Ünite 6: Elektrik Tesisleri ve Elektronik Devre Arızaları

Elektrik Tesisleri

Elektrik üretim, iletim ve dağıtım sistemleri genel olarak elektrik tesisleri olarak adlandırılır. Elektrik enerjisi elektrik santrali adı verilen tesislerde üretilir. Bir elektrik santrali ise; bir enerji kaynağı, alternatör ve transformatör (trafo) merkezinden oluşur. Enerji kaynağı olarak rüzgâr enerjisi, doğalgaz, termik, hidroelektrik, nükleer enerji sayılabilir. Elektrik enerjisi alternatörlerde elde edilir. Alternatörlerde alternatif gerilim üretilir. Söz konusu enerjinin uzak mesafelere taşınması için yüksek gerilim (Türkiye’de 154 kV/380 kV civarında) kullanılır. Bu noktada elektrik iletim ve dağıtım tesislerinde (şalt sahalarında) kullanılan elemanlar aşağıdaki gibi gruplandırılabilir:

1. Yüksek Gerilim/Orta Gerilim veya Orta Gerilim/Alçak Gerilim transformatörleri
2. Enerji nakil hatları
3. İzolatör
4. Ölçü transformatörleri (Akım ve gerilim trafoları)
5. Ayırıcı
6. Kesici
7. Parafudr
8. Topraklama tesisatı
9. Kumanda panosu ve elemanları

Kullanıldıkları gerilimlere göre şebekeler 4 gruba ayrılır:

1. Çok yüksek gerilim şebekeleri (l54 kV’dan fazla)
2. Yüksek gerilim şebekeleri (35 kV-154 kV arası)
3. Orta gerilim şebekeleri (l kV-35 kV arası)
4. Alçak gerilim şebekeleri (lV-1000V arası)

Elektrik enerjisi dağıtımında kullanılan trafolar; sürekli çalışma, ortam sıcaklığı veya aşırı akım nedeniyle ısınır. Trafolarda yaygın olarak sargı yalıtımlarının bozulması sonucu kısa devre görülür. Trafolar yağ, su veya hava ile soğutulabilir. Trafonun sargı yalıtımlarının kontrolü meger ile kısa devre kontrolü ise ohmmetre ile yapılır.

Yüksek gerilimin koruma, kumanda ve ölçme işlemlerinin yapılarak toplandığı ve dağıtıldığı tesislere şalt sahası denir. Şalt sahaları genellikle açık havada kurulur. Şalt elemanlarının bakımı ya da onarımı sırasında enerji iletim ve dağıtım hatlarının, yüksüz olarak açma ve kapatılması için ayırıcı adı verilen elemanlar kullanılır.

Yük altında veya arıza durumlarında enerji iletim ve dağıtım hatlarını açmak ve kapatmak için kesici adı verilen elemanlar kullanılır. Kesiciler de ayırıcılar gibi manuel ya da otomatik olarak açma kapama yapabilir. Kesiciler, kapanma sırasında yüksek akım nedeniyle meydana gelebilecek arkları önlemek amacıyla az yağlı, vakumlu veya SF6 (Sülfür Hegza Şüorür) gazlı olarak imal edilir.

Orta Gerilim/Alçak Gerilim (OG/ AG) trafoların çıkışında yüksek akım sigortaları kullanılır. Yüksek akım sigortaları , yüksek akım nedeniyle meydana gelebilecek arkları ve elektrik kazalarını önlemek amacıyla özel aparatlarla yerine takılır ya da çıkarılır. Bir sigorta; sigortanın bulunduğu devre üzerinde tel kopması, fazlar arası ya da faz nötr arası kısa devre olması veya direk devrilmesi gibi sebeplerden biri meydana geldiğinde arızalanır. Bu durumda sadece sigortanın yenisi ile değiştirilmesi yetersizdir, eldeki sağlam sigortanın boş yere arızalanmasına neden olur. Hat başındaki sigorta arızalanmış ise mutlak suretle hat kontrol edilmeli, arıza kaynağı tespit edilerek arıza giderildikten sonra sigorta değiştirilmelidir.

