Özet Bölümü
Orta Gerilimde Hava İzoleli mi Gaz İzoleli mi ?
Özellikle kritik tesislerde veya bütçesi uygun projelerde “Hava” ya da “Gaz” izoleleli orta gerilim panosu arasında seçim yapılmasındaki güçlük hep karşımıza çıkmıştır. Gaz izoleli (GIS) pano söylenegeldiği üzere “en yenilikçi ve son teknoloji” ya da “panonun Mercedes” i mi hep beraber bakalım; karşılaştıralım. Karar elbette sizin.
GIS panolar yüksek gerilim tesislerinde 50 yıldan beri kullanılmaktadır. Alan gereklerinin ve arıza sayısının azaltılarak hava şartlarından etkilenmenin minimuma indirilmesi amacıyla özellikle şehir merkezlerindeki yüksek gerilim tesisler, gaz izoleli tesislere dönüştürülmüş ve dönüştürülmekte; bu tesisler bina içerisine alınmaktadır.
Son 20 yıldır GIS hücreler orta gerilimde de kullanılmaktadır. Hem GIS hem de AIS hücreler bu süre içerisinde önemli gelişmeler göstermişlerdir.
Bir diğer önemli konu da, AIS hücreler için aynı firmanın birkaç değişik karakteristikte ürünü olduğu gibi GIS hücre olarak da birkaç değişik ürünü vardır. Hangi özelliklere sahip pano alındığına dikkat etmek gereklidir.
Karşılaştırmalar sırasında ezbere söylenen ve artık zihinlere işlenen SF6 gazının çevreye etkisi, kapladıkları alanlar, teknoloji farkları, güvenilirlik ve bakım, maliyet farkları gibi konuların üzerinde duralım.
Hücrelerin genel özellikleri
Hava İzoleli Hücre Nedir?
İzolasyonun hava ile yapıldığı hücre tipidir. SF6 gaz sadece kesici SF6 tipi ise kesici tüplerinde bulunur. Genel görünümü ve bölümlendirmesi aşağıda gösterildiği gibidir.
Şekil 1: AIS Hücrenin bölümlendirilmesi ve ekipmanları
Gaz İzoleli Hücre Nedir?
Ana bara bağlantı noktasından kablo bağlantı noktasına kadar sızdırmaz gaz tankı içerisinde bulunur ve gaz olarak SF6 ((Kükürt Hekzaflorür / Sulphur Hexafluoride) kullanılır.
SF6 gazı yüksek dielektrik dayanımı olan renksiz, kokusuz ve yanmaz bir sera gazıdır. Elektriksel ve kimyasal kararlılığı yüksek olan SF6 gazı, ısı iletimi ve ark söndürme performansı nedeniyle günümüzde birçok alanda kullanılmaktadır.
Şekil 2: GIS Hücrenin bölümlendirilmesi ve ekipmanları
SF6 Gazı Zararlı mı? Neden kullanılır?
Sera gazı olarak sınıflandırılmıştır. Ekotoksik potansiyelde değildir, ozon tabakasına zarar vermez. Ancak sera gazı olarak sınıflandırıldığı için büyük ölçüde gaz geçirmez bölümlerde kullanılır.
SF6 gazının elektrik enerjili sistemler için üstün elektriksel, fiziksel ve kimyasal özellikleri vardır.
- Havadan 2.5 kat daha iyi yalıtım sağlamaktadır.
- Ark söndürme özelliği havadan 100 kat daha iyidir.
- Isı dağılımı havadan daha iyidir.
Yüksek Gerilim ve Orta Gerilimde SF6’nın Avantajları;
- Kaza riskini azaltır.
- Elektrik çarpmasına karşı koruma sağlar.
- Elektriksel dış etkenlerden kaynaklanacak şekilde yalıtım kapasitesinde düşme yaşanmaz.
- Yükseklik arttıkça havanın yalıtım kapasitesi azalırken, SF6’da değişim olmaz.
- Dielektrik katsayının yüksek olması nedeniyle kapladığı alan minimumdur.
- Uzun ömürlüdür.
- Düşük maliyetlidir.
