Enerji Nakil Hatlarının Yıldırımdan Korunması ve Topraklanması

Enerji nakil hatlarında gerilim çöküntüleri ve kesintilerine temel olarak, hava koşullarının sebep olduğu, yapılan araştırmalardan ortaya çıkmıştır. Yıldırım darbeleri neticesinde meydana gelen akımlar elektrik tesislerinde yüksek darbeli gerilimlere yol açabilir. Bu yazımızda Amper Elektrik'in katkılarıyla, enerji nakil hatlarının yıldırımdan korunması ve topraklanması konusunu inceledik.

A- A+

19.11.2018 tarihli yazı 13000 kez okunmuştur.

Yıldırımın Enerji Nakil Hatlarındaki Direklere İsabet Etmesi Hali

Esas itibarı ile tüm YG ve transformatör direklerinde koruma topraklaması mevcuttur ve yıldırım için ayrıca bir topraklama yapmaya gerek yoktur. Yıldırım, direk üzerine düştüğünde yıldırım akımı, direk ve topraklama üzerinden toprağa akar. Direğin topraklama direncine bağlı olarak direk üzerinde çok yüksek bir gerilim oluşur. Oluşan bu gerilim darbe gerilimi olarak adlandırılır ve YG izolatörlerinin darbe dayanma gerilimi olan 170 kV’dan daha büyük bir değere ulaştığında geri (tepme) atlama yaparak direk üzerinden iletkenlere atlar ve bu sırada izolatörlerin hasarlanmasına yol açarlar. İşte bu nedenle direklerin topraklama direncinin bu geri atlamayı önleyecek değere düşürülmesi gerekir. Topraklayıcı üzerinden yıldırım akımının geçmesi esnasında, darbe halinde meydana gelen gerilimin havai hatlarda kullanılan izolatörlerin darbe atlama geriliminden küçük olduğu durumda, izolatörler üzerinden gerilim geri (tepme) atlaması olmaz. Bu husus göz önünde bulundurularak topraklayıcı düzenlemek gerekir.

İlginizi Çekebilir: Piezoelektrik Kristalli Aktif Paratoner Nedir?

Yıldırımın Enerji Hattı İletkenlerine İsabet Etmesi Hali

Yıldırım, hat iletkenlerine isabet etmesi durumunda, yıldırım darbe akımı ikiye bölünerek hattın iki yönüne doğru yürüyen dalgalar biçiminde ve ışık hızında (v=300 m/µs) hareket eder. Yürüyen dalgalar, ortaya çıkmalarına yol açan olaylara ve şebekenin yapısına bağlı olarak, genlikleri, işletme geriliminin birkaç katına ulaşabilen aşırı gerilimlerin oluşmasına yol açarlar. YG/AG transformatörlerine ulaşan yıldırım darbe akımı buradaki parafudrlar üzerinden toprağa akar. Yıldırım darbe akımı, parafudrun taşıyabileceği akım değerinden fazla olduğunda parafudrun hasar görmesine neden olur. Eğer parafudr yoksa transformatörün YG sargılarında dinamik ve elektriksel zorlanmaya neden olur ve transformatörlerin hasarlanarak devreden çıkmasına neden olur. YG sargılarında meydana gelen aşırı gerilim, AG tarafına da geçer ve buradan da AG şebekesine yayılır.

Dikkat edilmesi gereken diğer bir konu, ark boynuzlarının gecikmeli çalışmasıdır. Yürüyen dalgaların yayılma hızları (hava hatlarında ışık hızında) ve özellikle yıldırım darbe gerilimlerinin cephe dikliği de göz önüne alındığında, dağıtım transformatörleri gibi aygıtların güvenli bir şekilde korunmasında ark boynuzlarının yeterli olamayacağı görülmektedir.

Ark boynuzları, özellikle iletim sistemi izolatörlerinde, aşırı gerilim kaynaklı bir atlama sonucunda oluşabilecek bir arkı yüzeyden uzaklaştırarak, izolatörlerin hasar görmesini önlemek amacıyla kullanılırlar. Aşırı gerilimin etkisi geçtikten sonra arkın sönmesi, işletme geriliminin, dolayısıyla da şebeke enerjisinin kesilmesini gerektirir.

