Şener Erişir
Elektrik Elektronik Mühendisi – Fabrika Müdürü
Aktif Güç Elemanları San. Tic. Ltd. Şti

Orta gerilim hücrelerinde pano ısıtıcı kullanımıyla ilgili sektörde bilgi kirliliği ve bilgi eksikliği olduğu görülmektedir. Pano ısıtıcıların maliyeti ve boyutları göz önüne alındığında sistemin sürekliliği, personelin ve yatırımın güvenliği açısından ne kadar büyük bir öneme sahip olduğu maalesef tam olarak anlaşılamamaktadır. Biz bu makalede aşağıdaki üç soruya cevap arayacağız;

1. Pano ısıtıcıları nasıl kullanılmalıdır?
2. Pano ısıtıcıları neden kullanılmalıdır?
3. Hangi tip Pano ısıtıcıları kullanılmalıdır?

1- Pano Isıtıcılar Neden Kullanılmalıdır?

Havanın sıcaklığı ile havadaki nem miktarı arasındaki ilişki özellikle Elektrik uygulamalarında en önemli konulardan biridir. Nemli havanın termodinamik özelliklerini kullanarak nemli havadaki işlemler ve şartlar ile ilgilenen termodinamik dalına “Psikometri” denmektedir. Psikometrik diyagram ve değerleri, pano ısıtıcılarının gerekliliği konusunda bize ışık tutarlar.

Psikometriye göre “Nem”; Havanın bulunduğu koşullarda içinde bulundurduğu maksimum su buharı miktarıdır. Bu cümle bize aynı zamanda hava içinde gaz halinde tutulan bu suyun bazı koşullarda artık tutulamayacağını da söylemektedir. Hava ısındıkça içinde tutabileceği su buharı miktarı da artmaktadır. Tersi durumda havanın soğumaya başlamasıyla artık içinde bulunan suyu gaz olarak tutamayacağı sıcaklık noktasına “Yoğuşma (çiğlenme) noktası” denir. Bir pano içindeki hava sıcaklığı kritik yoğuşma noktası altına düşerse, o pano içinde buhar su damlacıklarına dönüşmeye başlar.

Aşağıdaki tablo bize farklı sıcaklıklarda 1 m³ hava içinde tutulabilecek maksimum su miktarını gram cinsinden vermektedir.

Tablo-1

Yukarıdaki tabloya bakarak, hava sıcaklığı 30°C’den 20°C’ye düştüğü bir ortamda bulunan bir OG hücrenin içinde 13 gr suyun minik çiğ damlaları haline dönüştüğünü anlayabiliriz. Bu çiğ damlaları, pano saclarının, izolatörlerin, kesicilerin ve diğer elektrik ekipmanının üzerine dağılır. Sektördeki herkes bunun ne kadar sevimsiz bir durum olduğunu iyi bilir. Çiğ damlacıkları izole yüzeylerdeki toz ve kirle de birleşerek güvenli atlama mesafelerini (Creepage distance) maalesef son derece tehlikeli değerlere düşürerek, kısmi deşarjlara ya da direk izolasyon delinmelerine neden olur.

İstatistiki olarak OG hücrelerde meydana gelen arızalar dikkate alındığında, malzemelerin doğru seçildiği kabul edilirse ve yıldırım gibi dış etkenleri saymazsak en önemli iki etkenden biri nemin neden olduğu kısa ya da uzun vadeli izolasyon hatalarıdır.

Neyse ki nemin arızaya neden olmayacak güvenilir sınırlar içinde tutulması sadece doğru seçilmiş bir pano ısıtıcıyla sağlanabilmektedir.

Yapılan araştırmalar pano içerisindeki sıcaklığın sadece 3-4°C arttırılmasının riski son derece düşürdüğünü göstermektedir. Kimi yaklaşımlara göre nem %65, kimilerine göre ise %80’in altında tutulması güvenli kabul edilir. Gerçek şu ki sıcaklık ve nem değerinden bağımsız olarak pano ısıtıcı her koşulda mutlaka kullanılmalı ve pano içi sıcaklığı yoğuşma noktası üzerinde tutmalıdır.

