Enerji İletim Sistemlerinde Topraklamalar / Prof. Dr. Selim Ay (86069)

ÖNSÖZ

Ülkemizdeki enerji iletim sistemleri; 154 kV-400 kV gerilimli enerji iletim hava hatları, enerji iletim yeraltı ve denizaltı kabloları ile 154 kV-400 kV gerilimli transformatör (şalt) merkezlerinden oluşmaktadır. Enerji iletim sistemlerinin işletmesinden sorumlu kamu kuruluşu olan Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi’nin (TEİAŞ) 15 Eylül 2023 tarihinde web sayfasında açıkladığı son verilere göre, ülkemizin santral kurulu gücü 105,481.92 MW, iletim hattı uzunluğu 73,832 km ve transformatör merkezi sayısı 789 adettir.
Önceki yıllarda yayımlanmış olan ENERJİ İLETİM SİSTEMLERİ (Cilt 1, Cilt 2/Kısım 1,
Cilt 2/Kısım 2, Cilt 3/Kısım 1, Cilt 3/Kısım 2, Cilt 4, Cilt 5, Cilt 6) kitap serisinde
enerji iletim sistemlerinin değişik alanlarına yönelik konular ele alınmıştı.
Bu kitapta ise, enerji iletim sistemlerinde gerek transformatör merkezlerinde gerekse kafes direklerde, çok kısa süreli (ms veya μs) ancak büyük genlikli (kA) akım geçişleri sırasında ortaya çıkacak aşırı gerilimlere karşı can ve mal güvenliğini korumak için büyük öneme sahip olan “topraklama sistemleri” teori, tasarım ve işletme yönleri ile ele alınmıştır.
Kitabın hazırlanmasında, öncelikle 2022 yılında yayımlanmış olan “TEİAŞ Topraklama Sistemi Şartnamesi (TEİAŞ TSŞ)” esas alınmış, ayrıca çok sayıda Türkçe ve yabancı kaynaktan yararlanılmıştır; kitabın sonunda çok geniş KAYNAKLAR listesi verilmiştir.
Elektrik Tesislerinde Proje Yönetmeliği gereği ülkemizdeki topraklama projelerinin hazırlanmasında “IEEE Std. 80” kullanılmaktadır. Kitapta IEEE Std. 80’in 1976, 1986, 2000, 2013 sürümlerinden en güncel olanı göz önünde bulundurulmuştur. Ayrıca Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği, IEEE Std. 81, IEEE Std. 142, TS IEC 60479-1, BS 7430, DL/T 621, IS 3043, EREC S34 gibi dokümanlardan da yararlanılmış ve alıntılar yapılmıştır.
Literatürdeki transformatör merkezlerinin ve kafes direklerin topraklama dirençlerinin hesabında kullanılan tüm analitik, ampirik, yarı-ampirik bağıntılar kitapta yer almaktadır. Ayrıca toprak öz direnci (Ω.m) ve topraklama direnci (Ω) ölçme yöntemleri de ayrıntılı olarak incelenmiştir. Özetle enerji iletim sistemlerinde topraklamalara yönelik Standart, Teknik Şartname, tasarım ve işletme konularına kitapta yer verilmiş bulunmaktadır.
Kitabın 4. Bölümünde 147 adet çözümlü problem verilmiştir.
Kitabın 5. Bölümünde ise çeşitli ülkelere ait 11 adet örnek topraklama projesi yer almaktadır.
Kitabın; enerji iletim sistemlerinde topraklama içerikli ders ve/veya tez konusu alan Elektrik Mühendisliği, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Lisans ve Lisansüstü öğrencilerine, TEİAŞ işletmelerinde çalışan mühendislere yararlı olmasını dilerim.
Selim AY
15 Eylül 2023
YTÜ, Davutpaşa

