Alçak Gerilim Elektrik Tesisatlarında Elektrik Çarpmasına Karşı Koruma

Barış Akdoğan 

Elektrik çarpması, bir insan vücudundan veya hayvan vücudundan geçen bir elektrik akımından kaynaklanan fizyolojik etkidir. Fizyolojik etkiler, örneğin, algılama, kas kasılmaları, istemsiz kasılma, kramp ve spazm, nefes almada zorluk, kalp fonksiyonunda bozukluklar, hareketsizlik, kalp durması, solunum durması, yanıklar veya diğer hücresel hasarı içerir (IEV bölüm 826 - Uluslararası Elektroteknik Sözlüğü'ne göre).

Elektrik çarpmasına karşı koruma, doğrudan veya dolaylı olarak elektrik akımının neden olduğu yaralanma veya ölüm olasılığını engellemelidir. 

Alçak gerilim tesisatlarında kişilerin elektrik çarpmasına karşı korunması, Alçak Gerilim Yönetmeliklerine, ürün ve tesisatlar için ilgili standartlara, elektriksel donanım ile ilgili çalışma kurallarına ve diğerlerine uygun olarak yapılmalıdır. Güvenlikle yakından ilgili temel standartlar aşağıdaki gibidir;

•    IEC 60479 serisi: Elektrik akımının insanlar ve hayvanlar üzerindeki etkileri
•    IEC 61140: Elektrik çarpmasına karşı koruma - Donanım ve tesisatlar için ortak hususlar
•    IEC 60364-4-41: Alçak gerilim elektrik tesisatları - Elektrik çarpmasına karşı koruma
•    Koruma cihazları için ürün standartları (sigortalar, RCD'ler, MCB'ler, MCCB'ler vb.)

Alçak gerilim elektrik tesisatlarında tlektrik çarpmasına karşı koruma konusunu tam olarak anlayabilmek için aşağıdaki alt başlıklara göz atmak gereklidir:

1.    Elektrik çarpmasına karşı korumanın temel ilkeleri (IEC 61140)
2.    Elektrik akımının insan vücudu üzerindeki etkileri (IEC 60479)
3.    Şebeke sistem türleri (IEC 60364-1)
4.    Elektrik çarpmasına karşı koruma gereksinimleri (IEC 60364-4-41)


1. Elektrik çarpmasına karşı korumanın temel ilkeleri (IEC 61140)

Elektriksel donanım ve tesisatlar için güvenlik kurallarını belirlemeye yönelik temel belge “IEC 61140: Elektrik çarpmasına karşı koruma – Donanım ve tesisatlar için ortak hususlar” standardıdır. Bu uluslararası standart, öncelikle standartların hazırlanmasında teknik komiteler tarafından kullanılması amaçlanan temel bir güvenlik yayınıdır. Bağımsız bir standart olarak kullanılması amaçlanmamıştır. Güvenlik için ortak gereksinimleri ve  terminolojiyi tanımlar, elektrik tesisatları ve elektriksel donanım (elektrik makineleri, trafolar, anahtarlama ve kontrol panoları, ölçüm cihazları, koruma cihazları, kablolama sistemleri vb.) için hazırlanan standartlara temel oluşturur.

Elektrik çarpmasına karşı korumanın temel kuralı (IEC 61140) şöyle der:

•    tehlikeli canlı kısımlar erişilebilir olmamalı ve
•    erişilebilir iletken kısımlar insan hayatı için tehlikeli olmamalı (açıkta kalan iletken kısımların korunması).

Bu kural, hem normal koşullar altında, hem de bir hata koşulu altında sağlanmalıdır.

Şekil 1 - Tehlikeli canlı kısma ve hata durumunda açıkta kalan iletken kısma temas
 

2. Elektrik akımının insan vücudu üzerindeki etkileri (IEC 60479)

Normal koşullar altında (frekans 50 Hz) bir kişinin vücudundan geçen akım miktarı, elbise, eldiven, ayakkabı vb. giyim eşyaları da dahil olacak şekilde o kişinin toplam empedansına ve temas gerilimine bağlıdır. Kazaların çoğu, canlı kısımlara ve topraklanmış metal kısımlara aynı anda doğrudan teması içerir, bu nedenle temas geriliminin faz iletkeninin tam geriliminde olacağı varsayılabilir. İnsan vücudundan geçen elektrik akımının etkileri, zaman ve akım arttıkça giderek daha şiddetli hale gelir.

