GAZ İZOLELİ SİSTEMLERDE TOPRAKLAMA ANALİZİ. Hüseyin ÖKSÜZ

Transkript

1 GAZ İZOLELİ SİSTEMLERDE TOPRAKLAMA ANALİZİ Hüseyin ÖKSÜZ YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ OCAK 2008 ANKARA

2 Hüseyin ÖKSÜZ tarafından hazırlanan GAZ İZOLELİ SİSTEMLERDE TOPRAKLAMA ANALİZİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği AD Bu çalışma jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU Elektrik-Elektronik Mühendisliği AD, G.Ü. Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER Elektrik-Elektronik Mühendisliği AD, G.Ü. Doç. Dr. Osman GÜRDAL Elektrik Eğitimi AD, G.Ü. Tarih: 17/01/2008 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Nermin ERTAN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içerisindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Hüseyin ÖKSÜZ

4 iv GAZ İZOLELİ SİSTEMLERDE TOPRAKLAMA ANALİZİ (Yüksek Lisans Tezi) Hüseyin ÖKSÜZ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2008 ÖZET Yüksek gerilim gaz izoleli trafo merkezlerinin topraklama projeleri IEEE standardına göre detaylı şekilde incelenmiştir. Ayrıca topraklama temel kavramları ile topraklama ve farklı topraklayıcı çeşitleri irdelenmiştir. Trafo merkezlerinin topraklama projeleri CYMGRD PC programı ile analiz edilmiştir. Sonuç olarak topraklama ağı analizinde, topraklama direnci, göz aralığı ve adım geriliminin; topraklama kazığı sayısı ile ağın geometrik yapısı varyasyonlarına göre incelenmesi yapılmıştır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler :Topraklama, Gaz İzoleli Sistemler, GIS Sayfa Adedi :167 Tez Yöneticisi :Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER

5 v GROUNDING ANALYSIS OF GAS INSULATED SUBSTATION (M.Sc. Thesis) Hüseyin ÖKSÜZ GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY January 2008 ABSTRACT Grounding projects of high voltage gas insulated substations are examined in detail according to IEEE standard. Furthermore basic grounding concepts, grounding are discussed together with different types of grounders. Grounding of the substations is analyzed by means of CYMGRD programme. PC As a result of the grounding grid analysis, the information on grounding resistance mesh size and step voltage variation are obtained with respect to grid geometry and number of grounding rods. Science Code : Key Words : Grounding, Gas Insulated Substation, GIS Page Number : 167 Adviser : Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER

6 vi TEŞEKKÜR Bu tez konusu üzerinde çalışma yapmamı bana öneren, daha sonra ilgi ve akalası ile yardımcı olan çok değerli hocam Prof. Dr. M. Sezai DİNÇER ile bölüm başkanım Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU na teşekkürü bir borç bilirim. Elbette bu tezin ortaya çıkmasında birçok kişinin katkısı oldu. Müdürüm Kemal HÜR e yüksek lisans çalışmalarım boyunca göstermiş olduğu anlayışı; Grup Müdür Yardımcım Semih BİDECİ ye uzun yıllara ait bilgi birikimini ve kaynaklarını benimle paylaştığı; mesai arkadaşlarım Yücel YILMAZ ve Bilgehan TEKŞUT a gerçek projeler üzerinde çalışma yapmamı sağladıkları; Siemens-Türkiye den Özgür ÖZKAN ve Yalın ÇEKEN e bilgisayar programında yapmış olduğum çalışmalarda bana yol gösterdikleri ve kaynaklarını esirgemeden paylaştıkları için teşekkür ederim. Çalışmam boyunca göstermiş olduğu anlayışı ve çevirilerdeki yardımları için sevgili eşim Sevil e teşekkür ederim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR...vi İÇİNDEKİLER...vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xii RESİMLERİN LİSTESİ....xiii SİMGELER VE KISALTMALAR...xix 1. GİRİŞ GAZ İZOLELİ SİSTEMLER (GIS) Giriş Nedir? Dünyada tarihçesi Türkiye de tarihçesi SF 6 Yalıtkan Gazı TOPRAKLAMA VE TEMEL KAVRAMLAR Temel Kavramlar Toprak Topraklama Topraklayıcı Toprak direnci Toprak özgül direnci Referans toprak Potansiyel dağılımı... 11

8 viii Sayfa Temas (Dokunma) gerilimi Adım gerilimi Topraklama Çeşitleri Koruma topraklaması İşletme topraklaması Özel topraklamalar Topraklayıcı Çeşitleri Şerit topraklayıcılar Çubuk topraklayıcılar Levha topraklayıcılar Doğal topraklayıcılar Özel topraklayıcılar Hata Akım Devresi TOPRAKLAMA SİSTEMİ TASARIMI Giriş Elektrik Şokları Elektrik şokları ve insan vücudu direnci Akımın şekli ve frekans etkisi Etki süresi Hata Devresi Yüzey malzemelerinin topraklamaya etkisi Maksimum adım ve dokunma gerilimleri GIS lere Özel Hususlar Metal-Metal dokunma gerilimi Topraklama İletkeni Seçimi Topraklama İletkeni Kesiti Seçimi Topraklama Ekleri Egzotermik (Cadweld) ekler Presli ve lehimli ekler Topraklama Kazıkları... 63

9 ix Sayfa 4.9. Galvanik Korozyon Toprak Toprak yapısı ve rutubet etkisi Isı iletkenliği Topraklama iletkeni gömülme derinliği ve donma noktası Donma noktasının tespiti Toprak Direnci Ölçümü ve Yöntemleri uç yöntemi uç yöntemi Toprak Meggerinin Çalışma Prensibi Toprak Direnci Ölçüm Aralığı Toprak Direncinin Hesaplanması Toprak Direncinin Yorumlanması Homojen (Uniform) Toprak Homojen Olmayan (Nonuniform) Toprak Topraklama Direncinin Hesaplanması Basit topraklama direnci hesabı Schwarz eşitliği ile topraklama direnci hesaplama Schwarz eşitliği katsayıları (k 1, k 2 ) Dokunma (Ağ) Gerilimi Hesaplanması Adım Geriliminin Hesaplanması CYMGRD PROGRAMI VE ANALİZLER Analizler Toprak analizi Topraklama ağı analizi CYMGRD ile Topraklama Analizinin Değişkenlerle İncelenmesi Vücut ağırlığına göre, dokunma ve adım gerilimi değişimi Yalıtkan kalınlığına göre, dokunma ve adım gerilimi değişimi Yalıtkan cinsine göre, dokunma ve adım gerilimi değişimi Toprak özgül direncine göre, dokunma ve adım gerilimi değişimi.. 117

10 x Sayfa Arıza temizleme süresine göre dokunma ve adım gerilimi değişimi Topraklama iletkeni türüne göre, iletken kesiti değişimi Topraklama ekine göre, iletken kesiti değişimi Toprak özgül direncine göre, topraklama direnci değişimi İletkenin gömülme derinliğine göre, topraklama direnci değişimi İletken miktarına göre, topraklama direnci değişimi Topraklama alanına göre, topraklama direnci değişimi Adım aralığına göre, hesaplanan maksimum adım gerilimi değişimi Toprak özgül direncine göre, hesaplanan maksimum dokunma ve adım gerilimi değişimi Toplam iletken miktarına göre, hesaplanan maksimum dokunma gerilimi değişimi Kazık sayısına göre, hesaplanan maksimum dokunma gerilimi değişimi CYMGRD ile Topraklama Ağının Analiz Edilmesi SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER EK-1 Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi ÖZGEÇMİŞ

11 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. GIS merkezlerin illere göre dağılımı...4 Çizelge 2.2. Türkiye mevcut GIS TM dağılımı...6 Çizelge 3.1. Elektrik hatlarına düşen yıldırım akımları...27 Çizelge 4.1. AC ve DC akımın insan vücudu üzerindeki etkisi...46 Çizelge 4.2. Topraklama iletkeninin kimyasal özellikleri...59 Çizelge 4.3. Topraklama iletkeninin 40 0 C ortam sıcaklığı için K f katsayıları...60 Çizelge 4.4. Metallerin elektrokimyasal korozyon değerleri...64 Çizelge 4.5. Toprak türlerinin özgül direnci...68 Çizelge 4.6. İllerin toprak donma seviyesi...72 Çizelge 4.7. Ankara ilinin aylara göre toprak sıcaklıkları...73 Çizelge 4.8. Sıcaklık ve neme göre özgül direnç değişimi...75 Çizelge 4.9. Sunde nin grafik metodu için örnek topraklama ölçümleri...86 Çizelge 5.1. CYMGRD toprak özgül direnci tahminin hata oranı Çizelge 5.2. Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan kalınlığına bağlı değişimi Çizelge 5.3. Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan cinsine bağlı değişimi Çizelge 5.4. Dokunma ve adım geriliminin toprak özgül direncine bağlı değişimi Çizelge 5.5. Maksimum dokunma ve adım geriliminin arıza temizleme süresine göre değişimi Çizelge 5.6. Topraklama direncinin gömülme derinliğine göre değişimi Çizelge 5.7. Topraklama direncinin iletken miktarına göre değişimi Çizelge 5.8. Topraklama direncinin topraklama alanına göre değişimi...125

12 xii Çizelge Sayfa Çizelge 5.9. Hesaplanan maksimum adım geriliminin, adım aralığına göre değişimi Çizelge Hesaplanan maksimum dokunma ve adım geriliminin, toprak özgül direncine göre değişimi Çizelge Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin, iletken miktarına göre değişimi Çizelge Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin, kazık sayısına göre değişimi...130

13 xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. SF 6 kimyasal yapısı...7 Şekil 3.1. Topraklayıcı etrafındaki potansiyel dağılımı...11 Şekil 3.2. Dokunma gerilimi gösterimi ve potansiyel dağılımı...12 Şekil 3.3. Adım gerilimi gösterimi ve potansiyel dağılımı...18 Şekil 3.4. Potansiyel dağılımı ve eş potansiyel çizgiler...19 Şekil 3.5. Koruma topraklaması...20 Şekil 3.6. Yalıtım hatası ve topraklama şebekesi ile paralel olma durumu...22 Şekil 3.7. Transformatörün yıldız noktasının doğrudan topraklanması...23 Şekil 3.8. Transformatör yıldız noktasının direnç üzerinden topraklanması...24 Şekil 3.9. Yüksek gerilim tesislerinde parafudr topraklaması...25 Şekil Şerit topraklayıcı bağlantı şekilleri...29 Şekil Gözlü hasır topraklayıcı bağlantı şekilleri...30 Şekil Çubuk topraklayıcı...31 Şekil Emdirmeli topraklama çubuğu...32 Şekil Levha topraklayıcı uygulamaları...34 Şekil Paralel topraklayıcı uygulamaları...37 Şekil Hata akım devresi...39 Şekil Hata akımı eşdeğer devresi...40 Şekil 4.1. Ağırlığa göre tehlikeli fibrilasyon akımı grafiği...47 Şekil 4.2. Hata devresi-dokunma gerilimi...48 Şekil 4.3. Hata devresi-adım gerilimi...49

14 xiv Şekil Sayfa Şekil 4.4. C s Grafiği...52 Şekil 4.5. GIS de metal-metal dokunma hata devresi...54 Şekil 4.6. Metal-Metal temasta dokunma gerilimi limiti...55 Şekil 4.7. Metal-Metal dokunma gerilimi limiti...56 Şekil 4.8. Toprak direncinin tuz, nem ve sıcaklığa göre değişimi...66 Şekil 4.9. Ankara ilinin toprak sıcaklık değerleri...74 Şekil Toprak direncinin wenner 4 uç yöntemi ile ölçülmesi...76 Şekil Toprak direncinin schlumberger-palmer yöntemi ile ölçülmesi...77 Şekil Üç uçlu toprak meggeri ve bağlantısı...77 Şekil Toprak direncinin üç uç yöntemi ile ölçülmesi...78 Şekil Sunde nin grafik metodu...85 Şekil Sunde nin grafik metodu için ölçüm mesafesi-özgül direnç grafiği...87 Şekil Sunde nin grafik metodunun örnekte kullanımı...88 Şekil Schwarz eşitliğinin k 1 katsayısı...92 Şekil Schwarz eşitliğinin k 2 katsayısı...93 Şekil 5.1. CYMGRD toprak analizi parametre giriş ekranı Şekil 5.2. CYMGRD toprak özgül direnci giriş ekranı Şekil 5.3. CYMGRD tek tabakalı toprak özgül direnci grafiği Şekil 5.4. CYMGRD tek tabakalı toprak analizi raporu Şekil 5.5. CYMGRD iki tabakalı toprak özgül direnci grafiği Şekil 5.6. CYMGRD iki tabakalı toprak özgül direnci raporu Şekil 5.7. CYMGRD asimetrik iletkenlerle topraklama ağı oluşturma Şekil 5.8. CYMGRD ile oluşturulan topraklama ağının Autocad e aktarılması..108

15 xv Şekil Sayfa Şekil 5.9. CYMGRD de çizilen iletkenlerin Autocad görüntüsü Şekil Topraklama ağına Autocad de ilaveler yapılması Şekil Autocad de geliştirilen çizimin CYMGRD e aktarılması Şekil CYMGRD ile örnek adım ve dokunma gerilimi grafiği Şekil CYMGRD ile örnek potansiyel dağılımı çizimi Şekil Analiz örneği için toprak raporu Şekil Dokunma ve adım geriliminin vücut ağırlığına göre değişimi Şekil Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan kalınlığına göre değişimi Şekil Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan cinsine göre değişimi Şekil Dokunma ve adım geriliminin toprak özgül direncine bağlı değişimi Şekil Maksimum dokunma ve adım geriliminin arıza temizleme süresine göre değişimi Şekil Analiz örneği için topraklama elektrotu raporu Şekil İletken kesitinin topraklama iletkeni türüne göre değişimi Şekil Topraklama iletkeni kesitinin topraklama ekine göre değişimi Şekil Analiz örneği için topraklama ağı raporu Şekil Topraklama direncinin gömülme derinliğine göre değişimi Şekil Topraklama direncinin iletken miktarına göre değişimi Şekil Topraklama direncinin topraklama alanına göre değişimi Şekil Hesaplanan maksimum adım geriliminin, adım aralığına göre değişimi Şekil Hesaplanan maksimum dokunma ve adım geriliminin, toprak özgül direncine göre değişimi...128

16 xvi Şekil Sayfa Şekil Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin, iletken miktarına göre değişimi Şekil Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin, kazık sayısına göre değişimi Şekil x80 m boyutlarında topraklama ağı Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi grafiği (AIS) Şekil Sol orta köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi grafiği x=40 m (AIS) Şekil Sol orta köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi grafiği x=45 m (AIS) Şekil 5.35.Topraklama ağı eşpotansiyel eğri anahtarı ve maksimum dokunma potansiyeli koordinatları raporu (AIS) Şekil x80 m topraklama ağı eşpotansiyel eğrisi (AIS) Şekil x80 m topraklama ağı üç boyutlu eşpotansiyel eğrisi (AIS) Şekil x80 m topraklama ağı (sol kısım ilavesi) Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe iletken ilaveli topraklama ağı dokunma gerilimi grafiği (AIS) Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe kazık ilaveli topraklama ağı dokunma gerilimi grafiği (AIS) Şekil x80 m kazık ilaveli topraklama ağı üç boyutlu eşpotansiyel eğrisi (AIS) Şekil Topraklama ağının iletken ve kazık ilavesi yapılmış hali (AIS) Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe kazık ve iletken ilaveli topraklama ağı dokunma gerilimi grafiği (AIS) Şekil x80 m topraklama ağı eşpotansiyel eğrisi (GIS) Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili (L C =1780 m-gis).144 Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili (L C =3560 m-gis).145 Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili (L C =5340 m-gis).145

17 xvii Şekil Sayfa Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili (L C =6680 m-gis).146 Şekil Kazık ve iletken ilavesi ile GIS sahası için topraklama ağı Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe kazık ve iletken ilaveli topraklama ağı dokunma gerilimi grafiği (GIS)...147

18 xviii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. YG parafudr topraklaması...26 Resim 3.2. Levha topraklayıcı...33 Resim 4.1. Topraklama kazığı ile bakır iletkenin egzotermik kaynak ile birleştirilmesi...61 Resim 4.2. Cıvatalı topraklama eki...62 Resim 4.3. Dört uçlu bataryalı toprak meggeri...79 Resim 4.4. Dört uçlu manyeto kollu toprak meggeri...80

19 xix SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama A CFC C s E m E s h h s I f K K 1 K 2 K i K m K s L c L R R B R f SF 6 t c T a T m ρ ρ s Topraklama ağı alanı Kloroflorokarbon Yüzey tabakası katsayısı Dokunma gerilimi Adım gerilimi Topraklama iletkenleri gömülme derinliği Yalıtkan malzeme kalınlığı Hata akımı İki farklı malzeme arasındaki yansıma katsayısı Schwarz 1.Katsayısı Schwarz 2.Katsayısı Basitleştirilmiş, ızgara parametresini doğrulama faktörü Basitleştirilmiş, ağ geriliminde aralık faktörü Basitleştirilmiş, adım geriliminde aralık faktörü Toplam iletken uzunluğu Topraklama kazıklarının toplam uzunluğu İnsan vücudu direnci Ayağın temas direnci Kükürt hegzaflorür Hata akımı süresi Ortam sıcaklığı Müsaade edilen maksimum sıcaklık Toprak özgül direnci Yalıtkan malzeme direnci

20 xx Kısaltmalar Açıklama GIS TEK TEAŞ TEİAŞ TM IEEE TCAP MCM AIS Gas Insulated Substation Gaz İzoleli Sistemler Türkiye Elektrik Kurumu Türkiye Elektrik Üretim-İletim A.Ş. Türkiye Elektrik İletim A.Ş. Trafo Merkezi The Institute of Electrical and Electronics Engineers Elektrik-Elektronik Mühendisleri Birliği Birim hacim başına ısıl kapasite Amerikan Ölçü Birimi (Kesit) Air Insulated Substation Hava İzolasyonlu Sistemler

21 1 1. GİRİŞ Elektrik tesislerinde meydana gelen bir yalıtım hatası, cihazların pasif iletken kısımlarının gerilim altında kalmasına neden olur. Adım ve dokunma gerilimi olarak belirtilen bu gibi tehlikeli gerilimlere karşı canlıların korunması için topraklama yapılmalıdır. Topraklama esasen, alçak gerilim tesislerinde insanları ve genel olarak canlıları tehlikeli temas ve adım gerilimine karşı korumak için kullanılan çeşitli koruma metotlarından biri olarak bilinir. Alçak gerilim tesislerinde topraklama dışında etkili yöntem mevcut iken, yüksek gerilimde hata gerilimlerine karşı tek koruma metodu topraklamadır. Yüksek gerilim trafo merkezlerinin inşaa edilmesinden önce yapılan tasarımda dikkat edilecek konulardan belki de en önemlisi topraklamadır. Topraklama şebekesinin emniyetli bir şekilde uzun yıllar çalışması için projelendirilmesinin doğru olarak yapılması büyük önem arz etmektedir. Yüksek gerilim merkezlerinin topraklanmasında; topraklama iletkenlerinden ve kazıklarından yararlanılır. Topraklama için kullanılan kare veya dikdörtgen ağlar birbirine paralel ve dik olacak şekilde toprağın belli bir derinliğine gömülen iletkenlerle yapılmaktadır. Topraklama ile şalt sahasındaki cihazların ve metal yapıların tümünün pasif kısımları toprak ile irtibatlandırılır. Topraklama bağlantılarından bir kısa devre anında hata akımı, diğer zamanlarda ise indüksiyon akımı toprağa iletilecektir. Topraklamanın ve topraklama tesislerinin temel amacı, bir yalıtım hatası meydana geldiğinde oluşacak temas ve adım gerilimlerinin insan hayatını tehlikeye sokacak mertebede olmasını engellemektir.

22 2 Çeşitli ülkelerde topraklamanın nerelerde ve nasıl uygulanacağı ve ne şekilde tesis edileceği hakkında yönetmelikler ve standartlar bulunmaktadır. Ülkemizde Elektrik Tesisleri ve Topraklamalar Yönetmeliği 21 Ağustos 2001 tarihinde Resmi Gazete de yayınlanarak 1979 yılındaki versiyonu yenilenmiştir. Bu çalışmada bu yönetmelikten yararlanılmışsa da trafo merkezinin topraklama hesaplarıyla ilgili detayları içeren IEEE standardı temel referans olmuştur.

23 3 2. GAZ İZOLELİ SİSTEMLER (GIS) 2.1. Giriş Son elli yılda elektrik enerjisi tüketimi önemli miktarda artmıştır. Kent nüfusunun ve sanayinin gelişmesine paralel olarak özellikle modern toplumlarda elektrik tüketimi hızlı bir şekilde artış kaydetmiş ve bunun sonucu olarak yüksek gerilim şebekeleri şehir merkezlerine kadar girmiştir. Kentlerdeki bu enerji talebi aynı zamanda yer gereksinimi olabildiğince az yüksek gerilim teçhizatlarına olan ihtiyacı gündeme getirmiştir. Bunun dışında şehir merkezlerindeki arsa maliyetlerinin ve yeterli arazi bulunamaması da gaz izoleli şalt sistemlerin gelişmesini sağlamıştır Nedir? Hava yalıtımlı klasik tesislere (açık hava tesisleri) karşıt olarak, başlangıçta "zırhlı tesisler" adı verilen şimdilerde ise "gaz izoleli tesisler" denilen yeni bir teknik geliştirilmiştir. Bu tip tesislerin özelliği kesici, ayırıcı, ölçü trafoları ile baraların topraklı metal hücreler içinde bulunmalarıdır. İzolasyon hem gövdeye karşı, hem de kesme aygıtlarının giriş ve çıkışları arasında, izolasyonu sağlayan basınçlı bir gazla sağlanır. Böylece yer ihtiyacında çok önemli bir azalma elde edilir. Açık tip bir tesisin alanının aynı özellikteki metal muhafazalı bir tesisin alanına oranı 5-10 arasındadır [1]. Klasik şalt sahaları olarak nitelendirdiğimiz tesislerde izolasyon hava ile sağlanır. Havanın izolasyonun çok iyi olmaması ve atmosfer şartlarından etkilenmesinden dolayı yüksek gerilim cihazlarında oldukça büyük aralıklar bırakılır. Bu da şalt sahası için büyük alan gerektirir. GIS merkezlerde ise, hava yerine başka izolasyon maddeleri kullanılarak atlama mesafesi azaltılarak böylece daha küçük alanlara sığabilen tesisler gerçekleştirilmiştir. Gaz izoleli şalt sahaların tek avantajı az yer kaplaması değildir. Bunun dışında sanayi alanlarında ve hava kirliliğin çok olduğu yerlerde klasik şalt sistemlerinde izolatör dış yüzeylerinde istenmeyen kirlilikler oluşur ve bu durum atlamaya neden olabilir. GIS merkezler ayrıca yıldırım

24 4 darbelerine, kar ve buz tabakalarının olumsuz etkilerine karşı klasik şalt sistemlerine göre daha dayanıklıdır Dünya da tarihçesi Gaz izoleli şalt tesisleri fikri 1930 yılında ilk olarak İngiltere de ortaya çıkmıştır li yıllarda yalıtkan olarak yağ ve basınçlı hava kullanarak birkaç farklı gaz izoleli tesis imal etmişlerdir. Fransa da üretilen ilk SF 6 gazlı istasyon 1969 yılında işletmeye alındı. Uygulanan tesislerin başarılı olması ile bu teknik günümüzde özellikle şehir merkezlerinde artarak kullanılmaya devam etmektedir [1 2] Türkiye de Tarihçesi Dünya da yaklaşık 40 yıldır uygulanan GIS projeleri, ülkemizde enerji tüketiminin kent merkezlerinde önceleri çok fazla olmaması ve mevcut tesislerle idare edilebilmesinden dolayı ilk proje yaklaşık 20 yıl önce gerçekleştirilmiştir. Çizelge 2.1. GİS merkezlerin illere göre dağılımı Bulunduğu İL Sayısı İSTANBUL 17 ANKARA 2 İZMİR 9 İZMİT 1 AYDIN 1 TOPLAM 30 Ülkemizde ilk GIS merkez, TEK döneminde 1987 yılında İstanbul-Topkapı da kurulmuştur. Bunu Japon NISSHO IWAI CO. ile TÜRK EMTA arasında oluşturulan konsorsiyum tarafından Ankara, İstanbul, İzmir ve İstanbul illerinde tesis edilen toplam 8 adet GIS trafo merkezi izlemiştir. Böylece 1992 yılları başlarında toplam GIS merkez sayısı 9 olmuştur. Bu tarihten sonra sırayla mülga TEAŞ ve TEİAŞ

25 5 döneminde yapılan GIS merkezlerle günümüzde faaliyette olan toplam GIS merkez sayısı 30 a ulaşmıştır (Çizelge 2.1). Ülkemizdeki GIS merkezlerin yarıdan fazlası İstanbul ilimizde bulunmakta olup, İstanbul u, İzmir takip etmektedir (Çizelge 2.2). Ankara ilinde ise sadece Maltepe GIS ve Hasköy GIS olmak üzere 2 adet bu özellikte trafo merkezi bulunmaktadır. Ülkemizin ilk 420 kv GIS merkezleri olan, Zekariyaköy ve Davutpaşa GIS TM leri; TEİAŞ tarafından Dünya Bankası kredisi ile SIEMENS Joint Venture e tesis ettirilmiş ve Eylül 2006 da işletmeye alınmıştır. Elektrik iletim lisansını tek başına elinde bulunduran TEİAŞ, GIS merkezleri kamu yatırımları olarak kurmaktadır. Bunun dışında özellikle son yıllarda büyük firmalar artan elektrik tüketimleri için daha yüksek gerilimden şebekeye bağlanmakta ve kendilerine ait şalt sahalarını hem büyük alan gerektirmemesi hem de atmosferik şartlardan az etkilendiğinden dolayı GIS merkezleri tercih etmektedirler. Örneğin İskenderun Demir Çelik Fabrikaları yeni yapacağı tesislerin enerji ihtiyaçları için 380 kv GIS merkez inşa etmeye başlamıştır. Enerji tüketimimizin ülkemizde her geçen gün giderek artması neticesinde gaz izoleli şalt sistemleri giderek yaygınlaşmaya devam etmektedir. Şu an İstanbul da iki adet (380 kv Beykoz TM ve 154 kv Altıntepe TM ), ve İzmir de 154 kv Alsancak GIS TM olmak üzere 3 trafo merkezinin yapımı devam etmektedir.

