YĞKSEK GERİLİM YERLERİNİN TOPRAKLANMASI

yüksek gerilim merkezlerinin topraklaması erdoğan güner

değerlere ulaşması önlenerek salt yada trafo merkezleri içerisindeki yada yakınındaki perso nelin güvenliğini sağlamak.

• Yıldırım akımlarının boşalmasını ve dağılımını kolaylaştırmak.

• Sistem arızalarında trafo merkezinden ayrılan denetim (kontrol) ve iletişim (muhabere) kablo ları boyunca doğacak gerilim farklarını sınır lamak.

• Elektrik sistemlerindeki toprak arızalarında toprak arıza rölelerinin çalışmasını sağlamak.

• Faz toprak arızalarında sistemde gerilim yük selmelerini önlemek için nötr noktalarını doğ rudan yada uygun empedanslar üzerinden toprak lamak.

UDK: 621.316.991:621.311.4

ÖZET

Yazar, elektrik sistemlerinin topraklanmasında gözönüna alınacak temel ilkeleri anlatıyor. Elek trot, adım, dokunma ve transfer gerilimlerinin tanımları ile topraklama sisteminde müsaade edi lebilir gerilim yükselmelerine açıklık getirili yor. Yazar ayrıca, topraklama projelerinde izle necek yolları ve topraklama direncinin ölçümünde uygulanan yöntemleri anlatmaktadır.

SUMMARY

Principles which are fundamental in grounding electrical systems are described and the concepts of electrode, step, touch and transfer voltages/ and permissible voltage uses in the grounding system are clarified. Also, the steps to be fol lowed in grounding projects and methods of measur ing grounding resistance are discussed.

1. GÎRÎŞ Enerji tesislerinin topraklanmasında güdülen amaç ları aşağıdaki gibi üç bölümde toplayabiliriz: a. İnsanları ve hayvanları elektrik şoklarından korumak, b. Donatı (teçhizat) yada aygıtların elektrik arı zalarında hasarlanmasını önlemek, c. Enerjinin güvenilirliğini ve sürekliliğini artırmak. Bunların sağlanabilmesi için aşağıdaki koşulların yerine getirilmesi gerekir: • Normal çalışma yada arıza koşullarında doğabi lecek adlin ve dokunma gerilimlerinin tehlikeli

Erdoğan Güner, DSİ

2. EMNİYETLİ BÎR TOPRAKLAMA ÎÇÎN ANA İLKELER

Arızada toprağa akan akım, gerek trafo merkezinin içerisinde, gerekse dolayında kuvvet çizgileri (gradients) yaratır.

Şekil l'de homojen toprakta ve gözlü bir toprak lama ağında doğan kuvvet çizgileri gösterilmiştir. Topraklama projesinde gerekli özen gösterilmezse; toprak arızalarında toprak yüzeyi boyunca doğacak gerilim farkları yürüyen bir insan için tehlikeli değerlere ulaşabileceği gibi, donatı yada kons

ıj

L 11 11 |1 1 1| 11

1 \ s"—N

\\

ı \ ( Vı ) i 'i i

|o

ı n> ı ı t ı 1 1ı1

]lı ı |

ıı ıi

! İ ! W ı ı ''

ı 1 1I

\ \

)1

i '•'

İ

l

1I 1

/1 1

sI /

'/

Şekil 1. Topraklama ağındaki kuvvet çizgileri ve gerilim dağılımı.

a) Eşgerilimli noktalar kesik çizgi ile gösterilmiştir b) AA kesiti boyunca akımın dağılımı c) Kısa devre sırasında uzaktan topraklı bir noktaya göre AA kesiti boyunca doğan gerilim yükselmesi

trüksiyonla toprak arasında tehlikeli gerilim farkları da doğabilir.

Ne yazık ki, doğabilecek bu kuvvet çizgileri ile gerilim farklarını çok nadir durumların dışında önceden hassasiyetle hesaplamak çok zor olduğu gibi pratik de değildir. Cerçekte topraklama ağ ları genellikle Şekil l'de gösterilenden daha karmaşıktır ve trafo r.erkezini örten toprağın alt katmanının nitelikleri konusunda yeterli bil gi toplamak oldukça güçtür.

Şu noktayı özellikle belirtmek gerekir ki merke zin topraklama direncinin düşük olması güvenlik için bir garanti değildir. Başka bir deyimle top raklama sisteminin direnci ile şok akımı arasında basit bir bağıntı yoktur. Göreli olarak düşük topraklama dirençli bir merkez bazı durumlarda tehlikeli olabileceği gibi, çok yüksek toprakla ma dirençli bazı merkezler de iyi projelendiril mişlerse emniyetli olabilir.

Şok akımının süresi, dokunma olasılığı insan vü cudunun direnci ve fiziki durumu yerel gerilim yükselmeleri ile birlikte merkezin güvenliğini belirleyen önemli öğelerdir. Bu öğelerin proje lendirmede değerlendirilmesinin güçlüğü de ayrı bir sorundur.

Yakın zamana kadar birçok kimsede topraklı her nesneye dokunulabileceği gibi yanlış bir kanı vardı. Ancak bugün özellikle çok yüksek gerilim li tesislerin işletmeye alınması ile bu sorun daha geniş bir elektrik mühendisi kitlesinin il gi alanına girmiştir. Bu da sevindirici bir du rumdur.

R, R

Ro

Şekil 3. Adım geriliminin gösterimi.

Eğri, kısa devre sırasında uzaktan top raklı bir referans noktasına göre yapı nın gerilim yükselmesini gösteriyor.

• Boru yada profil demirden yapılmış çubuklar

• Levhalar

E l e k t r o t G e r i l i m i : Referans olarak alınan ye terli uzaklıktaki bir toprak noktasına göre elek trotun yükseldiği gerilime denir. Şekil 2'de bir topraklama elektrotunun dolayındaki gerilim da ğılımı görülüyor.

3. ELEKTROT, ADIM, DOKUNMA ve TRANSFER GERİLİMLERİ

Bundan sonraki bölümlerin daha kolay anlaşılabil mesi için yukardaki gerilimlerin tanımlarının ya pılması gerekir.

Bugün topraklama elektrotu olarak bakır yada de mirden yapılmış aşağıdaki tiplerde iletken öğe ler kullanılmaktadır:

• Şerit iletkenler

• Som yada örgülü teller

A d ı m G e r i l i m i : Adım aralığı yaklaşık bir metre olan bir kişinin köprülediği elektrot gerilimine denir. Bu durumda insan vücudu devreye Şekil 3'de

REFERANS TOPRAK NOKTASI (yeterince uzak)

TOPRAKLAMA ELEKTROTU

Şekil 2. Elektrot geriliminin dağılımı. 80

R,

R0

Şekil

4. Dokunma geriliminin gösterimi.

Eğri, kısa devre sırasında uzaktan top raklı bir referans noktasına göre yapı nın gerilim yükselmesini gösteriyor.

700 V

O 500 o < î 400

OD

300 \

TRANSFER GERİLİMİ

Şekil 5. Transfer geriliminin gösterimi.

Eğri, kısa devre sırasında uzaktan top raklı bir referans noktasına göre yapı nın gerilim yükselmesini gösteriyor.

1: Uzaktan topraklı iletişim ve toprak teli gösterildiği gibi şönt olarak girer ve akım yolu bir ayaktan diğerine doğrudur.

Dokunma G e r i l i m i : Bir kimsenin yatay olarak bir metre uzaklıktan Şekil 4 ' t e gösterildiği g i bi köprülediği elektrot gerilimidir. Bu durumda akım yolu bir elden ayağa yada bir elden diğeri ne doğrudur.

Transfer G e r i l i m i : Şekil 5'te gösterildiği gi bi merkez içerisinde duran bir kişinin uzaktan topraklanmış bir iletkene yada merkezin dışında ki bir kişinin merkezin topraklama şebekesine doğrudan bağlı bir iletkene dokunması i l e karşı laşacağı gerilim farkına denir. Transfer serilimi topraklama şebekesinin yükseldiği gerilimin ta mamına e ş i t o l a b i l i r .

