KABLO VE İLETKENLERİN ARK HATALARINA KARŞI KORUNMASI (AFD) Prof. Dr. İsmail Kaşıkçı Biberach Üniversitesi Almanya ismailk@t-online.de 1.1.2017 tarihinden itibaren AG elektrik tesislerinde 16 A e kadar tüm linyelerde yangın koruma cihazının AFDD kullanılması zorunludur. Bu yazıda IEC ve EN Standartlarındaki son yenilik olan AFDD basit bir şekilde anlatılacaktır. Yazıda örnekler ile birlikte cihaz üzerine genel bir değerlendirme yapılacaktır [1,2,3,4]. Hata ark akımını tanıma ve kesme ABD'de uzun zamandır araştırılmış ve ilk patent 1983 yılında alınmış ve 1990 yıllarda daha geliştirilmiş ve 2001 yılında AFCI (Ark hata akımı devre kesici) aşamalı olarak uygulanmıştır. 2008 yılında, 15 / 20 A kadar olan linyeler ve binalarda nihai devreler için kullanılmaya başlanmıştır. Yangın koruma cihazlarının ürün standardı EN 62606 dır. İlerde Avrupa Harmonize edilmiş Yönetmeliği HD 60364-5-53 içine (Elektrik Tesislerinde Selektif Açma ve Koruma) alınacaktır. Aşırı yük, kısa devre, can ve malın korunması için linyeler ve cihazlar normlarda belirtildiği şekilde kullanılmıştır. Ancak bu cihazların hiç biri, yangınları ortaya çıkaran çok düşük akımları göremez ve kesemez. Dolayısıyla yangın koruma cihazı geliştirilmiştir. Normda belirtilen alanlar için özel olarak kullanılması önerilir. Elektrik tesislerindeki temel sorunları söyle sıralayabiliriz: 1. Temel (doğrudan) ve hata anında (dolaylı temasa) koruma tamamen garanti edilemedi. 2. Kablo ve iletkenlerin döşenmesinde yapılan hatalar 3. İşletme cihazlarının hataları, 4. Kullanılan ekipmanlarda meydana gelen hasarlar 5. Aksesuarlar da bulunan (uyarı, emniyet ve isim levhaları, pankartlar, bakım günlükleri, ekipmanlar) eksiklikler veya hatalar 6. İletken tesisleri ve bağlantılarında hatalar 7. Koruma iletkenlerinin yanlış tesis edilmesi ve N iletken etiketleri, devrelerin işaretleri ve elektrik donanımlarında bulunan eksikler 8. Aşırı yük ve kısa devre koruma cihazlarının eksik veya yanlış tesis edilmiş olması, Potansiyel dengelemede eksiklikler veya hatalar 9. Prize bağlı elektrik tesisatında veya sonrasında sık sık ortaya çıkan hatalar 10. Yalıtımda meydana gelen hatalar, örneğin; Çivi, vida, sıkışma ya da klipsler tarafından meydana hatalar 11. Kabloların yarıçaplarından daha çok bükülmesi dolayısıyla meydana gelen riskler 1
12. UV ışınları nedeniyle, sıcaklık, nem, gazlar gibi çevresel etkilere karşı yalıtımda meydana gelen hasar / yaşlanma 13. Kemirgen hayvanların zararları, yetersiz ve gevşek klemensler, darbe ile hasarlanmış iletkenler Yangın istatistiklerinden alınan rakamlar, gözlemlenen eksiklikler ve ortaya çıkan etkileri dolayısıyla yangınların azaltılmasına katkıda bulunacak, yangın koruma cihazı gibi uygun koruyucu cihaz geliştirilmesi gerektiği ortaya çıkmıştır. Elektrik tesislerinde ortaya çıkan hatalar ve ark akımları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Her hata akımı için farklı koruma cihazları gerekmektedir, örnek artık akım koruma cihazı (RCD), aşırı akım koruma cihazı (MCB) veya sigorta gibi. Paralel ve seri hatalar sistemde ortaya çıkabilir. Dış iletkenler arasındaki izolasyon malzemesi ya da iletken