ELEKTĐK TESĐSLEĐNDE TOPAKLAMALA 21.08.2001 TAĐHLĐ YENĐ YÖNETMELĐĞĐN GETĐDĐKLEĐ Not : Bu çalışma Elk.Y.Müh. Taner ĐĐZ tarafından Elektrik Mühendisleri Odası eğitimlerinde kullanılmak üzere hazırlanmıştır. EMO dışındaki firma, kurum ve kuruluşlar tarafından kullanılması ya da metinlerin değiştirilmesi halinde hazırlayandan olur alınması etik kuralları açısından gereklidir. 1337. Sokak No:16/8 Çankaya-ĐZMĐ Tel/Faks: 0 (232) 489 34 35, E-posta: izmir@emo.org.tr 1
ĐÇĐNDEKĐLE 1.GĐĐŞ 2.BĐĐNCĐ BÖLÜM Amaç, Kapsam, Uygulama ve Tanımlar 3.ĐKĐNCĐ BÖLÜM Yüksek Gerilim Tesislerinde Topraklama 4.ÜÇÜNCÜ BÖLÜM Alçak Gerilim Tesislerinde Topraklama 5.DÖDÜNCÜ BÖLÜM Yüksek ve Alçak Gerilim Sistemlerinde Topraklama Tesislerinin Birleştirilmesi 2
6.BEŞĐNCĐ BÖLÜM Đletişim Sistemleri ve Bilgi Đşlem Tesisleri için Topraklama Kuralları 7.ALTINCI BÖLÜM Yürürlükten Kaldırılan Hükümler 8.EKLE 9.SONUÇ 3
YÜKSEK GEĐLĐMDE DAĞITIMŞEBEKELEĐ 4
U F F L1 L2 L3 Z U T K L 1, L 2, L 3 : Faz iletkenleri. Z: Yıldız noktası topraklama empedansı. K: L 3 fazındaki toprak hatası. U FF : Arıza öncesi fazlar arası etkin gerilim. U T : L 3 fazında K gibi bir toprak hatası oluştuğunda sağlam faz iletkenlerinin toprağa karşı gerilimi. 5
Tanım: Üç fazlı bir alternatif akım şebekesinde, bir toprak hatasından sonra, U T / U FF oranının alabileceği değere topraklama katsayısı denir ve e harfi ile gösterilir. 6
Yıldız noktası nötrünün topraklama şekline göre 5 değişik tür YG dağıtım şebekesi vardır. 1) Yıldız noktası yalıtılmışşebeke; Z L1 L2 L3 C E C E C E I CE I F 7
2) Toprak teması kompanze edilmiş şebeke; X<< olmak üzere Z +jx L1 L2 L3 X D I D I CE 8
3) Yıldız noktası direkt olarak topraklanmışşebeke; Z 0 N I'' k3 L1 L2 L3 I'' k1 9
4) Yıldız noktası direnç üzerinden topraklanmış şebeke; Z L1 L2 L3 I'' k1 5) Toprak teması kompanze edilmiş ve geçici olarak yıldız noktası direnç üzerinden topraklanmışşebeke (2 ve 4 ün karması); 10
Yıldız noktası yalıtılmış şebekelerde 0,8 < e 1 Yıldız noktası topraklanmış şebekelerde e 0,8 dir. Yıldız noktası direnç üzerinden topraklanmış şebekeler yalıtılmış şebeke sayılır. 11
Tanım: Yıldız noktası yalıtılmış ya da bobin üzerinden topraklanmış şebekelerdeki toprak hatasına toprak teması denir. Bu durumda e 1 olur. Toprak teması oluştuğunda hata yerinde sağlam fazların toprağa karşı gerilimleri; hatadan önce hata yerindeki fazlar arası gerilim değerine yükselir. 12
Örnek: Toprak teması durumunda gerilim artışı yüzde kaç olur? Hatadan önce sağlam fazların toprağa karşı gerilimi U n / 3 iken; hatadan sonra fazlar arası gerilim değerine yani U n e yükselir. U n U ( U ) n / 3 3 1 0,73 % 73 n / 3 Yani artış, faz gerilimi cinsinden %73 kadardır. Bu durum şebekede birkaç saat sürebilir. 13
Tanım: Yıldız noktası direkt ya da direnç üzerinden topraklanmış şebekelerdeki toprak hatasına toprak kısa devresi denir. Yıldız noktası direkt topraklanmış şebekelerdeki toprak kısa devre akımı, direnç üzerinden topraklanmış şebekelerdeki toprak kısa devre akımına göre daha büyüktür. 14
Ulusal ağ şebekemizde 25 MVA nın üzerindeki 154 / 34,5 kv trafoların yıldız noktaları; -Havai hat çıkışlı merkezlerde 60 Ω, -Kablo çıkışlı merkezlerde 20 Ω dirençle topraklanmıştır. Bu durumda havai hatla beslenen 34,5 kv YG şebekelerde faz toprak kısa devre akımı I k1 34500 / 60 3 300 A ile Kablo çıkışlı 34,5 kv şebekelerdeki faz toprak kısa devre akımı ise I k1 34500 / 20 3 1000 A ile sınırlıdır. 15
Örnek: 20 kv bir YG şebekesinde toprak temas akımının hesaplanması istenmektedir. Bu amaçla bu şebekeyi besleyen 110 / 20 kv trafo merkezinde 25 MVA yıldız noktası izole bir trafo vardır. Bu merkezden 20 km bir kablo hattı ile uzunlukları 45 km, 55 km ve 60 km olan 3 adet havai hat çıkmaktadır. Bu şebekede bir fazlı toprak teması oluştuğunda toprak akımını hesaplayınız. 20 kv kablonun birim kapasitesi 0,3 µf/km ve 20 kv havai hattın birim kapasitesi 5 nf/km dir. 16