İÇİNDEKİLER

ÖNSÖZ .................................................................................................................................... vii
SEMBOL LİSTESİ ............................................................................................................... viii
KISALTMALAR LİSTESİ .................................................................................................... xi
1.0 TOPRAKLAMA İLE İLGİLİ GENEL KAVRAMLAR
1.1 Terimler ve Tanımlar ............................................................................................................1
1.2 İnsan Vücudu için Tehlikeli Akımlar ve Gerilimler ...........................................................16
1.3 İş Güvenliği ile İlgili Tanımlar ...........................................................................................31
1.4 Enerji İletim Sistemlerinde Topraklamalara İlişkin Genel Mevzuat...................................41
1.5 Toprağın Yapısı ve Özellikleri ............................................................................................41
1.6 Toprağın Öz Direnci ...........................................................................................................46
1.7 Tek Tabakalı Toprağın Öz Direncinin Ölçülmesi ...............................................................63
1.8 Çok Tabakalı Toprağın Öz Direncinin Ölçülmesi ..............................................................78
1.9 Toprak Dönüş Yolunun Empedansı ....................................................................................93
1.10 Zemin Etüdü ..................................................................................................................111
2.0 TRANSFORMATÖR MERKEZLERİNİN TOPRAKLAMALARI
2.1 Genel ................................................................................................................................115
2.2 TEİAŞ Topraklama Sistemi Şartnamesi’nin Genel Kuralları ..........................................121
2.2.1 Toprak tabaka yapısının belirlenmesi .................................................................121
2.2.2 Transformatör Merkezi topraklama Sisteminin tasarım ilkeleri ..........................122
2.2.3 Transformatör Merkezi topraklama sistemi tasarım akış diyagramı ....................123
2.2.4 Transformatör Merkezi için izin verilen dokunma gerilimi ve adım gerilimi sınır değerleri ...............................................................................................................126
2.2.5 Transformatör Merkezi toprak potansiyel yükselmesi sınır değerleri .................127
2.2.6 Transformatör Merkezi topraklama sistemi tesisi ................................................128
2.2.7 Taşıyıcı çelik yapılar ............................................................................................132
2.2.8 Yüksek frekanslı teçhizatın topraklanması ..........................................................132
2.2.9 Şalt sahası pilonları, toprak kuleleri ve Nihayet direklerinin topraklanması .......132
2.2.10 Transformatör Merkezi içindeki güç kablolarının topraklanması ........................135
2.2.11 Metalik fens topraklaması ....................................................................................140
2.2.11.1 Metalik iç fens topraklaması .....................................................................140
2.2.11.2 Metalik dış fens topraklaması ....................................................................142
2.2.11.3 Metalik fens bölümlerinin izole edilmesi ..................................................145
2.2.12 Aydınlatma ve kamera direklerinin topraklanması ..............................................146
2.2.13 Üçüncü taraflara ait OG dağıtım binası ve topraklama sistemleri .......................147
2.2.14 Transformatör Merkezi içindeki diğer binaların topraklanması ..........................148
2.2.15 Transformatör Merkezi binalarının yıldırıma karşı korunması ............................149
2.2.16 Transformatör Merkezi topraklama sistemi kabul süreci ve saha testleri ............149
2.2.17 Transformatör Merkezi topraklama sistemi için periyodik kontroller .................150
2.3 Transformatör Merkezi Topraklama Direncinin Ölçülmesi ...............................................150
2.3.1 Gerilim düşümü yöntemi .......................................................................................150
2.3.2 Dört nokta yöntemi ................................................................................................153
2.3.3 Kesişen doğru yöntemi ..........................................................................................153
2.3.4 Eğim yöntemi ........................................................................................................153
2.3.5 SELVAZ yöntemi ..................................................................................................154
2.4 Transformatör Merkezi Topraklama İletkeni Kesitinin Hesaplanması ...............................161
2.5 Transformatör Merkezinin Topraklama Direncinin Hesaplanması .....................................166
vi
2.6 Toprak Yolundan Akım Geçişleri .......................................................................................190
2.7 Transformatör Merkezi Topraklama Ağının Göz Gerilimi .................................................205
2.8 Transformatör Merkezi Adım Gerilimi ve Dokunma Gerilimi ...........................................211
3.0 ENERJİ İLETİM HATTI DİREKLERİNİN TOPRAKLAMALARI
3.1 Genel ....................................................................................................................................220
3.2 TEİAŞ Topraklama Sistemi Şartnamesi’nin Genel Kuralları ...............................................222
3.2.1 EİH direği topraklama senaryoları .............................................................................222
3.2.2 EİH direği topraklama sisteminin tesisi .....................................................................228
3.2.3 EİH direği için izin verilen dokunma gerilimi ve adım gerilimi sınır değerleri ........235
3.2.4 EİH direği toprak üzerinden potansiyel sürüklenmesi sınır değerleri ........................239
3.2.5 EİH direği topraklama sistemi kabul süreci ve saha testleri ......................................241
3.2.6 EİH direği direk topraklama sisteminde periyodik kontroller ...................................241
3.3 EİH Direği Topraklama Direncinin Ölçülmesi ....................................................................242
3.4 EİH Direk Topraklama Direncinin Hesaplanması ................................................................250
3.5 EİH Direği Topraklama Direncinden Akım Geçişleri ..........................................................289
4.0 ÇÖZÜMLÜ PROBLEMLER .................................................................................................306
5.0 ÖRNEK TOPRAKLAMA PROJELERİ ............................................................................387
KAYNAKLAR ...................................................................................................................... 432
EKLER
EK01 Transformatör Merkezi Toprak Görünür Öz Direnç Ölçümü Föyü .....................436
EK02 EİH Direği Toprak Görünür Öz Direnç Ölçümü Föyü .............................................437
EK03 Topraklama Sistemleriyle İlgili Yazılımlar ..................................................................438
EK04 Transformatör Merkezi Topraklama Sistemi Tasarım Raporu .............................439
EK05 Termo Kaynak Görsel Kontrol Rehberi .......................................................................440
EK06 Teçhizat Topraklaması Montaj Detayları .....................................................................445
EK07 Transformatör Merkezi Topraklama Sistemi Kabul ve Test Raporu ...................452
EK08 EİH Direği Topraklama Sistemi Tasarım/değerlendirme Raporu .........................460
EK09 Çevresi İşlek Direk (ÇİD) Formu ...................................................................................461
EK10 EİH Direği Üçüncü Taraf Etkileşim Ön Değerlendirme Formu .............................462
EK11 EİH Direği Topraklama Sistemi Performansı Ölçümü Test Raporu .....................468
EK12 Topraklama Sistemi Durum Değerlendirme Raporu ................................................470
EK13 Transformatör Merkezinde Smart Ground Multimeter (SGM) ve WinSGM
Yazılımı ile Yapılan Ölçümler .........................................................................................477
EK14 Termo Kaynak ile Topraklama Ağının Montaj Aşamaları ......................................482
DİZİN .................................................................................................................................... 483