Trafo merkezleri ile alıcılara giden hatların birleşme noktalarını yalıtmak için izolatörler kullanılır. İzolatörler; cam, seramik, porselen yalıtkan malzemelerden yapılır. Bunların hasarlanması elektriksel tehlikelere neden olur.

Yüksek gerilim hatlarında ani gerilim yükselmeleri ve yıldırım düşmeleri gibi olayların şalt donanımına veya bileşenlerine zarar vermesini önlemek amacıyla aşırı gerilim sırasında oluşan enerjinin toprağa düzenli bir şekilde aktarılmasını sağlayan parafudr adı verilen elemanlar kullanılır. Parafudr’lar yüksek gerilim hattı ile toprak arasına bağlanır.

Elektrik tesislerinde gerekli kontrol ve kumanda işlemlerinin yapılabilmesi için sürekli olarak akım ve gerilim değerlerinin ölçülmesi gerekir. Çok yüksek akım ve gerilimlerin ölçü aletleriyle doğrudan ölçülmeleri mümkün değildir. Bu nedenle özellikle elektrik tesislerinde yüksek akım/gerilim değerlerini, ölçü aleti normlarına uygun değerlere düşürmek için akım ve gerilim transformatörleri kullanılır. Akım ve gerilim transformatörleri ölçme işleminin yanında ölçü aleti ya da koruma devrelerinin yüksek gerilim/akım hattıyla yalıtımını da sağlar. Sözü edilen transformatörlere genel olarak ölçü transformatörleri adı verilir.

Transformatör formülleri, ölçü transformatörleri için de geçerlidir. Akım transformatörü üzerinde primer ve sekonder akım oranı yazılır. Gerilim transformatöründe ise primer ve sekonder gerilimleri oranı yer alır. Akım transformatörleri için akım dönüştürme oranı (1) eşitliği, gerilim transformatörlerinin gerilim dönüştürme oranı (2) eşitliği ile hesaplanır.

(1)

(2)

Elektrik iletim ve dağıtım tesislerinde genel olarak sistemi korumak için koruma röleleri kullanılır. Bu röleler; aşırı akım rölesi, buchholz rölesi, faz-toprak koruma rölesi, diferansiyel röle ve mesafe koruma rölesidir.

Programlanabilir Lojik Kontrolör

Programlanabilir Lojik Kontrolör (PLC: Programmable Logic Controller), endüstriyel sistemlerin kontrol ve kumandasında kullanılan mikro denetleyici temelli, programlanabilir elektronik modüllere verilen genel isimdir. PLC otomasyon sistemlerinin beyni gibidir. PLC, Ip Is = Ns Np Vp Vs = Ns Np tarama döngüsü içerisinde sürekli girişleri (verileri) okur, içerisinde bulunan mantıksal programa göre bu verileri işler ve çıkışlara gerekli atamaları yapar. Girişlerine sensör, transdüser, buton, anahtar, şalter gibi elemanlar bağlanır. PLC çıkışlarına ise sinyal lambası, selenoid valf, kontaktör, röle, servomotor sürücüsü, AC motor inverterleri bağlanabilir.

PLC; bir sürecin, olayın ya da işleyişin tek başına denetçisi olabileceği gibi birden fazla PLC koordineli çalışıp haberleşebilir, verileri paylaşabilir. Programlanmaları uzmanlık gerektiren mikro denetleyicilerdir. Piyasada değişik ad ve markalarda PLC’ler bulunmakla birlikte Siemens, Omron, Telemechanic, Mitsubishi, Delta, Techo çeşitli PLC üretici firmalarıdır.

