GENEL YILDIRIMDAN KORUNMA TESİSLERİNİN ÖZEL KOŞULLARI DİKKATE ALINARAK YAPILAN TOPRAKLAMALAR

GENEL VE Y ILDIRIMDAN KORUMA TESİSLERİNİN ÖZEL KOŞULLARI DİKKATE ALINARAK Y APILAN TOPRAKLAMALAR (*)

Orta ve alçak gerilim tesislerinin topraklamaları ile yıldı rımdan koruma tesislerinin topraklaması geçmişte sık sık aynı bakış açısı altında değerlendirilmiştir. Yazar, top raklama tesislerini yapanlara, bir topraklama tesisinin dü şük gerilim akımlarından farklı olan büyük yıldırım akım lanndaki davranışlarını açıklamak istemektedir. Ayrıca topraklama tesislerinin hesaplanması için bir basitleştir me de sunmaktadır.

Genel :

Topraklama tesislerinden beklenen görev ön koşullara göre farklıdır; — İşletme toprağı için topraklamalar, — Yıldırımdan koruma tesisleri için topraklamalar.

Yazan : Manfred Fibier Çeviren : O. Zeki Demi ray

Fark daha ziyade işletme toprağı için belirli bir toprak geçiş dörencinin şart koşulmasından kaynaklanmakta dır, bu şart yıldırımdan koruma topraklaması için söz konusu değlidir, bununla birlikte önemli birkaç noktaya dikkat edilmelidir.

Yazar önce topraklamaların daha doğrusu işletme top raklamalarının yapı ve tesisini ele alacaktır. Bir toprakla ma tesisi, çubuk topraklayıcı, band topraklayıcı, plaka topraklayıcı, koza ızgara tip topraklayıcı gibi suni top raklayıcılardan veya yer altındaki madeni boru hatları, palplanşlar, beton arme temeller, madeni su boruları gibi tabii topraklayıcılardan ibarettir. Topraklayıcıların he saplanması ve yerleştirilmesi keza tipleri için, dünyayı çevreleyen ortam yani toprak etkilidir.

(*) Elektrizitat svrirtschaft dergisinin 1979 yılı 8. sayısından çev rilmiştir.

Değişik düzenlemelerde muhtelif topraklayıcı tipleri ile farklı toprak geçiş dirençleri ortaya çıkar. Topraklayıcı nın toprak geçiş direnci, toprağın tip ve yapısına, yani özgül direncine ve topraklayıcının boyutları ile tertip tar zına bağlıdır.

Özgül toprak direnci P^ , belirli bir tesis yeri için, değeri zeminin yapısına ve rutubet oranına göre değişiklik gös terdiğinden, yalnız ölçülerek tayin edilir. Araştırmalara istinaden toprak geçiş direncine ait birkaç değer verile cektir.

Bataklık (çamur) zemin Zirai toprak (tarla) Nemli kum Nemli çakıl Kuru kum ve çakıl Beton

30 ohm. metre 100 ohm. metre 200 ohm. metre 500 ohm. metre 1000 ohm. metre 150 ohm. metre

Bu değerler beklenen özel direnç değerleri hakkında sa dece bir fikir vermesi için kaydedilmiştir. Özgül toprak direncinin tayini için sutaden, kazı yapılmaksızın ölçme ye izin veren bir ölçme metodu kullanılır. Bu metodla 40 metre derinliğine kadar özgül direnci belirlemek müm kündür. Bu husus ise kazık (derin) topraklayıcılar için önemlidir.

Değerler Wenner metoduna göre tayin edilir. Aynı yönde eşit aralıklarla 4 adet kjsa çubuk topraklayıcı toprağa çakılır. Bilahare bu çubuklar bir topraklama ölçü aleti nin (topraklama megger'i) dört klemensine bağlanır. Öl çü köprüsünün gösterdiği R direnci ile çubuk topraklayı cılar arasındaki a mesafesi şu formülde yerine konur.

Sondaların aralığı a ölçü yerindeki topraklayıcı derinliği için bir birimi teşkil eder.

H = 3/4 . a ' dır.