26 6 Çizelge 2.2. Türkiye mevcut GIS TM dağılımı TÜRKİYE GİS TRAFO MERKEZLERİ No İLİ GİS ADI G.KABUL TARİHİ 1 İSTANBUL TOPKAPI TEMMUZ İZMİT İZMİT-I EYLÜL İZMİR KARŞIYAKA EYLÜL İZMİR HATAY EKİM İZMİR BOSTANLI KASIM İZMİR HİLAL KASIM ANKARA MALTEPE KASIM İSTANBUL VELİEFENDİ ARALIK İZMİR GÜZELYALI EKİM İZMİR BAHRİBABA AĞUSTOS İSTANBUL SOĞANLIK KASIM İSTANBUL KASIMPAŞA ARALIK AYDIN KUŞADASI ARALIK İSTANBUL VANİKÖY AĞUSTOS İZMİR ILICA NİSAN İSTANBUL BAĞCILAR KASIM İZMİR PİYALE ARALIK İSTANBUL SELİMİYE ARALIK İSTANBUL SULTANMURAT OCAK İSTANBUL LEVENT MART İSTANBUL ATIŞALANI EKİM İSTANBUL ŞİŞLİ ARALIK İSTANBUL YILDIZTEPE NİSAN İSTANBUL BAHÇELİEVLER MAYIS İSTANBUL GÖZTEPE EYLÜL ANKARA HASKÖY MAYIS İSTANBUL ZEKARİYAKÖY EYLÜL İSTANBUL DAVUTPAŞA EYLÜL İSTANBUL ÜMRANİYE EYLÜL İZMİR ŞEMİKLER ARALIK 2006

27 7 Bunun dışında TEİAŞ yatırım programında ihale aşamasında olan Küçükbakkalköy (İstanbul), Yenikapı (İstanbul), Maltepe (İstanbul), Mancarlık (Antalya) GIS trafo merkezleri bulunmaktadır. Endüstrileşmenin ve şehirleşmenin hızlı bir şekilde artması ile özellikle büyük şehirlerimizde olmak üzere GIS merkezlerin sayısı artmaktadır SF 6 Yalıtkan Gazı GIS sistemlerin temelini oluşturan SF 6 gazı, 18.yy başlarında ilk olarak elde edilmiş ve elektrik sektöründe 1960 yılında Amerika da kullanılmıştır. SF 6 gazı (Şekil 2.1.) genel olarak renksiz, kokusuz, zehirsiz ve havadan 5 kat daha ağır bir gazdır. SF 6 gazı yüksek dielektrik dayanımı, kimyasal kararlılığı, ısı iletim yeteneği ve mükemmel ark söndürme kabiliyetinden dolayı elektrik cihazlarında ve GIS sistemlerde tercih edilmektedir. Şekil 2.1. SF6 kimyasal yapısı Normal SF 6 gazı havadan 2,5 kat daha fazla dielektrik dayanıma sahiptir. Şalt cihazlarında ve GIS üniteleri içerisinde birkaç bar basınç altında bu oran çok daha fazla artmaktadır. SF 6 gazı kesme işlemi sırasında oluşan ark, ortamı ısıttığından SF 6 gazı kükürt ve flor atomlarına ayrışır. Kesme işlemi sonrasında ısınıp (2000 C)soğuduktan sonra dahi flor ve kükürt iyonları SF 6 gazına tekrar dönüşmek üzere birleşirler. Bu ayrılma ve birleşme olayları neticesinde çok az dahi olsa yan ürünler oluşur. Bunlar HF,CO 2, SO 2, CF 4, SOF 4, SO 2 F 2, SF 4, S 2 F 10 oluşan bu yan ürünlerin kimileri çok zehirli

28 8 olmaktadır.gazın en büyük özelliklerinden biri de ark sırasında oluşan ısıyı, hızlı bir şekilde ileterek soğumayı sağlamasıdır. SF 6 gazı her ne kadar zehirsiz bir gaz olsa da bu çevre dostu olması için yeterli bir ölçüt değildir. Ozon tabakasının tahribatın incelenmesi ile en çok zarar verenlerin klor ve brom gazları olduğu anlaşılmıştır. Bunların dışında SF 6 da bulunan florüründe, klorüre göre çok düşük olmasına rağmen ozon tabakasına zarar verdiği tespit edilmiştir. Araştırmacılar ozon tabakasının delinmesinden sorumlu olan CFC ler (kloroflorokarbon) içindeki SF 6 nın payının %1 civarında olması gazın sağladığı faydaya göre göz ardı edilebilir. Bunun dışında SF 6 gazının diğer etkisi dünyadan yansıyan ışınların atmosfere geçmesine engellemesidir. SF 6 gazı 1995 yılından itibaren sera etkisine yol açan gazlar içerisine girmiştir. Şu an için SF 6 tüketen elektrik sanayi için bir sorun yok iken, ilerleyen yıllarda ozon tabakasındaki deliğin ve sera gazlarından kaynaklanan tahribatın artması neticesinde uluslararası platformlarda kullanımının azaltılması yönünde yeni kararlar alınabilir.

29 9 3. TOPRAKLAMA VE TEMEL KAVRAMLARI Elektrik enerjisi modern dünyanın her geçen gün daha çok ihtiyaç duyduğu bir enerji çeşididir. Toplumların gelişmişlik durumları enerji tüketimleri ile ölçülmektedir. Sanayileşme ve sosyal hayatın seviyesinin yükselmesi daha çok elektrik enerjisine ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun için ülkemizde yıldan yıla yüksek gerilim trafo merkezlerinin sayısı artmaktadır. Yüksek gerilim trafo merkezlerinde meydana gelen yıldırım, açma-kapama darbeleri, kısa devre ve toprak teması gibi durumlarda oluşan aşırı gerilimler canlılar ve aygıtlar için tehlikeli olmaktadır. Elektrik tesislerinin topraklanmasındaki amaçlar: - İnsan ve diğer canlıları elektrik şoklarından korumak - Teçhizat ve aygıtların elektrik arızalarından dolayı hasarlanmasını engellemek - Enerjinin güvenliğini ve sürekliliğini sağlamaktır. Topraklama tesisleri normal işletme esnasında varlığını genel olarak hissettirmese dahi bir arıza durumunda etkili olur ve işlevini yerine getirir. Eğer tesisin topraklaması teknik şartlara uygun olarak yapılmış ise canlıları ve aygıtları zarar görmeyecek şekilde korur. Fakat topraklama konusunda çok farklı ve detaylı standartlar yayınlanıp, programlar hazırlanmasına rağmen bazen bu konu hafife alınmakta ve yalnızca bir levhanın veya çubuğun gömülmesi ile topraklama yapıldığı düşünülmekte ve bu yüzden birçok insan ve cihaz zarar görmektedir Temel Kavramlar Toprak Dünyanın doğal yapısını oluşturan maddedir. Bunun elektrik direnci çok küçük olup yaklaşık 0,05 ohm/km mertebesindedir ve genellikle ihmal edilerek sıfır kabul edilir.

30 Topraklama Cihazların topraklanacak olan iletken kısımlarının, mesela gövdelerinin topraklama tesisi üzerinden, toprak ile iletken bağlantısının yapılmasıdır Topraklayıcı Toprakla iletken bir bağlantı kurmak maksadı ile yeraltında toprağa gömülen iletken elektrotlardır. Bunlar levha, çubuk ve şerit şeklinde olurlar Toprak direnci Bir yerde ölçülebilen ve ölçüye giren bütün topraklamaların toplam direncidir Toprak özgül direnci Dünyanın tabii yapısını teşkil eden maddenin, yani toprağın (zeminin) özgül elektrik direnci olup ohm.mm 2 /m = ohm. m cinsinden verilir. Bu değer, bir kenarının uzunluğu 1 metre olan toprak küpün iki karşılıklı yüzeyi arasındaki dirence tekabül eder Referans toprak Bir topraklayıcıdan yeteri kadar uzakta bulunan ve herhangi iki noktası arasında hissedilebilir gerilim meydana gelmeyen toprağın belli bir noktasıdır.

31 Potansiyel dağılımı Topraklanmış bir işletme aracında bir hata sonucu olarak bir gövde kısa devresi baş gösterdiğinde, referans toprağından itibaren ölçülmek üzere bahis konusu işletme aracına doğru potansiyel dağılmasıdır. Örnek olarak bir trafo merkezinde yalıtım hatası sonucu oluşan arıza akımı veya yıldırım darbesi isabet etmesi durumunda toprağın h kadar altına gömülü topraklama ağının referans toprağa göre meydana getirdiği potansiyel dağılımı için Şekil 3.1 örnek alınabilir. Şekil 3.1. Topraklayıcı etrafındaki potansiyel dağılımı U(v)- Gerilim eksen, I (m)- Mesafe ekseni 1.Potansiyel dağılımı, 2.Toprak, 3.Topraklayıcı, 4.Referans toprak

32 Temas (Dokunma) gerilimi Topraklayıcı geriliminin veya hata geriliminin insan gövdesi tarafından köprülenen kısmıdır. Şekil 3.2. Dokunma gerilimi gösterimi ve potansiyel dağılımı [3] I. Kısa devre akımı R f/2. Ayakların topraklama şebekesi ile olan paralel direnci R B. İnsan vücudu direnci R 1, R 0. Toprak dirençleri Yüksek gerilim tesisinde fazın koparak çelik konstrüksiyona temas etmesi durumunda, buradan toprağa bir hata akımı akacaktır. Bu durumda metal kısımla

33 13 temasta olan insan vücudu ile toprak arasında potansiyel fark oluşacak ve akım akacaktır. Temas gerilimi yalnız el ile ayak arasında olmaz. Biri hata gerilimi ile diğeri toprak ile temas eden vücudun herhangi iki noktası örneğin iki el arasında da akım yolu meydana gelebilir. Genellikle insanın durduğu nokta potansiyel değişimin en büyük olduğu noktaya denk geldiğinden dokunma gerilimi topraklayıcı geriliminin büyük kısmını oluşturur. Dokunma gerilimi olarak iki cins temas geriliminden bahsedilebilir. Birincisi Ut 1; insan vücudunun temas etmesinden önce elektrot ile insanın durduğu yer arasında, ikincisi Ut 2 ise dokunma esnasında meydana gelen el ve ayaktaki geçiş dirençleri ile insan vücudunun direncine isabet eden toplam gerilim düşümüdür. Bu iki dokunma gerilimini kıyaslayacak olursak genelde Ut 1> Ut 2 dir [4]. Şekil 3.2 de görüldüğü gibi; topraklayıcı ait yayılma direnci topraklama direncine eşit olup, ayağın yerden topraklayıcıya kadar olan kısmı R 1 ve referans toprağa kadar olan kısmı ise R 0 ile gösterilmiştir. R = R 1 + R 0 (3.1) Yukarıda bahsedilen dokunmadan önceki dokunma gerilimi; Arıza akımının tamamı toprağa geçeceğinden dolayı Ut U = I (3.2) 1 f.r 1 = I R (3.3) E f. İkinci ifadede yer alan I f nin çekilerek Ut 1 de yerine konması ile

34 14 Ut 1 U. R E 1 = (3.4) R1 + R0 Bu ifadelerde dokunma geriliminin topraklayıcı geriliminin bir kısmı olduğunu açıkça gösterir. İdeal bir topraklamada R 1 =0 olması gerektiğinden ideal durumda Ut 1 =0 olur. İnsan vücudunun temas noktasından sonra hata akımı iki farklı yol izler. Bir kısmı insan vücudu üzerinden geçerken, diğer kısmı direk üzerinden devresini tamamlar. I I + I f = (3.5) B g I f : Arıza akımı I B : İnsan vücudundan akan akım I g: : Direk üzerinden geçen akım İnsan vücudunun direncini R B olarak ifade ederiz. Dokunma gerilimi hesaplamalarında küçük olmasından dolayı el ile dokunma noktası arasındaki geçiş direnci (R ge ) ihmal edilir ve sağladığı güvenlik bir emniyet katsayısı olarak düşünülür. İki ayağın toprağa karşı geçiş dirençleri ise R ga ile gösterilir ve hesaplamalara dâhil edilir. iki ayağın paralel olmasından dolayı direnç yarıya düşecek ve R ga /2 olacaktır. Hata akımı; metale (direğe) insan vücudunun teması durumunda paralel akım kollarındaki akımlar, kolların dirençleri ile ters orantılı olduğundan I I g B Rga RB + = 2 (3.6) R 1

35 15 Eş. 3.6 da I g yerine I f - I B ifadesini koyarsak; I f I I B B R = B R + 2 R 1 ga (3.7) Bu ifadelerden yararlanarak insan vücudundan geçen akım I B R1 = I f. (3.8) Rga R1 + RB + 2 olarak yazılabilir. İnsan vücudunun teması esnasında temas gerilimi Ut = I. R 2 B B (3.9) olduğundan, Eş. 3.8 ve Eş 3.9 ifadelerini birleştirirsek, Ut 2 R1. RB = I f. (3.10) Rga R1 + RB + 2 Eş. 3.2 deki Ut 1 ile ifade edecek olursak; RB Ut2 = Ut1. (3.11) Rga R1 + RB + 2

36 16 Eş a göre bazı özel durumlardan bahsedecek olursak; 1. R B =0 Bu durum normal şartlar altında olması mümkün değildir. Fakat kişinin metal zırh giymesi durumunda gerçekleşmektedir. Direncin olmaması ile dokunma gerilim Ut 2 =0 olur ve tehlikeli durum söz konusu olmaz. 2. R B = Buna göre insan vücudunun direnci sonsuzdur. Dokunma gerilimi olarak Ut 1 = Ut 2 elde edilir. Bu durumda insan üzerinden akım geçmeyeceği için bir tehlike olmaz. Bu durum yalıtım hatası meydana geldikten sonra insan tarafından dokunulmadan önceki temas gerilimini verir. Daha öncede de belirtildiği gibi ideal durumda R 1 =0 olacağından dolayı Ut 1 =0 dır. 3. R ga =0 Bu durumda insanın ayak bastığı yer ıslak olduğu düşünülerek iletken kabul edilir. Ayrıca R B yanında R 1 in çok küçük olduğu düşünerek ihmal edebiliriz. Böylece Ut 1 =Ut 2 elde edilir. Zeminin ıslak olmasından dolayı dokunma gerilimi Ut 1 seviyesine yükselerek tehlike artmış olur. 4. R ga = Yukarıdaki maddeye tam zıt olarak ayak basılan yerin iyi yalıtımlı olması durumudur. Bu durumda Ut 2 =0 olacağından tehlike söz konusu olmayacaktır. 5. R ga =0 ve R 1 =0 Bu durumunda ayak basılan yer ıslak veya iletken olup topraklayıcı ile topraklanacak olan kısımla bağlanmıştır. Bu şartlar altında R B insan vücudunun direnci kısa devre edilmiş olur. Ut 2 =0 elde edilir. Bu durum ideal topraklamaya denk olup can güvenliği için uygundur Adım gerilimi Topraklayıcı gerilimin, adım aralığı yaklaşık 1 metre olan bir insan tarafından iki ayağı arasında köprülenen kısmıdır. Adım gerilimi alçak gerilim tesislerinde önemli olmadığı halde yüksek gerilim tesislerinde insan ve hayvan hayatı bakımından bir tehlike kaynağı olabilir. Örneğin

37 17 bir yüksek gerilim tesisinde yalıtım hatası sonucu toprağa bir hata akımı geçerse ve topraklayıcı ile referans toprağı arasına bir canlı girmesi durumunda bir adım gerilimine maruz kalarak vücudundan belli bir akım geçer. Şekil 3.2 de yalıtım hatası sonucu oluşan arızaya referans toprak ile topraklayıcı arasında yakalanan bir insanın maruz kaldığı adım gerilimi gösterilmiştir. Topraklayıcının yakınında potansiyel değişimi en büyük değerini aldığından, topraklayıcıya yakın olan yerlerde adım gerilimi daha büyük değer alır ve topraklayıcıdan uzaklaştıkça adım geriliminin değeri hızla düşer. Adım gerilimine sadece topraklayıcı üzerinden bir hata akımı geçtiği zamanın yanı sıra toprak özgül direnci ölçülürken de büyük akım kullanılması durumunda maruz kalınabilir. Şekil 3.3 de bir toprak kısa devresi sonucu meydana gelen potansiyel dağılımı ve buna denk düşen eş potansiyel çizgiler görülmektedir.

38 18 Şekil 3.3. Adım gerilimi gösterimi ve potansiyel dağılımı [3] Adım gerilimin değeri her bir ayağın potansiyellerinin farkına eşittir. Canlıların eş potansiyellere dik yürümesi halinde adım gerilimi maksimum değerini, aksine paralel yüründüğünde ise adım gerilimi sıfır değerini alır. Bunların dışında başka yönlerde ise adım gerilimi maksimum ile sıfır arasında değişir (Şekil 3.4). İnsan vücudunda ayaktan ayağa geçen akımların 1/10 u kalp üzerinden geçerken, büyükbaş hayvanlarda ise akımın neredeyse tamamı kalp üzerinden gitmektedir. Ayrıca büyükbaş hayvanlarda ayaklar arasındaki mesafenin de insana göre daha fazladır. Tüm bu etmenlerden dolayı büyükbaş hayvanlar adım geriliminden insanlara göre daha fazla etkilenirler.

39 19 İnsanlar şalt sahası içinde dolaşırken mutlak bir adım geriliminin etkilerinden iki ayaklarını birleştirip sıçramak suretiyle yürüyerek kurtarabilirler. Şalt sahasında kırma taş olan alanlarda küçük adımlarla yürüyerek oluşabilecek adım gerilimi tehlikesinden korunmuş olunur. Sahada adım gerilimi bakımından en tehlikeli ortam ıslak topraklık alanlardır. Şekil 3.4. Potansiyel dağılımı ve eş potansiyel çizgiler [4] 3.2. Topraklama Çeşitleri Elektrik tesislerinde topraklamanın yapılma amaçları ve etkileri farklıdır. Buna göre topraklamanın belli başlı üç çeşidi vardır. 1. Koruma Topraklaması

40 20 2. İşletme Topraklaması 3. Özel Topraklamalar Koruma topraklaması İnsanları ve hayvanları tehlikeli dokunma ve adım gerilimlerine karşı korumak amacıyla tesislerin işletme akım devresine ait olmayan ve fakat yalıtım hatası veya ark etkisi ile gerilim altına girebilen ve canlıların dokunabilecekleri iletken kısımlarını toprağa bağlamak için yapılan tesislere denir (Şekil 3.5). Şekil 3.5. Koruma topraklaması [5] Yalıtım hatası direk ve endirek sebepler olmak üzere iki durumda meydana gelir. Direk sebepler; iletken kopması, aşırı akım çekilmesi yüzünden malzemenin ısınarak elektriksel izolasyonunun zayıflaması, aşırı gerilim sonucu malzemenin zorlanarak delinmesi, malzemenin kullanımdan dolayı yaşlanarak izolasyon yeteneğini yitirmesi sonucu kaçak akımların meydana gelmesidir. Endirek sebepler ise; atmosferik boşalmalar, yıldırım düşmesi ile meydana gelen arklar, geçit ve mesnet izolatörlerinin kirlenerek yüzeysel kaçakların oluşmasıdır.

41 21 Yüksek gerilim tesislerinde koruma topraklaması, burada görev yapan veya sahada çalışan personel ile canlıların hayatını korumaya yöneliktir. Yüksek gerilim merkezlerinde koruma maksadıyla topraklanacak kısımlardan bazıları: - Elektrik motor ve jeneratörlerin, transformatörlerin dış metal muhafazaları - Alçak, orta ve yüksek gerilim kablolarının kılıf ve zırhları - Yüksek gerilim hatlarının koruma telleri - Alçak, orta ve yüksek gerilim kablolarının rafları - Metal kablo kanal rafları - Yüksek gerilim cihazlarının mesnet konstrüksiyonları - Yüksek gerilim teçhizatları - Yüksek gerilim teçhizatlarının konstrüksiyonları - Trafo rayları - Trafo merkezindeki kapı, merdiven, korkuluk, fens, pencere gibi metalden yapılmış kısımlar - GIS merkezlerde baraların bulunduğu dış kılıflar topraklanmaktadır. Yüksek gerilim merkezlerinde; meydana gelen arızalarda, koruma topraklamasının etki şekli aşağıdaki gibidir. 1. Yalıtım hatası sonucu bir kısa devre oluştuğu zaman hatalı devre röleler vasıtasıyla kesilerek arızalı kısmın yalıtılması sağlanır. 2. Bir hata sonucu tehlikeli gerilim altında bulunan kısma dokunan kişinin vücudu mevcut topraklama ile paralel devre oluşturur. Topraklama tesisinin yapılacağı sahanın toprak özgül dirençlerinin oldukça düşük olması sebebiyle hata akımının büyük kısmı topraklama şebekesine yöneleceğinden, insan vücudu üzerinden geçecek olan akım sınırlı kalacaktır. Böylece gerilim düşümü az olacağından insanın köprülediği dokunma gerilimi tehlikeli değerin altında kalacaktır.

42 22 Şekil 3.6. Yalıtım hatası ve topraklama şebekesi ile paralel olma durumu Şekil 3.6 da hata akımı çelik konstrüksiyondan akarken, temas halinde olan kişiden dolayı akımın bir kısmı insan üzerinden devresini tamamlayacaktır. Kişinin zarar görmemesi için akımın büyüklüğü ve süresi önemlidir İşletme topraklaması Elektrik tesislerinde işletme araçlarının aktif kısımlarının topraklanmasına denir. İşletme topraklaması, işletme akım devresinin toprağa karşı potansiyelinin belirli bir değerde bulundurulmasına yarar. İşletme topraklaması genellikle sistem topraklaması olarak adlandırılır ve can güvenliğinden ziyade sistemin daha rahat çalıştırılması, koruma ve güvenlik altında tutulmasını sağlar. Örnek olarak; Generatörlerin yıldız noktasının topraklanması: Generatörlerin stator sargılarında baş gösterecek olan gövde kısa devrelerine karşı etkili ve selektif şekilde korunması için yıldız noktası yüksek dirençli bobin üzerinden topraklanır.

43 23 Stator sargılarının yıldız noktası ile toprak arasına yerleştirilen bu reaktif direnç, bir gövde kısa devresi halinde geçecek olan toprak akımının ma gibi zararsız bir değere sınırlandırılmasını sağlar. Transformatörün yıldız noktasının topraklanması: Transformatörün yıldız noktasının bir kutuplu toprak kısa devresi halinde hatasız faz iletkenlerinin toprağa karşı faz arası gerilim değerini almasına engel olmak için topraklanır (Şekil 3.7). Şekil 3.7. Transformatörün yıldız noktasının doğrudan topraklanması Yıldız noktasının direnç üzerinden topraklanması: Toprak kısa devre akımını sınırlandırmak maksadıyla generatör ve transformatörün yıldız noktası ihtiyaca göre bir ohmik direnç üzerinden topraklanır. İşletme bakımından bu durum direk topraklamanın bir çeşididir (Şekil 3.8). Nötr direnci üzerinden yapılan topraklamada faz-toprak kısa devre akımı transformatör ve generatöre zarar vermeyecek şekilde sınırlandırılır.

44 24 Şekil 3.8. Transformatörün yıldız noktasının direnç üzerinden topraklanması Yüksek gerilim tesislerinde işletme topraklaması ile koruma topraklaması tesisi beraber bağlanır ve dokunma ve adım gerilimleri etki süresine göre belirlenir. Etki süresi rölenin arızayı beklemesi, sinyali göndermesi ve kesicinin açma sürelerinin toplamı ile belirlenir Özel topraklamalar Parafudr topraklaması Yüksek gerilim sistemlerinde parafudr ve paratoner sistemlerinin topraklanması özel topraklamalara örnektir. Parafudrlar aşırı gerilimlere (yıldırım düşmesi, anahtarlama gerilimleri, diğer arklar) karşı cihazları koruyan teçhizatlardır. Şebeke normal işletme şartlarında iken yalıtkan, aşırı gerilim olduğunda ise iletken hale gelerek cihazları korurlar. Şekil 3.9 da görüldüğü gibi her faz hattı üzerine, hatla toprak arasına bir parafudr yerleştirilir ve parafudrların ikincil uçları birlikte topraklanır. Parafudr topraklaması, insan hayatını korumaya yarayan bir koruma topraklaması değilse de toprak bağlantısı koruma topraklamasına yapılır.

