1

YÜKSEK GERİLİM TESİSLERİ TOPRAKLAMA STANDARTLARININ KARŞILAŞTIRILMASI

M. Hakan HOCAOĞLU A. Turan HOCAOĞLU Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü

Gebze-Kocaeli Türk Standartları Enstitüsü

Gebze-Kocaeli

1. Giriş

Bu yazının amacı yüksek gerilim topraklama tesislerinin düzenlenmesine esas standartların ana hatları ile

tanıtılması ve bu standartlar arasındaki farklılıkların gösterilmesidir. Herhangi bir yüksek gerilim tesisinin

topraklama şebekesinin düzenlenmesi için kullanılmakta olan ulusal ve uluslararası standartlar şu şekilde

sıralanabilir; İngiltere’de, British Standart Institute (BSI) tarafından neşredilen BS 7354 [1] ve endüstri

standardı olan Electricity Associotion’un (EA) ‘Engineering Recommendation’u S34 [2] ile ‘Technical

Spesification’u TS 41-24 [3], Amerika’da, IEEE Standart 80 [4], Almanya’da VDE/DIN 0141 [5],

Türkiye’de Bayındırlık Bakanlığı tarafından hazırlanmış olan Elektrik Tesislerinde Topraklamalar

Yönetmeliği (ETTY) [6] ve son olarak Avrupa Topluluğu ülkelerindeki yüksek gerilim tesisleri inşaa

pratiklerini uyumlulaştırma amacı taşıyan ve henüz yazım aşamasında olan CENELEC CLC/TC 112 [7]

nin dokuzuncu bölümü.

Bu standartların ilgilendiği en önemli konu topraklama sisteminin empedansı, Ze, ile bu sistemden akan

akımın, I, oluşturduğu ve toprak şebekesi etrafında oluşan istenmedik gerilim yükselmelerinin

sınırlandırılmasıdır.

GPR=I.Ze (1)

Böylece herhangi bir toprak arızası anında oluşabilecek ve bu toplam toprak gerilimi ile orantılı olan,

adım (Step) ve dokunma (Touch) gerilimleri hesaplanabilir hale gelir ki bu gerilimler güvenli topraklama

şebekesinin temelini oluştururlar. Genelde tüm bu zikredilen standartlarda müsaade edilebilir dokunma

geriliminin değeri adım gerilimine göre daha düşük olduğu kabul edildiğinden topraklama sisteminin

dizaynı bu gerilim esas alınarak yapılmaktadır. Dolayısıyla bu yazının temel amacı, 1kV u aşan elektrik

tesislerinin topraklanması ile alakalı standartların dokunma gerilimini ele alış tarzları arasındaki farkların

özetlenmesidir. Bu standartlar arasındaki farklar iyi analiz edilmediği ve anlaşılmadığı takdirde yanlış

uygulamalara sebeb olabilmektir.

Bir topraklama tesisinin güvenli olup olmadığı hesaplanan mümkün azami dokunma geriliminin müsaade

edilen azami dokunma gerilimi ile mukayesesi ile anlaşılır. Bu durumda problemin iki önemli unsuru

olduğu açıktır. Bunlar, mümkün ve müsaade edilen azami dokunma gerilimlerinin tespitidir. Ancak

2

mümkün azami dokunma gerilimi, izin verilen değerden küçük ise topraklama sistemi emniyetlidir

kanaatine ulaşılabilir. Her iki dokunma gerilimi de topraklama sisteminin boyut, yapı, toprak durumu,

arıza akımı seviyesi gibi fiziksel unsurlarına bağlı olduğu gibi öngörülen dokunma senaryosuyla da

alakalıdır. Dokunma ve adım gerilimleri ile alakalı senaryolar standartlarda genellikle aşağıdaki şekille

gösterilmektedir.

Şekil 1 Dokunma ve adım gerilimleri ile alakalı durumlar.

Dokunma gerilimi şu şekilde tarif edilebilir: Dokunma gerilimi, ayakları toprak yüzeyinde olup toplam

toprak gerilim yükselmesinin (Ground Potential Rise, GPR) etkisi altındaki topraklama şebekesine

bağlanmış bir metal parçasına dokunmakta olan şahsın maruz kalabileceği gerilimdir. Adım gerilimi ise,

toprak yüzeyinde topraklama şebekesinden akmakta olan arıza akımının sebebe olduğu gerilim

farklılıklarından dolayı bu toprak üzerinde durmakta olan şahsın ayakları arasında yer alacaktır.

Genellikle dokunma geriliminin adım gerilimine nazaran daha tehlikeli olacağı varsayıldığından ulusal ve

ulusarası standartlar bu gerilim değerini temel alarak topraklama tesislerinin düzenlenmesini

öngörmüşlerdir.

Mümkün ve müsaade edilen azami dokunma gerilimleri standartlarda yukarıdakine benzer tarzlarda tarif

edilmiş olmakla beraber bu gerilimlerin nasıl emniyet analizlerine uygulanacağı konusunda standartlar

arasında farklılıklar gözlenmektedir [8]. Bu farklılıklar müsaade edilen gerilimlerin nasıl hesaplanacağı

konusunda bazı problemlere ve tartışmalara yol açmıştır [9, 10]. Yine buna paralel olarak mümkün azami

gerilimlerin belirlenmesi konusunda standartlarda gözlenen farklılıklar bunlar arasında bir

uyumlulaştırma ihtiyacını ortaya çıkarmıştır [11, 12]. Bu yazıda sırasıyla bu problemler üzerinde

durulacaktır.

