7,2 kV, 6300 A ve 63 kA Şalt Cihazı: İnşa Etmek Neden Bu Kadar Zor?

Lütfen dikkat:
Bu makale, yüksek akımlı orta gerilim şalt cihazlarının mühendislik açıklamasına derinlemesine bir bakış arayan okuyuculara yöneliktir.
Seviye: İleri

Bu makale, 7,2 kV’nin şalt cihazının anma gerilimi olduğunu varsaymaktadır. Eğer 7,2 kV gerçek nominal sistem gerilimi ise, gerekli ekipman gerilim sınıfı ve yalıtım seviyesi ayrıca teyit edilmelidir.

7,2 kV gerilim değeri alışılmadık değildir.

6.300 A akım değeri teknik olarak elde edilebilir.

63 kA kısa devre dayanım değeri de elde edilebilir.

Ancak, bu üç değeri tek bir şalt cihazı sisteminde birleştirmek, son derece zor bir mühendislik problemi yaratır.

Bunun nedeni sadece sayıların büyük olması değildir. Asıl zorluk, bir gereksinim için bulunan çözümün genellikle başka bir gereksinimi daha da zorlaştırmasıdır.

Dört Değer Ne Anlama Geliyor?

Değer	Başlıca Etkilediği Alan
6.300 A	Sürekli ısınma, iletken boyutu ve kontak tasarımı
7,2 kV	Yalıtım, elektriksel açıklık ve kesme gerilimi
63 kA	Arıza kuvvetleri, kısa süreli dayanım ve kesici kapasitesi
78,6 MVA	Sistem ölçeği, önemi ve arıza sonuçları

Ana yapısal zorluk, aynı şalt cihazı içinde 6.300 A akım taşıyan bileşenleri, 7,2 kV yalıtım gereksinimlerini ve 63 kA kısa devre dayanımını birleştirmekten kaynaklanmaktadır.

Kombinasyon Neden Bu Kadar Zor?

Şalt cihazı şu özelliklere sahip olmalıdır:

• 6.300 A taşıyabilecek kadar büyük
• Isıyı dağıtabilecek kadar açık
• 7,2 kV’ye dayanabilecek kadar ayrılmış
• 63 kA’ya dayanabilecek kadar sağlam
• Termal genleşmeyi karşılayabilecek kadar esnek
• Bir arızayı kesebilecek kadar hızlı
• Dahili bir arkı kontrol edebilecek kadar kapalı

Bu gereksinimler birbiriyle çelişmektedir.

Bu nedenle, normal bir 3.150 A veya 4.000 A pano, sadece daha büyük baralar takılarak 6.300 A panoya dönüştürülemez.

Çelişki 1: Büyük İletkenler, Yalıtım Alanı ve Mekanik Mukavemet

Yüksek akım, şalt cihazını bakırla doldurmak isterken, orta gerilim bu bakırın etrafında boş yalıtım alanı gerektirir.

6.300 A taşımak için şalt cihazının büyük akım taşıyan bileşenlere ihtiyacı vardır, bunlar arasında:

Aynı zamanda, 7,2 kV ekipman şunlar arasında yeterli mesafeyi korumalıdır:

Bu, ilk temel çelişkiyi yaratır: iletkenler büyür, ancak basitçe birbirine yakın paketlenemezler.

63 kA Arızası Daha Güçlü Destek Gerektirir

63 kA kısa devre gereksinimi, düzenlemeyi daha da zorlaştırır.

Bir arıza sırasında, baralar muazzam elektromanyetik kuvvetlere maruz kalır. 63 kA RMS arızası, 150 kA’nın üzerinde bir ilk akım tepe noktası üretebilir.