45 25 Şekil 3.9. Yüksek gerilim tesislerinde parafudr topraklaması [4] a. Parafudr topraklamasının yapılışı b. Üç fazlı prensip bağlama şeması 1. Faz iletkenleri 2. Parafudr 3. Parafudr topraklaması 4. Geçit izolatörü 5. Geçiş izolatörü topraklaması 6. Gergi izolatörü 7. Gergi izolatörü topraklaması Parafudrlar tesiste çeşitli sebeplerle meydana gelen iç aşırı gerilimlere ve hem de atmosferik aşırı gerilimlere karşı bir koruma cihazı olarak görev yaparlar. Bunlardan birincisi göz önüne alınmaz ise parafudr topraklaması yıldırım akımlarını toprağa iletmek için kullanıldığı söylenebilir. Resim 3.1 de 380 kv trafoyu aşırı gerilimlere karşı korumak için konulan 3 adet parafudr ve bağlantıları görülmektedir.

46 26 Resim 3.1. YG parafudr topraklaması Paratoner Topraklaması Topraklanmış elektrik tesisine bir yıldırım düştüğünde geçen yıldırım akımının etkisiyle meydana gelen darbe geriliminin büyüklüğü; - yıldırım akımının zamana bağlı değişimine - yıldırım akımının tepe değerine - topraklama durumuna (dirence) bağlıdır. Yıldırım akımının toprağa geçişi darbe şeklindedir ve zamana bağlı olarak değişmekte olup, bu bir yürüyen dalga olayıdır. Dalganın topraklayıcı üzerinde ilerlemesi oranında akım toprağa geçer. Akımın zamana bağlı olarak toprağa geçmesindeki en önemli ölçü toprak özgül direncidir. Yıldırım akımına karşı yapılan topraklama etki şekli bakımından parafudr topraklamasıdır. Fakat görev bakımından koruma topraklamasıdır. Yıldırıma karşı

47 27 yapılan topraklamanın amacı, enerji iletim hatlarına yıldırım isabet etmesi durumunda büyük yıldırım akımının etkisi ile koruma topraklaması üzerinde meydana gelen gerilimin çok büyük olup, bu gerilimin toprağa iletemeyip geriye tepmesi ve izolatörler üzerinden gerilim atlamasına mani olmaktır. Böyle bir durumun oluşmaması için topraklama direncinin büyük olmaması gerekir [4] Transformatör merkezlerinin yıldırıma karşı korunmasında hava hatlarının koruma tellerinden faydalanılır. Bunun yetersiz olacağı veya binanın toprak tellerinin koruma alanının dışında olması durumunda paratoner tesis edilir. Bina yıldırım topraklaması, elektrik tesisinin bulunduğu yerlerin dışında şahıslar tarafından dokunulması mümkün ise bina yıldırım topraklaması, topraklama iletkenlerinden mümkün olduğu kadar ayrı olarak tesis edilmeli ve ayrı topraklayıcılara bağlanmalıdır [4]. Yıldırım akımı geçmesi esnasında bu topraklama direnci üzerinde darbe halinde meydana gelen gerilim düşümü, hava hat izolatörünün darbe atlama geriliminden küçük ise bir gerilim tepmesi ve izolatörde bir geri atlama meydana gelmez. Enerji nakil hatlarına düşen yıldırım akımları incelendiğinde çok büyük akım şiddetleri nadiren görülmüştür Çizelge 3.1. Elektrik hatlarına düşen yıldırım akımları I D (ka) Bütün yıldırımların % si olarak aşılmayan değerler Şekil 3.6 incelendiğinde hatlara düşen yıldırım akımlarının %95 i 40 ka ve altındadır.

48 Topraklayıcı Çeşitleri Topraklanması istenen makine, cihazın veya tesisin toprak ile iletken bir bağlantı sağlamasına yarayan tesis elemanlarına topraklayıcı denir. Topraklayıcılar, yeraltına gömülür ve buna bağlı olarak topraklama iletkeni veya barası ile makineye, cihaza bağlanırlar. Topraklayıcı tesislerinde en önemli husus, yapılan tesisin toprakla iyi temas ettirilerek kaçak akımların akıtılmasını sağlamaktır. Bunun için topraklayıcının döşendiği kanalda taş, çakıl gibi iyi teması engelleyecek malzeme olması durumunda bunların yerine ince taneli direnci yüksek olmayan malzeme serilmelidir. Daha sonra çıkarılan diğer malzemeler kanalın veya çukurun kapatılmasında kullanılabilir. Toprağın durumuna ve topraklayıcı olarak kullanılan malzemenin cinsine göre çeşitli topraklayıcılar kullanılır. Topraklayıcıların geometrik şekilleri, kullanılan malzemenin cinsi ve toprağa gömülme derinliği bakımından birçok türü vardır Şerit topraklayıcılar 3 mm kalınlığında ve 100 mm 2 kesitinde galvanizli demir şeritlerden yapılırlar, bu malzemenin dışında örgülü ve yuvarlak bakır, alüminyum gibi iletkenlerde bu amaç için kullanılabilirler. Yassı şeritlerin toprağa gömülmesi sırasında, toprağa dik olarak döşenmesine dikkat edilir, aksi durumda toprak ile şerit arasında boşluk kalacak ve direnç yükselecektir. Şerit topraklamalarında yayılma direnci kesitten çok uzunluğa bağlıdır. Şerit topraklayıcılar en çok yıldız, halka ve gözlü şekilde yapılır. Şekil 3.10 da bunların bağlantılarına ait çizimler yer almaktadır.

49 29 Şekil Şerit topraklayıcı bağlantı şekilleri a. Dört kollu yıldız topraklayıcı b. Halka topraklayıcı c- Ağ topraklayıcı 1. Zemin, toprak 2-Topraklama iletkeni Yıldız topraklayıcıda kol sayısını artırmakla yayılma direncini azaltmak her zaman mümkün olmamaktadır. Çünkü kolların birbirlerine olan karşılıklı etkileri nedeniyle yayılma direnci artabilir. Bu nedenle iki, üç ve dört kollu yıldız topraklama şekli kullanılır. Yıldız topraklama genelde enerji nakil hatlarının topraklanmasında kullanılır. Yukarıda bahsedilen topraklama şekilleri genelde bir noktanın örneğin direğin topraklanmasında kullanılması uygundur. Bir yüksek gerilim şalt merkezinde geniş bir alana yayılmış onlarca cihazın topraklanmasında kullanılması uygun değildir. Bu tesislerde yeraltında uygun derinlikte paralel şeritlerden oluşan bir topraklayıcının kullanılması daha uygun olmaktadır. Bu tür topraklama şebekesinin tasarımında paralel şeritlerinin birbirine karşılıklı tesirlerinin fazla olmaması için paralel iletkenler çok yakın tesis edilmemelidir. Gözlü topraklama şebekelerinde temas ve

50 30 adım gerilimlerinin müsaade edilen sınırları geçmeyecek şekilde potansiyel dağılımı önemlidir. Şekil Gözlü hasır topraklama projesi Gözlü topraklayıcılar sadece paralel şeritlerden oluşabileceği gibi enine iletkenler döşenerekte (hasır topraklayıcı) yapılabilirler. Enine bağlamalar ile iyi bir akım dağılımı ve cihazların topraklama bağlantılarında kolaylık sağlar. Gerek paralel şeritlerden yapılmış topraklayıcılarda gerekse hasır şeklinde gözlü topraklayıcılarda karakteristik büyüklükler ağın kapladığı alan ve çevresidir. Şekil 3.11 de 154 kv GIS merkezine ait gözlü hasır topraklama resmi yer almaktadır. Burada GIS binasının oturduğu alanın temelinde daha dar göz aralığı, bina dışarısında çevre kısımda ise daha seyrek ağ oluşturulmuştur.

51 Çubuk topraklayıcılar Bunlar genelde 2-2,5 cm çapında çelik borudan veya buna eşdeğer profil çeliklerden yapılır ve zemine dik olarak çakılırlar (Şekil 3.12). Çubuk topraklayıcının boyu 2 m ile 5 m arasındadır. Topraklama kazığı olarak da isimlendirilen çubukların yüzeylerinin bakır kaplı olduğu çeliklerde vardır. Çubuk topraklayıcıların topraklama iletkenlerine göre sağladığı avantaj derine çakıldıkları için toprağın mevsimsel kurumalarından etkilenmemeleridir. Yeteri kadar derine çakıldıklarında her mevsim nemli zeminde kaldıklarından iyi bir topraklama imkânı sağlarlar. Topraklama çubuklarının çapı, yayılma direncini çok fazla etkilemez, bu nedenle çubuğun çapı mekanik dayanma ve korozyona göre seçilir. Çubuk topraklayıcıların kolay çakılabilmesi için ucunun sivri olması gerekir. Şekil Çubuk topraklayıcı [4] a. Boru topraklayıcı b-profil topraklayıcı 1. Bağlama ucu 2. Topraklama iletkeni 3. Kurşun tabaka 4. Sivri uç

52 32 Çubuk topraklayıcılar zemine gömülmeyip, çakıldıklarından dolayı zeminin gevşek veya kum olması durumları dışında çok iyi temas sağlarlar. Zeminin çok sert olması durumunda çakılmasının zor olması durumunda önceden kendinden çapı daha ince bir kılavuz çakılarak zemin hazırlanır. Şekil Emdirmeli topraklama çubuğu [4] Çubuk topraklayıcılarla istenen yayılma direncinin sağlanamadığı kurak zeminlerde özel bir çubuk topraklayıcı kullanılır ki buna emdirmeli topraklayıcı denir (Şekil 3.13). Bu da üzerinde delikler bulunan bir tür boru topraklayıcıdır. Zaman zaman borunun içine iletken bir sıvı dökülür; bu sıvı, topraklayıcı borunun deliklerinden çıkarak etrafa yayılır. Böylece toprağın özgül direnci, topraklayıcı etrafında çok düşürülmüş olur. Bu gibi topraklayıcılar her iki ayda bir defa emdirilir. Bu maksatla soda çözeltisi kullanılır. Bunun korozyon tesiri çok düşüktür. Bir yüksek gerilim

53 33 tesisinde onlarca topraklama çubuğunun olacağını düşündüğümüzde yıl içerisinde defalarca çözelti eklemek bir iş yükü oluşturacaktır. Gerekli kontrollerin atlanması durumunda ise toprak direnci yükselerek tehlikeli durumlara neden olacaktır. Bunun için emdirmeli topraklayıcının zaruri olmadıkça kullanılmaması yerine daha derin toprak katmanlarına ulaşan uzun topraklama çubuklarının kullanılması daha uygundur Levha topraklayıcılar Levha topraklayıcılar geçmiş yıllarda çok fazla kullanılan bugün tamamen önemini tamamen kaybeden bir topraklayıcı cinsidir. Levha topraklayıcılarda belli bir yayılma direnci elde etmek için başka cins topraklayıcılara göre çok daha fazla malzeme kullanılır. Topraklayıcı levhanın şeritlere ayrıldığı kabul edilirse birbiriyle yakın temastan dolayı akımın toprağa geçmesi zor olmaktadır. Bu nedenle topraklayıcı levhaya örneğin tarak şekli vermekle aynı yayılma direnci sağlanır ve malzemeden tasarruf edilir. Resim 3.2. Levha topraklayıcı Levha zemine dik olarak yerleştirilmelidir. Bunun aksine paralel yerleştirilmesi durumunda zamanla toprağın çökmesi neticesinde yalnızca üst yüzey ile temas kalabilir. Resim 3.2 de levha topraklayıcı ve Şekil 3.15 de bunun uygulaması şematik olarak gösterilmiştir.

54 34 Levha topraklayıcı mukavemetinin düşüklüğünden dolayı topraklama kazığı gibi çakılmayıp açılan çukura yerleştirilir. Levha topraklayıcı ile toprak arasında mümkün olduğu kadarıyla boşluk kalmamalı ve her yönde toprak ile iyi bir temas sağlanmalıdır. Bunu sağlamak için levha gömüldükten sonra toprak ıslatılarak ve ezilerek iyice levhanın etrafında sıkıştırılır. Levhanın boyutları istenen en küçük yayılma direncine göre tayin edilir. Genelde levha topraklayıcılar 1m x 1 m boyutlarında ve 3 mm kalınlığında olmaktadır. Malzeme olarak ise galvanizli demir veya bakır, şekil olarak ise delikli veya masif plakadan oluşmaktadır (Şekil 3.14). Levha topraklayıcının gömülmesinde donma derinliğine dikkat etmek en üst noktasının donma derinliğinin altında olmasına dikkat edilmesi gerekir. Şekil Levha topraklayıcı uygulaması 1. topraklama iletkeni 2. zemin 3. levha topraklayıcı

55 Doğal topraklayıcılar Yukarıda bahsedilen şerit, çubuk ve levha topraklamaları yapay topraklamalar olup bunların dışında doğal topraklayıcılarda vardır. Doğal topraklayıcıların birincisi en önemlisi metal borular ile yapılmış olan şehir su şebekesidir. Her yerde bulunması ve topraklama direncinin düşük olmasından dolayı önceki yıllarda özellikle alçak gerilim tesislerinde kullanılmıştır. Fakat günümüzde plastik boruların yaygınlaşması neticesinde kullanımı azalmıştır. Su borusu dışında doğal topraklayıcıların diğeri yeraltına döşenmiş kabloların metal muhafazaları da bu amaç için kullanılabilir. Dışı plastik muhafaza ile kaplanmış kablolar bu amaç için kullanılamazlar. Örneğin alüminyum muhafazalı kablolarda, alüminyumu toprak içinde korozyona karşı korumak için dışarıdan üzeri plastik ile kaplanır. Bu kablonun da topraklama amaçlı kullanılması uygun değildir. Kabloların metal kılıfları topraklayıcı olarak kullanıldıkları zaman ek yerlerinde yapılan bağlantının iletkenliği metal kılıfa yakın olmalıdır. Mufun yalıtkanlığa neden olduğu durumlarda köprüleme yapılması gerekir. Günümüzde metalik kılıflı çok fazla kablo kullanılmamasından dolayı bu tür topraklamada pek uygulanmamaktadır. Yüksek gerilim hatlarının topraklama iletkenleri de topraklama şebekesine bağlandığından doğal topraklayıcı olarak ilave olurlar. Bunların dışında enerji nakil hatlarının direkleri, trafo merkezi binaları, trafoların ve teçhizatların betonarme temelleri doğal topraklayıcı olarak kullanılabilir.

56 Özel topraklayıcılar Fonksiyon bakımından koruma, işletme, parafudr ve paratoner topraklamasından farklı olarak, yapılış ve geometrik şekil bakımından bu topraklamalara benzeyen fakat görevleri farklı olan topraklamalarda vardır. Özel topraklayıcı olarak isimlendirdiğimiz bunların başında düzenleyici topraklama gelir. Bu tür topraklayıcıların kullanılma amacı topraklayıcı etrafında potansiyeli yatıklaştırarak adım ve dokunma gerilimlerinin daha küçük olmasını sağlamaktır. Birleşik Topraklama Yeteri kadar küçük yayılma direnci elde etmek için çeşitli tip topraklamalar paralel bağlanabilir. Paralel Topraklayıcı Aynı geometrik yapıdaki olan topraklayıcılar paralel bağlanmak suretiyle paralel topraklayıcılar elde edilmiş olur (Şekil 3.15). İletkenler arasında yeteri kadar uzaklık olması birbirlerini etkilemesini engeller. Her bir topraklayıcının direnci R 1, R 2, R 3,,R n ise toplam yayılma direnci aşağıdaki gibi hesaplanır. R top 1 = (3.12) R R R R n Çubuk topraklayıcılarda topraklayıcılar arasındaki a uzaklığı h çubuk boyunun 2-3 katı kadar olduğu zaman karşılıklı etki olmaz. Kuraklık ve don sebebiyle çubuğunun tümünün etkin olmadığı durumda a aralığı etkin olan çubuk boyunun yaklaşık iki katı alınır. Levha topraklayıcılarda bu mesafe 3 metredir.

57 37 Şekil Paralel topraklayıcı uygulaması 1. Birey topraklayıcılar 2-Paralel bağlama h. Topraklayıcı uzunluğu a. Topraklayıcı arasındaki mesafe Karma Topraklayıcı Geometrik bakımdan farklı yapıdaki topraklayıcıların paralel bağlanmasına denir. Örneğin yüksek gerilim tesislerinde gözlü topraklayıcı dışında buraya gelen hava hatlarının topraklama iletkenleri, kablolara ait kurşun veya çelik zırhlar, demir yolu rayları ve su boruları paralel bağlanırlar. Burada dikkat edilmesi gereken husus, trafo merkezine dışarıdan gelen su borusunun plastik olmasıdır. Ayrıca demir yolu mevcut olması durumunda merkezin sınırında yalıtılmalıdır. Böylelikle trafo merkezinde meydana gelecek olan hatalarda istasyon dışına potansiyel sürüklenmesi engellenir.

58 Hata Akımı Devresi Örnek olarak şebekeye bağlı bir cihazın gövdesinde faz-toprak kısa devre olduğunu düşünelim. Bu durumda cihazın üzerinden bir hata akımı geçer ve insanın bir elinin hatalı cihazın gövdesine dokunması durumunda; bu akım ayak üzerinden veya diğer elin metal yapıya (su borusu, kalorifer borusu) teması durumunda ise diğer el üzerinden devam ederek transformatörün işletme topraklamasından geçerek transformatörün yıldız noktasında devresini tamamlar. Hata durumunda insan vücudundan geçen akımın şiddeti şebeke gerilimine ve devredeki dirençlere bağlıdır. Devrede bulunan dirençler; - Transformatör sargı direnci (R tr ) : Çok küçük olduğundan dolayı ihmal edilir. - Şebeke faz iletkeni direnci (R h ): Bu direnç değişken olup, hatalı cihazın trafoya olan uzaklığına, hattın kesitine ve iletken malzemenin türüne bağlıdır. - Yalıtım hatasının oluştuğu cihazın içerisinden pasif kısma geçiş direnci (R g1 ): Bu direnç akımın arklı veya arksız olmasının yanı sıra, pasif malzemenin yüzeyine bağlı olarak ta değişir. Bu direnç ihmal edilebilir. - İşletme aracının gövdesi ile insan elinin dokunduğu yerdeki geçiş direnci (R g2 ): Bu direnç insan elinin derisinin yapısına, temizliğine, kuru/ıslak olmasına bağlı olarak değişir. Hesaplamalarda ihmal edilebilir.

59 39 Şekil Hata akımı devresi a. Üç fazlı hata akımı devresi 1. Motor 2. Zemin tabakası 3.kişi 4. Ayak temasının olduğu nokta 5. İşletme topraklaması I F. Hata akımı - İnsan ayağının bastığı yerden ayak ile referans toprak arasındaki geçiş direnci (R g3 ): Elde olduğu gibi ayakların yapısı, temizliği, kuru/ıslak olması direnç değerini değiştirmektedir. Ayrıca ayakkabıların yapısı, malzemesi de direnç değerini belirleyen önemli faktörlerdir. Tehlike durumlarından maksimum korunabilmek için elde lastik eldiven, ayakta kauçuk tabanlı ayakkabı bulunması zeminin kuru tahtadan yapılması, üzerinin marley, muşamba gibi yalıtkan tabakalarla kaplanması geçiş direncini çok artırır. - İnsan vücudunun direnci (R B ) : Uygulanan gerilimi ve insanın yapısına göre vücudunun direnci 1000 Ω ile 5000 Ω arasında değişmektedir. - Cihazın oturduğu zemin ile toprak arasındaki geçiş direnci (R g4 ) : Bu değer zeminin kaplamasına, rutubetine bağlı olarak değişir. - Toprak direnci (R t ): Çok küçük olduğundan dolayı hesaplamalara dahil edilmemiştir. - Yıldız noktası ile işletme topraklaması arasındaki direnç (Rs) : Şekil 3.16 daki hata durumunun zeminin iletken ve yalıtkan olması durumuna yapılan hesaplamalarda;

60 40 3 fazlı 380/220 dört iletkenli bir şebekeye bağlı motorda tek faz toprak kısa devre arızasında R g1 = 0,3 Ω (faz iletkeni-gövde arası temas) R h = 1 Ω (hat iletkeni direnci) R g2 = 60 Ω (gövde-insan teması) R g3 = 4000 Ω (ayak basılan yer ile toprak arasındaki direnç) R B = 2000 Ω (insan vücudu direnci) olarak alabiliriz. Şekil Hata akımı eşdeğer devresi a. Zeminin yalıtkan olması durumunda eşdeğer devre b. Zeminin iletken olması durumunda eşdeğer devre Toprak direnci ve yıldız noktası-toprak arası direncinde sıfır olduğunu (R s ) kabul edersek ; Zeminin yalıtkan olması durumunda R g4 = olacağından açık devre olarak düşünebiliriz. Bu durumda akımın tamamı insan vücudu üzerinden devresini tamamlayacaktır.

61 41 Bu durumda Şekil 3.17-a daki eşdeğer devreden tüm dirençler seri olarak bağlı olduğundan; R=R h +R g1 +R g2 +R B +R g3 R= 1+0, = 6063,1 Ω V=I.R den devreden geçen hata akımı : 220= I. 6063,1 Ω I = 36 ma IEC standardında alternatif akım şebekelerinde tehlikeli akım için sınır 25 ma, dokunma gerilimi de buna bağlı olarak U t = 25 ma Ω = 50 V olarak belirlenmiştir. Zeminin yalıtkan olması durumunda geçen 36 ma akım tehlikeli doğurmaktadır. Dokunma gerilimi ise U t = 2000 Ω. 36 ma = 72 volt olmaktadır. Zeminin iletken olması durumunda ise akımın bir kısmı zemin üzerinden toprağa diğer kısmı ise insan vücudu üzerinden devresini tamamlayacaktır. (Şekil 3.17-b) R g4 direncinin devreye girmesiyle eşdeğer hata devresi; R 1 = R g2 +R B +R g3 (devrenin sağ kısmının direnci) R 2 = R1. R R + R 1 g 4 g 4 (paralel kısmın toplam direnci) R 2 = R 1 = = 6060 Ω =4,99 Ω R= R 2 +R h +R g1 (devrenin toplam direnci) R= 4,99+1+0,3 =6,29 Ω Devreden geçen hata akımı I = V/R = 34,97 A İnsan vücudundan geçecek olan akım ise I. 5/ 6065= 28,8 ma Bunun karşılığı dokunma gerilimi = U t = 2000 Ω. 28,8 ma = 57,7 volt olmaktadır

62 42 4. TOPRAKLAMA SİSTEMİ TASARIMI 4.1. Giriş Merkezi Amerika/New York ta bulunan Elektrik-Elektronik Mühendisleri Birliği (IEEE) tarafından yayınlanan Guide for Safety in AC Substation Grounding Std (AC Trafo Merkezlerinin Topraklama Klavuzu) ülkemizde iletim şebekesinin bir parçası olan trafo merkezlerini tesis eden TEİAŞ tarafından topraklama projelerinin hazırlanmasında bu standart esas alınmaktadır. IEEE standardı, 30 Haziran 2000 yılında; aynı standardın 1986 sürümü olan IEEE yerine yayınlanmıştır. Bu tezde temel olarak bu standart esas alınarak topraklama projesi tasarımı yapılmıştır. Tez sırasında öncelikle formüllerin türetilmesi açıklanacak, daha sonra toprak özgül direnci ölçümü, toprak iletkeni kesintisini belirlenmesi ve topraklama projesi hazırlanacaktır Elektrik Şokları Elektrik şokları ve insan vücudu direnci Elektrik akımının insan vücudu üzerinden geçmesi sırasında en önemli etkisi adalelerin kasılmasına neden olmasıdır. Elektrik çarpılmalarında arızalı cihazı tutan bir kişi, kaslarının kasılmasından dolayı cihazı veya teli elinden bırakamayabilir ve elektrik akımının etki süresi artmasından dolayı vücuttaki tahribatı artırmaktadır. Elektrik akımının en tehlikeli durumu kalp üzerinden akımların geçmesidir. Kalbin, hata akım devresi üzerinde bulunması halinde, yabancı hata akımının bir kısmı kalp üzerinden geçerse, vücudun diğer adaleleri gibi, kalp adaleleri de kasılırlar ve kalbin

63 43 kumanda sistemi bozulur. Kalp her ne kadar yine atmaya devam etse de bu artık düzenli değildir. Kalbin bu şartlar altındaki anlamsız atışlarına fibrilasyon denir. Fibrilasyon halinde kalp artık normal çalışamaz ve kan pompalama görevini yapamaz [4]. Etki tarzı bakımından akım şiddetlerini inceleyecek olursak; Yaklaşık 1,3 ma parmak uçları ile dokunulduğunda, 4,5 µa ise dil ile dokunulduğunda hissedilen akımlardır. Kadınlarda 6 ma ve erkeklerde 9 ma ise adalelerde kasılmalara neden olur ve bu ve bunun üzerindeki akımlarda kişi tuttuğu cihazı veya iletkeni bırakamaz. Akımın 20 ma seviyesinde olması durumunda ise solunum organlarında kramplara neden olur ma akım şiddetinde tansiyon yükselir, kalp düzensiz çalışmaya başlar. Bazı kimselerde 50 ma lik akımdan sonra bayılma gözlenebilir. 80 ma üstünde ve akımın etki süresine bağlı olarak kalpte tehlikeli fibrilasyonlar ve bilinç kaybolmaya başlar. Hata akımının süresinin 0,3 saniyeden daha az olduğu durumlarda ise fibrilasyon görülmez. Bunun dışında akım yolunun sol el ile göğüs arasında olması durumunda fibrilasyon 55 ma de başlayabilir. Elektrik çarpmalarında canlılar için tehlikeli olan gerilim değil, vücuttan geçen akımdır. Gerilim artması ise dolaylı olarak tehlikenin artmasına neden olur. İnsan vücudunun direnci, hata devresindeki en önemli büyüklük olup, geçecek olan hata akımı bu değere bağlıdır. İnsan vücudunun direnci, temas yerindeki derinin direnci ile vücudun iç direncinden oluşur. Derinin direnç değeri ise derinin durumuna göre 100 Ω ile Ω arasında değişmektedir. Kuru ve kalın, nasırlı bir derinin direnci çok büyük, buna karşılık ince, rutubetli ve sıyrılmış derinin direnci ise daha düşüktür [4]. Yapılan deney ve ölçümlerde insan vücudunun direnci; 220 V da; Ω; 50 V da: Ω arasında değiştiğini ortaya koymuştur. Bu değerlerden görüleceği üzere insan için tehlikeli olan akım olmasına rağmen vücudun direncinin

64 44 uygulanan gerilimin artması ile deri direnci düşmekte ve böylece daha çok akım geçmektedir. Sonuç olarak tehlike için esas olan akım olmasına rağmen gerilimin büyüklüğü de dolaylı olarak tehlikeyi artırmaktadır. İnsan vücudunun iç direnci yaklaşık olarak 300 Ω civarındadır. 1 Akımın yönü eldenayağa doğru olacak şekilde yapılan ölçümlerde 9 ma akım aktığında, 10,2 voltluk, elden ele olan ölçümlerde ise 21 volt gerilim düşümü ölçülmüştür. Buna göre yapılan hesaplamalarda: V 10,2 R = = 1130Ω (elden ayağa) (4.1) I 0,09 V 21 R = = 2330Ω (elden ele) (4.2) I 0,09 IEEE standardına göre; elden-ele, elden-ayaklara, ayaktan ayağa doğru tüm akım yönleri için insan vücudu direnci; en düşük değer olan 1130 Ω değeri alınmış ve bu değer hesaplamalarda kolaylık sağlaması açısından insan vücudu direnci 1000 Ω olarak kabul edilmiştir. Bu direnç değeri bu şekilde kabul edilirken eldiven, çorap ve ayakkabı direnci sıfır kabul edilmiştir. Pratikte bir insanda eldiven olmadığı kabul edilse dahi elektriksel izolasyon bakımından en kötü ayakkabı bile mutlaka bir direnç oluşturur ve toplam devre direncinin artmasını sağlar. Ayrıca el ve ayak ile hatalı kısma yapılan temasa göre de direnç oluşur. IEEE standardında bu tür dirençler, insanın giyimine ve temas biçimine bağlı olarak değişmesinden dolayı göz ardı edilmiştir. Hata devresine bu dirençlerin girmemiş olması projelerin daha ağır koşullar için hazırlanmış olduğunu göstermektedir. Topraklama projelerinde sadece insan vücudunun direnci alınırken aslında temas dirençleri ve diğer giyindiği malzemelerin dirençlerinin girmesi ile hata sırasında insan vücudundan akacak olan hata akımı hesaplamalar sonucu çıkacak olan akımdan daha düşük olacaktır. 1 Burada belirtilen direnç sadece insan vücudunun iç direncidir. Derinin direnci dâhil değildir.