2. Müsaade Edilebilir Dokunma Gerilimi

İlginçtir ki elektrik şoku ile alakalı çalışmalar ve standartlar genellikle insan için tehlikeli olabilecek akım

değerlerinin belirlenmesi ve buna bağlı olarak müsaade edilebilir akım değerlerini sınırlamayı tercih

d

IB

IB

3

ederken topraklama standartları müsaade edilebilir gerilim değerlerini sınırlamak yoluna gitmişlerdir.

Elektrik şoku ile alakalı bu çalışmalar insan vücudu üzerinden geçen akımın yol açabileceği tehlikeyi

çeşitli kısımlara ayırarak incelemektedirler. Bunlar:

• Algılama akımları (Perception Currents), sıcaklık ve sızlama tesiri yapar.

• Reaksiyon akımları (Reaction Currents), reflekslere ve istençsiz adale hareketlerine sebeb olur.

• Bırakma akımları (Let-go Currents), adale kontrölünü kaybetmeden vücud üzerinden

geçebilecek azami akım değeridir.

• Fibrilasyon akımları (Fibrillating Currents), kalbin vebtricular fibrilasyona girmesine yol

açabilecek asgari akımdır.

Yazında bu yukarda sayılanlardan farklı sınıflandırmalarla karşılaşmak mümkün olsa da genelde

standartlar yukarda sayılan sınıflamayı kullanmaktadır. Topraklama tesisleri bakımından önem taşıyan

akım değeri fibrilasyon akımıdır. Bu sebeple yazımızın bu bölümünde, elektrik şokuna sebebe olan azami

fibrilasyon akım değerleri ile alakalı emniyet kriterlerini inceleyeceğiz.

2.1.Elektrik Şokuna Karşı Emniyet Kriterleri

Elektrik şokuna karşı geliştirilen emniyet kriterleri, aynı ve sınırlı sayıdaki hayvan deneylerine ait

bulgulara [13 den 17 e] dayanmakla birlikte Kuzey Amerika ve Batı Avrupa’da farklı yönlere doğru bir

gelişim göstermiştir [18]. Kuzey Amerika’da Dalziel’in [19] enerji temelli yaklaşımı yerleşirken

Avrupa’da Osypska’nın [20] elektriki yük temelli yaklaşımını da içeren çift mekanizmalı şok senaryoları

taraftar bulmuştur [21]. Elektrik çarpması ve elektriksel şoka karşı koruma alanında yakın zamanlara

kadar yapılan bu çalışmalar IEC tarafından standartlaştırılarak rapor haline getirildi, IEC 479 [22, 23]. Bu

standartta çarpılma akımının zamana bağlılığı önemle vurgulanmakta ve bir Kuzey Amerika pratiği olan

Daizel’in lineerleştirilmiş ve vücut ağırlığına göre belirlenmiş formülleri yerine ‘S’ şekline benzer ve

olasılık bakımından sınıflandırılmış bir seri eğri tavsiye edilmektedir. Bu eğriler elektriksel şok riskini

zamana bağlı olarak %5, %50 ve %95 (c1, c2 ve c3 eğrileri) [22] olasılık değerlerine göre belirlemiştir.

Dolayısıyla her iki coğrafyada kullanılmakta olan topraklama pratikleri de bu ayrışmadan etkilenerek

emniyetli gerilim seviyelerini bu farklı yorumlara dayanarak belirlemişlerdir.

Ayrıca IEC 479’da detaylı bir şekilde incelenen insan bedeninin direncinin gerilime bağlılığı, temas

yüzeyinin etkisi ve elektrik akımının vücutta takip ettiği yol topraklama uygulamalarının tamamında

genellikle ihmal edilmektedir. Akımın takip ettiği yola bağlı olarak hem vücut direnci değişmekte (%20

ile 30 arasında) hem de akımın kalp üzerinden akıp akmamasına göre çarpılma riski de değişmektedir.

Vücut direncinin gerilime bağımlılığı ve akımın takip ettiği yolun şok riskine etkisi topraklama

standartlarında ihmal edilmektedir [8].

4

Bu iki temel çalışmaya paralel olarak Amerika’da başka guruplarda –ki bunlar, Underwriters Laboratories

(UL) ve Consumer Products Safety Commissions (CPSC) dir- Dalziel’in enerji konseptini yeniden

değerlendirerek 8.4Kg lık bir çocuk için yeni bir emniyetli akım değeri teklif etmişlerdir. Bu yeni eğri

IEC 479 da verilen c1 eğrisine göre çok daha muhafazakar olmasına rağmen 8.4Kg a göre hesaplanmış

Dalziel eğrisine göre iyimserdir. Bu eğriler Şekil 2 de toplu halde gösterilerek karşılaştırılmışlardır.

Şekil 2 A) Dalziel’in 80Kg lık adamı B) Dalziel’in 50Kg lık adamı C) IEC 479 c1 eğrisi D) UL/CPSC

nin çocuklar için teklif ettiği eğri E) Dalziel’in 8.4Kg lık eğrisi. [24]

Yukarıdaki şekilden de açıkça görüleceği üzere 100-700ms arası dışındaki tüm değerler için IEC nin c1

eğrisi IEEE standart 80 de verilen Dalziel’in 50Kg lık eğrisine göre daha muhafazakardır. Bilinmektedir

ki, devre koruma elemanları bu zaman periyodu içerisinde çalıştıklarından dolayı, topraklama sistemi

düzenlenmesi genellikle bu periyot gözönüne alınarak yapılmaktadır. Şayet Dalziel’in 70Kg lık adam için

tavsiye ettiği eğri şebeke düzenlemesi için kullanılacak olursa IEC standartlarına göre eksik düzenlenmiş,

yetersiz bir topraklama sistemine sahip olduğu söylenebilir. UL ve CPSC tarafından teklif edilen eğri ev

aletleri için kullanımda olup topraklama tesisleri için önem taşımamaktadır. Bununla birlikte, bazı yerel

idarelerin şehir içlerinde yeralan elektrik istasyonlarının çevresinde bu eğrilerle emniyet analizi

talepleriyle karşılaşılmaktadır.

