Topraklama

Topraklama, elektrikli cihazların herhangi bir elektrik kaçağı tehlikesine karşı gövdelerinin bir iletkenle toprağa gömülü vaziyetteki "topraklama" sistemine bağlanması yöntemi. Böylece cihazda elektrik kaçağı varsa, dokunduğumuzda elektrik akımı bizim üzerimizden değil, direnci daha az olan toprak hattı üzerinden geçer ve çarpılma tehlikesi ortadan kalkmış olur.

Topraklamanın görevini yapabilmesi için cihazın gövdesinden toprağa kadar olan elektriksel direncin yeterince düşük olması gerekir. Topraklama iletkenlerinin direnci önemli bir direnç oluşturmaz. Asıl önemli direnç, toprak içinde gömülü bulunan topraklama iletkenlerinden toprağa geçiş direncidir. Toprağa geçiş direncini azaltabilmek için topraklama elektrotları derine gömülür, uzun tutulur ve iletkenliği daha fazla olan toprak bulunmaya çalışılır. Örnek olarak toprak altında ıslaklığın başladığı noktaya elektrotlar gömülür. Dünyanın kendisinin direnci pratikte sıfır kabul edilebildiği için dünyanın kendisi bir iletken görevi görür ve devreyi tamamlar.

Topraklama tesislerinde hayati önemi haiz olan temas ve adım gerilimi, üç boyutlu bir akım alanının kısımları olduğundan, bir topraklama tesisinin hesaplanması, elektrotekniğin zor problemleri arasındadır. Ayrıca toprağın özgül direncinin tayinindeki güvensizlik yüzünden, yapılan hesaplar sonucunda güvenilir değerlerin bulunması mümkün olmaz.

Yüksek gerilim tesislerinde insanları yüksek temas gerilimine karşı korumak için koruma topraklaması yapılır. Bunun için işletme akım devresine ait olmayan, fakat bir hata hâlinde gerilim altında kalabilen ve insanların temas edebileceği bütün cihaz ve tesis elemanlarının madeni kısımları, topraklama iletkeni üzerinden bir topraklayıcıya bağlanır.

Alçak gerilim tesislerinde temas gerilimine karşı koruma sağlamak için uygulanan çeşitli metotlar arasında koruma topraklaması da vardır. Fakat bunun çok iyi bir metot olmadığı ve çeşitli sakıncalarının olduğu açıklanmıştır. Buna karşılık yüksek gerilim tesislerinde tehlikeli temas ve adım gerilimlerine karşı koruma sağlamak için yegâne koruma metodu koruma topraklamasıdır. Koruma topraklaması yapılacak tesisin boyutlandırılması bakımından ana kriter temas gerilimi olduğundan Alman VDE yönetmeliklerine göre topraklama tesisleri o şekilde yapılmış olmalıdır.

Yıldız noktası sürekli veya geçici olarak küçük değerli bir direnç üzerinden topraklanan şebekelerde temas gerilimi şekilde verilen eğrideki değerlerin üzerine çıkmamalıdır.

Bu eğrinin her noktası için elektrik miktarının Q= 70 mAs değerini aşmaması şartı yerine getirilmiştir. Zira yapılan araştırmalara göre, ölümle sonuçlanan elektrik kazalarında bu elektrik miktarı tespit edilmediğinden, bu değer bir kriter olarak geçerlidir. Burada vücut direnci için en düşük değer olarak 1000 ohm kabul edilmiştir.

Elektrik tesislerinde işletme akım devresine ait bir noktanın topraklanmasına işletme topraklaması denir. Cihazların ve tesislerin normal işletmeleri için bu topraklama gerekir. İşletme topraklaması iki cinstir.

Direkt topraklama: Bu durumda topraklama üzerinde topraklama empedansından başka hiçbir direnç bulunmaz. Mesela şebekenin yıldız noktasının direkt topraklanması, bu cins topraklamadır.

Endirekt topraklama: Bu durumda topraklama, ilave bir ohmik, endüktif ve kapasitif direnç üzerinden yapılır. İşletme topraklaması, işletme akım devresinin toprağa karşı potansiyelinin belirli bir değerde bulundurulmasını sağlar.

Koruma topraklaması üzerinden yalnız bir hata sonucu bir akım geçtiği hâlde, işletme topraklaması üzerinden arızasız durumda dahi bir akım geçebilir. Hem alçak gerilim hem de yüksek gerilim tesislerinde yıldız noktasının topraklaması, bir işletme topraklamasıdır. İşletme topraklaması, fonksiyon bakımından koruma topraklaması ile yakından ilgilidir. Mesela, bir fazlı toprak temasında hata akımı devresini işletme topraklaması üzerinden tamamlayarak arıza, bir fazlı kısa devreye dönüşmektedir. Alçak gerilim tesislerini besleyen akım kaynaklarının yıldız noktaları genellikle bir işletme topraklaması üzerinden topraklanır. Bunun toplam direncinin Ro küçük veya = 2 ohm olması arzu edilir. Zira bir faz toprak kısa devresinde Ro direnci üzerinden koruma hattının ve buna bağlı cisimlerin toprağa karşı gerilimi yükselir. Topraklama ve yıldırımdan korunmak için alınan önlemler genel olarak TV verici ve aktarıcı istasyonlarının tesisi sırasında ikinci derecede önemsenen hususlar içinde yer alır. Ancak, istasyonların bulunduğu coğrafi koşullar ve enerji şartları nedeniyle topraklama hatasından ve yıldırımdan meydana gelen etkiler milyarlarca lira değerindeki tesis ve cihazlara büyük zararlar verir. Yaptığı tahribatın büyüklüğü ile doğru orantılı olarak uzun süreli yayın kesintilerine maruz kalınır.

Elektrik tesislerini yıldırıma karşı korumak için, parafudurların 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, hem elektrik tesislerine düşen bir yıldırımın sebep olduğu aşırı gerilim gerilim dalgasının işletme araçlarına zarar vermeden toprağa iletilmesi hem de binalara düşen yıldırımın, insan hayatına zarar vermeden ve bir yangına sebep olmadan toprağa atılarak zararsız hâle getirilmesidir.

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 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 gelişinin yapılan gözlemler ve incelemeler sonunda dört şekilde olduğunu ortaya koymaktadır.

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 tersi de 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 hâle 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 denir.

Yıldırımın oluşması, bir bulutun alt kısmındaki enerjinin yeterli seviyeye geldiği zaman (10 kV/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 mikrosaniye 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 sonunda 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 denir. Bu akım saniyenin milyonda biri mertebesinde aralıklarla art arda gerçekleşmesiyle tamamlanır.

Elektrostatik yük; Elektrik yüklü bulutun altında kalan yeryüzünün üstündeki tüm teçhizat, elektrostatik alana maruz kalır. Bu elektrostatik alan yerküreden yüksekliğe bağlı olarak değişmektedir. Örneğin topraktan 10 m yüksekte bulunan EN Hattı fırtına sırasında toprağa göre 100 ila 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 denir. Bu boşalma işlemi çok hızlı olduğundan (20 mikrosaniye) bu metaller üzerinde indüklenen gerilimler çok yüksek olmaktadır.

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

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 ve 60 cm'lik boylarda üretilmektedir.

İniş iletkeni; Radyoaktif paratoner ve Franklin çubuklu paratonerlerde iniş iletkenleri aynıdır. Yıldırımın oluşturduğu yüksek amperli (200.000 A) akımın akması hâlinde iletken telinin herhangi bir zarara uğramaması gerekmektedir. İniş iletkeni ile paratoner ve 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 çekilmelidir. Ayrıca bir metre mesafe içinde iki veya daha fazla köşenin olmamasına dikkat edilmelidir.

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 10 ohmdan 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 5m den daha az olmamasına ve aradaki bağlantı iletkeninin 50mm2 saf bakırdan olmasına dikkat edilmelidir.

Bu koruma tipi radyoaktif paratonerlerden önce kullanılmakta ise de yüksek yerlerdeki istasyon veya yerleşim yerlerinde radyoaktif paratonerle birlikte kullanılmaktadır. Faraday kafesli korumda istasyon binasının çatısının üzerine ve istasyonun kulesine muhtelif aralıklarla franklın çubukları cerleştirilerek iniş iletkenleri ile topraklama çubuklarına irtibatlandırılır. Şekil 1 de görüldüğü gibi.

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

İniş tesisatı; Dik olarak binanın çatısına yerleştirilen franklın çubukları 50mm2 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 ile korunma franklın çubuklu korunmaya benzemektedir. Aradaki tek farkı 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 1.5m 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.

Geleneksel yıldırımdan korunma metotlarının yeterli olmadığı TV ve radyo verici tesislerinde daha kompleks bir koruma gerekmektedir. Özellikle yüksek yapıların ve kulelerin yıldırımı daha çok çektiği düşünüldüğünde,bu tür bina ve kuleler normalde düşmeyecek olan yıldırımları tetikleyerek düşmesine neden olurlar. Dağlık bölgelerdeki kuleler ve binalar yıldırımı daha fazla çekerler. Yıldırım bulutlardaki yüksek potansiyellin toprağa boşalması işlemidir. Bu işlemin yavaş, yavaş ve sürekli olarak yapılması halinde bulutlardaki potansiyel azalacağından o bölgeye yıldırımın düşmesi engellenmiş olacaktır.

