Alçak Gerilim Elektrik Tesisatlarında Kullanılan Koruma Cihazlarının Koordinasyonu

Barış  Akdoğan

Elektriksel donanımın güvenliği ve de güvenilirliği için temel gereksinimlerden biri de, koruma ve anahtarlama cihazları arasında doğru koordinasyondur. Koruma cihazlarındaki hatalı ve istenmeyen açmalar, istenmeyen elektrik kesintilerine neden olabilmektedir. Bu durum ekonomik kayıplara yol açabileceği gibi, ayrıca can ve mal güvenliğini de olumsuz etkileyebilmektedir.

Elektriksel koruma cihazların koordinasyonunun temeli, aşağıdaki hususları garanti etmek üzere, bu cihazların parametrelerine göre doğru kombinasyonlarını kullanmaya dayanır;

•    Tesisatın güvenliği - aşırı akım koruması ile ilgili güvenlik (elektriksel hata durumunda koruma cihazının standartlarda belirtilen süre içerisinde açma yaparak koruma yapması),

•    Kesintisiz çalışma sayesinde güvenlik - aşırı akım veya toprak hatası durumunda koruma cihazları arasındaki seçicilik sayesinde, tesisatın hata oluşmayan bölümünde elektrik beslemesinin sürekliliğinin sağlanması.

Koruma cihazlarının doğru seçimini sağlamak için, ilgili ürün standartlarında belirtilen parametrelerin ve özelliklerin tanımlarını takip etmek gerekir, örneğin:

•    IEC/EN 60269    Alçak gerilim sigortaları

•    IEC/EN 60898    Ev içi ve benzeri tesisatlarda aşırı akım koruması için devre kesiciler

•    IEC/EN 60947    Alçak gerilim anahtarlama ve kontrol cihazları

•    IEC/EN 61008    Ev içi ve benzeri tesisatlar için artık akımla çalışan devre kesiciler

•    IEC/EN 61439    Alçak gerilim anahtarlama ve kontrol panoları

•   IEC/TR 61912-1    Alçak gerilim anahtarlama ve kontrol cihazları – Aşırı Akım Koruma Cihazları -Kısa-devre             değerlerinin uygulaması

•   IEC/TR 61912-2    Alçak gerilim anahtarlama ve kontrol cihazları – Aşırı Akım Koruma Cihazları –Aşırı Akım Durumunda Seçicilik 

Bunun yanısıra, IEC 60364 Alçak Gerilim Elektrik Tesisatları Standardının IEC 60364-1 Genel Gereksinimler bölümü içerisinde, madde 314.2 ‘de “Bağımsız dağıtım devreleri, diğer devrelerdeki hatalardan etkilenmeyecek şekilde ayrı ayrı kontrol edilmesi gereken tesisat bölümleri olarak sağlanacaktır” ibaresi, koruma cihazları arasındaki koordinasyonun tesisat standardı doğrultusunda bir gereksinim olduğunu göstermektedir. Bu konudaki detaylar ise, IEC 60364-5-53 Elektriksel Donanımın Seçimi ve Montajı bölümünde yer almaktadır.
 

Tablo 1 - Güvenilirlik ve güvenlik açısından donanım koordinasyonu (IEC / HD 60364-5-53)

 

 •   OCPD      Over Current Protective Device – Aşırı Akım Koruma Cihazı (tüm sigortalar ve devre kesiciler için             genelleyici kısaltma)

•    TSE      Transfer Switching Equipment – Transfer Anahtarlama Ekipmanı

•    RCD      Residual Current Device – Artık Akım Cihazı (tüm çeşitler için genelleyici)

•    RCCB      Residual Current operated Circuit Breaker – Artık Akım ile çalışan Devre Kesici

•    RCBO      Residual Current operated circuit Breaker with integral Overcurrent protection – entegre Aşırı Akım          korumalı Artık Akım ile çalışan Devre Kesici

