların Birleşmesi: Birleşen kontaklar, anahtarlama cihazının bir sonraki açma emrine uygun bir şekilde tepki vermeyi engelleyebilir. Anahtarlama ekipmanının işletme mekanizması, birleşmiş noktaları kırmak için yeterli kuvvet sağlamıyorsa, cihaz düzgün bir şekilde açılmayabilir, bu da potansiyel güvenlik tehlikelerine ve ekipman hasarına neden olabilir.
•    Kısa Devre Akımı Özellikleri: Kısa devre akımları genellikle DC bileşeni içerir, bu da akımın zirve değerinin saf AC kısa devre akımından çok daha yüksek olmasına neden olabilir. Bu artan zirve akımı, ön vuruşun etkilerini artırabilir, bu da daha ciddi kontak hasarına ve birleşmeye yol açabilir.
•    Ark Geriliminin Bağımlılığı: Ark üzerindeki gerilim (ark gerilimi), anahtarlama ekipmanında kullanılan kesme ortamına oldukça bağlıdır. Çok kısa ark uzunluklarına rağmen, elektrotlara yakın bölgelerde önemli gerilim düşümleri olabilir. Bu, arkin boyunca dirençün eşit dağılmadığı ve elektrotlara yakın bölgelerde ısı ve iyonlaşmış parçacıkların yoğunluğu nedeniyle dirençin daha yüksek olmasıdır.
3. Kısa Devre Koşullarında Akım Oluşturma
•    Devre Kesiciler (CB): Devre kesicilerde, kısa devre koşullarında akım oluşturma işlemi özellikle zordur. Yüksek akım seviyeleri ve DC bileşenin varlığı, yoğun ark oluşumuna ve kontak hasarına neden olabilir. Modern devre kesiciler, bu etkileri azaltmak için gelişmiş malzemeler ve soğutma mekanizmalarıyla tasarlanmıştır, ancak ön vuruş hala bir endişe kaynağıdır.
•    Yük Kesme Anahtarları (LBS): Yük kesme anahtarları da, özellikle yüksek akım uygulamalarında, akım oluşturma sırasında ön vuruşa karşı hassas olabilir. Ancak, yük kesme anahtarları genellikle devre kesicilere göre daha düşük gerilim ve akım uygulamalarında kullanıldığından, ciddi kontak hasarının riski genellikle daha düşüktür.
4. Anahtarlama Ekipmanlarında Akım Oluşturma İşleminin Aşamaları
Anahtarlama ekipmanlarındaki akım oluşturma işlemi, aşağıdaki gibi birkaç aşamaya ayrılabilir:
•    Aşama 1: Kontakların İlk Yaklaşma Hali: Kontaklar birbirlerine doğru hareket etmeye başlar ve aralarındaki elektrik alanı oluşmaya başlar. Bu aşamada, herhangi bir akım akış yoktur, ancak ön vuruş potansiyeli artmaktadır.
•    Aşama 2: Ön Vuruş Arkinin Oluşumu: Kontaklar birbirine daha da yaklaştıkça, elektrik alanı yalıtım ortamının dielektrik gücünü aşar ve dielektrik bozulma gerçekleşir. Ön vuruş arki oluşur ve akım, kontakların dokunmasından önce arka ile akmaya başlar.
•    Aşama 3: Kontak Dokunuşu ve Ark Transferi: Kontaklar nihayet fiziksel olarak dokunur ve ark, kontaklar arasındaki boşluktan kontak yüzeylerine aktarılır. Akım, artık kapalı devrede akmaya devam eder.
•    Aşama 4: Durağan İşlem: Kontaklar tamamen kapandıktan sonra, sistem durağan işlem durumuna geçer ve akım, herhangi bir ark oluşmadan kapalı kontaklar üzerinden akar.
5. Azaltma Stratejileri
Ön vuruş ve kontak birleşmenin etkilerini minimize etmek için, birkaç tasarım ve işletme stratejisi kullanılabilir:
•    Yüksek Dielektrik Güçlü Yalıtım Ortamlarının Kullanılması: Yüksek dielektrik gücü olan yalıtım ortamlarını, örneğin SF6 gazı veya vakumu, kullanarak, bozulmanın başlatılmasının gerektirdiği elektrik alanın yükseltilmesiyle ön vuruşun olasılığını azaltabilirsiniz.
•    Gelişmiş Kontak Malzemeleri: Yüksek erime noktalı ve iyi termal iletkenliğe sahip kontak malzemeleri, ön vuruş sırasında kontak hasarını azaltmaya yardımcı olabilir. Yüksek gerilimli anahtarlama ekipmanlarında yaygın olarak bakır-tungsten alaşımları kullanılır.
•    Soğutma Mekanizmaları: Puffer sistemleri veya zorlanmış gaz akışı gibi soğutma mekanizmalarını entegre etmek, arktan kaynaklanan ısıyı dağıtarak ve kontak yüzeylerinin sıcaklığını azaltarak, birleşmenin riskini minimize edebilir.
•    Mekanik Tasarım Geliştirmeleri: İşletme mekanizmasının, açma işlemi sırasında oluşan tüm birleşmiş noktaları kırmak için yeterli kuvvet sağladığından emin olmak, anahtarlama ekipmanının düzgün bir şekilde açılmayıp kalmamasını önleyebilir.
•    Koruma Sistemleri: Aşırı akım röleleri ve arızayı tespit etme mekanizmaları gibi koruma sistemlerini uygulamak, kısa devre koşullarına daha hızlı tepki vererek ve arkin süresini ve yoğunluğunu azaltarak, kısa devre koşullarını daha hızlı algılamanıza ve yanıtlamanıza yardımcı olabilir.
Sonuç
Ön vuruş fenomeni, kontakların fiziksel olarak dokunmadan önce arkinin başlatılması, anahtarlama ekipmanlarında akım oluşturma işleminin kritik bir yönüdür. Bu, aşırı kontak hasarına, birleşmeye ve anahtarlama cihazının potansiyel başarısızlığına neden olabilir. Ön vuruşa katkıda bulunan faktörleri, örneğin elektrik alanının oluşumu ve yalıtım ortamının özelliklerini anlamanın, güvenilir anahtarlama ekipmanları tasarlama ve işletme açısından önemini anlamak gereklidir. Yüksek dielektrik güçlü yalıtım ortamlarını, gelişmiş kontak malzemelerini ve soğutma mekanizmalarını kullanarak gibi uygun azaltma stratejileri uygulayarak, ön vuruşun etkileri minimize edilebilir, bu da hem devre kesicilerde hem de yük kesme anahtarlarında güvenli ve güvenilir bir işlem sağlar.