kirliliğinin varlığı, dış iletken (L) ile koruma iletkeni (PE) arasında meydana gelen paralel ark, MCB tarafından kesilir. Yangınlar için tesis edilen kaçak akım koruma cihazı (RCD 300 ma) genelde bazı yangınları önleyemez. Sadece faz, nötr veya PE üzerinden akan akımı hiçbir akım koruma cihazı tam manasıyla korumak için uygun değildir. Devre kesici gibi aşırı yük ve kısa devre koruma cihazlarının açması normda belirtilen en az açma akımına ihtiyaç duyarlar. Bu ise tamamen hata çevrim empedanslarına ve akım / zaman değerlerine bağlıdır. Bu eksiği kapatmak için alçak gerilim elektrik sistemleri ve güç dağıtımı için yangın koruma cihazının tesisi gerekmektedir. Aşağıdaki şekillerde IEC veya EN standartlarına göre bireysel hata durumları için koruma durumları gösterilmiştir. 2
Bu hata ancak minyatür kesici tarafından kesilir. Örnek; B tipi koruma cihazı Bu hata ancak minyatür kesici veya RCD tarafından kesilir. Bu hata sadece yangın koruma cihazı tarafından kesilir. İletkenler, yalıtım özelliklerini sağlayan malzemelerin yaşlanmayla, kimyasal, termal ve mekanik zorlamalara maruz kalır. Toz veya yoğuşma ile kirlenen yüzeylerde sızıntı meydana gelebilir. Bu temas ve deşarjlardaki ısı, plastiği karbonize edebilir. Yüksek sıcaklıklar, darbe, sıkışma ve hatalı konum, kömürleşmiş yalıtım malzemesinin bir kısmının buharlaşması ve çevresindeki ısı ile istikrarlı ark arızası meydana getirir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi bir boru içindeki daralma, yüksek sıcaklıkların oluşmasına ve zamanla bakır iletkenlerin erimesine neden olur. 3
Yukarıdaki görülen akım ve gerilim grafiklerinde, paralel hata arkının düzenli olmadığı boşlukların oluştuğu ve arkın tekrar oluşmadığı görülmektedir. Dolayısıyla artık akım koruma cihazlarının termik röleleri hiç bir zaman bu hatayı kesemeyecektir. Örnek olarak 100 A bir ark akımı ile 60 V değerinde gerilim (6 kw) hata yerinde çok yüksek bir enerji yoğunlaşması ile yangın meydana getirir ki bu değerlere çıkmadan devrenin mili saniyeler içinde kesilmesi gerekir. Aşırı akım koruma cihazların koruma konumu: Ofislerin ve binaların elektrik prizlerinde ölçülen muhtemel tek kutuplu kısa devre akımları çoğunlukla 150 A ile 500 A arasında olduğu için, birçok durumda, manyetik kesicinin bu hatayı ani açma zamanı 100 ms içinde gerçekleştirecektir. Aşağıdaki Şekil minyatür devre kesicilerin B, C ve D, açma özelliklerini göstermektedir. Bunun yanı sıra yangın koruma cihazının açma karakteristiği (AFDD) verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi devre kesiciler çok düşük akımlar (ma) için uygun değildir. Bu nedenle AFDD nin tesisi zorunludur. Yangın koruma cihazının en önemli yararı seri hatalara karşı koruma sağlamasıdır. 4
