Elektrik tesisatındaki ark arızalarının erken tespiti, konut ve ticari tesisatlarda yangından korunmaya katkıda bulunarak insanlar ve değerli varlıklar için ek güvenlik sağlar. Uluslararası ürün standardı “IEC 62606 – Ark Hatası Tespit Cihazları için Genel Gereklilikler” ile uyumlu olarak üretilen AFDD’ler hatalı elektrik tesisatlarından kaynaklanan yangın risklerini azaltır.
Aşağıdaki kılavuz, uygulama kullanıcılarının bir elektrik arkının fiziksel fenomenini, cihazların işleyişini, ana özelliklerini ve faydalarını anlamalarına yardımcı olacaktır.
Üç bölümden oluşan yazı dizimizin birinci bölümünde ark hatası koruma cihazlarının tarihçesini inceleyecek, yangınlar ve yangın olgusu ile birlikte istatistiki bilgilere yer vereceğiz. Ayrıca elektriksel ark olgusuna giriş yapıp bilimsel tanımlamasına değineceğiz. Ark hatasından korunma ve yönetmeliklerle ilgili diğer iki bölümümüzü de ETMD – Bizden Haberler dergimizin takip eden sayılarında okuyabilirsiniz.
Giriş
Ark Arızası Devre Kesici (AFCI) 1980 yılında Amerika Birleşik Devletleri’nde patentlenmiştir. AFCI, Ocak 2008’de Ulusal Elektrik Kodu (NEC, ABD Tesisat Yönetmeliği) tarafından kullanılması öngörülen elektrik ark hatalarını tespit etmek için tasarlanmış bir cihazdır.
Özellikle, konutların bazı odalarında tüm devreleri 15 / 20 A’dan korumak için AFCI cihazlarının kullanımını öngörmüştür. NEC, bunu ‘Arka özgü özellikleri tanıyarak ve bir ark hatası tespit edildiğinde devrenin enerjisini keserek ark hatalarının etkilerinden koruma sağlamayı amaçlayan bir cihaz’ olarak tanımlar.
2012 yılının başında, Ark Arızası Algılama Cihazı (AFDD), IEC dünyasına tanıtılmaya başlandı ve Ağustos 2013’te ark arıza koruma cihazları için gereksinimleri belirleyen Teknik Ürün Standartları IEC 62606’nın yayınlanmasıyla sonuçlandı.
Yangınlar
Yangın olgusu
Yangın, ısı, ışık ve çeşitli reaksiyon ürünlerini serbest bırakan ekzotermik kimyasal yanma sürecinde malzemenin hızlı ve kontrolsüz oksidasyonudur. Üç temel unsur gerektirir: yanıcı bir madde, oksijen ve uygun bir sıcaklık. Bir yangının farklı aşamaları aşağıda Şekil 1’de gösterilmiştir.
Bir yangının tüm odayı kapsaması için sadece üç dakika yeterlidir, çünkü bugün geçmişe göre daha fazla yanıcı malzeme kullanıyoruz. İlk kıvılcımlanma aşamasında, yanıcı maddelerden çıkan buharlar, kolayca kontrol edilebilen yanma sürecini başlatır. Yayılma aşaması sırasında, ısı yangını besler ve sıcaklıkta yavaş bir artış ve duman emisyonunu belirler. Bu adımda, yangın henüz tam olarak gelişmemiştir, ancak parlamayı önlemek için yönetilmelidir. Bu aşamada, sıcaklıkta ani bir artış ve yanmaya dahil olan malzeme miktarında bir artış olur. Yangın aslında çok yüksek sıcaklıklara ulaşır (1.000 °C’yi bile geçer) ve sonunda sönme aşamasına gelmeden önce yakıt ve oksijen olduğu sürece yanma kontrol edilemez hale gelir. Bu nedenle, yangının parlama aşamasına gelmeden kontrol edilmesi esastır.
Nedenler ve istatistikler
Avrupa’da her yıl çeşitli türlerde 2.000.000’den fazla yangın rapor edilmektedir; ortalama olarak, bunların %90’ı binalarda meydana gelmektedir. Yangınlar, Avrupa’da her yıl yaklaşık 4.000 veya günde yaklaşık 11 kişinin ölümüne neden olmakta ve 70.000 kişiyi ağır yaralanmalarla hastaneye sevk etmektedir. (Kaynak: firesafeeurope.eu)
Şekil 2, Almanya’daki yangınların nedenlerini göstermektedir (Kaynak: 2016 IFS-ev.org): En fazla sayıda yangın (%31,7) özellikle konut ortamlarında elektrik sorunlarından kaynaklandı.
2015 yılında 230.000 yangında hasara elektrik neden oldu (Kaynak: GDV), bununla beraber dumana, yangına ve alevlere maruz kalmaktan 343 ölüm ve elektrikle ölümcül temastan 77 ölüm daha meydana geldi (Kaynak: destatis.de).