Şekil 2 - Tehlikeli değerde elektrik akımına maruz kaldıktan sonra insan kalbinin EKG (elektrokardiyogram) kaydı

Şekil 2, hangi kardiyak hareket evresinde akımın etkisinin büyük etkiye sahip olduğunu gösterir. Akım darbeleri genellikle kalbin hassas aşamasına kadar uzanır. Şekil 2, bu hassas evreyi yaklaşık 200 ms süren T dalgası olarak göstermektedir. Ventriküler fibrilasyonu tetikleme riski yüksektir. Etkiler, EKG ve kan basıncında görülmektedir.

Şekil 3 - IΔn = 30 mA ile RCD'nin açma karakteristiğine kıyasla, akım sol elden ayaklara geçtiğinde (IEC 60479-1) AC akımının insan vücudu üzerindeki etkisi
 

Şekil 3, “IEC 60479-1: Elektrik akımının insanlar ve hayvanlar üzerindeki etkileri” standardına dayanmaktadır. Farklı AC akım değerlerinin (15 Hz ile 100 Hz arasında) etkisini gösterir. Bu eğrilerden, 230 mA'lik maksimum beklenen çarpma akımı (1000 Ohm insan vücudu empedansında) durumunda, fibrilasyona karşı korumanın ancak kişinin beslemeden 40 milisaniye içinde kesilmesi durumunda uygulanabileceği görülebilir (bkz. eğri b). Daha düşük vücut akımı değerlerinde, fibrilasyon tehlikesi ortadan kalkıncaya kadar aşamalı olarak daha uzun sürelere izin verilir (40 mA'dan az, c1 eğrisi).

Sonuç olarak, AC elektrik akımının insan vücudu üzerindeki etkileri hakkında şunlar söylenebilir:

•    0 - 0,5 mA : algı seviyesinin altında, genellikle hiçbir tepkiye neden olmaz.

•    10 mA'ya kadar : tehlikeli fizyolojik etki yok. 10 mA'ya yakın bir kas reaksiyonu, donanımın bırakılamamasına neden olabilir.
•    40 mA'ya kadar : akım arttıkça şiddetli ağrı ve şok yaşanır. Kişi nefes almakta güçlük çekebilir. Kalp ritminde geri dönülebilir bozulma.
•    40 - 500 mA : Bu seviyede şiddetli şok ve normal kalp döngüsünde “ventriküler fibrilasyon” olarak adlandırılan geri dönüşü olmayan bozulma olasılığı meydana gelir. Akım ve zaman arttıkça fibrilasyon olasılığı artar.
•    500 mA'nın üzerinde : akım neredeyse anında kesilse bile geri kalp ritminde döndürülemez bozulma.

I_Δn = 30 mA olan artık akım cihazlarının açma karakteristikleri bu parametreler dahilinde çalışmak üzere tasarlanmıştır. Bu şekilde, ventriküler fibrilasyon meydana gelmeden önce kişinin elektrik beslemesi ile bağlantısı kesilmiş olacaktır. Şekil 3'teki sarı alanda görülebileceği üzere, IΔn ≤ 30 mA olan RCD, elektrik çarpmasının ölümcül olmasını önleyecektir. 300 ms olarak işaretli bir açma süresi 30 mA artık akım değeri için ve 40 ms ise 150 mA artık akım değeri için geçerlidir, ki bu değer 230 V faz gerilimine doğrudan temas sırasında kişinin vücut akımının tipik değeridir.

3. Şebeke sistem türleri (IEC 60364-1)

Beslemenin otomatik olarak kesilme koşulları, seçilen koruma cihazı tipine bağlı olarak şebeke sistemi türüne göre belirlenir. Alçak gerilim şebeke sistemleri, “IEC 60364-1: Elektrik tesisatları, Bölüm 1: Temel ilkeler, genel karakteristiklerin değerlendirilmesi, tanımlar” standardında belirtilmiştir ((bkz. Şekil 4).
 

