Kaçak Akım Koruma Anahtarları ve Kaçak Akımlar

Şekil 1 - Filtr elerin varlığı şebekede (harmonikler ve filtre türüne bağlı olarak yüksek frekanslar) daha yüksek frekanslarda dağılım ortaya çıkmasına neden olur. Bu dağılım normalde filtr e uygulanmış cihazlar üzerinde (anahtarlama güç kaynakları, invertörler, vb) elektronik güç devreleri tarafından oluşturulur.

“Sabit” veya “kalıcı” terimini tam olarak sözlük anlamıyla yorumlamamalıyız. Kaçak akım oldukları için, zamanla değişmeyen bir olgu gibi düşünmemeli, bir makinenin devreye girmesi veya çalışma değişimi sırasında birkaç saniye süreyle oluşan geçici akımlar olduğunu düşünmeliyiz. Her ne kadar bu olgu zaman içinde değişse de, şebeke anahtarlamaları veya yıldırım darbeleri (mikrosaniyenin 10 katları mertebesinde süren) gibi hızlı geçici darbe olaylarına kıyasla uzun zaman ölçeğindeki kalıcı bir olguya dönüştürür.

Elektrik filtreleri

Sabit kaçak akımların yaygın sebeplerinden biri pek çok elektrikli cihazın güç kaynağında yer alan EMI-RFI filtrelerdir. Bu filtreler kişisel bilgisayarlar, dekoderler, sürücü içeren ev aletleri (çamaşır makinesi, klimalar, vb.) lambaların güç kaynakları (balastlar), aydınlatma dimmerleri ve bunların yanı sıra genel endüstriyel makinelerdir.

Bu elektrik filtreleri aktif kabloları ve koruyucu PE kablo arasında yer alan kondansatör içeren devre yapılandırmaları vardır (Şekil 1). Cihazın güç besleme hattına gönderdiği yüksek frekanslı gürültüyü sınırlandırmak amacıyla sistemin toprağına doğru boşaltmak için tasarlanmış düşük geçiş filtreleridir. Kapasitif dağılım rezistanslar ve aşırı gerilim koruma kontröllü bağlantılı bir direnç bileşeni üzerine eklenebilir. Her aygıtın, teknik belgelerinde belirtilen dağılım değerleri (Şekil 2) hem filtrelerin özelliklerine, hem nominal akım değerlerine bağlıdır. Ev aletleri için tipik kaçak akım değerleri aygıt başına 0,5-ile 1,5 mA arasındadır.

 Şekil 2 - Dağılım değerleri tüm cihazların teknik belgelerinde gösterilir.

Kablo kapasiteleri

Bir başka kalıcı kaçak akım elektrik sisteminin kendisinden kaynaklanmakta, Örneğin tesisatı oluşturan kablolar. Aslında, etkin kablolar, özellikle 230V faz-toprak gerilimine sahip iletkenler, PE koruma kablolarına paralel çalışır, toprağa doğru küçük bir kapasitif akım boşalmasına neden olan uzun bir kapasitör oluşturur (Şekil 3). Bir yalıtım borusu içindeki tek damarlı kablolar için kapasite metre başına yaklaşık 150 pF’dır ve bu da yaklaşık 10 μA/m akıma karşılık gelir.

Daha yüksek değerler, 500 pF/m, ekranlı kablo veya koruyucu metalik borular daki kablolarda oluşur. Sistemin tamamı için bir kaç yüz metr e varsayarsak, bu birkaç milliamper toplam bir kapasitif sızıntı olur. Bu tabii ki herhangi bir yüksüz ve tamamen çalışan bir sistemdeki arkaplandaki dağılımdır. Ancak, daha kapsamlı sistemler söz konusu olduğunda, toplam kaçak akıma etkisi daha belirgin olabilir.

Özel bir durum değişken frekans sürücüleri (invertörler-Şekil 4) ile beslenen motorlu cihazlarda oluşur. İnvertör çıkışında şebeke frekansından daha yüksek bir gerilim mevcuttur, yalnızca elektrik filtrelerinden değil aynı zamanda motor kabloları boyunca özellikle ekranlı kablolarda yüksek oranda dağılıma sebebiyet verir. Motor kabloları uzadıkça, kaçak akımlar da büyür.

 Şekil 3 - Paralel uzanan iletkenler dağıtılmış bir kapasitör oluşturur.

 Şekil 4 - İnvertör sisteminde sadece elektrik filtreleri değil, aynı zamanda uzun motor kabloları sebebiyle de yüksek kaçak oranı oluşur.

 Şekil 5 - Çeşitli ekipmanlar için ngörülen kaçak akım değerleri

Şekil 6 - IEC 61140 standar dı tablosu

Farklı kaçak akım anahtarları üzerinde yük dağılımı

Birçok elektrikli alet tek bir kaçak akım koruma anahtarı ile besleniyorsa, kaçak akımların biraraya gelerek1) bir hata olmadığında da tetikleyici bir boyuta ulaşacağı açıktır. Nitekim, artık geçerli kaçak akım anahtarı çevresel bozucular ve toprak hatası ya da toprak kaçağı ayırt edemez. Elektriksel operasyonlar veya atmosferik etkilerden kaynaklanan kalıcı ve darbe tipi kaçak akımlar, kaçak akım anahtarlarını erken açtıran temel sebepler arasında yer alır.

Özellikle IΔn 0.03 A’den daha az veya eşit kaçak akım anahtarları için, istenmeyen açmalara karşı yapılabilecek ilk çözüm yükleri paralel olarak çalışan kaçak akım anahtarları ekleyerek bölmektir. Bu çözüm tek bir kaçak akım anahtarı tarafından korunan makine sayısını veve bunların özelliklerini dikkate almanız ger ekir.