Elektriksel koruma cihazlarının koordinasyonu konusunda dikkate alınması gereken hususlar aşağıdaki gibi sıralanabilir;




Seri bağlı cihazların hata koşulları altındaki davranışının değerlendirilmesi, aşağıdaki parametrelerin dikkate alındığı bir masa çalışmasına dayalı olarak gerçekleştirilir;

   •  Şebeke gerilimi (U_n) 
   •  Cihazın beyan akımı (I_n) ⇔ Tesisatın tasarım akımı (I_B)
   •  Beklenen kısa-devre akımı (I_cc) – Tesisatta oluşabilecek en büyük kısa-devre akımı
   •  Cihazın açma süresi (t_c)
   •  Cihazın sınırlandırılmış pik akım değeri (I_c)
   •  Enerji (sınırlandırılmış I²t değeri)

Cihazlar arası seçicilik değerlendirmesi ilgili eğrilerden/tablolardan yararlanarak veya test yöntemiyle yapılabilir. Ancak Kısa Devre Koruma Cihazı (SCPD) için kısa-devre koruması ve back-up koruma değerlendirmesi sadece test yöntemiyle doğrulanarak yapılmalıdır! Bu anlamda gerekli veriler üretici firmalardan alınabilir.

Seri bağlı cihazlar arasındaki seçicilik, elektrik tesisatının belirli bölümlerinde oluşan aşırı yükler veya kısa devre akımlarından dolayı hata olmayan tesisat bölümlerindeki istenmeyen açmaların önüne geçilmesini sağlar. Bu durum, hizmet sürekliliğinin yüksek olduğu tüm kritik uygulamalarda doğru koruma çözümüdür.
Seçicilik ile ilgili terminolojiyi doğru kullanmak adına IEC/EN 60947-2 Devre Kesiciler standardında belirtilen tanımlara dikkate almak gerekir:

•    Aşırı akım seçiciliği (madde 2.17.1): iki veya daha fazla aşırı akım koruma cihazının çalışma özelliklerinin koordinasyonu, öyle ki, belirtilen sınırlar dahilinde aşırı akımların meydana gelmesi durumunda, bu sınırlar dahilinde çalışması amaçlanan cihaz bunu yapar, diğer(ler)i ise yapmaz;

•    Toplam (tam) seçicilik (madde 2.17.2): seri bağlı iki aşırı akım koruma cihazından, yük tarafındaki koruma cihazının, her durumda kaynak tarafındaki cihaz çalışmadan önce koruma işlevini gerçekleştirmesi şeklinde sağlanan aşırı akım seçiciliğidir;

•    Kısmi seçicilik (madde 2.17.3): seri bağlı iki aşırı akım koruma cihazından, yük tarafındaki koruma cihazının, belirli bir sınır akımına kadar kaynak tarafındaki cihaz çalışmadan önce koruma işlevini gerçekleştirmesi şeklinde sağlanan aşırı akım seçiciliğidir;

•    Seçicilik sınır akımı I_s (madde 2.17.4): yük tarafındaki koruma cihazının toplam zaman-akım karakteristiği ile kaynak tarafındaki koruma cihazının açma zaman-akım karakteristiği arasındaki kesişme noktasının mevcut koordinatıdır.

Özetle toplam seçicilik, seri bağlı koruma cihazlarının açma karakteristiklerinin hiç kesişmemesi olarak yorumlanabilir (bakınız Şekil 1 ve Şekil 2).

Şekil 1 - Akım sınırlayıcı olmayan C2 devre kesicisi ile akım sınırlayıcı C1 devre kesicisi arasındaki toplam seçicilik. Bu tip kombinasyonlarda toplam seçicilik, yük tarafındaki C1 devre kesicisinin kesme kapasitesine (Icu1) kadar sağlanabilir ve üretici firma tarafından test yöntemi ile doğrulanmalıdır.

