Topraklama nedir, çeşitleri nelerdir neden yapılır ve elektrik kaçaklarına karşı nasıl koruma sağlar? Bu yazıyla işletme, koruma ve fonksiyon topraklamaları ile TT, IT, TN sistemlerini sade ve anlaşılır bir şekilde keşfedin.
Elektrik sistemlerinin güvenliği, hayat kurtarabilecek kadar önemlidir. Bu sistemlerin merkezinde yer alan "topraklama" ise, çoğu zaman fark edilmeyen ama bir o kadar kritik bir unsurdur. Evlerden endüstriyel tesislere kadar her yapıda bulunan elektrik tesisatlarının doğru şekilde çalışabilmesi ve insan hayatını tehlikeye atmaması için topraklama sistemlerinin doğru kurulması ve sürekli kontrol edilmesi gerekir. Bu yazıda, topraklamanın ne olduğunu, neden yapıldığını ve hangi sistemlerle gerçekleştirildiğini sade ve anlaşılabilir bir şekilde ele alacağız.
Topraklama, elektrik akımının güvenli bir şekilde toprağa aktarılmasını sağlayan bir sistemdir. Amacı, elektrikli cihazların veya sistemlerin herhangi bir arıza durumunda insanları, hayvanları ve diğer ekipmanları elektrik çarpması ve yangın riskine karşı korumaktır.
Topraklama yapılmadığında veya hatalı yapıldığında cihazların metal yüzeyleri gerilim altında kalabilir ve bu da temas eden kişiler için hayati risk oluşturabilir. Bu tür gerilimlere "temas gerilimi" veya "adım gerilimi" denir. İşletmelerdeki personelin ve cihazlarla temas edebilecek herkesin korunması için elektrik tesisatlarında topraklama yapmak zorunludur.
50Hz alternatif akımın insan vücudundan geçtiğinde yapacağı etkiler şu şekildedir:
Elektrik sistemlerinde topraklama, işletme ve koruma topraklaması olmak üzere ikiye ayrılır. İşletme topraklaması, gerilim altında olan aktif elektrik kısımlarının topraklamasıdır. Bu sayede elektrik tesisleri üzerinde aşırı gerilim oluşması önlenmiş olur.
Koruma topraklaması ise normal şartlarda gerilim altında bulunmayan ancak herhangi bir hatadan dolayı gerilim altına girmesi durumuna karşılık, metal kısımların bir iletken yardımıyla toprağa bağlanmasıdır.
İşletme topraklamasının amacı, işletme akım devresinin toprağa karşı potansiyelini belirli bir değerde tutarak, elektrik tesisleri üzerindeki aşırı gerilimlerin oluşmasını önlemektir. İşletme topraklaması, bir transformatörün, yıldız noktasının bir iletken ile toprağa bağlanması ile yapılır. Bu sayede işletme topraklaması ile iki faz toprak arızası oluşumu önlenir ve devre kesicilerin hemen açtırılması sağlanır. Generatör ve güç transformatörlerine ait yüksek gerilim (YG) ve alçak gerilim (AG) sargılarının yıldız noktaları ve kutupları işletme topraklamasına bağlanmaktadır.
İşletme topraklamasının direnci, yaklaşık 2 Ω kadardır. Sıfır (nötr) noktası topraklanan ve koruma topraklaması yapılan şebekelerde işletme topraklamasının direnci, aşağıdaki formülle bulunabilir.
R0= 65 V/ (Topraklanmış en büyük alıcının kesme akımı)
** İnsan hayatını tehlikeye sokmadan insan vücudundan geçmesine müsaade edilen akımın 20-25 mA değerinde olduğu kabul edilirse, alçak gerilim tesislerinde tehlikeli sınır geriliminin Ut=65 V olduğu sonucuna ulaşılır. [ELEKTRİK TESİSLERİNDE TOPRAKLAMA, Prof. Dr. Mustafa BAYRAM]
İşletme topraklamasına ait şematik gösterimi Şekil 1’de verilmiştir.
Normal şartlarda gerilim altında bulunmayan ancak herhangi bir hatadan dolayı gerilim altına girmesi düşünülen metal kısımlarının bir iletken yardımıyla toprak ile bağlantısının yapılmasıdır. Amaç, elektrikli cihazları kullananları ve hayvanları tehlike oluşturan dokunma ve adım gerilimine karşı korumaktır. Koruma topraklaması bağlantı şeması Şekil 2’de verilmiştir.
Koruma topraklaması yapılırken, elektrik tesisatında uyulması gereken hususlar, elektrik yönetmelikleri kapsamında belirlenmiştir.
Koruma topraklamasında tesis içindeki tüm topraklamalar birbirine bağlanır. Tesis içindeki herhangi iki noktada oluşabilecek gerilim farkı önlenmiş ve tüm noktalarda eş potansiyel sağlanmış olur.
Eş potansiyel bara sayesinde ayrı topraklama yapmaya gerek kalmaz, sisteme yeni eklenecek tüm cihazlar ve panolar eş topraklama iletkenine bağlanabilir. Koruma topraklaması için eş potansiyel toprak barasına aşağıdaki kısımlar bağlanır.
