YÜKSEK GERİLİM TESİSLERİNİN İZOLASYON DİZAYNI VE AŞIRI GERİLİMLERE KARŞI KORUNMASI

UDK : 621.316.0

Y üksek Gerilim Tesislerinin İzolasyon Dizaynı Ve Aşırı Gerilimlere Karşı Korunması

Yazan : Dr. H. Dorsch

Siemens

Çeviren : O. Zeki DEMİRAY

Y. Müh. E.E.Î.M.

Elektrik! tesislerin ve kısımlarının izolasyon dizaynının temelini işletmelerde hasıl olan geri limler teşkil eder. Gerilimin yüksekliği yanında zamana bağlı geçici rejimi de (herşeyden önce zorlama süresi) bilhassa önemlidir işletme va sıtalarının izolasyonu genel olarak söz konusu edilen muhtelif gerilim zorlamalarına dayanabi lecek şekilde dizayn edilmelidir.

dürme elektrodu ve gerilime bağlı direnç sütunu dur Söndürme elektrodunun yapısı parafudurun faaliyete geçme gerilimini tesbit eder. Diğer bir ödevi de, işletme gerilimi dolayısı ile parafudur dan akan sönme akımını kesmektir. (Şekil 1).

Rba>

jyprbeparaf*dur altımı

Bu şart dış izolasyon için, tesis yerindeki en İltUtfn gayrı müsait atmosferik şartlarda da gerçekleş

melidir. Bilhassa harici tip izolatörlerde, aşırı kirlenme, çiy, sis, vs. gibi iklim tesirleri dolayısı ile husule gelen izolasyon zayıflaması da nazarı itibara alınmalıdır.

X sö,

1 elektroda

Gerilim zorlamaları, sürelerine uygun olarak

tefrik edilir :

Sinme akımı

J>r>tık gerilim faaliyete geçme serilimi

a) Yıldırım tesiri ile hasıl olan atmosferik ağırı gerilimler b) Arızi veya iradi açma kapama olayları dolayısı ile hasıl olan dahili aşın gerilim ler.

c) Geçici gerilim yükselmeleri, toprak kaçak • larında iletken ile toprak arasındaki izo lasyonun aşın zorlanması gibi.

d) Normal sürekli isletmedeki gerilim.

1 — Atmosferik aşırı gerilimlerin sınırlandı rılması.

İşletme vasıtalarının izolasyon dizayınında hareket noktası, atmosferik aşın gerilimler do layısı ile zorlanmadır. Bir tesisin izolasyonu eko nomik bakımdan direkt yıldırım isabetinde ha sıl olan aşırı, gerilim zorlamalarına dayanacak şekilde dizayn edilemez. Aşırı gerilime karşı ko rumanın ödevi, aşın gerilimleri istasyonda müsaa de edilen değerlere göre sınırlandırmaktır. Top rak telinin, bilhassa istasyona girişteki son ha vai hat üzerindeki toprak telinin yeterli bir koru ması ile faz teline direkt yıldırım isabeti geniş ölçüde önlenebilir. Direklerin düşük toprak geçiş dirençleri ayrıca geri atlamalara da mani olur. Bugün bu önleyici tedbirler yanında, istasyonlar da aşırı gerilimlerin sınırlandırılması için geniş ölçüde ventil parafudurlar kullanılır.

1.1 Ventil parafudurun çalışma tarzı ve ka rakteristik büyüklükleri.

Ventil parafudurun en önemli iki kısmı sön

T Gerilime boilı direnç

SonJer/ne , jtrı/ı'mî

2'om <•• f

Şekil : 1 — Ventil parafudrun çalışma tarzı.

