MOTOR DARBE KORUMASI

👤Ozan AĞMA Mehmet Caner SAĞLAM Monotech Elektrik

Motorlar, günümüz elektrik sisteminin vazgeçilmez parçalarıdır. Orta gerilim motorlar, endüstriyel tesislerde konveyör bant, fan, pompa istasyonları gibi kritik yerlerde kullanılmaktadır. Bu motorlarda oluşacak bir hata, üretim birimlerinin hatta domino etkisiyle sistemin tamamının enerjisiz kalmasına sebep olabilir. Bunun gibi olaylar istenmez. Çünkü bu hatalar, sistem güvenilirliğini düşürür. Ayrıca, hataların telafisi için insan gücüne, paraya ve zamana ihtiyaç duyulur.

Gerilim darbeleri olarak bilinen geçici aşırı gerilimler, özellikle motor gibi elektrik ekipmanlarına zarar verebilir.
Devrenin elektriksel durumlarındaki ani değişiklikler, sistemdeki kapasitif ve endüktif elamanlarda depolanan yüksek miktarda enerjinin serbest bırakılmasına sebep olur. Bu enerji, kısa yükselme zamanlı ve yüksek genlikli bir dalga gibi hareket eder. Bu gibi keskin gerilim artışları, motor sargıları arasındaki yalıtımın zarar görmesine neden olabilir.

Parafudur ve kapasitör kullanımı, büyük motorların korunması için detaylı bir çalışma yapılmadan önerilir. Bu önermelerin iki nedeni vardır. Birincisi, bu tür korumanın tüm üreticilerin kataloglarında, elektrik dokümanlarında ve yayınlanmış makalelerde kullanılmasının tavsiye edilmesidir. İkincisi ise yapılan koruma için harcanan paranın motor fiyatlarının küçük bir kısmını oluşturmasıdır. Bu iki nedenden dolayı böyle bir güvenlik paketi önermek en kolayıdır. Motor korumasının gerekliliğine karar verebilmek için motorların ve darbelerin karakteristiği anlaşılmalı; bu korumaya olan ihtiyaca karar verilebilmelidir. Bu yazıda yukarıda bahsedilen karakteristikler genel manasıyla incelenecektir.

Bilezikli motor tipinde üretilen orta-gerilim motorların statorlarının her fazı, birbirine seri bağlanmış bobinlerin stator oluklarına oturtulmasıyla oluşturulur. Her bir bobin, yalıtılmış bakırın bobin şekli verilerek sarılmasıyla meydana gelir. Bobinin etrafındaki bir tam tur, “sarım” olarak adlandırılır. Şekil 1’de statorun görünüşü gösterilmiştir.

🔍

Bobinlerin yapımında 3 tip yalıtım dikkate alınmaktadır.
1) İletken yalıtımı: İletkenler arasında yalıtım genellikle emaye kaplama ile sağlanır. İletkenler arasındaki voltaj 1 V’den daha azdır.
2) Sarım yalıtımı: Sarım yalıtımı epoksi veya polyester reçineden ya da bir-iki kat mika kâğıttan yapılır. Bu yalıtım, sargıların kısa devre olmasını engeller. Normal koşullarda sargılar arası gerilim 10-100 V civarındadır. Ama darbeler sebebiyle daha yüksek gerilimlere maruz kalabilir.
3) Sarım-şase (ground-wall) yalıtımı: Bu yalıtım sargılardan topraklanmış stator kasasına ulaşabilecek bir kısa devreyi engeller. Normal işletme sırasında faz-toprak gerilimine maruz kalır. Bundan dolayı diğer yalıtımlara göre çok daha kalındır.

