IEEE 1584 standardını temel alan ark flaşı tehlike analizi ve ark flaş hesabı.

---

Ark Flaşı Nedir?

Elektrik sistemlerinin karmaşık dünyası, tasarımından bakımına dek pek çok incelik ve potansiyel risk barındırır. Bu riskler arasında, belki de en göz korkutucu olanı ark flaşı (veya ark parlaması) fenomenidir. Göz açıp kapayıncaya kadar geçen bir sürede meydana gelen bu ani enerji boşalması, hem personel hem de ekipman için yıkıcı sonuçlar doğurma potansiyeline sahiptir.

Bu kapsamlı kılavuz, ark flaşı olgusunun derinliklerine inmeyi, barındırdığı tehlikeleri aydınlatmayı ve en önemlisi, bu tehlikeleri somut verilere döken ark flaşı hesaplama yöntemlerini adım adım açıklamayı hedeflemektedir.

Ark Flaşı: Anlık Bir Olay, Kalıcı Etkiler

Peki, tam olarak nedir bu ark flaşı? Basitçe ifade etmek gerekirse, elektrik akımının normalde yalıtkan olan hava boşluğunu aşarak iletkenler arasında veya bir iletkenle toprak arasında istenmeyen bir köprü kurmasıdır. Bu köprü üzerinden akan yoğun akım, adeta minyatür bir yıldırım gibi davranarak muazzam bir enerji salınımına yol açar. Saniyenin binde biri gibi kısa sürelerde gerçekleşse dahi, ark flaşının sonuçları ağır olabilir:

1. Kavurucu Sıcaklık: Binlerce derece Santigrat ısı, en dayanıklı malzemeleri eritebilir ve saniyeler içinde ölümcül yanıklara neden olabilir.
2. Kör Edici Işık: Yoğun ultraviyole ve kızılötesi ışınım, anlık veya kalıcı görme kayıplarına yol açabilecek kadar parlaktır.
3. Yıkıcı Basınç Dalgası (Ark Patlaması): Enerjinin ani salınımı, şok dalgaları yaratarak ekipmanları parçalayabilir, insanları metrelerce fırlatabilir ve kalıcı işitme hasarına sebep olabilir.
4. Sıcak Metal Şarapnelleri: Arkın muazzam ısısı, bakır veya alüminyum gibi iletkenleri eritip sıvı metal damlacıkları halinde çevreye fırlatarak ciddi yaralanmalara ve ikincil yangınlara neden olabilir.
5. Zehirli Atmosfer: Yanan ve buharlaşan malzemeler, solunduğunda hayati tehlike oluşturabilecek toksik gazların ortama yayılmasına sebep olabilir.

Bu potansiyel felaket senaryoları, enerjili elektrik panoları veya ekipmanları üzerinde ya da yakınında çalışacak personelin karşılaşabileceği risk seviyesinin titizlikle belirlenmesini zorunlu kılar.

İşte ark flaşı hesaplamaları burada devreye girer. Bu hesaplamalar, olası bir ark olayında ortaya çıkacak enerjiyi ve etki mesafesini nicel olarak tahmin ederek, doğru Kişisel Koruyucu Donanım (KKD) seçimi, güvenli çalışma mesafelerinin (ark flaşı koruma sınırı) tespiti ve etkin risk azaltma stratejilerinin geliştirilmesi için sağlam bir temel oluşturur.

Ark Flaş Hesabı için Standartlar: IEEE 1584 ve NFPA 70E

Ark flaşı tehlike analizleri ve ark flaş hesabı, dünya genelinde kabul görmüş iki temel standardın rehberliğinde yürütülür:

IEEE Std 1584™: Ark Flaş Hesabı

Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) tarafından geliştirilen bu standart, ark flaşı tehlikesinin hesaplanması için en yaygın kullanılan ve teknik olarak en detaylı metodolojiyi sunar. IEEE 1584, ark akımının, maruz kalınacak enerjinin ve güvenli sınır mesafesinin belirlenmesi için kapsamlı test verilerine dayanan ampirik formüller ve prosedürler içerir. Ancak bu formüllerin geçerliliği belirli koşullara bağlıdır:

• Frekans: 50 Hz veya 60 Hz
• Sistem Gerilimi: 208 Volt ile 15.000 Volt (15 kV) arası
• İletkenler Arası Hava Boşluğu (Gap): 13 mm ile 152 mm arası
• Potansiyel Kısa Devre Akımı (Civatalı Arıza): 700 Amper (0.7 kA) ile 106.000 Amper (106 kA) arası
• Topraklama Sistemi: Topraksız, doğrudan topraklı veya yüksek direnç üzerinden topraklı
• Faz Sayısı: Üç fazlı sistemler
• Ekipman Yapısı: Açık hava kurulumları, kapalı kutu tipi ekipmanlar (panolar, MCC’ler, şalt hücreleri), kablolar

Bu belirtilen aralıkların dışındaki sistemler veya durumlar için, standardın öngördüğü formüllerin dikkatli yorumlanması veya alternatif, genellikle daha konservatif yaklaşımların benimsenmesi gerekebilir.

