RAYLI SİSTEMLERDE TOPRAKLAMA T C D D HAZIRLAYAN: Kamil GÜLTEPE Tahsin TAŞAR Ziya S. DOĞAN 1 TOPRAKLAMANIN AMACI TOPRAKLAMA İLE İLGİLİ TANIMLAR TOPRAKLAMA ÇEŞİTLERİ TOPRAKLAMA TASARIMI Özgül Direnç Tayini Elektrod Seçimi Topraklama İletken Seçimi Hesaplar 2 Giriş Elektrik tesislerinde aktif olmayan bölümler ile sıfır iletkenleri ve bunlara bağlı bölümlerin, bir elektrot yardımı ile, toprakla iletken bir şekilde birleştirilmesine TOPRAKLAMA denilmektedir. Elektrik sistemlerinin devamlılığı ve insan hayatını güvenceye almak için elektrik sistemlerinde, gerilim altındaki kısımlar yalıtılırlar. Toprağa karşı yalıtımda, çeşitli sebeplerle, her zaman bozulma ve delinme şeklinde hata meydana gelmesi kaçınılmazdır. Topraklama, meydana gelebilecek bu çeşit bir hata durumunda, insan hayatını güvenceye almak maksadıyla uygulanacak işlemlerden biridir. Diğer taraftan şebekelerin düzgün çalışmasını sağlamak maksadı ile topraklama işlemine gerek duyulur. 3 Enerji Tesislerinin Topraklanmasındaki amaç. 1- Arıza anında koruma sisteminin uyarılarak tesisin zarar görmesini engellemek, enerjinin güvenirliliğini ve sürekliliğini artırmak 2- Kullanıcının güvenliğini sağlamak, insanları ve hayvanları elektrik şoklarından korumak. 4 Elektrik çarpması olayı Canlılar üzerinden elektrik akımı geçmesi sonucu bunlar üzerinde meydana gelecek etkiler akım büyüklüğüne ve etki süresine göre aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. İnsan bedeninden geçecek akımın büyüklüğü, kişinin vücut direncine, temas noktalarının özelliklerine ve alternatif akımda frekansa bağlıdır. İnsan vücut direnci, vücut iç direnci, temas noktalarındaki geçiş dirençleri ve genel olarak akım yolu üzerindeki diğer dirençlerden oluşur. Bu değerler kişilere göre çok farklı değerler alabilirler. İnsan vücudu toplam direnci 2500 ohm ve insan için tehlikesiz akım 20 mA alınırsa 50 volt’luk bir temas gerilimi sınır değer olarak kabul edilir. Yüksek frekanslı akımlarda vücut direncinin artması sebebi ile, tehlikenin azaldığı söylenebilir. 5 Alternatif akım etkilerinin akım/zaman bölgeleri ms 10000 5000 2000 1000 t 500 200 100 50 20 10 AC -1 AC -2 AC -3 AC -4 0 1, 0 2, 0 5, 1 2 5 10 20 50 100 200 5001000 2000 10000 Vücut akımıI IB mA V AC-1 : Genellikle tepki yoktur. AC-2 : Zararlı bir fizyolojik etki yoktur. AC-3 : Kalp atışlarında aksaklıklar görülür. AC-4 : Tehlikeli fizyolojik etkiler, ağır yanıklar. 6 Topraklamanın amaca göre sınıflandırılması Topraklama başlıca üç maksatla yapılmaktadır. 1. Koruma topraklaması İnsanları tehlikeli dokunma gerilimlerine karşı korumak için işletme araçlarının aktif olmayan kısımlarının topraklanması. 2. İşletme topraklaması İşletme akım devresinin, tesisin normal işletilmesi için topraklanması 3. Fonksiyon topraklaması Bir iletişim tesisinin veya bir işletme elemanının istenen fonksiyonu yerine getirmesi için yapılan topraklama. Yıldırım etkilerine karşı koruma, raylı sistem topraklaması, zayıf akım cihazlarının topraklanması. 