Yüksek gerilim enerji nakil hatlarında koruma topraklaması direnç değeri en fazla ne olmalıdır?

ENH’larında hava koşullarının yol açtığı arızaların en büyük nedenlerinden birisi yıldırımlardır. Yıldırım  elektrik tesislerine isabet ederse yüksek darbeli gerilimlere yol açabilir. Fırtına bulutu ile yer arasında  iyonize bir kanal oluşarak kusursuz elektriksel bir bağlantıya yol açılır ve yıldırım oluşur.  Yıldırım, toprak ile hava arasındaki enerji deşarjıdır.

Serinin ilk yazısını olan "Yüksek gerilim tesislerinde topraklama nasıl yapılmalıdır?" makalesini okumak için bu linki tıklayabilirsiniz.

Şekil 1:Yıldırım darbesi ve zaman ilişkisi

Ölçülmüş yıldırım darbesi yaklaşık 1000-1100 µs’ler sürmekte simüle edilen turuncu eğride ise yıldırım deşarjında, 50kA.’lik yıldırım darbesi 0-10 µs‘lik sürede tepe değerine ulaşıyor ve 10-350 µs ‘lik zaman diliminde yarı değerine doğru düşmektedir.

                                                         Şekil 2:Enerji Nakil Hatlarına yıldırım  düşmesi 
 

Çizelge 1- Toprak iletkeni bulunan hava hattı direklerinde direkten geçen yıldırım akımları

Yıldırımın ENH direklerine  isabet etmesi

Esas itibarı ile tüm YG ve transformatör direklerinde koruma topraklaması mevcuttur ve yıldırım için ayrıca bir topraklama yapmaya gerek yoktur. Yıldırım direk üzerine düştüğünde, yıldırım akımı direk ve  koruma topraklaması üzerinden toprağa akar.  Direğin o sıradaki topraklama direncine bağlı olarak direk üzerinde çok yüksek bir gerilim oluşur.

Oluşan bu gerilim darbe gerilimi olarak adlandırılır. Bu gerilim YG (36kV) izolatörlerinin darbe dayanma gerilimi olan 170kV’dan daha büyük bir değere  ulaştığında geri (tepme) atlama yaparak direk üzerinden  iletkenlere atlarve bu sırada izolatörlerin de hasarlanmasına yol açar. Bu sırada hat enerjili olduğundan kaybolan izolasyon nedeni ile kaynağa doğru topraktan bir akım akmaya başlar. Bu akım ENH başlarındaki toprak koruma röleleri sayesinde arıza algılanır ve kesicilere açma kumandası gönderilir, arıza daha büyümeden enerji kesilir. Çoğu zaman  arızalanan  izolatörü değiştirmek için hangi direkte/direklerde  olduğunu tesbit etmek bile saattler-günler alabilir.

İzolatörlerin izolasyon özelliğinin kaybolmasının önüne geçmek için direklerin koruma topraklama direncinin bu geri atlamayı önleyecek direnç değerine  düşürülmesi gerekir.

• ENH  direklerinde yayılma direnci Ud/Id>RA   ise bir gerilim atlaması söz konusu olmaz.
•  Ud=Havai hat izolalatörünün dayanabileceği yıldırım darbe gerilimi (kV), 36kV’da; Ud=170kV(kuru ve hasarsız)
•  Id=Yıldırım akımının havai hat direğinden geçen tepe değeri(kA)’ dir. (hesap stasyoner bir akım değeri ile yapılan basit bir hesap şeklidir)
• Yıldırımların birçoğu 20kA in altındadır. Ancak hesaplamalarımızda daha emniyetli olması bakımından 30kA kullanılacaktır. Buna göre ENH’daki  izolatörlerin yıldırım darbe gerilimlerinden etkilenmemesi için  direklerin topraklama  direnci;
• 170kV/30kA  ≌ 5 ohm’dan büyük olmaması  gerektiği hesaplanmaktadır.

Yıldırımın enerji hat iletkenlerine isabet etmesi 

Bu durumda Yıldırım darbe akımı ikiye bölünerek hattın iki yönüne doğru yürüyen dalgalar biçiminde ışık hızında hareket eder. Yürüyen dalgalar ortaya çıkmalarına yol açan olaylara ve şebekenin yapısına bağlı olarak, genlikleri, işletme geriliminin birkaç katına ulaşabilen aşırı gerilimlerin oluşmasına yol açarlar. YG/AG transformatörlerine ulaşan yıldırım darbe akımı  buradaki parafudrlar üzerinden toprağa akar. 

Yıldırım darbe akımı Parafudrun taşıyabileceği akım değerinden fazla olduğunda parafudrun  hasarlanmasına  yol açar. Eğer parafudr  yoksa yıldırım akımı transformatörün YG sargılarında dinamik ve  elektriki zorlanmaya ve  transformatörlerin hasarlanmasına ve devreden çıkmasına  neden olur. Ayrıca YG sargılarında  meydana gelen aşırı gerilim AG tarafına da  geçer ve buradan da  AG şebekesine yayılır.