.1

S °10

0,4 0,6 0,8 TOPLAM AÇMA ZAMANI

k\N

Ş

•—2

0,4

0,6

o.e

TOPLAM AÇMA ZAMANI

b

4. MÜSAADE EDİLEBİLİR GERİLİM YÜKSELMELERİ

İnsan vücudunun can a l ı c ı bölümlerinden geçen akı mın tahrip e t k i s i ; akımın frekansına, büyüklüğüne ve etki süresine bağlıdır. Prof.Dalziel'in Co lumbia Üniversitesinde hayvanlar üzerinde yaptığı deneylerin sonucuna göre, insanların Z 99,5'unun "ventricular fibrillation" (kalbin atış sıklığı nın ve gücünün değişmesi) olmadan dayanabileceği akım; etki süresine bağlı olarak aşağıdaki gibi dir:

Bu formül üç saniye etki süreli akımlar i ç i n ge

Şekil 6. a) Müsaade edilebilir adım geriliminin arızanın toplam temizlenme süresine göre değişimi

1: Trafiği yoğun yolların yanındaki tesislerin dış bölümlerinde

2: Tesislerin içinde ve 1 maddesine girmeyen alanların dış bölümlerin de

3: Yalıtkan ayakkabı kullanılması du rumunda açık hava tesislerinin ' içinde b) Müsaade edilebilir dokunma gerilimi nin arızanın toplam temizlenme süre sine göre değişimi

1: Tesis dışında 2: Tesis içinde

Kaynak: WE 0141/2.64

çerlidir, daha uzun süreli akımlarda kullanıla maz.

1^: Vücuttan geçen akımın etkin değeri (A) t : Etki süresi (sn)

tnsan vücudunun el ile ayağı yada iki ayağı ara sındaki direnci 1000 ohm ve ayak temas direnci olarak da, p ohm m özgüldirencinde bir toprak yüzeyi ile temasta olan yarıçapı sekiz santimet relik bir küre elektrotun eşdeğeri kabul edile rek 3p değeri alınırsa; müsaade edilebilir adım (E ) ve dokunma (Ed) gerilimleri Şekil 3 ve 4'ten yararlanılarak aşağıdaki gibi çıkarılabilir:

E=

I

k

Müsaade edilebilir maksimum topraklama direnci, maksimum faz toprak akımına ve müsaade edilebilir gerilim yükselmesine bağlı olarak her trafo yada salt merkezi için ayrı ayrı tanımlanmalıdır.

VDE 0141 Alman standardında müsaade edilebilir adım ve dokunma gerilimleri belirlenmiş ise de müsaade edilebilir topraklama elektrotu gerili mi doğrudan verilmemiştir.

Amerikan pratiğinde ise müsaade edilebilir toprak gerilimi yükselmesi (elektrot gerilimi) santral, trafo ve salt merkezleri için normal sınır 3000 V, özel koşullarda da maksimum sınır 5000 V tavsiye edilmektedir.

E = (1000 + l,5p) d

= 165 + 0,25 p

/T

VDE 0141/2.64 no'lu Alman Standardında; 1 kV ve üzerindeki AA tesislerinin topraklaması için tav siye edilen adım ve dokunma gerilimleri Şekil 6'da açma zamanının işlevi olarak verilmiştir.

Dokunma ve adım gerilimleri için daha hassas de ğerler îsviçre standardında verilmiştir (Şekil 7 ) .

5. PROJELENDİRME YÖNTEMİ

Topraklamanın önemi nedeni ile projesi yapılacak topraklama sistemi öncelikle bir bütün olarak ele alınmalı ve çok dikkatli bir biçimde incelenmeli dir.

Proje yapımında sırasıyla aşağıdaki yolun izlen mesi özellikle tavsiye edilir:

a) Toprak karakteristiklerinin irdelenmesi.

b) Maksimum toprak arıza akımının saptanması.

c) Topraklama sisteminin proje taslağının hazır lanması.

1.0

2.0

3.0

MUSA*DE EDİ LE BİLİR DOKUNMA VE AOIH GERİLİMLERİ

ETKİ SURESİ

Şekil 7. Müsaade edilebilir adım ve dokunma gerilimlerinin etki süresine göre değişimi. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 242

d) Topraklama direncinin hesaplanması. e) Topraklama şebekesinin maksimum gerilim yük selmesinin hesaplanması.

f) Öngörülen adım ve dokunma gerilimlerinin sap tanması.

g) Topraklanan alan içerisindeki adım ve dokunma gerilimlerinin hesaplanması.

h) Özel tehlike gösteren noktaların ve transfer gerilimlerinin incelenmesi.

i) f, g ve h maddelerinde yapılan çalışmaların sonuçlarına göre taslak topraklama projesinin gözden geçirilmesi (revizyonu).

j) Topraklama sisteminin yapım (konstrüksiyon) projesinin hazırlanması.

k) Tesisi tamamlanmış topraklama sisteminin di renci ile adım ve dokunma gerilimlerinin öl çülmesi.

1) Bulunan ölçü sonuçlarına göre e, f, g, h mad delerinde yapılan çalışmaların değerlendiril mesi.

m) 1 maddesinde yapılan bu değerlendirmeye göre topraklama sisteminin iyileştirilmesi (geniş letme, çubuk çakılması, tel çit yapılması, vb.).

6. TOPRAK KARAKTERİSTİKLERİNİN İRDELENMESİ

Bir topraklama sistemi projelendirilirken önce toprağın kendisi incelenir. Ancak toprağın diren

ci aşağıda sıralayacağımız etmenlere bağlı olarak değişir:

a) Toprağın cinsi b) Toprak tabakasının kalınlığı c) Sıcaklık d) içerdiği nem miktarı e) İçerdiği tuz miktarı.

Şekil 8'den toprak özgüldirencinin sıcaklık, nem ve tuz miktarına göre nasıl değiştiği kolayca gö rülüyor.

Toprak özgüldirencinin ölçümünde genellikle dört elektrot yöntemi kullanılır. Bu yöntemde eşit aralıklarla toprağa düşey çakılı çubuklardan dış taki iki elektrottan akım geçirilir ve içteki iki elektrot arasındaki gerilim farkı ölçülür. Dört uçlu toprak Megger'i genellikle bu ölçüm için kul lanılan bir akım kaynağıdır, ölçü aygıtından oku nan direnç R(ohm) ise, toprak özgüldirenci p(ohm m) aşağıdaki formülden hesaplanabilir.

p = 2ır • S • R

Burada S metre olarak elektrotlar arasındaki açık lığı gösteriyor.

Şekil 9'dan açıkça görüldüğü gibi, elektrotlar arasındaki açıklık büyüdükçe elektrotlar arasında akan deney akımının büyük bir bölümü yüzeye göre daha derinden akmaktadır.

Maksimum elektrot aralığına karşılık olan derin likte toprağın üniform olup olmadığı hakkındaki fikir giderek artan elektrot aralıklarında ölçüm ler tekrarlanarak edinilebilir. Burada akımın nü fuz etme (penetration) derinliğinin elektrot ara lığına bağlı olduğu kolayca görülebilir. Ayrıca nüfuz etme derinliğinin altındaki toprağın diren cindeki değişmelerin ölçüme etkisi yok sayılabi lir.

Alanı, topraklama şebekesinin alanına eşit olan dairenin yarıçıpını "eşdeğer yarıçap" olarak ta nımlıyoruz. Eşdeğer yarıçap derinliğine kadar olan toprağın, topraklama direncine etkisi yok

0 10 20 30% 20 0° 20 40 60<C

NEM

SıCAKLıK

Şekil 8.

Toprağın özgül di ren cin in neni, sıcaklık ve tuz miktarına göre değişimi.

0 5 10

TUZ MİKIARI

15%

Şekil 9. Toprak özgüldirencinin ölçümünde kulla nılan dört elektrot yöntemi.

sayılamayacak düzeydedir. Buna j*öre; topraklama projesi yapılacak yerin toprakının uniform olup olmadıkını saptarr,ak için elektrot aralığını eş değer yarıçap uzunluğuna kadar artırmak gerekir.

Büyük alanlı merkezlerin eşdeğer yarıçaplarının ortalama 30 100 m gibi değerlere ulaştığı düşünü lecek olursa, dört uçlu Megger ile ölçmenin pra tikte r.e gibi güçlükler doğuracağı kolayca anla şılır. Bu nedenle ölçmeler genellikle elektrot aralığı 1,5 m'den başlanarak 5 ila 15 m'lik kade melerle 60 m'ye kadar artırılarak yapılır, eğer ölçüm sonuçlarına göre bir ölçümün bir önceki ile arasındaki fark % 30'dan fazla değilse; top rak uniform kabul edilir ve toprağın özgüldirenci 4 no'lu denklemden bulunur.

p = 2ır • S • R denklemi, gömülü elektrot boyu (i) elektrot aralığına (p) göre çok küçükse geçerli dir. Ancak İ/S oranının çok küçük olmaması duru munda aşağıdaki denklemin özgüldirenç hesabında kullanılması daha uygun olur.

