TOPRAKLAMA AĞLARININ ÜÇ BOYUTLU TASARIMI
Fikri Barış UZUNLAR
baris.uzunlar@tr.schneider-electric.com
Özcan KALENDERLİ
ozcan@elk.itu.edu.tr
İstanbul Teknik Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Fakültesi
Elektrik Mühendisliği Bölümü, İstanbul
ÖZET
Std
837-2002
standartlarına
Bu çalışma, IEEE Std 80-2000, IEEE Std 81-1983 ve
IEEE
uyumlu
topraklama sistemlerinin tasarımı ve analizi için bir
bilgisayar modeli
gelişmiş metodoloji
ve
sunmaktadır. Metodoloji ve bilgisayar programı
gerçek sistem ölçümleri ile doğrulanmıştır. Bilgisayar
algoritmasının doğruluğu topraklama modelinin ve
fiziksel düzenin gerçek saha koşullarına ne kadar iyi
yansıtıldığına bağlıdır. İzin verilen gerilim sınırları
ve en yüksek tahmini gerilim değerleri standartta
verilen deneysel formül kullanılarak hesaplanmıştır.
Adım, dokunma, ağ gerilimleri ve yüksek gerilimli
akım taşıyan bölgeler standartta verilen tavsiyelere
göre hesaplanmış ve aralarındaki
farklılıklar
incelenip açıklanmıştır. Mühendislik uygulamaları
için
tasarım ölçütlerinin
tanıtılması olanağının gerçekleştirilmesi amacıyla
benzetimler yapılmıştır. Kolay kullanım üstünlüğü ve
yerleşik tehlikeli nokta değerlendirme olanağıyla her
şekildeki mevcut ağların güçlendirilmesi ve yeni
ağların tasarımının en uygun hale getirilmesinde
mühendislere yardım etmek için tesis topraklama ağ
tasarım ve analiz modülü özellikle tasarlanmıştır.
yararlı bazı pratik
Anahtar sözcükler: Topraklama ağı, Dokunma
Gerilimi, Adım Gerilimi, Ağ Gerilimi.
1. GİRİŞ
transformatör merkezlerinde
Topraklama ağları, toprak içine gömülmüş , toprak
yüzeyine paralel olarak yerleştirilmiş, ağ oluşturacak
şekilde birbirine birleştirilmiş iletkenlerden oluşan,
geniş bir alanı kaplayan bir topraklayıcı türüdür. Enerji
ve
sistemlerinde,
potansiyel farklarının küçük olması istenen geniş
yapılarda ve yerlerde, topraklama direncini, adım ve
temas gerilimini küçük tutmak ve düzgün potansiyel
dağılımı sağlamak amacı ile kullanılırlar. Topraklama
ağlarının bu amaçlara uygun ve ekonomik tasarımı ve
analizi, bir mühendislik problemi oluşturmaktadır.
tasarım hesapları, genellikle
Topraklama ağlarının
deneyime,
formüller
(ampirik)
dayalı
görgüye
kullanılarak yapılmaktadır. Bu hesaplar, üç boyutlu
topraklayıcı koşullarını
incelemede,
toprak
ve
birçok
tanımlamada ve gerçeğe uygun çözümler elde etmede
yetersiz kalmakta, zor ve zaman alıcı olmaktadır.
Bir topraklama ağının tasarımında ağ boyutları ve
biçimi, göz sayısı, gömülme derinliği, toprağın özellikleri
gibi
değerlendirilmesi
parametrenin
gerekmektedir. Bunu gerçek bir topraklama ağı üzerinde
deney yaparak gerçekleştirmek hem zor hem de zaman
alıcı ve pahalı bir yoldur. Bunun kolay, kısa ve
ekonomik yolu, örneğin, ölçekli küçük modeller
üzerinde deney yapmak veya sayısal yöntemlerle
bilgisayarda gerçeğe uygun modeller üzerinde hesap
yapmaktır. Bu nedenle son yıllarda topraklama ağlarının
tasarım ve analizinin bilgisayarla yapılması gözdedir.
Bunun için de topraklama sistemlerinin tasarımında
gerçeğe uygun, daha doğru sonuçlar veren bilgisayar
algoritmalarına gerek duyulmaktadır. Bu amaçla yöntem
ve yazılım geliştirme çalışmaları yapılmakta, paket
programlar üretilmektedir.