65 Akımın şekli ve frekans etkisi İnsan vücudunda tehlikeli olan akım miktarının ve etki süresinin dışında şekline de bağlıdır. Doğru akım ve yüksek frekansın insan vücudundaki etkisi, 50 Hz lik alternatif akıma göre daha düşüktür. Ayrıca alternatif akım, kazazedenin elektrik kaynağını elinden bırakmasını önleyen istemsiz kasılmalara da yol açacağından dolayı kazazedenin daha uzun süreli akım ile temas etmesine sebep olmaktadır. Doğru akımda ise ilk temastan sonra kişiyi akıma göre uzağa fırlatabilir. Elektrik akımlarının yüksek frekanslı alternatif akımda iletken yapının yüzeyine doğru toplanması eğilimine deri etkisi (skin effect) denir. Bundan dolayı frekansın yükselmesi ile elektrik direnci artmakta ve şebeke frekansına göre tehlike azalmaktadır. Yüksek frekanslı akımların etkileri ile ilgili yapılan deneylerde; 3000 Hz de tehlikeli fibrilasyona neden olan akım şiddetinin Hz dekinin 22 ila 28 katı olduğu sonucuna varılmıştır [6]. Doğru akımın insan vücudunda meydana getirdiği etki, şebeke frekanslı alternatif akımdan daha düşüktür (Çizelge 4.1). 50 Hz lik alternatif akımda meydana gelen etkiler, ancak bunun 2-5 katı arasındaki doğru akım meydana getirebilir. Ayrıca doğru akıma temas sırasında kasların istemsiz kasılması meydana gelmediğinden uzun süreli temastan da korunulmuş olur. [17]

66 46 Çizelge 4.1. AC ve DC akımın insan vücudu üzerindeki etkisi [6] Etki süresi Akımın miktarının yanı sıra etki süresi de insan vücuduna vereceği zarar bakımından önemlidir. Yapılan araştırmalara göre, etki süresine bağlı olarak, tehlikeli akım sınırının değiştiği tespit edilmiştir. k I B = [7] (4.3) t Şekil 4.1 de; 3 saniyelik bir fibrilasyon akımının insanın ağırlığına bağlı olarak tehlikeli akım miktarını gösterir grafik bulunmaktadır.

67 47 Şekil 4.1. Ağırlığa göre tehlikeli fibrilasyon akımı grafiği [7] Bu grafiğe göre 50 kg lık bir insan için 3 saniye boyunca maruz kalınabilecek tehlikeli akım 67 ma dir. İnsan ağırlığının 70 kg olması durumunda bu akım miktarı ise 91 ma e çıkmaktadır. Belirtilen tehlikeli akım miktarı ve süresini Eş. 4.1 de kullanarak k katsayısını bulabiliriz. k50 = I * ts 0,067A* 3 = 0,116 B (4.4) k70 = I * ts 0,091A * 3 = 0,157 B olarak bulunur. (4.5) Burada her iki katsayının ortalama insan ağırlığı ile nasıl değiştiği görülmektedir. Şekil 4.1 de de görüleceği insan vücut ağırlığı arttıkça tehlikeli akım şiddeti artmaktadır.

68 48 IEEE standardında ortalama insan ağırlığı 70 kg kabul edilmiştir. Bunun için hesaplamalarda k 70 kullanılmıştır. I B 0,157 = (70 kg ağırlık için) (4.6) t s Şekil 4.1 deki grafikte belirtilen akımlar 3 saniye süreli akımlar için geçerli olduğundan, Eş. 4.6 maksimum 3 saniye süreli hata akımları için kullanılır. Trafo merkezlerinin tasarımında karakteristik özelliklerine göre arıza temizleme süresi her ne kadar 0,5 sn veya 1 sn alınsa da, pratikte bu süre çok daha azdır Hata Devresi Kişinin dokunduğu çelik konstrüksiyonun izolasyon bozulması sonucu aktif hale geldiğini düşünelim. Burada hata akımı olan I f, kişinin temas noktasından itibaren iki kola ayrılarak devreyi tamamlar (Şekil 4.2). Dirence göre hata akımının bir kısmı insan vücudundan bir kısmı ise metal konstrüksiyon üzerinden topraklama şebekesine ulaşır. Biz IEEE standardına göre yapacağımız topraklama ağı tasarımları için tüm hata akımının insan vücudunun üzerinden geçtiğini varsayarak daha ağır koşulları düşünerek bir hesaplama yapılmıştır. Şekil 4.2. Hata devresi (dokunma gerilimi)

69 49 R f : Her bir ayağın toprak direnci R b : İnsan Vücudu Direnci Şekil 4.3 e göre, ayakların akım yönüne göre birbirine paralel olmasından dolayı ayakların toplam temas dirençleri R f /2 dir. O halde; devrenin toplam direnci; R= R b +R f /2 (4.7) Şekil 4.3. Hata devresi (adım gerilimi) Kişinin arıza sırasında ortamda bulunması sırasında temas olmasa dahi bir adım gerilimine maruz kalacağını önceki bölümlerde açıklamıştık. Burada akımın yönü ayaktan diğer ayağa doğrudur. İki ayak birbirine seri olduğundan 2R f alınır. Devrenin toplam direnci: R= R b +2R f (4.8)

70 50 İnsan vücudunun el ile iki ayağı ya da iki ayağı arasındaki direnci 1000 Ω ve ayak temas direnci olarak da, ρ (ohm. m) özgül direncinde bir toprak yüzeyi ile temasta olan yarıçapı 8 cm bir metal disk eşdeğeri olarak kabul edilebilir [7]. r: Ayağın yarıçapı ρ R f = (4.9) 4r Burada; ρ 4 * 0,08m = 3,125 ρ/m dir. Tamsayı olarak ifade edecek olursak 3 ρ/m dir. Dokunma geriliminde daha önce bulduğumuz R f /2 değeri 1,5 ρ/m e Adım gerilimindeki ayakların direnci olan 2Rf ise 6 ρ/m e karşılık gelir. Dokunma ve adım gerilimlerindeki ayak temas dirençlerini metal disk olarak çevirdikten sonra, Eş.4.7 ve Eş.4.8 i aşağıdaki şekilde düzenleyebiliriz. E dokunma-70 (E touch-70) : İzin Verilen Maksimum Dokunma Gerilimi (70 kg ağırlığındaki insan için ) E adım-70 (E step-70) : İzin Verilen Maksimum Adım Gerilimi (70 kg ağırlığındaki insan için ) E dokunma-70 = I b *(R b + R f /2) = I b *(R b + 1,5 ρ/m) (4.10) E adım-70 = I b *(R b + 2R f ) = I b *(R b + 6 ρ/m) (4.11)

71 Yüzey malzemelerinin topraklamaya etkisi Yüksek gerilim sahalarında bulunan kişileri tehlikeli dokunma ve adım gerilimlerine karşı korumak için alınan önlemlerden biri de sahaya özgül direnci yüksek malzemelerin serilerek, direk toprak ile olan teması engellemektir. Yüzeye serilen bu malzeme dokunma ve adım gerilimlerinin hesaplanmasında etkindir. İki malzemenin (toprak ve yalıtkan) özgül direncinin topraktan farklı olmasından dolayı yüzey tabakası yansıma katsayısı denen bir faktör hesaplara dâhil olmaktadır. Bu durumda Eş. 4.9 aşağıdaki şekilde değişir. ρ = Cs (4.12) 4r s R f. C s : Yüzey tabakası özdirenç katsayısı K: İki farklı malzeme arasındaki yansıma katsayısı ρ s : Yüzey malzemesi özgül direnci (Ωm) ρ : Toprak özgül direnci (Ωm) h s : Yüzey malzemesi kalınlığı (m) C s katsayısı; K ve malzeme kalınlığına bağlı (h s ) bir fonksiyondur. C s katsayısını, K katsayısını bulduktan sonra malzeme kalınlığı ile beraber Şekil 4.4 deki grafik ile bulabileceğimiz gibi, formül yardımı ile de hesaplayabiliriz. K ρ ρ ρ + ρ s = (4.13) s K katsayısı 0 ile 1 arasında değişir. Formülden de görüleceği üzere, yüzey malzemelerinin aynı olması durumunda; K=0 olarak hesaplanır. (yansıma yok)

72 52 Şekil 4.4. C s grafiği ρ 0, ρs C = s 2h + 0,09 s (4.14) Materyelin aynı özgül dirençli olması durumunda C s =1 bulunur. Yani yansımanın olmaması durumudur. Örneğin ρ s = 60 Ωm ve ρ = 20 Ωm olduğunu ve malzemenin 0,1 metre kalınlığında serildiğini düşünürsek; K ρ ρ ρ + ρ s = = = 0, 5 s

73 53 Şekil 4.4 deki grafikten 0,1 metre malzeme kalınlığının k=0,5 eğrisi ile kesişen noktada Cs yaklaşık olarak 0,75-0,80 arası okunur. Aynı işlemi Eş ile yapacak olursak; s 20 0,09(1 ) = *0,1 + 0,09 C = 0,793 olarak hesaplanır Maksimum adım ve dokunma gerilimleri Yüzey kaplamalarını dahil ettikten sonra adım ve dokunma gerilimi Eş.4.10 ve Eş ile aşağıdaki şekilde yeniden düzenlenebilir. Eş ye yüzey malzemesinden dolayı Cs katsayısı çarpan olarak eklenmişti. Buna göre; E dokunma-70 = I b *(R b + 1,5 ρ s.c s ) 1 0,157 * (1000 t s 1,5 ρ. C ) (4.15) + s s E adım-70 = I b *(R b + 6 ρ s. C s ) 1 0,157 * ( ρ s. Cs ) t s (4.16) 1 Daha önceki bölümlerde de belirtildiği gibi 4.15 ve 4.16 eşitlikleri insan vücuduna göre müsaade edilen hata akımı miktarına göre değişmekte ve yukarıdaki formüllerde 70 kg ağırlığındaki kişi için olan limitler alınmıştır. Bunun için formüller gösterilerken alt indislerinde 70 ibaresi yer almaktadır.

74 GIS lere Özel Hususlar Gaz izoleli şalt tesislerinde temas gerilimi çeşitli özgün parametrelere sahiptir. Geleneksel tesislerin aksine, GIS ekipmanlarının özelliği metal boru içerisinde gaz ile izolasyonu sağlanmış bara sistemidir. Bu teçhizatlarda her bir bara metal kılıf içerisindedir ve kılıf topraklanmıştır. Akım baralardan aktığı zaman kılıfta bir gerilim indükleyecek ve kılıfların her biri merkez topraklamasına göre farklı potansiyellerde olacaktır. Gaz izoleli sistemlerde dış kılıfa dokunan kişi iki temel hata durumundan dolayı gerilim altında kalabilir. 1. GIS de bara ile dış kılıf arasında olabilecek bir atlama durumunda 2. GIS dışında bara ile dış kılıf arasındaki indüksiyon akımından dolayı Hata devresi elden ele veya elden ayağa doğru olduğu varsayılarak GIS topraklama tasarımı yapılırken adım ve dokunma gerilimi dışında metal-metal temas gerilimine maruz kalınabileceği hesaba katılmalıdır (Şekil 4.5). Şekil 4.5. GIS de metal-metal dokunma hata devresi

75 55 Çoğu GIS üreticisi dış kılıfları uygun biçimde dizayn etmek ve yeterli topraklama için, kılıflar arasındaki potansiyel fark ve kılıf ile topraklanmış yapı arasındaki potansiyel farkın hata anında voltu geçmemesi için sağlamalılardır. Bu değer 50 kg lık kişi için Şekil 4.6 dan görüleceği gibi 0,8-3,2 saniye arıza süresine; 70 kg lık kişi için ise 1,46-5,8 sn arasındaki hata süresine karşılık gelir. (Şekil 4.6). Şekil 4.6. Metal-Metal temasta dokunma gerilimi limiti Zeminde yalıtkan malzemenin olmadığı durumlarda, izin verilebilir dokunma ve adım gerilimi değerinin hesaplanmasında Eş 4.15 ve Eş 4.16 da C s =1 ve ρ S =ρ alınarak hesaplamalar yapılır Metal-Metal dokunma gerilimleri Bu durumda akım metalden metale doğru akacağından dolayı sadece vücudun iç direnci etkili olmaktadır (Şekil 4.7). (E mm-touch-70) E mm-dokunma-70 = I b * R b 0, *1000 (4.17) t t s

76 56 Şekil 4.7. Metal-Metal dokunma gerilimi devresi 4.5. Topraklama İletkeni Seçimi Bakır Bakır iletkenler topraklamada çok kullanılan bir malzemedir. Bakır iletkenler, yüksek iletkenlikleri yanı sıra korozyona karşı dayanıklı olması nedeniyle diğer malzemelere göre büyük avantaj sağlamaktadır. Bakırın diğer topraklama iletkenlerine göre pahalı olması ise bir dezavantajıdır. Bakır Kaplı Çelik Topraklama çubuklarında ve topraklama ağlarında kullanılır. Bakır veya az derecede bakır kaplı çelikler yeraltında korozif etkilere karşı dayanıklı olduğundan ağların bütünlüğü uzun yıllar bozulmaz.

77 57 Alüminyum Topraklama sistemlerinde çok nadiren kullanılır. GIS ekipmanlarında doğal bir seçim olarak alüminyum ve alüminyum alaşımları 1 kullanılmasına rağmen, toprak altında çok kolay bir şekilde korozyona uğraması ve bu durumda iletkenliğini kaybetmesinden dolayı topraklama amaçlı kullanılması pek uygun değildir. Çelik Topraklama ızgara iletkenleri ve çubuklarında kullanılabilir. Bu tasarımda dikkat edilmesi gereken nokta çeliğin korozyona uğramamasını sağlamaktır. Bunun için galvanizli çelik iletkenler kullanılır. Fakat malzemenin iletkenliğinin düşük olmasından dolayı bu şekilde tasarlanan topraklama şebekelerinde kalın kesitli çelik kullanılması gerekmektedir. Tüm malzemeleri inceledikten sonra; bakırın genel olarak pahalı bir malzeme olmasına rağmen erime sıcaklığının ve iletkenliğinin yüksek olmasından dolayı tercih edilmektedir. Bakır kaplı çeliğinde erime sıcaklığı bünyesindeki en zayıf malzeme olan 2 bakırdan dolayı yine aynı olmasına rağmen, iletkenliği çok daha düşüktür Topraklama İletkeni Kesiti Seçimi Elektrik akımı taşıyan devrelerde kısa devre olması olağandır. Özellikle yüksek gerilim sistemlerinde böyle bir durum çok büyük tehlike arz eder. Kısa devre faz gerilimleri ile toprak hatlarının en az ikisinin temas ederek elektrik akımının bu yolla devresini tamamlamasıdır. 1 Antimanyetik malzeme olmasından dolayı GIS donanımlarında alüminyum ve onun çeşitli alaşımları tercih edilmektedir. 2 Karışım malzemelerde ve bir projenin genel olarak hesaplamasında erime sıcaklığı değeri kullanılacak olduğunda, malzeme veya proje içindeki en düşük erime sıcaklığına sahip malzemenin erime sıcaklığı kullanılır. Bakır kaplı çeliğin içerisinde bulunan bakır elementinin erime sıcaklığı çeliğe göre daha düşük olduğundan burada bakırın erime sıcaklığı kullanılır.

78 58 Kısa devreler oluşumuna göre değişik karakteristikler gösterir. Üç fazın birden kısa devre olması, iki fazın kısa devre olması, herhangi bir fazın toprakla kısa devre olması örnek verilebilir. Tüm üç fazın birden kapsamına alan kısa devrelere simetri kısa devreler, diğerleri ise asimetrik kısa devreler olarak tanımlanır [8]. Burada yapacağımız topraklama sistemi tasarımında 3 faz simetrik kısa devre akımı; ülkemizde ulusal şebekenin trafo merkezlerinin projelendirilmesini yapan TEİAŞ tarafından yapılan kısa devre etütlerine göre belirlenen 380 kv merkezler için 40 ka, 154 kv merkezleri için ise 31,5 ka alınmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada yapacağımız hesaplama ve tasarımlarda IEEE standardında simetrik akımlara göre verilmiş olan topraklama iletkeni kesiti belirleme formülü kullanılacaktır. A mm 2 = I * 4 TCAP.10 t * α * ρ c r 1 r K ln K Tm + Ta (4.18) A : İletkenin kesiti (mm 2 ) I : Kısa devre akımı (ka) T a : Ortam sıcaklığı ( 0 C ) T m : Müsaade edilen maksimum sıcaklık ( 0 C ) K 0 ρ r : 0 0 C de Akım taşıyan kısmın sıcaklık katsayısı : Referans sıcaklıkta toprak iletkeni direnci (µω.cm) α r : 20 0 C de Isıl katsayı (1/ 0 C) TCAP : Birim hacim başına ısıl kapasite ([J/(cm 3. 0 C)] t C : Hata akımı süresi

79 59 Topraklama iletkenlerinin kesiti için kullandığımız bu formül ile ayrıca, farklı topraklama materyalleri kullandığımız zaman, gerekecek olan kesit miktarını da görebiliriz. Örneğin 380 kv bir sistemde bakır iletken ile topraklama şebekesini projelendirdiğimizde 0,5 arıza süresi ve 35 ka kısa devre akımı için 128 mm 2 kesitli topraklama iletkeni kullanmamız gerekecektir. Fakat bunun yerine; Alüminyum iletken kullandığımızda aynı durum için 191 mm 2, çelik kullandığımızda 358 mm 2 ve paslanmaz çelik kullandığımızda ise 677 mm 2 lik topraklama iletkeni kullanmamız gerekecektir. Daha önceki kısımda da belirttiğimiz gibi bakır yüksek iletkenlik kapasitesi, dayanıklılığı ve müsaade edilen maksimum sıcaklık değerinin yüksek olmasından dolayı topraklama şebekelerinde kullanmak için en uygun malzemedir (Çizelge 4.2). Çizelge 4.2. Topraklama iletkenlerinin kimyasal özellikleri Malzeme Malzeme İletkenliği α K r 0 T m ρ r TCAP Bakır %100 0, ,72 3,42 Alüminyum %61 0, ,86 2,56 Bakır kaplı Çelik %40 0, ,40 3,85 Çelik %10,8 0, ,90 3,28 Paslanmaz Çelik %2,4 0, ,03 A = I. K. t (4.19) kcmil f c İletken kesitine ait formülü basitleştirebilerek 4.18 deki eşitliği elde edebiliriz. Fakat burada mm 2 yerine iletken kesitini kcmil (MCM) olarak hesaplamış oluruz.

80 60 Eş.4.17 de kullandığımız değerlerden TCAP, ρ r, α r, T m, K 0 değerleri topraklama iletkeninin kimyasal özelliklerine bağlı olan değerlerdir. Bunlardan bir katsayı elde ederek daha kolay iletken kesiti hesaplanabilir. Kısa devre akımı ve arıza süresi ile Çizelge 4.3 den malzemeye ait K f değerini (T a= 40 0 C) kullanılması ile basit şekilde iletken kesitini hesaplayabiliriz. Örneğin bakır topraklama iletkeni kullanılacak 20 ka kısa devre akım değeri ve 3 saniye arıza süresine göre topraklama iletkeni kesitini hesaplayacak olursak ; Çizelge 4.3 den K f değeri 7 alınır ve Eş dan A = I. K. t = =242,48 MCM bulunur. kcmil f c 1 mm 2 =1,974 MCM olduğundan bulunan değeri çevirirsek 122,83 mm 2 olarak buluruz. Çizelge 4.3. Topraklama iletkenlerinin 40 0 C ortam sıcaklığı için K f katsayıları Malzeme Malzeme İletkenliği T m ( 0 C) K f Bakır % ,00 Alüminyum % ,12 Bakır kaplı Çelik % ,45 Çelik %10, ,95 Paslanmaz Çelik %2, , Topraklama Ekleri Topraklama iletkenleri toprak altına serildikten sonra bir ağ oluşturmak ve topraklama kazıklarıyla irtibat sağlamak için kesiştikleri noktalarda ekler yapılır. Yapılacak olan ekin türü aslında topraklama sisteminde kullanılacak iletkenin kesitinin belirlenmesinde de önemlidir. Çünkü müsaade edilen sıcaklık değeri her ek tipine göre değişmektedir.

81 Egzotermik (Cadweld) ekler Şu anda mevcut olan en iyi ek yöntemi egzotermik kaynaktır. Piyasada markasıyla cadweld kaynak olarak ta bilinmektedir. Cadweld kaynak egzotermik reaksiyon neticesinde ortaya çıkan erimiş bakırın, eki meydana getirmesi ile gerçekleşir. Erimiş haldeki bakır, eklenecek maddelerle moleküler seviyede bağlanır. Bu yüzden ek bölgesi eklenecek iletkenlerle kesintisiz bir iletim yolu oluşturur (Resim 4.1). Dolayısıyla; kontak noktaların bakımı bozulması, korozyonu hiç bir zaman söz konusu olmaz. Resim 4.1. Topraklama kazığı ile bakır iletkenin egzotermik kaynakla birleştirilmesi Egzotermik kaynak metali kendisiyle aynı kesitteki iletkenle eşdeğer akım ve ısı taşıma kapasitesine sahip olduğundan bu eklerde müsaade edilen sıcaklık kullanılan topraklama iletkeninin maksimum sıcaklığına eşittir. Yüksek gerilim tesislerinde topraklama iletkeni olarak bakır kullandığımızı düşünerek bu değer C dir.

82 Presli ve Lehimli ekler IEEE standardına göre pres veya cıvatalı ekler gibi iletkenlerin bağlanması durumunda izin verilen maksimum sıcaklık C olmaktadır. Presli eklerin kullanımında ek yerindeki temasın iyi olması için en az 800 bar ile sıkılmalıdır. Cıvatalı eklerde temasın çok iyi sağlanamamasından dolayı yüksek gerilim tesislerinde kullanımından mümkün olduğunca kaçınılmalıdır (Resim 4.2). Resim 4.2. Cıvatalı topraklama eki Lehimli eklerde ise müsaade edilen sıcaklık C dir. Sonuç olarak Eş den görüleceği üzere topraklama ağlarında maksimum sıcaklık değeri daha büyük olan topraklama eklerinin kullanılması daha ince topraklama iletkenlerinin kullanılmasını sağlayacaktır. Topraklama projesinde cıvatalı presli ek kullandığımızda cadweld kaynağa göre %66, lehim kaynakta ise %31 daha kalın topraklama iletkeni kullanmamız gerekir. Bu nedenle merkezlerin topraklama projelerinde cadweld kaynak kullanılması bakır iletkenlerin her geçen gün fiyatlarının arttığını düşündüğümüzde daha ekonomik olmaktadır.

