Rüzgar Türbinleri İçin Topraklama Ağı Tasarımı. Grounding Grid Design for Wind Turbines

Font A., Kalenderli Ö., Günden S., Rüzgar Türbinleri İçin Topraklama Ağı Tasarımı, Cilt 6, Sayı, Syf 3-20, Haziran 206 Gönderim Tarihi: 9.0.205, Kabul Tarihi: 6.2.206 Rüzgar Türbinleri İçin Topraklama Ağı Tasarımı Grounding Grid Design for Wind Turbines Aytuğ Font, Özcan Kalenderli, Semih Günden Elektrik Mühendisliği Bölümü İstanbul Teknik Üniversitesi font@itu.edu.tr, kalenderli@itu.edu.tr, semih.gunden@gmail.com Özet Bu çalışmada, CYMGRD yazılımı kullanılarak rüzgar türbini çiftlikleri için yapılan üç boyutlu topraklama ağı tasarımı açıklanmıştır. Yapılan tasarımın Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği ve IEEE 80-2000 standardına uygun olmasına dikkat edilmiştir. Topraklama ağı tasarımı yapılmadan önce farklı toprak modellerinin analizlere olan etkileri ortaya konmuştur. Daha sonra temel analizler yapılmıştır. Ölçümler sonucunda elde edilen toprak özdirenç değeri kullanılarak ilk önce tek bir türbin için iki farklı topraklama tasarımı yapılmıştır. Tekil sistem için uygun tasarım belirlendikten sonra bu tasarım, çok sayıda rüzgar türbininden oluşan bir rüzgar çiftliğine uygulanmış, topraklama direnci, adım ve dokunma gerilimleri hesaplanmıştır. Yapılan dört farklı tasarım karşılaştırılmış ve topraklama sistemindeki türbin sayısının topraklamaya olan etkisi incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Rüzgar türbini, Rüzgar türbini çiftliği, Topraklama, Topraklama direnci, CYMGRD Abstract In this study, 3-D grounding system design for wind turbine farms using computer program CYMGRD was presented. The Guide for Grounding of Electrical Power Systems and IEEE 80-2000 standard were considered during the design. Before the system design, pre simulations for different soil models were done in order to see the effect of soil model on the grounding system. Then main analysis were done firstly, two different designs were done for single wind turbine using the soil resistivity values obtained by experimental methods. The optimum design selected from the single wind turbine grounding system simulations were used to form combined grounding system for wind turbine farms and grounding resistance, step and touch voltages were calculated. Four different grounding designs were compared and the effect of turbine number on grounding quality was investigated. Keywords: Wind turbine, Wind turbine farm, Grounding, Grounding resistance, CYMGRD. Giriş Artan dünya nüfusuyla birlikte elektrik enerjisi ihtiyacı da her geçen gün artmaktadır. Artan enerji ihtiyacının karşılanması amacıyla yenilenebilir enerji kaynaklarından da yararlanılmaktadır. Genellikle yüksek ve açık yerlere kurulan rüzgar türbinleri ve çiftliklerinin sayısı giderek artmaktadır. Yüksek yerlere kurulan rüzgar türbinlerinde karşılaşılan en önemli sorunlardan biri yıldırım çarpma riskidir. Rüzgar türbinlerine isabet eden yıldırım akımları kanatlar, rotor ve türbin kulesi üzerinden toprağa akmaktadır. Rüzgar türbinlerinde arıza veya yıldırım darbesi sonucu oluşan tehlikeli gerilimlerin türbin bileşenleri ve canlılara zarar vermesini engellemek amacıyla topraklama sistemi tasarımları yapılır [, 2]. Canlıları ve elektriksel donanımları tehlikeli gerilimlerden korumak için yapılan topraklama, elektriksel bakımdan iletken bir parçayı bir topraklama tesisi üzerinden toprağa bağlamaktır. Başka bir deyişle, işletme için de topraklama yapılmakla birlikte, topraklama, elektrikli işletme araçlarının (generatör, transformatör, motor, direk, vb.) normal işletmede gerilim altında olmayan metal kısımlarının bir iletkenle toprakla birleştirilmesidir []. Topraklamanın amacı, bir hata durumunda oluşacak adım ve dokunma gerilimlerinin insan hayatını tehlikeye sokacak mertebeye ulaşmasını engellemektir. Topraklama sistemi analizinde, topraklama direnci, adım ve dokunma gerilimlerinin hesabı öncelikli amaçtır. Ulusal topraklama yönetmeliği [3] ve IEEE 80-2000 standardına [4] göre topraklama tasarımında aranan koşullardan ikisi adım ve dokunma gerilimlerinin izin verilen değerlerden küçük olmasıdır. Topraklama direnci de yine standart ve yönetmeliklerde belirtilen değerlerden küçük olmalıdır. Böylece arıza akımı kolayca zararsız ve etkisiz kılınabilmelidir. Topraklama sistemi tasarlanırken kullanılan deneyime dayalı (amprik) formüller doğruluk açısından yetersiz kalmaktadır. Günümüzde kullanılan kompleks yapılı topraklama sistemlerinde bu yetersizlikleri gidermek için bilgisayar yazılımları kullanılmaktadır [5-7]. Kullanılan bilgisayar yazılımları sayesinde gerçeğe uygun iki ve üç boyutlu modeller üzerinde çalışılabilmektedir [8]. Bu çalışmada sonlu elemanlar yöntemi ile çözümleme yapan CYMGDR adlı topraklama hesaplama yazılımı kullanılmıştır [9]. Farklı özdirenç ve kalınlığa sahip tabakalı toprak modellerinde uygun toprak tabakası özdirenç ve kalınlıkları belirlenmiştir. Farklı geometrik şekilli topraklama sistemi tasarlanarak CYMGRD yazılımında topraklama dirençleri, toprak potansiyel yükselmesi, adım ve dokunma gerilimleri hesaplanmıştır. Son olarak rüzgar türbinlerinin topraklama ağları birbirlerine bağlanarak rüzgar çiftliklerinin adım ve dokunma gerilimleri incelenmiştir. 3