Toplam seçicilik tesisat için en uygun çözüm olmakla birlikte, gerçek tesisat koşullarına bağlı olarak, yalnızca belirli durumlarda elde edilebilir. Özellikle kısa süreli zaman gecikmesi ayarı özelliğine sahip elektronik açtırma üniteli LSI tip devre kesiciler kullanılmıyor ise, toplam seçiciliğin sağlanabilmesi için farklı kasa boyutlarına ve açma karakteristiklerine sahip koruma cihazlarının kullanılması ve ayrıca tesisatın sonunda çok yüksek olmaması beklenen hata akım değerlerinin ve buna bağlı olarak devre kesicilerin açma sürelerinin de hesaba katılması gerekmektedir.

 

Şekil 3 - Akım sınırlayıcı olmayan 1 devre kesicisi ile akım sınırlayıcı olmayan 2 devre kesicisi arasındaki kısmi seçicilik.

Kısmi seçicilikte seri bağlı iki koruma cihazının açma karakteristiklerinin kesiştiği akım değerine kadar oluşan hata akımlarında sistem seçici olarak çalışır. Sadece yük tarafındaki koruma cihazının açma yaptığı bu en büyük akım değerine, kombinasyonun seçicilik sınır akımı (Is) denir. Eğer tesisatın bu noktasında beklenen kısa devre akımı bu seçicilik sınırından düşük ise, uygulama da toplam seçiciliğe ulaşır. Seçicilik sınır akımının üzerindeki hata akımlarında ise hangi koruma cihazının önce açacağı belli değildir ve her iki cihazın da açma yapması muhtemeldir.

Kısmi seçicilik değerlendirilirken, tesisatın ilgili noktasındaki beklenen kısa devre akımının değerini bilmek ve bunu seri olarak iki koruma cihazının seçicilik sınır akımının (Is) değeriyle karşılaştırmak gerekir. Bu yerine getirilirse, kısmi seçicilik istenmeyen açmaları azaltmak için yeterince iyi olabilir.

Seri bağlı iki sigorta arasındaki toplam seçiciliğin sağlanabilmesi için, kaynak tarafındaki sigortanın ergime enerjisinin, yük tarafındaki sigortanın kesme enerjisinden büyük olması gerekir.

Yani; I²t_m (Kaynak tarafındaki sigorta) > I²t_c (Yük tarafındaki sigorta) koşulunun sağlanması gerekir.
 

Şekil 4 - Seri bağlı iki sigorta arasındaki genel seçicilik koşulu.

Bu genel seçicilik koşulundan hareketle, aynı kullanım kategorisinde (gG/gG, aM/aM, vb.) iki sigortanın beyan akım değerleri arasında 1,6 : 1 oranı varsa, bu iki sigorta arasında toplam seçicilik olduğu kabul edilir. Örneğin kaynak tarafındaki In = 160 A gG değerinde bir sigorta ile, yük tarafındaki In = 100 A gG değerinde bir sigorta kombinasyonu tam olarak seçicidir (Önemli not: IEC/EN 60269-1 Alçak Gerilim Sigortaları Standardına göre bu kabul 16 A üzeri sigortalar için geçerlidir).

Şekil 5 - 16 A beyan akım değerinin üzerindeki seri bağlı iki sigorta arasındaki genel seçicilik kabulü

Seri bağlı iki minyatür devre kesici (MCB) arasında seçicilik sağlanması ise oldukça zordur. Yakın açma süreleri ve I2t değerleri (MCB’lerin akım sınırlama sınıfı) nedeniyle, benzer geçiş enerjisi değerine sahip farklı beyan akımlı iki MCB arasında iyi seviyede bir seçicilik koordinasyonu sağlanamaz. Seçicilik tabloları, seçicilik sınır akımlarını göstermektedir ki bu değerler yük tarafındaki MCB’nin (B, C veya D tipi) ani açma değerine eşittir.

Şekil 6 - Farklı MCB tipleri için açma karakteristikleri ve ani açma değerlerine bağlı olarak seçicilik sınırları.

