ELEKTRİK TESİSLERİNDE TOPRAKLAMA
TMMOB ELEKTRİK MÜHENDİSLERİ ODASI ELEKTRİK TESİSLERİNDE TOPRAKLAMA ÖLÇÜMLERİ VE ÖLÇÜM SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Not : Bu çalışma Elk.Y.Müh. Taner İRİZ ve Elk.Elo.Müh. Ali Fuat AYDIN tarafından Elektrik Mühendisleri Odası eğitimlerinde kullanılmak üzere tarafından hazırlanmıştır. EMO dışındaki kullanılması ya da metinlerin değiştirilmesi halinde hazırlayanlardan olur alınması gereklidir. firma, kurum ve kuruluşlar 1 Elektrik tesislerinde gerek toprak özdirenci, gerekse yayılım direnci ölçerken, düşünsel olarak tüm elektrotlar yarı küre olarak kabul edilir. Pratikte kullanılmayan yarı küre elektrotlar, topraklama ölçüm teorisinde hesaplara kolaylık getirir. Homojen toprak özdirenci durumunda (ρ sabit), r yarıçaplı yarı küre elektrodun toprağa geçiş (yayılım) direnci basitçe, ρ r2 π bağıntısıyla, R yk = Bu elektrodun merkezinden x uzaklığında bir yerdeki potansiyel, = IRφ yk = ρI x2 π bağıntısıyla hesaplanabilir. Burada I elektrottan akan akımdır. 2 İlke olarak, tüm hesaplamalarda uygun koşullar oluşturarak, bir önceki yansıdaki direnç ve potansiyel formüllerini kullanacağız. Örnek: Rç ρ= L2 π ln L4 D Dikey çubuk için ETTY, bağıntısını vermektedir. Burada L çubuğun boyu, D ise çapıdır. Çubuğun yarı küre eşdeğerini hesaplamak için, ρ r2 π = ρ L2 π ln L4 D eşitliği göz önüne alınır. r = L L4 D ln L=20 cm, D=1 cm kazık için r=4,6 cm bulunur. 3 •TOPRAK ÖZGÜL DİRENCİ ÖLÇÜMLERİ •TOPRAK YAYILIM DİRENCİ ÖLÇÜMLERİ •ÖLÇÜMLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ 4 TOPRAK ÖZGÜL DİRENCİ ÖLÇÜMLERİ 5 Yakın zamana kadar, toprak özgül direnç ölçümü sınırlı bir elektrik mühendisi kitlesini ilgilendiriyordu. 1. Katodik koruma ile ilgilenenler (TS 4363’teki anlatım katodik koruma ile ilgilidir.) 2. Büyük şalt sahalarının topraklama tasarımıyla uğraşanlar Son yıllarda yayınlanan yeni yönetmeliklerle birlikte, toprak özgül direnç ölçümü geniş bir kesimi ilgilendirmeye başlamıştır. 6 03 Aralık 2003 tarihli Elektrik İç Tesisleri Proje Hazırlama Yönetmeliği'nin 10/c-5.i.1 maddesi projelere başlamadan önce toprak özdirencinin belirlenmesini şart koşmuştur. Ayrıca taslak halindeki Yıldırımdan Korunma Yönetmeliği'nde de yıldırım tesislerinin tasarım aşamasında toprak özdirencinin ölçümü önerilmektedir. Yıldırımdan Korunma Yönetmeliği Taslağı madde-16’da “çoğu coğrafi yörelerde ve özellikle ısı ve yağışın deneyimsel olarak alışılagelmişin dışında mevsimsel değişiklikler gösterdiği yerlerde, toprak direncinin değişimi, farklı hava şartları periyotlarında özgül direncin derinlik profili ölçülerek dikkate alınmalıdır.” denmektedir. 