Bu konunun tam olarak anlaşılamaması aşağıdaki iki yanlış yaklaşımın yaygın olarak kabul görmesine neden olmaktadır.

1. “Pano ısıtıcılara sadece soğukta ihtiyaç duyulur” Yanılgısı

Bu yanılgıya cevap bulmak için Psikometrik diyagramdan aşağıdaki Tablo-2’deki değerlere ulaşabiliriz.

Tablo-2

Göreceğiniz gibi Nemin %85 ve hava sıcaklığının 7°C olduğu bir kış gününde yoğuşma noktası 4,65°C olur ki hava sıcaklığı 1 saat içinde sadece 2,35°C düştüğünde yoğuşma başlayacaktır.

Nemin %85 olduğu ve hava sıcaklığının 23°C olduğu bir yaz gününde ise yoğuşma noktası 20,3°C olmaktadır ki hava sıcaklığı saatte sadece 2,7°C düştüğünde yoğuşma başlamaktadır.

Bu iki durum göstermektedir ki yoğuşma riski hava sıcaklığından bağımsızdır. Hatta Tablo-1’deki değerler dikkate alınırsa sıcak olan ortamda yoğuşan su miktarı daha fazla olmaktadır.

Bu durumda sıcak ya da soğuk, yaz ya da kış ayırt etmeksizin pano ısıtıcı daimî ihtiyaçtır. Yukarıdaki Tablo-2 dikkate alındığında 20 °C’nin altında devreye giren bir ısıtıcı kullanılıyorsa yaz günü için yoğuşma engellenemeyecektir. Bu durumda termostat kullanmayarak sürekli olarak ısıtıcı çalıştırılmalı ya da termostat çok geniş bir sıcaklık aralığında çalıştırılmalıdır.

Sonuç olarak ısıtıcının maliyetinden feragat etmek ya da ısıtıcının enerji sarfiyatından tasarruf etmeye çalışmak çok daha yüksek arıza maliyetlerine neden olabilecek çok ciddi bir hatadır.

2. “Pano içerisinde kullanılan, bakır bara gibi iletkenlerden akım geçtiğinde panonun ısınacağı, bu nedenle de ısıtıcı ihtiyacının olmayacağı” Yanılgısı

Pano içindeki en yüksek sıcaklık artışı bakır baralarda ve kesici kontaklarında meydana gelmektedir. 1250 A’lik kesici olan bir hücre düşünelim. IEC 61439 standardına göre sıcaklık artışı maksimum 105°C olabilmektedir. Ancak bu sistemden 200 A akım akarsa, akımın karesiyle orantılı olduğundan sıcaklık artışı maksimum (200²/1250²)*105 °C = 2,7°C olur, ki bu değer seçilen bara kesitine göre 2,7 ºC’nin altında veya üzerinde olabilir. Akım geçen iletkenlerin ulaştığı sıcaklık, hacmi çok çok daha büyük olan hücre içi havanın sıcaklığını çok az arttırabileceğini dikkate almamız gerekmektedir. Kaldı ki enerji altında olan ancak içinde yeterli güç iletkeni olmayan hücrelerde olacaktır. Yukarıdaki iddia bazen hücre içindeki hava sıcaklığını yoğuşma noktası üzerinde tutabilir ancak her koşul için riski azaltmadığı aşikardır. Sonuç olarak her bir hücrede ayrı bir ısıtıcı kullanmak zaruridir.

2- Pano Isıtıcılar Nasıl Kullanılmalıdır

Yukarıdaki bilgiler ve yıllar boyu edilen saha tecrübeleri dikkate alınarak pano ısıtıcıları kullanımı ile ilgili aşağıdaki uygulama tavsiyeleri ortaya çıkmıştır.

