Dış Yıldırımlık Sistemlerinin Elektriksel İzolasyonu (Ayırma Mesafesi)

Dış Yıldırımlık Sistemlerinin Elektriksel İzolasyonu (Ayırma Mesafesi) Dış yıldırımlık sistemi ya da iniş iletkeni ile binadaki metal aksam ve elektrik tesisatı arasındaki ayırma mesafesi yeterli olmadığında; yıldırımdan korunma sisteminin parçaları ile binada ki metal aksamlar ve elektrik tesisatı arasında kontrolsüz bir flash-over(ark) riski vardır. Su, klima, elektrik hatları gibi metal tesisatlara hızla değişen yıldırımdan dolayı oluşacak manyetik alana bağlı olarak darbe gerilimi binalarda indüksiyon döngüler oluşturur. Bu darbe gerilimlerinin yangına sebep olabilecek kontrolsüz flashoverlara neden olması önlenmelidir. Örneğin; Elektrik hatlarında flash-over tesisata ve bağlı yüklere büyük zarar verebilir. Şekil 1 : Uygulamada bu formülün ayırma mesafesini hesaplamak için kullanılması genellikle zordur. Bu formül Ayırma Mesafesi nin prensibini göstermektedir. s : Ayırma mesafesi (metre) ki : İndüksiyon faktörü (Seçilen LPS sınıfına bağlıdır.) kc : Bölme katsayısı (Geometrik dizayna bağlıdır.) km : Malzeme faktörü (Yakınlık noktasında kullanılan malzemeye bağlıdır.) l : Ayırma mesafesini belirleyeceğimiz bir noktadan dış yıldırımlık sistemiyle potansiyel dengeleme veya topraklama noktasına kadar boyunca uzanan iniş iletkeni uzunluğudur. (metre) Şekil 1 : Ayırma Mesafesi Prensibi 1

ki (İndüksiyon Faktörü) ki katsayısı, yüksek akım tarafından ortaya çıkarılan risk anlamına gelir. LPS sınıfına bağlı olarak IEC 62305-3 (EN 62305-3) standardında tablo 10'da belirtilmiştir ( Tablo 1 ). Tablo 1 : İndüksiyon Faktörü (ki) km (Malzeme Faktörü) Malzeme faktörü km, çevrenin yalıtım özelliklerini dikkate alır. Havanın elektriksel yalıtım faktörünün 1 olduğu varsayılmaktadır. İnşaat sektöründe kullanılan diğer tüm katı malzemeler (tuğla, ahşap vb.) sadece havanın yarısı kadar izole eder. Bu çatıya monte edilmiş yakalama çubukları için de dikkate alınmalıdır. Şekil 2 de görüldüğü gibi yakalama ucu tabanı ile tavana monte edilmiş yapı arasında katı malzeme için km = 0,5 bulunur, tavana monte edilmiş yapının üst kenarı ile yakalama çubuğu arasında hava boşluğu için de km = 1 dir. Standartta km için 0.5 ve 1'den başka hiçbir malzeme faktörü değeri belirtilmediği için, sapma değerlerinin testlerle doğrulanması veya hesaplanması gerekir. DEHN ürünlerindeki izoleli yakalama ucu sistemleri (DEHNiso spacer, DEHNiso combi) için kullanılan cam elyaf takviyeli plastik (GRP) için malzeme faktörü 0,7 olarak belirlenmiştir. Bu faktör hesaplamalarda, diğer malzeme faktörleri gibi kullanılabilir. Şekil 2 : Çatıdaki Yakalama Çubuğu için Malzeme Faktörü 2

DIN EN 62305-3 standardı EK 1 e göre, km faktörü çok katmanlı tuğla için hesaplanabilir. km faktörü malzeme kalınlıkları ve malzemelerin yalıtılmış özelliklerinden oluşur. km faktörünü hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılır. (Şekil 3) km total : Toplam malzeme faktörü l1, l2,,lm : Malzeme kalınlıkları lg : Toplam malzeme kalınlığı km1, km2,, kmx : İlgili malzemenin yalıtım özelliği Şekil 3'te gösterildiği gibi bir duvar konstrüksiyonu için, malzeme faktörü km total aşağıdaki şekilde hesaplanır. Şekil 3 : Hava boşluğu ve farklı malzemeler olması durumunda km faktörü 3

