PETROL RAFİNERİLERİNDE YÜKSEK GERİLİM SİSTEMLERİNİN TOPRAKLANMASI

petrol rafinerilerinde yüksek gerilim sistemlerinin topraklaması

Yazan:

Çeviren:

2. ELEKTROT GERİLİMİ

YG merkezinde bir faz toprak kısa devresinde top rak direnci boyunca meydana gelecek gerilim;

U = I R^ £ biçiminde gösterilebilir, burada;

(i)

U : Elektrot gerilimini,

Ig : Toprak direnci üzerinden akan akımı^

R_ : Toprak direncini gösteriyor.

UDK: 621.316.37.027.3. 053 :665 . 54

ÖZET

Petrol rafinerilerini besleyen AA yüksek gerilim merkezlerindeki bir faz toprak kısa devresinde topraklama elektrotlarında oldukça yüksek geri limler doğabilir. İstenmeyen sonuçlara yol açabi lecek bu gerilimlerin elden geldiğince düşük tu tulması istenir. Yazıda elektrot gerilimlerini dü şürmeye yönelik çeşitli yöntemler incelenmiştir.

SUMMARY

High voltage substations in oil raf iner ies can assume comparatively high earth electrode volta ges in the event of an earth fault in the ac supply system. For reasons of safety the earth electrode voltages, which are the cause of a num~ ber of undesirable effects, should be kept as low as possible. Various measures for reducing earth electrode voltages are considered.

1. GİRİŞ

Çoğu kez petrol rafinerileri elektrik ener j i l e r i n i 110 kV'luk (Türkiye'de 154 kV) YG (Yüksek Gerilim) şebekesinden çekerler. Eğer YG şebekesi doğrudan topraklıysa (Türkiye'de böy ledir), bir yalıtım bozukluğundan yada bir atla ma ile yüksek değerli faz toprak kısa devre akım l a r ı doğacaktır. Toprak akımının tamamı yada bir bölümü YG trafo merkezinin topraklama sistemin den ve buna bağlı havai hatların topraklama elek trotlarından akar ve bunların topraklama sistem lerinde "topraklama elektrodu gerilimi" (bundan böyle "elektrot gerilimi" olarak anılacaktır) diye anılan bir gerilimi meydana g e t i r i r . Toprak lama sistemi gerilim kazanınca bununla metalik olarak bağlı tüm yapılar, donatı (ekipman) çevre lerine ve sonsuz uzaklıktaki toprağa göre bir ge rilim kazanırlar.

Bir rafineride YG trafo merkezi genellikle, ener jinin kullanıldığı yerlere; örneğin, iyileştirme işleminin yapıldığı tesislere ve tanklara yakın dır. Bu nedenle rafineride elektriksel işlevi ol mayan topraklanmış yapılar da elektrot gerilimin den etkilenir.

Gernot Funk, AEG. Gediz Özdem, TEK.

"The earthing of the high voltage supply systems in oil rafineries", AEG Review, Cilt 53, 1963, No.516, s.203 210.

Rafineriyi besleyen YG sistemi Şekil l'de şematik olarak gösterilmiştir. Basitlik sağlamak amacıy la, YG havai hattı üç fazlı tek bir devre olarak gösterilmiştir. En büyük elektrot gerilimi rafi nerideki YG trafo merkezinde meydana gelecek kısa devrede ortaya çıkacaktır. I kısa devre akımı nın yalnızca bir bölümü Rg toprak direnci üzerin den akacaktır. Oldukça büyük bir bölümü ise havai hattın toprak teli üzerinden ve eğer varsa denge leme (kontrpua) iletkeni üzerinden kaynağa yöne lecektir. Bu nedenle genel olarak;

k. ~

<1

(2)

ki

yazılabilir.

(1) ve (2) numaralı denklemleri birleştirirsek elektrot gerilimini

biçiminde gösterebiliriz. Buradan görüleceği gibi elektrot gerilimi merkezin kurulduğu yerdeki Rg toprak direncine, I^ı faz toprak kısa devre akı mına ve bu akımın sistemdeki k bölünme katsayısı na bağlıdır.

Meydana gelen elektrot gerilimi, anlık olarak elektrot üzerinde birkaç kilovolt düzeyine ulaşa cak ve ortam içinde her yönde azalacaktır. Şe kil 2'de yatay gömülmüş yuvarlak bir elektrotun gerilim profili gösterilmiştir. Elektrotun ke narlarında gerilim düşümü oldukça diktir. 0,2 D1 lik bir uzaklık içinde toplam elektrot gerilimi nin % 50'sine yakın bir gerilim düşümü meydana gelmektedir. Bundan sonra eğri göreceli olarak yataylaşmakta ve kuramsal olarak sonsuz uzaklık ta sıfıra düşmektedir. Pratik yönden gerilim pro fili elektrot merkezinden 6,4 D uzaklıkta son de ğerini almış sayılır. Bu uzaklıkta gerilim baş langıç değerinin ancak % 5'i kadardır.

