Kontaktör-sigorta kombinasyonlu orta gerilim motor uygulamalarının güvenilir, selektif ve sürdürülebilir işletimi; yüksek yol alma akımları, yüksek kısa devre enerjisi, ekipman dayanımları, sistem dizaynı ve koordinasyon gereksinimlerinin göz önünde bulundurulması nedeniyle tek bir koruma elemanına değil, kontaktör-sigorta-röle bileşenlerinin birlikte tasarlanmasına dayanır.

Kontaktörlerin kısa devre akımını kesme kapasiteleri düşük olduğundan, fiderde yaşanacak olan bir kısa devre arızasında HRC backup sigortalar ile koruma sağlanarak arızalı kısım sistemin geri kalanından izole edilmelidir. Bu kapsamda kontaktör ile beslenen motor fiderlerinde kullanılacak olan koruma röleleri ile sadece aşırı yük ve termal korumalar ile birlikte sistem dizaynına göre toprak korumaları yapılmalıdır. Bununla birlikte kullanılan sigortaların görevi her ne kadar ekipmanı korumak olsa da aynı zamanda, motorların doğası gereği yüksek ve tekrarlı yol alma akımları, sigortanın erime (pre-arcing) davranışını kritik hale getirmektedir.


 

Şekil 1: Kontaktör-Sigorta Kombinasyonu

Diğer yandan sigorta tipine paralel olarak, OG hücredeki koruma rölesi (50/51, 49, 46, 50N/51N vb.) doğru yapılandırılmalı ve selektivite tutarlı bir koruma felsefesiyle doğrulanmalıdır. Böylece kontaktör yalnızca manevra için kullanılır, kısa devre koşullarında kesme görevi sigortada kalır.

Yukarıdaki veriler ışığında bir orta gerilim motor fideri için kontaktör, sigorta ve koruma fonksiyonları belirlenirken aşağıdaki prensiplerin göz önünde bulundurulması güvenilir bir işletme bütünlüğü sunacaktır.

 

Bu kısımda kontaktör ve sigorta seçimleri ile koruma dizaynının belirlenmesine ilişkin prensipler sunulmuştur.

 

Kontaktör seçiminde mekanik ve elektriksel olarak göz önünde bulundurulması gereken birçok etken mevcuttur ancak koruma sistemleri çerçevesinden bakıldığında aşağıdaki kriterler güç sistemlerinde önem kazanmaktadır;


Referans standart

IEC 60470/DIN EN 60470 ve IEC 62271-106 standartları referans alınır.

Anma gerilimi (U_r)

Sistem toprak yapısına göre ( etkin topraklı veya izole sistem) izolasyon seviyesi belirlenir. İzole sistemlerde faz-toprak hatasında geçici toparlanma gerilimi (TRV – Transient Recovery Voltage) faz-faz gerilimine yaklaşacağından, kullanılan kontaktörün izolasyon seviyesinin buna uygun olarak seçilmesi gerekir. Örneğin, 6 kV işletme gerilimine sahip bir tesiste, etkin topraklı sistem için 3/7,2 kV gerilim seviyesi tercih edilebilirken, izole sistemlerde aynı ekipman için 6/12 kV nominal gerilim seviyesi seçilir.

Nominal akım (I^_n)

Kontaktör anma akımı, üreticinin ortam sıcaklığı/irtifa/muhafaza için verdiği indirgeme (derating) katsayıları uygulanmış sürekli akım (In≈Ith) değeri esas alınarak seçilmeli, yaygın uygulamalar ve tecrübeler ışığında bu Inderated değeri motor tam yük akımının %25 üzeri olmalı (Inderated ≥ 1,25×IFLA), sağlanmıyorsa bir üst akım sınıfı tercih edilmelidir.

Kısa devre dayanım (I_sc,I_D)

Kontaktör muhtemel (prospective) kısa devre dayanımı akımı, sistemde oluşacak olan maksimum kısa devre akımının üzerinde seçilmelidir. Aynı zamanda sınırlanmış tepe akımı (let-through Ipk current) dayanımı, sigorta tarafından geçirilen maksimum sınırlandırılmış (Cut-off current peak) kısa devre akımının üzerinde seçilmelidir.

