Vakum ve SF6 tipi kesicilerin karşılaştırılması

Giriş

Orta gerilim kesici pazarında değişik çalışma prensiplerine göre tasarlanmış kesiciler sunulmaktadır.

Dolayısıyla bu ürünlerde teknolojik farklılıkların bulunması normaldir. Zira değişik imalatçıların kendilerine göre farklı tasarım felsefeleri veya birbirinden farklı normları, imalat imkanları ve alışkanlıkları olabilmektedir.

Muhakkak ki hiçbir ürün, kesin olarak bütün üstünlükleri tekelinde bulunduramaz. Her ürünün, diğerlerine oranla avantajları veya eksiklikleri olabilir. Buna bağlı olarak da bazı ürünler, belirli kullanım alanları için, diğerlerinden daha uygundur.

Tesisinde kullanmak üzere orta gerilim kesicileri alacak olan kullanıcı, doğru seçimi yapmak için, hem kendi işletme şartlarını hem de alacağı ürünün teknik özelliklerini iyi bilmek mecburiyetindedir.

Kullanıcının, hem kendi tesisinin işletme özellikleri, hem de alacağı cihazlar hakkındaki bilgisi eksik ise, belki de sadece ürünün fiyatına bakarak seçim yapmaya doğru gidecektir. Ancak böyle bir seçim her zaman en doğru seçim olmayabilir.

Kullanıcı, işletmesinin güvenliği bakımından, alacağı ürünün kalitesini, arıza yapma ihtimalini, bakım ihtiyacı sıklığı ve masraflarını ve de en önemlisi, işletmenin kesintiye uğraması halinde uğrayacağı zararın, daha ucuza aldığı kesici maliyetinin kaç katına çıkacağını hesaba katmalıdır.

Aşağıdaki açıklamamız, kullanıcının ihtiyacına en uygun cihazı seçmesine yardımcı olmak üzere, piyasada satılan kesicilerin özelliklerini tanıtmak gayesini hedef alıyor. Bunu yaparken elimizden geldiği kadar tarafsız kalmaya çalıştık.

Piyasada en çok bulunan kesicilerin özellikleri:

Halen piyasamızda ağırlıklı olarak değişik iki sistemde çalışan kesici bulmak mümkündür:

• Vakumda ark söndürmeli

• SF6 gazında ark söndürmeli

Pazarlarımızda az yağlı tabir edilen kesiciler de bulunmaktadır, ancak bu tipler her geçen gün azalmakta ve önemini kaybetmektedir.

Aşağıda, en yaygın Vakum ve SF6 kesicilerinin özellikleri, uygun kullanım alanları anlatılmış; teknik ve işletme karakteristiklerinin karşılaştırması yapılmıştır.

Vakum kesici olarak Siemens’in en yeni ürünü olan 3AH tipi ele alınmış, SF6 kesici olarak ise herhangi bir marka hedeflenmemiş, sadece sistem olarak ele alınmıştır.

3AH2 OG Kesici

Sistem özellikleri ve karşılaştırma

Vakum tekniğinde, elektrik arkı vakum ortamında yani havası tamamen boşaltılmış bir hücrede (vakum tüpü) söndürülmektedir.

SF6 (sülfür heksafluorid) tekniğinde ise elektrik arkı SF6 gazı ile dolu bir hacimde (kesici kutbu) söndürülmektedir.

Bu iki tipin de kullanma sahaları değişiktir.

Vakumda söndürmede, ana kontakların ayrılması ile başlayan elektrik arkı, hava boşluğunda “iyonizasyon” (yani ortamın elektrik akımı için geçirgen olması) sebep olmamaktadır. Kontakların ayrılması ile oluşan metal buharı plazması içinden elektrik arkı çok kısa bir süre için (en fazla 6 ms) akar ve ilk sıfır noktası geçişinde kesilir.

Metal buharı birkaç mikrosaniye içinde ana kontakların üzerine çöker ve ortamın yüksek dielektrik gücü (geçirgensizlik) tekrar tesis edilmiş olur.