Şekil 4 - Şebeke sistem türleri (IEC 60364-1)
 

4. Elektrik çarpmasına karşı koruma gereksinimleri (IEC 60364-4-41)

Alçak gerilim tesisatlarında elektrik çarpmasına karşı koruma için temel koşullar “IEC 60364-4-41: Güvenlik için koruma - Elektrik çarpmasına karşı koruma” standardında açıklanmıştır. Bu standart, insan ve hayvanların korunmasına yönelik temel bir şemsiye güvenlik standardı olan “IEC 61140: Elektrik çarpmasına karşı koruma - Donanım ve tesisatlar için ortak hususlar” standardına dayanmaktadır.

Elektrik çarpmasına karşı korumanın temel kuralı, tehlikeli canlı kısımların erişilebilir olmaması gerektiğini ve erişilebilir iletken kısımların ne normal koşullarda ne de tek hata koşulunda tehlikeli seviyede enerji altında olmaması (açıkta kalan iletken parçaların korunması) gerektiğini söyler.

IEC 60364-4-41, elektrik çarpmasına karşı koruma için temel gereksinimleri şu şekilde belirtir:

•    Temel koruma : normal koşullar altında koruma (doğrudan temasa karşı koruma)
•    Hata koruması : hata koşulları altında koruma (dolaylı temasa karşı koruma)

Alternatif olarak elektrik çarpmasına karşı koruma, hem temel koruma hem de hata koruması sağlayan çift veya güçlendirilmiş bir yalıtım sayesinde arttırılmış bir koruma önlemi ile sağlanır.

Ek olarak, temel koruma ve hata korumasında kusur oluşması riskini (zedelenen yalıtım, koruma iletkeninde kopma veya operatör hatası vb.) her zaman hesaba katmak gerekir ve IΔn ≤ 30 mA hassasiyetli bir RCD veya uygunsa, tamamlayıcı eşpotansiyel kuşaklama şeklinde yedek olarak ek bir koruma kullanılır.
 

Şekil 5 - Elektrik çarpmasına karşı koruma konsepti

Şekil 6, IΔn ≤ 30 mA hassasiyetli bir artık akım cihazı kullanımıyla TN şebeke sistemindeki en yaygın senaryo için üç aşamalı güvenlik konseptini göstermektedir.

Şekil 6 - Alçak gerilim tesisatlarında üç aşamalı güvenlik konsepti
 

4.1 Temel koruma

Temel koruma, tehlikeli canlı kısımlar ile teması önler. Temel koruma önlemleri (doğrudan temasa karşı koruma), normal koşullar altında koruma sağlar.

•    Canlı kısımların temel yalıtımı - canlı kısımlar, ancak tahrip edilerek çıkarılabilen yalıtım ile tamamen kaplanacaktır. Temel yalıtımın hava ile sağlandığı durumlarda, tehlikeli canlı kısımlara erişim veya tehlikeli bölgeye giriş, engeller, koruyucu bariyerler, mahfazalar veya kolların uzanamayacağı bir yere yerleştirilerek engellenecektir (boya, cila, vernik ve benzeri ürünlerin tek başlarına normal çalışma sırasında elektrik çarpmasına karşı koruma için yeterli yalıtım sağladığı düşünülmez).

•    Bariyerler veya mahfazalar – alçak gerilim donanım ve tesisatlarında elektrik çarpmasına karşı koruma, tehlikeli canlı parçalara erişimi engellemek için en azından IPXXB veya IP2X (IEC 60529) seviyesinde koruma sınıfı ile sağlanır. Bariyerler ve mahfazalar yerine sıkıca sabitlenecek ve gerekli koruma derecelerini ve bilinen koşullarda canlı kısımlardan uygun ayırmayı sürdürmek için yeterli sağlamlık ve dayanıklılığa sahip olacaktır. Bariyerlerin kaldırılması veya mahfazaların açılması veya mahfazaların parçalarının çıkarılması gerektiğinde, bu sadece aşağıdaki durumlarda mümkün olacaktır:

o    bir anahtar veya araç kullanarak, veya
o  beslemenin kesilmesinden sonra (beslemenin tekrar sağlanması ancak bariyerlerin veya mahfazaların                    değiştirilmesinden veya tekrar kapatılmasından sonra mümkün olacak şekilde), veya
o en az IPXXB veya IP2X düzeyinde koruma sağlayan bir ara bariyerin canlı kısımlarla teması engellediği                 durumlarda.