Klasik kumanda elemanları (kontaktör, röle, zaman rölesi, buton) ile yapılan sistemler karmaşık, çok fazla yer kaplayan ve maliyetli sistemlerdir. Bu kumanda elemanları ile yapılan sistemler değişikliklere açık değildir, dolayısıyla sistemdeki donanım ya da süreç değişiklikleri durumunda tüm sistemin yeniden tasarlanması gerekir. Ayrıca söz konusu mekanik kumanda elemanlarının bakımı zordur. PLC’ler klasik kumanda elemanlarının yaptığı görevlerin tamamını yerine getirebilir. Bunun yanında süreç ve sistemdeki donanım değişiklikleri PLC yazılımının değiştirilmesi suretiyle kolayca güncellenebilir. Ayrıca PLC’ler az yer kaplar, uzun ömürlüdürler, mekanik aksamı olmadığı için mekanik arızalar ile karşılaşılmaz ve bakım gerektirmez.

Topraklama

Topraklama, can güvenliği sağlamak ve cihazları korumak amacıyla yapılır. Basit olarak bir topraklama donanımı, bir topraklama elemanı ve bir toprak iletkeninden oluşur. Topraklama elemanı, toprak içerisine gömülmüş bir iletken olup, toprak ile elektriksel iletimi sağlar. Topraklama plakasının boyutları ve iletkenin kesiti, topraklama yapılacak enerji kaynağının veya alıcıların gücüne bağlı olarak hesaplanır. Toprak iletkeni, topraklama elemanı ile topraklanacak sistemi birleştirmeye yarar. İşletme, koruma ve fonksiyon topraklaması olmak üzere üç tür topraklama vardır.

Topraklama sayesinde cihazda elektrik kaçağı olması durumunda akım dirençsiz yolu tercih ederek toprak hattı üzerinden geçer. Günümüzde yeni yapılan binalarda inşaat sırasında bir koruma topraklaması olan temel topraklaması zorunludur. Topraklama türüne ve topraklama yapılan yere göre önerilen topraklama direnci (R) değerleri aşağıda verilmiştir.

• İşletme topraklaması R < 2 W
• Koruma topraklaması R < 5 W
• Trafo merkezlerinde, direklerde R < 4 W
• Alçak gerilim ve yüksek gerilim bağlama tesisleri birleştirildiğinde R < 1 W
• Parafudr topraklama direnci R< 5 W

Elektrik Tesisleri Bakımı

Enerji iletim ve dağıtım ekipmanlarına periyodik olarak bakım yapılır. Yapılan bakımlar ise aşağıdaki gibidir;

• Güç transformatörleri bakımı
• Enerji nakil hatları bakımı
• İzolatörlerin bakımı
• Ayırıcıların bakımı
• Kesicilerin bakımı
• Parafudrların bakımı
• Akım trafolarının bakımı

Elektrik Tesislerinde Görülen Arızalar

Elektrik sistemindeki arızaların çok önemli bir kısmı kısa devre olaylarıdır. Kısa devrelerin çeşitli sebepleri vardır. Bunların başlıcaları;

• Kaynağı tamamıyla elektrik olanlar.
• Kaynağı mekanik olanlar.
• Kaynağı atmosferik olanlar.
• Şebekede geçici olaylar sonucu oluşan aşırı gerilimler, tesisat elemanlarının izolasyonunun bozulmasına, ve bunun sonucu olarak kısa devre arızalarına neden olur.
• Elektrik tesisatlarında ayrıca insan hatasına bağlı olarak yapılan yanlış işlemler sonucu kısa devre arızaları meydana gelebilir.

Genel olarak tesisatta bir kısa devre arızasının varlığı dengeli ya da dengesiz olarak kaynaklardan büyük miktarlarda çekilen akımlar ve sonucunda oluşan büyük gerilim düşümleri, elektromanyetik kuvvetler, aşırı ısınmalar ve arklar şeklinde belli olur. Arızanın büyüklüğü kaynakların büyüklüğü kadar, kaynaklara olan uzaklığı, tesisatın yapım şekline (kablolu, havai hattı- paralel, radyal, gözlü şebeke vb.), kısa devre oluşumuna ve arıza noktasının özelliklerine (doğrudan, bir direnç üzerinden oluşması gibi) bağlıdır.

