Endüstriyel tesislerde elektrik enerjisinin sürekliliği ve güvenilirliği, üretim verimliliği ve işletme güvenliği açısından kritik öneme sahiptir. Özellikle orta gerilim (OG) seviyesinde çalışan sistemlerde, enerji sürekliliğinin sağlanması işletmenin en temel öncelikleri arasında yer almaktadır. Klasik topraklama yöntemleri, güvenlik açısından büyük avantajlar sağlasa da arıza durumunda enerji sürekliliğinin sağlanması noktasında bazı endüstriyel uygulamalarda işletme topraklaması tartışma konusudur.

Bu noktada öne çıkan çözümlerden biri izole şebeke olarak adlandırılan topraklama düzenidir. İzole şebekede, transformatör veya jeneratörün nötr noktası doğrudan toprağa bağlanmaz; sistem, faz toprak kapasitansları üzerinden toprağa bağlıdır. Bu yapı sayesinde, ilk faz-toprak arızasında sistemden çok küçük kablo kapasitif akımları dışında akım akmaz ve akım bazlı koruma cihazları devreye girmez. Dolayısıyla tesis kesintisiz çalışmaya devam eder. Enerji sürekliliği gerektiren kimya, maden, metalürji, kâğıt, çimento ve sağlık sektörü gibi alanlarda izole şebekeler bu özellikleriyle öne çıkmaktadır.

Şekil 1: İzole şebeke eş değer devresi

İzole şebekenin normal çalışma durumunda, arızasız durumda, şebekeye dengeli üç fazlı gerilimler uygulandığında, her fazda oluşan kapasitif şarj akımları (IC0) birbirine eşit olur ve aralarında 120° faz farkı bulunur. Aynı şekilde, faz-toprak gerilimleri de eşit büyüklükte olup yine birbirlerine göre 120° faz kaymasıyla yerleşir. Bu nedenle, normal işletme koşullarında sistem dengeli bir şekilde çalışmaya devam eder ve toprakla olan kapasitif bağlaşım simetrik kabul edilir.

Şekil 2: İzole şebeke vektör diyagramı

İzole şebekelerde sistem iletkenlerinden biri toprağa temas ettiğinde, o iletken ile toprak arasındaki kapasitans üzerinden akım akışı durur; çünkü artık kapasitans uçları arasında potansiyel farkı kalmamıştır. Buna karşılık, arızasız kalan iki fazın toprakla olan kapasitanslarındaki gerilim, faz-nötr seviyesinden faz-faz seviyesine yükselir. Bu durum, arızasız iki fazda kapasitif şarj akımının (IC0) √3 katına çıkmasına yol açar. Ayrıca, faz-toprak gerilimlerinin fazör diyagramı da değişir; normalde 120° faz farkı bulunurken, arıza durumunda bu açı 60°’ye düşer (Şekil 4).
 

 

Şekil 3: İzole şebekede tek faz toprak arızası

 

 

Şekil 4: İzole şebekede tek faz toprak arızası durumunda vektör diyagramı

İzole şebekelerde normal (arızasız) çalışma koşullarında faz gerilimleri simetrik olduğundan sıfır bileşen gerilimi (V0) oluşmaz. Ancak tek faz-toprak arızası meydana geldiğinde faz gerilimleri arasındaki simetri bozulur ve V0 gerilimi ortaya çıkar. Bu özellik, izole şebekelerde toprak arızalarının tespitinde V0 tabanlı koruma fonksiyonlarının kullanılmasını mümkün kılar.


 

Elektrik sistemlerinde kullanılan başlıca topraklama yöntemleri arasında doğrudan topraklama, direnç üzerinden topraklama ve empedans üzerinden topraklama yer alır.

