fuat bölükbasi
Üye
- Katılım
- 24 Eyl 2007
- Mesajlar
- 185
- Puanları
- 6
YILDIRIM VE AŞIRI GERİLİMLERDEN KORUNMA SİSTEMLERİ HASARLAR VE ÖNLEYİCİ TEDBİRLER
Korunma ihtiyacının ortaya çıkmasında; maalesef teknolojik gelişmelerle ters orantılı bir süreç yaşanmaktadır.Bu cümleyi bir miktar açarsak teknolojik gelişmelere paralel olarak boyutları çok küçülen elektronik cihazların çalışma gerilimlerinin de daha küçük voltlar mertebesine inmesi :Tarihsel gelişim sırasına göre vakum tüplü lambalı cihazlardan transistörlü yapıya ve entegre devrelere geçiş sürecinde cihazların elektronik kartlarında kullanılan komponentlerin çalışma gerilimlerinin 3000V.lardan 24Voltlara ve 5V. DC gerilimlere doğru bir düşüş söz konusu olmaktadır.
Dolayıyla kaba denilebilecek elektronik yapılardan çok hassas yapılara doğru bir geçiş söz konusu olmuştur,ancak: Elektrik enerjisinin anahtarlanması anında; yük çeşidine bağlı olarak (endüktif yükler) oluşan gerilimlerin veya tabiat olaylarından: yıldırım deşarjlarında (200 kA.’ler) ; bu teknolojik gelişmeye paralel boyutlarda küçülmeler ya da indirimler söz konusu olmadığından sistemlerimizi ve ekipmanlarımızı bu olumsuz etkilerden korumak için gerekli koruma elemanları ile donatmak zorundayız.
Aşırı gerilimden korunma :
Hassas elektronik aletler için etkili koruma
Aşırı gerilimden korunma, son yıllarda önemi gittikçe artan bir konudur. Voltaj artışına karşı hassas olan pahalı elektronik gereçler yalnızca ofislerde ve fabrikalarda değil, artık evlerde de bulunmaktadır.
Son zamanlarda, hassas bilgi işlem, telekomünikasyon ve bilgisayar ağı, hiçbir şirketin ve kamu kuruluşunun vazgeçemeyeceği, dünya komünikasyon sisteminin yapısını oluşturmaktadır. Makineler ve seri üretim bantları elektronik olarak gözlenir ve kontrol edilir ve bir çok yaratıcı servisler bile artık bilgisayar yardımı olmaksızın hareket edememektedir.
Bunlarının tümünün ortak noktası, hepsinin elektrik enerjisine, yüksek ve düşük voltaj sistemlerine enerjinin sürekli teminine ihtiyaç duymalarıdır.
Aşırı gerilimden korunma sistemlerinin sahası ana dağıtım şebekesi korumasından hassas korumaya, veri hattı ve ölçüm ve kontrol sistemi korunmasından kıvılcım atlama aralığı izolasyonunu da kapsamaktadır. Merkezi veya dağıtılmış olarak tesis edilmektedir.
Teknolojik gelişmelere bağlı olarak interferans bağışıklığı azalmakta ve cihazlar ve komponentler üzerindeki risklere açıklıkta artış görülmektedir.
Aşırı gerilim darbelerinin sebepleri nelerdir?
Geçici Aşırı Gerilim:
Aşağıdaki grafikte gösterildiği üzere, düşük voltajlı tüketici networkündeki( şebekesinde ) en büyük voltaj tepe değeri, yıldırım boşalması ile meydana gelmektedir. Harici yıldırımdan korunma tesisatı ve ya düşük voltaj havai hat üzerine direkt yıldırım düşmesi durumundaki yıldırım geriliminin yüksek enerji miktarı genellikle bağlanmış yüklerin devre dışı kalmasına ve izolasyon hasarına sebep olur. Binalardaki tesisatlarda ve güç veya data hatlarındaki indüklenmiş voltaj artışı nominal çalışma geriliminin birkaç kat fazlasına da ulaşabilir.
Geçici Gerilimler : (Transient Voltage) grafik
Geçici Gerilim Dalgalanmaları mikro saniyeler mertebesinde kısa süreli olarak oluşan, olarak oluşan, ancak nominal gerilime göre çok yüksek genlik değerlerine ulaşabilen gerilimlerdir !
Anahtarlama (şalt hareketleri) sonucu oluşan aşırı gerilimler , yıldırım boşalmasında olduğu gibi yüksek voltaj artışına sebep olmaz fakat çok sık meydana gelmektedir ve tesisatın arızalanmasına sebep olabilir. Anahtarlama (şalt hareketleri), sonucu oluşan aşırı gerilimler, çalışma voltajının iki-üç katına çıkabilirken, yıldırım gerilimi nominal voltajın yirmi katına ulaşabilir ve çok büyük oranda enerji taşıyabilir. Arızalar genellikle daha sonra meydana gelir, çünkü daha küçük geçici gerilimlerin sebep olduğu hasarlar sonucu elektronik komponentlerin yaşlanması cihazlara zamanla zarar verir.
Düşük voltaj sistemleri, ölçüm ve kontrol sistemleri ve bilgisayar ağlarındaki yüksek gerilimlerin oluşmasında rol oynayan bir çok faktör vardır. Aşağıdaki dört kategori en büyük tehlikeye sebep olmaktadır.
1 A : Direkt yıldırım düşmesi (Galvenik Kuplaj)
Eğer yıldırım, harici yıldırım koruması (Faraday kafesi veya aktif paratoner sistemi ) bulunan binaya direkt olarak düşerse ya da çatıda bulunan ve yıldırım akımını taşıyabilen çatı anteni, uydu anteni gibi taşıyıcılara yıldırım düştüğünde, topraklama empedansındaki voltaj yükselmesi sonucunda ve koruyucu topraklama iletkeni yoluyla bina tesisatına ve bağlı aygıtlara yönelen yüksek kısmi yıldırım akımlarının gönderilmesi direk yıldırım darbesi etkisi olarak tanımlanır.
1 B : Yıldırım aynı zamanda, enerji hatlarına (düşük gerilim havai hatlar) ya da data hatlarına direkt olarak düşebilir (B) ve yüksek kısmi yıldırım akımlarını bina içine göndermesine sebep olur.
2 :Yakın mesafeye yıldırım düşmesi
Binanın kendisi yıldırım çarpmasına maruz kalmasa da, yakına düşen yıldırım bina tesisatında voltaj artışına sebep olabilir. Aşırı gerilim elektrik tesisatının kablo sistemine ve aygıta direkt olarak ya da endüktif yada kapasitif kuplaj yoluyla ulaşır. Kısmi yıldırım akımı toprak yoluyla topraklama tesisatını kuplajlayabilir ve önemli hasara sebep olur (direkt kuplaj) ya da yıldırım kanalıyla yayılan manyetik alandan kaynaklanan endüksiyon ile bina tesisatına aşırı gerilim darbeleri ulaşabilir. Özellikle binadaki uzun kapalı devre kablo tesisatı anten görevi yapar ve endüktif kuplajı destekler. Kapasitif kuplaja, iki nokta arasındaki (örnek olarak yıldırım kanalı ve elektrik iletkenleri arasında) yüksek potansiyel farklılık olan elektriksel alan sebep olur.
3:Mesafeli yıldırım düşmesi
Yıldırım birkaç yüz metre mesafeye düşse bile, binaların topraklama tesisatındaki direkt, endüktif ya da kapasitif kuplaj sonucunda, düşük voltaj ve data hatlarında büyük zararlara sebep olabilir. Bulutların içindeki yıldırım boşalması ile oluşan elektromanyetik alan bile voltaj artışını hatlara kuplajlayabilir.
4 : Anahtarlama sonucu oluşan aşırı gerilimler
Anahtarlama sonucu oluşan aşırı gerilimler,anahtar açma ve kapama operasyonları , endüktif ve kapasitif yüklerin anahtarlamasından ve kısa devre akımının kesilmesinden meydana gelir. Özellikle üretim tesislerinin, ışıklandırma sistemlerinin veya transformatör bağlantısının kesilmesi, yakında bulunan elektrikli aygıtların zarar görmesine neden olabilir.
YILDIRIMDAN KORUNMA:
Tabiat olaylarından, konumuz kapsamında ve hava şartlarının bir sonucu olan Yıldırım deşajlarını önleyecek derecede değiştirme kabiliyetine sahip cihazlar ve metotlar mevcut değildir. Yapılara veya yapıların yakınına ya da yapılara bağlı Enerji şebekesi,data ya da telekominikasyon hatları,dış aydınlatma sistemleri gibi hizmet tesisatlarına isabet eden yıldırımlar insanlar, yapılar, yapıların içindekiler ve hizmet tesisatları için tehlikelidir.
Bu tehlikelerden korunmak için aşağıda anacağımız standartlara bağlı kalarak çözümler önereceğiz.
CEN tarafından kabul edilen IEC 62305–1: 2006 standardı esas alınarak ve bazı teknik tanımlamalara değinerek devam edersek konuyu daha sağlam zemine oturtmuş olacağız. Bu standart Yapıların, bunların tesisatlarının, içindekilerin ve insanların,Yapılara bağlı hizmet tesisatlarının ,yıldırımdan korunmasında takip edilecek genel prensipleri kapsar. Bu standardın kapsamı aşağıdaki gibidir.