3. ELEKTROT GERİLİMİNİN ETKİLERİ

Elektrot gerilimi birçok istenmeyen olaya neden olabilir:

Şekil 2'de verilen gerilim profili gözönüne alın dığında kişiler, topraklanmış metal kısımlara do kunarak yada bu gerilim dağılımının etken olduğu zemini adımlayarak belirli bir gerilim altına gi rerler. Bu gerilimin büyüklüğü ve etki süresi saptanmış bir değerden büyük ise, yaşam için teh likeli olabilir.

Gerilim profili içine giren topraklanmış metal kısımlar farklı gerilimli iki noktayı köprüle miş olabilir. Bu durumda elektrot akımının bir bölümü, borular, tanklar gibi elektriksel işlevi olmayan metal kısımlar üzerinden toprağa akar.

(1 P) i k i

MM

RMDIIM «MLU

Şekil 1. Bir rafineri ve bunu besleyen YG sistemi. N: 110 kV'luk şebeke

A: Rafineri trafo merkezi

L: 110 kV'luk havai hat B: Rafineri

Rafinerilerde bu akımların tutuşma ve patlamala ra neden olmamasına dikkat edilmelidir. Örneğin üzerinden akım geçen bir petrol borusunda meyda na gelecek bir çatlama yada kırılma noktasında bir kıvılcım doğabilir. Her ne kadar toprak kısa devresi ile mekanik bir boru çatlamasının aynı zamanda meydana gelme olasılığı küçük ise de gözden uzak tutulamaz.

Yalıtılmış iletkenler, örneğin uziletişim (tele komünikasyon) kabloları elektrot gerilimini ra

.1,11

0,8

0,6

0,4

0,2

,

D/2

Şekil 2. Yuvarlak bir levha elektrotun kenarın daki gerilim profili.

D

[/_ = t/p arc sın

a c ir

2a

fineri dışına taşıyabileceği gibi, sonsuz toprak noktasını da (sıfır gerilimli toprak) trafo mer kezine getirebilir. Bu nedenle bunların gerek iş letme,gerekse koruma toprakları yalnızca bir nok tadan yapılmalıdır. Bundan başka elektrot gerili mi, uziletişim kablolarının ve AG kablolarının çekirdekleri ile zırhları arasındaki yalıtımı zorlar. Bütün bu istenmeyen etkilerden sakınmak yada zararlarını en alt düzeyde tutmak için elek trot gerilimini en düşük değerde sınırlamak gere kir. Bunu sağlayacak çeşitli yöntemler aşağıda tartışılacaktır.

Müsade edilebilir elektrot gerilimi VDE'de doğru dan doğruya belirtilmemiştir. VDE 0141/6.61 (1 kV ve daha yukarı gerilimli AA tesisatının toprakr lanmasına ait şartname)'de yalnızca müsade edilen adım ve dokunma gerilimleri tanımlanmıştır. Elek trot gerilimi, gerilim profilinin yeterli ölçüde yatay olması koşuluyla herhangi bir değerde ola bilir. Öyle ki dokunma ve adımlama ile bu profi lin iki noktasını birleştiren insan vücudu belir li gerilim değerlerinden fazlasına maruz kalma sın. Henüz taslak halinde olan VDE 0228/...61 (aynı ortamda bulunan uziletişim ve üç fazlı sis temler için alınacak önlemler) ve bununla aynı görüşü belirten CCITT (Uluslararası Telgraf ve Telefon Danışma Komitesi) standartlarında, uzile tişim tesislerinde meydana gelecek girişim (inter ferans) gerilimlerinin, başka bir koruyucu aygıt yokken beklenen en büyük kısa devre akımının % 70'inde 300 V'u aşmaması istenir. Bune göre en düktif girişim gerilimini ihmal edersek, beklenen en büyük kısa devre akımının 7* 100'ünde müsade edilebilir elektrot gerilimi;

UEM

0,7 = 430 V

(4)

