Yıldırım Topraklaması

Elektrik tesislerinde yıldırıma karşı korunmak için, parafudrların topraklama uçları ile açık hava tesislerinde yıldırımın düşmesi ihtimali olan bütün madeni kısımlar, mesela hava hatlarının koruma iletkenleri, madeni veya beton direkler özel bir topraklayıcı üzerinden topraklanır. Buna yıldırım topraklaması adı verilir. Yıldırım topraklaması da bir nevi koruma topraklamasıdır ve onun için iki topraklama birbirine bağlanır.



Yıldırım topraklamasının amacı, her elektrik tesisine düşen bir yıldırım darbesinin sebep olduğu aşırı gerilim dalgasının, işletme araçlarına zarar vermeden toprağa iletilmesi ve hem de binalara düşen yıldırımın, insan hayatına zarar vermeden ve bir yangına sebep olmadan toprağa atılarak zararsız hale getirilmesidir.
 

Resim 1: Yıldırım Topraklama Sistemi Örneği

 

► İlginizi Çekebilir: Cihazlarımızı En Doğru Şekilde Yıldırım ve Aşırı Gerilimden Nasıl Koruruz?

Tarih boyunca yıldırımdan anlaşıldığı kadarıyla, yıldırımdan korunma sistemleri de o oranda gelişmiştir. Yıldırım üzerine ilk teoriler 17. yüzyılda tespit edilmeye başlanmıştır. Descartes adındaki bilim adamı bulutların çarpışmasından sıkışan havanın ışık ve ısı etkisi meydana getirdiğini ve ısının gürültüye neden olduğunu söyleyerek yıldırımla ilgili ilk teoriyi ortaya atmıştır.

18. yüzyılın ortalarında Rahip Nollet Denel fizik dersleri adlı kitabında elektrikle yıldırımın ilgisini anlatmıştır. Bu tarihten sonra fizikçi Jallbert, yıldırım olayı ile sivri uçların ilgisini dile getirmiştir. Yine aynı yıllarda Romans, yıldırım olayının bir elektriksel olay olduğunu söyleyerek yıldırım olayında elektrikten bahsediyordu.
 

Franklin ise 1725 yılında balon deneyi yaparak bulutların elektrik yüklü olduğunu ispatlamıştır. Daha sonra yıldırım konusundaki gelişmeler 1929 yılında İngiliz doktor Simson ve Fransız Mathias tarafından yapılan açıklamalarla devam etmiştir.

Yıldırımın meydana gelmesi yapılan gözlemler ve incelemeler sonunda dört şekilde olduğunu ortaya koymaktadır:
 

1) (-) inişli

2) (-) çıkışlı

3) (+) inişli

4) (+) çıkışlı

Yıldırım Nedir? Nasıl Oluşur? 

Yıldırım, bulut ile yer arasındaki elektrik yüklerinin hızlı deşarj olma olayıdır.

Havada asılı bulunan elektrik yüklü bulutlarda hava iyi bir iletken olmadığı için yaklaşık 10 milyon voltluk gerilim oluşturur. Bu bulutların şarj olması anında, fırtına bulutunun tabanı yere yakın olan kısmı negatif yükle yüklenir. Bu arada yer pozitif yükle yüklenir. Bazı durumlarda bunun terside mümkündür. Sonuç olarak yüklenme işlemi bulut boyutunda yerde de oluşur.

Fırtınanın artmasıyla bulutlardaki negatif ve yerdeki pozitif yük ayrışması devam eder. Fırtına şiddetlendikçe bulutla yer arasında bulunan yalıtkan hava iletken hale geçmeye başlar ve bulutla yer arasındaki potansiyel farkı da arttıkça havayı delmesi kolaylaşır. Havanın delinmesiyle buluttaki yüksek voltaj toprağa deşarj olur. Bu deşarjlarda 2000 ile 200 000 amper arası akım akmaktadır. Atmosferik olaylarda bulutla bulut arasında voltaj boşalmasına şimşek, bulutla yer arasındaki voltaj boşalmasına yıldırım denilir.
 

