Orta Gerilim Elektrik Panolarında Akımın Manyetik Alana Etkisi ve Tasarım Çözümleri

Enerji dağıtım ve iletim şebekelerinin komponentlerinden olan Orta Gerilim (OG) şalt panolarında taşınan akım, yalnızca elektriksel etkiler ortaya çıkarmaz. Aynı zamanda akım taşıyan baraların çevresinde manyetik alanlar ve buna bağlı olarak girdap akımları oluşturur. Manyetik alanın yoğunluğu ve dağılımı ise pano içerisindeki cihazların performansını, elektromanyetik uyumluluğu ve uzun vadeli güvenli çalışma koşullarını direkt etkileyebilmektedir.

Özellikle, akım değeri yükseldikçe şalt panolardaki bu etki daha belirgin hale gelmektedir. Bu nedenle baralardan geçen akımın manyetik alana etkisi, mekanik tasarım aşamasında dikkat edilmesi gereken önemli bir parametre olarak karşımıza çıkmaktadır.

Manyetik alan; iletken bir maddenin üzerinden elektrik akımı geçirilmesi durumunda ortaya çıkar (Örneğin, bakır bir telden geçen akım). Oluşan bu manyetik alan, manyetik kuvvetin etkili olduğu bölgedir. [1]

Akım taşıma kapasitesine bağlı olarak, OG şalt panolarda üzerinden akım geçen baralar ve güç kablolarında manyetik alanlar oluşur. Manyetik alan ve elektrik akımı arasındaki ilişkiyi ifade eden Ampere yasasına göre bir iletkenden geçen akım, iletkenin etrafında dairesel bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanlar, diğer iletkenlerle etkileşime girerek indüktif kayıplara ve parazitlere neden olabilir [2]. Bu da enerji ve verim kayıplarına sebep olarak panoların kullanıldığı şalt tesislerini olumsuz yönde etkiler.


Ampere Yasası:

B: Manyetik alan yoğunluğu, (Tesla(T))
μ: manyetik geçirgenlik, (N/A²)
I: iletkenden geçen akım, (A)
r: iletkene olan mesafe (yarıçap), (m)

Ampere Yasası’nda ifade edilen B manyetik alan yoğunluğunun SI birimi Tesla (T) olup, alternatif olarak kg/(A⋅s²) olarak da belirtilebilir. Manyetik alan yoğunluğu, iletkenden geçen akımın (I) artmasıyla doğru orantılı olarak artarken, iletkenden uzaklaştıkça (r arttıkça) azalır.

Diğer bir parametre olan μ manyetik geçirgenlik de manyetik alan yoğunluğunun artmasına sebep olmaktadır. Manyetik geçirgenlik; bir malzemenin manyetik alanı geçirmesi, başka bir deyişle iletme kapasitesi olarak tanımlanır. Panolarda akım geçen alanlarda kullanılan malzeme seçimleri bu sebeple kritik öneme sahiptir.

Aşağıda şekilde manyetik alan simüle edilmiştir. İlgili görselde faz başına 6 kablo bağlantı tasarımı paylaşılmış olup, her bir kabloya ait oluşan manyetik alan farklı renk ile gösterilmiştir. İlgili görselde orta konumda montajlanan kablolarda manyetik alan yoğunluğunun daha yüksek olduğu görülmektedir. Fakat merkezden uzaklaştıkça (kenarlara doğru gittikçe) manyetik alan yoğunluğu azalmaktadır.
 

Makalenin başında belirtilen performans kayıplarını ve parazitleri önlemek için OG panoların mekanik tasarımı sırasında paslanmaz çelik olarak tanımlanan krom-nikel çelik sac alaşımları(X5CrNi18-10N+2B) kullanılabilir.

Paslanmaz çeliklerin malzeme maliyeti, galvaniz sac alaşımlarına kıyasla daha yüksektir. Bu nedenle yapılacak tasarımlarda tamamen paslanmaz çelik malzeme kullanılması üretim maliyeti açısından doğru bir yaklaşım değildir.

Optimum tasarım için; Ampere Yasası’nda belirtilen B manyetik alanın yoğunluğu iletkenden uzaklaştıkta azaldığından, paslanmaz çelik kullanımının sadece manyetik alan yoğunluğunun en yüksek olduğu -r yarıçapının en düşük olduğu- iletkene en yakın alanda kullanılması değerlendirilmelidir. Alttaki şekil bu yaklaşıma örnek oluşturması için paylaşılmıştır. Görselde paylaşıldığı gibi manyetik alanı bozmak için taban sacının iletkene en yakın olan bölümü paslanmaz çelik yapılmıştır.
 

Güç kabloları dışında, panoda akım taşıyan baraların bulunduğu ana gövde konstrüksiyonlarında da benzer şekilde galvaniz sac ve paslanmaz çelik sac alaşımı beraber kullanılarak, manyetik alana bağlı sıcaklık artışının önüne geçilmiş olunur. Örneğin alttaki şekil akım taşıyan anabaralar için paslanmaz-galvaniz çelik sac kullanımı referans olarak paylaşılmıştır.
 

Panolarda akım kapasitesi ile paralel olarak artan manyetik alanların etkisini doğru yorumlayabilmek için paslanmaz çelik sınıfının manyetik geçirgenlik ve mıknatıslanma özelliklerinin detayları aşağıdaki gibidir.