1- IEC 62305-1 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 1: Genel Prensipler (yayınlanma tarihi 2003)
2- IEC 62305-2 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 2: Risk Yönetimi (yayınlanma tarihi 2004)
3- IEC 62305-3 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 3: Fiziksel Zararlar ve Yaşam Tehlikesi (yayınlanma tarihi 2003)
4- IEC62305-4YıldırımaKarşıKorumaBölüm4:LEMP-GenelPrensipler (yayınlanma tarihi 2004)
5- IEC 62305-5 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 5: Giriş Hizmetleri
Not: Yukarıdaki standartların güncel halleriyle anlaşılması ve uygulamalarda dikkate alınması gerekmektedir.
Yıldırımdan korunma tesislerinden DIŞ YILDIRIMLIK tesisleri kurulurken yapı veya sistemler içinde EŞ POTANSİYEL SİSTEMİNİN kurulması son derece önemlidir.
Korunma tedbirleri
Korunma tedbirleri hasar tipine göre riski azaltacak şekilde seçilebilir.
Temas ve adım gerilimlerinden dolayı canlıların zarar görmesini azaltmak için uygulanacak tedbirler
- Açıktaki iletken kısımların yeterli derecede yalıtılması,
- Izgaralı topraklama sistemi ile eş potansiyel sağlanması,
- Fiziki kısıtlamalar ve uyarı levhaları.
Not 1 - Eş potansiyel sağlanması temas gerilimlerine karşı etkili değildir.
Not 2 - Yapının içindeki ve dışındaki zeminin yüzey rezistivitesinin artması ölüm tehlikesini azaltabilir (IEC 62305-3 Madde 8).
Fiziki hasarı azaltmak için uygulanacak tedbirler
Alınabilecek korunma tedbirleri aşağıdakileri içerir:
a) Yapılar için:
- Yıldırımdan korunma sistemi (LPS),
Açıklama 1 - Bir LPS monte edildiğinde yangın ve patlama tehlikesini ve ölüm tehlikesini azaltmak içi eş potansiyel sağlanması çok önemli bir tedbirdir. Daha fazla detay için IEC 62305-3’e bakılmalıdır.
Açıklama 2 - Yangına dayanıklı bölmeler, söndürücüler, yangın muslukları, yangın alarm ve söndürme tesisleri gibi yangının gelişmesini ve yayılmasını sınırlandıran tedbirler fiziki hasarı azaltabilir.
Açıklama 3 - Korunmalı kaçış yolları personel için korunma sağlar.
b) Hizmet tesisatları için:
- Ekranlama teli.
Açıklama 4 - Gömülü kablolar için metal kanallar çok etkili bir korunma sağlar.
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızasını azaltmak için uygulanacak tedbirler
Alınabilecek korunma tedbirleri aşağıdakileri içerir:
a) Yapılar için:
- Aşağıdakilerin tek tek veya birlikte kullanılmasından oluşan LEMP korunma tedbirleri sistemi (LMPS),
* Topraklama ve bağlantı sağlama tedbirleri,
* Manyetik ekranlama,
* Hat güzergâhı seçimi,
* Koordineli SPD korunması.
c) Hizmet tesisatları için:
- Hat boyunca farklı yerlerde ve hat sonunda parafodurlar (SPD),
- Kablolar için manyetik ekranlama.
Gömülü kablolar için yeterli kalınlıktaki sürekli metal ekran çok etkili bir korunma sağlar.
Güzergâh yedeklemesi, cihaz yedeklemesi, bağımsız jeneratörler, kesintisiz güç kaynakları, sıvı depolama sistemleri ve otomatik arıza tesbit sistemleri hizmet faaliyetinin kaybının azaltılması için çok etkili korunma tedbirleridir.
Cihazların ve kabloların yalıtımının dayanma gerilimlerinin yüksek olması aşırı gerilimlerden kaynaklanan arızlara karşı çok etkili bir korunma tedbiridir.
Korunma tedbirlerinin seçimi
En uygun korunma tedbirinin seçimi tasarımcı ve tesis sahibi tarafından her çeşit hasarın tipine ve tutarına göre yapılmalı, farklı korunma tedbirlerinin teknik ve ekonomik yönleri dikkate alınmalıdır.
Risk değerlendirmesi ve en uygun korunma tedbirlerinin seçimiyle ilgili kriterler IEC 62305-2’de verilmiştir.
Korunma tedbirlerinin etkili olabilmesi için ilgili standardlara uygun olması ve tesis edileceği yerde beklenen gerilmelere dayanabilmesi şarttır.
Bazı tanımlar;
Yıldırım darbesi
Yere isabet eden bir yıldırım çakmasının içindeki tek elektrik boşalması.
Elektrik sistemi:
Alçak gerilim güç kaynağı bileşenlerinin kullanıldığı sistem
Elektronik sistem:
Telekomünikasyon cihazları, bilgisayar, kontrol ve enstrümantasyon sistemleri, radyo sistemleri, güç elektroniği tesisleri gibi hassas elektronik bileşenlerin kullanıldığı sistem.
İç sistem
Bir yapı içindeki elektrikli ve elektronik sistemler.
Yıldırım elektromanyetik darbesi, LEMP
Yıldırım akımının elektromanyetik etkisi.LEMP ani darbe akımlarını ve yayılan darbe elektromanyetik alan etkilerini içerir.
Şok dalgası (surge)
Aşırı gerilim ve/veya aşırı akım olarak görülebilen, LEMP tarafından oluşturulan geçiş rejimi dalgası.
Açıklama : LEMP tarafından oluşturulan şok dalgası (kısmen) yıldırım akımlarından ve tesisat halkalarındaki endüksiyon etkilerinden meydana gelebilir ve SPD’nin akış yönüne göre aşağısında tehdit olarak kalabilir. SPD:Surge Protection Device :şok darbesinden (dalgası) koruyucu cihaz.
Düşme noktası :
Yıldırımın yere veya çıkıntı yapan bir nesneye (yapı, LPS, hizmet tesisatı, ağaç, vb) düştüğü nokta.
Açıklama:Bir yıldırım çakmasının birden fazla düşme noktası olabilir
Yıldırım akımı, i:
Düşme noktasında akan akım.
Tepe değeri, I :
Yıldırım akımının en yüksek değeri.
Kısa darbe akımının cephe süresi, T1
Tepe değerinin %10 ve %90 değerlerine ulaşılma zamanları arasındaki sürenin 1,25 katı olarak tarif edilen sanal parametre
Kısa darbe akımının yarı değerine olan süre, T2
Sanal orijin O1 ile akımın tepe değerinin yarısına indiği zaman arasındaki süre olarak tarif edilen sanal parametre
Çakma süresi, T
Düşme noktasında yıldırım akımının aktığı süre.
Çakma yükü, Qflash
Bütün yıldırım çakması süresi boyunca alınan yıldırım akımının zaman entegrali.
Özgül enerji, W/R
Bütün yıldırım çakması süresi boyunca alınan yıldırım akımının karesinin zaman entegrali
Açıklama: Bu, yıldırım akımının bir birim dirençte yaydığı enerjiyi temsil eder.
Kısa darbe akımının özgül enerjisi
Kısa darbe süresi boyunca alınan yıldırım akımının karesinin zaman entegrali
Açıklama: Uzun darbe akımının özgül enerjisi ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
Korunan nesne
Yıldırımın etkilerine karşı korunması amaçlanan yapı veya hizmet tesisatı.
Korunan yapı
Bu standarda uygun olarak yıldırımın etkilerine karşı korunması gereken yapı.
Bir yapı daha büyük başka bir yapının parçası olabilir.
Korunan hizmet tesisatı
Bu standarda uygun olarak yıldırımın etkilerine karşı korunması gereken yapıya bağlı hizmet tesisatı.
Fiziki hasar
Yıldırımın mekanik, ısıl, kimyasal ve patlama etkilerinden dolayı bir yapıya (veya içindekilere) veya bir hizmet tesisatına verilen hasar.
Canlıların zarar görmesi
Yıldırımın temas ve adım gerilimlerinden dolayı insanların ve hayvanların sağlığına verilen zarar (ölüm dahil).
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalanması
LEMP etkisinden dolayı elektrikli ve elektronik sistemlere verilen kalıcı hasar
Yıldırımdan korunma bölgesi, LPZ
Yıldırımın elektromanyetik çevresinin tarif edildiği bölge.
LPZ’nin sınırlarının fiziki sınırlar (duvarlar, yer döşemesi ve tavan gibi) olması gerekmez.
Yıldırımdan korunma seviyesi, LPL
Tabii olarak meydana gelen yıldırımda azami ve asgari tasarım değerlerinin aşılmaması ihtimaline ilişkin bir yıldırım akım parametreleri setiyle ilgili bir sayı.korunma seviyesi ilgili yıldırım akım parametreleri setine göre korunma tedbirlerinin tasarımını yapmak için kullanılır.
YıldırımdanKorunma tedbirleri
Riski azaltmak için korunması gereken nesnede alınması gereken tedbirler.