ELEKTRİK MÜHENDÎSLİĞt 241

Petrol rafinerilerinin özel koşulları gözönüne

alınarak elektrot geriliminin saptanması biraz

sı

tecrübe gerektirir ve bu konuda bir VDE nizamna

mesi yoktur. 0 nedenle yukarıda bulunan 430 V,

müsade edilebilir elektrot gerilimi olarak alına

caktır. Rafinerilere ait YG trafo merkezlerinde

topraklama alanı göreli olarak küçük, topraklama

direnci de biraz büyüktür. Özel yöntemler uygu

lanmadıkça yukarıda bulunan müsade edilebilir

elektrot geriliminden oldukça büyük değerde ge

rilimlerLe karşılaşılabilinir

2,4

RE2

2,2

2,0

1,8

1,6

mb#

.. D

•JU

, i, m m

4. ELEKTROT GERİLİMİNİ AZALTMA YÖNTEMLERİ

3 nolu denklemden açıkça görüleceği gibi elektrot gerilimini küçültmek için üç ana yol vardır. Bun lar;

• Havai hat toprak telleri ve dengeleme iletken leriyle toprak akımını (k katsayısını) küçült mek.

• Topraklama sisteminin boyutlarını artırarak, topraklama direncini küçültmek.

• Toprak kısa devre akımlarını sınırlamak için sistemdeki bazı trafoları reaktans üzerinden topraklamak.

Bu önlemler uygulamada fiziksel, işletme koşul ları, teknik ve ekonomik nedenlerle sınırlanmış lardır. Emniyetli bir elektrot gerilimi ancak bunların belirli ölçülerde bir arada uygulanma sıyla sağlanabilir.

Elektrot gerilimini düşürücü bu önlemlerin yarar lılıklarını daha iyi anlayabilmek için RE toprak direnci ve akım dağılım katsayısını (k) birlikte incelemek uygun olacaktır.

Önce toprak kısa devre akımını Iy_ = 1000 A alarak elektrot geriliminin düzeyini saptayalım.

U = [v/1000 A k.d.akımı]. E

Toprak kısa devre akımının büyüklüğü pratik ola rak Rjr ve k'dan bağımsızdır.

Toprak kısa devre akımının gerçek değeri değişik olduğunda I\^ı = 1000 A bazında hesaplanmış elek trot gerilimi, gerçek akımın 1000 A bazındaki pu değeri ile çarpılarak gerçek elektrot gerili mi bulunabilir.

4.1. Toprak Direnci

Bir YG trafo merkezinin topraklama elektrodu, şe rit yada örgülü iletkenlerin bir ağ biçiminde or talama 0,8 m (2,6 ft) derinliğe gömülmesi ile oluşturulur. Malzeme olarak galvanizli demir şe ritler yada örgülü bakır iletkenler kullanılır. Şerit iletkenle elde edilmiş bir çerçevenin top rak direnci, bunun çevrelediği alana eşdeğer alanı kaplayan yuvarlak levhanın toprak direnci ne yakındır. Yuvarlak levha elektrotu için;

olup burada;

2,D

V

Şekil 3. Levha ve halka elektrotların toprak direnci.

1: Levha 2: Halka

RE : toprak direncini (dağılma direnci) S : toprak özgüli'irencini (ohm.m)

D : levha elektrodunun çapını (m) gösteriyor.

Şekil 3'de S=100 ohm.m olan bir toprakta RE top rak dağılma direnci ile D levha çapı arasındaki bağıntı gösterilmiştir.

Karşılaştırma yapabilmek için halka biçimindeki elektrotun da toprak direnci verilmiştir. Her iki eğrinin karşılaştırılmasından görülür ki, D çapının çok küçük değerleri için halkanın boş luğu dolmakta ve eğriler birleşmektedir (RE2/RE1=1 için). Normal boyutlardaki bir top raklama sisteminde halkanın ve levhanın toprak dirençleri oranı 2 : l ' d i r . Daha küçük boyutlu topraklama sistemlerinde, örneğin bir panonun halka yada eşdeğer alanlı levha elektrotla top raklanmasında bu fark daha da azdır ve % 10 do layındadır.

Denklem 5'den görüleceği gibi toprak direnci, toprak özgüldirencine etki edilemediğine göre yalnızca topraklama alanının (D çapının) a r t ı rılmasıyla a z a l t ı l a b i l i r . Yararlı toprak elektro du yüzeyi rafineri topraklama sistemi ile YG tra fo merkezinin topraklama elektrodu b i r l e ş t i r i l diğinde artacaktır. Bu durumda toprak direncinde hissedilir bir azalma olacaktır. Örneğin, yakla şık boyutlarla bir rafinerinin kapladığı alan 1000 mx500 m iken, buna ait YG trafo merkezi nin alanı 50 mx50 m düzeyindedir. Rafinerinin boyutları bir hayli büyük olduğundan, topraklama sisteminin boyuna direnci toprak direncine (da ğılma direnci) oranla daha büyük o l a b i l i r . Bu nedenle kısa devre akımı donatının hemen çevre sinden toprağa boşalacaktır. Bu olay gözönüne alınarak 5 nolu denklemdeki D yarıçapı, rafine ri alanının yarısı için hesaplanmalıdır.

p = 100 ohm m toprak özgüldirenci için, toprak dirençleri aşağıdaki düzeylerdedir.

