taneririz_etty

ELEKTR

Đ

K TES

Đ

SLER

Đ

NDE

TOPRAKLAMALAR

21.08.2001 TARĐHLĐ YENĐ YÖNETMELĐĞĐN GETĐRDĐKLERĐ

Not : Bu çalışma Elk.Y.Müh. Taner ĐRĐZ 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.

Đ

Ç

Đ

NDEK

Đ

LER

1.G

Đ

R

ĐŞ

2.B

Đ

R

Đ

NC

Đ

BÖLÜM

Amaç, Kapsam, Uygulama ve Tanımlar

3.

Đ

K

Đ

NC

Đ

BÖLÜM

Yüksek Gerilim Tesislerinde Topraklama

4.ÜÇÜNCÜ BÖLÜM

Alçak Gerilim Tesislerinde Topraklama

5.DÖRDÜNCÜ BÖLÜM

Yüksek ve Alçak Gerilim Sistemlerinde Topraklama

Tesislerinin Birle

ş

tirilmesi

6.BE

ŞĐ

NC

Đ

BÖLÜM

Đ

leti

ş

im Sistemleri ve Bilgi

Đş

lem Tesisleri için

Topraklama Kuralları

7.

ALTINCI BÖLÜM

Yürürlükten Kaldırılan Hükümler

8.EKLER

YÜKSEK GER

Đ

L

Đ

MDE

L₁, L₂, L₃: Faz iletkenleri.

Z: Yıldız noktası topraklama empedansı. K: L₃ fazındaki toprak hatası.

U_FF: Arıza öncesi fazlar arası etkin gerilim. K L1 L2 L3 U_F F U_T Z

Tanım: Üç fazlı bir alternatif akım şebekesinde, bir toprak hatasından sonra, U_T / U_FF oranının alabileceği değere

Yıldız noktası nötrünün topraklama şekline göre 5 değişik tür YG dağıtım şebekesi vardır.

1) Yıldız noktası yalıtılmış şebeke; Z = ∞

C_E ICE=IF

L1 L2 L3

2) Toprak teması kompanze edilmiş şebeke; X<<R olmak üzere Z = R+jX I_CE X_D L1 L2 L3 I_D

3) Yıldız noktası direkt olarak topraklanmış şebeke; Z = 0 I''_k1 L1 L2 L3 I''_k3 N

4) Yıldız noktası direnç üzerinden topraklanmış şebeke; Z = R I''_k1 L1 L2 L3

5) Toprak teması kompanze edilmiş ve geçici olarak yıldız noktası direnç üzerinden topraklanmış şebeke (2 ve 4’ün karması);

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.

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.

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.

Yani artış, faz gerilimi cinsinden %73 kadardır. Bu durum

(

)

₃

₁

₀

_,

₇₃

_%

₇₃

3

/

U

3

/

U

U

n

n

n

=

=

−

=

−

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.

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

Kablo çıkışlı 34,5 kV şebekelerdeki faz toprak kısa devre akımı ise

300

60

3

/

34500

I

′′

k1

=

≅

1000

3

/

34500

I

′′

k1

=

≅

A ile A ile sınırlıdır.

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

314

50

2

f

2

=

=

=

π

π

ω

)

3

/

U

).(

cl

(

3

I

_CE

=

ω

∑

_n

(

)

(

)

[

0

,

3

.

10

.

20

5

.

10

.

44

55

60

]

.

(

20

.

10

/

3

)

.

314

.

3

I

_CE

=

−6

+

−9

+

+

3

(

20.10 / 3

)

) 10 . 8 , 0 10 . 6 .( 314 . 3 I_CE = −6 + −6 3

(

20.10 / 3

)

) 10 . 8 , 6 .( 314 . 3 I_CE = −6 3

74

I

_CE

=

A

Örnek: Bir önceki şebekede, toprak teması kompanze edilmek isteniyor. Tam kompanzasyon durumunda yıldız noktası ile toprak arasına bağlanacak bobinin değerleri ne olur? Bobin reaktansı Bobinin gücü MVAr Ω 156 74 3 / 103 . 20 I 3 / U X CE n _{= =} =

855

,

0

74

3

103

.

20

I

3

U

Q

=

n _CE

=

=

Örnek: Toprak teması artık akımı I_res’in hesabı: U_λ: Faz toprak gerilimi

I_CE: Kapasitif toprak akımı

I_Dx: Bobin akımının aktif bileşeni I_Dy: Bobin akımının reaktif bileşeni R: Bobin direnci X: Bobin reaktansı R<<X λ λ λ _U X R jX R jX R jX R jX R U jX R U I 2 2 D + − = − − + = + = & I_CE U_λ I_D x I_Dy I_D φφφφ

Kompanzasyondan sonrası için

Ires’e toprak teması artık akımı denir.

ise artık akım kapasitif,

ise artık akım endüktiftir.

