Spark Gap Parafudr Nedir? Çalışma Prensibi, Türleri ve Seçim Kriterleri

Bir yapıya ya da yapıya giren enerji hattına yıldırım düştüğünde, tesisata onlarca kiloamperlik bir akım girer. Bu akımı güvenle toprağa aktarmak, iç yıldırımlık sisteminin ilk ve en zorlu görevidir. Ana dağıtım girişinde bu görevi üstlenen cihazların önemli bir bölümü, adını çalışma prensibinden alan spark gap (kıvılcım aralıklı) parafudrlardır.

Bu yazıda spark gap parafudrun nasıl çalıştığını, türlerini, varistörlü (MOV) parafudrlardan farkını, hangi noktalarda kullanıldığını ve seçimde dikkat edilmesi gereken teknik değerleri TS EN 61643-11 ve TS EN / IEC 62305 çerçevesinde ele alıyoruz.

Spark Gap Parafudr Nedir?

Spark gap parafudr, aralarında belirli bir boşluk bulunan iki veya daha fazla elektrottan oluşan bir aşırı gerilim koruma cihazıdır (SPD). Normal işletme geriliminde elektrotlar arasındaki boşluk yalıtkandır ve cihazdan pratikte hiç akım geçmez. Gerilim, cihazın ateşleme (atlama) gerilimini aştığı anda boşluk iyonize olur, elektrotlar arasında bir ark oluşur ve darbe akımı bu düşük empedanslı yol üzerinden toprağa akar.

TS EN 61643-11, alçak gerilim SPD‘lerini çalışma biçimine göre üç gruba ayırır:

• Gerilim anahtarlamalı (voltage switching) SPD’ler: Darbe gelene kadar yüksek empedanslıdır, darbe anında aniden düşük empedansa geçer. Spark gap ve gaz deşarj tüpleri (GDT) bu gruptadır.
• Gerilim sınırlamalı (voltage limiting) SPD’ler: Empedansı gerilim arttıkça sürekli düşer. Metal oksit varistörler (MOV) bu gruptadır.
• Kombine tip SPD’ler: Her iki davranışı bir arada kullanır.

Spark gap parafudrlar genellikle Tip 1 (Class I) olarak test edilir. Yani 10/350 µs dalga şekilli, doğrudan yıldırım akımının kısmi akımını taşıyabilecek kapasitededir.

Spark Gap Parafudr Nasıl Çalışır?

Bir spark gap parafudrun çalışma döngüsü dört aşamada özetlenebilir:

1. Bekleme: Şebeke gerilimi ateşleme geriliminin altındadır. Elektrotlar arası boşluk yalıtkandır; kaçak akım yoktur.
2. Ateşleme: Yıldırım kaynaklı darbe gerilimi yükselir ve ateşleme gerilimini aşar. Boşluktaki hava veya gaz iyonize olur, elektrotlar arasında ark oluşur.
3. Ark ve deşarj: Ark oluştuktan sonra cihaz üzerindeki gerilim, ark gerilimi seviyesine (birkaç on volt mertebesine) düşer. Darbe akımı bu düşük dirençli yol üzerinden eşpotansiyel baraya ve topraklama sistemine aktarılır.
4. Söndürme: Darbe sona erdiğinde ark kendiliğinden sönmez; şebeke gerilimi arkı beslemeye devam etmek ister. Cihaz bu şebeke takip akımını keserek yeniden yalıtkan duruma döner.

Şebeke Takip Akımı (Follow Current) Neden Önemli?

Spark gap parafudrun tasarımındaki en kritik konu, darbe sonrasında oluşan şebeke takip akımıdır. Ark yolu açık kaldığı sürece, şebeke kendi kısa devre akımını bu yol üzerinden akıtmaya çalışır. Bu akım hızla kesilmezse:

• Parafudrun önündeki sigorta atar ve tesis enerjisiz kalır,
• Cihaz aşırı ısınarak hasar görebilir,
• Açık tip cihazlarda sıcak ark gazları çevreye zarar verebilir.