ω I CE 2 πf 2π50 3ω (cl).(u n 314 / 3) [( 6 ) 9 ( )]( 3 ) 0,3.10.20 + 5.10. 44 + 55 60. 20.10 / 3 ICE 3.314. + I CE 3.314.(6.10 6 + 0,8.10 6 ( ) ) ( 3 ) 20.10 / 3 I CE 3.314.(6,8.10 6 ) 20.10 3 / 3 I CE 74 A 17
Örnek: Bir önceki şebekede, toprak teması kompanze edilmek isteniyor. Tam kompanzasyon durumunda yıldız noktası ile toprak arasına bağlanacak bobinin değerleri ne olur? Bobin reaktansı X U I / 3 20.103 74 / 3 n CE 156Ω Bobinin gücü Q Un 20.103 ICE 74 3 3 0,855 MVAr 18
Örnek: Toprak teması artık akımı I res in hesabı: U λ : Faz toprak gerilimi I CE I CE : Kapasitif toprak akımı I Dx : Bobin akımının aktif bileşeni I Dy : Bobin akımının reaktif bileşeni : Bobin direnci φ I D x U λ X: Bobin reaktansı & I D <<X U + λ jx U + λ jx jx jx jx 2 + X 2 U λ I Dy I D & I D λ j λ 2 2 2.U + X XU + X 2 I Dx λ 2.U + X 2 I Dy λ 2 X.U + X 2 19
20 Kompanzasyondan sonrası için Ires e toprak teması artık akımı denir. ise artık akım kapasitif, ise artık akım endüktiftir. λ ω U λ X X C 3 j X U I 2 2 2 2 res + + + & 2 2 X X C 3 + > ω 2 2 X X C 3 + < ω
21 <<X olduğundan yaklaşıklıkları kabul edilebilir. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 X ) X ( 1 ) X (1 1 ) X (1 X + + + X 1 ) X X(1 1 ) X (1 X X X X 2 2 2 2 2 2 2 + + +
Bu durumda I res için yaklaşık olarak & I res X2 1 Uλ + j(3ωc ) U λ X ifadesi bulunur. Tam kompanzasyon durumunda 1 3 ωc olur. Böylece 3 ωc 0 olacağından Ires Uλ yazılabilir. X 2 X & I U X.X X res λ I CE 1 X sonucuna ulaşılır. 22
Buradan görülüyor ki, tam kompanzasyon durumunda artık akım kapasitif toprak akımı ile / X oranının çarpımına eşittir. Bobin direnci küçüldükçe şebekedeki artık akım da azalır. Artık akım için tam değer belli değilse kapasitif akımın %8-%10 u alınabilir. 23
Örnek: 50 MVA 154 kv 34,5 kv 2000 MVA 60 Ω 3 x PIGEON 10 km 3 x SWALLOW 1 km 34,5 kv 3 x 95 mm2 XLPE 200 m 1000 kva 0,4 kv 154 / 34,5 kv merkezde sekonder tarafta yıldız noktası 60 Ω dirençle topraklanmış olduğundan I'' k1 300 A ile sınırlanmıştır. 24
Yıldız noktası doğrudan doğruya topraklanmış şebekelerde toprak kısa devre akımı diğer YG şebekelerine göre çok daha büyüktür. Bu akım IEC 60909 a göre hesaplanır. Simetrili bileşenler yöntemi anımsanacak olursa, Z 1 doğru empedans, Z 2 ters empedans ve Z 0 sıfır empedans olmak üzere, 25
1 faz-toprak arızasında, arızalı fazdan geçecek akım, 3cU k1 λ Z1 + Z2 + Z0 I 2 faz-toprak arızasında topraktan geçen akım kee λ Z 1 Z 2 + Z 0 (Z 1 I 2 faz arızasında k2 λ Z1 + Z2 I 3.cU 3cU + 3 faz simetrik akım ise I k3 cu Z 1 λ Z 2 Z ) 2 bağıntıları ile hesaplanır. 26
Z1 Z 2 alınırsa verilen bağıntılar daha pratik hale gelir ve tüm akımlar simetrik 3 fazlı akımlar cinsinden yazılabilir. 3 I k2 I 2 k3 3 I kee I Z 1+ 2 0 Z 1 1 3 I k1 I Z 2 + 0 Z k3 k3 27
Örnek: 20 kv 630 kva 0,4 kv 500 MVA U k %6 P Cu 6,5 kw 0,4 kv baradaki 3 faz ve faz-toprak kısa devresini hesaplayınız. Transformatörün sıfır empedansı yaklaşık olarak doğru empedansa eşit alınacaktır. 28
1) Ön şebeke empedansı: Z 2 2 cun 1,1(400) Q S 6 k''q 500.10 Q 0,1. Z Q alınırsa 0,352 mω Q 2 Q 2 Q 2 Q 2 Q X Z Z 0,01Z 0,995 Z Q Q 0,1.0,352 mω 0, 0352 X Q 0,995.0,352 mω 0, 35 mω mω 29
2) Trafonun empedansı Plaka değerleri U k %6 0,06 P Cu 6500 W %U P.100 6500.100 Cu %1,03 % U % 6 S 3 k 630.10 r Tr 2 2 Ux Uk Ur 6 1,03 2 2 %5,91 X 2 2 U 400 %U n Tr x 0,0591 S 3 Tr 630.10 15 mω 2 U 400 %U n Tr r 0,0103 S 3 630.10 Tr 2 2,6 mω 30
3) Empedans toplamları Σ Q + tr 0,0352 + 2,6 2,63 mω ΣX X Q + X tr 0,35 + 2,6 2,63 mω 4) Kısa devre yerindeki empedans 2 Zk 2,63 + 15,35 15,657 2 mω 5) Kısa devre akımları Z 0 / Z 1 1 ise I'' k1 I'' k3 olacaktır. I c.u 400 n k 1 3Zk 3.15,57 14,8 ka 31
YÜKSEK GEĐLĐM ŞEBEKELEĐNĐN DEĞELENDĐĐLMESĐ 32
