Bina uygulamalarında yıldırım ve aşırı gerilim koruması

Aşırı gerilim koruması, elektrik sisteminin besleme noktasında başlar ve en hassas ekipmanın yakınında biter. Boşaltım enerjisi kademeli olarak azaltılır: İlk olarak daha dayanıklı parafudurlarda (Tip 1), ardından daha iyi korumayla (Tip 2) ve son olarak da hassas ekipmanın yakınında (Tip 3). Bu koruma düzeni, Yıldırımdan Korunma Bölgesi (LPZ) denilen konseptle temsil edilmektedir. Bu sayede yıldırım darbesinin yarattığı etkilerin temelindeki yapının bölümlendirilmesi sağlanır.

Yıldırım akımlarının elektromanyetik etkilerine (LEMP, yıldırım elektromanyetik darbesi) karşı koruma amaçlı bir yapı, homojen elektromanyetik ortamlara, yani LPZ’lere (Yıldırımdan Korunma Bölgeleri) bölünebilir. Bu bölgeler duvar, kat ve çatılarla kısıtlanmaz ve LPS (Yıldırımdan Korunma Sistemi), ekranlama ve parafudurların bütüncül koruma önlemleri sayesinde oldukça ideal bir hâl alır. Elektrikli ve elektronik sistemlerin türü ve LEMP’ye karşı hassasiyetleri de bölgelerin tanımlanmasına yardımcı olur. Farklı seviyelerdeki elektromanyetik koşullar, korunma bölgeleriyle bağlantılıdır. Ekipman izolasyonunun darbe dayanımı gerilim seviyesiyle bağlantılı olarak yaşanan LEMP azalması söz konusudur.

Bölgeler, IEC 62305-1 standardında aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır:

• LPZ 0A: Açık bölge. Bu bölge, bileşenlerin doğrudan atmosferik boşaltımlara maruz bırakıldığı ve de kendileri tarafından üretilen ve elektromanyetik alanın tümüne maruz bırakılan toplam akımı desteklemeleri gereken harici bir Yıldırımdan Korunma Sistemi (LPS) tarafından korunmamaktadır;
• LPZ 0B: Harici LPS dâhilinde bulunan bölge. Bu bölgede doğrudan yıldırım darbelerine karşı mutlaka koruma sağlanır, fakat tehlikenin kaynağı elektromanyetik alana tamamen maruz kalınmasından doğmaktadır;
• LPZ 1: İç bölge. Bu bölgede objeler doğrudan yıldırım darbelerine maruz kalmaz ve endüksiyon akımları bölge 0A’dan daha azdır. Ekranlamaya sahiptir ve de gelen hatlarda tip 1 parafudurlar kurulmuştur;
• LPZ 2, LPZ n: daha ileri seviye ekranlamaya ve de parafudurlara ( tip 2 veya 3) sahip bölgelerdir; farklı bölgelerin sınırlarında bulunduğundan ve uç ekipmanları koruduğundan, korunacak ekipmanın gereksinimleriyle bağlantılı olarak endüksiyon akımının azaltılması sağlanır.

Teorik bilgileri bir otel uygulamasında netleştirelim. Yapılacak ilk şey bir risk analizi yürüterek insanların korunduğundan emin olmak adına binanın dış kısmının doğrudan yıldırım darbelerine karşı koruyacak bir LPS’ye ihtiyaç olup olmadığının belirlenmesidir. Bunu yapmak için de yazılımlar bulunmaktadır. Bu yazılımlar, yorucu hesaplamaları önler ve de dış yıldırımlığın yakalayabildiği minimum bir akım seviyesi sağlanan binalarda belirli bir seviyede koruma sağlar. Yıldırım akımı bir top olarak düşünülebilir; top ne kadar küçük olursa yakalamak da o kadar zor olur. Buna karşın, parafudurun toprağa veya elektrik şebekesine yönlendirilebilmesi için gereken maksimum akım değeri de sağlanır.

Şekil-1: Yıldırım Koruma Seviyesi (LPL)’ne göre darbe akımları

Şekil-2: IEC62305-1’e göre Yıldırım Koruma Bölgeleri (LPZ)

1 – Yapı ( LPZ 1 ekranlaması)
2 – Yakalama çubuğu sistemi
3 – İniş iletkenleri
4 – Yakalama çubuğu sistemi (toprak)
5 – Oda (LPZ 2 ekranlaması)
6 – Yapıya bağlı hatlar

S1 – Yapıya gelen yıldırım
S2 – Yapının yakınına gelen yıldırım
S3 Yapıya bağlı bir hatta gelen yıldırım
S4 Yapıya bağlı bir hattın yakınına gelen yılldırım

r Yuvarlanan kürenin yarıçapı
ds Çok yüksek manyetik alanlara karşı güvenli mesafe
LPZ 0A Doğrudan yıldırım, tam yıldırım akımı, tam manyetik alan
LPZ 0B Doğrudan yıldırım, kısmi yıldırım veya endüksiyon akımı yok, tam manyetik alan

Risk değerlendirmesi, IEC 62305-2 yıldırımdan korunma standardına göre yapılmaktadır.