7 TOPRAKLAMALAR L1 L2 L3 PEN RA Koruma topraklaması RB İşletme topraklaması RA Fonksiyon topraklaması Koruma topraklaması 8 Koruma topraklaması, alçak gerilim tesislerinde temas gerilimine karşı koruma yöntemlerinden biridir. Yüksek gerilim tesislerinde ise temas gerilimine karşı korumada kullanılacak tek yöntemdir. Baştada belirtildiği gibi işletme araçlarının aktif olmayan bölümleri, uygun şekilde toprak içine tesis edilmiş olan bir topraaklama düzenine iletken bir şekilde bağlanarak koruma topraklaması elde edilir. Burada uygulanan yöntem ile, hata halinde, insan vücudu üzerinden geçecek akımı olduğunca küçük tutmak ve bu arada devredeki koruma cihazlarının çalışmasını sağlayarak arızalı kısmın, hızla devre dışı olmasını sağlamaktır. İşletme topraklaması, alçak gerilim şebekelerinde, transformatörlerin sıfır noktalarının, doğru akım tesislerinde bir kutbun veya orta iletkenin topraklanması ile yapılır. Böylece sistemde, toprağa karşı oluşacak gerilimin belirli değerleri aşmamasına çalışılır. Orta ve yüksek gerilim şebekelerinde işletme topraklaması ülkelerin yönetmeliklerine göre değişmektedir. Ülkemizde Orta gerilim şebekeleri direnç üzerinden topraklanmaktadır. Yüksek gerilim şebekelerinin ise direkt olarak topraklanması yoluna gidilmektedir. 9 Sınırlı akım süreleri için izin verilen en yüksek dokunma gerilimleri 1000 9 V 8 7 6 5 c b 4 3 Utp Ud 2 a 1 100 9 8 7 6 5 4 3 3 4 5 6 7 8 9 0 ,1 2 a: Hayvanlar için kullanılacaktır. 3 4 5 6 7 8 9 1 Akım süresi 2 t 3 4 5 6 7 8 9 10 s b: Eski VDE 141 değerleri. c: Yeni kabul edilen eğri. Bu eğri sadece Y.G. şebekeleri için kullanılacaktır. 10 Müsaade edilebilir gerilim yükselmeleri: İnsan vucudunun can alıcı bölümlerinden geçen akımın tahrip etkisi; akımın frekansına, büyüklüğüne ve etki süresine bağlıdır. Amper= 0.165.A Ѵt Bu formül 3 sn. etki süreli akımlar için geçerlidir daha uzun süreli akımlarda kullanılmaz t= etki süresi sn Ik= Vucut tan geçen akımın etkin değeri 11 TANIMLAR Koruma iletkeni (PE) : İşletme elemanlarının aktif olmayan bölümlerini: - Potansiyel dengeleme barasına, - Topraklayıcılara , - Elektrik enerji kaynağının topraklanmış noktasına, bağlayan iletkendir. Koruma iletkeni + nötr iletkeni (PEN) : Koruma iletkeni ve nötr iletkeni fonksiyonlarını bir iletkende birleştiren topraklanmış iletken. Temel topraklayıcı : Beton içine gömülü, toprakla beton vasıtası ile geniş yüzeyli olarak temasta bulunan iletken. Topraklayıcının yayılma direnci : Bir topraklama tesisi ile referans toprak arasındaki direnç. Topraklama gerilimi :Topraklama tesisi ile referans toprak arasında oluşan gerilim. Dokunma gerilim : Topraklama geriliminin insan tarafından köprülenen bölümü 12 Toprak özgül direnci:Birim toprak kütlesinin sahip olduğu dirençtir.Genellikle ohm-cm,ohm-m birimleri ile ifade edilir.Metaller için ohm.mm2/m birimi kullanılır Referans toprağı:Topraklayıcıdan yeterli bir uzaklıkta topraklayıcı ile o nokta arasında potansiyel fark sıfır yazılabilir.