Yıldırımdan korunma sistemi, LPS
Bir yapıya yıldırım düşmesinden dolayı meydana gelebilecek fiziki hasarı azaltmak için kullanılan komple sistem.
Bu sistem iç ve dış yıldırımdan korunma sistemlerinden meydana gelir.
Dış yıldırımdan korunma sistemi
LPS’nin bir hava sonlandırma sistemi, bir iniş iletkeni sistemi ve bir toprak sonlandırma sisteminden meydana gelen bölümü.
İç yıldırımdan korunma sistemi
LPS’nin eşpotansiyel kuşak ve/veya dış LPS’nin elektrik yalıtımından meydana gelen bölümü.
Hava sonlandırma sistemi
LPS’nin çubuklar, ızgara iletkenler veya havai teller kullanılarak yıldırım çakmalarını yakalaması amaçlanan bölümü.
İniş iletkeni sistemi
LPS’nin yıldırım akımını hava sonlandırma sisteminden toprak sonlandırma sistemine iletmesi amaçlanan bölümü.
Toprak sonlandırma sistemi
LPS’nin yıldırım akımını toprağa iletmesi ve orada dağıtması amaçlanan bölümü.
Dış iletken parçalar
Borular, kablonun metal elemanları, madeni hava kanalları gibi korunması gereken binaya giren veya çıkan dışarıdaki metal nesneler. Bunlar yıldırım akımının bir kısmını taşıyabilir.
Yıldırım eşpotansiyel kuşağı
Yıldırım akımının sebep olduğu potansiyel farklarını azaltmak üzere, ayrı metal parçaların doğrudan iletken irtibatlar veya şok dalgası korunma cihazları üzerinden LPS’ye bağlanması.
Ekran teli
Bir hizmet tesisatına yıldırımdan dolayı gelecek fiziki hasarı azaltmak için kullanılan metal tel.
LEMP korunma tedbirleri sistemi, LMPS
LEMP’e karşı iç sistemlerin korunması için komple korunma sistemi.
Manyetik ekran
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalarını azaltmak üzere, korunması gereken nesneyi veya onun bir parçasını her yönden örten kapalı, metalik, ızgara benzeri veya sürekli ekran.
Şok dalgası korunma cihazı, SPD
Geçici rejim aşırı gerilimlerini sınırlandırması ve şok dalgası akımlarının yönünü değiştirmesi amaçlanan cihaz. Bu cihazın içinde en az bir adet doğrusal olmayan bir bileşen vardır.
Koordineli SPD korunması
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalarını azaltmak üzere uygun şekilde seçilen, koordine edilen ve yerleştirilen bir SPD seti.
Beyan darbe dayanma gerilimi, UW
İmalatçı tarafından teçhizata veya onun bir bölümüne tahsis edilen darbe dayanma gerilimi. Bu, yalıtımın aşırı gerilimlere karşı belirtilen dayanma kabiliyetinin özelliklerini verir.
standardın amaçları bakımından sadece canlı iletkenler ile toprak arasındaki dayanma gerilimi dikkate alınmıştır.
(IEC 60664–1:2002)
YILDIRIM DARBESİ VE ZAMAN İLİŞKİSİ:
Yukarıdaki grafikten anlaşılacağı gibi 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. Bu karakteristik B sınıfı karakteristikli (1.kademe) yıldırımdan korunma elemanlarının üretim yapılarında esas alınır. Yıldırım akımına dayanım özellikleri: 10-350 µs karakteristiğindeki deşarj akımı kapasitesi ile belirlenir.
Örneğin 3fazlı ve nötr toprak hatlarından oluşan TT ve TN-S enerji şebekelerinde AG hatları üzerinden gelebilecek 50kA’lik yıldırım darbesine dayanabilmek ve bu deşarjı gerçekleştirirken kendisinden sonraki sistemler yerine bu darbe akımını nötr ve topraklama sistemine göre yönlendirerek bu hasar verici enerjiyi sistemden ayıran B sınıfı koruma elemanları ve tali panolardaki varistör yapılı elemanlar ve nihayet son noktada cihaz öncesi koruma elemanları ile donatılmış tesis yapısını gösteren şemalar aşağıda yer almaktadır.
Aşağıdaki B sınıfı koruma elemanları kapalı bir yapı içersinde dizili karbondiskler şeklinde bir yapıya sahip olduklarından plazma püskürtmeden / Enerji Dağıtım panoları içersinde iyonizasyona yol açmadan deşarjlarını gerçekleştiren ürünlerdir.
Atlama aralıklı SPD’ler
Yıldırımın atlama aralıkları üzerinde sebep olduğu etkiler iki ana kategoriye ayrılabilir:
- Malzemenin ısınması, ergimesi ve buharlaşması ile atlama aralığı elektrodlarının erozyona uğraması:
Darbe akımının tepe değeri, yükü, süresi, özgül enerjisi ve yükselme hızı.
Darbe akımının tepe değeri; şok dalgasının şiddetini belirler. Dikkate alınacak sayısal değerler ilk darbeye ait olanlardır. Pozitif darbeleri dikkate alınmalıdır.
Yük: Arktaki enerji girişini tayin eder. Arktaki enerji bağlanma noktasındaki elektrod malzemesinin bir kısmını ısıtır, ergitir ve belki de buharlaştırır. Dikkate alınacak sayısal değerler yıldırım çakmasının tamamına ait olanlardır. Ancak, bir çok durumda güç kaynağı sisteminin konfigürasyonuna bağlı olarak (TN, TT veya IT) uzun süreli akımın yükü ihmal edilemeyebilir.
Darbe akımının devam süresi; elektrod kütlesine ısı transferini ve bundan kaynaklanan ergime cephesinin ilerlemesini belirler.
Akım darbesinin özgül enerjisi; arkın kendinden manyetik sıkışma durumunu ve elektrod yüzeyi ile ark arasındaki arayüzde oluşan elektrod plazma jetlerinin (önemli miktarda ergimiş metal püskürtebilir) fiziki durumunu kontrol eder. Dikkate alınacak sayısal değerler ilk darbeye ait olanlardır. Pozitif darbeleri dikkate alarak ihtiyatlı veriler elde edilebilir.
Not – Güç kaynağı sistemlerinde kullanılan atlama aralıkları için muhtemel güç frekansının akım genliğini takip etmesi önemli bir gerilme faktörü oluşturur ve bu husus dikkate alınmalıdır.
Metal oksit varistörlü SPD’ler
Yıldırımdan dolayı : Aşırı yükler metal oksit varistörlerin üzerinde deşarj kabiliyetini aşan miktarda enerjinin abzorbe edilmesinden kaynaklanır. Burada ele alınan aşırı enerji yıldırım gerilmesinin kendisiyle ilgilidir. Ancak, güç kaynağı sistemlerine monte edilen SPD’ler için yıldırım akımının akmasının durmasından hemen sonra güç sistemi tarafından cihaza enjekte edilen takip akımı SPD’nin ciddi şekilde arızalanmasında önemli bir rol oynayabilir. Son olarak, bir SPD dirençlerin volt-amper karakteristiklerinin negatif sıcaklık katsayısıyla ilgili olarak uygulanan gerilim altında ısıl kararsızlıktan dolayı ciddi hasara uğrayabilir.
Yük, metal oksit direnç bloklarına enerji girişini kontrol eder. Bunun için metal oksit direnç bloklarının artık gerilimlerinin sabit olduğu varsayılır. Dikkate alınacak sayısal değerler yıldırım çakmasına ait olanlardır.
Yukarıda belirtilen Atlama aralıklı SPD’ler için yıldırım akımı darbesi deşarjları esnasında plazma püskürtmesine neden olabileceği bu ürünleri kullanırken montaj yerinin sınırlayıcı etkisi ve kablo izolasyonu tutuşmalarına yol açabileceği riski gözardı edilmemelidir.
Benzer etki atlama aralıklı olmayan SPD’ler içinde şu şekilde ortaya çıkabilmektedir. SPD’nin Ana enerji Baralarına ,nötr ve toprak baralarına montajı için gerekli iletken bağlantı uzunluklarının aşılmasında da ortaya çıkmakta ve darbe akımının deşarjı anında bu kabloların uzunluğuna bağlı endüktans artımından kaynaklanan bir aşırı gerilim endüklenmesi ile emniyet mesafeleri az olan enerji baraları üzerinde de(Şalter giriş noktaları gibi ) atlama aralığı etkisi yaparak plazma üretilmesine sebebiyet verebilmektedir.Aynı şekilde izolasyon değerlerindeki düşme ve pano emniyetinin azalması,yangın riskleri oluşumu burada da yaşanmaktadır. Bu gibi durumlarda SPD’lerin önüne konan Önsigortalar bu tür olaylarda üzerlerinden yük akışı yaşanmadığı için algılayamayacaklar ve tesis güvenliği ana koldaki ana termik manyetik şalterlere emanet edilmiş olacaktır.Genel enerji sistemi dizaynında bu şalterlerin kesme kapasitelerinin bu tip deşarj akımlarını karşılayabilecek değerlerde ve toleranslı seçilmesi uygun olacaktır.
