orta gerilimli şebekelerde

1
ORTA GERİLİMLİ ŞEBEKELERDE
NÖTR TOPRAKLAMASI
1) GİRİŞ:
Şebekelerde proje dizaynında, uygun bir nötr topraklama sistemi
seçilmelidir. Nötr noktaları, ya yalıtılır ya da toprağa bağlanır.
1.1- Nötr Noktası Yalıtılırsa;
1.1.1-
Toprak temaslı arızalarda, doğruda açma olmaz ve işletmenin
kesintisiz olarak devamı sağlanır.
1.1.2-
Yalıtılmış şebekeler de, teçhizatın toprağa göre kapasitesi önem
kazanır. Şebekede oluşacak toprak temaslı arızalarda geçecek olan kapasitif
arıza akımının, insan hayatını tehlikeye sokmayacak derecede olması ve
şebekenin buna göre dizaynı gerekir. Ayni zamanda teçhizata da zarar
vermemelidir.
1.1.3-
Arızalarda, zararlı seviyede geçici aşırı gerilimler oluşmamalıdır.
1.1.4-
Teçhizat yalıtım seviyesi, yüksek düzeyde olmalıdır.
1.1.5-
Yakın bir gelecekte, aşırı gerilimlere karşı koruma zorunlu olacaktır.
1.1.6-
Toprak
arızalarına
karşı
seçici
bir
koruma
yapmak
zor
ve
karmaşıktır.
1.2.
Nötr Noktası Topraklanırsa;
1.2.1-
Toprak arızalarında, doğrudan ve seçici bir açma sağlanır.
1.2.2-
Aşırı gerilim seviyesi düşüktür.
1.2.3-
Özellikle kablolar için, yalıtılmış sisteme göre daha düşük değerde
bir yalıtım seviyesi ön görülür.
2) TOPRAKLAM:
Şebekede nötr noktalarının toprağa bağlanmasında, şu üç noktanın
sağlanması istenir.
2.1- Sönümlü aşırı gerilimleri, yeterli düzeyde tutmak,
2.2- Toprak arızalarının neden olduğu teçhizat hasarlarını sınırlamak,
2.3- Basit ve seçici korumayı sağlamak.
2
2.4- Topraklama çeşitleri;
Nötr noktasının toprağa bağlantısı, üç şekilde yapılır:
2.4.1-
Doğrudan topraklama;
Aşırı
gerilimleri
sınırlama
yönünden
en
uygun
bir
topraklama
metodudur. Seçici bir koruma sağlanır ve uygulamada zorluk arz etmez.
Bununla birlikte; büyük arıza akımları oluşur. Teçhizata zarar verir. Arızanın
devamı süresince, insan hayatı için tehlikelidir. Bu nedenle yüksek gerilimli
şebekelerde kullanılmaz.
2.4.2-
Reaktör üzerinden topraklama;
Reaktör üzerinden iki çeşit topraklama dizayn edilir:
a)
Peterson bobini ile topraklama: Bazen yüksek gerilimli şebekelerde
uygulanır.
Endüstriyel tesislerde ise nadiren tesis edilir. Toprak koruma röleleri,
rezidüel akıma karşı hassastır ve seçiciliği sağlamak için kullanılmalıdır.
b) Akım sınırlayıcı reaktanas;
Yapılan araştırmalarda, reaktans üzerinden
yapılan
topraklamaların, tehlikeli boyutlarda geçici aşırı gerilimlere neden
olabileceği neticesine varılmıştır.
Bunun için küçük değerli empedans kullanılabilir.
c)
Omik direnç üzerinden yapılması, çok uygulanan faydalı bir
metottur. Reaktör veya direnç arasında bir seçim yapmak; şebekenin
gerilim seviyesi, yapısı ve yüklerin özelliği gibi faktörlere bağlıdır.
Birincisi, aşırı gerilim sorununa uygun bir maksimum empedans tespit
etmek, ikincisi ise, alıcı yükleri ve şebekenin uygunluğunu araştırmak
gerekir.