Şekil 4. Toprak teli ve gömülü toprak iletkenle ri (dengeleme iletkenleri) bulunan havai hat.

1: Hat iletkenleri 2: Toprak teli 3: Gömülü iletkenler 4: Toprak Y: Direklerarası açıklık i: Gömülü iletkenlerin uzunluğu

= h Trafo merkezi

=1Q

Trafo merkezi + rafineri : İL < 0,1 fi

YG trafo merkezi i l e rafineri topraklama sistem lerinin birleştirilmesinin sağladığı üstünlük, açıkça görülmektedir. Sakıncası ise, kısa devre akımının h a t ı r ı sayılır bir bölümünün tanklardan, işlem birimlerinden (ünite) ve boru sistemleri üzerinden toprağa akma olasılığıdır. Bundan dola yı donatının elektroda bağlantısı elektriksel olarak çok iyi yapılmalı ve rafinerideki işlem birimleri, tankları ve boru sistemleri elden gel diğince ağ biçiminde topraklanmalıdır. En azından YG trafo merkezinde, topraklama ağındaki aralık lar 10 m'den fazla olmalıdır. Diğer yandan rafi neri ve YG trafo merkezi topraklama sistemlerinin birbirinden ayrılması, toprak kısadevre akımları nın rafinerideki elektriksel olmayan donatı üze rinden geçmesini geniş oranda önler. Doğaldır ki burada; rafineri ve YG trafo merkezi arasında topraklanmış ortak bir metal yapının olmadığını kabul ediyoruz. Bundan başka rafinerideki toprak lanmış yapıların pratik olarak YG trafo merkezi nin gerilim profili dışında olması gerekir. Bu uzaklık elektrot geriliminin büyüklüğüne bağlıdır. UE<A30 V olarak düşünürsek,' D' YG trafo merkezi topraklama sisteminin eşdeğer yarıçapı olmak üze re 0,5 D uzaklığı emniyetli sayılabilir. Şekil 2' den görüleceği gibi, toprak elektrodunun kenarın dan itibaren bu uzaklık içinde gerilim, başlangıç değerinin üçte birine düşmektedir.

Görülüyor ki, bir rafineride topraklama elektrot larının birleştirilmesi yada ayrı tutulması, du ruma göre yararlı yada sakıncalı olabiliyor. Elek trot gerilimi toprak direncine doğrudan bağlıdır.

4.2. Toprak Kısa Devre Akımının Dağılımı

Şekil l'den de görülebileceği gibi, toprak diren ci üzerinden akan elektrot akımı (Ig), toplam top

rak kısa devre akımının (Ikl) yalnızca bir bölümü dür. Çünkü merkeze giren YG hatları genellikle bir yada daha fazla toprak teli ile donatılır ve top raklama elektroduna bağlanırlar. Akımın bir bölü münün buradan dönmesi doğaldır. Gömülü dengeleme iletkenleri de arıza akımlarının dağılmasında yar dımcı olurlar. Bu iletkenler (Şekil 4) trafo mer kezinden itibaren, hat güzergâhı boyunca 0,6 m 0,8 m derinlikte gömülü olarak hattı izler ve her direk buna bağlanarak topraklanır. Ancak ha vai toprak telleri hattın bütününde bulunduğu halde, gömülü iletkenler için bu ekonomik değil dir. Gömülü iletkenler merkezden itibaren kısa bir mesafe için kullanılmalarına karşın elektrot geriliminin düşürülmesine son derece yardımcı olurlar.

Havai hat toprak tellerinden ve dengeleme iletken lerinden akacak akımların iki bileşenden oluştuğu düşünülebilir. Bunlardan birincisi iletkenler ara sındaki ortak endüktansa bağlı olarak meydana ge len, hat boyunca sabit değerde olan ve arıza nok tasına nisbeten bağlı olmayan bileşendir. İkinci bileşenin değeri ise, toprak telleri ile, dengele me iletkenlerinin direncine ve direkler ile mer kezin topraklama direncine bağlıdır. Bu bileşen kısa devre noktasında en büyük değerde olup bu noktadan uzaklaşıldıkça direk topraklamalarından emilerek ve gömülü iletkenlerden toprağa yayıla rak azalır. Tek başına birinci bileşen dengeli akım dağılımını, birinci ve ikinci bileşen bera berce gerçek akım dağılımını gösterir (Şekil 5 ) .