λ

λ

_ω

_U

X

R

X

C

3

j

X

R

RU

I

2

2

2

2

res













+

−

+

+

=

&

2 2

_X

R

X

C

3

+

>

ω

2 2

_X

R

X

C

3

+

<

ω

R<<X olduğundan

yaklaşıklıkları kabul edilebilir.

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

_X

R

)

R

X

(

R

1

)

R

X

1

(

R

1

)

R

X

1

(

R

R

X

R

R

=

≅

+

=

+

=

+

X

1

)

X

R

1

(

X

1

)

X

R

1

(

X

X

X

R

X

2

2

2

2

2

2

2

≅

+

=

+

=

+

Bu durumda I_res için yaklaşık olarak

ifadesi bulunur.

Tam kompanzasyon durumunda olur.

Böylece olacağından yazılabilir.

sonucuna ulaşılır. λ λ

ω

)

U

X

1

C

3

(

j

U

2

X

R

I

_res

=

+

−

&

X

1

C

3

ω

=

0

X

1

C

3

ω

−

=

U_λ X R I 2 res ≅ CE res

I

X

R

U

X

.

X

R

I

≅

_λ

=

&

Buradan görülüyor ki, tam kompanzasyon durumunda artık akım kapasitif toprak akımı ile R / 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.

Örnek:

154 / 34,5 kV merkezde sekonder tarafta yıldız noktası 60 Ω dirençle topraklanmış olduğundan I''_k1=300 A ile sınırlanmıştır.

2000 MVA 154 kV 50 MVA 34,5 kV 60 Ω 3 x PIGEON 10 km 3 x SWALLOW 1 km 1000 kVA 0,4 kV 34,5 kV 3 x 95 mm2 XLPE 200 m

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, Z₁ doğru empedans, Z₂ ters empedans ve Z₀ sıfır empedans olmak üzere,

1 faz-toprak arızasında, arızalı fazdan geçecek akım,

2 faz-toprak arızasında topraktan geçen akım

2 faz arızasında

3 faz simetrik akım ise

bağıntıları ile hesaplanır. 0 2 1 Z Z Z cU 3 1 k I + + = ′′ λ 2 2 1 0 2 1 kEE Z ) Z Z ( Z Z Z cU 3 I + + = ′′ λ 2 1 2 k Z Z cU . 3 I + = ′′ λ

1

3

k

Z

cU

I

′′

=

λ

alınırsa verilen bağıntılar daha pratik hale gelir ve tüm akımlar simetrik 3 fazlı akımlar cinsinden yazılabilir.

2

1

Z

Z

≅

3

k

2

k

I

2

3

I

′′

=

′′

3 k 1 0 kEE I Z Z 2 1 3 I ′′ + = ′′ 3 k 1 0 1 k

I

Z

Z

2

3

I

′′

+

=

′′

Örnek:

0,4 kV baradaki 3 faz ve faz-toprak kısa devresini

hesaplayınız. Transformatörün sıfır empedansı yaklaşık olarak doğru empedansa eşit alınacaktır.

20 kV 630 kVA 0,4 kV

500 MVA

U_k=%6

1) Ön şebeke empedansı: mΩ alınırsa mΩ mΩ mΩ mΩ 352 , 0 10 . 500 ) 400 ( 1 , 1 S cU Z 6 2 Q '' k 2 n Q = = = Q Q 0,1.Z R = Q 2 Q 2 Q 2 Q 2 Q Q Z R Z 0,01Z 0,995Z X = − = − =

352

,

0

.

1

,

0

R

_Q

=

=

0

,

0352

352 , 0 . 995 , 0 X_Q =

=

₀

_,

₃₅

2) Trafonun empedansı Plaka değerleri W mΩ mΩ

06

,

0

6

%

U

_k

=

=

P

_Cu

=

6500

03 , 1 % 10 . 630 100 . 6500 S 100 . P U % 3 Tr Cu r = = = %Uk = %6 91 , 5 % 03 , 1 6 U U U_x = _k2 − _r2 = 2 − 2 = 15 10 . 630 400 0591 , 0 S U U % X 3 2 Tr 2 n x Tr = = = 6 , 2 10 . 630 400 0103 , 0 S U U % R 3 2 Tr 2 n r Tr = = =

3) Empedans toplamları

ΣR = R_Q + R_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

mΩ

5) Kısa devre akımları Z₀ / Z₁ = 1 ise I''_k1 = I''_k3 olacaktır.

kA

657

,

15

35

,

15

63

,

2

Z

_k

=

2

+

2

=

8

,

14

57

,

15

.

3

400

Z

3

U

.

c

I

k n 1 k

′′

=

=

=

YÜKSEK GER

Đ

L

Đ

M

Ş

EBEKELER

Đ

N

Đ

N

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.