Yüksek performanslı spark gap’lerin (kıvıcım aralığı yada atlama aralığı ) yüksek deşarj kapasiteleri yıldırımdan korunma elemanları olarak kullanılmalarının nedenidir. Ancak,yüksek performanslı Spark gap’ler izleme akımlarını sönümlendirebilmektedir. Bir SPD’nin kalite performans oranı Trafo sonrasına nekadar yakın bağlanabileceği ile de ilgilidir. Çeşitli firmalara ait ürünler içinde Şebeke izleme akımı,ardçıl akım,FALLOW CURRENT değeri diğerlerine göre yüksek olan ürün Darbe akımından sonra şebeke geriliminin etkisi ile akmak isteyen bu akıma karşı koyabilme kabiliyeti en yüksek olan SPD yine bu ardçıl akım değeri en yüksek olarak dizayn ve imal edilmiş olanlarıdır. 3kA.……., ve ….25kA. Aralığındaki değerlere bakıldığında tabiki daha yüksek FALLOW CURRENT akımı değerine sahip olanlar Yıldırım Akımı Darbesi Deşarjı sonrasında işletme enerjisinin sürekliliğinin temini konusunda diğerlerine göre üstünlük sağlayacaklardır.
Simüle Edilmiş Yıldırım ve Gerilim Darbesi Arasındaki Fark…
B sınıfı spark gaplerden oluşan Sınıf 1 tipi SPD’ler Ana dağıtım panolarında tesis edilirler ve 10/350 karakteristiğine göre yıldırım akımlarını yakalayarak korumayı gerçekleştirirler. (Pembe eğri )
C sınıfı varistör kökenli Sınıf 2 tipi SPD’ler ise A.G. Şebekeden gelebilecek gerilim piklerini yakalamak , yakın yıldırım düşmelerinin oluşturduğu kapasitif ve magnetik kuplajlar sonucu tesisat loop’larında endüklenen gerilimlerin yakalanması pano içindeki şalt hareketi kaynaklı gerilim piklerinin yakalanmasında görev yapalar, 8/20 karakteristiğine haiz olarak işlevsellikleri belirlenmiştir.(Lacivert eğri )
Kısa darbe yükü, Qshort
Bir kısa darbedeki yıldırım akımının zaman entegrali.her iki eğrinin altındaki alanları karşılaştırırsak B sınıfı 10/350 µs ve C sınıfı 8/20 µs SPD’lerin Yıldırım Darbesine karşı üzerlerine alabildikleri YÜK miktarlarını da görmüş ve karşılaştırmış oluruz.
YILDIRIM VE AŞIRI GERİLİMLERDENVE ETKİLERİNDEN KORUNMADA İZLENECEK YOL:
1. Koruma Bölgelerinin Saptanması (Yıldırımdan Korunma Bölgeleri Kabulü)
2. Eş potansiyel Bağlantının kurulması
3. Ekranlama özelliklerinin dikkate alınarak eş potansiyel barasına bağlantıların temini
4. Koruma komponentlerinin (aşırı gerilim darbe koruyucuları), zone’lara göre tesis edilmesi
Yıldırımdan korunma bölgeleri (LPZ)
LPS, ekranlama telleri, manyetik ekranlar ve SPD gibi korunma tedbirleri yıldırımdan korunma bölgelerini (LPZ) belirler.
Korunma tedbirlerinin akış yönüne göre aşağı tarafında yer alan LPZ’ler akış yönüne göre yukarı tarafta yer alanlara göre LEMP’te önemli ölçüde azalma gösterir.
Yıldırım tehdidine göre aşağıdaki LPZ’ler tarif edilmiştir
LPZ OA Tehdidin doğrudan yıldırım çakması ve tam yıldırım manyetik alanından oluştuğu bölge. İç sistemler yıldırım şok dalgası akımının tamamına veya bir kısmına maruz kalabilir.
LPZ OB Doğrudan yıldırım çakmasından korunmuş olan fakat tehdidin tam yıldırım manyetik alanından oluştuğu bölge. İç sistemler yıldırım şok dalgası akımının bir kısmına maruz kalabilir.
LPZ 1 Şok dalgası akımının sınırlardaki akım bölünmesi ve SPD’ler yoluyla azaltıldığı bölge. Uzaysal ekranlama yıldırım manyetik alanını zayıflatabilir.
LPZ 2 Şok dalgası akımının sınırlardaki akım bölünmesi ve SPD’ler yoluyla daha fazla azaltıldığı bölge. İlave uzaysal ekranlama ile yıldırım manyetik alanı daha da fazla zayıflatılabilir.
LPZ 3 Bina içinde ekipman öncesi SPD’ler yoluyla korumanın maksimum uygulandığı bölge
Genel olarak bir korunma bölgesinin numarası ne kadar büyükse elektromanyetik ortam parametreleri o kadar düşüktür.
Korunma için genel bir kural olarak, korunması gereken nesne azaltılması gereken hasara (fiziki hasar, aşırı gerilimlerden dolayı elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalanması) yol açan gerilmelere dayanma kabiliyetiyle uyumlu elektromanyetik özelliklere sahip bir LPZ içinde olmalıdır.
Çoğu elektrikli ve elektronik sistemler ve cihazlar için dayanma seviyesi ile ilgili bilgiler imalatçıdan alınabilir. Bu sayede korunan cihazın izolasyon seviyesine bağlı olarak daha gerçekçi koruma ürünü seçimi yapmak mümkün olur.
*: Bazı tesislerde(GSM BAZ İSTASYONLARI) B ve C sınıfı yakalayıcılar arasında mesafe olması gerekenden çok kısa olabilir ( konteynır ölçekli tesisler) bu durumda elemanlar arası koordinasyonu sağlamak için ya kuplaj endüktansları kullanılır ya da B+C kombinasyonunu içeren kendinden koordineli B ve C sınıfı korumanın birlikte yapıldığı koruma setleri kullanmak tercih edilebilir. Aşağıdaki şekilde her üç şebeke şekli için de B ve C sınıfı elemanların oluşturduğu B+C koruma montaj şekilleri görülmektedir.
EŞ POTANSİYEL SİSTEMİNİN ÖNEMİ:
Tesislerin metal aksamlarında panolar,ayrık techiz edilmiş topraklama sistemleri arasında normalde çok küçük olan potansiyel farkları yıldırım düşmesi esnasında kilovolt değerlerine ulaşabileceğinden sistem içinde aşırı genlikte sirkülasyon akımlarının oluşmasına yol açarak tahrip edici elektrik elektronik ve hatta mekanik hasarlara yol açabilirler.
Eş potansiyel sisteminin tesis edilmesindeki amaç metal kısımların ve sistemlerin arasındaki potansiyel farklarını düşürmek böylece yıldırımın zarar vermesinden sistemleri korumaktır
Yukarıdaki şebeke tiplerinde EBB ile gösterilen eş potansiyel baraları ve bunlara bağlı Yeşil renkli hatlarla eş potansiyel oluşturma işlemi gerçekleştirilmiştir.
Yıldırım ve aşırı gerilimlerden korunma konusunda son bir söz söylemek gerekirse:
Aşırı gerilimlere ve yıldırım akımının etkilerine karşı korunmada başarının sırrı : Uygun dış yıldırımlık tesisinin kurulması, topraklamalar yönetmeliğine uygun tasarlanmış topraklama sistemine sahip ve doğru tasarlanarak tesis edilmiş bir eş potansiyel sistemine sahip yapıda veya işletmede yine yerleşim yerleri,tipleri,deşarj kapasiteleri doğru seçilmiş koruma elemanları ile donatılması durumunda mükemmel korumaya çok yaklaşılmış demektir.
Önceden kestirilemeyen Doğa olayları her zaman yeni standartların oluşmasına ve teknolojik sınırların zorlanmasına sebebiyet vereceğinden Yıldırım ve Aşırı gerilimlerden korunma teknikleri sürekli olarak gelişmelere açık bir konu olarak bizi peşinden sürüklemeye devam edecektir.
Saygılarımla,
SEFA ERSİN ÖZDEMİR
HESS ELEKTRİK ELEKTRONİK OTOMASYON SAN.VE TİC.LTD.ŞTİ.
Kaynaklar :
OBO BETTERMANN yıldırım ve aşırı gerilimlerden korunma eğitim notları:
Elektrik tesislerinde topraklamalar yönetmeliği 21.08.20001 :TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası
TSE : tst EN 62305-1 Yıldırımdan Korunma Bölüm 1: Genel Kurallar
IEC 60664-1:1992, Insulation coordination for equipment within low-voltage systems
IEC 61000-4-5:1995, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-5: Testing and measurement techniques – Surge immunity test
Berger K., Anderson R.B., Kröninger H., Parameters of lightning flashes. CIGRE Electra No 41 (1975)
Anderson R.B., Eriksson A.J., Lightning parameters for engineering application. CIGRE Electra No 69 (1980)
IEEE working group report, Estimating lightning performance of transmission lines II, 1992
IEC 61643-12:2002: Low-voltage surge protective devices – Part 12: Surge protective devices connected to low voltage power distribution systems – Selection and application principles
IEC 61643-1:2005, Low-voltage surge protective devices – Part 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems
Siemens Publication “Metallic oxide varistor SIOV”
Korunma ihtiyacının ortaya çıkmasında; maalesef teknolojik gelişmelerle ters orantılı bir süreç yaşanmaktadır.Bu cümleyi bir miktar açarsak teknolojik gelişmelere paralel olarak boyutları çok küçülen elektronik cihazların çalışma gerilimlerinin de daha küçük voltlar mertebesine inmesi :Tarihsel gelişim sırasına göre vakum tüplü lambalı cihazlardan transistörlü yapıya ve entegre devrelere geçiş sürecinde cihazların elektronik kartlarında kullanılan komponentlerin çalışma gerilimlerinin 3000V.lardan 24Voltlara ve 5V. DC gerilimlere doğru bir düşüş söz konusu olmaktadır.