Doğrudan topraklama yönteminde, transformatör veya jeneratörün nötr noktası doğrudan toprağa bağlanır. Toprak arızası durumunda arıza akımı çok yüksek seviyelere ulaşır ve koruma cihazları arızayı tespit edip ilgili kesicisine açma komutu gönderir ve devreyi hızlıca açar. Bu yöntemin en büyük avantajı arızanın kolay tespit edilmesidir; ancak yüksek arıza akımları nedeniyle ekipman üzerinde büyük termik ve dinamik zorlamalar meydana gelir. Endüstriyel tesislerde doğrudan topraklama çok nadir olarak görülür.

Direnç üzerinden topraklama yönteminde, nötr ile toprak arasına direnç bağlanır. Böylece arıza akımı sınırlandırılır. Düşük dirençli sistemlerde birkaç yüz amperlik arıza akımları söz konusu olur ve koruma cihazları hızla devreye girer. Yüksek dirençli sistemlerde ise arıza akımı çok düşük seviyelerde tutulur; sistem ilk arıza durumunda çalışmaya devam eder. Bu durum, üretim sürekliliğinin önemli olduğu tesislerde avantaj sağlar.

Empedans üzerinden topraklama yönteminde direnç yerine indüktör (reaktans) kullanılır. Bu sayede arıza akımı hem sınırlandırılır hem de geçici aşırı gerilimlerin kontrol altında tutulması sağlanır. Genellikle büyük ölçekli orta gerilim şebekelerinde tercih edilir.

Doğrudan topraklı, düşük empedans üzerinden topraklı ve direnç üzerinden topraklı sistemlerin ortak özelliği, arıza anında belirli seviyede akım akışı sağlanması ve koruma cihazlarının devreyi açmasıdır. Bu durum güvenlik açısından avantaj sağlasa da enerji sürekliliği açısından kesinti yaratır. İzole şebekeler ise bu noktada öne çıkar: İlk arızada sistemin çalışmaya devam etmesi, onları enerji sürekliliği gerektiren endüstriler için cazip hale getirir.

 

İzole işletmenin en büyük avantajı, ilk faz-toprak arızası durumunda sistemin kesintisiz çalışmaya devam edebilmesidir. Direkt topraklı sistemlerde ilk arızada devre kesilirken, izole işletmelerde arıza akımı çok düşük olduğu için üretim sürekliliği korunur. Bu özellik, özellikle üretim sürekliliğinin kritik olduğu kimya tesisleri, metalürji, maden işletmeleri, rafineriler ve hastaneler gibi sektörlerde büyük önem taşır. Ancak bu avantajın anlamlı olabilmesi için, pano ve ekipmanların izolasyon seviyelerinin işletme geriliminin en az √3 katına karşı dayanacak şekilde, yani bir üst gerilim kademesi esas alınarak seçilmesi gerekir. Aksi halde, arıza devam ettiği sürece arızasız fazlarda meydana gelen gerilim yükselmeleri ekipman izolasyonunu zorlayabilir ve güvenilirliği tehlikeye atabilir.

Bir diğer önemli avantaj, arıza akımının düşük seviyelerde kalmasıdır. Nötr noktası toprakla doğrudan bağlı olmadığından, ilk arıza anında akım yalnızca kabloların doğal kapasitif özellikleri üzerinden akar. Bu akımlar genellikle birkaç amper seviyesinde olduğundan, ekipman üzerindeki zorlanmalar azalır ve kısa devre seviyeleri sınırlı kalır. Böylece özellikle orta gerilim kablolarının ve şalt donanımlarının ömrü uzar.

İzole işletilen sistemlerde, ilk tek faz toprak arızasında enerji kesintisi olmadığı için işletme sürekliliği sağlanır ve arıza planlı şekilde giderilebilir. Ancak bu süreçte faz-toprak gerilimlerinin yükseldiği ve uzun süreli arızaların geçici aşırı gerilimlere yol açabileceği göz önünde bulundurulmalıdır.

