30 Eylül 2014 | TEKNÄ°K MAKALE 74. Sayı (Eylül 2014)

Gülçin Koç ABB Alçak Gerilim Ürünleri - Devre Kesiciler ve Yük Ayırıcılar Ürün Müdürü gulcin.koc@tr.abb.com
İnsanlar, kısa bir uykudan sonra güçlerini toplayıp kendilerini daha dinç hissedebilir; ama elektrik enerjisinde ortaya çıkan bir kesinti aynı iyi sonuçları sunmaz. Bir mühendisin ideal dünyasında tüm yükler, hat ve ortamlar eşit, öngörülebilir ve güvenilir şekilde oluşturulmuştur. Ama gerçek dünya ideal olandan farklı olduğundan, ABB’nin yeni akıllı açık tip devre kesicisi, gerçek hayatın getirdikleriyle başa çıkmak için devreye girmektedir. Devre kesicilerin ilk gereksinimleri, elektrik performansına (kesme kapasitesi, gerilim ve akım değeri) ilişkindir. Elektrik tesisatlarında koruma ve anahtarlama için kullanımları yaygındır. Bunun yanı sıra güç yönetim sisteminin aktif bir parçası haline de gelebilirler.
Tüm tüketim talepleri eşit şekilde oluşturulmaz; ancak güç sistemleri çoğunlukla bağlı yükleri toplam eşitliğe göre ele alır ve kritikliğe önem vermez. ABB Emax 2, bu hususların tümünü dikkate alacak şekilde tasarlanmış, düzenlenmiş ve üretilmiş olup, güç kullanımını optimize eder ve bu devre kesicileri akıllı güç yöneticisi haline dönüştürür.
Yeni Emax2 devre kesici, alçak gerilim güç sistemlerinde yeniliğe doğru atılan bir adım. Emax 2, 1 milyondan fazla teslimat ile 1995’ten beri en iyi ABB ürünlerinden biri olmuş köklü Emax açık tip devre kesici ailesinin bir üst versiyonudur. Emax 2 üstün performans sağlarken, önceki ürünlere kıyasla boyutta da önemli bir azalma sağlar. 





Yüksek performans, küçük alan, zorlu ortam koşulları
Devre kesiciler, genellikle zorlu ortamlarda çalışmak zorundadır: aşırı düşük veya aşırı yüksek sıcaklıklar, nem ve titreşimler... Elektriksel ortam da eşit derecede zorludur. Bazen güç kalitesi, yüksek harmonik içerik ve sıkça oluşan kesintilerle birlikte çalışma koşulları oldukça zorlayıcı olacaktır. Bir devre kesicinin tüm bu olumsuz koşullardan etkilenmediğini kanıtlamak için kapsamlı elektromanyetik uyumluluk testleri yürütülmüştür. 
Devre kesici boyutları, daha kompakt panolara ihtiyaç duyulduğu için mümkün olduğunca küçük tutulmak zorundadır. Bazı uygulamalarda, örneğin şalt ünitesinin kapladığı her metrekarenin yararlı yükün zararına olduğu veri merkezlerinde ve gemilerde, kaplanan alan kritiktir. Pano boyutlarının azaltılmasına ek olarak böyle kompakt bir tasarım ve boyut azalması, daha az bakır, alüminyum ve çelik kullanımı anlamına gelir ve bu durum, kaynakların daha iyi şekilde kullanılmasını sağlar. Emax 2’nin tasarımında, ürün mühendisliğinde ve üretiminde, devre kesicinin çalışmak zorunda olacağı zorlu fiziksel ve elektriksel ortamlar dikkate alınmıştır. Maksimum performansı ve güvenilirliği sağlamak için mühendislik uzmanlığı, geçmiş ürün serilerinden kazanılan tecrübe ve tüketicilerden gelen yeni gereksinimler dikkate alınmıştır.