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

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. Röle koordinasyonu önem kazanır.

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.

IEC 909’a göre c gerilim katsayısı 1 1,1 35 kV < U_n < 230 kV 1 1,1 1 kV < U_n < 35 kV 0,95 1 1 1,05 230/400 V Diğer AG’ler AG En küçük kısa devre akımının

hesaplanması için c_min En büyük kısa devre

akımının

hesaplanması için c_max

En aza indirilmiş

Azaltılmış

Çok ciddi

Toprak arızası olan yer civarında yaşam tehlikesi

Đlave şebekeye gereksinim yoktur

%100 rezerv kapasite gerektirebilir

%100 rezerv kapasite gerektirebilir

Sistem işletme sürekliliği için ek şebeke

Đhmal edilebilir Azaltılmış

Ciddi

Telefon enterferansı

Şebeke genişledikçe bobin reaktansı ayarlanmalıdır Basit Basit Đşletmesi Normal Normal %80 gerilimli parafudrların kullanımına olanak verir. Parafudr kullanımı Bastırılır Kontrol edilebilir arıza

akımına dönüşür Kısa devreye dönüşür

Geçici toprak arızaları

Fazlar arası gerilim kadar Fazlar arası gerilim kadar

Fazlar arası gerilimin 0,8 katı

Aşırı gerilimler, faz toprak arızasında sağlam fazlarda (50 Hz’de)

Yok edilir (Artık akım söz konusu)

Azaltılmış

Yüksek (Bazen üç fazlı kısa devre akımından bile fazla)

Toprak arıza akımı

Bobin ile topraklanmış Direnç üzerinden

topraklanmış Direkt topraklanmış

YG` de sınırlı akım süreleri için izin verilen en yüksek dokunma gerilimleri 3 4 5 6 7 8 9 100 3 1 2 U_Tp 4 3 5 6 7 4 5 6 7 8 9 1000 V 8 9 0,1 2 3 4 5 6 7 8 9 c a s 3 b 9 1 2 4 5 6 7 8 10 D o k u n m a g e ri li m i Akım süresi t

ALÇAK GER

Đ

L

Đ

MDE

15 Hz‘den 100 Hz‘e kadar a.a etkilerinin akım-zaman bölgeleri 10000 5000 2000 1000 500 200 100 50 20 10 5 2 1 0,5 0,2 0,1 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 AC-2 C1 b ms mA C2 C3 Vücut akımı A k ım ın a k ı ş s ü re s i

Organik bir hasar olmaz. Geçici kalp kasılmaları, kaslarda kramp, nefes almada zorluklar görülür Tehlikeli fizyolojik etkiler, ağır yanıklar ve ölüm olayları görülür AC-4-2: Ventriküler fibrilasyon

olasalığı %50 AC-4-3:Ventriküler fibrilasyon olasalığı >%50

AC-4-1: Ventriküler fibrilasyon olasalığı <%5

a

Genellikle bir tepki yoktur

Açma akımı

Genellikle zararlı bir fizyolojik etki yoktur

Başlangıç akımı

AC-1 AC-3 _AC-4

RCD 30 mA

Hata ve arızalar ile ilgili tanımlar (TT Sistem) L1 L2 L3 N R_B R_A R_K R_K1 R_T R_K2 R_A RSt Ut_p U_F PE PE M 3

Tehlikeli vücut akımları

Genellikle bir tepki yoktur

Genellikle zararlı bir fizyolojik etki yoktur. Kaslarda kramp görülür. Tehlikeli fizyolojik ağır

etkiler, yanıklar ve nefes almada zorluklar görülür. Ventriküler fibrilasyon olasılığı artar. Ölüm olayları görülür. RCD 300 mA RCD 10 mA RCD 30 mA 260 mA‘de yangın tehlikesi oluşur 1 A 80 mA 30 mA 10 mA 0,5 mA

L1 L2 L3 N Akım kaynağı

P rotection

E arth

N eutral

T I 1. Harf C S T N 2. Harf AG dağıtım şebekelerinde kodlama Cihaz

RB RA L1 L2 L3 PE N PEN Temel topraklama Pano Potansiyel dengeleme iletkenleri PDB

TN sistemde topraklama tesisatın ana öğesi değildir !!!!!