EMO Bilimsel Dergi, Cilt 6, Sayı, Haziran 206 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası 2. Topraklama 2. Topraklama Hesabı kapladığı alan A Hesabı kapladığı ile ilişkili alan olarak A ile değişir. ilişkili olarak k ve k değişir. 2 katsayıları ve k 2 katsayıları 2. 2. Topraklama Hesabı Çizelge kapladığı yardımıyla alan Çizelge alan A hesaplanır. ile A yardımıyla ile ilişkili ilişkili olarak hesaplanır. olarak değişir. değişir. k k ve ve k 2 k katsayıları 2 Şerit ve çubuk Şerit topraklayıcıların ve 2. çubuk Topraklama 2. topraklayıcıların bir arada kullanıldığı Çizelge yardımıyla hesaplanır. Hesabı Hesabı bir arada kullanıldığı kapladığı kapladığı alan A alan ile ilişkili A ile ilişkili olarak olarak değişir. değişir. k ve k 2 katsayıları ve k 2 katsayıları topraklama Şerit Şerit ve topraklama sistemlerinde, ve çubuk çubuk topraklayıcıların sistemlerinde, topraklayıcıların bir 2. Topraklama topraklayıcıların bir arada arada gömülme kullanıldığı Çizelge : Schwarz Hesabı gömülme Çizelge Çizelge yardımıyla yardımıyla Çizelge formülü Çizelge hesaplanır. : hesaplanır. : Schwarz katsayıları formülü katsayıları derinliğine topraklama bağlı Şerit Şerit derinliğine sistemlerinde, ve çubuk ve çubuk bağlı dirençleri topraklayıcıların topraklayıcıların Laurent dirençleri formülü gömülme bir arada bir Laurent ile Çizelge : Schwarz : formülü katsayıları arada kullanıldığı formülü kullanıldığı ile hesaplanamamaktadır. derinliğine bağlı topraklama topraklama Şerit hesaplanamamaktadır. ve bağlı çubuk Bu tür sistemlerinde, topraklayıcıların durumlarda dirençleri sistemlerinde, Bu topraklayıcıların tür topraklama Laurent durumlarda bir arada kullanıldığı hesabı formülü topraklama ile gömülme toprakla- ile gömülme hesabı h Çizelge Çizelge h : k Schwarz : Schwarz formülü k formülü k 2 katsayıları katsayıları için Sverak hesaplanamamaktadır. ve derinliğine derinliğine ma için Schwarz sistemlerinde, Sverak yöntemleri Bu bağlı ve bağlı Schwarz Bu tür kullanılır. tür durumlarda topraklayıcıların dirençleri yöntemleri topraklama dirençleri Laurent kullanılır. hesabı hesabı k gömülme Laurent derinliğine formülü bağlı h ile h k 2 formülü ile k k 2 k 2 için için Sverak Sverak ve Schwarz yöntemleri kullanılır. 0-0,04α dirençleri Laurent Bu tür formülü durumlarda ile hesaplanamamaktadır. 0 +,4-0,04α 0,5α +,4 + 5,50 0,5α + 5,50 hesaplanamamaktadır. Bu tür durumlarda topraklama topraklama hesabı hesabı h 0 h -0,04α k +,4 k 0,5α k 2 + 5,50 Sverak yönteminde k 2 için Sverak için Bu Sverak bir tür Sverak durumlarda Schwarz yönteminde topraklama ve Schwarz yöntemleri bir ağının yöntemleri topraklama kullanılır. hesabı kullanılır. ağının direnci, 0-0,04α +,4 0,5α + 5,50 için Sverak ve Schwarz direnci, (/0). -0,05α +,20 (/0). -0,05α 0,0α +,20 + 4,68 Sverak Sverak çubuk yönteminde yöntemleri topraklama bir ve kullanılır. çubuk bir topraklama elektrotlarının ağının topraklama ağının elektrotlarının bir arada direnci, 0,0α + 4,68 bir arada (/0). 0 0-0,05α -0,04α -0,05α + -0,04α +,20 +,4,20 +,4 0,0α 0,5α 0,0α + 0,5α + 4,68 + 5,50 4,68 + 5,50 düşünüldüğü denklem ve Sverak Sverak düşünüldüğü ve çubuk çubuk () ile topraklama yönteminde yönteminde denklem hesaplanır. elektrotlarının bir topraklama bir () topraklama ile hesaplanır. bir bir arada arada (/6). -0,04α +,3 ağının ağının direnci, direnci, (/6). -0,04α -0,05α +,3 + 4,40-0,05α + 4,40 düşünüldüğü denklem (/0). -0,05α +,20 0,0α + 4,68 Sverak ve yönteminde () () ile çubuk bir ile hesaplanır. topraklama topraklama (/6). (/0). (/6). -0,04α -0,05α -0,04α + +,3 +,20,3-0,05α 0,0α -0,05α + 4,40 + 4,68 4,40 çubuk topraklama elektrotlarının elektrotlarının ağının bir arada direnci, bir arada ve çubuk topraklama denklem () elektrotlarının ile hesaplanır. bir arada düşünüldüğü düşünüldüğü CYMGRD yazılımında, düşünüldüğü denklem () ile hesaplanır. CYMGRD (/6). (/6). adım yazılımında, -0,04α ve dokunma -0,04α +,3 adım + gerilimi,3 ve -0,05α dokunma güvenlik () -0,05α + 4,40 gerilimi + 4,40 güvenlik denklem () ile hesaplanır. () CYMGRD CYMGRD yazılımında, değerlendirmeleri yazılımında, adım IEEE adım ve adım ve dokunma 80-2000 ve dokunma gerilimi standardında gerilimi güvenlik güvenlik değerlendirmeleri IEEE 80-2000 standardında yer alan () yer alan IEEE formül- CYMGRD CYMGRD formüllere yazılımında, yazılımında, göre IEEE yapmaktadır. adım ve adım dokunma Bu ve dokunma standarda gerilimi gerilimi göre yer güvenlik 50 alan () formüllere değerlendirmeleri göre yapmaktadır. IEEE Bu 80-2000 standarda standardında göre 50 kg ve yer 70 alan güvenlik kg 70 () kg () vücut formüllere ağırlıkları lere göre değerlendirmeleri kg vücut göre yapmaktadır. için ağırlıkları maksimum Bu IEEE IEEE 80-2000 için Bu standarda adım 80-2000 maksimum ve göre dokunma göre 50 kg standardında standardında adım 50 kg kg 70 yer ve 70 kg alan yer dokunma 70 vücut kg kg vücut vücut ağırlıkları ağırlıkları alan Bu denklemde, ρ toprağın özdirenci (Ω.m), L toprak altına () formüllere formüllere gerilimleri için maksimum için göre yapmaktadır. göre aşağıdaki için maksimum yapmaktadır. denklemlerle adım ve adım dokunma Bu standarda Bu standarda hesaplanmaktadır adım ve ve gerilimleri dokunma Bu denklemde, ρ toprağın özdirenci (Ω.m), L toprak altına gerilimleri aşağıdaki denklemlerle hesaplanmaktadır [4]: aşağıdaki aşağıdaki denklemlerle denklemlerle hesaplanmaktadır hesaplanmaktadır [4]: [4]: [4]: göre 50 göre kg 50 ve [4]: kg 70 ve 70 Bu Bu denklemde, ρ toprağın gömülmüş çubuk ρ özdirenci ve (Ω.m), (Ω.m), L toprak toplam L toprak altına uzunluğu altına gerilimleri gömülmüş çubuk ve toplam uzunluğu (m), A (m), A kg vücut kg vücut ağırlıkları ağırlıkları için maksimum için maksimum adım adım ve dokunma ve dokunma topraklama gömülmüş ağının çubuk Bu denklemde, Bu topraklama kapladığı çubuk ve ve denklemde, ρ toprağın ağının alan ρ toprağın kapladığı (m 2 ) ve toplam özdirenci özdirenci alan h toplam iletken uzunluğu (Ω.m), (m(ω.m), 2 L ) toprak ve ağın (m), L h toprak iletken (m), A A 50 kg vücut ağırlığı altına altına ağın gerilimleri gerilimleri 50 kg için aşağıdaki vücut dokunma aşağıdaki ağırlığı gerilimi denklemlerle için denklemlerle dokunma hesaplanmaktadır gerilimi [4]: [4]: topraklama gömülmüş Bu denklemde, ağının çubuk ve toprağın özdirenci (Ω.m), toplam L uzunluğu toprak altına (m), gömülmüş derinliktir ağının gömülmüş gömüldüğü ağının kapladığı çubuk ve derinliktir alan (m). alan (m (m 2 ) 2 ve ) ve h h iletken iletken ağın ağın 50 50 kg kg vücut 50 vücut kg ağırlığı vücut ağırlığı ağırlığı için için dokunma için dokunma gerilimi gömüldüğü derinliktir (m). gerilimi gömüldüğü toplam uzunluğu (m), A A topraklama topraklama çubuk (m). ağının kapladığı ve (m). kapladığı alan (m alan 2 ) toplam ve (m 2 ) h uzunluğu ve iletken h iletken ağın (m), A ağın topraklama Schwarz derinliktir ağının ise 50 kg 50 vücut kg vücut ağırlığı ağırlığı için dokunma için dokunma gerilimi gerilimi (6) Schwarz yönteminde gömüldüğü gömüldüğü yönteminde çubuk derinliktir kapladığı ve (m). (m). ise alan çubuk (mtopraklayıcıların 2 ) ve ve h iletken topraklayıcıların ağın gömüldüğü (6) (6) (6) (6) Schwarz dirençleri derinliktir yönteminde ayrı dirençleri ayrı (m). hesaplanır. ise ise çubuk ayrı çubuk ayrı Ağın ve hesaplanır. ve toplam topraklayıcıların Ağın toplam direnci ise ayrık dirençleri (6) (6) Schwarz Schwarz direnci ayrı yönteminde ise yönteminde ayrık ayrı dirençleri ayrı ayrı hesaplanır. ise ile çubuk ise çubuk ve dirençleri çubuk Ağın Ağın toplam ve toplam ve topraklayıcıların ile çubuk ve ve adım gerilimi; ve adım gerilimi; iletkenler direnci direnci arasındaki Schwarz ise yönteminde ise çubuk ve topraklayıcıların dirençleri ayrı ayrı hesaplanır. Ağın toplam direnci iletkenler ise ayrık karşılıklı ayrık dirençleri dirençleri arasındaki dirençlerin dirençleri ayrı ayrı karşılıklı birleşimi ile hesaplanır. ayrı hesaplanır. dirençlerin ile ile çubuk birlikte çubuk ve Ağın toplam Ağın birleşimi ve toplam ile birlikte ve ve adım adım ve gerilimi; adım gerilimi; denklem iletkenler (2) de direnci direnci denklem verilen arasındaki bağıntı karşılıklı ise ayrık ise (2) de ayrık verilen ile hesaplanır. dirençlerin dirençleri bağıntı birleşimi dirençleri ile hesaplanır. ile ile birlikte birlikte denklem ile çubuk ile çubuk ve ve ve adım ve gerilimi; adım gerilimi; iletkenler iletkenler ise (2) de ayrık (2) de verilen arasındaki verilen bağıntı arasındaki karşılıklı dirençleri bağıntı ile ile hesaplanır. karşılıklı dirençlerin ile dirençlerin çubuk birleşimi ve birleşimi ile iletkenler birlikte ile birlikte arasındaki (7) (7) denklem denklem (2) de karşılıklı (2) de verilen dirençlerin verilen bağıntı bağıntı ile birleşimi hesaplanır. ile hesaplanır. ile birlikte denklem (2) de (7) (7) (7) (2) verilen bağıntı ile hesaplanır. (2) (2) (2) 70 kg vücut ağırlığı (7) (7) 70 kg için dokunma gerilimi 70 70 kg kg vücut 70 vücut kg ağırlığı vücut ağırlığı ağırlığı için için dokunma için dokunma gerilimi gerilimi Bu denklemde (2) (2) Bu R denklemde, R 2 ve R m, sırasıyla 2 ve R m sırasıyla oluşturduğu Bu Bu denklemde (2) 70 kg 70 vücut kg vücut ağırlığı ağırlığı için dokunma için dokunma gerilimi gerilimi oluşturduğu direnci, R, R R, 2 R ve çubuk 2 ve R direnci, m R m sırasıyla çubuk (8) (8) direnci oluşturduğu ve bu iki Bu denklemde Bu direnci iletkenin Bu denklemde denklemde ve Rbu birbirine direnci,, iki R iletkenin göre çubuk direncidir. 2, R, ve R 2 ve 2 R R m ve birbirine çubuk sırasıyla m sırasıyla R m sırasıyla göre direncidir. (8) (8) (8) direnci direnci ve ve bu bu iki iki iletkenin birbirine göre göre direncidir. oluştur- oluşturduğu oluşturduğu direnci, direnci, çubuk çubuk (8) (8) Schwarz yöntemine duğu direnci, çubuk direnci ve bu direnci direnci Schwarz göre ve bu iki ve yöntemine bir topraklama bu iletkenin iki iletkenin birbirine göre birbirine ağını göre topraklama oluşturan direncidir. göre direncidir. ağını ve adım gerilimi; oluşturan ve adım gerilimi; iki iletkenin birbirine göre direnci göre direncidir. (R ), denklem ağını (3) ile hesaplanır. ve adım ve adım gerilimi; Schwarz yöntemine göre topraklama ağını oluşturan ve adım gerilimi; direnci (R ), denklem (3) ile hesaplanır. direnci direnci (R (R ), denklem ), (3) (3) ile ile hesaplanır. Schwarz Schwarz yöntemine yöntemine göre bir göre göre topraklama bir bir topraklama ağını oluşturan ağını ağını oluşturan ve adım ve gerilimi; adım gerilimi; (9) (9) direnci direnci direnci (R ), denklem (R (R ), ), denklem denklem (3) ile hesaplanır. ile ile hesaplanır. (9) (9) (9) (3) (3) ( ( ) ) (3) (3) (9) (9) Bu denklemlerde, t arıza süresi t (s), arıza yüzey süresi malzemesinin yüzey malzemesinin ( ) (3) (3) Bu Bu denklemlerde, Bu denklemlerde, t arıza Burada ρ toprağın özdirenci (3) (Ω.m), L c ağdaki özdirenci (Ω.m) t arıza t süresi arıza ve C süresi süresi (s), s yüzey (s),(s),yüzey tabakasının malzemesinin azaltma özdi- Burada ρ toprağın özdirenci (Ω.m), L c ağdaki özdirenci (Ω.m) ve C s yüzey tabakasının azaltma katsayısıdır katsayısıdır Burada Burada ρ ρ toprağın özdirenci toplam (Ω.m), uzunluğu (Ω.m), L (m), a iletken yarıçapı (m), h Bu denklemlerde, Bu [4]. denklemlerde, C s katsayısı; t arıza t h s süresi arıza kalınlığındaki süresi (s), (s), yüzey ve yüzey malzemesinin özdirençli, L c ağdaki c ağdaki özdirenci (Ω.m) (Ω.m) ve ve C s Cyüzey s tabakasının azaltma katsayısıdır [4]. C s toplam uzunluğu (m), a iletken yarıçapı (m), h [4]. C s katsayısı; h s kalınlığındaki ve özdirençli, yüksek malzemesinin yüksek toplam Burada Burada gömülme toplam uzunluğu ρ toprağın ρ ρ toprağın derinliği (m), toprağın özdirenci (m), (m), a iletken özdirenci A (Ω.m), a iletken yarıçapı (Ω.m), iletkenlerden (m), L c Lağdaki L c ağdaki özdirenci (Ω.m) ve C s yüzey tabakasının azaltma katsayısıdır c ağdaki oluşan (m), h h [4]. [4]. C s Ckatsayısı; ağın özdirenci dirençli s katsayısı; h s hkalınlığındaki (Ω.m) yüzey s h s ve C s malzemesinin veözdirençli, yüzey tabakasının altındaki özdirençli, yüksek yüksek dirençli azaltma toprak katsayısıdır için yüksek yüzey gömülme derinliği (m), A iletkenlerden oluşan ağın dirençli yüzey malzemesinin altındaki toprak için denklem denklem gömülme derinliği toplam kapladığı (m), toplam uzunluğu alan toplam uzunluğu (m (m), (m), 2 A ) ve A uzunluğu a k iletkenlerden iletken (m),, k 2 Schwarz oluşan a (m), yarıçapı iletken a iletken katsayılarıdır. oluşan ağın ağın dirençli malzemesinin yüzey (m), yarıçapı h yarıçapı gömülme (m), h (m), derinliği (m), derinliği A derinliği (m), iletkenlerden A (m), A iletkenlerden oluşan iletkenlerden