Bununla birlikte, çok katmanlı tuğla yapımında, farklı malzemeler arasında sıklıkla bağlantı parçaları kullanılır. Şekil 4 : Hava boşluğu olmayan durumlarda farklı malzemeler için km faktörü Şekil 4 te görüldüğü üzere beton, tuğla, ısı yalıtım kompozit malzemesi bir arada olması dolayısıyla, iki materyal arasında hava boşluğu olduğu varsayılamaz. Bu grup malzeme için km faktörü daha düşüktür. Genel olarak, en kötü durumu varsayarak malzeme faktörü km = 0.5'i kullanmanız önerilir. l (Uzunluk) Şekil 4 te göreceğiniz üzere uzunluk l ayırma mesafesinin belirleneceği noktadan bir sonraki yıldırım potansiyel dengeleme noktasına (sıfır potansiyel seviyesine) veya toprak sonlandırma sistemine kadar olan yakalama ucu sistemi veya iniş iletkeni boyunca belirlenen mesafedir. Yıldırım eş potansiyel bağlama sistemi bulunan her bina, temel topraklama elektrodunun ya da toprak yüzeyinin yakınında bulunan topraklama elektrodunun eş potansiyel yüzeyine sahiptir. Bu yüzey, uzunluk l yi belirlemek için referans düzlemdir. Yüksek binalarda yıldırımdan korunmak için potansiyel dengeleme oluşturulacaksa, tüm elektrik ve elektronik hatlar ve tüm metal tesisatlar için potansiyel dengeleme sağlanmalıdır. (Örneğin; 20 metre ve üzeri binalar için.) Bu yükseklikte eş potansiyel bağlantı kurmak için ayrıca Tip 1 aşırı gerilim koruma cihazları da kullanılmalıdır. Yüksek binalarda, temel toprak elektrodunun eş potansiyel yüzeyi, "l" uzunluğunu belirleyen bir referans noktası olarak da kullanılmalıdır. Yüksek binalar, gerekli ayrılma mesafesini korumak daha zordur. 4

Kc (Bölme Katsayısı) Kc faktörü, dış yıldırımdan koruma sisteminin iniş iletken sistemindeki akım dağılımını dikkate alır. Standartta kc için farklı hesaplama formülleri belirtilmiştir. Yüksek binalarda ayırma mesafeleri elde edebilmek için, iletkenlerle ring yapılması önerilir. Bu birbirine içine geçmiş ring iletkenleri akım akışını dengeler, böylece gerekli ayrım mesafesini azaltır. Binanın ve iniş iletkenlerinin arasındaki potansiyel fark, yeryüzünün yakınında sıfıra eşittir ve yükseklik ile bağlantılı olarak büyür. Bu potansiyel eğim, bir koni olarak düşünülebilir. (Şekil 1) Dolayısıyla, muhafaza edilecek olan ayırma mesafesinin binanın ucunda veya çatı yüzeyinde en büyük olduğu ve toprak sonlandırma sistemine doğru azaldığı görülür. Bu da, iniş iletkenlerinden olan uzaklığın, farklı uzunluklardaki l ile birkaç kez hesaplanması gerektiğini göstermektedir. Farklı yapılardan dolayı, kc bölme katsayısının hesabının zor olduğunu kanıtlamaktadır. Tek yakalama ucu için Kc (Bölme Katsayısı) Örneğin, binanın yanında tek bir yakalama ucu direği takılıysa, yakalama ucu ve iniş iletken üzerinden toplam yıldırım akımı akar. Bu nedenle kc faktörü 1'e eşittir ve yıldırım akımı burada bölünemez. Bu nedenle, ayırma mesafesini korumak çoğu zaman zordur. Şekil 5'te yakalama ucu direği (Teleskopik yıldırımdan koruma direği) binadan daha uzakta kurulursa gerçekleştirilebilir. Şekil 5 : Yıldırımdan Korunma Direği (kc = 1) 5

Sadeleştirilmiş Yaklaşım - Kc (Bölme Katsayısı) Kolayca ve hızlı bir şekilde kc'yi değerlendirebilmek için, tablo 2'de gösterildiği gibi, iniş iletkenlerin sayısına bağlı olarak kc değerleri belirlenebilir. Sadeleştirilmiş yaklaşım ancak yapının en büyük yatay genişlemesi (uzunluk veya genişlik) yüksekliğin dört katından fazla değilse kullanılabilir. Kc'nin değeri, B tipi topraklama elektrotları için geçerlidir. Bu değer, birleşik toprak elektrodlarının toprak direnci (topraklama çubuğu) 2 faktöründen daha fazla değilse, A tipi elektrotlar için de kullanılabilir. Bununla birlikte, toprak elektrotlarının toprak direnci 2 faktöründen daha fazla ise, kc = 1 kabul edilmelidir. Tablo 2 : Sadeleştirilmiş Yaklaşım - kc (Bölme Katsayısı) Birbirine bağlı iki yakalama ucu için Kc (Bölme Katsayısı) Yıldırım akımı, iki yakalama ucu çubuğu veya direklere yayılmışsa, iki akım yolu arasında bölünebilir. (Şekil 6) Bununla birlikte, yıldırım her zaman düzlemin merkezine (aynı empedanslara) gelmemekte ve aynı zamanda hava sonlandırma sistemi boyunca herhangi bir noktaya çarpabileceğinden, akım farklı uzunluklar (empedanslar) nedeniyle %50- %50 olarak bölünmemektedir. kc faktörünü hesaplamak için bu aşağıdaki formül en kötü durumu hesaba katar. h : İniş iletkenin uzunluğu c : Hava sonlandırma çubuğu veya hava sonlandırma direkleri arasındaki mesafe Bu hesaplamada bir B tipi toprak sonlandırma sistemi varsayılmaktadır. A tipi tek toprak elektrotları takılıysa, birbirine bağlı olmalıdır. 6