TN-Sistemde devrenin ayrılması

ş

artı:

Z_S : Arıza çevrim empedansı U₀ : Faz nötr arası gerilim I_a : Kesicinin açma akımı

a

0

S

I

U

Z

≤

N R_B In 40 A 30 mA L1 L2 L3 PE N R_A Temel topraklama B/16 A

TT sistemde topraklama tesisatın ana öğesidir !!!!! I_F R_T RL1 R_L2 R_P E TT-Sistem

TT- Sistemde topraklama direnci

R_A : Topraklama direnci U_L : Dokunma gerilimi I_a : Koruyucu düzenin

otomatik çalışmasına sebep olan akım

a

L

A

I

U

R

≤

IDM: Yalıtım izleme düzeneği,

RCD: Artık akım koruma düzeneği L1 L3 PE Potansiyel dengeleme iletkenleri M Id C_E A 1. hata 2. hata RT PDB RCD RCD 1 ~ IDM IT-Sistem

R_T : Topraklama direnci, U_L : Dokunma gerilimi I_d : Artık akım

I_a : Koruyucu düzenin otomatik açma akımı

1. Hata 2. Hata

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.

d

T

A

I

U

R

≤

a

T

A

I

U

R

≤

Örnek:

Şekildeki TN-S sisteminde dokunma gerilimini ve insan vücudundan geçen akımı bulunuz.

Eşdeğer devre:

6

,

547

42

,

0

230

2

,

0

2

,

0

02

,

0

230

R

R

R

U

I

PE h T 0 1

=

₊

₊

_′

=

₊

₊

=

=

A

U

₀

R

_E

R

_B

R

_i

R

_PE

R

_T

R

h

0,02

Ω

0,2

Ω

0,2

Ω

1000

Ω

100

Ω

2

Ω

230 V

_I

1

I

₂

0

A

OA arası Thevenin eşdeğeri:

Yukarıdaki örnekte insan vücudundan geçen akım 99 mA ve dokunma gerilimi 99 V’tur (Koruma iletkeni tesis edilmiş).

5

,

109

2

,

0

.

6

,

547

R

.

I

₁

_PE

′

=

=

99

1102

5

,

109

2

100

1000

5

,

109

R

R

R

R

.

I

I

B E i PE 1 2

₊

₊

=

₊

₊

=

=

′

=

99

10

.

10

.

99

R

.

I

U

_i

=

₂

_i

=

−

3

3

=

V V mA

Örnek:

Bir önceki örnekte cihaz ile PE arasındaki bağlantının olmadığı durum incelenecektir (Koruma iletkeni tesis edilmemiş). Eşdeğer şema:

U

₀

R

_T

R

h

R

_B

R

_i

R

_E

0,02

Ω

0,2

Ω

2

Ω

1000

Ω

100

Ω

mA V

∑

R

=

R

_T

+

R

_h

+

R

_i

+

R

_E

+

R

_B

210

22

,

1102

230

R

U

I

=

0

=

≅

∑

210

1000

.

210

U

_i

=

=

∑

R

=

0

,

02

+

0

,

2

+

1000

+

100

+

2

=

1102

,

22

Örnek:

TN sisteminde yukarıda belirtilen 3 ayrı koruma düzeni için çevrim empedanslarını hesaplayınız.

R

_B

2

3

KAR 1 PDB B16A gL/16A L1 L2 L3 N PE

1) Ω 2) Ω (Çizelge 10 s.25) 3) Ω (Çizelge 10 s.25) 7666 10 . 30 230 I U Z 3 a 0 s ≤ ≤ ₋ ≤

88

,

2

80

230

I

U

Z

a 0 s

≤

≤

≤

43

,

1

160

230

I

U

Z

a 0 s

≤

≤

≤

Örnek:

TT sisteminde otomatik açma ile korunma

Ω Ω Ω Ω Ω A V

01

,

0

R

_T

=

_R

_h

=

₀

_,

₁

_R

_B

=

₂

R

_E

=

1

∑

R

=

0

,

01

+

0

,

1

+

2

+

1

=

3

,

11

74

11

,

3

230

I

=

=

_U

_E

=

_.I

_R

_E

=

₇₄

_.

₁

=

₇₄

R

_B L1 L2 L3 N gG/16A B/16A

R

_B

R

_E

R

_E PE PE L1 L2 L3 N

gG/16A sigorta ile korunmuş

B/16A kesici ile korunmuş

Sonuç: Her iki tesis de yönetmelikte istenen koşullara uymamaktadır. Mutlaka insan yaşamı eşikli kaçak akım rölesi kullanılmalıdır. Ω Ω

7

,

0

72

50

I

50

R

A E

≤

≤

≤

625 , 0 80 50 I 50 R A E ≤ ≤ ≤

60

Örnek:

TT sisteminde 3 ayrı koruma düzeni için toprak direncini hesaplayınız.