P= 1+

41 S R

2S

Gerilim elektrotları ile ölçü bağlantı kabloları nın dirençleri toplamını R^, voltmetre yada Megger gerilim devresinin direncini de Ry ile gösterir sek; özgüldirenç hesabında kullanılan V gerilim düşümü seri bağlı olan Ry + Re dirençleri üzerin deki toplam gerilim düşümünü verecektir. Ancak voltmetreden okunan V gerilimi Ry direnci üze rindeki gerilim düşümünü vereceğinden, gerilim ve özgüldirenç değerlerinin aşağıdaki gibi düzel tilmesi gerekir:

R +R ev

V=

Çoğu kez toprağın, kalınlığı d ve özgüldirenci Pı olan bir üst tabaka ile p2 özgüldirençli ve sonsuz derinlikteki bir toprak alt katmanından oluştuğu varsayılır. Bu varsayımla bulunacak so nuçların doğruluk düzeyi yeterlidir.

tik sorun dört elektrotlu ölçü yöntemi ile bu bü yüklüklerin nasıl bulunacağıdır. Sunde, Şekil 11' deki gibi, P /Pı oranının yalnızca S/d ile P2/P1 anı oranlarının işlevi olduğunu göstermiştir.

Küçük S/d oranları için ölçülen p değerinin am

Pı değerine ve büyük S/d oranları için de P2 de ğerine yaklaştığı şekilden görülebiliyor.

Belirli bir alan için d, pı ve P2 değerleri hak kında bilgi edinilmek istenirse Pam değerleri çer şitli ölçü aralıkları (S) için ölçülerek P a m = f ( s ) eğrisinin çizilmesi ve Şekil ll'deki eğri ile karşılaştırılması gerekir. Eğrinin ilk yatay bölümü pı, yataylıktan ayrıldığı nokta (S = d) d hakkında ve eğrinin tekrar yataylaştığı bölüm ise P2 hakkında tahminde bulunmaya yaraya caktır:

Çoğu kez eğrinin yataylıktan sapan bölümünün tek rar düzleşmesi ölçü aralığının yeterince büyütü lememesi nedeni ile sağlanamayabilir. Bu durumda "extra polation" yapmak yada mevcut jeofizik ça lışmalardan yararlanmak gerekebilir.

Pı i P2 ve d büyüklükleri bilinirse; kullanılacak elektrot tipi de gözönüne alınıp eşdeğer p top rak özgüldirenci hesaplanarak bir salt yada tra fo merkezinin topraklama şebekesinin boyutları tahmin edilebilir.

Toprak özgüldirenci toprak kalınlığı ile değişe bileceği gibi uniform kabul edilen tabaka boyunca da değişebilir ve bu değişmeler tehlikeli yerel gerilim yükselmelerine yolaçabilir. Bu da gözönün de tutulması gereken önemli sorunlardan biridir.

R +R (6)

Şekil 10'da gerilim elektrotlarının toplam di rençlerinin dört uçlu Megger ile nasıl ölçülece ği gösteriliyor.

Salt yada trafo merkezinin kurulacağı yerde, be lirli bir derinlikte uniform bir toprak özgüldi rencine çok seyrek raslanır. Genellikle toprak, özgüldirençleri farklı çeşitli tabakalardan olu şur.

Şekil 10. Gerilim elektrotlarının toplam direnci nin dört uçlu Megger ile ölçümü.

0,01

0,0.1

0,1 0,2 0,5 1,0 2 5 10 20 50 100 s/d 1000

Şekil 11. Dört uçlu elektrot yöntemi ile ölçülen toprak özgüldirenci (Pgjj,) değerleri.

Pau/Pı = Mo(S/d

7. TOPPAK ARIZA AKIMININ BULUNMASI

Bir salt yada trafo merkezinin toplam toprak (sı fır dizi bileşen) empedansı Z~, merkezin kendi topraklama direnci (elektrot direnci) ile merkeze bağlı enerji nakil hatları koruma tellerinin (kontrpualar da dahil) toprak empedanslarının bileşiminden oluşur.

Bir toprak arızasında merkezdeki toplam gerilim yükselmesini, Zg toprak empedansından akan Ig arı za akımı belirler. En kötü koşulun incelenebilme si için maksimum Ig toprak akımının bilinmesi ge rekir.

Ig arıza akımının büyüklüğü arızanın yeri gibi birçok etmene bağlıdır.

Bir topraklama sisteminin ana boyutlarının bulu nabilmesi için öncelikle maksimum toprak arıza akımının belirlenmesi gerekir. Bundan sonraki adım ise merkez için müsaade edilebilir maksimum gerilim yükselmesinin ( V k ) saptanmasıdır.

ma s

Merkez için gerekli topraklama direnci (R), top rak empedansınm (Z ) bir parçası olduğundan

V = Zg

<V

Smaks % maks

bulunabilir.

Zg empedansı, merkezin topraklama direnci (R) ile hat toprak empedansından (Zj,^) oluşur. Eğer merkeze n adet enerji nakil hattı bağlıysa Z em g pedansı aşağıdaki değeri alır:

n i7

Hattın toprak empedansı (Zj^); hattın koruma te linin kilometrik self empedansı (Z j) ile direk lerin ortalama toprak direnci (Rti) ve direkler arası açıklıklığın (Si) işlevidir:

sı ti

Merkezden maksimum toprak arıza akımının geçmesi ne yol açan arıza noktası merkezin yüksek gerilini yada alçak gerilim tarafında olabileceği gibi, merkezin içinde yada merkezden belirli bir uzak lıktaki hattın üzerinde de bulunabilir.

En kötü arıza noktasının sapt?nabilmesi için aşa ğıdaki soruların cevaplandırılması gerekir:

• Maksimum toprak arıza akırcı yüksek gerilim ta rafında mı yoksa alçak gerilim tarafında mı doğuyor?

• Arıza akımının en büyük bölümü şebeke tarafın dan mı yoksa trafo tarafından mı besleniyor?

Eğer arıza akımının büyük bir bölümü şebeke tara fından besleniyorsa en kötü arıza noktası merke zin içerisinde; trafo tarafından besleniyorsa merkezin dışında olacaktır. Bu durumu şöyle açık layabiliriz:

Merkezin içerisindeki bir arıza durumunda; trafo nun üzerinden geçecek arıza akımı toprağa girme den merkezin içerisinde akacak ve böylece merke zin geriliminin yükselmesine herhangi bir etkisi olmayacaktır.

Arıza akımı incelenirken, arıza noktasından görü nen trafonun etkin (aktif) yada edilgin (pasif) olması, başka bir deyimle bir gerilim kaynağı olarak çalışıp çalışmaması gözönünde tutulması gereken önemli bir öğedir.

a) Arıza merkezin içerisindeyse, buna karşılık olan eşdeğer devre Şekil 12'deki gibidir.

Görüldüğü gibi If arıza akımı Ito ile I akım

larının toplamına eşittir. Trafo arıza akımı bi

leşeni I merkez içerisinde, I akımının

to

s0

(1 U) I bileşeni de merkezin toprağına akacak so

tır. I akımının geri kalan bölümü u l , arıza

noktasını besleyen hattın faz iletkeni ile toprak

iletkeni arasındaki kuplajdan ötürü toprak ilet

keninden akacaktır.

Iso

Lfo

SZ

'4=

M E N C U TOPRAKLAMA BARASI

zı

Af if i

Lso

<ı >niso

Şekil 12. Toprak arızasının merkez içerisinde olması durumunda arıza akımının dağılımı.

'\A/V

MERKEZ TOPRAKLAMA BARASI

Îi

isx

Isgx

Şekil 13. Toprak arızasının merkez dışında X kadar uzaklıktaki bir yerde olması durumunda arıza akımının dağılımı.

Bu kuplaj y = Zjn/Zg biçiminde tanımlanabilir. Bu rada Zg, toprak teli ile arızalı faz arasındaki karşılıklı (mutual) empedansı, Z ise daha önce tanımladığımız toprak telinin seri empedansını gösteriyor.