Giriş kısmında dökümü yapılan topraklama standartları arasında bazı farklılıklar olmasına rağmen bir çok

benzerlikler de mevcuttur. IEEE standart 80 haricinde ki bütün standartlar IEC 479 tarafından

düzenlenmiş müsaade edilebilir akım değerlerini kendi müsaade edilebilir gerilim değerlerini tespit etmek

için kullanmaktadırlar. İncelenen bütün standartlar dokunma ve adım gerilimlerinin tarif etmek için farklı

yollar kullanmakla birlikte Şekil 1 de verilene benzer bir durum öngörmektedir.

Zaman (s)

Akı

m(m

A)

5

Dokunma durumu tüm standartlarda aynı olmakla birlikte dokunma geriliminin tanımı ve elektriksel şok

devresinin elemanları konusunda da standartlar arasında farklılıklar bulunmaktadır. Bu farklılıklar ve

standartlar arasında uyumlulaştırmaya olan ihtiyaç daha önce de dile getirilmiş olmakla birlikte [8 den 12

ye] standartlar arası farklılıklar hala sürmektedir. Standartların dokunma gerilimini nasıl hesapladıklarına

kısaca bir göz atmanın bu farklılıkları doğru anlamaya yararlı olacağını düşünüyoruz.

2.2. IEEE Standart 80

Bu standart dokunma gerilimini şu şekilde tanımlamaktadır: ‘Toplam Toprak Gerilimi (GPR) ile

topraklanmış metalik yapıya dokunan insanın durduğu noktanın gerilimi arasındaki potansiyel fark.’ Bu

tanım aşağıdaki şekille desteklenmekte ve standart bir seri varsayımda bulunmaktadır. Bu varsayımların

konumuzla alakalı olanları diğer standartlarla birlikte Tablo 1 de sunulmuştur.

Şekil 3 IEEE standart 80 de verilen elektrik şok devresi

Şekilde U müsaade edilebilir gerilimi, RB ise vücut direncini ki 1000Ω olarak verilmiştir sembolize

etmektedir. Devrede IA müsaade edilen akım olup Dalziel’in formülleri ile belirlenmektedir, yine Rf ve

Rmf ise ayakla toprak arasındaki ve ayaklar arasındaki karşılıklı direnci göstermektedir. Pratikte Rmf ihmal

edilmekte ve Rf insan ayağının yarıçapına (b) sahip bir iletken disk şeklinde modellenebilecegi kabulüne

dayanarak, toprağın öz-direncine (ρ) bağlı bir fonksiyon olarak verilmektedir.

bRf 4

ρ= (2)

Yaklaşık insan ayağı büyüklüğü bir çok standart tarafından 200cm2 olarak kabul edilerek bu formül 3ρ

şekline sokulmuştur.

Genellikle elektrik istasyonlarında istasyon yüzeyi hem mekanik dayanımı arttırıp toprağın nemini içerde

tutmak amacıyla hem de çalışan personelin emniyetini temin gayesiyle öz-direnci hayli yüksek bir

malzemeyle (kırılmış taş veya benzeri) kaplıdır. Bu malzemenin Şekil 3 de verilen devre elemanlarından

Rf nin değerini arttırıcı yönde bir etki yapacağı açıktır. Bu sınırlı kalınlıktaki tabaka sebebi ile toprağın iki

Rmf

U

Rf

IA

Rf

RB

6

tabakalı bir yapı arzetmesi meydana gelebilecek ‘mümkün azami dokunma gerilimi’nin genliği üzerinde

önemli bir etkiye sahip olmaz iken Rf nin değerini önemli miktarda arttıracak ve bağlı olarak müsaade

edilebilir gerilim seviyesi yükselecektir. Bu artışın istasyon yüzeyine serilen koruyucu tabakanın öz-

direncine, kalınlığına ve alttaki toprak katmanının özelliklerine bağlı olacağı açıktır. IEEE standart 80 bu

etkiyi Heppe ‘nin [25] çalışmalarına dayanarak bir matematiksel seri ile formüle etmiştir. Bu serinin

çözümü için bilgisayar kodlaması gerektiğinden standart basitleştirilmiş bir formül ve abaklar

sunmaktadır. Bununla beraber bu hesaplamalardaki bazı pürüzler yeni çalışmalara yol açmış [10, 26, 27]

ve bir değişikliğin gündemde olduğu rapor edilmiştir [28].

2.3. İngiltere standartları

İngiltere’de topraklama standartları iki ayrı kurum tarafından üç farklı düzenlemeyle yürütülmektedir.