Bir ventil parafudurun faaliyete geçme duru mu : a) U as 100, % 100 faaliyete geçme şok geri limi İle, b) Faaliyete geçme şok karakteristiği ile, (Şekil 2) (VDE'ye göre: 0,5 ^ s'lik faa liyete geçme zamanında max. faaliyete geçme gerilimi tesbit edilir.)

k\f I ıtoo\ ttoo\ Şob feri/im

tto

hoo

'/tiao faaliyete eıçmegrrUimMn max

değeri

0,5 4,0 Ifi 2.0 ifi 3fi 3.1 *,0 *,1 fao/tyete geç/ne zamanı.—«

Şekil : 2 — Ark boynuzu İle ventil parafudrun mukayesesi

Elektrik Mühendisliği 100

c) Alternatif faaliyete geçme gerilimi ile ka rakterize edilir. Şok geriliminin sınırlandırılması için şu İki husus önemlidir :

d) Artık gerilim (= akım geçişi esnasında şok geriliminin max. değeri).

e) Artık gerilim karakteristiği (darbe akımı nın tesbit edilen seyri için). Sönme akımının istenildiği gibi söndürüle bllmesi için;

f) İşletmede parafudurdaki müsaade edilen max. gerilimA (işletme frekansında) [_JA (m) = 1,15 x parafudur nominal gerilimi olmalı ve g) Çalışma muayenesinde parafudura söndür me gerilimi tatbik edilebilir. (UL = 1,05 UA (m) söndürme gerilimi, sönme akımı henüz kesılmemişken para fudurdaki işletme frekanslı max. gerilim dir, ye aktif değer.

Parafudur kabiliyeti;

h) Nominal darbe parafudur akımı ile, (VDE1 ye göre : 10/20 ^s'lık 30 akım darbesi).

ı) Uzun dalgalı darbe parafudur akımı (dalga süresi 500 2000 ^ s) ile,

parafuduru kullanılması halinde aşılmayan bir gerilim sınırı belirtilir. Tesis içinde hiçbir atlama veya delinmenin hasıl olmamasını garantiye ala bilmek için işletme vasıtalarının izolasyonu, o şekilde koordme edilmelıdirki, İç ve dıg izolasyo nun izole kabiliyetine tekabül eden max. şok se viyesine erişilsin. VDE 0111 talimatları aşağıda ki seviyeleri tesbit eder.

a) Alt izolasyon seviyesi, elektrik! işletme va sıtalarının dış izolasyonlarının 1/50 ^s'lık (cephe süresi 1 ^s, yarı değer süresi 50 ^ s) norm şok gerilimine karşı izole kabi liyetidir.

b) Üst izolasyon seviyesi, elektrik! işletme vasıtalarının iç izolasyonlarının keza ayı rıcı ve kesicilerin açma mesafelerinin şok gerilimlerine karşı izole kabilyetidlr.

Katı, sıvı ve basınç altında bulunan gaz izo lasyonların üst seviye dayanımları kesik dalga ile tahkik edilmelidir.

Yeni VDE 0111/2.61 talimatnamesinde şart koşulan şok seviyeleri «normal sıra» (karakteris tik harf N) ve «özel sıra» (karakteristik harf S) olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Hasıl olan harici aşırı gerilimlerin belirli değerlen aşmıyacağı ga ranti ediliyorsa özel sıranın .düşürülmüş şok se viyesinin kullanılması caizdir. Şekil 4 de üç sevi ye bjr kere daha açıklanmıştır.

j) Yüksek darbe akımı ile, (5/10 ^s'lik dalga) Jforı/mo

karakterize edilir.

i

t/st izolasyon seviyejı

) Hii d/

6) ram da/jo

Tablo 1 de SSW'nin katodlk pârafudurlarına alt karakteristik değerler bir arada verilmiştir.

Şekil 3 bir ventil parafudurun direnç eleman larının zorlanışını göstermekdedir.

liit

Utt gertJlm s/. Dif ıtolasyopf. İç ıza/ajto/m/? /fçıi kesme.

nırı,ajırı gerll/me nun fok gerili. Şok gerilimine mesafelerini,

.—•

korft Jfarı/mo ile mine karsı korjt izole imle kot/lflı/,t

garanti edı/ır. uple kabiliyeti

Şekil : 4 — Atmosferik aşın gerilimlere karşı izolasyon koordinasyonu.

Şekil

£8

/trtıigerijı'm i

3 — H0 kv'luk ventil parafudr (H420) direnç elemanlarının zorlanması.

1.2 Atmosferik aşırı gerilimlere karşı izolas yon koordinasyonu :

Ventil parafudurun montajı ile, parafudurun montaj yerindeki atmosferik aşırı gerilimler sı nırlandırılır. Koruma seviyesi İle aşırı gerilim

Tablo 2 de, VDE 0111/2, 61 ve VDE 0101/7, 60 dan alınan değerler topluca verilmiştir.

