Topraklama Nedir? Topraklama Çeşitleri ve İşletme Topraklaması

Bir tesiste yıldırım koruması, parafudr seçimi ya da pano montajı konuşulmaya başlandığında sohbet er ya da geç aynı yere gelir: topraklama. Yakalama ucunun aldığı yıldırım akımı da, transformatörün nötr noktasından dönen arıza akımı da, parafudrun kırptığı darbe de en sonunda toprağa gitmek zorundadır. Toprak yolu zayıfsa üstteki bütün koruma katmanları kâğıt üzerinde kalır. Bu yazıda topraklamanın ne olduğunu, hangi amaçlarla hangi çeşitlerinin kullanıldığını ve sahada en çok karıştırılan başlık olan işletme topraklamasını teknik olarak ele alıyoruz.

Topraklama nedir?

Topraklama, bir elektrik tesisinin belirli bir noktasını, bir cihazın iletken gövdesini ya da bir sistemin nötr noktasını düşük empedanslı bir iletken yolla toprak kütlesine bağlama işlemidir. Amaç, o noktanın potansiyelini toprak potansiyeline, yani sıfır kabul edilen referansa sabitlemek ve istenmeyen akımlara kontrollü bir dönüş yolu sunmaktır.

Elektriksel olarak topraklama üç parçadan oluşur. Toprakla doğrudan temas eden metal kısım topraklayıcıdır: çubuk, şerit, levha ya da temel betonuna gömülü çelik. Topraklayıcıyı tesisin ana topraklama barasına bağlayan kısım topraklama iletkenidir. Baradan cihaz gövdelerine giden yeşil-sarı iletkenler ise koruma iletkenidir. Bu üç parçanın toplam direnci, dolayısıyla arıza anında oluşacak gerilim, tesisin güvenliğini belirler.

İlginizi Çekebilir: Parafudr Nedir Ne İşe Yarar?

Topraklama direnci denilen büyüklük, topraklayıcıyla sonsuz uzaklıktaki toprak arasındaki dirençtir ve büyük ölçüde toprak özdirencine bağlıdır. Kil ağırlıklı nemli bir zeminde özdirenç 20-50 ohm·metre seviyesinde kalırken kuru kum, çakıl ya da kayalık zeminlerde 1.000 ohm·metrenin üzerine çıkabilir. Aynı topraklayıcı iki farklı sahada on kat farklı direnç verebilir; bu yüzden projelendirmeye toprak özdirenci ölçümüyle başlamayı tercih ederiz.

Topraklama neden gerekir?

Faz iletkeni bir cihazın metal gövdesine temas ettiğinde, gövde topraklanmamışsa faz geriliminde kalır ve dokunan kişi devreyi kendi bedeniyle tamamlar. Gövde topraklanmışsa arıza akımı koruma iletkeni üzerinden toprağa akar, koruma elemanı bu akımı algılayarak devreyi açar. Topraklamanın ilk görevi budur: arıza akımına insan bedeninden daha düşük dirençli bir yol sunmak ve koruma cihazının açmasını sağlayacak akım seviyesini mümkün kılmak.

Arıza akımı toprağa akarken topraklayıcının çevresinde bir potansiyel hunisi oluşur. Topraklayıcıya yakın noktalar yüksek, uzaklaştıkça düşen bir gerilim dağılımı ortaya çıkar. Gövdeye dokunan bir kişinin eli ile ayağı arasındaki fark dokunma gerilimi, yürüyen bir kişinin iki ayağı arasındaki fark ise adım gerilimidir. Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği alçak gerilimde izin verilen dokunma gerilimini 50 V alternatif akım olarak sınırlar. Topraklama direncini düşük tutmanın asıl nedeni de bu iki gerilimi sınır altında tutmaktır.