Tipik bir tepe faktörü olan 2,5 kullanılarak:

63 kA × 2,5 = 157,5 kA tepe

Bu anlık akım şunlara neden olabilir:

• Fazları birbirinden ayırmak
• Paralel baraları birbirine çekmek
• İletkenleri bükmek
• İzolatörleri çatlatmak
• Kesici terminallerini bükmek
• Bağlantı yerlerine zarar vermek
• Kesici yapısını hareket ettirmek

Bu nedenle baraların güçlü ve birbirine yakın desteklere ihtiyacı vardır.

Baralar Hala Genleşebilmelidir

Baralar normal çalışma sırasında ısındıkça genleşir. Bu nedenle sistemin şunlara ihtiyacı olabilir:

Yapı, yavaş termal genleşmeye izin verirken, kısa devre sırasında sağlam kalmalıdır.

Ek destekler arıza dayanımını artırır, ancak aynı zamanda:

Faz aralığını artırmak yalıtımı iyileştirebilir ve elektromanyetik kuvveti azaltabilir, ancak aynı zamanda şalt cihazını şunlar yapar:

• Daha geniş
• Daha derin
• Daha ağır
• Daha pahalı
• Taşıması daha zor
• Mevcut bir şalt odasına kurulumu daha zor

Bu nedenle tasarımcı şunları dengelemelidir:

• İletken boyutu
• Yalıtım açıklığı
• Faz aralığı
• Bara destek aralığı
• Termal genleşme
• Bakım erişimi
• Genel kabin boyutları

Bir noktada, ekipman geleneksel metal kaplı şalt cihazına benzemeyi bırakıp daha çok jeneratör şalt cihazına veya bir enerji santrali bara sistemine benzemeye başlayabilir.

Çelişki 2: Isı Dağılımı ve Muhafaza Koruması

İletkenler, kontaklar ve destekler şalt cihazına takıldıktan sonra, bir sonraki sorun ürettikleri ısıyı uzaklaştırmaktır.

6.300 A’de, çok küçük bir direnç bile önemli miktarda ısı üretebilir.

Bir iletken veya bağlantıdaki elektriksel kayıp şu ilişkiyi takip eder:

Güç kaybı = Akım × Akım × Direnç

Bir bağlantının direncinin sadece 10 mikro-ohm veya 0,00001 ohm olduğunu varsayalım.

Bu bağlantıda üretilen ısı şöyle olacaktır:

6.300 × 6.300 × 0,00001 = 397 W

Bu, son derece düşük dirence sahip tek bir bağlantının bile sürekli olarak neredeyse 400 W ısı üretebileceği anlamına gelir.

Komple primer devre birçok olası ısı kaynağı içerir:

Etkili soğutma için tasarımcı şunları isteyebilir:

Ancak, dahili ark koruması kontrollü ve basınca dayanıklı bir muhafaza gerektirir.

Şalt cihazı şunları yapmalıdır:

• Dahili basınca dayanmak
• Kapıları ve kapakları kapalı tutmak
• Alevlerin personele doğru kaçmasını önlemek
• Sıcak gazların hareketini kontrol etmek
• Basıncı güvenli bir egzoz yoluyla yönlendirmek

Bu, ikinci temel çelişkiyi yaratır:

Yüksek akım etkili hava akışı gerektirirken, dahili ark koruması kontrollü ve basınca dayanıklı bölmeler gerektirir.

Yüksek bir IP derecesi sorunu daha da zorlaştırır. Sıkıca kapatılmış bir muhafaza, toz ve suya karşı daha iyi koruma sağlar, ancak aynı zamanda ısıyı hapseder ve hava akışını kısıtlar.

Bu nedenle üretici şunları dengelemelidir:

• Sıcaklık artışı
• Hava akışı
• Dahili ark güvenliği
• Çevresel koruma
• Fan güvenilirliği
• Bakım erişimi

Soğutma sadece fan eklemekle ilgili değildir. Muhafaza, havalandırma yolu ve basınç tahliye sistemi birlikte tasarlanmalıdır.

Çelişki 3: Daha Fazla Paralel Bara ve Eşit Olmayan Akım Paylaşımı

Tek bir son derece kalın bakır bara, 6.300 A taşımak için her zaman en iyi yol değildir.

