GÜÇ SİSTEMLERİNİN TOPRAKLANMASI

TflJK: 621.316.99

GUC SİSTEMLERİNİN TOPRAKLANMASI

Yazan : Ziyaretçi T. Prof. Dr. Bobert WtLKÎNS

ODTÜ

Çeviren : Y. Prof. Dr. Ahmet RUMELİ

ÖZET

Toprakla bağlantıların ana ilkelerini kapsayan bir tekrar ve yarı küresel toprak elektrodlan temel alınarak açıklamalar.

Toprak elektrodunun ve toprağın öz direncini ölçme yöntemleri. Çubuk elektrodlar, gömülü teller ve levhaların özellikleri ve karşılaştırılması. Bu ilkelerin güç sistemlerinde sık karşılaşılan iki problem ile açıklanması. a) Büyük EHV trafo merkezinin topraklama sisteminin tasarımı ve AIEE yöntemi ile adım ve dokunma gerilimlerinin hesaplanması. • b) MV dağıtım sistemlerinin topraklama problemleri ve bu problemleri gidermek için geliştirilen yöntemler.

SUMMABY

The basic prindples involved in making a connection to earth are first revietved, and iUustrated by re/erence to a hemispherical earth electrode. Methods of measurement of the resistance of an earth electrode and the specific resistivity of the earth are described. The relative merits of rod electrodes, buried mires and plates are compared.

These prindples are then illustrated by reference to two common power system problems. Firstly the design of the earthing system for a large EHV substation ts discussed, and the AIEE method of estimating step and touch voltages is described. Secondly the problems of earthing MV distributic systems are described, together with some of the methods tohich have been developed to overcome these problems.

1. GİRİŞ

Bu konferansın gayesi toprağa bir bağlantı yapılması halinde g-özönünde tutulması gereken ana prensipleri ve bu prensiplerin yüksek gerilim trafo merkezleri Ve orta gerilim dağıtım şebekelerine nasıl tatbik edilebileceğini belirtmektir.

2. TOPRAĞIN SPESİFİK DİRENCİ

Toprak iletkenlere kıyasla çok kötü bir iletken olup spesifik direnci ortalama 100 n/m mertebesindedir (karşılaştırma bakımından, bakırın spesifik direnci I,6xl0-so/m dir). Gerçekte toprağın spesifik direnci bir çok faktörlere bağlı olarak çok değişebilir. Bu faktörlerin baslıcaları şunlardır:

a. Toprağın cinsi, b. Kimyasal bileşimi, c. Nem miktarı, d. Nem altında çözülebilir tuz konsantrasrasyonu, e. Toprağın sıcaklığı; f. Toprak tanesinin büyüklüğü ve dağıljmı, g- Toprağın, sıkışık veya gevşek oluşu.

Bu faktörlerden nem ve çözülür tuzlar toprakta iletkenlik sağlanması bakımından en önemli faktörlerdir. Çünkü toprakta elektrik akışı bir elektrolitik hadisedir.

9.2.1972 tarihinde FÎE İdaresi salonunda verilnüştir.

Yukarıda belirtilen faktörler nedeniyle toprağın spesifik iletkenliği Tablo l'de görüldüğü gibi çok fazla değişir.

Tablo 1. Değişik şartlarda toprak spesifik direnci ( p ) :

Toprağın cinsi

p (fi/m)

Islak organik toprak

Nemli toprak

Kuru toprak

10»

10*

Tablo l'den görüldüğü gibi p çok fazla değişmekle beraber çok güzel şartlar dışında, hesaplamalarda genellikle 100 fl/m alınır ve toprak tabakasj homojen ve izotropik kabul edilir.

3. İLETKEN BİR ORTAMDA AKIM AKIŞI

Homojen ve izotropik iletken bir ortamda akım akışı Laplace denklemi ile belirlenir. Herhangi bir noktada akün yoğunluğu (J), spesifik iletkenlik (c) ve elektriki alan (E) veya potan siyel (V) arasında aşağıdaki bağıntılar yazılabilir.

J = Q- E ve Div J = 0

(D

Div (o-grad V) = 0 veya V2V= 0

(2)

Laplace denkleminin analitik çözümü sınır

şartlarının karışık olması halinde zorlaşır. Topraklama yönünden en çok rastlanan iki sınır şartı şunlardır :

Hava , P - oo

Toprak

Şekli 1. Hayal metodu.

a. Toprak ve topraklama elektrodu temas yüzeyi : Temas yüzeyi boyunca potansiyel, elektrodun potansiyeline eşit ve sabittir.

b. Toprak-hava geçiş yüzeyi: Havanın spesifik direnci sonsuz büyük kabul edilebileceğinden geçiş yüzeyi boyunca normal doğrultuda akım yoğunluğu ve potansiyel değişimi safir olur; Jn = 0 ved V/d n = 0 (n normal doğrultuyu göstermektedir).

Topraklamada genellikle bir toprak-hava geçiş yüzeyi bahis konusudur. Bu halde, Şekil la' da gösterildiği gibi, x—y koordinat sisteminde y <[0 yan-sonsuz bölgesi, içinde kaynak (source) ve tüketici (Slnk) bulunan sonsuz bir toprak bölgesi olarak düşünülür ve çözüm ŞekU lb'de gösterildiği gibi hayal metodu ile sağlanır. Esas ve hayal kaynaklar nedeniyle meydana getirilen potansiyellerin süperpozlsyonundan toprak tabakasındaki gerçek potansiyel dağılımı bulunabilir.

4. TABI KÜRESEL TOPRAKLAMA ELEKTRODU

Yan küresel şekil pratik topraklamalarda karşılanılan bir topraklama elektrodu şekli olmamakla beraber, teorik hesaplama kolaylığı ve bazı prensiplerin kolayca anlaşılmasını sağlaması bakımından aşağıda incelenmiştir. Pratikte kullanılan bir çok topraklama elektrod sistemlerinin hesaplanmalarında, bunlarjn «yarı küresel eşdeğerleri» sık sık gözonüne alınır.