Elektrik tesisatlarındaki arızalar, aşağıdakiler de dahil olmak üzere elektrik yangınlarının ana nedenidir:
- Kısa devreler, iki iletken temas ettiğinde ve hızlı bir şekilde yüksek akım çekişi oluşturduğunda meydana gelir, bu da iletkenlerin patlamasına neden olur ve bu da daha sonra yakındaki herhangi bir yanıcı malzemeyi tutuşturabilir.
- Aşırı yük, bir elektrik devresi çalışması için tasarlandığından daha fazla akım taşıdığında meydana gelir. Aşırı ısınmış bir iletken, yalıtımına zarar verebilir ve yakındaki herhangi bir yanıcı malzemeyi tutuşturarak yangına neden olabilir.
- Yıldırım çarpmalarıyla ilgili geçici aşırı gerilimler veya dalgalanmalar, belirli yüklerin anında bozulmasına neden olur ve potansiyel olarak bir yangın başlatabilir.
- Uzun süreli aşırı gerilimler (birkaç saniyeden birkaç dakikaya kadar), yüksek olmayabilen ancak süresi, elektrikli ekipmandaki belirli bileşenlerin aşırı ısınmasına ve hatta bu koşullar altında çalışacak şekilde doğru şekilde boyutlandırılmamışlarsa alev almasına neden olacak kadar uzun olan gerilimlerdir. Bu aşırı gerilimler, besleme şebekesindeki arızalardan kaynaklanabilir (nötr iletkende kopma, yüksek gerilim şebeke kablosunun toprağına kısa devre).
- Yalıtımın zarar görmesi önemli bir sorundur. Yeni yalıtım malzemesi, izleme akımlarının akışını önlemek için çok yüksek yüzey direncine sahiptir, ancak zamanla kirlilik, toz, çeşitli kirlilik türleri vb. gibi malzeme birikintilerine yol açar. Bu birikintiler nemi de emerse, yalıtımın yüzeyini iletken haline getirebilirler. Birikintiler kuru kalırsa, yüzey direnci çok yüksek kalır, bu nedenle akımları izleme tehlikesi yoktur. Ancak malzemenin yüzeyi kuruduğunda, mikro arklar yerel olarak görünebilir (kırpışmalar), yalıtım malzemesini bozarak ve izleme akımını artıran yerel karbon birikintileri üretebilir. Akım 300 mA’yı aşarsa, yüzey ısıtması ve üretilen kıvılcımlar karbon birikintilerini tutuşturmak için yeterlidir. Bazı durumlarda akım PE iletkeninden geçebilir ve bir kaçak (artık) akım cihazı tarafından algılanabilir. Aksi takdirde, ark hatası algılama gibi belirli bir koruma cihazı gereklidir.
- Çok prizli adaptörlerin ve uzatma kablolarının yanlış kullanımı gibi eski binalardaki uygunsuz kurulumlar da kritik bir sorundur. Minyatür Devre Kesiciler (MCB) ve Kaçak Akım Cihazları (RCD), Aşırı Gerilim Koruma Cihazı (SPD), Güç frekansı Aşırı Gerilim Koruması (POP) gibi mevcut koruma cihazları sırasıyla aşırı akımlar, kaçak akımlar ve aşırı gerilimler için etkin açmayı garanti edebilmektedir. Yalıtımın ve uygun olmayan kurulumların hasar görmesi, özel olarak bir ark arıza cihazı tarafından korunması gereken bir ark (kaçak akım olmadan da) oluşmasına neden olabilir.
Elektriksel Ark
Olgusu ve yapısı
“Kontak arkları” genellikle, düşük iletken yollar yoluyla doğrudan veya dolaylı temas konumundaki farklı gerilimlerdeki iki iletken parça ile ilgilidir. Örneğin, bu durumda iletken parçalar bir anahtarlama elemanının metal kontakları olabilir.
Ayrıca ark arızası, sıfırdan farklı ve ihmal edilemez bir empedans ile karakterize edilen arızanın bir örneğini teşkil eder. İki farklı türde olabilir:
- Paralel ark hatası – normalde izole edilmiş iletken parçalar arasındaki izolasyon arızası
- Seri ark hatası – normalde kesintiye uğramayan aktif bir iletkenin kısmi bozulması ve istenmeyen şekilde serbest kalması
İlk durumda, ark esas olarak kontaklar tarafından salınan metalik buharlardan (öncelikle karbon) oluşur. Ark ortamı, aralarında oluşturulan termal rejim ile aralarındaki çarpışmaların bir sonucu olarak iyonize parçacıklar tarafından zenginleştirilecektir. Ark gelişimi, “Paschen Eğrisi” ile gösterilen iki kontak arasındaki gerilim ve mesafe ile ilgilidir. Bu eğri, iletkenler arasındaki mesafe ve basıncın çarpımının bir fonksiyonu olan iyonize bir gazdaki tetik gerilimini gösterir. Örneğin, Şekil 3’te gösterildiği gibi, iki iletken arasında hava göz önünde bulundurulduğunda, minimum arıza gerilimi (101 kPa ve 7.5 μm mesafe için) 327 V DC’ye eşit olarak elde edilir.