Yüksek akım sistemleri normalde her faz için birkaç paralel iletken kullanır.

Örneğin, dört bara akımı eşit olarak paylaşırsa:

6.300 A ÷ 4 = bara başına 1.575 A

Ancak, akım pratikte eşit olarak bölünmeyebilir.

Akım paylaşımı şunlardan etkilenir:

• Farklı iletken uzunlukları
• Eşit olmayan bağlantı direnci
• Yüzey etkisi
• Yakınlık etkisi
• Bara konumu
• Yakındaki fazlardan gelen manyetik alanlar
• Eşit olmayan soğutma
• Farklı kontak basıncı

Bir iletken diğerlerinden daha fazla akım taşıyabilir ve yerel bir sıcak nokta haline gelebilir.

Daha fazla bakır eklemek temel direnci azaltır, ancak aynı zamanda AC akım dağıtımını ve elektromanyetik davranışı daha karmaşık hale getirir.

Bu nedenle tasarım, sadece toplam bakır kesit alanını değil, komple üç fazlı bara düzenlemesini de dikkate almalıdır.

Çelişki 4: Düşük Kontak Direnci ve Çekmeceli Yapı

Sabit cıvatalı bir bağlantı büyük, güçlü ve yüksek iletkenliğe sahip yapılabilir.

Çekmeceli bir kesici çok daha zordur.

Primer kontakları şunlar olmalıdır:

• Hareketli
• Doğru hizalanmış
• Düşük dirençli
• Mekanik olarak dayanıklı
• Uygun şekilde yalıtılmış
• Sürekli olarak 6.300 A taşıyabilen
• Kısa devre tepe noktasına dayanabilen

Tasarımcı, direnci azaltmak için daha fazla kontak parmağı ekleyebilir ve basınçlarını artırabilir.

Ancak bu şunları yaratır:

• Daha fazla takma kuvveti
• Daha ağır bir kesici arabası
• Daha fazla mekanik aşınma
• Daha yüksek hizalama hassasiyeti
• Daha zor bakım
• Eşit olmayan akım paylaşımı riski daha yüksek

Bazı kontak parmakları basıncı kaybederse, kalan kontaklar aşırı akım taşıyabilir ve aşırı ısınabilir.

Bu nedenle, ayrı ayırıcılara sahip sabit montajlı bir kesici, geleneksel çekmeceli VCB’den daha pratik olabilir.

Kesici Asıl Darboğaz Olabilir

Büyük bakır baralar üretilebilir.

Daha zor soru, kesicinin şunları yapıp yapamayacağıdır:

1. Sürekli olarak 6.300 A taşımak
2. İlk arıza akımı tepe noktası sırasında stabil kalmak
3. Koruma çalıştığında hızlı açılmak
4. 63 kA’yı güvenli bir şekilde kesmek
5. Açık kontaklar arasında geri gelen gerilime dayanmak
6. Gerekli 7,2 kV yalıtım seviyesini korumak

Kesici, normal çalışma sırasında düşük direnç ve yüksek kontak basıncı gerektirir.

Bir arıza sırasında, aynı zamanda hızlı açılmalı ve son derece yüksek bir akımı kesmelidir.

Bu nedenle, aynı anda güçlü bir şekilde kapalı, mekanik olarak stabil ve hızlı açılma yeteneğine sahip olmalıdır.

Normal bir 4.000 A kesici, sadece daha büyük harici terminaller takılarak genellikle 6.300 A kesici haline gelemez.

Komple dahili akım yolu 6.300 A için tasarlanmalı ve test edilmelidir.

Güç hakkında

400 V ve 6.300 A’de, üç fazlı görünür güç yaklaşık 4,36 MVA’dır:
1,732 × 0,4 kV × 6,3 kA = 4,36 MVA

7,2 kV ve aynı akımda, görünür güç yaklaşık 78,6 MVA’ya yükselir:
1,732 × 7,2 kV × 6,3 kA = 78,6 MVA

Bu nedenle 7,2 kV devresi yaklaşık 18 kat daha fazla görünür güç aktarır.