2006’nın Nisan ayından beri geçerli olan uluslararası IEC 62305 yönetmeliği, bir binanın taşıdığı risklerin değerlendirilmesi ve de binalar, sistemler, insanlar ve de onlara bağlı hizmetlerin yıldırımdan korunmasını sağlayacak uygun önlemlerin belirlenmesi için gereken tüm öğeleri sağlamaktadır. Değerlendirme süreci, korunacak yapının analizinin yapılmasıyla başlar: binanın türü ve ölçüleri, binaya giren hizmet tesisatının sayısı, uzunluğu ve tipi, bulunduğu ortamın özellikleri ve de alandaki yıldırım şiddeti analiz edilir.

Zararın temel kaynağı yıldırım akımıdır. Aşağıdaki kaynaklar darbe noktasına göre ayrılmaktadır (çizim 1’e bakınız):

S1: yapıya gelen yıldırım,
S2: yapının yakınına gelen yıldırım,
S3: bir havai hatta gelen yıldırım,
S4: bir havai hattın yakınına gelen yıldırım

Yıldırımlar, korunacak yapının özelliklerine göre zarar oluşmasına neden olabilir. En önemli özelliklerden bazıları ise yapının türü, içerikleri ve uygulanışı, hizmet türü ve de sağlanan koruma önlemleridir.

Bu risk değerlendirmesinin pratik bir şekilde uygulanması adına yıldırım sonucunda ortaya çıkabilecek üç tür temel zararın arasındaki ayrımı yapmak faydalı olacaktır.

Bu temel zararlar ise şunlardır:

D1: canlılarda elektrik çarpması nedeniyle ortaya çıkacak yaralanmalar,

D2: fiziksel zarar,

D3: elektriksel ve elektronik sistemlerin arızalanması.

Bir yapıda yıldırım nedeniyle oluşan zararlar yapının bir kısmıyla kısıtlı olabilir veya tüm yapıya yayılabilir. Buna etraftaki yapılar veya çevre de dâhil olabilir (örneğin, kimyasal veya radyoaktif yayılımlar).

Her tür zarar tek başına veya başka bir türden zarar ile birlikte korunacak yapıda dolaylı olarak farklı zararlara neden olabilir. Oluşabilecek zararın türü ise yapının ve içindekilerin niteliklerine dayanmaktadır. Aşağıdaki zarar türleri göz önüne alınmalıdır (tablo 1’e bakınız):

L1: insanlarda can kaybı (kalıcı sakatlıklar dâhil);

L2: kamu hizmeti kaybı;

L3: kültürel miras kaybı;

L4: ekonomik değer kaybı (yapı, içerik ve aktivite kaybı).

Tablo-1: Yıldırım darbe noktasına göre bir yapıdaki zarar ve kayıp (IEC/BS EN 62305-1 Tablo 2)

Her kayıp için bir risk R’si hesaplanmaktadır: R1 insanlarda hayat kaybı riskidir; R2 önemli toplum hizmetlerinin kaybı riskidir; R3 kültürel mirasın kaybı riskidir; R4 ise ekonomik kayıp riskidir. Her risk türü zarar sebebiyle (kişilerdeki adım ve temas potansiyellerinden kaynaklı zararlar; yangın, patlama vb. nedeniyle ortaya çıkan maddi zararlar; elektriksel sistemlerde gerilim darbeleri nedeniyle oluşan zararlar) ve kaynağıyla (binalara veya dış elektrik hatlarına doğrudan gelen yıldırım darbeleri, binaların veya hatların yakınına gelen dolaylı yıldırım darbeleri) ilgili olarak farklı öğelerin temelinde ifade edilebilir. Bu üç riskin her biri için (R1,R2,R3) maksimum bir geçerli değer belirlenir: değer geçerli olan değerden daha fazlaysa, binayı korumak ve riskleri azaltmak adına gereken önlemler alınmalıdır (LPS, eşpotansiyel topraklaması, parafudurlar). Dördüncü risk öğesinde (R4) koruma her zaman opsiyoneldir.

