Kısa Devre Akımı Analizi Kılavuzu

Giriş

Kısa devre akımı analizi, elektriksel koruma tasarımı ve güvenlik için kritik öneme sahiptir. Kısa devre, düşük empedanslı bir arıza nedeniyle elektrik akımının normal yükten saparak aşırı akım oluşturduğu durumdur. Bu aşırı akımlar normal çalışma akımının 10-50 katı olabilir ve ekipman hasarına, yangın riskine ve personel güvenliği tehlikelerine yol açabilir. IEC 60909 standardı, kısa devre akımı hesaplamaları için uluslararası kabul görmüş metodoloji sağlar ve elektriksel koruma sistemlerinin doğru tasarımını sağlar.

Bu rehber, kısa devre akımı hesaplamaları yapması ve uygun koruma cihazları seçmesi gereken elektrik mühendisleri, tasarımcılar ve güvenlik uzmanları için hazırlanmıştır. IEC 60909 metodolojisini, empedans hesaplama yöntemlerini, devre kesici seçim kriterlerini ve koruma koordinasyonu prensiplerini öğreneceksiniz.

Hızlı Cevap: Kısa Devre Akımı Nasıl Hesaplanır?

Kısa devre akışı, IEC 60909 formülü kullanılarak mekanizma voltajı ve toplam empedans dikkate alınarak hesaplanır.

Temel Formül

Burada:

• $I_{\text{sc}}$ = Kısa devre elektrikı (A veya kA)
• $c$ = Gerilim faktörü (maksimum arıza için 1.1, minimum için 0.95)
• $U_n$ = Anma tesisat gerilimi, hat-hat (V)
• $Z_{\text{total}} =$ Toplam kurulum empedansı $(\Omega)$

Empedans Bileşenleri

Çözümlü Örnek

Referans Tablosu

Temel Standartlar

Kısa Devre Akımını Anlamak

Kısa Devre Türleri

Üç Fazlı Arıza (L-L-L): Üç fazın hepsi birbirine kısa devre olmuş. Bu en yüksek arıza güç akışıını üretir ve koruma cihazı boyutlandırması için kullanılır.

Fazlar Arası Arıza (L-L): İki faz birbirine kısa devre olmuş. Cereyan üç fazlı arıza elektrik akımıının yaklaşık %87'sidir.

Faz-Toprak Arıza (L-G): Bir faz toprağa kısa devre olmuş. Akış yapı topraklamasına bağlıdır ve tipik olarak üç fazlı arıza elektrikının %50-70'idir.

Kısa Devre Akımını Etkileyen Faktörler

Trafo Empedansı: Düşük empedanslı trafolar daha yüksek arıza akımları üretir. Tipik değerler:

• Dağıtım trafoları (2.500 kVA'ya kadar): %4-6
• Güç trafoları (2.500+ kVA): %5-12
• Jeneratör trafoları: %10-20

Mekanizma Gerilimi: Aynı güç derecelendirmesi için daha yüksek gerilimler daha düşük arıza akımlarına neden olur.

Tesisat Empedansı: Yukarı akış kurulum empedansı arıza güç akışıını azaltır. Kategoriler:

• Güçlü donanım: %0-2 (üretime yakın, büyük trafolar)
• Orta düzenek: %2-5 (tipik dağıtım)
• Zayıf yapı: %5-10 (uzak konumlar, küçük trafolar)

Tel Empedansı: Trafo ile arıza konumu arasındaki uzun kablolar arıza cereyanını önemli ölçüde azaltır.

Formül Analizi

Temel Formül (IEC 60909)

Üç fazlı kısa devre elektriksel akışımıını hesaplamak için temel formül:

Burada:

• $I_{\text{sc}}$ = Kısa devre akışı (A)
• $c$ = Gerilim faktörü (maksimum arıza elektrikı için tipik olarak 1.1)
• $U_n$ = Anma mekanizma gerilimi (fazlar arası, V)
• $Z_{\text{total}}$ = Toplam tesisat empedansı (Ω)

Trafo Empedansı

Ohm cinsinden trafo empedansı şu şekilde hesaplanır:

Burada:

• $Z_t$ = Trafo empedansı (Ω)
• $U_n$ = Anma gerilimi (V)
• $S_n$ = Anma gücü (VA)
• $Z\%$ = Trafo empedans yüzdesi

Örnek: %6 empedansa sahip 630 kVA, 400V trafo için:

• $S_n = 630000$ VA
• $Z\% = 6$
• $Z_t = \frac{400^2}{630000} \times \frac{6}{100} = 0.0152 \Omega$

Kablo Empedansı

Iletken empedansı direnç ve reaktanstan oluşur:

Direnç (derece düzeltmeli):

Reaktans (tipik değerler):