Bu nedenle her spark gap parafudrun bir takip akımı söndürme kapasitesi (Ifi) değeri vardır. Modern spark gap tasarımları; çok aralıklı (multi-gap) yapılar, ark söndürme odaları veya ark gerilimini yükselten yöntemlerle takip akımını ilk sıfır geçişinde ya da daha önce sınırlayarak keser. Bazı tasarımlar takip akımını neredeyse tamamen engelleyerek önündeki sigortanın atmasını önler.

Yıldırım Risk Analizi

Spark Gap Parafudr Türleri

Açık (üflemeli) kıvılcım aralıkları: Ark, cihazın dışına doğru tahliye edilen bir hava kanalında söndürülür. Yüksek akım kapasitesine sahiptir; ancak deşarj sırasında sıcak, iyonize gaz dışarı atıldığı için panoda yanıcı malzemelerden ve diğer cihazlardan belirli bir güvenlik mesafesi bırakılması gerekir. Günümüzde yeni projelerde kullanımı azalmıştır.

Kapalı (kapsüllenmiş) kıvılcım aralıkları: Ark, cihazın gövdesi içinde kalan bir söndürme odasında kontrol edilir; dışarıya gaz atılmaz. DIN raya diğer cihazların yanına doğrudan monte edilebilir ve pano içinde ek mesafe gerektirmez. Güncel Tip 1 spark gap ürünlerinin büyük kısmı bu yapıdadır.

Tetiklemeli (triggered) kıvılcım aralıkları: Elektronik bir tetikleme devresi, darbe geriliminin yükselmesini beklemeden arkı erkenden başlatır. Böylece koruma seviyesi (Up) düşer ve aşağı akıştaki Tip 2 parafudrlarla koordinasyon kolaylaşır.

Gaz deşarj tüpleri (GDT): Seramik bir gövde içinde soy gazla doldurulmuş, kapalı küçük kıvılcım aralıklarıdır. Telekom ve sinyal hatlarında yaygın olarak kullanılır. Enerji tarafında ise çok hücreli, kapsüllenmiş GDT yapıları Tip 1 koruma için kullanılabilir. Örneğin Raycap ProTec T1S serisi, kaçak akımsız çok hücreli Phase-GDT teknolojisiyle Tip 1+2 koruma sağlar.

N-PE (toplam akım) kıvılcım aralıkları: Nötr ile koruma iletkeni (PE) arasına bağlanır. Faz-nötr arasındaki parafudrlardan gelen akımların toplamını taşıyacak şekilde boyutlandırılır. Özellikle TT sistemlerde “3+1” bağlantının temel elemanıdır.

TT sistemde faz-nötr arasına doğrudan PE’ye bağlı varistörler konulduğunda, bir varistör arızası tehlikeli dokunma gerilimine ya da kaçak akım rölesinin sürekli açmasına neden olabilir. 3+1 bağlantıda faz iletkenleri parafudrlarla nötre, nötr ise bir N-PE spark gap üzerinden PE’ye bağlanır. Spark gap normal işletmede tam yalıtım sağladığı için PE’ye kaçak akım akmaz.

Spark Gap mi, Varistör (MOV) mü?

İki teknoloji birbirinin rakibi değil, tamamlayıcısıdır. Temel farklar şöyle sıralanabilir:

• Çalışma biçimi: Spark gap gerilim anahtarlamalıdır, ateşlenene kadar yalıtkandır. MOV gerilim sınırlamalıdır, empedansı gerilimle birlikte sürekli değişir.
• Darbe akımı kapasitesi: Spark gap, 10/350 µs dalga şeklinde yüksek yıldırım akımlarını taşımada güçlüdür. MOV ağırlıklı olarak 8/20 µs dalga şekli için optimize edilir. Yüksek Iimp değerlerine ulaşmak için ya çok büyük blok gerekir ya da özel teknolojiler kullanılır.
• Kaçak akım ve yaşlanma: Spark gap normal işletmede kaçak akım çekmez ve sürekli gerilim altında yaşlanmaz. MOV’un küçük bir kaçak akımı vardır ve her darbe ile termal stres sonucunda zamanla yaşlanır.
• Şebeke takip akımı: Spark gap darbe sonrası takip akımını söndürmek zorundadır; bu nedenle Ifi değeri kritik bir seçim kriteridir. MOV’da takip akımı oluşmaz.
• Tepki ve koruma seviyesi: Ateşleme gerilimi, darbenin yükselme hızına bağlıdır. Klasik spark gap’lerde Up değeri görece yüksektir; tetiklemeli tasarımlar bu değeri düşürür. MOV sürekli ve hızlı bir sınırlama sağlar.
• Tipik kullanım yeri: Spark gap ağırlıklı olarak ana giriş (LPZ 0A/1) ve N-PE bağlantısında kullanılır. MOV ise tali dağıtım (Tip 2) ve cihaz koruması (Tip 3) için tercih edilir.

Hibrit ve Alternatif Çözümler

Pratikte birçok tesis, iki teknolojinin avantajlarını birleştiren çözümler kullanır. Ana girişte spark gap tabanlı Tip 1 koruma, aşağı akışta MOV tabanlı Tip 2 ve Tip 3 koruma klasik bir kademeli yapıdır. Bunun yanında spark gap ile varistörü aynı modülde birleştiren kombine tip Tip 1+2 parafudrlar da yaygındır.

Yüksek yıldırım akımını varistör tabanlı bir teknolojiyle taşıyan çözümler de mevcuttur. Örneğin Raycap’in Strikesorb teknolojisi, sigortasız yapısı ve takip akımı üretmemesiyle Tip 1 uygulamalarda spark gap’e alternatif olarak değerlendirilir. Doğru tercih; tesisin topraklama sistemine, kısa devre seviyesine, kesintiye toleransına ve bakım stratejisine göre yapılmalıdır.

Spark Gap Parafudr Nerelerde Kullanılır?

TS EN 62305-4 yaklaşımında yapı, yıldırımdan korunma bölgelerine (LPZ) ayrılır. Doğrudan yıldırım akımına maruz kalabilecek dış bölge (LPZ 0A) ile yapının içi (LPZ 1) arasındaki ilk geçiş noktasında, yıldırım akımının kısmi akımını taşıyabilen Tip 1 parafudr kullanılması gerekir. Spark gap parafudrların temel kullanım alanı da tam olarak bu sınırdır.

Tipik uygulama noktaları:

• Dış yıldırımlık (LPS) bulunan yapıların ana dağıtım panoları: Yakalama uçlarına düşen yıldırım akımının bir kısmı topraklama sistemi üzerinden enerji hatlarına yayılır. Bu akım ancak Tip 1 seviyesinde bir koruma ile güvenle karşılanabilir.
• Havai hatla beslenen yapılar: Havai hatta düşen yıldırım, akımı doğrudan yapının girişine taşır.
• TT sistemlerde N-PE bağlantısı: 3+1 bağlantıdaki toplam akım spark gap’i olarak kullanılır.
• Endüstriyel tesisler, enerji santralleri, GES sahaları ve rüzgâr türbinleri: Yüksek yıldırım yoğunluğu ve geniş topraklama ağları bulunan bu sahalarda ana giriş koruması olarak kullanılır.
• Telekom baz istasyonları ve veri merkezleri: Ana giriş korumasında ve hassas sinyal hatlarında GDT tabanlı çözümler olarak kullanılır.

Spark gap parafudr tek başına yeterli değildir. Hassas cihazlara ulaşan kalan gerilimi sınırlamak için aşağı akışta koordineli Tip 2 ve gerektiğinde Tip 3 parafudrlarla birlikte bir koruma kademesi kurulmalıdır.

Spark Gap Parafudr Seçerken Hangi Değerlere Bakılır?

