Konu Anlatımı
Topraklama ve Kaçak Akım Koruması
Bir torna tezgâhının metal gövdesi arıza nedeniyle canlı hale gelirse, bu gövdeye dokunan kişi toprağa doğru bir akım yolu üzerinden bağlanır. İşte topraklama sisteminin görevi bu yolu düzenli ve güvenli biçimde kurmaktır. Topraklama hem bir güvenlik önlemi hem de bir ölçüm konusudur. Bu derste öğreneceğiniz kaçak akım rölesi ise insanı yalnız toprağa güvenmeden koruyan ikinci bir savunma hattıdır.
Bu derste ne öğreneceğiz?
Bu konuda koruma topraklaması ile işletme topraklamasının farkını, topraklama sisteminin neden var olduğunu öğreneceğiz. Topraklama direncinin nasıl ölçüldüğünü ve bu ölçümden hareketle nasıl yorum yapıldığını inceleyeceğiz. İzolasyon direnci ölçümünde kullanılan yüksek test geriliminin amacını ve 1 MΩ sınırının ne anlama geldiğini açıklayacağız. Kaçak akım rölesinin hangi akımda açtığını ve 30 mA ile 300 mA değerlerinin farklı amaçlara karşılık geldiğini öğreneceğiz. Son olarak atölyede bir ölçüm yaparken uyulması gereken güvenlik sırasını ve kayıt tutma sorumluluğunu inceleyeceğiz.
Ön bilgi
Konuyu anlamak için iki temel büyüklük hatırlanmalıdır. Birincisi direnç bağıntısıdır: bir iletkenin direnci özdirenci, uzunluğu ve kesitiyle belirlenir. İkincisi gerilim düşümü kavramıdır; bir dirençten akım geçerken uçları arasında gerilim farkı oluşur. Topraklama hesabı aslında bu iki kavramın birleşimidir: toprak yolu bir dirençtir ve arıza akımı bu dirençten geçerken gerilim düşümü yaratır.
Ayrıca ölçüm aletlerinin kullanım kuralları bilinmelidir. Gerilim ölçümü paralel, akım ölçümü seri bağlantı ister. Direnç ölçümü ancak devre enerjisizken yapılır. Ölçüm sırasında cihazın kendi kaynağı devreyi beslemesi hata sonuçlarını tamamen değiştirir; bu yüzden izolasyon direnci ölçümü ayrı bir cihazla yapılır.
1. Neden Topraklama Gerekir
Toprak, potansiyeli referans alınan ve direnci çok düşük olan bir iletken kütlesidir. Koruma topraklamasının amacı bir arıza oluştuğunda metal gövde gerilimini güvenli bir seviyeye indirmektir. Topraklama olmazsa arıza akımı doğrudan insan üzerinden toprağa döner ve akım geçen yolun direnci çok yüksek olduğu için bu yol tehlikelidir.
Topraklama olursa arıza akımı insanı değil metal gövdeyi ve toprağı tercih eder. Bu yolun direnci küçük olduğundan akım büyür ve sigorta ya da kesici hızla devreye girer. Koruma elemanının devreye girmesiyle birlikte temas gerilimi insanın zarar görmeyeceği bir sürede ortadan kalkar.
Topraklama aynı zamanda ölçüm referansıdır. Bir arızanın nerede olduğunu bulmak için toprak referans alınarak fazlara gerilim ölçülür. Topraklama sistemi bozuksa bu ölçümler de yanıltıcı olur. Bu yüzden topraklama yalnız bir koruma önlemi değil, arıza tespitin de temelidir.
2. Koruma Topraklaması ve İşletme Topraklaması
Koruma topraklaması güvenlik amaçlıdır ve metal gövde ile toprak arasında kurulur. Amacı arıza durumunda gövde gerilimini sınırlamaktır. Bu topraklama türü tesisatın ana toprağıyla aynı sistemden beslenir ve kesinlikle bir anahtar ya da sigorta ile kesilmemelidir.
İşletme topraklaması ise arıza akımının toprağa güvenli biçimde yönlendirilmesini sağlar. Buradaki topraklama elemanı bir şalter veya sigorta ile kesilebilir, çünkü amaç sürekli bir bağlantı değil arıza anında akımı yönlendirmektir. İki topraklama türünün işlevi karıştırıldığında bir arıza anında hem güvenlik hem işletme aksine uğrayabilir.
