ETAP Orta Gerilim Kesici Modelleme

ETAP ile orta gerilim kesicisi modellemesi yaptığımızda kütüphane kısmından kesici seçimi yapılabildiği gibi manuel olarak da değerler girilebilmektedir. Bu modülde yer alan ifadelerin ne anlama geldiği ile ilgili detay vermeye çalışacağım. 

Şekil 1. ETAP Orta Gerilim Kesici Modelleme

Orta gerilim kesicinin kabiliyeti "IEC 62271-100 : High-voltage switchgear and controlgear – Part 100: High-voltage alternating-current circuit breakers" standartına göre belirlenir. ETAP'ta kısa devre analizi yaptıktan sonra "Report Manager" kısmından sistemde geçerli olan kısa devre akımlarına bakılır ve orta gerilim kesicisi için belirlenmiş olan değerlerle karşılaştırılır. Şekil 1'deki kesici parametreleri ETAP modellemede yer almaktadır. 

Rated kV 

Kesicinin izolasyon yapısının (faz-faz ve faz-toprak arası) güvenli bir şekilde dayanabileceği maksimum gerilim değeridir. Kesicinin anma gerilimi (rated kV) sistemin maksimum çalışma gerilimine (Maximum System Voltage) eşit veya ondan büyük olmalıdır.

Eğer sistem bara gerilimi 34.5 kV ise, bu şebekenin maksimum gerilimi standartlara göre genellikle 36 kV veya 38 kV olarak kabul edilir. 34.5 kV'luk bir baraya tam olarak 34.5 kV'luk bir kesici takılmaz; izolasyon payı için bir üst standart değer seçilir.

ETAP orta gerilim kesicisi modulüne bakıldığında dikkat edilirse "Rated" ifadesi genellikle cihazın imalatçı tarafından garanti edilen, standartlarda belirtilen üst sınır (kapasite) değerlerini ifade eder. Bu değerler, sistemin o anki çalışma (operating) koşullarından ziyade, ekipmanın fiziksel limitlerini belirlemek için kullanılır. Örneğin Şekil 1'de seçilen ABB marka kesici Çizelge 1'de belirtilen 12 kV anma gerilimine dayanabilir ve 10-11 kV sistemlerde kullanılabilir.

Rated kV (Anma Gerilimi)	Standart	Tipik Sistem Nominal Gerilimi
3.6 kV	IEC	3.3 kV sistemler için
4.76 kV	ANSI	4.16 kV sistemler için
7.2 kV	IEC	6.3 kV veya 6.6 kV sistemler için
12 kV	IEC	10 kV veya 11 kV sistemler için
17.5 kV	IEC	15 kV sistemler için
24 kV	IEC	20 kV sistemler için
36 kV	IEC	31.5 kV veya 34.5 kV sistemler için
38 kV	ANSI	34.5 kV (Kuzey Amerika) için

Çizelge 1. Orta Gerilim Kesicileri için Anma Gerilimi

Rated Amp

Kesicinin sıcaklık artış limitlerini aşmadan sürekli olarak taşıyabileceği akımdır yani kesicinin fiziksel bir limitidir. 

Bu değeri belirlerken Load Flow (Yük Akışı) analizi kullanılır.  Rated Amp. yani anma akımı kesici için seçilirken değeri yük akışı sonrası devreden geçen akımdan yüksek olmalıdır. Sadece o anki akıma bakmak yeterli değildir. Tesisin ileride kapasite artırımı yapma ihtimali varsa, kesici akımı bu "gelecekteki yükü" de kapsayacak şekilde seçilir. 

Load Flow'da görülen maksimum sürekli akımın %20-%25 üzerinde bir değer seçilmesi uygun olabilir. Rated Amp değeri, yük akış (Load Flow) analizindeki işletme sırasındaki akım değil, kesicinin etiketindeki (katalogdaki) nominal akımdır. Örneğin 300 A akım kesici üzerinden yük akışında geçiyorsa 3x1,2=360A'e uygun olarak fiziksel limiti 400A Rated Amp değerine sahip bir kesici kütüphaneden seçilebilir ya da kendi oluşturduğumuz kesici değeri alınabilir.