Yapılan deneylerde motor hatalarının %37’si, stator sarım yalıtımlarında oluşan hatalara dayandırmıştır. İletken veya sargı yalıtımı hataları, sargı-toprak hatalarına dönüştükten sonra fark edilir.
Çünkü çoğu motorun aşırı akım röleleri, yüksek akımları algılamak için ayarlanmıştır. Sarımlar arası olan hatalar, akımda fark edilebilir bir artışa sebep olmaz. Ancak, sarım hatası olduğunda ark oluşur ve sarımlar birbirine kaynaklanarak aşırı akımın geçmesine neden olabilir. Bu ise stator oluklarında ısı artışına ve sarım-şase yalıtımını da delerek toprak hatasına sebebiyet verir. Bu durum, bir önceki adımdan daha da büyük bir hata akımı doğurur ve aşırı akım rölesi kesiciye açma komutu verir. Yukarıda bahsedildiği gibi sarımlar, 100 voltluk bir dayanıma sahiptir. Cephe süresi kısa olan bir darbe geldiğinde hat ucuna yakın olan sarımlar kilovoltlar mertebesinde bir gerilimin etkisi altında kalacaktır. Bu da yalıtımı zorlayacak ve hatta delebilecektir. Çünkü cephe süresi kısa olan bir darbe sarımlara geldiğinde sarımlar üzerindeki gerilim dağılımı düzgün olmaz. Hat ucuna yakın sarımın üzerinde daha yüksek bir gerilim görülürken hat ucuna uzak olan sarımın üzerinde daha küçük bir gerilim görülür. Bu yüzden cephe süresi 5µs ya da daha fazla olan darbeler, sarım yalıtımı için tehdit oluşturmaz çünkü darbe sarımlar üzerinde düzgün dağılmış bir gerilim profili oluşturur.

DARBELERİN KAYNAKLARI
Elektrik darbeleri, öncelikle tepe noktalarının genliklerine ve tepe noktalarına çıkış sürelerine göre (cephe süresi) sınıflandırılır. Motor yalıtım hataları, normal olmayan sistem hatalarından veya normal sistem çalışmalarından kaynaklanabilir. Anormal darbe kaynakları:
Yıldırım düşmeleri,
Hatalı işleyen anahtarlama elemanları,
Dış etkenlerden dolayı toprak potansiyelinin yükselmesi,
Kısa devrelerde yeniden ark oluşumudur.

Normal işletme koşullarında ortaya çıkan darbe kaynakları ise:
Artık akım,
Kapama sırasında ortaya çıkan arklar,
Kapasitörlerinin anahtarlanması,
Bara transferleri,
Vakum kesicilerdeki yeniden ateşlemedir.
Elektriksel Güç Araştırma Enstitüsü`nün (EPRI) 1982`de yaptığı detaylı araştırmaya göre, motorlar genellikle büyüklüğü 1 ile 3 p.u. (tepe faz-toprak voltaj değeri) ve çıkış süresi 0,2 ile 0,6 µs olan darbeler görmüştür. Yapılan bu deneyler, sistemin içinden gelen darbelerin genliklerinin sarım-şase yalıtımına zarar verecek büyüklükte olmadığını da göstermiştir. Buna karşın cephe süresi 0,1-0,2 µs mertebesinde olan darbeler, yüksek tırmanma hızları (dv/dt) sebebiyle sarım yalıtımları için tehlike oluşturabilir. Normal işletme sırasında görülen en kötü darbenin büyüklüğü 4,6 p.u. ve çıkış süresi 0,1µs olarak kaydedilmiştir.

MOTORLARIN DARBE DAYANIM STANDARTLARI
IEC standartlarına göre orta gerilim motorlar, sarım yalıtımı ve sarım-şase yalıtımı için iki farklı teste tabi tutulmaktadır. Sarım-şase yalıtımı, 1,2 x 50 µs standart yıldırım darbesi ile test edilmektedir. Darbenin genliği VB=4VLL+5 kV olarak tanımlanmıştır. Sarım yalıtımı için belirlenen darbenin cephe süresi 0,2 µs, genliği ise 0.65*VB olarak belirlenmiştir. Motor koruması yapılırken bu özellikler dikkate alınmalıdır.
MOTORLARDA DARBE KORUMA ELEMANLARI
Motor darbe korumasında darbelerin hem genlik hem de yükselme zamanının güvenli seviyelerde tutulması gerektiği göz önünde bulundurulmalıdır. Bu sebeple darbe koruması iki kısımda incelenir. İlk kısım, darbenin büyüklüğüne karşı yapılan koruma; ikinci kısım ise darbenin çıkış süresine karşı yapılan korumadır. Kapasitörler yaklaşan darbenin eğimini (dv/dt) azaltmak için, parafudurlar ise bu darbenin genliğini sınırlamak için motor terminallerine konur.