İşte bu mesafedeki toprağa referans toprak,sıfır toprak veya nötral toprak denir. Potansiyel sürüklenmesi: Bir topraklama tesisinin yükselen potansiyelinin, bu tesise bağlı bir iletken yolu ile uzak bir bölgeye taşınmasıdır. Potansiyel düzenlenmesi: Bir topraklama tesisinin potansiyel dağılımını, adım ve dokunma gerilimlerini küçültmek için, düzenleyici elektrotlar yerleştirilmesi Potansiyel dengelenmesi: İletken kısımlar arasında potansiyel farklarının ortadan kaldırılması. Koruma iletkenleri ile iletken yapı kısımları arasında ya da yapı bölümleri arasında potansiyel farklılıklarının giderilmesi amacı ile yapılan düzenlemeler 13 Potansiyel dengeleme hattı (Eşpotansiyel kuşaklama): Potansiyel dengelemesini sağlamak amacı ile kullanılan bağlantı iletkenleri. Global topraklama sistemi: Yerel topraklama tesislerinin birbirlerine bağlanması ile elde edilen topraklama sistemi. Böyle sistemler toprak arıza akımının bölünmesine yol açarak, topraklama sisteminde topraklama geriliminin küçültülmesini sağlar. 14 Topraklama sisteminin tasarımı, yapımı ve ölçülendirilmesi Topraklama sistemi projelendirilirken önce toprağın kendisi incelenir. Toprağın direnci, toprağın cinsine, toprak tabakasının kalınlığına, sıcaklığa, içerdiği nem miktarına, içerdiği tuz miktarına bağlıdır. 10³ 10³ 10² 10² 10² 10 1 10³ 10 10 0 10 20 30 % Nem -20 0 0 20 40 60º C Sıcaklık 5 10 15 % Tuz Miktarı Toprak özgül direncinin sıcaklık, nem ve tuz miktarına göre nasıl değiştiği grafiklerden kolayca görülüyor. 15 Toprak özgül direnci ölçümü: s s s x ɲ= 2π. S. R Ohm.m 16 Toprak özgül direncinin ölçümünde genellikle dört elektrot yöntemi kullanılır. Bu yöntemdeki elektrotlar eşit aralıklarla toprağa düşey çakılı çubuklardan, dıştaki iki elektrottan akım geçirilir ve içteki iki elektrot arasındaki gerilim farkı ölçülür ölçü aygıtından okunan direnç R(ohm) ise, toprak özgül direnci yukarıdaki formül ile hesaplanır. Şekilde görüldüğü gibi elektrotlar arası mesafe “S” eşit “ɲ” elektrotların topraktaki mesafe 4’ü için eşit olmalıdır. Elektrotlar arasında akan deney akımının büyük bir bölümü yüzeye göre daha derinde akmaktadır. 17 Şalt sahasındaki topraklama sisteminin Toprak Geçiş direncinin toprak meggeri ile direk olarak Ω cinsinden ölçülmesindeki bağlantı devresinin prensip şeması Okunan değerler Çarpan Kademeleri Galvano metre MEGGER C P P1 C1 Akım ve Gerilim Terminalleri 200-400 m. (değişken) 600 m. (sabit) Toprak Ağı Gerilim elektrotu Akım elektrotu 18 Variyak Şalt sahasındaki adım geriliminin topraklama sisteminden akım enjekte edilerek ölçülmesinde kullanılan devrenin prensip şeması Polarite anh. İzole trf 220/660V A 33nf 600V V 50 cm 10kΩ 1m Akım elektrotu (sabit) Toprak Ağı Gerilim elektrotları 19 Variyak Şalt sahasındaki dokunma geriliminin topraklama sisteminden akım enjekte edilerek ölçülmesinde kullanılan devrenin prensip şeması Polarite anh. İzole trf 220/660V A Tel fens 33nf 600V V 1m 50 cm 10kΩ Toprak Ağı Akım elektrotu (sabit) 20 TCDD İşletme koşulları: 25 kV Nominal besleme gerilimi, EN 50163 standartına uygun olarak normal koşullar altında 27,5 kV ile 19 kV aralığı üzerinde bir kalıcı olarak değişebilir. Anormal koşullarda 29 kV’a yükselebilir ya da 17,5 kV’a düşebilir. 