1) Yıldız noktası izole şebeke: Đzole yıldız noktası kullanmak en kolay ve en ekonomik yoldur. Hata akım kompanzasyonu ve topraklama gibi yatırım gerektirmez. Toprak temas akımı 1-100 A arasındadır. I CE < 35 A ise toprak arkları bastırılabilir. 35 A <I CE <100 A iken arkların bastırılması çok zordur. Kablolu sistemlerde iki ya da üç faz kısa devre olasılığı artar. I CE 20 A ile sınırlı kalmıyorsa çok hızlı çalışan toprak arıza röleleri kullanılmak zorundadır. 33
2) Toprak teması kompanze edilmiş şebeke: Bu sistemde yıldız noktasına konan bobin ile I CE kompanze edilir. Geriye çok küçük artık akım kalır. (%8-%10)I CE. Bu sistemde ark tehlikesi yoktur. Hata sırasında beslemeyi kesmeden devrenin çalışmaya devam etmesi söz konusu yöntemin en büyük avantajıdır 34
3) ve 4) Yıldız noktası direkt ya da direnç üzerinden topraklanmış şebekeler: Toprak kısa devre akımı büyüktür. Topraklama diğerlerine göre daha fazla önem kazanır. Trafo ve tesislerdeki dokunma gerilimleri değerlendirilmelidir. Paralel giden kontrol ve iletişim hatları ile etkileşim olasılığı belirir. YG motor sargılarının yanma tehlikesi söz konusudur. öle koordinasyonu önem kazanır. 35
5) Toprak teması kompanze edilmiş ve geçici olarak yıldız noktası direnç üzerinden topraklanmış şebeke: 2 ve 4 nolu şebeke yöntemlerinin karmasıdır. Bir fazlı toprak hatası oluştuğunda önce rezonans devresi söz konusu olur. Toprak hata akımları kendi kendini bastıramayan arklar oluşturursa, şalterin kapatılmasıyla direnç üzerinden topraklanmış yıldız modeline geçilir. 36
IEC 909 a göre c gerilim katsayısı Anma Gerilimi, U n En büyük kısa devre akımının hesaplanması için c max En küçük kısa devre akımının hesaplanması için c min AG 230/400 V Diğer AG ler 1 1,05 0,95 1 1 kv < U n < 35 kv 1,1 1 35 kv < U n < 230 kv 1,1 1 37
Yüksek gerilim sistemlerinin karşılaştırılması Direkt topraklanmış Direnç üzerinden topraklanmış Bobin ile topraklanmış Toprak arıza akımı Yüksek (Bazen üç fazlı kısa devre akımından bile fazla) Azaltılmış Yok edilir (Artık akım söz konusu) Aşırı gerilimler, faz toprak arızasında sağlam fazlarda (50 Hz de) Fazlar arası gerilimin 0,8 katı Fazlar arası gerilim kadar Fazlar arası gerilim kadar Geçici toprak arızaları Kısa devreye dönüşür Kontrol edilebilir arıza akımına dönüşür Bastırılır Parafudr kullanımı %80 gerilimli parafudrların kullanımına olanak verir. Normal Normal Đşletmesi Basit Basit Şebeke genişledikçe bobin reaktansı ayarlanmalıdır Telefon enterferansı Ciddi Azaltılmış Đhmal edilebilir Sistem işletme sürekliliği için ek şebeke %100 rezerv kapasite gerektirebilir %100 rezerv kapasite gerektirebilir Đlave şebekeye gereksinim yoktur Toprak arızası olan yer civarında yaşam tehlikesi Çok ciddi Azaltılmış En aza indirilmiş 38
1000 9 V 8 7 6 5 4 3 c b Dokunma gerilimi U Tp 2 1 100 9 8 7 6 5 4 3 4 3 5 6 7 a 8 9 0,1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Akım süresi t s YG` de sınırlı akım süreleri için izin verilen en yüksek dokunma gerilimleri a) Hayvanlardaki zamana bağımlı dokunma gerilimi b) Eski VDE 0141 deki dokunma gerilimi c) Yeni kabul edilen eğri 39
ALÇAK GEĐLĐMDE DAĞITIM ŞEBEKELEĐ 40
15 Hz den 100 Hz e kadar a.a etkilerinin akım-zaman bölgeleri Akımın akış süresi ms 10000 5000 2000 1000 500 200 100 50 20 10 0,1 Açma akımı 0,2 a 0,5 1 2 Başlangıç akımı CD 30 ma 5 b AC-1 AC-2 AC-3 AC-4 10 20 AC-4-1: Ventriküler fibrilasyon olasalığı <%5 C1 C2 50 100 C3 200 AC-4-2: Ventriküler fibrilasyon olasalığı %50 AC-4-3:Ventriküler fibrilasyon olasalığı >%50 500 1000 2000 5000 10000 ma Vücut akımı Tehlikeli fizyolojik etkiler, ağır yanıklar ve ölüm olayları görülür Genellikle bir tepki yoktur Genellikle zararlı bir fizyolojik etki yoktur Organik bir hasar olmaz. Geçici kalp kasılmaları, kaslarda kramp, nefes almada zorluklar görülür 41