İkisi arasındaki temel fark kesilebilirliktir. Koruma topraklamasında bağlantı sürekliliği esastır ve herhangi bir anahtarla kesilemez. İşletme topraklamasında ise hat, bakım çalışması için ayrılabilir. Bu yüzden elektrik panosunda toprak barı ve kesici ayrı ayrı düzenlenir; birbirine karıştırılmaz.
3. Topraklama Direnci ve Ölçümü
Topraklama direnci iki bileşenden oluşur: toprağa gömülü toprak elektrotunun direnci ve toprağın kendisine yayılım gösteren direnç. Topraklama iletkeninin kendi direnci ise genellikle ihmal edilebilir düzeydedir. Ölçümde okunan değer bu iki bileşenin toplamıdır.
Topraklama direnci, elektrot ile toprak arasına ölçüm gerilimi uygulanıp geçen akım ölçülerek bulunur. Ölçüm cihazları bu işlemi kendileri yapar ve sonucu doğrudan direnç olarak gösterir. Ölçümden önce zemin nemlendirilirse toprak iletkenliği artar ve okunan değer gerçek çalışma değerine yaklaşır.
İletkenin direnci bağıntıyla hesaplanırken küçük bir değer çıkar. Bakır özdirenci düşük olduğu için iletkenin kendisi sorun oluşturmaz. Bu sonuç şaşırtıcıdır ama beklenen bir sonuçtur: asıl belirleyici olan elektrotun toprağa temas eden yüzeyidir. Toprak nemlendikçe direnç düşer, kuruduğunda yükselir.
4. İzolasyon Direnci Ölçümü
İzolasyon direnci, cihazın yalıtkan kısımları ile canlı kısımları arasındaki dirençtir. Bu direnç ölçümü, cihazın kendi test kaynağı ile yüksek bir gerilim uygulanarak sızıntı akımının ölçülmesiyle yapılır. Test gerilimi 230 V devreler için 500 V seviyesindedir.
Test gerilimi yüksek seçilir çünkü zayıf bir izolasyonun sızıntı akımı da ölçülebilmelidir. Düşük gerilimde ölçüm, sınır değerindeki bir izolasyonu göstermeye yetmez. Ölçülen direnç 1 MΩ değerinin üzerindeyse yalıtkanlık kabul edilir; altında kalıyorsa cihaz kullanılmamalıdır.
Ölçüm sırasında cihazın kendi kaynağı kullanılır ve devrenin normal besleme gerilimi devreye verilmez. Bu nedenle ölçüm, cihazın bağlantılarını söker ve kullanıcıyı yüksek gerilime maruz bırakmaz. Ancak ölçüm cihazının test çıkışlarına dokunulmamalıdır; bu çıkışlarda test gerilimi bulunur.
5. Kaçak Akım Rölesi ve Anma Değerleri
Kaçak akım rölesi, devrenin canlı iletkeni ile toprak arasında beklenenden fazla bir akım geçtiğini algılayarak devreyi keser. Röle içinden geçen akımların vektörel toplamı sıfırdan saptığında algılama devresi uyarılır ve kontaktçı açılır. Bu yüzden röle, topraklama sisteminden bağımsız çalışır.
İki anma değeri yaygındır. 30 mA değeri insan elektrik çarpmasına karşı koruma sağlar ve atölye ile konut tesisatında kullanılır. 300 mA değeri daha büyük kaçaklarda devreye girerek ek yangın koruması sağlar. Yangın riskine karşı 300 mA yeterliyken, insan güvenliği için bu değer yetersiz kalır.
Röle, anma kaçak akımı değerinde kesinlikle devreyi açar ve anma değerinin altındaki akımlarda açma garantisi yoktur. Bu nedenle anma değerini bilerek küçültmek güvenliği azaltır. Kaçak akım ölçümü yapılırken mevcut yükler devre dışı bırakılır; aksi hâlde yükün normal kaçağı ölçüm sonucunu bozar.
