NXAIROrta Gerilim Şalt Tesislerinde, pano içinin etkin bir biçimde soğutulması, sistemin akım taşıma kapasitesi açısından büyük öneme sahiptir. IEC 62271 kapsamında, zorlu iç ark klasifikasyonları, özellikle sistem üzerindeki havalandırma sistemlerinin de belirli limitler dahilinde eklenebilmesini sağlamaktadır. [1] Akım taşıma kapasitesine de etkisi olan ve benzeri sorunlar, farklı tasarım yaklaşımları ile çözümlenebilmektedir. Ancak optimum düzeyde bir çalışma için sistemin alt yapısındaki temel ısı transfer mekanizmalarına da aşina olunmalıdır.

Temelde, ısı transferi 3 ana başlık altında incelir.

Bunlar;
İletim (Kondüksiyon)
Taşınım (Konveksiyon)
Işınım (Radyasyon)’dur.

Elbette, bu üç mekanizma da sistem üzerinde etkilidir. Söz konusu mekanizmaları kısaca orta gerilim şalt sistemlerine uyarlayarak anlatmamız gerekirse;

İletim (Kondüksiyon)
Orta gerilim şalt panosunda yer alan bakır kovan ve trafo bağlantı noktaları gibi doğrudan temas eden kısımlar için kondüksiyon ile ısı transferi söz konusudur. Sistem üzerinde IEC standardında belirtilen değerler için; özellikle yoğun tasarım yapılmışsa, soğutulması en zor bölgeler de bu kısımlar olmaktadır. Mekanizma için bir boyutlu yüzeyde ısı geçişi, yüzeyler arası sıcaklık farkının örneklem yapılan yüzey kalınlığına bölünmesi ve malzemenin ısı taşınım katsayısı ile çarpılmasıyla elde edilir. Buradaki formülasyonda; q_x^'' ısı akısı, T sıcaklık, k ısı iletim katsayısı ve L akışın gerçekleştiği malzemenin kalınlığı olarak kabul edilir.

Taşınım (Konveksiyon)
Pano içi havalandırma sistemlerindeki en önemli ısı iletim mekanizması taşınım, bir diğer adıyla konveksiyondur. (Bkz. Şekil 1) Taşınım özellikle yüksek amperaja sahip panolarda ısı geçişinin hızlı bir biçimde ve çok daha geniş alanlarda yapılabilmesine olanak sağlamaktadır. Özellikle hava izoleli şalt panolarında ortam havası kullanıldığı için etkili ve maliyetsiz bir yöntemdir. Formülasyonundaki en önemli fark malzemenin yüzey sıcaklığı ile akışkanın sıcaklığı arasındaki farkın orantı katsayısı (ısı taşınım katsayısı) ile çarpılması ile elde edilir. Burada; q'' ısı akısı, Ts-T∞ yüzey ve akışkan arasındaki sıcaklık farkı, h ise ısı taşınım katsayısıdır. Yüzey alanından da yine benzer şekilde gerçekleşen ısı transferi hesaplanabilir.

q''=h(Ts-T∞)

Şekil 1: Taşınım Mekanizmasının GösterimiŞekil 1: Taşınım Mekanizmasının Gösterimi

Işınım (Radyasyon)
Işınım da bir diğer önemli ısı transfer mekanizmasıdır. Işınım yayma, cismin yapısından bağımsız olarak cismi oluşturan atomların ve moleküllerin elektron düzenlerindeki değişmelere yorumlanabilir. Işınım alanının enerjisi, elektromanyetik dalgalar veya fotonlar ile aktarılır. [2]
Pano içerisindeki cihazlar, sac parçalar, bakır parçalar vb. tüm bileşenlerden ortama enerji verilmektedir.
Işınım ile yüzeyden bırakılan enerji; E yayma gücü olarak tanımlanır. Formülasyonunda, ε yayma oranı, σ Stefan-Boltzmann sabiti, T ise Kelvin cinsinden yüzeyin mutlak sıcaklığıdır.