Ayrıca kontakların özel yapısı ve malzemesinden dolayı (krom-bakır alaşımı), ark akımının kesildiği andaki değeri (kıyım akımı = chopping current) 4-5 A mertebesinde kalır.

Düşük kıyım akım ve tekrar tutuşmaların olmaması, aşırı kesme gerilimlerin (switching overvoltage) oluşmasını önler.

Vakum tekniğinin en önemli özellik ve üstünlükleri şunlardır:

• Vakum tüpü conta gibi, zamanla bozulabilecek elemanlar kullanılmadan, tamamen kaynak/lehim tekniği ile imal edilmiş, dış tesirlere karşı hermetik olarak kapalı bir sistemdir. Tüpün içinde herhangi bir gaz bulunmadığından (vakum derecesi 10 bardır), arkla birlikte gaz ayrışım maddeleri oluşmamaktadır.

• Vakumda oksidasyon olmadığından, kontak yüzeylerinin okside olması mümkün değildir. Dolayısıyla çok düşük olan kontak direnci (10µΩ), şalterin ömrü boyunca değişmemektedir.

• Kontakların özelliği şalterin ömrü boyunca değişmediğinden vakum şalter, benzerlerine oranla daha çok sayıda yüksek akım kesebilir. Normal şartlar altında bir 3AH kesicisi, tipine göre:

- Nominal işletme akımını 10.000–30.000 defa, - Nominal kısa devre akımını 30-100 defa

açabilir. Vakumlu kesicinin mekanik ömrü 10.000 açma/kapama işlemidir. Hatta özeltiplerde 120.000 açma/kapama adedine ulaşmaktadır.

• Vakum kesiciler, en az 20 sene olarak kabul edilecek bir işletme ömrü içinde normal olarak hiçbir bakım gerektirmez; sadece birkaç senede bir mekanizmanın belirli noktalarının yağlanması yeterlidir.

Vakumlu kesici, bir SF6 gazlı kesici ile karşılaştırıldığında, yukarıdaki özelliklerle ilgili şusonuçlara varıyoruz:

SF6 kesicilerin iki ayrı ana tipi bulunmaktadır.

• Kendi kendine üflemeli kesici (gaz tamponlu pistonlu),

• Akıma bağlı söndürme sistemli kesici (döner arklı) (Türkiye’de genellikle bu tip üretilmektedir).

• SF6 gazlı kesicilerde, arkın etkisiyle zaman içinde SF6 gazında ayrışım maddeleri oluşmaktadır. Bunların temizlenmesi şarttır. Temizleme işlemi ise, zor ve masraflıdır. Kesici kutubunun sökülmesi gerekir; bu iş de normal olarak sadece kesicinin fabrikasında yapılabilir.

• SF6 gazlı kesicilerde elektrik arkının aşındırma ve oksidasyon tesiri yüksek olduğundan, kontakların direnci zaman içinde yükselmektedir.

• Normal olarak SF6 kesiciler, tiplerine göre:

- Nominal işletme akımını 2.000–10.000 defa,- Nominal kısa devre akımını 10-50 defa

açabilirler. Mekanik işletme ömrü 3.000 açma/kapama civarındadır.

• SF6 gazlı kesicinin normal işletme şartları altında bakım aralıkları 5-10 senedir.

• SF6 gazlı kesicinin patlama tahrip gücü vakum kesiciye göre çok yüksektir.

Kesicide aranan özellikler

Bir kesici alıcısının alacağı üründe arayacağı özellikler şunlar olmalıdır:

1- Garanti edilen elektriki değerlerin sağlanması,2- İşletme şartları altında sorunsuz çalışması,3- Güvenirlilik,4- Can ve mal emniyetinin sağlanması,5- Uzun ömür,6- Seyrek bakım gerekliliği, bakım ve tamirinin kolay, çabuk ve az masraflı olması.

Yukarıdaki hususları dikkate alarak, her iki kesici tipini karşılaştırdığımızda şu durum ortaya çıkmaktadır:

1- Garanti edilen elektriki değerlerin sağlanması

Her ciddi imalatçı bu değerleri garanti eder ve sağlayabilir. Kesicilerin performans değerleri çeşitli Test ve İmalat Sertifikaları ile belgelenmiştir. Siemens ürünlerinin,ilgili bütün uluslararası normlara uygunluğunu belgeleyen sertifikaları mevcut olup,bunlar, sorulduklarında ibraz edilebilmektedir.