1. Darbe akımı (Iimp, 10/350 µs): Parafudrun taşıyabileceği yıldırım akımını gösterir. Gerekli değer, risk analiziyle belirlenen koruma seviyesine (LPL) ve yapıya giren iletken sayısına bağlıdır. TS EN 62305 serisindeki basitleştirilmiş yaklaşımda, yıldırım akımının yaklaşık yarısının topraklama sistemine, diğer yarısının yapıya giren hatlara dağıldığı kabul edilir. Örneğin LPL I için 200 kA tepe değerli bir yıldırımda, tek bir 4 iletkenli enerji hattı varsa iletken başına yaklaşık 25 kA düşer. Bu değer LPL II için yaklaşık 18,75 kA, LPL III-IV için ise yaklaşık 12,5 kA’dır. Kesin değer, yapıya giren tüm hatlar dikkate alınarak hesaplanmalıdır.

2. Koruma seviyesi (Up): Parafudrun darbe sırasında üzerinde kalan en yüksek gerilimdir. Up, korunan ekipmanın darbe dayanım geriliminin altında olmalıdır. 230/400 V sistemlerde ekipmanın darbe dayanım kategorileri şöyledir: Kategori IV için 6 kV, Kategori III için 4 kV, Kategori II için 2,5 kV, Kategori I için 1,5 kV. Ana dağıtım panosundaki Tip 1 koruma için genellikle Up ≤ 2,5 kV hedeflenir.

3. En yüksek sürekli çalışma gerilimi (Uc): Parafudrun sürekli olarak dayanabileceği en yüksek gerilimdir. Şebekedeki gerilim dalgalanmalarını karşılayacak şekilde seçilmelidir. 230 V faz-nötr sistemlerde faz iletkenleri için tipik olarak Uc ≥ 253 V (1,1 × Uo) aranır.

4. Takip akımı söndürme kapasitesi (Ifi): Spark gap parafudrlarda vazgeçilmez kriterdir. Ifi değeri, kurulum noktasındaki beklenen kısa devre akımına eşit veya ondan büyük olmalıdır. Aksi takdirde takip akımı söndürülemez ve önündeki koruma elemanı devreye girer. Büyük trafo merkezlerine yakın, kısa devre seviyesi yüksek tesislerde bu değer özellikle kontrol edilmelidir.

5. Ön sigorta (backup fuse): Üreticinin belirttiği en büyük ön sigorta değeri aşılmamalıdır. Takip akımını sınırlayan tasarımlar, ön sigortayla seçicilik açısından avantaj sağlar.

6. Enerji koordinasyonu: Spark gap Tip 1 parafudr ile aşağı akıştaki varistörlü Tip 2 parafudrun birlikte doğru çalışması gerekir. Aksi halde varistör, spark gap ateşlenmeden önce tüm enerjiyi üstlenip hasar görebilir. Eski tasarımlarda bu koordinasyon için belirli bir kablo uzunluğu veya ayrıştırma bobini gerekiyordu. Günümüzde aynı üreticinin test ederek koordineli olduğunu belgelediği ürün aileleri tercih edilmelidir.

7. Bağlantı uzunluğu: Parafudrun faz ve toprak bağlantı iletkenleri mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır. İletkenlerin her metresi darbe anında ek bir endüktif gerilim düşümü yaratır ve fiili koruma seviyesini yükseltir. Toplam bağlantı uzunluğu için genellikle 0,5 m önerilir.

8. Topraklama sistemi: TN-C, TN-S ve TT sistemler için bağlantı şekli farklıdır. TT sistemlerde 3+1 bağlantı ve N-PE spark gap kullanımı esas alınmalıdır.

Yılkomer’in Parafudr Seçim Aracı ile tesisiniz için hızlı bir ön değerlendirme yapabilirsiniz.