Paslanmaz Çelikler(X5CrNi18-10N+2B)

Krom-Nikel alaşımlı çelikler yapısında yüksek oranda krom(Cr) ve nikel(Ni) içerdiğinden östenitik paslanmaz çelikler sınıfına girer. Bu sınıftaki malzemelerin paramanyetik davranış sergileme özelliği bulunmaktadır. Çelikler genellikle ferromanyetik bir malzeme olarak tanımlansa da içeriğindeki alaşım elementlerine, kristal yapısındaki farklılıklara ve sıcaklığa bağlı olarak paramanyetik davranış özelliği gösterebilmektedir [3].

Paramanyetik davranış; çelik malzemenin dış bir manyetik alana maruz kaldığında zayıf ve geçici bir şekilde mıknatıslanması, ancak manyetik alan kaldırıldığında ilgili durumun ortadan kalkması anlamına gelir [4].

Paslanmaz çelikler, düşük manyetik geçirgenlik (μ) ve yüksek manyetik dirence sahip olmaları sayesinde manyetik alanın şiddetini (B) sınırlayarak, istenmeyen manyetik etkileri minimize eder. Bunun sonucunda pano içerisinde oluşması öngörülen toplam manyetik alan etkin bir şekilde azaltılmış olur.

Yüksek akım taşıma kapasitesine sahip panolarda manyetik alanların oluşturduğu bir başka negatif etki de Eddy Akımı olarak bilinen girdap akımlarıdır.

Eddy Akımı; panoya ait akım değeri yükseldikçe özellikle panonun güç kablosunun geçtiği alanlarda ortaya çıkan ve enerji kayıplarına yol açarak şalt tesislerin performansını olumsuz yönde etkileyen döngüsel akımlar olarak bilinir.

Eddy Akımı, iletken malzemelerin içerisinde indüklenir ve kendisini oluşturan manyetik alan değişimine zıt bir manyetik alan oluşturur (Lenz Yasası)[5]. Bu da tesis performansının olumsuz yönde etkilenmesine sebep olur. Bir diğer yan etkisi ise; akım taşıyan baralarda sıcaklık artışına yol açarak akım taşıma kapasitesinin düşmesine neden olmaktadır. Eddy Akımı’nın istenmeyen etkilerini azaltmak için OG panoların güç kablosunun ve anabaralarının geçtiği alanlarda paslanmaz çelik ve galvaniz çelik sac tasarımı beraber kullanılarak, manyetik alana karşı yüksek direnç oluşturulması sağlanır.

Bu duruma ek olarak, kablo izolasyonunun doğrudan sac malzemeye temasını önlemek için kullanılan kablo kelepçeleri ve kablo ekranlamasının pano girişine kadar sürdürülmesi de Eddy Akımı ve sıcaklık artış etkilerini düşürmede önemli rol oynayarak pozitif etki oluşturmaktadır.
 

Kablo izolasyonu ve kablo kelepçesi

Sonuç ve Analiz

► Orta Gerilim elektrik panolarında oluşan manyetik alan ve manyetik alan büyüklüğünü veren Ampere Yasası incelenmiştir. Formülasyonda da belirtildiği üzere iletkenden geçen akımın arttığı, iletkene olan mesafenin ise azaldığı alanlarda manyetik alan yoğunluğunun yüksek olduğu açıklanmıştır.

► Akım değeri ile doğru orantılı olarak artan manyetik alan etkilerinin ve girdap akımlarının engellenmesi için paslanmaz çelik ile galvaniz çelik malzemelerin birlikte kullanıldığı tasarım çözümleri ortaya konmuştur.

► Paslanmaz çeliklerin yapısı incelerenek, içeriğindeki krom/nikel oranına göre paramanyetik davranış sergilediği ve buna bağlı oluşan manyetik direnç ile ilgili bilgiler öne çıkarılmıştır.

► Mekanik tasarım aşamasında manyetik alan şiddetinin yüksek olduğu alanların öngürülmesi ve paslanmaz çelik kullanımının yalnızca bu alanlara uygulanarak üretim maliyetlerinin göz önünde bulundurulması gerektiği mühendislik perspektifinden analiz edilmiştir.

Ek olarak, kablo izolasyonu ve ekranlama gibi ilave tasarım uygulamalarının tesis performansını iyileştirdiği ve istenmeyen manyetik etki, sıcaklık artışı gibi durumları azalttığı dikkate sunulmuştur.


Çağkan Gemicioğlu
Siemens Sanayi ve Ticaret A.Ş.
Akıllı Altyapılar Bölümü,
Elektrik ve Otomasyon Birimi Mekanik Tasarım Mühendisi

Kaynakça

[1] Fizik 2: Elektrik ve Manyetizma - Resnick, Halliday & Krane
[2] Elektromanyetik Alan Teorisi - Çolakoğlu, M. R. (2017) Nobel Akademik Yayıncılık.
[3] Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Temelleri - Küçük, M. A. (2011). Nobel Yayıncılık.
[4] Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Bölüm 20 Manyetik Özellikler - William D. Callister
[5] https://tr.wikipedia.org/wiki/Eddy_akımı