T K1 U F K2 L1 L2 L3 N PE Ut p K M 3 PE B A St A Hata ve arızalar ile ilgili tanımlar (TT Sistem) 42
Tehlikeli vücut akımları Ölüm olayları görülür. Ventriküler fibrilasyon olasılığı artar. Tehlikeli fizyolojik ağır etkiler, yanıklar ve nefes almada zorluklar görülür. 1 A 80 ma 30 ma CD 300 ma 260 ma de yangın tehlikesi oluşur CD 30 ma Genellikle zararlı bir fizyolojik etki yoktur. Kaslarda kramp görülür. 10 ma CD 10 ma Genellikle bir tepki yoktur 0,5 ma 43
Akım kaynağı Cihaz L1 L2 L3 N T T C P rotection E arth I N S N eutral 1. Harf 2. Harf AG dağıtım şebekelerinde kodlama 44
TN-Sistem Pano L 1 L 2 L 3 PEN Potansiyel dengeleme iletkenleri PE N B PDB A Temel topraklama TN sistemde topraklama tesisatın ana öğesi değildir!!!!! 45
TN-Sistemde devrenin ayrılması şartı: Z S U I a 0 Z S : Arıza çevrim empedansı U 0 : Faz nötr arası gerilim I a : Kesicinin açma akımı 46
TT-Sistem T L1 L 1 N L 2 L 3 PE N I n 40 A 30 ma B/16 A TT sistemde topraklama tesisatın ana öğesidir!!!!! P E L2 B I F A Temel topraklama 47
TT- Sistemde topraklama direnci A U I L a A : Topraklama direnci U L : Dokunma gerilimi I a : Koruyucu düzenin otomatik çalışmasına sebep olan akım 48
IT-Sistem L 1 L 3 PE Potansiyel dengeleme iletkenleri IDM CD CD A I d C E IDM: Yalıtım izleme düzeneği, CD: Artık akım koruma düzeneği M PDB T 1 ~ 1. hata 2. hata 49
IT sistemde iki hata söz konusudur. 1. hatada devre kapanmaz, yalıtım izleme cihazı tarafından haber verilir ve bu hata kısa zamanda elektrik ustası veya teknisyen tarafından berteraf edilmelidir. 2. hata sigorta veya kesiciler tarafından TN veya TT sistemi oluşmasıyla derhal kesilir. Genellikle 1. hata 2. hatayı doğurur. 1. Hata 2. Hata A U I T d A U I T a T : Topraklama direnci, U L : Dokunma gerilimi I d I a : Artık akım : Koruyucu düzenin otomatik açma akımı 50
Örnek: Şekildeki TN-S sisteminde dokunma gerilimini ve insan vücudundan geçen akımı bulunuz. 51
Eşdeğer devre: T h 0,02 Ω 0,2 Ω U 0 B PE i E 230 V I 1 0,2 Ω 0 A 2 Ω I 2 1000 Ω 100 Ω I U0 230 230 547,6 + + 0,02 + 0,2 + 0,2 0,42 A 1 T h PE 52
OA arası Thevenin eşdeğeri: I1.PE 547,6.0,2 109,5 I I1. + 109,5 1000 + 100 + 109,5 1102 PE 2 i E + B 2 3 Ui I2. i 99.10.10 3 V 99 V 99 ma Yukarıdaki örnekte insan vücudundan geçen akım 99 ma ve dokunma gerilimi 99 V tur (Koruma iletkeni tesis edilmiş). 53
Örnek: Bir önceki örnekte cihaz ile PE arasındaki bağlantının olmadığı durum incelenecektir (Koruma iletkeni tesis edilmemiş). Eşdeğer şema: T h 0,02 Ω 0,2 Ω U 0 i 1000 Ω B E 2 Ω 100 Ω 54
T + h + i + E + B 0,02 + 0,2 + 1000 + 100 + 2 1102, 22 U 230 I 0 1102,22 210 ma U i 210.1000 210 V 55
Örnek: L1 L2 L3 N PE KA B 1 2 3 PDB B16A gl/16a TN sisteminde yukarıda belirtilen 3 ayrı koruma düzeni için çevrim empedanslarını hesaplayınız. 56
U 230 1) Z 0 s 7666Ω I 3 30.10 a U 230 2) Z 0 s 2,88 Ω (Çizelge 10 s.25) Ia 80 U 230 3) Z 0 s 1,43 Ω (Çizelge 10 s.25) I 160 a 57
Örnek: TT sisteminde otomatik açma ile korunma B/16A L1 L2 L3 N PE gg/16a L1 L2 L3 N PE B E B E T 0,01 Ω 0, 1Ω Ω Ω h 2 B E 1 0,01 + 0,1 + 2 + 1 3, 11 230 I 3,11 74 A UE I. E 74.1 74V Ω 58
gg/16a sigorta ile korunmuş E 50 I A 50 72 0,7 Ω B/16A kesici ile korunmuş E 50 I A 50 80 0,625 Ω Sonuç: Her iki tesis de yönetmelikte istenen koşullara uymamaktadır. Mutlaka insan yaşamı eşikli kaçak akım rölesi kullanılmalıdır. 59
Örnek: TT sisteminde 3 ayrı koruma düzeni için toprak direncini hesaplayınız. B PDB 30 ma KA 1 2 3 B16A gl/16a L1 L2 L3 N 1) KA için toprak direnci 1,67 kω 30.10 50 0,625 80 2) B/16A için toprak direnci Ω 3) gl/16a için toprak direnci Ω A A A 50 3 50 0,714 70 60
TT SĐSTEMĐ: L1 L2 L3 N KA KA KA KA KA 1 2 3 4 5 61
Tesiste bir CD (KA) var ise A U I T n Tesiste selektif CD var ise A U 2.I T n Tesiste ikiden fazla CD var ise n: CD için eşzamanlama katsayısı n 0,5 CD sayısı < 4 n 0,35 CD sayısı 4-10 n 0,25 CD sayısı > 10 A n. U T I n Çok hassas CD ler dikkate alınmaz. 62