3) TOPRAKLAMANIN AŞIRI GERİLİMLERE ETKİLERİ:
3.1- Akım sınırlayıcı reaktör üzerinden topraklama durumu;
3
Nötr
noktasını
bir
reaktör
üzerinden
toprağa
bağlanması
neticesinde; şebekeyi, arızalarda oluşacak aşırı gerilimlerin etkisine karşı
korunmasında;
3.1.1- Reaktanstan geçen akım (I0.W) (toprak akımı),
3.1.2- Şebekenin, üç fazlı arızalara karşı gösterdiği reaktans (WL) olsun.
Faz-toprak arızasında oluşan geçici aşırı gerilimin önlenmesi;
a)
I
V
1

. 0 radyal şebekede kablolarda,
V
2 L
b)
V 1 I O
 .
V
2 L
diğer teçhizat için geçerlidir.
Pratike; faz-toprak arıza akımının değeri, üç fazlı arıza akımının %10
değerine sınırlandırılır.
3.2.- Nötrün direnç üzerinden topraklanma durumu;
Hidrolik santrallerden beslenen şebekelerde; (  ) direncinin değeri;
U2
toplam aktif güç kaybına göre tespit edilir. Aktif güç kaybı;
, raktif güç
3
ise; 2C WU2’dir.
U2
 2CwU 2' den (faz-toprak arızasında) bağıntıdan faz-toprak arıza akımının
3r
U ( faz  faz)
U
değeri;
ve topraklama direncinden geçen akım için; 3Cw 
den
3
3
kapasitif akım (IC) olsun.
I L  2 I c olmalıdır. Kabloların kapasite değerleri, cedvellerden alınmalıdır.
4) Şebekedeki Etkiler;
Yukarıdaki kriterler, faz-toprak akımının arıza akımının alt sınır değerleri
için verilmiştir. Üst sınır değerlerinin tespitinde ise; arıza akımlarının
özellikle kablo akımlarına zarar vermemesi için, gerekli değerleri kontrol
4
edilir.
Kablo
ekranlarının
maksimum
dayanım
akımları
genelde,
(500+3000)A’re 1 sn. dayanması kriteri göz önüne alınır ve kullanılır.
5) Alıcı Yükler Yönünden;
3-15 kV. Arasındaki şebekelerde, dönen makinelerin madeni
aksamının zarar görmemesi için, faz-toprak arıza akımlarının (20 A)
değerini geçmemesi kriteri konulabilir.
6) AR+ZA AKIMLARININ HESABI
(Şekil-1) Y.G./O.G. indirici trafodan beslenen ve özellikle (C) toprağa göre
kapasite değerleri etkili olan bir kablo şebekesinde, fiderlerin birinde oluşan
toprak temaslı arızada, arıza akımlarının dağılışı gösterilmiştir. Burada;
1 Z  9 : nötr. topraklama empedansı, (süseptans) 1 ohm
CD: Arızalı fiderin her fazının toprağa göre kapasitesi, (Farod)
CS : Sağlam fiderin her fazının toprağa göre kapasitesi (Farod)
C=  C S : Şebekenin toprağa göre toplam kapasitesi (Farod)
E : Şebekenin faz-nötr gerilimi, (volt)
VN: Nötr noktasının toprak potansiyeli, (V)
IN : Nötr akımı (A)
ID : Arıza yerinden dağılan, omik ve kapasitif karakterli toplam arıza
akımı,
I  D : Arıza fiderin jor tipi akım trafosundan geçen atıza akımının parçası,
I
S
:
Sağlam fiderlere ayrılan toplam rezidüel kapasitif akımdır. Ayni
zamanda sempati akımı da denilir. Sağlam fider veya fiderlerin toprak
rölelerini çalıştırabilir.Arıza yerindeki temas direnci sıfır kabul edilerek;
VN= -E ( Faz-nötr ger.)
5
Arıza yerindeki temas direncinin sıfır akımının endüktif veya omik
bileşen değeridir.