Topraklı sistemlerde meydana gelen faz-toprak arızalarının üç faz kısa devresine dönüşme riski bulunmaktadır. Böyle bir durumda alçak gerilim (AG) seviyesinde gerilim düşmeleri yaşanmakta, bu da çok kısa süreli bile olsa AG motorlarının kontaktörlerinin enerjisiz kalarak bırakmasına ve dolayısıyla tüm motorların devreden çıkmasına yol açmaktadır. Koruma süreleri direnç topraklı sistemlerde daha uzun tutulsa bile, bu süre zarfında AG tarafında gerilim çökmesi kaçınılmaz olabilmektedir. Bu olumsuzluğun önüne geçebilmek için en ideal çözüm, AG motorlarının kontrol ve kumanda devrelerinin kesintisiz güç kaynakları (UPS) üzerinden beslenmesidir. Böylece kontaktör bobinleri ve açma-kapama komut devreleri arıza sırasında gerilim düşümünden etkilenmez ve sistemin sürekliliği korunur. Ancak UPS üzerinden besleme yapılmadığında, OG tarafında meydana gelen bir toprak arızası tüm AG tarafını çökertmekte ve işletmede istenmeyen duruşlara neden olmaktadır. İzole sistemlerde ise ilk faz-toprak arızasında akım düşük seviyelerde kaldığından AG tarafında gerilim çökmesi yaşanmaz; bu sayede AG motorlarının ve tesisin işletme sürekliliği korunmuş olur. Dolayısıyla, izole işletmenin en önemli avantajlarından biri, ilk toprak arızasında sistemin özellikle AG seviyesinde kesintisiz çalışmaya devam edebilmesidir.
 

İzole işletmenin en önemli dezavantajı, ilk toprak arızasının tespitinin güçlüğüdür. Arıza akımı çok düşük olduğundan klasik aşırı akım röleleri devreye girmez. Bu nedenle arızalı noktanın tespiti için izolasyon izleme cihazlarının kullanılması gerekir. Aksi halde ilk arıza gözden kaçabilir ve farklı bir fazda ikinci bir arıza meydana geldiğinde fazlar arasında kısa devre oluşur. Bu durum çok yüksek arıza akımlarına yol açarak hem ekipmana hem de işletme güvenliğine ciddi zarar verebilir.

İzole şebekelerde kablo uzunlukları arttıkça, sistemin toprağa karşı kapasitif etkisi de büyür. Bunun sonucu olarak ilk arıza akımları yükselir, bu da izolasyon gözetim cihazlarının arızayı doğru şekilde tespit etmesini zorlaştırabilir. Ayrıca kapasitif akımların yüksek olması, koruma düzeninin uyumlu şekilde çalışmasını daha karmaşık hale getirir. Bir arıza durumunda paralel fiderlerdeki koruma röleleri, üzerinden geçen kapasitif akımlardan dolayı yanlış bir şekilde çalışıp gereksiz enerji kesintilerine sebep olabilir. Şekil 5’te çıkış fiderlerinden birinde gerçekleşen bir arızada paralel fiderdeki Röle 3’ün hassas toprak koruma (ANSI 51Ns/67Ns) fonksiyonundan çalışıp kendine ait kesicisini yanlış bir şekilde açtırdığı ve gereksiz kesintiye yol açtığı görülmektedir.
 

Şekil 5: Paralel fiderdeki bir arızada kapasitif etkiden dolayı hassas toprak koruma fonksiyonundan yanlış çalışan röle

Pano işletme geriliminin, faz-toprak arızası durumunda arızasız fazların faz-toprak gerilimlerinin yükselmesiyle birlikte oluşabilecek gerilim artışını (√3 katına kadar) güvenli şekilde karşılayacak seviyede olmaması halinde, izolasyon malzemesi uzun süre işletme geriliminin üzerinde bir gerilime maruz kalabilir. Bu durum, pano izolasyonunun zorlanmasına ve ekipmanın zarar görmesine yol açabilir. Ayrıca, izole sistemlerde arıza akımları düşük seviyelerde kaldığından, aşırı akım röleleri bu tip arızaları algılamada yetersiz kalabilir. Bu nedenle, güvenilir koruma sağlanabilmesi için sıfır bileşen (V0) gerilimine dayalı koruma fonksiyonlarının kullanılması ve bu fonksiyon aracılığıyla alarm üretmesi ve/veya açtırma (trip) yapılması gereklidir. Şekil 6’da izole bir şebekede barada gerçekleşen bir faz-toprak arızasında kısa devre akımlarının çok düşük olmasından dolayı giriş rölesinin (Röle 2) V0 gerilim fonksiyonundan (ANSI 59) açtığı ve bu bara arızasını temizlediği görülmektedir.
 