Gerçek ve dengeli akımlar arasındaki fark arıza noktasındaki toprak direnci ne kadar küçükse o kadar azdır. Toprak direnci sıfır olsaydı akım dağılımı başlangıçta dengelenecekti. Bununla be raber arıza noktasından belirli bir uzaklıktan sonra akımlar yine dengelenecek ve direklerden bir akım akmayacaktır.

"V

J=

37 37 37

/™ 100 100

İ63

63 63

5 0 5 4 60 33

t 93

46 40

Şekil 5. Dengeli ve gerçek akım dağılımları.

Yukarıda: Dengeli akım dağılımı RM = 0 Aşağıda : Gerçek akım dağılımı RM jl 0

Toprak Teli Sayısı

1 1 1 1

Dengeleme ]letkeni

Sayısı

1 2 3

%I 2

Toprak Telinden Geçen Akım

36 29 25 24

%i 3

Dengeleme İletkeninden

Geçen Akım

24 37 42

%I 4

Topraktan Geçen Akım

65 48

39 35

Xo 0hm/km(0hm/mil)

İletken Tek Devre Çift Devre 1,46(2,35) 2,30(3,70) 1,14(1,84) 1,67(2,70) 1,03(1,66) 1,45(2,33) 0,97(1,56) 1,3^(2,15) 0,94(1,52) 1,27(2,05)

^ R , S , T = o 3 I = % 100

x = o,38 Ohm/km (0,6 Ohm/mil) m

Çizelge 1. 110 kV, üç fazlı bir havai hat için sıfır dizi reaktansları ve dengeli akım dağılımı.

Çizelge l'de dengeli akım dağılımını gösteren pratik değerler verilmiştir. Buradaki değerler çift devreli direklere ait olmakla birlikte iyi bir yaklaşımla her türlü işletme gerilimi ve di rek tipi içinde geçerli kılmabilir. Toprak teli dengeleme iletkenindeki ve topraktaki akımlar yüzde olarak bu çizelgede verilmiştir. Havai hat ta gerek tek devre, gerekse iki devrenin serviste olması durumunda, bütün iletkenlerdeki akım top lamı 7. 100 olarak alınmıştır.

Dengeli akım dağılımı Şekil l'de gösterildiği gi bi, p düzeltme katsayısının yerdımı ile hesapla nabilir:

^4 _ topraktan akan akım

P = 31

3 • s ı f ı r bileşen akımı

31,

Şekil 6. 110 kV'luk bir havai hat ve gömülü toprak iletkenlerine ait sayısal veriler.

Hat iletkenleri 185/30 Al St

95/55 Al St

Gömülü iletkenler 95 Cu (kur

şun kaplanmış)

X = 0,38 Ohm/km m

X = 1,14 Ohm/km (tek devreli) Q

X = 1,67 Ohm/km (çift devreli) o n = gömülü iletkenlerin sayısı

R» = 10 Ohm S = 100 Ohm.m

12m

n=3

Şekil l'deki basit durumdaki gibi yalnız bir ta raftan beslenen arızalarda;

3I = I

Arıza noktasından toprağa akan elektrot akımı daima toprak kısa devre akımının dengeli bileşe ninden küçük yada en fazla ona eşittir, k ile p katsayısı arasında aşağıdaki bağıntı vardır:

k<p

4 . 3 . Gömülü Topraklama İ l e t k e n l e r i n i n Etkisi

Gömülü topraklama iletkenleri (dengeleme iletken leri) elektrot gerilimlerinin düşürülmesinde son derece yararlıdır. Bunların çeşitli tertipleri 110 kV'luk bir havai hat modelinde incelenmiştir. Havai hat ve dengeleme iletkenlerinin inceleme konusu olan tertipleri hakkındaki ön bilgiler Şe kil 6'da verilmiştir. Merkezin toprak direnci ra fineri topraklamasıyla bağlantı yapılması yada

80 ——

I» 40

——

s\ a

50 V.

s

17%

Direk 14 13 12 11 10 9 8 7

2 1A de ilat

Şekil

7. A merkezindeki bir toprak kısa devresin de hat boyunca topraktan akan akımlar.

a: Dengeleme iletkeni yoktRM = 10 Ohm b: Beşinci direğe kadar çift toprak iletkeni varf RE = 0,5 Ohm

yapılmaması durumuna göre 0,01 ohm ile 1 ohm ara sında değişmektedir.

