Yıldırım Riskinin Analizi
Yıldırım riskinin analizinde çok sayıda faktör dikkate alınır. Bu makalede, faktörlerden sadece birine ışık tutulacaktır; ki bu yapıların korunması ve en önemli beş yönü: yıldırım iletkenleri, elektrogeometrik model, yakalama yüzey alanları, aşağı yönlü iletkenler ve tabii ki topraklama sistemidir.
Tesisatların, elektrikli yada elektronik ekipmanların korunması bu makalenin konusu dışındadır, ve sadece yapıların dış korumasının en önemli yönleri dikkate alınacaktır:
Dış Koruma Sistemleri (Paratonerler)
Elektrogeometrik Model
Yakalama Yüzey Alanları
Alt (Aşağı Yönlü) İletkenler
Topraklama Sistemi
1| Dış Koruma Sistemleri (Paratonerler)
Bunların amacı yapıları doğrudan yıldırım düşmelerine karşı korumaktır. Yıldırımları yakalayarak ve deşarj akımlarını toprağa akıtarak, yıldırımın kendisine ve ilgili akımın sirkülasyonuna bağlı meydana gelebilecek hasarları önlerler.
Yıldırım iletkenleri dört kategoriye ayrılır:
Tek Çubuklu Paratonerler (Franklin Çubukları)
Sparkover (Kıvılcım) Cihazlı Paratonerler
Kafes Örgülü Paratonerler
Topraklama İletkenli Paratonerler
1.1| Tek Çubuklu Paratonerler (Franklin Çubukları)
Bunlar, yapının boyutuna ve alt (aşağı yönlü) iletkenlere bağlı olarak bir veya daha fazla uçtan meydana gelebilirler.
Ya doğrudan tesisatın topraklama elektroduna (temelde) ya da koruma türüne ve ulusal çalışma uygulamalarına bağlı olarak, kendisi tesisatın toprağına bağlanan özel bir topraklama elektroduna (paratoner topraklama elektroduna) bağlanır.
1.2| Sparkover (Kıvılcım) Cihazlı Paratonerler
Bunlar tek çubuklu paratonerlerin gelişmiş versiyonudur. Uçta bir elektrik alanı oluşturan, yıldırımı yakalamaya ve etkinliklerini artırmaya yardımcı olan bir kıvılcım önleyici cihaz ile donatılmıştır.
Aynı yapı üzerine birkaç paratoner monte edilebilir. Topraklama elektrotlarının yanı sıra birbirine bağlanmaları gerekir.
Tek çubuklu paratonerler veya kıvılcım söndürme (sparkover) cihazlı paratonerlerle korunan 60m'den yüksek binalarda, yanal yıldırım çarpması riskini önlemek için koruma sistemi üstte metal bir halka ile tamamlanır.
1.3| Kafes Örgülü Paratonerler
Kafes örgülü paratonerler, tüm hacmi sınırlandırılacak şekilde binanın dışına yerleştirilmiş bir iletkenler ağından oluşur. Çıkıntı noktalarında (çatılar, oluklar, vb.) bu ağa düzenli aralıklarla yakalama çubukları (0,3 ila 0,5 m yüksekliğinde) eklenir.
Tüm iletkenler, alt (aşağı yönlü)niletkenlerle topraklama sistemine (temel) bağlanır.
1.4| Topraklama İletkenli Paratonerler
Bu sistem belirli binalar, açık hava depolama alanları, elektrik hatları (üst toprak teli), vb. üzerinde kullanılır. Kürenin elektro geometrik modeli buralarda uygulanır.
2| Elektrogeometrik Model
Yıldırım yakalama cihazlarının seçimi ve konumlandırılması, her bir sahanın ayrıca incelemesini gerektirir; amaç, aydınlatmanın yada binanın başka bir bölümüne değil, önceden tanımlanmış noktalardan (yıldırım iletkenleri) birine "düşmesini" sağlamaktır.
Yakalama cihazının (yıldırım iletkeni) tipine ve ulusal çalışma uygulamalarına (IEC 62305 bakın) bağlı olarak yapmanın çeşitli yöntemleri vardır.
Bunlardan “elektrogeometrik model” (veya hayali küre modeli) yöntemi olarak adlandırılan bir tanesi, teorik olarak bir yıldırım iletkeni tarafından korunan küresel hacmi, ilk arkın deşarj akımının yoğunluğuna göre tanımlar.