Temel ısı transferi mekanizmalarından bahsettikten sonra orta gerilim panolarında uygulanan “soğutucu” etkiye sahip ısı transferi ile ilgili çalışma ve yaklaşımları da şu şekilde sıralayabiliriz.

Kapalı Sistemlerde Soğutma
Doğal Havalandırmalı Sistemlerde Soğutma
Cebri Havalandırmalı Sistemlerde Soğutma

Bunların dışında özel uygulamalar da olmakla birlikte genel olarak yukarıda saydığımız üç yapı büyük bir oranda pek çok sistemin tasarımında karşımıza çıkmaktadır.

Kapalı Sistemlerde Soğutma
Bu yapılar genellikle çok yüksek akım değerlerine ihtiyaç duyulmayan tesislerde üretilen panoların maliyet açısından da uygun seviyelerine çekilebilmesini sağlamaktadır. Ek bir havalandırma sistemine ya da pano dışından gelecek bir etkene ihtiyaç duymadan gerek duyulan değerlere ulaşılmasını sağlar. Buradaki temel yaklaşım iç hacmin fazla ısı enerjisini bertaraf edebilecek şekilde bırakılmış olmasıdır.
Nadiren de olsa bakır lamaların ve parçaların soğutmasının yetersiz kaldığı noktalarda tasarıma göre bakır ve/veya alüminyum, ekstrüzyonla imal edilmiş soğutucu kanatlar da kullanılabilmektedir. (Bkz. Şekil 2)
Şekil 2. Alüminyum Soğutma Kanatları [3]
Bu basit tasarım yaklaşımı ile nispeten daha ucuz yapılar ortaya çıkarılabilir. Ancak sistemin akım taşıma kapasitesi açısından dar limitlere sahip olmasına neden olacaktır. Yalnız, iç hacmin artırılması ile soğutma etkisinin artırılması belirli bir noktadan sonra fizibil olmayacağı için havalandırmalı tasarımlara geçilmesi gerekecektir.

Doğal Havalandırmalı Sistemlerde Soğutma
Bu sistemlerde, pano içi soğutma etkisi dış ortam havası da kullanılarak sağlanır. Aslında temel olarak bildiğimiz bir bilgiyi kullanır. Isınan havanın yükselmesi ile üst kısımlarda yer alan çıkış noktalarından ısınan havanın pano dışına atılması prensibine dayanmaktadır. Kapalı sistemlerde elde edilemeyen ancak cebri havalandırma gibi çok yüksek akım değerlerine de ihtiyaç duyulmayan tesislerde önemli rol oynamaktadır. Konveksiyon mekanizmasını çok net görebildiğimiz yapılardır.
Yapı ihtiyaç duyulan hava debisini pano içinde en fazla ısınan noktalara sevk edecek şekilde tasarlanmış bir havalandırma tünel sistemi olarak düşünülebilir.
Soğuk hava girişinin alt kısımda olması verimlilik açısından önemlidir. Aksi durumlarda istenen soğutma akışkanı yani hava debisi sağlanamayabilir. (Bkz. Şekil 3)
Şekil 3: Doğal Havalandırmalı Sistem Modeli
Doğal havalandırmalı tasarımlar, kapalı sistemlere göre bir miktar daha pahalı olmakla birlikte akım taşıma kapasitesini yükseltmesi bakımından çok fazla başvurulan yapılar olarak öne çıkmaktadır. Havalandırma için hareketli parçalar içermemesi ve temelde basit bir yapı üzerine tasarlanmış olmaları nedeniyle sıklıkla tercih edilmektedir.

3. Cebri Havalandırmalı Sistemlerde Soğutma
Cebri havalandırmalı soğutma yaklaşımı, hava akışını bir yardımcı cihaz ile doğal akıştaki debisinden çok daha fazla soğutucu hava debisinin kesit üzerinden geçirilmesi prensibine dayanmaktadır. Tüm sistemler içerisinde en pahalı ve bakım gerektiren yapılardır. Ancak yüksek akım taşıma kapasitelerine erişim için sıklıkla tercih edilmektedirler. Uygulamalarda, firma tasarımına göre farklı özellik ve debideki fanlar kullanılabilir. (Bkz. Şekil 4) Cebri sistemlerdeki en önemli sorun; hareketli parça içermesi nedeniyle arızayla karşılaşmak, diğer sistemlere göre daha fazla meydana gelebilir. Bunun çözümü olarak fan ayarlarının iyi yapılması ve duruma göre yedeklenmiş tasarım ile kullanılmasıdır. Bu sayede tasarım mühendisi, uzun yıllar serviste kalabilecek panoların ortaya çıkmasını sağlayacaktır.