Burada H topraklayıcının çakılına derinliğidir. Özgül top rak direncinin ölçülmesinde her zaman direncin değişim leri dikkate alınmalıdır. Zira toprak direnci yıl boyunca sinüzoidal bir şekilde ± % 30 değişiklik göstermektedir. Bu değişiklik yağışlara veya zeminin rutubetine bağlı ol mayıp sıcaklığa bağlıdır. Toprak geçiş direnci özgül top rak direnci ile aynı şekilde değiştiği için, bu değişiklik muhtelif zamanlarda tayin edilen toprak geçiş direncin de de beklenmelidir.

Topraklayıcılar:

Topraklayıcı, toprak veya beton içine döşenen ve bun larla geniş yüzeyli olarak temas eden bir iletkendir. Te mas yüzeyinin küçülmesi akımın toprak içinde yayılması nı engellediği için geniş yüzey gereklidir. Akımın toprak ta yayılabilmesini ve tehlikeli temas gerilimlerinin orta dan kalkmasını garanti etmek için yukarda bahsedilen topraklayıcı formları kullanılmalıdır.

Bu topraklayıcı formlar iki gruba ayrılır:

1 Yüzeysel topraklayıcılar 2 Derin (kazık) topraklayıcılar

İlk olarak yüzeysel topraklayıcılardan bahsedilecektir. Bunlar band topraklayıcılardır, fakat dairesel, ışınsal ve ya dikdörtgen formda da yapılabilirler. Işınsal toprakla yıcılarda çubuklar arasındaki açıklık 60° nin altına düş memelidir. Yani, en çok altı çubuk simetrik yerleştirile rek kullanılmalıdır.

1.1 Yüzeysel topraklayıcılar

1.1.1 Band topraklayıcılar

Bu topraklayıcı tipinde, VDE 0141 DİN 57 151'egöre galvenizlenmiş bir demir band söz konusudur. Bu demir band genellikle en az 0,5 m derinliğe gömülür. Döşeme ve irtibat için kullanılan bütün malzemelerde VDE 0141 tablo 4'e uygun olmalıdır. Band topraklayıcılar için top rak geçiş direnci R^ ' nın hesabı için aşağıda verilen for mül geçerlidir.

•"E

R^ : Toprak geçiş direnci, ohm £ : özgül toprak direnci, ohm. metre L : Topraklayıcının uzunluğu, metre

Belirli bir toprak geçiş direnci için kullanılacak malze menin uzunluğunu, her defasında hesap yapmaksızın seri olarak tayin etmek için, P£ = 100 ohm. metre kabulü ile hazırlanmış eğriler (Şekil 1) kullanılır.

a_ L

28 \

24 22

f.a \ V

*I4

1\

10 8 6

>

O 10 20 90 lOOm 2 0 0

Şekil 1 : Bir band topraklayıcının 9E 100 ohm metre

özgül toprak direncinde toprak geçiş direnci R^ 1 Gömme derinliği = 0 metre

2 Gömme derinliği > 1 metre

1 nolu eğriden 20 metre'lik demir bandın döşenmesinde

toprak geçiş direncinin 8 ohm'a eriştiği okunabilir, ölç

me sonucu 0£ = 500 ohm ise, 20 m'lik demir bandın top

rak geçiş direnci aşağıdaki şekilde hesaplanır.

8 ohm x 500 ohm. metre

100 ohm. metre

= 40 ohm

Direnç değerinin, kesitin büyümesi veya küçülmesi ile de

ğişmesi araştırılmaz. Malzemenin kalınlığı toprak geçiş

direnci için değil, aşınma tehlikesi için önemlidir. Top

raklayıcı malzemesi aşınmaya uzun süre dayanacak şekil

de dizayn edilmelidir. Bu yüzden VDE standartlarında

topraklayıcı malzemesi için asgari malzeme kalınlığının 100 mm2 olması şart koşulmuştur.

1.1.2 Dairesel topraklayıcılar

Bu topraklayıcı tipinde de yüzeysel bir topraklayıcı söz konusudur. Band topraklayıcıya nazaran farkı ise demir bandın halka şeklinde döşenmesi yani iki ucun birbiri ile bağlanmasıdır. Şekil 2'den görüldüğü gibi bu topraklama tipinde aynı kalınlıkta malzeme kullanılması halinde top raklama direnci biraz daha büyüktür.