Müsaade edilebilir gerilimler IEEE standart 80 dekine benzer bir yöntemle hesaplanmakla birlikte farklı

varsayımlar yapılmıştır. İki yaklaşım arasında bu konudaki en temel fark müsaade edilebilir akım

seviyelerinin farklı çalışmalara dayandırılmasıdır. Ayrıca ayakkabı direnci Amerikan standardı tarafından

hesaba katılmamıştır. Bu standartlarda Şekil 3 e benzer bir devre verilmemekle birlikte müsaade edilebilir

gerilim değerlerinin hesaplanmasında kullanılan yönteme dayanarak Şekil 4 deki gibi bir devre

üretilebilir.

Şekil 4 BS 7354 le alakalı dokunma gerilimi devresi.

Şekil 4 de verilen devre ile Amerikan standardındaki devrenin tek farkı ikincisinde yer alan ilave

ayakkabı dirençleridir (Rfw). Bu standart ayakkabı direncini de hesaba katarak daha gerçekçi bir senaryo

öngörmesine rağmen temas direnci (Rc) için IEEE standart 80 ayak büyüklüğü ile alakalı yapılan

yaklaşıklığı muhafaza etmekte ve bu değeri 3ρ formülü ile hesaplamaktadır. Ayakkabılı bir ayağın

büyüklüğünün çıplak ayaktan daha fazla olacağı açıktır. Daha önemlisi ise bu ilave direnç değeri yeksek

öz-dirence sahip toprak şartlarında müsaade edilebilir gerilimin temel belirleyicici olmaktadır.

Rfw

VT

IB

Rc

RB

Rfw

Rc

7

Farklı yüzey şartları bu standartlarda da gözönüne alınmakla birlikte konunun gerekli detayda

yeralmadığı gözlenmektedir. BS 7354 te bir yansıma faktörü hesabı yapılmakta fakat bu faktörün

uygulanması için verilen formül hatalı sonuç üretmektedir [9]. EA TS 41-24 ise herhangi bir hesaplama

tekniği vermemekte ve sabit 2000Ω değerini telaffuz etmektedir. Fakat her iki standartta verilen müsaade

edilen dokunma gerilimi ile alakalı grafikler BS 7354 formülüyle hesaplanmadığı görülmektedir.

Ayrıca İngiliz standartları arasında izin verilebilir akım seviyesinin tespiti konusunda da bir birlik yoktur.

BS 7354, IEC 479 daki c2 eğrisini kullanırken Endüstri standardı EA TS 41-24, c1 eğrisini

kullanmaktadır.

2.4. Alman ve Türk Standartları

Alman ve Türk topraklama standartları aynı karakterde olduğundan birlikte incelendi. Bu standartlar tesis

kurulduktan sonra dokunma gerilimlerinin ölçülmesine dayalı olduklarından elektrik şok devresi için

herhangi bir yorumda bulunmamışladır. Emniyetli gerilim seviyesi 1000Ω vücut direnci öngörülerek IEC

479 c2 eğrisi kullanılarak ve herhangi bir ilave direnç hesaba katılmayarak belirlenmiştir. Bu

standartlarda da vücuda direncinin gerilime bağımlığı hesaba katılmamıştır. Standartlar ölçmenin, çabuk

bir fikir edinmek için 1000Ω iç-direncine sahip bir voltmetre ve toprağa sokulan bir sonda ile

yapılabileceğini söylemesine rağmen gerçekçi bir ölçmenin 200cm2 çapında bir elektrotun 50N-m ile

toprağa bastırılması ile yapılabileceğini söylemektedir. Standart ölçme ile alakalı yeteri kadar detay

içermektedir.

2.5. Yeni Avrupa Standardı

Son şekline henüz kavuşan bu standart resmi olarak yayınlanmamış olmakla birlikte önemi nedeniyle

burada incelenmiştir. Bu standart yayınlandıktan sonra üye ülkeler için bağlayıcı olacaktır. Diğer

standartlardan farklı olarak bu standart dokunma gerilimini Thevenin eşdeğer devresinin gerilim kaynağı

olarak tanımlamakta ve müsaade edilebilir dokunma gerilimi seviyesini bu tanıma dayanarak

hesaplamaktadır. Vücut direncinin gerilime bağlılığı zikredilmekle birlikte nasıl hesaba katılacağı açık

değildir. Standart dokunma geriliminin belirlenmesi konusunda da açık değildir. Dokunma geriliminin

ölçme veya hesaplama yoluyla belirlenebileceğini söylemekle birlikte herhangi bir hesaplama yöntemi

sunmamaktadır. Standartta hem ilave dirençlerin hesaba katıldığı hem de sadece vücut direnci gözönüne

alınarak eğriler verilmiştir. Hangi eğrinin kullanılacağı kullanıcıya bırakılmıştır.

Şekil 5 CENELEC standardında verilen dokunma gerilimi devresi.

USTp

Ra2

UTp

IB

Ra1

ZB

Ra

8

Şekilde USTp dokunma devresinin kaynak gerilimini, IB müsaade edilen vücut akımını simgelemekte ve

IEC 479 ın c2 eğrisinden alınmaktadır. Ra, Ra1 ve Ra2 ilave dirençler olup sırasıyla ayakkabı ve durulan

noktadan toprağa olan direnci temsil etmektedir. Ayakkabı direnci için 2000Ω değeri telaffuz edilmekte

ve Ra2 için diğer standartlarda da öngörülen 3ρ yaklaşıklığı muhafaza edilmektedir.