 

Kontaktör-sigorta kombinasyonlu motor uygulamalarında sistem güvenilirliğini sağlamak için seçilecek olan HRC sigortalarda aşağıdaki kriterlerin değerlendirmeye alınması gerekir.

Referans standart

OG sigorta seçiminde referans alınması gereken standartlar ve uygulama alanları aşağıda verilmiştir.

► IEC 60282-1: OG akım sınırlayıcı sigortalar için genel çerçeve ( tüm uygulamalar)
► IEC 60644: Motor devrelerine özel OG sigortaların teknik şartnamesi
► IEEE C37.48-2020: IEEE Yüksek Gerilim (> 1000 V) Sigortaları ve Aksesuarlarının Uygulanmasına İlişkin Kılavuz ve Eğitim


Sigorta Tipi 
 

Sigorta seçiminde en kritik adım, korunan devrenin görevi ve işletme koşullarına uygun sigorta tipinin/karakteristiğinin (örn. motor için HRC aM/back-up – IEC 60644, trafo/kapasitör için ilgili tip; back-up vs. full-range) doğru belirlenmesidir.

Kullanım amaçlarına göre, IEC ve ANSI/IEE standartlarında belirtilen OG sigorta sınıflandırmaları aşağıda verilmiştir.

IEC’ye göre:

► Back-up (partial-range): Asgari bir akımın (I3) üstündeki arızaları keser (aşırı yük koruma yapmaz).
► Full-range: Aşırı yükten yüksek kısa devreye kadar geniş aralığı keser.

ANSI/IEE’ye göre:

► E-rated: Motor, trafo, dağıtım için OG sigorta, akım sınırlayıcıdır.
► R-rated: Redüktörlü (motor uygulamalarında kullanılan back-up tip).
► Back-up (partial-range): Yalnızca kısa devre bölgesinde çalışır, aşırı yükte açmaz.
► Full-range: Hem aşırı yük hem kısa devreyi kapsar.

Konstrüksiyon uygulamalarına göre sigorta tipleri ise:

► Akım sınırlayıcı (current limiting): Ark tüpü, kum dolgu ve eriyen eleman ile kısa devreyi milisaniyede sınırlar. Kontaktörle koordinasyonda en çok kullanılan tiptir.
► Drop-out (cut-out): Hattın açık hava direklerinde kullanılan, sigorta attığında kartuşu aşağıya düşen tip.
► Kapsül (cartridge / DIN / BS type): Panoya monte edilen, değiştirilebilir kartuş sigorta.

Endüstriyel uygulamada, yukarıdaki sınıflandırmalar ışığında uygun sigorta tipi/karakteristiği (ör. MV motor starter için akım sınırlayıcı back-up; IEC 60644 uyumlu) belirlendikten sonra, uygulanacak koruma felsefesine uygun elektriksel değerler (anma gerilimi/Um-Ur ve TRV, I₃/I₁, pre-arcing I²t, let-through Ipk, anma akımı/RC) üretici eğrileri üzerinden doğrulanmalı ve röle–kontaktör koordinasyonu ile birlikte netleştirilmelidir.


Anma Gerilimi (U_r)

Kontaktör anma geriliminde olduğu gibi, sigorta izolasyon seviyesi belirlenirken de sistem topraklama yapısı göz önünde bulundurulur. Bu minvalde kontaktör anma gerilimindeki kriterler sigorta için de geçerlidir.

Sigorta Akımıı (I_n)

Sigorta akımı seçimi için öncelikli koşul kullanılacak olan sigorta tipinin doğru olarak belirlenmesidir. Sigorta tipinin seçimi korumanın sadece kısa devreyi veya aşırı yük korumayı içerip içermediğini de belirleyecektir. Endüstriyel tesislerde yaygın uygulamalarda, sigorta tipi HRC back-up/R-Rated olarak sadece kısa devre koruması yapacak şekilde tercih edilmektedir, aşırı yük ve termal korumalar ise röle tarafından yapılmaktadır.

