Topraklama Çeşitleri Nelerdir?

Topraklama: Elektrik ile çalışan cihazların elektrik kaçağı tehlikesine karşı önlem olarak yapılır. Kaçak elektriğin bir iletkenle toprağa verilmesini sağlayan basit bir sistemdir. Elektrik tesislerinin ve tesisatların, gerilim altında olmayan tüm kısımların toprak içerisine elektrot ile bağlanmasıdır.

Topraklamanın amacı işletme ve insanların can güvenliğini sağlamaktır. Elektrik cihazlarının zarar görmesini önlemek ve sistem toprak katsayısı değerinin 0,8 ve daha da aşağıya düşmemesi için yapılır. Oluşabilecek fazla elektrik yükü direnci çok az olan toprak hattı üzerinden toprağa verilecektir. Böylece cihaza dokunan kişilerin hayati tehlikesi ortadan kalkmış olacaktır. Topraklama insan hayatı için büyük bir önem taşıdığından dolayı, topraklama kanuni bir zorunluluktur.

Tesislerde kullanılan en önemli topraklamalar;

1. Koruma topraklaması
2. İşletme topraklaması
3. Fonksiyon topraklaması
4. Yıldırım topraklaması

Koruma Topraklaması

İşletme tesislerinde dokunma gerilimine karşı korumak için aktif olmayan kısımların topraklanmasıdır. Koruma topraklaması alçak gerilim işletmelerinde temas gerilimine karşı korunma sağlamak için yapılır.  Yüksek gerilim tesislerinde ise temas ve adım gerilimlerine karşı korumak için yapılan tek yöntemdir. Alman VDE yönetmeliklerine göre topraklama tesisleri şu şekilde yapılmalıdır;

• Yıldız noktası yatılmış veya kompanzasyon bobini üzerinden topraklanmış olmalıdır. Şebekelerde temel gerilimi 65 V’ un üzerine çıkmamalıdır.
• Yıldız noktası sürekli veya geçici olarak küçük değerli bir direnç üzerinden topraklanır. Şebekelerde temas gerilimi değerlerin üzerine çıkmamalıdır.

Metal çitler, tanklar, yürüyen merdivenler… İnsanların temas etmesi beklenen bütün metal yüzeyler koruma topraklaması yapılır.

İşletme Topraklaması

Elektrik tesislerinde işletme akım devresinin topraklanmasına işletme topraklaması denir. Tesislerin ve cihazların normal işletmeleri için bu topraklama gereklidir. Alçak gerilim şebekelerinde, trafoların sıfır noktalarının topraklanması ile yapılır. Doğru akım tesislerinde ise bir kutbun veya orta iletkenin topraklanması ile yapılır. Böylece sistemde, toprağa karşı oluşabilecek gerilimin belirli değerleri geçmemesi sağlanır. Orta gerilim ve yüksek gerilim şebekelerinde işletme topraklaması her ülkenin kendi yönetmeliğine göre değişir.

Ülkemizde orta gerilim şebekeleri direnç üzerinden topraklanır. Yüksek gerilim şebekeleri ise doğrudan topraklanır. Bir işletmede trafoya şebekeden 3 faz 1 nötr gelir. Şebekeden gelen voltaj, trafo ile düşürülerek alıcılara aktarılır. Trafonun yıldız noktası bakır çubuk veya bakır levha ile topraklama yapılmış olan kabloya bağlanır. Şebekeden gelen nötr hattı da bu yıldız noktasına bağlanır. Yapılan bu işleme, işletme topraklaması denir. Transformatörlerde ve jeneratörlerde uygulanan topraklamadır.

İşletme topraklaması iki türlü yapılır;

• Direkt Topraklama

Bu durumda topraklama üzerinde topraklama empedansından başka hiç bir direnç bulunmaz. Örneğin şebekenin yıldız noktasının direkt topraklanması, bu tür bir topraklamadır.

• Endirekt Topraklama

Bu topraklama, ilave bir omik, endüktif ve kapasitif direnç üzerinden yapılır. İşletme akım devresinin toprağa karşı potansiyelinin belirli bir değerde bulundurulmasını sağlar.

İşletme topraklaması üzerinden arızasız durumda bile bir akım geçebilir. Hem alçak hem de yüksek gerilim tesislerinde yıldız noktasının topraklaması, bir  işletme topraklamasıdır. İşletme  topraklaması , işlev bakımından koruma topraklamasıyla yakından alakalıdır. Örneğin bir fazlı toprak temasında hata akımı, devresini işletme topraklaması üzerinden tamamlar. Bu arıza, bir fazlı kısa devreye dönüşür.