Bu durumda maksimum arıza akımı aşağıdaki gibi yazılabilir:

8. TOPRAKLAMA DİRENCİ

Bir tesis için gerekli ortalama topraklama di renci (R), uzaktan topraklanmış bir noktaya göre bu tesis için müsaade edilen maksimum gerilim yükselmesi ( ^ ^ g ) ile tesisten akan maksimum toprak arıza akımı (Ig oi, ) bilindiğine göre:

V= I Smaks

Vmaks

I > I ^ o olması durumunda bu akım, merkezin top so raklama sisteminin gerilim yükselmesi hesabında kullanılabilir. b) Arızanın merkezin dışında olması durumu. Merke zin arıza noktasında görünümü edilgindir. Arıza merkezden x kadar uzaktaki bir noktada ise; sistemin buna karşılık olan eşdeğer devresi Şe kil 13'deki gibi olacaktır.

Bu durumda Zg empedansından geçen maksimum akım;

a ( 1 y ) I dır. t0

Burada I arıza merkezin içinde iken merkezde t0> ki transformatörlerin toplam arıza akımı içindeki payını gösteriyor.

c) Arızanın merkezin dışında olması durumu. Merke zin arıza noktasından görünümü etkindir.

Arıza akımının dağılımı önceki bölümdeki gibidir. Ancak bu durumda merkezdeki transformatörler üze rinden akan akım (Itx)» * uzaklığı arttıkça mer kezin edilgin olması durumuna göre daha hızlı bir biçimde düşüyor:

Buradaki k çarpanı I1den küçüktür ve hesaplanabi lir.

Z g eşitliklerinden bulunabilir.

Bugün geliştirilmiş olan topraklama sistemlerinin dayandığı ana ilke arıza anında doğacak aşırı ge rilimleri, düşük topraklama direnci sağlayarak önlemektir. Düşük topraklama direnci elde etmek için uygulanan yöntemleri şöyle sıralayabiliriz.

• Hem salt yada trafo merkezi içerisindeki dona tıyı topraklamak hem de toprak yüzeyinde düzgün gerilim dağılımı elde etmek için topraklama ağı kullanmak.

• Topraklama ağına topraklama çubuğu yada boru ilave etmek yada topraklama ağının kapladığı alanı artırmak.

• Topraklama ağının yerleştirileceği toprağın öz güldirenci yüksekse yada mevsimlere göre büyük değişiklik gösteriyorsa,örneğin yazın toprağın özgüldirenci çok yüksek değerlere ulaşıyorsa merkezin dışında daha düşük özgüldirence sahip bir ortama ilave topraklama ağı yada çubukları yerleştirmek.

Düşük topraklama direnci elde ederken projeci, topraklama sisteminin tipi, genel yerleştirmesi ve boyutları üzerinde sağlam bir ekonomik karşı laştırma yapmalıdır.

Eğer deneyler sonucunda istenen toprak özgüldi renci elde edilmişse sorun geometrik biçimlerin fiyat karşılaştırmasına dönüşür.

8.1. Topraklama Direncinin Hesabı

Topraklama ağının p özgüldirençli uniform bir toprağa yerleştirildiğini varsayalım.

Topraklama ağının direnci R "Laurent" tarafından g aşağıdaki formül ile yaklaşık olarak verilmiştir.

4r r : Alanı topraklama ağının kapladığı alana e ş i t olan bir dairenin metre olarak ya rıçapını,

L : Gömülü topraklama iletkenlerinin toplam uzunluğunu gösteriyor.

Bu denklem uzunluğunun genişliğine oranı 1 dola yında olan ve 60 i l e 90 cm derinliğe gömülü ağlar için iyi bir yaklaşım verir.

Topraklama ağı direncinin hesabında daha g e l i ş t i rilmiş bir formül, "Schwarz" tarafından verilmiş t i r . Buna göre;

gR = £r (Ln dQ : Topraklama iletkeninin çapı h : İletkenlerin gömülme derinliği S : Ağın kapladığı alan ki ve ka : Gerçek ağın kare biçimli ağdan sapma durumunu gözönüne alan katsayılar olup Şekil 14'deki eğrilerden bulunabilir.

"Schvarz" aynı zamanda birbirine yakın y e r l e ş t i rilmiş topraklama çubuklarının eşdeğer dirençle

ri Rrb için de aşağıdaki formülü geliştirmiştir.

/n~ 1)'

VS

n : Toplam kazık sayısı i, : Herbir çubuğun boyu d : Kazık çapı

Topraklama ağı ile çubukların ortak direnci ise;

Rrb

R=

Rrb+ R g "

formülünden bulunabilir.

Rm= â (Ln^

8.2. Topraklama İletkenlerinin Boyut lan d i n İması

Topraklama sistemindeki her öğe (topraklama ilet keni, elektrotu gibi) aşağıdaki ilkeler gözönüne alınarak boyutlandırılmalıdır.

a) İletkenler en büyük arıza akımına, arıza süre since herhangi bir erime yada hasarlanma olma dan dayanabilmelidir.

b) Özellikle yerleştirileceği yerde karşılaşaca ğı fiziksel zorlanmalara karşı büyük bir daya nıklılık göstermelidir.

c) İletkenler yerel gerilim farklarını tehlikeli değerlere yükseltmeyecek şekilde gerekli elek triksel iletkenliğe sahip olmalıdır.

7.0

6.0

İ 50

4.0 1.4 1.3

h »0

„—

—•—• •

h : Vs h«0

1.2 h=

1.1

1.0 012345678

ALANIN BOYUNUN ENİNE ORANI

Şekil 14. Schwarz'm verdiği formülde kullanılan ki ve k2 katsayıları.

Bakır topraklama iletkeni ve bağlantı öğeleri için "Onderdonk" un geliştirdiği aşağıdaki bağın tı kullanılabilir:

I=A

T'•mm " Ta

log (

+ 1)

235 + T.

33 S

Burada; I : Amper olarak arıza akımı A : CM (circular mils) olarak bakır iletkenin kesiti (1 mm2 =1974 CM) S : 1 arıza akımının saniye olarak aktığı süre

T : °C olarak müsaade edilen maksimum sıcak m lık yükselmesi

T : °C olarak ortam sıcaklığı. a

Yukardaki formülün uygulamasında normal olarak aşağıdaki kabuller yapılabilir.

• Ortam sıcaklığı T = 4 0 ° C , a

• İsınma, arıza kısa süreli olduğu için ilet kende kalıyor.

• Bakırın erime sıcaklığı 1083°C.

ELEKTRÎK MÜHENDİSLİĞİ 242

• Lehimli bağlantılar için müsaade edilen sıcak lık yükselmesi 450°C.

• Cıvatalı bağlantılar için müsaade edilen sıcak lık yükselmesi 250°C.

• Arıza süresi olarak AIEE 'de 30 sn alınması tavsiye ediliyorsa da, pratikte yüksek kesme hızına sahip salt merkezleri için bu süre 4 sn'ye indirilebilir.

VDE 0141'de yangın tehlikesi olmayan yerler için maksimum sıcaklık yükselmesi 300°C, yangın tehli kesi olan yerler için ise 200°C alınarak hesaplar yapılmakta ve çıkan akım değerinin 1,2 katı 1 sn' lik müsaade edilen akım değeri olarak alınmakta dır.

Başka bir deyimle 1 sn süreyle müsaade edilen akım yoğunluğu bakır iletkenler için 160 A/mm , alüminyum için 105 A/mm2 ve çelik için de 67 A/mm2 alınmaktadır.

Yukarıda verilen bağıntıdan bulunacak sonuç ne olursa olsun AIEE'de lehimli bağlantılar için 1/0, cıvatalı bağlantılar için de 2/0 dan daha küçük kesitli iletken kullanılmaması tavsiye edilmektedir.

VDE 0141/2.64'de tavsiye edilen topraklama elek trotlarının minimum boyutları aşağıdaki çizelge de verilmiştir.

Topraklan» elektrotunun t i p i

1. Şerit elektrot

Galvanizli çelik

Minimum 3 mm kalınlığında 100 rm2 k e s i t l i çelik şerit

95 mm? örgülü iletken

2. Çubuk elektroc

3. Levha elektrot

Çelik boru 1"

Profil çelik: L : 65 65 7 U : 6 1/2 T : T6 X : 50 3 yada eşdeğer diğer çubuklar

3 ran'lik çelik levha

Bakır kaplamalı çelik

50 mm?

2,5 mm kalınlıkta bakır kaplamalı ve 1,5 mm çapında çelik

Bakır

Minimum 2 mm kalınlığında 50 ıtm2 k e s i t l i bakır şerit

35 ımı2 örgülü iletken

Minimum 2 rm kalınl ığında ve 50 mm? k e s i t l i bakır şerit 35 mm2 k e s i t l i ' dolu yada örgülü iletken 30x3'İük bakır boru 2 mm'lik bakır levha

Toprak iletkeninden yada elektrotundan akan akı mın yarattığı ısı toprağın nemini azaltacağından toprağın özgüldirenci artacaktır. Bu nedenle nis beten uzun süreli akan toprak akımları için bu ko nunun da gözönüne alınarak topraklama öğelerinin boyutlandırılması uygun olacaktır.