Sık Yapılan Hatalar

• Ifi değerini kontrol etmemek: Kısa devre seviyesi yüksek bir panoya düşük Ifi değerli bir spark gap takılırsa, her darbeden sonra ön sigorta atabilir ve tesis enerjisiz kalabilir.
• Tip 1 yerine Tip 2 kullanmak: Dış yıldırımlığı olan bir yapının ana girişine yalnızca 8/20 µs dalga şekline göre test edilmiş Tip 2 parafudr takmak, yıldırım akımına karşı yetersiz kalır.
• Koordinasyonu göz ardı etmek: Farklı üreticilerin Tip 1 ve Tip 2 ürünlerini, koordinasyon verisi olmadan peş peşe bağlamak, varistörün erken hasar görmesine yol açabilir.
• Açık tip spark gap’i mesafe bırakmadan monte etmek: Üflemeli tiplerde ark gazı için gereken güvenlik mesafesi ihmal edilmemelidir.
• Uzun bağlantı iletkenleri: Bağlantı iletkenlerini uzatmak, kâğıt üzerindeki iyi bir Up değerini sahada etkisiz hale getirir.
• TT sistemde N-PE korumasını unutmak: Faz-nötr korumasının tek başına yeterli olduğunu varsaymak, N-PE arasındaki darbe yolunu korumasız bırakır.

Sık Sorulan Sorular

Spark gap parafudr ile kıvılcım aralıklı parafudr aynı şey mi? Evet. “Spark gap” İngilizce terimdir; Türkçede kıvılcım aralıklı veya atlama aralıklı parafudr olarak da anılır.

Spark gap parafudr ömrünü tamamlar mı? Spark gap parafudrlar sürekli gerilim altında varistör gibi yaşlanmaz. Ancak çok yüksek veya çok sayıda darbeden sonra elektrot aşınması olabilir. Bu nedenle periyodik kontrolde durum göstergesi ve bağlantılar mutlaka kontrol edilmelidir.

Konut için spark gap parafudr gerekli mi? Yapıda dış yıldırımdan korunma sistemi varsa veya bina havai hatla besleniyorsa, ana girişte Tip 1 koruma gerekir. Tip 1 koruma, spark gap tabanlı veya eşdeğer kapasitede başka bir teknolojiyle sağlanabilir. Bunun dışında genellikle Tip 2 koruma yeterlidir. Kesin karar TS EN / IEC 62305-2 risk analiziyle verilmelidir.

Spark gap parafudr DC sistemlerde kullanılabilir mi? DC’de akım sıfırdan geçmediği için takip akımının söndürülmesi çok daha zordur. Bu nedenle AC için tasarlanmış spark gap’ler DC sistemlerde kullanılmamalıdır. GES gibi DC uygulamalarda, o gerilim seviyesi için özel olarak test edilmiş DC parafudrlar seçilmelidir.

Spark gap tek başına yeterli mi? Hayır. Spark gap, ana girişte yıldırım akımını karşılar. Hassas cihazların korunması için aşağı akışta Tip 2 ve gerekiyorsa Tip 3 parafudrlarla koordineli bir kademe oluşturulmalıdır.

Sonuç

Spark gap parafudrlar; yüksek yıldırım akımı kapasiteleri, kaçak akımsız yapıları ve yaşlanmaya karşı dirençleriyle ana giriş korumasının en güçlü araçlarından biridir. Doğru sonuç almak için ürünün yalnızca Iimp değerine değil, Ifi, Up, Uc, ön sigorta ve koordinasyon değerlerine birlikte bakılmalıdır. Seçim de mutlaka risk analizi ve tesisin topraklama sistemiyle uyumlu şekilde yapılmalıdır.

Yılkomer, 1985’ten bu yana TS EN / IEC 62305 standartları doğrultusunda risk analizinden ürün seçimine, Raycap yetkili distribütörlüğüyle tedarikten uygulama ve ölçüme kadar tüm süreci tek elden yürütüyor. Tesisinize uygun Tip 1 korumayı birlikte belirlemek için bize ulaşın: +90 212 210 27 28 · info@yilkomer.com

Kaynaklar

• Raycap ProTec T1S ürün sayfası
• Raycap ProBloc T1SG ürün sayfası
• IEC 62305-2:2024 (IEC Webstore)
• TS EN 61643-11: Alçak gerilim aşırı gerilim koruma cihazları — Gereklilikler ve deney yöntemleri
• TS EN 62305-4: Yapılar içindeki elektrik ve elektronik sistemler
• IEC 60364-5-534: Aşırı gerilime karşı koruma cihazları