Bu çalışmada da, ilkesi sonlu elemanlar yöntemine
dayanan bir topraklama ağı tasarım programı yardımıyla
yapılan üç boyutlu ağ
tasarımı, açıklamalı ve
uygulamalı olarak sunulmuştur.
2. AMAÇ VE HEDEFLER
Bu çalışmadaki temel amaçlar:
- Topraklama
sistemi
tasarımcılarının en verimli
tasarıma odaklanabilmeleri için gerekli ilkeleri içeren
uygun bir referans sağlamak,
- Dokunma ve adım gerilimlerini izin verilen güvenlik
sınırları içerisinde tutmak ve topraklama direncini
küçültmek,
- IEEE Std 80-2000 [1], IEEE Std 81-1983 [2] ve IEEE
Std 837-2002 [3] standartlarına uygun bir topraklama
tesisi tasarlamak,
- Arıza durumlarında elektrik şokuna maruz kalma
olasılığı bulunan personelin güvenliğini sağlamak,
- Topraklama sisteminde kullanılması gereken ağ
iletkenlerinin özelliklerini belirlemek,
- Tesis alanı,
topraklama kazıklarının sayısı, ağ
iletkeninin kesiti ve iletkenin gömülme derinliği gibi
etkenlerin
direncinin
hesaplanmasında etkisini gözlemlemek,
topraklama
tesisin
- Toprak gerilim yükselmesini (GPR) hesaplamak,
- İzin verilen en yüksek dokunma ve adım gerilimlerini
hesaplamak,
307
- Herhangi bir yön boyuncaki yüzey gerilim dağılımını
toprak gerilimi yükselmesinin bir oranı olarak
görüntülemek,
- Tüm tasarım ayrıntılarını içeren bir rapor sunmaktır.
3. TOPRAKLAMA AĞI TASARIM
YAZILIMI
Topraklama sistemlerinin modellenmesinde kullanılan
bilgisayar algoritmalarında aşağıdaki özellikler aranır:
- Topraklama iletkeni ve topraklama kazıklarının ayrı
birer eleman olarak modellenebilmesi,
- Her ayrı elemanın bir denklem kümesi olarak
tanımlanabilmesi,
- Toprağa akan toprak arıza akımının hesaplanması,
- İstenen herhangi bir noktada, yüzey potansiyelinin
hesaplanması istenir.
tanımlanmalıdır.
Topraklama tasarımının gerçekleştirilmesinde ilk olarak
proje ve çalışma
İkinci olarak,
kullanılacak
toprak modeli kararlaştırılmalıdır. Bu
aşamada IEEE Std 80-2000’de tanımlanmış, belirli bir
yüzey ve durum için izin verilen en yüksek adım ve
dokunma gerilimini içeren güvenlik değerlendirmesi
ise, bir elektrik
hesabı yapılır. Üçüncü aşamada
arıza
en kötü
tesisinde meydana gelebilecek
parametreleri hesaba katılarak iletkenlerin ve kazık gibi
elektrotların boyutları kararlaştırılmaktadır. Bir sonraki
aşamada, elektrik
iletkenin
gömülme derinliği ve fiziksel boyutları gibi sahanın
geometrik boyut ve biçim bilgileri girilmektedir. Son
olarak, tesis tasarımının istenilen güvenlik ölçütlerini
karşılayıp karşılamadığı doğrulanmaktadır. Potansiyel
dağılımı çizimi, dokunma ve adım gerilimlerinin
oluşturulmalıdır.
aşılmadığını
Güvenlik ölçütleri sağlanmadığında, ağ tasarımının
yeniden gözden geçirilmesi gerekir. Kabul edilebilir
sonuçlar elde edilene kadar yöntem üçüncü aşamadan
tekrarlanır. Bu çalışmada kullanılan yazılım aşağıdaki üç
ana modülden oluşmaktadır:
tesisinin koordinatları,
doğrulamak
üzere
Şekil 1. Toprak analiz modülü
1) Toprak modeli (bir tabakalı veya çok tabakalı),
2) Üst tabaka kalınlığı (m),
3) Üst tabaka özdirenci (ohm.m),
4) Alt tabaka kalınlığı (m),
5) Alt tabaka özdirenci (ohm.m),
6) Arıza süresi (s),
7) Vücut ağırlığı (kg).