Bu şekilde kaçak akımlar tek bir kaçak akım anahtarında birleşeceğine dağıtılmış olur. Bu yaklaşım yüksek kalıcı dağınıma sahip (kalkış cihazları da dahil), bilgisayarlar, invertörler veya elektronik balastlı lambalar gibi cihazlar söz konusu olduğunda özellikle etkilidir.

Kaçak akım koruma anahtarları için doğru yük dağıtımı ile ilgili pratik bilgiler CEI 23-98 yayında bulunabilir: “Ev ve benzer tesisler için devre kesicilerin doğru kullanımı “ (Bölüm 7.3.1). Uluslararası IEC/ TR 62350 standardı kaynak olarak kullanılarak hazırlanmıştır. Şekil 5’te gösterilen öngörülen kaçak akım değerlerini de içerir.

IEC 61140 tarafından sağlanan başka bir yararlı kaynak, şekil 6’da gösterildiği gibi bir hata yokluğunda kullanıcı ekipmanlarının koruyucu kablolarına ait maksimum akım sınırlarını belirleyen tablodur.

Yukarıda bahsedilen CEI kılavuzuna göre önerilen; farklı ekipmanlar için kaçak akımların aritmetik toplamının, 0.7/0.8 ile çarpılması ve bu kaçak akım anahtarının hassasiyet akımının % 30’unu geçmemesidir.

Toplam kaçak akım bu değerden daha yüksek ise, yükler farklı linyelere bölünmeli ve bunların her biri için kaçak akım koruma anahtarı bağlanmalıdır. Ya da güvenlik gerekliliklerine bağlı kalacak şekilde hassasiyet akımı IΔn arttırılabilir. Örneğin, 10 A anma akımı ile bir fiş üzerinden beslenen bir elektriksel cihaz söz 

konusu olduğunda, 0.03A hassasiyete sahip kaçak akım koruma anahtarına, 2 veya 3’ten fazla cihazın aynı devre üzerinden bağlanmaması tavsiye edilir, böylece kaçak akımlar açmaya neden olmaz.

Şekil 7A -Yatay selektivite örneği

Şekil 7B - Tüm yükler için tek bir kaçak akım koruma anahtarı genellikle önerilmez hatta yasaktır

En iyi çözüm, tabii ki, her bir yük için veya sistemin her bir uç devresi için ayrı bir kaçak akım anahtarı bağlanmasıdır (yatay seçicilik). Bu şekilde kaçak akım koruma anahtarı, devam eden bir hata durumunda bile maksimum hizmet sürekliliği sağlayacak şekilde diğer devreler üzerinde herhangi bir etkisi olmadan ilgili linyeyi devre dışı bırakır (Şekil 7A). Ayrıca ortam veya uygulama türüne göre en uygun koruma düzeyi sağlanabilir (örneğin IΔn 0.01 A hassasiyet gerektiren banyo gibi riskli alanlarda, aksi takdirde aynı kaçak akım koruma anahtarına bağlı tüm diğer yüklerin istenmeyen açmasına neden olacaktır).

Tam tersine, hizmet sürekliliğini sağlayamayan ve bu nedenle önerilmeyen çözüm, sistem girişinde tek bir kaçak akım koruma anahtarı ile tüm yükleri beslemektir (Şekil 7B). Bazı ülkelerde ulusal düzenleyici normlar altında bu bağlantı tipi önerilmez ve hatta yasaktır2).

 Şekil 8 : Maksimum servis sür ekliliği yükleri daha fazla APR veya selektif tip kaçak akımlar altında toplayarak sağlanabilir.

Kaçak akım koruma anahtarının doğru seçimi

Geçici kaçak akımlar için başka bir etkili çözüm, kısa süreli kaçak akımlara duyarsız olan, ABB’nin APR yüksek bağışıklıklı ürün yelpazesidir. Bu ürünler şebeke açmaları veya atmosferik olayların oluşturduğu darbeler gibi bozukluklar nedeniyle oluşabilecek istenmeyen açmalara karşı en iyi çözüm sağlar. Bu ürün tipi kalıcı kaçak akımlar için bile etkilidir. Nitekim, kalıcı kaçak akımlar geçici etkenler ile bağlantılıdır, örneğin ekipman içinde ya da şebeke ile girişim (toprağa doğru aynı kapasitif empedans geçici ve kalıcı kaçak akımlardan sorumludur)

Ayrıca, bu kaçak akım koruma anahtarları için tipik olan filtre frekansı etkisi, yüksek frekans içeren kalıcı kaçak akımlara karşı etkilidir. Hatta S-tipi (Seçici/selektif) kaçak akım anahtarlarının APR kaçak akım anahtarlarına benzer istenmeyen açmalara karşı bağışıklık özellikleri vardır3). Maksimum hizmet sürekliliği, birkaç kaçak akım anahtarı altında yük dağılımı ile elde edilir (APR veya seçici). APR tipi ürünler geçici darbeler ve yüksek frekanslı kaçak akımlara karşı istenmeyen açma olmadan performans gösterdikleri için, bazı sınırlamalar dahilinde aynı kaçak akım anahtarına bağlı yüklerin sayısında artışa izin verir (Şekil 8).

1) Üç fazlı kaçak akım anahtarları söz konusu olduğunda, üç fazlı kaçak akımların toplamından dolayı kısmen bu olgu azalmaktadır

2) IEC 64-8, Bölüm 37’e gör e elektrikli ev aletleri için tesisatın en az iki ayrı kaçak akım anahtarına bölünmesi geeklidir

3) S-tipi KAKR, lΔn 0.03 A’e eşit veya daha düşük olan KAKR alt devr elerine bağlanmadan, yalnız ve ancak sistem standartları ilave koruma ger ektirmiyorsa bağlanabilir. Voltimum / ABB