9. GERÎLÎM DAĞILIMININ DENETLENMESİ

Herhangi bir tesiste adım ve dokunma gerilimle rini istenilen güvenlik sınırları içinde tutabil mek için topraklama sistemindeki gerilim dağılı mının iyi bir biçimde denetlenmesi gerekir. Ağ biçimindeki bir topraklama sisteminde göz aralı ğı azaltılarak adım ve dokunma gerilimlerini is tenilen değerlere düşürmek olanaklıdır.

Bir topraklama tesisinde dokunma gerilimleri ge rilim dağılımının denetimi için yapılacak hesap lara temel alınır.

Bunun nedenini kısaca şöyle açıklayabiliriz:

Adım gerilimleri çoğunlukla dokunma gerilimlerine göre daha küçük değerlerdedir. Çünkü iki ayağın toprakla temas direnci devreye seri girdiğinden vücuttan geçen akım daha iyi sınırlanır.

Transfer gerilimlerinin sınırlanması ise çok da ha zor ve genellikle yalıtkanlığa ilişkin özel çözümler gerektirir.

Bundan önceki bölümlerde dokunma gerilimini top rak iletkeninden bir metre yatay uzaklıkta ölçü len gerilim olarak tanımlamıştık. Ancak öyle ola sılıklar vardır ki bir metreden daha fazla uzak lıkta dokunulan donatı doğrudan yada dolaylı ola rak topraklama ağı ile bağlantılı olabilir. Bu nedenle dokunma gerilimi yerine "göz gerilimi" diye tanımladığımız ve topraklı donatı ile dik dörtgen biçimli topraklama gözünün merkezi ara sındaki gerilim temel alınır.

Genellikle bu gerilim, topraklama iletkeninden bir metre uzaklıkta ölçülen dokunma geriliminden daha büyük değerdedir. Gözlü olarak tesis edil miş bir topraklama ağında; boyutları, iletken ke sitinin ve gömülme derinliğinin işlevi olan göz gerilimi aşağıdaki gibi yazılabilir:

E = K • Ki • p • f g

Burada Kg paralel iletkenler arası açıklığın (D), iletken sayısının (n), iletken çapının (d) ve gömülme derinliğinin (h) etkilerini gözönüne alan bir katsayıdır:

_1_

2TT

Burada ikinci terimde parantez içerisindeki çar panların sayısı paralel iletken sayısının iki eksiği kadar alınmalıdır.

K^: Topraklama ağının çeşitli bölümlerinden akan toprak arıza akımının uniform ola rak dağılmamasını gözönüne alan düzensiz lik düzeltme çarpanıdır.

p : Ortalama toprak özgüldirenci.

I : Topraklama ağından toprağa akan maksimum kısa devre akımının etkin değeri. Kısa devre akımındaki doğru akım bileşeninin etkisi ile ilerde şebekenin kısa devre gücünün artması olasılığı ayrıca gözönü ne. alınmalıdır.

L : Toprak içerisine gömülü iletkenlerin top lam uzunluğu.

Yukardaki göz gerilimini önceki bölümlerde açık lanan müsaade edilir dokunma gerilimine eşitle yelim;

K • K. • p gı

165 + 0,25 p s 7F

Bu eşitlikten göz gerilimini istenen sınırlarda tutabilmek için gerekli topraklama iletkeni uzun

luğu hesaplanabilir:

K. P •

L= 165 + 0,25 p

P •• Salt yada trafo merkezinin nenen yüze yindeki toprafın özgüldirenci (ohn ir) .

Kısa devre akımının sistemde aktığı mak simum süre (sn).

DÖRT UÇLU YILDIZ TOPRAKLAMA ELEKTROTU

HALKA T I P I TOPRAKLAMA ELEKTROTU

Yukardaki formüllerde kullanılan Kj düzensiz akım düzeltme çarpanı, topraklama ağının geometrik bi çimine bağlı olarak 1,2 ile 2 arasında değişir.

Topraklama ağının kare yada dikdörtgen biçimli,top rak özgüldirencinin de uniform olması gibi ideal koşullar sağlansa bile; topraklama ağı iletken lerinin birim uzunluğundan geçen akımın değeri kö şelerde ve yanlarda ortadaki iletkenlere göre da ha fazladır. Gerilim dağılımı da bu akım yoğunlu ğuna bağlı olarak değişecektir.

Uygulamada ise topraklama ağı için düzgün bir geometri ile uniform bir özgüldirenç elde etmek çok güçtür. Bu nedenle ağın geometrik biçimini gözönüne alan uygun bir Ki düzensizlik çarpanını kullanmak genellikle pratikte gerekli olmaktadır.

Topraklama ağı içerisindeki adım ve dokunma geri limlerini, tabii fiyata bağlı olarak göz aralığı nı azaltarak istenilen değerlere düşürmek olanak lıdır. Başka bir deyimle kuramsal olarak yekpare bir levha kullanılırsa adım ve dokunma gerilimle ri sıfır yapılabilir. Ancak ağın çevresinde durum yekpare levha kullanılsa bile farklıdır. Özellik le bu durum topraklama ağı sınırlı bir alanı kap layan küçük merkezler için önemlidir.

TOPRAKLAMA AĞI

Şekil 15.

Pratikte kullanılan topraklama elektrotları.

10. TOPRAKLAMA PRATİĞİ

Salt ve trafo merkezlerinde topraklama sistemle ri genellikle, donatı temelleri için kazılmış ze mine çakılı çelik topraklama çubukları ile bu çu bukları birbirine bağlayan gömülü bakır toprakla ma harasından oluşur. Bu topraklama barası yada başka bir deyimle ağı, topraklanacak donatı yada yapının kolaylıkla topraklanmasını sağlayacak bi çimde düzenlenmelidir.

Zemin çubuk çakılmasına elverişli değilse ek top raklama iletkenleri gömülerek daha yoğun bir ağ oluşturulabileceği gibi, topraklama ağı etrafta koşulları daha elverişli bir yere yerleştirilecek topraklama elektrotlarına bağlanabilir.

Topraklama sistemlerinin tasarımında genellikle trafo merkezi yüzeyinin çakıl gibi nisbeten yalıt kanlık direnci yüksek malzeme ile örtülmesi kabu lünün yapılması adım gerilimlerinin önemini azalt makta ve bu nedenle topraklama ağının boyutlandı rılması yalnız dokunma gerilimlerinin sınırlandı rılması temeline dayanmaktadır.

Ancak, çakıl örtüsünün bulunmadığı salt merkezi çevresinde özellikle çevre çiti yakınında ve kö şelerde dokunma gerilimleri kadar adım gerilimle ri de önemli bir sorundur.

Adım gerilimlerinin hesabı için aşağıdaki formül den yararlanılabilinir:

Genellikle kullanılan topraklama elektrotlarının tipleri Şekil 15'te gösterilmiştir.

Biraz sonra hangi donatı ve çelik yapıların top raklanacağı sırasıyla anlatılacaktır, özellikle hatları topraklayan ve elle çalıştırılan toprak lama ayırıcılarının altlarına topraklama ağı yer leştirilmelidir. Ayrıca merkezde son bulan ener ji nakil hatlarının toprak telleri ile nötr ilet kenleri yapılabilecek ölçmeleri kolaylaştırmak amacıyla topraklama ağına bir link aracılığı ile bağlanmalıdır. Yine santrallarda toprak tecrübe linklerinin tesisi; santral topraklama ağı ile salt merkezi topraklama ağını birbirinden ayırmak için gereklidir.

K ; paralel iletkenler arası açıklığın (D), para a lel iletken sayısının (n), iletken çapının (d) ve gömülme derinliğinin (h) bir işlevidir:

I 1

X

Il I * I

2h D+h 2D 3D

Parantez içindeki terim sayısı, paralel iletken sayısına eşit alınmalıdır.

Ki çarpanının 1,2 ile 1,3. arasında alınması Niemann tarafından tavsiye edilmektedir.

Topraklama ağında kullanılacak iletkenlerin boyu tu ile gömülme derinliği öncelikle mekanik hasar olasılığını en aza indirecek biçimde seçilmeli dir. Topraklama iletkenlerinin gözler biçiminde oluşturulması yada paralel devreler biçiminde donatıya bağlanması, topraklama sisteminin bir bölümünde mekanik hasar olduğunda bile elektrik sel iletkenliği diğer devre sağlayacağından güve nilir düzenlemelerdir.