Alçak gerilim tesislerini besleyen akım kaynaklarının yıldız noktaları işletme  topraklaması üzerinden bağlanır.  Bunun toplam direncinin Ro küçük yada = 2 ohm olması istenir. Ro direnci üzerinden koruma hattı ve buna bağlı cisimlerin toprağa karşı gerilimi yükselir.

Fonksiyon Topraklaması

İşletmelerde elemanın yada bir iletişim tesisinin istenen fonksiyonu yerine getirmesi için yapılır. Fonksiyon topraklaması yıldırımdan korunma için yapılır. Zayıf akım aletlerinin ve raylı sistemlerin topraklanması fonksiyon topraklaması örneklerindendir.

Statik elektriğe karşı topraklama da yapılmaktadır. Elektronların atomlar arasında hareket etmesiyle ortaya çıkan enerjidir. Statik elektriğe en büyük örnek olarak yıldırım verilebilir. statik elektrik katının katıya, sıvının katıya veya iki sıvının birbirine sürtünmesi sonucu oluşur.

Bir işe yaramayan ve zaman zaman arklar şeklinde boşalan elektrik enerjisidir. Bu kontrolsüz güç, çok önemli bir yangın çıkış nedenidir. Endüstriyel ve ticari işlemlerde statik elektrik birçok yerde görülmektedir. Örneğin; transport işlerinde, konveyör bantlarında, kaplama işlemlerinde, örtme ve doldurma işlemleri gibi.

Yıldırım Topraklaması

Yıldırım, bulut ile yer arasındaki elektrik yüklerinin hızlı deşarj olma olayıdır. Yıldırımın oluşması, bir bulutun alt kısmındaki enerjinin yeterli seviyeye geldiğinde (10kv/cm²). Toprağa 5 doğru bir elektron demeti olarak harekete geçmesidir. Yıldırım düşmesinde gerilim altındaki iletkenlere atlamaları önlemek ve yıldırım akımını toprağa iletmek için yapılan topraklamadır.

Örneğin; hava hatlarının koruma iletkenleri, madeni veya beton direkler özel bir topraklayıcı üzerinden topraklanır. Buna yıldırım topraklaması denir. Yıldırım topraklaması da bir nevi koruma topraklamasıdır. Onun için iki topraklama birbirine bağlanır. Yıldırım topraklamasının amacı;

hem elektrik tesisine düşen yıldırımın neden olduğu aşırı gerilim dalgasının işletme araçlarına zarar vermeden toprağa iletilmesidir. Hem de binalara düşen yıldırımın insan hayatına zarar vermeden ve bir yangına neden olmadan toprağa atılmasıdır.

Yıldırımdan korunma dört ayrı şekilde yapılır.

Faraday Fafesi İle Yıldırımdan Korunma

Bu koruma sisteminde Franklın çubuğu sistemindeki gibi sistemler kullanılmaktadır. Franklın çubuğu paratoneri ile korunma; Bu korunma sisteminde şu malzemeler kullanılır.

• Yakalama çubuğu
•  İniş iletkeni
•  Topraklama tesisatı

Franklın Çubuğu İle Paratonerle Yıldırımdan Korunma

Bu tür korumada sivri ucun meydana getirdiği yakalama yöntemi kullanılır. Sivri uç, iniş iletkeni ile topraklama levhasına en kısa ve düz olarak indirilir ve bağlanır.

Franklın Yakalama Ucu

Çelik uçlu krom nikel kaplı ve pirinç üzeri krom nikel kaplı olarak imalatı yapılmaktadır. Franklın yakalama ucunun havadaki atmosferik olaylardan etkilenmemesi için pirinç tercih edilmelidir. Topraklama firmaları Franklın çubuklarını 20, 40, 50, 60cm lik boylarda imal etmektedir.

İniş İletkeni 

Radyoaktif paratoner ve Franklın çubuğu paratonerler de iniş iletkenleri aynıdır. Yıldırımın meydana getirdiği yüksek amperli (200 000 A)akımın akması durumunda iletken telin bir zarara uğramaması gerekir. İniş iletkeni ile paratoner topraklama arası birbirine bağlanmalıdır.