Gömülü topraklama iletkenlerinin etkisi Şekil 7' de görülmektedir. Merkeze giren 110 kV havai hat tın altındaki toprak akımı da bu diyagramda ve rilmiştir. l akımı arıza noktasında minimum iken, bu noktadan uzaklaştıkça büyümekte, sonuç ta belirli bir uzaklıkta dengeli akım dağılımı değerini almaktadır. Toprak akımının I başlan gıç değeri, merkezin topraklama elektrodundan akan Ig elektrot akımına eşittir.

Kabul edilen ön bilgilere göre, meydana gelecek elektrot gerilimi;

Dengeleme iletkeni olmadan;

U = 0,50 • 1000 A • 0,5 ohm = 250 V E

İki adet dengeleme iletkeni bulunduğunda;

U = 0,172 • 1000 A • 0,5 ohm = 86 V E

Dengeleme iletkenlerinin Şekil 6'da gösterilen çeşitli tertiplerine göre elektrot geriliminin alacağı değerler Şekil 8'de grafiksel olarak ve rilmiştir. Görüleceği gibi üç dengeleme iletkeni kullanmakla gerilimde sağlanacak azalma iki den geleme iletkenliye göre fazla bir üstünlük sağ lamamaktadır. Çünkü yakın gömülen iletkenler bir birlerinin dağılma dirençlerini etkiler. Toprak

250V

direnci ile iletken sayısı arasındaki ters oran tı basit bir orantı değildir. Bu bağıntı:

RB(D R (n) = b

şeklinde olup, burada;

Rg(n) : Paralel gömülmüş iletkenlerin toprak direncini,

Rg(l) : Tek gömülü iletkenin toprak direncini,

: Gömülü iletken sayısını ve

: Girişim katsayısını gösteriyor.

Şekil 6'daki tertiplere göre b girişim katsayısı:

n = 1 için b = 1,

b = 1,2,

n= 3

b = 2,35

değerlerini alır.

Daha önce de belirtildiği gibi dengeleme iletken lerinin uzunluğu ekonomik nedenlerle sınırlanmış tır. Bu durumda emniyetli bir elektrot gerilimi sağlayabilmek için dengeleme iletkenlerinin uzun luğu ne olmalıdır? Şekil 9'da çeşitli toprak di rençleri ve 1000 A'lık toprak kısa devre akımı için elektrot geriliminin, gömülü iletkenlerin uzunluğuna bağlı olarak değişimi gösterilmiştir.

Görüldüğü gibi gömülü iletkenler, toprak direnci yüksek olduğunda, elektrot gerilimini önemli öl çüde azaltmaktadır. Örneğin YG trafo merkezi top raklamasının rafineri topraklama sistemine bağ lanmadığı durumlarda dengeleme iletkenlerinin sağladığı yarar büyüktür. Diğer yandan rafineri ve trafo merkezi topraklamaları, birleştirilmiş ve toprak direnci küçük ise bunların sağlayacağı yarar nisbeten azalır.

Dengeleme iletkenleri için optimum uzunluk 4 6 direk açıklığı kadardır. Bundan sonraki uzunluk

81 V

(00

IV

Kontrupua

—

Şekil 8. A merkezindeki bir toprak kısa devresin de dengeleme iletkeni sayısının elektrot gerilimine etkisi.

IkT = 1000 A RM = 10 Ohm RE =0,5 Ohm Dengeleme iletkenlerinin uzunluğu: i = 4 y (5'inci direğe kadar)

Ikl =1000 A

R[f = 10 Ohm

UE

2: Dengeleme

(1000 A için)

iletkenleri

£: Dengeleme

iletkeninin

Y: Direkler arası

açıklık

——^ ^

RCtlA 05A

qi.fi

0.3A

0 OUl

».Y

Şekil 9. Farklı toprak dirençlerine (RE) sahip YG merkezlerinde, dengeleme iletkenle rinin uzunluğunun elektrot gerilimine etkisi.

lar elektrot geriliminin azaltılmasında çok küçük oranda yarar sağlar. Daha kısa iletken kullanmak ise yüksek toprak direncinin bulunduğu yerlerde olanaklardan yararlanmamak anlamına g e l i r .

5. TOPRAK KISA DEVRE AKIMLARI

Toprak kısa devre akımları öncelikle şebekenin kısa devre gücüne ve sistem nötrünün topraklama biçimine bağlıdır. Merkezin ve dengeleme iletken lerinin toprak dirençleri bu akımın belirlenme sinde önemli rol oynamaz.