Topraklama elektrotları ile donatı arasındaki bağlantıların kaynaklı, uygun civatalı yada sı kıştırmalı tipte klemensler ile yapılması elek triksel ve mekanik güvenilirliği artırır.

Hem topraklama iletkeni, hem de bağlantı öğeleri mekanik ve termik zorlanmalarla korozyona karşı dayanıklı malzemelerden yapılmalıdır. 600°C'nin altında eriyen lehim ve kaynak maddeleri kulla

nılmamalıdır. tki ayrı malzeme birleştirilirken elektrolitik korozyonu önleyecek önlemler alınma lıdır. Örneğin; alüminyum bir yapının topraklan masında; bakır toprak terminal pabuçları kalayla kaplanmalı yada alüminyum pabuçlar kullanılmalı dır.

Topraklama iletkenleri yanabilecek maddelerden uzağa konmalı; açığa yerleştirilmişler ise tanı nabilecek biçimde işaretlenmelidir. Çok zor ge çilebilecek yerlerde boru içersine alınmalı yada iletken her an denetimi yapılabilecek genişlik teki bir boşluktan geçirilmelidir.

Aygıtların kendi muhafazaları, toprak hatları, izolatör altlıkları topraklama iletkenleri ola rak kullanılabilirler. Ancak böyle bir bağlantı, başka bir aygıtın toprak bağlantısının kesilebil mesine engel olmamalıdır.

Bundan önce de belirttiğimiz gibi açığa yerleşti rilmiş topraklama iletkenleri 16 mm 'den; toprak altındaki iletkenler de 50 mm2'den daha küçük ke sitte olmamalıdır. Levha yada şerit tipi elektrot larda kalınlık 3 mm'den ve kesit de 50 mm2'den daha küçük olmamalıdır.

Özel topraklamalar için topraklama iletkenleri tesisatta doğacak en yüksek gerilime yada en az 4 kV'a göre yalıtılmalıdır.

Trafo yada salt merkezinde topraklanması gereken aygıtları şöyle sıralayabiliriz:

• Generatör ve trafoların nötr noktaları ile mu hafazaları.

• Kesiciler, ayırıcılar, sigortalar ve ark boy nuzları.

• Ölçü trafoları.

• Dağıtım hücre ve panoları. • Kablo muhafazaları ve kablo başlıkları • Parafudr ve izolatör altlıkları. • Çevre çitleri, raylar , yağ ve yakıt tankları. • Salt yada trafo merkezindeki tüm metal boru şebekeleri.

• Elektrik motoru, ısıtıcılar, yardımcı trafolar, redresörler gibi taşınamayan aygıtlar.

• Yapıların çelik öğeleri. • Cebri borular, çelik kapak yuvaları, emme bo ruları. • Her türlü anten.

11. TOPRAKLAMA SİSTEMİ DİRENCİNİN ÖLÇÜMÜ Topraklama sisteminin genellikle dirençli, kapa sitif ve indüktif bileşenlerden oluşan bir empe dansı vardır. Topraklama sisteminin dirençli bi leşeni işletme frekansında (50 H z ) , kapasitif ve indüktif bileşenleri de yüksek frekansta (yıldı rım boşalması, iletişim frekansları gibi) etkin liklerini gösterir. Topraklama direncinin dlçümündeki amaçları şöy le sıralayabiliriz:

a) Topraklama sisteminin gerçek direncinin sap tanması.

b) Yapılan hesapların denetlenmesi. c) Topraklama sisteminde gerilim yükselmesinin ve bütün bir alan boyunca gerilim değişiminin belirlenmesi.

200 V Güç kaynağı

///

////

////////////

/////////7/7

Merkezin topraklama ağı

Toprak teli Faz iletkeni

Tüm Faz iletkenleri toprağa bağlı

300 ~ 600 m

Topraklama ağının büyük kenarının U yada 5 katı uzunluğunda __

(VV) Vakum tüp voltmetre (Â ) Ampermetre (y) Voltmetre

R Değişken su direnci

Şekil 16. Bir merkezin topraklama direncinin ölçülmesi.

<•5

Merkezin toprakı

Şekil 17. Uç ve dört uçlu toprak Megger'i ile ölçme yöntemi.

d) Topraklama sisteminin yıldırım boşalmalarına karşı koruma etkinliğinin saptanması.

e) Radyo frekansları ile uygunluğun sağlanması.

£) Alan içerisine yapılacak binaların koruma pro jelerinin hazırlanması için gerekli verilerin toplanması.

Topraklama sisteminin karakteristikleri gömülü topraklama elektrotlarının düzenine, kapladığı alana ve toprağın bileşimine bağlıdır.

11.1. Toprak Megger'i ile ölçme Yöntemi

Şalt yada trafo merkezlerinin topraklama direnç lerinin ölçümünde kullanılan en basit yöntem top rak Megger'i ile yapılan ölçmedir.

Bu ölçme yönteminde eğer üç uçlu Megger kullanı lıyorsa Şekil 17.a'da görüldüğü gibi uçlardan bi ri merkezin toprağına diğer ikisi de ölçüme yar dımcı olacak toprağa bağlanır. Dört uçlu Megger kullanılması durumunda ise Şekil 17.b'de görülen bağlantı yapılır. Her iki durumda da devre akımı merkezin toprağı ve toprağa bağlanan akım ucu yolu ile ölçü aygıtının akım devresinden akar. ölçü aygıtının gerilim devresi ise merkezin top rağı ile aygıtın toprağa bağlı diğer gerilim ucu arasına bağlanır, üç uçlu Megger kullanılması du rumunda ölçü aygıtı ile merkezin toprağı arasın daki bağlantının direnci ayrıca ölçülür ve deney değerlerinden çıkarılır. Eğer gerilim ucu nun direnci yüksekse gerçek değerlerin elde edi lebilmesi için yapımcı yönergesine başvurmak ge rekecektir. Akım ucunun yüksek dirençli olması ise ölçü aygıtının duyarlılığını (hassasiyetini) düşürür, ancak okumanın doğruluğunu etkilemez.

Bu yöntemin aşağıdaki durumlarda kullanılması uy gun değildir:

a) ölçümü yapılacak merkezin topraklaması uzakta direnci düşük bir topraklamaya bağlı ise, b) îndüksiyon yada kaçak akımlar nedeni ile do ğan gerilim yükselmeleri önemli düzeylerdeyse,

c) Topraklamanın direnci Megger'den okunabilecek en küçük değerden daha küçükse, d) Eğer deney için kullanılan kablolar birbirine paralel ve en kısa kablonun direnci, ölçülecek topraklamanın direncinden büyükse.

Bu gibi durumlarda voltmetre ampermetre yöntemini kullanmak daha doğru sonuçlar verir.

Ancak bu yöntemde de deney bağlantılarının doğrul tuları farklı olmalıdır. Eğer deney için kullanı lacak kablo bağlantılarının birbirlerine paralel olması zorunluluğu varsa bu durumda wattmetre am permetre yöntemini kullanmak daha doğru olur.

11.2. Voltmetre Ampermetre Yöntemi

Voltmetre ampermetre yöntemi, merkez ile yardım cı toprak uçları arasında paralel toprak kesitle rinin olmaması ve bu bağlantıların genel doğrul tuları arasında 90°'den büyük açıların olması durumunda uygulanır.

Bu yöntemin devre şeması Şekil 18'de gösterilmiş tir. Ölçülen gerilim yükselmesi Et ve deney akı mı da 1^ olduğuna göre; merkezin topraklama di renci R aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

Burada K j , yardımcı toprak uçlarının merkezden yeterince uzağa yerleştirilememesinden gelen öl çü hatasını düzeltmek için kullanılan bir çarpan dır.

Bu yöntemde ampermetre ve voltmetre, olası temas dirençleri ile bağlantı kablolarının dirençleri nin etkilerini azaltmak için merkezin toprakla masına ayrı kablolar ile bağlanmalıdır.

Gerilim devresinin toprak ucunun direnci yüksek se voltmetreden ölçülen değerler aşağıdaki dü zeltme çarpanı ile çarpılmalıdır.

= K z

R.

oR

ölçsü a tyag ı t ı

toprak ucu

ölçülen

Burada; Rgiçü aygıtı v o l t m e t r e n i n iç direncini,

Güç kaynağı

Merkezin toprağı Gerilim \ıcu

Şekil 18. Voltmetre ampermetre yöntemi ile toprak direncinin ölçülmesi.