Sigortanın back-up/R-Rated olarak seçildiği varsayımı ile nominal akım belirlenirken aşağıdaki adımlar takip edilir.

► Sigortanın indirgeme (derating) uygulanmış sürekli akımı, beslenecek olan motorun tam yük akımını emniyet payıyla aşmalıdır. Emniyet payı olarak 1,15-1,25 katsayıları güvenli aralık sağlayacaktır.
► Seçilecek olan sigorta için üretici kataloğunda azaltılmış soğutma (RC : Reduced Cooling) akımı belirtilmişse sürekli akım olarak bu değer baz alınmalıdır. Örneğin 250RC225 olarak belirtilen bir sigortanın sürekli akımı RC faktörü ile birlikte 225 A olacaktır. Bu değerin emniyet payı ile birlikte tam yük akımından yüksek olması beklenir.
► Sigorta sürekli akımı seçimindeki en önemli husus IEC 60644 standardında belirtilen aşağıdaki kritelerin sağlanmasıdır:

♦ Motorun kalkış akımına karşı maksimum dayanımı sağlamak için pre-arcing akım-zaman eğrisinin 10 saniyelik bölgesinde nispeten yüksek erime akımı, yani yavaş çalışma şartının sağlanması;

♦ Anahtarlama elemanı olan kontaktöre, kabloya, motora ve terminal noktalarına maksimum kısa devre koruması sağlamak için 0,1 saniyenin altındaki bölgede nispeten düşük erime akım yani hızlı çalışma şartının sağlanması;

Bu koşulların sağlanması adına erime eğrisi karakteristiklerinin IEC 60644 standartına göre aşağıdaki limitler içinde olması gerekmektedir;





Yukarıdaki eşitliklerde Ir motor nominal akımını, If10 ve If0,1 sigorta erime eğrisinde 10 s ve 0,1 s sürelerine karşılık gelen akımları belirtmektedir.

Şekil 1’de örnek bir HRC back-up sigortaya ait erime eğirisi verilmiştir.

 

Şekil 2: HRC back-up sigorta erime akım-zaman karakteristiği

► Sigorta anma değerini seçerken kontrol edilecek bir diğer husus motor kalkış süresi boyuca çekilen yol alma akımının sigorta erime bölgesi altında kalması gerekliliğidir. Bu kapsamda motorun peşi sıra kalkış yapabileceği ve sigortanıın kalkış akımından kaynaklı ısınabileceği göz önünde bulundurulduğunda IEC 60644 standartında belirtilen k faktör uygulaması tekrarlı yol alma durumları için güvenli bölge oluşturacaktır. Endüstrideki yaygın motor uygulamarında erime eğrisine 0,65 - 0,75 aralığında k faktörü uygulanabilmektedir. Bu işlemden sonra motor kalkış süresi boyunca çekilen yol alma akımı erime eğrisinin altında kalmalıdır.


Sigorta Kısa Devre Kesme Akımları (I₁, I₃, I_pk)

Koruma sistemleri ve işletme güvenilirliği açısından sigorta seçiminde ksıa devre akımları bakımından aşağıdaki kriterler sağlanmalıdır:

► Sigorta nominal kesme akımı I1 ( rated breaking current), sistemde oluşacak olan maksimum prospektif kısa devre akımının üzerinde olmalıdır.



► Koruma koordinasyonunda akım seçiciliğini sağlamak adına minimum kesme akımı I3 (minimum breaking current), motor kablosunda veya terminmallerinde oluşacak olan minimum faz kısa devre akımının altında olmalıdır.
► Seçilen sigortanın maksimum kısa devre RMS akımına karşılık gelen sınırlanmış tepe akımı (cut-off peak), kontaktörün geçirebileceği maksimum (let-through current) akım değerine yakın veya altında olması gerekir.

Aşağıda örnek olarak bir HRC back-up OG sigortaya ait sınırlandırılmış (cut-off) akım grafiği verilmiştir.
 

