Rüzgar türbinlerinin hata akımı altında veya yıldırım düşmesi anında santralde çalışanların ve çevredeki canlıların elektriğe çarpılma riskini en aza indirmek, kaçak akımların kolaylıkla toprağa geçmesini sağlamak ve aynı zamanda yüksek elektrik potansiyel farklarının oluşmasını önleyerek çalışan güvenliğini sağlamak için düşük empedanslı topraklama sistemlerinin olması gerekir.

Bu yayında rüzgar türbinleri için öngörülen üç farklı topraklama sistemi tek tek ve birlikte analiz edilmiştir. Bu analiz için CYMGRD yazılımı kullanılmıştır.

 

►İlginizi Çekebilir: Rüzgar Türbinleri'nde Yıldırım Algılama Sistemleri 
 

Modern rüzgar türbinleri, yüksek rüzgar potansiyelinden ötürü yüksek rakımlarda ve çoğunlukla kayalık arazilerde inşaa edilir. Bu bölgelerde yıldırım düşme ihtimali daha fazladır. Bu yüzden topraklama tasarımı yüksek özgül dirençli arazilerde uzmanlık gerektiren bir çalışma gerektirir.

Rüzgar santralinin bütün ekipmanlarının kesintisiz bir topraklama sistemine bağlanması gerekir. Bu topraklama sistemine, ara istasyonlar, transformatörler, kuleler, rüzgar türbin generatörleri ve elektronik ekipmanlar da dahil edilmelidir.
 

Uluslararası standartlarda belirtilen, topraklama sistemine ait tanımlar şöyledir;
 

Dokunma gerilimi (Touch Voltage), arıza sırasında topraklı bir yapıya dokunan bir kişinin eli ile ayağı arasında oluşan potansiyel farktır.

Adım gerilimi (Step Voltage), bir arıza sırasında güç istasyonu alanında veya hemen yanında duran birinin ayakları arasında oluşabilecek potansiyel farkıdır.

Uluslararası standartlarda belirtilen güvenlik değeri her bir rüzgar türbinine ait topraklama sisteminde; toprak direnç değerinin en fazla 10 ohm veya daha düşük bir değer olmasıdır. Bu değerin altında bir toprak direncine sahip olan sistemler yıldırımdan korunma için uygun kabul edilir. Bunun yanında birbirine bağlı olan türbin topraklama sistemleri için istenen değer 2 ohm veya daha düşük olmasıdır.
 

Kısa devre analizinde ise müsade edilen adım ve dokunma gerilim değerleri ilgili IEEE standartına göre hesaplanır.
 

Bu yayında belirlenen modellerde, adım ve dokunma gerilimi hesabı için Tablo 1’deki değerler dikkate alınacaktır;

Normalde bir türbin topraklaması için temelde yatay halka iletkenler ve dikey topraklama çubukları kullanılır. Topraklama sistemi çeşitli noktalardan türbin temelindeki iletken malzemelere (beton demirleri gibi) irtibalandırılarak daha gelişmiş hale getirilir.
 

Standartta tanımlanan Tip A ve Tip B olarak iki farklı sistem vardır. Tip A; ufak binalarda az iletken ve elektrodun gerektiği durumlarda kullanılır. (daha detaylı bilgi için bkz. IEC 62305-3, 5.4.2.1)
 

Rüzgar türbinlerinin topraklaması için yaygın olarak kullanılan ve tavsiye edilen model Tip B’dir. Tip B modeli; basitçe Şekil 1’de gösterilmiştir. Bu makalede Tip B modeli analiz edilecektir.

Toprak yüzeyinden yarım yada bir metre derinlikte 4 veya 6 metre çapında bir halka iletken ve 4 adet dikey topraklama çubuğu kullanılır. Toprak direncinin çok yüksek olduğu durumlarda bu basit model geliştirilebilir. Bu yayında daha zor durumlar için Tip B geliştirilmiş ve iki farklı model daha tanımlanmıştır.
 

Şekil 1: Tip B Model

Standartta tavsiye edilen Tip B modeli en basit anlamda Model 01 olarak tanımlanmış ve daha da geliştirilerek Model 02 ve Model 03 oluşturulmuştur.
 

Aynı toprak özgül direnci için üç farklı modelden elde edilen sonuçlar Tablo 2’deki gibidir.
 

IEC TR 61400-24 Standartına göre topraklama sistemlerinin ayrı ayrı değerlendirildiğinde; toprak direnci 10 ohm’un altında olması istenir. Çoğu araştırmacının, sistemlerin birbirine bağlandığı durumdaki ortak toprak direncinin de 2 ohm’un altında olmasının uygun olacağına dair yayınlanmış kabul görmüş çalışmaları mevcuttur.

 

Tablo 2’ye göre en uygun topraklama ağı Model 03’tür. Fakat tek bir rüzgar türbininin gerekli şartları sağlamasının yanı sıra her türbinin birbiri ile bağlandığında da gerekli şartların sağlanması gerekmektedir. Farklı modellere sahip tüm sistemlerin bağlantısı sağlandığındaki sonuçlar Tablo 3’teki gibidir.

İletkenlerin çok derine gömülmesi topraklama sisteminin çok daha iyi olması anlamına gelmez. Türbin toprak ağının sahadaki trafo toprak ağına bağlantısı, daha geniş bir alana sebep olacak ve toprak direncinin düşürülmesinde olumlu bir etkisi olacaktır. Topraklama sistemlerinde istenilen değerlerde bir topraklama direncini elde edebilmek her zaman mümkün olmamaktadır. Bu tür durumlarda topraklama direncini düşürmek amacıyla, iletkenliği artırıcı doğal malzemeler kulanılabilir. (GEM, Bentonit, Nebati toprak gibi.) Çok kötü zemin koşullarında, geniş alanlara yayılmış rüzgar türbinlerinin kendine ait temel demir, çelik ağı topraklama ağı gibi düşünülebilir. Fakat mümkün olan her durumda temel ağının harici toprak ağı ile uygun yerlerden irtibatlandırılması gerekir. Bu uygulama topraklama sisteminin iyileştirilmesini sağlar. Yıldırımdan dolayı oluşacak kısa devre akımının veya herhangi bir arıza durumunda oluşabilecek arıza akımının türbin topraklama sistemi üzerinden toprağa en etkili şekilde aktarılması gerekir. Bu yüzden güvenli çalışma ortamının sağlanabilmesi için adım ve dokunma gerilimlerinin, toprak direncinin ve toprak potansiyel artışının sınırlandırılması için farklı topraklama modelleri geliştirilmiş ve aynı koşullar için analiz edilmiştir. Çıkan sonuçlarda da görüleceği üzere; çok yüksek toprak özgül direncinin olduğu yerlerde, toprak direncinin kabul edilebilir seviyelere düşürülebilmesi için santraldeki tüm toprak ağlarının birbiri ile irtibatlandırılması en uygun yöntemdir.


Yazar: Kaan KUZER – Elektrik Yüksek Mühendisi
SIEMENS – Energy Management