Bağıntılar:
1

( A) I D    3 jwc .E (V )
Z

 AI rD   1  3 jwC  Co .E (V ) ve
2

 AI rS  3 jwCS .EV  olarak yazılır.
7) TOPRAK KORUMA SİSTEMİ
Nötrün bir empedans üzerinden topraklanması, faz-toprak arızalarına
karşı bir korumadır. Genelde görüleceği gibi, büyük arıza akımlarını
algılamak, küçük arıza akımlarını algılamaktan daha kolaydır.
Toprak arızalarında, rölelerin seçicili çalışmaları için, şebekenin diğer
kısımlarında da nötr noktalarının topraklanması önerilir. Faz-toprak arıza
akımları, toprak röleleriyle iki şekilde algılanarak teçhizat korunur.
7.1- Tor tipi akım trafosu kullanılarak, faz akımlarının fazör toplamı
alınır. Toprak arızası yoksa, akımların toplamı sıfırdır. Bu dizayn şekli hassas
ve kesindir.Sadece kablolarda uygulanır, bara ve havai hatlarda kullanılmaz.
7.2- Üç adet akım trafosunun kullanılması, yaygın ve sık yapılan bir
uygulamadır.Ancak özellikle geçici rejimlerde oluşan dengesizlikler, akım
trafo ünitelerinin manyetik yapı farklılıkları ve doymaya geçme durumlarında,
hassas ve kesin ölçme yapılamaz.
7.3- Toprak koruma ayarı;
Toprak korumanın ayarının seçiminde; doğruluk ve seçicilik göz önüne
alınmalıdır.Toprak
sekonder
akımının
akımlarının
algılanmasında,
toplamı
üç
kullanılıyorsa;
adet
akım
özellikle
trafosunun
akım
trafosu
ünitelerinin doyması durumunda, faz-toprak arızası olmamasına rağmen,
sekonder devrede rezidüel akım (nötr akımı) oluşacaktır. Doyma olayı, arıza
üzerine kapatmalarda veya yük altında güç trafolarının devreye alınması
anındaki geçici rejimler ve içindeki O.A. bileşeni nedeniyle, akım trafolarının
lineerliğinin bozulması neticesinde oluşur. Ve sekonder akımlarının fazör
olarak toplamının sıfırdan farklı olmasını sağlar.Geçici rejimde oluşan doyma
olayındaki akımın pik değeri, on katına kadar çıkabilir. Bu sebepten dolayı, üç
akım trafosu kullanılarak elde edilen toprak koruma sisteminde, geçici
rejimlerin yarattığı olumsuzlukların önlenmesinde bir zaman gecikmesi
olmalıdır.
6
7.3.1- Toprak rölesinin akım ayar tepi, akım trafosunun nominal
sekonder akım değerinin %6 sından büyük, olmalıdır. Önerilen en uygun ayar
(%15-%20) In’ dir. Örneğin; ISn=5 A için röle akım tepi;
I Ç  0,75  1,0A. seçilmesi uygundur.
Bununla birlikte, güç trafosunun yıldız sargısının nötrüne yakın bir
noktada oluşacak bir faz-toprak arızasında, arıza akımının değeri küçük
olacaktır.
Bu nedenle; toprak rölesinin akım tepi, genellikle, empedans tarafından
sınırlandırılan maksimum akım değerinin %20 sine ayarlanır. Bu şekilde
sargının da %80 ni korunmuş olur. Örneğin, sınırlandırılmış faz-toprak arıza
200
akımı 1000 A ise, nötr empedansı üzerindeki toprak rölesinin ayarı;
A.T .O
göre yapılmalıdır.
7.3.2- Özellikle kapasitif (sempati) akımlarının göz önüne alınacak
seviyede
olması
durumunda,
fiderlerin
birinde
oluşacak
faz-toprak
arızasında, kapasitif akımların, sağlam fiderlerin toprak rölelerini gereksiz
yere tetiklememesi için, sağlam fiderin toprak rölesinin akım tepinin değeri;
bu fiderden akacak kapasitif akım değerinden %30 daha fazla seçilmelidir.
7.3.3- Bu arada şebekede akacak olan ve özellikle 3 üncü harmonikleri
de hesaba katmak mümkün olabilir. Bu harmonikler, birbirleriyle ayni fazda
oldukları için toplamının üç katı olarak yıldız nötründen akarlar. Arızasız ve
kararlı halde şebekede 3 ncü harmonikler üretilebilir. Netice olarak; trafonun
nötr empedans rölesi ile fider toprak rölelerinin seçici bir koordinasyonu
yapılmalıdır. Fider arızalarında, trafo servisten çıkmamalıdır.Bu koruma
emniyeti, insan hayatı yönünden değildir. O.G. Şebekelerde bu tip bir koruma
dizaynında nötr noktasının bir omik direnç üzerinden topraklanması,
diğerlerine göre daha uygun olacaktır.
7
8- DİRENÇ ÜZERİNDEN TOPRAKLAMADA AKIM PARAMETRELERİ
8.1- Nötr. direncinden geçen maksimum fa-toprak arıza akımı
U ( fazarası)
dir. (R>>Xtr. Kabulü ile)
IR 
3.R
(A) IR= Faz-toprak arıza akımının omik bileşen değerlidir. Faz-nötr.
gerilimi ile ayni fazdadır.Arıza akımının kapasitif karakterde olmaması
gerekir. (Aksi halde arıza yerinden kapasitif görünen şebeke, faz-toprak
arızalarından zararlı boyutlarda geçici aşırı gerilimler oluşabilir.)
8.2- Bu kriteri sağlamak için; I R  I C olmalıdır. Uygun emniyetli değer
için alınırsa, aşırı gerilimlerin zararlı seviyesi bastırılmış olacaktır.
8.3- I R rezistans arıza akım bileşeninin değeri, kablo ekranlarına zarar
vermeyecek şekilde ve maksimum arıza akımının değerlerinden daha küçük
olmalıdır. Bu değerler, kablo kesitine bağlı olarak, normalde (500…3000)A
dır.
8.4-
Eğer
şebekede
Y.G
li
motorlar
varsa,
5 A  I R  20
A. önerilir. Ancak, bu değerler, (8.3) de belirtilen kriterle uyuşmuyorsa, I R
50 A. re kadar olabilir.
8.5- Alıcıdaki yükler yönünde iyi bir koruma sağlayabilmek için, röle
ayarlarının eşik değerleri, I  0,2.I L olmalıdır.
8.6- Fiderin birinde oluşacak faz-toprak arızasında, dağılan kapasitif
(sempati) akımları nedeniyle, sağlam Fiderlerin toprak korumadan açmaması
için, I  1,3.I c olmalıdır. I r : Sağlam Fiderin toprak rölesinin akım tepi,
ise,
aynı Fiderin normal şartlarda toprağa göre kapasitif akım değeridir.
8.7- Fiderlerin toprak röleleri, üç akım trafosunun sekonder devredeki
toplamıyla ölçülüyorsa, Fiderin toprak rölesinin akım tepi, I  0,06.I n
olmalıdır. Is : Akım trafosunun sekonder nominal akımıdır. ( Is : 5 A için
I  5.0,06  0,3 A .dır.)
8
8.8- Nötr ile toprak arasına bağlanan direnç, maksimum faz-toprak
arıza akımına, termik yönden dayanmalıdır.Arıza temizlenme zamanı (11,5)sn. arasında önerilir. Veya direncin zarar görmemesi için, daha hızlı
şekilde, arıza temizlenmelidir.
9- NÖTR NOKTASININ TOPRAKLAMA ŞEKİLLERİ
Nötr noktasının bir omik dirençle topraklanmasında, şu dizayn şekilleri
ve teçizat kullanılır.
9.1- Doğrudan dirençle toprak bağlantısı:
9.1.1-(Şekil-2a) nötr.noktası (R) direnci üzerinden
topraklanmıştır.
9.1.2-(Şekil-2b)
nötr.
noktası,mono-fare
bir
trafo
üzerinden topraklanmıştır.Trafonun sekonderi, eşdeğer
bir   direnciyle kapatılmıştır. Eğer, bu şekilde birden
fazla generatör veya güç trofosu varsa, bütün nötr.
noktalarının müşterek olarak tek bir direnç veya trafo
üzerinden toprağa bağlanması önerilmektedir.
Bu
bağlantı
şekli,
daha
çok
generatörler
de
uygulanmaktadır. Ayrı direnç kullanılması durumunda, bir
faz-toprak
oluşacak
arızasında,
ve
trafoların
şebekede
değişik
dirençlerinden
farklı
kaynaklar
akımlar
geçecektir.
9.2- Nötrün suni topraklanması:
9.2.1- Trafonun sekonder sargısı üçgen ise; (Şekil-3)
yıldız-üçgen bağlı bir topraklama trafosu kullanılır.
Faz-toprak arızalarında, toprak akımları, ana trafo sargısı
yerine bu topraklama trafosundan geçerek, seçicilik
sağlanır. Yalnız, trafonun buna göre dizayn edilmiş olması
gerekir.
9.2.2- Nötr direnci yerine (Şekil-4) gibi bir topraklama trafosu kullanılarak,
sekondere bağlanan   kapatma direnci, primer devrede fiktif (hayali) olarka
bir nötr direnci yaratır. Her iki durumda da topraklama trafoları, O.G.
baralarına bağlanır.
9.2.3- Zig-zag sargı ile topraklama;
Trafo sekonder sargısı üçgen ise; O.G.
barası (Şekil-5) gibi, zig-zag bir trafo
üzerinden ve maksimum faz-toprak arıza
akımlarının
100A.
sınırlandırılması
halinde
üzerinden topraklanır.
in
üzerinde
bu
taçhizat
9
9.2.4- O.G. üçgen olan güç trafosundan
Beslenen baroya (Şekil-6) gösterildiği gibi,
dizayn edilen bir topraklama trafosu
konulduğunda;
toplam
topraklama
empedansı,
  JwL  Z eğer;
  2wL ise, empedans, omik diranç olarak
kabul edilecektir.
10- ŞEBEKENİN KAPASİTANS DEĞERLERİNİN HESABI
Kablo şebekelerinde, kabloların kapasitans değerleri, dizayna bağlıdır.
10.1- Tek damarlı kablo; (mono-faz)
İletkenin etrafı, ekranla sarılmıştır. (C) Kapasitans değeri; iletken ile
topraklanmış ekran arasında ölçülür.
10.2- Her damarı ayrı ekranlı üç fazlı kablo;
Her damarın (c) kapasitansı, her bir iletkenle,
topraklanmış ekranı arasında ölçülür.
10.3- Kuşaklama üç fazlı kablo;
(Şekil-7) Şematik olarak gösterilmiştir.Üç iletken damar, tek ekranla
kuşatılmıştır. Her bir iletkenin toprağa göre olan (C) kapasitansı ve
iletkenler arasında da (K) Kapasitansı vardır.
10
10.4- Kapasitansların hesabı;
10.4.1-Mono-faz ve her damarı ayrı akranlı olan kabloların kapasitansları
arasında belirsizlik yoktur.(C) fazile toprak arasındaki kapasitanstı.
Sistemde, arızasız ve normal işletme koşullarında, V(faz-nötr) geriliminin,
fazla toprak arasında akıttığı Ic kapasitif şarj akımı tanımlanmıştır. Şebeke
U ( fazaras)
frekansında olmak üzere; I C  W .C.V  W .C.
dür.Kapasitif yük, üç
3
fazlı ve dengelidir.
Şebekenin koruma sisteminde ve işletmede anormallik yaratmaz. Buna
kapasitif şarj akımı adı da verilir.