Parafudr Seçimi

Parafudrlar 5-10 kA darbe boşalma akımına göre yapılmaktadır. Atmosferik boşalmaların yoğun olduğu bölgelerde 10 kA (dağıtım hatları ve bu hatlara bağlı YG kabloları,köy-ilçe-kasaba dağıtım transformatörleri), yıldırım akımlarının seyrek oluştuğu yerlerde ise 5 kA’lik parafudr seçimi uygun olmaktadır.

Enerji Nakil Hatlarının Yıldırımdan Korunması

Enerji nakil hattının enerji taşıyan tellerinin ve direklerinin tepesinden geçecek şekilde yıldırımdan koruma iletkeni olmalıdır. Enerji nakil hattındaki direklerden birine yıldırım düştüğünde (direğin ortalama direncinin 50 ohm olduğu düşünülürse) direk üzerine düşen gerilim yaklaşık olarak 800 kV olur.

Direk üzerinde oluşan bu gerilimden izolatörler vasıtasıyla faz hattına atlama meydana gelir. Atlayan bu gerilim, enerjinin beslediği sistemlere zarar verir. Buradan da anlaşılacağı üzere, enerji nakil hattı topraklamaları yapılırken topraklama direncinin küçük olmasına dikkat edilmelidir. Bu direncin maksimum 10 ohm olması gerekir. Bu durumda direk üzerinde oluşabilecek yaklaşık gerilim 475 kV mertebesindedir.

Enerji nakil hatlarında genel olarak yıldırıma karşı koruyucu olarak iki yöntem uygulanır:

1) Paralel Koruyucu Yöntemi: Bu yöntemde faz ile toprak arasına yüksek gerilimi kısa devre yapacak malzemeler konulur. Bunlar paralel bağlanmış gaz tüplerinden, metal oksit varistörlerden oluşmaktadırlar. Bu tür koruma yöntemiyle yüzde yüzlük koruma sağlanamamaktadır ancak bunların hatlara tesis edilmesi kolay olduğundan ve fiyatlarının ucuz olması nedeniyle sık olarak kullanılmaktadır

2) Seri Koruyucu Yöntemi: Koruyucu malzeme faz iletkenine seri olarak bağlanır. Malzemenin içinde yıldırım enerjisini sınırlayan devre elamanları mevcuttur. Enerji hattına seri 1 Mhz frekansa kadar yüksek empedans gösterecek bir bobin bağlanır. Yıldırım bu bobinden geçemeyerek toprağa kısa devre edilir. Bobinden geçen yıldırımın, faz hatlarına bağlanan gerilim sınırlayıcı kontaktörlerle sistemlere ulaşması engellenmiş olur.

Kritik Açıklık

Yıldırımdan korunma tesisatlarında fazla dikkat edilmeyen hususlardan birisi de kritik açıklıktır. Kritik açıklık, paratonerle topraklama arasındaki iniş iletkeninin diğer iletkenlerle (elektrik tesisatı, zayıf akım tesisatı, telefon tesisatı vs.) arasındaki uzaklıktır.

Bu açıklık belirli bir değerden küçük tutulduğunda iki iletken arasında endüksiyon yolu ile aşırı gerilimler oluşabilmektedir. Bu da sistemlere zarar vermektedir. Kritik açıklık emniyetli bir uzaklığın altına düşürülmemelidir.

Koruma Topraklaması

Yüksek gerilim tesislerinde koruma topraklaması, işletme içindeki görevli personelin ve işletme binalarının dışındaki canlıların temas ve adım gerilimlerine karşı korunmasını sağlar.

