1.Giriş

Elektrik santrallerinin tamamında olduğu gibi rüzgâr santrallerinde de topraklama yapılması büyük önem taşımaktadır. Santral çalışanlarının ve çevredeki canlıların korunması, kaçak akımların toprağa verilerek güvenli bir alan yaratılması, gerilimin belli standartlarda tutulması ve yıldırım çarpması riskinin en aza indirilmesinde topraklama etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinleri ise kuruldukları santral bölgelerinin kendine has özellikleri nedeniyle topraklama diğer yapılara göre daha ayrıntılıdır. Bu santraller oldukça geniş, izole ve yüksek bir alana yayılırlar ve kuruldukları alanın zemin direnci yüksektir. Ayrıca uzun türbin kuleleri yıldırım düşme riski açısından önemli derecede tehlike taşırlar. Bu gibi nedenlerle alışılagelmiş topraklama yöntemlerini rüzgâr türbinlerinde uygulamak zordur ve özel uygulamalar gerektirmektedir [2].
 

► İlginizi Çekebilir : Rüzgar Türbinlerinin Ani Aşırı Gerilim ve Yıldırıma Karşı Korunması

2. Rüzgar Türbinlerinin Topraklanması
 

Rüzgâr türbinlerinin uzun ve hafif bükümlü kanatları ve rüzgâr santrallerinin kuruldukları bölgelerin tipik özelliği olan izole ve yüksek dirençli alanlar yıldırım riski açısından rüzgâr türbinlerini daha tehlikeli yapmaktadır. Rüzgâr türbini kanatlarında, üreteçlerde ve kontrol panellerinde oluşan geri dönüşü olmayan zararların çoğu doğrudan yıldırım çarpması veya aşırı voltaj oluşması sonucu meydana geldiği düşünüldüğünde, rüzgâr türbinlerinin yıldırımdan korunması, aşırı gerilim ve potansiyelin ani değişiminin engellenmesi, böylece rüzgâr türbinin ve çevredeki nesnelerin korunmasında topraklamanın büyük önemi bulunmaktadır [1].



Tipik bir rüzgâr türbini topraklaması halka şeklinde bir elektrot ve kulelerle bağlantılı metal çubuklardan oluşur. Kullanılan dikey ve yatay elektrotlar sayesinde toprak direncinin azaltılması ve oluşabilecek aşırı gerilimin önüne geçilmesi amaçlanır.

Şekil 1: Türbinlerin genel topraklama şeması [1]

Türbin kulelerinde ana yapıyla bütünsel olarak topraklama, genelde temelin 1 metre derinliğine yerleştirilen halka şeklinde iletkenle ve buna dikey olarak yerleştirilen metal çubuklarla gerçekleştirilir. Beraberinde türbin kulesinin çelik kafesinin temeli de bu yerel şebekeye bağlanır. Böylece kaçak akımların engellenmesi ve yıldırım düşmesi riski karşısında eş potansiyel bağlama gerçekleşmiş olur [2].
 

Şekil 2: Eş potansiyel çubuğunun temel elektroda bağlanması [3]

Halka şeklindeki elektrot özellikle geniş çaplı topraklamada sadece rüzgâr türbinin değil, tüm sistemin bir parçasıymış gibi görev yapar. Rüzgâr santrallerinin topraklanmasında önemli bir ayrıntı olan sistemin bütün ekipmanlarının kesintisiz bir şekilde topraklanmasında bu halka biçimindeki elektrottan da yararlanılır [2].

Türbinlerde bulunan güç kabloları ise sıklıkla topraklama kablosu taşırlar. Böylece her bir türbin topraklamasının diğer türbinlerle bağlantısı sağlanmış olur. Ayrıca yatay elektrotların güç kablolarına paralel yerleştirilmesiyle toprak direncinin azaltılmasına yardımcı olunur [1].