Toprağa I akımı veren yarı küresel bir topraklama elektrodunu gözonüne alalım (ŞekU 2). Toprak tabakasında x yarıçaph ıblr yan küre yüzeyinde akım yoğunluğu Jx sabit olup, E, bu yüzeydeki gradyan ise (3)

Bx

(4)

yazılabilir, p noktasındaki Vx potansiyeli, sonsuzun potansiyeli referans (sıfır) alınarak

(5)

olur. Yan küresel x = a konarak

elektrodun In

potansiyeli V,, (6)

ve toprak tabakası direnci R

(7)

bulunur.

Yukarıdaki bağıntı Ue verilen R direnci topraklama elektrodu Ue sonsuz arasındaki toplam

ŞekU 2. Yarı küresel topraklama elektroda. Elektrik Mühendisliği 18

toprak tabakası direncini göstermektedir. Buna topraklama direnci denilmektedir. Elektrod yarıçapı a = 10 cm ve toprak spesifik direnci p = 100 fl/m ise topraklama direnci R <= 160 Q, olur. Bu basit hesaplama normal bir toprak tabakasına düşük dirençli bir topraklama yapmanın zorluğunu ortaya koymaktadır.

Yan küresel elekfrod ile x yançaplı yan küresel bir yüzey arasında kalan toprak tabakasının direnci R, ,

(8)

Yukardaki bağlantılar yardımı ile

R. '=•

x/

(9) V X/

bulunur. (9) denkleminde R, topraklama direncini göstermektedir. Tablo 2'de görüldüğü gibi, Rx , artan x ile süratle R ye yaklagır, yani topraklama direncinin büyük çoğunluğu elektroda yakın toprak bölgesine isabet eder.

Tablo 2. Toprak direncinin yarıçapla değişimi :

x

: 2a 10a 20a 100a

R,, K 0,5R 0,9R 0.95R 0.99R

Pratikte bir topraklama elektrodunun «direnç bölgesi» nden sık sik bahsedilir. Direnç bölgesi diye bir topraklama elektrodunun topraklama direncinin büyük çoğunluğunun isabet ettiği elektrod civarındaki yan küresel toprak bölgesine denilmektedir. Bu tarif açık olmayıp yanlış anlamalara yol açmaktadır. Çünkü topraklama direncinin büyük çoğunluğu kesinlikle belirtilmemiştir. Meselâ, topraklama direncinin büyük çoğunluğu % 99R ve % 95R olarak tarif edilirse, tekabül eden direnç bölgeleri, Jyarıçaplan 100a ve 20a olan yarı küresel toprak bölgeleri olur. Gerçekte, bir topraklama elektrodunun «toplam direnç bölgesi> sonsuz olur.

tki yan küresel topraklama elektrodu paralel bağlanırsa toplam topraklama direnci ancak elektrodlar arası açıklık sonsuz ise R/2 olur. Pratik şartlarda bu durum, «paralel bağlı iki topraklama elektrodunun toprak direnci, elektrodlar arası uzaklık bunlann direnç bölgeleri çakışmıyacak kadar büyükse R/2 alınabilir» şeklinde ifade edilir. Bu ifade direnç bölgelerinin yeterince tarif edilmeyişi nedeniyle gene müphemdir. Gerçekte, n sayıda topraklama elektrodunun paralel bağlanması halinde toplam topraklama direnci daima R/n'den büyük olur (R, bir topraklama elektrodunun topraklama direnci). Ancak, elektrodlar arası uzaklık çok büyükse toplam topraklama direnci R/n'ye eşit aljnabilür.

Şekil 3. Parelel ijd yan küresel topraklama elektroda.

Şekil 3'de gösterilen iki yan küresel topraklama elektrodunu gözönüne alalım. Elektrodlar arası açıklık yeteri kadar büyükse (meselâ d ^>

10a) potansiyel dağılımı süperpozisyonla bulunabilir.

P noktasındaki Vp potansiyeli

•!+•

(10)

2ff(d —X)

elektrodlann potansiyeli Va; K =

V •=•

•+-

(11)

a)

toplam topraklama direnci, R' = V>/I

R,

R'l=

(12)

bulunur (R =

-, yalnızca bir elektrod halinde topraklama direncidir). R"nün d/a ile değl§imi Şekil 4'de çizilmiştir. Yukarıda verilen direnç bağıntısı küçük elektrod açıklıklan için hatalı olmakla beraber Şekil 4'de (verilen eğri, direncin genel değişimi ihakkında doğru bir fikir verir.

W

R'

Q (

0ı

Şekil 4. Parelel İki yan küresel topraklama elektrodu topraklama direnci.

6?

—ı

ı/

II

I/

/s

Şekil 5. Bipr çabuk topraklama etektrodn etrafında eşpotansiyel yüzeyler.

5. EŞDEĞER YASI KÜRESEL ELEKTBOD StSTEMt

Pratik bir topraklama elektrodunu, eşdeğer yan küresel elektrod sistemi ile temsil etmek hesaplamalar için oldukça faydalı bir tekniktir. Şekia 5, bir çubuk topraklama elektrodu etrafında eşpotansiyel yüzeyleri göstermektedir. Elektroddan uzaklaştıkça eşpotanslyel yüzeyler yarı küresel yüzeylere yaklaşırlar. Elektroda çok yakın alan dağılımını gözönüne almamak şartı ile, yan küresel şekilde alınabilen eşpotansiyel yüzeydeki gTadyan değerini dikkate alabiliriz.

Herhangi bir topraklama elektrodunun yarı küresel eşdeğeri, aynı topraklama direncini veren yarı küresel elektrod sistemi olarak tarif edilir. Bu tariften ve denklem (7)fden, eşdeğer yan küresel elektrodun yarıçapj. a

a=•

(13)

olur. Bu bağıntıda R, eşdeğeri bulunan topraklama elektrodunun gerçek topraklama direncidir. Bu bağıntı yardımı ile herhangi bir gekildeki topraklama elektrodu, R. bilinirse, eşdeğer bir yan küresel elektrod ile temsil edilebilir.