 

Endüstriyel sektörde mikroprosesör tabanlı koruma rölelerinde sağlanan gelişme ile, konvansiyonel koruma fonksiyonlarına ilave olarak ekipman termik ve dinamik dayanımlarına göre çok daha geniş kapsamlı koruma elementlerinin koordinasyonu mümkün hale gelmiştir. Bu kapsamda ekipman bazlı ( motor, trafo, generator vb.) koruma rölelerinin tercih edilmesi tutarlı bir koruma felsefesinin oluşturulması bakımından önemli yere sahiptir.

Aynı zamanda IEC 61850 tabanlı haberleşme ile koruma röleleri, GOOSE/MMS üzerinden RTU/SCADA’ya gerçek zamanlı ölçüm, olay/arıza kaydı, durum izleme ve uzaktan kumanda verilerini taşıyarak sigorta bulunsa dahi her ekipmanda otomasyon ve çevrimiçi izleme gereksinimlerini karşılayan vazgeçilmez bileşenler hâline gelmiş; kontaktör–sigorta kombinasyonlu OG starterlarda da röle fonksiyonlarının hızlı, standartlaştırılmış ve merkezi entegrasyonunu mümkün kılmıştır.

Kontaktör–sigorta kombinasyonu gibi özel uygulamalar, koruma koordinasyonunda daha hassas ve kural temelli bir yaklaşım gerektirir. Bu yapıda, kontaktörlerin kısa devre kesme kapasitesinin çok düşük olması nedeniyle kısa devre koruma görevi HRC back-up sigortalara bırakılır; röleler ise ekipmanı termik olarak zorlayacak aşırı yük, dengesizlik ve (tasarıma bağlı) toprak arızası kaynaklı korumaları üstlenir. Böylece sigorta büyük arızayı milisaniyelerde sınırlayıp keserken, röle aşırı yük bölgesinde selektif ve kontrollü açtırma sağlar; kontaktör ise yalnızca manevra elemanı olarak çalışır.

Yukarıdaki bilgiler çerçevesinde motor bazlı uygulamalar için seçilecek olan koruma rölesinde, sigorta ile kısa devre koruması haricinde aşağıdaki fonksiyonların bulunması işletme güvenilirliği ve ekipman ömrü açısından tavsiye edilir.


► ANSI 49: Termal Aşırı Yük Koruma
► ANSI 51: Ters Zamanlı Aşırı Akım Koruma
► ANSI 50/51N: Toprak Aşırı Akım Koruma
► ANSI 46: Dengesiz Yük/Negatif Bileşen Koruma
► ANSI 48: Motor Kalkış Süpervizyon
► ANSI 66: Motor Kalkış Sayısı Sınırlama
► ANSI 51LR: Kilitli Rotor / Mekanik Sıkışma Koruma


Belirtilen koruma fonksiyonları ayarlanırken şu hususlara dikkat edilmesi ekipman güvenliği açısından önemlidir:

► Motor datasheet dokümanında belirtilen nominal değerler ile akım taşıma kapasitesi bakımından güç kablosu baz alınmalıdır,
► ANSI 51 ayarı motor kalkışında çalışmayacak şekilde konfigüre edilmelidir,
► Yine ANSI 51 ayarı verilirken, sigorta ile ters zaman eğrisinin kesişme noktasındaki akım değeri, sigortanın minimum kesme akımından (I3) büyük olmalıdır. Böylelikle sigortanın güvenli kesebileceği akımın altındaki bölge röle tarafından korunacaktır.
► ANSI 50/51N ayarı verilirken sistemin toprak yapısı dikakte alınmalıdır. Doğrudan topraklı sistemlerde faz-toprak kısa devre akımları yüksek olacağından ANSI 50N ayarının verilmemesi önerilmektedir. Toprak akımı sınırlandırılmış sistemlerde, sigortanın toprak hatasını görememesi ihtimaline karşı ANSI 50N ayarı verilmelidir ancak 2 faz-toprak hatasında fazlardan yüksek akım geçeceğinden, rölenin sigortadan daha erken açma sinyali göndermemesi için gecikme süresi verilmelidir.
► ANSI 46 ayarı verilirken motorun sürekli olarak maruza kalabileceği negatif bileşen akımı dikkate alınmalıdır.

