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.