ağın kapladığı oluşan oluşan alan ağın (mağın 2 ) ve h [4]. C[4]. s (0) yüzey malzemesinin katsayısı; Cile s hesaplanır: altındaki altındaki toprak için toprak denklem toprak için (0) için denklem ile hesaplanır: kapladığı alan (m 2 ) ve k, k katsayısı; h s kalınlığındaki h s kalınlığındaki ve özdirençli, ve özdirençli, yüksek yüksek alan (m 2 Schwarz katsayılarıdır. (0) hesaplanır: kapladığı alan (m 2 ) ve ) ve k, k 2 (0) ile, k 2 Schwarz katsayılarıdır. (0) ile hesaplanır: gömülme gömülme dirençli dirençli yüzey yüzey malzemesinin malzemesinin altındaki altındaki toprak toprak için denklem için denklem Çubuk kapladığı kapladığı kçubuk, kalan 2 Schwarz (malan 2 dirençleri ) ve (m katsayılarıdır. k 2 ) ve k, k 2 Schwarz katsayılarıdır. (0) ile hesaplanır:, (R 2 ) k 2 Schwarz dirençleri ise; L R bir katsayılarıdır. (R çubuğun 2 ) ise; L R bir çubuğun (0) ile hesaplanır: Çubuk Çubuk (0) boyu (m), b çubuk dirençleri yarıçapı (R (m), 2 (R ) ise; n 2 ) R toplam ise; L R L bir R çubuk bir çubuğun ( ) (0) (0) boyu (m), b çubuk yarıçapı (m), n R toplam çubuk sayısı ve k sayısı ve k boyu Çubuk Çubuk Schwarz (m), b çubuk katsayısı olmak (m), dirençleri üzere n dirençleri R toplam (R denklem çubuk 2 ) ise; (R (R 2 L(4) 2 ) R ise; bir ile sayısı Lçubuğun hesaplanır. ve R bir bir k (0) (0) Schwarz boyu katsayısı (m), b olmak çubuk üzere yarıçapı denklem (m), n(4) R toplam ile hesaplanır. çubuk sayısı ve k çubuğun Schwarz ( ) katsayısı olmak olmak üzere üzere denklem (4) (4) ile ile hesaplanır. boyu (m), b çubuk yarıçapı (m), n R toplam çubuk sayısı ve ve kk (0) (0) boyu (m), b çubuk yarıçapı (m), n R toplam çubuk sayısı ve k 3. Rüzgar 3. Türbinleri Rüzgar Topraklama Türbinleri Topraklama Sisteminin Sisteminin Schwarz Schwarz katsayısı ( katsayısı ) olmak olmak üzere denklem üzere denklem (4) ile (4) hesaplanır. ile hesaplanır. 3. (4) 3. Rüzgar Türbinleri Topraklama Sisteminin Üç Boyutlu Tasarımı ( ) (4) 3. Rüzgar Üç Boyutlu Türbinleri Tasarımı Topraklama Sisteminin Üç 3. Rüzgar 3. Rüzgar Türbinleri Türbinleri Topraklama (4) Üç (4) Üç Boyutlu Tasarımı Günümüzde bilişim Sisteminin Sisteminin (4) (4) Üç Boyutlu Tasarımı (4) Günümüzde teknolojisinin Boyutlu bilişim teknolojisinin hızlı gelişimi Tasarımı hızlı sayesinde gelişimi sayesinde Çubuk ve Üç Boyutlu Tasarımı Çubuk ve karşılıklı dirençleri karşılıklı R m de dirençleri Schwarz bilgisayar Günümüzde kullanımı R m de Schwarz Günümüzde bilişim bilgisayar hemen bilişim kullanımı bilişim her teknolojisinin alanda hemen teknolojisinin hızlı hızlı her şekilde hızlı gelişimi alanda hızlı artmıştır. hızlı gelişimi sayesinde şekilde sayesinde artmıştır. denkleminde Çubuk Çubuk dikkate ve denkleminde ve alınmaktadır. karşılıklı dikkate Bu alınmaktadır. direnç dirençleri değeri R Bu denklem direnç m R m Schwarz değeri Mühendislik bilgisayar uygulamalarında denklem Günümüzde Günümüzde bilgisayar kullanımı Mühendislik bilişim kullanımı hemen bilişim uygulamalarında hemen da her bilgisayar her alanda teknolojisinin hemen alanda teknolojisinin her algoritmalarının hızlı hızlı da alanda hızlı şekilde bilgisayar şekilde gelişimi hızlı hızlı gelişimi şekilde artmıştır. sayesinde algoritmalarının denkleminde sayesinde artmıştır. (5) ile hesaplanmaktadır. dikkate Çubuk Çubuk (5) ve ile hesaplanmaktadır. dikkate alınmaktadır. Bu Bu direnç direnç değeri değeri denklem kullanımı Mühendislik hızlı ve karşılıklı karşılıklı dirençleri dirençleri R m de Schwarz R m de Schwarz bilgisayar bilgisayar Mühendislik kullanımı çözümler uygulamalarında kullanımı kullanımı hızlı üretmekte, uygulamalarında da hemen çözümler sonuçlar da bilgisayar hemen her alanda üretmekte, her da görsel alanda hızlı bilgisayar algoritmalarının şekilde sonuçlar olarak hızlı şekilde algoritmalarının artmıştır. görsel artmıştır. olarak (5) (5) ile ile hesaplanmaktadır. elde edilebilmektedir. kullanımı hızlı denkleminde denkleminde dikkate dikkate alınmaktadır. alınmaktadır. Bu direnç Bu direnç değeri değeri denklem denklem Mühendislik Mühendislik elde edilebilmektedir. hızlı çözümler üretmekte, sonuçlar uygulamalarında Bu da çerçevede görsel bilgisayar da bilgisayar topraklama görsel olarak algoritmalarının sistemlerinin olarak kullanımı Bu hızlı çerçevede çözümler topraklama üretmekte, sistemlerinin sonuçlar görsel olarak tasarımında elde elde edilebilmektedir. Bu (5) ile (5) hesaplanmaktadır. ile kullanımı kullanımı tasarımında hızlı çözümler hızlı birçok Bu çerçevede topraklama çözümler üretmekte, bilgisayar sistemlerinin üretmekte, sonuçlar yazılımı elde birçok edilebilmektedir. bilgisayar yazılımı Bu çerçevede mevcut topraklama olup sonuçlar görsel mevcut görsel sistemlerinin (5) olarak olarak olup kullanıcılar (5) tasarımında ihtiyaçlarına birçok elde edilebilmektedir. elde kullanıcılar birçok bilgisayar ihtiyaçlarına yazılımı Bu çerçevede Bu çerçevede göre mevcut topraklama tasarımlarında mevcut olup topraklama sistemlerinin bu sistemlerinin programları olup ( ( ) ) (5) (5) tasarımında göre birçok tasarımlarında bilgisayar yazılımı bu programları mevcut olup kullanıcılar kullanıcılar ihtiyaçlarına tasarımında tasarımında kullanmaktadır. göre birçok birçok Topraklama göre tasarımlarında bu bilgisayar bilgisayar sistemlerinin bu programları yazılımı yazılımı mevcut tasarımlarının kullanmaktadır. mevcut olup doğru kullanmaktadır. olup (5) (5) (5) ihtiyaçlarına Topraklama Topraklama Schwarz denklemlerindeki kullanıcılar kullanıcılar sonuçlar göre sistemlerinin tasarımlarında tasarımlarının sistemlerinin ihtiyaçlarına ihtiyaçlarına verebilmesi bu programları doğru tasarımlarının göre tasarımlarında göre için tasarımlarında kullanılan kullanmaktadır. Topraklama verebilmesi ağın boy/en oranı olan α, gömülme derinliği h ve ağın kullanmaktadır. topraklamada sistemlerinin için sonuçlar verebilmesi için kullanılan yazılımlarda doğru bu programları bu programları yazılımlarda doğru Schwarz denklemlerindeki k ve k 2 