Üçüncü görev aşırı gerilim yönetimidir. Yıldırım akımı, şebeke anahtarlama darbeleri ve parafudrların boşalttığı enerji toprağa akıtılır. Topraklama direnci ne kadar yüksekse aynı akım için topraklayıcı üzerinde oluşan gerilim o kadar yüksek olur. 20 kA’lik bir yıldırım akımının 10 ohm’luk bir topraklayıcıdan geçtiğini düşünelim: topraklama sistemi anlık olarak 200 kV potansiyele yükselir. Aynı akım 2 ohm’da 40 kV üretir. Aradaki fark, tesis içindeki eşpotansiyel bağlantıların bu yükselmeyi taşıyıp taşıyamayacağını belirler.

Topraklama çeşitleri

Topraklamalar yaptıkları işe göre sınıflandırılır. Bir tesiste bunların birkaçı aynı anda bulunur ve doğru yaklaşım hepsini tek bir topraklama sisteminde birleştirmektir.

Koruma topraklaması

Normal işletmede gerilim altında olmayan ancak arıza halinde gerilim altına girebilecek metal kısımların topraklanmasıdır. Motor gövdeleri, pano kapıları, kablo tavaları, çelik konstrüksiyon ve makine şaseleri bu kapsama girer. Koruma topraklaması insan hayatını korumaya yöneliktir; direnç değeri, kullanılan koruma cihazının açma karakteristiğiyle birlikte hesaplanır. TT sistemde 30 mA’lik bir kaçak akım rölesiyle 50 V sınırını sağlamak için teorik olarak 1.666 ohm yeterlidir, ancak sahada bu değerin çok altını hedefleriz çünkü toprak nemi mevsimle değişir ve rölenin arızalanma ihtimali hesaba katılmalıdır.

İşletme topraklaması

Elektrik tesisinin normal çalışması için gerekli olan topraklamadır. Transformatör sekonder sargısının nötr noktasının topraklanması bunun en yaygın örneğidir. Bu topraklama olmadan sistemin faz-toprak gerilimi tanımsız kalır, tek faz-toprak arızalarında sağlam fazların gerilimi yükselir ve koruma cihazları arızayı algılayamaz. İşletme topraklamasını aşağıda ayrı bir başlıkta ayrıntılı ele alacağız.

Yıldırımdan korunma topraklaması

Dış yıldırımlık sisteminin, yani yakalama uçları ve indirme iletkenlerinin toprakla bağlantısıdır. Yıldırım akımı mikrosaniyeler içinde onlarca kiloampere ulaştığı için bu topraklama sadece düşük dirençli değil, aynı zamanda düşük empedanslı olmalıdır. IEC 62305-3 standardı yıldırım topraklaması için 10 ohm’un altını hedefler ve topraklayıcıları iki tip altında toplar: her indirme iletkeni için ayrı çubuk ya da yatay topraklayıcılardan oluşan Tip A düzenleme ve yapı çevresini saran halka topraklayıcı ya da temel topraklamasından oluşan Tip B düzenleme. Yüksek yapılarda, veri merkezlerinde ve patlayıcı ortamlarda Tip B tercih edilir; akımı yapı çevresine eşit dağıtır ve indirme iletkenleri arasındaki potansiyel farkını en aza indirir.

Fonksiyonel topraklama

Cihazların doğru çalışması için gerekli, güvenlikle doğrudan ilgili olmayan topraklamadır. Ölçüm sistemlerinin sinyal referansı, veri merkezlerinde EMC amaçlı topraklama, kablo ekranlarının topraklanması bu gruptadır. Eski uygulamalarda hassas elektronik için “temiz toprak” adıyla ayrı bir topraklayıcı yapılırdı; günümüz standartları bu yaklaşımı terk etmiştir. Ayrı topraklayıcılar arasında yıldırım anında kilovolt mertebesinde potansiyel farkı oluşur ve ekipmanı korumak bir yana tahrip eder. Fonksiyonel topraklama da ana topraklama barasına bağlanır, ayrım baradan sonra yıldız şeklinde yapılır.