7 P2 C1 P1 C2 8 φ 1P = ρI 2 π 1 C1P1 1 C2P1 C1 P2 φ 2P = ρI 2 π 1 C1P2 1 C2P2 C2 P1 = φU P1 φ P2 = ρI 2 π 1 C1P1 1 C2P1 1 C1P2 + 1 C2P2 9 (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - = R = U I ρ 2 π 1 C1P1 1 C2P1 1 C1P2 + 1 C2P2 = k 2 π 1 C1P1 1 C2P1 1 C1P2 + 1 C2P2 kρ = U I Burada ρ (Ω.m) toprağın özdirenci, I (A) yere uygulanan akım, U (V) P1 ve P2 uçları arasındaki gerilim, k ise geometrik bir faktördür. k faktörü ölçüm kazıkları arasındaki mesafelere bağlıdır. 10 (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - 1 C1P1 + 1 C2P2 1 C2P1 + 1 C1P2 olması koşuluyla ölçüm kazıkları istenildiği gibi yerleştirilebilir. Her oluşturulan ölçü sisteminin kendine özgü bir geometrik faktörü olduğu unutulmamalıdır. Örnek x x C1 x P1 P2 x C2 0U = Bu durumda ρ ölçülemez. 11 (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) „ Toprak özdirenç ölçümünde Wenner, Schlumberger, dipol-dipol, tek elektrot-dipol, yarım Wenner ve yarım Schlumberger gibi çeşitli klasik yöntemleri kullanmak mümkündür. Yukarıda adı geçen tüm geleneksel yöntemler, 4 adet ölçüm kazığının bir doğru boyunca değişik aralıklarla toprağa çakılması ile uygulanırlar. Küçük aralıklarla yapılan ölçümlerde özel geliştirilmiş ölçüm cihazlarından yararlanılırken, büyük aralıklarla yapılan ölçümlerde ise voltmetre-ampermetre yöntemi kullanılır. Ölçüm cihazının C1 ucundan 100-150 Hz frekanslı + I akımı toprağa gönderilir. Bu akım - I olarak C2 ucundan geri döner. Bu akımlar, P1 ve P2 uçlarında U kadar bir potansiyel farkı yaratırlar. Ölçüm cihazları U/I oranını Ω cinsinden direkt olarak verirler. Yeni nesil ölçüm cihazları U/I oranının yanında k faktörünü de saptayıp direkt olarak görünür özdirenci de 12 verebilmektedir. WENNER YÖNTEMİ 13 Rö C1 P1 P2 C2 I I a a a 14 Rö C1 P1 P2 C2 I a a a φ 1P = ρI 2 π 1 a 1 a2 φ 2P = ρI 2 π 1 a2 = φU P1 φ P2 = ρI 2 π 1 a 1 a2 + 1 a2 1 a 1 a 15 (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) Ł (cid:230) - - - = R = U I ρ 2 π 1 a 1 a2 + 1 a2 1 a =(cid:247) ρ 2 π 1 a π= aR2ρ 16 ł (cid:246) (cid:231) Ł (cid:230) - - SCHLUMBERGER YÖNTEMİ 17 Rö C1 P1 P2 C2 I I r O Δr 18 Rö C1 P1 P2 C2 r Δr φ 1P = ρI 2 π 1 r Δ 2 r 1 r Δ 2 + r φ 2P = ρI 2 π 1 r Δ 2 + r 1 r Δ 2 r = φU 1P φ 2P = ρI 2 π r 1 r Δ 2 1 r Δ 2 + r 1 r Δ 2 + r + r 1 r Δ 2 19 (cid:247) (cid:247) (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - (cid:247) (cid:247) (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - - - - (cid:247) (cid:247) (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - = R ρ 2 π P1P2 £ C1C2 10 rΔ = R ρ 2 r2 π 1 r2 Δ 2 r Δ 2 r4 + r2 Δ r Δ + r2r 2 r 2 Δ 4 r r 5 olması koşuluyla, ρ π= 2 r r Δ R 20 (cid:247) (cid:247) (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - (cid:247) (cid:247) (cid:247) (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) (cid:231) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) Ł (cid:230) £ DİPOL-DİPOL YÖNTEMİ 21 Rö C1 