Soru: 1 nolu KA 500 ma 2 nolu KA 300 ma 3 nolu KA 500 ma 4 nolu KA 300 ma 5 nolu KA 30 ma Ortak topraklama direncini hesaplayınız. A ortak U T n. I.I n max U 50 0,35.(2.0,5 T + 2.0,3) 89,3Ω tahkiki yapılması gerekir. 89,3.0,5 44,6 < 50 V olduğundan uygundur. 63
Soru: Tek bağımsız bölümlü bir konutun ana panosunda 30 ma KA kullanılmıştır. Topraklama direnci ne olmalıdır? Soru: Bir apartmanda daire tablolarında 30 ma KA ve ana girişte 300 ma KA kullanılmıştır. Topraklama direnci ne olmalıdır? 64
IT SĐSTEMĐ: L1 L2 L3 1. hata 2. hata U T : dokunma gerilimi, I d : artık akım 65
IT tesisat ilkeleri: 1. Birinci hatada devre kesilmez. 2. Đkinci hatada normlarda belirtilen sürede devre kesilmelidir. 3. Nötrü dağıtılmış sistemde U U 0, nötrü dağıtılmamış sistemde U 3.U 0 alınmalıdır. 66
Örnek: T 0,02 Ω h 0,38 Ω B10A L1 N B 2 Ω A? Şeması verilen tesiste, toprak özdirenci ρ 200 Ωm ve işletme topraklaması B 2 Ω ölçülmüştür. Koruma düzeni olarak B10A minyatür kesici kullanılmıştır. a) Topraklama direncini, hata akımını ve dokunma gerilimini bulunuz. b) Bu direnci elde etmek için ne kadar uzunlukta şerit kullanılacağını hesap ediniz (30x3,5 mm galvaniz şerit kullanılacaktır). 67
50 50 a) A 1 Ω olmalıdır. I 50 a A 1 Ω olması gerektiğini kabul ederek, T + h + A + B 0,02 + 0,38 + 1+ 2 3, 4 Ω 230 I h 3,4 67,6 A UT Ih. A 67,6.1 67,6 V 68
b) Bilindiği gibi D çaplı ve L uzunluğundaki silindirin, D<<L ve yarısı havada, yarısı toprakta olması koşuluyla yayılma direnci ρ 2L ln π L D bağıntısıyla verilir. Kesit dörtgen ise daireye irca edilmesi gerekir. Ç 2(s + b) π.d Her iki çevreyi eşitlersek, eşdeğer çap D 2(s + b) π galvaniz şeridin eşdeğer çapı 2(30 + 3,5) D π 200 3,14.L ln 2L 0,021 1 eşitliği ile bulunabilir. 30x3,5 mm kesitli 21 mm olur ( D 0,021 m). olmalıdır (Tesis güvenliği için). 63,7.ln(95,2.L) L L 707 m olmalıdır. 69
ρ π L ln 2L D yerine yaklaşık formülün kullanılması: α ρ α (1/L) ρ k L MH: Mutlak hata ρ π L 2L ln D k ρ L BH: Bağıl hata ρ 2L ln k πl D ρ 2L ln πl D ρ L 1 ρ k L ρ 2L ln πl D 1 πk 2L ln D 70
BH0 olduğu durumu göz önüne alalım. πk 2L ln D 1 D 0,021 D k 2L ln D π m için (30x3,5 mm) ln(95,24 L. ) k π ) 3 6,67.10 m için (35 mm 2 ln(300 L. Cu) k π 71
30x3,5 Galvaniz Şerit 35 mm2 Cu 4,00 4,00 3,00 3,00 k 2,00 k 2,00 1,00 1,00 0,00 0 100 200 300 0,00 0 100 200 300 L (m) L (m) Bu eğrilerden yaklaşık olarak şunu çıkarabiliriz. L<10 m için, k 2 2ρ L L>10 m için, k 3 3ρ L 72
Soru: Bir parkta 10 m uzunluğunda 35 mm 2 kullanılacaktır. Cu toprak iletkeni a) Bu iletkenin yeryüzüne serilmesi b) h 0,6 m derinliğe gömülmesi durumunda yayılma dirençlerini karşılaştırınız. 73
a) ρ y πl ln 2L D 35 mm 2 Cu için 3 m D 6,67.10 y ρ π.10 ln 2.10 6,67.10 3 ρ π.10 ln(3000) 74
b) h ρ πl ln L Dh ρ π.10 ln 10 6,67.10 3.0,6 ρ π.10 ln(158) h y ρ ln(158) π.10 ρ ln(3000) π.10 0,63 Sonuç: 10 m uzunluğundaki 35 mm 2 Cu iletkenin 60 cm derinliğe gömülmesi durumunda yayılma direnci yeryüzündeki yayılma direncine göre %37 oranında azalır. 75
Topraklayıcı çeşitleri Topraklayıcı olarak aşağıdaki malzemeler kullanılabilir. 1) Temel topraklayıcı (Kullanılması tavsiye edilir) 2) Gözlü topraklayıcı 3) Şerit topraklayıcı 4) Halka topraklayıcı 5) Derin topraklayıcı 6) Yıldız topraklayıcı 7) Ağ topraklayıcı 8) Levha topraklayıcı (Kullanılması kesinlikle tavsiye edilmez) 76
Topraklayıcılarda potansiyel dağılımı ve yayılma dirençleri U(V) I E U E l (m) eferans toprak A (Ω) 0 5 10 15 20 3 0 40 50 60 70 ρ E (Ωm) Yüzeysel topraklayıcı Derin topraklayıcı φ 0 0 5 10 15 20 3 0 40 50 60 70 Topraklayıcının uzunluğu l(m) 77
Diğer elektrot tipleri için geçiş direnci hesapları Gözlü topraklayıcı D a.b π L a.n + E b.m ρ E ρ + 2D L E a n adet b m adet D E : Topraklama direnci D: Gözlü topraklayıcının eşdeğer daire alan çapı ρ E : Özgül toprak direnci L: Topraklayıcı toplam iletken uzunluğu 78
