“ELEKTROMANYETİK KİRLİLİK”

Münir Karıncaoğlu, Elektrik Mühendisi

İletkenler içinden akım geçtiğinde, yakın çevrelerindeki iletkenler ve devreler üzerinde bazı etkiler yaratırlar. Bu olaya basit tabiri ile indükleme veya kuplaj adı verilir. Etkiyi yaratan kaynak saldırgan, ve etki altında kalan iletken veya devre kurban durumundadır. Etkinin yayıldığı ortam, serbest havadır. Kağıt fabrikalarında enerjinin kullanımı çok yaygın ve kablo miktarı çok fazladır. Kullanılan enerji miktarı yanında, enerji kalitesindeki bozulma son derece artmaktadır. Bu durum saldırgan kaynak sayısını ve kurban iletken sayısını da arttırmaktadır.

Bozulmanın oluş mekanizması ortaya çıkartılmadıkça, çözüm üretilmesi mümkün olmaz. Bu nedenle öncelikle bozulmaların nasıl meydana geldiği anlaşılmalıdır.

Serbest hava içinde, elektrik kuvvet çizgileri (E), indükleme yoluyla gürültü gerilimlerini yaratır. Benzer şekilde manyetik alan çizgileri (H) ise, indükleme yoluyla gürültü akımlarını yaratır. Elektrik alanı yüksek empedanslı bir gerilim kaynağı olarak düşünülmelidir. Manyetik alan ise düşük empedanslı bir akım kaynağı durumundadır.

Bunlara ilave olarak bir de elektromanyetik (E,H) yayılım söz konusudur. Bu dalgalar, yatay ve düşey polarize düzlem üzerinde ve birbirlerine 90º açı ile bulunurlar. Elektrik, manyetik ve elektromanyetik etkilerin tamamına Elektromanyetik kirlilik (EMI=Elektromagnetic Interference) adı verilir.

Aşağıda her üç kuplajın oluşum mekanizması verilmektedir.

1- Manyetik kuplaj

Yıldırım düşmesinde olduğu gibi, kaynağa yakın, fakat onunla temas halinde bulunmayan elektronik devrelerde, direk olarak yıldırım akımı devrenin üzerinden geçmemesine rağmen, cihazda arızalanma olabilir. Saldırgan yıldırım, yıldırımlıkiletkeni içinden geçen akımın büyüklüğü oranında, yakınındaki kurban devreyi, manyetik alanın etkisi altında bırakarak etkiler.

Yıldırımlık iletkeni örneğinde elektrik akımı, bir bobinden veya gerilim kaynağından değil, kurbana paralel uzanan saldırgan iletkenden akmaktadır. Yani ortamda bir akım kaynağı bulunmaktadır. Bu akım kaynağı, son derecede büyük ve büyüklüğü zamana göre hızla değişen bir akım üretmektedir (di/dt).

Yıldırım geçici bir olaydır. Geçici olaylar arasında, anahtarlama tabir edilen kesici ve şalterlerin operasyonları, kondansatörlerin devreye girmeleriyle oluşan gerilim yükselmeleri, ani yüklenme ve yük düşmeleri gibi şebekeden çekilen akımdaki ani değişikliklerin görüldüğü örnekler bulunur. Röle bobinlerinde olduğu gibi, bobinlere enerji verilmesi sırasında, anlık manyetik alan üretimi olur. Bu tür geçici sinyallere darbe gerilimi, transient veya surge denir. Bunların bastırılması veya yok edilmeleri gerekir. (Surge suppression, surge protection)

Sonuç olarak saldırgan akım, karşı devre üzerinde gerilim endüklenmesinesebep olur. Anlık geçici olaylarda, saldırgan iletkenden geçen akımın değişim hızı di/dt, ne kadar büyükse kurban devre ve iletken üzerinde endüklenecek gerilimde o kadar büyük olur.

Özetlemek gerekirse endüklenen gerilimin büyüklüğü aşağıdaki şartlara bağlıdır.

a) Saldırgan iletken ve bu iletkene paralel konumdaki, kurban devrenin toplam alanı

b) Devrenin alanını etkileyecek açısal dönmeler

c) Saldırgan iletkene olan uzaklıkd) Saldırgan iletkenden geçen akımdaki değişim hızı di / dt

Önemli Not: Kurban devrenin iç empedansı endüklenen gerilimin büyüklüğünde etkili değildir.

Çok damarlı ve damarları izoleli bir kabloda, iletkenlerden birinde, elektromanyetik (EMI, Elektromanyetik gürültü) kökenli bir saldırgan sinyalin bulunması halinde, bu iletkendeki saldırgan sinyal, diğer damar iletkenleri üzerinde de görülecektir. Toprak ve nötr iletkenleri de bu bulaşmadan etkilenir.

Yakın kurban iletkenler üzerinde meydana gelecek etki, uzaklığın küpü ile ters orantılı olacağından, EMI taşıyan bir kablo iletkeninin, en çok kendi iletkenlerini ve daha sonra, ayni tava içindeki komşu iletkenleri etkilemesi kaçınılmazdır. Uzaklık yeterince arttığında EMI etkisi uzaklığın karesi ile ters orantılı olmaktadır. Bu nedenle farklı tava içindeki iletkenlerin birbirleri üzerindeki etkileri kare oranlıdır.