Seri bağlı sigorta ile minyatür devre kesici (MCB) arasında seçicilik ise hangi koruma cihazının yük tarafında kullanılacağına göre değişir. Kaynak tarafında sigorta ve yük tarafında devre kesici kombinasyonu, bazı uygulamalarda tipik olarak kullanılan bir kombinasyondur ve seçicilik sınır akımına (Is) kadar kısmi seçicilik sağlar (bakınız Şekil 7).
 

Şekil 7 - Sigorta ve MCB arasındaki seçicilik (eğer beklenen hata akımı seçicilik sınırının altında ise toplam seçicilik sağlanır).
 

Kaynak tarafında devre kesici ve yük tarafında sigorta kombinasyonu ise genellikle toplam seçiciliği sağlar, ancak bu kombinasyon pratik nedenlerle çok sık kullanılmaz (bakınız Şekil 8).
 

Şekil 8 - MCB ve sigorta arasındaki seçicilik (genellikle toplam seçicilik sağlanır).

Kompakt tip ve açık tip devre kesiciler arasındaki seçicilik değerlendirilirken ise, devre kesicilerin “seçicilik kategorisi (kullanım kategorisi)” önemli bir husustur. Hem kompakt tip devre kesiciler (MCCB) hem de açık tip devre kesiciler (ACB) için geçerli olan IEC/EN 60947-2 standardı, seçicilik kategorisi A ve B olarak iki devre kesici kategorisi tanımlar:

•    Seçicilik kategorisi A, tipik olarak kısa süreli zaman gecikmesi ayarı olmayan ve genelde yük tarafına monte edilen kesiciler için kullanılır.

•    Seçicilik kategorisi B, özellikle giriş devre kesicisi (kaynak tarafında) olarak kullanılmak üzere tasarlanmışlardır. Bu devre kesiciler kısa süreli zaman gecikmesi (t_sd) özelliği sunmalı ve standarda uygun olarak kısa süreli dayanım akımı (I_cw) değerine sahip olmalıdır.

Şekil 9 - MCCB ve ACB’ler için seçicilik kategorileri.

LSI tipteki elektronik açtırma üniteleri ile donatılmış devre kesicilerde, ani açma akımına kadar belirli bir akım aralığında (gecikmeli kısa devre koruması I_sd) kısa süreli bir zaman gecikmesi (t_sd) ayarlanabilir. Bu gecikme süresi devre kesicinin tipine bağlı olarak 0,05 s ila 1 s arasında olabilir. Bu tip devre kesiciler için beyan kısa süreli dayanım akımı (I_cw), tesisatın ilgili bölümündeki devre kesicinin en uzun zaman gecikme değeriyle ilişkilendirilmelidir. Seçicilik, devre kesicilerin nihai kısa devre kesme kapasitesi (I_cu) değerine kadar sağlanamasa da, en azından beyan kısa süreli dayanım akımı (I_cw) değerine kadar mutlaka sağlanır.

Tesisatın ilgili bölümünde beklenen kısa devre akımının (I_cc) değeri bilinmiyorsa, bir devre kesici veya yük ayırıcı için gerçekçi olmayan yüksek bir Icw değeri belirtmenin bir anlamı yoktur.

IEC/EN 60947-2 standardına göre, seçicilik kategorisi B için beyan kısa süreli dayanım akımının (I_cw) minimum değeri, beyan çalışma akımı (I_n) değeri 2500 A’e eşit veya daha az olan devre kesiciler için en az 12 x I_n veya 5 kA (hangisi büyük ise), beyan çalışma akımı (I_n) değeri 2500 A’den büyük olan devre kesiciler için ise en az 30 kA olmalıdır.

Seçicilik ve back-up koruma açısından doğru bir devre kesici seçimi yapmak için, akım sınırlayıcı kesiciler ile akım sınırlayıcı olmayan devre kesiciler arasında ayrım yapmak gerekir.