Çubuk topraklayıcı (Derin topraklayıcı) Yaklaşık hesap: E ρ E / L Başka elektrot varsa >2L L Toprak d L d 79
ÇUBUK TOPAKLAMA ELEKTOTLAININ YAYILMA DĐENCĐNĐN YAKLAŞIK HESABINDA DĐKKAT EDĐLECEK HUSUSLA Taner ĐĐZ EMO Đzmir Şubesi Bülteni Sayı: 142 Mart 2002 s.21 80
21 Ağustos 2001 tarihli Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği nin Ek-T bölümünde, çeşitli topraklayıcı tiplerine ilişkin hesaplama örnekleri yer almaktadır. Yönetmelik çubuk topraklayıcının yayılma direnci için; E ρe 2πL 4L ln d ana formülünü vermektedir. Sözkonusu yayılma direncinin, E ρe L basitleştirilmiş formülü ile bulunabileceği belirtilmektedir. Bu formüllerde L topraklayıcının boyu, d topraklayıcının çapı ve ρ E toprak özdirencidir. 81
Proje üreten ya da uygulamadaki mühendislerin; yönetmeliğin izin verdiği yaklaşık formülü kullanırken dikkatli olmaları gerekmektedir. Bu yazıda anılan ana formül yerine yaklaşık formülün hangi koşullarda kullanılabileceği açıklanacaktır. X gibi bir büyüklüğün, yaklaşık büyüklüğü X y olsun. (X- X y ) farkına mutlak hata, (X- X y )/X ifadesine bağıl hata denir. Bağıl hata Grekçe deki ε harfi ile gösterilir. Bu durumda çubuk topraklayıcı yayılma direnci için, ana formül yerine, yaklaşık formülün kullanılması durumunda yapılacak bağıl hata, ε olur. ρe 4L ln 2πL d ρe 4L ln 2πL d ρ L E 82
Bu ifade düzenlenirse; ε 1 2π 4L ln d eşitliği elde edilir. 83
Bilindiği gibi çubuk topraklayıcı çapının, yayılma direncine etkisi ihmal edilecek kadar azdır. Pratikteki çubuk elektrotlar 2 cm çapında imal edilmektedir. Böylece d2 cm0,02 m olursa, hata fonksiyonu sadece L ye bağlı kalır. d0,02m için; ε 1 2π 4L ln 0,02 1 2π ln200l 84
Ana formül ile yaklaşık formül arasındaki hatanın olmadığı durumu saptamak için ε 0 denklemini çözmek gerekir. 2π 1 ln200l 0 Bu eşitlik düzenlenirse Le 2p /200 elde edilir. L 2,68 m bulunur. Burada e bir doğa sabiti olup yaklaşık 2.72 alınabilir. Bunun anlamışudur: Elektrot uzunluğu L 2,68 metre ise, yaklaşık formül hatasız değer verir. 85
Şimdi de belirli bir elektrot uzunluk aralığında, hatanın hangi sınırlar içinde kalabileceğini saptayalım. - %5 ile + %5 bağıl hata aralığını göz önüne alalım. 1 1 2π ln200l 2π ln200l %5 + %5 0,05 + 0,05 L 2 L 3 m m 86
Yani 2 m<l<3,8 m iken, ana formül yerine yaklaşık formül kullanılması durumunda, yapılacak hata %5 in altında kalmaktadır. Bağıl hata ifadesinin negatif olması, yaklaşık hesapla bulunan değerin ana formülle bulunan değerden daha büyük olduğunu; pozitif olması ise yaklaşık hesapla bulunan değerin ana formülle bulunan değerden daha küçük olduğunu göstermektedir. 87
2 m<l<3,8 m aralığın dışında L 50 cm0,5 m gibi bir değer için ε değeri hesaplanırsa 2π 1 0,36 %36 ln200.0,5 L 0.5 m iken ana formül yerine, yaklaşık formülün kullanılması durumunda, -%36 gibi yüksek bir hata oranı karşımıza çıkar. Bu durumda yaklaşık formülün kullanılması uygun değildir. 88
Şimdi de pratikte en çok kullanılan çubuk elektrotlarını inceleyelim: L (m) d (m) E (ana formül) E (yaklaşık formül) Hata (%) 1,5 0,02 0,605 ρ E 0,667 ρ E -10 3 0,02 0,339 ρ E 0,333 ρ E +1,8 89
Sonuç: 1- Pratikte sık kullanılan elektrotlarda ana formül yerine, yaklaşık formülün kullanılması uygun olmaktadır. 2- Elektrot boyu küçüldükçe (l<1 m) ya da büyüdükçe (l>4 m) bağıl hata arttığından, bu tür elektrotların kullanılabileceği özel topraklama tasarımlarında dikkatli olunmalıdır. 90
ÇUBUK TOPAKLAYICI ÇEVESĐNDE POTANSĐYEL DAĞILIMI 180 eferans toprağa göre elektrot gerilimi 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 L 2 m. D 2.5 cm. ρ E 10 Ω.m I E 96 A. r Elektrottan uzaklık 91
Şerit topraklayıcı PDB s H L b L d 2 ( b + π s ) E ρe 2π L ln 2L d 1 + ln ln L 2H 2L d 92