Maliyet/fayda analizi olumlu görünüyorsa tavsiye edilir. Risk analizi yapının korunmasını gerektirdiğinde düzenlemeler de kabul edilen risk değerlerinin altında kalan belirli risk öğelerini azaltmak adına uygun parafudurlar için seçim kriterleri sağlar.

Risk değerlendirmesi otelin LPS ile korunmasını gerektiriyorsa, ana dağıtım panosuna tip 1 parafudur yerleştirmek zorunlu hâle gelecektir; zira bu ana panonun LPS’den gelen yıldırım akımının bir kısmıyla uğraşmasının gerekmesi ihtimali oldukça yüksektir. Ardından da bu parafudurun doğrudan darbeyi toprağa aktarabilecek şekilde tasarlanması gerekmektedir (10/350’lik dalga biçimleri); yıldırımdan korunma bölgesi konseptini izleyerek yapının dışından ilk giriş noktasına, LPZ 0’dan LPZ 1’e gelen darbenin ilk giriş noktasının korunması gerekmektedir.

Ana pano tip 1 parafudur ile korunduğuna göre tesisata gelen darbe enerjisinin yaklaşık %90’ını toprağa boşalttık demektir; fakat aşırı gerilim seviyesi birinci kategorideki ekipmanlar için hâlâ fazla yüksek (elektronik ekipmanlar sadece 1.5kV’a dayanabilir).

Şekil-3: Risk analizi basamakları

Şekil-4: Direkt ve endirekt yıldırım darbe şekilleri

Dolayısıyla, bu otelin her bir katına yerleştirilen kat dağıtım panolarında(LPZ 1’den LPZ 2’ye geçiş) kalan darbe enerjisini boşaltmaya devam edecek ve de hassas ekipman için 2.5kV’taki aşırı gerilimi (önceki tip 1 parafudurun koruma gerilimi) yeniden kabul edilebilir bir değere (1.5kV’tan düşük) azaltacak Imax değeri 40kA olan (8/20 dalga formuna göre test edilmiş) tip 2 parafudur kullanacağız.

Parafudurdan korunacak cihaza kadar olan mesafe10 metreyi aştığında koruma etkisinin azaldığını belirtmek gerekir. Bu yüzden her odanın dağıtım panosuna (sigorta kutusu) Imax değeri 20kA olan (LPZ 2’den LPZ 3’e geçiş) tip 2+3 veya tip 3 parafudur yerleştireceğiz. Bunu darbe enerjisinin %98’ini toprağa boşaltmış olsak da aşırı gerilim korumasını daha da iyi bir hâle getirerek koruma gerilim seviyesini düşürüp(1kV’a kadar) nihai ekipman için iyi bir koruma sağlamak amacıyla yapıyoruz.

İyi bir aşırı gerilim koruması her zaman adım adım yapılır: Her panoya bir parafudur yerleştirilir, binanın her bir yeni bölgesindeki giriş noktalarında bulunan darbe enerjisi azaltılır ve de nihai ekipmana yakın olacak şekilde düzgün bir koruma sağlanır. Koruma ekipmana ne kadar yakın olursa o kadar iyi!

Parafudurlar sadece yıldırım darbelerinden korunma konusunda değil, aynı zamanda endüstriyel darbelerden korunma konusunda da kullanışlıdır. Bu endüstriyel darbeler de korunan binanın içerisinde ortaya çıkarabilir. Örneğin bir otelde bulunan asansörler, havalandırma sistemleri ve pompalar gibi fazla güç tüketen aletler, anahtarlama sırasında darbe oluşturabilir.

10/350 μs dalga formu, doğrudan bir yıldırım darbesi oluşturarak akımın oldukça yüksek bir enerji seviyesinde aniden ve sert bir şekilde artmasına neden olur. Yıldırım çok yüksek bir tepe değeri ile şebekeye doğru 10/350 μs’lik bir akım darbesi oluşturduğundan ideal bir akım jeneratörü olarak değerlendirilebilir.

İndirgenmiş enerjiye sahip 8/20 μs dalga formu, dolaylı bir yıldırım darbesini ve de elektrik şebekesindeki operasyonların ve de parazitlerin etkilerini temsil etmektedir. Bu dalga biçimiyle ilişkilendirilen enerji, eğri altındaki alana bağlıdır:

Enerji ≈ ₀∫^T i²dt. Dolayısıyla 10/350 μs’lik dalga biçimi ile ilişkilendirilen enerji, 8/20 μs’lik enerjiye sahip olandan çok daha fazladır (yaklaşık 10 kat daha fazla).

Detaylı bilgi için;

Alper Çelebi

ABB Elektrifikasyon Ürünleri

DIN Rayı Ürünleri

Ürün Pazarlama Uzmanı

[email protected]