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, kontaklar kapanmaya başladığında elektrik arkının başlatılması sürecine atıfta bulunur. Bu süreç, kontakların fiziksel olarak dokunduğu anla başlamaz, ön vuruş adı verilen bir fenomenden dolayı birkaç milisaniye önce başlayabilir. Aşağıda bu fenomenin ve etkilerinin ayrıntılı açıklaması bulunmaktadır.
Ön Vuruş: Kontak Dokunuşundan Önce Arkın Başlaması
Dielektrik Bozulma: Kontaklar kapanma sırasında birbirlerine yaklaşırken, aralarındaki yalıtım ortamı (hava, SF6 veya vakum gibi) dielektrik bozulmasına uğrar. Bu, kontaklar arasındaki boşlukta elektrik alanının artması nedeniyledir. Alan gücünün yalıtım ortamının dielektrik gücünü aşmasından sonra, boşluk bozulur ve bir anahtar arcı başlatılır.
Elektrik Alanının Oluşumu: Kontaklar birbirlerine doğru hareket ederken, aralarındaki elektrik alanı güçlenir. Bu alan, kontaklar arasındaki gerilimle orantılı ve aralarındaki mesafeyle ters orantılıdır. Alan yeterince güçlü olduğunda, boşluktaki gaz moleküllerinin iyonlaşmasına neden olur ve akımın akabileceği bir iletken yol oluşur.
Arkın Başlaması: Ark, kontakların fiziksel olarak dokunduğu zamandan birkaç milisaniye önce başlar. Bu erken ark başlangıcı ön vuruş olarak adlandırılır. Ön vuruş sırasında, ark kontaklar arasındaki küçük boşlukta oluşur ve akım kontakların fiziksel olarak temasını beklemek yerine arka ile akışına başlar.
Ön Vuruşun Sonuçları
Kontak Yüzeylerinde Aşırı Erime: Ön vuruşta yer alan enerji büyükse, kontak yüzeylerinde aşırı erimeye neden olabilir. Bu, kısa devre koşullarında, akım çok yüksek olabileceği durumlarda özellikle sorunlu olabilir. Kontak yüzeylerindeki erimiş metal, kontakların birleşmesine neden olabilir, yani iki yüzey birbirine yapışabilir.
Kontakların Birleşmesi: Birleşmiş kontaklar, anahtar ekipmanının sonraki açma komutuna uygun bir şekilde tepki vermeyi engelleyebilir. Anahtarlama ekipmanının çalıştırma mekanizması, birleşmiş noktaları kırmak için yeterli güce sahip değilse, cihaz düzgün açılmayabilir, bu da potansiyel güvenlik tehlikelerine ve ekipman hasarına yol açabilir.
Kısa Devre Akımı Özellikleri: Kısa devre akımları genellikle DC bileşene sahiptir, bu da akımın zirve değerinin saf AC kısa devre akımından çok daha yüksek olmasına neden olabilir. Bu artan zirve akımı, ön vuruşun etkilerini artırabilir, daha ciddi kontak hasarına ve birleşmeye yol açabilir.
Ark Geriliminin Bağımlılığı: Ark üzerinden olan gerilim (ark gerilimi), anahtarlama ekipmanında kullanılan kesme ortamına bağlı olarak değişir. Çok kısa ark uzunluklarıyla bile, elektrotlara yakın bölgelerde önemli gerilim düşümleri olabilir. Bu, çünkü ark direnci boyunca düzgün dağılmıyor ve elektrotlara yakın bölgelerde ısı ve iyonlaşmış parçacıkların yoğunluğu nedeniyle direnç daha yüksektir.