1) KAR için toprak direnci kΩ

2) B/16A için toprak direnci Ω

3) gL/16A için toprak direnci Ω

67 , 1 10 . 30 50 R 3 A ≤ ₋ ≤ 625 , 0 80 50 R_A ≤ ≤ 714 , 0 50 R_A ≤ ≤

R

_B L1 L2 L3 N

2

3

30 mA KAR 1 PDB B16A gL/16A

TT SĐSTEMĐ:

L1 L2 L3 N

KAR KAR KAR KAR KAR

Tesiste bir RCD (KAR) var ise

Tesiste selektif RCD var ise

Tesiste ikiden fazla RCD var ise

n: RCD için eşzamanlama katsayısı n = 0,5 RCD sayısı < 4

n = 0,35 RCD sayısı 4-10 n = 0,25 RCD sayısı > 10

Çok hassas RCD’ler dikkate alınmaz.

n T A I U R ∆ ≤ n T A I. 2 U R ∆ ≤ n T A I . n U R ∆

∑

≤

Soru: 1 nolu KAR 500 mA 2 nolu KAR 300 mA 3 nolu KAR 500 mA 4 nolu KAR 300 mA 5 nolu KAR 30 mA

Ortak topraklama direncini hesaplayınız.

Ω

tahkiki yapılması gerekir.

ğ 3 , 89 ) 3 , 0 . 2 5 , 0 . 2 .( 35 , 0 50 I . n U R n T A ≤

_∑

≤ ₊ ≤ ∆ T max ortak I. U R _∆ ≤

50

6

,

44

5

,

0

.

3

,

89

=

<

Soru: Tek bağımsız bölümlü bir konutun ana panosunda 30 mA KAR kullanılmıştır. Topraklama direnci ne olmalıdır?

Soru: Bir apartmanda daire tablolarında 30 mA KAR ve ana girişte 300 mA KAR kullanılmıştır. Topraklama direnci ne olmalıdır?

IT SĐSTEMĐ:

U_T: dokunma gerilimi, I_d: artık akım

L1 L2 L3

IT tesisat ilkeleri:

1. Birinci hatada devre kesilmez.

2. Đkinci hatada normlarda belirtilen sürede devre kesilmelidir.

3. Nötrü dağıtılmış sistemde U = U₀, nötrü dağıtılmamış sistemde U = √3.U₀ alınmalıdır.

Örnek:

Şeması verilen tesiste, toprak özdirenci ρ = 200 Ωm ve işletme topraklaması

R_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).

L1 N

R

_T

=0,02

Ω

R

_h

=0,38

Ω

R

_B

=2

Ω

B10A

R

_A

=?

a) Ω olmalıdır.

Ω olması gerektiğini kabul ederek,

Ω A V 1 50 50 I 50 R a A ≤ ≤ ≤

1

R

_A

=

∑

R

=

R

_T

+

R

_h

+

R

_A

+

R

_B

=

0

,

02

+

0

,

38

+

1

+

2

=

3

,

4

6

,

67

4

,

3

230

I

_h

=

=

6

,

67

1

.

6

,

67

R

.

I

U

_T

=

_h

_A

=

=

b) Bilindiği gibi D çaplı ve L uzunluğundaki silindirin, D<<L ve yarısı havada, yarısı toprakta olması koşuluyla yayılma direnci

bağıntısıyla verilir. Kesit dörtgen ise daireye irca edilmesi gerekir. Her iki çevreyi eşitlersek, eşdeğer çap

eşitliği ile bulunabilir. 30x3,5 mm kesitli galvaniz şeridin eşdeğer çapı

mm olur ( m).

olmalıdır (Tesis güvenliği için).

D

L

2

ln

L

R

π

ρ

=

D

.

)

b

s

(

2

Ç

=

+

=

π

π

)

b

s

(

2

D

=

+

21 ) 5 , 3 30 ( 2 D = + = π D = 0,021 1 021 , 0 L 2 ln L . 14 , 3 200 =

yerine yaklaşık formülün kullanılması: R αααα ρρρρ R αααα (1/L) MH: Mutlak hata BH: Bağıl hata

D

L

2

ln

L

R

π

ρ

=

L

k

R

=

ρ

L

k

D

L

2

ln

L

ρ

π

ρ

−

=

D

L

2

ln

k

1

D

L

2

ln

L

L

k

1

D

L

2

ln

L

L

k

D

L

2

ln

L

π

π

ρ

ρ

π

ρ

ρ

π

ρ

−

=

−

=

−

=

BH=0 olduğu durumu göz önüne alalım. m için (30x3,5 mm) m için (35 mm2 Cu)

π

π

_D

L

2

ln

k

1

D

L

2

ln

k

=

⇒

=

021

,

0

D

=

π ) L . 24 , 95 ln( k =

3

10

.