6. TOPRAK SPESİFİK DİRENCİNİN ÖLÇÜLMESİ

Toprak spesifik direncini ölçmede en çok kullanılan metod Şekil 6'da gösterilen ıWenner metodudur. Aralanndakl uzaklık boyutlarına göre büyük olan dört ölçü elektrodu toprağa bir doğru boyunca çakılır. Bunlardan A ve D elektrodlanndan I akımı akıtılırken B ve C sonda elektrodlan arasında beliren V potansiyeli ölçülerek, toprak spesifik direnci aşağıdaki tarzda hesaplanabilir.

Elektrod boyutlan elektrodlar arası açıklığa göre küçükse, A ve D elektrodlarmdan akıtılan I akımı nedeniyle B ve C noktalarında beliren potansiyeller, A ve D elektrodlannı yan küresel şekilde düşünürek süperpozisyonla bulunabilir. B ve C noktalarının potansiyelleri

V =2,rd ve benzer şekilde

2,.2d

vc~Jî_ 2u.2d

(14) 2,r.2d (15)

Şekil 6. Wenner'in dörtlü elektrod sistemi.

B ve C noktaları arasında potansiyel farkı V

=vB - v G =

(16)

ve bu iki nokta arasında direnç R = V/Tden

(17)

ve toprak spesifik direnci

(18)

buhmur.

Toprağın homojen olmayigı nedeniyle bu şekilde hesaplanan spesifik direnç gerçek toprak spesifik direncinden farklı olabilir. Bir çok noktalarda ölçmeler tekrarlanır ve ortalama değerler alınırsa bu fark azaltılabilir. Diğer bir hata kaynağı, topraktaki doğru, şebeke frekansı ve üçüncü harmonik kaçak akımların bulunuşudur. Bu kaçak akımlar B ve C sonda elektrodüan arasında ilâve gerilim düşümüne ve ölçmelerde hatalara sebeb odurlar. Bunu önlemek için toprak direnci ölçmeleri genellikle 70 Hz'de yapılır, ayrıca ölçme devresi kaçak akımlarının etkisini azaltıcı şekilde tasarımlanır. Yüksek frekanslarda ölçme yapılması halinde bağlantı iletkenleri ve bunlarla toprak arası müşterek tesirler ölçme hatalarına yol açarlar, ölçmelerde kullanılan gerilim 50-500 V arasında değişir.

7. TOPRAKLAMA ELEKTRODU ŞEKİLLERİ

Pratikte en çok rastlanan topraklama elektrodları şekil yönünden çubuk, iletken veya şerlt ve levha elektrodlar olmak üzere üç ana grupta sınıflanabilir.

7.1. Çubuk topraklama elektrodlari :

Bir topraklamada kullanılacak Imetal elektrod malzemesinin iletkenliğinin topraklama direncine etkisi bakımından hiç bir önemi ohniyacağı açıktır. Ancak korozyona dayanıklıklık, akım taşıma kapasitesi ve mekanik mukavemet elektrod malzemesinin seçiminde gözönündıe tutulmalıdır. Bu bakımlardan en »uygun elektrod malzem'esi bakır alaşımlarıdır. Çubuk topraklama elektrodlan genellikle 0,5-3 om çapında 1 m kadar uzunlukta uç uca vidalanabilir şekilde bakır alaşımlarından yapılır. Elektrodlar uç uca vidalanarak havalı veya elektriksel çekiçlerle toprağa kolaylıkla çakılır. Topraklama derinliği 3-20 m arasında değişebilir.

Bir çubuk topraklama elektrodunun topraklama direncini tam olarak veren bir formül yok-

.o,

ıdı

Şekil 7. Bir çabuk topraklama elektrodunun bir elipsoUl ile temsil edilmesi.

tur. Ancak, çubuk elektrodu Şekil 7'deki tajrzda İnce, uzun bir ellpsoid şeklinde temsil edilerek topraklama direnci bulunan yaklagık bir

formül R = P tır . 1

ıOg

I I

\ I

dir.

Praük

hesaplamalarda bu direncin \iki dkat)ı alınarak

R=.

(19)

formülü kullanılmaktadır. Bu bağıntı pratik maksatlar için oMuk^a yeterlidir. Çünkü pratikte toprak spesifik direnci hiç bir zaman hassas olarak bilinmemektedir.

Yukarıdaki formülde elektrod çapı d yalnızca logaritmik terim içinde belirdiğinden elektrod boyu 1 kadar direnç değişimini etkilemez. Bu husus Şekil 8'de görülmektedir. Elektrod çapı 0.5 < d < 3 cm arasında değiştiği takdirde eğri noktalı çizgilerle belirtilen bölgede değişir. Elektrod boyu l i n küçük değerlerinde direnç çok değişirken 1 arttıkça bu değilim azalmaktadır, meselâ elektrod boyunu 10 m'den 20 m'ye çıkarmakla topraklama direncinde sağlanacak azalma % 50 olup önemsizdir. Bu yüzden topraklama çubuğunun çok derinlere kadar çakılması zannedildiği' kadar fayda sağlamamaktadır.

f: 100 ohm-m 30

20 R

ıScm

(A)

03"

Şekil 8. 2,5 cm çapında bir çubuk topraklama elektrodunun topraklama direncinin çubuk boyu ile değişimi.

{= 10 m d = 2 5cm

b

Ö

N - Elektrod sayısı

Şekil 9. N sayıda çubuk topraklama elektrodannn bir daire boyunca düzenlenmesi

topraklama direncinin değişimi.

Eşdeğer yan küresel elektrod yarıçapı (7) ve (19) denklemlerinden

log 4.1

(20)

bulunur, meselâ 1= 10 m, d = 2,5 cm İse a = 1,67 m olur.

Dügük topraklama direnci gerektiğinde çok sayıda çubuk elektrod paralel bağlanabilir. Meselâ, 1 •= 10 m, d •= 2,5 cm boyutlarında bir çubuk elektrod ortalama toprak şartlarında (p •= 100 n/m) 12 fl'luk bir topraklama direnci sağlar. 1 fj'luk topraklama direnci isteniyorsa, aralarındaki açıldık direnç bölgeleri çakışmıyacak kadar büyük olmak şartıyla pratik olarak en az 12 çubuk elektrod paralel bağlanmalıdır. Topraklama sahası sınırlı veya elektrodlarin uzak aralıklarla çakılması mümkün değilse, aynı topraklama direnci için daha çok sayıda veya uzun elektrodun daha yakın mesafelerle çakılması gerekir. Elektrodlar doğrusal, bir daire veya bir kare çevresi boyunca dlzilebilirler.