Güç sistemleri akıllı hale geliyor
Günümüzde güç sistemlerinde geniş çaplı bir gelişme gerçekleşmektedir. Kentler, güç dağıtım şebekelerinin haberleşme ağları ile iç içe geçtiği akıllı kentlere dönüşmektedir.
Dijital “Akıllı” aygıtlar, enerjiyi gereken yere ve gerektiğinde maksimum verimle dağıtmak için güç akışını takip edecektir. Elbette bu durum, bu devre kesicileri de kapsamaktadır. Elektronik teknolojisindeki yenilikler, elektronik tip koruma ünitesinin daha akıllı olmasını sağlar. Devre kesici, bir sensör, aktüatör ve güç dağıtımını yöneten dağıtılmış otomasyon sisteminin aktif bir parçası olarak çalışabilir. Dolayısıyla akıllı devre kesici, otomatik bir şekilde bilgi işleme, bellekte bilgi depolama, veri iletme ve kararlar verme özelliğine sahiptir. Otomasyonun devre kesiciye entegre edilmesi, bir devre kesiciyi gerçek bir güç yöneticisine dönüştürdüğünden, önceki ürün ailelerine kıyasla özellikle dikkate değer bir teknolojik gelişmedir.
Devre kesiciler, hat ve yüklerin korunması için elektrik tesisatının uzak yerlerinde yer aldığından, devre kesicilerin akıllı hale getirilmesi, bu akıllılık özelliğinin mümkün olduğunca yüklere yakın yerlerde kullanılması anlamına gelir. Bu uygulama, elektrik gücü kullanımının kontrolünde maksimum esnekliğe ve azaltılmış alan boyutlarına olanak sağladığından oldukça etkilidir.
Bu yeni fonksiyonların devre kesiciye katılması ek avantajlar sağlar. Devre kesici, güç sistemlerine genellikle koruma ve anahtarlama için yerleştirildiğinden, yeni fonksiyonlar başka aygıtlara gerek kalmadan eklenebilir. Devre kesici, dahili akım ve gerilim sensörlerine sahiptir, dolayısıyla yeni fonksiyonlar zaten mevcut olanın üzerine eklenebilir: Akım ve gerilim ölçümü verileri koruma amacıyla zaten mevcuttur, böylece ünite bunları güç ölçümü, istatistikler, teşhis, vb. için kullanabilir.



Resim 2. Emax 2 devre kesici grubu


Elektronik teknolojisindeki yenilikler elektronik tip koruma ünitesinin daha akıllı olmasını sağlar. Dolayısıyla azaltılmış boyutlara sahip bir pano ihtiyacı, yeni akıllılık özelliği ihtiyacı ile birlikte karşılanabilir (Resim 2).
Bir güç yöneticisi olarak devre kesici
Bir elektrik tesisatı genellikle çok sayıda bağımsız yüke güç temin eder. Bu yüklerden bazıları sabit bir değerde güç tüketir ama çoğunun güç tüketimi zamanla değişir. Örneğin bir binadaki lambalar rastgele açılabilir veya kapatılabilir. HVAC sistemleri, soğutucuların yaptığı gibi sıcaklığa bağlı olarak açılır veya kapanır. Her elektrik yükü, bir tesisatın toplam enerji tüketimine katkıda bulunur. Ancak tipik olarak bunlar arasında koordinasyon yoktur: Her yük, kendi güç tüketimini, bağımsız bir şekilde açar ve kapatır.


Madde-1 Güç Yöneticisi
1) Güç Yöneticisi, ölçüm zaman diliminin (ölçüm penceresi/zaman çerçevesi) başlangıcından itibaren elektrik tesisatının tükettiği enerjiyi ölçerek çalışır. Toplam güç, zaman içinde enerji artışının değeridir. Enerji ve güç bazında zaman çerçevesinin sonundaki tüketimi tahmini olarak hesaplanır.
2) Kontrol edilemeyen yükler etkin-leştirildiğinde güç artar ve güç yöneticisi, zaman çerçevesinin sonunda tüketimin limiti aşıp aşmayacağını tahmin eder.
3) Güç Yöneticisi, kontrol edilebilir yükü (HVAC) birkaç dakika için kapatır.
4) Toplam güç azaldığında ve tahmin, biraz farkla limitin altında olduğunda Güç Yöneticisi, kontrol edilen yükü yeniden devreye alır.