Şekil 1'de seçilen kesicinin rated amp yani sürekli çalışmada dayanabileceği akım 1250 A'dir.

Rated Amp (Anma Akimi)	Standart	Tipik Kullanım Alanı / Ekipman
400 A	IEC	Küçük güçteki OG motor fiderleri ve yardımcı servis trafoları.
600 / 630 A	ANSI / IEC	Standart OG dağıtım fiderleri, giriş kesicileri (küçük trafolar).
800 A	IEC / ANSI	Orta ölçekli endüstriyel tesis ana girişleri veya kuplaj kesicileri.
1200 / 1250 A	ANSI / IEC	Ana dağıtım merkezleri, büyük güçteki trafo çıkışları.
1600 A	IEC	Yüksek akımlı endüstriyel fiderler ve kuplajlar.
2000 A	ANSI / IEC	Büyük jeneratör çıkışları ve ana bus-tie (kuplaj) kesicileri.
2500 A	IEC	Çok büyük güçteki trafo girişleri ve ana baralar.
3150 A	IEC	Santral çıkışları ve kritik ana merkez giriş kesicileri.
4000 A ve üzeri	ANSI / IEC	Özel jeneratör kesicileri ve çok yüksek güçlü trafo merkezleri.

Çizelge 2. Orta Gerilim Kesicisi Rated Amp. Anma Akımları Değerleri

Şekil 2'de örnekte ETAP yük akışı analizi gösterilmektedir. Tek hattaki değerlere göre "rated kV" ve "rated amp" değeri kesici için Şekil 1'deki gibi belirlenebilir.

Şekil 2. ETAP örnek yük akışı

TRV (Transient Revovery Voltage)

Orta gerilim kesicisinin kontakları açılıp ark söndüğü anda, kontaklar arasında oluşan yüksek frekanslı geçici gerilim yükselmesi transient recovery voltage olarak adlandırılır. 

Kesici arkı ms içinde söndürür ancak sistemin endüktansı ve kapasitansı nedeniyle kontaklar arasında çok hızlı bir gerilim artışı meydana gelir. Devredeki endüktans (L) ve kapasitans (C) nedeniyle, akım kesildiği anda gerilim çok dik bir eğimle yükselmek ister. Gerilimin yükselme hızı (RRRV - Rate of Rise of Recovery Voltage) \(RRRV = \frac{{du}}{{dt}}\) kontaklar arasındaki dielektrik dayanımın (izolasyonun) iyileşme hızından daha fazlaysa ark tekrar tutuşur (re-strike) ve kesme işlemi başarısız olur. 

Kesici kontakları ayrılmaya başladığında, aradaki ark (plazma) çok yüksek bir sıcaklığa ve iletkenliğe sahiptir. Akım sıfır noktasından geçerken ark söner, ancak kontaklar arasındaki ortam hala iyonize durumdadır ve iletkendir. Dielektrik iyileşme hızı, ark söndüğü andan itibaren kontaklar arasındaki ortamın (SF6 gazı, vakum veya yağ) yalıtkanlık özelliğini tekrar kazanma hızıdır.Vakum kesicilerde dielektrik iyileşme çok hızlı olup birkaç ms'de biter. SF6 gazlı kesicilerde ise gazın basıncı ve saflığı bu hızı belirler.

Kesici kontakları birbirinden uzaklaştıkça ve ortam deiyonize oldukça, aradaki boşluğun dayanabileceği gerilim miktarı (kV cinsinden) zamanla artar.

IEC 32271-100'de TRV  kesicinin belirli arıza tiplerinde (yakın hat arızaları gibi) dayanması gereken bir pik değer olarak tanımlanır. Üretici spesifik bir TRV dayanım testi verisi sağlamamışsa veya bu veri ETAP kütüphanede işlenmemişse sıfır olarak görülür.

Kesicinin nominal kV değeri ve kA kapasitesi kurtarıyorsa, TRV'nin sorun yaratmasa da  jeneratör çıkışlarının indüktansı yüksek olduğundan bu değer önem kazanır. Sıfır değeri kesicinin TRV dayanımının olmadığı anlamına gelmez; sadece analiz kapsamında bir sınır değer tanımlanmadığını gösterir. Genelde TRV değeri transient stability çalışmalarında etkili olur.

