Aşırı Akım ve Toprak Koruma Rölesi Nedir? Ne İşe Yarar, Nasıl Çalışır ve Hangi Amaçla Kullanılır?

Aşırı akım ve toprak koruma rölesi, elektrik sisteminde faz akımlarını ve toprak arızasına işaret eden artık akımı izleyerek koruma sağlayan röledir. Kısaca aşırı akım ve toprak koruma rölesi nedir sorusunun cevabı; kısa devre, aşırı yük benzeri akım artışları ile faz-toprak arızalarını algılayıp ilgili kesiciye açma komutu veren koruma cihazıdır. Bu röle çoğu uygulamada feeder, kablo, trafo çıkışı veya dağıtım devresinin temel koruma elemanlarından biri olarak görev yapar.

Aşırı akım ve toprak koruma rölesi ne işe yarar sorusunun merkezinde güvenlik ve seçicilik vardır. Elektrik tesisinde arıza olduğunda amaç tüm sistemi kapatmak değil, yalnızca arızalı bölümü devreden çıkarmaktır. Fazlar arası kısa devre veya yüksek akım üreten arızalar için aşırı akım koruması devreye girerken, daha düşük seviyeli ama tehlikeli olabilen faz-toprak arızaları için toprak koruma fonksiyonu daha hassas davranır. Böylece hem ekipman korunur hem de gereksiz geniş alan kesintileri azaltılır.

Bu rölenin iki ana görevi vardır. Birincisi phase overcurrent yani faz aşırı akım korumasıdır. Bu fonksiyon faz akımlarını izler ve kısa devre veya ağır aşırı akım durumlarında açma kararı verir. İkincisi earth fault ya da ground fault yani toprak koruma fonksiyonudur. Bu kısım ise sisteme göre nötr akımını, artık akımı veya rezidüel bileşeni değerlendirerek faz-toprak arızalarını algılar. Aynı rölede iki işlevin bulunması, özellikle dağıtım fiderlerinde pratik ve yaygın bir çözümdür.

Aşırı akım ve toprak koruma rölesi nasıl çalışır sorusunu basit anlatmak gerekirse röle, CT’lerden gelen akımları sürekli ölçer ve bunları ayarlanmış pickup değerleriyle karşılaştırır. Eğer faz akımı belirlenen I> veya I>> seviyesini aşarsa faz aşırı akım koruması çalışır. Eğer artık akım ya da nötr akımı belirlenen I0> veya I0>> seviyesini aşarsa toprak hata koruması devreye girer. Röle ardından ayarlanan zaman eğrisi veya sabit gecikme mantığına göre trip kararı üretir.

Aşırı akım korumasında en yaygın kademeler düşük kademe ve yüksek kademedir. Düşük kademe genellikle I> olarak adlandırılır ve çoğu zaman zaman gecikmeli çalışır. Yüksek kademe ise I>> şeklinde ifade edilir ve daha ağır arızalarda daha hızlı açma için kullanılır. Bazı rölelerde buna ek olarak ani açma kademeleri de bulunur. Bu yapı, hem seçiciliği hem de hızlı arıza temizlemeyi birlikte kurabilmek için kullanılır.

Toprak koruma tarafında da benzer mantık vardır. I0> kademesi daha hassas ve çoğu zaman gecikmeli toprak hata koruması için kullanılırken, I0>> daha yüksek seviyeli ve daha hızlı açma mantığı sağlayabilir. Buradaki önemli fark şudur: toprak arızası akımı çoğu zaman faz-faz kısa devre akımı kadar yüksek olmayabilir. Bu nedenle toprak koruma fonksiyonunun daha hassas ayarlanması gerekir. Özellikle dirençli topraklı veya sınırlı fault current üreten sistemlerde bu hassasiyet çok önemlidir.

Toprak koruma fonksiyonunun faz korumasından daha hassas olmasının nedeni budur. Faz aşırı akım koruması bazı düşük seviyeli toprak arızalarını fark etmeyebilir ya da yeterince hızlı değerlendiremeyebilir. Toprak koruması ise artık akımı izlediği için daha düşük büyüklükteki faz-toprak arızalarını görmeye yardımcı olur. Bu nedenle modern koruma yaklaşımında phase overcurrent ve earth fault koruması çoğu zaman birlikte düşünülür.

