TOPRAKLAMA AĞLARININ ÜÇ BOYUTLU TASARIMI

Transkript

1 TOPRAKLAMA AĞLARININ ÜÇ BOYUTLU TASARIMI Fikri Barış UZUNLAR Özcan KALENDERLİ İtanbul Teknik Üniveritei, Elektrik-Elektronik Fakültei Elektrik Mühendiliği Bölümü, İtanbul ÖZET Bu çalışma, IEEE Std , IEEE Std ve IEEE Std tandartlarına uyumlu topraklama itemlerinin taarımı ve analizi için bir bilgiayar modeli ve gelişmiş metodoloji unmaktadır. Metodoloji ve bilgiayar programı gerçek item ölçümleri ile doğrulanmıştır. Bilgiayar algoritmaının doğruluğu topraklama modelinin ve fizikel düzenin gerçek aha koşullarına ne kadar iyi yanıtıldığına bağlıdır. İzin verilen gerilim ınırları ve en yükek tahmini gerilim değerleri tandartta verilen deneyel formül kullanılarak heaplanmıştır. Adım, dokunma, ağ gerilimleri ve yükek gerilimli akım taşıyan bölgeler tandartta verilen taviyelere göre heaplanmış ve aralarındaki farklılıklar incelenip açıklanmıştır. Mühendilik uygulamaları için yararlı bazı pratik taarım ölçütlerinin tanıtılmaı olanağının gerçekleştirilmei amacıyla benzetimler yapılmıştır. Kolay kullanım ütünlüğü ve yerleşik tehlikeli nokta değerlendirme olanağıyla her şekildeki mevcut ağların güçlendirilmei ve yeni ağların taarımının en uygun hale getirilmeinde mühendilere yardım etmek için tei topraklama ağ taarım ve analiz modülü özellikle taarlanmıştır. Anahtar özcükler: Topraklama ağı, Dokunma Gerilimi, Adım Gerilimi, Ağ Gerilimi. 1. GİRİŞ Topraklama ağları, toprak içine gömülmüş, toprak yüzeyine paralel olarak yerleştirilmiş, ağ oluşturacak şekilde birbirine birleştirilmiş iletkenlerden oluşan, geniş bir alanı kaplayan bir topraklayıcı türüdür. Enerji itemlerinde, tranformatör merkezlerinde ve potaniyel farklarının küçük olmaı itenen geniş yapılarda ve yerlerde, topraklama direncini, adım ve tema gerilimini küçük tutmak ve düzgün potaniyel dağılımı ağlamak amacı ile kullanılırlar. Topraklama ağlarının bu amaçlara uygun ve ekonomik taarımı ve analizi, bir mühendilik problemi oluşturmaktadır. Topraklama ağlarının taarım heapları, genellikle deneyime, görgüye dayalı (ampirik) formüller kullanılarak yapılmaktadır. Bu heaplar, üç boyutlu incelemede, toprak ve topraklayıcı koşullarını tanımlamada ve gerçeğe uygun çözümler elde etmede yeteriz kalmakta, zor ve zaman alıcı olmaktadır. Bir topraklama ağının taarımında ağ boyutları ve biçimi, göz ayıı, gömülme derinliği, toprağın özellikleri gibi birçok parametrenin değerlendirilmei gerekmektedir. Bunu gerçek bir topraklama ağı üzerinde deney yaparak gerçekleştirmek hem zor hem de zaman alıcı ve pahalı bir yoldur. Bunun kolay, kıa ve ekonomik yolu, örneğin, ölçekli küçük modeller üzerinde deney yapmak veya ayıal yöntemlerle bilgiayarda gerçeğe uygun modeller üzerinde heap yapmaktır. Bu nedenle on yıllarda topraklama ağlarının taarım ve analizinin bilgiayarla yapılmaı gözdedir. Bunun için de topraklama itemlerinin taarımında gerçeğe uygun, daha doğru onuçlar veren bilgiayar algoritmalarına gerek duyulmaktadır. Bu amaçla yöntem ve yazılım