Daha yüksek güç, iletkenleri doğrudan daha sıcak yapmaz. Akım ve iletken direnci aynıysa, direnç kayıpları da benzerdir.

Ancak, 78,6 MVA değeri sistemin ölçeğini gösterir. Bir devre büyük bir jeneratöre, transformatöre, kompresör sistemine veya endüstriyel sürece bağlı olabilir. Bu nedenle bir arıza veya gereksiz açma, on megavatlarca yükü devreden çıkarabilir.

Bu şunları gerektirebilir:

• Yüksek hızlı ve güvenilir koruma
• Diferansiyel ve kesici arıza koruması
• Sürekli sıcaklık izleme
• Güvenilir soğutma
• Büyük bara kanalı bağlantıları
• Daha kapsamlı durum izleme

Dahili Ark Koruması Muhafazayı Nasıl Değiştirir?

Dahili ark koruması, şalt cihazının daha büyük baralara ihtiyaç duymasının orijinal nedeni değildir. Ancak, 7,2 kV, 6.300 A akım yolu tasarlandıktan sonra, ark muhafazası başka bir önemli yapısal gereksinim yaratır.

Normal çalışma sırasında, şalt cihazı 6.300 A’e kadar akım taşır. Bir yalıtım arızası, gevşek bağlantı veya yabancı bir cisim dahili bir arıza yaratırsa, akım mevcut kısa devre seviyesine doğru yükselebilir – bu durumda 63 kA.

Üç değer farklı şekillerde katkıda bulunur:

Değer	Dahili arıza sırasındaki etkisi
6.300 A	Büyük iletkenler, kontaklar, bağlantılar ve soğutma yolları gerektirir
7,2 kV	Hava boşluğunda bir arkın oluşmasına izin verir
63 kA	Mevcut arıza akımını ve olayın potansiyel şiddetini belirler

Dahili bir ark, yaklaşık 10.000°C‘de gaz plazması oluşturur ve yerel sıcaklıklar ark çıkışına yakın 20.000°C’ye kadar ulaşabilir. Bunlar yerel plazma sıcaklıklarıdır, komple şalt cihazının içindeki ortalama sıcaklık değildir. Arkın olduğu yerde, metal ve yakındaki yalıtım neredeyse anında eriyebilir veya buharlaşabilir.

Hızla ısınan gaz ve buharlaşan malzeme keskin bir basınç artışına neden olur. Bu nedenle şalt cihazı şunları gerektirebilir:

• Güçlendirilmiş kapılar ve kilitleme sistemleri
• Basınca dayanıklı iç bölmeler
• Basınç tahliye kapakları
• Tavan egzoz plenumu
• Harici basınç tahliye kanalları
• Personelden uzakta kontrollü bir deşarj alanı

Elektrik odası da dikkate alınmalıdır. Siemens, orta gerilim şalt odalarının basınç tahliye çıkışları veya kanalları gerektirebileceğini ve bina yapısının dahili bir ark tarafından üretilen basınca dayanması gerekebileceğini belirtmektedir.

Bu, başka bir tasarım çelişkisi yaratır:

6.300 A akım yolu normal çalışma sırasında etkili soğutma gerektirirken, dahili ark koruması bir arıza sırasında kontrollü, basınca dayanıklı hava akışı gerektirir.

Bu nedenle havalandırma ve basınç tahliye sistemleri birlikte tasarlanmalıdır. Normal soğutma açıklıklarının alevleri veya sıcak gazları personele doğru salmasına basitçe izin verilemez.

63 kA Ark Dayanımlı Şalt Cihazı Örneği

Ek kurulum alanı miktarı, test edilen şalt cihazı platformuna bağlıdır. Ark dayanımlı yapının her panoya sabit bir yükseklik veya yüzde eklediğini belirten evrensel bir kural yoktur.