Madde-2 Talep kontrol uygulaması
1) Tesisata şebeke ve lokal üretim (Fotovoltaik) vasıtasıyla güç verilir. Ekip Güç Kontrol özelliği, şebekeden tüketilen net enerjiyi (yük tüketimi ve lokal üretim arasındaki fark) ölçer.
2) Eğer PV tarafından üretilen enerji azalırsa, Güç Yöneticisi şebekeden gelen güç akışında bir artış algılar. Fazla enerji tüketimi tahmin edi-liyorsa bir veya birden fazla yükün bağlantısı kesilir.
3) Öncelikli yükler sürekli bağlı tutulur.
4) PV üretimi devam ederken Güç Yöneticisi, şebekeden gelen net güç akışında bir azalma algılar; bu azalma, sonuçta yükün yeniden bağlanmasına yol açar.
5) Dolayısıyla toplam yük, yenilenebilir enerjinin var olup olmadığına göre tepki verir.


Madde-3 Ekip Güç Kontrol Özelliği
Ekip Güç Kontrol özelliği, tesisatın tükettiği maksimum gücü kontrol eder, mali kontrol için kullanılanla aynı yöntemden faydalanır, böylece elektrik faturalarında maksimum güce (TL/kW) bağlanmış bileşende tasarruf sağlar. Tüketilen güç, enerji sayacı tarafından, örneğin 5 dakika ve hatta 2 saat gibi önceden belirlenmiş zaman aralıkları boyunca bir ortalama değer olarak hesaplanır. Güç, bir zaman diliminin ortalaması olarak ölçüldüğünden, dilimin bir kısmında gerçekleşen daha fazla tüketim, başka bir dilimdeki daha az tüketim ile telafi edilebilirken toplam ortalama güç, limitler içinde tutulur. Örneğin bir periyodun birinci kısmındaki az tüketim, ikinci yarıdaki daha fazla tüketim için daha fazla tolerans sağlar.
Ekip Güç Kontrol özelliği, yükleri ve jeneratörleri devreden çıkarmaya veya devreye almaya karar vermek için periyodun sonundaki gücü an ve an tahmin eden bir tahmin algoritması ile birlikte bu prensipten faydalanır. Bu durum, güç eşik değerini aşar aşmaz yüklerin devreden çıkmasına yol açmadan, örneğin motorun kalkış akımı gibi ani geçici yüksek güç taleplerinin tolere edilmesini sağlar. Dolayısıyla devreye alma ve devreden çıkarma işlemleri, periyodun başlangıcından mevcut ana kadar olan tüketime bağlıdır. Örneğin referans periyodun ilk birkaç dakikası boyunca gerçekleşen tüketim çok yüksekse, Ekip Güç Kontrol özelliği, sonraki dakikalarda daha fazla sayıda yükü devreden çıkaracaktır; diğer yandan başlangıç tüketimi düşükse daha fazla sayıda yükü çalışır durumda bırakacaktır. Ekip Güç Kontrol Özelliği, enerji tüketiminin toplam değerini elde etmek için entegre edilen güç ölçümüne dayanmaktadır. Dahili saati sayesinde zaman diliminin başlangıcından bu yana geçen süre bilinmektedir, dolayısıyla ortalama güç hesaplanabilir.
Bu dört değer (anlık güç, mevcut zaman diliminde ortalama güç, toplam enerji ve geçen süre) bazında güç denetleyicisi, zaman diliminin sonundaki toplam tüketimi tahmin etmek için kullanıma özel bir algoritmadan faydalanır. Böyle bir tahmin bazında farklı adımlar atılabilir. Eğer tahmin edilen değer:
- Hedef olarak belirlenmiş güçten Ekip Güç Kontrol özelliği, kontrol edilen yüklerden birini güç kaynağından ayırma ya da bir jeneratörü devreye alma kararını verir
- Hedef olarak belirlenmiş ortalama güce eşit veya ondan biraz daha küçükse Ekip Güç Kontrol özelliği, kontrol edilen yüklerin ve jeneratörlerin koşullarını aynı bırakma kararını verir
- Hedef olarak belirlenmiş ortalama güçten önemli ölçüde daha düşükse Ekip Güç Kontrol özelliği, kontrol edilen yüklerden birini güç kaynağına yeniden devreye alma ya da jeneratörlerden biri veya birden fazlası daha önceden devreye sokulmuşsa bir jeneratörü devre dışı bırakma kararını verir.
Tahmin algoritması, zaman dilimi boyunca farklı anlarda birkaç kez yürütülür. Böylece tahmin güncellenir ve yükler buna göre devreye alınabilir/devreden çıkarılabilir. Amaç, gerçek güç tüketimini izlemek ve bu tüketimin limiti aşmasını önlemektir. Bu arada güç tüketimi azaldığında daha önce devreden çıkarılmış yükler yeniden devreye alınabilir, böylece gereksiz kapalı kalma süresi engellenir. Bu işlem, yeni bir tahmin hesaplanarak her defasında döngüsel olarak yürütülür. Dolayısıyla tüketilmiş güç tahmini, bir yük devreden çıkarılmış olmasına rağmen çok yüksek olmaya devam ederse, Ekip Güç Kontrol özelliği, güç limitine uyulana kadar başka bir yükü devreden çıkararak ilerleyecektir. Bu şekilde devrede veya devre dışı yüklerin sayısı dinamik olarak değişir ve her zaman yalnızca güç limitine uyulması için gerekli olan minimum sayıda yük devre dışı bırakılır.