Topraklayıcı tipleri

Topraklama çeşidi amacı, topraklayıcı tipi ise toprakla teması nasıl kurduğumuzu anlatır. Çubuk topraklayıcılar bakır kaplı çelik ya da paslanmaz çelik olarak 1,5-3 metre boylarında dikey çakılır; derine indikçe mevsimsel nem değişiminden daha az etkilenir. Şerit ya da bant topraklayıcılar galvanizli çelik veya bakır olarak 0,5-1 metre derinliğe yatay gömülür ve geniş alanlarda daha iyi sonuç verir. Levha topraklayıcılar bugün sınırlı kullanılır çünkü aynı metal ağırlığıyla daha uzun bir şerit her zaman daha düşük direnç sağlar.

Yeni yapılarda en etkili çözüm temel topraklamasıdır. Bina temelinin beton içine, en az 30 mm × 3,5 mm galvanizli çelik şerit ya da 10 mm çapında yuvarlak çelik, temel donatısına bağlanarak kapalı bir halka halinde yerleştirilir. Beton nem tuttuğu için özdirenci düşüktür, temel alanı genişliğinden dolayı toprakla temas yüzeyi büyüktür ve topraklayıcı korozyondan korunur. Temel topraklaması aynı zamanda IEC 62305 kapsamında Tip B topraklayıcı sayılır; yıldırım koruması, koruma topraklaması ve işletme topraklaması için ortak zemin oluşturur.

İlginizi Çekebilir: Yıldırım Yakalama Ucu Modelleri ve Kullanım Yerleri

Topraklayıcı direnci kabaca özdirençle doğru, topraklayıcı boyutuyla ters orantılıdır. 3 metrelik bir çubuk için direnç yaklaşık ρ/3 ohm mertebesindedir; 100 ohm·metre zeminde 33 ohm civarı çıkar. Aynı zeminde 10 ohm’a inmek için birbirinden en az çubuk boyu kadar uzağa çakılmış dört-beş çubuk ya da 40-50 metre yatay şerit gerekir. Çubukları yan yana sıkıştırmak direnci beklendiği kadar düşürmez; her çubuğun etki alanı komşusunun etki alanıyla örtüşür.

Şebeke topraklama sistemleri: TN, TT ve IT

İşletme topraklamasını anlamak için topraklama sistemlerinin harf kodlarını bilmek gerekir. İlk harf besleme kaynağının, yani transformatör nötrünün toprakla ilişkisini gösterir: T doğrudan topraklı, I izole ya da yüksek empedans üzerinden topraklı. İkinci harf cihaz gövdelerinin toprakla ilişkisini gösterir: T bağımsız topraklayıcı, N kaynağın topraklı noktasına bağlantı.

TN sisteminde nötr transformatörde topraklanır ve cihaz gövdeleri koruma iletkeniyle bu noktaya bağlanır. TN-C’de nötr ve koruma işlevi tek iletkende (PEN) birleşir, TN-S’de baştan sona ayrıdır, TN-C-S’de dağıtım kısmı PEN olup tesis girişinde ayrılır. Türkiye’de dağıtım şebekesi ağırlıklı olarak TN-C-S mantığıyla çalışır. TN sisteminde arıza akımı toprak üzerinden değil metalik yoldan döndüğü için yüksektir ve sigorta ya da otomatik sigorta hızla açar.

TT sisteminde nötr transformatörde topraklanır ancak cihaz gövdeleri tesisin kendi bağımsız topraklayıcısına bağlanır. Arıza akımı iki topraklama direnci üzerinden geçtiği için düşüktür ve aşırı akım koruması açmaya yetmez; TT sistemde kaçak akım rölesi zorunludur. IT sisteminde ise nötr topraklanmaz ya da yüksek empedans üzerinden topraklanır. İlk toprak arızasında akım çok düşük kalır ve tesis çalışmaya devam eder; bu yüzden hastane ameliyathaneleri ve kesintinin kabul edilemediği proses hatlarında kullanılır, ancak izolasyon izleme cihazı şarttır.

İşletme topraklaması nedir?

İşletme topraklaması, elektrik sisteminin akım taşıyan bir noktasının, tipik olarak transformatörün yıldız bağlı sekonder sargısının nötr noktasının, sistemin doğru ve güvenli çalışması için topraklanmasıdır. Koruma topraklamasından temel farkı burada topraklanan noktanın normal işletmede de devrenin bir parçası olmasıdır. Nötr iletkeni üzerinden dengesiz yük akımı sürekli akar; işletme topraklaması bu akıma referans noktası sağlar.

