AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması

Aşağıdaki kılavuz, uygulama kullanıcılarının bir elektrik arkının fiziksel fenomenini, cihazların işleyişini, ana özelliklerini ve faydalarını anlamalarına yardımcı olacaktır.

Üç bölümden oluşan yazı dizimizin ikinci bölümünde hata sınıflandırması ve farklı ark hatası tipleri ile bunlardan koruma sağlayan koruma elemanlarından bahsedeceğiz. Ayrıca bir AFDD cihazının iç yapısını inceleyerek, çalışma prensiplerini inceleyeceğiz. Ark hatasından korunma cihazlarının tarihçesi ve yangın fenomeni ile giriş yaptığımız birinci bölümümüzü önceki sayımızda, yönetmeliklerle ilgili bölümümüzü de ETMD – Bizden Haberler dergimizin bir sonraki sayımızda okuyabilirsiniz.

Koruma Cihazları ve Ark Hatası

Arıza Sınıflandırması

Bir elektrik arkından kaynaklanan arızalar genellikle en az bir aktif iletken içerir. Yük kütlesi de her zaman toprağa bağlıdır, bu ortak olabilir (TN sistemi) veya trafo merkezinden bağımsız olabilir (TT veya IT sistemleri). Koruma iletkeni PE’nin varlığı, dikkate alınan her sistem için gerekli bir kısıtlamadır.

Akım ve gerilim, bir ark varlığını doğrulamak için yeterince yüksek olmadığından, nötr ve PE arasındaki seri ark hataları ihmal edilir. Nötrün paylaşıldığı veya koruma iletkeni PE ile ortak olduğu durumların hariç tutulduğu varsayılarak, arızalar Şekil 9’daki gibi gösterilebilir.

AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 1
Şekil-9: Genel dağıtım devresindeki hatalar

Paralel Ark Hataları

Genel olarak paralel ark akımı, evsel devrelerde kullanılan tipik akımlardan daha yoğundur. Aslında, ark yük ile paralel ise, toplam devre akımı tipik olarak 50 A’dan kısa devre akımına kadar artacaktır. Genellikle ihmal edilebilir empedans ile karakterize edildiğinden kısa devre akım değerine ulaşılmaz. Böylece limitler dahilinde paralel arklar MCB’ler, RCBO’lar ve sigortalar gibi standart aşırı akım koruma cihazları tarafından da algılanabilir ve kesilebilir. Normalde bunlar, Şekil 10’da gösterildiği gibi, yalıtım arızası, hasara neden olan iletken parçalarla mekanik veya kazara etkileşimden kaynaklanır.

AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 2
Şekil-10: Paralel ark hatalarının olası nedenleri

Aşağıdakiler bazı olası paralel ark hatası durumlarıdır:

• Hat iletkeni L ve nötr iletken N. Kaçak akım cihazları (RCD’ler), arıza, topraklama iletkeni PE üzerinden akan bir kaçak akımdan etkilenmediği için açamaz. MCB’ler, RCBO’lar ve sigortalar, yalnızca müdahale süreleri ve akım eğrileri, mevcut paralel ark hatasının değerleriyle uyumluysa tetiklenebilir. Aslında paralel ark empedansları akım değerlerini düşürerek MCB’leri ve RCBO’ların işlevselliğini sınırlayabilir.
• Hat iletkeni L ve topraklama iletkeni PE (toprak ark hatası). Arıza akımı, faz iletkeni ile toprak (PE) arasındaki elektrik arkından veya kaçak akım nedeniyle akar. Bu durumda, RCCB’ler ve RCBO’lar, yanıt verebilirliklerine göre uygun açmayı sağlayabilir ve ayrıca 300 mA veya altında hassasiyetle yangın durumunda koruma sağlayabilir. MCB’ler ve sigortalar, özellikle dağıtım TT sistemlerinde, arıza akım değeri genel olarak oldukça düşük olduğundan, açamazlar.

AFDD’ler paralel ark hatalarına karşı tam koruma sağlar.

Seri Ark Hataları

Yük direncine sahip seri ark hataları, iletken üzerine konumlanır ve lokal aşırı ısınmaya neden olabilir. Arıza akımı yük ile sınırlıdır ve bu nedenle paralel arktan daha düşüktür, ancak yine de yüksek ark sıcaklıkları nedeniyle yangın başlatabilir. Bununla birlikte, mevcut değerleri operasyonel değerlerden daha düşük olduğundan ve hata dalga formunun daha karmaşık bir analizi gerektiğinden seri arkların tespit edilmesi daha zordur.