katsayıları, k ve k oluşturulan 2 katsayıları, oluşturulan sonuçlar Topraklama için kullanılan tasarımlarının Topraklama sistemlerinin yazılımlarda doğru sistemlerinin ve çubuk tasarımlarının topraklayıcıların sonuçlar verebilmesi kullanılan sonuçlar sonuçlar verebilmesi verebilmesi için için kullanılan kullanılan yazılımlarda yazılımlarda ağın boy/en Schwarz oranı denklemlerindeki olan α, gömülme k k ve derinliği ve k 2 k katsayıları, 2 h ve oluşturulan ağın topraklamada kullanılan ve çubuk topraklayıcıların ayrı tasarımlarının doğru doğru ayrı topraklamada Schwarz Schwarz Schwarz denklemlerindeki denklemlerindeki k ve k k ve 2 ve katsayıları, k 2 k katsayıları, 2 katsayıları, oluşturulan oluşturulan oluşturulan ağın olarak tanımlanabilmesi, için kullanılan ve yazılımlarda ve çubuk toprağa çubuk topraklayıcıların akan topraklamada ayrı kullanılan toprak arıza ayrı ağın ağın boy/en boy/en oranı oranı olan olan α, α, gömülme derinliği h h ve ve ağın ağın olarak tanımlanabilmesi, toprağa akan toprak arıza akımının akımının olarak olarak tanımlanabilmesi, ve çubuk topraklayıcıların toprağa akan akan toprak ayrı toprak olarak arıza arıza tanımlanabilmesi, akımının topraklamada topraklamada kullanılan kullanılan ve çubuk ve çubuk topraklayıcıların ayrı ayrı ağın boy/en ağın boy/en boy/en oranı oranı olan oranı olan α, gömülme α, olan gömülme α, gömülme derinliği derinliği h derinliği ve ağın h ve kapladığı h ağın ve ağın alan toprağa akan toprak arıza akımının hesaplanabilmesi, ilgili A ile ilişkili olarak değişir.k olarak olarak tanımlanabilmesi, toprağa toprağa akan toprak akan toprak arıza akımının arıza akımının ve k 2 katsayıları Çizelge yardımıyla hesaplanır. saplanabilmesi gibi özelliklerin olması alandaki istenen herhangi bir noktanın yüzey potansiyelinin he- gerekmektedir. 4

Font A., Kalenderli Ö., Günden S., Rüzgar Türbinleri İçin Topraklama Ağı Tasarımı, Cilt 6, Sayı, Syf 3-20, Haziran 206 Gönderim Tarihi: 9.0.205, Kabul Tarihi: 6.2.206 CYMGRD yazılımı, mühendislere bina veya şalt sahalarının topraklama hesapları ile ilgili yardımcı olmak üzere tasarlanmış bir yazılımdır. Program, içerisindeki toprak analiz modülü, elektrot boyutlandırma, sistem analiz ve grafik modülleri ile herhangi bir sahanın toprak özdirenç hesaplamaları, topraklama ve çubuklarının tasarımı, toprak potansiyelinin artışı, yüzey potansiyelindeki değişim, adım gerilimi hesabı gibi konularda kullanılabilir. Program yapılan hesaplamalar için IEEE 80-2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding standardını esas almaktadır. Bu bölümde CYMGRD yazılımı sayesinde rüzgar türbinleri topraklama tasarımı incelenmiştir. Yazılım bir veya iki tabakadan oluşan topraklarda, topraklama ağlarının analizini yaparak IEEE 80-2000 standardına göre adım ve dokunma gerilimlerini hesaplar [4]. CYMGRD yazılımı [9] ile topraklama tasarımı yapılmadan önce M. I. Lorentzou ve diğerlerinin çalışması dikkate alınmıştır []. Bu çalışmaya göre tasarım yapılırken izlenecek metodoloji belirlenmiştir. Bu metodolojiye göre ilk önce topraklama alanının özdirenci ölçümlerle hesaplanır. Daha sonra rüzgar türbini baralarında oluşabilecek tek fazlı kısa devre akımı hesaplanır ve bu akıma göre izin verilen maksimum adım ve dokunma gerilimleri bulunur. Tek bir rüzgar türbininin topraklama tasarımı yapılır ve topraklama direnci ile bir kişinin tehlikeye maruz kalabileceği adım ve dokunma gerilimleri hesaplanır. 3.. Toprak Özdirenç Ölçümü ve Toprak Katmanlarının Modellenmesi Topraklamanın yapıldığı toprak, bazen önemli derinliklere kadar aynı özelliklere sahip olabilirken bazen de değişkenlik gösterebilmektedir. Toprağın bu yapısını anlamak için son yıllarda önemli çalışmalar yapılmış ve sonuç olarak toprak yapıları değerlendirilirken çok tabakalı sistemler olarak düşünülmektedir. Ancak CYMGRD yazılımı ile tek tabakalı ve iki tabakalı toprak sistemleri tanımlanabilmektedir. İki tabakalı toprak sistemi, özdirençleri birbirinden farklı belirli bir derinlikteki (kalınlıktaki) üst tabaka ve sonsuz derinlikteki alt tabakadan oluşmaktadır. CYMGRD yazılımı topraklama özdirenç ölçümlerinde Wenner dört kazık yöntemini desteklemektedir. Bu çalışmada da buna uygun olarak topraklama alanının özdirenç ölçümleri Wenner dört kazık yöntemine göre yapılmıştır. Şekil de Wenner yönteminin ilkesel açıklama şekli görülmektedir [3, 4]. b V a a a Şekil : Wenner dört kazık yöntemi. Özdirenci ölçülecek toprak üzerinde dört adet elektrot eşit aralıklarla istenilen derinliğe saplanır. En dıştaki elektrotlara akım uygulanır ve bir ampermetre ile bu akım ölçülür. İçteki elektrotlar arasında bu akımın yarattığı potansiyel farkı bir voltmetre ile ölçülür. Bu ölçüm değerlerinden denklem () yardımıyla toprak özdirenci her derinlik için hesaplanır [3, 4]. [ ] () Bu denklemde a elektrotlar arası uzaklık (m), b elektrotların boyu (gömülme derinliği) (m), I uygulanan akım (A) ve V oluşan gerilimdir (V). Bu denklem ile b = 2,5 m uzunluğunda elektrotlar kullanarak, 0 farklı a değeri için ölçülen V, I değerleriyle hesaplanan toprak özdirenç değerleri Çizelge 2 de verilmiştir. Bu değerler söz konusu programa girildiğinde istenen toprak modeline göre tabaka kalınlıkları ve bu tabakaların özdirençleri belirlenir. M. I. Lorentzou [] çalışmasında da belirtildiği gibi gerçek toprak modeline en yakın kabul edilen model iki tabakalı toprak modeli olduğu için bu çalışmada da hesaplamalar buna göre yapılmıştır. Çizelge 2: Hesaplanan toprak özdirenç değerleri Ölçüm Sırası Açıklık, a (m) Özdirenç ρ (Ω.m) 78,7 2 2 34 3 3 426 4 4 497 5 5 53 6 6 52 7 7 4 8 8 398 9 9 439 0 0 464 Ortalama 45,27 Sahadan alınan toprak ölçümleri, kazıklar arası mesafe ile birlikte programa girilir. CYMGRD yazılımında toprak analiz butonuna basıldığında, yaklaşık olarak bir grafik çizdirilir. Bu grafiğe göre program, toprağı iki tabaka olarak değerlendirmektedir. Bunların yanında toprak modellemesinde kullanıcı girişi ile de tasarım