İşletme topraklaması üç şeyi güvence altına alır. Birincisi gerilim sabitlenmesidir: nötr topraklanmadığında sistemin toprağa göre potansiyeli kapasitif kaçaklarla belirlenir, bir fazda toprak arızası olduğunda diğer iki fazın toprağa göre gerilimi faz-faz gerilimine, yani 400 V sistemde 230 V yerine 400 V’a çıkar. Yalıtım bu gerilime göre tasarlanmamışsa ikinci arıza kaçınılmazdır. İkincisi arıza algılamadır: nötr topraklıysa faz-toprak arızası kısa devre akımı üretir ve koruma cihazları çalışır. Üçüncüsü aşırı gerilim tahliyesidir: OG tarafından AG tarafına geçen bir arızada ya da yıldırım darbesinde nötr topraklaması enerjiyi toprağa aktarır.

Nötrün topraklanma şekli sistemin arıza davranışını belirler. Doğrudan topraklamada nötr, empedanssız olarak topraklayıcıya bağlanır; AG dağıtımda standart uygulamadır, arıza akımı yüksek ve seçicilik kolaydır. Dirençli topraklamada nötr ile toprak arasına bir direnç konularak arıza akımı birkaç yüz ampere sınırlanır; OG tesislerinde ve büyük motorların bulunduğu sanayi şebekelerinde tercih edilir, arıza noktasındaki hasarı ve ark enerjisini azaltır. Reaktanslı ya da Petersen bobinli topraklamada arıza akımı kapasitif akımla kompanze edilerek neredeyse sıfıra indirilir; uzun havai hat şebekelerinde geçici arızaların kendiliğinden sönmesini sağlar.

Transformatör merkezlerinde birleşik topraklama

OG/AG transformatör merkezlerinde iki ayrı topraklama söz konusudur: OG tarafındaki metal kısımların koruma topraklaması ve AG nötrünün işletme topraklaması. Bunların birleştirilip birleştirilmeyeceği yönetmeliğin en kritik sorusudur. Birleştirildiğinde OG tarafındaki bir toprak arızası nötr üzerinden AG tesisinin tamamına yayılır; bu nedenle birleşik topraklamaya ancak toplam topraklama direnci OG arıza akımıyla çarpıldığında dokunma gerilimi sınırını aşmayan bir gerilim üretiyorsa izin verilir. Sahada bu genellikle toplam direncin 1-2 ohm altına indirilmesi anlamına gelir. Sınır sağlanamıyorsa iki topraklama birbirinden yeterli uzaklıkta ayrı yapılır ve AG nötrü transformatör binasının dışında topraklanır.

Bu ayrımı sahada sık atlanan bir noktayla birlikte düşünmek gerekir. Birçok sanayi tesisinde nötr hem transformatörde hem de ana panoda tekrar topraklanır. TN-C-S’de PEN’in birden fazla noktada topraklanması kabul edilebilir, ancak PE ve N ayrıldıktan sonra nötrün bir daha topraklanması dolaşım akımlarına, kaçak akım rölelerinin gereksiz açmasına ve kablo ekranlarında ısınmaya yol açar. Nötr-toprak köprüsü tek bir noktada, tanımlı bir yerde olmalıdır.

Eşpotansiyel bağlantı: topraklamanın diğer yarısı

Topraklama direncini düşürmek tek başına yeterli değildir. Yıldırım anında topraklama sisteminin tamamı onlarca kilovolt potansiyele yükselir; önemli olan bu yükselmenin tesis içindeki her metal parçada aynı anda ve aynı miktarda olmasıdır. İki metal parça arasında potansiyel farkı yoksa aralarından akım geçmez ve hasar oluşmaz. Ana topraklama barasına su ve gaz boruları, çelik konstrüksiyon, kablo tavaları, HVAC kanalları, dış yıldırımlık sisteminin indirme iletkenleri ve enerji hattı parafudrlarının toprak uçları bağlanır. Doğrudan bağlanamayan aktif iletkenler, yani fazlar ve nötr, sönümleyici parafudrlar üzerinden bu baraya dolaylı olarak bağlanır. Böylece darbe anında bütün sistem birlikte yükselir, birlikte iner.