İniş iletkenleri 50mm² som bakır ve döşeneceği zeminden 5cm açıkta olmalıdır. Bakır iletkende ilave gerekirse ilaveler gümüş kaynak veya termo kaynak yapmalıdır. İniş iletkeni 90°’ den büyük kavislerin olmadan çekilmelidir. Ayrıca 1 metre mesafe içinde iki veya daha fazla köşeler olmamalıdır.

Topraklama Tesisatı

Franklın çubuklu paratoner. Faraday kafesli koruma ve radyoaktif paratoner topraklama tesisatı aynı kullanılır. Topraklama tesisatı çubuk veya düz levha bakırdan yapılır. Topraklama direnci maksimum 5 ohm olmalıdır.

Daha büyük olursa sisteme topraklama çubuğu veya levhası ilave edilir. Direncin limitler içinde olması sağlanır. İniş iletkeni topraklama çubuklarına gümüş kaynağı ile yapılmalıdır. Ayrıca çubuk sayısı birden fazla ise çubuklar arasındaki mesafe 5m den daha az olmamalıdır. Aradaki bağlantı iletkeninin 50mm² saf bakırdan olmalıdır.

Yakalama Ucu

Yakalama uçları olarak franklın çubuğu kullanılır. Binanın çatısına bu çubuklar dik olarak çatıyı kaplayacak şekilde aralıklarla dik olarak yerleştirilir.  Topraklama iletkenleri ile birbirlerine bağlanırlar.

İniş Tesisatı

Dik olarak binanın çatısına yerleştirilen franklın çubuğu 50mm² lik saf bakır olmalıdır. Bütün binayı kafes gibi üstten, yanlardan ve toprak altından saracak şekilde tesis edilmelidir. Bakır iletkenler kroşelerle döşenmeli ve hiçbir noktadan binaya temas etmemelidir.

Radyoaktif Paratoner İle Yıldırımdan Korunma

Radyoaktif paratoner ünitesi, iniş iletkeni, topraklama tesisatı, sistemleri kullanılmaktadır.

Enerji Nakil Hatlarının Yıldırımdan Korunması

Direklerin ve enerji nakil hattının üst tepesinden yıldırımdan korunma iletkeni geçmelidir. Enerji nakil hattındaki direklerden birine yıldırım düştüğü zaman direğin ortalama direncinin 50 ohm olduğunu düşünülürse direk üzerinde düşen gerilim ortalama olarak 800 KV olur. Direk üzerinde meydana gelen bu gerilimden faz hattına izolatörlerden atlama oluşur. Atlayan bu gerilim, enerjinin beslediği sistemlere hasar verir.

Enerji nakil hattının topraklamaları dikkatli yapılmalıdır. Ayrıca topraklama direncinin küçük olmasına dikkat edilmelidir. Bu direnç maksimum 10 ohm olmalıdır. Topraklama dirençleri 10 ohm olduğunda direk üzerinde oluşabilecek yaklaşık gerilim 475 KV civarındadır.

Enerji nakil hatlarında yıldırımdan korunma için iki yöntem uygulanır.

Paralel Koruyucu Yöntem

Bu yöntemde faz ile toprak arasına yüksek gerilimi kısa devre yapacak malzemeler konulur. Bunlar paralel bağlanmış gaz tüplerinden, metal oksit varistörlerden oluşur. Bu tür koruma yöntemiyle yüzde yüz koruma sağlanmayabilir. Bunların hatlara montajı kolay ve fiyatları ucuz olmasından dolayı sık olarak kullanılır.

Seri Koruyucu Yöntem

Koruyucu malzeme faz iletkenine seri bağlanır. Malzemenin içinde yıldırım enerjisini sınırlayan devre elamanları vardır. Enerji hattına seri 1mhz’ lik yüksek empedans değerinde bir bobin bağlanır. Yıldırım bu bobinden geçemez ve toprağa kısa devre yapılır. Yıldırımın bobinden geçen bölümleri de faz hatlarına bağlanan gerilim sınırlayıcı kontaktörler ile sistemlere erişmesi engellenir.

Kritik Açıklık

Paratoner topraklama iniş iletkeninin diğer iletkenler ile arasındaki mesafedir. (Elektrik tesisatı, zayıf akım tesisatı, telefon tesisatı vs.). Bu açıklık belirli bir değerden küçük tutulduğu zaman iki iletken arasında indüksiyon yolu ile aşırı gerilimler meydana gelebilir. Buda sisteme zarar verir. Kritik açıklık güvenilir bir uzaklığın altına getirilmelidir.