^toprak ucu * se yardımcı topraklama elektrotunun direncini gösteriyor.

Paralel hatlar tarafından indüklenen gerilimler yada merkezin topraklamasından akan kaçak akımlar gibi haricî alternatif akını ve gerilimler nede niyle doğan hatalar, deney aşağıdaki gibi yapıla rak önlenebilir.

Güc kaynağı

a) Akım ucu ampermetre ile, gerilim ucu da volt

metre ile birlikte merkezin topraklamasına

bağlanmalı ve deney akımı verilmeden önce

akım (I ) ve gerilim (E ) değerleri ölçü ay

gıtlarından okunmalıdır. Bu durum Şekil 18'

deki (0) konumuna karşılıktır.

b) Şekil 18'de (1) konumu ile gösterilen akım ucuna alternatif akım uygulanmalı ve ölçü ay gıtlarından Iı akımı ile Eı gerilimi okunma lıdır.

c) Şekil 18'de (2) konumu ile gösterilen uca ters işarette (polaritede) deney akımı akıtılarak I2 ve E2 değerleri alınmalıdır.

d) Deney akımı kesildikten sonra ilk başta yapı lan okuma tekrarlanmalıdır (Iö ve E ) .

Deney akımının (I ) büyüklüğü aşağıdaki bağıntı t dan bulunabilir:

ir =

Deney akımının yarattığı gerilim yükselmesi (E ) t ise;

E2 2

E =K

bağıntısından hesaplanabilir.

ölçme hatasının küçük olması için E 'nin E 'dan

büyük olması ve Eo ile E arasındaki farkın da o

Et'nin Z 10'unu geçmemesi gerekir. Bu koşul sağ

lanamazsa deney akımı; Et gerekli değere yükse

linceye kadar artırılır. Ayrıca bağlantı kablola

rının dirençleri deney sonuçlarından çıkarılmalı

dır.

Şekil 19. Wattmetre ampermetre yöntemi ile top rak direncinin ölçülmesi.

îndüksiyon yada kaçak akımların y a r a t t ı ğ ı haricî alternatif akımların bozucu yöndeki e t k i l e r i n i (interfetans) azaltmak için bu deneyin aşağıdaki gibi yapılması uygun olur.

a) Akım ucu ampermetre i l e vattmetrenin akım bo binine, gerilim ucu da vattmetrenin gerilim bobini ile merkezin topraklamasına bağlanmalı d ı r . Deney akımı verilmeden önce ölçü aygıtla rından Io akımı i l e Po gücü okunmalıdır. Bu durum Şekil 19'daki (0) konumuna k a r ş ı l ı k t ı r .

b) Şekil 19'daki (1) konumunda alternatif akım, akım ucuna uygulanmalı; ölçü aygıtlarından Iı akımı i l e Pt gücü okunmalıdır.

c) Şekil 19'daki (2) konumunda ters i ş a r e t l i de ney akımı akıtılarak I2 ve P2 değerleri okun malıdır.

d) Deney akımı kesildikten sonra ilk başta yapılan okuma tekrarlanmalıdır (1^ ve P o ) .

It deney akımı i l e Pt gücü lardan bulunabilir:

aşağıdaki bağıntı

11.3. Wattmetre Ampermetre Yöntemi

Merkezin topraklama iletkenleri ile yardımcı top rak bağlantılarının kısmen yada tamamen paralel olması durumunda bu yöntemin kullanılması daha uygun olur.

Bu yöntem voltmetre ampermetre yöntemindeki dev reye Şekil 19'daki gibi bir vattmetrenin ilave edilmesinden ibarettir.

Topraklama sisteminin direnci R; ölçülen güç P t ile deney akımı I bilindiğine göre aşağıdaki ba t ğıntıdan bulunabilir.

it2

Ki: Yardımcı toprak elektrotlarının birbiri ne yakınlığı nedeniyle doğan hatayı düzel ten bir çarpandır.

If =

K2: Voltmetre ampermetre yönteminde b e l i r t i l d i ğ i gibi gerilim elektrotunun direncini gözönüne alan b i r düzeltme ççarpanıdır. Ancak giçü aayyggııttıı renci, voltmetrenin iç direnci ile vatt ttmettrenin paralel gerilim bobininin direncini kapsar.

Bu değerler başlangıçtaki direnç formülünde yeri ne konursa topraklama sisteminin direnci buluna bilir.

Bu yöntemde vattmetrede okunan değerlerin işaret

leri farklı olabilir. Ancak bu değerlerin işaret

leri yukardaki eşitliklere konurken dikkat edil

melidir. Ölçü hatalarını azaltmak için Pt, Po'dan

büyük olmalı ve P ile P arasındaki fark da

Pt'nin % 10'unu geçmemelidir. Eğer bu durum sağ lanamazsa deney akımı a r t ı r ı l a r a k Pt gerekli de ğere y ü k s e l t i l e b i l i r .

Yine deney sonuçlarından bağlantı öğelerinin di rençlerinin çıkarılması unutulmamalıdır.

1 1 . 4 . T o p r a k l ı Uç F a z l ı A l t e r n a t i f Akım Kaynağı î l e Deneyin Yapılması

Topraksız tek fazlı güç kaynağı bulunamıyorsa Şekil 20'de gösterildiği gibi topraklı üç fazlı güç kaynağı k u l l a n ı l a b i l i r . Bu yöntemde üç fazlı güç trafosunun herbir sargısından s ı r a i l e deney akımı geçirilerek I ı , I 2 , I 3 ; E L E2, E 3 v e Pı» P2 » P3 değerleri okunur. Deney akımı verilme den önceki I o , Eo ve Po değerleri ile deney akı mı kesildikten sonra okunan I o , Eo ve Po değerle ri bilindiğine göre; I t , Et ve Pt büyüklükleri aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir:

1,

11.5. Yardımcı Toprak Uçlarının Uygulama N o k t a l a r ı n ı n Saptanması

Yardımcı toprak elektrotları merkezin topraklama sından ve birbirlerinden yeterince uzağa yerleş tirilmelidir. Büyük merkezlerde yardımcı toprak elektrotlarının daha kısa uzaklıklara konması ve deney sonuçlarının düzeltilmesi daha pratiktir.

Bunun için aşağıdaki yolun izlenmesi tavsiye edi lir.

a) Merkezin kapladığı alan saptandıktan sonra ay nı alana eşit dairenin yarıçapı hesaplanır. Bu yarıçapın yarısı merkezin ölçmeye esas eşdeğer yarıçapı (r) olarak tanımlanır. Yardımcı toprak elektrotlarının, alanın merkezine ve birbirlerine olan uzaklıkları 5r'den az olmamalıdır.

Elektrotların gerekli uzaklıklara yerleştirileme mesinden gelen hatayı düzeltmek için ölçülen top raklama direnci aşağıdaki çarpan i l e çarpılmalı dır.

K=

Eı2+

E22+

E2 3

Et = K2,

"o1

P1+P2+P3

(o)

Mtrktzin toprakı

Gfrilim ucu

Mtrkazin toprağı

Garilim ucu

Şekil 20. Uç fazlı, güç kaynağı ile toprak diren cinin ölçülmesi.

a) Voltmetre ampermetre yöntemi b) tlattmetre ampermetre yöntemi

r : Merkezin ölçmeye esas eşdeğer yarıçapını,

X : Birinci elektrot ile alanın merkezi ara ga sındaki uzaklığı ( X > 5 r ) , ga

X b: İkinci elektrot ile alanın merkezi ara s sındaki uzaklığı ( X b > 5 r ) , s

X : İki yardımcı elektrot arasındaki uzak al) lığı (X ı, > 5r) gösteriyor. a b) İki yardımcı elektrotun arasındaki alandan yada bunlardan biri ile merkezin toprağı arasın daki alandan herhangi bir boru, ray, kablo yada toprak iletkenli enerji nakil hattı geçmemelidir. Böyle bir durumda deneyin yapılma zorunluluğu var sa yardımcı elektrotlar bu gibi tesislerden en az 150 m uzağa yerleştirilmelidir.

c) Yardımcı elektrotların yerleşim yerlerinin uy gunluğundan emin olmak için ölçme elektrot yer leri değiştirilerek en az bir kere tekrarlanmalı dır.

d) Alanın merkezi ile yardımcı elektrotlar ara sına çekilen iki hattın arasındaki açı mümkünse 90°'den büyük olmalıdır.