Referans olarak, ABB’nin SafeGear HD’si, tavan basınç tahliye plenumu kullanan belirli bir 5/15 kV, 63 kA ark dayanımlı şalt cihazı platformudur. ABB, plenum düzenlemesi ve havalandırma kutusu boşluğu için minimum zemin-tavan mesafesini yaklaşık 129,5 inç veya 3,29 metre olarak belirtir.

Bu rakam sadece gerçek bir ürün örneğidir. Her 7,2 kV, 6.300 A tasarımı için gerekli oda yüksekliği olarak ele alınmamalıdır.

6.300 A’lik bir sistem farklı bir şeye ihtiyaç duyabilir:

• Taban paneli yüksekliği
• Soğutma düzenlemesi
• Plenum boyutu
• Egzoz kanalı kesiti
• Güvenli deşarj alanı
• Şalt odası tavan yüksekliği

Kesin boyutlar üreticinin test edilmiş genel düzenlemesinden gelmelidir.

Önemli nokta şudur:

Dahili ark koruması önemli miktarda tavan alanı, egzoz kanalı, yapısal güçlendirme ve şalt odası gereksinimleri ekleyebilir, ancak miktar test edilen ekipman tasarımına özeldir.

Bağlantılar Başka Bir Büyük Sorun Haline Gelebilir

6.300 A’de, sıradan orta gerilim kablo bağlantıları pratik olmayabilir.

Sistem şunları gerektirebilir:

• Faz başına birçok paralel kablo
• Faz ayrılmış bara kanalı
• Faz ayrılmamış bara kanalı
• Doğrudan bakır bara bağlantısı
• Jeneratör uygulamalarında izole faz bara

Bağlantı sistemi ayrıca şunları da ele almalıdır:

• Eşit akım paylaşımı
• Termal genleşme
• 7,2 kV yalıtım
• 63 kA arıza kuvveti
• Mekanik hizalama
• Yapısal destek
• Havalandırma

Şalt cihazı, bağlı olduğu jeneratör, transformatör veya bara kanalından ayrı olarak tasarlanamaz.

Komple akım yolu tek bir sistem olarak koordine edilmelidir.

Daha Pratik Alternatifler

Tek bir 6.300 A bara seçmeden önce, sistem tasarımcısı yükün bölünüp bölünemeyeceğini düşünmelidir.

Sistemi Daha Düşük Akımlı Bara Bölümlerine Ayırın

Tek bir 6.300 A bara kullanmak yerine, sistem iki bağımsız bara bölümüne ayrılabilir.

Olası düzenlemeler şunları içerir:

• İki adet 3.150/4.000 A bara bölümü
• Her bölüm için ayrı transformatör veya jeneratör girişleri
• Bölümler arasında normalde açık bir bara kuplörü

Bu, her bölümün daha yerleşik bir orta gerilim şalt cihazı aralığında kalmasını sağlar.

İki bölümlü bir düzenleme şunları sağlayabilir:

• Daha yaygın olarak bulunan kesiciler
• Daha kolay sıcaklık artışı kontrolü
• Daha küçük baralar ve bağlantılar
• Daha kolay bakım
• Daha iyi yedeklilik
• Daha düşük teknik ve test riski

Ancak, değerler basitçe eklenmemelidir.

İki adet 3.150 A bölüm, çıkışları birleştirilmedikçe tek bir 6.300 A bara oluşturmaz. Eğer tek bir bara kuplörü veya ortak bağlantı aracılığıyla birleştirilirlerse, sistemin o kısmı yine de tam 6.300 A’i taşımak zorunda kalabilir.

Pratik çözüm normalde yükleri iki bölüm arasında bölmek ve bara kuplörünü normalde açık tutmaktır. Kuplör, kalan kaynak ve bara bölümü aktarılan yükü taşıyabildiği sürece, yük transferi için geçici olarak kapatılabilir.