yapılabilmektedir. Burada kullanıcı, her elektrotlar arası açıklık için belirlenmiş toprak özdirençlerini girmek yerine ortalama toprak özdirenç değerini girmekte ve program tek bir toprak tipi olarak işlemleri yapmaktadır. Toprak analizi modülünde çıkan sonuçlar rapor kısmında görülmekte ve diğer modüllere otomatik olarak aktarılmaktadır. Şekil 2 de farklı elektrotlar arası açıklıklar için hesaplanmış toprak özdirençlerinin topraklama yazılımına girilmiş hali görülmektedir. Yazılım bu değerlerden yanlış ölçüm nedeniyle oluşan kararsız noktaları atarak derinliğe bağlı toprak özdirenç değişimini kendi elde eder. Bu eğri yardımıyla da kullanılacak toprak modelini oluşturur. Çizelge deki değerler yardımıyla program iki tabakalı bir toprak modeli oluşturmuştur. Bu modele göre toprak, üst katmanı m kalınlığında, 74,37 Ω.m özdirence sahip ve alt katman 535, Ω.m özdirence sahip olacak şekilde modellenmiştir. Yapılan benzetimlerde toprağın bu iki tabakalı modeli kullanılmıştır. 5

EMO Bilimsel Dergi, Cilt 6, Sayı, Haziran 206 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Yapılacak olan analizlerde kullanılacak toprak modelini (tek katmanlı veya iki katmanlı) belirleyebilmek için ön analizler yapılmıştır. Bu analizlerde, daha önceden rüzgar santrali kurulan bir alanın toprak ölçüm raporlarından yararlanılmıştır. Kullanılan raporlardaki toprak alanı özdirenç değerleri Wenner dört kazık yöntemi ile ölçülmüş ve Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 4: Toprak özdirenç değerleri Şekil 2: Özdirencin elektrotlar arası açıklıkla değişimi. 3.2. Topraklama Ağı, Elektrotlar ve İletkenlerin Tasarımı Tasarımın bu bölümünde sistemin tek fazlı kısa devre arıza akımı hesaplanmıştır. Arıza akımı olarak topraklama tasarımının yapılacağı tesisin kısa devre arıza akımı dikkate alınmıştır. Buna göre maksimum toprak arıza akımı 5 ka olarak, maksimum kısa devre süresi 0,5 saniye olarak belirlenmiştir. Yapılan ölçümlerde maksimum ağ sıcaklığı (bakırın ergime sıcaklığı olan) 083 C ve maksimum çevre sıcaklığı 40 C olarak belirtilmiştir. Bu koşullar dikkate alınarak rüzgar türbini temel topraklama elektrotları ve in boyutları seçilirken yüksek arıza akımı ve mekanik zorlanmaya dayanım göz önünde tutulmuş ve Çizelge 3 deki değerler belirlenmiştir. Çizelge 3: Topraklama elektrodunun özellikleri Ölçüm Sırası Açıklık, a (m) Özdirenç ρ (Ω.m) 68 2 2 297 3 3 264 4 4 245 5 5 227 6 6 233 7 7 236 8 8 249 9 9 298 0 0 309 ortalama 252,60 Bu ölçümler yazılım tarafından iki tabakalı toprak modelinde kullanılarak toprağın tabaka özdirençleri ve kalınlıkları hesaplanmıştır. Buna göre sonuçlar Çizelge 5 de gösterilmiştir. Üst tabaka özdirenci Üst tabaka kalınlığı Alt tabaka özdirenci Çizelge 5: Hesaplanan toprak verileri 7,0 Ω.m m 27,38 Ω.m Karşılaştırma analizleri için kullanılacak olan model Şekil 3 de görülmektedir. Topraklama ağının çevre uzunluğu 48 m olacak şekilde 2 m 2 m gözlere sahip bir tasarım kullanılmıştır. Kullanılan yapıda çubuk topraklayıcı kullanılmamıştır. Topraklama elektrodu çapı Topraklama iletkeni çapı Topraklama elektrodu uzunluğu Temel boyutları (Yarıçap Yükseklik) Topraklama ağı çevre uzunluğu 6 mm 6 mm 2.5 m 2 m 2 m 4 2 m = 48 m Bu veriler kullanılarak dört farklı topraklama modeli oluşturulmuş ve standarda göre gerekli hesaplamalar bilgisayar ortamında yapılmıştır. İlk model, tekil rüzgar türbini için m 2 gözlere sahip ağ tasarımına sahiptir. İkinci modelde gözlerin alanı 0,25 m 2 olacak şekilde küçültülmüştür. Üçüncü modelde, ikinci modelde kullanılan topraklama yapısı dört rüzgar türbininden oluşan bir çiftlik için birlikte tasarlanmıştır. Son model ise üçüncü modeldeki türbin sayısının iki katı olması durumunu kapsamaktadır. 3.3. Toprak Katmanlarının Değişimini Gösteren Analizler Şekil 3: Karşılaştırma için kullanılacak topraklama sistemi Bu tasarım için yazılım tarafından hesaplanan topraklama direnci 7,79068 Ω dur. IEC 6400 standardında da belirtildiği gibi bireysel rüzgar türbinleri için topraklama direnci 0 Ω un altında olmalıdır [2]. Yazılım tarafından hesaplanan toprak potansiyel yükselmesi ise 4042,9 V tur. 6

Font A., Kalenderli Ö., Günden S., Rüzgar Türbinleri İçin Topraklama Ağı Tasarımı, Cilt 6, Sayı, Syf 3-20, Haziran 206 Gönderim Tarihi: 9.0.205, Kabul Tarihi: 6.2.206 Yapılan üç boyutlu topraklama tasarımında yazılım tarafından IEEE 80-2000 standardına göre ilk olarak potansiyel dağılımı daha sonra adım ve dokunma gerilimleri hesaplanmaktadır. Model için izin verilen en yüksek adım ve dokunma gerilimleri sırasıyla 2982,63 V ve 92,8 V olarak hesaplanmıştır. Yazılım tarafından hesaplanan üç boyutlu potansiyel dağılımı Şekil 4 deki gibidir. Programın grafik modülü, yüzey potansiyel analizinin sonuçlarını görmek için kullanılmaktadır. Sonuçlar tasarımın iki ve üç boyutlu gösterimleri üzerinde, grafiksel olarak alınabilmektedir. Kullanıcı tasarlanan ağdaki çeşitli noktalarda oluşan tehlikeli noktaları görebilmektedir. Bir kez eşpotansiyel grafiği oluşturulduğunda yüzey ve dokunma potansiyeli birlikte incelenebilmektedir. Oluşturulan eşpotansiyel eğrileri, toprak analizi modülünde elde edilen güvenlik sonuçlara göre renk kodlamasıyla gösterilir. Burada her renk belirli bir potansiyel aralığını temsil etmektedir. İzin verilen düzeylerin aşıldığı alanlar belirlenen renklerle gösterilir. Seçilen alan üzerinde izin verilen gerilim değerlerine göre en kötü ve en iyi noktalar da görülebilmektedir [0]. 