Toprak özdirenci

TOPRAKLAMA
2017 - 1
Prof.Dr. Nurettin UMURKAN
1
ELEKTRİK AKIMININ İNSAN
VÜCUDU ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ
50 Hz alternatif akımın insan vücudundan geçtiğinde oluşan etkiler.
1 mA
Akımın hissedilme sınırı
1-5 mA Elde uyuşma hissi, kol hareketinin zorlaşması
5-15 mA Tutulan cisim bırakılabilir. Kolda kasılma, tansiyon
15-25mA Tutulan cisim bırakılamaz,(E:16, K:10.5)
25-80mA Tansiyon yükselir,kalp düzensiz, teneffüs zor,
80-100mA Kalpte fibrilasyon,şuur kaybı,
3-8 A
Tansiyon yükselir, kalp durur, akciğerler şişer
Kalp durduğu andan itibaren 4 dakika içinde
tekrar çalıştırılmaz ise beyin ölümü gerçekleşebilir.
2
Alternatif akım etkilerinin
akım/zaman bölgeleri
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.
3
Topraklama Çeşitleri
1) Koruma topraklaması
2) İşletme topraklaması
4
KORUMA TOPRAKLAMASI
Elektrik makina, cihaz ve tesislerinde
meydana gelen bir izolasyon
hatasında, dış metal gövde gerilim
altında kalır. Bu durum gerek işletme
personeli ve gerekse temas halinde
olabilecek kimseler için hayati
tehlikeye neden olur.
5
Gövde ile toprak arasında
potansiyel farkın meydana
gelmemesi için, yani gövdenin
toprağa karşı geriliminin
artmaması için dış metal gövde
topraklanır.
6
Bu durumda arızalı makinaya
temas edebilecek kişiler tehlikeli
temas ve adım gerilimlerine karşı
korunmuş olur.
7
İŞLETME TOPRAKLAMASI
Şebeke geriliminin toprağa karşı değerini
belirli bir duruma getirmek için işletme
araçlarının belirli noktaları topraklanır.
Üç fazlı 220/380 V alçak gerilim
sisteminde toprağa karşı gerilimin 250 V
‘un üzerine çıkmasına izin verilmez. Bu
durum şebekenin yıldız noktasının
topraklanması ile mümkündür.
8
9
Canlılar üzerinden geçen elektrik
akımının etkileri akım büyüklüğüne
ve etki süresine bağlıdır.
İnsan bedeninden geçecek akımın
büyüklüğü, kişinin vücut direncine,
temas noktalarının özelliklerine ve
alternatif akımda frekansa bağlıdır.
10
•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.
11
•Ortalama olarak insan vücudu
direnci 2500 ohm alınıp, insan için
tehlikesiz akım 20 mA alınırsa
50 volt ’luk bir temas gerilimi sınır
değer olarak kabul edilebilir.
•Yüksek frekanslı akımlarda vücut
direncinin artması sebebi ile,
tehlikenin azaldığı söylenebilir.
12
Maksimum dokunma gerilimi, Udmax
165  0,25
Udmax 
t
 : Toprağın özdirenci (ohm.m)
t: Arıza akımının akma süresi
(maksimum röle açma süresi) (s)
13
14
Topraklamaya İlişkin Tanımlar
Toprak: Yeryüzünün madde ve yer olarak ifadesidir.
Referans toprağı: Topraklayıcıdan yeterince (~20 m)
uzakta bulunan, topraklama tesisinin etki alanı
dışında kalan ve potansiyelin sıfıra eşit olduğu kabul
edilen yeryüzü bölümüdür.
Topraklama iletkeni: Topraklanacak bir işletme aracı
veya tesis bölümünü topraklayıcıya bağlayan
toprağın dışında, ya da yalıtılmış olarak toprağın
içinde çekilmiş bir iletkendir.
Topraklama barası: Birden fazla topraklama
iletkeninin bağlandığı bir topraklama iletkenidir.
15
Topraklama tesisi: Birbirine iletken olarak
bağlanan ve sınırlı bir alan içinde bulunan
topraklayıcılar ya da aynı görevi yapan metal
parçalar ve topraklama iletkenlerinin tümüdür.
Topraklamak: Elektriksel bakımdan iletken bir
parçayı bir topraklama tesisi üzerinden toprağa
bağlamaktır.
Topraklama: Topraklamak için kullanılan araç ve
düzenlerin tümüdür.
Topraklayıcı(topraklama elektrodu): Toprağa
gömülü ve onunla iletken bir bağlantısı olan
iletken parçalardır.
16
17
18
19
20
21
Belirli bir temas geriliminde insan
vücudundan akan akım şiddeti, insan
vücudunun iç direnci ile, ellerde veya
ayaklarda temas noktalarındaki geçiş
dirençlerinin toplamına bağlıdır.
22
Rk- Koruma topraklaması ; Ri- İnsan vücudunun direnci
Rge- Elden geçiş direnci ; Rt- Ayaktan geçiş direnci
Utk- Topraklayıcı gerilimi ; Uts- İnsan temasında temas gerilimi
Ik- Bir faz toprak kısa devre akımı ; Ii- İnsandan geçen akım
23
It- Toprak akımı ; Toplam yayılma direnci : Rt = Ry
Rt = Rt1 + Rt2
Temastan önceki temas gerilimi;
U tk
Rt1
 Rt1 U tk 
Ute = Ik . Rt1 =
Rt
Rt1  Rt 2
=
İnsan vücudunun temas ettiği yerde
hata akımı iki kola ayrılır. İnsan
vücudundan geçen akım Ii ise, buna
göre direk üzerinden geçen akım;
It = Ik – Ii
24
Paralel akım kollarındaki
akımlar, kolların dirençleri
ile ters orantılı olduğundan;
It

Ii
Ri 
R ga
Rt1
İnsan
vücudundan
geçen akım
2
Ik  Ii

Ii
Ri 
Rga
2
Rt1
Rt1
Ii  Ik 
Ri  R ga
2  Rt1
25
İnsan vücudunun
temas gerilimi,
U ts  I i  Ri
Ri  Rt1
U ts  I k
Ri  R ga
Ri
U ts  U te 
Ri  R ga
2  Rt1
2  Rt1
26
Ri = 0 ise bu durum, direğe
dokunan bir insanın iletken bir
kıyafet örneğin madeni bir zırh giymesine
eşdeğerdir. Bu durumda Uts=0 olur ve bir
tehlike söz konusu olmaz.
27
Ri = ∞ ise bu durumda insanın vücut
direnci sonsuzdur.
Temas gerilimi, Uts = Ik . Rt1 = Ute olur.
Fakat bu durumda insan üzerinden akım
geçmeyeceği için bir kaza olmaz.
28
Rga = 0 ise söz konusu insanın bastığı
yer ıslaktır veya ayakkabılarının tabanı
madenidir. Ayrıca Ri >> Rt1 olduğundan
Ri yanında Rt1 ihmal edilerek temas
gerilimi Uts = Ik . Rt1 = Ute değerini alır.
Zeminin ıslak olması, temas geriliminin
büyük ve tehlikenin daha fazla olmasına
yol açar.
29
Rga = ∞ ise bu durum, insanın ayak
bastığı yerin yalıtılmış olmasına karşılık
düşer. Buna göre Uts = 0 olur. Ayak
basılan yerin uygun bir şekilde
yalıtılması ile temas gerilimlerine karşı
bir koruma sağlanmış olur.
30
Rga = 0 ve Rt1 = 0 ise, yani ayak basılan
yer iletken olup topraklayıcı ile ve
topraklanacak kısımla bağlanmıştır. Bu
koşullar altında insan vücudunun
direnci kısa devre edilmiş olduğundan
Ri = 0’dır. Uts= 0 olduğundan bu durum
ideal topraklamaya karşılık düşer.
31
32
33
Toprak özdirenci,  (ohm.m)
Yayılma direnci, Ry (ohm)
Topraklama direnci, (Ry+Riletken)(ohm)
Toplam topraklama direnci (ohm)
Topraklama empedansı, Zt (ohm)
Darbe topraklama direnci, Rd (ohm)
34
Topraklama gerilimi, Ut: Bir topraklama
tesisi ile referans toprağı arasında oluşan gerilimdir.
Dokunma gerilimi, Ud: Topraklama geriliminin, insan
tarafından köprülenen bölümüdür. Bu durumda insan
vücudu üzerindeki akım yolu elden ayağa (dokunulan
yere yatay uzaklık yaklaşık 1 m) ya da elden eledir.
Adım gerilimi, Ua: Topraklama geriliminin insanın 1
m'lik adım açıklığı ile köprülendiği bölümüdür. Bu
durumda insan vücudu üzerindeki akım yolu ayaktan
ayağadır.
35
Hata gerilimi, Uh: İnsanlar tarafından dokunulabilen ve işletme akım
devresine ilişkin olmayan iletken bölümler arasında ya da böyle bir
bölüm ile referans toprağı arasında oluşan gerilimdir.
Potansiyel dağılımı: Topraklanmış bir işletme aracında bir hata
sonucunda bir gövde kısa devresi baş gösterdiğinde referans
toprağından başlayarak ölçülmek üzere söz konusu işletme aracına
doğru yeryüzünde potansiyelin dağılmasıdır.
Potansiyel düzenlenmesi: Adım ve dokunma gerilimlerini küçültmek
için potansiyel düzenleyici topraklayıcılar yerleştirerek potansiyel
dağılımını düzenlemektir.
Potansiyel dengelemesi: Potansiyel farklarının ortadan kaldırılmasıdır.