Gücü Daha Yüksek Gerilimde Dağıtın

Aynı güç için, gerilimi artırmak akımı azaltır.

Örneğin, 11 kV’de 78,6 MVA iletmek yaklaşık 4.130 A gerektirecektir.

Hesaplama şöyledir:

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 11 kV = yaklaşık 4,13 kA

22 kV’de, aynı güç yaklaşık 2.060 A gerektirecektir.

Hesaplama şöyledir:

78,6 MVA ÷ 1,732 ÷ 22 kV = yaklaşık 2,06 kA

Dağıtım gerilimini artırmak şunları büyük ölçüde basitleştirebilir:

• Baralar
• Kesiciler
• Bağlantılar
• Soğutma
• Mekanik destekler

Ancak, aynı zamanda gerekli yalıtım seviyesini de artırır.

Jeneratör Devre Kesici Sistemi Kullanın

Devre doğrudan büyük bir jeneratöre bağlıysa, geleneksel dağıtım şalt cihazını değiştirmek yerine özel jeneratör ekipmanı daha uygun olabilir.

Jeneratör devre kesicileri özellikle şunlar için tasarlanmıştır:

• Çok yüksek sürekli akım
• Yüksek kısa devre akımı
• Şiddetli kesme görevi
• Jeneratör kaynaklı arıza davranışı
• Büyük bara kanalı bağlantıları

Sonuç

7,2 kV, 6.300 A ve 63 kA şalt cihazı sistemi zordur çünkü gereksinimler birbiriyle çelişir.

• 6.300 A daha fazla bakır ve daha fazla soğutma gerektirir.
• 7,2 kV daha fazla yalıtım alanı gerektirir.
• 63 kA daha güçlü ve daha sağlam destekler gerektirir.
• Termal genleşme kontrollü esneklik gerektirir.
• Dahili ark güvenliği güçlü, basınç kontrollü bir muhafaza gerektirir.
• Kesici çalışması hem yüksek kontak basıncı hem de hızlı açılma gerektirir.

Asıl zorluk sadece daha büyük bir kabin inşa etmek değildir.

Aynı anda şunları sağlayan bir sistem yaratmaktır:

Elektriksel olarak yalıtılmış, termal olarak stabil, mekanik olarak güçlü, operasyonel olarak hızlı ve dahili bir arıza sırasında güvenli.

Bu nedenle bu kombinasyon normalde geleneksel orta gerilim şalt cihazı yerine özel jeneratör veya ağır sanayi ekipmanlarına aittir.

Sıkça Sorulan Sorular

Hayır. Teknik olarak elde edilebilir, ancak normalde geleneksel OG şalt cihazı yerine özel jeneratör sınıfı veya özel yüksek akım ekipmanı gerektirir.

Alçak gerilim şalt cihazı çok daha küçük yalıtım açıklıkları gerektirir. Bu nedenle büyük baralar, kesiciler ve paralel kontaklar birbirine daha yakın monte edilebilir.

Hayır. Daha büyük baralar ısınmayı azaltabilir, ancak kesici kapasitesi, yalıtım açıklığı, kontak direnci, soğutma, CT boyutu veya 63 kA arıza kuvvetleri sorunlarını çözmez.

Kesicinin arıza kapasitesini ve baralar, destekler, terminaller ve muhafaza için gereken mekanik mukavemeti etkiler.

Önemli bir personel güvenliği gereksinimidir, ancak ana yapısal zorluk 6.300 A iletkenleri, 7,2 kV yalıtım mesafeleri ve 63 kA kısa devre dayanımını birleştirmektir.

Evet. Yükleri iki düşük akımlı bara bölümü arasında bölmek, daha yerleşik şalt cihazı platformlarının kullanılmasına olanak tanır. Ancak, herhangi bir ortak bağlantı yine de taşıdığı akıma göre derecelendirilmelidir.