Dolayıyla kaba denilebilecek elektronik yapılardan çok hassas yapılara doğru bir geçiş söz konusu olmuştur,ancak: Elektrik enerjisinin anahtarlanması anında; yük çeşidine bağlı olarak (endüktif yükler) oluşan gerilimlerin veya tabiat olaylarından: yıldırım deşarjlarında (200 kA.’ler) ; bu teknolojik gelişmeye paralel boyutlarda küçülmeler ya da indirimler söz konusu olmadığından sistemlerimizi ve ekipmanlarımızı bu olumsuz etkilerden korumak için gerekli koruma elemanları ile donatmak zorundayız.
Aşırı gerilimden korunma :
Hassas elektronik aletler için etkili koruma
Aşırı gerilimden korunma, son yıllarda önemi gittikçe artan bir konudur. Voltaj artışına karşı hassas olan pahalı elektronik gereçler yalnızca ofislerde ve fabrikalarda değil, artık evlerde de bulunmaktadır.
Son zamanlarda, hassas bilgi işlem, telekomünikasyon ve bilgisayar ağı, hiçbir şirketin ve kamu kuruluşunun vazgeçemeyeceği, dünya komünikasyon sisteminin yapısını oluşturmaktadır. Makineler ve seri üretim bantları elektronik olarak gözlenir ve kontrol edilir ve bir çok yaratıcı servisler bile artık bilgisayar yardımı olmaksızın hareket edememektedir.
Bunlarının tümünün ortak noktası, hepsinin elektrik enerjisine, yüksek ve düşük voltaj sistemlerine enerjinin sürekli teminine ihtiyaç duymalarıdır.
Aşırı gerilimden korunma sistemlerinin sahası ana dağıtım şebekesi korumasından hassas korumaya, veri hattı ve ölçüm ve kontrol sistemi korunmasından kıvılcım atlama aralığı izolasyonunu da kapsamaktadır. Merkezi veya dağıtılmış olarak tesis edilmektedir.
Teknolojik gelişmelere bağlı olarak interferans bağışıklığı azalmakta ve cihazlar ve komponentler üzerindeki risklere açıklıkta artış görülmektedir.
Aşırı gerilim darbelerinin sebepleri nelerdir?
Geçici Aşırı Gerilim:
Aşağıdaki grafikte gösterildiği üzere, düşük voltajlı tüketici networkündeki( şebekesinde ) en büyük voltaj tepe değeri, yıldırım boşalması ile meydana gelmektedir. Harici yıldırımdan korunma tesisatı ve ya düşük voltaj havai hat üzerine direkt yıldırım düşmesi durumundaki yıldırım geriliminin yüksek enerji miktarı genellikle bağlanmış yüklerin devre dışı kalmasına ve izolasyon hasarına sebep olur. Binalardaki tesisatlarda ve güç veya data hatlarındaki indüklenmiş voltaj artışı nominal çalışma geriliminin birkaç kat fazlasına da ulaşabilir.
Geçici Gerilimler : (Transient Voltage) grafik
Geçici Gerilim Dalgalanmaları mikro saniyeler mertebesinde kısa süreli olarak oluşan, olarak oluşan, ancak nominal gerilime göre çok yüksek genlik değerlerine ulaşabilen gerilimlerdir !
Anahtarlama (şalt hareketleri) sonucu oluşan aşırı gerilimler , yıldırım boşalmasında olduğu gibi yüksek voltaj artışına sebep olmaz fakat çok sık meydana gelmektedir ve tesisatın arızalanmasına sebep olabilir. Anahtarlama (şalt hareketleri), sonucu oluşan aşırı gerilimler, çalışma voltajının iki-üç katına çıkabilirken, yıldırım gerilimi nominal voltajın yirmi katına ulaşabilir ve çok büyük oranda enerji taşıyabilir. Arızalar genellikle daha sonra meydana gelir, çünkü daha küçük geçici gerilimlerin sebep olduğu hasarlar sonucu elektronik komponentlerin yaşlanması cihazlara zamanla zarar verir.
Düşük voltaj sistemleri, ölçüm ve kontrol sistemleri ve bilgisayar ağlarındaki yüksek gerilimlerin oluşmasında rol oynayan bir çok faktör vardır. Aşağıdaki dört kategori en büyük tehlikeye sebep olmaktadır.
1 A : Direkt yıldırım düşmesi (Galvenik Kuplaj)
Eğer yıldırım, harici yıldırım koruması (Faraday kafesi veya aktif paratoner sistemi ) bulunan binaya direkt olarak düşerse ya da çatıda bulunan ve yıldırım akımını taşıyabilen çatı anteni, uydu anteni gibi taşıyıcılara yıldırım düştüğünde, topraklama empedansındaki voltaj yükselmesi sonucunda ve koruyucu topraklama iletkeni yoluyla bina tesisatına ve bağlı aygıtlara yönelen yüksek kısmi yıldırım akımlarının gönderilmesi direk yıldırım darbesi etkisi olarak tanımlanır.
1 B : Yıldırım aynı zamanda, enerji hatlarına (düşük gerilim havai hatlar) ya da data hatlarına direkt olarak düşebilir (B) ve yüksek kısmi yıldırım akımlarını bina içine göndermesine sebep olur.
2 :Yakın mesafeye yıldırım düşmesi
Binanın kendisi yıldırım çarpmasına maruz kalmasa da, yakına düşen yıldırım bina tesisatında voltaj artışına sebep olabilir. Aşırı gerilim elektrik tesisatının kablo sistemine ve aygıta direkt olarak ya da endüktif yada kapasitif kuplaj yoluyla ulaşır. Kısmi yıldırım akımı toprak yoluyla topraklama tesisatını kuplajlayabilir ve önemli hasara sebep olur (direkt kuplaj) ya da yıldırım kanalıyla yayılan manyetik alandan kaynaklanan endüksiyon ile bina tesisatına aşırı gerilim darbeleri ulaşabilir. Özellikle binadaki uzun kapalı devre kablo tesisatı anten görevi yapar ve endüktif kuplajı destekler. Kapasitif kuplaja, iki nokta arasındaki (örnek olarak yıldırım kanalı ve elektrik iletkenleri arasında) yüksek potansiyel farklılık olan elektriksel alan sebep olur.
3:Mesafeli yıldırım düşmesi
Yıldırım birkaç yüz metre mesafeye düşse bile, binaların topraklama tesisatındaki direkt, endüktif ya da kapasitif kuplaj sonucunda, düşük voltaj ve data hatlarında büyük zararlara sebep olabilir. Bulutların içindeki yıldırım boşalması ile oluşan elektromanyetik alan bile voltaj artışını hatlara kuplajlayabilir.
4 : Anahtarlama sonucu oluşan aşırı gerilimler
Anahtarlama sonucu oluşan aşırı gerilimler,anahtar açma ve kapama operasyonları , endüktif ve kapasitif yüklerin anahtarlamasından ve kısa devre akımının kesilmesinden meydana gelir. Özellikle üretim tesislerinin, ışıklandırma sistemlerinin veya transformatör bağlantısının kesilmesi, yakında bulunan elektrikli aygıtların zarar görmesine neden olabilir.
YILDIRIMDAN KORUNMA:
Tabiat olaylarından, konumuz kapsamında ve hava şartlarının bir sonucu olan Yıldırım deşajlarını önleyecek derecede değiştirme kabiliyetine sahip cihazlar ve metotlar mevcut değildir. Yapılara veya yapıların yakınına ya da yapılara bağlı Enerji şebekesi,data ya da telekominikasyon hatları,dış aydınlatma sistemleri gibi hizmet tesisatlarına isabet eden yıldırımlar insanlar, yapılar, yapıların içindekiler ve hizmet tesisatları için tehlikelidir.
Bu tehlikelerden korunmak için aşağıda anacağımız standartlara bağlı kalarak çözümler önereceğiz.
CEN tarafından kabul edilen IEC 62305–1: 2006 standardı esas alınarak ve bazı teknik tanımlamalara değinerek devam edersek konuyu daha sağlam zemine oturtmuş olacağız. Bu standart Yapıların, bunların tesisatlarının, içindekilerin ve insanların,Yapılara bağlı hizmet tesisatlarının ,yıldırımdan korunmasında takip edilecek genel prensipleri kapsar. Bu standardın kapsamı aşağıdaki gibidir.