2- İşletme şartları altında sorunsuz çalışma

Kesiciler kullanılacağı işletmenin şartlarına uygun olarak seçilmelidir. Bu özel işletme şartlarından bazıları aşağıdadır:

• Kapasitif akımların kesildiği işletme• Çok düşük endüktif akımların kesildiği işletme• Düşük endüktif akımların kesildiği işletme• Ark ocakları kesicisi olarak işletme• Elektriki nakil vasıtaları şebekeleri kesicisi olarak işletme

Genel olarak, bütün işletme şartlarına cevap verebilecek tek bir kesici tipi bulmak zordur.Vakum ve SF6 kesicilerin yukarıdaki işletme şartları altında performansları değişik olduğundan, bu performansları daha detaylı olarak ele almakta fayda vardır.

• Kapasitif akımların kesilmesi

Bu başlığın tarifine aşağıdaki işletme şartları girmektedir:

• Kondansatör cihazları ile boşta kablo (yüksüz durumda) ve hava hatlarının devreden çıkarılması,• Kondansatör cihazlarının devreye alınması ve paralele sokulması.

Gerek vakum, gerekse SF6 kesicileri kondansatör, boşta kablo ve hava hatlarını, tekrartutuşma ve aşırı gerilimler yaratmadan devreden çıkarabilirler.

Kondansatörlerin devreye alınması ve paralele sokulması esnasında, dik ve yüksek pikli akımlar oluşmaktadır. Kısa ark süresinden dolayı vakum kesiciler bu işlemleri problemsiz yapabilirler. Geçmeli veya lale kontaklı SF6 kesicileri, daha uzun kontakt teması zamanlarından dolayı bu vazife için çok uygun değildir. Böyle durumlarda kesici ile birlikte, akım piklerini azaltacak reaktörler kullanmak mecburiyeti doğabilir.

• Çok düşük endüktif akımların kesilmesi

Boşta (yüksüz) transformatörlerin devre dışı edilmesi bu başlığın altında yer alır. Bu tip akımlar en zor kesilebilen endüktif akımlardır.

3AH tipi kesiciler, 5A’in altında kalan kıyım akımları (chopping current) sayesinde aşırı gerilimlere sebebiyet vermeden bu işlemi yapabilir. Aşırı gerilim koruyucularına lüzum yoktur.

Akıma bağlı söndürme prensibine göre çalışan dönen ark tipi SF6 kesicileri, aşağı yukarı modern vakum kesiciler gibi düşük kıyım akımlarına sahiptir. Buna karşılık, kapasitif akımları kesmek için tasarlanmış, gaz yastıklı pistonlu kesicilerin kıyım akımları daha yüksek olup aşırı gerilimlere sebebiyet verebileceğinden, bu şartlar altında kullanılması problemler yaratabilir.

• Düşük endüktif akımların kesilmesi

Bu işletme şartında iki ayrı durum olabilir:

• Dengeleme reaktörlerinin devreden çıkarılması,• Belirli bir gücün altındaki elektrik motorlarının yol alma sırasında veya frenli motor durumundayken devreden çıkarılması.

Dengeleme reaktörlerinin devreden çıkarılmasında, gerek vakum gerekse gaz yastıklı pistonlu SF6 kesiciler aşırı gerilimlere sebep olabilirler. Bu durumlarda her iki kesicide de gerilim sınırlayıcıları kullanmakta fayda vardır.

Akıma bağlı söndürme sistemli SF6 kesiciler ise sınırlı kısa devre sahaları yüzünden (36 kV’de en çok 31,5 kA), genel olarak bu vazife için uygun değildir.

600 A veya daha düşük değerlerde motor yol alma akımının kesilmesi durumunda vakum kesicilerde aşırı gerilimler meydana gelebilir. Böyle durumlara karşı aşırı gerilim sınırlayıcıları kullanmak tavsiye edilir. (Siemens 3EF sınırlayıcıları ile şimdiye kadar oldukça olumlu sonuçlar alınmıştır. Bu tip sistemler, emniyet şartları çok ağır basan nükleer santrallerde dahi başarı ile kullanılmıştır).