P1 P2 C2 I nx x I x C1 C2 P1 P2 22 Rö C1 P1 P2 C2 I x I nx x φ 1P = ρI 2 π 1 + x)1n( 1 nx φ 2P = ρI 2 π 1 + x)2n( 1 + x)1n( = φU 1P φ 2P = ρI 2 π 1 + x)1n( 1 nx 1 + x)2n( + 1 + x)1n( 23 (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - - 2 n + = R ρ 2 π 2 nn2 2 n2n3 + x)2n)(1n(n + 2 + nn + n2 ρ = π xR)2n)(1n(n + + 24 (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - - - - TEK ELEKTROT-DİPOL YÖNTEMİ 25 Rö C1 P1 P2 C2 I I nx x 26 ¥ φ 1P = ρI 2 π 0 1 nx φ 2P = ρI 2 π 0 1 + x)1n( = φU 1P φ 2P = ρI 2 π 1 nx + 1 + x)1n( = R ρ 2 π + n1n + x)1n(n xR)1n(n2ρ = π + 27 (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - Önceki yansılardaki ifadeler ortamın homojen karakterli (r sabit) ve ölçüm kazıklarının yarım küre olarak kabul edilmesiyle çıkarılmıştır. Ama gerçekte yer homojen değildir. Bu bakımdan hesaplanan özdirenç, görünür özdirenç (GÖ) olarak adlandırılır. GÖ yer içindeki jeolojik yapıya ve ve bu yapının özdirencine bağlıdır. Bu tanımdan hareketle, ancak ortam homojen ve yarı sonsuz ise GÖ ile ortam özdirenci eşit olabilir. Katmanlı durumlarda (gerçekte durum çoğunlukla böyledir) ise, her bir katmanın özdirenci birbirinden farklıdır. 28 Katman sayısına göre çeşitli problemlerle karşı karşıya kalınır. Yarı sonsuz tek katman problemi en basit hal olmakla beraber çoğu kez ihtiyaçlarımıza cevap vermez. OG trafo merkezlerinin bulunduğu yerlerin toprak özdirencinin bulunması için 2 katman modeli iyi bir tercih olabilir. Büyük şalt merkezlerinde ise 3 katman modeli yeğlenmelidir. n-katman problemi Stefanescu tarafından çözülmüş olmakla birlikte, elektrik mühendisliği pratiğinde pek kullanılmaz. n- katman problemi genellikle jeofizikçileri ilgilendiren bir konudur. 29 Hava Yeryüzü ρ sabit h 8 ρ1 ρ2 Hava Yeryüzü Hava Yeryüzü h1 h2 8 ρ1 ρ2 ρ3 h1 h2 h3 hn ρ1 ρ2 ρ3 . . . . . ρn Hava Yeryüzü 30 2 KATMAN MODELİ İki katmanın özdirençleri farkının özdirençleri toplamına oranı yansıma faktörü olarak tanımlanır ve K ile gösterilir. K = 2 ρ ρ + 2 ρ 1 ρ 1 ρ2=ρ1 durumunda K=0; alt katman mükemmel yalıtkansa K=1, üst katman mükemmel yalıtkansa K= -1 olur. Bu durumda –1>r kabulü ile rx x φ 1P = φ 2P = ρI 2 π ρI 2 π 1 r 1 y 1 x 1 z = φU 1P φ 2P = ρI 2 π 1 r 1 x + 1 y 1 z 62 (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - - @ - = R = U I ρ 2 π 1 r 1 x + 1 y 1 z = Rö ρ r2 π 1 r x + r y r z = R ö 1R g r x + r y r z 63 (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - R ö = R g 1 r x + r y r z =(cid:247) 1 r x 1 x + r y r z = 0 r + 1 y 1 z = 0 1 x + 1 x + 1 y 1 z =(cid:247) 0 = 1 y 1 z 64 (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - (cid:222) - - (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - - - - + 1 x 1 y = 1 z = z xy + yx 2 z = 2 x + 2 y xy2 cos θ P2 z y C2 r θ x T (C1,P1) 2 xy + yx cos θ = = 2 x + 2 y xy2 cos θ + ξ 2 1 2 ξ 1 1 ++ ξ 2 2 ξ ξ= x y 65 - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - (cid:247) (cid:247) ł (cid:246) (cid:231) (cid:231) Ł (cid:230) - cosθ 1 0,875 θ=29 º b a 1 £ ξ 618,1 0,618 1 1,618 ξ a x 0,5x 29º 0,618x b a’ 66 £ Tekil elektrotlar ve küçük tesislerde %61,8 yöntemi uygulanırsa da, büyük tesislerde direnç eğrisi çıkartılarak, eğride orta bölümün eğimi saptanır, buna bağlı olarak gerçek direnci ölçmek için gerekli olan gerilim kazığı uzaklığı belirlenir. Bu arada akım kazığının tesis merkezine uzaklığı merkez çapının 5 katından az olmamalıdır. Büyük ve simetrik olmayan tesislerde 4 nokta yöntemi, kesişen doğrular yöntemi ve eğim yöntemi uygulanabilir. Çok büyük şalt tesislerinde akım ve gerilim kazıkları ters taraflara yerleştirilir. Bu tür yerlerde voltmetre-ampermetre ya da wattmetre-ampermetre yöntemleri yeğlenmelidir. Çok büyük tesislerde kullanılacak kablo bağlantılarının birbirine paralel olması nedeniyle açı yöntemi de kullanılabilir. Bu durumda x ve y arasındaki açı 60º’den küçük olamaz. 67 68 69 ÖLÇÜM SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 70 Yıldız noktası direnç üzerinden topraklanmış şebeke; Z = R I''k1 L1 L2 L3 71 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 I 1k = 3/ 34500 60 A300 Kablo çıkışlı 34,5 kV şebekelerdeki faz toprak kısa devre akımı ise = I 1k 34500 20 3/ 1000 A ile sınırlıdır. 72 @ ¢ ¢ @ ¢ ¢ Örnek: 154 kV 50 MVA 34,5 kV 2000 MVA 60 Ω 3 x PIGEON 10 km 3 x SWALLOW 1 km 3 x 95 mm2 XLPE 200 m 1000 kVA 34,5 kV 0,4 kV 154/34,5 kV merkezde sekonder tarafta yıldız noktası 60Ω dirençle topraklanmış olduğundan I''k1=300A ile 73 sınırlanmıştır. c b a V 1000 9 8 7 6 5 4 3 i m 2UTp 1 100 9 8 7 6 5 i l i r e g a m n u k o D 4 3 3 4 5 6 7 8 9 0,1 2 3 87654 9 1 2 Akım süresi t 3 87654 9 10 s YG` de sınırlı akım süreleri için izin verilen en yüksek dokunma gerilimleri a) Hayvanlardaki zamana bağımlı dokunma gerilimi b) Eski VDE 0141’deki dokunma gerilimi c) Yeni kabul edilen eğri 74 Hata süresi tF Topraklama gerilimi UE Tesislerin dış duvarlarında ve çitlerinde Tesislerin içinde Bina içi (dahili tip) tesis Bina dışı (harici tip) tesis M4.1 veya M4.2 tF>5 s tH 5 s UE 4UTp M1 veya M2 M3 UE>4UTp UE 4UTp UT UTp olduğunun ispatı M1 veya M2 M3 M4.2 M3 M4.2 UE>4UTp UE UTp olduğunun ispatı 75 £ £ £ £ £ 76 AG HAVA HATLARINDA FAZ-TOPRAK HATASI (FAZ KOPMASI) RT RB Rh A L1 L2 L3 PEN (N) RB: İşletme topraklaması direnci RE: L3 fazının toprağa temas direnci U0: Toprağa göre anma a.a. gerilimi etkin değeri 77 Eşdeğer devre: 0 RB U0 RT RH A RE Ih 78 RT ve RH dirençleri ihmal edilirse U 0 + R U 0 + R IR HB I h U R R = = B B = E B R R UB V50 Madde 3.7 gereği R R B UR 0B U 0 50 U 0 50 U 0 + R R R R R 50 1 + R + E E E B B E 1 B 1 50 B B E R U 0 50 