B. Toprak lama Ağı Analiz Modülü
Sahanın elektriksel karakteristiklerinin ve kullanılacak
ağ iletkenlerinin özelliklerinin bulunduğu modüldür
(Şekil 2). Bu modülden aşağıdaki bilgiler girilir:
1) Tesis işletme gerilimi (V),
2) Toprak arıza akımı (A),
3) Topraklama kazık ve iletkenin adet ve
uzunlukları,
4) Toprak gerilim yükselmesi (GPR) (V),
5) Hesaplanan toprak direnci (ohm),
6) Eşdeğer empedans (ohm).
A. Toprak Analiz Modülü
Bu modülde benzetimi yapılacak sahanın topraklama
tasarımı
için gerekli, aşağıdaki parametreler yer
almaktadır (Şekil 1):
Şekil 2. Topraklama ağı analiz modülü
C. Üç Boyutlu Potansiyel Dağılımı Modülü
Bu modülde de, sonlu elemanlar yöntemiyle benzetim
sonucu bulunan potansiyel dağılımı üç boyutlu olarak
gözlenebilmektedir (Şekil 3).
308
Eğer a >> b ise (1) bağıntısından
(2)
yazılır. İzin verilen en yüksek dokunma ve adım
gerilimleri IEEE Std 80-2000 standardına uygun olarak
hesaplanır. Hesaplamanın amacı, yüksek dirençli yüzey
katmanı kullanılıp böylece
izin verilen dokunma
gerilimini de yüksek tutmaktır. Hesaplarda kullanılan
yüzey tabakasının azaltma katsayısı (Cs) aşağıdaki
formül ile hesaplanır:
(3)
Vücut ağırlığının 50 kg olması durumunda, sırasıyla,
dokunma ve adım gerilimleri:
(4)
(5)
Vücut ağırlığının 70 kg olması durumundaki dokunma
ve adım gerilimleri:
(6)
(7)
Yukarıdaki bağıntılarda kullanılan parametrelerden:
• ts saniye olarak şok süresini,
•
s ohm-metre olarak toprağın yüzey kısmındaki
malzemenin özdirencini,
• Cs yüksek dirençli yüzey malzemesi kullanımına ve
yansıma faktörü (K) ile üst katmanın kalınlığına (h)
bağlı azaltma katsayısını,
• hs yüksek dirençli yüzey malzemesinin kalınlığını,
•
yüksek dirençli yüzey malzemesinin altındaki
toprağın özdirencini
ifade etmektedir.
5. BENZETİMLER
Bu çalışmada elde edilen sonuçların doğrulanması
adına IEEE Std 80-2000 standardının Ek B kısmında
verilmiş olan örnekler referans alınmış ve karşılaştırmalı
tablolar ile ilgili grafikler kullanılmıştır. Tasarım bilgileri
Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1: Ağ tasarımında kullanılan tasarım bilgileri
Özellik
Değer
Şekil 3. Üç boyutlu potansiyel dağılımı modülü
4. TOPRAKLAMA AĞI TASARIM
YÖNTEMİ
Pratikteki toprak modellerine ulaşabilmek için yıllardır
birçok grafiksel ve analitik yaklaşımlar önerilmiştir [4-8,
10]. Değişik toprak özdirençli katmanlardan oluşan çok
tabakalı toprakların daha yaygın olmasından dolayı,
topraklama direnci ölçüm teknikleri çok katmanlı toprak
modeline göre kullanılmaktadır.
Tesis topraklamasının pratik yaklaşımında yıllardır,
sonsuz derinlik ve farklı dirençte alt katman ile sonlu
derinlikte üst katmandan oluşan iki tabakalı model
kullanılmıştır. Yazılım [9] her kazık çiftinin arasındaki
mesafenin (a) eşit olduğu Wenner dört kazıklı toprak
özdirenci ölçüm tekniğini desteklemektedir (Şekil 4). Bu
yönteme göre, dıştaki elektrotlardan, değeri ampermetre
ile ölçülen I akımı uygulanırken, içteki elektrotlar
arasında, uygulanan akımın
toprağın direncinde
yarattığı V gerilimi voltmetreyle ölçülür ve direnci
bulmak için ohm yasası uygulanır (R = V / I).