ırP \\ \\\

S V

50 OOmZOO

Şekil 2 : Dairesel bir topraklayıcının QE = 100 ohm met re özgül toprak direncinde toprak geçiş direnci R ^ 1 Gömme derinliği = 0 metre 2 Gömme derinliği > 1 metre

RA = aD

Burada ;

D : Dairesel bir topraklayıcınm çapı, ızgara tip bir toprak layıcıya eşdeğer dairenin çapı veya yarım küre toprakla yıcınm çapı, mm A : Dairesel veya ısgara tip topraklayıcıda kapalı alanın yüzeyi, mm2 a : Kare şeklindeki bir topraklayıcınm kenar uzunluğu, m ; dikdörtgen plaka halinde a = V b . c dir, b ve c dikdörtgenin kenar uzunluklarıdır.

Topraklayıcınm bu tertip tarzının faydası şüphesiz adım geriliminde görülmektedir, yani bu topraklayıcınm çevre lediği yüzey içindeki adım gerilimi çok düşüktür. Bu hu sus, meskûn binaların yıldırımdan koruma tesisleri için ilk planda kapalı bir halka teşkil eden bir dairesel toprak layıcınm tavsiye edilmesinin önemli bir nedeni olmakta dır, örneğin bir objeye yıldırım isabet ederse halkadan ötürü bütün obje gerilim hunisi içinde kalır. Bunun anla şılması için Şekil 3 hazırlanmıştır. Şekil 3'den de gö rüldüğü gibi bu halka içinde bulunan personel adım geri liminden zarar görmez.

i 01

1.2. Derin (kazık) topraklayıcılar Bu topraklama tipinde, dik vaziyette derine çakılan çu buklar ve çapraz (istavroz) topraklayıcılar (şekil 4 ve 5) söz konusudur. Bu topraklama tipi dairesel topraklayıcı ların yapısal nedenlerle yerleştifilemediği her yerde kul

Şekil 4 : Çubuk topraklayıcı Şekil 5 : Çapraz (istavroz) topraklayıcı

U adım

lanılır. Yıldırımdan koruma tesisleri için derin toprakla yıcı veya çubuk topraklayıcı kullanılmak istenirse, bura da da adım gerilimlerine açıklık getirilmelidir, zira şe kil 6'dan da görüldüğü gibi, bir yıldırım isabetinde top raklayrcıyı çevreleyen bir gerilim hunisi teşekkül eder, bu huninin dışında başıboş farklı gerelimler bulunur.

Toprokloyıcı çapraz

OflM*

topraklayıcı topraklama

Şekil 3 : Aydınlatmada gerilim hunisi a) Temel topraklayıcı ile b) Dairesel topraklayıcı ile

Şekil 6 : Derin topraklayıcı topraklama tertibi Bu gerilim hunisinin içinde bulunan kişiler ve hayvanlar yürürken bu adım gerilimlerine maruz kalırlar. Bir derin topraklayıcınm toprak geçiş direnci R^ (şekil 7) şu formülle hesaplanır.

Ayrıca birden fazla topraklayıcı olması halinde toprak geçiş dirençleri karşılıklı etki ederler ve daha kötü sonuç verirler. Bu hususda şemada gösterilmiştir. Yani derin topraklayıcılar, daha önce de açıklandığı gibi H toprakla yıcının çakılına derinliği olmak üzere, birbirlerinden 2 x H dan daha büyük bir açıklıkta olmalıdır. Burada bir işlet me topraklaması ile bir yıldırımdan koruma topraklaması arasındaki farkın ne olduğu sorusu akla gelmektedir. Bir yıldırım şarjı yüzeysel bir şarjdır, yani yaklaşık 20 metre uzunluğunda bir derin topraklayıcı ve 2 ohm'luk bir top

59 —ı

J"

RA 10

"s)

.._ «S

1.3. Kombine çubuk topraklayıcılar

Band topraklayıcıların yerleştirilmesi çok masraflı ise veya derin topraklayıcılar için gerekli derinliğe inilemi yorsa, alternatif olarak derin ve çapraz topraklayıcıların kombinasyonu kullanılır. Bu kombinasyonla, toprak ta bakasından en uygun toprak geçiş direnci ile faydalan mak olanağı elde edilir. Kombine çubuk topraklayıcılar bazan yapıldığı gibi paralel bağlı dirençler kabul edilerek hesaplanmaz, zira küçük aralıklarda topraklayıcıların kar şılıklı etkisi çok büyüktür. Kombine bir çubuk toprakla yıcı grubunun toprak geçiş direncini tayin etmek için aşağıdaki şekilde hareket edilir.