Levha topraklayıcı Günümüzde önemini yitirdiğinden tavsiye edilmemektedir. Yıldız topraklayıcı ve diğerleri için Yönetmelik Ek-T kullanılabilir. Hesaplarda Yönetmelik Ek-K de verilen direnç eğrilerinden de yararlanılabilir. 93
Ek-K ve Ek-L ile ilgili sorular 94
Soru: Bir elektrik tesisatının gerçekleştirileceği yerde ρ 100 Ωm ölçülmüştür. Sistem topraklama direncinin 2 Ω olması isteniyor. Çeşitli tekil topraklama elektrotları için geçiş dirençlerini hesaplayarak, söz konusu yöntemle istenen geçiş direncinin gerçekleştirilemeyeceğini gösteriniz. 95
3ρ 3ρ 3.100 a) Şerit: L 150 m. L 2 b) Dikey topraklayıcı: 4L ρ 100 4L 50 ln D0,02 m ln ln200 2πL D 2πL 0,02 πl L ln 200L L 2 π 50 0,1256 L 80 ρ 4L ρ Literatürde ve yeni yönetmelikte ln 2πL D L 100 L ρ 50 m (EMO ĐzmirŞb. Bülteni Mart 2002 sayısı) 2 Yönetmelikteki yaklaşık formül her zaman kullanılamaz. ρ c) Levha: T a 11,1 m 4,5.a 4,5. T 4,5.2 11,1x11,1 boyutunda kare levha gerekli. ρ m 100 96
Transformatör Merkezlerinde Genel Topraklama Şeması Ana potansiyel dengeleme ing topraklayıcı Derin topraklayıcı Temel topraklayıcı Bir transformatör merkezi topraklaması 97
Bina Bina Tesislere yakın YG Direği YG Direği Bina Bina Cihaz Duvar Bir endüstri merkezinde ağ şeklinde tesis edilmiş topraklama ve potansiyel dengeleme sistemi 98
TOPAKLAMALA L1 L2 L3 PEN A B A Koruma topraklaması Đşletme topraklaması Fonksiyon topraklaması Koruma topraklaması 99
Topraklamada kullanılan önemli tanımlar YG AG 1. Koruma topraklaması 4 4 5 2. Potansiyel dengeleme barası 4 6 3. Topraklama iletkeni 4. Koruma iletkeni 5. A.G.hava hattı 2 4 3 7 Durumuna göre yalnız biri 7 6. Nötr (N) veya PEN 7. Đşletme topraklaması 8. Potansiyel düzenleyici topraklayıcılar 1 9 > 20 m 10 9. Temel topraklama 10. Derin topraklayıcı 8 Đhtiyaç halinde ilave elektrot 100
Soru (Ek-D ile ilgili) 5 m x 7 m boyutunda bina tipi 34,5 / 0,4 kv 400 kva bir trafo postası için YG tarafı faz toprak kısa devre akımı I k1 1000 A olarak verilmiştir. Toprak özgül direnci 200 Ωm ölçülmüştür. Bu tesiste topraklama direnci E ne olmalıdır? 101
Önce temel topraklaması uygulanırsa, 4.5.7 D 6,7 π m 2ρ 2.200 T 19 πd π.6,7 Ω Bu değer yüksek olduğundan ring topraklama yapılmalıdır. 102
103 9 4.7.9 D π 17.8 0,021 9 2 ln.9 200 d D 2 ln D 200 2 2 r π π π π 9,2 17,8 19 19.17,8 19 //17,8 // r T + 9,2 9,2.1000 U E m kv Ω Ω
En fazla 10 adet L1,5 m çubuk bağlanabilir. 200 ç ρ 133 L 1,5 Ω (tek çubuk) 10 adet çubuk düşünüldüğünden, 133 ç 10 //r //ç 13,3 Ω 9,2 //13,3 9,2.13,3 9,2 + 13,3 T 5,44 Ω U E 5,44.1000 5440 V 104
t 0,1 s için U Tp 700V (ETTY s.14 Şekil 6) U E >4U Tp 4U Tp 4.700 2800 V 5440 V>2800 V t F 5 s U E >4U Tp Çizelge D.1 gereği U E U Tp ispatı Trafo girişinde 34,5 kv XLPE kablo kullanılacağından r0,45 redüksiyon faktörü göz önüne alınabilir. 2800 E 0,6.1000 4,67 Ω olmalıdır. T // r //ç 5,44 Ω elde edilmişti. 5,44. 5,44 + 4,67 5,44 25,4 + 4,67 0,77 25,4 33 O halde 33 Ω paralel bir direnç daha tasarlamalıyız (9 m şerit ve 3 çubuk). 105
2.200 133 ş 44,4 ç 44, 3 9 3 ş //ç 22 5,44.22 5,44 // 22 5,44 + 22 4,36 600.4,36 2616 < 4UTp < 2800 V Ek-D de belirtilen ek önlemlerin alınması kaydıyla topraklama direnci 4,36 Ω kabul edilebilir. 106
Soru: 0,2 m %50 U E %1 U E 20 m %1,7 U E L2 m 68,8 m d kabul 20 m ise U k /U E? c 2 2 20 20c 2 Lc 1 20c 2-4c-200 20 2.2.c c 2-0,2c-10 c 1,105 107
108 lnc d 4L ln U U c d 4L E k /U U E k 0,0167 5,99 0,09985 0,02 4.2 ln ln1,105 d 4L ln lnc U U E k E E k U %1,67. 0,0167.U U
Soru: 30 m x 15 m boyutlarındaki gömülmüş ağ topraklama şebekesinden kaç metre ileride U kabul 50 V olur? (U E 188 V olarak hesaplanmıştır) U k 50 V U E 188 V 18 m 12 m 12 m 15 m 18 m 30 m 109
110 450 30.15 A 17,6 11,97.1,466 1 2.188.50 sin 1 450 d kabul π π d 2 D / arcsin D I U t k π ρ 1 2.U.U sin 1 A d E k kabul π π
Ek-M 111
