TAKAT ŞALTERLERİ

Yük şalterlerinden istenen en mühim özellik büyük akımlarda, yani her türlü kısa devrelerde emniyetle açmasıdır. ' Tabidirki şalterin toprağa karşı izolasyonu devamlı akımı geçirmesi, dinamik mukavemeti, endüktıf ve kapasıtif akımlarda emniyetle çalışmasıda konstrüksiyonuna ve yapısına büyük tesiri olursada, asıl nazan itibara alınan büyük akımlardır.

Burada en büyük ehemmiyet kesbeden büyük endüktif akımların açılmasıdır; zira akımın sıfırdan geçiş yani açma anında gerilim maksimum değerindedir. Prensib olarak alternatif endüktif akımların açılmasında iki yol vardır. Birincisi için idealize edilmiş dirençli şalterler düşünulürki, bu akım devresine sokulan direnç vasıtası ile kesilen akım sıfır değere indirilir. İkinci olarak açma esnasında akımın normal sıfırdan geçiş anından istifade eden şalterler kullanılır. Teknik şalter sahasında bir çok avantajlarından dolayı haklı olarak ikinci yolda ilerlemeyi tercih etmiştir.

Bir Fazlı Açma:

Açma esnasındaki olaylara tam nüfuz edebilmek için önce basit bir izah yapalım.

Bir generatör bir şalter üzerinden, üzerinde bir kısa devre vuku bulmuş bir havai hattı beslesin.

Nihat TATLAN

Y. Müh. GLI

Şekil l b de bu gerilimin, alamın hemen sıfırdan geçişinden sonra vukua geldiği gösteriliyor. Bu fiziksel olarak mümkün değildir, zira şebekenin indüktüvite ve kapasitesinin mevzubahis olması kontaklardaki akımın sıfırdan geçişinden sonraki gerilimi ani olarak tam değerine yükseltmez. Gerilim bir titreşim rejiminden sonra nihai değerini alır. Bu titreşimin (şekil l b) frekansı 50000 Hz'e kadar çıkabilir. Bu titreşim frekansı devrenin zati frekansı adını alır. O halde geri dönen gerilim iki büyüklükte karakterize edilebilir. Birincisi, stasiyoner geri dönen gerilim değeri, ikincisi ise zati frekans titreşim seyri ile sönen gerilim değeridir.

Şimdi bir kutuplu açmayı daha detaylı şekilde inceleyelim.

Şekil l de G generatörü sabit L indüktivitesini havi kısa devre akımı i olan bir şebekeyi u = U sin wt gerilimi ile beslesin. Bu r ada kısa devre akımını istenilen bir t anında- S şalteri ile kesmek imkânsızdır. Akımın kesildiği andaki değeri is olsun; bu halde akımın sabit olmayan değişmesi yüzünden şalterde sonsuz olarak büyüyebilen bir gerilim husule gelebilir. (Şekil 2 de l rakamı ile gösterr.en eğri). Bu gerilim bir atlama husule getirerek ya şebekenin izolasyonunu tahrib veya şebekenin zati C kapasitesinin amortisesi ile bu sonsuz büyüme daha küçük değerlere indirilerek (Şekil 2 de 2 numaralı eğrD emniyetli bir açma temin edilir. Gerilim û değerine kadar yükselerek kapasitede depo edi-

1 len ----- û2 C enerjisi, endüktivitenin havi ol-

Şekli: I

'şekil: ( l a ) de görüldüğü gibi şalterin açılması esnasında gerilim ark gerilimine eşittir. Bu gerilim akımın küçülmesi ve kontaklar arası mesafenin büyümesi ile artar. Akımm her sıfır konumundan geçişinden sonra ark yeniden teşekkül ettiğinden, ark gerilimi, büyüyen kontak mesafesi ile artar nihayet ark gerilimi makinenin geriliminden büyük olur.

duğu Is2 L enerjisine açma anında eşit

olur.

L ve C nin teşkil ettiği kapalı devresinin zati titreşimi l W e = ---------- = Z n f e

frekans

olduğuna göre.

fe

û = İs wL

L indüktivitesinde İs eîfektif değerini

meydana getiren gerilim Uk ise fe û = U k ---------

taklar arasında ani olarak görünmesine mani olur. Fakat bu yüzden gerilim zati frekansla û maksimum generatör gerilimi değerinden û en büyük değer arasında titreşir (Şekil 3)

Bu û değerinin teorik olarak 2 U değerine çıkması lazımken amortisörler vasıtasiyle bu değerin altına düşürülür. 1,5 U değerini nadiren geçer.