Resim 2: Yıldırım Oluşması

Yıldırımın oluşması, bir bulutun alt kısmındaki enerjinin yeterli seviyeye geldiği zaman (10kV/cm²) toprağa doğru bir elektron demeti olarak harekete geçmesidir. Birinci demet 10 ile 50 metrelik mesafeyi 60 – 50 000 km/sn arasındaki hızla kat eder. 30 ile 100 mikron saniye süren bir aradan sonra ikinci bir deşarj, birinci deşarjın yolunu izler ve birinciden 30 ile 50 metre arası daha ileri gider.

Daha sonra üçüncü deşarj ardından dördüncü deşarj meydana gelir. Her bir deşarj öncekinden 30 ile 50 metre ileri giderek şimşeğin ucunun yeryüzüne yaklaşmasını sağlar. Bu arada yeryüzü ile bulut arasındaki potansiyel farkı gittikçe artar ve havanın delinmesi sonucunda yeryüzünde bulunan sivri bir uç, bina, ağaç veya kule gibi bir noktaya pozitif yüklü bir demet deşarj olur ve bunun boyu 150 metreyi geçebilir.

Bu deşarj esnasında 200 000 ampere kadar çıkan akım 100 milyon voltluk bir gerilim ile toprağa akar. Bu akıma deşarj akımı denilir. Bu akım saniyenin milyonda biri mertebesinde aralıklarla art arda gerçekleşmesiyle tamamlanır.
 

Resim 3: Yıldırım Oluşumu Sırasında Kutuplanma


► İlginizi Çekebilir: Rüzgar Türbinlerinin Topraklanması

Elektrostatik yük; elektrik yüklü bulutun altında kalan yeryüzünün üstündeki tüm teçhizatlar elektrostatik alana maruz kalırlar. Bu elektrostatik alan yer küreden yüksekliğe bağlı olarak değişmektedir. Örneğin; topraktan 10m yükseklikte bulunan enerji hattı fırtına sırasında toprağa göre 100 ile 300 KV arası fazla gerilime sahip olur. Deşarj esnasında bu yükün toprağa akması gerekmektedir.

Toprak akımı; yıldırımın hemen ardından yıldırım akımı sonucu toprak akımları oluşur. Bulutun kapsadığı toprak alanından yıldırımın düştüğü noktaya doğru akım akmaya başlar. Bu bölgede bulunan herhangi bir iletken bu akım için topraktan daha kolay iletim sağladığından akım bu iletkenden geçmeye başlar ve bu akıma toprak akımı denilir. Bu boşalma işlemi çok hızlı olduğundan (20 mikro saniye) metaller üzerinde indüklenen gerilimler çok yüksek olmaktadır.


 

Yıldırımdan Korunma Çeşitleri
 

1. Franklin Çubuk Paratoneri: Bu tür korunma sisteminde Yakalama Çubuğu, İniş İletkeni, Topraklama Tesisatı gibi malzemeler kullanılmaktadır.

2. Faraday Kafesi: Bu tür koruma sisteminde de Franklin çubuk sistemindeki gibi sistemler kullanılmaktadır.

3. Radyoaktif paratoner: Radyoaktif Paratoner Ünitesi, Radyoaktif Paratoner İniş İletkeni, Radyoaktif Paratoner Topraklama Tesisatı gibi sistemler kullanılmaktadır.

4. Yıldırımın düşmesini engellemek

Franklin Çubuk Paratoneri
 

Bu tür korumada sivri ucun oluşturduğu yakalama metodu kullanılır. Sivri uç, iniş iletkeni ile topraklama levhasına en kısa ve düz olarak indirerek irtibatlandırır.

Franklin yakalama ucu; çelik uçlu krom nikel kaplı ve pirinç üstü krom nikel kaplı olarak üretilmektedir. Zamanla havadaki atmosferik olaylardan etkilenmemesi için bunlardan pirinç olanı tercih edilmelidir. Franklin çubukları 20, 40, 50, 60 cm'lik boylarda üretilmektedirler.
 

İniş iletkeni; radyoaktif paratoner ve Franklin çubuklu paratonerlerde iniş iletkenleri aynıdır. Yıldırımın oluşturduğu yüksek amperli (200000 A) akımın akması halinde iletken telinin herhangi bir zarara uğramaması gerekmektedir. İniş iletkeni ile paratonerle topraklama arasını en kısa yoldan birbirine irtibatlandırmak gerekmektedir.