Şekil 4. Wenner dört kazık yöntemi
Ölçülen V ve I değerlerine, topraklama kazığının
boyuna (b) ve kazıklar arası uzaklığa (a) göre toprak
özdirenci ( ) aşağıdaki bağıntıyla bulunur:
(1)
309
2222421)/(4baabaaIVa)/(2IVa0,09(1/)120,09sssCh50(10001,5)0,116/dokunmasssECt50(10006,0)0,116/sadımssECt70(10001,5)0,157/dokunmasssECt70(10006,0)0,157/sadımssECt
Vücut ağırlığı
Çakıl taşının özdirenci
Çakıl taşı tabakasının kalınlığı
Arıza açma süresi
Toprak özdirenci
En yüksek arıza akımı IG,
X/R oranı
Arıza akımı IG
Ayrılma katsayısı Sf
İletkenin malzemesi
Ortam sıcaklığı
Ağ iletkeninin çapı
Ağın gömülme derinliği
70 kg
2500 Ω.m
0,102 m
0,50 s
400 Ω.m
6814 A, 16,2
3180 A
0,6
Sert çekilmiş bakır
40 C
0,01 m
0,5 m
D. Topraklama kazıkları olmayan kare ağ
Şekil 5’te topraklama kazıkları olmayan, 70 m x 70 m
boyutlarında, 9 x 9 gözden oluşan kare bir ağın üç
boyutlu çizimi görülmektedir. Tablo 2’de hem IEEE Std
80-2000 ile hem de bu çalışmada kullanılan yazılım ile
elde edilen sonuçlar karşılaştırma amacıyla bir arada
verilmiştir.
Şekil 6. Topraklama kazıkları olmayan kare ağ için
en yüksek ve gerçek dokunma gerilimleri
E. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ
Şekil 7’de topraklama kazıklı, 63 m x 84 m boyutlarında,
9 x 12 gözden oluşan dikdörtgen bir ağın üç boyutlu
çizimi görülmektedir.
Şekil 7’deki ağ için her iki yöntemle de elde edilen
sonuçlar Tablo 3’te verilmiştir.
Şekil 5. Topraklama kazıkları olmayan kare ağ
Tablo 2: Topraklama kazıkları olmayan kare ağ için
karşılaştırmalı sonuçlar tablosu
Özellik
İzin verilen en yüksek
dokunma gerilimi (V)
İzin verilen en yüksek adım
gerilimi (V)
Azaltma katsayısı CS
RG (
)
GPR (V)
IEEE Std
80-2000
838,20
Yazılım
840,55
2686
2696,10
0,740
2,780
5304,00
0,740
2,675
5105,61
Kazıksız, kare ağ için elde edilen Şekil 6’daki potansiyel
dağılımından,
sisteminin köşelerinde
dokunma geriliminin maksimum değerinin aşıldığını
gözlemlemek mümkündür.
topraklama
Şekil 7. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ
Tablo 3: Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ için
karşılaştırmalı sonuçlar tablosu
Özellik
İzin verilen en yüksek
dokunma gerilimi (V)
İzin verilen en yüksek
adım gerilimi (V)
Azaltma katsayısı CS
)
RG (
GPR (V)
IEEE Std
80-2000
838,20
Yazılım
840,55
2686
2696,10
0,740
2,620
4998,96
0,740
2,278
4348,00
Şekil 7’deki ağ için, kullanılan yazılım ile elde edilen
potansiyel dağılımı, Şekil 8’de gösterilmiştir. Yine
köşelerde potansiyel artışı gözlemlenmektedir.
310
Tablo 5: Eşit aralıklarla yerleştirilmiş topraklama kazıklı
ve iki tabakalı ağ için karşılaştırma tablosu
Özellik
İzin verilen en yüksek
dokunma gerilimi (V)
İzin verilen en yüksek
adım gerilimi (V)
Azaltma katsayısı CS
RG (
)
GPR (V)
IEEE Std
80-2000
838,20
Yazılım
840,55
2686
2696,10
0,740
2,740
4562,49
0,740
2,330
5227,92
Bu durumdan da gözlenebileceği üzere, topraklama
direnci düşük olarak elde edildikçe sonuçlar arasındaki
fark neredeyse önemsizdir. Şekil 9’daki ağ
için,
kullanılan yazılım ile elde edilen potansiyel dağılımı,
Şekil 10’daki gibi gözlemlenmektedir.