Şekil 6 : Kablo ve B tipi topraklama elektrodlu iki direk durumunda kc bölme katsayısı Aşağıdaki örnek, iki iniş iletkenli bir üçgen çatılı bir tavanda kc katsayısının hesaplanmasını göstermektedir. (Şekil 7) B tipi toprak sonlandırma sistemi (halka veya temel toprak elektrodu) kullanılmıştır. Şekil 7 : İki iniş iletkenli bir üçgen çatılı bir tavanda kc katsayısının hesaplanması 7

Üçgen veya düz çatılarda 4 iniş iletken durumu için kc (Bölme Katsayısı) ve s (Ayırma Mesafesi) Şekil 7'de gösterilen iniş iletkenlerin düzenlemesi artık tek bir aile evinde bile kullanılmamalıdır. kc bölme katsayısı, iki iniş iletkeni daha kullanarak toplamda dört iniş iletken kullanmak suretiyle önemli ölçüde geliştirilmiştir. (Şekil 8) Hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılır. Şekil 8 : Üçgen Yapıda Çatı ve Dört İniş İletkeni h : Yıldırım akımlarının enjeksiyonu için en olumsuz nokta olan bina oluklarına kadar olan iniş iletkeni uzunluğu c : İniş iletkenleri arasındaki mesafe n : Toplam iniş iletkeni sayısı Denklem, üç boyutlu ve n 4 olan yapılar için bir yaklaşımdır. h ve c değerleri 3 m mesafeden 20 m'ye kadar olmalıdır. Eğer iniş iletkenler içten monte edilmişse, sayı n olarak düşünülmelidir. 8

Düz çatılı yapılarda, bölme katsayısı kc aşağıdaki gibi hesaplanır. B tipi toprak elektrodu düzenlemesi bu durumda bir ön şarttır. (Şekil 9) h : Halka iletkenleri arasındaki mesafe veya yüksekliktir c : İniş iletken ile bir sonraki iniş iletken arasındaki mesafe n : Toplam iniş iletken sayısı Şekil 9 : Yakalama ucu iletkenlerinin karelajı kc katsayısı değerleri ve B tipi topraklama düzenlemesi İniş iletkenlerin mesafeleri LPS sınıfına dayanır (Tablo 4 IEC 62305-3 (EN 62305-3)) ve % ±20 sapma kabul edilebilir. Böylece c mesafesi, simetrik olarak düzenlenmiş iniş iletkenler arasındaki en büyük mesafeyi tanımlar. 9

s (Ayırma Mesafesi) - Ayırma mesafesinin belirlenmesine yönelik ayrıntılı yaklaşım Bölme katsayısı kc ve ayırma mesafesi s'yi belirlemek için yukarıda açıklananlara ek olarak, daha ayrıntılı hesaplama yöntemi kullanılabilir. Mesh(karelaj) şeklinde yıldırımdan korunma sistemi yapılması durumunda akım, düz çatı ve iniş iletkenler tarafından oluşturulan çok sayıda mevcut yol nedeniyle eşit olarak bölünür. Bu, ayırma mesafesi üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir. Şekil 10'daki gibi bir çatıya monte edilmiş yapı, bir bina üzerine kurulmuştur. Ayrıntılı hesaplama yöntemi, ayrılma mesafesini s yi mümkün olduğunca hesaplamanıza izin vermektedir. Aşağıdaki genel hesaplama formülü kullanılmaktadır. Şekil 10 : IEC 62305 Şekil C.5'e göre birkaç iniş iletkeninden oluşan sistemde kc katsayısının değerleri 10