• Alçak gerilim kabloları: 0.07-0.08 mΩ/m
• Orta gerilim kabloları: 0.10-0.12 mΩ/m
• Yüksek gerilim kabloları: 0.13-0.15 mΩ/m

Burada:

• $R$ = Hat direnci (Ω)
• $X$ = Elektrik hattı reaktansı (Ω)
• $\rho(T)$ = T sıcaklığında özdirenç ($\Omega \cdot \text{mm}^2$/m)
• $L$ = Kablolama uzunluğu (m)
• $A$ = Kesit alanı (mm²)

Sistem Empedansı

Ek kurulum empedansı (trafodan yukarı akış):

Toplam Empedans

Çözümlü Örnek: Ticari Bina

Senaryo

Bir ticari bina, %6 empedansa sahip 400V'da 1.000 kVA trafo ile beslenmektedir. Elektrik odası trafodan 50 metre uzaklıktadır. Ana dağıtım panosundaki kısa devre güç akışıını hesaplamamız gerekiyor.

Verilen Veriler

• Trafo gücü: $S_n = 1.000$ kVA
• Donanım gerilimi: $U_n = 400$ V
• Trafo empedansı: $Z_\% = 6$%
• Tel: $3 \times 150$ mm² bakır, 50m uzunluk
• Çalışma sıcaklığı: 70°C
• Düzenek empedansı: %2 (orta güçlü yapı)

Adım 1: Trafo Empedansını Hesapla

Adım 2: Kablo Empedansını Hesapla

70°C'de Direnç:

• 20°C'de bakır özdirenci: $\rho_{20} = 0.0175 \Omega$·mm²/m
• Termal değer katsayısı: $\alpha = 0.00393$ /°C
• 70°C'de özdirenç: $\rho_{70} = 0.0175 \times [1 + 0.00393 \times (70 - 20)] = 0.0209 \Omega$·mm²/m

Reaktans:

• Alçak gerilim kablosu için: $X_{\text{unit}} = 0.07$ m$\Omega/m = 0.00007 \Omega$/m

Toplam Iletken Empedansı:

Adım 3: Sistem Empedansını Hesapla

Adım 4: Toplam Empedansı Hesapla

Adım 5: Kısa Devre Akımını Hesapla

Gerilim faktörü $c = 1.1$ (maksimum arıza cereyanı) kullanarak:

Adım 6: Kesme Kapasitesi Gereksinimini Belirle

%25 güvenlik marjı ile:

Sonuç

Ana dağıtım panosu, minimum 15,4 kA kesme kapasitesine sahip devre kesiciler gerektirir. 25 kA derecelendirmeli standart endüstriyel devre kesiciler bu uygulama için uygun olacaktır.

Standartlar ve Referanslar

IEC 60909

IEC 60909-0:2016 - "Üç fazlı AC sistemlerde kısa devre akımları"

Bu, kısa devre akımlarını hesaplamak için birincil uluslararası standarttır. Şunları sağlar:

• Maksimum ve minimum kısa devre akımlarını hesaplama yöntemleri
• Farklı mekanizma konfigürasyonları için gerilim faktörleri
• Empedans hesaplama yöntemleri
• Jeneratörler ve motorlar için düzeltme faktörleri

IEC 61363

IEC 61363-1:1998 - "Üç fazlı AC sistemler için kısa devre elektrik akımıı hesaplaması"

Alternatif işlem yöntemi, özellikle şunlar için kullanışlıdır:

• Önemli motor katkısı olan sistemler
• Karmaşık ağ konfigürasyonları
• Detaylı geçici analiz

ANSI/IEEE Standartları

ANSI/IEEE C37.010-2016 - "AC Yüksek Gerilim Devre Kesicileri için Uygulama Kılavuzu"

ABD standardı şunları kapsar:

• Devre kesici uygulaması
• Kısa devre akışı hesaplamaları
• Koruma koordinasyonu prensipleri

IEC 60947-2

IEC 60947-2 - "Alçak gerilim anahtarlama ve kontrol cihazları - Bölüm 2: Devre kesiciler"

Şunları tanımlar:

• Kesme kapasitesi derecelendirmeleri
• Kapatma kapasitesi gereksinimleri
• Kısa süreli dayanım derecelendirmeleri

Yaygın Hatalar ve Tuzaklar

Hata 1: Kablo Empedansını Göz Ardı Etme

Sorun: Sadece trafo sekonderinde arıza elektrikını hesaplamak, aşağı akış kablolarını göz ardı etmek.

Etki: Yük konumlarında arıza güç akışıını fazla tahmin etmek, aşırı boyutlandırılmış ve gereksiz yere pahalı koruma cihazlarına yol açmak.

Çözüm: Arıza trafodan aşağı akışta oluştuğunda her zaman hat empedansını dahil edin.