NFPA 70E®: Güvenlik Uygulamaları ve İş Akışları

Ulusal Yangından Korunma Birliği (NFPA) tarafından yayınlanan NFPA 70E standardı ise, işyerlerinde elektrik kaynaklı tehlikelere karşı çalışan güvenliğini sağlamaya odaklanır. Hesaplama yöntemlerine referanslar sunmakla birlikte, NFPA 70E’nin asıl gücü, pratik güvenlik uygulamalarını tanımlamasında yatar.

Bunlar arasında yaklaşım sınırları (Sınırlı, Kısıtlı, Yasaklanmış), Tehlike/Risk Kategorileri (HRC) sınıflandırması ve bunlara karşılık gelen KKD seviyeleri bulunur. NFPA 70E, bazen IEEE 1584 formüllerine atıfta bulunur, bazen de kendi basitleştirilmiş tablolarını veya denklemlerini sunar. Ancak unutulmamalıdır ki, NFPA 70E’nin tablo temelli yaklaşımları, genellikle belirli varsayımlara dayandığı için, her spesifik duruma tam olarak uymayabilir ve yanıltıcı derecede genel sonuçlar verebilir. Bu nedenle, hassas ve güvenilir bir tehlike analizi için genellikle IEEE 1584 tabanlı mühendislik hesaplamaları vazgeçilmezdir.

Adım Adım Ark Flaş Hesabı (IEEE 1584 Yaklaşımı)

IEEE 1584 standardını temel alan bir ark flaşı tehlike analizi, genellikle aşağıdaki mantıksal adımları takip eder:

Adım 1: Olası Ark Akımının (Ia​) Tahmini

Her şeyden önce, bir arıza anında hava boşluğu üzerinden akması muhtemel olan ark akımını tahmin etmek gerekir. Bu akım değeri, genellikle sistemin kısa devre durumunda iletkenlerin doğrudan birbirine temas etmesiyle (cıvatalı arıza) oluşacak maksimum arıza akımından (Ibf​) daha düşüktür. Çünkü arkın kendisi, devrede ek bir direnç (empedans) oluşturur. Ark akımını hesaplamak için kullanılan formüller, sistem gerilimine göre farklılık gösterir:

• 1000 Volt (1 kV) Altındaki Sistemler İçin: $$log_{10}(I_{a}) = K + 0.662 log_{10}(I_{bf}) + 0.0966 V + 0.000526 G + 0.5588 V log_{10}(I_{bf}) – 0.00304 G log_{10}(I_{bf})$$ Bu denklemdeki değişkenler şunlardır:
  • Ia​: Tahmin edilen ark akımı (kA cinsinden)
  • Ibf​: Üç fazlı cıvatalı (bolted) kısa devre akımı (simetrik RMS, kA cinsinden)
  • V: Sistem fazlar arası gerilimi (kV cinsinden)
  • G: İletkenler arasındaki hava boşluğu mesafesi (mm cinsinden)
  • K: Ekipman konfigürasyonuna bağlı bir katsayı;
    • Açık hava konfigürasyonları için: -0.153
    • Kapalı kutu (Box) konfigürasyonları (panolar, şalt hücreleri vb.) için: -0.097
  • Not: log10​ 10 tabanındaki logaritmayı ifade eder.
• 1000 Volt (1 kV) ve Üzerindeki Sistemler İçin: $$log_{10}(I_{a}) = 0.00402 + 0.983 log_{10}(I_{bf})$$

Bu logaritmik hesaplamalar tamamlandıktan sonra, aranan ark akımı (Ia​) şu şekilde elde edilir:

Ia​=10log10​(Ia​)