 

Kontaktör-sigorta-röle kombinasyonlu uygulamalar için, örnek olarak IEEE C37.48-2020 standardında verilen aşağıdaki eğri koordinasyonunun oluşması beklenmektedir. Bu koşulların sağlanması ile ekipman ve işletme güvenilirliği, koruma sistemleri felsefesi bakımından üst seviyede olacaktır.
 

 

Şekil 4: IEEE C37.48-2020 Standardı Örnek Uygulaması

Sonuç olarak bu yazıda verilmek istenen prensipler Şekil-3 yardımı ile IEEE C37.48-2020 standardında da belirtildiği üzere aşağıdaki gibi özetlenmiştir:

a) Motor nominal değerlerine göre kontaktör ve sigorta seçimi yapılır. Sigortanın nominal akımı, sigorta servis pozisyonuna monte edildiğinde motorun çalışma akımını aşırı ısınmadan sürekli olarak taşıyabilecek şekilde seçilmelidir.
b) Sigortanın erime akım-zaman karakteristiği uygun K-faktörü ile çarpıldığında, %100 ve %80 Un işletme gerilimlerindeki A noktasına karşılık gelen motor kalkış akımının üzerinde kalmalıdır.
c) Röleye verilen ANSI 51 ters zamanlı aşırı akım eğrisi D ile sigorta eğrisinin kesiştiği B noktasındaki akım, sigortanın güvenli kesebileceği minimum kesme akımının (I3) üzerinde olmalıdır. Aynı zamanda B kesişme noktasındaki akım, kontaktörün kesebileceği maksimum kısa devre akımından düşük olmalıdır. Böylelikle birleşik koruma eğrisi DBE olacak şekilde koordinasyon sağlanacaktır.
d) Anahtarlama elemanının maksimum kesme kapasitesi üzerindeki arıza akımlarında koruma elemanı olarak sigorta görev yapmalıdır.
e) Yıldız noktası direnç üzerinden topraklı sistemlerde, faz – toprak akımının sigorta minimum güvenli kesme akımının altında kalması ihtimaline karşı röleye toprak ani ayarı verilebilir ancak 2 faz-toprak arızalarına karşı rölenin sigortadan önce çalışmaması için FC eğrisinde gösterildiği gibi zaman gecikmesi verilmelidir. Etkin topraklı sistemlerde ANSI 50N ayarının verilmesi önerilmemektedir.
f) Kablo dayanım eğrisinin, koruma karakteristiğinin sağında kalması gerekir. Motor besleme görevinin doğası gereği, yüksek akımlı ve tekrarlı motor kalkışından dolayı yüksek sigorta değerinin gerekli olduğu durumlarda, koruma karakteristiği sağa doğru kayacağından kablo kesitinin uygun şekilde artırılması gerekebilir.
g) Sigorta minimum kesme akımının mümkün oldukça sıkışmış rotor (stalled rotor) akımına yakın olacak kadar düşük seçilmesi arzu edilir. Ancak koruma rölesinde kullanılan ANSI 51LR koruması ile bu şartın sağlanmaması durumu tolere edilebilir.



Orhan Zengin

Akıllı Altyapılar
Şebeke Yazılımları
Güç Teknolojileri / Koruma – Koordinasyon, Güç Kalitesi ve Topraklama
Güç Sistem Danışmanı


Referanslar

► IEC 60282-1 - Standard for High-voltage fuses - Part 1: Current-limiting fuses
► IEEE C37.48-2020 - IEEE Guide and Tutorial for the Application of High-Voltage (> 1000 V) Fuses and Accessories
► Siemens Contactor-Fuse Combination, Equipment Selection and Ordering Guide – HG 11.22-2010
► Siemens 7SK85 Relay Manual SIBA High Voltage Fuse-Links Catalog