Yukarıda, komşu kurban devrenin alanının büyümesi EMI için olumsuz olarak verilmişti. Tava içinde giden bir kurban kablonun veya topraklama iletkeninin, saldırgan kablo ile uzun bir mesafe birlikte gitmeleri halinde kuplaj yoluyla ciddi bir etkileşim olacağı açıktır (a). EMI nin minimum olması için, ya ayrı tavalarda olmaları yada iletkenlerin birbirlerini 90 º kesmeleri gerekir (b).

(a) (b)

İndükleme gerilimi, kurban devre empedansının büyük veya küçük olmasıyla değişmez. Kurban devrenin empedansının küçük olması halinde indüklenen gerilim sabit olduğundan, devre üzerinden geçecek akım büyür ve kurban devrenin (surge protection) koruması yoksa tehlikeli olur.

E= I*Z (E sabit ve Z küçükse I büyük olacaktır)

Gerilimin küçük boyutlarda kalması durumunda parafudur kullanmak işe yaramaz. Fakat büyük gerilimler için parafudurlar etkilidir. İşletmelerde kısa sürede büyük akım değişimlerine mümkün olduğu oranda müsaadeedilmemelidir. Şok bobini türü bobinler akımları sınırlama özellikleri ve akımın zamana göre değişim oranına karşı koymaları nedeniyle kullanılabilirler. Büyük motorların kalkış akımları bir şekilde sınırlandırılmalıdır. Bu konuda büyük motorlarda yumuşak yol vericiler kullanılmalıdır. Grup start işlemlerinde morların kalkışları için zaman aralıkları dikkatli seçilmelidir.

2- Kapasitif kuplaj

Elektromanyetik dalgaların kapasitif yolla indüklenmeleri, bir tür statik elektriklenme benzeri bir olaydır. Kapasitif kuplaj birbirinden izolasyonla ayrılmış bulunan iletkenlerin veya metallerin arasında meydana gelir. Bu tanım kondansatörlerin (kapasitörlerin) yapısına benzer. Bu nedenle adı kapasitif kuplaj olarak adlandırılır. Bu iletkenler, kablolarda olduğu gibi bazen yalıtkan plastik maddelerle, bazen de topraklama iletkenlerinde olduğu gibi hava ile birbirlerinden ayrılmış olabilirler. Yalıtkan tabakanın dielektrik özelliği önemlidir. Gerilim nedeniyle, iletkenler arasındaki yalıtkan malzeme üzerinde şarj akımı akar. Bu durumda elde bir gerilim kaynağı bulunmakta ve etrafa etki etmektedir.

Saldırgan iletkenle kurbanı arasındaki bu olay, basit ekranlama ile giderilebilir. Topraklanmış metal ekranlar kuplajı keserler. İnce metal ekranların amacı akım taşımak değildir. Ekranlama iletken boyunca tam kapalı olmalıdır.

Kapasitif kuplaj, elektrik alanı tarafından üretilmektedir. Kuplajın etkisi, gerilimin büyüklüğüne ve gerilimdeki değişimin dv/dt büyüklüğüne bağlı olarak artar. Ayrıca saldırgan ve kurban iletken arasındaki kaçak kapasite değeri C önemlidir. Yukarıda anlatılan manyetik kuplajda, kurban devrenin iç empedansı önemli olmamaktaydı. Kapasitif kuplajda ise, iç empedans önemli hale gelir. Küçük empedanslı devreler, büyük empedanslı devrelere göre daha az etkilenirler. Kapasitif kuplajda devre empedansı büyüdüğünde, indüklenen gerilim de büyür.

Q= C.E olduğundan kaçak kapasitesi C ve gerilim E nin büyümesi Q şarjı ve şarj akımını artırır.

E= Z . I Z=X c =1/ 2 f C

eşitliklerinden görüleceği gibi kapasitif empedans, frekansla ters orantılıdır. Frekans arttıkça kaçak empedans düşeceğinden kurban devre ve saldırgan devre arasında daha fazla EMI akımı meydana gelecektir. Fakat bu akım statik bir elektrik boşalmasında olduğu gibi ark boşalması şeklinde görülmeyecektir. Bir tür kaçak sızıntı şeklinde olacaktır.

Genellikle orta gerilim kablolarında bulunan gerilimin etrafa olan etkisi kapasitif kuplajla açıklanabilir. Bu tür kablolar tava içinde bir sistem olarak döşenmelidir. Tavaları tavana yakın ve en üstte olmalı ve kablo merdiveni kullanılmamalıdır. Kısa mesafelerde üstleri kapanabilir. Fakat uzun hatlarda, sızıntı nedeniyle tam kapalı olmaları tavaların ısınmalarına neden olur.

3- Elektromanyetik kuplaj

Kurban devreler, elektromanyetik dalgaları birer anten gibi yakalarlar. Elektromanyetik dalgalar hem elektrik (E) hem de manyetik (H) alanın 90º açıyla birleşmeleriyle meydana gelir.

Bir EMI kaynağı, radyo frekansı gibi elektromanyetik sinyal olmakla birlikte, anten aracılığıyla yayılmıyorsa, etkin değildir. Kurban devre üzerinde EMI akım ve gerilimleri, elektromanyetik alanın şiddetiyle artar.

EMI’ ye bağışık olmayan bir devre, antene sahip olmasa bile şebekede EMI gerilim ve akımları varsa bundan etkilenecektir. Çünkü şebeke iletkenleri ve topraklama iletkenleri, armatür gövdeleri EMI akım ve gerilimlerini bir anten gibi alarak sistemde taşırlar. EMI sinyalleri çok yüksek frekanslı olduklarından, boyu çok kısa olan kablo parçaları bile anten olarak görev yapabilirler. (12,5 cm-100cm)