Adım 2: Referans Enerjinin (En​) Hesaplanması: Normalize Enerji

Ark akımını belirledikten sonraki aşama, normalize edilmiş maruz kalma enerjisini (En​) hesaplamaktır. Bu değer, standartlaştırılmış referans koşullar altında – yani, arkın 0.2 saniye sürdüğü ve ark kaynağından 610 mm (yaklaşık 24 inç) uzaklıkta – maruz kalınacak enerji miktarını ifade eder. Bu hesaplama, gerçek dünya senaryolarına uyarlamak için bir başlangıç noktası sağlar.

log10​(En​)=K1​+K2​+1.081log10​(Ia​)+0.0011G

Denklemdeki terimler:

• En​: Normalize edilmiş maruz kalma enerjisi (J/cm2)
• Ia​: Bir önceki adımda hesaplanan ark akımı (kA)
• G: İletkenler arası boşluk (mm)
• K1​: Ekipman konfigürasyonuna bağlı katsayı;
  • Açık hava için: -0.792
  • Kapalı kutu (Box) için: -0.555
• K2​: Sistemin topraklama durumuna bağlı katsayı;
  • Topraksız veya yüksek dirençle topraklı sistemler için: 0
  • Doğrudan (solid) topraklı sistemler için: -0.113

Normalize edilmiş enerji En​ değeri ise şu şekilde bulunur:

En​=10log10​(En​)

Adım 3: Gerçek Maruz Kalma Enerjisinin (E) Hesaplanması

Normalize edilmiş enerji (En​), artık spesifik senaryoya uyarlanabilir. Bu adımda, personelin ekipmana olan gerçek çalışma mesafesi (D) ve koruma cihazının (devre kesici veya sigorta) arızayı algılayıp devreyi kesmesi için geçen gerçek ark süresi (t) kullanılarak, o noktadaki potansiyel maruz kalma enerjisi (E) hesaplanır.

• 15 kV Gerilime Kadar ve ≤ 152 mm İletken Boşluğu Olan Durumlar İçin: $$E = 4.184 C_f E_n \left( \frac{t}{0.2} \right) \left( \frac{610^x}{D^x} \right)$$
• Burada:
  • E: Belirtilen mesafedeki maruz kalma enerjisi (J/cm2). (Not: Sonucu cal/cm2 birimine çevirmek için 0.239 ile çarpın.)
• • Cf​: Gerilime bağlı hesaplama faktörü;
    • Gerilim > 1 kV ise: 1.0Gerilim < 1 kV ise: 1.5
    En​: Önceki adımda hesaplanan normalize enerji (J/cm2)
• • t: Ark süresi (saniye) – Bu süre, koruma cihazının (kesici, sigorta) açma karakteristiğine ve hesaplanan ark akımına (Ia​) göre belirlenir.
• • D: Ark kaynağından çalışanın vücuduna (genellikle göğüs bölgesi) olan tahmini çalışma mesafesi (mm)
• • x: Mesafe üssü faktörü. Bu faktör, enerjinin mesafeyle nasıl azaldığını belirler ve ekipman tipi ile gerilime göre aşağıdaki tablodan seçilir:

Mesafe Üssü Faktörleri (x)	Gerilim (kV)	Ekipman Tipi	Tipik Boşluk (mm)	Mesafe Faktörü (x)
0.208 – 1	0.208 – 1	Açık Hava	10 – 40	2.000
0.208 – 1	0.208 – 1	Şalt Cihazları	32	1.473
0.208 – 1	0.208 – 1	MCC ve Panolar	25	1.641
0.208 – 1	0.208 – 1	Kablo	13	2.000
>1 – 5	1 – 5	Açık Hava	102	2.000
>1 – 5	1 – 5	Şalt Cihazları	13 – 102	0.973
>1 – 5	1 – 5	Kablolar	13	2.000
>5 – 15	5 – 15	Açık Hava	13 – 153	2.000
>5 – 15	5 – 15	Şalt Cihazları	153	0.973
>5 – 15	5 – 15	Kablolar	13	2.000

15 kV Üzeri Gerilimler veya > 152 mm İletken Boşluğu Olan Durumlar İçin: Bu özel koşullarda, normalize enerji (En​) hesaplamasına gerek duyulmaz ve maruz kalma enerjisi (E) doğrudan şu daha basit formülle tahmin edilebilir: $$E = 2.142 \times 10^6 V I_{bf} \left( \frac{t}{D^2} \right)$$ Bu formülde V (kV), Ibf​ (kA), t (saniye) ve D (mm) birimlerindedir. Hesaplanan enerji E’nin birimi J/cm2’dir.