Şekil 4. Havalandırma Sistemlerinde Kullanılan Fan [4]

Tesis ve pano tasarımlarında tüm yaklaşımlar, optimum seviyeye ulaşmak için göz önünde bulundurulur. Kapalı ve havalandırmalı sistemlerin kombine biçimde kullanıldığı tesisler günümüzde çok yaygın olduğu için müşteriye ait tüm istek ve parametreleri karşılayacak seviyede bir çözüm önerilmesi önceliklidir.
Ayrıca, tüm elektrikli ve elektronik cihazlarda olduğu gibi orta gerilim şalt panolarında, ortamda bulunan katı partiküllere ve sıvılara karşı koruma derecesini gösteren belirli bir IP(Ingress Protection) kodu ile sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflandırma, özellikle çok daha fazla havalandırmaya ihtiyaç duyulan yüksek amperaja sahip panolar özelinde, hava debisi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bunun sebebi farklı IP değerleri için kullanılan tellerdeki aralıkların koruma sınıfına göre değişmesi ve daralan kesit nedeniyle hava akışını tamamen açık referans kesitine göre, değişken oranlarda azaltmasıdır. Doğal havalandırmalı ve cebri havalandırmalı sistemlerde bahsi geçen koruyucu tellerin kesit alanları doğrudan akım taşıma kapasitesine etki etmektedir. Bunun dışında havalandırma için gerekli oda içi hacmin sağlanabilmesi ve iç ark kalsifikasyonuna uygunluk göstermesi için tavan yükseklikleri de tesis tasarımındaki bir diğer önemli noktalar arasında sayılabilir.

Sonuç olarak; tesis tasarımında kapalı, doğal ve cebri havalandırmalı panolar tek başına ya da tesisin durumuna uygun biçimde birlikte kullanılabilir. Havalandırmalı panolarda uygun IP değerine göre akım taşıma kapasitesi etkileneceğinden seçim titizlikle yapılmalıdır. Seçimde yardımcı olacak maddeleri aşağıdaki gibi sıralayabiliriz.

İstenen Akım Taşıma Kapasitesi
Oda Tavan Yüksekliği
Oda İçindeki Partikül Miktarı
Ortam Sıcaklığı
Tesisin Bulunduğu Rakım
Pano İçinde Kullanılan Cihazlar ve Tipleri
Odanın İçindeki İklimlendirme Sistemi ve Verimi

Tesis özelinde ortaya konabilecek tüm etkenler bir araya getirilerek müşteriye uzun yıllar etkili bir biçimde servis verebilecek ürünler ve sistem sunulmuş olacaktır.

Kaynakça:
[1] IEC 62271-200 High-voltage switchgear and controlgear –Part 200: AC metal-enclosed switchgear and controlgear for rated voltages above 1 kV and up to and including 52 kV
[2] Incropera, F.P. DeWitt, D.P. Isı ve kütle geçişinin temelleri, (Derbentli, T. Genceli, O. Güngör, A. Hepbaşlı, A. İlken, A. Özbalta, N. Özgüç, F. Parmaksızoğlu, C. Uralcan, Y. çev.) Literatür Yayıncılık, İstanbul 2004
[3] http://www.dissipatori.com/Heatsink-aluminium.htm
[4] https://www.pbmmf.com/products/ec-ac-input-fan/backward-curved-centrifugal-fan/4002253mm-ec-ac-backward-curved-centrifugal-fan/

Yazan: Emre Kırımtay - Siemens Türkiye Akıllı Altyapı Dağıtım Sistemleri, Orta Gerilim Mekanik Teklif Grup Yöneticisi