Bu durum gerçekleştirilemezse hatlar arasındaki karşılıklı empedans hesaba katılmalıdır.

e) Haricî devrelerin indüksiyon etkisinden elden geldiğince kaçınılmalıdır.

Bu nedenle gerilim iletkeninin doğrultusu, büyük akım taşıyan hatlar ile paralel olmamalıdır.

Merkez ile akım ucu arasındaki hatta doğan indük siyon ölçü sonuçlarını etkilemez.

f) Aşırı indüksiyon yoksa akım ve gerilim elek trotlarının işlevleri aralarında değiştirilebi lir. İlk ölçmede akım elektrotu olarak kullanı lan elektrot, gerilim elektrotu; gerilim elektro tu olarak kullanılan elektrotta da akım elektrotu alınarak ikinci bir ölçme yapılır ve bütün dü zeltmelerden sonra toprak direncinin iki değeri arasındaki fark % 10'dan büyük değilse ortalama

f/

S 0.1

2 03 £x Mo

LU _

GERİLİM Eİ.EKTR ÖTU t KİM

ELEKTROTU İLE AYNI

/

DOĞRULTUDA

i" 2<

RILIM ELEKT İOTU • A A K M E LEKTR )TU

İLE TERS DOĞRULT UD>

o ° 0.1 " If

200 100 600 800 1000 1200

» uj 0 TRAFO MERKEZİ ÇEVRE ÇİTİ İLE GERİLİM

ELEKTROTU ARASINDAKİ UZAKLIK. ( F E E T )

Şekil 21. Düşük topraklama dirençli bir merkezde ölçüm sonuçları.

değer merkezin topraklama direnci olarak alınabi lir. Aradaki farkın çok büyük olması indüksiyon etkisinin dolayısıyla hatanın çok büyük olduğunu gösterir. Bundan sonra bu etkiyi giderici gerekli önlemler alınmalıdır.

g) Merkezin topraklama direncini bulmak için en uygun yol, ölçülecek topraklama sisteminin diğer haricî topraklama sistemleri ile olan bağlantıla rını çözmek ve yalnız bu merkezin direncini ölç mektir.

Eğer gerekli ise diğer haricî topraklamaların et kisi hesapla yada ayrı ölçülerle saptanabilir.

Direnci çok düşük bir haricî topraklama sistemi ne bağlı salt yada trafo merkezinin direncini öl çebilmek için çok büyük yardımcı elektrot açıklı ğı (tercihan 8 km'den fazla) kullanılmalıdır.

h) Akım elektrotu, direnci ölçülecek topraklama sisteminin etkilerinden korunulması için yete rinci uzağa yerleştirilmelidir.

Kuramsal olarak; uzaklığın topraklama direncine etkisi sonsuz uzaklığa kadar devam ederse de, bu

etki uzaklığın bir üstel işlevi ile ters orantı lı değiştiğinden etkinin pratik bir sınırı bulu nabilir.

Düşük topraklama dirençli ve geniş bir alanı kap layan merkezlerin•topraklama dirençlerinin ölçü münde gerilim elektrotu merkezden çeşitli uzak lıklara yerleştirilerek her kademe içir. ölçme ya pılır. Bulunan topraklama dirençlerinin uzaklı ğın işlevi olarak çizilmesi ölçme konusunda bize gerekli bilgileri verebilir.

Şekil 21'de düşük topraklama dirençli bir merke zin ölçü sonuçları görülmektedir. B esrisi devre lerin birbirine (kapasitif, indüktif yada direnç li) etkileri nedeni ile doğan sapmayı gösteriyor. A eğrisi ise gerilim elektrotunun akım elektrotu na göre ters doğrultuda olması durumuna göre ya pılmış deney sonuçlarını vermektedir. Buradan, yaklaşık 200 m'den sonra uzaklığın direnç üzerin deki etkisinin pratik olarak kaybolduğu görülüyor.

Bu uzaklıktaki nokta merkezin topraklaması için sonsuz uzaklıktaki bir toprak noktası olarak ka bul edilebilir.

Şekil 22'de ise topraklama direnci yüksek bir merkezin ölçme sonuçları verilmiştir.

Görüldüğü gibi devrelerin birbirlerine etkisi hem azdır hem de elektrotların yerinin seçimi bir sorun değildir.

12. ÖRNEKLER

Bu bölümde tasarımı yapılmış bir topraklama sis teminin topraklama direncinin hesaplanmasına ilişkin birkaç örnek verilecektir.

örnek 1.

Geometrik şekli ve boyutları aşağıda verilen, 120 mm2 kesitli örgülü bakır iletkenden yapılmış ve özgüldirenci 50 ohm.m olan bir toprağa 75 cm derinlikte gömülü bir topraklama ağının toprak lama direncini bulalım:

40 m

10 m

0 200 400 600 800 1000 1200 TRAFO MERKEZİ ÇEVRE Ç.İTl' İLE GERİLİM ELEKTROTU ARASINDAKİ UZAKLIK ( FEET)

Şekil 22. Yüksek topraklama dirençli bir merkezde ölçüm sonuçları.

a) "Laurent" formülünü kullanarak hesaplayalım.

gR = T? + T

Topraklama ağının kapladığı alan:

S = 40 • 10 = 400 m2 Topraklama iletkeninin toplam uzunluğu:

L = 2 • 40 + 3 • 10 = 110 m ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 242

Eşdeğer yarıçap: 400

R= g 4 • 11,28 110

1,56 ohm

b) "Schwarz" formülünü kullanarak hesaplayalım:

= İ t <Ln

k,

k)

/S"

Öncelikle ki ve k katsayılarını bulalım: 2

ÎÖ

X uzunluk _ 40 _ , genişlik 10

Şekil 14'deki eğrilerden ki = 1,18, k2 = 5,3.

Rg

/l,34.10 2.0,75

400 R = 1,28 ohm

5,3)

R= 2R

Burada R^, topraklama ağı ile çubukların karşı lıklı direncini gösteriyor.

Rg = 1,28 ohm ve Rfc= 1,165 ohm olarak daha ön ce bulmuştuk. Şimdi de Rm'yi hesaplayalım.

50 3 ,14 • 110

1,18 110 400

Rnı = 0,94' ohm

Topraklama ağı i l e çubuklardan oluşan sistemin direnci;

1.28 1,165 (0.94)2 _ fi

R " 1 , 2 8 + 1 , 1 6 5 2 0 , 9 4 " ° 1 > 0 6 hm

bulunur.

örnek 2.

Yukarıda örnek olarak verilen topraklama ağının kapladığı alana l = 3u boyunda ve 3/4" (2 cm) çapında 30 adet topraklama çubuğunun ilave edil diğini varsayalım. Çubukların topraklama direnci aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir.

n = 30, 1 = 3 » , ki =1,18 , d = 2 cm değerlerini yukardaki formülde yerine koyduğumuz da;

50 2 • 3,14 • 30 • 3

8•3

Ln

2 • 10

2 • 1,18 • 3

I)2

= 1,165 ohm bulunur.

örnek 3. Yukarıdaki örneklerde ayrı ayrı topraklama di rençleri hesaplanan ağ ve çubukların oluşturduğu sistemin ortak topraklama direnci de aşağıdaki ba ğıntıdan bulunabilir:

KAYNAKLAR

1 . VDE Standardı 0141/2.64, Regulations for Earthings in AC İnstallations with Rated Voltages Above 1 kV.

2 . AIEE No.80, Guide for Safety in Alternating Current Substation Grounding.

3. IEEE Standardı No.81, IEEE Recommended Guide for Measuring Ground Resistance and Potential Gradient in the Earth.

4 . Schwarz, S.J., "Analytical Expressions for the Resistance of Grounding Systems", AIEE, Ağustos 1954.

5 . Elek, A., "Providing the Adequacy of Station

Grounds", AIEE, Kasım 1962.

6 . Ontario Hydro Grounding Guide, Ocak 1963.

7 . Endrenyi, J., "Fault Current Analysis for Station Grounding Design", Ontario Hydro Research News, Haziran 1967.

8. Revisionsentvurf des Abschnittes, İsviçre Standardı, Dokument Nr. Prd. l 73/15A, 25 Eylül 1973.

9. Schwarz, S.J., "Let's Look to Station Grounding", Electrical World, Mayıs 1955.

10. White, F.D., Calculation of Potential Rise of Station Ground Grids During Faults.

11. Miller, D.F., The Why and How of Saf e Equipment Grounding, Industrial Power Systems, Eylül 1963.