Şekil 9, 10 m yançaplı bir daire boyunca N sayıda paralel çubuk elektrodlarla sağlanan topraklama direncinin N ile değişimini göstermektedir. N artarken başlangıçta direnç çok düşmekte, N"nin büyük değerlerinde direnç az değişmektedir. Bu bakımdan paralel elektrod sa-

yısını fazlaca arttırmakla karşılığında sağlanan topraklama direncındejıi düşme ekonomik olmaz. Elektrodlar arası açıklık eşdeğer yarı küre yarıçapına yakınsa, paralel elektrod sayısjı 20'den fazla olmamalıdır. Keza N büyükse, dairenin merkezine ilâve paralel elektrodlar çakılması topraklama direncinde fazlaca bir düşme sağlamaz. Paralel çubuk sistemin topraklama direnci her bir elektrodun yan küresel eşdeğeri gözönüne alınarak hesaplanabilir. Bu hesap metodu, gerçek toprak direncinden daha büyük sonuç verir.

7.2. İletken veya şerit topraklama elektrotları :

Topraklama yapılacak bölgenin alt kısımları kayalık ise çubuk elektrotların derine çakılması ve uygun bir topraklama sağlanması mümkün olmayabilir. Bu durumda, yuvarlak kesitli veya şerit şeklindeki iletkenlerin zemine gömülmesi ile uygun bir topraklama sağlanır. Bu tür topraklamaya laboratuarlarda ve ekseriya birçok noktalarının birbirine ve toprağa bağlanması gereken büyük transformatör merkezlerinde rastlanır.

Topraklama direncinin hesabı oldukça karışıktır ve kesin sonuç veren formüller yoktur. Şekil

10'da, toprağa gömülü L. uzunluğunda doğrusal bir iletkenin topraklama direncini veren yaklaşık bir formül verilmiştir. Bu formülle hesaplanan

2,5 cm çapında ve 1 m derine gömülü bir top-

logik.MogLtMjK.

2TTL

2S

Şekil 10. L. uzunluğunda ve a yarıçapında doğrusal gömülü bir topraklama iletkeni.

raklama İletkeninin topraklama direncinin iletken boyu L. ile değişimi Şekil ll'de çizilmiştir, (gömme derinliğinin toprakla direnci üzerine etkisi küçük kalmaktadır).

ileken gerektirmesine rağmen yaklaşık olarak yan değerde bir topraklama direnci sağlar.

Kesiti herhangi .bir şekilde olan bir iletken topraklama eiektrodunun topraklama direnci aynı temas yüzeyini haiz yuvarlak kesitli bir iletkenle temsil edilerek yeter haseasiyetle hesaplanabilir.

Gömme derinliği = 1 m İletken çapı = 25cm

7.3. Topraklama levhaları:

Levha şeklindeki elektrodların topraklama direnci ancak amprik! formüllerle ve yeterli bir hassasiyetle hesaplanmaktadır. Toprak yüzeyinde a yarıçaplu düzlemsel, dairesel bir elektrodun topraklama direncinin

L . iletken uzunluğu , m

Şekil 11. Gömülü bir doğrusal topraklama iletkeninin direncinin boyla değişimi.

Topraklamanın yapıldığı bölge sınırlı ise, Şekil 12"de gösterilen çoklu bağlantı şekilleri tercih edilir. Sabit ıbir iletken uzunluğu için Şekil 12a tertibi en düşük topraklama direncini verir Şekil 12f tertibi 12a tertibine nazaran 4 misli

(21)

olduğu gösterilebilir. Elektrod toprağa gömülürse topraklama direnci düşer ve sonsuz derine gömülmesi halinde topraklama direnci R/2'ye eşit olur.

Herhangi şekildeki bir düzlemsel elektrodun topraklama direnci bunun dairesel eşdeğeri gözönüne alınarak (21) denkleminden hesaplanabilir. Eşdeğer dairesel elektrodun bulunmasında her iki elektrodun aynı alam haiz olduğu düşünülmelidir. Bu peklide hesaplanan topraklama

b)

(c)

(d)

(e!

(f)

Şekil 12. Çeşitli tnprn.uin.mn. şekilleri.

direnci gerçek değerden dana büyük olur, çünkü (21) denklemi elektrodun toprak yüzeyinde oknası haline tekabül etmektedir.

7.4. Çubuk, iletken şerit ve levha topraklama elektrodlarcnm karşüaştrnlması :

Tablo 3, ıbu üç tip topraklama elektrodunun topraklama direnci ve ekonomik bakımdan karşılaştırılmasını vermektedir. Çubuk elektrodun boyutları pratikte en çok kullanılan değerlere tekabül etmektedir. Karşılaştırmada, elektrodların aynı temas yüzeyine haiz oldukları gözönünde tutulmuştur.

tay bir kısmın belirmesi için E ve C elektrodlan arasındaki uzaklığın en az bunların direnç bölgelerinin çakışmiyacağı kadar, çok büyük olması gerekir. P sonda elektrodu E*den uzaklaştıkça toprak direncinin daha büyük bir kısmi ölçmeye dahil edilmiş, olur. Eğrinin yatay kısmı topraklama direncinin büyük çoğunluğunun ölçmeye girdiğini gösterir. E ve C elektrodlan yakınlarında direncin fazla değişim göstermesi ölçmelerin bu elektrodların direnç bölgelerinde yapılması sonucudur.

Pratikteki ölçmelerde direnç eğrisi daima pozitif eğim verdiğinden (Şekil 14), topraklama dl-

Tablo 3.