Üç Fazlı Devrede Kısa Devre Açması : Yıldız noktasının topraklanma şekline ve kısa devre noktasının yerine göre üç fazlı şebekelerde açma problemi daha komplike hal gösterir.

Burada üç fazın bir tanesi daima daha evvel açar; yani akımın uygun bir sıfırdan geçiş pozisyonuna daha evvel erişir. Bu suretle üç fazlı kısa devre iki fazlıya inkilab eder. Akım ve gerilim seyri şekil 4 de gösterilmiştir. Buradan görülüyorki 3 fazlıdan 2 fazlı kısa devreye geçiş esnasında kısa devre noktasının potansiyeli değişiyor. Üç fazlıda simetriden dolayı yıldız noktasının potansiyeli K iken, iki fazlı kısa devre durumunda K' üne kayar. Buradanda görülüyorki ilk açan kutbun faz gerilimi, şebeke faz gerilimin 1,5 - Joı/««S' misline yükselir.

ltr

Meselâ: 110 kV. luk bir fazlı şebekede 10

kA lik bir kısa devre akımı olsun, açma anındaki akım değeri de 10 KA olsun, o halde Uk =

110 kV olur ve fe = 1000 Hz kabul edilirse U

«"ltrl

aşın gerilim:

û = 110 1000 = 2200 kV.

iMi»

Bu gerilim kontakların açmasından 0,5 mS sonra zuhur eder.

Bundan anlaşılıyorki açma anındaki akım değeri ne kadar küçük olursa şalter açması o kadar kolay olur. En uygun açma anının akımın sıfırdan geçtiği an olduğu pek tabidir. Bu anda endûktivitenin enerji ihtivası sıfır olur ve kapasitede gerilime tesir etmez ve şalter kontakları arasında tesiri' olmaz. Bununla beraber bu gerilim tamamen kaybolmaz; şalter açıldıktan hemen sonra generatör gerilimi gözükür. Daha evvelde söylendiği gibi bir kısa devrede endüktivite omik dirence nazaran çok büyükse gerilim akıma nazaran 90° kaymış olur. Bundan dolayı generatör gerilimi akımın sıfırdan geçiş anında û maksimum değerini alır. Gerçi kapasite bu gerilimin kon-

E M. M. 27-28

dttfrt i kil» l

O hald*e kısa devrenin açılmasından sonra ilk açan kutupta şebeke frekansında l/ V 3 U. 1,5 <= 0,86 U

Gerilimi teşekkül eder. Sonra bu gerilim üzerine birde titreşim gerilimi yüklenir.

Ark En uygun şartların akımın sıfırdan geçiş anı olduğu görüldü. Bunun için kısa devre akımını beklenilen bir sıfırdan geçiş anında yakalamak ve bu tesbit edilen zamanda kontakların açmasını temin etmek lâzımdır. Ve bu açma o şekilde olmalıdır ki kontaklar açtıkdan milisaniyenin bir kesri kadar sonra zuhur eden û gerilimin bir atlamaya meydan vermemesi gerekir. Sadece mekanik bir açma mevzu bahis olursa, bu yukarıda söylediğimiz

şartlann tahakkuku tekniğin iktidan haricine de kontaklar arası mesafesini bir üetken haçıkmaktadır. Fakat görülüyorki teşekkül eden line sokmasından faydalanarak açılmış saark'ın bir hassası bu güç durumda tekniğe yılmaz. Dolayısile akımın sıfır anından itibakurtarıcı rolünü oynuyor. Muayyen bir zaman ren asü açma başlamıştır. Böylece şalter bu

anında kontakların açması ile bir ark teşekkül ark yardımı ile açma senkronizim şartlarını

tahakkuk ettirmiş olur.