Şekil 10'da basit olarak b i r rafineriyi besleyen YG devresi gösterilmiştir.

Rafineriye a i t A merkezi N şebekesinden üç fazlı çift devreli bir hatla beslenmektedir. A merke zindeki her iki trafonun nötrü 110 kV tarafından topraklı değildir. Meydana gelecek kısa devre akımını hesaplamak için 110 kV'luk şebekenin elek triksel karakteristikleri olarak;

Sk kısa devre gücünü,

Xo/X| devre parametresini göstersin.

Buradaki Sk kısa devre gücü VDE 0102/9.62 (Kısa Devre Akımlarını Hesaplama Yöntemi) de tanımlanan S]|l başlangıç simetrik kısa devre gücüdür (Ig = I k ) . Xo/Xk devre parametresi, arıza nokta sından bakıldığında görülen reaktansın s ı f ı r di zi bileşeninin pozitif dizi bileşenine oranıdır. Bu parametre X0/Xm yada Xo/Xı biçiminde de gös terilmektedir. Şebekedeki kısa devre akımları aşağıdaki bağıntılardan bulunabilir:

Üç fazlı kısa devre için;

Ik3(N) = /3

Tek fazlı kısa devre için

h

/Tu

2 + X o/X k

Şekil 11'de Sk kısa devre gücü ve Xo/Xk devre pa rametresine göre I k ı akımının değişimi gösteril miştir. Xo/Xk=l doğrusu I k 3 için de geçerlidir.

Devre parametresi Xo/Xjc aynı zamanda nötrün top raklanması konusunda da bir ölçüdür. VDE 0111/2.61 (1 kV ve Daha Yukarı Geril imlerdeki AA Tesisleri nin Testleri ve Anma Değerleri İçin Tavsiyename) doğrudan topraklı şebekeler ile doğrudan topraklı olmayanlar arasında bir ayırım yapmıştır. Bu ayı rım "topraklama katsayısı" olarak anılan ve iki gerilimin oranı olarak verilen b i r katsayıya gö re y a p ı l ı r . Topraklama katsayısı m i l e devre pa rametresi X0/Xk arasında b e l i r l i b i r bağıntı var dır. Tanımlamalar aşağıdaki gibidir:

Nötrü doğrudan topraklı şebekelerde:

m^ 0,8 yada X0/Xk £ 4 (5,2)

Nötrü doğrudan doğruya topraklı olmayan şebeke lerde:

m > 0,8 yada x o / x k > 4 (5,2)

Şekil 10. Şebekenin kısa devre verileri ve toprak kısa devre akımlarının gösterimi.

N: Doğrudan topraklı 110 kV'luk şebeke A: Rafineri YG merkezi 1: 110 kV'luk çift devre havai hattın

Devre parametresi ile i l g i l i olarak, parantez içinde verilen değerler şebekede direncin olma dığı kuramsal duruma a i t t i r . Doğrudan topraklı şebekelerde devre parametresi genellikle 2 ile 4 arasındadır.

Şekil 11'den okunacak toprak kısa devresi akımla rı 110 kV'luk şebekeye a i t t i r . Rafineriye ait'A' YG merkezinde meydana gelecek akımlar daha küçük tür:

Ikı(A) =

Burada;

Ikı(A) : Rafineriyi besleyen 'A' YG merkezindeki toprak kısa devre akımını,

110 kV'luk şebekenin toprak kısa devre akımını,

110 kV'luk havai hattın pazitif dizi reaktansını,

110 kV'luk havai hattın s ı f ı r dizi re ak tansını,

110 kV'luk havai hattın uzunluğunu,

İşletme gerilimini gösteriyor.

Şekil 11.

110 kV'luk şebekede I]cX toprak kısa devre akımının, S^ kısa devre gücü ve xo/xk devre parametresine göre değişimi.

20 kA

/ t=7 / t //

ti.

iki

/ //

/1//7////yA,

Y/f // '>

ti i

m¥ 2 li//

4000 MVA 6 0 0 0

Sk"

kA >

l=5km 10 km 20 km _ —

kA 15

İ K I (N)

Şekil 12. Rafineri ile şebeke arasındaki 110 kV luk hattın farklı uzunlukları için rafineri merkezindeki toprak kısa devre akımlarının şebekedeki toprak kısa devre akımlarına göre değişimi.

Şekil 12, A ve N sistemleri arasındaki farklı fi der uzunlukları için A merkezindeki toprak kısa devre akımlarının N şebekesindeki toprak kısa devre akımlarına göre değişimini gösteriyor. Hat karakteristikleri Şekil 6'daki gibidir.