Kesiciler için özel kullanım alanları

Diğer iki önemli kullanım alanı ise:

- Ark ocakları ve- Elektriki nakil vasıtalarını besleyen şebekeler’dir.

Ark ocakları uygulamasında, çok sık olarak (günde belki yüz defa) trafo nominal akımının sıfır ila yüzde iki yüzü arasında değişen akım değerleri kesmek sık rastlanan bir durumdur.Bu çalışma şartları, kesicileri elektriki ve mekaniki olarak çok zorlayabilir.

Vakum kesiciler bu kullanım için uygun olup, ark ocağı kesicisi olarak çok yaygın kullanılmaktadır. Müsaade edilebilen açma/kapama sayısı daha düşük ve kısa devre açma kapasitesi daha sınırlı olan döner arklı SF6 kesiciler çok nadir olarak ark ocakları tesislerinde kullanılır.

Elektriki vasıta sistemlerinde kullanılan düşük frekanslar (16 2/3 ve 25 Hz) ve tek fazlı dağıtımlarda, arkın sönmesi zorlaşmakta ve dolayısıyla sönme zamanı uzamaktadır. Bu şartlar altında SF6 kesicilerin ark söndürme enerjisi, vakum kesicilere nazaran 10 kat daha fazladır. Dolayısıyla, SF6 kesiciler bu uygulama için elverişli değildir.

3. Güvenilirlik

Bir kesicinin öngörülen işletme şartları içinde işletmeyi aksatmadan arızasız çalışabilmesi için:

- Kaliteli bir imalatın ürünü olması,- İşletme şartlarına uygun olarak seçilmiş olması,- Hatasız kullanılması,- Gerekli bakımın yapılması, ve çok önemli bir husus olarak da- Teknik tasarımı yönünden arıza yapma ihtimalinin düşük olması

lazımdır. Vakum kesiciler özellikle bu son noktada SF6 kesicilerine göre daha avantajlıdır.

Her mekanik sistemde olduğu gibi, arıza ihtimali parça sayısına ve kullanılan malzeme cinsine bağlıdır.

Vakum içinde ark söndürme sisteminin basit yapısı sayesinde parça sayısı çok düşüktür. Tüp içinde sadece bir adet hareketli parça vardır. SF6 kesicilerinde olduğu gibi, gaz sıkıştırma piston tertibatı, gaz püskürtme konisi v.s. gibi parçalar yoktur.

Vakum tüpünün haricinde de, Siemens 3AH kesicinin tümünde parça sayısı en az sayıda tutulabilmiştir. Genel bir karşılaştırmada, vakum kesicinin bir kutbundaki parça sayısı 22 iken, SF6 gazlı kesicilerde bu sayı 52 civarındadır.

Vakum tüpü elemanları tamamen kaynak/lehim tekniği ile bir araya getirilmiştir. SF6 tipi kesicilerde kullanılan, zaman içinde eskiyip sızıntılara sebebiyet verebilecek contalı bağlantılar yoktur.

SF6 kesicilerde elektrik arkı, kısmen veya tamamen suni reçineden mamul kutupların içinde söndürülmektedir.

Vakum tüpün içinde ise arkın tesiriyle bozulabilecek plastik veya reçine bazlı hiçbir eleman yoktur.

Siemens’in 3AH kesicisinin tümünde reçineli eleman olarak sadece, kutupları gövdeye tespit eden mesnet izolatörler, mekanizmadaki itici çubuklar ve konstrüktif olarak esnemeye karşı kullanılan kuvvetlendirici elemanlar vardır. Bunların hepsi de ark söndürme hacminin tamamen dışındadır.

4. Can ve mal emniyeti

Kullanılacak yere uygun olarak seçilen tanınmış bir imalatçının ürünü her kesicinin, önceden öngörülen işletme ve arıza şartları içinde problemsiz vazife görebileceği kabul edilebilir.