Aşağıdaki Şekil bir gl sigortanın açma özelliklerini, açma eğrisini ve AFDD eğrisini göstermektedir. Yangın koruma cihazının temel yapısı Aşağıdaki Şekil yangın koruma cihazı temel çalışma yapısını gösterir. Tüm aktif iletkenler - burada dış iletken (L) ve nötr iletkeni (N) -cihaz tarafından gerçekleştirilen düşük frekanslı sinyallerin, akım sensörü üzerinden tespit edilmesi (şebeke frekansı) ve yüksek frekanslı sinyallerin tespit edilmesi içinde bir RF sensörü kullanılmaktadır. Bu sinyaller analog devre ile toplanır ve daha sonra mikrodenetleyicide işlenir. Bir tetikleme sinyali üretilir ve bir şönt sürümü yoluyla kesiciye iletilir. Burada mekanik bağlantı elemanı olarak açma-kapama cihazı (termik ve manyetik) B 16 A kesicisi kullanılır. AFDD herhangi bir ark anında tüm devreyi (linyeyi) kesmek zorundadır. Ark hata akımları 2 A ile 32 A arasında değişir. 5
Elektrik tesislerinde akım ve gerilimlerin dalga şekli elektronik cihazlar tarafından bozulur. Bu durumda gereksiz yere AFDD nin açması istenmez. Aşağıdaki şekillerde en önemli akım-gerilim dalga şekli bozucu cihazlarla, yüksek frekanslı bazı elektrik tüketiciler gösterilmiştir. Bu sinyaller AFDD nin hafızasına kaydedilmiştir. 6
Aşağıda 16 A e kadar olan son devreler için tek fazlı yangın koruma cihazının tesis edilmesi gerekli olan yerler verilmiştir: Oturma, yatak, çocuk odaları, otel odaları, mutfak ve banyolarda kullanılan elektrikli cihazlar, elektrik prizleri, yüksek güç tüketen cihazlar, engelli, yaşlı ve çocuklara yönelik bakım merkezleri, dinlenme evleri, öğrenci yurtları, kamu binaları, tren istasyonları, havaalanları, laboratuarlar, veri merkezleri, çiftlik işletmeleri, ahırlar, ağaç, kağıt fabrikaları, Kolay yanıcı maddelerin işlendiği yerler, ahşap evler müzeler gibi. Tüm elektrik tesisleri MCB ve RCD nin yanısıra ark hatalarına karşı AFDD (Arc Fault Detection Device) cihazı ile korunmalıdır. Kablo ve iletkenleri aşırı akımlara karşı koruyan cihazlar, sigorta ve kesiciler uzun yıllar kanıtlanmış ve denenmiştir. Ancak sigorta ve kesiciler çok küçük olan ark akımlarını (ma bazında) korumak için uygun değildir. Yangın koruma şalteri bu koruma boşluğunu doldurmuş olup elektrik tesislerinin çok yüksek düzeyde güvenliği konusunda bir adım daha atılmıştır. Aşağıdaki örnek, bir linyenin nasıl korunması hakkında bilgi olması açısından verilmiştir. Her bir mühendis, teknisyen ve usta bir elektrik tesisinin ve binanın elektrik donanımı ve insanların güvenliği için gerekli olan en son normları uygulamak zorundadır. Eski bilgi ve yönetmelikler ile iş yapmak onu hapisten veya para cezasından kurtarmaz. Örnek: Bir son akım devresinin (Linye) korunması Sigorta veya MCB: Kablo ve iletkenlerin aşırı akımlara karşı korunması için RCD/30 ma: İnsanı, canı ve malzemeyi korumak için kullanılır. AC tipinin kullanılması yasaktır. AFDD: Kablo ve iletkenlerde oluşan ark hatalarını korumak için kullanılır. Yük MCB 7
KAYNAKLAR: 1. Binalarda Elektrik Tesisleri IEC 60364 2. DIN VDE 0100-4-42: Termik etkilere karşı koruma 3. Brandschutzschalter, Siemens, 5SM6, Technik-Fibel, www.siemens.de/lowvoltage/afdd 4. İsmail Kaşıkçı, Kaynak dergisi, Elektrik Tesisleri, Proje, Uygulama, Yönetmelikler, Güvenlik ve Topraklamada Yenilikler, Mayıs, 2016 KISALTMALAR: AFDD: Arc Fault Detection Device (Ark hatalarını algılama ve koruma cihazı) AFCI: Arc Fault Circuit Interruptor (AFD+MCB), MCB ile kombine edilmiş MCB: Miniature Circuit Breaker ( Aşırı akım koruma cihazı, B ve C gibi) RCD: Residual Current Protective Device (Artık akım koruma cihazı) 8