Çabuk, iletken şerit ve levha elektrodlannm karşılaştırılması :

Elektrod tipi

Çabuk

betken (derinlik m)

Levha

Toplam temas

yüzeyi (cm*)

Uzunluk L (m),

L,= 3

L=3

a =23,1

Çap d ve yarıçap a (cm)

Topraklama

direnci (fl)

32,8

30,9

108,0

Tesis durumu :

Tesis kolay

Yukardaki tablonun tetkikinden, levha elektrodunun çubuk elektroda göre hem topraklama direnci, hem de 1csıs masrafı bakımından hiç uygun olmadığı açıkça görülmektedir. Çubuk ve iletken elektrodlar yaklaşık topraklama direnci vermelerine kargılık, kazı masrafının oimayıgı ve tesisinin kolaylığı bakımından çubuk elektrod üstünlük arzetmektedir. Bu nedenle topraklamada, özel hailler dışında dalma çubuk elektrodlar tercih edilir.

8. TOPRAKLAMA DİRENCİNİN ÖLÇÜLMESİ

Topraklama direncinin ölçülmesinde başlıca zorluk sadece bir ölçü terminalinin (topraklama elektrodu) bulunuşudur. Topraklama direnci ölçmelerinde en çok tercih edilen metod «potansiyel düşümü ölçme» metodudur (Şekil 13).

Bu metodda, E topraklama elektrodu ile bundan yeterli uzaklığa çakılan C ölçü elektrodundan I akımı geçirilirken elektrodlar arasında ve EC doğrultusu üzerinde toprakta P noktasının Vp potansiyeli bir sonda yardımı ile ölçülür ve R ı= V /I hesaplanır, ölçme çeşitli P noktalarında tekrarlanarak Şekil 13b'de gösterilen eğri çizilir. Bu eğrinin yatay kısmının belirttiği direnç E elektrodunun topraklama direnci olarak almır.

Bu şekilde bulunan topraklama direnci gerçek değerden farküdır. Bahis konusu eğride ya-

rencinin eğriden yeterli doğrulukta bulunması zorlaşır. Bu durumda bilhassa büyük bir transformatör merkezinde ölçme yapılırken C elektrodunun çok uzağa çalulmasınm mümkün olmaması sonucu belirebilir. Bu durumlarda E topraklama elektrodunun, genellikle yapıldığı gibi, yarı küresel eşdeğeri dikkate alınarak topraklama direncinin gerçek değeri aşağıda ispatlanan % 61,8 kaidesinden bulunabilir (Şekil 14).

Eşdeğer yar» küresel elektrod1 yarıçapı a, C ölçü elektrodunun küre merkezine uzaklığı c ve sonda elektrodunun küre merkezine uzaklığı p olsun. E elektrodu ve P noktasının potansiyelleri, , süperpozisyonla

2Ta

2TTC

=

2TT

/1

1v (22)

o/

V =•

(23)

c-p.

bulunur, ölçülen potansiyel farkı V = V^ — Vp ve

R direnci

,'

acp

(24) c-p )

Şekil 13. Potansiyel ölçme metoda fle topraklama direncinin bulunması.

l - a(— +

(25)

2,a

cpc-pJ

olur. Direncin gerçek değere ması iğin

" eğit ol-

11 —+

1 =0

cpc-p

veya

p2 + p c - c 2 = 0 olmalıdır. Buradan p = 0,618c olmaU, yani sonda elektrodu, toprak elektrodundan % 61,8c uzağa

çakılarak Ölçme yapılmalıdır. Pratikte bu kaide kullanılarak direnç ölçülmesi halinde karşılaşılan bazı zorluklar §unlar olabilir :

a. Toprak spesifik direncinin homojen dağılımlı olmayışı hatalı sonuçlar verebilir, çünkü ölçme yalnızca topraklama elektrodu etrafındaki bir kısım toprak bölgesinde yapılmaktadır, ölçmenin diğer bölgelerde tekrarlanması ile "daha doğru değerler bulunabilir.

Pl *P2

Şekil 14. 61,8 kaidesi yardımı ile topraklama direncinin bulunması.

b. Büyük bir transformatör merkezinde olduğu gibi topraklama şebekesi boyutları1 büyükse, topraklama şebekesini temsil eden eşdeğer yarı kürenin merkezinin (topraklama merkezinin) hassas olarak bulunması zordur.

Toprak ölçmelerinde kullanılan ölçü aletleri genellikle 4 uçlu yapılır ve C,, C2 ve P,, P2 harfleri ile işaretlenir. Bu aletlerle direnç veya spesifik direnç ölçülebilir (Şekil 15 ve 16).

o

C1 Şekil 15.

Pl

P2

Toprak direnci ölçme aleti şeması.

Şekil 16. ölçme bağlantı şekilleri : (a) Topraklama direnci ölfcülmesi; (b) Toprak spesifik direnci.

9. ADIM VE TEMAS GERİLİMLERİ

Büyük bir transformatör merkezinde olduğu gibi geniş, bir topraklama şebekesinden büyük bir arıza akımı akması halinde toprak yüzeyinde beliren potans'yel dağılımı toprakta yürüyen bir insanın vücudundan, ölmesi için yeterli bir akımın geçmesine sebep olabilir. Bununla beraber, böyle bir kazanın meydana gelmesi için uygun olmayan bir çok durumların aynı anda belirmesi gerekir. Bunlar :

a. Arıza akımının büyük değerli olması, b. Arızanın kısa sürede giderilememesi, c. Arıza akımının toprakta uygunsuz dağv lınu, d. Arıza esnasında bir In.tanın en uygun olmayan yerde lâstik ayakkaDı veya eldlvensiz bulunuşudur.

Kazaları önleme bakımından topraklama sistemi çeşitli şekillerde tasarımlanabilir. Amerikan Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsünce (AIEE) görevlendirilen bir komitenin çalışmasında insan vücudunun elektrik akımına tahammülünün akım şiddetinin ve akım süresinin

fonksiyonu olduğu gözönünde tutulmuştur. Akım süresinin tayininde devre kesicilerinin normal çalıştığı ve arızayı ayarlanan sürelerde giderdiği kabul edilir. Kesicilerin bazen normal işlememesi ve arızayı belirtilen sürelerde giderememesi mümkündür. Ancak böyle bir durum, diğer müsait olmıyan şartlarla aynı zamana çok zayıf ihtimalle tesadüf etmesi düşünülerek dikkate alınmaz. Bununla beraber arıza süresinin tayininde istenirse ya esas koruma sisteminin vteya bunun çalışmaması halinde devreye giren yedek koruma sisteminin arızayı giderme süreleri dikkate alınabilir.