4. Tek Bir Rüzgar Türbininin Topraklama Tasarımının Yapılması Birinci modele göre tek bir rüzgar türbininin temel topraklaması Şekil 5 de görüldüğü gibi yapılmıştır. Çevre topraklama ağının aralıkları m m olan gözlerden oluşturulmuştur. Çevre topraklama ağının iç kısımlarının dört köşesine boyları 2,5 m olan çubuk topraklayıcılar yerleştirilmiştir. Şekil 5: Tek bir rüzgar türbini için oluşturulmuş topraklama modeli I. Bu şekilde oluşturulmuş modelde Çizelge 6 daki parametreler kullanılarak topraklama direnci ve toprak potansiyel yükselmesi (GPR: Ground Potential Rise) hesaplanmıştır. Benzetim sonucunda topraklama direnci 3,438 Ω ve potansiyel yükselmesi 69202,8 V olarak bulunmuştur. Hesaplanan topraklama direnci, 0 Ω değerini aştığı için tasarlanan topraklama ağı tek başına uygun değildir. Bu nedenle tasarım izin verilen değerleri aşmayacak şekilde yeniden tasarlanmıştır. Şekil 4: Durum için hesaplanan potansiyel dağılım Modelde kullanılan toprak özdirenç ölçümlerinin ortalama değeri yazılımın tek tabakalı toprak modelinde kullanılarak farklı toprak modellerinde topraklama direncinin, adım ve dokunma gerilimlerinin nasıl değiştiği karşılaştırılmıştır. Tek tabakalı toprak modelinde toprak özdirenci 252,6 Ω alınarak hesaplama yapıldığında üst ve alt tabaka özdirençleri bu değerle aynı ve tabaka kalınlığı 200 m olarak bulunmuştur. Topraklama modeli olarak Şekil 3 deki tasarımın aynısı kullanılmıştır. Tasarımın topraklama direnci 7,6278 Ω olarak hesaplanmıştır. İki tabakalı toprak modeline göre topraklama direncinde % 2. oranında bir azalma olmuştur. Tek tabakalı toprak modelinde toprak potansiyel yükselme değeri ise 39304,3 V tur. Yazılım tarafından hesaplanan en yüksek adım ve dokunma gerilimleri ise sırasıyla 3002,59 V ve 97,7 V tur. Adım ve dokunma gerilimlerinde ise iki tabakalı toprak modeline göre % 0,66 ve % 0,54 oranında bir artış olmuştur. Hesaplanan bu değerler sonucunda aynı toprak özdirenç değeri için tek ve iki tabakalı toprak modelleri arasında büyük farklılıklar olmadığı gözlemlenmiştir. Bu nedenle yapılan analizlerde iki tabakalı toprak modeli kullanılmıştır. Çizelge 6: Topraklama hesabında kullanılan veriler Vücut ağırlığı Vücut direnci Yüzey tabakasının özdirenci Yüzey tabakasının kalınlığı Arıza açma süresi, t s 70 kg 000 Ω 3000 Ω.m 0,2 m 0,5 s Topraklama direncinin değeri olması gereken değerin üzerinde çıktığı için topraklama ağında tasarım değişikliğine gidilmiştir. Çevre topraklama ağı aralıkları 0,5 m 0,5 m yapılarak ilk durumdaki tasarıma ek olarak eklenen topraklama çubuklarıyla beraber toplam 0 adet 2,5 m boyunda çubuk topraklayıcı kullanılarak Şekil 6 daki tasarım elde edilmiştir. Yeni tasarım için yazılım tarafından Çizelge 3 e göre hesaplanan topraklama direnci 8,309 Ω dur. Bu direnç değeri standartlara uygundur. Tasarımın toprak potansiyel yükselmesi değeri ise 43786,6 V dur. Ayrıca IEEE 80-2000 standardına dayanılarak hesaplanan en yüksek adım ve dokunma gerilimleri sırasıyla 2983,45 V ve 92,39 V dur. 7

EMO Bilimsel Dergi, Cilt 6, Sayı, Haziran 206 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası uzaklık bırakılır. Tasarımda ise kanat çapı 50 m olan Nordex N50 rüzgar türbini baz alınarak aynı sıradaki türbinler arasında kanat çapının 4 katı (200 m) sıralar arasında ise rotor çapının 7 katı (350 m) mesafe bırakılmıştır. Belirtilen açıklıklara sahip rüzgar çiftliği bölümü için tasarlanan topraklama sisteminin kuşbakışı görünüşü Şekil 8 de görülmektedir. Şekil 6: Tek bir rüzgar türbini için oluşturulmuş topraklama modeli II. Şekil 7 de tasarlanan topraklama ağının üç boyutlu potansiyel dağılımı görülmektedir. Potansiyel dağılımında kırmızı ve tonları adım geriliminin izin verilen değerlerden yüksek olduğu yerleri, mavi ve tonları ise izin verilen sınırların altında olduğunu yerleri göstermektedir. Şekil 7 den de görüleceği gibi rüzgar türbini ve çevresinde izin verilen en yüksek adım ve dokunma gerilimi değerleri aşılmadığı için tasarım güvenli bir topraklama sistemidir. Şekil 8: Dört türbinden oluşan sistemin topraklaması. Şekil 7: Model II için potansiyel dağılımı. 5. Rüzgar Çiftliğinin Topraklama Tasarımı Bir rüzgar türbini için yapılan hesabın istenilen toprak direnci ve gerilim değerlerini sağladıktan sonra birbirine bağlı rüzgar türbinlerinin oluşturduğu rüzgar çiftlikleri için tümleşik topraklama sistemleri tasarlanmış ve elde edilen değerler tekil topraklama tasarımı değerleri ile karşılaştırılarak çiftlikler için optimum topraklama tasarımı belirlenmiştir. İlk olarak dört türbinden oluşan bir sistem için tasarım yapılmıştır. Rüzgar türbinleri rüzgardaki enerjiyi elektrik enerjisine çevirirken rüzgarı yavaşlattığından dolayı türbin yerleşim planında türbinler arasında yeteri kadar uzaklık bırakılmalıdır. Bu plana göre türbinler arasında hakim rüzgar yönünde kanat çapının 5 veya 9 katı kadar, düşey yönde ise 3 veya 5 katı kadar Burada her bir rüzgar türbini Şekil 6 daki topraklama tasarımına sadık kalınacak şekilde yapılmış ve birbirlerine bağlanmıştır. Bu şekilde yapılan sisteme ilişkin potansiyel dağılımı tek bir türbin için Şekil 9 da verilmiştir. Şekil 8 deki yeni rüzgar çiftliği için yazılım tarafından hesaplanan topraklama direnci 5,07 Ω dur. Rüzgar türbini sayısının artması topraklama direncinin değerini azaltmıştır. Tasarımın toprak potansiyel yükselmesi değeri ise 26338, V tur. Rüzgar türbini ve çevresinde adım ve dokunma gerilimi değerleri sırasıyla 385,47 V ve 962,89 V olarak hesaplanmıştır. İncelenen son tasarımda rüzgar çiftliğindeki türbin sayısı iki katına çıkartılarak sekiz türbin için topraklama modeli tasarlanmıştır. Türbinler arası uzaklıklar önceki sistemle aynı alınmıştır. Tek türbin için kullanılacak topraklama modeli üzerinde değişiklik yapılmadan Şekil 0 da görülen sistem için topraklama sistemi tasarlanmıştır. Bu durumda elde edilen topraklama direnci 3,0338 Ω dur. Tasarımın toprak potansiyel yükselmesi ise 5627,2 V tur. Çizelge 7 de topraklama tasarımı yapılan dört farklı modelin sonuçları görülmektedir. Topraklama modellerinin sonuçlarının karşılaştırılması hesaplanan topraklama direnci ve toprak potansiyel yükselmelerine (GPR) göre yapılmıştır. Çizelge 7 den görüleceği gibi topraklama ağını oluşturan gözler küçüldükçe daha fazla iletken kullanılmasından dolayı topraklama direnci ve buna bağlı olarak GPR değerleri azalmaktadır. Ayrıca topraklama sistemi genişletilip çok sayıda türbini içine alacak şek- 8