Kablonun endüktansıyla birlikte, darbe kapasitörleri alçak geçiren filtre gibi davranarak yüksek frekanslı gerilimlerin toprağa akmasını sağlar. 0,2 ile 0,5 µF arasında kapasitansı olan kondansatörler, karakteristik empedansı 30 ile 50 Ω olan motor besleme kablosu ile birlikte darbe çıkış zamanını 5 µs’ye çıkartabilir. Daha önce de belirtildiği gibi, yüksek çıkış zamanlı darbeler motorun bobin ve sarımında homojen olmayan bir gerilim dağılımına sebep olur. Kapasitörler, çıkış zamanını yükselterek gerilimin motor sargılarına homojen dağılmasını sağlar. Fakat kapasitörler, ilk çıkış hızını (dv/dt) düşürmekte etkisiz kalır. Bundan ötürü kapasitör kullanılmasına rağmen motor terminallerinde ani gerilim yükselmesi gözlemlenebilir. Gerilimin genliği; hareket eden darbe geriliminin genliğine, darbenin cephe süresine, kapasitörü şebekeye bağlayan kablonun endüktansına ve motor beslemesinin kabloyla ya da çıplak iletkenle yapılmış olmasına bağlıdır. Sonuç olarak kapasitörler kullanılsa bile darbe geriliminin genliği 2 p.u.’ya çıkabilir. Çıkış süresi ise 0,1 µs’nin altına düşebilir. Bu yüzden motor üreticileri buna dayanıklı motorlar tasarlamalıdırlar.


Parafudurlar, Maksimum Sürekli İşletme Gerilimine (MCOV) göre seçilerek darbe geriliminin genliğinin motorun dayanım geriliminin altında kalmasını sağlar. Örneğin; VDE 0675’e (Guidelines for Surge Suppression Equipment) göre 7.2kV sistemlerde kullanılması için kondansatörler 0.5uF seçilir. Motor korumasında parafudur seçiminde ise motorlar üçgen bağlı ya da izoleli yıldız bağlı ise 6.3kV sistemlerde (olası faz toprak arızalarında faz toprak gerilimleri nominal gerilimin  katına çıkacağından) faz-toprak parafudurların anma gerilimleri (“duty rating”) 9kV olarak seçilir. Faz-faz gerilimleri söz edilen nedenden etkilenmeyeceği için yine anma gerilimi 9kV olan parafudurlar faz-faz arasına konulur. Bunun nedeni motorların anahtarlama veya yıldırım düşmesi esnasında oluşan geçici gerilim artışlarını daha iyi sınırlayabilmektir. Devre şeması şekil 2 de gösterilmiştir.🔍

Genelde düşük kapasitanslarından dolayı düşük güçlü motorlar, düşük kaynak empedansına sebep olduğu için aynı baradan beslenen birçok yük, zaman sabitini azalttığı için ise kısa kablolar en kötü darbelere maruz kalır.

KAYNAKLAR
1. Peter A. Zotos (1994, Aralık), Motor Failures due to Steep Fronted Switching Surges: The Need for Surge Protection-User’s Experience, IEEE
2. Archana soni, Gayatri Agnihotri, Ganga A. (2003), Simulation of Protective Schemes of High Voltage Utility Motors, IPST
3. Peter E. Sutherland, Surge Protection Of A Large Medium Voltage Motor - A Case Study
4. William F. Hoenigmann, Surge Protection for AC Motors-When Are Protective Devices Required?