•   Gerilim sınırlaması çok güvenli bir korumadır, ancak yalnızca düşük tüketimli tüketiciler için kullanılabilir

4.2 Hata koruması

Tüm şebeke sistemleri için koruma önlemleri IEC 60364-4-41'de aşağıdaki şekilde belirtilmiştir:

•    beslemenin otomatik olarak kesilmesi (Madde 411)
•    çift veya güçlendirilmiş yalıtım (Madde 412)
•    akım kullanan donanımın beslemesi için elektriksel ayırma (Madde 413)
•    çok düşük gerilim (SELV ve PELV) (Madde 414)

En yaygın kullanılan koruma önlemi, beslemenin otomatik olarak kesilmesidir. Şekil 7'deki tablo, hata durumunda alınacak koruma önlemlerini bir arada sunan genel bir bakış sağlamaktadır.

Koruma iletkeni ile hata koruma gereksinimleri

Koruma topraklaması ve koruyucu eşpotansiyel kuşaklama için temel koşullar aşağıdaki gibidir;

Koruma topraklaması:

•    Açıkta kalan iletken kısımlar, her tür sistem topraklaması için (TT, TN, IT) bir koruma iletkenine bağlanacaktır.
•    Eşzamanlı olarak erişilebilen açık iletken kısımlar, aynı topraklama sistemine ayrı ayrı, gruplar halinde veya toplu olarak bağlanacaktır.
•    Her devrede, ilgili topraklama terminaline bağlı bir koruma iletkeni bulunacaktır. Koruma topraklaması olarak kullanılan iletkenler IEC 60364-5-54'e uygun olmalıdır.

Koruyucu eşpotensiyel kuşaklama:

Her binada, elektrik tesisatının bir parçasını oluşturmayan ve tehlikeli bir potansiyel farkı oluşturma riski barındıran metal parçalar, eşpotansiyel kuşaklama iletkenleri ile ana topraklama terminaline bağlanacaktır. Bu metal parçalara örnek olarak aşağıdakiler gösterilebilir;

•    binaya hizmet sağlayan borular, örneğin gaz, su, bölgesel ısıtma sistemleri;
•    yapısal harici iletken parçalar;
•    yapısal betonarme güçlendirici erişilebilir metalik takviye.

Bu tür iletken kısımların bina dışından çıkması durumunda, bunlar bina içindeki giriş noktalarına mümkün olduğu kadar yakın birleştirilecektir. Binaya giren, girişinde bir yalıtım bölümü bulunan metal boruların koruyucu eşpotansiyel kuşaklamaya bağlanmasına gerek yoktur.

Not: HD 60364-5-54: 2011'in 542.4.1 Maddesi ana topraklama terminaline yapılacak diğer bağlantıları listelemektedir.

Şekil 7 - Hata koruması için koruma önlemleri (parantez içindeki sayılar, IEC 60364-4-41 standardının ilgili maddelerine atıfta bulunmaktadır)
 

Beslemenin otomatik olarak kesilmesi

En sık kullanılan hata koruma yöntemi, beslemenin otomatik olarak kesilmesiyle korumadır (açıkta kalan iletken kısımlar ile dolaylı temasa karşı koruma). Beslemenin otomatik olarak kesilmesi, 411.3 ila 411.6 maddelerine göre bir hata durumunda koruyucu eşpotansiyel bağlama ve otomatik bağlantı kesme ile hata korumasının sağlandığı bir koruma önlemdir.

Hat iletkenlerinden herhangi biri ile bir koruma iletkeni veya açıkta kalan bir iletken kısım arasında bir hata olması durumunda, koruma cihazı, gerekli açma süresi içerisinde devrenin veya donanımın hat iletkenine gelen beslemeyi otomatik olarak kesecektir.

Tablo 1 de belirtilen maksimum açma süreleri, anma akımı aşağıdakileri aşmayan son devrelere uygulanacaktır:

•    bir veya daha fazla prizli 63 A devreler, ve
•    sadece sabit bağlı akım kullanan donanımı besleyen 32 A devreler.

Tablo 1, iletken bir kısımdaki temas geriliminin güvenli değeri olan 50 V'u (veya yerel koşullara göre 25 V'u) aştığı durumları da yansıtır.