Birbirine Bağlanabilecek Olan Topraklamalarda

1 – Santrallerin, bağlama ve trafo istasyonlarının iç ihtiyaç tesisleri:

Yüksek ve 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 bağlanmaları için aşağıdaki şartların gerçekleşmesi gerekir.

• Ortaklaşa bir topraklayıcı tesisinde topraklayıcı gerilimi 65 V’ u aşmamalıdır.
• Yüksek gerilim istasyonu sanayi tesislerinin içinde yada kapalı bir binada bulunmalıdır.

3 – Yıldırım topraklaması, alçak gerilim tesislerinde hava hattına ait koruma iletkeni , trafo istasyonlarının ve bağlama tesislerinin topraklama tesisleri ile bağlanırlar. Ayrıca bina yıldırımlık tesislerinin koruma işletme topraklamaları ile bağlanmasına izin verilir.

Topraklama Nasıl Yapılır?

Toprak ile topraklama kablosu arasında kullanılan iletken farklılığı, topraklamada çok önemlidir. Bu sebepten, topraklama modeli her zaman iletkene göre seçilir. Bu çeşitlerin birkaçı aşağıdaki gibidir:

Kaz Ayağı Şeklinde Topraklama

Kaz ayağı şeklinde topraklama, topraklama iletkeni boyu 25 metrelik ve 30 . 2 yada 30 . 3 mm’ lik bakır şeritten yapılır.

Topraklama şeridi üç kol şeklinde toprağın 80 cm derinliğine yelpaze biçiminde kazılan kanal içine yerleştirilir. Bu kaz ayağının uzun kolu 8-12 metre arasında ve bir ucundan kontrol klemensiyle desteklenmelidir. Diğer iki kolun boyu da 6-9 metre olmalı, uzun kola özel kaz ayağı klemensiyle bağlanmalıdır.

Yıldız Topraklayıcılar

Işın dağılımı düzgün ve komşu iki ışının açıları 60° küçük olmamalıdır. Işınların birbirlerini etkilemeleri sonucu çok ışınlı yıldız topraklayıcılar da yayılma direnci artar. Bundan dolayı üç veya dört ışınlı yıldız topraklayıcılar kullanılır.

Halka Şeklinde

Bu tip topraklayıcılar 0,5 ile 1 m derinliğe gömülür. Binalarda, fabrikalarda ve trafo merkezlerinde topraklama direncinin düzeltilmesinde kullanılır.

Gözlü Şeklinde

Bu topraklayıcılar 0,5 ile 1 m derinliğe gömülerek santrallerde ve trafo merkezlerinde kullanılır.

Şerit Elektrod ile Yapılan Topraklama Tesisatı

Bu yöntemde iletken olarak bakır şerit kullanılır. Şerit yuvarlak ise çapı en az 8 mm, lama ise boyutları 25×2 mm. Uzunluğu en az 20 m olmalı ve şerit etrafındaki toprak elenmiş, tokmaklanmış, taşlı toprak ise çimlendirilmiş olmalıdır.

Metal Elektrodlarla Topraklama Tesisatı

Kare kesitli borular kullanılarak yapılır. Bu borular en az 6 mm kalınlığında, 1,5 m boyu da, 60×60 köşebent olmalıdır. Kare boruların aralarındaki uzaklık boylarından uzun olmalıdır.

Yer altı Su Boruları ile Topraklama Tesisatı

Elektrik iletkenliği uygun yer altı boruları ile yapılır. Bu borular en az 50 m uzunluğunda olmalı ve kesinlikle PVC kısımları olmamalıdır.

Bina İhata Elektrodu ile Topraklama Tesisatı

İzolasyonsuz bir iletkenle binanın çevresi tamamen sarılmalıdır. Bu iletkenin elektrodlarla (çubuk, levha, boru veya kazık) topraklanması şekilden uygulanır. Elektrodların arasında uzaklık en az 3 m olmalıdır.

Levha Elektrodu ile Topraklama Tesisatı

Bu yöntemde iletken olarak çubuk yerine levha kullanılır. Bu levhalar en az 1.5 mm bakır veya 3 mm galvaniz levha olmalı ve yüzey alanları en az 0.5 m² olmalıdır. Levhanın yüzeyine temas eden toprağın elenmiş olması, içinde kum veya kırılmış taş olmaması, eğer mümkünse ısıtılarak dökülmesi ve topraklaması.