- Güç sistemlerinin uzaktan kontrolü için maksimum güvenlik sunar.
Gaz kaçağı, ekipmanın hacmine ve basıncına bağlıdır. IEC62271-203’e göre yüksek gerilim sistemlerinde kabul edilen yıllık SF6 emisyon miktarı en fazla %0,5 olabilir. Mühürlü OG ekipmanları için bu oran %0.1’dir. Yani 3kg SF6 gazı kullanılmışsa bir yıl sonunda 3g’lık kaçak kabul edilebilir düzeydedir.
Diğer bir deyişle bir kaçak daima vardır ve kontrol gereklidir. Diğer bir deyişle, kaçak sadece arıza durumlarında olmaz, az veya çok sürekli olmaktadır. Kaçaklar için özel getirilen SF6 gazı sadece uzmanlar tarafından kaçak olan bölüme basılır.
Herhangi bir kaçak durumunda OG tesis, hava izoleli olarak yalıtımı sağlayamayacağı için devre dışı bırakılmalıdır.
Karşılaştımalarda kullanılan kriterler
Tesislerin kapladıkları alan ve yerleşim
GIS Tesisler, AIS Tesislere göre daha az alan kaplar ve daha küçük elektrik odalarına yerleştirilebilir. Bu alan kazanımı gerilim seviyesinin yüksekliği ile doğru orantılıdır.
Genellikle örnek olarak gösterilen aşağıdaki gibi bir şekilde 132kV ve üzeri açık şalt tesisler ile bina içi GIS tesislerin karşılaştırılması gösterilmektedir. Bu oran, 36kV ve altı gerilim seviyesi için elbette geçerli olmayacaktır. Gerilim seviyesi düştükçe yer kazanımı oranı da ciddi oranda düşmektedir.
Şekil 3: Yüksek Gerilim AIS ve GIS tesislerin alan karşılaştırılması
Şekil 4: 36kV Orta Gerilim AIS ve GIS tesislerin alan karşılaştırılması
Yeni teknoloji
Yukarıda da bahsedildiği gibi, GIS panolar 50 yıldan beri kullanılmaktadır. Son 20 yıldır GIS hücreler orta gerilimde de kullanılmaktadır. Hem GIS hem de AIS hücreler bu süre içerisinde önemli gelişmeler göstermişlerdir.
AIS hücreler özellikle boyutlandırma, arızaların azaltılması, güvenlik, kilitlemeler ve haberleşme konusunda önemli ilerlemeler göstermiştir. Son yıllarda optik iç ark koruma ve akım-gerilim sensörlerin kullanımı ile tüm kilitleme ve bilgi aktarımların GOOSE ile yapılması sayesinde teknoloji en üst seviyeye çıkmıştır.
GIS tesisler de gerilim seviyeleri çok yukarılara çıkarılmıştır. Özellikle yüksek gerilim mobil tesisler için GIS tek çözüm olmuştur.
Şekil 5: Jingmen Çin – 1100kV Ultra Yüksek Gerilim Tesisi ve 420kV Mobil YG Tesis
Şekil 6: AIS panolarda akım-gerilim senörlerinin kullanılması
Şekil 7: AIS panolarda optik iç ark koruma teknolojileri
Montaj ve Devreye Alma
GIS panoların montaj yüzeyi çok daha pürüzsüz ve eğimsiz olmalıdır. Zemin töleransı +/- % 1 , aşmamalıdır. Hücreleri montaj alanına taşımak ve yerleştirmek için uzmanları tarafından çok hassas işçilik yapılması gerekir.
Tüm gaz tankları ayrıntılı şekilde kontrol edilmeli, gerekmesi durumunda ilave gaz basılmalıdır. SF6 gazının temini ve bu gazın panoların içerisine basılması özel izin ve prosedürlere sahiptir.
GIS için gerek montaj ya da süpervizörlük gerekse devreye alma sırasında mutlaka üretici firmanın uzmanlarının bulunması gerekir.