83 Topraklama Kazıkları Topraklama kazıklarının gömülme derinliği de önemli bir faktördür. Kazıkların toprağın altındaki sabit toprak katmanları nadiren homojen (uniform) yapıda olmaktadır. Genellikle toprağın üst katmanları yağışa bağlı olarak kuru veya nem durumuna göre değişkendir. Mevsim ve yağış durumlarından daha az etkilendiğinden toprak derinleştikçe direnç daha stabildir. Bunun için topraklama kazıklarının boyu, toprak direncinin mevsim ve yağış durumuyla çok fazla değişmediği derinliğe kadar ulaşmaktadır. Günümüzde en çok kullanılan elektrot uzunluğu 2,5 metre olup, sabit rutubet seviyesine ulaşmak için yeterlidir Galvanik Korozyon Topraklama malzemelerinin seçiminde korozyona dikkat edilmelidir. Farklı metallerin yan yana gelmesinde pil olayı olarak bilinen bir durum oluşmaktadır. Pil olayında gerilim değeri yüksek olan metalden, gerilim değeri düşük olan metale elektron akışı olmaktadır. Elektron kaybeden metal zamanla zayıflar ve bu nedenle ömrü kısalır. Metallerin 25 0 C deki deniz suyundaki kalamel elektroda karşılık gelen gerilim değeri Çizelge 4.4 de görülmektedir. Buna göre iki metalin gerilim değeri farkı açık havada maksimum 0,25 volt, kapalı alanlarda ise 0,50 voltun üzerinde olmamalıdır. Alüminyum ve bakırın birbirleri ile temas etmesi sonucu Çizelge 4.4 deki gerilim değerlerini inceleyecek olursak ; Alüminyum : -0,75 volt Bakır : 0,18 volt dur. Buna göre aradaki farkın -0,57 volt olmasından dolayı oluşacak korozyon limitlerin dışındadır. Zamanla alüminyum aşınarak ömrü azalacaktır.

84 64 Çizelge 4.4. Metallerin elektrokimyasal korozyon değerleri Toprak Toprak yapısı ve rutubet etkisi Bir maddenin suda çözünebilmesi için maddenin tanecikleri birbirinden ayrılmalıdırlar. Ayrıca bu su tanecikleri su molekülleri tarafından sarılmalıdır. Çözünen madde çözünürken iyonlarına ayrılıyorsa böyle çözeltilere iyonik çözelti denir ve bunlar elektrik akımını iletirler. Bu nedenle de elektrolit çözeltiler olarak bilinirler. Asit baz çözeltileri, tuz çözeltileri bunlara örnek verilebilir. Kovalent (tam) bağlı bileşenler çözücü içerisinde çözünürken moleküller halinde dağılırlar. Bu tür çözeltiler elektrik akımını iletmezler. Alkolün su içerisinde ve şekerin su içerisinde çözünmesi buna örnektir. Toprak içerisinde bulunan ve suda çözünmüş iyonik çözeltiler elektrik akımını ilettiklerinden toprak özgül direncini düşürürler. Fakat nemli toprak içerisindeki sıcaklığın yaz mevsiminde iyice artarak içerisindeki suyun buharlaşması sonucu toprak tabakası yüzeyinin tamamen kuruması halinde;

85 65 suda erimiş halde iken elektrik akımını ileten iyonlarda sudan ayrılarak katılaşıp çökerler. Dolayısı ile toprak yüzeyindeki sıcaklığın yaz mevsiminde artarak rüzgârında etkisiyle kuruması sonucu toprak yüzeyinin özgül direnci artmaktadır. Topraklama projelerinin tasarımında ilk yapılması gereken işlem toprak yapısının belirlenmesi ve toprak direncinin ölçülmesidir. Toprağın direnci sıcaklığına, neme ve içerisinde ihtiva ettiği tuz miktarına göre değişiklik gösterir (Şekil 4.8). Toprak sıcaklığı arttıkça içindeki rutubetin ısınmasıyla su içinde çözünebilen madde miktarı artarak toprağın iletkenlik seviyesi yükselecektir. Toprağın yapısında ve bitkilerden geçen ve suda çözünebilen organik maddeler toprağın iletkenliğini artırmaktadır. Bunun için killi, balçıklı toprakların su ve organik madde miktarı fazla olduğundan iletkenliği yüksektir. Kumlu arazilerde veya bünyesinde su bulundurmayan kayalık zeminlerde geçirimliliğin fazla olması ve ortamdaki tuzların suyla birlikte akıp derinlere doğru süzülmesiyle iletkenlik düşmekte ve özgül direnç yükselmektedir. Bataklık zeminlerde ise çürümüş organik madde miktarı ve karbonlaşmanın fazla olmasının yanı sıra alüvyonlu mille birlikte kil miktarının da fazla olmasından dolayı bol miktarda su içermektedir. Böylece son derece iyi elektrik akımını ileten bir yapıya sahip olmaktadır.

86 66 Şekil 4.8. Toprak direncinin tuz, nem ve sıcaklığa göre değişimi [9] Toprağın yüzeysel katlarının özgül direnci mevsimlere göre çok büyük değişiklikler gösterir. Fakat mevsim koşulların (kuraklık, donma, v.s.) yüzeysel katmanların özgül direnci üzerindeki etkisi ortalama 1-2 metre düzeyindeki bir derinliğe kadar tesirli olmaktadır. Daha alt tabakalarda özgül direnç çok fazla değişmemektedir [10]. Toprağın tanecikli yapısı, toprağın sadece topraklama iletkeni ile temasında değil bunun yanı sıra toprağın nem tutma yeteneğinden dolayıda önemlidir.

87 67 Toprağın iletkenliği temel olarak nem oranına bağlıdır. Kuru ortamda iletkenlik çok zayıftır. Silisli kumlar nemli iken Ω, kuru iken 1000 Ω a kadar dirençleri yükselmektedir. Eski kayalar ne kadar sıkı ve eski ise özgül direnci o oranda yüksektir. Çok sağlam ve kuru kayalarda bu değer Ω a kadar çıksa da çoğunlukla Ω arasındadır (Çizelge 4.5). Topraktaki rutubetin % 20 den fazla olması halinde elektriksel iletkenlik değerinde önemli bir artış görülmemektedir. Rutubetin bu değerin altında; %1-2 arasında değişmesi topraklama dirençlerinde büyük farklar oluşturur. %10 rutubet ihtiva eden toprağın özdirenci, %20 rutubetli toprağınkinden 30 misli daha büyük olduğu görülmüştür. Toprağın içerdiği bağıl rutubetin %20 oranın altına düşmesiyle özgül direnç hızla artmaktadır. Topraktaki nem oranının değişimi, kuru mevsimlerde % 10, yağışlı mevsimlerde % 35 ve ortalama olarak % arasındadır. Topraklama iletkeninin döşeneceği toprağın özgül direncinin çok yüksek olması durumunda bunu düşürmek için çeşitli malzemeler kullanılabilir. Örneğin deniz tuzu ya da sodyum karbonat gibi elektrolitlerin ilave edilmesiyle iletkenlik iyileştirilebilir. Tuzun toprağa yayılması ile özgül direnç düşmeye başlar fakat toprağın geçirgenliğine göre ilave edilen malzeme zamanla su ile birlikte bulunduğu yerden uzaklaşmaya başlar. Bu süre toprağın geçirgenliğine göre 10 yıl kadar bir süre olabileceği gibi geçirgenliğin ve su akışının fazla olduğu durumlarda ise çok daha kısalır [10]. Bunu engellemek için tuzun yayılmasını geciktirmek için erimeyen çözeltiler hazırlanmıştır.

88 68 Çizelge 4.5. Toprak türlerinin özgül dirençleri [11] Toprak Türü Özgül Direnci (Ωm) Bataklık 1-30 Balçık, mil Humuslu Nemli Killi Kumlar Silisli Kumlar Çıplak Taşlı Toprak Gevrek Kalkerler Sıkışık Kalkerler Çatlak Kalkerler Toprağa tuz ilave etmenin direnç üzerindeki etkisi küçük boyutlu çubuk ya da levha topraklamalarının iyileştirmelerinde önemli oranda olurken, büyük merkezlerin topraklanmasında ise çok fazla yarar sağlamamaktadır [10]. Ayrıca kullanılan deniz tuzu toprak iletkenlerinin korozyonunu hızlandıracaktır. Bakır ve çelik bu korozyondan çok fazla etkilenmese de uzun yıllar için tesis edilen topraklama şebekesinin yaşlanması hızlanacaktır. Toprak özgül direncini iyileştirmenin diğer bir yolu da elektrotların etrafına odun veya kok kömüründen oluşan tabaka ile örtmektir. Bunlar tuza göre topraklama iletkenini daha az korozyona uğratır. Teknolojinin ilerlemesi ve topraklama yapılacak alanlarda yüksek özgül direnç problemini çözmek için direnç düşürücü kimyasal malzemeler geliştirilmiştir. Bu malzemeler tuz ve kömüre göre fiyat dışında daha avantajlıdır. Serilen malzeme uzun yıllar çözülme ve bozulmaya uğramadan toprağın direncini düşük tutmakta ve donma dayanımını % 10 oranında artırmaktadır. Kimyasal malzeme olmasına rağmen

89 69 toprağa zararlı bir etkisinin olmadığı ve yeraltı sularını kirletmediği üretici firmaları 1 tarafından beyan edilmektedir Isı iletkenliği Topraklama ağını oluşturan iletkenlerin etrafında çakıl, kum, kırma taş gibi kuru gözenekli, hava tabakası bulunan suyu tutmayan bir toprak zemin yapısı olduğu durumda aşağıdaki işlemler yapılarak topraklama açısından uygun olmayan durumda iyileştirme yapılmalıdır. İletken çeperinden dışarıya doğru akan akımı iyi iletecek, elektrik iletkenliği yüksek olan, organik madde açısından zengin, aynı zamanda rutubetini muhafaza edebilecek killi, humuslu bir toprak tabakası ile takviye yapılmalıdır. Toprak iyice sıkıştırılarak boşluk miktarı azaltılmalıdır. Böylece ilave olarak serilecek boşluğu azaltılmış iyi iletken malzeme ile mevcut toprağın olumsuz durumu topraklama açısından düzeltilmiş olacaktır Toprak iletkeninin gömülme derinliği ve donma noktası Topraklama iletkenlerinin yüzeyden 0,5 metre derine yerleştirmek göreceği mekanik darbelerden korumak için yeterli güvenlik önlemi sağlayabilir. Fakat iletkeninin gömüme derinliğini belirlerken mekanik etkilerden korunabileceği derinlik seviyesinden sonra dikkat edilmesi gereken diğer husus, topraklama yönetmeliğinde de önemi belirtildiği gibi donma seviyesidir [12]. Topraklama şebekelerinin döşenmesinde en önemli adımlardan biride donma derinliğinin belirlenmesidir. Toprağın donması sonucunda, şayet topraklama ağıda donmuş tabakanın içerisinde kalacak ve topraklama elektrotu direnci yükselecektir. Donmuş bir toprağın özgül direnci birkaç bin ohm.m ye kadar çıkabilmektedir. 1 Ülkemizde çoğunlukla bulunan malzemeler ERICO firmasının üretmiş olduğu GEM markası ile FURSE şirketinin BENTONITE markası adı altında piyasaya sürdükleri ürünlerdir.

90 70 Elektrik Tesislerinde Topraklama Yönetmeliği nin 6a maddesinde de özetle topraklayıcıların donma derinliğinin altına döşenmesi tavsiye edilmektedir. Elektrik iletkenliği açısından topraklama iletkeninin üzerinde yaklaşık 10 cm kadar donmamış toprak bulunmalıdır. Böylece iletken tüm yönlerde iyi iletken bir toprak tabakası ile sarılmış olacak ve elektrik iletimi bakımından sorun olmayacaktır. Isı transferi açısından ise toprağın donması bir problem teşkil etmediği gibi aynı zamanda suya göre ısı iletiminin daha iyi olmasından dolayı ısıyı daha iyi iletmektedir. Bu durumda gömülme derinliği, özgül direncin yüksek olmadığı topraklarda; donma seviyesi + 10 cm olarak belirlenmesi uygun olacaktır. Çakıl veya kuru kum gibi özgül direnci yüksek olan topraklarda ise, topraklama ağının etkinliğini artırmak için, topraklama iletkeninde altında 10 cm kalınlığında iletkenliği yüksek malzeme serileceğinden; donma seviyesi +20 cm olarak belirlenir Donma noktasının tespiti Topraklama tesislerinin bütün sene fonksiyonlarını yerine getirebilmeleri için dondan her zaman korunabilecek derinlikte tesis edilmelidir. Çünkü topraklama iletkenlerinin mevsimin bazı dönemlerinde bile donmuş bir ortam içinde bulunmaları toprak özgül direncini yükseltecektir. Ülkemiz coğrafyasından dolayı farklı bölgelerde farklı iklim koşulları oluşmaktadır. Bir bölgede toprak yılın hiçbir ayında donmaz iken başka bölgede 100 cm ye kadar donabilmektedir. Trafo merkezleri projelendirilirken o bölge için en yakın alandaki donma derinliği değeri kullanılmakta olduğundan yaklaşık değer ile hareket edilmektedir. Bazen trafo merkezi donma derinliği değeri alınan yerleşim yerine yakın dahi olsa iklim koşulları farklı olmakta bu da donma derinliğine yansımaktadır.

91 71 Bunun için şalt sahası üzerine serilen mıcır ve bunun gömülme derinliği bir emniyet payı olarak alınmakta ve hesaplara dâhil edilmemektedir. Toprağın donma noktası ile ilgili çok fazla bilgi mevcut değildir. Konu ile ilgili Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Toprak Bölümünden elde edilen Türkiye Toprak Donma Derinliği haritasından yola çıkarak hazırlanan bazı illerimize ait toprak donma derinliği listesi Çizelge 4.6 da yer almaktadır. Çizelge ve haritadan elde edilen bilgiler yaklaşıktır. Çünkü haritada illerin gruplandırılması oldukça geniş bir aralıkta yapılmıştır. Örneğin donma derinliği 100 cm olan yerlerden sonra bir alt grup olarak 50 cm olanlar gösterilmiştir. Ayrıca çizelgedeki donma derinlikleri ilin kent merkezine göre belirtilmiştir. İlçeye ait değer öğrenilmek istendiğinde haritadan yararlanmak daha yerinde olacaktır. Harita bilgilerini aşağı yukarı destekleyen ve bu haritaların hazırlanmasında kullanılan Meteoroloji Bültenleri daha sağlıklı ve detaylı bilgiler içermektedir. Örneğin Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü nün deniz seviyesinden 894 metre yükseklikte kurulu Ankara Rasat İstasyonu nun 1970 yılına kadar yapmış olduğu ölçümlere göre (Çizelge 4.7) toprağın en soğuk olduğu ay Şubat ayıdır.

92 72 Çizelge 4.6. İllerin toprak donma seviyesi Türkiye Toprak Donma Seviyesi (cm) Erzurum 100 Gaziantep 20 Kars 100 Niğde 20 Ağrı 100 Isparta 20 Ardahan 100 Burdur 20 Erzincan 50 Denizli 20 unceli 50 Uşak 20 Bingöl 50 Bilecik 20 Muş 50 Bolu 20 Bitlis 50 Balıkesir 20 Kayseri 50 Manisa 20 Sivas 50 İzmir 20 Nevşehir 50 Edirne 20 Kırşehir 50 Kırklareli 20 Kayseri 50 Tekirdağ 20 Konya 50 Şanlıurfa 10 Yozgat 50 Muğla 10 Çorum 50 Antalya 10 Çankırı 50 Sinop 10 Ankara 50 İstanbul 10 Kastamonu 50 Sakarya 10 Siirt 20 Çanakkale 10 Diyarbakır 20 Kahramanmaraş 10 Adıyaman 20 Trabzon 10 Adana, 10 Rize 10 Mersin 10 Giresun 10

93 73 Çizelge 4.7. Ankara ilinin aylara göre toprak sıcaklıkları [13] Aylara Göre Toprak Sıcaklıkları Ortalama Toprak Sıcaklığı o C (5 cm) En düşük Toprak Sıcaklığı o C (5 cm) Ortalama Toprak Sıcaklığı o C (10 cm) En düşük Toprak Sıcaklığı o C (10 cm) Ortalama Toprak Sıcaklığı o C (20 cm) En düşük Toprak Sıcaklığı o C (20 cm) Ortalama Toprak Sıcaklığı o C (50 cm) En düşük Toprak Sıcaklığı o C (50 cm) Ortalama Toprak Sıcaklığı o C (100 cm) En düşük Toprak Sıcaklığı o C (100 cm) Gözlem Süresi ,9 2,1 6, , ,7 27,7 22,1 14,5 7,9 2, , ,3-0,2 5,9 10,1 13,5 11,1 5,9-0,8-7, ,7 2,3 7 13, ,4 26,9 27,4 21,8 14,5 8,1 3,9 14-7,2-7,3-3,8 2,7 7, ,3 8 3,4-0,8-2,1 14 2,2 2,4 6,8 12,9 18,3 22,6 26,1 26,8 21,6 14,6 8,6 4,4 14-4,4-4,4-0,3 4,5 9 12,2 16,5 18,8 11,9 4,4 0,7-0,6 43 4,3 4,2 6,6 11,8 16, ,4 25,4 22,2 16,8 11,6 6,8 43-1,4-1,9 0,7 5,2 10,3 14,7 19,1 20,9 16,3 10,6 3,6 1,4 11 8,2 6,6 7,8 10,7 14, ,9 22,8 21,6 18,1 14,6 10,9 11 5,3 3,7 4, ,3 17,4 20,8 19,3 15,3 11,6 7,6 Toprak sıcaklığının en soğuk olduğu Şubat ayında Çizelge 4.7 deki bilgilerden yararlanarak toprağın sıcaklığı 5 cm de -15 o C, 10 cm de -7,3 o C, 20 cm de -4,4 o C, 50 cm de 1,9 o C ve 100 cm de 3,7 o C olarak ölçülmüştür. Buna göre Ankara ilinde toprak 50 cm ile 100 cm arasında bir değerde donmaktadır. Çizelge 4.6 daki verilerde 50 cm den sonraki ölçüm noktasının 100 cm olmasından dolayı Şekil 4.9. daki grafik yardımıyla yaklaşık olarak toprak sıcaklığının sıfır olduğu nokta hesaplanmıştır. Bu bilgilere göre Ankara ili için toprak donma noktası 65 cm olarak kabul edilebilir. Çizelge 4.3 de Ankara ilinin toprak donma noktası 50 cm olarak belirtilmiş olup, iki kaynaktaki değerlerin birbirinden farklı olmasının nedeni; haritada ara kademelerde değerlerin gösterilmemiş olmasından ve harita ile Meteoroloji bülteninin farklı gözlem sürelerinden kaynaklanmış olabilir.

94 74 Seri 1 Log. (Seri 1) 10 y = 5,5748Ln(x) + 3, Toprak Sıcaklığı 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Toprak Derinliği Şekil 4.9. Ankara ilinin toprak sıcaklık değerleri Ayrıca trafo merkezlerinde yapılacak olan inşaatlar için (kumanda, M/C binası, v.s.) jeolojik etütler yapılmaktadır. Bu etütler sırasında trafo merkezinin tesis edileceği konum ve coğrafi bölge göz önüne alınarak uygun bir donma seviyesi tespit edilebilir. Çünkü donma seviyeleri ile ilgili belirlenmiş değerler bazı durumlarda trafo merkezin yapılacağı alandaki iklim koşullarını yansıtamamaktadır Toprak Direncinin Ölçülmesi ve Yöntemleri Toprağın özgül direncinin mevsim koşullarına göre değiştiğini göz ardı etmemeliyiz. Aşağıdaki Çizelge 4.8 de toprak özgül direncinin sıcaklık ve nem oranına göre nasıl değiştiği verilmiştir. Grafiğe göre; sıcaklığın ve nem miktarının artması ile toprak özgül direncinin düştüğü görülmektedir.

95 75 Çizelge 4.8. Sıcaklık ve neme göre özgül direnç değişimi [15] Sıcaklık ( 0 C) Nem (%) , C C C C C Doğru bir topraklama projesi yapılabilmesi için temel esas topraklama direncini doğru ölçerek buna göre projelendirme yapılmasıdır. Topraklama yapılacak alanın özgül direncinin ölçümü için en uygun zaman toprağın kuru olduğu Temmuz- Ağustos aylarıdır. Bu dönemde yapılan ölçümlerde toprak özgül direnci en yüksek değeri alacağından topraklama şebekesinin daha sağlıklı yapılmış olacaktır. Yurdumuzda iklim koşullarından dolayı farklı bölgeler yılın farklı aylarında yağış almaktadır. Bunun için temmuz-ağustos ayının ölçüm için uygun olduğu belirtilmişse de esas husus toprağın kuru olmasıdır. Daha önceki kısımda toprak içerisinde %20 den fazla nem olması durumunda elektriksel iletkenliğin pek fazla artmadığı belirtilmişti. Konuyu tersten düşünecek olursak toprak özgül direncinin belirlenmesi amacıyla yapılacak olan ölçümlerde toprak nem oranının %20 den fazla olmaması gerektiği sonucuna ulaşırız. Aksi takdirde nemin % 30 seviyelerinde dahi olsa toprak özgül direnci yeterince düşmüş olacağından bize sağlıklı bilgi vermeyecektir. Bunun için toprağın mümkün olan en kuru ortamında ölçüm yapmanın zaruriyeti ortaya çıkacaktır

96 uç yöntemi Elektrik tesislerinde topraklamalar yönetmeliği nin Ek-N 1.maddesinde toprak özgül dirençlerinin ölçümünde, dört uç yöntemi ile yapılması gerektiği belirtilmiş ve wenner yöntemi tavsiye edilmiştir. 4 uç yöntemi, uçlar arasındaki mesafenin eşit ve eşit olmama durumuna göre ikiye ayrılır. Wenner 4 Metodu Meggerin dıştaki iki ucundan akım akıtılır ve içerdeki uçlar sayesinde gerilim düşümü prensibine göre toprak direnci ölçülür (Şekil 4.10). Şekil Toprak direncinin wenner-4 uç yöntemi ile ölçülmesi Wenner-4 uç metodu toprak özgül direncinin ölçümünde en popüler ölçüm yöntemidir. Kazıkların çok derine çakılmadan toprağın alt tabakaları hakkında bilgi vermesi ve işçiliğinin kolay olması avantajlarıdır. Bunun dışında toprak kazıklarının direnci ölçüm sonuçlarını ihmal edilecek oranda etkiler. Schlumberger-Palmer Metodu Bu metotta Wenner metodunun geliştirilmiş halidir (Şekil 4.11).

97 77 Şekil Toprak direncinin schlumberger-palmer yöntemi ile ölçülmesi Toprak özgül direnci aşağıdaki Eş ile hesaplanır. = πc ( c + d) R / d ρ (4.20) uç yöntemi: 4 uçlu yöntemlere alternatiftir. Toprak özgül direnci kazık boyuna ve çapına bağlı olarak değişir (Şekil ). Şekil uçlu toprak meggeri ve bağlantısı Toprak özgül direnci : 2πLr R ρ = ile hesaplanır. (4.21) 8Lr ln 1 d

98 78 Şekil Toprak direncinin 3 uç yöntemi ile ölçülmesi Toprak Meggerinin Çalışması Toprağın direncini ölçen cihazlara toprak meggeri denir. Toprak meggerleri alternatif akım gerilim düşümü prensibine göre çalışır. Toprak megerleri farklı şekillerde sınıflandırılabilir. Güç kaynağına göre ele aldığımızda kollu ve bataryalı olmak üzere iki çeşide ayrılır. Manyetolu olanlarda kolun dakikada belli bir tur sayısı ile çevrilmesiyle toprağa alternatif akım akıtılır (Resim 4.4). Kollu olmayan tiplerde ise güç kaynağı doldurulabilir bataryalardır (Resim 4.3).

99 79 Resim uçlu bataryalı toprak meggeri Toprak meggerlerini uç sayısına göre inceleyecek olursak 2,3, 4 ve 5 uçlu olmak üzere farklı çeşitleri vardır. 4 uçlu olanlarda İki akım ucu (C1-C2) ve iki gerilim ucu (P1-P2) bulunmaktadır. 5 uçlu olanlarda ise özgül direncin yüksek olduğu kumlu ve kayalık olan zeminlerde daha sıhhatli bir ölçüm yapılması için ekranlama için kullanılan G (Guard) ucu eklenmiştir. 5 uçlu toprak meggerleri 4 uçlulara göre daha gelişmiş modellerdir. Toprak içerisindeki DC karakterli yer akımları ile şebeke frekanslı kaçak akımların etkisi altında kalmamak amacıyla bu cihazların toprağa verdikleri akım AC olup frekansı şebeke frekansından farklıdır. Kollu olanlarında manyeto kolunun belli bir hızda çevrilmesi ile üretilen doğru akım aynı kranka bağlı mekanik esaslı gerilim envensörü vasıtasıyla C1 ve C2 uçlarına bağlı elektrotlara akım göndermektedir. Cihaz topraktaki gerilim düşümü prensibine göre çalıştığından P1 ve P2 uçlarında oluşan ve topraktan akıtılan akımla aynı frekanslı olan gerilim yine alette aynı kranka bağlı mekanik esaslı gerilim envensörü ile doğrultularak galvanometrenin gerilim bobinine uygulanır. Bir köprü devresi yardımı ile geçen akım sıfırlanarak bilinmeyen R direnci ayar köprüsü üzerindeki okunan değeri kademe çarpanı ile çarparak sonucu elde etmek mümkündür.