6. SONUÇ
Bilgisayar benzetimine dayalı analiz teknikleri henüz
pahalı olmakla birlikte bunların kullanımının ucuz ve
topraklama şebekesi düzenlenmesine yol
güvenli
açacağı açıktır. Yapılan parametrik analizlerin çok
tabakalı
içerecek biçimde
yenilenmesi gerekmektedir. Topraklama şebekesini
düzenleyen standartlar arasında uyumlulaştırmaya
ihtiyaç vardır.
toprak koşullarını da
Şekil 8. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ için en
yüksek ve gerçek dokunma gerilimleri
F. Eşit aralıklarla yerleştirilmiş topraklama kazıklı
ve iki tabakalı ağ
Pratikte birçok uygulamada kullanılan iki tabakalı
topraklama sistemlerinin benzetimlerini örneklemek
amacıyla, IEEE Std 80 standardının B.5 örneğinde,
Tablo 4’deki bilgilerle, Şekil 9’da gösterilen 60,96 m x
60,96 m boyutlarında, 4 x 4 gözlü benzetim
yapılmaktadır. Şekil 9’daki ağ için her iki yöntemle de
elde edilen sonuçlar Tablo 5’te verilmiştir.
Tablo 4: İki tabakalı ağ tasarımında kullanılan bilgiler
Özellik
Vücut ağırlığı
Çakıl taşının özdirenci
Çakıl tabakasının kalınlığı
Üst tabakanın özdirenci
Üst tabakanın kalınlığı
Alt tabakanın özdirenci
Ağ iletkeninin çapı
Ağın gömülme derinliği
Kazıkların uzunluğu
Kazık çapı
Arıza açma süresi
Toprak özdirenci
Arıza akımı IG
Değer
70 kg
2500 Ω.m
0,1 m
300 Ω.m
4,572 m
100 Ω.m
0,01 m
0,5 m
9,144 m
0,0127 m
0,50 s
400 Ω.m
1908 A
Şekil 10. Topraklama kazıklı dikdörtgen ağ için en
yüksek ve gerçek dokunma gerilimleri
KAYNAKLAR
[1] IEEE Std. 80-2000, IEEE Guide for Safety in AC
Substation Grounding, IEEE Standard Board, New
York, USA, 2000.
[2] IEEE Std. 81-1983, IEEE Guide for Measuring Earth
Resistivity, Ground Impedance and Earth Surface
Potentials of a Ground System, IEEE Standard
Board, New York, USA, 1983.
[3] IEEE Std. 837, IEEE Standard for Qualifying
in Substation
Permanent Connections Used
311
Şekil 9. Eşit aralıklarla yerleştirilmiş topraklama
kazıklı ve iki tabakalı ağ
Grounding, IEEE Standard Board, New York, USA,
2002.
[4] C. H. Lee, A. P. S. Meliopoulos, "Comparison of
touch and step voltages between IEEE Std. 80 and
IEC 479-1", IEE Proceedings on Generation,
Transmission and Distribution, Vol. 146, No. 6, pp.
593–601, 1999.
[5] H. Zhao, H. Griffiths, A. Haddad, A. Ainsley,
"Safety-limit curves for earthing system designs:
appraisal of standard recommendations ", IEE
Proceedings on Generation, Transmission and
Distribution, Vol. 152, No. 6, pp. 871–879, 2005.
[6] M. H. Hocaoğlu, A. T. Hocaoğlu, "Yüksek gerilim
standartlarının
tesisleri
karşılaştırılması", Elektrik, Elektronik, Bilgisayar
Mühendisliği 8. Ulusal Kongresi, Gaziantep, s. 395-
398, 1999.
topraklama
[7] L. M. Coa, "Comparative study between IEEE Std.
80-2000 and finite elements method application for
grounding systems analysis", Transmission &
Distribution Conference and Exposition, Latin
America, pp. 1-5, 2006.
[8] J. Ma, F. P. Dawalibi, R. D. Southey, "Effects of the
changes in IEEE Std. 80 on the design and
analysis of power system grounding", PowerCon
International Conference, Vol. 2, 974-979, 2002.
[9] CYMGRD, User Guide and Reference Manual,
Canada, 2006.
[10] S. Meliopoulos, Power System Grounding and
Transients, Marcel Dekker, New York, 1998.
312
Orijinal PDF dökümanını görüntüle