Bu, bir alçak gerilim devresinde 230 V’ta bir elektrik arkı başlatmanın imkânsız olacağını düşündürebilir. Ancak, yalıtımın erimesi sürecinin bir sonucu olarak salınan karbon parçacıklarının varlığının eşiği düşürdüğü ve dolayısıyla ark olasılığını artırdığı gösterilmiştir.
Aslında, hasarlı bir iletken, ilk birleştirilmiş kontaklar arasında elektrik arklarının oluşmasını kolaylaştırabilir. Bu örnek göz önüne alındığında, akım hasarlı kısımdan geçer ve bunun sonucunda akım yoğunluğu artma eğilimindedir. Joule etkisinden etkilenen bölgede artan ısı, yalıtımı aşırı ısıtmaya başlar. Bu noktada bakır oksitlenir ve ardından birleşerek yalıtımı karbonize etmeye başlar. İki iletken arasında bir hava boşluğu durumu oluştuğundan, yalıtımda küçük arklar oluşmaya başlar.
Arkın fiziksel yapısı, Şekil 4’te gösterildiği gibi genel olarak üç bölüme ayrılmıştır.
Katodik ve anodik alanların uzantıları azalırken, pozitif sütun neredeyse tüm elektrik ark uzunluğunu içerir. Özellikle, katot bölgesi, negatif potansiyelde (katot) elektrot ile ve pozitif potansiyelde (anot) anot ile doğrudan temas halindedir. Her ikisi de pozitif sütunlu (nötr bölge) bir geçiş bölgesi ve “alan şarjı bölgesi” olarak adlandırılan elektrotla temas halinde daha uzun bir bölge ile karakterize edilir. Özellikle, katoda bitişik kısım, pozitif iyonların yaygınlığı ile karakterize edilirken, anoda bitişik kısım elektronların yaygınlığı ile karakterize edilir.
Dalga biçimleri ve ark kararlılığı
Bir ark, arkı sürdürmek amacıyla akımı değiştiren gerilim değerlerini gösteren bir karakteristik eğri (gerilim-akım) ile temsil edilebilir. Sinüzoidal kararlı durum ark karakteristiği, Şekil 5’te gösterildiği gibi hem pozitif hem de negatif değerler alır; burada Ua ark gerilimidir ve I akımdır.
Özellikle birinci çeyrekte eğri (pozitif akım değerlerine karşılık gelir) önce artar sonra azalır. Bu üçüncü çeyrekte de yansıtılır. İki çeyreğin eğrileri arasındaki bağlantı kısımları, akımın işareti tersine çevirdiği anlara karşılık gelir. Ark akımı da ideal sinüzoidal akımdan farklıdır. Şekil 6’da gösterildiği gibi, ideal akım dalga biçimini sıfırda geçen “omuzlar” ile bir şekil alır. Bunun temel nedeni, güç kaynağının bu kısa anlar için “kemeri” destekleyememesidir. Dirençli bir yükü gösteren akım ve ark gerilimi dalga formuna ait değerler de Şekil 6 ve 7’de gösterilmektedir.
Önceki dalga biçimlerinden, besleme devresinin sinüzoidal yapısının hem gerilimin hem de akımın sıfır geçişinde ark karakteristiğine yansıdığını ve bunun, kapatma ve olası yeniden başlatma açısından sonuçları olduğunu görmek mümkündür.
Bir ark oluşma olasılığını tahmin etmek genellikle zordur ve yoğunluğu, dalga biçimi ve yangına neden olma kapasitesi aşağıdakiler gibi birçok değişken faktöre bağlıdır:
- iletken parçalar arasındaki gerilim
- iletken parçalar arasındaki mesafe,
- elektrik yükü (varsa) seri veya yüke paralel
- lokal ısı dağılımı koşulları
- yanabilen, karbonize olabilen veya yanıcı gazlar salabilen bitişik malzemeler
Özellikle ark kararlılığı, gerilim seviyesinin (ve dolayısıyla akımın) arttırılmasıyla geniş ölçüde etkinleştirilir. Örneğin iki farklı gerilim seviyesi düşünün – 115 Vrms ve 230 Vrms. 230 Vrms durumundaki ark akımı, 115 Vrms’ye kıyasla daha fazla artar (bkz. Şekil 8), daha yüksek termiyonik elektron emisyonuna ve sıfır geçişten sonra daha fazla yeniden darbe olasılığına neden olur.
Yazar (Çeviren) : Ali Alper Çelebi / ABB