 

Şekil 6: İzole şebekede (V0) gerilimine dayalı koruma fonksiyonlarının kullanımı

İzole işletmenin ekonomik ve işletme bakım maliyetleri topraklı işletmelere kıyasla daha yüksektir. İzolasyon izleme cihazları, özel röleler, arıza tespit sistemleri kurulmalı ve personel bu konuda eğitilmelidir. Bu durum hem yatırım hem de işletme giderlerini artırır.

İzole işletilen sistemlerde, ilk tek faz toprak arızasında arıza akımı çok düşük olduğu için sistem çalışmaya devam edebilir ve planlı müdahale imkânı sağlanır. Ancak bu durum, sistemde geçici aşırı gerilimler oluşma riskini artırır. Özellikle tekrar eden ark-toprak arızaları (restriking ground faults), sistemin endüktif reaktansı ile toprakla olan kapasitif etkiler arasında rezonans oluşturarak, normal gerilimin birkaç katına ulaşan aşırı gerilimler meydana getirebilir. Bu arızalar küçük akımla gerçekleşse de arkın sürdürülmesi için yeterlidir ve sistemin çeşitli noktalarında, özellikle motorlarda, yalıtım arızalarına yol açabilir.

Bunun yanı sıra ferrorezonans, transformatörlerin mevcut reaktansı ile sistem kapasitelerinin rezonansa girmesi sonucu oluşan doğrusal olmayan bir fenomendir ve çok yüksek genlikli, bozulmuş dalga biçimleri yaratır. Bu iki durum, izole işletilen güç sistemlerinde yalıtım güvenliği ve ekipman dayanımı açısından önemli risk faktörleri olarak kabul edilir.

Son olarak, izole işletme karmaşık bir işletme yapısı gerektirir. Direkt topraklı sistemlerde arıza kolayca bulunabilirken, izole sistemlerde arızanın yerini belirlemek için ek yöntemlere ihtiyaç vardır. Bu da arıza çözüm süresini uzatabilir.

Sonuç

Endüstriyel tesislerde izole şebekeler, enerji sürekliliği ve güvenilirlik açısından önemli avantajlar sağlar. İlk arızada sistemin kesintisiz çalışması, düşük arıza akımları ve yangın riskinin azalması bu sistemleri cazip kılmaktadır. Ancak arıza tespit zorlukları, ikinci arıza durumunda yüksek kısa devre akımları, yükselen gerilim sebebiyle yaşanabilecek izolasyon problemleri ve yatırım maliyetleri dikkate alınması gereken dezavantajlardır. Dolayısıyla izole şebekeler, tesis için evrensel bir çözüm olmayıp, doğru mühendislik uygulamaları, izolasyon izleme sistemleri ve eğitimli personel ile birlikte uygulandığında etkin ve güvenilir bir yöntem haline gelir.



Ahmet Ertaş

Akıllı Altyapılar
Şebeke Yazılımları
Güç Teknolojileri / Koruma, Güç Kalitesi ve Topraklama
Güç Sistem Danışmanı



Kaynaklar

► IEEE Std 142-2007, IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems (Green Book).

► CIGRÉ Report, Distribution Neutral Point Treatment in North America and Europe and Grounding System in Distribution Stations, 2021.

► Siemens AG, Medium Voltage Network Grounding and Protection, Technical Manual, 2020.