Yüksek gerilim tesislerinde insanları yüksek temas gerilimine karşı korumak için yapılan koruma topraklamasının amacı;

► Can güvenliğini sağlayabilmek
► Cihazların zarar görmesini önleyebilmek
► Dokunma gerilimini 50 volt veya altında tutabilmek
► Cihazlar üzerinde oluşabilecek kalıcı yüksek gerilimleri düşürebilmek
► Devre kesicilerine açtırma yaptırabilmek

İlginizi Çekebilir: İzoleli Yıldırımdan Korunma İletkeni

Statik Topraklama

Malzeme üzerinde biriken statik yük, malzemenin yük miktarı (q) ve kapasitif (C) değerine bağlıdır. Bu durum q= C.V denklemi ile ifade edilir. Buna göre düşük kapasitanslı bir malzemenin bir yük kazanması, göreceli olarak diğer malzemelere göre daha büyük statik voltajla yüklenmesine neden olur. Örneğin; plastik (düşük kapasiteli bir malzeme olması nedeniyle) yüklendiğinde demirden daha fazla statik enerjiye sahip olur. İnsan vücudu için de benzer durum söz konusudur.

Endüstride 5 kV’a kadar olan voltajların deşarjı önemli bir sorun değil iken, sadece 250V ile bozulabilecek CMOS yapılı elektronik malzemeler mevcuttur. Bu tür elektronik cihaz ve malzemelere statik yük önlemi olmadan dokunulduğunda veya sadece yaklaşıldığında bile bozulabilmekte veya ömrü azalabilmektedir. Elektrostatik deşarj (ESD) darbesinin eşdeğer devre modeli yaklaşık 200pF’lık değeri olan bir kapasitenin, 20kV’luk bir gerilim kaynağı ile yüklenip 500Ω ’ luk bir yük üzerinden aniden boşalması şeklindedir. Bunun sonucunda onarımı oldukça pahalı veya üretimin uzun süre durmasına neden olabilecek ciddi hasarlar oluşabilir. Bu nedenle cihaz tamiri, üretimi ve benzeri görevlerin yapıldığı tesislerin girişlerine statik yükü boşaltıcı statik elektrik levhaları ve topraklama sistemleri kuruludur.

İlginizi Çekebilir: Teknelerin Yıldırıma Karşı Korunması ve Topraklanması

Topraklamaların Birleştirilmesi

Bir tesiste koruma, işletme ve yıldırım topraklamaları bulunabilir. Koruma ve işletme topraklamalarının bir kısmı alçak gerilim, bir kısmı da yüksek gerilim tesislerine ait olabilir. Bir tesiste bulunan bu çeşitli topraklamaların birbiri ile birleştirilmesi, birtakım faydalar sağladığı halde zararlara da yol açabilir.

Topraklamaların birleştirilmesinin sağladığı en önemli yarar, toplam topraklama direncinin düşmesidir. Böylece topraklamaların daha ekonomik bir şekilde gerçekleştirilmesi mümkün olur. Ayrıca farklı topraklamaların birleştirilmesi ile bu topraklamalara bağlı kısımlar arasında tehlikeli gerilim farklarının meydana gelmesi de önlenmiş olur.

Sonuç

Yıldırım ve aşırı gerilimler; yüksek gerilim hava hatları, yeraltı kabloları, dağıtım transformatörleri, izolatörler, kablo başlıkları, AG alıcılarına zarar vermektedir. Tesislerin, kısa veya uzun süreli kesintilere yol açacak bu tehlikenin varlığı dikkate alınarak yapımı ve işletilmesi, milli ekonomimize katkı sağlayacağı gibi kaliteli bir elektrik enerjisini de beraberinde getirecektir.

KAYNAK:

►http://www.emo.org.tr/ekler/b275261449dd6dc_ek.pdf?dergi=975
►Statik Elektriğe Karşı Koruma için Güvenli Bir Topraklama Sistemi ve Antistatik Çalışma İstasyonunun Kurulması- Mustafa BURUNKAYA
►http://www.elektroteknoloji.com/blog/koruma-topraklamasi-nedir-onemi-amaci-cesitleri/
►http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/yildirimdan-korunma-ve-topraklama-2-bolum/4221
►https://www.lsp-international.com/surge-protection-devices-are-used-for-electric-power-supply-networks/fig-j17-principle-of-protection-system-in-parallel/