Resim 3. Kullanıcı dostu grafik menüler


Madde-4 Jeneratör ile çalışan deniz tesisatı
Birçok jeneratör paralel bağlanır. Tesisat, maksimum kullanılabilirlik için kapalı bir döngü olarak çalıştırılır (tüm devre kesiciler kapalıdır). Tipik gerilim 690 V’tur.
Bir jeneratör çalıştırıldığında devre kesiciye tümleşik olan senkronize kontrol, tesisat testi için frekansı ve fazı uygun olana kadar bağlantıyı engeller. Koşullar yerine getirildiğinde devre kesici otomatik olarak sinyal verir. Bir arıza durumunda yönlü koruma ve dijital kilit, döngüdeki devre kesicilerin her birini arızanın yeri hakkında haberdar eder. Devre kesiciler entegre bir sistem olarak ve yalnızca tesisatın arızalı bölümüne yönelik olanlar için çalışır. Donanımın yalnızca arıza bulunan bölümü hizmet dışı bırakılır. Donanımın geri kalanına giden güç akışı, arıza boyunca sürdürülür.
Aynı anda birkaç yük devreye sokulursa keskin tepe değerler ortaya çıkabilir. Bu tepe değerler istenmeyen birçok etkiye sahiptir:
- Maksimum aktif güç talebini artırırlar ve elektrik dağıtım şirketleri ile yapılan anlaşmanın tipine bağlı olarak ilave ücretler uygulanabilir. 
- Aşırı yük alarmlarına ve hatta koruma kesilmelerine yol açabilirler. Bunu önlemek için tesisat tasarımcıları normalden büyük boyutlandırmayı göz önünde bulundurabilir; bunun anlamı, daha fazla pahalı parça kullanılmasıdır.
- Daha büyük ölçekte elektrik sistem tasarımı ve bunların üstesinden gelmek için yedek üretim kapa-sitesine gerek duyacaktır.
Güç pikleri, farklı yükler arasında bir koordinasyon eksikliğinin sonucudur. Çok fazla sayıda yükün aynı anda çok fazla tüketmesini önleyen bir güç yöneticisinin varlığı, güç piklerinin sınırlanmasında veya “tıraşlanmasında” çok etkili olabilir. Emax 2 tüm bunlara olanak sağlayan bir güç yöneticisidir. Prensibi çok basittir: Güç tüketimi çok yüksek olduğunda bazı düşük öncelikli yükler, birkaç saniye veya dakika boyunca koşulların yeniden bağlanmalarına olanak verdiği bir ana kadar geciktirilecek şekilde devre dışı bırakılır. Birçok alçak gerilim sisteminde genellikle sürekli bir güç kaynağını gerektirmeyen ve kullanıcı fark etmeden çalışması kısa bir süre için geciktirilebilen birçok yük mevcuttur. Örneğin klima bir dakika boyunca kapatılırsa sıcaklık üzerindeki toplam etkisi neredeyse fark edilemez. Ancak bu gecikme süresi, kritik bir öneme sahip başka yüklerin, belirlenen toplam güç limitini aşmadan kısa bir süre için pik güçte başlamasına ve çalışmasına olanak sağlar.