Bakım – Onarım
GIS hücrelerin bakım ve onarımı için de montaj ve devreye almaya benzer olarak üretici firma uzmanlarına gerek olacaktır. Hatta, bazı müdehaleler için üretici fabrikadan ilgili ve yetkili kişilerin gelmesi gerekir ki bu hem süre hem de ciddi maliyet kaybı anlamına gelebilir.
GIS hücrelerin primer kısımlarının büyük çoğunluğu kapalı ve gaz içerisinde olduğundan aşındırıcı, nemli ya da tozlu ortamlara karşı dayanıklıdır. Yükseklere çıkıldığında hava yoğunluğunun azalmasına bağlı olarak oluşan izolasyon seviyesinin düşmesinden çok daha az etkilenirler. Bu sebeple özellikle yükseklerde ve çok tozlu ortamlarla genellikle GIS hücreler kullanılır.
Bununla birlikte özel aparatlar içeren kablo ya da ana bara bağlantılarının düzgün yapılmaması, GIS hücrelerde ciddi sıkıntılar çıkarmaktadır. GIS ler için yapılan kablo başlıkları hem çok özel hem de oldukça maliyetlidir ve mutlaka yedek bulundurulmalıdır.
Hücreler dar olduğundan kablo bağlantılarının yapılması daha zordur. Kesici sabit olduğundan bakım ya da onarım sebebi ile kolayca çıkarılamaz. Servis sürekliliği LSC-2A dır. Ana bara ya kablo bağlantı-ekipman bölümüne ulaşılamaz ve gözle kontrol mümkün değildir.
Hava izoleli hücreler ise özellikle kablo bölümü büyük olduğundan, kablo bağlantısı daha kolaydır. Standard kablo başlıkları kullanılan AIS paneller sahada çalışan ekipler için daha bilindiktir ve kolayca yapılırlar.
Şekil 8: GIS panolarda kablo bağlantı bölümü ve özel kablo başlığı.
Şekil 9: AIS panolarda kablo bağlantı bölümü ve özel kablo başlığı.
Gaz izoleli panoların kesicileri sabittir ve vakum teknolojisi kullanılır. Kesicinin kutupları SF6 gaz bölüm içerisindedir.
Kesiciyi çıkarma veya değiştirmek için uzun işlemler ve bu işlemler için uzman kişiler hatta bazı durumlarda sadece üretici fabrikadan süpervizörün gelmesi gereklidir. Kesici mekanizmasına ön kapı üzerinden ya da kapının arkasında ulaşılabilir.
Kesici çekmeceli olmadığından, kesiciyi ana baradan ayırmak için yine SF6 gaz içerisinde bulunan ayırıcı kullanılır.
Şekil 10: GIS panolarda kesici görünümleri.
AIS metal-clad panolarda ise kesici vakum ya da SF6; çekmeceli hem de yerden yürütmeli olabilir. Kesicinin arızalanması, bakımı ya da eskimesi sebebi ile değişimi kolayca ve çok kısa sürede yapılabilir. Bu değişim ve operasyon için de işletmenin eğitimli personeli yeterlidir.
Şekil 11: AIS panolarda kesici görünümleri.
GIS hücrelerde akım trafoları kablo veya buşing tipi değil; genellikle istendiği üzere blok tipi ise, SF6 gaz ortamı içinde bulunurlar. Bu sebeple ulaşımı ve değiştirilmesi saha ortamında mümkün değildir. Kablo ya buşing tipi akım trafolarının karakteristiklerinin istenen değerleri genellikle blok tipine göre daha zordur.
Şekil 12: GIS ve AIS panolarda blok tipi akım trafosu yerleşimi
GIS hücrelerde değeri düşük bile olsa iç ark oluştuğunda, hücre yeniden kullanılamaz. OG tesisin ortalarında bir yerde meydana gelecek bu tür bir arızada, ilgili panoyu değiştirmek için en yakın baştan o panoya kadar olan bütün hücrelerin de sökülmesi gerekir. Bu işlemler ve yeni panonun gelmesi için geçecek zaman kaybı çok fazladır.
Güvenilirlik
OG panoların güvenilirliğinin bir göstergesi olarak IEC 62271-1 e göre “Arıza arası ortalama zaman” (Mean Time Between Failure (MTBF)) tanımına bakılabilir. Bu değer GIS üreticilerine göre 90 yıl ile 850 yıl arasında çok uzun olarak verilebilir.