67

,

6

D

=

−

k = ln(300_π .L)

Bu eğrilerden yaklaşık olarak şunu çıkarabiliriz. L<10 m için , L>10 m için ,

2

k

≅

L

2

R

≅

ρ

3

k

≅

L

3

R

≅

ρ

30x3,5 Galvaniz Şerit 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 0 100 200 300 L (m) k 35 mm2 Cu 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 0 100 200 300 L (m) k

Soru:

Bir parkta 10 m uzunluğunda 35 mm2 _{Cu toprak iletkeni}

kullanılacaktır.

a) Bu iletkenin yeryüzüne serilmesi

b) h = 0,6 m derinliğe gömülmesi durumunda yayılma dirençlerini karşılaştırınız.

a) 35 mm2 Cu için m

D

L

2

ln

L

R

_y

π

ρ

=

3

10

.

67

,

6

D

=

−

)

3000

ln(

10

.

10

.

67

,

6

10

.

2

ln

10

.

R

3

y

π

ρ

π

ρ

=

=

₋

Sonuç: 10 m uzunluğundaki 35 mm2 _{Cu iletkenin 60 cm}

derinliğe gömülmesi durumunda yayılma direnci yeryüzündeki yayılma direncine göre %37 oranında azalır.

b)

ln(

158

)

10

.

6

,

0

.

10

.

67

,

6

10

ln

10

.

Dh

L

ln

L

R

3 h

π

ρ

π

ρ

π

ρ

=

=

=

−

63

,

0

)

3000

ln(

10

.

)

158

ln(

10

.

Ry

Rh

=

=

π

ρ

π

ρ

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

Topraklayıcılarda potansiyel dağılımı ve yayılma dirençleri I_E l (m) U(V) U_E Referans toprak φ = 0 0 5 10 15 20 3 0 40 50 60 70 R_A (Ω) Topraklayıcının uzunluğu l(m) ρ_E (Ωm) Derin topraklayıcı Yüzeysel topraklayıcı 0 5 1 0 1 5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

Diğer elektrot tipleri için geçiş direnci hesapları

Gözlü topraklayıcı

R_E: Topraklama direnci

D: Gözlü topraklayıcının eşdeğer daire alan çapı

ρ_E: Özgül toprak direnci

L: Topraklayıcı toplam iletken uzunluğu

a n adet b m adet D π b . a D =

m

.

b

n

.

a

L

=

+

L

D

2

R

_E

=

ρ

E

+

ρ

E

Çubuk topraklayıcı (Derin topraklayıcı) d L >2L Başka elektrot varsa Yaklaşık hesap: R_E = ρ_E / L Toprak L d

ÇUBUK TOPRAKLAMA

ELEKTROTLARININ

YAYILMA D

Đ

RENC

Đ

N

Đ

N

YAKLA

Ş

IK HESABINDA

D

Đ

KKAT ED

Đ

LECEK

HUSUSLAR

Taner ĐRĐZ

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;

ana formülünü vermektedir. Sözkonusu yayılma direncinin,

basitleştirilmiş formülü ile bulunabileceği belirtilmektedir. Bu formüllerde L topraklayıcının boyu, d topraklayıcının çapı ve ρρρρ_E toprak özdirencidir.

d

L

4

ln

L

2

R

E E

π

ρ

=

L RE = ρE

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,

olur.

d

L

4

ln

L

2

L

d

L

4

ln

L

2

E E E

π

ρ

ρ

π

ρ

ε

−













=

Bu ifade düzenlenirse;

eşitliği elde edilir.

d

L

4

ln

2

1

π

ε

=

−

Bilindi

ğ

i gibi çubuk topraklayıcı çapının, yayılma

direncine etkisi ihmal edilecek kadar azdır. Pratikteki

çubuk elektrotlar 2 cm çapında imal edilmektedir.

Böylece d=2 cm=0,02 m olursa, hata fonksiyonu

sadece L’ye ba

ğ

lı kalır. d=0,02m için;

L

200

ln

2

1

02

,

0

L

4

ln

2

1

π

π

ε

=

−

=

−

Ana formül ile yaklaşık formül arasındaki hatanın olmadığı durumu saptamak için ε =0 denklemini çözmek gerekir.

Bu eşitlik düzenlenirse L=e 2p/200 elde edilir. L= 2,68 m bulunur. Burada e bir doğa sabiti olup yaklaşık 2.72 alınabilir.

Bunun anlamı şudur: Elektrot uzunluğu L= 2,68 metre ise, yaklaşık formül hatasız değer verir.

0

L

200

ln

2

1

−

π

=

Şimdi de belirli bir elektrot uzunluk aralığında, hatanın hangi sınırlar içinde kalabileceğini saptayalım. - %5 ile + %5 bağıl hata aralığını göz önüne alalım.

05

,

0

5

%

L

200

ln

2

1

05

,

0

5

%

L

200

ln

2

1

+

=

+

=

−

−

=

−

=

−

π

π

2

L

≅

3

L

≅

m m

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.

2 m<L<3,8 m aralığın dışında L =50 cm=0,5 m gibi bir değer için ε değeri hesaplanırsa

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.