Bununla beraber, işletme veya bakım hatasından dolayı kazalar olabilir, personel ve mala zarar gelebilir.

Az yağlı ve SF6 kesicilerde bu problem bilhassa ağır basar. Zira yağsız kalan az yağlı kesicilerle, gazı kaçan SF6 kesicilerin kısa devre üzerinde açma yapma durumunda patlamalar ve bazı durumlarda personel için tehlike, teçhizat için ise zararlar meydana gelebilir.

Vakum kesicinin böyle durumlarda diğer kesicilere göre avantajı şudur: Vakum tüpünün delinmesi halinde, vakum hali bozulur. Bu durumdaki bir açmada kontaklar yanar ve iş görmez duruma gelir. Ancak hiçbir şekilde patlama olmaz ve etrafa zarar verilmez.

5. Uzun ömür

Şimdiye kadar Siemens’in Berlin fabrikasında 150.000’i aşkın kesici imal edilmiş olup, dünyanın birçok yerinde hizmete girmiştir.

Bu kesicilerde kullanılan yarım milyara yakın vakum tüpünde arıza hemen hiç duyulmamıştır.

Siemens’in vakum tüpleri için, istatistik terminolojisinde kullanılan MTTF faktörü (Mean Time To Failure = arızalar arası ortalama süre) 20.000 sene olarak hesaplanmaktadır ki, bu da adeta sonsuz ömür demektir.

Pratikte ise vakum kesiciler için kabul edilen işletme ömrü en az 20 senedir. Vakum kesicinin mekanik aksamının ömrü ise elektriki ömür kadar uzundur. Zira bu kesicilerin elektrik arkını söndürmek için tükettiği enerji SF6 tiplerine göre daha düşük olup, mekanizmaya iletilen çalıştırma gücü de çok daha düşüktür. Mekanizmadaki parça sayısı azlığı ise arıza ihtimallerini daha da azaltmakta ve cihazın ömrünün uzamasına büyük katkıda bulunmaktadır.

6. Seyrek bakım gerekliliği, düşük bakım masrafı

Yukarıda güvenilirlik maddesinde açıklandığı gibi, vakum kesici için pratik olarak kabul edilen ömür süresinde, 10 senede bir (veya 10.000 Ad. açma/kapama) mekanizmanın bakımının yapılması tavsiye edilir. Bu bakım, genel olarak mekanizmanın bazı kısımlarının yağlanmasından ibarettir.

SF6 tipi kesiciler için genel bakım süresi 5 senede (veya 3.000 açma / kapamada) bir olmak üzere tavsiye edilebilir.

Vakum kesicinin garanti edilen 10.000-30.000 defa nominal, 30-400 defa tam kısa devre akımını kestikten sonra tüplerin kontrolü ve lüzumu görüldüğünde yenisiyle değiştirilmesi gerekebilir. Tüpün tamiri mümkün değildir.

SF6 kesicilerinde ise normal olarak garanti edilen 2000-10.000 defa nominal, 10-50 defa tam kısa devre akımını kestikten ve kutupların kontrolünden sonra gerek görülürse, bazı hallerde tamir mümkündür. Ancak bu sadece imalatçı fabrikasında yapılacak, zor ve masraflı bir işlemdir.

Yukarıdaki hususları değerlendirdiğimizde vakum kesicilerin diğerlerine göre daha uzun sürelerde bakıma ihtiyaç gösterdiğini ve dolayısıyla daha az masrafa yol açtığını söyleyebiliriz.

Sonuç:

Bugün dünya pazarlarında en yaygın olan vakum ve SF6 tipi kesicilerin karşılaştırmasını yapmaya çalıştık.

Vardığımız sonuçlar kısaca şöyle özetlenebilir:

1- Vakum kesiciler, emsal kesiciler gibi normal işletme şartlarını karşılayabilmenin yanı sıra, şu avantajları arzetmektedir:

Vakum tüpler hermetik olarak kapalı olduğundan zaman içinde ark söndürme ortamındaki değerlerde hiçbir değişiklik olmamaktadır.