Hata 2: Yanlış Sıcaklık Kullanma

Sorun: İletkenler daha yüksek sıcaklıklarda çalışırken direnç hesaplamaları için oda sıcaklığı (20°C) kullanmak.

Etki: Direnci küçümsemek, fazla tahmin edilmiş arıza cereyanına yol açmak.

Çözüm: Gerçek çalışma sıcaklığını kullanın (kablolar için tipik olarak 70°C, bara için 90°C).

Hata 3: Sistem Empedansını Göz Ardı Etme

Sorun: Tüm hesaplamalar için sonsuz kaynak (sıfır tesisat empedansı) varsaymak.

Etki: Önemli yukarı akış empedansı olan sistemlerde arıza akım değeriımıını fazla tahmin etmek.

Çözüm: Şunlara dayalı kurulum empedansını dahil edin:

• Üretime olan mesafe
• Trafo boyutu ve konfigürasyonu
• Ağ topolojisi

Hata 4: Yanlış Gerilim Faktörü

Sorun: Maksimum arıza akışı hesaplamaları için $c = 1,0$ yerine $c = 1,1$ kullanmamak.

Etki: Arıza elektrikını yaklaşık %10 küçümsemek.

Çözüm: Maksimum arıza güç akışıı (koruma cihazı boyutlandırması) için $c = 1.1$ ve minimum arıza cereyanı (koruma koordinasyonu) için $c = 0.95$ kullanın.

Hata 5: Yetersiz Güvenlik Marjı

Sorun: Kesme kapasitesi hesaplanan arıza elektrik akımııyla tam olarak eşleşen devre kesiciler seçmek.

Etki: Şunlar için marj yok:

• Kalkulasyon belirsizlikleri
• Gelecekteki donanım değişiklikleri
• Isı derecesi değişimleri
• Yaşlanma etkileri

Çözüm: Kesme kapasitesi seçimi için minimum %25 güvenlik marjı uygulayın.

Enginist Kısa Devre Hesap Makinesini Kullanma

Değerlendirme makinemiz aşağıdaki özelliklerle IEC 60909 metodolojisini uygular:

Giriş Parametreleri

Düzenek Konfigürasyonu:

• Yapı gerilimi (fazlar arası)
• Çalışma sıcaklığı

Trafo Verileri:

• Anma gücü (kVA)
• Sekonder gerilim
• Yüzde empedans
• Opsiyonel: Mekanizma empedansı

Arıza Konumu:

• Trafo sekonderinde
• Yük tarafında (elektrik hattı parametreleri ile)

Kablolama Parametreleri (yük tarafında arıza varsa):

• Uzunluk
• Kesit alanı
• İletken malzemesi (bakır/alüminyum)

Çıkış Sonuçları

Arıza Akışı:

• Amper ve kiloamper cinsinden kısa devre elektrikı
• Güvenlik marjı ile kesme kapasitesi gereksinimi

Empedans Analizi:

• Trafo empedansı
• Tel empedansı (varsa)
• Tesisat empedansı
• Toplam empedans
• Birim değer empedans

Uyarılar ve Öneriler:

• Kesme kapasitesi kategorisi (düşük/orta/yüksek/çok yüksek)
• Yüksek arıza akımları için güvenlik uyarıları
• Koruma cihazı seçimi için öneriler

Doğruluk ve Standartlar

• Uyumluluk: Tam IEC 60909 uygulaması
• Doğruluk: Standart referans değerlerine karşı doğrulanmış
• Sıcaklık değeri Düzeltmesi: Otomatik özdirenç ayarlaması
• Malzeme Özellikleri: IEC 60028 standart değerlerine dayalı

Koruma Cihazı Seçimi

Kesme Kapasitesi Kategorileri

Düşük (10 kA'ya kadar):

• Tipik: Konut, küçük ticari
• Devre kesiciler: Standart MCB'ler, 10 kA'ya kadar MCCB'ler

Orta (10-25 kA):

• Tipik: Ticari binalar, küçük endüstriyel
• Devre kesiciler: 16-25 kA derecelendirmeli MCCB'ler

Yüksek (25-50 kA):

• Tipik: Endüstriyel tesisler, büyük ticari
• Devre kesiciler: Yüksek kesme kapasiteli MCCB'ler, ACB'ler

Çok Yüksek (50+ kA):

• Tipik: Güç santralleri, büyük endüstriyel kompleksler
• Devre kesiciler: Özel yüksek kapasiteli ACB'ler, jeneratör kesicileri

Seçim Kriterleri

1. Kesme Kapasitesi: Hesaplanan arıza güç akışıından en az %25 fazla olmalı
2. Kapatma Kapasitesi: Tipik olarak kesme kapasitesinin 2,5 katı
3. Kısa Süreli Dayanım: Koruma koordinasyonu süresi boyunca arıza cereyanına dayanmalı
4. Termal Derecelendirme: $I^2t$ geçiş enerjisine dayanmalı
5. Elektromanyetik Derecelendirme: Tepe arıza elektrik cereyanıımıı kuvvetlerine dayanmalı