100 80 Resim uçlu manyeto kollu toprak meggeri Toprak Direnci Ölçüm Aralığı Toprak direnci ölçümlerinde elektrotlar arasındaki mesafenin artması ile test akımının aktığı derinlik aynı oranda artmaktadır. Böylece toprağın alt katmanları hakkında bilgi sahibi olmamız sağlanır. Elektrot aralığının a olarak kabul edersek, bu aralıkta H=0,75a dır. Örneğin 10 metrelik elektrot aralığında yaptığımız direnç ölçümünde yüzeyden 7,5 metre derinlikteki toprağın direncini ölçmüş oluruz [14]. Topraklama şebekesinin alanına eşit olan dairenin yarıçapına eşdeğer yarıçap denir. Topraklama projesi yapılacak olan yerin toprağının homojen olup olmadığının belirlenmesi için elektrot aralığı 1 m den başlayarak eşdeğer yarıçap uzunluğuna kadar artırmak gerekir. Özellikle 380 kv trafo merkezlerinde topraklama sahasının oldukça büyük olduğundan eşdeğer yarıçap 150 metre değerlerine ulaşabilmektedir. Daha düşük gerilim seviyelerindeki merkezlerde bu eşdeğer alan metre arasında değişebilmektedir. Fakat eşdeğer yarıçap değerinin 100 metre bile olması durumunda

101 81 bunun ölçümü oldukça zordur. Bunun için pratikte 60 metre mesafeye kadar yapılan ölçüm yeterlidir [14]. Ölçüm yapılacak olan sahada aynı noktada 1 metreden başlayarak ve 5m ile 15 m ölçüm aralığı değiştirilerek ölçüm yapılır. Örneğin sırasıyla 1m, 2m, 3m, 5m, 10m, 15 m, 30 m, 45 m ve 60 m ye kadar (eşdeğer yarıçapı geçmemek üzere) toprak özgül direnci ölçülebilir Toprak Direncinin Hesaplanması Toprak meggeri eğer toprak özgül direncini hesaplamadan yalnızca toprak direncini veriyorsa; bunu aşağıdaki Eş ile hesaplarız. ρ = 1+ 4π. a. R 2a 2 2 a + 4b a 2 a + b 2 (4.22) ρ R a b : Toprak Özgül Direnci (Ωm) : Toprak Direnci (Ω) : Elektrotlar arasındaki mesafe (m) : Elektrot çakılma derinliği (m) Toprak özgül direncini hesapladığımız Eş oldukça karmaşık yapıdadır. Elektrotlar arası mesafenin, elektrot uzunluğundan yeterince fazla olması durumunda eşitlikteki elektrot uzunluğunu ifade eden b yi sıfır kabul ederek formülü sadeleştirebiliriz. ρ = 2π.a.R (4.23) Burada yeterince fazla olması gerektiğinde dair mesafe IEEE standardında 0,1a>b olması durumunda geçerlidir.

102 82 a 10b Eş a>10b Eş kullanılır. Toprak özgül direnci ölçümünde kullanılan topraklama ölçüm kazıklarının yaklaşık 25 cm derinliğe çakıldığını düşünürsek 2,5 metre ve altındaki aralıklarda yapılan ölçümlerde Eş nin diğer durumda ise Eş ü kullanmak gerekir Toprak Direncinin Yorumlanması Topraklama projelerinde hesaplamalarda en önemli değişken veri toprak özgül direnç olduğundan dolayı bunun doğru ölçülmesinin yanı sıra değerlendirilmesi de çok önemlidir. Her ne kadar hassas ve iyi bir ölçüm yapılmış olsa da doğru değerlendirilememiş bir ölçüm sonucunda yapılan tasarım çalışması esnasında can ve mal güvenliğini riske atabilir. Sahanın toprak özgül direnci yukarıdaki bölümde bahsedildiği üzere eşdeğer yarıçapı geçmemek üzere 1m, 2m, 3m, 5m, 10m, 15 m, 30 m, 45 m ve 60 m ye kadar açılarak yapılır. Özellikle trafo merkezinin çok geniş bir alana yayılması durumunda aynı katmanın toprak özgül direnci saha içerisinde farklı değerler taşıyabilir. Sahanın belirgin şekilde bir kısmının toprak özgül direncinin tüm katmanlarda farklılık taşıması durumunda iki farklı topraklama tasarımı yapılabilir. Fakat zorunlu olmadıkça bu durumdan kaçınmak gerekir. Yapılan ölçünlerde aynı kazık mesafesi için bulunan değerlerin aritmetik ortalamaları alınarak, kazık aralıklarına göre toprak özgül dirençleri belirlenir ve bundan sonraki adımlarda sadece bunlar kullanılır. Bulunan toprak özgül dirençlerinin hesaplanarak tek bir özgül direnç değerinin elde edilmesi için toprağın homojen (uniform) olup olmadığının belirlenmesi gerekmektedir. Uniform toprak yapısında toprağın tüm katmanlarının bulunan ortalama özgül dirençte olduğu kabul edilir. Homojen olmayan (nonuniform)

103 83 modellemede ise toprağın h kalınlığındaki kısmı ρ 1 özgül direncinde ve geriye kalan sonsuz kısmı ise ρ 2 özgül direncinde kabul edilir Homojen (Uniform) Toprak Yapısı Toprak özgül dirençlerinin değerlendirilmesinde bir katmanın özgül direnci, diğer alt veya üst katmanın özgül direnci arasındaki farkın %30 dan az olması durumunda toprak homojen olarak kabul edilir. Bu durumda toprak özgül direnci; ρ a( ort1) ρ a(1) + ρ a(2) + ρ a(3) ρ a( n) = (4.24) n ρ + ρ + ρ + + ρ : 4 kazık veya 3 kazık yöntemi ile ölçülen ve kazık a( 1) a(2) a(3)... a( n) aralıklarına göre toprak özgül dirençleri n : Ortalaması alınan ölçüm aralığı sayısı Bunun dışında toprak özgül direnci daha kolay olarak Eş.4.25 ile de hesaplanabilir. ρ a( ort 2) ρ a(max) + ρ a(min) = (4.25) 2 ρ a(max) : Maksimum toprak özgül direnci ρ a(min) : Minumum toprak özgül direnci Topraklama ölçümlerinin kazık aralığına göre ortalama alınarak listelenmesi durumunda en büyük ortalama direnç maksimum direnç olarak, en düşük ortalama direnç ise minimum direnç olarak kabul edilir.

104 84 Topraklama kazıkları içermeyen topraklama ağlarında Eş nin kullanımı uygun değildir [7] Homojen Olmayan (Nonuniform)Toprak Yapısı Topraklama ölçümlerinin değerlendirilmesinde kazık aralıklarına göre ortalama ölçüm sonuçlarının sıralanmasında, bir ölçümün diğer ölçümden %30 fazla olması durumunda toprağın homojen olmadığı kabul edilir. Homojen olmayan topraklar iki tabakalı toprak olarak modellenir. Buna göre toprağın kalınlığı h ve özgül direnci ρ 1 olan bir üst tabaka ile ρ 2 özgül dirençli ve sonsuz derinlikteki bir toprak alt katmanından oluştuğu varsayılmıştır. Bu varsayım ile bulunacak sonuçların doğruluğu topraklama tasarımında yeterli doğruluk düzeyi sağlar. Homojen olmayan toprak modelinin sağladığı en büyük avantaj, topraklama kazıklarının derinliklerini belirlemesidir. Üst tabakanın alt tabakaya oranla daha yüksek özgül dirence sahip olması durumunda topraklama kazıkları hata akımlarını toprağın alt katmanına aktararak topraklama tesisinin görevini daha iyi yapmasını sağlar. Bunun için bu tür tabakalarda topraklama kazıkları mümkünse her iki tabakaya da temas etmelidir. Homojen olmayan toprak modelinde üst tabaka direnci adım ve dokunma gerilimlerinin hesaplanmasında, alt tabaka direnci ise topraklama yayılma direncinin hesaplanmasında kullanılır. Homojen olmayan toprak yapısında toprak katmanlarının direncini ve üst tabaka kalınlığını hesaplamak çok kolay değildir. Hesaplamalarda Sunde tarafından hazırlanan grafik metodundan yararlanılmaktadır (Şekil 4.14). Bu grafik Wenner 4 uç yöntemine göre hazırlandığından dolayı iki tabakalı modellerin özgül dirençlerinin hesaplanmasında Wenner 4 uç yöntemi ile ölçülmüş toprak özgül direnç değerleri kullanılmalıdır.

105 85 Şekil Sunde nin Grafik Metodu Çift katmanlı toprak yapılarında Sunde nin grafik metodunun kullanılarak nasıl hesap yapıldığını bir örnek üzerinde incelemek daha anlaşılır kılacaktır. Sahada yapılan toprak özgül direnci ölçümlerinin aşağıdaki Çizelge 4.9 daki gibi olduğunu düşünelim.

106 86 Çizelge 4.9. Sunde nin grafik metodu için örnek topraklama ölçümleri Ölçüm no Kazıklar arası mesafe (m) Toprak Özgül Direnci (Ωm) 1 0, , , , Bu verilerden yararlanarak toprak özgül direncinin ölçüm mesafesine göre nasıl değiştiğini gösterir MS Excel 2003 ile grafiğini çizebiliriz (Şekil 4.15).

107 87 Özgül Direnç Değişimi Özgül Direnç Ölçüm Mesafesi Şekil Sunde nin grafik metodu için ölçüm mesafesi-özgül direnç grafiği Sunde nin grafik metodu ile yalnızca üst katmanın kalınlığı hesaplanmaktadır. Bunun için yukarıdaki grafikten yararlanarak alt ve üst katmanları belirlemeliyiz. Burada dikkat edilecek husus ρ 1 nin kısa aralığından, ρ 2 nin ise geniş alandan seçilmesidir. Bu bilgiye göre üst tabakanın özgül direncini 100 Ωm ve alt tabakanın özgül direncini grafiğin tahminen düzeleceği 300 Ωm olarak alabiliriz. Sunde nin grafiğini kullanmak için ihtiyaç duyulan bilgiler ρ 2 /ρ 1 dir. ρ 2 /ρ 1 = 3/1 = 3 dür. Şekil 4.14 de sol kısımda ρ 2 /ρ 1 oranları verilmiştir. Grafiğin orijinal halinde bu oranın 3 olduğu durum için çizim mevcut değildir. Diğer oranlardan yola çıkarak ihtiyaç duyduğumuz oranı grafik üzerinde işleyebiliriz (Şekil 4.16).

108 88 Bu grafikte ρ 2 /ρ 1 nin y ekseninde artışının durmaya doğru gittiği nokta grafikten belirlenecek bilgiler için kritik öneme sahiptir. Şekil Sunde nin grafik metodunun örnekte kullanımı Grafikten ρ a /ρ 1 = 2 ve a/h =2,75 bilgilerini elde ederiz. O halde; ρ a = ρ 1.2 = 200 Ωm dir. Şekil 4.15 deki grafiği kullanarak ρ a =200 Ωm değeri için a aralığı yaklaşık olarak 19 metre olarak alınabilir.

109 89 Sonuç olarak; Sunde nin grafiğinden a/h değerini 2,75 ve toprak özgül direnç ölçümlerinden 200 Ωm için a aralığını 19 metre olarak belirledikten sonra h değerini 6,9 metre olarak buluruz. Buna göre iki tabakalı toprak yapısı, 100 Ωm özgül direncinde (ρ 1 ) 6,9 metre kalınlığında bir tabaka ile 300 Ωm özgül direncinde (ρ 2 ) sonsuz kalınlıkta ikinci bir katmandan oluşmaktadır Topraklama Direncinin Hesaplanması Basit topraklama direnci hesabı Toprak özgül direncinin belirlendikten sonra topraklama sisteminin direncinin hesaplanabilir. Topraklama direnci öncelikle topraklama ağının kapladığı alana bağlıdır. Homojen yapıya sahip toprak yapısı içinde topraklama sisteminin kapladığı tüm alan yarı küre elektrot kabul edilerek Eş ile hesaplanabilir. R g ρ π = (4.26) 4 A R g : Trafo merkezi topraklama özgül direnci A : Topraklama sisteminin kapladığı alan (m 2 ) ρ : Toprak özgül direnci (Ωm) Eşitlik; Laurent ve Niemann tarafından geliştirilmiş ve ikinci bir terim olarak topraklama ağlarını oluşturan iletkenlerin uzunluğu eklenmiştir. Bu eklentiyle Eş.4.26, Eş.4.27 şeklini almıştır. R g ρ π ρ = + (4.27) 4 A L T L t : Toplam iletken uzunluğu (m)

110 90 Eşitliğe ikinci bileşen eklenmesiyle toprak direncinin arttığı görülmektedir. Eş.4.26 ile Eş.4.27 arasındaki farkın kapatılması için sonsuz miktarda topraklama iletkeni döşenmeli ve böylece son bileşen L t nin sonsuz değerini almalıdır. Bahse konu her iki eşitlikte de topraklama kazıklarının boyları topraklama iletkeni miktarına eklenmektedir. Sverak Eş.4.27 ye topraklama iletkenlerinin döşendiği derinlik faktörünü de ekleyerek Eş.4.28 elde edilmiştir. R g = ρ (4.28) L T 20. A h A h : Topraklama iletkenlerinin gömülme derinliği (m) Scwartz eşitliği ile topraklama direnci hesaplama Scwharz homojen toprak içerisindeki topraklama iletkenlerini yatay ve topraklama kazıklarını dikey elemanlar olarak modelleyerek toprak direncinin hesaplanmasını sağlayan yeni bir eşitlik oluşturmuştur. Scwartz ın eşitliğinde topraklama iletkenleri R 1, topraklama kazıklarının direnci R 2 ve bunların arasındaki karşılıklı ifna direnci ise R M olarak tanımlanmıştır. R g 2 M R1. R2 R = (4.29) R. R + 2R 1 2 M R 1 : Topraklama ızgarası iletkenlerinin direnci (Ωm) R 2 : Topraklama kazıklarının direnci (Ωm) R M : Topraklama ızgarası iletkenleri ile topraklama kazıkları arasındaki karşılıklı direnç (Ωm)

111 91 Topraklama ızgarası direnci (R 1 ) (4.30) L C a : Topraklama iletkeni uzunluğu (m) : İletken yarıçapı (m) a : (a.2h) 0,5 (m) h : Topraklama iletkeni gömülme derinliği (m) A : Topraklama ızgarasının kapladığı alan (m 2 ) k 1 ve k 2 : Scwharz katsayıları Topraklama kazıkları direnci (R 2 ) (4.31) L R : Topraklama kazıklarının boyu (m) 2b: Topraklama kazıklarının çapı (m) n R : Alanda kullanılan topraklama kazığı miktarı (adet) k 1 : Scwharz katsayısı Topraklama ızgarası ile kazıkları arasındaki etki direnci (R M ) (4.32) A: Topraklama ızgarasının kapladığı alan (m2) k 1 ve k 2 : Scwharz katsayıları L C L R a : Topraklama iletkeni uzunluğu (m) : Topraklama kazıklarının boyu (m) : İletken yarıçapı (m)

112 92 Formüllerin incelenmesi sonucunda; topraklama ızgarası direnci ve topraklama kazıkları direnci, bunların birleşik topraklama direncinden daha büyük olacaktır. Topraklama ağında, toprak kazıklarının bulunmadığı durumlarda Eş.4.28 in kullanılması daha uygun olacaktır Schwarz eşitliği katsayıları (k 1 ve k 2 ) Gerçek ağın, kare biçimli ağdan sapma durumunu göz önüne alan katsayılar olup Şekil 4.17 ve Şekil 4.18 deki grafikler yardımı ile bulunur. Şekil Schwarz eşitliğinin k 1 katsayısı

113 93 Şekil Schwarz eşitliğinin k 2 katsayısı Yukarıdaki her iki grafik içinde Eğri A : h = 0 Eğri B : h = A 10 Eğri C : A h = temsil etmektedir. 6 Trafo merkezinin topraklama alan değerini kullanarak her 3 grafikte belirtilen h değerleri hesaplanır. Daha sonra topraklama iletkenlerinin gömülme derinliği ile bulunan değerler karşılaştırılarak en yakın eğri seçilir. Topraklama ağındaki uzun kenarın kısa kenara bölümü ile bulunan değerinin belirlenen eğri ile kesiştiği noktadaki y ekseni değeri k 1 ve k 2 katsayılarını verir. Eğri dışında aşağıdaki formüller ile de katsayılar hesaplanabilir.

114 94 k 1 katsayısı için : Eğri A = 0,04X Y A Eğri B = 0,05X Y B Eğri C = 0,05X Y C k 2 katsayısı için : Eğri A = 0,15 X Y A Eğri B = 0,10 X Y B Eğri C = 0,05X Y C Dokunma (Ağ) Geriliminin Hesaplanması Topraklama tasarımı yaparken geçmiş deneyim ve tecrübeler çok önemlidir. Topraklama tasarımında öncelikli trafo merkezi alanının tümünü kapsayacak şekilde bir ağ oluşturulmalıdır. Bundan sonra ağ belli oranda dikey ve yatay iletkenlere bölünerek ızgaralar ve topraklama kazıkların yerleştirilmesi ile bir proje taslağı oluşturulur. Geniş trafo merkezlerinde topraklama hesaplamaların mühendisliğin temel mantığına uyacak şekilde en ekonomik şekilde tasarlamak gerekir. Bunun için taslak projenin limitleri kurtardığı durumda, limitler ile hesaplanan değerlerin karşılaştırılarak arada çok farkın olması durumunda projede iletkenler arası genişliğin artırılması ile yeniden denemeler yapılabilir. Şüphesiz ki en iyi toprak projesi ihtiyaçları gören en ekonomik tasarımdır. Ağ gerilimi birçok faktöre bağlı olarak aşağıdaki Eş.4.33 ile belirlenir. ρ. K. K. I = [7] (4.33) m i. G E m LM

115 95 ρ K m K i I G L M : Toprak özgül direnci (Ωm) : Basitleştirilmiş, ağ geriliminde aralık faktörü : Basitleştirilmiş, ızgara parametresini doğrulama faktörü : Hata akımı (A) : Ağ geriliminde etkin uzunluk (m) Ağ gerilimini Eş den bulmak için K m,k i ve L M nin ayrıca hesaplanmaları gerekmektedir. IG hata akımı ise topraklama projesinin tasarım kriterinde kullanılan bilgi olup ayrıca hesaplanmayacaktır. Sverak a göre K m değeri Eş.4.34 ile hesaplanır. K m = D ( D+ 2h) ln + 16h * d 8D* d 2 h d 4 K + K ii h 8 ln π(2n 1) π [7] (4.34) D h K ii K h n : Uzun iletkenler arasındaki mesafe :Topraklama iletkenleri gömülme derinliği : Ağ köşesindeki dâhili iletkenlerin doğrulama faktörü : Izgara derinliğinin ek doğrulama faktörü :Topraklama ağının geometrik şekline bağlı faktör Km değerinin tespit edilebilmesi için K ii, K h ve n in formüller ile belirlenmesi gerekir. K ii değeri topraklama kazıkların yerleşimine göre hesaplanır. Topraklama kazıkları, ızgaranın köşelerine yerleşmiş ise Kii=1 kabul edilir.

116 96 Topraklama kazıkları köşeye yerleşmemiş veya topraklama ızgarasında birkaç kazık bulunması durumunda Eş.4.35 kullanılır. Mevcut birkaç kazığın topraklama alanın çevresinin üzerinde bulunmasında da bu eşitlik uygulanmaz. Eşitliğin uygulanmadığı durumlarda 1 kabul edilir. 1 = [7] (4.35) (2. n) K ii 2 / n n : Topraklama ağının geometrik şekline bağlı faktör Topraklama ağının geometrik şeklinden kaynaklanan katsayı ise aşağıdaki şekilde hesaplanır. n n. n. n. n = a b c d (4.36) n a, n b, n c, n d :Geometrik şekle bağlı faktörler n 2. L c a = [7] (4.37) Lp L c L p : Topraklama iletkenlerinin toplam uzunluğu : Topraklama alanının çevresi n b = Eğer topraklama alanı kare ise 1 alınır. Aksi durumda; Lp nb = 4. A [7] (4.38) L p : Topraklama alanının çevresi A : Topraklama ağının alanı

117 97 nc = Eğer topraklama alanı kare veya dikdörtgen ise 1 alınır. Aksi durumda; n c 0.7 A L x. L y Lx. Ly = A [7] (4.39) L x L y : Topraklama alanının boyuna kenar uzunluğu : Topraklama alanın enine kenar uzunluğu n d = Eğer topraklama alanı kare, dikdörtgen veya L şeklinde ise 1 alınır. Aksi durumda; n d D = m [7] (4.40) 2 2 Lx + Ly L x L y D m : Topraklama alanının boyuna kenar uzunluğu : Topraklama alanın enine kenar uzunluğu : Topraklama ızgarasında iki nokta arasındaki maksimum mesafe K h değeri ise ; h K h = 1+ [7] (4.41) h 0 h h 0 : Topraklama iletkenleri gömülme derinliği : Referans olarak kabul edilen gömülme derinliği (1 m alınır) Böylece K m değerinin hesaplanması için formüldeki tüm bileşenleri bulduk.

118 98 Ağ gerilimin hesaplanması için ise K i ve L m nin de hesaplanması gerekecektir. K i = 0, , 148n (4.42) L M değeri de topraklama kazıkların yerleşimine göre hesaplanır. Topraklama kazıklarının olmadığı veya birkaç topraklama kazığının mevcut olduğu topraklama ağlarında Eş.4.43 ile L M hesaplanır. Fakat topraklama kazıklarını köşede veya alanın çevresinde bulunması durumunda bu formül kullanılamaz. L = L + L (4.43) M c R L C L R : Topraklama iletkenlerinin toplam uzunluğu : Topraklama kazıklarının toplam uzunluğu Yukarıdaki durumun aksi halinde, ağın çevresinde veya köşelerde topraklama kazıklarının olması durumunda ise; L = + + L [7] (4.44) r L m Lc 1,55 1,22 * 2 2 Lx L y + R L C L x L y L R : Topraklama iletkenlerinin toplam uzunluğu : Topraklama alanının boyuna kenar uzunluğu : Topraklama alanın enine kenar uzunluğu : Topraklama kazıklarının toplam uzunluğu Tüm bu veriler ile E m ağ gerilimi hesaplanabilir. Daha önceki bölümlerde yüksek gerilim tesisi için maksimum dokunma geriliminin hesaplanmasına ilişkin formülü türetmiştik. Bu iki değeri karşılaştırarak E m değerinin maksimum dokunma

119 99 geriliminden küçük olması durumunda topraklama projesinin tasarımının bir adımı daha gerçekleşmiş olacaktır Adım Geriliminin Hesaplanması E ρ s I G K s K i L S ρ* I * K L G s i = [7] (4.45) s * K : Toprak özgül direnci (Ωm) : Hata akımı (A) : Basitleştirilmiş, adım geriliminde aralık faktörü : Basitleştirilmiş, ızgara parametresini doğrulama faktörü : Ağ geriliminde etkin uzunluk (m) L = 0,75. L + 0,85. L (4.46) S c R L C L R : Topraklama iletkenlerinin toplam uzunluğu : Topraklama kazıklarının toplam uzunluğu K s değeri ise; Eş.4.47 ile topraklama iletkenin gömülme derinliğinin 0,25 ile 2,5 metre arasında döşendiği durumlarda geçerlidir. Topraklama iletkenlerinin gömülme derinlikleri daha önceki kısımlarda ayrıntısı ile anlatıldığı gibi, mekanik etkilerden korunacağı ve donma seviyesinin altında kalacak derinliklerde tesis edilmelidir. Ülkemiz şartlarında maksimum donma noktasının 1.5 metre olduğu düşünülürse, formül tüm şartlar için kullanılabilecektir. K s 1 n 2 ) = π (1 0,5 h D + h D [7] (4.47)

120 100 D h n : Uzun iletkenler arasındaki mesafe : Topraklama iletkenleri gömülme derinliği : Topraklama ağının geometrik şekline bağlı faktör Bu veriler ile adım gerilimini (E s ) hesaplayabiliriz. Daha önceki bölümlerde yüksek gerilim tesisi için maksimum adım geriliminin hesaplanmasına ilişkin formülü türetmiştik. Bu iki değeri karşılaştırarak E s değerinin maksimum adım geriliminden küçük olması durumunda topraklama projesinin tasarımı şimdiye kadar bulduğumuz değerlerinde uygun olduğunu düşünerek tamamlanmış olacaktır.