Elektrik sisteminde çeşitli nedenlerden dolayı meydana gelen kısa devreler, dengesizlikler, aşırı gerilimler, harmonikler gibi istenmeyen olayların önceden saptanması, hesaplanması, tesisat elemanlarının, gerekse bu tesisatla bağlantılı diğer tesisat elemanlarının ve tüketicilerin seçimi, sistemin emniyetli bir şekilde çalıştırılabilmesi açısından önemlidir.

Trafolarda meydana gelebilecek arızalar aşağıdaki gibi sıralanabilir:

• Havalı ve yağlı soğutmalı bir trafo içindeki yağın bozulması,
• Trafolarda soğutma elemanlarının bozulması,
• Trafo içindeki silika jelin özelliğini kaybetmesi sonucu trafonun nemlenmesi,
• Trafo koruma rölelerinin arızalanması,
• Trafo sargılarının izolasyonlarının bozulması sonucu gövde-sargı ya da sargılar arası kaçak akım meydana gelmesi,
• Trafo termik ölçme elemanının bozulması.

Elektronik Devrelerde Görülen Arızalar

Elektronik bir sistem, bir cihaz ya da tek başına bir devre arızalanabilir. Bir elektronik devrede meydana gelen arızayı tespit etmek için öncelikle cihaz/devre hakkında bilgi sahibi olunmalıdır. Arıza öncesi ve sonrası durumlarla ilgili bilgi toplanması arıza tespitinde önemli bir aşamadır. Bu aşamadan sonra toplanan bilginin analizi yapılarak tamirat işlemine geçilebilir. Çalışma mantığı bilinmeyen bir cihaz asla sökülmemelidir. Arıza nedenleri çok çeşitli olabilir. Ancak arıza sebebinin bilinmesi arızanın giderilmesi yöntemini belirlemek için bir başlangıç noktası sağlaması açısından son derece önemlidir.

Elektronik devrelerde arıza faktörleri

Elektronik sistemlerde bir arıza durumunda öncelikle basit kontroller yapılır. Bağlantı terminallerinin kontrolü bu kontrollerden biridir. Bağlantı terminallerindeki herhangi bir kopukluk elektrik enerjisinin iletilmemesine ya da elektronik sistemin düzgün çalışmamasına neden olur.

Elektronik devrelerde arıza bulma ve giderme yaklaşımı

Elektronik sistem/cihazlarda meydana gelen bir arızanın etkin bir şekilde tespiti ve giderilmesi için aşağıdaki konuların iyi bilinmesi gerekir.

• Elektriksel büyüklüklerin dönüşümü¨
• Elektrik ve elektronik semboller
• Direnç renk kodları
• Devre elemanları
• Aktif devre elemanlarının çalışması için gerekli polarma
• Kısa devre ya da açık devre kavramları ve ölçümleri
• Sinyalli ve sinyalsiz ölçüm ve test yöntemleri
• Ölçüm sırası ya da referans noktası belirleme
• Aktif devre elemanlarının ve entegrelerin katalog bilgilerini okuma
• Devre şeması ya da servis kitapçığı kullanma
• Tamir edilecek devre hakkında bilgi

Elektronik sistemlerde arıza tespit yaklaşımı altı aşamada ele alınabilir:

1. Arızanın (problemin) tanımlanması
2. Bilgi toplama
3. Enerji kontrolü ve duyusal kontrol
4. Ölçme ve kontrol
5. Tamir işlemi
6. Test işlemi

Devre elemanı arızaları ve sağlamlık testleri

Aktif ve pasif devre elemanları arızalandıklarında a çık devre, kısa devre, omik direnç değeri ya da değer değişikliği gibi farklı elektriksel tepkiler ortaya koyabilir. Bu elemanların, devre üzerinde montajlı iken ölçümünü yapmak hataya götürür. Direncin bir bacağı boşa alınarak ya da devreden tamamen çıkarılarak devre ile ilişkisi kesilir ve bu durumda sağlamlık kontrolü yapılabilir. Direnç sağlamlık testi ohmmetre ile yapılır ve ölçülen direnç değeri ile direnç üzerine kodlanmış veya yazılmış değer karşılaştırılarak tolerans sınırlarının dışında bir değer elde edilmesi halinde direnç yenisiyle değiştirilmelidir.

