- Adyabatik denklemle iletken kesiti hesaplanır; I, t ve k kullanılarak ısıl dayanım belirlenir.
- IEC 62305 ve IEC 60364-5-54 standartları farklı kaynaklı I ve t değerleri kullanır; uygun standarda göre parametreler doğrulanmalıdır.
- Adyabatik sonuç ile standart minimum kesit karşılaştırılır; büyük olan seçilir, mekanik, korozyon ve bağlantılar dikkate alınmalıdır.
1. Kesit Hesabının Mühendislik Gerekçesi
Bir iletkenden akım geçtiğinde, iletken direncine bağlı olarak ısı açığa çıkar (Joule etkisi). Kısa süreli ama yüksek genlikli akımlarda —toprak hatası veya yıldırım darbesi gibi— bu ısınma adyabatik kabul edilir; yani süre o kadar kısadır ki üretilen ısının çevreye iletimi ihmal edilebilir ve tüm enerji iletken sıcaklığını artırmaya harcanır. Kesit hesabının amacı, bu sıcaklık artışını iletken malzemesinin güvenli sınırları içinde tutacak minimum alanı belirlemektir.
Yetersiz kesit seçiminin sonuçları arasında iletken izolasyonunun (varsa) bozulması, bağlantı noktalarında gevşeme veya erime, mekanik dayanımın azalması ve tekrarlayan darbelerde kümülatif hasar sayılabilir. Bu nedenle kesit hesabı, sistem tasarımının ihmal edilemeyecek bir adımıdır.
Şekil 1 — Adyabatik denklem ve değişkenlerin tanımı
2. Adyabatik Denklem
Uluslararası standartlarda kesit hesabı için kullanılan temel bağıntı adyabatik denklemdir:
S = √(I² · t) / k
Burada S iletken kesitini (mm²), I devreden geçen akımın etkin veya tepe değerini (A), t akımın akış süresini (s) ve k iletken malzemesine bağlı bir sabiti temsil eder. Denklem, I²t çarpımı ile ifade edilen “özgül enerji”nin (joule integrali) iletken kesitiyle ters orantılı bir sıcaklık artışına yol açtığı fiziksel ilişkiye dayanır.
IEC 60364-5-54, düşük gerilim tesislerinde koruma iletkenlerinin kesitini bu denklemle hesaplamayı önerir; IEC 62305-1 Ek D ise aynı yaklaşımı yıldırım akımları için uyarlar. İki standart arasındaki temel fark, I ve t için kullanılan değerlerin kaynağıdır: şebeke tesisatında bu değerler kısa devre akımı ve koruma cihazının açma süresinden, yıldırımdan korunmada ise LPS (Lightning Protection System / Yıldırımdan Korunma Sistemi) sınıfına bağlı standart darbe parametrelerinden alınır.
3. Malzeme Sabiti (k) ve Sıcaklık Sınırları
k sabiti; iletkenin özgül ısı kapasitesi, özgül direnci, yoğunluğu ve izin verilen başlangıç/bitiş sıcaklıkları gibi malzeme özelliklerinden türetilir. Bakır, düşük özgül direnci sayesinde aynı akımda alüminyum ve çeliğe göre daha yüksek k değerine ve dolayısıyla daha küçük kesit ihtiyacına sahiptir.
Tablo 1 — İletken malzemesine göre k değerleri (IEC 62305-3 Tablo 5 ve IEC 60364-5-54 esaslı)
k değerleri, izin verilen sıcaklık artışına göre de değişiklik gösterir: örneğin görünür yüzeyde renk değişimi riski olmayan gömülü bir toprak elektrodu için daha yüksek bir sıcaklık artışı kabul edilebilirken, yanıcı malzemeye yakın veya görünür durumdaki bir iletken için daha düşük bir sınır seçilir. Bu nedenle projelendirmede kullanılacak k değeri, sadece malzemeye değil aynı zamanda uygulama koşuluna göre standart tablolarından doğrulanmalıdır.
4. Minimum Kesitler: Mekanik ve Korozyon Payı
Adyabatik denklem yalnızca ısıl dayanımı garanti eder; ancak sahada bir iletkenin uzun ömürlü ve mekanik olarak sağlam kalması için ayrıca alt sınır kesitler tanımlanmıştır. IEC 62305-3, yakalama iletkenleri, indirme iletkenleri ve toprak elektrotları için LPS sınıfından bağımsız, malzemeye göre sabit minimum kesitler belirler:
Tablo 2 — IEC 62305-3 Tablo 6 esaslı minimum kesit değerleri
Uygulamada nihai kesit seçimi şu şekilde yapılır: önce adyabatik denklemden ısıl olarak gerekli S değeri hesaplanır; ardından bu değer, ilgili bileşen ve malzeme için standartta tanımlanan minimum kesitle karşılaştırılır; iki değerden büyük olanı seçilir. Çoğu pratik LPS uygulamasında, düşük darbe enerjisi süresi (yaklaşık 0,5 ms) nedeniyle ısıl olarak gerekli kesit oldukça küçük çıkar ve seçimi genellikle mekanik minimum kesitler belirler.
5. Örnek Hesaplama
Bir toprak hatası senaryosunda, bakır bir koruma iletkeninden 8.000 A değerinde bir hata akımının, koruma cihazının 0,2 saniyede devreyi açmasıyla sona erdiğini varsayalım. Yumuşak bakır için k = 226 A·s^0,5/mm² alınır.
- I = 8.000 A
- t = 0,2 s
- k = 226 (bakır, yumuşak/tavlanmış)
S = √(8.000² × 0,2) / 226 = √(12.800.000) / 226 ≈ 3.578 / 226 ≈ 15,8 mm²
Isıl hesap yaklaşık 15,8 mm² gerektirirken, IEC 62305-3’e göre bakır indirme iletkeni için minimum kesit 16 mm²’dir. Bu durumda seçim, iki değerden büyük olan 16 mm² standart kesite yönlendirilir — pratikte tercih edilen ticari kesit ise genellikle 25 mm² veya 35 mm² gibi bir üst standart değerdir.
6. Sonuç ve Uygulama Önerileri
- Kesit hesabında her zaman hem adyabatik (ısıl) hem de standart minimum (mekanik/korozyon) değerler karşılaştırılmalı, büyük olan seçilmelidir.
- Malzeme seçimi yalnızca maliyete göre değil, k değeri ve ortam koşullarına (korozif zemin, dış hava, gömülü uygulama) göre yapılmalıdır.
- Yıldırımdan korunma projelerinde LPS sınıfına karşılık gelen akım ve süre parametreleri IEC 62305-1’den doğrulanmalı, şebeke topraklamasında ise kısa devre akımı ve koruma cihazı açma süresi proje hesap raporuna işlenmelidir.
- Bağlantı elemanları, klemensler ve ek yerleri de iletkenle uyumlu kesit ve malzeme sınıfında seçilerek zayıf halka oluşturulmamalıdır.
Doğru kesit hesabı, topraklama ve yıldırımdan korunma sisteminin ömrü boyunca güvenilir çalışmasının temelini oluşturur. Yılkomer olarak projelerimizde bu hesapları güncel IEC standartlarına uygun şekilde yürütüyor, saha koşullarına özel malzeme ve kesit önerileri sunuyoruz.