121 CYMGRD PROGRAMI VE ANALİZLER Merkezi Kanada da bulunan CYME International T&D şirketi tarafından hazırlanan CYMGRD programı ile IEEE standardına göre adım, dokunma gerilimleri ile toprak direnci hesaplanmakta ve hazırlanan topraklama projelerinin analizinin yapılması mümkün olmaktadır. Programla, ölçülen toprak özgül direnci bilgisi ve projesi hazırlanacak merkeze ait karakteristik bilgiler verilerek toprak analizi yapılabilmektedir. Ayrıca topraklama ağına ait bilgilerinin girilmesi ile de topraklama ağına ait ağ ve adım gerilimleri hesaplanmakla topraklama analizi yapmak mümkün olmaktadır. Bu bölümde CYMGRD programının kullanımından ve özelliklerinden bahsedilecektir Analizler Toprak analizi Toprak analizinde; temel amaç toprak özgül direncinin hesaplanmasıdır. Program bunun için birkaç seçenek sunmaktadır (Şekil 5.1). Model bölümünden seçilen; Uniform ile; toprağın tek katmandan oluştuğu kabul edilmektedir. Yapılan analiz sonucunda tek bir toprak özgül direnci oluşacaktır. Two-layer ile; toprağın homojen olmadığı düşünülerek iki katmanlı analiz yapılması sağlanmaktadır. Bu durumda program analiz sonucunda; üst katmana ait özgül direnç ile kalınlığı ve alt katmanın özgül direncini vermektedir. User defined ile toprak özgül dirençleri her iki katman içinde kullanıcı tarafından girilmektedir.

122 102 Şekil 5.1. CYMGRD toprak analizi parametre giriş ekranı Safety bölümünden seçilen ; IEEE ile; adım ve dokunma gerilimlerinin hesaplamalarını bu standarda göre yapmaktadır. Bunun için hata süresi, kişi ağırlığı, yüzey kaplama malzemesi ile kalınlığı belirtilmektedir. Yüzeye serilecek olan malzemenin özgül direnci, malzeme türlerinden seçilebileceği gibi istenen bir değer var ise user defined ile girilebilmektedir.

123 103 User defined ile adım ve dokunma ve adım gerilimleri manüel olarakta seçilebilmektedir. En alttaki bölüme ortam sıcaklığı (ambient temperature) bilgisi girilmektedir. Girilen bilgi topraklama ağında kullanılacak olan topraklama iletkenin kesitinin belirlenmesinde kullanılacaktır. Ortam sıcaklığı olarak maksimum ortam sıcaklığı değerini almak gerekir. Her ne kadar bulunan coğrafyaya göre değişse de bu değer genelde C arasındadır. Toprak analizi için parametrelerin girilmesinden sonra; sahada ölçülmüş olan toprak özgül direnç değerlerinin programa aktarılması gerekmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta aynı kazık aralıklarındaki farklı ölçümlerinin girilemeyeceğidir. Bunun için sahada aynı kazık aralığı için ölçülmüş sonuçların ortalama alınarak programa aktarılmasıdır (Şekil 5.2). Yapılan ölçümler toprak özgül direnci olarak girilebileceği gibi aynı zamanda toprak direnci olarakta girilmekte, hesabı program yapmaktadır. Şekil 5.2. CYMGRD toprak özgül direnci giriş ekranı

124 104 Bu bilgilerden sonra toprak analizi sonuçlarını alabiliriz. Toprağın homojen (uniform) olduğunu kabul edersek; Şekil 5.3 de toprak özgül direnci grafiğini ve Şekil 5.4 de izin verilebilir maksimum dokunma ve adım gerilimlerinin sonuçlarının yer aldığı toprak analiz raporu programdan alabiliriz. Şekil 5.3. CYMGRD tek tabakalı toprak özgül direnci grafiği Şekil 5.4. CYMGRD tek tabakalı toprak analiz raporu

125 105 Şekil 5.5. CYMGRD iki tabakalı toprak özgül direnci grafiği Şekil 5.6. CYMGRD iki tabakalı toprak analiz raporu Çok tabakalı model için programa girilen toprak özgül direnci Şekil 5.5 de görüldüğü gibi bir özgül direnç-mesafe grafiği üzerine yerleştirilmiş ve program tarafından noktaları içine alacak şekilde bir grafik çizilerek ölçüm yapılmayan toprak

126 106 aralıkları için özgül direnç değerleri hesaplanmıştır. Ölçüm yapılan aralıklarda hesaplanan değerlerin kıyaslanması neticesinde bir hata oranı tespit edilir. Çizelge 5.1 deki hata oranları Eş. 5.1 e göre hesaplanmıştır. RMS hata = N i 2 hata ( i) N (5.1) Kısaca tüm hata oranlarının kareleri toplamının karekökü ile ortalama hata oranı hesaplanır. Ortalama hata oranın üzerindeki hesaplama noktaları kırmızı tabanlı gösterilir. Tüm serinin tahmin edilmesinden sonra mevcut ölçüm değerleri ile kıyaslandığında ortalama hatanın % 7,48 olduğu ve iki noktada hatanın ortalama üstünde olduğu görülmektedir. Çizelge 5.1. CYMGRD toprak özgül direnci tahminin hata oranı Şekil 5.6 da yer alan çok tabakalı modele ait yapılan analiz sonucunda toprağın; 5,76 metre derinliğinde 299,5 Ωm özgül direncinde üst toprak tabakası ile 88,53 Ωm özgül direncinde sonsuz kalınlıktaki yapıdan oluştuğu kabul edilmiştir.

127 Topraklama Ağı Analizi Toprak analizinin tamamlanmasından sonra, topraklama ızgara analizi için en önemli unsur bir topraklama ağının yüklenmesidir. CYMGRD programında ağda kullanılacak olan iletkenler koordinatlarıyla tek tek girilmelidir. Bunun oldukça zor ve çizim mantığından uzak olmasından dolayı, asimetrik iletkenler ile topraklama yapılacak saha belirlenip (Şekil 5.7), daha sonra Şekil 5.8 deki menü adımıyla hazırlanan tasarım Autocad dosyası olarak oluşturulur. Şekil 5.7. CYMGRD asimetrik iletkenlerle topraklama ağı oluşturma Autocad de açılan çizim üzerinde (Şekil 5.9) gerekli topraklama ağı çizimleri daha kolay yapılır (Şekil 5.10)

128 108 Şekil 5.8. CYMGRD ile oluşturulan topraklama ağının Autocad e aktarılması Şekil 5.9. CYMGRD de çizilen iletkenlerin Autocad görüntüsü

129 Şekil 5.10 Topraklama ağına Autocad de ilaveler yapılması 109

130 110 Şekil Autocad de geliştirilen çizimin CYMGRD e aktarılması Topraklama ızgarası çizildikten sonra, tekrar CYMGRD programı ile açılarak (Şekil 5.11) topraklama ızgara analizi yapılabilir. Bu analizden sonra contour ve profilo komutları çalıştırılarak, adım ve temas gerilimleri ile ağ üzerindeki potansiyel dağılımı izlenebilir (Şekil ). Topraklama projeleri üzerinde detaylı inceleme yapmak için, ağın sıklığı, geometrik yapısı, kazıkların sayı ve yeri değiştirilerek çeşitli incelemeler yapılabilir. Dokunma ve adım gerilimlerinin maksimum değerler üzerinde olduğunda ağ üzerinde sıklaştırma ve ağın genişletilmesi yöntemiyle limitler içerisine çekilmeye çalışılmalıdır. Daha önce de ifade edildiği gibi, önemli olanın mühendislik temel felsefesini göz ardı etmeden standartları karşılayan ekonomik çözümlerin üretilmesidir.

131 111 Şekil CYMGRD ile örnek adım ve dokunma gerilimleri grafiği Şekil CYMGRD ile örnek potansiyel dağılımı çizimi

132 CYMGRD ile Topraklama Analizinin Değişkenlerle İncelenmesi CYMGRD programı ile ilk olarak; 154 kv bir elektrik tesisi için tüm değişkenlerin sabit kaldığı sadece birinin değiştiği durumlar için analizler yapılmıştır. Program ile öncelikle toprak analizi, elektrot analizi ile topraklama ağına bağlı olarak analizler incelenecektir. Değişkenlerin inceleneceği örnek için 154 kv GIS merkezler için ortalama değerler alınarak gerçekçi bir örnek üzerinde inceleme yapılması sağlanmıştır. Toprak Özgül Direnci Şok Süresi İnsan Ağırlığı Yalıtkan Tabaka Direnci Yalıtkan Tabaka Kalınlığı Ortam Sıcaklığı İletken Gömülme Derinliği Arıza Akımı Ağ : 30 Ωm : 1 sn : 70 kg : 2500 Ωm : 0,15 m : 40 0 C : 0,5 m : A : 80 m x100 m (Toplam 1780 m iletken) Yukarıdaki verilere göre CYMGRD ile toprak analizi yaptığımızda, izin verilebilir maksimum adım gerilimi, izin verilebilir maksimum dokunma gerilimi ve iki farklı malzeme arasındaki yansıma katsayısı değeri hesaplanmaktadır (Şekil 5.14). Müsaade edilen adım ve dokunma gerilimi değerlerini vücut ağırlığı, yalıtkan tabaka kalınlığı, cinsi ve toprak özgül direncine göre nasıl değiştiği aşağıda incelenmiştir.

133 113 Şekil Analiz örneği için toprak raporu Vücut ağırlığına göre izin verilen maksimum dokunma ve adım gerilimi değişimi 70 kg için; müsaade edilebilir maksimum dokunma gerilimi: 611,51 volt 50 kg için; müsaade edilebilir maksimum dokunma gerilimi: 451,8 volt 70 kg için; müsaade edilebilir maksimum adım gerilimi: 1975,06 volt 50 kg için; müsaade edilebilir maksimum adım gerilimi: 1459,2 volttur. İzin verilen maksimum adım ve dokunma gerilimlerinin kişi ağırlığına göre değişmesindeki temel sebep, insan vücuduna göre müsaade edilebilir fibrilasyon akımlarının farklı olmasıdır. Yüksek gerilim tesislerinde çalışanların ortalama olarak yetişkin bireyler olarak düşünüldüğünde hesaplamalarda 70 kg alınması uygun olacaktır (Şekil 5.15).

134 114 Gerilim (volt) kg 50 kg Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi 70 kg 50 kg Dokunma Gerilimi 611,51 451,8 Adım Gerilimi 1975, ,2 Şekil Dokunma ve adım geriliminin vücut ağırlığına göre değişimi Yalıtkan kalınlığına göre dokunma ve adım gerilimi değişimi Topraklama şebekesi yapılan yerde en önemli hususlardan biride toprak ile canlı arasında yalıtkan tabaka sağlanmasıdır. Yalıtkan tabakanın suyu emerek toprağa iletmesi de önemli bir husustur. Bunun için yalıtkan seçiminde asfalt yerine yüksek dirençli çakıl taşının seçilmesi daha uygun olacaktır. Tüm değişkenleri sabit tutarak, şebeke üzerine serilen yalıtkan malzemesi kalınlığı 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 200 cm kalınlığındaki tabakalara göre analiz edilmiştir (Çizelge 5.2). Bu analizler sonucunda topraklama şebekesinin izin verilebilir maksimum adım ve dokunma gerilimi değerlerinin önceleri hızlı bir şekilde yükseldiği daha sonra ise artırılan kalınlık ile çok fazla değişmediği gözlemlenmiştir. Şekil 5.16 daki grafiğin incelenmesinde yalıtkan malzeme kalınlığı için cm arası optimal bir çözüm olarak görünmektedir. Malzemenin pahalılığından dolayı çok fazla kullanılması sağlayacağı az bir yarar yanında fazla bir maddi yekûn oluşturacaktır. Ayrıca şalt sahalarında arıza durumlarında malzeme

135 115 sökme takma işlemleri için vinç gibi ağır tonajlı motorlu araçların kullanılacağından dolayı fazla çakıl taşı çalışma bakımından zorluk yaratabilir. Çizelge 5.2. Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan kalınlığına göre değişimi Kalınlık (cm) Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi G erilim (volt) Yalıtkan Tabaka Kalınlığı (cm) Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi Şekil Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan kalınlığına göre değişimi

136 Yalıtkan cinsine göre dokunma ve adım gerilimi değişimi Kullanılan yalıtkan malzeme kadar, toprak özgül direncinin de önemi vardır. Asfaltın direncinin Ωm ve ortalama çakıl taşının direncini 2500 Ωm olarak alabiliriz. Burada yapılacak olan analizlerde ise 500 Ωm den Ωm e kadar çeşitli yalıtkan malzeme (Çizelge 5.3) dirençlerine göre izin verilebilir adım ve dokunma gerilimi değişimi incelenmiştir (Şekil 5.17). Çizelge 5.3. Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan cinsine göre değişimi Özgül Direnç Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi Gerilim (volt) Malzeme Özgül Direnci (Ωm) Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi Şekil Dokunma ve adım geriliminin yalıtkan cinsine göre değişimi

137 117 Çizelge 5.3 ve 5.17 nin incelenmesi ile malzemenin yalıtkanlığının artması ile lineer bir şekilde dokunma ve adım gerilimlerinin arttığı görülmüştür. Malzemenin özgül direncinin % 100 artışına karşılık izin verilebilir dokunma gerilimi, yaklaşık % 45; izin verilebilir maksimum adım gerilimi ise % 75 oranında artmıştır Toprak özgül direncine göre dokunma ve adım gerilimi değişimi Toprak özgül direnci, topraklama projelerinin tasarımlarında temel girdi olmasına rağmen, toprak yüzeyin yüksek bir malzeme ile kaplanması durumunda izin verilebilir adım ve dokunma gerilimi değerine etkisi kısıtlı olmaktadır. Cs yansıma katsayısının maksimum 1 olmasından dolayı, özgül direncin yalıtkan tabakanın özgül direncini geçmesi durumunda katsayı sabit kalacağından izin verilebilir adım ve dokunma gerilimi değerleri değişmeyecektir. Çizelge 5.4. Dokunma ve adım geriliminin toprak özgül direncine göre değişimi Özgül Direnç Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi

138 Gerilim (volt) Toprak Özgül Direnci (Ωm) Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi Şekil Dokunma ve adım geriliminin toprak özgül direncine göre değişimi Çizelge 5.4 ve 5.18 de görüleceği gibi toprak özgül direncinin artmasına karşılık izin verilebilir adım ve dokunma gerilimi çok fazla değişmemektedir. Dokunma ve adım gerilim değerleri yalıtkan malzeme özgül direnci olan 2500 Ωm den sonra değişmemekte sabit kalmaktadır. Toprak özgül direncinin izin verilebilir maksimum dokunma ve adım gerilimi üzerindeki etkisi her ne kadar az olsada, daha sonraki kısımlarda incelenebileceği gibi hesaplanan dokunma ve adım gerilimi üzerinde etkisi çok daha fazla olacaktır Arıza temizleme süresine göre maks. dokunma ve adım gerilimi değişimi İnsan vücudundan tehlike olmadan akacak akım miktarı daha öncede açıklandığı gibi süreye bağlıdır. Bunun için şalt sahasında herhangi bir izolasyon hatası olması durumunda izin verilebilir maksimum dokunma ve adım gerilimlerinin hesaplandığı formüllerde zaman faktörü de bulunmaktadır.

139 119 Çizelge 5.5 ve Şekil 5.19 da tüm değişkenlerin sabit kalıp, 0.1 saniye ile 3 saniye arasındaki arıza temizleme süresine karşılık izin verilebilir maksimum adım ve dokunma gerilimlerini nasıl değiştirdiğini gösteren tablo ve grafikler yer almaktadır. Çizelge 5.5. Maksimum dokunma ve adım geriliminin arıza temizleme süresine göre değişimi Arıza Süresi Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi 0, , , , , , , Gerilim (volt) ,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 Arıza Temizleme Süresi (sn) Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi Şekil Maksimum dokunma ve adım geriliminin arıza temizleme süresine göre değişimi

140 120 Şekil 5.19 dan görüleceği üzere, arıza temizleme süresinin artması ile izin verilen maksimum adım ve dokunma gerilimleri hızlı bir şekilde düşmektedir. İnsan vücudunda tehlikeli fibrilasyona neden olacak akım şiddeti maruz kalınacak olan süreye bağlı olduğundan (Bkz. Şekil 4.1.) izin verilebilir maksimum adım ve dokunma gerilimleri buna bağlı olarak değişmektedir. Genel olarak arıza temizleme süreleri kesici açma zamanı, röle haberleşmesi v.s. sürelerin toplamı olsada topraklama projelerinde bu değerlerin daha üstünde bir süre belirlenerek, hesaplamalar bu kabullenmeye göre yapılır. Toprak raporu sonucunu etkileyen değişkenlerden sonra, topraklama ağında kullanılacak olan iletkenin kesitinin belirlenmesini etkileyen faktörler incelenmiştir. CYMGRD ile yapılan topraklama elektrotu analizinde farklı topraklama elektrotları ve ek türü kullanılacak iletkeninin kesitini değiştirmektedir. Topraklama şebekelerinde yüksek iletkenliği ve toprak altında korozyona olan dayanımından dolayı genelde bakır iletken tercih edilir. Örneğimiz için bakır iletken ve ısıl kaynak kullanacağımızı belirlediğimizde program minimum 114 mm 2 kesitinde topraklama iletkeni öngörmektedir (Şekil 5.20) Şekil Analiz örneği için topraklama elektrotu raporu

141 Topraklama iletkeni türüne göre iletken kesiti değişimi Topraklama iletkeni olarak bakır, bakır kaplı çelik, alüminyum ve alüminyum kaplı çelik kullanımı durumunda iletken kesiti değişimi Şekil 5.21 de görülmektedir. 300 İletken kesiti (mm2) Bakır Bakır kaplı çelik Alüminyum Alüminyum kaplı çelik Malzeme Türü Şekil İletken kesitinin topraklama iletkeni türüne göre değişimi Yapılan inceleme sonucunda, bakırın yüksek iletkenlik özelliğinden dolayı diğer materyallere göre daha ince kesitli kullanılması mümkün olmaktadır. Bakıra en yakın alüminyumun toprak içerisinde korozyona daha dayanıksız olmasından dolayı topraklama şebekesinin uzun süre işlevini yerine getirmesi uygun değildir Topraklama ekine göre iletken kesiti değişimi Topraklama şebekelerinde kullanılacak olan topraklama iletkeni kesitini belirleyen bir diğer faktörde kullanılacak olan iletken bağlantı yöntemleridir. Müsaade edilen maksimum sıcaklık (T m ) değerinin ek yapısına bağlı olarak değişmesinden dolayı iletken kesiti değişmektedir.

142 122 Isıl kaynak kullanıldığında müsaade edilen maksimum sıcaklık değeri C iken, presli ekte ise bu değer C değerine düşmektedir. Şekil 5.22 de yapılan analiz ile ısıl kaynak kullanılarak bakır topraklama ağı tesis edileceği tasarlandığında iletken kesiti 114 mm 2 bulunmuştur. Bu değer presli ek elemanları kullanılarak yapıldığında ise iletken 191 mm 2 kalınlığa çıkmaktadır. Şekil Topraklama iletkeni kesitinin topraklama ekine göre değişimi Değişkenlerin inceleneceği örnek için 80x100 boyutlarında bir topraklama ağı tasarlanmış ve bunlar 10 m x10 m lik gözlere ayrılmıştır. Topraklama ağı analizi ile (Şekil 5.23) öncelikle toprak özgül direnci, topraklama iletkeni gömülme derinliği, iletken miktarı ile topraklama ağı alanının değişimi ile nasıl değiştiği incelenmiştir. Şekil Analiz örneği için topraklama ağı raporu Toprak özgül direncine göre topraklama direnci değişimi Bölüm da topraklama özgül direncinin değişimi ile izin verilebilir adım ve dokunma gerilimi incelenmiş; bunun neticesinde topraklama şebekesinde yalıtkan tabaka olması durumunda, özgül direncinin değişiminin çok fazla etki yapmadığı görülmüştü. Toprak özgül direncinin topraklama ağındaki en önemli etkisi topraklama direncini değiştirmesidir. Topraklama kazıklarının olmadığı şebekede topraklama direnci Eş.4.28 ile belirlenmektedir. Bu eşitliğe göre toprak özgül direncinin değişimi ile topraklama şebekesi direnci aynı oranda artmaktadır.

143 İletken gömülme derinliğine göre topraklama direnci değişimi Çizelge 5.6. Topraklama direncinin gömülme derinliğine göre değişimi Derinlik Topraklama Direnci 0,1 0,164 0,2 0,161 0,3 0,16 0,4 0,159 0,5 0,158 0,6 0,157 0,7 0,157 0,8 0,156 0,9 0, , , , ,136 0,2 Topraklama Direnci (Ω) 0,175 0,15 0,125 0, İletken Gömülme Derinliği (m) Şekil Topraklama direncinin gömülme derinliğine göre değişimi Topraklama iletkenlerinin gömülme derinliği; mekanik etkilerden ve donma noktasından korunacak şekilde seçilir. Gömülme derinliğinin değişimi ile topraklama direnci, Çizelge 5.6 ve Şekil 5.24 de görüleceği üzere çok az değişmektedir.

144 124 Örneğin iletkenin gömülme derinliğinin 0,50 metre yerine 5 metre olması durumunda topraklama direnci yalnızca % 10 oranında değişmektedir. Bunun için topraklama iletkenlerinin gömülme derinliği belirlenirken sadece don seviyesinden ve mekanik etkilerden korunacağı bir nokta seçilmesi yeterlidir İletken miktarına göre topraklama direnci değişimi Topraklama şebekelerinin projelendirilmesinde topraklama direncinin istenen değeri sağlamaması durumunda yapılacak işlemlerden en önemli ve etkilisi toprak iletken miktarının değiştirilmesidir. Genelde iletken miktarı artırılırken topraklama alanı da genişlemekte böylece direncin düşmesi bakımından iki pozitif etki yaratmaktadır. Biz burada diğer değişkenlerle beraber topraklama ağının da sabit kaldığı durumu inceleyerek, iletken miktarı değişiminin topraklama direncini nasıl etkilediğini göreceğiz (Çizelge 5.7). Çizelge 5.7. Topraklama direncinin iletken miktarına göre değişimi İletken Miktarı Topraklama Direnci 440 0, , , , , , ,144572

145 125 0,25 Topraklama Direnci (Ω) 0,2 0,15 0,1 0, İletken Miktarı (m) Şekil Topraklama direncinin iletken miktarına göre değişimi Yapılan analiz sonucunda topraklama iletken miktarının artırılması ile başta topraklama direncinin hızlı bir şekilde düştüğü, daha sonraları ise değişim ivmesinin azaldığı görülmektedir (Şekil 5.25). Bu nedenle topraklama projelerinin tasarımında az bir fayda için topraklama iletkeni miktarının artırılması ile çözüm bulmak mühendisliğin temel mantığı olan ekonomiklikten uzaktır Topraklama alanına göre topraklama direnci değişimi Çizelge 5.8. Topraklama direncinin, topraklama alanına göre değişimi Topraklama Boyutu (m) Alan (m 2 ) İletken Miktarı (m) Topraklama Direnci (Ω) 40x ,293 80x , x , x ,062

146 126 0,35 Topraklama Direnci (Ω) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Topraklama Ağı Alanı (m2) Şekil Topraklama direncinin, topraklama alanına göre değişimi Yapılan incelemede topraklama alanının değişiminde iletken miktarının sabit kalması yaklaşık olarak sağlanmıştır (Çizelge 5.8). Sadece iki farklı analizde iletken miktarından 20 metre sapma olmuştur. Fakat iletken miktarı içerisinde bu değer önemsenmeyecek düzeydedir (Şekil 5.26). Topraklama alanının değişimi, iletken miktarına göre topraklama direncinin düşürülmesinde daha iyi tepki vermektedir. Bunun için topraklama ağlarının oluşturulmasında öncelikle iletken miktarı yerine topraklama şebekesinin alanının mümkün olduğunca geniş tutmak daha ekonomik bir çözüm sağlayacaktır. Fakat istenen topraklama direnci değerinin alanın artırılması ile çözülememesi durumunda ise, iletken miktarının artırılması yöntemi seçilmelidir. Tasarlanan topraklama ağı üzerinde hesaplanan adım ve dokunma geriliminin çeşitli değişkenlere göre nasıl değiştiği aşağıda incelenmiştir.

147 Adım aralığına göre, hesaplanan maksimum adım gerilimi değişimi Adım gerilimin tarifi, daha önceki kısımlarda da belirtildiği gibi adım aralığı 1 metre olan insanın hata devresinde köprülediği gerilim düşümüdür. Standartlara göre adım gerilimleri hesapları sabit olarak bu aralığa göre yapılmaktadır. Çizelge 5.9 ve Şekil 5.27 de 0.5, 1 ve 1,5 metrelik adım aralıklarında hesaplanan adım geriliminin nasıl değiştiği görülmektedir. Çizelge 5.9. Hesaplanan maksimum adım geriliminin adım aralığına göre değişimi Adım Aralığı Hes.Adım Gerilimi (V) 0, , ,5 285 Hesaplanan Adım Gerilimi (V) ,5 1,0 1,5 Adım Aralığı (m) Şekil Hesaplanan maksimum adım geriliminin adım aralığına göre değişimi Yapılan analiz sonucunda adım aralığının artması ile, maruz kalınacak adım gerilimi tehlikesinin arttığı görülmektedir. Her ne kadar artış fazla olmasa dahi, trafo merkezlerinde dolaşırken küçük adımlarla hareket etmenin can güvenliği açısından daha güvenli olacağını göstermektedir.