10.5- Pratikte;
Kablo imalatçıları, yıldız bağlı duruma göre şu şartlara göre
verilmektedir.
10.5.1- Her biri ayrı ekranlı kablolarda (C) kapasitansı,
10.5.2-
Kuşaklı kablolarda (3K+C) kapasitansı, (C) değeri normalde
verilmez. Ancak istek durumunda, üç test neticesine göre şöyle verilir;
a) (C1) Kapasitans değeri;
İletkenle,ekranlanmış diğer iletkenler arasında ölçülür.
C1=2K+C
b) (C2) Kapasitans değeri;
Üç iletkenle ekran arasında C2=3C dir.
c) (C3) Kapasitans değeri;
İki iletkenle, ekrana bağlanmış üçüncü iletken arasında ölçülür.
3K  C
C3 
Böylece, C2 kapasitansının değeri, doğrudan doğruya
2
C
C  2 bağıntısından elde edilir.
3
Kaynak: Neutral Earthing in an industrial HV Network no:62
SCHNEİDER ELECTRİC Merlin GERİN
11
11- EK BÖLÜM
Bu uygulama örneği, notu hazırlayan tarafından verilmiştir.(Şekil-8)
11.1- 34,5 kV. Baroda oluşacak
Faz-toprak arızasında;
a) Nötr direncin rezistif arıza
akımının bileşeni;
20000
IN  
 1000 A.
20
b) Şebekeye dağılan toplam kapasitif
arıza akımının bileşeni; Fiderler
240mm2 XPLE kablosu olsun.
Ct  0,227.10 6 F km dir.
Toplam uzunluk Lt=5+3+2=10 km. dir.
I D (toplam)  3.314.10.0.227.10 6.20000  428 A çıkar.
Toplam kapasitif arıza akımının fiderlere dağılışı;
I rD1  3.314.5.0,227.10 6.20000  214 A
I rD2  3.314.3.0,227.10 6.20000  128 A
I rD3  3.314.2.0,227.10 6.20000  86 A dir.
12
c) Aşırı gerilimleri sınırlamak için; I R  2I c kriterine göre: I R  1000 A ve
 428A. idi. 1000>2.428=856 A. olup uygundur.
Ic
D 
11.2- Toprak rölelerinin ayar değerleri:
a) Nötr direncinin toprak rölesinin akım tepi, I r  0,2.I R den; I rp  200A.
p
olmalıdır. A.T.O= 1000/5 seçilirse; sekonderde rölenin tepi;
0,3  I röle  1A. olmalıdır. Ortalama 0,5 A. seçilebilir.
b) Fider toprak rölelerinin ayarı;
Fiderlerde oluşacak fa-toprak arızalarında, sempati akımlarından dolayı,
sağlam fiderlerin toprak korumadan açmaması için, I  1,3.I c kriterinden
gidilerek;
b.1- Fider-1 için ID1  214 A.
b.2- Fider-2 için ID 2  128 A.
b.3- Fider-3 için ID3  86 A. bulunmuştur.
Primer faz-toprak arızaları için,
I 1  1,3.214  280 A.
I 2  1,3.128  167 A. ve I 3  1,3.86  112 A. dir.
Fiderlerin A.T.O. = 500/5 alınırsa;
Toprak rölelerinin akım tepleri,
1nci fiderde  2,8 A. 2nci fiderde  1,67 A. ve 3ncü fiderde  1,12 A. seçilmelidir.
c) Toprak rölelerinin tip seçimi ve trip zamanı;
Nötr direnciyle yapılan sınırlama ile fa-toprak arıza akımının rezistif
bileşeni sabit bir değerdedir. Bu sebeple, fider ve nötr direnç toprak
rölelerinin sabt zamanlı seçilmesi uygundur. Fider toprak röleleri için
t=0,5sn, nötr. direnci toprak rölesi için de t=1 ̴1,5sn. seçilmesiyle, seçicilik
sağlanmış olacaktır.