50 Hz frekansı 0 ile %1 arasında değişebilir. Buna bağlı olarak topraklama potansiyeli değişecektir. Elektriksel etki olayı ve elektromanyetik endiksiyon: 25 kV- 50 Hz kateneri çevreleyen bütün alanda bir değişken elektriksel alan mevcuttur. Aşağıdaki nedenlerden dolayı kişiler ve tesisler için tehlikeli olabilir -Elektrostatik etki -Elektromanyetik etki -İletkenler arasındaki temas 21 -Elektrostatik etki 25 kV Katener iletkenleri Kapalı // iletkenler S / S: Trafo merkezi Topraklama olarak tüm iletkenler, fiderler, raylar ve tüm metalik yapılar bir kapasiten in iki bölümü olarak dikkate alınabilirler. 25 kV altında beslendiğinde, bu paralel iletkenler arasında farklı bir gerilim görülür ve ayrıca bu paralel iletkenler arasında da bir elektrik akımı oluşabilir. Bu olgu “Elektrostatik etki” dir. Sadece havai iletkenlerin Elektrostatik etkiye maruz kaldıkları dikkate alınmalıdır. 22 Sonuçları OCS 25 kV aktif iletken A İletken B Toprağa bağlı değildir S / S: Trafo merkezi ya da oto transformatör “U” Volts: Elektrostatik etki sonucu gerilim 23 Şekil 2 ye göre, B iletkeninin gerilimi toprağa bağlanmamıştır ve 2 teorik kapasiteye bağlantıları nedeni ile beklenmedik değerlere sıçrayabilecektir (bin volt) ● Eğer her hangi bir neden ile bir kişi bu B iletkenine temas ederse, çok tehlikeli bir akım akışı B iletkeni üzerinden vücuduna geçer ve oradan da toprağa akar. Bu akım yolcular ve personel açısından öldürücü olabilir. 7.2.3 Elektrostatik Etkiye karşı Koruma ilkeleri Elektrostatik Etkiye karşı genel Koruma: ● tüm iletkenlerin elektriksel olarak bağlanacak ve bu iletkenler toprağa bağlanacaktır. ● Topraklanamayacak olan havai hat iletkenlerinin boyları sınırlanacaktır. ● Blendajlı kablolar kullanılacak ve bu blendajlar farklı bir şekilde toprağa bağlanacaklardır. ● Telekomünikasyon ve Siyalizasyon kabloları mümkün olduğunca güç kablolarından açıkta döşenecektir. 24 Açıklama: Kapasite olaylarının hatırlatılması I Şekilde görüldüğü gibi madeni iki levhayı karşılıklı olarak koyalım. Araları bir yalıtkan veya hava ile ayrılmış olsun. Bu levhalardan birinin doğru veye alternatif olan YG e tabi tutalım. Hiçbir kaynağa bağlı olmadığı halde diğer levhanında elektrikle şarjlandığını bunun da belli bir gerilmeye sahip olduğunu görürüz. Bu levhayı akım çeken alıcıya bağlarsak iletkenden deşarj akımı geçtiği görülecektir. Bu elektriksel etki olayı bilindiği gibi bir kapasite olayıdır. 25 26 27 28 S / S: Trafo merkezi ya da oto transformatör M: 2 lup (döngü) (kapalı devre) arasında indükleme katsayısı I: 1 No.lu iletken içinde yoğunluk L: Paralel kolların uzunluğu f: Frekans 50 Hz U: (2 No.lu iletken içinde indüklenen gerilim) = 2πf MIL Açıklama Elektromanyetik etki, 25kV şebekenin yakınında döşenmiş olan izoleli olsun ya da olmasın tüm havai ve yeraltı iletkenlerde görülecektir. Şekil 3 de, her bir iletkende (ya da lup da) 1, 2 ve 3, toprağa bağlanmış bir lupun bir bölümü olarak dikkate alınacaktır. İletken