Bu akım ne kadar yüksekse, yakalama olasılığı o kadar yüksek ve korunan alan o kadar geniş olur.
Paratoner çubuğunun (veya öncülün) ucunun, yarıçapı D ile hayali bir kürenin merkezini temsil ettiği kabul edilir.
Bu küre ile temas eden ilk element, yıldırımın çarpacağı noktayı belirleyecektir: bir ağaç, bir çatı, zemin veya varsa bir yıldırım iletkeni. Bu kürenin teğet noktalarının ötesinde, artık paratoner tarafından koruma sağlanamamaktadır.
Kürenin teorik yarıçapı (D) şu ilişki ile tanımlanır: D = 10 × I2 / 3, burada D metre cinsinden ve I ise kA cinsindendir.
Tablo: Kürenin teorik yarıçapı (D) ve yıldırım akımı değerleri
Olası en düşük yıldırım akımı değerlerini (koruma seviyesi I) içeren optimum koruma için, 20 m'lik (I = 2.8 kA) bir küre düşünülmelidir.
Koruma Seviyeleri (IEC 62305)
Model, koruma cihazının türüne (tek çubuklu paratoner, örgülü kafes, topraklama telleri) ve korunacak yapıya göre uyarlanmalıdır.
IEC 62305 standardı, yakalama olasılığına bağlı olarak dört koruma seviyesine göre koruma hacimlerini tanımlar:
Tablo: Dört koruma seviyesine göre koruma hacimleri
3| Yakalama Yüzey Alanları
Korunacak alan birkaç binadan oluştuğunda veya tek bir yakalama cihazının (yıldırım iletkeninin) menzilinin ötesine geçtiğinde, alan için farklı teorik yakalama yüzey alanlarını yan yana getiren bir koruma planı hazırlanmalıdır.
Farklı yükseklikteki yapılardan oluştuğunda, bir sitenin tam olarak kapsanması her zaman zordur.
Koruma planını alan yerleşiminin üzerine yerleştirmek, kapsanmayan alanların görülmesini mümkün kılar, ancak her şeyden önce aşağıdakileri dikkate alarak derinlemesine değerlendirmeye yardımcı olmalıdır:
Ana çarpma noktalarını (kuleler, bacalar, antenler, lamba direkleri, diğer direkler vb.) belirleyerek yıldırım çarpma olasılığı.
Binalarda bulunan ekipmanların hassasiyeti (haberleşme ve bilgisayar ekipmanları, PLC'ler vb.)
İşletmeyle veya depolanan malzeme türleriyle bağlantılı potansiyel riskler (yangın, patlama vb.)
Binalar arasındaki sayısız bağlantının (bilgisayar ağları, uzaktan izleme, iletişim, alarmlar ve güç) yıldırımın elektromanyetik alanının veya zeminde üretilen voltaj gradyanının etkisiyle parazit oluşturabileceği de unutulmamalıdır.
Bu bağlantıların korunmasının iki yolu vardır:
Bu alanlara karşı koruma sağlamanın yanı sıra, öncelikle bağlantının (bitişik topraklama iletkeni, büküm, iletken ekran vb.) eş potansiyelini koruyacak olan Faraday kafeslerinin korunması veya kullanılması.
Binaları elektriksel olarak ayıran galvanik dekuplaj (optokuplörler, fiber optikler, izolasyon trafoları, vb.)
Koruma planı, doğrudan yıldırım çarpmalarına karşı korunacak bina ve yapıları dikkate almalı, ancak yıldırım çarpmalarının yıkıcı etkilere neden olabileceği unsurları veya yapılmamış alanları da hesaba katmalıdır.
Koruma Planı Örneği:
Bu (hayali) sahada, üretim, depolama, işleme vb. hassas alanların yıldırım iletkenleri veya örgülü bir kafesle etkin bir şekilde korunduğunu, ancak iki alanın korunmadığını görebiliriz, çünkü bu alanlar düşük risklidir: Resepsiyon alanı ve Otopark
Daha fazla değerlendirme yapmak; otoparkı aydınlatan lamba direklerinin yıldırım çarpabileceğini ve yıldırım çarpmasını tesise iletebileceğini ve telefon santralini ve çağrı antenini (bip) barındıran resepsiyon alanının hem savunmasız hem de hassas bir alanı temsil ettiğini göstermektedir.
Pompa istasyonu teorik olarak çok daha yüksek olan silo paratonerleri ile korunmaktadır. Bununla birlikte, bu durumda yana doğru bir yıldırım çarpmasının mümkün olduğunu unutmamıza izin vermemesi gereken bir durumdur da.