Koruma topraklaması yapılması durumunda herhangi bir arıza oluşursa enerjinin kesilmesi veya tehlikeli akımların toprağa akması sonucunda normal potansiyeline ulaşması sağlanmış olur. Herhangi bir hata durumunda, toprak teması akım devresini toprak üzerinden tamamlaması sonucunda korunacak olan işletme araçlarının koruma topraklama direnci; Rk <= 65 V/Ia şartını sağlamalıdır. Transformatör için, transformatör gövdesini korumaya yarayan koruma topraklaması ve transformatörün yıldız noktasından topraklamaya indirilen işletme topraklaması olmak üzere iki adet topraklama vardır.
Koruma ve işletme topraklaması arasında ideal toprakta 20 metre mesafe olmalıdır. Buna uygun şematik gösterimi Şekil 3’te verilmiştir. Ancak yıldız noktasını (nötr) sadece yıldız noktasından topraklamak yeterli değildir. Çünkü işletme topraklaması iletkeni koparsa veya bağlantının olduğu yerde bir gevşeme meydana gelirse, koruma devreden çıkar. Dolayısıyla can ve mal güvenliği sağlanamaz. Bu durumun önüne geçmek için nötr iletkeninin birkaç yerden daha topraklaması yapılmalıdır.
Fonksiyon topraklaması, işletme ve koruma topraklamalarının dışında iletim tesisi veya bir işletmeye ait elemanın istenilen fonksiyonlarını yerine getirmesi amacıyla yapılan topraklama çeşididir. Ayrıca, yıldırım etkilerini azaltmaya karşı koruma, raylı sistemler, iletişim tesisleri ve AG cihazları için yapılan topraklamadır. İşletme, koruma ve fonksiyon topraklamasının birlikte bulunduğu şematik gösterim Şekil 4’te verilmiştir.
Elektrik tesisleri topraklamalar yönetmeliğine göre, elektrik tesislerindeki elektrik dağıtım şebekeleri, topraklama sistemlerine aşağıdaki gibi ayrılmıştır.
TT Topraklama sistemi, transformatörün yıldız noktasının (nötr) toprağa doğrudan bağlı olduğu ve elektrikli cihazların gövdelerinin koruma topraklamasına bağlandığı sistemdir.
IT topraklama sisteminde, tüm gerilim altında bulunan kısımlar topraktan ayrılır veya bir noktadan, bir empedans üzerinden toprakla bağlantısı sağlanır. Elektrik tesisatında açıkta kalan iletken kısımlar ayrı ayrı veya birleştirilerek topraklaması yapılır veya işletme topraklamasına bağlantısı sağlanır. Gerilim altında bulunan iletkenlerden hiçbirinin toprağa doğrudan bağlantısı yapılmaz. Toprağa bağlantının gerekli olduğu yerlerde, en az 15 kΩ değerindeki yüksek değere sahip bir empedans üzerinden yapılmalıdır.
TN topraklama sisteminde, doğrudan topraklanmış bir nokta bulunur. Tesisatta açıkta bulunan iletken kısımları bu noktaya koruma iletkeni yardımıyla bağlanır. Burada, tesisatta açıkta bulunan her iletken kısmı koruma iletkeni ile tesisatın ana topraklama bağlantı ucuna bağlanmalıdır. Ayrıca bu bağlantı ucunun, besleme kaynağının topraklı noktasına uygun bir şekilde montajı sağlanmalıdır. TN topraklama sistemleri; koruma (PE) ve nötr (N) iletkenlerinin durumuna göre TNC, TN-S ve TN-C-S topraklama sistemi olmak üzere üç sınıfa ayrılır.
Topraklama sisteminin tümünde nötr ile koruma fonksiyonları ortak olarak tek iletkende birleştirilmiştir. Tesisatın bütün açıkta bulunan iletken kısımlarının PEN iletkeni ile bağlantısı sağlanmıştır. TN-C topraklama sistemi, pek tavsiye edilmeyen bir sistemdir. Üç fazlı transformatörün sekonder sargılarının yıldız bağlanması durumunda yıldız noktasına bağlanan ve nötr iletkeni üzerinden geçen akım faz iletkenleri üzerinden geçen akımların vektörel toplamı olmasından dolayı dengeli besleme yapılmış üç fazlı sistemde bu toplam sıfır olacağından nötr iletkeni üzerinden herhangi bir akım geçmez (Aydın, 2015). Ancak üç fazlı sistemlerde tek fazlı doğrusal yüklerin olması durumunda veya dengesiz besleme yapılması durumunda nötr hattından akım geçer. Bu sistemde, toprak ve nötr akımları ayrılamadığı için RCD’ye (artık akım cihazı, kaçak akım rölesi) izin verilmez.
