Dokunma ve adım gerilimleri bakımından rüzgar türbini topraklamasının üç boyutlu incelenmesi
Three dimensional analysis of wind turbine grounding in terms of touch and step voltages
Yazar: ÇAĞRI KÖKSAL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖMER GÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Rüzgar türbinleri = Wind turbines

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimle birlikte rüzgar türbinlerinin kullanım alanları genişlemiştir. Rüzgar türbinleri genellikle toprak özdirenci yüksek olan dağlık, yüksek alanlara yapılmaktadır. Rüzgar türbinlerinde ve rüzgar çiftliklerinde arıza akımları ve yıldırım akımlarına karşı canlıları ve türbin bileşenlerini korumak için topraklama sistemlerine ihtiyaçları vardır. 
Rüzgar çiftlikleri topraklama sistemleri geniş alanları kapsayan kompleks yapıdadır. Daha önceleri topraklama sistemleri basit yapıda sistemlerdi ve topraklama sistemi tasarımında sadece topraklama direncinin belirlenmesi yeterli sayılırdı. Fakat geniş alanlardaki topraklama sistemlerinde sadece topraklama direncinden bahsetmek yanlış sonuçlar ortaya koyabilir. Bu yüzden bu geniş alanlarda doğru topraklama sistemlerinin tasarlanması canlıların güvenliği açısından önemlidir.
Topraklama sisteminin iki önemli parametresi adım ve dokunma gerilimidir. Topraklama sistemleri tasarlanırken adım ve dokunma gerilimlerinin belirli sınırlar içerisinde kalması gerekmektedir. Adım ve dokunma gerilimleri topraklama sisteminin yapısına, toprak yapısına ve arıza akımına bağlıdır. 
Bu çalışmada, rüzgar türbini topraklaması CYMGRD topraklama ağı tasarım yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği ve IEEE Std. 80-2000 standartlarına uygun bir topraklama tasarımı sunulmuştur. İlkesi sonlu elemanlar yöntemine dayanan yazılım ile üç boyutlu topraklama sistemi tasarımı yapılmıştır.
Bu çalışmada önce bir türbin için temel topraklaması tasarımı yapılmıştır. Bu tasarımda topraklama verileri hem formüller hem de yazılım ile hesaplanarak incelenmiştir. Daha sonra topraklama ağı, boyutları ve şekli değiştirilerek farklı durumlar için incelenmiştir. Devamında rüzgar çiftlikleri topraklama sisteminde, rüzgar türbinleri değişik konfigürasyonlarda bağlanarak, dokunma ve adım gerilimleri ile topraklama dirençlerine etkileri incelenmiştir.

Abstract:
Two substantial parameters of grounding system design is touch and step voltages. According to IEEE 80-2000 standard for grounding design; touch and step voltages to be created in the event of a fault should be smaller than the highest touch and step voltages allowed. 
Empirical formula can accurately calculate the touch and step voltages and grounding resistance in fixed-depth symmetrical grounding grids established by horizontal conductors and vertical electrodes. Ground resistance and touch/step voltages of grounding grids buried in various depths in multi-layer soil and established by asymmetrical conductors and electrodes can be calculated more accurately with CYMGRD software.
Previous studies used models based on various geometric arrangements of wind turbine grounding system. However, all of them neglected to exactly model the electrodes used as foundation concrete reinforcement and model the grounding system electrodes as a number of simple horizontal electrodes arranged in square or ring shapes, while the effect of reinforcement bars is too much to be neglected.
In this study, a foundation grounding for a turbine was designed initially. Grounding data of this design were examined, calculating both by formula and the software. Later, grounding grid was examined for various situations, with its dimensions and shape altered. After these examinations; grounding resistance, soil layer resistivity, ground potential rise, reduction factor (Cs) and  touch/step voltages were calculated and compared amongst these situations.  Then, wind turbines were connected in wind farm grounding system in various configurations; and their effects on touch/step voltages and grounding resistance were examined.