1- IEC 62305-1 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 1: Genel Prensipler (yayınlanma tarihi 2003)
2- IEC 62305-2 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 2: Risk Yönetimi (yayınlanma tarihi 2004)
3- IEC 62305-3 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 3: Fiziksel Zararlar ve Yaşam Tehlikesi (yayınlanma tarihi 2003)
4- IEC62305-4YıldırımaKarşıKorumaBölüm4:LEMP-GenelPrensipler (yayınlanma tarihi 2004)
5- IEC 62305-5 Yıldırıma Karşı Koruma Bölüm 5: Giriş Hizmetleri
Not: Yukarıdaki standartların güncel halleriyle anlaşılması ve uygulamalarda dikkate alınması gerekmektedir.
Yıldırımdan korunma tesislerinden DIŞ YILDIRIMLIK tesisleri kurulurken yapı veya sistemler içinde EŞ POTANSİYEL SİSTEMİNİN kurulması son derece önemlidir.
Korunma tedbirleri
Korunma tedbirleri hasar tipine göre riski azaltacak şekilde seçilebilir.
Temas ve adım gerilimlerinden dolayı canlıların zarar görmesini azaltmak için uygulanacak tedbirler
- Açıktaki iletken kısımların yeterli derecede yalıtılması,
- Izgaralı topraklama sistemi ile eş potansiyel sağlanması,
- Fiziki kısıtlamalar ve uyarı levhaları.
Not 1 - Eş potansiyel sağlanması temas gerilimlerine karşı etkili değildir.
Not 2 - Yapının içindeki ve dışındaki zeminin yüzey rezistivitesinin artması ölüm tehlikesini azaltabilir (IEC 62305-3 Madde 8).
Fiziki hasarı azaltmak için uygulanacak tedbirler
Alınabilecek korunma tedbirleri aşağıdakileri içerir:
a) Yapılar için:
- Yıldırımdan korunma sistemi (LPS),
Açıklama 1 - Bir LPS monte edildiğinde yangın ve patlama tehlikesini ve ölüm tehlikesini azaltmak içi eş potansiyel sağlanması çok önemli bir tedbirdir. Daha fazla detay için IEC 62305-3’e bakılmalıdır.
Açıklama 2 - Yangına dayanıklı bölmeler, söndürücüler, yangın muslukları, yangın alarm ve söndürme tesisleri gibi yangının gelişmesini ve yayılmasını sınırlandıran tedbirler fiziki hasarı azaltabilir.
Açıklama 3 - Korunmalı kaçış yolları personel için korunma sağlar.
b) Hizmet tesisatları için:
- Ekranlama teli.
Açıklama 4 - Gömülü kablolar için metal kanallar çok etkili bir korunma sağlar.
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızasını azaltmak için uygulanacak tedbirler
Alınabilecek korunma tedbirleri aşağıdakileri içerir:
a) Yapılar için:
- Aşağıdakilerin tek tek veya birlikte kullanılmasından oluşan LEMP korunma tedbirleri sistemi (LMPS),
* Topraklama ve bağlantı sağlama tedbirleri,
* Manyetik ekranlama,
* Hat güzergâhı seçimi,
* Koordineli SPD korunması.
c) Hizmet tesisatları için:
- Hat boyunca farklı yerlerde ve hat sonunda parafodurlar (SPD),
- Kablolar için manyetik ekranlama.
Gömülü kablolar için yeterli kalınlıktaki sürekli metal ekran çok etkili bir korunma sağlar.
Güzergâh yedeklemesi, cihaz yedeklemesi, bağımsız jeneratörler, kesintisiz güç kaynakları, sıvı depolama sistemleri ve otomatik arıza tesbit sistemleri hizmet faaliyetinin kaybının azaltılması için çok etkili korunma tedbirleridir.
Cihazların ve kabloların yalıtımının dayanma gerilimlerinin yüksek olması aşırı gerilimlerden kaynaklanan arızlara karşı çok etkili bir korunma tedbiridir.
Korunma tedbirlerinin seçimi
En uygun korunma tedbirinin seçimi tasarımcı ve tesis sahibi tarafından her çeşit hasarın tipine ve tutarına göre yapılmalı, farklı korunma tedbirlerinin teknik ve ekonomik yönleri dikkate alınmalıdır.
Risk değerlendirmesi ve en uygun korunma tedbirlerinin seçimiyle ilgili kriterler IEC 62305-2’de verilmiştir.
Korunma tedbirlerinin etkili olabilmesi için ilgili standardlara uygun olması ve tesis edileceği yerde beklenen gerilmelere dayanabilmesi şarttır.
Bazı tanımlar;
Yıldırım darbesi
Yere isabet eden bir yıldırım çakmasının içindeki tek elektrik boşalması.
Elektrik sistemi:
Alçak gerilim güç kaynağı bileşenlerinin kullanıldığı sistem
Elektronik sistem:
Telekomünikasyon cihazları, bilgisayar, kontrol ve enstrümantasyon sistemleri, radyo sistemleri, güç elektroniği tesisleri gibi hassas elektronik bileşenlerin kullanıldığı sistem.
İç sistem
Bir yapı içindeki elektrikli ve elektronik sistemler.
Yıldırım elektromanyetik darbesi, LEMP
Yıldırım akımının elektromanyetik etkisi.LEMP ani darbe akımlarını ve yayılan darbe elektromanyetik alan etkilerini içerir.
Şok dalgası (surge)
Aşırı gerilim ve/veya aşırı akım olarak görülebilen, LEMP tarafından oluşturulan geçiş rejimi dalgası.
Açıklama : LEMP tarafından oluşturulan şok dalgası (kısmen) yıldırım akımlarından ve tesisat halkalarındaki endüksiyon etkilerinden meydana gelebilir ve SPD’nin akış yönüne göre aşağısında tehdit olarak kalabilir. SPD:Surge Protection Device :şok darbesinden (dalgası) koruyucu cihaz.
Düşme noktası :
Yıldırımın yere veya çıkıntı yapan bir nesneye (yapı, LPS, hizmet tesisatı, ağaç, vb) düştüğü nokta.
Açıklama:Bir yıldırım çakmasının birden fazla düşme noktası olabilir
Yıldırım akımı, i:
Düşme noktasında akan akım.
Tepe değeri, I :
Yıldırım akımının en yüksek değeri.
Kısa darbe akımının cephe süresi, T1
Tepe değerinin %10 ve %90 değerlerine ulaşılma zamanları arasındaki sürenin 1,25 katı olarak tarif edilen sanal parametre
Kısa darbe akımının yarı değerine olan süre, T2
Sanal orijin O1 ile akımın tepe değerinin yarısına indiği zaman arasındaki süre olarak tarif edilen sanal parametre
Çakma süresi, T
Düşme noktasında yıldırım akımının aktığı süre.
Çakma yükü, Qflash
Bütün yıldırım çakması süresi boyunca alınan yıldırım akımının zaman entegrali.
Özgül enerji, W/R
Bütün yıldırım çakması süresi boyunca alınan yıldırım akımının karesinin zaman entegrali
Açıklama: Bu, yıldırım akımının bir birim dirençte yaydığı enerjiyi temsil eder.
Kısa darbe akımının özgül enerjisi
Kısa darbe süresi boyunca alınan yıldırım akımının karesinin zaman entegrali
Açıklama: Uzun darbe akımının özgül enerjisi ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
Korunan nesne
Yıldırımın etkilerine karşı korunması amaçlanan yapı veya hizmet tesisatı.
Korunan yapı
Bu standarda uygun olarak yıldırımın etkilerine karşı korunması gereken yapı.
Bir yapı daha büyük başka bir yapının parçası olabilir.
Korunan hizmet tesisatı
Bu standarda uygun olarak yıldırımın etkilerine karşı korunması gereken yapıya bağlı hizmet tesisatı.
Fiziki hasar
Yıldırımın mekanik, ısıl, kimyasal ve patlama etkilerinden dolayı bir yapıya (veya içindekilere) veya bir hizmet tesisatına verilen hasar.
Canlıların zarar görmesi
Yıldırımın temas ve adım gerilimlerinden dolayı insanların ve hayvanların sağlığına verilen zarar (ölüm dahil).
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalanması
LEMP etkisinden dolayı elektrikli ve elektronik sistemlere verilen kalıcı hasar
Yıldırımdan korunma bölgesi, LPZ
Yıldırımın elektromanyetik çevresinin tarif edildiği bölge.
LPZ’nin sınırlarının fiziki sınırlar (duvarlar, yer döşemesi ve tavan gibi) olması gerekmez.
Yıldırımdan korunma seviyesi, LPL
Tabii olarak meydana gelen yıldırımda azami ve asgari tasarım değerlerinin aşılmaması ihtimaline ilişkin bir yıldırım akım parametreleri setiyle ilgili bir sayı.korunma seviyesi ilgili yıldırım akım parametreleri setine göre korunma tedbirlerinin tasarımını yapmak için kullanılır.
YıldırımdanKorunma tedbirleri
Riski azaltmak için korunması gereken nesnede alınması gereken tedbirler.
Yıldırımdan korunma sistemi, LPS
Bir yapıya yıldırım düşmesinden dolayı meydana gelebilecek fiziki hasarı azaltmak için kullanılan komple sistem.