Toprak hata akımının nasıl ölçüldüğü de önemli bir konudur. Bazı uygulamalarda üç faz CT’nin rezidüel toplamı kullanılır. Bazı sistemlerde ise core-balance CT yani toroidal tip akım trafosu tercih edilir. Core-balance yaklaşımı özellikle toprak arızasını daha hassas izlemek için avantaj sağlayabilir. Hangi yöntemin uygun olduğu, sistemin yapısına ve istenen hassasiyet seviyesine göre belirlenir.

Zaman karakteristiği bu rölelerin en kritik ayar başlıklarından biridir. IDMT yani inverse definite minimum time yapısında akım büyüdükçe açma süresi kısalır. Definite time karakteristikte ise eşik aşıldıktan sonra sabit gecikme uygulanır. Instantaneous ya da ani açma mantığında ise eşik üstünde röle gecikmesiz veya çok kısa gecikmeyle çalışır. Hangi yaklaşımın uygun olduğu koruma koordinasyonu ve devrenin yapısına göre değişir.

Bu nedenle aşırı akım ve toprak koruma rölesi sadece arıza var mı yok mu diye çalışan basit cihaz değildir. Gerçekte pickup değeri, zaman eğrisi, ani açma seviyesi, toprak hata hassasiyeti ve yukarı-aşağı koruma koordinasyonu birlikte düşünülerek ayarlanır. Aynı röle bir tesiste çok güvenli çalışırken, yanlış ayarla başka bir tesiste gereksiz açmalara neden olabilir. Cihaz kadar setting de kritiktir.

Aşırı akım ve toprak koruma röleleri özellikle radial feeder, kablo çıkışı, OG hücreler, trafo fiderleri, kompakt merkezler ve motor beslemelerinde yaygın olarak kullanılır. Bazı uygulamalarda ana koruma, bazı uygulamalarda ise yedek koruma görevi üstlenir. Özellikle basit ve güvenilir koruma ihtiyacının öne çıktığı dağıtım sistemlerinde bu röleler koruma felsefesinin temelini oluşturur.

Yönlü sistemlerde bu fonksiyonlar daha da gelişebilir. Ring şebekeler, çift yönlü beslemeler veya paralel kaynaklar varsa aşırı akım ve toprak koruma yön bilgisiyle birlikte çalıştırılabilir. Böylece röle yalnızca akım büyüklüğünü değil, fault current yönünü de değerlendirir. Bu yapı özellikle looped distribution sistemlerinde yanlış açmaları önlemek açısından önemlidir.

Aşırı akım ve toprak koruma rölesi ile diferansiyel röle aynı şey değildir. Diferansiyel koruma belirli bir ekipmanın giriş-çıkış akımlarını karşılaştırarak daha seçici iç bölge koruması yapar. Aşırı akım ve toprak koruma ise daha genel bir yaklaşım sunar ve çoğu zaman feeder veya ekipman için temel ya da yedek koruma olarak kullanılır. Bu yüzden yaygın, ekonomik ve güçlü bir koruma çözümüdür; ancak her durumda tek başına yeterli olmayabilir.

Modern sayısal rölelerde bu fonksiyonlar yalnızca açma kararı üretmekle kalmaz. Birçok cihaz olay kaydı, fault current kaydı, osilografi, haberleşme, ölçüm ve bazen breaker failure gibi ek koruma fonksiyonları da sunar. Böylece aşırı akım ve toprak koruma rölesi yalnızca koruma elemanı değil, aynı zamanda sistem davranışını izlemeye yardımcı olan bir veri kaynağı haline gelir.

Özetle aşırı akım ve toprak koruma rölesi; faz akımlarını ve toprak hata akımını izleyerek kısa devre, aşırı akım ve faz-toprak arızalarında koruma sağlayan temel röledir. I>, I>>, I0>, I0>> gibi kademeler, IDMT veya definite time eğrileri ve gerektiğinde yönlü fonksiyonlarla çalışabilir. Doğru seçilmiş, doğru ayarlanmış ve doğru test edilmiş bir aşırı akım-toprak koruma rölesi, OG ve YG dağıtım sistemlerinde güvenli işletmenin en önemli katmanlarından biridir. Bir sonraki adımda istersen aynı kalıpla aşırı akım ve toprak koruma rölelerinde yapılması gereken test ve bakımlar yazısını da hazırlayabilirim.