l1, l2,,ln : Bir sonraki noktaya kadar olan iletken uzunluğu kc1, kc2,, kcn : Akım yollarının sayısına göre bölme katsayısı k değeri mevcut akım yollarının sayısına bağlıdır. Sonuç olarak, aşağıdakiler geçerlidir: kc = 1 birinci düğüme yakınlık noktasından İlk nokta ile bir sonraki nokta arasında kc2 iletkenlerin sayısına bağlı: kc = 0,5 iki iletken durumunda kc = 0,33 üç iletken durumunda kc = 0,25 dört iletken durumunda Her sonraki düğümde, kc'nin önceki değeri yarıya indirilir. kc'nin minimum değeri "1 / iniş iletkenlerin sayısı" dan düşük olmamalıdır. ÖRNEK: Bunu göstermek için, düz bir çatıya monte edilmiş yapı için ayırma mesafesi s yi hesaplayalım. Bir binanın çatısına (Şekil 11 & Şekil 12) sınıfı bir klima sistemi kuruldu. Yıldırım koruma seviyesi 2 alınmıştır. Şekil 11 : Birkaç iletken durumunda akım dağılımı 11

Şekil 12 : Çatıya monte edilmiş yapı ve birkaç iniş iletkenli sistem Yapının verileri: Yıldırımdan korunma seviyesi : LPS II İndüksiyon faktörü ki : 0.06 Uzunluk : 60m Genişlik : 60m Yükseklik : 7m İniş iletken sayısı : 24 Minimum kc değeri (1 / iniş iletken sayısı) : 0.042 Topraklama sistemi, B tipi temel toprak elektrodu : -1.0m Klima sisteminin çapraz şekilde yerleştirilmiş iki yakalama ucu çubuğu sayesinde (LPZ 0B) yıldırımdan korunduğu varsayılmaktadır. Ayırma mesafelerinin yakalama ucu çubuğunun tabanında belirlenmesi gerekmektedir. Farklı iletken uzunluklarına sahip akım yolları, çatı yüzeyindeki karelaj sebebiyle oluşmaktadır. Dahası, yıldırım akımı noktalara göre aşağıdaki gibi bölünmektedir. Hava sonlandırma çubuğunun tabanı (İki iletken) o kc1 = 0.5, 0.8 m'lik bir iletken uzunluğu l1'de Düğüm 1 ( İki iletken ) o kc1 = 0.25, 0.40 m'lik bir iletken uzunluğu l2'de Düğüm 2 ( İki iletken ) o kc1 = 0.125, 10.0 m'lik bir iletken uzunluğu l3'de Düğüm 3 ( üç iletken ) o kc1 = 0.063, 10.0 m'lik bir iletken uzunluğu l4'de Düğüm 4 ( üç iletken ) o kc1 = 0.042, 10.0 m'lik bir iletken uzunluğu l3'de 12

Ayırma mesafasini aşağıdaki formüle göre hesaplayalım: Klima sisteminin tabanında 0,87m (katı metal) ayırma mesafesi uygulanmalıdır. Sıfır potansiyel seviyesinin belirlenmesi Ayırma mesafesini hesaplamak için, sıfır potansiyel seviyesinin belirlenmesi önemlidir. Binaların sıfır potansiyeli, temel veya halka topraklama elektroduyla aynı yükseklikte bulunmaktadır. Böylece, sıfır potansiyel seviyesinin tanımı ayırma mesafesi s için belirleyici olmaktadır. Yıldırım akımlarını taşıyabilecek şekilde birbirine bağlı bir duvar ve tavan takviyesi olan binalar, iniş iletken sistemi olarak kullanılabilmektedir. Bu nedenle, sabit potansiyel nedeniyle ayırma mesafeleri muhafaza edilmelidir. Bununla birlikte, çatı yüzeyleri tipik olarak yalıtım ve tavan membranlarıyla örtülür, üzerine mesh(karelaj) yöntemiyle birlikte yakalama ucu sistemi monte edilir. Bu mesh yakalama ucu sistemleri, çatı parapeti çevresinde de bağlanmaktadır. Yıldırım çarpması durumunda, karelajlardan ve iletkenlerden ayırma mesafeleri korunmalıdır. Bu nedenle, ayırma mesafelerinin korunmasına izin veren yalıtılmış iletkenlerin kullanılması önerilir. Birbirine bağlı çelik çerçeve yapısı ve metal çatılı binalarda, sıfır potansiyel seviyesinin binanın yüksekliğine eşit olduğu kabul edilebilir ve ayırma mesafeleri korunmalıdır. Sonuç olarak, IEC 62305-3 (EN 62305-3) standardının gerekliliklerine uyulması gerekmektedir. DEHNSupport yazılımı, DEHN Distance Tool sekmesinin 3.3.2.1. kısmında da görüleceği gibi, düğüm analizine dayanan ayırma mesafesini kolayca hesaplamayı sağlar. Kaynak 1. IEC 62305-3 - Protection against lightning - Part 3: Physical damage to structures and life hazard 2. DEHN - Lightning Protection Guide 3rd updated Edition,2014 Hazırlayan Kazım ÇAYIR 13