6. Topraklama Sistemleri ve Eşpotansiyel Bağlama
TN sisteminde nötr noktası topraklanır ve metal gövde ile nötr iletkeni birlikte topraklanır. Arıza oluştuğunda koruyucu iletken üzerinden yüksek akım geçer ve sigorta eriyerek devreyi keser. Bu sistemde arıza akımı topraktan dönmez, nötrden döner; kesme süresi çok kısadır.
TT sisteminde nötr noktası kaynağın hemen yakınında topraklanır ama tüketicinin kendi toprağı ayrıdır. Arıza akımı tüketicinin toprağından döner ve toprağa bağlı kaçak akım rölesi devreye girer. Bu sistemde döngü direnci yüksek olduğundan röle koruma sağlar; ancak topraklama direncinin bir üst sınırı vardır.
Eşpotansiyel bağlama farklı noktalardaki metal yapıları birbirine bağlayarak gerilimlerini eşitler. Böylece bir noktadan diğerine geçen akım azalır ve bir noktada biriken yüksek gerilim diğer noktalara yayılamaz. Banyo ve ıslak hacimlerdeki metal boruların toprak barına bağlanması tipik bir uygulamadır.
7. Ölçüm Sırası ve Kayıt
Ölçüm öncesi güvenlik sırası bellidir: önce devrenin enerjisi kesilir ve kesildiği doğrulanır, sonra ölçüm bağlantıları yapılır. Bu sıra ters uygulanırsa ölçüm cihazı yüksek gerilim altında kalır ve hem cihaz hem kullanıcı zarar görür. Kesildiğinden emin olmak için cihaz üzerindeki gösterge kontrol edilir.
Ölçüm sonucu mutlaka kayıt altına alınır. Kayda tarih, ölçülen nokta, kullanılan yöntem, okunan değer ve kabul sınırı yazılır. Kayıt tutulmayan bir ölçüm, yapılmamış sayılır; çünkü sonraki arızada aynı noktanın önceki değeriyle karşılaştırılamaz.
Ölçüm sonucu kabul sınırının dışındaysa bu bir imalat sapması olarak değerlendirilir ve kök neden analizine girer. Ölçüm yöntemi doğruysa sonuç ölçüm hatası diye atılmaz. Bu ayrım kalite sisteminde en sık yapılan hatadır ve kayıt tutulmadan karar verilemez.
Basit örnek
Bir elektrik atölyesinde ölçülen topraklama adım gerilimi 24 V, ölçülen toprak akımı 12 A olarak bulunmuştur. Topraklama direnci bu değerlerden hesaplanır. Direnç gerilimin akıma bölünmesiyle bulunduğu için işlem 24 / 12 = 2 Ω şeklindedir. Bu değer son derece küçüktür ve topraklama sisteminin çok iyi durumda olduğunu gösterir. Buna karşılık yalnız 2 Ω ölçülen bir elektrot sayesinde bu sonuç alınmış olmalıdır.
İleri örnek
Bir tesatta 30 mA değerinde kaçak akım rölesi kullanılmaktadır ve ölçülen topraklama direnci 2200 Ω olarak bulunmuştur. Bu ölçümün kabul edilip edilmediği hesaplanarak belirlenecektir. Temas gerilimi, toprak direnci ile rölenin anma kaçak akımının çarpımıdır ve güvenlik sınırı 50 V olarak alınır.
İlk adımda temas gerilimi hesaplanır: 0,03 × 2200 = 66 V bulunur. Bu değer 50 V güvenlik sınırının üzerindedir, dolayısıyla ölçüm kabul edilmez. İkinci adımda gereken en büyük toprak direnci hesaplanır: 50 / 0,03 = 1667 Ω sınırı bulunur. Yani toprak direnci 1667 Ω altına indirilmelidir. Çözüm yeni bir elektrot eklemek veya mevcut elektrot sayısını artırmaktır.
Adım adım çözülmüş örnek
Bir cihazın izolasyon direnci ölçülmek üzeredir. Test gerilimi 500 V olarak uygulanmış ve cihaz 0,0005 A sızıntı akımı göstermiştir. İzolasyon direnci hesaplanacaktır.