Şaşırtıcıdır ki, elektrik istasyonun yüzeyini kaplayan sınırlı kalınlıktaki yüksek dirence sahip koruyucu

tabakanın etkisi sadece yüzey tabakasının öz-direncini hesaba katarak hesaplanan Ra2 ile dikkate

alınmakta dolayısıyla bu tabakanın altında yer alan çok daha düşük öz-dirence sahip yerel (native)

toprağın etkisi ihmal edilmektedir. Özellikle yapımından sonra hayli zaman geçmiş olan istasyonlarda

yüzeydeki tabaka yerel toprakla karışmış ve kalınlığı azalmış olabilmektedir. Bu tip yerlerde sadece

yüzey direncini hesaba katmak müsaade edilen gerilim seviyesini hayli yükseltecek ve yetersiz bir şebeke

düzenlenmesine sebep olabilecektir. Şurası hatırlatılmalıdır ki bu problem ancak hesaplamaya dayalı

şebeke düzenlenmesinde söz konusudur. Ölçme durumunda sadece vücut direnci hesaba katıldığından bu

hata görülmeyecektir.

2.6. Özet

Yukarda verildiği gibi standartlar arasında farklılıklar olmakla birlikte insan vücut direncinin gerilime

bağlılığı CENELEC standardı hariç tüm standartlarda ihmal edilmiş ve 1000Ω gibi yüksek gerilimler için

hayli iyimser bir değer hesaba katılmıştır. CENELEC standardı ise gerilime bağlılığı öngörmekle birlikte

bu durumun nasıl değerlendirilebileceği hususunda yetersiz kalmaktadır.

Yukarda adı geçen standartları karşılaştıran bir tablo aşağıda sunulmuştur.

9

Tablo 1 Topraklama standartlarının mukayesesi

BS 7354 TS 41-24 ve S-34 CENELEC IEEE std.80 VDE/DIN

0141 ETTY

Müsaade edilebilir akım

IEC 479 (c2) IEC 479 (c1) IEC 479 (c2) Dalziel’in

formülü IEC 479 (c2) IEC 479 (c2)

Akımın yolu - - Sol elden her iki ayağa

Bir elden her iki ayağa Elden ayağa Elden ayağa

Vücut direnci 1000Ω 1000Ω Gerilime Bağlı 1000Ω 1000Ω 1000Ω

Ayakkabı vs. 4000Ω 4000Ω 2000Ω 0 - -

İlave

di

ren ç

Temas veya ayak 3ρ 3ρ 3ρ 3ρ - -

Yüzey etkisi *Kalınlığa bağlı faktör

2000Ω sabit değer

Yüzey direnci

Kalınlığa bağlı faktör - -

Müsaade edilebilir gerilim

Ib (Rb + (Rfw+Rc)/2) İterasyonla İterasyonla Ib (Rb + RF/2) Eğri Eğri

*Formülün hatalı olduğu kaynak [9] da gösterilmiştir.

Yukarıdaki tabloda enteresan olan IEC 479 üzerinde büyük bir önemle durulan akımın yolu bazı

standartlarda zikredilmekle birlikte, bunun müsaade edilen akıma ve vücut direnci üzerine olan etkisi tüm

standartlarda ihmal edilmiştir. Vücut direncinin gerilime bağlılığı sadece CENELEC standardında

öngörülmekle birlikte bu özelliğin nasıl hesaba katılacağı açık değildir. Vücut direncinin müsaade edilen

dokunma gerilimine etkisi [8] de gösterilmiştir. Ayakkabı direnci IEEE standart 80 de yoksayılmakla

birlikte diğer standartlarda öngörülmüştür. Elektrik istasyonlarında bulunabilecek personelin ayakkabısız

olma ihtimali çok düşük olduğu ve özellikle sigorta şirketlerinin ayakabısız çalışma konusunda kesin

kuralları olduğu düşünülecek olursa bu yoksaymanın optimum topraklama şebekesi dizaynından

uzaklaştıracağı açıktır.

3. Mümkün Azami Dokunma Gerilimi

Topraklama standartlarından ETTY ve VDE/DIN 0141 tesisin yapılmasından sonra ölçme yoluyla

güvenirliliğinin tespitine dayalıdır. Dokunma geriliminin daima adım gerilimden yüksek olacağı ve daha

büyük tehlike arzedeceği kabulünden hareketle her iki standartda bu gerilimin nasıl tespit edileceği ve

dolayısıyla bu ölçmelerin nasıl yapılacağını detaylı bir tarzda tarif etmekte ve hesaplamaya esas

olabilecek herhangi bir bilgi vermemektedir. CENELEC tarafından hazırlanmakta olan CLC/TC 112’nin

dokuzuncu bölümü ise adım ve dokunma gerilimlerinin hesaplama veya ölçme ile tespitini uygun

görmekte fakat herhangi bir formül sunmamaktadır. IEEE Standart 80, EA TS 41-24 ve BS 7354

dikdörtgen bir ağ şeklinde düzenlenmiş ve kazıklarla desteklenmiş ve tek tabakalı, homojen öz-dirence

sahip toprak içine gömülmüş standart bir toprak şebekesinin arıza altında oluşturabileceği adım ve

10

dokunma gerilimlerinin hesaplanmasına ilişkin Laurent’in [29] çalışmalarına dayalı analitik formüller

sunmaktadır. Çeşitli standartlarda yer alan bu analitik formüller aşağıdaki Tablo 2 de özetlenmiştir.

Tablo 2 Mümkün azami dokunma gerilimi formülleri.