50 B R + R E B U 0 50 R R E B 50 ETTY s.17 R R B E U 0 50 79 £ £ ‡ fi ‡ - ‡ fi - ‡ fi ‡ - £ 380/220 V şebekede U0=220 V R R B E 50 220 50 R R B E 50 170 R R B E 294,0 R R E B 1 294,0 R R E B 4,3 R E R.4,3 B 80 £ fi £ fi - £ ‡ fi ‡ fi ‡ L3 0 2 X X L1 2 = 220 V250 X 50 V 220 V L2 + 50 2 .2 220 .50. cos 120 81 @ - L uzunlukta, d çaplı silindirik topraklayıcının yayılma direnci ETTY s.88 Şekil T-7’nin altında R ρ= L π ln L2 D şeklinde verilmiştir. d (mm) 5,58 6,60 7,41 8,34 9,36 10,50 11,79 Rose Lily Iris Pansy Popy Aster Pholox ln 40.2 d 9,57 9,40 9,29 9,17 9,05 8,93 8,82 1 π ln 40.2 d 3,05 2,99 2,95 2,92 2,88 2,84 2,81 Ort.3 82 L=1 m = RE ρ 1. π ln 1.2 0086 ,0 = 73,1 ρ L=10 m = RE ρ 10. π ln 10.2 0086 ,0 = 25,0 ρ L=40 m RE 3 ρ» L RE ρ075,0 83 » L (m) ρ (Ωm) RE (Ω) 1 10 40 100 100 100 173 25 7,5 O halde yönetmeliğin dayattığı en küçük temas direnci yaklaşık 40 m iletken uzunluğunda gerçekleşir. 84 R ‡ E R4,3 B RE ρ075,0 R minE ρ075,0 R.4,3ρ075,0 B ρ 4,3 075,0 ρ ‡ R B BR.45 RB (Ω) 0,1 1 2 )m(Ωρ 5,4ρ ‡ ρ ‡ ρ ‡ 45 90 85 @ ‡ ‡ (cid:222) ‡ NÖTR KOPMASI RB1 P P P+ΔP L1 L2 L3 PEN (N) RB2 In P Δ= U 0P =Δ U nötr = R nh P Δ = U r l nh P Δ U ise Unötr = 0 86 RB1 L1 L2 L3 PEN (N) RB2 87 Eşdeğer devre: U0 RB1 I U 2 0 P Δ RB2 = I U 0 R 1B + R 2B + 2 U 0 P Δ = ( R.P Δ U.P Δ 0 + R 2B 1B ) + 2 U 0 U 2B = U.P.R Δ 2B 0 ) + + R 2B 1B ( R.P Δ fi=Δ U0P 2B 2 U 0 = 0 88 YG-AG SİSTEMLERİNDE TOPRAKLAMA TESİSLERİNİN BİRLEŞTİRİLMESİ 89 Madde 11 a) Bir yüksek gerilim tesisinde toprak hatası esnasında alçak gerilim sisteminin nötr veya PEN iletkeni, yüksek gerilim tesis sisteminin topraklama tesisleri ile aşağıdaki koşullar yerine getirilmek kaydıyla bağlanabilir. - Alçak gerilim şebekesinde veya tesis edilen tüketim tesislerinde tehlikeli dokunma gerilimleri ortaya çıkmaz ise (Çizelge 13) - Tüketim tesislerinde alçak gerilim cihazlarının gerilim dayanımının (işletme frekansındaki) yüksekliği alçak gerilim yıldız noktasında bir potansiyel yükselmesinin sonucu olarak Çizelge 13’te izin verilen değerleri aşmaz ise, 90 b) Bir yüksek gerilim tesisi, topraklama alanı içindeki alçak gerilim tüketicilerini besliyorsa; YG topraklama tesisleri içindeki tüm işletme ve koruma topraklamaları birleştirilmelidir. c) Yüksek gerilim topraklama tesisinin alanı dışındaki alçak gerilimli tesislerin beslenmesi: - Söz konusu yüksek gerilim topraklama tesisi global topraklama sistemine bağlanmış ise, - veya AG şebekesinde Çizelge 13’teki koşullar yerine getirilmiş ise, ortak topraklama tesisinin yapılması önerilir. 91 AG Sistem Tipi Hata Süresi TT TN t £ 5 s t > 5 s PEN sadece TM’de topraklı PEN bir çok noktada topraklı Ortak topraklama koşulları Dokunma Gerilimi Zorlanma Gerilimi Uygulanmaz UE £ UE £ 1200 V 250 V UE £ UTp UE £ 2.UTp Uygulanmaz 92 TEŞEKKÜR EDERİZ 93