Firmalara göre çok büyük oranlarda değişen bu değerler teoride ve hesaplarda her ne kadar doğru gözükse de pratikte bu kadar uzun sürelerin mümkün olmasının oldukça güç olduğu hemen söylenebilir.
Çift Bara Çözümü
Özellikle AIS pano olarak çift baralı çözümü olmayan üreticiler, AIS panoların çift bara çözümü için yüz yüze ya da sırt sırta dizilmesi gerektiğini ve bu sebeple oluşabilecek güvenlik risklerini, ilave kabloları ve artan arıza riskini anlatacak ve aşağıdaki gibi görsel paylaşacaklardır.
Şekil 12: GIS in çift bara çözümü için kullanılan anlatım.
Oysa bu, geçerli değildir. Çift baralı entegre çözüm sunulabilmektedir. 2 adet çıkarılabilir kesicili ya da 2 ayırıcılı 2 kesicili ara bağlantıda kablo kullanılmayan bu çözümler, sırt sırta ya da yüz yüze konulan 2 adet AIS hücreden de daha küçük olmaktadır.
2 adet çekmeceli kesici çözümlerinde en kritik aparat olan kesici yedeklendiğinden hücre güvenilirliliği yükselmekte, bakım ve değişim kolaylığı sağlanmaktadır.
Şekil 13: GIS çift bara çözümü
Maliyetler
GIS hücrelerinin ilk kurulum maliyetleri AIS e göre ortalama %50 daha fazla olmaktadır. Bununla birlikte gerilim ve kısa-devre değerlerine göre bu oran değişebilmektedir. Hücre maliyetlerindeki yüksekliğe karşın elektrik odası boyutlarındaki küçülme şehir merkezleri gibi yüksek maliyetli arazilerde önemli tasarruf sağlar.
GIS hücrelerinin ilk kurulum sırasındaki montaj ve devreye alınması, hassasiyetleri ve daha fazla uzmanlık istemesi sebebi ile AIS hücrelere göre daha maliyetli ve uzun süreli olmaktadır. Özel kablo başlıkları kullanılması zorunluluğu da montaj maliyetlerini önemli oranda artırır.
Yedek parça ile sonradan eklenecek ilave panoların maliyeti de GIS hücreler için daha fazladır. Elektrik odası GIS e göre yapıldığında küçük olacağından tesisi yenilerken yine GIS kullanılması zorunlu olacaktır.
Buna karşın, GIS hücreler, toz, nem gibi kötü ortamlardan çok daha az etkilendiklerinden bakım masrafları ve arıza sayıları daha düşüktür. Bu sebeple işletme masrafları düşük olmaktadır.
AIS hücrelerin kurulum maliyetleri düşük olmalarına karşın daha fazla bakım gerektirdiklerinden işletme maliyetleri daha pahalı olmaktadır.
Sonuç
Seçimi yapmadan önce neye daha çok ihtiyacımızın olduğuna karar vermek gerekir. Yapacağımız tesisin yer kısıtlaması en önemli kriter ise ve bu tesisin yerleşimi AIS hücreler ile sağlanamıyor ise ki bu birkaç üretici ile teyid edilmeli, GIS tek seçenek olabilir.
Genellikle rüzgar santralleri gibi yüksek tesislerde havanın izolasyon seviyesi düştüğünden özellikle 2000 mt üzerinde GIS kullanılması gerekir. AIS kullanımında ise izolasyon seviyeleri kontrol edilmeli ek önlemler alınmalıdır.
Çok tozlu ya da H2S gibi aşındırıcı gazların olduğu işletmelerde elektrik odasının bu yan etkilerden izole edilememesi durumunda GIS kullanılması arıza ve bakım periyotlarını uzatacaktır.
Bunların haricindeki durumlarda gerek kurulum maliyeti, gerekse işletme kolaylığı açısından AIS hücreler daha doğru seçenek olarak durmaktadır.
Makale:Fatih AKSEL
ABB Türkiye Pazarlama ve Satış Mühendisi