• Vakumda ark söndürmek için gerekli enerji, emsal kesicilerin sistemlerine göre çok düşük olduğundan, kontakların ve ark hücresinin ömrü uzun olmakta; daha yüksek akımlar, daha sık olarak kesilebilmektedir.

• Vakumda düşük enerji tüketimi ile ark söndürülebildiğinden, çalıştırma mekanizması daha az zorlanmaktadır.

• Vakum kesicilerde parça adedi, emsal kesicilere göre daha az olduğundan ve söndürme hücresinde hiç plastik/reçine bazlı elemanlar kullanılmadığından, kesicinin ömrü daha uzun olmaktadır.

Yukarıdaki sebeplerden dolayı vakum kesici emsallerine göre daha uzun ömürlüdür ve arıza yapma olasılığı daha düşüktür.

2- Vakum kesici tam manasıyla bakıma ihtiyaç göstermeyen bir cihazdır. Kullanım sıklığına bağlı olarak bakım aralığı (aşırı ağır şartlarda kullanımı halinde) en erken 10 senedir. Normal kullanımlarda bu süre daha uzundur.

3- Vakum kesiciler farklı işletme şartları altında problemsiz çalışabilirler. Diğer kesicilerin çoğu, değişik şartları tek tip kesici ile karşılayamaz. Dolayısıyla çeşitli işletme şartlarına göre değişik tip kesici kullanmak gerekir.

• Vakum kesiciler kapasitif devreleri kapatmada veya paralel kondansatörleri devreye sokarken, SF6 kesicilere göre daha az aşırı gerilimlere sebep olurlar.

• Vakum kesiciler 20 A altında kalan çok küçük endüktif akımları problemsiz kesebilirler.

Normal (gaz yastıklı/pistonlu) SF6 kesiciler bu kullanımda aşırı gerilimlere sebebiyet verebilir. Akıma bağlı söndürme prensibine göre (mesala döner ark) çalışan SF6 kesiciler bu kullanımda başarılı ise de, teknik sebeplerden dolayı sınırlı bir kapasiteye kadar imal edilebildiğinden her yerde kullanılmamaktadır.

• Düşük endüktif akımların kesilmesinde, gerek vakum gerekse normal SF6 kesiciler aşırı gerilimlere sebebiyet verebilirler. Gerilim sınırlayıcıların kullanılması tavsiye edilir.

Akıma bağlı söndürme sistemli SF6 gazlı kesiciler (örneğin döner arklı) aşırı gerilimlere sebebiyet vermemekle beraber, sınırlı kısa devre kapasitelerinden dolayı her yerde kullanılamamaktadır.

• Vakum kesiciler ark ocağı tesisleri ve elektriki nakil vasıtaları şebekeleri kullanımında çok uygundur ve yaygın olarak kullanılmaktadır. SF6 tipi kesiciler bu işletmelere çok uygun olmayıp genel olarak kullanılmamaktadır. Ayrıca, vakum kesicilerin 45º eğilimli yüzeyde ve 80 hz.’e kadar titreşimli yerlerde kullanılabilmesi, gemi ve petrol platformları için tercih nedenidir.

4- Vakum kesicilerde arıza durumunda patlama tehlikesi olmadığından can ve mal emniyeti bakımından daha uygundur. SF6 kesici tiplerinde, arıza durumunda patlamalar olabilir, dolayısıyla can ve mala zarar verme tehlikesi vardır.

5- Özellikle patlayan şalterde SF6 gazın reaksiyona girmesi sonucu oluşan ve çevreye yayılan zararlı gazlar dolayısıyla “Çevre Koruma” açısından tepkilere neden olmaktadır. Bilhassa Avrupa’da Orta Gerilim tesislerinde tüp içerisinde arkı söndürme maksadıyla kesici ve ayırıcı üretilmemesi gündemdedir.

Diğer taraftan SF6 gazının, ark söndürme amacıyla değil de, izolasyon maksadıyla kullanılması durumunda bu tip tehlikeler söz konusu değildir.

Enerji İletimi ve DağıtımıOrta Gerilim Grubu

Satış ve Pazarlama MüdürüÖmer BAYRAMomer.bayram@siemens.com