Sonuç olarak kesicinin yalıtım kapasitesi, sistemin gerilim yükselmesinden her zaman daha hızlı artıyorsa, ark bir daha tutuşamaz ve devre güvenle açılır.Eğer RRRV, dielektrik iyileşme hızını geçerse (yani gerilim, izolasyonun o anki dayanım limitini aşarsa), kontaklar arasında ark tekrar başlar.

Making Peak: 

Standartta "Rated short-circuit making current" olarak geçer. ETAP kesici modülünde "rated short circuit making peak current in kA(peak value)" olarak ifade edilir. Kesicinin kısa devre üzerine kapatma yapması durumunda, akımın ilk tepesindeki (peak) mekanik dayanım kapasitesidir. Kapama kapasitesi olarak adlandırılabilir. Orta gerilim kesicisinin kapalı konumdayken maruz kaldığı değil, zaten bir kısa devre olan kola bilerek veya kazara kapatılması durumunda maruz kalacağı mekanik dayanım limitidir.

Kesici kontakları kapanırken, birbirine tam değmeden hemen önce aradaki dielektrik mesafe azaldığı için şiddetli bir ark oluşur. Kısa devre akımının ilk çevrimindeki (ilk 10 ms) bu tepe (peak) değeri, kesici üzerinde elektromanyetik kuvvet oluşturur. Making peak akımı, kesicinin kontaklarını elektromanyetik kuvvet nedeniyle birbirinden itmeye (repulsion) çalışır. Kesicinin bu itme kuvvetine rağmen kontaklarını güvenle birleştirebilme ve mekanik olarak dağılmama kapasitesidir.

Kesici making peak (kapama kapasitesi)  \(\ge\) kısa devre analizinde bulunan peak short circuit current (\({i_p}\))

Bu akım, sistemdeki maksimum asimetrik tepe değerine karşı kesicinin mekanik dayanımını temsil eder.  \( 2,5x{I_{breaking}} \)  50 Hz için genelde hesaplanır. Kısa devre analizinde "Report Manager" bulunan \({I_{bsym}}\) akımından daha büyük değerde \({I_{breaking}}\) seçilir.

Şekil 1'de kesicide belirtilen "Breaking" ifadesi 31,5 kA alınmış "Making Peak" ABB kesicinin bu modelinde 80 kA'dir. 80/31,5=2,53 gibi oran olur. Yani 31,5x2,5=78,75 kA değerini ABB kesicisi geçtiğinden standarttan biraz daha dayanıklı bir mekanik yapı verilmiştir.

Kısa devre analizinde peak short circuit current:

 \({i_p} = \kappa \sqrt 2 {I_k}^{''}\) 

\(\kappa  = 1,02 + 0,98{e^{ - 3R/X}}\)

\({i_p} = (1,02 + 0,98{e^{ - 3R/X}})\sqrt 2 {I_k}^{''}\) ile ifade edildiğinden arıza noktasında R/X oranı peak short circuit akımını hesaplamada önemlidir. Kesici test koşullarında X/R değeri standarta göre 14 alındığından;

\({i_p} = (1,02 + 0,98{e^{ - 3/14}})\sqrt 2  = 2,5611{I_k}^{''}\)

Üreticilerin test laboratuvarlarında  uyguladıkları test düzeneklerinde tam olarak 2,5611 yakalamak zordur. Bu nedenle standart, "making current" değerini simetrik kesme akımının 2,5 katı (50 Hz için) olarak sabitlemiştir.

ETAP kısa devre analizinde arıza noktasında X/R oranı 14'ten büyükse örneğin 25 olduğudan bu katsayı 2,67'ye yaklaşık 2,7 olur. Bu nedenle arıza noktasında X/R oranı making peak değerininin seçimini etkileyecektir. 2,5 katsayısı bazı durumlarda yetersiz kalabilir. Kısa devre hesaplarının manuel hesabı ilgili denklemler ve jeneratör besleme devresinde R/X oranları bu linkte incelenebilir. 