6. SAYISAL ÖRNEK

110 kV luk bir YG merkezindeki toprak kısa devre sinde oluşabilecek elektrot geriliminin hesabını sayısal bir örnekle gösterebiliriz. Şekil 10'daki şebeke için, böyle bir merkezde kabul edilebile cek değerler aşağıdadır.

N şebekesinin kısa devre gücü Sk = 3500 MVA Devre parametresi Xo/Xk = 4 A i l e N arasındaki uzaklık I = 10 km (6,2 mil) A merkezinin toprak direnci R£ = 0;5 ohm

Buna göre Şekil 11'den 110 kV1 luk devrenin toprak kısa devre akımı bulunur:

I k ı ( N ) = 9200 A

A merkezindeki toprak kısa devre akımı da Şe kil 12'den bulunur:

I (A) = 5800 A kl

I^^CA) akımı, öngörülen koşullarda bu rafineride ki YG merkezinde meydana gelecek en büyük toprak kısa devre akımını gösteriyor. Eğer 110 kV'luk havai hat Şekil 8'deki gibi dengeleme iletkeni olmadan i ş l e t i l i r s e , A merkezinin elektrot geri limi

U = 250 V •

= 1450 V olacaktır.

I

Bu değer 4 nolu denklemden bulunan müsade edile

bilir 430 V geriliminin oldukça üstündedir. Elek

trot gerilimini düşürmek için dengeleme iletkeni

kullanılabileceği belirtilmişti. Beşinci direğe

kadar çift dengeleme iletkeni yerleştirildiğinde

(£ 4y) Şekil 8 ve Şekil 9'a göre;

UE =

Bu gerilim de yüksektir. Dengeleme iletkenleri nin boylarını yedinci direğe kadar uzatırsak (il = 6 y ) , Şekil 9'dan;

Elektrot gerilimini azaltmak için diğer bir yol da, toprak elektrodunun boyutlarını büyütmek ya ni YG trafo merkezinin topraklama sistemi ile rafineri topraklama sistemini birleştirmektir. Bu durumda direncin değeri düşeceğinden, arıza noktasında oldukça dengeli bir akım dağılımının olacağı düşünülebilir. Çizelge l'e göre bir top rak teli olan ve dengeleme iletkeni bulunmayan havai hat için düzeltme katsayısı p = 0,65 olmak tadır. Elektrot gerilimini 430 V'un altında tut mak için, toplam toprak direnci

*E 0,65 • 5800 = daha büyük olmamalıdır.

' o h m d a n

p = 100 ohm m özgüldirençli bir yerde, 5 nolu denkleme göre bu direnci verecek eşdeğer elek trot çapı D= 440 m (1444 ft) dir.

Sayısal örnekten de görüldüğü gibi alınan tüm önlemlerin amacı, toprak kısa devresi sonucunda doğacak elektrot gerilimini emniyetli olduğu ka bul edilen 430 V'un altında tutabilmektir. An cak bu yolda alınacak en etkili önlem meydana gelecek toprak kısa devre akımını küçültmek ya ni 110 kV'luk şebekede nötrü bobinler üzerinden topraklamak yada trafoların yalnız bir bölümünün nötrünü topraklamaktır. Doğaldır ki bu, şebekenin tüm olarak işletme gereksinimlerini ve koşulla rını ilgilendirir.

7. ÖZET

YG trafo merkezlerinde toprakıanmayı etkileyen iki önemli öğe vardır.

o Nisbeten küçük boyutlar o Bunun sonucundaki yüksek toprak direnci.

Genellikle bir rafineride YG trafo merkezi işlem birimlerine, tank gruplarına vb. yakın olduğun dan elektrot gerilimlerinin etkileri üzerinde önemle durulması gerekir.

Toprak kısa devre akımlarının yol açtığı elektrot gerilimlerinin mümkün olduğu kadar düşük tutul masına çalışılmalıdır. Müsade edilebilir elektrot gerilimini sınırlayıcı ve belirleyici bir nizam name yoktur. Bu nedenle VDE 0228 de anılan 430 V değeri üst sınır olarak kabul edilebilir.

Elektrot gerilimi şu önlemlerle azaltılabilir: Toprak kısa devre akımlarının sınırlandırılması, YG merkezi ile rafineri topraklama sistemlerini birleştirilecek toprak direncini azaltmak, YG merkezine giren havai hatları, dengeleme iletken leri ile donatarak kısa devre akımının buralar dan da dağılmasına yardımcı olmak. Bütün bu yön temler, teknik, işletme ve ekonomik nedenlerle belirli ölçülerde sınırlanmıştır.