geliştirme çalışmaları yapılmakta, paket programlar üretilmektedir. Bu çalışmada da, ilkei onlu elemanlar yöntemine dayanan bir topraklama ağı taarım programı yardımıyla yapılan üç boyutlu ağ taarımı, açıklamalı ve uygulamalı olarak unulmuştur.. AMAÇ VE HEDEFLER Bu çalışmadaki temel amaçlar: - Topraklama itemi taarımcılarının en verimli taarıma odaklanabilmeleri için gerekli ilkeleri içeren uygun bir referan ağlamak, - Dokunma ve adım gerilimlerini izin verilen güvenlik ınırları içeriinde tutmak ve topraklama direncini küçültmek, - IEEE Std [1], IEEE Std [] ve IEEE Std [3] tandartlarına uygun bir topraklama teii taarlamak, - Arıza durumlarında elektrik şokuna maruz kalma olaılığı bulunan peronelin güvenliğini ağlamak, - Topraklama iteminde kullanılmaı gereken ağ iletkenlerinin özelliklerini belirlemek, - Tei alanı, topraklama kazıklarının ayıı, ağ iletkeninin keiti ve iletkenin gömülme derinliği gibi etkenlerin teiin topraklama direncinin heaplanmaında etkiini gözlemlemek, - Toprak gerilim yükelmeini (GPR) heaplamak, - İzin verilen en yükek dokunma ve adım gerilimlerini heaplamak, 307

2 - Herhangi bir yön boyuncaki yüzey gerilim dağılımını toprak gerilimi yükelmeinin bir oranı olarak görüntülemek, - Tüm taarım ayrıntılarını içeren bir rapor unmaktır. 3. TOPRAKLAMA AĞI TASARIM YAZILIMI Topraklama itemlerinin modellenmeinde kullanılan bilgiayar algoritmalarında aşağıdaki özellikler aranır: - Topraklama iletkeni ve topraklama kazıklarının ayrı birer eleman olarak modellenebilmei, - Her ayrı elemanın bir denklem kümei olarak tanımlanabilmei, - Toprağa akan toprak arıza akımının heaplanmaı, - İtenen herhangi bir noktada, yüzey potaniyelinin heaplanmaı itenir. Topraklama taarımının gerçekleştirilmeinde ilk olarak proje ve çalışma tanımlanmalıdır. İkinci olarak, kullanılacak toprak modeli kararlaştırılmalıdır. Bu aşamada IEEE Std de tanımlanmış, belirli bir yüzey ve durum için izin verilen en yükek adım ve dokunma gerilimini içeren güvenlik değerlendirmei heabı yapılır. Üçüncü aşamada ie, bir elektrik teiinde meydana gelebilecek en kötü arıza parametreleri heaba katılarak iletkenlerin ve kazık gibi elektrotların boyutları kararlaştırılmaktadır. Bir onraki aşamada, elektrik teiinin koordinatları, iletkenin gömülme derinliği ve fizikel boyutları gibi ahanın geometrik boyut ve biçim bilgileri girilmektedir. Son olarak, tei taarımının itenilen güvenlik ölçütlerini karşılayıp karşılamadığı doğrulanmaktadır. Potaniyel dağılımı çizimi, dokunma ve adım gerilimlerinin aşılmadığını doğrulamak üzere oluşturulmalıdır. Güvenlik ölçütleri ağlanmadığında, ağ taarımının yeniden gözden geçirilmei gerekir. Kabul edilebilir onuçlar elde edilene kadar yöntem üçüncü aşamadan tekrarlanır. Bu çalışmada kullanılan yazılım aşağıdaki üç ana modülden oluşmaktadır: Şekil 1. Toprak analiz modülü 1) Toprak modeli (bir tabakalı veya çok tabakalı), ) Üt tabaka kalınlığı (m), 3) Üt tabaka özdirenci (ohm.m), 4) Alt tabaka kalınlığı (m), 5) Alt tabaka özdirenci (ohm.m), 6) Arıza ürei (), 7) Vücut ağırlığı (kg). B. Topraklama Ağı Analiz Modülü Sahanın elektrikel karakteritiklerinin ve kullanılacak ağ iletkenlerinin özelliklerinin bulunduğu modüldür (Şekil ). Bu modülden aşağıdaki bilgiler girilir: 1) Tei işletme gerilimi (V), ) Toprak arıza akımı (A), 3) Topraklama kazık ve iletkenin adet ve uzunlukları, 4) Toprak gerilim yükelmei (GPR) (V), 5) Heaplanan toprak direnci (ohm), 6) Eşdeğer empedan (ohm). A. Toprak Analiz Modülü Bu modülde benzetimi yapılacak ahanın topraklama taarımı için gerekli, aşağıdaki parametreler yer almaktadır (Şekil 1): Şekil. Topraklama ağı analiz modülü C. Üç Boyutlu Potaniyel Dağılımı Modülü Bu modülde de, onlu elemanlar yöntemiyle benzetim onucu bulunan potaniyel dağılımı üç boyutlu olarak gözlenebilmektedir (Şekil 3). 308

3 Eğer a >> b ie (1) bağıntıından () a ( V / I) yazılır. İzin verilen en yükek dokunma ve adım gerilimleri IEEE Std tandardına uygun olarak heaplanır. Heaplamanın amacı, yükek dirençli yüzey katmanı kullanılıp böylece izin verilen dokunma gerilimini de yükek tutmaktır. Heaplarda kullanılan yüzey tabakaının azaltma katayıı (C ) aşağıdaki formül ile heaplanır: Şekil 3. Üç boyutlu potaniyel dağılımı modülü 4. TOPRAKLAMA AĞI TASARIM YÖNTEMİ Pratikteki toprak modellerine ulaşabilmek için yıllardır birçok grafikel ve analitik yaklaşımlar önerilmiştir [4-8, 10]. Değişik toprak özdirençli katmanlardan oluşan çok tabakalı toprakların daha yaygın olmaından dolayı, topraklama direnci ölçüm teknikleri çok katmanlı toprak modeline göre kullanılmaktadır. Tei topraklamaının pratik yaklaşımında yıllardır, onuz derinlik ve farklı dirençte alt katman ile onlu derinlikte üt katmandan oluşan iki tabakalı model kullanılmıştır. Yazılım [9] her kazık çiftinin araındaki meafenin (a) eşit olduğu Wenner dört kazıklı toprak özdirenci ölçüm tekniğini deteklemektedir (Şekil 4). Bu yönteme göre, dıştaki elektrotlardan, değeri ampermetre ile ölçülen I akımı uygulanırken, içteki elektrotlar araında, uygulanan akımın toprağın direncinde yarattığı V gerilimi voltmetreyle ölçülür ve direnci bulmak için ohm yaaı uygulanır (R = V / I). Şekil 4. Wenner dört kazık yöntemi Ölçülen V ve I değerlerine, topraklama kazığının boyuna (b) ve kazıklar araı uzaklığa (a) göre toprak özdirenci ( ) aşağıdaki bağıntıyla bulunur: (1) 1 a a 4 a ( V / I) 4b a a b C 1 0,09 (1 / ) h 0,09 (3) Vücut ağırlığının 50 kg olmaı durumunda, ıraıyla, dokunma ve adım gerilimleri: Edokunma 50 (1000 1,5 C ) 0,116 / t (4) Eadım 50 (1000 6, 0 C ) 0,116/ t (5) Vücut ağırlığının 70 kg olmaı durumundaki dokunma ve adım gerilimleri: Edokunma 70 (1000 1,5 C ) 0,157 / t (6) Eadım70 (1000 6, 0 C ) 0,157 / t (7) Yukarıdaki bağıntılarda kullanılan parametrelerden: t aniye olarak şok üreini, ohm-metre olarak toprağın yüzey kımındaki malzemenin özdirencini, C yükek dirençli yüzey malzemei kullanımına ve yanıma faktörü (K) ile üt katmanın kalınlığına (h) bağlı azaltma katayıını, h yükek dirençli yüzey malzemeinin kalınlığını, yükek dirençli yüzey malzemeinin altındaki toprağın özdirencini ifade etmektedir. 5. BENZETİMLER Bu çalışmada elde edilen onuçların doğrulanmaı adına IEEE Std tandardının Ek B kımında verilmiş olan örnekler referan alınmış ve karşılaştırmalı tablolar ile ilgili grafikler kullanılmıştır. Taarım bilgileri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1: Ağ taarımında kullanılan taarım bilgileri Değer 309