• Her bir orta gerilim hücresinde ayrı bir ya da birkaç pano ısıtıcı ve eğer kullanılacaksa ayrı bir termostat kullanılmalıdır.
• Termostat ya hiç kullanılmamalı ya da çok geniş bir çalışma sahası için ayarlanmalıdır.
• Pano Isıtıcılarında, yüksek soğutma yüzeyine sahip, alüminyum gövdeli, tel sarımlı ısıtıcılar tercih edilmelidir.
• Normal koşullarda Elektres marka (yüksek soğutma yüzeyine sahip, alüminyum gövdeli, tel sarımlı ısıtıcılar) bir ısıtıcı ile m³ başına 100 W’lık bir ısıtıcı yeterli olmaktadır. 1 m³ panodaki nem 100 W’lık bir ısıtıcı ile %95’den %80’e 1 saat içinde düşürülür (~%15 lik düşüm). 2 m³’lük bir panoda 100 W’lık bir Elektres marka ısıtıcı ile 1 saatte %12 lik bir düşüm sağlanabilir. Eğer bu pano %95 nem değerlerine ulaşan bir yerde çalışacak ise ısıtıcı gücünü 150 W’a çıkarmak doğru olur. Bu durumda saha koşulları ve pano hacmi dikkate alınarak her bir hücre gözü için ısıtıcı gücü ihtiyacı tespit edilebilir.
• Pano ısıtıcılar mutlaka panonun alt kısmına montajlanmalıdır. Isınacak havanın yükselecek olması ve genellikle panolara nem girişinin panonun alt kısmından olması nedeniyle ısıtıcılar zeminden maksimum 20 cm yükseklikte bir aralıkta çalıştırılmalıdır.
• Pano ısıtıcılarının aktif ısıtma yüzeyleri pano konstrüksiyonuna temas etmeyecek şekilde montajlanmalıdır. Yüksek yüzey alanına sahip konstrüksiyon, ısıtıcı yüzeyinin sıcaklığını temas yoluyla düşüreceğinden, verimi ciddi anlamda düşürür.
• Isıtıcının herhangi bir nedenle açık devre olması riskine karşı ısıtıcı devresini tedbir gereği izleyecek bir kumanda oluşturulabilir.
• Pano ısıtıcı yüzey sıcaklığı yüksek olacağından, sıcaklıktan etkilenecek malzemelerden min. 10 cm uzak olacak şekilde montajlanmalıdır.
• Pano ısıtıcı ile beraber kullanılabilecek termostatlar ısıtıcıdan min. 20 cm uzağa montajlanmalıdır.
• Yaygın bir yanlış, ısıtıcının pano içerisine, termostatın ise AG dolabı içine takılmasıdır. Bu iki ortam arasındaki termodinamik değerler farklı olacağından termostat ve kumanda ettiği ısıtıcı aynı ortamda olmalıdır.

3- Hangi tip Pano ısıtıcıları kullanılmalıdır

Sektörde rezistif tüm ürünlerde olduğu gibi Pano ısıtıcılarda da bir güç değeri (Watt) karmaşası yaşanmaktadır. Yani etiketinde 100 W yazan tüm pano ısıtıcılar aynı etkileri sağlayabilir mi, görevini aynı şekilde yerine getirebilir mi? Etiket değerlerini bir kenara bırakarak ürünün tasarlanan kullanım amacına hizmet edip etmediği, güvenli olup olmadığı detaylıca analiz edilmelidir.

Biz piyasa da kullanılan 3 tip ısıtıcı için bir analiz yaptık ve bu analizin sonucunda hangi tip pano ısıtıcının diğerlerinden daha verimli olduğuna, hangisini kullanmanın daha doğru olduğuna dair bir sonuca vardık.