9.1. Emniyetli vücut akımr:

insan vücudundan düşük frekanslı yeterli şiddet ve sürede akım akması halinde ölüm «ventriküler flbrilasyon» denilen tıbbi bir olay sonucu meydana gelir. Bu olayda kalp adelelerinde değişmeler olmakta, suni teneffüs yetersiz kalmakta, kalbin eski haline dönmesi ancak özel cihazlarla kalbe karşıt elektrik şoku tatbiki ile sağlanmaktadır.

Colombia Üniversitesi'nde yapılan çok sayıda deney sonucu insanların % 99,5'inin emniyetle dayanabilecekleri şebeke frekansı maksimum effektlf akım (A),

0,165

I=

, 0,03 <t 3 san.

(26)

bağıntısı İle bulunabilir. (1 ve 0,1 sn. süreler için akımlar 165 mA ve 520 oA olur. Son zamanlarda (26) denkleminde 0,165 katsayısı yerine 0,116 alınması tavsiye edilmiştir). Koruma sistemJ tekrar kapama yapıyorsa arıza süresinin tayininde bu husus düşünülmeli, meselâ açma zamanının iki katı alınmalıdır Yukarıdaki denklemle bulunan emniyetli vücut akımı, İnsan vücudunun en önemli bölgesi olan göğüs kısmı İçindir. Ayak ve el kısımları daha büyük değerli akımlara dayanabilirler. Ancak, emniyet yönünden yukardakl denklemle verilen emniyet akımının el ve ayak kısımları için de geçerli olduğu kabul edilmelidir.

9.2. Emniyetli adım ve temas gerilimi :

Adım gerilimi topraktan arıza akımının akması sırasında toprakla temasta olan bir insanın adımlan arasında beliren potansiyel farkdur. Şekil 17 adım gerilimini ve hesaplamalar için eşdeğer devreyi göstermektedir. însan vücudundan akan IK akımının hesabında aşağıdaki kabuller yapılır:

Şekil 17. Adım gerilimi ve eşdeğer devre.

Şekil 18. Temas gerilimi ve eşdeğer devre.

a. IK akımı AB noktalarındaki açık devre gerilimini etkilemez (gerçekte IK akımı mA ve arıza akımı IF kA mertebesinde olduğundan bu kabul doğrudur).

b. Daha emniyetli sonuç yönünden derinin v'si alınır.

Temas gerilimi bir İnsanın topraklanmış bir cihaz gövdesi, yapıı, v.s.'ye elle dokunması halinde el ve ayak temas noktaları arasında beliren potansiyel farkıdır. Şekil 18 temas gerilimini ve eşdeğer devresini göstermektedir.

insanlar üzerinde yapılan çok sayıda ölçmeler sonucu ortalama vücut direncinin RK <=s* 1000 ci alınabileceği bulunmuştur, insan ayağı ile toprak arası temas direncinin (RF ) he.°abı herblr ayağı 8 cm yarıçapında düzlemsel dairesel bir levha şeklinde dügünülerek yapılabilir. Ayak direnci

= 3,

(27)

4a

olur, Dj (ft/m) temas bölgesi toprak spesifik direncidir. Maksimum adım ve temas gerilimleri, vücut akımı IK İçin (26) denklemi dikkate alınarak

"ad ' (RK + 2RF

(28*

vt

R, (29)

bulunur. Gerçek adım ve temas gerilimlerini emniyetle hesab edebilmek için bir adım ve bir kol mesafesi 1 metre alınır.

9.3. Transfer temas gerilimi : EHe dokunulan iletken cisim bulunulan bölgeden daha uzakta topraklanmış ise bu takdirde İnsan vücudu boyunca beliren gerilime «transfer temas gerilimi» denir ve temas gerilimine göre daha tehlikeli sonuçlar doğurabilir ı( Şekil 19). Bu gibi İhtimaller bir transformatör merkezinin topraklanmasının tasarımında dikkate alınmalıdır. Benzer tehlikeli durum, dlreküstü elle kumandalı kesicilerin kapatılmasında meydana gelebilir.

10. YÜKSEK GERİLİM TRANSFORMATÖR MERKEZLERİNİN TOPRAKLANMASI :

10.1. Topraklama ağı : Çok yüksek gerilimli transformatör merkezlerinde bir arıza halinde topraktan akan arıza akım-

Elektrik Mühendisliği 183

lan çok büyük olduğundan arıza akımının toprakta tehlikeli potansiyel dağılımı doğurmayacak şekilde dağıtılması gerekir. Bu maksatla ve aynı zamanda transformatör merkezinde bir çok noktaların toprağa bağlantısını sağlamak bakımından transformatör merkezinin zemininde gömülü iletkenlerden oluşan bir topraklama ağı (şebekesi) yapılır. Yeterli uzunlukta iletken kullanıldığı takdirde zemin boyunca uygun arıza potansiyel dağılımı sağlanabilir. Potansiyel dağılımının hesaplanması oldukça zor ve detaylı analizleri gerektirir. Bununla beraber AIEE komitesi pratik maksatlar için yeterli yaklaşık şöyle bir hesap şekil tavsiye etmektedir: Karesel bir topraklama ağı halinde bir karenin orta noktası ile topraklama ağına topraklanmış herhangi bir cihaz gövdesi arasında beliren potansiyel farkı (Şekil 20).

Uzakta topraklanmış iletken

(MeselaJ telefon teli, çit. demiryolu)

Şekil 19. Transfer temas gerilimi.

Şekil 20. Ağ gerilimi.