1 1 1 Arkın bu avantajı yanında tabidirki bir

r ettiğini biliyoruz. Bu ark akımın uygun bir sıfırdan geçiş anına kadar devam ediyor sonra

takım devazantajlanda vardır. Şalter bu dezavantajlara tahammül edecek şekilde imal edilmelidir. Bundan dolayı açma akımının mey

dana getirdiği ark şalter konstrüksiyonu ve

büyüklüğü için bir ölçek teşkil eder. Arkın

dezavantajları: Yüksek kayıplar ve civarında

husule getirdiği aşırı ısıdır. Şalterin muayyen

kısımlarının arkın devamı esnasında bu ısıdan

korunması lazımdır. Ve arkın sönmesinden

sonra bu ısının sür-atle düşmesi lâzımdır. İşte

yüksek takatli şalter konstrüksı-yonunda en

mühim güçlük bu iki olayın bertaraf edilmesidir.

sönüyor. O halde şalter, atom bu ana kadar yani mili

Ark ve onun aşın ısının kontaklar arasındaki hava kanalını iyonize ettiğini biliyoruz. Burada sönmüş olan arkın geri dönen gerilim vasıtası ile iyonize kanaldan istifade ederek tekrar teessüs etmesini önlemek maksadı ile iyonize kanalı deiyonize etmek ve aynı zamanda akım geçişi esnasında arkı üfleme* veya saptırmak lâzımdır. Üfleme, ıyon-Srı soğutarak tekrar notür moleküller elde etmek içindir. Yağlı, tazyikli havalı şuta ve az yağlı şalterler bu prensiplere göre inşaa edilirler.

.J 1. -^L.**-* /'• \ \(J

\-' j^r \L

U şebekenin toprak kaçağına karşı konpan-se edilip edilmemiş olmasıda şalter seçiminde rol oynar. Nötür noktası konpanse bobini (Petersan bobini) ile teçhiz edilmiş şebekelerde; toprak kaçağı ile birlikte üç adı kısa devre vukuunda kontaklardaki genlun yükseltmem; nötür noktası direkt (dirençs*) olarak topraklanan şebekelere nazaran % 20 fazladır. Boşta çalışan yüksek gerilim şebekelerinde şalter kontakları, direkt topraklan-S na^nde iki misli faz (Yıldız) gerilimine göre hesaplanmalıdır.

saniyenin bir kesri için-

Kapasitif Akımlarda Açma: Kapasitif açmalarda, yani boşta çalkan uzun hatların veya reaktif akım kondansatör bataryalarıma açmalarında gerilim, akımdan 90° ileri (Şekil: 5), olduğundan gene akım sıfır durumundan geçerken gerilim maksimum değerindedir.

Bu esnada kondansatör doludur, TC sabit C gerilimini muhafaza eder. Şekil 5 de görüldüğü gibi makinenin gerilimi a ve akım b idi. Artık kontaklar arasında hüküm sûren geri-

Şekil: V — Boşta çalışan hattın açılması. lim a ile c gerilimleri dıfferensidir. Yarım peryot sonra bu differens gerilim A geriliminin (Topraklı şebekede fazlarası topraksızda faznötür) maksimum değerinin iki misline yükselir.

Kapazitif yükleri açan bir şalter ilk yarım peryot içinde bu iki misli gerilime, yeni bir ark yanması meydana getirmeksizin mukavemet etmesi lazım geldiğine daha evvelde temas etmiştik.

Eğer geri yanma zuhur ederse (Meselâ şekilde A noktasında) ve bu, akımın uygun bir sıfırdan geçiş anında açılarak bertaraf edilmezse, iletken potansiyellideki titreşim gittikçe büyüyerek tehlikeli bir hal alır. Bu sebepten yüksek gerilim şebekelerinde boş hatların açılması ehemmiyet kespeder.

Kapasitif yüklerde şalter kapanmasıda işletme mühendisleri için bir problem teşkil eder. Meselâ boşta çalışan uzun bir hattın doğrudan doğruya makineye bağlanması halinde, aşın bir gerilim yükselmesine mani olmak için, şalter kapanırken makine gerilimi l

3-3

Şekil: VI — Kısa devrede açma diyagramı a) Akımın sıfırdan geçiş anında gerilim ve akım diyagramı (l fazında). b) Gerilim diyagramı. c) l Kutbunun açmasından sonraki gerilim ve akım.

ve devri alçak tutulur. Kapandıktan sonra yavaşça nominal değerlere yükseltilir. Kapasitenin çok yüksek olduğu hallerde bu şekilde iyi bir netice vermez. Bu gibi hal1 erde ise Uetkene paralel şelf bobinleri bağlanarak şalter kapatılır. Böylece zati ikazdan kaçınılmış olunur.