Bu sistem iç ve dış yıldırımdan korunma sistemlerinden meydana gelir.
Dış yıldırımdan korunma sistemi
LPS’nin bir hava sonlandırma sistemi, bir iniş iletkeni sistemi ve bir toprak sonlandırma sisteminden meydana gelen bölümü.
İç yıldırımdan korunma sistemi
LPS’nin eşpotansiyel kuşak ve/veya dış LPS’nin elektrik yalıtımından meydana gelen bölümü.
Hava sonlandırma sistemi
LPS’nin çubuklar, ızgara iletkenler veya havai teller kullanılarak yıldırım çakmalarını yakalaması amaçlanan bölümü.
İniş iletkeni sistemi
LPS’nin yıldırım akımını hava sonlandırma sisteminden toprak sonlandırma sistemine iletmesi amaçlanan bölümü.
Toprak sonlandırma sistemi
LPS’nin yıldırım akımını toprağa iletmesi ve orada dağıtması amaçlanan bölümü.
Dış iletken parçalar
Borular, kablonun metal elemanları, madeni hava kanalları gibi korunması gereken binaya giren veya çıkan dışarıdaki metal nesneler. Bunlar yıldırım akımının bir kısmını taşıyabilir.
Yıldırım eşpotansiyel kuşağı
Yıldırım akımının sebep olduğu potansiyel farklarını azaltmak üzere, ayrı metal parçaların doğrudan iletken irtibatlar veya şok dalgası korunma cihazları üzerinden LPS’ye bağlanması.
Ekran teli
Bir hizmet tesisatına yıldırımdan dolayı gelecek fiziki hasarı azaltmak için kullanılan metal tel.
LEMP korunma tedbirleri sistemi, LMPS
LEMP’e karşı iç sistemlerin korunması için komple korunma sistemi.
Manyetik ekran
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalarını azaltmak üzere, korunması gereken nesneyi veya onun bir parçasını her yönden örten kapalı, metalik, ızgara benzeri veya sürekli ekran.
Şok dalgası korunma cihazı, SPD
Geçici rejim aşırı gerilimlerini sınırlandırması ve şok dalgası akımlarının yönünü değiştirmesi amaçlanan cihaz. Bu cihazın içinde en az bir adet doğrusal olmayan bir bileşen vardır.
Koordineli SPD korunması
Elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalarını azaltmak üzere uygun şekilde seçilen, koordine edilen ve yerleştirilen bir SPD seti.
Beyan darbe dayanma gerilimi, UW
İmalatçı tarafından teçhizata veya onun bir bölümüne tahsis edilen darbe dayanma gerilimi. Bu, yalıtımın aşırı gerilimlere karşı belirtilen dayanma kabiliyetinin özelliklerini verir.
standardın amaçları bakımından sadece canlı iletkenler ile toprak arasındaki dayanma gerilimi dikkate alınmıştır.
(IEC 60664–1:2002)
YILDIRIM DARBESİ VE ZAMAN İLİŞKİSİ:
Yukarıdaki grafikten anlaşılacağı gibi 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. Bu karakteristik B sınıfı karakteristikli (1.kademe) yıldırımdan korunma elemanlarının üretim yapılarında esas alınır. Yıldırım akımına dayanım özellikleri: 10-350 µs karakteristiğindeki deşarj akımı kapasitesi ile belirlenir.
Örneğin 3fazlı ve nötr toprak hatlarından oluşan TT ve TN-S enerji şebekelerinde AG hatları üzerinden gelebilecek 50kA’lik yıldırım darbesine dayanabilmek ve bu deşarjı gerçekleştirirken kendisinden sonraki sistemler yerine bu darbe akımını nötr ve topraklama sistemine göre yönlendirerek bu hasar verici enerjiyi sistemden ayıran B sınıfı koruma elemanları ve tali panolardaki varistör yapılı elemanlar ve nihayet son noktada cihaz öncesi koruma elemanları ile donatılmış tesis yapısını gösteren şemalar aşağıda yer almaktadır.
Aşağıdaki B sınıfı koruma elemanları kapalı bir yapı içersinde dizili karbondiskler şeklinde bir yapıya sahip olduklarından plazma püskürtmeden / Enerji Dağıtım panoları içersinde iyonizasyona yol açmadan deşarjlarını gerçekleştiren ürünlerdir.
Atlama aralıklı SPD’ler
Yıldırımın atlama aralıkları üzerinde sebep olduğu etkiler iki ana kategoriye ayrılabilir:
- Malzemenin ısınması, ergimesi ve buharlaşması ile atlama aralığı elektrodlarının erozyona uğraması:
Darbe akımının tepe değeri, yükü, süresi, özgül enerjisi ve yükselme hızı.
Darbe akımının tepe değeri; şok dalgasının şiddetini belirler. Dikkate alınacak sayısal değerler ilk darbeye ait olanlardır. Pozitif darbeleri dikkate alınmalıdır.
Yük: Arktaki enerji girişini tayin eder. Arktaki enerji bağlanma noktasındaki elektrod malzemesinin bir kısmını ısıtır, ergitir ve belki de buharlaştırır. Dikkate alınacak sayısal değerler yıldırım çakmasının tamamına ait olanlardır. Ancak, bir çok durumda güç kaynağı sisteminin konfigürasyonuna bağlı olarak (TN, TT veya IT) uzun süreli akımın yükü ihmal edilemeyebilir.
Darbe akımının devam süresi; elektrod kütlesine ısı transferini ve bundan kaynaklanan ergime cephesinin ilerlemesini belirler.
Akım darbesinin özgül enerjisi; arkın kendinden manyetik sıkışma durumunu ve elektrod yüzeyi ile ark arasındaki arayüzde oluşan elektrod plazma jetlerinin (önemli miktarda ergimiş metal püskürtebilir) fiziki durumunu kontrol eder. Dikkate alınacak sayısal değerler ilk darbeye ait olanlardır. Pozitif darbeleri dikkate alarak ihtiyatlı veriler elde edilebilir.
Not – Güç kaynağı sistemlerinde kullanılan atlama aralıkları için muhtemel güç frekansının akım genliğini takip etmesi önemli bir gerilme faktörü oluşturur ve bu husus dikkate alınmalıdır.
Metal oksit varistörlü SPD’ler
Yıldırımdan dolayı : Aşırı yükler metal oksit varistörlerin üzerinde deşarj kabiliyetini aşan miktarda enerjinin abzorbe edilmesinden kaynaklanır. Burada ele alınan aşırı enerji yıldırım gerilmesinin kendisiyle ilgilidir. Ancak, güç kaynağı sistemlerine monte edilen SPD’ler için yıldırım akımının akmasının durmasından hemen sonra güç sistemi tarafından cihaza enjekte edilen takip akımı SPD’nin ciddi şekilde arızalanmasında önemli bir rol oynayabilir. Son olarak, bir SPD dirençlerin volt-amper karakteristiklerinin negatif sıcaklık katsayısıyla ilgili olarak uygulanan gerilim altında ısıl kararsızlıktan dolayı ciddi hasara uğrayabilir.
Yük, metal oksit direnç bloklarına enerji girişini kontrol eder. Bunun için metal oksit direnç bloklarının artık gerilimlerinin sabit olduğu varsayılır. Dikkate alınacak sayısal değerler yıldırım çakmasına ait olanlardır.
Yukarıda belirtilen Atlama aralıklı SPD’ler için yıldırım akımı darbesi deşarjları esnasında plazma püskürtmesine neden olabileceği bu ürünleri kullanırken montaj yerinin sınırlayıcı etkisi ve kablo izolasyonu tutuşmalarına yol açabileceği riski gözardı edilmemelidir.
Benzer etki atlama aralıklı olmayan SPD’ler içinde şu şekilde ortaya çıkabilmektedir. SPD’nin Ana enerji Baralarına ,nötr ve toprak baralarına montajı için gerekli iletken bağlantı uzunluklarının aşılmasında da ortaya çıkmakta ve darbe akımının deşarjı anında bu kabloların uzunluğuna bağlı endüktans artımından kaynaklanan bir aşırı gerilim endüklenmesi ile emniyet mesafeleri az olan enerji baraları üzerinde de(Şalter giriş noktaları gibi ) atlama aralığı etkisi yaparak plazma üretilmesine sebebiyet verebilmektedir.Aynı şekilde izolasyon değerlerindeki düşme ve pano emniyetinin azalması,yangın riskleri oluşumu burada da yaşanmaktadır. Bu gibi durumlarda SPD’lerin önüne konan Önsigortalar bu tür olaylarda üzerlerinden yük akışı yaşanmadığı için algılayamayacaklar ve tesis güvenliği ana koldaki ana termik manyetik şalterlere emanet edilmiş olacaktır.Genel enerji sistemi dizaynında bu şalterlerin kesme kapasitelerinin bu tip deşarj akımlarını karşılayabilecek değerlerde ve toleranslı seçilmesi uygun olacaktır.