4 Vücut ağırlığı 70 kg Çakıl taşının özdirenci 500 Ω.m Çakıl taşı tabakaının kalınlığı 0,10 m Arıza açma ürei 0,50 Toprak özdirenci 400 Ω.m En yükek arıza akımı I G, 6814 A, 16, X/R oranı Arıza akımı I G 3180 A Ayrılma katayıı S f 0,6 İletkenin malzemei Sert çekilmiş bakır Ortam ıcaklığı 40 C Ağ iletkeninin çapı 0,01 m Ağın gömülme derinliği 0,5 m D. Topraklama kazıkları olmayan kare ağ Şekil 5 te topraklama kazıkları olmayan, 70 m x 70 m boyutlarında, 9 x 9 gözden oluşan kare bir ağın üç boyutlu çizimi görülmektedir. Tablo de hem IEEE Std ile hem de bu çalışmada kullanılan yazılım ile elde edilen onuçlar karşılaştırma amacıyla bir arada verilmiştir. Şekil 6. Topraklama kazıkları olmayan kare ağ için en yükek ve gerçek dokunma gerilimleri E. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ Şekil 7 de topraklama kazıklı, 63 m x 84 m boyutlarında, 9 x 1 gözden oluşan dikdörtgen bir ağın üç boyutlu çizimi görülmektedir. Şekil 7 deki ağ için her iki yöntemle de elde edilen onuçlar Tablo 3 te verilmiştir. Şekil 5. Topraklama kazıkları olmayan kare ağ Tablo : Topraklama kazıkları olmayan kare ağ için karşılaştırmalı onuçlar tablou IEEE Std Yazılım İzin verilen en yükek 838,0 840,55 dokunma gerilimi (V) İzin verilen en yükek adım ,10 gerilimi (V) Azaltma katayıı C S 0,740 0,740 R G ( ),780,675 GPR (V) 5304, ,61 Kazıkız, kare ağ için elde edilen Şekil 6 daki potaniyel dağılımından, topraklama iteminin köşelerinde dokunma geriliminin makimum değerinin aşıldığını gözlemlemek mümkündür. Şekil 7. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ Tablo 3: Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ için karşılaştırmalı onuçlar tablou IEEE Std Yazılım İzin verilen en yükek 838,0 840,55 dokunma gerilimi (V) İzin verilen en yükek ,10 adım gerilimi (V) Azaltma katayıı C S 0,740 0,740 R G ( ),60,78 GPR (V) 4998, ,00 Şekil 7 deki ağ için, kullanılan yazılım ile elde edilen potaniyel dağılımı, Şekil 8 de göterilmiştir. Yine köşelerde potaniyel artışı gözlemlenmektedir. 310

5 Tablo 5: Eşit aralıklarla yerleştirilmiş topraklama kazıklı ve iki tabakalı ağ için karşılaştırma tablou IEEE Std Yazılım İzin verilen en yükek 838,0 840,55 dokunma gerilimi (V) İzin verilen en yükek ,10 adım gerilimi (V) Azaltma katayıı C S 0,740 0,740 R G ( ),740,330 GPR (V) 456,49 57,9 Şekil 8. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ için en yükek ve gerçek dokunma gerilimleri F. Eşit aralıklarla yerleştirilmiş topraklama kazıklı ve iki tabakalı ağ Pratikte birçok uygulamada kullanılan iki tabakalı topraklama itemlerinin benzetimlerini örneklemek amacıyla, IEEE Std 80 tandardının B.5 örneğinde, Tablo 4 deki bilgilerle, Şekil 9 da göterilen 60,96 m x 60,96 m boyutlarında, 4 x 4 gözlü benzetim yapılmaktadır. Şekil 9 daki ağ için her iki yöntemle de elde edilen onuçlar Tablo 5 te verilmiştir. Tablo 4: İki tabakalı ağ taarımında kullanılan bilgiler Vücut ağırlığı Çakıl taşının özdirenci Çakıl tabakaının kalınlığı Üt tabakanın özdirenci Üt tabakanın kalınlığı Alt tabakanın özdirenci Ağ iletkeninin çapı Ağın gömülme derinliği Kazıkların uzunluğu Kazık çapı Arıza açma ürei Toprak özdirenci Arıza akımı I G Değer 70 kg 500 Ω.m 0,1 m 300 Ω.m 4,57 m 100 Ω.m 0,01 m 0,5 m 9,144 m 0,017 m 0, Ω.m 1908 A Bu durumdan da gözlenebileceği üzere, topraklama direnci düşük olarak elde edildikçe onuçlar araındaki fark neredeye önemizdir. Şekil 9 daki ağ için, kullanılan yazılım ile elde edilen potaniyel dağılımı, Şekil 10 daki gibi gözlemlenmektedir. 6. SONUÇ Bilgiayar benzetimine dayalı analiz teknikleri henüz pahalı olmakla birlikte bunların kullanımının ucuz ve güvenli topraklama şebekei düzenlenmeine yol açacağı açıktır. Yapılan parametrik analizlerin çok tabakalı toprak koşullarını da içerecek biçimde yenilenmei gerekmektedir. Topraklama şebekeini düzenleyen tandartlar araında uyumlulaştırmaya ihtiyaç vardır. Şekil 10. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ için en yükek ve gerçek dokunma gerilimleri KAYNAKLAR Şekil 9. Eşit aralıklarla yerleştirilmiş topraklama kazıklı ve iki tabakalı ağ [1] IEEE Std , IEEE Guide for Safety in AC Subtation Grounding, IEEE Standard Board, New York, USA, 000. [] IEEE Std , IEEE Guide for Meauring Earth Reitivity, Ground Impedance and Earth Surface Potential of a Ground Sytem, IEEE Standard Board, New York, USA, [3] IEEE Std. 837, IEEE Standard for Qualifying Permanent Connection Ued in Subtation 311

6 Grounding, IEEE Standard Board, New York, USA, 00. [4] C. H. Lee, A. P. S. Meliopoulo, "Comparion of touch and tep voltage between IEEE Std. 80 and IEC 479-1", IEE Proceeding on Generation, Tranmiion and Ditribution, Vol. 146, No. 6, pp , [5] H. Zhao, H. Griffith, A. Haddad, A. Ainley, "Safety-limit curve for earthing ytem deign: appraial of tandard recommendation", IEE Proceeding on Generation, Tranmiion and Ditribution, Vol. 15, No. 6, pp , 005. [6] M. H. Hocaoğlu, A. T. Hocaoğlu, "Yükek gerilim teileri topraklama tandartlarının karşılaştırılmaı", Elektrik, Elektronik, Bilgiayar Mühendiliği 8. Ulual Kongrei, Gaziantep, , [7] L. M. Coa, "Comparative tudy between IEEE Std and finite element method application for grounding ytem analyi", Tranmiion & Ditribution Conference and Expoition, Latin America, pp. 1-5, 006. [8] J. Ma, F. P. Dawalibi, R. D. Southey, "Effect of the change in IEEE Std. 80 on the deign and analyi of power ytem grounding", PowerCon International Conference, Vol., , 00. [9] CYMGRD, Uer Guide and Reference Manual, Canada, 006. [10] S. Meliopoulo, Power Sytem Grounding and Tranient, Marcel Dekker, New York,