        Şekil 3: Rüzgâr türbinin temel topraklaması [4]

   

3. Rüzgar Türbinlerinin Yıldırımdan Korunması 

Rüzgâr türbinleri potansiyel dengeleme, ani voltaj değişiminin ve yıldırımın önlenmesi modülleri ve elektromanyetik uyumlaştırıcı koruma bölgelerinden oluşur. Rüzgâr türbinlerinin bu etkin koruma bölgeleri sayesinde giderek onarım, bakım ve koruma maliyetleri düşmüş, bu da üreticileri daha büyük güçte türbin yapmaya ve türbinleri daha verimli olan denizlerde kurmaya itmiştir [6].
 

Yanlış topraklama sonucu yıldırım düşen rüzgar türbini kanadı
 

Rüzgâr türbinlerinin 3 ana bileşeni çeşitli şekillerde korunmaktadır.

3.1 Kanatlar: Şüphesiz, yıldırım türbin kanatlarının en büyük düşmanıdır. Yıldırım çarpmasının neden olduğu yüksek sıcaklık gibi etkiler kanatlara geri dönüşü olmayan büyük fiziksel zararlar vermektedir.
 

Şekil 4: 1,5 Megawatt büyüklüğündeki bir rüzgâr türbinine yıldırım çarpması sonucu meydana gelen akımın simülasyonu. Böyle devasa akımlar kanatlarda geri dönüşü olmayan zararlar oluşturmakta [8]

Kanatları yıldırımdan korumak için kanatlara reseptör adı verilen bakır iletkenler yerleştirilir. Bu bakır iletkenler kanat boyunca alüminyum iletkenlerle desteklenir. Bu iletkenlerin kanatlara yerleştirilmesi çeşitli kompozit malzemelerle olur. Genelde kanatlarda sıcaklığa dayanıklı fiberglas epoksi reçine ile jelatinli koruyucu jel kullanılır. Ayrıca bu yapı içine güçlendirmek için katı poliüretan gömülür [10].  

Şekil 5:  Genel olarak kanatların yıldırım koruma tasarımı  [9]
 

3.2  Nasel: Nasel için faraday kafesi görevi yapan 5 mm çelik bir levha içinde kanopi üretililinmiştir. Bu kısmın arkasındaki meterolojik aletler ayrı bir paratoner sistemiyle korunmaktadır. Tüm bileşenler dikkatlice topraklanmalıdır ve kontrolör içindeki parafadurlar sayesinde yıldırım düşmelerinin etkileri geçiçi olarak önlenir [6].

Özellikle Nasel bölgesinde bulunan aletler yıldırıma karşı çok iyi korunmalıdır. Bu bölümde  parafudurların önemi büyüktür. 
 

3.3 Kontrol Bölgesi: Cihazlar doğrudan yıldırım çarpması karşısında ani patlamayı engellemek için mekanik aşırı yükleme ile korunmuştur. Dın rayları, dolap kapıları ve bileşenler içindeki metal kısımlar için de topraklama yapılmalıdır [6].

 

► İlginizi Çekebilir : Dış Yıldırımlık Nedir?

 

4. Rüzgar Türbinlerinin Yıldırımdan Koruma ve Aşırı Gerilim Değişimlerine Karşı Koruma Standartları

Konuyla ilgili standartlar yıldırımdan ve aşırı gerilimden rüzgar türbinleri korumak için oldukça büyük önem taşır. Bu standartlar sayesinde rüzgar türbinlerinin korunmasında ciddi mesefeler kat edilinmiştir.

*IEC61400 : Rüzgar türbini jeneratör sistemleri Bölüm-24: Yıldırıma Karşı Koruma
*DIN EN 62305 Yıldırıma Karşı Koruma
*Germanischer Lyold (GL): Rüzgar türbinlerinin sertifikasyonu için yönergeler,2003, elektriksel montaj eki ile 2004:8.9  Denizdeki rüzgar türbinlerinin sertifikasyonu için yıldırıma karşı koruma yönergesi, 2005: Yıldırımdan korumanın elektriksel montajı [6].

4.1 Koruma Düzeylerinin Tanımı [3]

Bir koruma bölgesinin görevi elektromanyetik ve emisyon bozulmalarının istenilen değerlerde tutulmasıdır. Standartlarda LPZ 0’dan LPZ 3’e kadar değişik koruma bölgeleri tanımlanmıştır.
 

Şekil 6: Yıldırımdan koruma bölgeli bir rüzgâr türbinin diyagramı

LPZ 0A ve LPZ 0B koruma bölgeleri aşağıdaki bileşenleri içerir.