Yüksek performanslı spark gap’lerin (kıvıcım aralığı yada atlama aralığı ) yüksek deşarj kapasiteleri yıldırımdan korunma elemanları olarak kullanılmalarının nedenidir. Ancak,yüksek performanslı Spark gap’ler izleme akımlarını sönümlendirebilmektedir. Bir SPD’nin kalite performans oranı Trafo sonrasına nekadar yakın bağlanabileceği ile de ilgilidir. Çeşitli firmalara ait ürünler içinde Şebeke izleme akımı,ardçıl akım,FALLOW CURRENT değeri diğerlerine göre yüksek olan ürün Darbe akımından sonra şebeke geriliminin etkisi ile akmak isteyen bu akıma karşı koyabilme kabiliyeti en yüksek olan SPD yine bu ardçıl akım değeri en yüksek olarak dizayn ve imal edilmiş olanlarıdır. 3kA.……., ve ….25kA. Aralığındaki değerlere bakıldığında tabiki daha yüksek FALLOW CURRENT akımı değerine sahip olanlar Yıldırım Akımı Darbesi Deşarjı sonrasında işletme enerjisinin sürekliliğinin temini konusunda diğerlerine göre üstünlük sağlayacaklardır.
Simüle Edilmiş Yıldırım ve Gerilim Darbesi Arasındaki Fark…
B sınıfı spark gaplerden oluşan Sınıf 1 tipi SPD’ler Ana dağıtım panolarında tesis edilirler ve 10/350 karakteristiğine göre yıldırım akımlarını yakalayarak korumayı gerçekleştirirler. (Pembe eğri )
C sınıfı varistör kökenli Sınıf 2 tipi SPD’ler ise A.G. Şebekeden gelebilecek gerilim piklerini yakalamak , yakın yıldırım düşmelerinin oluşturduğu kapasitif ve magnetik kuplajlar sonucu tesisat loop’larında endüklenen gerilimlerin yakalanması pano içindeki şalt hareketi kaynaklı gerilim piklerinin yakalanmasında görev yapalar, 8/20 karakteristiğine haiz olarak işlevsellikleri belirlenmiştir.(Lacivert eğri )
Kısa darbe yükü, Qshort
Bir kısa darbedeki yıldırım akımının zaman entegrali.her iki eğrinin altındaki alanları karşılaştırırsak B sınıfı 10/350 µs ve C sınıfı 8/20 µs SPD’lerin Yıldırım Darbesine karşı üzerlerine alabildikleri YÜK miktarlarını da görmüş ve karşılaştırmış oluruz.
YILDIRIM VE AŞIRI GERİLİMLERDENVE ETKİLERİNDEN KORUNMADA İZLENECEK YOL:
1. Koruma Bölgelerinin Saptanması (Yıldırımdan Korunma Bölgeleri Kabulü)
2. Eş potansiyel Bağlantının kurulması
3. Ekranlama özelliklerinin dikkate alınarak eş potansiyel barasına bağlantıların temini
4. Koruma komponentlerinin (aşırı gerilim darbe koruyucuları), zone’lara göre tesis edilmesi
Yıldırımdan korunma bölgeleri (LPZ)
LPS, ekranlama telleri, manyetik ekranlar ve SPD gibi korunma tedbirleri yıldırımdan korunma bölgelerini (LPZ) belirler.
Korunma tedbirlerinin akış yönüne göre aşağı tarafında yer alan LPZ’ler akış yönüne göre yukarı tarafta yer alanlara göre LEMP’te önemli ölçüde azalma gösterir.
Yıldırım tehdidine göre aşağıdaki LPZ’ler tarif edilmiştir
LPZ OA Tehdidin doğrudan yıldırım çakması ve tam yıldırım manyetik alanından oluştuğu bölge. İç sistemler yıldırım şok dalgası akımının tamamına veya bir kısmına maruz kalabilir.
LPZ OB Doğrudan yıldırım çakmasından korunmuş olan fakat tehdidin tam yıldırım manyetik alanından oluştuğu bölge. İç sistemler yıldırım şok dalgası akımının bir kısmına maruz kalabilir.
LPZ 1 Şok dalgası akımının sınırlardaki akım bölünmesi ve SPD’ler yoluyla azaltıldığı bölge. Uzaysal ekranlama yıldırım manyetik alanını zayıflatabilir.
LPZ 2 Şok dalgası akımının sınırlardaki akım bölünmesi ve SPD’ler yoluyla daha fazla azaltıldığı bölge. İlave uzaysal ekranlama ile yıldırım manyetik alanı daha da fazla zayıflatılabilir.
LPZ 3 Bina içinde ekipman öncesi SPD’ler yoluyla korumanın maksimum uygulandığı bölge
Genel olarak bir korunma bölgesinin numarası ne kadar büyükse elektromanyetik ortam parametreleri o kadar düşüktür.
Korunma için genel bir kural olarak, korunması gereken nesne azaltılması gereken hasara (fiziki hasar, aşırı gerilimlerden dolayı elektrikli ve elektronik sistemlerin arızalanması) yol açan gerilmelere dayanma kabiliyetiyle uyumlu elektromanyetik özelliklere sahip bir LPZ içinde olmalıdır.
Çoğu elektrikli ve elektronik sistemler ve cihazlar için dayanma seviyesi ile ilgili bilgiler imalatçıdan alınabilir. Bu sayede korunan cihazın izolasyon seviyesine bağlı olarak daha gerçekçi koruma ürünü seçimi yapmak mümkün olur.
*: Bazı tesislerde(GSM BAZ İSTASYONLARI) B ve C sınıfı yakalayıcılar arasında mesafe olması gerekenden çok kısa olabilir ( konteynır ölçekli tesisler) bu durumda elemanlar arası koordinasyonu sağlamak için ya kuplaj endüktansları kullanılır ya da B+C kombinasyonunu içeren kendinden koordineli B ve C sınıfı korumanın birlikte yapıldığı koruma setleri kullanmak tercih edilebilir. Aşağıdaki şekilde her üç şebeke şekli için de B ve C sınıfı elemanların oluşturduğu B+C koruma montaj şekilleri görülmektedir.
EŞ POTANSİYEL SİSTEMİNİN ÖNEMİ:
Tesislerin metal aksamlarında panolar,ayrık techiz edilmiş topraklama sistemleri arasında normalde çok küçük olan potansiyel farkları yıldırım düşmesi esnasında kilovolt değerlerine ulaşabileceğinden sistem içinde aşırı genlikte sirkülasyon akımlarının oluşmasına yol açarak tahrip edici elektrik elektronik ve hatta mekanik hasarlara yol açabilirler.
Eş potansiyel sisteminin tesis edilmesindeki amaç metal kısımların ve sistemlerin arasındaki potansiyel farklarını düşürmek böylece yıldırımın zarar vermesinden sistemleri korumaktır
Yukarıdaki şebeke tiplerinde EBB ile gösterilen eş potansiyel baraları ve bunlara bağlı Yeşil renkli hatlarla eş potansiyel oluşturma işlemi gerçekleştirilmiştir.
Yıldırım ve aşırı gerilimlerden korunma konusunda son bir söz söylemek gerekirse:
Aşırı gerilimlere ve yıldırım akımının etkilerine karşı korunmada başarının sırrı : Uygun dış yıldırımlık tesisinin kurulması, topraklamalar yönetmeliğine uygun tasarlanmış topraklama sistemine sahip ve doğru tasarlanarak tesis edilmiş bir eş potansiyel sistemine sahip yapıda veya işletmede yine yerleşim yerleri,tipleri,deşarj kapasiteleri doğru seçilmiş koruma elemanları ile donatılması durumunda mükemmel korumaya çok yaklaşılmış demektir.
Önceden kestirilemeyen Doğa olayları her zaman yeni standartların oluşmasına ve teknolojik sınırların zorlanmasına sebebiyet vereceğinden Yıldırım ve Aşırı gerilimlerden korunma teknikleri sürekli olarak gelişmelere açık bir konu olarak bizi peşinden sürüklemeye devam edecektir.
Saygılarımla,
SEFA ERSİN ÖZDEMİR
HESS ELEKTRİK ELEKTRONİK OTOMASYON SAN.VE TİC.LTD.ŞTİ.
Kaynaklar :
OBO BETTERMANN yıldırım ve aşırı gerilimlerden korunma eğitim notları:
Elektrik tesislerinde topraklamalar yönetmeliği 21.08.20001 :TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası
TSE : tst EN 62305-1 Yıldırımdan Korunma Bölüm 1: Genel Kurallar
IEC 60664-1:1992, Insulation coordination for equipment within low-voltage systems
IEC 61000-4-5:1995, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4-5: Testing and measurement techniques – Surge immunity test
Berger K., Anderson R.B., Kröninger H., Parameters of lightning flashes. CIGRE Electra No 41 (1975)
Anderson R.B., Eriksson A.J., Lightning parameters for engineering application. CIGRE Electra No 69 (1980)
IEEE working group report, Estimating lightning performance of transmission lines II, 1992
IEC 61643-12:2002: Low-voltage surge protective devices – Part 12: Surge protective devices connected to low voltage power distribution systems – Selection and application principles
IEC 61643-1:2005, Low-voltage surge protective devices – Part 1: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems
Siemens Publication “Metallic oxide varistor SIOV”