= K-

formülü ile hesaplanabilir; L topraklama ağındaki toplam iletken uzunluğu I, toplam arıza akunı p, toprak spesifik direnci ve K «^ 1,25 olan bir geometrik faktördür. Vm'nin maksimum temas geriliminden denklem (29), küçük olması şartından, toplam topraklama İletken uzunluğu

KIF yit (31) 165 +0,25 bulunur. Bu denklem topraklama ağı İçin lüzumlu iletken uzunluğu hakkında bir önflkir verir. Bu şekilde hesaplanan iletken uzunluğu ekseriya gerekenden fazla olmakla beraber emniyet bakımından İletken uzunluğu daha da arttırılabilir.

Topraklama İletkeni uzunluğu hesabında beliren zorluklardan birisi, arıza aküm IF Jnin önceden bUinmemesidlr, çünkü arıza akımının doğru olarak hesaplanmasında önemli etkisi olan transformatör merkezinin toplam topraklama direnci (Rs) topraklama sistemi tasarım edilmeden bilinmez. Bunun için önce; a alanı transformatör merkezinin alanına eşit bir düzlemsel - dairesel levhanın yarıçapı olmak üzere, Rs = p/4a bağıntı smdan bir ön hesaplama ve buradan yaklaşık olarak IF ve L hesaplanır. R^ için daha doğru değer

fi

• 'T

(32)

4a L

ile hesaplanır; birinci terim zeminin yekpare levha ile topraklandığını, ikinci terim İse topraklama levhasının yekpare olmadığını dikkate almaktadır. Hesaplar tekrarlanarak Ip ve L için yeni değerler bulunabilir, R^'nin IF 'yi fazlaca etkilemediği bilinmelidir. Topraklama ağı iletkenlerinin

seçiminde akım taşıma kapasitesi de dikkate alınmalıdır.

10.2. Zeminin kaya parçalan ile kaplanması:

Arıza akımının çok büyük değerlerde olması ve uygun bir dağılım sağlanamaması halinde, zeminin takriben 10 cm. kalınlıkta kaya parçaları ile kaplanması faydalı olur. Bu takdirde zeminin spesifik direnci (^=500 n/m) dolayısiyle zemin ayak temas direnci bir hayli artacağından arız'i esnasında insan vücudundan geçebilecek akım azaltılmış olur (Şekil 21). (31) denklemi gözönüne alındığında, ps'nln 100'den 5000 n/m'ye arttırılması halinde toplam topraklama iletkenliğinde azalma oranı:

165 + 0,25 V100 — = 0.91 den

165 + 0,25 V5000 fazla olmamakla beraber zeminin kaya tabakası kaplanması ile transformatör merkezini çevreleyen madeni çit gibi muhtemel tehlikeli mahalde kaza tehlikesi azaltılmış olur. Bu maksatla ve dışardaki insanların emniyetini sağlama bakimmdan kaya tabakasının çit dışına en az 1 metre uzaklığa kadar kaplanması faydalıdır. Zeminin kaya tabakası İle kaplanmasının toplam topraklama direncini (Rs) hemen hiç etkilemiyeceği hatırlanmalıdır.

10.3. Çubuk elektrodlarla ilâve topraklama :

Düşük topraklama direnci sağlamak ve akım dağılımını toprak derinliğine kaydırmak İçin transformatör merkezinde topraklama ağına ilâveten çok sayıda uzun çubuk elektrodlarla topraklama yapılır. Çubuk elektrod sayısı akım taşıma kapasitesine göre hesaplanır. Çubuk elektrodlarla topraklama, yazın toprağın kuruması

Cit

z.

Şekil 21. Zeminin kaya parçalan ile kaplanması Elektrik Mühendisliği 185

ve kığın yüzeyin donması halinde topraklama ağının topraklama direncinin artması kargısında emin ve düşük bir topraklama direnci sağlamı*? olur. Transformatör merkezinin toplam topraklama direncinin tamı hesabı zor ve karışıktır. Topraklama direncinin yaklaşık hesabı için çubuk elektrodlar topraklama ağına paralel kabul edilerek yapıür. Bu yolla hesaplanan direnç, gerçek topraklama direncinden daha büyük olmaktadır.

11. ORTA GERİLİM DAĞITIM SİSTEMLERİNİN TOPRAKLANMASI

Bir kullanıcının elektrik tesisatına bağlı elektriksel bir cihazda beliretoilecek bir arıza sonucu, elektriksel çarpümayı önlemek için dokunulabilir madeni kısımlarının topraklanması gerekir. Topraklama uygun tarzda yapılmışsa tehlike doğurabilecek bir arıza akımı, arızalı cihazın devre dışı kalmasını sağlayacak koruma tedbirlerini çalıştıracak kaza ve yangın riski azaltılmış olur. Aşağıda alçak ve orta gerilim dağıtım sistemlerinde kullanılan topraklama sistemleri incelenmiştir.

11.1. Basit topraklama sistemi :

Basit topraklama sistemi Ibir alçak gerilim hava hattı sistemi için Şekil 22'de gösterilmiştir. (Kablo sisteminin topraklı zırhının bulunuşu ve daha az tehlike arzetmesi nedeniyle burada incelenmemiştir). Müşterinin cihazındaki bir arıza sonucu arıza akımı topraklama elektrodu, toprak devresi ve transformatör alçak gerilim nötr topraklaması yolunu takiben transformatör sayısından geçerek devresini tamamlar. Bu topraklama sisteminin kullanılması, tesis kapasitesi veya toprak spesifik direncinin yüksek olması halinde şu sebeplerden dolayı zorluk arzeder :

11kV/22OV

Faz -oo-

Tehlikeli bir arıza halinde arıza akımı müşteri tesisinin sigortasını çabukça attırmaya yetecek kadar büyük olmalıdır. İngiltere'de bir toprak arızası halinde cihaz gövdesinin potansiyelinin 40 V'den fazla olmaması ve arıza akımının sigorta nominal akımının üç katı olması istenir. Bu nor mal bir sigorta için takriben 10 saniyelik bir açma zamanına tekabül eder (Şekil 23). Bu şart altında muhtelif sigorta nominal akımları için tekabül eden minimum toprak devresi dirençleri Tablo 4'de verilmiştir.