Topraklama direnci ölçümü

Ölçüm iki aşamadan oluşur. Projeden önce Wenner dört elektrot yöntemiyle toprak özdirenci ölçülür: dört elektrot eşit aralıkla bir doğru üzerine çakılır, dıştakilerden akım sürülür, içtekiler arasındaki gerilim okunur. Elektrot aralığı değiştirilerek farklı derinliklerdeki özdirenç profili çıkarılır; bu profil çubuk mu şerit mi, hangi derinlik, kaç adet sorularının cevabını verir.

Tesis kurulduktan sonra topraklayıcı direnci düşüş potansiyeli yöntemiyle ölçülür. Ölçülen topraklayıcıdan yeterince uzağa, tipik olarak topraklayıcının en büyük boyutunun beş katı mesafeye bir akım elektrodu çakılır, gerilim elektrodu ikisinin arasında yaklaşık yüzde 62 noktasına yerleştirilir ve direnç okunur. Gerilim elektrodu yüzde 52 ve yüzde 72 noktalarına taşınarak okumaların tutarlılığı kontrol edilir; üç değer birbirine yakınsa akım elektrodu yeterince uzaktadır. Ölçüm sırasında topraklayıcının diğer bütün bağlantılarını ayırmak gerekir; aksi halde bina çeliği, su boruları ve şebeke nötrünün paralel yolları gerçek değerden çok daha düşük bir okuma verir. Sahada gördüğümüz 0,3 ohm’luk raporların önemli bir kısmı bağlantı ayrılmadan yapılmış ölçümlerdir.

Yönetmelik topraklama tesislerinin periyodik kontrolünü zorunlu tutar: sanayi tesisleri ve yıldırımdan korunma sistemleri için yılda bir, elektrik üretim ve dağıtım tesisleri için iki yılda bir, enerji nakil hatları için beş yılda bir. Kontrol sadece direnç ölçümünden ibaret değildir; bağlantı noktalarının korozyonu, iletken sürekliliği ve eşpotansiyel bağlantıların bütünlüğü de rapora girer.

Sahada en sık gördüğümüz hatalar

Topraklama sorunlarının büyük kısmı tasarımdan değil uygulamadan kaynaklanır. Çubuk topraklayıcı ile bakır iletken arasındaki cıvatalı bağlantının birkaç yıl içinde korozyona uğraması en yaygın olanıdır; toprak altındaki bağlantıların ekzotermik kaynak ya da en azından basınçlı klemens ile yapılmasını, cıvatalı bağlantının toprak üstünde ve erişilebilir kalmasını öneririz. Farklı metallerin, özellikle galvanizli çelik ile bakırın, doğrudan temas ettirilmesi galvanik korozyonu hızlandırır; ara parça kullanılmalıdır.

İlginizi Çekebilir: Dış Yıldırımlık Tesisatınız TS EN 62305 ile Uyumlu mu?

Yıldırım topraklaması ile tesis topraklamasının ayrı tutulması ikinci büyük hatadır. Ayrı tutulan iki sistem arasında yıldırım anında oluşan potansiyel farkı tesis içindeki kabloların yalıtımını delip geçer. Üçüncü hata topraklayıcının sadece direnç değeriyle değerlendirilmesidir: 10 ohm’luk kısa bir çubukla 10 ohm’luk uzun bir halka aynı direnci verir, ancak yıldırım darbesinde halkanın empedansı çok daha düşüktür ve adım gerilimleri çok daha güvenlidir.

Topraklama, tesisin görünmeyen ama her koruma sisteminin dayandığı katmanıdır. Yakalama uçlarından parafudrlara kadar bütün koruma zinciri, sonunda topraklayıcının o metrekarelik toprakla kurduğu temasa güvenir. Bu temasın doğru projelendirilmesi, doğru malzemeyle kurulması ve düzenli olarak ölçülmesi tesis güvenliğinin temelidir.