YG/AG dağıtım transformatörlerinde geçit izolatörlerine (buşinglere) ark boynuzları yerleştirilmekte ve bu şekilde transformatörlerin de aşırı gerilimlere karşı korunabileceği  varsayılmakta isede; 36kV’luk sistemde kullanılan aygıtlar için standart yıldırım darbe dayanma düzeyi, genel olarak 170kV’tur. Diğer taraftan bu aygıtların aşırı gerilimlere karşı korunmasında kullanılacak koruma aygıtlarının (parafudrların) artık gerilimlerinin, belirli koşullarda 120 kV’u aşmaması gerekmektedir. Diğer yandan, ark boynuzlarında, 30-36 kV’luk sistem için elektrot açıklığının 22 cm alınması gerektiği belirtilmektedir. Oysa, 22 cm açıklığa sahip ark boynuzlarında, pozitif darbede 170 kV, negatif darbede ise 180 kV üstündeki gerilimlerde atlama olmakta; diğer bir deyişle ark boynuzları bu gerilimlerden daha yüksek gerilimlerde çalışabilmektedirler.

  Resim 1: Transformatör buşingi-eklatörü

Ayrıca önemli bir diğer konu da, ark boynuzlarının gecikmeli çalışmalarıdır. Yukarıda kısaca açıklandığı gibi, yürüyen dalgaların yayılma hızları ve özellikle yıldırım darbe gerilimlerinin cephe dikliği de göz önüne alındığında, ark boynuzlarının, örneğin dağıtım transformatörleri gibi aygıtların güvenli bir şekilde korunmasında yeterli olamayacaktır.
Ark boynuzları, özellikle çok yüksek gerilim (154-380kV) iletim sistemi izolatörlerinde, aşırı gerilim kaynaklı bir atlama sonucunda oluşabilecek bir arkı, yüzeyden uzaklaştırarak, izolatörlerin hasar görmesini önlemek amacıyla kullanılırlar.

Yıldırım darbe akımı transformatörlere ulaşmadan YG enerji havai hatları ile yer altı kablolarının birbirine bağlı olduğu kablo başlıklarında ve yer altı kablo ek yerlerinde  izolasyonu bozarak  atlama ve  delinmelere de  neden  olabilecektir. Bu nedenledir ki  havai hat ile yer altı kablolarının birleştirildiği yerlerde  parafudr montajı yapılmalıdır. Parafudr topraklaması  direnci  direğin koruma topraklaması  ile birleştirilerek  5 ohm’un altında  olması sağlanmalıdır. Parafudrlar 5,10 kA darbe boşalma akımına  göre  yapılmaktadır. Atmosferik boşalmaların yoğun olduğu bölgelerde 10 kA (dağıtım hatları ve  bu hatlara bağlı YG kabloları,köy-ilçe-kasaba  dağıtım transformatörleri), yıldırım akımlarının seyrek oluştuğu  yerlerde 5 kA’lik parafudr  seçimi  uygun olmaktadır.

Çizelge 2-Parafudr Seçimi                    

Transformatör direklerinde parafudr  topraklaması ile koruma topraklaması birleştirilir ve  birlikte  topraklama  işlemi gerçekleştirilir. Aksi takdirde parafudr  üzerinden toprağa akan akımın toprakta  oluşturduğu gerilim halkası içerisinde kalan  koruma topraklaması üzerinde  bir miktar gerilim oluşur ve tehlikelere yol açabilir. İki ayrı (Koruma-Parafudr) topraklamanın yapılması topraklama direncinin azaltılamaması ve  maliyetinde  fazla  olmasına  neden olacaktır.

Serinin ilk yazısını olan "Yüksek gerilim tesislerinde topraklama nasıl yapılmalıdır?" makalesini okumak için bu linki tıklayabilirsiniz.

Yazar Hakkında

Nejat Cahit Gençer
Elektrik Mühendisi
[email protected]

1963 ANTALYA doğumlu , Yıldız Üniversitesi Elektrik Mühendisliği bölümünden 1984 yılında mezun olmuştur.1985 yılından beri çalıştığı TEDAŞ'tan 2011 yılında emekli olduktan sonra farklı şirketlerde görevler almıştır. EMO'da MİSEM kapsamında Elektrik Tesislerinde Topraklama konusunda 2009 yılından beri eğitim vermektedir. Elektrik Dağıtım Şirketlerinde bir dizi eğitimler vermiştir. Bu dağıtım şirketlerinde kendi soyadı ile anılan "GENÇER METODU" ile arıza bulma yöntemini anlatma imkanı bulmuştur. Bu metodun uygulanması sayesinde Alçak gerilim elekrik tesislerinde birçok kaza(ölüm-yaralanma) olmadan arızalar bulunarak giderilmiştir.