Almanya'da dahili tesislerde uzun zamandan beri, açık hava tesislerine nazaran daha küçük olan ve S sırasının bugünkü değerine hemen he men eşit olan izolasyon seviyeleri kullanılmak tadır. Yeni VDE 0111 talimatına göre, uygun ted birlerle küçültülmüş zorlanmalar bekleniyorsa, daha evvelki prensiplerden farklı olarak açık ha va tesisleri bile S sırasına uygun olarak izole edilebilmektedir.

1.3 Ventil parafudurun koruma sabası :

Ventil parafudur tesis yerinde atmosferik aşı rı gerilimleri, faaliyete geçme geriliminin veya

Elektrik Mühendisliği 109

TABLO: 1 Katodik parafudurlarm karekteristik değerleri

Alternatif

Prafudurda Söndür faaliyete

Nominal müsaade e me ge

geçme

Tip

gerilim

dilen max. gerilimi

rilimi gerilimi (tepe değer)

U A (n)

U A (m)

UL

Oran

% 100 faa liyete geç me şok ge riliminin max. de ğeri

Cephede faaliyete geçme şok

Artık gerilimin max. değeri

5 kA 10 kA

Nominal parafu dur dar be akmu

kV*

ügw /uA(m)

4,7 19 21 1,9 2,1

100A

Uzun dalgalı pa rafadur darbe akmu Yüksek darbe akmu

65kA

İzole mesnet hariç montaj yüksek liği cm

Ağır lık kgr

24,5 2,5

10 H415n

34 1,9 2,1

4(1

29,2 2,5

4,=;

5,5

31 ... 34 1,9 2,1

34,5

200A lOOkA

H410n

58,5 12 70,5 16

97,5 20

5kA

400A 5/lO^s

86,5 60

54,5 130 145 1,8 2,0

2 0 0 0 ^ lOOOmA 142 100

73,5 175 195 1,8 2,0

H420n

133 320 325 1,8 2,0

295 210

181 435 480 1,8 2,0

218 530 585 1,8. 2,0

265 645 715 1,8 2,0

600 420

1) Faaliyete geçme zamanı 0,5 ^ 2) 10/20 ^s'lik darbe akımı 3) Dik montaj ve asma montaj

6N 10N 20N 30N 45N 60N 110N 150N 220N 110NE 150NE 220NE 380NE

TABLO: 3A VDE 0111/2,61 ve VDE 0101/7,60'a göre normal sıralı yüksek gerilim tesislerinin izolasyon dizaynı

letme geri limi Um

5. Um

Parafudu ron ko runma seviyesi

(Î)

Ark boy nuzlarmm

Tesis t e id asgari mestıfeler mm mm

îzalasyon grupları için kV olarak aletrnatif muayene gerilimi (3)

7•

• 550

2850.

230Ö

' 630"

TABLO : 2B VDE 0111/2.61 ve VDE 0101/7.60'a göre özel sıralı yüksek gerilim tesislerinin

İzolasyon dizaynı

6S ıos

20S 30S 45S 60S ııos

150S 220S 110SE 150SE 220SE

letme geri

limi

. Um

Um

Parafudurun korunma seviyesi

kV 50 60 95 145 190 250 450 650 900 375 550 750

Ark boy nuzlarının

Tesis tebi asgari messı,feler

tzaiasyon grupları İçin kv olarak alternatif muayene gerilimi (3)

380SE

(40

(1) Arıza anında toprağa kargı max. gerilim 5 = Topraklama katsayısı (2) Kesik dalgada iç izolasyon için; tam dalgada kesme mesafeleri İçin.

(3) A: Kesme mesafeleri C : Yüksek gerilim aletleri D : Trafolar E : Kablolar F : Havai hat İzolatörleri

artık gerilimin tesbit ettiği değerlerde sınırlandı rır, tyı bir koruyucu tesir elde edebilmek için pa rafudur mümkün mertebe korunan objenin yakı nına monte edilmelidir. Bir parafudur koruma sa hasından korunan obje ile parafudur arasındaki mesafe anlaşılır. Parafudur bu sahada şok geri limlerinin müsaade edilen değerleri aşmasına en gel olur.