Breaking

Kesicinin kontakları açıldığı anda güvenli bir şekilde kesebileceği RMS akımıdır. ETAP'ta "AC component of the rated short-circuit breaking current in RMS kA" ifadesi yer alır. ETAP kütüphanesinde "AC Breaking" olarak ifade edilen akım aynıdır ve Şekil 3'te gösterilen AC Breaking Şekil 1'de "Breaking" kısmını temsil eder. Ancak buradaki ifadeler farkedildiği üzere modülde kesici kabiliyeti belirleme kısmıdır.

Şekil 3. AC Breaking Current = Breaking Current

Genelde karıştırılabilen bir kısım olduğundan kesici kabiliyeti belirlemede kullanılan akımların kısa devre analizinde hangi akıma göre belirlendiğinden bahsetmek gerekebilir. Kısa devre analizinde yer alan akımlar işletme sırasında oluşan akımdır. Bunu anlamak adına daha düşük kapasiteli bir kesici seçilirse örneğin Şekil 4'te rated amp değeri 31,5 kA yerine 16 kA ve making peak değeri 80 kA yerine 40kA olan Siemens 12 kV kesicisi seçilirse kısa devre analizinde uyarı oluşacaktır. 

Şekil 4. Farklı kesici seçimi

Şekil 5'te görüldüğü gibi kısa devre analizi sonucu işletme şartlarında peak short circuit current  \({i_p}\) 43,295 kA olmakta ve bu akım üstüne kapanacak kesicinin making peak değerini 40 kA seçildiğinden "alert view" kesici uygun değil alarmı vermektedir. Kısa devre analizi sonucu işletme şartlarında Min.Delay=0,052 (bkn. Şekil 4) symmetrical short circuit current  \({I_{b,sym}}\) değerinin 16,583 kA olduğu gösterilmekte ve 16 kA "Breaking current" ya da "AC Breaking" değerine sahip kesicinin yetersiz olduğu belirtilmektedir.

Şekil 5. Kısa Devre Analizi Alert View (Min.Delay=0,052)

Kısa devre analizi "Report Manager" da ara değerler gösterilmediğinden anlamak adına kesici menüsünde "Min.Delay" ifadesi 0,05 sn yapılıp Alert View'e bakılırsa Şekil 6 ve Şekil 7 ortaya çıkacaktır.

Şekil 6. Kısa Devre Analizi Alert View ( Min. Delay=0,05)

Şekil 7'de görüldüğü gibi karşılaştırma yapılan değerler \({I_{b,sym}}\) ile kesicinin "breaking" kabiliyetidir. Bu nedenle kesici boyutlandırma da kesici breaking değeri kısa devre analizinde ortaya çıkan symmetrical breaking current değerinden büyük olmalıdır.

\[{I_{breaking\_kesici}} = I{_{AC\_Breaking\_kesici}} > {I_{b,sym\_kisadevreanalizi}}\]

Şekil 7. Report Manager Kesici Değerleri

Bu nedenle örnek tet hatta \({I_{breaking\_kesici}} = 31,5kA\) seçilmiştir.

Burada "alert view"  kesici" breaking" ile kısa devre analizindeki Ib,sym akımı karşılaştırmıştır. Ancak kısa devre akımı içinde dc bileşen vardır belli bir süreye kadar etkilidir. "Min.Delay" =0,01 yapılırsa yani gecikme değeri azaltılırsa Şekil 8'te gösterildiği gibi DC bileşen varlığı artar ve %80,07 olduğu görülür (Şekil 4'te Min.Delay=0,052sn ve %DC=31,49). 

Not: Min.Delay ile ilgili detay aşağıda verilecektir. 

Şekil 8. Min. Delay ve DC Bileşen

Bu durumda tekrar kısa devre analizi yapıldığında "Alert View" de "Breaking" ile ifade edilen akımın asimetrik kesme akımına eşit olduğu ortaya çıkar. Bir başka ifade ile kesiciye ait asimetrik kesme akımı; 

\({I_{b,asym\_kesici}}\) kısa devre analizinde "Report Manager" da 0,01sn'ye karşılık gelen \({I_{b,asym}}\) olur.