1- Alüminyum Isıtıcı

Tel sarımlı, soğutma kanalları sayesinde yüksek soğuma yüzeyine sahip, alüminyum gövdeli pano ısıtıcı (Elektres Marka Isıtıcılar)

2- Boru Isıtıcı

Rezistans sektöründe kullanılan, bir sıvıyı daldırarak ya da katı bir kütleyi temas yoluyla ısıtmaya yarayan paslanmaz çelik gövdeli rezistans ısıtıcı.

3- PTC ısıtıcı

Gövdesi alüminyum olmasına rağmen, direnç elemanı olarak PTC yarı iletkeni kullanılan, aslında elektronik bir devre elemanı malzemesinden yapılan ısıtıcı.

Yukarıda tanımları yapılan ısıtıcı tiplerinin her biri için 100 W’lık numuneler üzerinde aşağıdaki değerlendirmeler, testler ve analizler yapılmıştır.

• • Fiziksel ve elektriksel tasarım
  • Yüzey alanı ve yüzey verimi
  • Pano içindeki nemi düşürme performansı
  • Nem düşüşünün pano içindeki Dağılımı
  • Nem düşürme hızı

Fiziksel ve elektriksel tasarım:

Özgül ağırlığının düşük, ısı iletim katsayısının yüksek olması nedeniyle, ortam ısıtmada yüzey gerilimi arttırılmış alüminyum kullanmak çok avantajlıdır. Alüminyumun ısıl iletkenliği 120-220 W/m.C iken, boru ısıtıcılarda kullanılan Ni-Cr alaşımı boru için bu değer 12-17 W/m.C kadardır. Ayrıca gövdenin sadece alüminyum olması yetmez, döküm alüminyumdan yapılan ısıtıcı gövdelerinde ince soğutucu yapraklar yapılamayacağından yüzey arttırılamamaktadır. En doğru çözüm ekstrüzyon yöntemiyle elde edilmiş alüminyum gövde olmaktadır.

Ayrıca bu alüminyumun eloksal kaplanması durumunda korozyona karşı da önlem alınmış olur. Yapılan araştırmalar eloksal kaplamanın alüminyum mukavemetini ve ısıl iletkenliğini önemli ölçüde arttırdığını göstermektedir.

Elektriksel izolasyon da pano ısıtıcılar için oldukça önemli bir konudur. Genel olarak minimum 2 kV / 1 dakikalık izolasyon mertebesini sağlaması gerekmektedir. ısıtıcılarda yaygın olarak yaşanan arızalar izolasyon kaçağından kaynaklanmaktadır. Bunun nedeni izolasyon amacıyla kullanılan tozun yanlış seçimidir. Maliyeti nedeniyle SiO2 (Silisyum Oksit) toz kullanılarak üretilen ısıtıcılarda izolasyon riski fazla olmaktadır. Bu toz küçük hacimde değil büyük hacimli ürünlerin izolasyonunda çözüm olabilir. Bunun nedeni SiO2 içindeki demir oranının MGO’nun içindeki demir oranından 7 kat fazla olmasıdır.

Isıtıcılarda direnç elemanı olarak, sıcaklıkla direnç değeri artmayan alaşımdan paslanmaz direnç teli kullanılması gerekir. Bu sayede sıcaklık yükselse de güç değeri düşmez ve sabit kalır.

Yüzey alanı ve yüzey verimi

Pano ısıtıcıları kullanım amacı gereği havayı ısıtan bir elektrikli ısıtıcıdır. Bu tip ısıtıcılar için havayla temas eden yüzey alanı ne kadar büyükse ısıtıcının verimi o kadar yüksek olur. Elektres marka alüminyum ısıtıcılar tasarımları gereği yüzey alanı çok sayıda soğutucu yaprak ile arttırılmış, eloksal kaplı, ekstrüzyon yöntemiyle üretilen bir gövdeye sahiptir. Boru ısıtıcılar ise normal şartlarda sıvıları ısıtmak ya da temas yoluyla bir kütleyi ısıtmak amacıyla kullanılabilecek bir ısıtıcıdır. Bu durumda bu ısıtıcının yüzey alanının ve yüzey veriminin düşük olması beklenir. Kaldı ki bu yüzey ısı iletimi iyi olan alüminyum değil çelik malzemedir. PTC ısıtıcıların gövdesi alüminyum olmasına rağmen yüzey veriminin düşük olduğu görülmektedir.