Hat sonu istasyonunun en gayri müsait duru mu için şartlar kolayca kavranabilir. (Şekil 5).

V

Parafuduıun tesis yeri B noktasından; geçen şok gerilimi koruma seviyesinde sınırlandırılır. A ve C noktalarında ise yürüyen dalgaların yan sımasından dolayı hasıl olan gerilimler dah'a yük sektir. Bu artış önemli derecede a masafesine ve geçen So dalgasının dikliğine bağlıdır.

Tablo 3 de bir hat sonu istasyonu için. koru ma sahasının büyüklüğüne alt' bir kaç değer ve rilmiştir. Bu değerlerin tayininde transformatörün şok kapasitesinin tesiri nazarı itibare alınmıştır. Bir kaç ondabir mikrosaniye zarfında kısa za manlı gerilim sıçraması şeklinde hasıl olan mü saade edilen şok gerilimleri için sınır olarak şok gerilim karakteristiğine tekabül eden statik ge rilim esas alınır.

iç ve dış izolasyonlar farklı şok karakteristik Trofoıu/ıt sok oe. lerine sahip olduklarından, iç izolasyon (meselâ trafo) ve dış izolasyon (meselâ ark boynuzları) için farklı koruma sahaları verilir. Transmisyon istasyonlarında veya birkaç hattın çıktığı* Istan yonlarda parafudurun koruma sahası oldukça bü yüktür. Bu hususta genel bilgiler verilmemiştir.

frdoki & irilim

B'dık, Otrltim

C'dei, gttll/m

uresi z Venhl porofuJurun orhlt grni/ni Şekil : 5 — Ventil parafudrun koruma sahası.

2. Dahili aşın gerilimlere karşı izole kabili yeti.

2.1 — Açık havada izolasyon tertibi :

Tesis kısımlarının şok gerilimlerine karşı izo le kabiliyeti mutad norm gerilimleri için. tallmat

TABLO : m Mat sonu istasyonunda bulunan katodik parafudurlarm koruma sahasına ait değerler.

Referans gerilimi (sıra gerilimi) (norm gerilimi)

Geçen dalganın diktiği kV/^s

Koruma îç izolasyon trafo

Sıra S (') (10) ( 7)

(15) (10) i 5) (30) (15) (7,5) (30) (12) ( 4) (75) (40)

(15)

SiraN

35 20

7 45 25 10 50 30 15 50 30 12 120 60 25

Sahası Dış izolasyon (ark boynuzlan)

Sıra S • Sıra N

40 •

60 ;

75. ı

(1) Transformatörde S 3irasına göre izolasyon kullanılması mutad değildir.

nameler İle tesbit edilir. (1/50 ^ S'lık norm §ok dalgası İçin). Yeni VDE 0111/2.61 talimatnamesi ne göre tesisler yukarda izah edildiği gibi ya normal sıraya göre veya düşürülmüş izolasyona ve daha küçük asgari mesafelere müsaade eden özel sıraya göre tesis edilirler. Asgari mesafeler yalnız tesisler içindir, münferit aletler için tayin edilmez. Dahili ağırı gerilimlere karşı izole ka biliyeti hakkında şimdiye kadar hiçbir tayin ya pılmamıştır. Sadece muhtelif yüksek gerilim la boratuvarlannda dahili ağırı gerilimlerle ilgili de neyler yapılmıştır.

Şekil 6 da ölçme neticeleri gösterilmiştir. (Bay Buch'un ölçmeleri) deneyde cephe süresi 600 ^ S, yan değer süresi 2700 ^ S olan uzun süreli bir çok gerilimi, dahili aşırı gerilimleri temsilen kul lanılmıştır.

Değerler delinme geriliminin darbe delime ge rilimine oranı olarak taşınmış olup 1/50 ^ S'lık pozitif norm dalgaya tekabül eden % 50 delinme gerilimine irca edilmiştir. Keza pozitif polariteü çubuk çubuk ve çubuk plâka elektrod tertipleri için muteberdir. Muayene edilen atlama aralıkla rında çubuk plâka elektrod tertibinde dahili aşı rı gerilimlere tekabül eden delinme gerilimi darbe delinme geriliminin % 80...100 ü civarındadır.