36

%

36

,

0

5

,

0

.

200

ln

2

1

−

π

≈

−

=

−

Şimdi de pratikte en çok kullanılan çubuk elektrotlarını inceleyelim:

+1,8

0,333

ρρρρ

_E

0,339

ρρρρ

_E

0,02

3

-10

0,667

ρρρρ

_E

0,605

ρρρρ

_E

0,02

1,5

Hata

(%)

R_E (yaklaşık formül) R_E (ana formül)

d (m)

L (m)

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.

Referans toprağa göre elektrot gerilimi 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15 20 25 L = 2 m. D= 2.5 cm. ρρρρ = 10 Ω.m

ÇUBUK TOPRAKLAYICI ÇEVRESĐNDE POTANSĐYEL DAĞILIMI

Şerit topraklayıcı b s L H PDB L π ) s b ( 2 d = +             + = d L 2 ln H 2 L ln 1 d L 2 ln L 2 R_E E π ρ

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.

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.

a) Şerit: m.

b) Dikey topraklayıcı:

D=0,02 m

m

Literatürde ve yeni yönetmelikte

m (EMO Đzmir Şb. Bülteni Mart 2002 sayısı)

Yönetmelikteki yaklaşık formül her zaman kullanılamaz.

c) Levha: m

11,1x11,1 boyutunda kare levha gerekli. 150 2 100 . 3 R 3 L L 3 R = ρ ⇒ = ρ = =

D

L

4

ln

L

2

R

π

ρ

=

ln

200

L

L

50

02

,

0

L

4

ln

L

2

100

R

π

π

=

=

⇒

80 L 1256 , 0 50 2 L L 200 ln ≅ ⇒ = = π L D L 4 ln L 2 ρ π ρ ≈

50

2

100

R

L

=

ρ

=

=

1

,

11

2

.

5

,

4

100

R

.

5

,

4

a

a

.

5

,

4

R

T T

=

⇒

=

=

=

ρ

ρ

Transformatör Merkezlerinde Genel Topraklama Şeması Derin topraklayıcı Ring topraklayıcı Temel topraklayıcı Ana potansiyel dengeleme

Bir endüstri merkezinde ağ şeklinde tesis edilmiş topraklama ve potansiyel dengeleme sistemi

Tesislere yakın YG Direği Bina Bina Bina Cihaz Duvar YG Direği Bina

TOPRAKLAMALA R

Koruma Đşletme Fonksiyon Koruma

L1 L2 L3 PEN R_B R_A R_A

Topraklamada kullanılan önemli tanımlar 1. Koruma topraklaması 2. Potansiyel dengeleme barası 3. Topraklama iletkeni 4. Koruma iletkeni 5. A.G.hava hattı 6. Nötr (N) veya PEN 7. Đşletme topraklaması 8. Potansiyel düzenleyici topraklayıcılar 9. Temel topraklama 10. Derin topraklayıcı YG AG 2 8 7 6 4 3 9 4 5 4 4 7 10 > 20 m 1 Durumuna göre yalnız biri Đhtiyaç halinde ilave elektrot

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 R_E ne olmalıdır?

Önce temel topraklaması uygulanırsa, m

Ω

Bu değer yüksek olduğundan ring topraklama yapılmalıdır.

7

,

6

7

.

5

.

4

D

=

=

π

19 7 , 6 . 200 . 2 D 2 R_T = = = π π ρ

9

9

.

7

.

4

D

=

≅

π

8

.

17

021

,

0

9

2

ln

9

.

200

d

D

2

ln

D

200

R

2 2 r

=

=

=

π

π

π

π

2

,

9

8

,

17

19

8

,

17

.

19

8

,

17

//

19

R

//

R

_{T r}

=

+

=

=

2

,

9

1000

.

2

,

9

U

_E

=

=

m kV Ω Ω

En fazla 10 adet L=1,5 m çubuk bağlanabilir.

Ω (tek çubuk)

10 adet çubuk düşünüldüğünden, Ω Ω V

133

5

,

1

200

L

R

_ç

=

ρ

=

=

3 , 13 10 133 R_ç = = 44 , 5 3 , 13 2 , 9 3 , 13 . 2 , 9 3 , 13 // 2 , 9 Rç // Rr // RT = + = =

5440

1000

.

44

,

5

U

_E

=

=

s için V (ETTY s.14 Şekil 6)

U_E>4U_Tp V

5440 V>2800 V

s U_E>4U_Tp Çizelge D.1 gereği ispatı

Trafo girişinde 34,5 kV XLPE kablo kullanılacağından r=0,45 redüksiyon faktörü göz önüne alınabilir.

Ω olmalıdır.

Ω elde edilmişti.