toprağa bağlanmamış ise, onun empedansı daha büyük olarak düşünülecektir. Her bir lup, bu paralel iletkenler arasında oluşan manyetik akı ve tüm luplar içinde indüklenen gerilimler ürettiğinden bir endüktif kuplajlı bir trafonun bir bölümü olarak tarif edilebilir. Sonuçlar Paragraf 6.3.1 deki olgunun tarifine göre, Endüklenen akımlara ve iletkenlerin boylarına orantılı olarak 1, 2 ve 3 no.lu iletkenlerde Endüklenen farklı gerilimler görülecektir. Bu beklenmeyen gerilimler, kişilerin emniyeti ve teknik tesisatın bütünlüğü üzerinde kritik sorunlar yaratabilir. Bu olgu “Elektromanyetik tki” olarak adlandırılır. 29 Açıklama Bir alternatif akımın bir iletkenden akması o iletken etrafında elektromanyetik bir alan oluşturur. Meydana gelen bu alan iletkene paralel diğer iletkenlerde endükleme yoluyla uçlarında gerilim oluşturur. Bu gerilime endüksiyon gerilimi denir. Akım şiddeti arttıkça manyetik alan büyür. Bu iletken yerden izole edilmişse gerilim her iki başa eşit olarak yayılır Örneğin : endüksiyon toplam gerilimi 100V ise her iki uçta 50 V gerilim görülecektir. Uçlardan bir topraklansa gerilimin tamamı diğer uçta 100 V olarak görülür. İletkenin her iki ucu topraklandığında bu noktalardaki gerilim çok küçülür ve oluşan çerçeveden bir endüksiyon akımı geçer. Endüksiyon gerilim ve akımının değeri katenerden geçen akım şiddetine katener ile o iletken arasındaki açıklığa, paralellik boyuna ve toprağın yapısına bağlıdır.(şekil 83) 30 Katenerdeki Endüksiyon Elektrikli işletme yapılan çift yoldan birinin enerjisini kesilmesi halinde diğer hat üzerinde bulunan enerjinin oluşturduğu elektromanyetik endüksiyon, enerjisi kesilen hat üzerinde gerilim oluşturur. Bu gerilim km başına 120 mV/A/km seviyesindedir. Elektrikli işletme yapılan katener hattında 200 A. çekildiğinde, 10 km’lik enerjisi kesilmiş paralel katener hattında 240VAC gerilim endüklenir. U= 0.120.10.200=240 VAC Bu katener hattı uygun topraklama çubukları ile raya bağlandığında bağlı olan bu çerçeve üzerinde bir akım akacaktır. 1 km’lik bir çalışma kısmında endükleme akımı 100A. ise oluşan sirkilasyon akımının değeri 20 A. civarındadır. 31 Topraklamada kullanılan önemli tanımlar AG YG 1. Koruma topraklaması 2.Toprak 4 5 4 4 3. Toprak yüzü 4. Topraklama iletkeni 6 4 5. Dış iletkenler 6. Nötr (N) veya PEN 7. İşletme topraklaması 8. Potansiyel düzenleyici topraklayıcılar 4 9. Temel topraklama 10. Derin topraklayıcı 7 3 2 7 8 1 9 > 20 m 10 32 POTANSİYEL DAĞILIMI UST TOPRAKLAMA GERİLİMİ UE DOKUNMA GERİLİMİ UST ADIM GERİLİMİ USS POTANSİYEL DAĞILIMI DÜZENLENMEMİŞ POTANSİYEL DAĞILIMI DÜZENLENMİŞ 1 m. 33 34 ÇUBUK TOPRAKLAYICI ÇEVRESİNDE POTANSİYEL DAĞILIMI IE V Ref.toprağa göre Elektrot gerilimi 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 L = 2 m. D= 2.5 cm. E = 10 ohm.m 25 IE = 96 A. r =Elektrotdan uzaklık φ=U-((IE.rE/2.L).Ln(4.L.r)/D(L+(r2+L2)1/2) 35 POTANSİYEL SÜRÜKLENMESİ Bu noktada kılıf topraklanmış ise en büyük dokunma gerilimi UTST UTSTE 36 SONUÇ: Yüksek hızlı tren projesi kapsamında TÜV-SÜD uzmanları tarafından önerilen Elektrifikasyon, Sinyalizasyon ve Telekominikasyon ile tüm yolboyu sistemlerinin topraklaması aşağıdaki şekilde olacaktır. 