önce derin veya çapraz topraklayıcıların H uzunluğu se çilir. Seçilen uzunlukla, derin topraklayıcılara ait eğri den toprak geçiş direnci R^ elde edilir. Her bir R/^ diren cinin şart koşulan R toplam direncine oranından q fak törü bulunur. Topraklayıcıların arasındaki A mesafesi seçilerek A/H oranı belirlenir, a ile A/H'ın koordinatla rının kesişme noktasından gerekli derin topraklayıcının sayısı alınabilir (şekil 9)

0 2 A 6 8 10 12 14 16 1fl 20 22 2 İ . 2 6 m 30

I—»

Şekil 7 : Bir derin topraklayıcının QE = 100 ohm. metre özgül toprak direncinde toprakgeçiş direnci R^ rak geçiş direnci esas alınır, böyle bir topraklayıcı işlet me toprağı için de kusursuz etkilidir. Yıldırım yüzeysel bir deşarj olduğu için ana dağıtım, topraklayıcının üst kısmında yapılır, yani yıldırım akımı topraklayıcının üst kısmından her tarafa simetrik (homogen) olarak dağılır. (Şekil 8)

L*2»H

Şekil 9 : Kombine edilmiş çubuk topraklayıcıların top lam toprak geçiş direnci Rcesamtın tayini

Toprokloytcı çapraz

Şekil 8 : Derin topraklayıcıda yıldırım deşarjının şeması

Bundan, geniş yüzeyli bir yüzeysel topraklayıcının yıldı rımın toprak içinde yayılması ve tehlikeli gerilimlerin ön lenmesi bakımından en iyi olanağı sağladığı sonucu çıka rılabilir.

*gesamt~ q

Burada;

A : Topraklayıcılar arasındaki mesafe H : Topraklayıcı uzunluğu n : Topraklayıcı sayısı q : Paralel bağlı topraklayıcılar için faktör

Band topraklayıcılar paralel yerleştirilirse ve aralarındaki mesafe uzunluklarına nazaran küçük ise, topraklayıcıla rın birbirine etkisi çok büyük olur. Bu konuda yol göste rici olarak aşağıda belirtilen husus geçerlidir :

Band topraklayıcıların aralarındaki mesafe A, karenin ke nar uzunluğu L j se direncin sınır değeri

0,55 E

R=

— dir.

Çubuk veya derin topraklayıcılı band dairesel toprakla yıcıların kombinasyonu daima toprak geçiş direncinin düzelmesini (küçülmesini) sağlamaktadır. Burada sade ce, her iki topraklayın tipinin paralel bağlanmasından te orik olarak elde edilen değere, özgül toprak direnci her yerde aynı olmadığından, erişilemiyeceği dikkate alın malıdır. Her topraklama probleminde daima en uygun planlama sorusu söz konusudur. Her planlamanın ana te ması problemi ucuz ve basit olarak çözümlemektir.

Bir topraklama tesisinde ekseriya yerel koşullar da tayin edicidir. Dolayısı ile küçük yüzeyli, bir band topraklayıcı ile düşük bir toprak geçiş direnci elde etmek hemen he men mümkün değildir. Diğer koşullar, ekseriya yeterli tabii topraklayıcının bulunduğu büyük binalar da söz ko nusudur. Buralarda band topraklayıcılar ekseriya yeterli olmaktadır.