Emax 2 Güç Yöneticisinin gelişmiş gerçek zamanlı kontrol sistemi, yukarıda açıklanan bu mantığı bir elektrik tesisatının tükettiği gücü sınırlamakta kullanır. Bu, bazı “kontrol edilebilir yüklerin” ya da “geciktirilebilir yüklerin” devreden çıkarılması (güç limiti aşılmadan kullanımı mümkün olduğunda yeniden devreye alınacak şekilde) vasıtasıyla etkili olur. Güç Kontrol özelliği, devre dışı bırakılmış yüklerin sayısını durmaksızın optimize ederken sürekli olarak donanıma mümkün olan en fazla yükü bağlamaya çalışır. Kontrol edilebilir yükler, komutla açan ve kapayan Emax 2 devre kesici ya da önceki seri devre kesiciler vasıtasıyla bağlanır ve devre dışı bırakılır.
Yükleri devre dışı bırakmak yerine Emax 2 Güç Yöneticisi, yük talebi gerektirdiğinde yardımcı jeneratörleri bağlayabilir. Jeneratörlerin devreye alınmasını ve devre dışı bırakılmasının bildirilmesi de yüklerin ele alınmasıyla aynı stratejinin bir parçası olarak otomatik olarak yönetilir. Yüklerin bağlanması ve devreden çıkarılması, toplam güç mümkün olduğunca belirlenmiş limitin altında tutulacak şekilde koordine edilir (Madde-1). Bu limit, tipik olarak dağıtım şirketi ile anlaşmaya varılmış maksimum güç talebiyle ilişkilidir. Mümkün olan başka bir uygulama, güç taleplerini yenilenebilir güç üretiminin var olup olmadığı konusunda duyarlı hale getirmektir (Madde 2). Muhtemelen şebeke ve fotovoltaik (PV) kaynak gibi iki güç kaynağı mevcutsa, şebekeden alınan toplam güç, yük tüketiminden lokal üretim çıkarılarak bulunacaktır. PV kullanılabilir değilse Emax 2 Güç Yöneticisi, tüketilen güçte meydana gelen artışı ölçecek ve bir veya birden fazla yükü devreden çıkaracaktır. PV gücü yeniden kullanılabilir olduğunda net güç akışında bir azalma ölçülecek, böylece Emax Güç Yöneticisi yükleri yeniden bağlayacaktır. Bu tür talep yanıt uygulaması, lokal güç yönetimi bazında gerçek zamanda çalışır ve bağımsız konfigürasyonlarda kullanılabilir.
Emax 2 devre kesicisi, koruma, ölçüm, kontrol ve haberleşme fonksiyonlarının tümünü yürüten bir entegre elektronik üniteye sahiptir. Bazen koruma ünitesi veya açma ünitesi ya da bobin olarak adlandırılır. Emax 2 içindeki elektronik ünitenin ismi Ekip’tir. Güç kontrolü, koruma gibi başka görevlere ek olarak Ekip tarafından yürütülen fonksiyonlardan biridir. İleri zamanlardaki uygulamalarda Emax 2 güç kontrol özelliği, güç talebini gündüz/gece koşullarına veya enerji piyasası fiyatına duyarlı hale getirmek için kullanılabilir (Madde 3).
Son olarak, Emax 2 güç kontrol özelliğinin bir depolama sisteminde şarj/deşarj işlemlerinin tetiklenmesinde kullanılması mümkündür. Güç tüketimi çok yüksek olduğunda depolama sistemi, yükün beslenmesine yardımcı olmak için deşarj modunda bağlanabilir. Daha sonra güç tüketimi düşük olduğunda kullanılabilir güç, depolama sisteminin şarj edilmesinde kullanılabilir.