Adım 4: Güvenli Mesafenin Belirlenmesi: Ark Flaşı Koruma Sınırı (DB​)

Ark Flaşı Koruma Sınırı (Arc Flash Boundary – AFB), hayati bir güvenlik parametresidir. Bu sınır, uygun KKD giymeyen bir çalışanın, ark kaynağından ne kadar uzakta durursa ikinci derece yanık tehlikesinden korunabileceğini gösteren mesafeyi tanımlar. Genellikle bu sınır, maruz kalma enerjisinin belirli bir eşik değere düştüğü nokta olarak kabul edilir. Bu eşik değer, yaygın olarak 5.0J/cm2 (veya eşdeğeri olan 1.2cal/cm2) olarak alınır. Bu enerji seviyesi, ikinci derece yanığın başlama noktası olarak görülür. Sınır mesafesi (DB​), önceki adımlarda hesaplanan enerji değerleri kullanılarak aşağıdaki formüllerle bulunur:

• ≤ 15 kV Gerilimler ve ≤ 152 mm İletken Boşluğu Olan Durumlar İçin: $$D_B = \left[ 4.184 C_f E_n \left( \frac{t}{0.2} \right) \left( \frac{610^x}{E_B} \right) \right]^{\frac{1}{x}}$$ Alternatif olarak aynı formül şu şekilde de ifade edilebilir: $$D_B = 610 \times \left[ 4.184 C_f E_n \left( \frac{t}{0.2} \right) \left( \frac{1}{E_B} \right) \right]^{\frac{1}{x}}$$
  
• > 15 kV Gerilimler veya > 152 mm İletken Boşluğu Olan Durumlar İçin: $$D_B = \sqrt{ 2.142 \times 10^6 V I_{bf} \left( \frac{t}{E_B} \right) }$$

Bu formüllerde:

• DB​: Ark kaynağından itibaren Ark Flaşı Koruma Sınırı mesafesi (mm)
• EB​: Sınırda kabul edilen maruz kalma enerjisi eşiği (genellikle 5.0J/cm2 veya 1.2cal/cm2)
• Diğer değişkenler ( Cf​,En​,t,V,Ibf​,x ) önceki adımlarda tanımlandığı gibidir. Önemli Not: DB​ hesaplamasında kullanılan Cf​ faktörü, <1 kV gerilimler için 1.0 olarak alınır. (Doküman 2’de <1kV için 1.5 belirtilmiş olsa da, genellikle 1.0 değeri kullanılır ve IEEE 1584 standardının güncel versiyonu kontrol edilmelidir.)

Bu dört temel adım, IEEE 1584 standardına uygun bir ark flaşı tehlike analizinin matematiksel çerçevesini oluşturur. Ancak, pratik uygulamada bu sürecin çok daha fazla detay içerdiğini ve dikkatli bir mühendislik yaklaşımı gerektirdiğini unutmamak gerekir.

Ark Flaş Hesabı için Alternatif Yollar: NFPA 70E Hesaplama Yaklaşımları

NFPA 70E standardı, IEEE 1584 metodolojisine ek olarak veya bazı durumlarda alternatif olarak kullanılabilecek farklı Ark Flaş Hesabı yöntemleri ve pratik araçlar da sunar:

Basitleştirilmiş Enerji Formülleri

Standardın belirli eklerinde veya eski sürümlerinde, spesifik senaryolar (örneğin, belirli gerilim ve arıza akımı aralıkları) için daha basit enerji hesaplama formülleri bulunabilir. Bu formüller, hızlı bir tahmin sağlasa da, geçerlilik aralıkları sınırlıdır:

• Açık Havada Ark (< 0.6 kV, 16-50 kA):$$ E = 5271 D^{-1.9593} t [0.0016 \times I_{bf}^2 – 0.0076 \times I_{bf} + 0.8938] $$
• Kapalı Kutuda Ark (< 0.6 kV, 16-50 kA):$$ E = 1038.7 D^{-1.4738} t [0.0093 \times I_{bf}^2 – 0.3453 \times I_{bf} + 5.9675] $$
• Açık Havada Ark (> 0.6 kV):$$ E = 793 D^{-2} V I_{bf} t $$ Bu formüllerde Enerji (E) cal/cm2, Mesafe (D) inç, Süre (t) saniye, Akım (Ibf​) kA ve Gerilim (V) kV cinsindendir.