Burada yüzey verimini; bir ısıtıcının yüzey alanının, kapladığı kübik alana oranı olarak kabul edelim. Yani birim cm³ hacim başına düşen alan (cm²) ne kadar fazla ise yüzey verimi o kadar fazla olur. Özellikle OG panolarında izolasyon mesafelerini korumak adına daha küçük hacimde daha yüksek yüzey alanı ve dolayısıyla daha yüksek verime ihtiyaç vardır.

Tablo-3

Tablo – 3 deki değerlere göre alüminyum ısıtıcılar yüzey verimi açısından tartışmasız bir başarı ve yüksek bir verim sağlamaktadır. Aynı zamanda yüzey veriminin yüksek olması cm²’ye düşen güç miktarının az olması nedeniyle daha uzun ömürlü bir ürün sunmaktadır.

Pano içindeki nemi düşürme performansı

Yukarıdaki yüzey verimi ile ilgili tezimiz doğru ise, üç tip pano ısıtıcının bir pano içindeki nemi düşürme performansı da benzer sonuçlar vermelidir. Fiziksel tasarım dışında elektriksel tasarım yaklaşımının yukarıdaki (Grafik – 1) sıralamayı nasıl etkileyeceğini görelim.

Üç tip 100 W’lık pano ısıtıcı aynı hacimde (2 m³) bir panoda aynı sürede (60 dakika) çalıştırılmış ve 10 dakikada bir pano içindeki sıcaklık ve nem değerleri ölçülmüştür. Bu test ile ısıtıcıların nemi 1 saat sonunda % kaç düşürebildiğini test etmiş oluyoruz.

Grafik – 2 de görüldüğü gibi alüminyum ısıtıcılar 1 saatte % 13’lük çok iyi bir nem düşürme performansı göstermiştir. Sırasıyla boru ısıtıcı ve PTC ısıtıcı % 8 ve % 1,67’lik düşüşler sağlamıştır. Burada en dikkat çekici husus, PTC ısıtıcıların devrede olmasıyla olmaması arasında bir fark olmamasıdır. PTC ısıtıcıların fiziksel tasarımlarından daha kötü olan elektriksel tasarımları bu sonucu doğurmuştur. PTC direnç malzemesi bir yarı iletken olup ısıtma maksatlı kullanılabilecek bir malzeme değildir. Sıcaklıkla direnç değerinin hızla yükselmesi sonucu, gücü ısındıkça düşen, dolayısıyla kendi etkisini yok eden bir yapıdadır.

Nem düşüşünün pano içindeki Dağılımı

Isıtıcılar pano içerisinde nemi az ya da çok düşüreceklerdir. Ancak bu düşüşün homojen olup olmadığı da önemlidir. Panonun alt tarafında ısıtıcıya yakın olan alandaki düşüş ile panonun üst tarafındaki düşüş arasındaki fark ne kadar az olursa, ısıtıcı nem düşürme fonksiyonunu o kadar başarılı yapmış olur.