Tablo 1 - AC sistemlerde 32 A'e kadar son sabit devreler ve 63 A'ya kadar bir veya daha fazla prizli son devreler için TN ve TT sistemlerde maksimum bağlantı kesme süresi
 

TN, TT ve IT sistemlerde koruma koşulları

TN sistemlerde, sabit veya elde tutulma olasılığı bulunmayan büyük ve ağır donanımı besleyen dağıtım devreleri için 5 saniyeyi geçmeyen bir açma süresine izin verilir.

TT sistemlerde, dağıtım devreleri için açma süresi maksimum 1 saniye olmalıdır. TT sistemlerde, bağlantının kesilmesi bir aşırı akım koruma cihazı ile sağlandığında ve koruyucu eşpotansiyel kuşaklama, tesisat içindeki tüm harici iletken parçalara bağlandığında, TN sistemlere uygulanabilen maksimum açma süreleri kullanılabilir.

IT sistemlerde, ilk arıza meydana geldiğinde, IT sistemi hala düzgün çalışıyorsa (bireysel veya grup topraklamasına bağlı olarak bir TT veya TN şebeke koşulları altında) otomatik bağlantı kesilmesi genellikle gerekli değildir.
 

Şekil 8 - Anma AC gerilimi 400/230 V olan TN ve TT sistemlerde maksimum açma süreleri (TN sistem üzerinde gösterim)
 

Aşırı akım koruma cihazının gerekli açma süresinde beslemeyi kesmesinin mümkün olmadığı durumlarda, RCD kullanılmalıdır.

Otomatik bağlantı kesme gerekli sürede elde edilemezse, tamamlayıcı olarak koruyucu eşpotansiyel kuşaklama sağlanmalıdır (madde 413.2).

Kamu elektrik dağıtımı, enerji üretimi ve iletimi sistemleri için daha yüksek açma süresi değerlerine izin verilebilir (yalnızca kalifiye çalıştırma için geçerlidir).

 

4.3 Ek koruma

Ek koruma, belirli dış etki koşulları altında ve belirli özel lokasyonlarda koruma önlemi olarak belirtilebilir (bkz. IEC 60364 Bölüm 7).

A) IΔn ≤ 30 mA hassasiyetli RCD ile ek koruma

IΔn ≤ 30 mA hassasiyetli RCD 'ler, tehlikeli iletken kısımlara doğrudan temasa karşı koruma sağlayabilir. Yanlız başına tek bir koruma olarak değil, beslemenin otomatik olarak kesilmesi (madde 411), çift veya güçlendirilmiş yalıtım (madde 412) veya akım kullanan donanımın beslemesi için elektriksel ayırma (madde 413) gibi koruma önlemlerine ek bir koruma olarak kabul edilir.

Prizleri devreleri ve açık havada kullanım için mobil donanım beslemesi için gereksinimler (madde 411.3.3)

Aşağıdakiler için IΔn ≤ 30 mA hassasiyetli bir RCD aracılığıyla ek koruma sağlanmalıdır:

•    Sıradan kişiler tarafından kullanılmak üzere tasarlanmış ve genel kullanım için tasarlanmış, beyan akımı 32 A değerini geçmeyen prizler, ve
•    Beyan akımı 32 A değerini geçmeyen dış mekanda kullanım için mobil donanım.

TN ve TT sistemlerde aydınlatma devreleri için gereksinimler (madde 411.3.4)

Yerleşim amaçlı olarak tasarlanmış konutlarda, aydınlatma armatürlerini besleyen son devreler için beyan eşik akımı 30 mA değerini geçmeyen bir artık akım koruma cihazı (RCD) ile ek koruma sağlanmalıdır.

B) Tamamlayıcı koruyucu eşpotansiyel kuşaklama

Tamamlayıcı koruyucu eşpotansiyel kuşaklama, sabit donanımın aynı anda erişilebilen tüm açıkta kalan iletken kısımları ve yapısal betonarme güçlendirici betonun ana metalik takviyeler de dahil olmak üzere harici iletken kısımlar arasında iletken bağlantı kurar. Eşpotansiyel kuşaklama sistemi, prizler de dahil olmak üzere tüm donanımın koruma iletkenlerine bağlanmalıdır. Sabit donanım için basit ve güvenilir bir çözümdür.