E.N. Hattındaki direklerden birine yıldırım düştüğünde direğin ortalama direncinin 50 ohm olduğunu varsayarsak direk üzerinde düşen gerilim yaklaşık olarak 800 KV olur. Direk üzerinde oluşan bu gerilimden faz hattına izolatörlerden atlama meydana gelir. Atlayan bu gerilimde enerjinin beslediği sistemlere zarar verir. Buradan da anlaşılacağı gibi E.N. Hattının topraklamalarının iyi yapılarak topraklama direncinin küçük olması sağlanmalıdır. Bu direncin maksimum 10 ohm olması gerekir. E.N. Hatları direklerinin topraklama dirençlerinin 10 ohm olması durumunda direk üzerinde oluşabilecek yaklaşık gerilim 475 KV mertebesindedir.

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.

Seri koruyucu yöntemi; Koruyucu malzeme faz iletkenine seri olarak bağlanır. Malzemenin içinde yıldırım enerjisini sınırlayan devre elamanları mevcuttur. Enerji hattına seri 1mhz e yüksek empedans gösterecek bir bobin bağlanır. Yıldırım bu bobinden geçemeyerek toprağa kısa devre edilir. Yıldırımın bobin den geçen kısımları da 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.

Statik topraklama; Türkiye'de fazla önemsenmeyen statik topraklama aslında elektronik cihazlar ve insan hayatı için önemlidir. Bina ve istasyonlardaki elektrik tesisatındaki arızalar nedeniyle binaya veya cihazlara kaçan elektriğin insanlara zarar vermeden toprağa boşalması için zorunlu olarak kullanılmalıdır.

Ayrıca bilgisayar ve vericiler gibi elektronik cihazların üzerinde biriken manyetik alanları toprağa boşaltmak için kullanılması zorunludur. TV verici istasyonlarında istasyonun bir köşesine topraklama barası yapılır istasyonda bulunan tüm cihazlar bu baraya bağlanır.

Televizyon ve Radyo İstasyonlarında Yıldırım ve Topraklama ile ilgili işlemler bir üste yer alan maket şekil içerisinde kalın çizgilerle belirtilmektedir. Anten, kulesindeki paratoner için yapılan topraklama bağımsızdır. Ancak anten kulesi, binanın ve cihazlara ait topraklama yapıldıktan sonra, topraklama baraları birleştirilir. Enerji hattı üzerinden gelebilecek yıldırımdan korunmak için gerilim sınırlayıcı kontaktörler bulundurulmalıdır. Anten kulesi tepesi üzerindeki ikaz ledlerinin bulunması yıldırımın çekmelerinde etkili bir faktördür. Bu amaçla led’i besleyen enerji hattı da yıldırımdan etkilenebilecektir. Bu hat üzerinde de koruyucu devrelerin bulundurulması koruma sağlayacaktır.

Bir tesiste koruma,işletme ve yıldırım topraklamaları bulunabilirler.Koruma ve işletme topraklamalarının bir kısmı alçak gerilim ve bir kısmı yüksek gerilim tesislerine ait olabilirleri. Bir tesiste bulunan bu çeşitli cins topraklamaların biri biri ile birleştirilmesi bazı faydalar sağladığı halde bazı Zaralarda yol açabilirler. 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 önlenmiş olur.Topraklamaların birleştirilmelerinden doğan sakıncaların başında tehlikeli potansiyel sürüklenmeleri gelir. Onun için, 65 V’dan daha büyük topraklayıcı gerilimlerinin baş göstermesi halinde, sıfır hatları, kablo mahfazaları, su boruları, demir yolu rayları veya çitler üzerinden topraklayıcı geriliminin müsaade edilmeyen büyük bir kısmının civara sürüklenip sürüklenmediğini ve çok büyük temas ve adım gerilimlerinin meydana gelip gelmediklerini kontrol etmek gerekir.

1) Santrallerin, bağlama ve transformatör istasyonlarının iç ihtiyaç tesisleri: Yüksek gerilim topraklama tesislerinin içinde bulunan ve yüksek gerilim tesisleri tarafından beslenen alçak gerilim tesislerinde bütün koruma ve işletme topraklamalarının birleştirilmeleri gerekir.

2) Bir yüksek gerilim topraklama tesisinin dışında bulanan alçak gerilim tesisleri: Böyle bir tesiste koruma ve işletme topraklamalarının birbirine bağlanabilmeleri için aşağıdaki şartların gerçekleşmesi gerekir.

3) Yıldırım topraklaması, alçak gerilimtesislerinde hava hattına ait koruma iletkeni, transformatör istasyonlarının ve bağlama tesislerinin topraklama tesisleri ile bağlanırlar. Ayrıca bina yıldırımlık tesislerinin koruma işletme topraklamaları ile bağlanmasına müsaade edilir.