1 , 0 t = U_Tp = 700 2800 700 . 4 U 4 _Tp ≅ = 5 t_F ≤ UE ≤ UTp 67 , 4 1000 . 6 , 0 2800 R_E′ = = 44 , 5 R // R // R_{T r ç} =

67

,

4

R

44

,

5

R

.

44

,

5

=

+

⇒

5

,

44

R

=

25

,

4

+

4

,

67

R

0,77R = 25,4 ⇒ R = 33

Ek-D’de belirtilen ek önlemlerin alınması kaydıyla topraklama direnci 4,36 Ω kabul edilebilir.

4

,

44

9

200

.

2

R

_ş

=

=

44

,

3

3

133

R

_ç

=

=

22

R

//

R

_ş

_ç

=

36

,

4

22

44

,

5

22

.

44

,

5

22

//

44

,

5

=

+

=

2800

U

4

2616

36

,

4

.

600

=

<

_Tp

<

V

Soru: d_kabul=20 m ise U_k/U_E=? 20c2-4c-20=0 c . 2 . 2 20 c 20 20 1 c Lc 2 ₂ 2 ₋ = ⇒ − = 0,2 m 20 m 68,8 m %1,7 U_E ≈≈≈≈%1 U_E %50 U_E L=2 m

c

ln

d

L

4

ln

U

U

c

d

L

4

E k U / U_{k E}

=

⇒

=













0167

,

0

99

,

5

09985

,

0

02

,

0

2

.

4

ln

105

,

1

ln

d

L

4

ln

c

ln

U

U

E k

₌

₌

₌

₌

E

E

k

0

,

0167

.

U

%

1

,

67

.

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 30 m 12 m 12 m 18 m 18 m 15 m

450

15

.

30

A

=

=

6 , 17 466 , 1 . 97 , 11 1 188 . 2 50 . sin 1 450 d_kabul = =             − = π π

d

2

/

D

arcsin

D

I

U

_k

_t

π

ρ

=

























−

=

1

U

.

2

U

.

sin

1

A

d

E k kabul

_π

π

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

Derin topraklayıcı: k 2 2 k t k d L d L ln L 2 I U = + + π ρ

d

L

4

ln

L

2

I

U

_E

_t

π

ρ

=

k 2 2 k E k k 2 2 k E k d L d L ln d L 4 ln . U U d L 4 ln d L d L ln U U + + = ⇒ + + = k 2 2 k U U d L d L ln d L 4 ln E k + + =       2 2 k 2 2 k

L

d

L

c

L

d

L

ln

c

ln

=

+

+

⇒

=

+

+

Lc

2

d

_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)

20

02

,

0

2

.

4

d

L

4

c

5 , 0 U U E k

=













=













=

2

,

0

1

400

20

.

2

.

2

d

_kabul

=

−

=

0617

,

1

02

,

0

2

.

4

c

01

,

0

=













=

68

,

8

0617

,

0

0617

,

1

.

2

.

2

d

_kabul

=

=

01

,

0

U

U

E k

₌

a) Şebeke tipi TT iken:

R

_B L1 L2 L3 N

M1

M2

R

_k1

R

k2

U

₀

R

_k2

R

_k1

R

_B

E

ş

de

ğ

er devre

R

_T

1 k B 2 k 0

R

//

R

R

U

I

+

=

1 k B 2 k 0 2 k 0 B 1 d

R

//

R

R

U

.

R

U

U

U

+

−

=

=

1 k B 2 k 1 k B 0 1 k B 2 k 2 k 0 B 1 d

R

//

R

R

R

//

R

U

)

R

//

R

R

R

1

(

U

U

U

+

=

+

−

=

=

2 k B 1 k 2 k B 0 1 k B 1 d

R

.

R

R

).

R

R

(

U

.

R

.

R

U

+

+

=

∞

→

1

k

R

2 k B 0 B 1 d

R

R

U

.

R

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.

b) Şebeke tipi TN iken:

R

_B L1 L2 L3 PEN

M1

M2

¶

TN VE TT S

Đ

STEMLER

Đ

N

Đ

N

KAR

Ş

ILA

Ş

MASI

Taner ĐRĐZ

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.

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. Böylece şekil-1 de görüldüğü gibi TN-C sistemi ile TT sistemi karşılaşmıştır.

2 no’lu motorda bir izolasyon hatası oluştuğunda, S2 sigortasının atmadığını varsayalım. Bu durumda 2 no’lu motor gövdesi ile toprak arasında u₂ gibi bir temas gerilimi oluşur. Öte yandan I_h hata akımı, R_k koruma topraklaması ile R₀ 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 u₁ gibi hata gerilimi meydana gelir. Daha açıkçası, oluşan bu hata devresinde;u₁ gerilimi işletme topraklama direnci uçlarındaki gerilim ve u₂ gerilimi ise koruma topraklama direnci uçlarındaki gerilimden başka bir şey değildir.