37 High speed rail Yüksek Hızlı tren hattı Fence İhata Distance 50m uzaklık 50m 70 mm2 Al It Convensional line Konvensiyonel hat Is 120m m2 Al It : traction current Metalic surface Metalik yüzey Geri dönüş akımı 3 aspect Signal 3’lü Sinyal Electrification pole Elektrifikasyon direği Is : Signal current Sinyal akımı Empedans bond OPEN LINE AÇIK HAT 38 High speed line Yüksek hızlı tren hattı Diğer Elektrifikasyon direğine Bağlanacak It is connected to other electrificaton pole 50m Fence İhata 70 mm2 Al 70 mm2 Al Point machine Makas motoru Return rail Geri dönüş rayı Herhengi bir metalik yüzey 70 mm2 Al 120 mm 2 Al Electrification pole Elektrifikasyon direği EARTHING AND BONDING IN STATION ARE İSTASYON İÇİ TOPRAKLMA 39 Yüksek Hızlı tren hattı High speed line 50 m İç topraklam a İnternal earthing Metalic dolaplar Metalic board Bara 70 mm2 Al 120 mm2 Al Role evi Relay House 35 mm2 Al 70 mm2 Al Herhangi bir metalik yüzey Konvensiyonel hat 40 TOPAKLAMA YAPILIRKEN AŞAĞIDA BAHSEDİLEN KOŞULLARIN GÖZ ÖNÜNE ALINMASI GEREKLİDİR. FOLLOWING CONDİTINS MUST BE TAKEN INTO CONSIDERTION DURING THE EARTHING AND BONDING •Topraklama Yüksek Hızlı Hattın Konvansiyonel hatta yakın olan 50m olan kısımlarda yapılacaktır. Earthing and bonding must be done the point where is 50m distance of both conventional and high speed lines to each others. •Topraklama yapıldıktan sonra ray devrelerinin çalışıp çalışmadığı kontrol edilecektir. Eğer ray devresi bir meşguliyet sezinlerse bağlantıdan vaz geçilip ilk durumuna geçilecektir. After earthing and bonding has been completed Track circuit must be checked for whether signaling system operate or not If track circuit detects any occupation earthling and bonding must be removed and system must be taken to prior position. •Ray devresinin çalıştığı testinden sonra(ilk madde) ray kırıklığı testi yapılacaktır. Ray devresi ray kırıklığını sezinleyip sezinlemediğini test etmek için empedans bondun raya bağlı uçlarından sadece teki sökülecektir. Bu durumda ray devresi meşguliyet gösteriyorsa ray kırıklığını gösteriyor anlamındadır. After track circuit operates perfectly the rail broken test will be done. In order to detect rail broken : After each one of tip of impedance bond must be removed , in that case ,track circuit able to detect that rail is broken and indicate as occupied. If track circuit able to detect rail broke ,meaning of this is track circuit detects rail broken. •Topraklama yapılacak kablonun kesiti çizimlerde gösterilmiştir. Cross-section of each cable is illustrated in drawings. •Topraklamalar açık hat istasyon içi (DC ray devresi ) ve role evinde olmak üzere 3 kısma ayrılmıştır. •Tüm bu ray kırıklığı testi Ray devresinin bakım periyotlarında tekrarlanacaktır. Ril broken tests will be done during the track circuit that maintains its operation. 41 42 TEŞEKKÜR EDERİZ Kamil GÜLTEPE Tahsin TAŞAR Ziya S. DOĞAN 43