148 Toprak özgül direncine göre, hesaplanan maksimum dokunma ve adım gerilimi değişimi Çizelge Hesaplanan maksimum dokunma ve adım geriliminin toprak özgül direncine göre değişimi Özgül Direnç Hes.Dokunma Gerilimi (V) Hes. Adım Gerilimi (V) Gerilim (volt) Toprak Özgül Direnci (Ωm) Dokunma Gerilimi Adım Gerilimi Şekil Hesaplanan maksimum dokunma ve adım geriliminin toprak özgül direncine göre değişimi Çizelge 5.10 ve Şekil 5.28 in incelenmesi ile, topraklama projelerinin hesabında temel girdi olan toprak özgül direncinin ağda hesaplanan adım ve dokunma gerilimlerinde lineer bir biçimde etkilediği görülmektedir.

149 Toplam iletken miktarına göre, hesaplanan maksimum dokunma gerilimi değişimi Yapılan analiz sonucunda toplam iletken miktarının değişimine karşılık adım gerilimi farklı tepkimeler vermektedir. Her ne kadar tek değişen üzerinde oynanıp, diğer değişkenlerin sabit düşünsekte, iletken miktarının alanı değiştirmeden artırıp azaltırken formülasyonda yeri olan paralel iletkenler arası mesafede değiştiğinden kontrollü bir şekilde değişim gözlemlenememiştir. Fakat dokunma geriliminde aynı yönde değişen bir durum tespit edilmiştir (Çizelge 5.11) Çizelge Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin iletken miktarına göre değişimi Toplam İletken Miktarı (m) Hes.Dokunma Gerilimi Hesaplanan Adım Gerilimi (V) Toplam İletken Miktarı (m) Dokunma Gerilimi Çizelge Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin iletken miktarına göre değişimi

150 130 İletken miktarının artırılması ile hem maruz kalınacak maksimum dokunma gerilimi (Şekil 5.29) hem de topraklama direnci düşmektedir (Bkz. Şekil 5.25) Kazık sayısına göre hesaplanan maksimum dokunma gerilimi değişimi Çizelge Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin kazık sayısına göre değişimi Kazık Sayısı Hes. Dokunma Gerilimi (V) Hesaplanan Dokunma Gerilimi (V) Kazık Sayısı (Adet) Dokunma Gerilimi Şekil Hesaplanan maksimum dokunma geriliminin kazık sayısına göre değişimi Şekil 5.30 daki grafikte kazık sayısı 2000 e kadar artırılarak dokunma gerilimi değişimi gözlemlenmiştir. Pratikte bu seviyede kazık sayısına ulaşmak mümkün olmadığı gibi, kazık sayısının 6 dan 15 çıkarılması durumunda sadece 8V gibi bir

151 131 etki yapması, hesaplanan dokunma ve adım geriliminin değişiminde yok denecek kadar az etkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca Şekil 5.30 daki grafik toplam iletken miktarının 1780 metre olduğu örnek için geçerlidir. Grafikte topraklama ağı iletken miktarının ve maksimum kazık sayısının değişimi ile grafikte değişimler olacaktır. 5.3.CYMGRD ile Topraklama Ağının Analiz Edilmesi Bölüm 5.2 de topraklama ağlarında tek değişken bazı değerlerin (maksimum adım gerilimi, maksimum dokunma gerilimi, topraklama direnci, v.s.) analizi yapılmıştı. Bu bölümde ise yukarıdaki örneklerin temel alındığı veriler için topraklama ağı analizleri yapılarak, tasarımın ihtiyacı karşılayıp karşılamadığına ve aksi duruma ne gibi ilaveler yapılması gerektiğine bakılacaktır. AIS (Hava İzoleli Sistemler) Alanında Analiz Şekil x80 m boyutlarında topraklama ağı

152 132 Şalt sahasının hava izolasyonlu klasik sistem olduğu durumda maksimum adım ve dokunma gerilimi daha önceki bölümlerde bahsedildiği gibi yalıtkan tabakanın ve toprak özgül direncine bağlı olarak bulunur. Bu değerler Eş 4.15 ve Eş 4.16 ile hesaplanır. Buna göre 2500 Ω direncinde ve 0,15 metre kalınlığında yalıtkan bulunması durumunda; Müsaade edilen maksimum dokunma gerilimi: 611 volt Müsaade edilen maksimum adım gerilimi : 1975 volt olarak hesaplanır. Şekil 5.31 deki grafiğin potansiyel profili farklı noktalardan çizilebilir. Örnek olarak Şekil 5.32 de topraklama ağının sol alt köşesinden sağ üst köşesine olan dokunma ve adım gerilimini gösterir potansiyel profili yer almaktadır. Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili (AIS)

153 133 Yukarıdaki grafikte hesaplanan maksimum dokunma gerilimi 1164 volt olup, sahanın kenarlarında oluşmaktadır. Sahanın iç kısımlarında oluşabilecek dokunma gerilimleri tehlikeli sınırın altındadır. Adım gerilimi bakımından incelenecek olursa izin verilen maksimum adım gerilimi 1975 volt iken, bu profildeki en yüksek maruz kalınacak olan gerilim ise 186 volttur. Bu bakımdan bu profilin tamamı için adım gerilimi herhangi bir tehlike arz etmemektedir. Şekil Sol orta köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili x=40 m (AIS) Topraklama ağının farklı noktalarında dokunma ve adım gerilimleri profili farklı olmaktadır. Şekil 5.33 de x= 40 metre noktasından başlayarak ağın solundan sağına profilde, analiz yapılan noktanın topraklama iletkeni üzerine gelmesinden dolayı bu profilde tüm noktalar dokunma gerilimi açısından risk teşkil etmemektedir. Burada

154 134 en yüksek dokunma gerilimi 562 volt olurken, bu değer sınır olan 611 voltun altına kalmaktadır. Şekil 5.34 de ise x noktası topraklama iletkenin dışında bir yer seçilmiş ve x=45 m noktasında yine solan sağa potansiyel profili çizilmiştir. Buradan başlangıç ve bitiş noktalarında dokunma geriliminin sınır değerin üzerinde olduğu görülmektedir. Şekil Sol orta köşe-sağ üst köşe dokunma gerilim profili x=45 m (AIS)

155 135 Şekil Topraklama ağı eşpotansiyel eğri anahtarı ve maksimum dokunma potansiyeli koordinatları raporu (AIS) Profiller ile belli noktalar arasında analiz yapma imkânımız var iken, eş potansiyel eğriler ile sahanın genel olarak hesaplanabilir dokunma gerilimi hakkında bilgi edinebiliriz. Şekil x80 m topraklama ağı eşpotansiyel eğrisi (AIS)

156 136 Şekil 5.36 da yer alan eşpotansiyel çizimi Şekil 5.35 deki anahtara göre değerlendirdiğimizde mavi ve mor alanlar; dokunma geriliminin, izin verilebilir maksimum dokunma gerilimine eşit veya küçük olduğu yerleri göstermektedir. Fakat özellikle köşelerde yoğunlaşan kırmızı alanlar ise, maksimum adım ve dokunma geriliminin aşıldığı noktaları göstermektedir. Şekil x80 m topraklama ağı üç boyutlu eşpotansiyel eğrisi (AIS) Şekil 5.36 daki grafiğin 3 boyutlu incelenmesi durumunda (Şekil 5.37), dokunma potansiyelinin diğer noktalara göre yüksek olduğu yerler daha rahat görülmektedir. Özellikle köşelerde ağın geometrik yapısından kaynaklanan dokunma geriliminin yüksek olmasından dolayı bu noktalarda ağ sıklaştırılacak ve kazıklar ilave edilerek potansiyel düşürülmeye çalışılacaktır.

157 137 Şekil x80 m topraklama ağı (sol kısım ilavesi) Topraklama ağında sol kısımlara ilave yapılarak (Şekil 5.38), dokunma geriliminin en yüksek olduğu noktalardan olan sol alt köşe ile sağ üst köşenin kıyaslanmasını sağlamaktır. Burada sol kısımdaki gözler dört parçaya ayrılmıştır. Yapılan ilaveler sonucunda; Şekil 5.39 da görüleceği üzere, dokunma geriliminde düzelmeler olmuştur. Daha önceden topraklama ağına ilaveler yapılmadan dokunma gerilimi profili incelemesinde (Bkz. Şekil 5.32) köşelerdeki yüksek dokunma potansiyeli köşeden 12 metre sonra müsaade edilen sınırlar içerisine çekilirken, yapılan düzenleme ile bu mesafe yaklaşık 5 metreye inmiştir Kıyaslanmak istenecek olursa sağ üst köşenin, sol alt köşeye göre yüksek dokunma potansiyeli rahatlıkla görülmektedir. Sol alt köşede oluşan dokunma gerilimi 1014 volttur.

158 138 Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe topraklama ağı (sol kısım ilaveli) dokunma gerilimi profili (AIS) Yukarıda topraklama iletkeni ilavesi ile yapılan iyileştirme bu sefer kazık ilavesi ile denenmiştir. Topraklama ağının sağ üst köşesi hariç diğer noktalarda topraklama kazıkları yerleştirilmiş, böylece sol alt sağ üst köşe arasında yapacağımız potansiyel dağılım profilinde kazıkların sağlamış olduğu etki görülmüştür. (Şekil 5.40)

159 139 Şekil Sol alt köşeden-sağ üst köşeye topraklama ağı (kazık ilaveli) dokunma gerilimi profili (AIS) Kazık ilavesi ile yine sol köşede dokunma potansiyelinde iyileşme görülmektedir. Fakat topraklama iletkeni ilavesi ile sonuçları kıyaslayacak olursak; dokunma potansiyelinin limite girmesi sol alt köşeden 11 metre uzaklıkta olmaktadır. Hâlbuki bu mesafe iletken ilavesinde 5 metre civarındaydı. Kazık ilavesi ile yapılan analizde sol alt köşede sıfır noktasında dokunma gerilimi ciddi anlamda düşerek 750 V civarında sınırlanmaktadır. Fakat kazıktan uzaklaştıkça ağ iletkenine olan mesafede tekrar yükselmektedir. Şekil 5.41 de görülen üç boyutlu eşpotansiyel eğride topraklama ağına üç köşede yapılan topraklama kazığı ilavesi ile dokunma geriliminin nasıl değiştiği görülmektedir.

160 140 Şekil x80 m kazık ilaveli topraklama ağı üç boyutlu eşpotansiyel eğrisi (AIS) İki analiz neticesinde topraklama iletkeni ilavesinden dokunma geriliminin düşürülmesi açısından daha fazla yarar sağlansa da, her ikisinin beraber kullanımında (Şekil 5.42) ise daha düzenli bir potansiyel dağılımı elde edilir (Şekil 5.43). Her iki ilaveden sonra dokunma gerilimi profilini incelersek hesaplanan maksimum dokunma gerilimi 805 volt olmaktadır. Her ne kadar sınır 611 volt olsa da kenarlardan 5 metre içerilerde dokunma gerilimi değeri bu sınırlar içerisinde kalmaktadır. Sadece iletken ilavesinin kullanıldığı durumda dokunma gerilimi 1000 volt civarından yine aynı mesafede sınır değerlerin içerisine girmektedir (Şekil 5.43).

161 141 Şekil Topraklama ağının iletken ve kazık ilavesi yapılmış hali (AIS) Şekil Sol alt köşeden-sağ üst köşeye topraklama ağı (kazık ve iletken ilavesi ile) dokunma gerilimi profili (AIS)

162 142 Dokunulacak cihazların köşelerde bulunmadığı durumlarda sınır değerin üstündeki dokunma gerilimleri kabul edilebilir. Fakat yine de mümkün olduğunca köşelerdeki yüksek dokunma gerilimlerini kısa bir mesafede ve çok büyük olmaması için çalışma yapılmalıdır. Yukarıdaki örnekte iletken ve topraklama kazığı ilavesi ile yüksek olan dokunma gerilimleri belli nispette küçültülmüştür. Bu tür noktalarda dokunma gerilimini müsaade edilen sınırlar içerisinde tamamen tutmak topraklama ağını gereksiz yere maliyetini yükseltecektir. Dokunulacak cihazların olmadığı bu noktalar dikkat edilmesi gereken en önemli nokta adım gerilimleridir. Adım gerilimleri tüm profil boyunca izin verilebilir limitlerin altında olmalıdır. Bu örnekte son yapılan iyileştirmeler ile adım gerilimi de kısmen de olsa azalarak 184 volttan, 165 volta düşmüştür. GIS (Gaz İzoleli Sistemler) Alanında Analiz Gaz izoleli sistemlerin topraklamalarında, hava izolasyonlu istasyonlara göre, tabanda koruyucu yalıtkan tabakanın kullanılmamış olmasıdır. Bilindiği gibi tabana serilen yüksek dirençli yalıtkan tabaka, izin verilen maksimum adım ve dokunma gerilim değerlerini belirlemede etkin bir parametredir. GIS sistemlerin kapalı alanlar içerisinde bulunması durumunda açık sahada bulunan yüksek dirençli tabaka sağlanamayabilir. Ayrıca bunun dışında GIS lerde metal-metal dokunma gerilimine maruz kalınabilir. Eş 4.18 de yer alan metal-metal dokunma geriliminde bileşenler sadece insan vücudu direnci ile izin verilen akım şiddetidir. Buna göre 70 kg ağırlığındaki bir kişi için dokunma gerilimi değeri 1 saniye süre için 157 volttur. Buradaki örnekte izin verilen maksimum adım ve dokunma gerilimlerinin belirlenmesinde yalıtkan tabakanın olmadığın düşünülerek yapılmıştır. Böylece adım ve dokunma gerilimleri için müsaade edilen sınır değerler sırasıyla 164 volt ve 185 volt olarak bulunur.

163 143 Şekil x80 m boyutlarında topraklama ağı eşpotansiyel eğrisi (GIS) Topraklama ağının aynı olmasına rağmen (Bkz. 5.36) izin verilen dokunma geriliminin değişmesinden dolayı, sahanın çoğu noktasında sınır değerler aşılmaktadır. Yapılan topraklama şebekesinin bu sınır değerler üstünde kullanılması uygun görülmemektedir. Bunun için sırasıyla şebekemizde iletken miktarı artırılmış ve değişim gözlemlenmiştir. (Şekil 5.44) Sol alt köşeden sağ üst köşeye çizilen dokunma gerilimi profilinde de yukarıda bahsedilen durum görülmektedir. Müsaade edilen dokunma gerilimi sahanın neredeyse hiçbir noktasında izin verilen değerler içerisinde kalmamakta ve köşelere yakın noktalarda 1164 volt değerini almaktadır. (Şekil 5.45) Adım gerilimi ise izin verilen değer olan 185 volt değerini aşmadığı söylenebilir. Fakat dokunma geriliminin düzenlenmesi amacıyla yapılacak olan ilave topraklamalar ile adım gerilimi de pozitif yönde etkilenerek sınır değerden uzaklaşacaktır.

164 144 Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili (Lc=1780m-GIS) Topraklama iletkeni miktarını alan sabit olmak üzere iki katına çıkardığımızda yeni durumun yine yeterli olmadığı ama dokunma gerilimi değerinin saha ortasında sınır değerlere yaklaştığı görülmektedir. Ayrıca profil içerisindeki hesaplanan maksimum dokunma gerilimi 936 volta gerilemiştir (Şekil 5.46). Yapılan profil incelemesinde gelişmenin yeterli olmaması nedeniyle iletken miktarı % 50 daha artırılarak 5340 metreye çıkartılır. Şekil 5.47 den görüleceği üzere dokunma gerilimi profili orta noktalarda sınır değerlerin içine girmiştir. Daha önceki Şekil 5.46 da 936 volt olan profilde hesaplanan maksimum dokunma gerilimi 881 volta gerilemiştir. Fakat iyileşmenin yeterli olmamasından dolayı bu sefer iletken miktarı optimal çözüm sağlanması amacıyla yaklaşık % 25 artırılmıştır.

165 145 Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilim profili (3560m-GIS) Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilim profili (5340m-GIS)

166 146 İletken miktarının % 25 artırılmasından sonra yapılan incelemede hesaplanan maksimum adım gerilimi değeri 852 volta kadar geriler. Şekil 5.48 de görüleceği üzere sahanın köşelerinden 10 metre uzaklıklara kadar dokunma gerilimleri sınır değerin altından kalmaktadır. Yapılacak olan tesisin sahanın ortasına yapılması durumunda bu noktalarda dokunacak nesne bulunmamamı şartıyla bu noktalardaki dokunma gerilimi değerinin yüksekliği göz ardı edilebilir. Fakat önemli husus adım gerilimi bakımından değerlerin saha tümü içinde limitlerin içinde kalmasıdır. Şekil Sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilim profili (6680m-GIS) Topraklama ağının son durumunda köşelere yapılan topraklama kazı ilaveleri ile (Şekil 5.49) dokunma gerilimi yükselmesi limitler içerisine çekilmese de ciddi oranda düşmektedir. Örneğin en son geliştirilen topraklama ağında hesaplanan maksimum dokunma gerilimi 850 volt iken, köşelere çakılan kazıklar ile bu değer 600 volt civarına çekilmiştir (Şekil 5.50).

167 147 Şekil Kazık ilavesi ile GIS sahası için topraklama ağı Şekil Köşelere kazık ilavesi ile sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilim profili (6680m+GIS)

168 SONUÇ VE ÖNERİLER Yüksek gerilim merkezlerinin topraklama şebekelerinin tesisinde özellikle don seviyesinin tespiti topraklama şebekesinin görevini yerine getirmesinde çok önemlidir. Doğru tespit edilmemiş bir don seviyesi veya buna uygun olmadan döşenmiş olan topraklama iletkenleri, soğuk havalarda toprağın donması ile çok yüksek bir yalıtkanlık ile karşılaşacaklarından hata akımlarını aktaramayacaklardır. Topraklama iletkenin kesitinin tespitinde montaj sırasında kullanılacak olan ek türü önem arz etmektedir. Maksimum sıcaklık değerleri ek tiplerine göre değiştiğinden farklı eklerin kullanılmasında farklı kesitte iletkenler gerekmektedir. Ayrıca topraklama şebekelerinde kullanılacak olan iletkenlerin sadece kesit hesabına göre belirlenmesi de yeterli değildir. Uzun ömürlü bir topraklama tesisi için iletkenlerin korozyon durumları da göz önüne alınmalıdır. Topraklama kazıkları özellikle kurak bölgelerde ve homojen olmayan toprak yapısında önem kazanmaktadır. Kurak bölgelerde sıcak mevsimlere toprağın üst yüzeyi kuruyarak toprak özgül direnci çok yüksek değerler alır. Fakat topraklama ağında kullanılan kazıklar, kuru toprak üst katmanı ile alt tabakalar arasında bir iletim sağlayarak hata akımlarının daha kolay toprağa aktarılmasını sağlar. Homojen olmayan toprak yapılarında ise alt tabakanın daha düşük dirençli olduğu durumlarda, topraklama kazığının her iki tabakaya temas etmesi yine hata akımlarının daha iyi iletilmesini sağlayacaktır. Özellikle açık hava izolasyonlu şalt tesislerinde topraklama ağlarının yüzeyi, izin verilebilir maksimum adım ve dokunma gerilimini daha yüksek değerlerde tutmak için özgül direnci oldukça fazla olan yalıtım malzemeleri kullanılarak kaplanır. Yalıtım malzemeleri olarak asfaltın, mıcıra göre özgül direnci yüksek olsa da, topraklama ağlarında mıcır (çakıl taşı) kullanılması yüzey sularının emilerek toprak alt katmanlarını sürekli nemli hale getirmesinden dolayı tercih edilmelidir. Böylece topraklama direnci nemden dolayı oldukça düşük olacaktır.

169 149 Topraklama şebekesi yapılacak olan sahalarda toprak özgül direncinin ölçülmesi sırasında nem ve sıcaklık değerleri büyük önem kazanmaktadır. Topraktaki nem ve sıcaklık değerlerini hiç bilmeden yapılan ölçümler sağlıklı olmayacaktır. Çünkü toprağın özgül direnci sıcaklık ve nem değerlerinden ciddi miktarda etkilenmektedir. Özgül direncin kuru toprak yapısında ölçülmesinin mümkün olmadığı durumlarda tez içerisinde belirtilen grafiklerin yardımı ile kötü şartları temsil eden kuru ortam için değer tespit edilebilir. Topraklama ağlarının hazırlanmasında galvanik korozyona (pil etkisi) dikkat edilmelidir. Uygun olmayan metallerin bir arada kullanılması neticesinde uzun dönemde malzemeler korozyona uğrayarak topraklama şebekesinin görevini yerine getirmesinde sıkıntılar olabilecektir. Topraklama ağının değişkenler yönünden incelenmesi neticesinde; yalıtkan tabaka kalınlığını artırılması ile izin verilebilir dokunma ve adım gerilimi değerleri iyi tepki vermektedir. Fakat serilecek malzemenin miktarının çok fazla artırılması ile dokunma ve adım gerilimindeki artış bir müddet sonra sabitleşmektedir. Topraklama ağlarında yapılan tasarımlarda topraklama direncinin sınırların dışında olduğu durumlarda, yapılacak en ekonomik iyileştirme alanı genişletmektir. Aslında topraklama ağlarının tasarlanmasında ilk noktadan itibaren tüm alan maksimum bir şekilde kullanılmalıdır. Yapılan incelemelere göre topraklama iletkeni sabit kalmak üzere, topraklama ağının artırılması ile topraklama direnci hızlı bir şekilde azalmaktadır. Eğer topraklama ağı maksimum alanı kapladığı durumlarda ise iletken miktarının artırılmasıyla da topraklama direncinin düşürülmesi sağlanır. Sonuç olarak topraklama alanının artırılması, topraklama iletken miktarının artmamasından dolayı daha ekonomik olduğundan öncelikle tercih edilmelidir. Topraklama ağlarında özellikle köşelerde yükselen dokunma gerilimini düşürmek için ağın köşelerde biraz daha sık olması ve köşe noktalara kazık çakılması ile iyileşme sağlanmaktadır.

170 150 KAYNAKLAR 1. Aktaş A.Ö., Gaz yalıtımlı istasyonlar, Yüksek lisans tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1-2 (2000) 2. Ertan.C.K., Uzunoğlu M., Gaz İzoleli Şalt Cihazı 3e Electrotech Dergisi, 89: (2001) 3. Güner, E., Yüksek gerilim merkezlerinin topraklanması, EMO Elektrik Mühendisliği Dergisi, 242: (1977) 4. Bayram M., İlisu İ. Elektrik Tesislerinde Güvenlik ve Topraklama EMO yayınları, İstanbul, 20-23, , 172, 173, 176, 188, 199 (2004) 5. Saraç H. Topraklamalar, TEİAŞ SETGEM Yayınları, Soma, 4 (1991) 6. Gürdal O. Elektrik kazaları ve ilk yardım, Polis Dergisi, 41: 20, (2005) 7. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, IEEE , New York, (2000) 8. Haktanır D., Yüksek gerilimde kısa devre ve kısa devrelerin uniter hesabı Emobilim, 1 (2): 8-13 (2001) 9. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surfact Potentials of a Ground System, IEEE , New York, 9-30 (1984) 10. Dengiz H. Enerji Hatları Mühendisliği, Kardeş Kitabevi, İstanbul, (1991) 11. Bakırcıoğlu K., Topraklama sisteminin tasarımı, yapımı ve ölçümü EMO Elektrik Mühendisliği Dergisi, (242): (1977) 12. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği, Ankara, 18-22, (2001) 13. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü Meteoroloji Bülteni T.C. Gıda Tarım ve Hayvancılık Bakanlığı, Ankara, 46 (1974) 14. Demiray Z. Genel ve yıldırımdan koruma tesislerinin özel koşulları dikkate alınarak yapılan topraklamaları EMO Elektrik Mühendisliği Dergisi, 293: 8-12 (1983)

171 Bakırcıoğlu K., Elektrik merkezlerinin topraklamasında genel ilkeler, EMO Elektrik Mühendisliği Dergisi, 241: (1977) 16. Ceylan N. Topraklamalar TEK Eğitim Dairesi Başkanlığı, Ankara, 1-12 (1980) 17. Öner D., Elektrik çarpmasının çeşitleri ve etkileri, EMO Elektrik Mühendisliği Dergisi, 190: (1972)

172 EKLER 152

173 153 EK-1 Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Şekil 1.1. AIS alanı için toprak analizi (Girdiler ile maksimum adım ve dokunma gerilimi değerleri) Çizelge 1.1. Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 Length Radius Current Electrode (meters) (mm) (amps) (#) Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 15

174 154 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 51

175 155 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 88

176 156 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 125

177 157 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 162

178 158 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 199

179 159 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 236

180 160 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 273

181 161 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 304 Total Length Of Primary Conductors meters

182 162 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Çizelge 1.1. (Devam) Topraklama ızgarası elektrotları boyutları ve hata akımları Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy Asy 24 Total Length Of Primary Rods 72 meters Total Number Of Elements Ground Potential Rise Calculated Ground Resistance volts ohms

183 163 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Şekil 1.2. AIS alanı için eşpotansiyel eğrisi Şekil 1.3. AIS alanı için topraklama ağı eşpotansiyel eğri alanı ve maksimum dokunma potansiyeli koordinatları raporu

184 164 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Şekil 1.4. AIS alanı için topraklama ağı üç boyutlu eşpotansiyel eğrisi

185 165 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Şekil 1.5. AIS alanı için sol alt köşe-sağ üst köşe dokunma gerilimi profili Şekil 1.6. GIS alanı için toprak analizi (Girdiler ile maksimum adım ve dokunma gerilimi değerleri)

186 166 EK-1 (Devam) Gerçek örnek üzerinde topraklama analizi Şekil 1.7. GIS alanı için eşpotansiyel eğrisi Şekil 1.8. AIS alanı için topraklama ağı eşpotansiyel eğri alanı ve maksimum dokunma potansiyeli koordinatları raporu