Şekil 9'da kesiciye ait "Breaking" akımı  24,172 kA hesaplanmıştır ve simetrik kesme akımı değil bu durumda asimetrik kesme akımıdır. 16 kA simetrik kesme akımı Min.Delay =0,01sn olduğunda değerlendirilmeyip DC bileşenin ciddi varlığı nedeniyle asitmetrik kesme bu durumda değerlendirilecektir. Hesap yöntemi olarak aşağıdaki denklemler takip edilebilir.

\[{I_{b,asym\_kesici}} = {I_{b,sym\_kesici}}.\sqrt {1 + 2{e^{ - 2\frac{{t\min }}{\tau }}}}\]

 \({t_{\min }}\) = 0,01sn = Min.Delay ifadesini karşılar.

\(\tau  = 0,045sn\) = Kesici testlerinde standart test koşullarında 45ms alınır.\(\tau  = 0,045sn = L/R\)

\({I_{b,asym\_kesici}} = 16kA.\sqrt {1 + 2{e^{ - 2\frac{{0,01}}{{0,045}}}}}  = 24,172kA\)

Şekil 9. Breaking Akımı=Asimetrik Kesme Akımı olduğu durum

Kısa devre analizi raporuna bakıldığında Şekil 10'da işletme şartlarında asimetrik kesme akımının 24,565kA olduğu görülmektedir. Bu şekilde "Alert View" ve "Report Manager" yorumlanabilir. 

Anlaşılacağı üzere kesici açma gecikmesinin olmadığı ya da erken açmasının istendiği durumda dc bileşen varlığı nedeniyle kesicinin breaking akımı değerlendirmesi kesici asimetrik akımına \(({I_{b,asym\_kesici}}\) göre yapılır.  Kesicinin kontaklarının açıldığı o kritik anda kısa devre akımı sadece AC bileşenden değil, sönümlenmekte olan bir DC bileşenden de oluşur.

Şekil 10. Min.Delay=0,01sn ve işletme şartlarında asimetrik kesme akımı

Time Constant

Daha önce bahsedildiği gibi kesici testlerinde standart olarak 45 ms olarak alınır ( \(\tau  = 0,045sn\)).  Kısa devre akımının içindeki DC bileşenin ne kadar hızlı veya yavaş sönümleneceğini belirleyen parametredir. Kısa devre akımı oluştuğunda, sistemdeki endüktans akımın aniden değişmesine direnç gösterir ve bir DC Ofset oluşur. Bu DC bileşen zamanla üssel olarak sıfıra doğru sönümlenir.

\[\tau  = \frac{L}{R} = \frac{X}{{2\pi fR}}\]

\(\tau \) değeri yüksekse DC bileşen yavaş sönümlenir, kesici daha uzun süre yüksek asimetrik akıma maruz kalır. Düşükse DC bileşen hızlı sönümlenir, akım hızla simetrik hale gelir.

Arızanın olduğu bölgenin X/R oranı kısa devre hesaplarında kullanılır. Kesici kabiliyetinde X/R=14 standart olarak alınır. 

\[\tau  = \frac{L}{R} = \frac{X}{{2\pi fR}} = \frac{{14}}{{2\pi 50}} = 0,0445sn\]

Min. Delay

Kısa devrenin başladığı an ile kesici kontaklarının birbirinden fiziksel olarak ayrılmaya başladığı an (Contact Parting Time) arasındaki toplam sürenin en alt sınırıdır. ABB örneğinde 0,052sn yani 52ms kesicinin en hızlı ne zaman açağını gösterir. 

Min.Delay ifadesi üzerine yaklaşıldığında "Minimum time delay, including CB and relay delays in seconds" yazar. Yani röle algılama ve kumanda zamanı ve kesici kontaklarını ayırması için geçen süreyi kapsar. 

Röle Gecikmesi (Relay Delay) 

Arıza meydana geldiğinde koruma rölesinin(örneğin ABB REF serisi bir röle) arızayı algılaması, karar vermesi ve çıkış kontağını kapatıp kesiciye "aç" sinyali göndermesi için geçen süredir. Modern nümerik yani mikroişlemcili dijital rölelerde bu genellikle 10-20 ms (0,01 - 0,02 sn) arasındadır.