Bu ölçmelere ve VDE 0101/7.60'a göre açık havada asgari mesafelere istinaden şekil 7 de 10 S ilâ 110 S sıraları için dahili aşın gerilimlere tekabül eden izolasyon seviyesine irca edilmiş faz nötr geriliminin tepe değeri verilmiştir. îrca edilmiş toprağa karşı statik gerilimler 110 S sı rasında yıldız gerilimin 4 ilâ 4,5 katı, 10 S sırasın da ise 5 ilâ 5,5 katı civarındadır.

Delinme gtrîUmi Darbt dei/nmegeril/mı

Delinme gerilimi

Çllamo aralımı

• saoUrsofitlii dalga

{$sw"Je/t BvA'ı/a ü/f melerine jS'e)

Şekil: 6 — Pozitif polanteli ve işletme frekanslı açma kapanma aşın gerilimleri için açık hava daki izolasyon tertiplerinin % 50 atlama gerilimleri.

Bu değerlere erişen hiçbir dahili aşırı gerili min hasıl olmıyacağı garanti edilen tesislerde özel koruma tedbirlerinin alınmasına lüzum yok tur.

Bu husus tabiatiyle hiçbir atmosferik aşın ge

rilimin bahis konusu olmaması kaydıyla (meslâ kablo şebekeleri) muteberdir. Tesmiye edilen değerlere yaklaşan dahili aşın gerilimler bahis konusu olduğu takdirde sınırlandınlmalan için parafudur monte edilmelidir. Şekil 7 de ventil parafudurun, alternatif faaliyete geçme gerilimi ne eşit olan dahili aşın gerilimler için faaliyete geçme gerilimi sahası çizilmiştir. Faaliyete geç me geriliminin max. değeri ile minimum izole kabiliyeti arasındaki aralık S sırasında % 15... 40,a erişir ki, kafi (derecede) kabul edilmiştir.

•&İ/ J 0 5

»•

3 Z V

'/////A

ıo ıs ıa 30 «_, et

A/ortv jeri/iıtt l/r—•• a) vu otoifrso'ag'ire s sırasına ieiıbül eden astarı »tesaftUras çı/büA plata ^er&Aıaifi statik gerilimi b) ffftrt geril/m parafv^rvau/) fao/fyefe feeme gerilimi

Şekil: 7 — Dahili aşın gerilimler için parafnd run faaliyete geçme gerilimi ve toprağa karşı izolasyon seviyesi.

2.2 Dahili aşın gerilimlerin yükseklik ve' te kerrürü :

Dahili aşın gerilimler toprak kaçaklarında ha sıl olur. Bu geçici rejimin freîfansı takriben 100 ilâ bir kaç 1000 HZ arasındadır. Yani'zorlama süresi olarak bir kaç ondabir milisaniyeden bir kaç milisaniyeye kadar olan zamanlar bahis ko nusudur.

Toprak kaçağı kompanzasyonlu şebekelerde toprak kaçağından doğan aşırı gerilimler faz nötr gerilim tepe değerinin" 2~,5...3 katına erişir. Açık yıldız noktalı şebekeler için şimdiye kadar dokümanlar kâfi derecede toplanmamıştır. Bu ınla beraber toprak kaçağı kompanzasyonu ol mayan küçük şebekelerde toprak kaçağından do ğan aşırı gerilimler, topeak kaçağı kompanzas yonlu şebekelerdekine n^jğaran önemli bir artış göstermezler.

t'

Açma kapama aşırı gerilimleri yüksüz trans formatör ve hatların açılmasında hasıl olur. Şe kil 8 de misal. plarak, 110 KV'luk bir Expansion şalterlerle 5...10 A sahasında boşta çalışma akım larının açılmasındaki toprağa karşı aşın gerilim lerin tekerrür dağılışı verilmiştir. Toplam olarak 19 deneyde toprağa karşı aşın gerilim faktörle rinin max. değeri faz nötr geriliminin 1,5...2,2 katı arasına dağılmaktadır. Aşırı •gerilim faktö

Elefctrib Mühendisliği 109