Pasif devre elemanlarından kondansatörün arızalanması durumunda kondansatör açık devre ya da kısa devre olur. Kondansatörler; devrede uzun süre kullanım, sıcaklık ve çalışma voltajından daha yüksek gerilime maruz kalması neticesinde arızalanabilir. Kondansatörün kapasitesi ve sağlamlığı LCR metre ile ölçülür. Pasif devre elemanlarından bobinde ise genellikle bobinin yalıtımının bozulması nedeniyle kısa devre arızası görülür. Bobinin yalıtımı; aşırı akım, aşırı gerilim, sıcaklık ve mekanik çarpma, kazıma gibi nedenlerle bozulabilir. Bobinin indüktansı LCR metre ile, yalıtım direnci meger ile ölçülür. Bobinin kopukluk testi ise ohmmetre ile yapılır.

Aktif devre elemanlarından diyodun arızalanması durumunda omik direnç, açık devre veya kısa devre durumları ile yüksek sızıntı akımı meydana gelebilir. Diyodun sağlamlık kontrolünü¨, diyot devre üzerinde iken yapmak daima yanıltıcıdır. Yapılması gereken testler genel olarak 4 kısımdan oluşmaktadır.

1. Diyodun sağlamlık testi
2. Transistörün sağlamlık testi
3. Tritörün sağlamlık testi
4. Fet’in sağlamlık testi
5. E-mosfet’in sağlamlık testi

V- I Karakteristiği

Klasik tamir metodunda elektronik devre elemanlarının sağlamlık testlerinin yapılabilmesi için elemanların devreden sökülmeleri gerekmektedir. Arıza kaynağı hakkında tam ve doğru bir analiz yapılmamışsa bütün devre elemanlarının sökülüp sağlamlık testlerinin yapılması epey zaman alır. Ayrıca elemanların sökülüp takılmaları sırasında gerek elektronik elemanlar gerekse baskı devre kartı zarar görür. Tamiratta en az sürede en az sayıda eleman sökülerek arızanın giderilmesi esastır.

Devre elemanlarına uygulanan gerilime bağlı olarak geçirdikleri akımın bir eğri üzerinde gösterilmesine V-I karakteristiği adı verilir. V-I karakteristiğinden faydalanarak aktif ve pasif devre elemanlarının arızalı ya da sağlam olduğunu tespit etmek mümkündür. Elektronik bir elemanın V-I karakteristiğinin bozulması elemanın bozulduğu anlamına gelir. V-I karakteristikleri bütün devre elemanlarının yerinden sökülmeden sağlamlık kontrollerinin yapılmasını sağlar ve bu nedenle arıza bulma ve gidermede önemli bir avantaj sunmaktadır.

V-I karakteristik eğrilerini kolayca belirlemek için özel cihazlar geliştirilmiştir. Bu cihazlar arıza tespitinde büyük bir kolaylık sağlamaktadır. Bu tür bir cihaz bulunmuyorsa sinyal üretici ve bir adet osilaskop kullanarak da V-I karakteristikleri çıkarılabilir.

Elektronik Basit Devre Arızaları

Arıza tespiti için temel bilgiler yanında sistem/cihazın çalışması ve cihaz üzerinde kullanılan devre elemanlarının ve özelliklerinin (direnç değeri, kapasite değeri, diyotlar için iletime geçme akımı vb.) bilinmesi gerekir. Bir cihaz ya da devrede uygun olmayan özellik ve değerde kullanılan tüm elemanlar arızaya neden olur.

Temel esasları verilen ölçüm ve kontroller sonucunda eleman/elemanlarda doğrudan arıza tespit edilebileceği gibi yapılan bazı ölçümler ve bu ölçümlere dayanarak yapılan hesaplamaların sonuçları da arızanın kaynağına belirlenmesinde yardımcı olur. Bu yaklaşım özellikle belirli noktalarda (kısıtlı) ölçme işleminin yapılabildiği devre, cihaz ve sistemlerde önem kazanır.