Nedenler, tam kontak kesintisi (yanlış kontaklar) veya yüksek dirençli iletken durumları arasında geçiş yapan iletken sürekliliği eksikliğini (bkz. Şekil 11) içerebilir. Ayrıca (kutupları düzgün bir şekilde kapatmayan) arızalı anahtarlardan, sıkılmamış terminallerden, iyi sıkılmamış ampuller ve kısmen kopmuş veya kötü eklenmiş kablolardan da kaynaklanır.

AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 3
Şekil-11: Seri ark hatalarının olası nedenleri

Seri ark arızası akımları, 2,5 A’dan daha az (230 V AC devreler için) akımlardan konutlardaki normal çalışma devre akımlarına kadar değişebilir. Ayrıca, devrenin toplam seri empedansı artma eğilimindedir. MCB’ler, RCCB’ler, RCBO’lar bu hatayı tespit edemez.

AFDD’ler seri ark hatalarına karşı da tam koruma sağlar.

Koruma Cihazlarına Genel Bakış

Yangın riskini azaltmak için elektrik ark arızalarını tespit etmek amacıyla tasarlanmış bir koruma cihazı konsepti, 1980’den itibaren Amerika Birleşik Devletleri’nde tanıtıldı. ABD’de, birkaç yıl sonra, UL 1699 ürün standardına göre bir AFCI kurulumuyla tüm konut binalarında yangından korunma zorunlu hale geldi.

2012 yılının başında, IEC dünyasına Ark Hatası Algılama Cihazı (AFDD) konsepti tanıtıldı ve bu, yangın riskini azaltmak için ark hatası koruma cihazlarının gereksinimlerini belirleyen Teknik Ürün Standartları IEC 62606’nın Ağustos 2013’te yayınlanmasıyla sonuçlandı.

Şekil 12’de gösterildiği gibi, bir AFDD, standart MCB’lerin (veya RCBO’ların) açma zaman alanı dışında meydana gelebilecek seri ve paralel ark hatalarına karşı koruma sağlar.

AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 4
Şekil-12: IEC 62606 ve 60898-1 standartlarına göre AFDD ve aşırı akım koruma cihazları için koruma eğrisi.

Üç baskın alanı belirlemek mümkündür:

  • Yüksek empedans arızaları (seri ark) ve normal çalışma akımları ile karakterize edilen, nominal akımdan daha düşük akımlar için bölge. Normal çalışma akımlarının tipik değerlerine benzer zayıf arızalar veya seri arklardır. Bu akımlar MCB’ler için kesinlikle tespit edilemezken, RCD’ler bunları yalnızca toprağa akan kaçak akım durumunda algılayabilir. Bir AFDD, tablo 1’e göre (bir sonraki bölümde yer alacak) ürün standardı IEC 62606’da açıklanan süre içinde bir seri ark olması durumunda devreyi kesebilir.
  • Nominal akım ve manyetik açma eşiği (aşırı yük karakteristiğinin altında) arasındaki akımlar için bölge, genel olarak paralel arkların tipik özelliği olan “zayıf” arızalarla karakterize edilir. Bu alanda genel olarak arızalar aşırı yük akımlarına yakın değerlere sahiptir ve MCB’ler tarafından zaman/akım eğrisine göre tespit edilebilir. RCD’ler bu arızaları ancak toprağa kaçak akım akması durumunda tespit edebilir. Bir AFDD kurulumuyla yangın riski nispeten yüksek olduğundan, arıza bir MCB’den (devreyi açma süresi karakteristiğine göre kesen) daha hızlı tespit edilebilir. Bu durumda müdahale süresi bir AFDD’ye atanmaz, ancak tablo 2’ye göre (bir sonraki bölümde yer alacak) ürün standardında IEC 62606’da açıklandığı gibi 0,5 saniyede arktan etkilenen maksimum yarım dalga sayısı dikkate alınır.
  • Manyetik açma eşiğinden daha büyük veya buna eşit akımlar için bölge, MCB’ler, RCBO’lar veya sigortalar tarafından hemen tespit edilip durdurulabilen empedansı olmayan arızaları (kısa devre) ile karakterize edilir. Bu cihazlarda hata riski yoktur. Seri, paralel ve toprak ark arızalarına karşı tam koruma için bir AFDD kurulmalıdır. Şekil 13, farklı cihazlar tarafından sağlanan farklı koruma düzeyini gösterir.
AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 5
AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 6
Şekil-13: Koruma cihazlarına genel bakış

Operasyonel Çalışması

Otomatik sigorta entegreli (S-ARC1) ve aşırı akım korumalı kaçak akım cihazı entegreli AFDD’lerin (DS-ARC1) temel yapısı Şekil 14’de gösterilmiştir.

AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 7
Şekil-14: S-ARC1 ve DS-ARC1’in temel iç yapısı
AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 8
Şekil-15: S-ARC1 ve DS-ARC1’in temel çalışma modu

S-ARC1 ve DS-ARC1 hem faz için hem de nötr için hareketli kontaklara sahiptir ve iki ana fonksiyonel grup tanımlanabilir.

  • PCB bölümü (Baskılı Devre Kartı, ayrıca bkz. Şekil 15), bir Güç Kaynağı SMPS (Anahtarlamalı Mod Güç Kaynağı) tarafından sağlanır. S-ARC1 ve DS-ARC1, faz akımında 10 MHz bandında Düşük Frekans (LF) ve Yüksek Frekansı (HF) tespit etmek için iki ana algılama devresi ile donatılmıştır. Ünitenin özel sensörleri ve analog devresi elektronik sinyalleri işler. Bir Mikrodenetleyici Birimi (MCU), LF ve HF algılama devrelerinden giriş sinyallerini alır ve uygun algoritmalar aracılığıyla, faz hattında bir ark hatasının varlığını gösteren benzersiz özellikleri araştırmak için sinyalleri sürekli olarak analiz eder. Bir ark hatası algılanırsa, MCU, mekanizmayı çalıştıran ve ana kontakları açan Silikon Kontrollü Doğrultucu (SCR) ile bir elektronik aktüatöre enerji verir. Bu teknoloji, hem seri hem de paralel arklar için uygun açma sağlar ve LED (her zaman MCU’nun bir parçası) tarafından sinyal verilir.
  • Mekanizma bölümü, elektronik aktüatör (seri ve paralel ark arızalarında MCU) tarafından çalıştırılabilen açtırma kolunu, manyetik aktüatörü (kısa devre olması durumunda) ve ana kontakları açmak için bimetali (aşırı akım durumunda) içerir. DS-ARC1’de ayrıca toprağa giden kaçak akımları tespit etmek için bir toroidal transformatör mevcuttur.
AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 9
Şekil-16 ve 17: S-ARC1 ve DS-ARC1’in iç bileşenleri

ABB’nin S-ARC1 ve DS-ARC1 ürünleri, AFDD elektronik devresinin doğru çalışma koşullarını doğrulamak için iki test işleviyle donatılmıştır: bir AFDD test butonu (turuncu) ve bir dahili otomatik test. IEC 62606 ürün standardına göre cihazda bu iki çözümden en az biri bulunmalıdır.

  • Test butonu (bkz. Şekil 15), MCU pinine bir sinyal gönderir. MCU, LF ve HF seviyelerinde gerçek bir ark akımının özelliklerini taklit eden elektronik sinyaller üretir. Ürün düzgün çalışıyorsa; MCU, ark algılama rutini simüle edilen arkı tanır ve cihazı tetikler. Mandal tekrar kapatıldığında, LED yeşile dönecektir. Test düğmesine bastıktan sonra dahili bir arıza varsa, kesici açmaz ve LED kırmızı/yeşil yanıp sönmeye başlar. Bir elektrikçi tarafından kontrol gereklidir.
  • Dahili kendi kendini test, MCU’nun ark tespiti için çok önemli olan elektronik bileşenleri (yani analog devreler, MCU çevre birimleri, bellek vb.) sürekli olarak test etmesini içerir. Özellikle, kendi kendine test rutinleri, enerji verilmesinden başlayarak ürün çalışma süresi boyunca yürütülür. Dahili kendi kendine test ile herhangi bir hata tespit edilirse, servisin sürekliliğini garanti etmek için LED, açmadan alternatif yeşil/kırmızı yanıp sönerek bir gösterge vermeye başlayacaktır. Bu durumda test düğmesine basmak gerekir: cihaz alarm verirse normal davranışına geri döner ve açma/kapama düğmesi tekrar kapatılabilir; aksi takdirde bir elektrikçi tarafından kontrol edilmesi gerekir.
  • Beyaz test butonu: DS-ARC1 ayrıca, RCD çalışma koşullarını kontrol etmek için altı ayda bir basılacak beyaz bir test butonu ile donatılmıştır. Bu test düğmesinin bulunması, IEC 61009 ürün standardına göre zorunludur.
AFDD Teknik Yazı Dizisi 2: Ark Hatası Fenomeni Ve Afdd’lerin Çalışması 10
Şekil-18: DS-ARC1’in iç bileşenleri

Yazar (Çeviren) : Ali Alper Çelebi / ABB

AFDD Teknik Yazı Dizisi 1’i okuyun