Standart Dokunma Gerilimi

BS 7354

Ayrıca topraklanmış çite

sahip toprak şebekesinde

Ayrıca topraklanmış çitte

Ortak topraklanmış çitte EA

/TS

41-2

4

Ortak topraklanmış ve kenarlarında elektrot bulunan

çitte

IEEE STD. 80*

VDE/DIN 0141 1989 Yapımdan sonra ölçme yapılması tavsiye ediliyor

ETTY Yapımdan sonra ölçme yapılması tavsiye ediliyor

CENELEC CLC/TC Ölçme veya hesaplama (Hesaplama için bilgi yok)

* Göz Gerilimi (mesh voltage) olarak anılmakta.

Yukarıdaki tabloda verilen faktörler şu şekilde belirlenmektedir.

ki = 0.656 + 0.172n Std.80 için

ki = 0.7 + 0.15n BS 7354 için

KD = 0.7 + 0.3(L/Lp)

Kii = 1 Topraklama kazıklarıyla desteklenmiş şebekeler için

Kii = 1/(2n)2/n Topraklama kazıkları bulunmayan şebekeler için

VIL

hd h D h D

kT

n

i=

+ +

++

−

−ρπ

ln..0 5 21

21 1 0 5

( )( )E

IL

Dhd

D hDd

hd

KK n

kmii

hi= +

+−

+ −

ρπ π2 16

28 4

82 1

2 2

ln ln

EIL

hd h D D

kt Grid

n

d( ) ln.

.= + +

++

−

−ρ

π12

12

105

1 05 2

EIL

hd h D D

kt Fence

n

d( ) ln.

..= + +

++

−

−ρ

π12

12

105

1 050 26

2

EIL

hd h D D

kt Fence

n

d( ) ln.

..= + +

++

−

−ρ

π12

12

105

1 050 26

2

( ) ( )EIL

hd

S S S kt Fence d( ) ln ln . ln= − + + +

ρπ

12

14

0 514

2 2 2 4 2

11

Kh = (1+h/h0)1/2

Burada

ρ = Toprak öz-direnci (Ω-m)

I = Toprak akımı (A)

h = Şebekenin derinliği (m)

h0 = 1 m (Referans şebeke derinliği)

d = İletkenlerin çapı (m)

D = Paralel şebeke iletkenleri arasındaki ortalama mesafe (m)

n = (nA nB)1/2

Burada nA bir yöndeki paralel iletkenlerin sayısı,

nB diğer yöndeki paralel iletkenlerin sayısı.

L = Kazıklar dahil gömülü iletkenlerin toplam uzunluğu (m).

S = En dıştaki topraklama iletkeni ile ona enyakın paralel iletken arasındaki mesafe (m).

Lp = Gömülü iletkenlerin varsa kazıklarda dahil olmak üzere çevre uzunluğu (m).

İngiliz ve Amerikan standartlarının dokunma geriliminin hesabı için sunmuş olduğu formüller aynı

kaynaktan [29] faydalanılarak geliştirilmiş olmakla beraber farklılıklar içerirler. Bu farkın başlıca sebebi

iki standardın en kötü durum üzerine yaptığı kabulün ve topraklama şebekesi düzenleme pratiklerinin

farklı olmasıdır. IEEE Standart 80 en kötü durum olarak dikdörtgen şeklinde ve geniş aralıklı gözlerden

oluşan bir şebekenin herhangi bir köşesindeki gözün merkezinde durmakta ve topraklanmış bir metal

parçasına dokunan insanın durumunu esas almaktadır. İngiliz standartları ise dikdörtgen şeklindeki

şebekenin herhangi bir köşesinden çapraz olarak bir metre uzaktaki bir noktada durmakta ve topraklanmış

bir metal parçasına dokunan insanı esas alarak geliştirilmiş formüller sunmaktadır. En kötü durumla

alakalı her iki standart arasındaki bu yaklaşım farkı düzenlenen topraklama şebekesinin durumuna göre

farklı sonuçlar üretmekte ve gerçek dokunma gerilimini azımsayabilmektedirler [11].

Her iki standartta yer alan bu analitik formüller çok tabakalı toprak modellerini ve karmaşık dizayn

biçimlerini kapsamamakta ve hatalı sonuçlar verebilmektedir [30]. Karmaşık ağ düzenekleri ve çok

tabakalı toprak şartlarının topraklama şebekesinin performansını etkileyeceği açıktır [31]. Bu şartlar

gelişmiş bilgisayar programları vasıtasıyla incelenebilmektedir. Halen piyasada topraklama şebekelerini

bilgisayarlı benzetim yoluyla ve gayet detaylı olarak inceleyebilecek programlar mevcuttur [ mesela 32,

33, 34]. Bu programların kullanımı daha etkin topraklama şebekesi düzenlenmesine yol açacaktır.

4. Topraklama Şebekesinin Parametrik Analizi

Bu standartlarda yer alan formüller 100Ω-m öz-dirence sahip toprak içerisine ve 0.6m derinliğe

gömülmüş bir topraklama şebekesine uygulanmıştır. Bu şebeke 100x80m boyutlarında olup 0.008m

12

çapında bakır şeritlerden yapılmıştır. Topraklama şebekesi 100A genliğe sahip bir arıza akımına maruz

kalmaktadır. Şebeke içinde yer alan eşit aralıklarla sıralanmış topraklama şeritlerinin sayısı ve birbirlerine

olan mesafesi düzenli olarak arttırılarak bu artışın hesaplanan dokunma gerilimine etkisi gösterilmiştir.

Şebekede kazıklar öngörülmemiştir.