36
Topraklayıcı Çeşitleri
Topraklayıcı (topraklama elektrodu)
Yapay Topraklayıcılar
Konuma göre
Biçime göre
Yüzeysel
topraklayıcı
h<1 m
Şerit
Örgülü iletken
Çubuk
Profil (L, T, X, U)
Boru
Levha
Halka
Gözlü (ağ)
Derin
topraklayıcı
h>1 m
Doğal Topraklayıcılar
Metal su boruları
Bina demirleri
Raylar
Koruma hatları
Kablo metal mahfazaları
37
a) Yapay topraklayıcılar:
Ana amacı topraklama olan metal parçalardır.
1) Konuma göre:
Yüzeysel topraklayıcı: Genel olarak 1 m'den az bir derinliğe
yerleştirilen topraklayıcılardır. Levha, şerit, yuvarlak çubuk ya
da örgülü iletkenler ile yıldız, halka, gözlü topraklayıcı ya da
bunların karışımından oluşan topraklayıcılar, yüzeysel
topraklayıcılardandır.
Derin topraklayıcı: Genellikle düşey olarak 1 m'den daha
derine yerleştirilen topraklayıcıdır. Levha, boru, yuvarlak çubuk
ya da diğer profil çubuklar derin topraklayıcı olarak kullanılır.
38
2) Biçim ve profile göre:
- Şerit topraklayıcı
- Örgülü iletkenden topraklayıcı
- Çubuk topraklayıcı
- Profil topraklayıcı
- Boru topraklayıcı
- Levha topraklayıcı
- Halka topraklayıcı
b) Doğal topraklayıcı: Ana amacı topraklama olmayan fakat
topraklayıcı olarak etkili olan metal su boruları, bina demirleri,
raylar, koruma hatları ve kablo metal mahfazaları gibi metal
parçalardır.
39
40
Topraklayıcı çapı: 2 cm ; Boyu: 3,5 m; Gömme derinliği: 0,6 m
Toprak özdirenci: 100 ohm.m
41
42
43
44
45
IEEE Std 80-2000
46
IEEE Std 80-2000
47
IEEE Std 80-2000
48
TOPRAĞIN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ
Toprak özgül direncini etkileyen faktörler
Toprağın nemlilik oranı
Toprağın kimyasal içeriği (tuz oranı v.s.)
Toprağın sıcaklığı
49
Toprağın niteliği
Bataklık
Balçık, mil
Humus
Nemli turbo
Plastik kil
Marnlar ve sıkışık kil
Jurassik marn
Killi kum
Silisli kum
Çığlak taşlı toprak
Çimle kaplı taşların bulunduğu toprak
Gevrek kalker
Sıkışık kalker
Şist
Mikaşist
Granit ve kum taşları
Bozulmuş kum taşları ve granit
Özgül Direnç(ohm.m)
birkaç-30
20-100
10-150
5-100
50
100-200
30-40
50-500
200-3000
1500-3000
300-500
100-300
500-1000
50-300
800
1500-10000
100-600
50
Nem
oranı
(%)
Özgül
direnç
(Ω.m)
0
2.5
5
10
15
20
30
 10 7
1500
430
185
105
63
42
Eklenen
tuz oranı
(%nem;15.2)
Özgül
direnç
(Ω.m)
0
0.1
1.0
5
10
20
105
18
4.6
1.9
1.3
1
Sıcaklık
(‘C)
20
10
0 (su)
0 (buz)
-5
-15
Özgül
direnç
(Ω.m)
72
99
138
300
790
3300
51
Toprak Özgül Direncinin Ölçülmesi
Wenner dört elektrot yöntemi
U
  2a  2a R
I
: Toprak özdirenci (ohm.cm);
a: Elektrotlar arası uzaklık (cm);
U: İç elektrodlar arasındaki potansiyel fark (mV);
I: Dış elektrodlardan geçen akım şiddeti (mA);
R: Aletten doğrudan okunan dirençtir (ohm).
52
Wenner dört elektrot yöntemi
~
Akım kaynağı
A
V
C1
Akım
elektrodu
P2
P1
a
a
a
Potansiyel
elektrodu
C2
Potansiyel
elektrodu
Akım
elektrodu
 10 mm
200-300 mm
Akım-potansiyel
elektrodu
(çelik)
53
54
55
56
57
Topraklama tesislerinde denetim, yoklama ve ölçme
58
Toprak özdirencine bağlı olarak
toprağın korozyon etkisi
Toprak özdirenci,  (ohm.m)
< 10
10 - 30
30 - 100
> 100
Toprağın korozyon etkisi
Çok korozif
Korozif
Orta korozif
Az korozif
59
60
Yayılma Direncinin ve Topraklama Empedansının Ölçülmesi
Akım kaynağı
~
A
E (C1 +P1)
Topraklayıcı
V
> 20 m
P2
Potansiyel
elektrodu
C2
Akım
elektrodu
> 40 m
61
62
Topraklayıcı
> 20 m
Gerilim
Sondası
Akım Sondası
> 20 m
63
64