Burada tezimiz, havayı ısıtma için uygun bir yapısı olmayan, yüzey alanı az boru ısıtıcının fonksiyonunu homojen olarak yapamayacağı şeklindedir. Boru ısıtıcıların bu nedenle yakınındaki alanı fazla ısıttığı, ısıtıcıdan uzaklaştıkça ise bu ısının hızla düştüğü görülmüştür. Bu tezi sınamak için pano içine 3 farklı ölçüm noktası oluşturduk. Birincisi ısıtıcıya 450 mm uzaklıktaki alt ölçüm noktası, ikincisi 900 mm uzaklıktaki orta ölçüm noktası ve üçüncüsü 1350 mm uzaklıktaki üst ölçüm noktası. Yine 2 m³ hacminde bir panoda 60 dakika boyunca test yapılmış, 60 dakika sonunda bu üç noktadan alınan nem değerleri aşağıdaki Grafik – 3’te gösterilmiştir.

60 dakika sonunda, Alüminyum ısıtıcı ile yapılan testte alt ve üst nokta arasındaki nem farkı %21 olurken, boru ısıtıcı ile bu farkın %33 olduğu görülür. Testin sonucu Alüminyum ısıtıcının nem alma fonksiyonunu homojen olarak yerine getirmede daha başarılı olduğudur.

Nem düşürme hızı

Bir pano ısıtıcının pano içindeki nemi düşürme fonksiyonu kadar, nemi düşürme hızı da çok önemlidir. Yazımızda da anlattığımız gibi ortam sıcaklığı bazen sadece 3-4 °C düşünce bile yoğuşma noktasına ulaşılabilmektedir. Mesela güneşin batmasıyla birlikte hava sıcaklığındaki keskin düşüş, pano içini hızla yoğuşma noktasına sürükleyebilir. Böyle bir durumda nem düşürme hızı kritik bir öneme sahiptir.

Nem düşürme hızlarını ölçmek için test sonuçlarımızı alüminyum ısıtıcı ve boru ısıtıcı için analiz ettik. Herhangi bir etkisi olmadığından PTC ısıtıcıyı değerlendiremiyoruz. Test yaptığımız andaki havanın nem miktarı yaklaşık %85’di. Genel bir kabul olan %80 nem oranının altına düşürmek için %6 lık bir nem düşüşü seçildi.

Grafik – 4 de net bir şekilde görüleceği üzere alüminyum ısıtıcı, seçilen %6’lık bir nem düşüşünü 16 dakikada gerçekleştirirken bu süre boru ısıtıcıda 34 dakikadır. Gün içerisinde yüksek sıcaklık değişimlerinin yaşandığı coğrafyalarda kurulu OG hücrelerinde daha da kritik olmak üzere, alüminyum ısıtıcı kullanmak, yüksek nem düşürme hızı sayesinde daha doğru bir çözüm olacaktır.

Sonuç

Bu sonuçlar ışığında bir özetleme yaparsak kullanmamız gereken pano ısıtıcının özelliklerini sıralayalım;

Fiziksel olarak;

• Ekstrüzyon yöntemiyle üretilmiş, yüzey alanı soğutma kanalları ile arttırılmış, eloksallı alüminyum gövdeli olmalıdır.
• Direnç elemanı olarak paslanmaz direnç teli kullanılmalıdır.
• İzolasyon malzemesi olarak “MGO” (magnezyum oksit) izolasyon tozu kullanılmalıdır.
• Terminal olarak sıcaklıktan etkilenmeyen porselen klemens kullanılmalıdır.

Elektriksel olarak;

• Sıcaklıkla direnç değeri artmamalı, dolayısıyla çalışma geriliminde beyan edilen güç değeri sabit kalmalıdır.
• Delinme izolasyon değeri min. 2 kV / 1 dakika olmalıdır.

Kaynaklar

Essentials of Meterology – C. Donald Ahrens

Meteorology Today – C. Donald Ahrens

Condensation in Switchgear and Anti-Condensation Heater – Jim Bowen – Powell

Space heater – sizing and application principles – TechTopics No. 84 – Siemens Industry, Inc.

Psikrometrik Diyagram Ve Uygulamaları – Celalittin Kırbaş – Mak. Müh. – Mmo 2013 Kocaeli Şubesi