Kısa Devre Koşullarında Kapalı Konum Almak
Devre Kesiciler (CB): Devre kesicilerde, kısa devre koşullarında kapalı konuma almak özellikle zordur. Yüksek akım seviyeleri ve DC bileşenin varlığı yoğun ark oluşumuna ve kontak hasarına neden olabilir. Modern devre kesicileri, 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 yüksek akım uygulamalarında kapalı konuma alınırken ön vuruşa maruz kalabilir. Ancak, LBS cihazları genellikle devre kesicilere göre daha düşük gerilim ve akım uygulamalarında kullanıldığından, ciddi kontak hasarının riski genellikle daha düşüktür.
Anahtarlama Ekipmanlarında Kapalı Konuma Almanın Aşamaları
Anahtarlama ekipmanlarındaki kapalı konuma alınma işlemi, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi birkaç aşamaya ayrılabilir:
Aşama 1: Kontakların İlk Yaklaşma Aşaması: Kontaklar birbirlerine doğru hareket eder ve aralarındaki elektrik alanı güçlenmeye başlar. Bu aşamada, hiçbir akım akış yapmaz, ancak ön vuruşun potansiyeli artmaktadır.
Aşama 2: Ön Vuruş Ark Oluşturma: Kontaklar birbirlerine daha fazla yaklaştıkça, elektrik alanı yalıtım ortamının dielektrik gücünü aşar, dielektrik bozulmasına neden olur. Ön vuruş arkı oluşur ve akım, kontakların dokunduğundan önce arka ile akışına 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 akışına devam eder.
Aşama 4: Durağan İşlem Durumu: Kontaklar tamamen kapandıktan sonra, sistem durağan işlem durumuna girer ve akım, herhangi bir ark olmadan kapalı kontaklar üzerinden akışına devam eder.
Azaltma Stratejileri
Ön vuruşun ve kontak birleşmenin etkilerini minimize etmek için çeşitli tasarım ve operasyonel stratejiler kullanılabilir:
Yüksek Dielektrik Güçlü Yalıtım Ortamlarının Kullanımı: Yüksek dielektrik gücüne sahip yalıtım ortamları, örneğin SF6 gazı veya vakum, bozulmanın başlaması için daha yüksek bir elektrik alan gerektirdiği için ön vuruş olasılığını azaltabilir.
Gelişmiş Kontak Malzemeleri: Yüksek erime noktalı ve iyi termal iletkenliğe sahip kontak malzemeleri, ön vuruş sırasında kontak hasarını azaltabilir. Yüksek gerilimli anahtarlama ekipmanlarında yaygın olarak bakır-tungsten alaşımları kullanılır.
Soğutma Mekanizmaları: Puffer sistemleri veya zorlanmış gaz akışı gibi soğutma mekanizmalarını entegre etmek, arktan çıkan ısıyı dağıtarak ve kontak yüzeylerinin sıcaklığını azaltarak birleşmenin riskini minimize edebilir.
Mekanik Tasarım Geliştirmeleri: Çalıştırma mekanizmasının, açma sırasında herhangi bir birleşmiş noktayı kırmak için yeterli güce sahip olduğundan emin olmak, anahtarlama ekipmanının düzgün açılmadığı durumlardan koruyabilir.
Koruma Sistemleri: Overcurrent relays ve hata algılama mekanizmaları gibi koruma sistemlerini uygulamak, kısa devre koşullarına daha hızlı tepki vererek ve arkin süresini ve yoğunluğunu azaltarak yardımcı olabilir.
Sonuç
Ön vuruş fenomeni, kontakların fiziksel olarak dokunduğundan önce arknın başlaması, anahtarlama ekipmanlarında kapalı konuma alınma 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 anlamak, güvenilir anahtarlama ekipmanlarının tasarlanması ve işletilmesi için önemlidir. Yüksek dielektrik gücüne sahip yalıtım ortamlarının, gelişmiş kontak malzemelerinin ve soğutma mekanizmalarının kullanılması gibi uygun azaltma stratejileri uygulanarak, ön vuruşun etkileri minimize edilebilir, böylece devre kesiciler ve yük kesme anahtarlarında güvenli ve güvenilir bir işlem sağlayabilir.