İniş iletkenleri 50 mm² som bakır ve döşeneceği zeminden 5 cm açıkta olacak şekilde olmalıdır. Bakır iletkende ek yapmak gerekirse ekleri gümüş veya termo kaynağı ile yapmak gerekmektedir. İniş iletkeni mümkün olduğu kadar en kısa yoldan ve 90 dereceden büyük kavislerin olmamasına dikkat edilerek çekilmektedir. Ayrıca bir metre mesafe içinde iki veya daha fazla köşelerin olmamasına dikkat edilmelidir.
 

Resim 4: Franklin Çubuğunun Gerçek Çizimleri

Topraklama tesisatı; Franklin çubuklu paratoner, Faraday kafesli koruma ve radyoaktif paratonerde topraklama tesisatı aynı kullanılmaktadır. Topraklama tesisatı çubuk veya düz levha bakırdan yapılmaktadır. Topraklama direnci maksimum 5 ohm olmalıdır. Topraklama direnci 5 ohm'dan büyük olursa sisteme topraklama çubuğu veya levhası eklenerek direncin limitler içinde olması sağlanır.

Topraklama çubukları veya levhalarının gömüleceği toprağın dünyanın toprağı ile bağlantısı olması gerekmektedir. İniş iletkeni topraklama çubuklarına gümüş kaynağı ile yapılmalıdır. Ayrıca çubuk sayısı birden fazla ise çubuklar arasındaki mesafelerin 5 metreden daha az olmamasına ve aradaki bağlantı iletkeninin 50 mm² saf bakırdan olmasına dikkat edilmelidir.

Bu koruma tipi radyoaktif paratonerlerden önce kullanılmaktaysa da, yüksek yerlerdeki istasyon veya yerleşim yerlerinde radyoaktif paratonerle birlikte kullanılmaktadır. Faraday kafesli korumada istasyon binasının çatısının üzerine ve istasyonun kulesine muhtelif aralıklarla Franklin çubukları yerleştirilerek iniş iletkenleri ile topraklama çubuklarına irtibatlandırılır. 
 

Resim 5: Topraklama Tesisatı Örneği 


► İlginizi Çekebilir: İsCon | İzolasyonlu Yıldırım İniş İletkeni
 

Yakalama uçları; yakalama uçları olarak Franklin çubukları kullanılmaktadır. Binanın çatısına bu çubuklar çatıyı kaplayacak şekilde aralıklarla dik olarak yerleştirilir ve topraklama iletkenleri ile birbirlerine irtibatlandırılırlar.

İniş tesisatı; dik olarak binanın çatısına yerleştirilen Franklin çubukları 50 mm^2'lik saf bakırla ve tüm binayı kafes gibi saracak şekilde üstten, yanlardan ve toprak altından saracak şekilde tesis edilmelidir. Bakır iletkenler kroşelerle döşenmeli ve hiçbir noktadan binaya değmemelidir.

 

Radyoaktif Paratoner

Radyoaktif paratoner ile korunma, Franklin çubuklu korunmaya benzemektedir. Aradaki tek fark; yakalama ucu olarak radyoaktif malzemeden yapılmış paratoner ünitesi kullanılmaktadır. Bununda yıldırımı yakalama yeteneği daha fazladır.

Radyoaktif paratoner ünitesi; Radyoaktif paratonerdeki amaç fırtınalı havalarda bulutlarda biriken elektrik yüklerinin insanlara, tesislere ve yapılara zarar vermeden olabilecek yüksek gerilimleri oluşturulan iyonize kanallarla toprağa vermektir.
 

Radyoaktif paratonerler sivri bir ucun yaydığı iyonlara ek olarak radyoaktif maddenin oluşturduğu yüksek iyonlar sayesinde iyonize kanallar oluşturmaktadır. Yakalama ucunun toz ve yabancı maddeleri üzerinde bulundurmaması ve paratonerin alt kısımlarına iyon yaymaması istenmektedir.

Radyoaktif paratoner koruma yapacağı alanın en yüksek ve orta yerine konmalıdır. Ayrıca en yüksek noktadan 1.5 metre yükseğe tesis edilmelidir. Topraklama kazıklarının birbirine olan mesafeleri boylarının 1.5 katından daha küçük olmamalıdır çünkü çubuklar boyları kadar küresel bir alanda toprağa deşarj yapmaktadırlar.