1.4 Temel Topraklayıcılar

Son yıllarda topraklama tekniğinde temel topraklayıcıla rı gitgide önem kazanmıştır. Bu bakımdan bu konuya da ha detaylı temas edilmesi gerekmektedir. Geçmiş yıllar da, koruma tedbirleri arasında madeni boru hattı sistem leri, bilhassa su boruları uzun süre belirgin bir rol oyna mıştır. Teknik gelişme sonucu plastik su boruları sistemi daha çok ön plana çıkmaktadır. İşe yarayan kurşun kı lıflı kablo yerine de plastik kablolar ikame edilmiştir. Bi na içinde bulunan madeni ve elektrikli teçhizatın zaman la çok fazla artığını da ekleyelim. Daha önceleri alışıla gelmiş su ve kuvvetli akım hatları (boruları) yanında ör neğin gaz tesisatı, merkezi ısıtma tesisatı, anten tesisatı ve telefon tesisatı da bulunmaktadır. Böylece, boru ve hatların kısmen birbirinden müstakil ve kısmen birbirleri ile bağlı olan, çok dallı bir karışım ortaya çıkmaktadır. Elektrik tesisindeki arızalar nedeniyle gerilim yayılmaları ve dolayısı ile tehlikeli temas gerilimlerinin hasıl olma tehlikesi büyük ölçüde vardır. Gerilim yayılması tehlike sini önlemek için potansiyel dengelemesi yapılır ve bu, temel topraklaması ile bağlanır. Daima yoğun yerleşim den dolayı kusursuz bir topraklayıcı hazırlamak prob lemler doğurmaktadır. Bu görevi bina inşa edilirken te meline yerleştirilen temel topraklayıcısı üstlenir. Temel topraklayıcı malzemesi olarak 30 mm x 3,5 mm; 25 mm x 4 mm'lik galvenizli çelik band veya çapı en az 10 mm olan galvenizli yuvarlak çelik seçilir. Yuvarlak veya band çelik binanın dış duvarları içine izolasyon tabakasının al tına kapalı halka şeklinde yerleştirilir. Binanın boyutları büyükse imkânlara göre temel yapılırken enine bağlantı lar öngörülmektedir. Topraklayıcı temel zemini üzerinde en az 10 cm kalınlığındaki bir beton tabaka içine yerleş tirilmelidir. Bu şekilde aşınmaya karşı yeter derecede korunmuş ve hemen hemen sınırsız bir ömre sahip olmuş olur. Temel topraklayıcısı yıldırımdan koruma toprakla yıcısı olarak kullanılacaksa, şu iki hususa;

1. Yıldırımdan koruma için uygun yerlere konulan irti bat bayrakları (uçları) temelden dışarı çıkarılmasına,

2. temel içinde kusursuz ve kaliteli bir döşemenin yapıl dığının garantili olmasına, dikkat edilmelidir.

Şayet temeldeki demir bandlar örneğin birbiri ile bağlı değilse, yani ring kapalı değilse, bir yıldırımın nasıl etki edeceği bilinmiyeceğinden bu iki husus bilhassa önemli dir. Her iki uç temelde karşılıklı dururlar. Bu ise bir yıl dırım isabetinde her iki ucun farklı polariteye sahip ol ması demektir. Hapsedilen bir yıldırımın bir dinamit gibi reaksiyon göstereceği düşünülürse temel yıldırımın etkisi ile hasarlamr.

Dİğer bir husus açıktaki topraklayıcılar ile beton içine yerleştirilen bir demir band toprak yüzeyine döşenen bir demir banda karşı bakır ile demir arasında olduğu gibi, bir elektrokimyasal gerilime sahiptir, yani açıktaki top raklayıcı ve temel topraklayıcısı şayet potansiyel denge leme harasında veya diğer bir yerde birlikte bağlanırlarsa bir aşındırma (korrozyon) akımının akmasına neden olur lar. Bu aşındırma akımı açıktaki topraklayıcı da bir me tal kaybına yol açar. Bu paralel bağlanmada cereyan eden kimyasal olaylara temas edilmeyip sadece 1 mA'lik bir akımın akması halinde yılda 10 gram çeliğin kayboldu ğunu (yendiği) ve bir ilâ beş yıl sonra açıktaki toprakla yıcının bu aşındırma akımı nedeniyle parçalanabileceğin! belirtmekle yetinilecektir.

Temel topraklayıcıları, adım gerilimi bakımından dairesel topraklayıcılar gibi reaksiyon gösterirler, yani bir yıldı rımdan koruma tesisine ve bir temel topraklayıcısına sa hip olan bir binaya yıldırım isabet etse ve bütün binada gerilim yükselse bile, binanın içinde farklı bir gerilim hu nisi ve adım gerimleri mevcut olmaz. Toprak geçiş diren ci (şekil 10) aşağıdaki gibi hesaplanır.

I Müstakil bir temelin hacmi, m3

26 24 22 20 18 .16

J14

"A 12 fO 8 6 4 2

O 2

• •

|

— —

I—

"N

N

—

t

»s

_.

5 10 20 50 ©Om 200

Tl »

Şekil 10 : Bir temel topraklayıcının QE = 100 ohm. met re özgül toprak direncinde tkoprak geçiş direnci R/^ 1 Temel büyüklüğü 0,5 m x 0,3 m 2 Temel büyüklüğü 0,5 m x 0,5 m 3 Temel büyüklüğü 0,5 m x 0,9 m