Font A., Kalenderli Ö., Günden S., Rüzgar Türbinleri İçin Topraklama Ağı Tasarımı, Cilt 6, Sayı, Syf 3-20, Haziran 206 Gönderim Tarihi: 9.0.205, Kabul Tarihi: 6.2.206 le getirildiğinde topraklama direncinde büyük ölçüde azalma gözlemlenmiştir. Bu azalış topraklama sistemine dahil edilen türbin sayısı ile orantılı olacak şekilde azalmaktadır. Şekil 9: Dört rüzgar türbininden oluşan sistemde türbin çevresinde potansiyel dağılımı. 6. Sonuçlar Bu çalışmada, dört farklı durum için rüzgar türbinleri topraklama tasarımı incelenmiştir. Türbin temel donatıları dikkate alınarak tasarlanan topraklama sisteminde toprak özdirenç değeri sabit tutulmuş ve iki tabakalı toprak modeli kullanılmıştır. Her bir durumda yapılan topraklama tasarımında topraklayıcı boyları ve topraklama ağı boyutları değiştirilerek standartlara [4] uygun topraklamalar oluşturulmuştur. Oluşturulan farklı durumlar topraklama analizi için kullanılan CYMGRD programı ile topraklama direnci, toprak potansiyel yükselmesi (GPR), adım ve dokunma gerilimleri ve yüzey potansiyelleri bakımından karşılaştırılmıştır. Tasarımda güvenlik ölçütleri olarak IEEE 80-2000 standardı sınır değerleri alınmıştır. Analizlerde kullanılacak toprak modelini belirlemek amacıyla başka bir topraklama sistemi oluşturulmuştur. Bu sistem üzerinde deneysel olarak elde edilen toprak ölçümlerinden sırasıyla bir ve iki tabakalı toprak modelleri oluşturulmuş ve bu modeller kullanılarak topraklama direnci ve toprak potansiyelleri hesaplanmıştır. Yapılan analizler sonucunda bir veya iki tabakalı toprak modeli kullanmanın sonuçlar üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Yapılan benzetimler sonucunda tek başlarına kullanılan rüzgar türbinlerinin topraklama tasarımından temel donatılarının yanında ek topraklayıcı ve iletkenlerle topraklamayı iyileştirme gereği duyulmuştur. Ağ topraklama sisteminin göz büyüklükleri küçültülerek topraklama direnci ve GPR değeri azaltılmıştır. Topraklama direnci tek başına 0 Ω dan yüksek olan rüzgar türbini, uygun sayıda rüzgar türbini ile rüzgar çiftliği oluşturunca topraklama direnç değeri uygun güvenlik ölçütlerini sağlamıştır. Şekil 0: Sekiz rüzgar türbininden oluşan sistemde türbinlerin yerleşimleri. Çizelge 7: Topraklama modellerinin karşılaştırılması Topraklama modeli Topraklama direnci (Ω) Toprak potansiyel yükselmesi (GPR) (V) 3,438 69202,8 2 8,309 43788,6 3 5,07 26338, 4 3,0338 5627,2 7. Kaynaklar [] Lorentzou, I. M., Hatziargyriou, N. D., Manos, G. A. and Sietis, T., Integrated Grounding System of Wind-Farms for Lightning and Fault Protection Proceedings of the Mediterranean Power Conference (Med Power), Lemesos, Cyprus, 4-7 November 2004. [2] Esmaeilian, A., Akmal, S. A. A. and Naderi, S. M., Wind Farm Grounding Systems Design Regarding the Maximum Permissible Touch & Step Voltage, Environment and Electrical Engineering International Conference (EEEIC), Tehran, Iran, 8-25 May 202. [3] Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Ankara, 200. [4] IEEE Std. 80-2000, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, IEEE Standard Board, New York, USA, 2000. [5] Yıldırım, H., Kalenderli, Ö., Türkay, B., Çelikyay, M., Topraklama Ağlarının Bilgisayar Destekli Analizi, Elektrik Mühendisliği 6. Ulusal Kongresi, Bursa, s. 30-33, -7 Eylül 995. [6] Kalenderli, Ö., Şentürk, E., Öztürk, O. I., Bir Çubuk Topraklayıcı Çevresindeki Potansiyel Dağılımının Sonlu Farklar Yöntemi ile Hesabı, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 0. Ulusal Kongresi, İstanbul, s. 97-200, 8-2 Eylül 2003. [7] Öztürk, O. I., Kalenderli, Ö., «Bir Çubuk Topraklayıcı Çevresindeki Potansiyel Dağılımına Toprak Özelliklerinin Etkisi», EVK 2005 Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, Kocaeli, s. 223-227, 7-8 Mayıs 2005. [8] Uzunlar, F. B., Kalenderli, Ö., Topraklama Ağlarının Üç Boyutlu Tasarımı, EVK 2009 Enerji Verimliliği ve Kalitesi Sempozyumu, Kocaeli, s. 307-32, 2-22 Mayıs 2009. [9] CYMGRD: Substation grounding grid design and analysis program, CYME International T&D Inc., Canada, http://www.cyme. com/software/cymgrd/ 9

EMO Bilimsel Dergi, Cilt 6, Sayı, Haziran 206 TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Aytuğ Font 986 yılında İstanbul da doğdu. 2004 yılında İstanbul Dede Korkut Anadolu Lisesi nden mezun oldu. 2009 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü nde lisansı, 202 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü nde yüksek lisansını tamamlayıp doktoraya başlamıştır. 20 yılından beri Elektrik Mühendisliği Bölümü nde araştırma görevlisi olarak çalışmaktadır. Çalışma konuları, yüksek gerilim tekniği, HVDC iletim sistemleri, DC korona, elektrostatik ve ısıl analiz, yapay sinir ağları ve sınıflandırma algoritmalarıdır. Özcan Kalenderli 956 yılında İstanbul da doğdu. İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Elektrik-Elektronik Fakültesi nden 979 yılında Mühendis, 98 yılında Yüksek Mühendis ve 99 yılında Doktor Mühendis ünvanlarını almıştır. Kalenderli, İTÜ Yüksek Gerilim Laboratuvarı nda 979-99 arasında Mühendis olarak çalışmıştır. İTÜ Elektrik Mühendisliği Bölümü nde 99 de Yardımcı Doçent, 998 de Doçent ve 200 da Profesör unvanını almış ve 99 yılından beri aynı bölümde öğretim üyesi olarak çalışmaktadır. Kalenderli, yüksek gerilim tekniği konuları içinde elektriksel boşalma olayları, aşırı gerilimler ve aşırı gerilimlere karşı koruma, yüksek gerilimlerin üretilmesi ve ölçülmesi, yüksek gerilim deney teknikleri başta olmak üzere sayısal elektromanyetik alan analizi, elektromanyetik alanların çevre etkileri, elektriksel yalıtkan maddeler ve elektriksel topraklama konularında çalışmaktadır. Semih Günden 992 yılında Gaziantep te doğdu. 200 yılında Gaziantep Lisesi nden, 205 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü nden mezun oldu. Mezuniyetinden bu yana elektrik enerji sektöründe elektrik mühendisi olarak çalışmaktadır. Rüzgar santralları ve topraklama ilgi alanlarındandır. 20