112 Yarım küre: r 2 I U E π ρ ) D (r 2 I U k kabul + π ρ r D 1 r D r ) D (r 2 I r 2 I U U k k k kabul E + + + π ρ π ρ 1 U U r D k E k 1 U U r D k E k
113 Derin topraklayıcı: k 2 2 k t k d L d L ln L 2 I U + + π ρ d 4L ln L 2 I U t E π ρ k 2 2 k E k k 2 2 k E k d L d L ln d 4L.ln U U d 4L ln d L d L ln U U + + + + k 2 2 k U U d L d L ln d 4L ln E k + + k 2 2 k k 2 2 k d L d L c d L d L ln lnc + + + + 1 c 2Lc d 2 kabul
Soru: D 0,02 m L 2 m bir topraklama kazığından kaç metre ileride U k / U E 0.5 olur? (U k 0,5.U E ) c 4L d U U k E 2.2.20 d kabul 400 1 4.2 0,02 0,2 0,5 20 U U k E 0,01 c 0,01 4.2 2.2.1,0617 1,0617 d kabul 68, 8 0,02 0,0617 114
ŞEBEKE KAŞILAŞMALAI 115
a) Şebeke tipi TT iken: L1 L2 L3 N B M1 M2 k1 k2 116
Eşdeğer devre T U 0 B k1 k2 117
118 k1 B k 2 0 // U I + k1 B k2 0 k2 0 B d1 //.U U U U + k1 B k2 k1 B 0 k1 B k2 k2 0 B d1 // // U ) // (1 U U U + + k2 B k1 k2 B 0 k1 B d1. ). (.U. U + + k1 k2 B 0 B d1.u U +
Soru: Şebeke tipi TT iken tüm cihazlar müstakil topraklı; sadece biri hem topraklı hem de sıfır bağlantılıdır. Tüm dirençler yaklaşık eşit ise M2 deki gövde kaçağı durumunda M1 gövdesinde şebeke faz-nötr geriliminin 1/3 ünün var olacağını gösteriniz. 119
b) Şebeke tipi TN iken: L1 L2 L3 PEN B M1 M2 120
TN VE TT SĐSTEMLEĐNĐN KAŞILAŞMASI Taner ĐĐZ EMO Đzmir Şubesi Bülteni Sayı:146 Temmuz 2002 s.20 121
TS 3994 e göre elektrik şebekeleri sınıflandırılarak üç tipe ayrılmış; gerek iç tesisler, gerekse topraklamalar yönetmeliğinde bu tiplerin özellikleri ve ne şekilde kullanılacakları uzun uzadıya anlatılmıştır. Fakat pratikte yerel elektrik idarelerinin konuya gereken önemi vermemeleri ve bazı teknik elemanların bu konudaki bilgi eksiklikleri, şebeke karşılaşması tehlikesini ortaya çıkarmaktadır. 122
Bu yazıda TN-C sistemi ile TT sisteminin karşılaşması sonucu doğabilecek riskler araştırılacaktır. Şekil-1 de müstakil bir trafodan beslenen bir fabrikanın elektrik dağıtım sistemi görülmektedir. Seçilen sistem TN-C (klasik sıfırlama)dır. Bu sistemde, tüm pasif kısımlar (gövdeler) PEN iletkenine irtibatlandırılır. Dolayısıyla 1 no lu motor sistem karakterine uygun olarak topraklanmıştır. 2 no lu motorun gövdesi ise, teknik eleman hatası nedeniyle PEN iletkenine bağlanmamış, bu motora müstakil koruma topraklaması yapılmıştır. Böyleceşekil-1 de görüldüğü gibi TN-C sistemi ile TT sistemi karşılaşmıştır. 123
124
2 no lu motorda bir izolasyon hatası oluştuğunda, S2 sigortasının atmadığını varsayalım. Bu durumda 2 no lu motor gövdesi ile toprak arasında u 2 gibi bir temas gerilimi oluşur. Öte yandan I h hata akımı, k koruma topraklaması ile 0 işletme topraklaması üzerinden şebekeye geri gider. Bu hata akımı nötr iletkeninde ve buna bağlı bütün sıfırlanmış tüketiciler de bir hata geriliminin doğmasına neden olur. Böylece 1 no lu motor gövdesinde potansiyel sürüklenmesi nedeniyle u 1 gibi hata gerilimi meydana gelir. Daha açıkçası, oluşan bu hata devresinde;u 1 gerilimi işletme topraklama direnci uçlarındaki gerilim ve u 2 gerilimi ise koruma topraklama direnci uçlarındaki gerilimden başka bir şey değildir. 125
Trafo sargı direnci ve hat dirençlerini ihmal edersek, hata akımı için; I h u λ / ( 0 + k ) (1) yazılabilir. u 1 ve u 2 için de, u 1 0.I h 0. u λ / ( 0 + k ) (2) u 2 k.i h k. u λ / ( 0 + k ) (3) bağıntıları elde edilir. (2) ve (3) bağıntılarında pay ve paydalar 0 a bölünürse, u 1 u λ / (1 + k / 0 ) (4) u 2 ( k / 0 ) u λ /(1 + k / 0 ) (5) bulunur. Koruma topraklama direncinin işletme topraklama direnci oranına x dersek, u 1 u λ / (1 +x) (6) u 2 x. u λ /(1 + x) (7) sonucuna ulaşırız. 126
Faz-nötr gerilimi u λ 220 V olduğundan, u 1 220 /(1+x) f(x) ve u 2 220x /(1+x) g(x) bulunur. Ordinat eksenine volt cinsinden temas gerilimini, apsis eksenine de boyutsuz x dirençler oranını götürerek, şekil- 2 deki u 1 f(x) ve u 2 g(x) eğrilerini elde ederiz. 127