4| Alt (Aşağı Yönlü) İletkenler
Bunlar, paratoner (çubuk, kafes, tel) ile topraklama elektrodu arasındaki bağlantıyı sağlar. Yoğun akımlara maruz kalırlar ve bu nedenle yeterli bir enine kesite sahip (min. 50 mm2 bakır) olmalı, düz (HF akımı) olmalı, sıkıca sabitlenmeli ve mümkün olan en kısa yolu takip etmelidirler.
Yükselmeleri veya keskin açıları olmamalıdır. İletkenler yıldırım çarpması sayaçları ile donatılabilir.
Her bir alt iletkendeki akımları ve ilgili termal, elektrodinamik ve endüktif etkileri azaltmak için alt iletkenlerin sayısını artırmanız tavsiye edilir. Alt iletkenler, örgülü, eşpotansiyel bir toprak devresinde sonlanmalıdır.
Alt iletkenlerdeki yıldırım akımının sirkülasyonunun neden olduğu etkilerin sonuçlarını aşağıdakilerle en aza indirilebilir:
Akımı bölmek ve neden olduğu etkileri sınırlamak için alt iletkenlerin sayısını artırmak.
Binadaki tüm katlarda alt iletkenlerin yapıştırma sistemleri ile birbirine bağlanmasının sağlanması.
Erişilemeyenler de dahil olmak üzere tüm iletken elemanları içeren eşpotansiyel kuşaklama sistemleri oluşturmak: sıvı boruları, koruma devreleri, betondaki takviyeler, metal çerçeveler vb.
Alt iletkenleri hassas alanların veya ekipmanların (bilgi işlem, telekomünikasyon, vb.) yakınına yerleştirmekten kaçınmak.
Alt iletkenlerin binalardaki yapıştırma sistemleriyle birbirine bağlanması:
Birkaç katlı binalarda, paratoner alt iletken (ler) inin her kattaki kuşaklama sistemlerine bağlanması tavsiye edilir.
Bu yapılmazsa, alt iletkenler ve açıktaki iç iletken parçalar arasında oluşan voltaj farkı, binanın duvarlarında kıvılcım atmasına neden olabilir.
HF yıldırım akımının sirkülasyonu, yüksek frekans empedansındaki artış nedeniyle aslında alt iletkende önemli bir voltaj yükselmesine (birkaç yüz kV) neden olabilir.
5| Topraklama İletkenli Paratonerler
Bu, yıldırımdan korunmada temel bir unsurdur: kendileri birbirine bağlı olan açıkta kalan tüm iletken parçalar birbirine bağlanmalı ve sistem, topraklama sisteminin kendisinde ve çevresindeki toprakta bir voltaj yükselmesini önleyerek yıldırım akımını boşaltabilmelidir.
Yeterince düşük (<10 Ω) olması gerekmesine rağmen, topraklama elektrodunun düşük frekans direnç değeri, yüksek frekanslı yıldırım akımının deşarjı söz konusu olduğunda şekli ve boyutundan daha az önemlidir.
Genel bir kural olarak, her bir alt iletken, en az 0,5 m derinliğe gömülü bir karga ayağı düzeninde iletkenlerden (en az üç) veya tercihen üçgen bir düzende topraklama çubuklarından oluşabilen bir topraklama elektroduyla sonlanmalıdır.
Ek olarak IEC 62305, paratoner alt iletkenlerinin ana eşpotansiyel bağlantı ile kuşaklama sistemi ile birbirine bağlanması gerektiğini belirtir.
Mümkün olduğunca, alt iletkenlerin ve bağlantı noktalarının (her kat) sayısının artırılması ve böylece eşpotansiyel bağlama sisteminin genel ölçeğinin artırılması her zaman tavsiye edilir. Bununla aynı zamanda, topraklama sistemi kuşkusuz, bağlama sisteminin voltaj artışını mümkün olduğunca sınırlandırmak için yıldırım akımlarını boşaltabilmelidir.
Yalnızca bir topraklama sistemi olmalıdır.
Ayrı, bağımsız devreler (güç, bilgisayarlar, elektronik, iletişim) yasaklanmalıdır, ancak bu, hepsi birbirine bağlıysa birden fazla topraklama elektrotunu (elektrotları) hariç tutmaz.
Referans Kaynak: Protection Against Lightning by #Legrand
Comentarios