Sonuç

Kısa devre akımı analizi, elektriksel kurulum güvenliği ve güvenilirliği için temeldir. Prensipleri, formülleri ve analiz yöntemlerini anlamak mühendislerin güvenli ve uyumlu elektriksel sistemler tasarlamasına, uygun koruma cihazları seçmesine, koruma şemalarını etkili bir şekilde koordine etmesine ve personel ve ekipman güvenliğini sağlamasına olanak tanır. IEC 60909 standardı, kısa devre akımı hesaplamaları için sağlam, uluslararası kabul görmüş bir metodoloji sağlar. Bu standardı takip ederek, tüm güvenlik ve kod gereksinimlerini karşılayan elektriksel koruma sistemleri tasarlayabilirsiniz.

Temel Çıkarımlar

• Kısa devre akımları normal çalışma akımının 10-50 katı olabilir—aşırı akımlar ekipman hasarına ve yangın riskine yol açabilir
• Temel formül: $I_{\text{sc}} = \frac{c \times U_{n}}{\sqrt{3} \times Z_{\text{total}}}$—voltaj faktörü ve toplam empedans kullanılarak hesaplanır
• Trafo empedansı birincil sınırlayıcı faktördür—$Z_t = \frac{U_n^2}{S_n} \times \frac{Z\%}{100}$ formülü ile hesaplanır
• İletken empedansı yük konumlarında arıza akımını önemli ölçüde azaltır—uzun kablolar daha düşük kısa devre akımları sağlar
• Koruma cihazı seçimi için her zaman güvenlik marjları uygulayın—kesme kapasitesi hesaplanan akımın 1.25 katı olmalıdır
• Uluslararası uyumluluk için IEC 60909 metodolojisini kullanın—maksimum arıza için voltaj faktörü $c = 1.1$, minimum için $c = 0.95$

İleri Öğrenme

• Voltaj Düşümü Rehberi - Kablolarda voltaj düşümü hesaplamaları
• Kablo Kesiti Rehberi - İletken boyutlandırma ve seçimi
• Güç Faktörü Rehberi - Güç kalitesi analizi
• Kısa Devre Hesaplayıcısı - Arıza akımı hesaplama için interaktif hesaplayıcı

Referanslar ve Standartlar

Bu rehber, yerleşik mühendislik ilkeleri ve standartları takip eder. Detaylı gereksinimler için her zaman yargı yetkinizdeki mevcut kabul edilmiş sürüme danışın.

Birincil Standartlar

IEC 60909-0:2016 Üç fazlı AC sistemlerde kısa devre akımları. Kısa devre akımı hesaplamaları için metodoloji ve formülleri belirtir.

IEC 60947-2 Alçak gerilim anahtarlama ve kontrol cihazları - Devre kesiciler. Kesme kapasitesi gereksinimlerini ve seçim kriterlerini belirtir.

ANSI/IEEE C37.010-2016 AC Yüksek Gerilim Devre Kesicileri için Uygulama Kılavuzu. Devre kesici seçimi ve koruma koordinasyonu için rehberlik sağlar.

Destekleyici Standartlar ve Kılavuzlar

IEC 61363-1:1998 Üç fazlı AC sistemler için kısa devre akımı hesaplaması. Alternatif hesaplama yöntemleri sağlar.

IEC 60050 - Uluslararası Elektroteknik Sözlük Elektrik terminolojisi ve tanımları için uluslararası standartlar.

NEMA Yayınları Ulusal Elektrik Üreticileri Birliği elektrik ekipmanları standartları.

İleri Okuma

• Elektrik Tesisat Rehberi - Schneider Electric - Elektrik tesisatı en iyi uygulamaları için kapsamlı rehber

Not: Standartlar ve kodlar düzenli olarak güncellenir. Her zaman projenizin konumuna uygun mevcut kabul edilmiş sürümü kullandığınızı doğrulayın. Özel gereksinimler için yargı yetkisine sahip yerel makamlara danışın.

Sorumluluk Reddi: Bu rehber, uluslararası elektrik standartlarına dayalı genel teknik bilgiler sağlar. Hesaplamaları her zaman geçerli yerel elektrik kodları (NEC, IEC, BS 7671, vb.) ile doğrulayın ve gerçek kurulumlar için lisanslı elektrik mühendisleri veya elektrikçilere danışın. Elektrik işleri yalnızca kalifiye profesyoneller tarafından yapılmalıdır. Bileşen derecelendirmeleri ve özellikleri üreticiye göre değişebilir.