Açma Takati: Bir şalterin uygun olarak seçilmesi açma takatinin bilinmesi ile mümkündür. Bu takat geri dönen gerilim ve açma akımı ile hesaplanır. Üç kutuplu bir kısa devrede akım l III

ve geri dönen gerilim UX olsun zaman ekseni l fazında, akım sıfırda ve faz gerilimi maksimum değerinde olacak şekilde alınsın. Bu halde l fazında akım söndüğü zaman 2 ve 3 fazında akan akımlar birbirine karşı yönde

V3 (l III) -" ----- değerindedirler. Bu esnada geri-

limler U ya eşittir.

Artık üç iletkenin potansiyel noktası A'-

dan U'nun ortası P noktasına kayar, bu şekilde l fazındakl şalter kutbunda geri dönen

/3

gerilimin değeri P l = -----U X = U ------ olur

buna göre l fazındaki açma takati:

V3 U (I III) ---------- olur.

Peryot sonra üzerlerinden l III

4.

kısa devre akımı akan 2 ve 3 fazlan açar. Bu

her iki 2 ve 3 fazının birlikte açma takatlan

U l III ------- olur.

V

o halde şalterin toplam açma takati:

N III = U (I III) ------ + U (I IIİ) ------ =

U (I III) V3 Bu esnada ilk

açan kutbun açma takatinin

tıletenı

f, rfjrktk.ıı

*,* * Ocgru ilcim - Jffcr».tı/ »'k;»"/

*(, k«ı dut *i»«

yansını üzerine almış olduğu görülüyor. Amerikada bu sahada daima Asimetrik takati nazan itibara alınır. Bilindiği gibi Asimetri kısa devre akımındaki doğru akım bileşeni sebebi ile zuhur eder. Bu bileşen 0,1 s sonra söner. Ve darbe kısa devre • alternatif akımının % 80 nini ihtiva eder. Geri dönen gerilimin nominal gerilime eşit olduğu hallerde, asimetrik açma takati, simetrik açma takatin f, + (0,8) V2)Z ='1,5 mislidir.

FAYDALANILAN ESERLER : Das schalten grosser Ströme - August Hochrelner -

AEG 7/8 - 1957. Dle grundlegenden Probleme der Hochspannungsschalter - Dr. H Meyer - Brown Boverl - 4/5 - 1950. 25 Jahre ExpansJonsschalter - Max Katzschner -

Siemens - 2 - 1955. Lelstungsschalter und nullpunkterdung - H. T. hommen - Brown Bovert 7/8 1948. Elektrische Kraftwerke und Netze - Th. Buchold/

H Happold - Sprmger verlag AEG Firmasının Yüksek Gerilim Enstitüsünün açılması münasebeti ile yayınladığı eserler.

Hekidornooemleikkt"rPikDg2,r,uspilnainrıntayini

I — Gurup'un karakteristikleri ve PD1. si arasındaki bağıntılar: Reel PD2 nin fiyat üzerine tesiri : Dönen bir gurubun ataleti ekseriya PD2 ile yani dönen kısımların agırlıklan ile jirasyon yarı çapının karesinin hasılı zarbı yardımıyla temsil edilir. Bu halde birim olarak kg. m2 veya ton. m2 kullanılır.

Hakikatte, bir stabilite probleminin etüdünde (hız regülâtörünün stabilitesi, senkron makinenin dinamik stabilitesi) makinenin hareket denklemi yazılırken, bu denkleme dönen kısımlann I = MR2 atalet momenti ithâl edilmelidir. Burada M kütleyi ve R de jiras-

Çevirenler : Hüseyin Pekin - T. Müh. E. İ. E. Haydar Aksu - T. Müh. E. t E.

yon yan çapını gösterir. Umumiyetle makineyi «özgül atalet» veya «yol alma zamanı» ile temsil etmek çok pratiktir.

özgül atalet, tarif olarak, dönen kısımların nominal- hızdaki kinetik enerjisinin iki katının, makinenin aktif takatına bölümüne eşittir.

ı n1

T < = ------------------

Pn Kolayca tahkik olunabileceği gibi bu ma. kinenin nominal momentde, duruştan nominal hıza geçebilrjesi için boşta, gurubun kat etmesi gereken zaman süresini gösterir. Bu