Resim 4. Dokunmatik ekran arayüzü


Lokal jeneratörlerin korunması
Alçak gerilim dağıtım şebekelerine bağlanmış çok fazla sayıda lokal jeneratör görülebilir. PV ve küçük kombine ısı ve güç (CHP) jeneratörlerinin yaygın şekilde kullanıldığı açıkça görülmektedir. Endüstriyel ve denizcilik sistemleri, şimdiden lokal jeneratörleri büyük çapta kullanmaktadır. Lokal jeneratörlerin arızalardan korunması, bazen teknolojik bir zorluktur. İki konu özellikle kritiktir: 
- Bir jeneratör, izole edilmiş, yani ana şebekeden ayrılmış bir modda mikro şebekeye güç vermek için kullanıldığında frekans değişimleri yakından izlenmelidir. Frekans değişim oranı bir arıza göstergesi olarak kullanılmalıdır, dolayısıyla özel koruma gereklidir. 
- Güç jeneratörü (örneğin bir PV tesisinin invertörü) tarafından temin edilirse kısa devre akımları tipik olarak düşüktür. 
Bu, geleneksel aşırı akım koruması için kısa devrelerin algılanmasını zorlaştırır. Daha gelişmiş bir strateji, kısa devre koşullarında sıkça rastlanan gerilimde dikkate değer düşüş ile bağlantılı akım artışlarını algılamaktır. 
Yukarıdaki hususların her ikisi de Emax 2 tarafından ele alınır; bu, frekans değişim oranını (ROCOF) ve 51 V, yani gerilim değeri ile kontrol edilen aşırı akım korumasını içerir. Her ikisi de ilk kez burada bir alçak gerilim devre kesicisinin elektronik koruma ünitesi ile birlikte uygulanmaktadır.
Ek Emax 2 özellikleri, birden çok güç kaynağının mevcut olduğu tesisatları ele almaktadır:
- Senkronize kontrol, gerilimi, sistemin gerilimi ile eş fazlı olmadığında jeneratörün bağlantısını engeller. Bu fonksiyon, normalde ayrı bir aygıt ile yürütülür, Emax 2 sayesinde devre kesiciye entegre edilmiştir. Mekanik kilitlemeyle birlikte yönlü koruma (alçak gerilim devre kesicileri için seçkin bir ABB özelliği), bir arızanın yerinin otomatik olarak belirlenmesi ve hizmet kesintilerinin en az seviyeye indirilmesiyle birden fazla güç kaynaklı sistemlerde maksimum kullanılabilirlik olanağı sağlar. Denizcilikle ilgili güç sisteminin bir örneği Madde 4’te gösterilmiştir.



Resim 5. Emax 2’nin tak ve çalıştır modülleri


Kullanımı kolay
Güç sistemleri gitgide daha karmaşık hale gelirken, sözü edilenlere benzer uygulamalar oldukça karmaşık algoritmaları gerektirir. Buna rağmen Emax 2’nin yapılandırılması ve kullanılması oldukça basittir. Yalnızca temel parametreler kullanıcı tarafından belirlenmek zorundadır ve tüm ayarlamalar, hesaplamaların hepsini gerçekleştiren özel bir yazılım vasıtasıyla yapılır. Böylece karmaşıklık nedeniyle kullanıcının dikkati dağılmaz. Kesme ünitelerinde ön panel tuş takımı ya da dokunmatik ekran aracılığıyla grafik menüler kullanılır; böylece uygulamaların kullanımı son derece kolay ve kullanıcı dostu bir hale gelir (Resim 3-4).
Uygulamaların çoğu, hizmete sokmayı son derece kolaylaştıran tak-çalıştır modülleri olarak paketlenmektedir (Resim 5). Bu modüllerin alanda monte edilmesi de mümkündür. Mevcut bir donanıma yeni fonksiyonlar eklendiğinde, örneğin bir jeneratör bir baraya bağlandığında, jeneratör koruması barayı koruyan devre kesiciye eklenebilir.
Mühendislik bakış açısından, devre kesicinin kurulumu için şalt panosunun mekanik yapısını tasarlamak bazen zorlayıcıdır ve Emax 2, bağlantıların (kablolar, bakır veya alüminyum baralar, vb.) maksimum çeşitliliğine uyum sağlamak için çok sayıda terminali ve aksesuarı içerir.
Mühendislik süresi ve çabasından tasarruf etmek için ürün dokümantasyonu da oldukça yenilikçi bir anlayışla hazırlanmıştır. Video el kitapları ve 2-D ve 3-D çizimler, elektronik formatta temin edilmektedir. Tesisat tasarımcıları için tanıtım belgeleri ve teknik uygulama belgeleri, yeni ürünleri ve yeni Emax 2 devre kesicinin nasıl doğru şekilde seçileceğini ve uygulanacağını açıklamaktadır.

 

---

R E K L A M