NFPA 70E Ek C Metodu

Standardın Ek C bölümü gibi kısımlarında, özellikle kapalı kutu içindeki arklar için farklı gerilim seviyelerine göre ayrıştırılmış formül setleri sunulabilir. Bu formüller, belirli bir aralıktaki (örneğin 0.6 kA – 106 kA) kısa devre akımları için geçerli olabilir:

NFPA 70E Ek C Formülleri (Örnek)

Parametre	V < 1kV	1kV < V < 5kV	V > 5kV
Ark Akımı (Ia​)	0.85Ibf​−0.004Ibf2​	0.928Ibf​	Ibf​
Enerji (E)	416Ia​tD−1.6	21.8Ia​tD−0.77	16.5Ia​tD−0.77
Sınır (DB​)	(1.2416Ia​t​)0.625	(1.221.8Ia​t​)1.3	(1.216.5Ia​t​)1.3

Bu formüllerde Enerji (E) cal/cm2, Akımlar (Ia​, Ibf​) kA, Süre (t) saniye, Mesafeler (D, DB​) inç cinsindendir.

Pratik Çözüm: NFPA 70E Tabloları

NFPA 70E’nin en pratik yaklaşımlarından biri, belirli ekipman türleri ve gerçekleştirilecek görevler için önceden hesaplanmış Tehlike/Risk Kategorilerini (HRC) veya doğrudan Ark Flaşı Koruma Sınırlarını listeleyen tablolardır. Bu tablolar, sahada hızlı bir risk değerlendirmesi yapılmasına olanak tanır.

Ancak, bu tabloların temelinde yatan varsayımlara (tipik kısa devre akımları, standart açma süreleri vb.) dikkat etmek gerekir. Gerçek saha koşulları bu varsayımlardan saptığında, tabloların verdiği sonuçlar yanıltıcı olabilir. Bu nedenle, bu tablolar genellikle detaylı bir mühendislik analizinin yerine geçmez, ancak önleyici bir değerlendirme veya basit durumlar için kullanılabilir.

Yaklaşma Mesafeleri: Şok Tehlikesine Karşı Kalkan

Ark flaşı termal bir tehlike iken, elektrik sistemleri aynı zamanda elektrik çarpması (şok) riskini de barındırır. NFPA 70E, bu riske karşı korunmak amacıyla, sistem gerilimine bağlı olarak tanımlanan yaklaşım sınırları belirler:

• Sınırlı Yaklaşım Sınırı (Limited Approach Boundary): Elektrik konusunda “niteliksiz” (eğitimsiz) personelin, yanında “nitelikli” (eğitimli ve yetkili) bir refakatçi olmadan yaklaşmaması gereken dış sınırdır.
  
• Kısıtlı Yaklaşım Sınırı (Restricted Approach Boundary): Sadece nitelikli personelin, uygun yalıtkan aletler ve KKD kullanarak yaklaşabileceği, canlı parçalara daha yakın olan sınırdır. Şok riski artar.
  
• Yasaklanmış Yaklaşım Sınırı (Prohibited Approach Boundary): Canlı parçalara en yakın olan sınırdır. Bu sınıra yaklaşmak, canlı parçalarla temas etmekle eşdeğer risk taşır ve sadece nitelikli personelin, özel prosedürler ve tam koruma (yalıtkan eldivenler vb.) altında yaklaşmasına izin verilir.

Bu sınırlar, genellikle ark flaşı uyarı etiketlerinde AFB ile birlikte belirtilir ve çalışanların hem ark flaşı hem de şok tehlikelerine karşı güvenli mesafeleri bilmesini sağlar.

Ark Patlama Basıncı Hakkında

Ark flaşı analizleri ağırlıklı olarak termal enerjiye odaklansa da, olayın yarattığı mekanik basınç dalgası (patlama) da göz ardı edilmemesi gereken ciddi bir tehlikedir.

IEEE 1584 ve NFPA 70E standartları bu konuyu doğrudan ele almasa da, oluşan ani basınç, ağır ekipman kapaklarını fırlatabilir, duvarları yıkabilir ve personeli savurarak düşme veya çarpma sonucu ciddi yaralanmalara neden olabilir. Basıncın büyüklüğünü tahmin etmek için çeşitli formüller önerilmiştir, ancak bu genellikle özel bir analiz gerektirir.

RASTGELE TEKNİK İÇERİK İÇİN TIKLAYIN!

İlginizi Çekebilecek Teknik Hesaplar
Kompanzasyon Hesabı
Aydınlatma Hesabı
Yüksek Gerilim İşletme Sorumluluğu Ücreti Hesabı

Sosyal medyada teknik bilgilere maruz kalmak için:
YouTube – Instagram