Şekil 6 Örnek topraklama şebekesi

Bu çalışmada dikdörtgen şeklindeki topraklama şebekesinin eninde yer alan bakır şeritlerin sayısı iki

olarak sabit bırakılmış ve uzun kenar boyunca şeritlerin sayısı arttırılmıştır. Hesaplanan mümkün azami

gerilimler aşağıdaki grafikte sunulmuştur.

Şekil 7 Bir yöndeki şeritlerin etkisi

Şekilden görüleceği üzere geniş aralıklı gözlerden oluşan bir şebekede IEEE standart 80 kötümser sonuç

vermekte fakat sık aralıklı bir şebekede bu standart İngiliz standartların nazaran daha düşük sonuçlar

vermektedir. Bunun temel sebebi daha öncede belirtildiği gibi iki standart arasındaki en kötü durum

senaryosu arasındaki farktır. İngiliz standartlarındaki değişimin azalması da bunun bir delilidir.

10 20 30 40 50 60 70 800

5

10

15

20

25

30

35

BS 7354 e göre Dokunma GerilimiEA TS 41-24 e göre Dokunma GerilimiIEEE Std.80 e göre Dokunma Gerilimi

Iletken Sayisi

Dok

unm

a G

erili

mi (

V)

13

Burada ise dikdörtgen şeklindeki topraklama şebekesinin boyunda yer alan bakır şeritlerin sayısı yine iki

olarak sabit bırakılmış ve kısa kenar boyunca şeritlerin sayısı arttırılmıştır. Hesaplanan mümkün azami

gerilimler aşağıdaki grafikte sunulmuştur.

Şekil 8 Diğer yöndeki şeritlerin etkisi.

Bir önceki grafiğe benzer bir sonuç burada da müsaade edilmektedir. IEEE standart 80 de öngörülen

mümkün dokunma gerilimlerindeki değişim daha da belirgin bir durum kazanmıştır.

5. Sonuç

1. Topraklama şebekesini düzenleyen standartlar arasında uyumlulaştırmaya ihtiyaç vardır.

2. Bayındırlık Bakanlığı tarafından düzenlenen ETTY yeni gelişmeler ışığında hesaplamaya dayalı

yöntemleri de barındıracak tarzda güncellenmelidir.

3. Yapılan parametrik analizlerin çok tabakalı toprak şartlarını da içerecek tarzda yenilenmesi

gerekmektedir.

4. Şehir içinde yeralan istasyonların civarında insan bulunma ihtimali çok fazla olduğundan sadece

dokunma gerilimi değil adım gerilimlerinin de emniyet analizi yapılması gerekebilir.

5. Bilgisayar benzetimine dayalı analiz teknikleri henüz pahalı olmakla birlikte bunların kullanımının

ucuz ve emniyetli topraklama şebekesi düzenlenmesine yol açacağı açıktır.

6. Devre kesicilerin ters karakteristiği (Inverse Definite Minimum Time) hesaba katılarak bir emniyet

analizine gidilmesi gerekmektedir.

20 40 60 80 1000

5

10

15

20

25

BS 7354 e göre Dokunma GerilimiEA TS 42-24 e göre Dokunma GerilimiIEEE Std.80 e göre Dokunma Gerilimi

Iletken Sayisi

Dok

unm

a G

erili

mi (

V)

14

Kaynakça

1 BS 7354:1990: ‘Code of Practice for Design of High-Voltage Open-Terminal Stations’, BSI Standard

2 EA S-34, (Electricity Association, Engineering Recommendation S.34) 1986: ‘A Guide for Assessing

the Rise of Earth Potential at Substation Sites’, Electricity Association Services Limited, London, 1986

3 EA TS-41-24, (Electricity Association, Technical Specification 41-24) 1992: ‘Guidelines for the

Design, Installation, Testing and Maintenance of Main Earthing Systems in Substations’, Electricity

Association Services Limited, London (Issued 1994)

4 IEEE/ANSI Std 80-1986: ‘IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding’ (IEEE standard board,

NY, USA)

5 DIN VDE 0141:1989: ‘Earthing Systems for Power Installations with Rated Voltages Above 1 kV’

(Technical Help to Exporters Translations, British Standard Institution, Milton Keynes, UK)

6 BAYINDIRLIK BAKANLIĞI: ‘Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yonetmeligi’, (TMMOB Elektrik

Muhendisleri Odasi, Izmir, Nisan 1992).

7 prEN 50179-1996: ‘Power installations exceeding 1 kV ac’, CENELEC (European Committee for

Electrotechnical Standardisation) CLC TC 99X (July 1997 Draft).

8 HOCAOĞLU, M. H., HOCAOĞLU, A. T.: “Vücut Direncinin Gerilime Bağımlılığının Topraklama

Tesislerinde Müsaade Edilebilir Adım ve Dokunma Gerilimlerine Etkisi”, Elektrik, Elektronik, Bilgisayar

Mühendisliği 8. Ulusal Kongresi, Eylül 1999, Gaziantep, pp. 395-398

9 HOCAOGLU, M. H., HOCAOGLU, A. T.: “The Accidental Shock Circuits for Earthing System

Design in Electrical Substations” Proceedings of the ELECO’99, International Conference on Electrical

and Electronics Engineering, December 1999, Bursa-Turkey, pp. 283-288

10 DAWALIBI, FP, SOUTHEY, RD, BAISHIKI, RS: ‘Validity of Conventional Approaches for

Calculating Body Currents Resulting from Electric Shocks’, IEEE Trans. on PWRD, Apr. 1990, Vol.5,

No.2, pp. 613-626.

11 DAVIES, A.M. GRIFFITHS, H. and BEDDOES, A.J.: ‘Standards Applicable to Earthing System

Design – Which Ones to Follow?’, Proceedings of the 30th UPEC, September 1995, Greenwich U. K.,

Vol. C, pp. 455-458

12 PICKEN, G. H.: ‘A Review of Standards for High-Voltage Installations’, ERA Technology

Conference, “Earthing Systems-Which Path to Follow?”, July 1993, pp. 2.1.1-2.1.14.

15

13 FERRIS, P, KING, BG, SEPENCE, PW, WILLIAM, HB: ‘Effect of Electric Shock on the Heart’,

AIEE Trans. 55, May 1936, pp.498-515

14 KOUWENHOUVEN, WB, KNICKERBOCKER, GG, CHESNUT, RW, MILNOR, WR, SASS, DJ:

‘A-C Shocks of Varying Parameters Affecting the Heart’, AIEE Trans. on Communications and

Electronics, Vol. 78, May 1959, pp.163-169

15 KISELEV, AP: ‘Threshold Values of Safe Current at Mains Frequency’ Probl. Of Elec. Equipment,

Elec. Supply, and Elec. Measurements (in Russian), Sb. MIIT, vol. 171, 1963, pp.47-58

16 LEE, WR: ‘Death from Electrical Shock’, Proc. of IEE, Vol. 113, No. 1, January 1966, pp.144-148

17 SCOTT, JR, LEE, WR, ZOLEDZIOWSKI, S: ‘Ventricular Fibrillation Threshold for a.c. Shocks of

Long Duration, in dogs with Normal Acid-Base State’, British Journal of Industrial Medicine, Vol. 30,

1973, pp.155

18 BRIDGES, J.E., VAINBERG, M., WILLS, M.C.: ‘Impact of Recent Developments in Biological

Electrical Shock Safety Criteria’, IEEE Trans. on Power Delivery, January 1986 Vol. 2, No.1, pp. 238-

248

19 DALZIEL, C.F., LEE, W.R.: ‘Re-evaluation of Lethal Electric Currents’, IEEE Trans. on Industry and

General Applications, Sept./Oct. 1968, Vol. 4, No. 5, pp. 467-476

20 OSYPKA, P:, ‘Quantitative Investigation of Current strength, Duration and Routing in AC

Electrocution Accidents Involving Human Beings and Animals’, Technical College of Braunschweigh,

1963.

21 BIEGELMEIER, G, LEE, W.R.: ‘New Considerations on the threshold of Ventricular Fibrillation for

a.c. Shocks at 50-60 Hz’, Proceedings of IEE, March 1980, Vol. 127, No. 2, Pt. A, pp. 103-110

22 IEC 479-1: ‘Guide to Effects of Current on Human Beings and Livestock, Part 1 General Aspects’,

International Electrotechnic Commission IEC publication, 1994

23 IEC 479-2: ‘Guide to Effects of Current on Human Beings and Livestock, Part 2 Special Aspects

Relating to Human Beings’, International Electrotechnic Commission IEC publication, 1987

24 BRIDGES J. E., FORD G. L., SHERMAN I. A. AND VAINBERG M. eds.: ‘Electrical Shock Safety

Criteria, Proceedings of the First International Conference on Electrical Shock Safety Criteria’, Pergamon

Press, Elmsford, N. Y. 10523, 1985.

25 HEPPE, R.J.: ‘Step potentials and body currents near grounds in two layer earth’, IEEE Trans. on

PAS, Jan/Feb. 1979, Vol. 98, N0. 1, pp. 45-59

16

26 THAPAR, B., GEREZ, V., EMMANUAL, P.: ‘Ground Resistance of the Foot in Substation Yards’,

IEEE Trans. on Power Delivery, Jan. 1993, vol. 8, No. 1, pp. 1-6.

27 THAPAR, B., GEREZ, V., HARSH, K.: ‘Reduction Factor for the Ground Resistance of the Foot in

Substation Yards’, IEEE Trans. on Power Delivery, Jan. 1994, Vol. 9, No. 1, pp. 360-365

28 SVERAK, J.G.: ‘Progress in step and touch voltage equations of ANSI/IEEE Std.80 – Historical

Perspective’, IEEE Trans. on Power Delivery, July 1998, Vol. 13, No. 3, pp. 762-767

29 LAURENT, P.: ‘Les Bases Générales de la Technique des Mises à la Terre Dans les Installations

Electriques’, Le Bulletin de la Société Française des Electiciens, July 1951, In French. (English

translation: General Fundamentals of Electrical Grounding Techniques, in Appendix of IEEE standard 80,

pp. 285-345.)

30 CLAXTON, J.C.: ‘Investigation into the Performance of Electrical Earthing Systems’, PhD. Thesis,

Cardiff 1997

31 CHARLTON, T.E., CLAXTON, J.C., GRIFFITHS, H., TURRI, R.: ‘Design of Effective Earthing

Systems’, CIRED, May 1995, Vol.1, Brussels, Belgium, pp. 2.227.1-2.227.5

32 CYME International Inc.: CYMRGD, St. Bruno, QC, Canada, 1996.

33 SAFE ENGINEERING SERVICES: CDEGS, Canada, 1996.

34 MELIOPOULOS, A.P.S., COKKINIDIES, G.J.: ‘An Advanced Computer Model for Grounding

System analysis’, IEEE Trans. on Power Delivery, January 1993, Vol. 8, No.1, pp. 13-21