Adım 1: İzolasyon direnci bağıntısı hatırlanır: direnç, gerilimin akıma bölünmesiyle bulunur.
Adım 2: Değerler yerine yazılır ve 500 / 0,0005 işlemi yapılır.
Adım 3: Sonuç 1000000 Ω olarak bulunur.
Adım 4: Değer 1 MΩ sınırına denk geldiği için sonuç sınırda kabul edilir.
Adım 5: Değerin altında kalan bir cihaz kullanılmaz; yalıtkanlık onarımı gerekir.
Kavram karşılaştırma tablosu
| Özellik | Koruma topraklaması | İşletme topraklaması |
|---|
| Amaç | Arızada gövde gerilimini sınırlamak | Arıza akımını toprağa yönlendirmek |
| Kesilebilirlik | Kesinlikle kesilemez | Bakım için ayrılabilir |
| Temas anındaki görev | Koruma elemanını harekete geçirir | Arıza akımını yönlendirir |
| Ölçüm yöntemi | Topraklama direnci ölçümü | Döngü direnci ölçümü |
| Bağlantı noktası | Toprak barı | Şalt veya ayırıcı üzerinden |
| En sık yapılan hata | Anahtarla kesilmesi | Kesici üzerinden sürekli geçirilmesi |
Sık Yapılan Hatalar
- Koruma topraklamasını bir anahtarla kesilebilir yapmak. Bu durumda arıza anında metal gövde canlı kalır.
- Ölçümü cihazın kendi besleme gerilimi açıkken yapmak. Ölçüm cihazı yüksek gerilim altında kalır.
- İzolasyon direnci ölçümünde düşük test gerilimi kullanmak. Zayıf izolasyon ölçülemez.
- Kaçak akım ölçümünü yükler devredeyken yapmak. Yükün normal kaçağı sonucu bozar.
- Topraklama direncini yalnız iletkenin direnci sanmak. Asıl belirleyici olan elektrottur.
- 30 mA anma değerini bilerek küçültmek. Açma garantisi verilmez ve insan güvenliği azalır.
- İzolasyon direnci ölçümünden sonra cihazı bağlantılarını kontrol etmeden çalıştırmak.
- Ölçüm sonucunu kayıt altına almamak. Sonraki arızada karşılaştırma yapılamaz.
Özet
Topraklama, metal gövde ile toprak arasında kurulan ve arıza anında insanı koruyan bir yoldur. Koruma topraklaması güvenlik amaçlıdır ve kesinlikle kesilmemelidir; işletme topraklaması ise arıza akımını toprağa yönlendirir ve bakım için ayrılabilir. Topraklama direnci elektrotun direnci ile toprak yayılımından oluşur; iletkenin kendi direnci ihmal edilebilir düzeydedir ve ölçümde okunan değer toprak nemine göre değişir. İzolasyon direnci cihazın yüksek test gerilimiyle ölçülür ve 230 V devrelerde sınır 1 MΩ olarak kabul edilir. Kaçak akım rölesi canlı iletken ile toprak arasındaki beklenmedik akımı algılar; 30 mA insan koruması için, 300 mA ek yangın koruması için kullanılır. TT sisteminde röle anma akımı ile toprak direnci çarpımı 50 V sınırını aşmamalıdır. Ölçüm önce enerji kesilerek yapılır, sonuç mutlaka kayıt altına alınır ve kabul sınırı dışındaki sonuç kök neden analizine girer.
Kendini dene
Öğrendiklerini pekiştirmek için önce koruma topraklaması ile işletme topraklamasının farkını iki cümleyle yaz. Sonra 40 V ve 20 A değerleriyle bir topraklama direnci hesapla ve sonucu 2 Ω değeriyle karşılaştır. Ardından 500 V test gerilimi ve 1 MΩ sınırı için kabul edilebilen en büyük sızıntı akımını bul. Son adım olarak 30 mA anma değerli bir rölede 900 Ω toprak direncinin kabul edilip edilmediğini hesaplayarak yaz. Puanlama notu: Topraklama türlerinin karşılaştırılması 4 puan, topraklama direnci hesabı 4 puan, sızıntı akımı sınırı 3 puan ve kabul kararının gerekçesi 4 puan üzerinden değerlendirilir.