Tablo i.

Müsaade edilebilir toprak devresi direnci :

Sigorta nominal Toprak devresi direnci =

akımı In (A) 10 30 60

220/3 xln ( n ) 7,33 2,45 1,22

0,73

Yukardaki tabloda verilen düşük topraklama direnç değerlerinin en iyi toprak şartlarında bile

sağlanması zor ve hatta imkânsız gibidir. Su şebekesine yapılan bağlantılarla dügük dirençli topraklamalar sağlamak kabildir. Son zamanlarda

birçok ülkelerde plâstik su borularının kullanılmaya başlanması topraklama problemini menfi yönde etkilemeye başlamıştır.

11.2. Toprak teli :

Bu sistemde bir arıza halinde arıza akımına dulşük dirençli bir yol sağlama bakımından faz ve nötr iletkenlerine ilâveten üçüncü bir topraklama teli çekilir (Şekil 24). Herhangi bir sebeple topraklama telinde bir kopma olması halinde kaza riskini azaltmak için müşterinin tesisatında mahalli topraklamanın yapılması yine lüzumludur. Nitekim, toprak telindeki bir kopma bir arıza anına kadar farkedilmeyebilir. Bu lhtima

Nötr

ı

'Müşteri

• tesıstatı

Gövde

m ftl

Yüksek gerilim Alçak gerilim nötr topraklaması gövde topraklaması

Şekil 22. Basit bir topraklama sistemi.

Mahalli topraklama elektrodu

İ • 2300 <0

Minimum açma akımı Nominal akım

0.01

0.1

10000

Toplam açma zamanı, sn.

Şekil 23. Tipik Ur sigorta karakteristiği

1\ r

ı Faz Nötr

Toprak teli

-*

•

[ı r1

1 H , AAr|

ı lh

-

Şekil 24. Toprak telli topraklama sistemi.

11 azaltmak İçin de toprak teli güzergâh boyunca mümkün olduğu kadar çok noktada topraklanır. Bu metod elektriksel eşdeğer bakımından kablo sistemine benzer. Bu tür topraklama Pisteminin başlıca mahzuru oldukça pahalı oluğudur.

11.3. Koruyucu röleli topraklama:

Sekil 25'de görüldüğü gibi, bu tür topraklama sisteminde bir arıza esnasında kaçak gerilim etkisi İle çalıgan bir devre kesici devreyi açmaktadır.

Arıza akımı etkisi İle çalışan devre kesiciler de mevcut olup kaçak gerilim etkisi ile çalışan kesicilere göre daha avantajlıdırlar. Devre kesici müşterinin tesisatına bağlanmaktadır. Bu kesicilerin faydalan hassas olmalan ve devreyi süratle açmaları, mahzuru ise pahalı olusudur.

11.4. Nötrleme:

Dügünülebilen bir topraklama sistemi de müşteri tesisatındaki cihazların gövdelerinin nötre

bağlanmasıdır (Şekil 26). Çok ucuz olan bu sistemde bir arıza halinde arıza akımı nötr iletken üzerinden devresini tamamlar. Bu metod, nötr iletkeninde ibir kopma veya kötü temas direnci gibi ihtimaliler olmasaydı en ideal topraklama metodu olacaktı. Ancak, kopma ve kötü temas;

nötrün çalınması ve korozyon gibi hallerde dalma bahis konusudur. Nötrde bir kopma halinde nötrlenmiş bütün cihaz gövdelerinin faz potansiyeline yükseleceği ve çalışanlar için büyük bir tehlike arzedecegi açıktır. Bu nedenle bu tür topraklamanın yapıiması bir çok ülkelerde yasaklanmıştır.

L[

Test

Müşteri

Bobin çalışma gerilimi 18-2AV

Su borusuna topraklama ( Parelel akım yolu)

Müşterinin topraklama elektrodu

Şeldl 25. Anza gerilimi etkisiyle çalaşan devre kesici.

•oo

NI Kopma noktası

ŞekU 26. Nötrieme.

-ox>

Kopma noktası

Faz Nötr - Toprak

Şekil 27. Koruyucu çoklu topraklama sistemi

11.5. Koruyucu çoklu topraklama :

Nötrleme sisteminin mahzuru, nötr iletkeninin güzergah boyunca mümkün olduğu kadar çok noktada topraklanması ile giderilebilir. Buna koruyucu çoklu1 topraklama denilmektedir (ŞekU 27), Nötr iletkeninde bir kopma halinde anza ve normal akün dönüğünü topraktan yapabilir. Böyle bir sistemde nötr iletkenin kesiti küçük seçilmemelldir. Nötr iletkeninin herhangi bir noktada topraklama direnci lOfl'dan büyük olmamaüdır. Bu tür topraklama yapılmadan telekomünikasyon sistemine muhtemel etkisi bakımından PTT ile Istişjare edilmelidir.

Koruyucu çoklu topraklama sistemi oldukça tercih edilmekte ve kablo sisteminde de kullanılmaktadır. Bu halde, faz ve nötr iletkenlerinin bir kılıf içinde yapıldığı) eski 4 iletkenli kablo yerine daha ucuz ve sadece faz iletkenle • rinl madeni bir kılıfla kugatan yeni tip 3 üetkenli kablo kullanılmaktadır. Topraklı madeni

kılıf aynı zamanda nötr vazifesini de görmek tedir.

12. KAYNAKLAR :

1. Tagg, G. F.: «Earth Resistances» (NeVmes 1964).

2. Tagg, G. F.: «Resistance of Large EarthElectrode Systesms», Prac. LEE, 1972, Vol. 119, S. 269-272.

3. AIEE Committee report, «Voltage Gradienta through the Ground under Fault Conditions>, Trans AIEE, Vol;. 77 m, 1959, S. 669-692.

4. Fordham Cooper, W.: «Eleetrical Safety in Industry>, IEE Reviews, "Vol. 117, August 1970.

5. Mather, F.: «Earthing Low-and MediumVoltage Distrlbution Systems and Equlpment» Proc. IEE, 1958, Vol. 105 A, S. 97-106.

Elektrik Mühendisliği 18S