Kesicinin Mekanik Açma Süresi (CB Opening Time): 

Kesicinin açma bobinine enerji geldiği an ile kontakların birbirinden ayrıldığı an arasındaki mekanik süredir. ABB kesici kataloglarında bu değer genellikle "Opening Time" olarak belirtilir ve tipik olarak 30-45 ms (0,03 - 0,045 sn) civarındadır.

Kısa devre akımı içindeki DC bileşen (asimetri) zamanla sönümlenir. Kısa devre anında DC bileşen tam sönümlenmeştir. Kontak ne kadar erken (minimum sürede) ayrılırsa, akım o kadar asimetrik ve kesilmesi zor olur. ETAP, arıza noktasındaki gerçek X/R oranını kullanarak DC bileşenin ne kadar sürede sönümleneceğini hesaplar. 

Min. Delay örneklerde 52ms alınmıştı. Bu anda DC bileşen hala devrededir. Şekil 4'te DC bileşen %31.49'dur yani AC akımın yanında DC bileşen de vardır. Kesici, sadece AC sinüs dalgasını değil, o anda üzerine binen o yüksek DC ofsetli akımı ve onun yarattığı ark enerjisini kesmek zorundadır.

Break Time

Kesicinin arızayı sistemden tamamen temizlemesi için gereken sürenin tamamını ifade eder. Min.Delay bittikten sonra kesici kontaklarında ark oluşur. Ark süresi sabit bir değer değildir; akımın "sıfır geçişine" (zero crossing) ve kesicinin teknolojisine bağlıdır. Ark oluştuktan sonra, akım bir sonraki "sıfır geçişine" (zero crossing) kadar akmaya devam eder ve DC bileşen çok yüksekse, bu sıfır geçişi gecikir ve kesicinin işi zorlaşır.

Orta gerilim kesicilerinde ark süresi genellikle 10 ms ile 20 ms (yarım periyot ile tam periyot) arasındadır. Vakum kesiciler arkı genellikle ilk sıfır geçişinde söndürürken (<10 ms), SF6 kesicilerde bu süreç arkın soğutulma hızına bağlı olarak bir miktar daha uzun sürebilir.

Şekil 11'de arıza başlangıcından röle sinyali algılamadan  kesici açmasına kadar geçen olaylar zaman ve süreye bağlı özetlenmiştir.

Şekil 11. Kısa devrede röle ve kesici çalışmasına ait zaman ve süreler

T-Close

Kesicinin açık konumdan kapalı konuma geçişindeki mekanik hızıdır.Kesicinin normal işletme manevralarından ziyade, bir arıza üzerine kapatma senaryosu için önemlidir. Daha önce bahsedilen Making Peak (Kapama Kapasitesi);  kontaklar birbirine değmeden hemen önce ark oluşmaya başlar. T close süresinin kararlılığı, kesicinin bu devasa mekanik darbe kuvvetine karşı kontaklarını güvenle birleştirebilmesini sağlar.

Kontaklar henüz birbirine fiziksel olarak dokunmadan milimetreler kala ark oluşur ve bu durum bir elektromanyetik itme kuvveti yaratır. Bu itme kuvveti, akımın karesiyle orantılıdır. akım 2 katına çıkarsa, kontakları birbirinden ayırmaya çalışan mekanik kuvvet 4 katına çıkar. Kesici kapatma yaylarının gücü kapatma için önemlidir. 

Kesici kontaklarıT Close süresi boyunca birbirine yaklaşırken, aradaki mesafe (dielektrik açıklık) sistem gerilimini tutamayacak kadar azaldığı anda ark atlar. Bu aşamada akım, kısa devre akımının en yüksek olduğu ilk yarım periyottadır.

"Making Peak" kapasitesi, kesicinin bu itme kuvvetine karşı ne kadar kuvvetli olduğunun bir ölçüsüdür.Eğer sistemdeki \({i_p}\) akımı kesicinin bu kapasitesinden büyükse, kesici henüz açma komutunu bile uygulayamadan mekanik olarak dağılır.