•    Akım sınırlayıcı devre kesiciler: Akım sınırlayıcı devre kesiciler (genelde 630 A beyan çalışma akımından küçük olan devre kesiciler) geçiş enerjisini (I2t), beklenen simetrik kısa devre akımının bir yarı döngü dalgasının geçiş enerjisi değerinden daha düşük bir değere indirebilir.

•    Akım sınırlayıcı olmayan devre kesiciler: MCCB'lerin ve ACB'lerin daha büyük kasa boyutları, zaman gecikmesinin ayarlanmasına izin veren elektronik açma ünitelerine sahip dayanıklı bir kontak sistemi ile tasarlanmıştır. Yüksek kısa süreli dayanım akımı (Icw) değerleri sayesinde bu devre kesiciler, B seçicilik kategorisine sahip bir devre kesici olarak kaynak tarafında seçici devre kesiciler olarak kullanılabilir.

 

Seçicilik değerlendirmesi yaparken, üreticilerin sağladığı seçicilik tablolarının doğru kullanımı önemlidir.

Örneğin Tablo 2’de, kaynak tarafında (Upstream) kullanılan NZM...3-AE kasa tipindeki 400 A beyan çalışma akımına sahip bir MCCB ile, yük tarafında (Downstream) kullanılan NZM...1-A kasa tipindeki 63 A beyan çalışma akımına sahip bir MCCB arasında I_s = 15 kA seviyesindeki seçicilik sınır akımına kadar kısmi seçicilik olduğu görülmektedir. Bu örnekteki her iki MCCB de akım sınırlayıcı özelliğe sahip devre kesicilerdir.

Diğer bir örnek olarak yine Tablo 2’de, kaynak tarafında (Upstream) kullanılan NZM...4-AE kasa tipindeki 800 A beyan çalışma akımına sahip bir MCCB ile, yük tarafında (Downstream) kullanılan NZM...1-A kasa tipindeki 100 A beyan çalışma akımına sahip bir MCCB arasında toplam (tam) seçicilik olduğu görülmektedir ki bu durum seçicilik tablolarında Toplam seçiciliği (Total selectivity) ifade eden T harfi ile gösterilmiştir. Bu örnekteki NZM...4-AE kasa tipindeki MCCB akım sınırlayıcı olmayan bir devre kesicilerdir.

Tablo 2 - Farklı kasa boyutlarındaki MCCB’ler için seçicilik tablosu.

Seçicilik tablolarında tanımlanan seçicilik koşulları, üreticiler tarafından test laboratuarında test edilir. Seçicilik tabloları kullanılırken dikkate alınması gereken önemli bir detay; bu testlerde, IEC/EN 60947-2 Ek A’da belirtilmiş olduğu gibi, kaynak ve yük tarafındaki devre kesiciler arasında 75 cm uzunluğunda bir kablo, ve yine yük tarafındaki devre kesici ile kısa devre noktası arasındaki 75 cm uzunluğunda başka bir kablo kullanılıyor olmasıdır. Bu husus, genel bir dağıtım panosuna monte edilmiş giriş ve çıkış devre kesicilerini simüle etmektedir. Ancak, daha uzun kablolar veya busbarlar, mevcut kısa devre akımını önemli ölçüde azaltır. Bu durum, kabloların etkisi dikkate alınmadan önceki devre kesici kombinasyonu kısa devre akımı için seçici olmasa bile, uzun kablo etkisi sonucu azalmış olan kısa devre akımı nedeniyle, uygulamaya özel olarak bu devre kesiciler arasında toplam seçiciliğin sağlanması sonucunu doğurabilir. Seçilen tesisat noktasındaki beklenen kısa devre akımının (Icc) gerçek değeri, ilgili devrenin empedans bilgisi ile değerlendirilebilir. Bu noktada iletken uzunluğu önemli bir rol oynar. Kısa devre akımının hesaplanmasında farklı yöntemler kullanılabilmekle birlikte, "Mühendislik Yazılımları" kullanarak, çok daha güvenilir ve hızlı bir hesaplama yapmak mümkündür.