*Pervane ve iç elemanlar, pervane kanatları
*Türbin muhafazası kapağının dış kısımları, eğer metal muhafaza yoksa muhafaza içindeki tüm donanım jeneratör, sensörler vb.
*Metal olan şalter kutularının dış kısımları metal olmayan şalter kutularının iç kısımları
*Standartlara göre takviye bağlantıları ile teçhiz edilmeyen beton kuleler veya metal olmayan kuleler
*Koruma önlemleri bulunmayan işletim binaları ve transformatör istasyonlarının iç kısımları
*Koruma önlemleri bulunmuyorsa, rüzgar türbini ile işletim binaları veya transformatör istasyonları arasındaki toprak veya havai toprak kablo bağıntıları
               
LPZ 1 yıldırımdan koruma bölgesi aşağıda bulanan bileşenleri içerir.

* İlgili yıldırım iletimi önlemleri ile birlikte, tamamen metal kaplı türbin muhafazasının iç kısımları
* Uygun bir yöntemle eş potansiyel bağ sistemine bağlı iseler, tüm metal kaplı donanımın iç kısımları
* Yıldırım Çubukları ve uygun iletkenli olduğu takdirde rüzgâr ölçüm donanımı sensörleri
* Donatılarla ilgili standartlara göre dizayn edilen ve temel topraklama elektrotuna bağlı olan beton kuleler ve metal kulelerin iç kısımları
* İnce çelik levhalarla kaplı veya koruma önlemlerine sahip işletim binaları ve transformatör istasyonlarının iç kısımları
* Etkin yıldırım iletimi ve koruma önlemleri alınması koşuluyla, pervane göbeği dahil, pervane kanatlarının iç kısımları
 
LPZ 2 yıldırımdan koruma bölgesi, girişim etkilerinde ilave azaltmalar yapılması için korumalar eklenmesi durumunda LPZ 1’in donanımlarını içerir.

 

► İlginizi Çekebilir : Dış Yıldırımlık Sistemleri | Faraday Kafesi ve Paratoner

 

5.SONUÇ

 
İyi ve standartlara uyularak yapılan bir topraklama ile hem bakım, onarım, koruma maliyetleri azaltılır, hem de santral güvenliği maksimum düzeye çıkarılır. Geleceğimiz için büyük önem taşıyan rüzgâr enerjisinin bu etkin koruma ve topraklama yöntemleri sayesinde daha güvenilir, daha sürdürebilir ve ekonomik bir enerji kaynağı haline getirmek mümkün olacaktır. Böylece rüzgâr enerjisi diğer enerji kaynakları yanında hak ettiği yeri alabilecektir.
 
KAYNAKLAR
 
[1] D.Romero, J.Montanya, A.Candele. “Behaviour of the Wind-Turbines Under Lightning Strikes Including Nonlinear Grounding System”, Nisan 2004

[2] Kadir Tekin. “ Rüzgâr Santrali İçeren Elektrik Sistemlerinde Etkilenmeler ve Kısa Devre İncelemesi”, İstanbul Teknik Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, Kasım 2006

[3] Türk Loydu Vakfı. “Bölüm-8 Elektrik Donanımı”

[4] Midstate Electric Coorperative Inc.

[5] Copper Development Association Inc.  “Copper and Wind Energy: Partners For a Clean Environment”

[6] Mustafa Kemal Avşaroğlu, Tuğcan Tekin, Sevim Serindağ. “Rüzgâr Türbinlerinde Topraklama ve Yıldırımdan Korunma Sistemleri”
 

[7] “When Lighting Strikes Wind Turbines II”,
 

[8] B.Lewke, F.Krug, J.KindersBerger. “Risk of Lightning Strike to Wind Turbines for Maintenanca”, 28th ICLP (International Conference on Lightning Protection), Kanazawa 

[9] Flemming Moeller Larsen, Troels Sorensen. ”New Lightnıng Qualifıcation Test Procedure For Large Wınd Turbine Blades”

[10] Richard Kithil. “Case Study of Lightning to Wind Turbine Blade”,  Haziran 2008