Sisteme ait tüm tesisatta ayrı bir koruma iletkeni kullanılmaktadır. Nötr (N) iletkeni, yalıtılmış olarak çekilir. Koruma iletkeni (PE), tesisatın besleme iletkeninin metal kılıfı kullanılmasıyla veya ayrı bir iletkenle sağlanır. Başka bir ifadeyle, TN-S topraklama sisteminde koruma ve nötr iletkenleri, tesisatın tamamında ayrı ayrı çekilir. Tesisatın bütün açıkta bulunan iletken kısımları, tesisatın ana topraklama barası (ucu, klemensi) yardımıyla bu koruma iletkenine bağlanması sağlanır.
TN-S topraklama sistemi, kendi ihtiyaçları için bir veya daha fazla YG /AG (Yüksek Gerilim/ Alçak Gerilim) transformatörü olan büyük tüketiciler ve kurulum/ekipman enerji kaynağına (transformatörler) bitişikse, elektrik enerjisi kaynaklarına yakın kurulumlar için uygundur.
Nötr ve koruma fonksiyonları, sistemin bir kısmında tek iletken üzerinden birleştirilmiştir. TN-C-S topraklama sisteminde; koruma ve nötr iletkenleri, şebekenin bir kısmında ayrı ayrı, bir kısmında ise ortak bir iletken olarak kullanılır. Tesisatın bütün açıkta bulunan iletken kısımları, tesisatın ana topraklama barası (ucu, klemensi) yardımıyla PEN iletkenine bağlanması sağlanmıştır. Nötr (N) ve koruma (PE) iletkenleri topraklama barasında birleştirilmektedir.
Elektrik kaçağı riskine karşı insanların hayatlarını ve cihazların kullanım ömrünü riske atmamak için yeni yapılacak binalarda temel topraklama yapılması zorunlu hale gelmiştir. Bunun yanında bir binada bulunan elektronik cihazların ve veri merkezinde bulunan ana makinelerin (server) oluşabilecek elektrik kaçağından veya bu cihazlar üzerinde biriken statik elektrik yükünün sisteme zarar verme tehlikesini ortadan kaldırmak için, cihaz gövdelerinin bir iletken yardımıyla temel topraklamasına bağlanması gerekir.
Temel topraklamanın yapılmasıyla potansiyel dengelemenin etkisi artar. Aynı zamanda, kuvvetli akım ve yıldırıma karşı koruma tesislerinde topraklayıcı olarak kullanılması uygun olup kapalı bir ring şeklinde yapılması gerekir. Temel topraklaması için kullanılacak şeritler, binaya ait dış duvarların temel kısmına veya temel platformu içine beton dökülmeden önce yerleştirilmesi sağlanmalıdır.
Binaların çevresinin büyük olması durumunda topraklama için kullanılacak alan, enine bağlantılarla 20m x 20m’lik gözlere bölünmesi gerekir. Elektronik cihazların kullanımı için çok önemli olan topraklama işlemi, binanın temel betonu dökülmeden önce, temel donatısı üzerine topraklama şerit hattı çekilmelidir.
Temel donatısına bağlı olan bu sistem, binanın perde beton bitişiğine çakılan topraklama kazıkları ile bağlanması sonucu ideal temel topraklama hattı gerçekleştirilmiş olur. Binanın her katının tabliyesi ve kolonu için aynı işlemin yapılmasıyla tekrarlanacak bu işlemle oluşturulacak faraday kafesi sonrası bina üzerine yerleştirilecek paratoner ile ideal topraklama işlemi tamamlanmış olur.
Topraklama yapılırken en fazla önem verilmesi gereken konuların başında topraklama direnci gelir. Topraklama direnci; topraklama elektrodu ile toprak arasındaki dirence denir. Bu direnç değeri, elektrodun yüzeyine, toprağın cinsine bağlı olarak mevsimlere göre değişen bir değerdir. Her toprak cinsinin elektrik akımına karşı gösterdiği direnç değeri farklıdır. Toprak cinsine göre toprağın özdirenç değerleri tabloda gösterilmiştir.
Topraklama sisteminde dikkat edilecek önemli etkenlerden biri de topraklama elektrotunun her noktasının toprakla temas etmesini sağlamaktır. Bununla birlikte topraklamanın iyi yapıldığını söyleyebilmek için topraklama geçiş direncinin en az seviyede olması gerekir. Standart toprağın geçiş direnci ortalama 10 Ω dolayındadır. Topraklama direnç değeri, istenilen değerden daha yüksek çıkması durumunda mutlaka düşürülmelidir. Topraklama yapılırken elektrodun gömüleceği toprağın düşük direnç değerine sahip olmasına dikkat edilmelidir. Ancak her zaman düşük direnç değerine sahip toprak bulunmayabilir. Bu durumda düşük direnç değerli toprağın bulunduğu yere elektrod gömülür ve topraklama iletkeni uzatılarak çözüm bulunur. Başka bir çözüm ise topraklama elektrodunun gömüleceği yerde büyükçe bir çukur açılır, direnç değeri düşük toprak bu çukura doldurularak çözüm bulunur. Topraklama direncini düşürmek için aşağıdaki yöntemler kullanılabilir:
