IEC  60364   Standardı  Doğrultusunda
Yıldırım ve Anahtarlamadan Kaynaklanan  
Aşırı Gerilim Koruması 

  
Barış Akdoğan 

Aşırı gerilim, şebekede izin verilen maksimum tepe gerilim değerini aşan herhangi bir gerilime verilen addır. Zamanlama ve gerçekleşme yerine göre değişen rastgele bir fenomendir. Aşırı gerilimi boyutlandıran parametreleri, aşırı gerilimin oluşma nedenleri (yıldırım düşmesi, anahtarlama işlemleri) ve aynı zamanda elektrik tesisatının özellikleri ve yerel elektrik tesisatı belirler.

Aşırı gerilim türleri ve nedenleri

Aşırı gerilim, büyüklük, zaman içinde ilerleme veya meydana gelme sıklığı bakımından değişir. Bununla birlikte, aşırı gerilimin sınıflandırılması için en önemli kriterlerden biri, gerçekleşme süresidir:

•    Süreli geçici aşırı gerilim (Temporary)

- Milisaniye ila saniyeler arasında nispeten uzun bir süre ile endüstriyel frekansdaki aşırı gerilimdir;
- Bu aşırı gerilim, darbe gerilim koruma cihazları (SPD) ile ortadan kaldırılamaz.

•    Ani geçici aşırı gerilim (Transient)

- Genellikle aşırı sönümlü bir salınım veya darbe dalga formuna sahip birkaç milisaniye veya daha az süren aşırı gerilimdir;
- Bu aşırı gerilim, darbe gerilim koruma cihazları (SPD) tarafından başarıyla ortadan kaldırılabilir. 
 

Şekil 1 – Süreli geçici ve ani geçici aşırı gerilim örneği

Aşırı gerilim sınıflandırması için bir başka önemli kriter, enerji altındaki iletkenler arasındaki oluşumu ile ilgilidir. Bu kriter, aşırı gerilimin kaynağına önemli ölçüde bağlıdır.

•    Enine aşırı gerilim (Transverse)

o    Enerji altındaki iletkenler arasındaki aşırı gerilimdir (L-N, L2-L3 ve benzeri);
o    Teknolojik olgular nedeniyle indüklenir (anahtarlama aşırı gerilimi olarak da adlandırılır);

•    Boyuna aşırı gerilim (Longitudinal)

- Enerji altındaki iletkenler ile toprak arasındaki aşırı gerilimdir (L-PE, N-PE);
- Özellikle atmosferik olaylardan kaynaklanır.

Son olarak, aşırı gerilimler oluşma nedenine göre ayırt edilebilirler. Aşırı gerilimin oluşma nedeni, aşırı gerilimin seyri üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, bu konu üzerinde biraz daha fazla durmak gerekir.

•    Anahtarlama aşırı gerilimi (Switching)

- Doğrusal olmayan yükleri anahtarlarken teknolojik süreçlerin neden olduğu aşırı gerilimdir.
- Bilgisayar gibi hassas elektronik ekipman için özellikle tehlikelidir.

•    Yıldırım aşırı gerilimi (Lightning)

- Fırtınalar sırasında oluşan atmosferik deşarjdan kaynaklanan aşırı gerilimdir.
- Tesisattaki elektriksel donanım için ciddi bir tehdit oluşturur.

Yıldırım aşırı gerilimi

Yıldırım aşırı gerilimi, birikmiş atmosferik elektriğin boşaltılmasından kaynaklanır. Yıldırım düşmesinden kaynaklanan aşırı gerilim en tehlikeli aşırı gerilim türüdür ve malzeme hasarına neden olur. Yıldırımın doğrudan bir binaya düşmesi durumunda, muhtemelen içeride bulunan kişiler için can güvenliği başta olmak üzere, yangına ve tehlikeye yol açabilecek yüksek bir hasar olasılığından bahsetmek mümkündür. Bir binaya yıldırım düşmesi riski, ilgili bölgedeki yıldırım yoğunluğu ile doğru orantılıdır. IEC 62305-2 bünyesinde risk hesaplamaları için kullanılan yıldırımlı günlerin sayısı, izokronik haritalar ile belirlenir.

Tipine bağlı olarak, düşen her yıldırım bir veya daha fazla darbeden oluşur. Uzmanlar 2 ms'den kısa kısa darbeler ile 2 ms'den uzun süren uzun darbeler arasında ayrım yapar. Buna ek olarak, yıldırımın elektrik yüküne bağlı olarak, negatif (yaklaşık% 90) veya pozitif deşarjdan bahsedilir. Bu deşarjların (darbelerin) olası kombinasyonları Şekil 2'de gösterilmiştir.
 

Şekil 2 – Yıldırım darbelerinin muhtemel örnekleri (kaynak: IEC 62305-1)
 

Yukarıda belirtilen dalga formlarından, aşırı gerilim koruma tasarımı için en önemli olan 4 teknik parametreyi elde etmek mümkündür. IEC 62305 standardı, ampirik bulgulara dayanarak, her değişken için dikkate alınan maksimum değerleri kullanır ve aynı zamanda yıldırım deşarjlarının maksimum %1’inin aşağıdaki değerlerin üzerinde olabileceğini kabul eder.

Tablo 1 – Temel teknik parametreler

Yıldırım darbe deşarjı neredeyse ideal bir akım kaynağı olarak kabul edilebilir. Yıldırım akımı, akım yollarından akarsa, bu iletken yollarda gerilim düşüşleri meydana gelir. Kısacası, bu mekanizma Ohm kanunu ile ifade edilebilir (U = R ∙ I), burada “I” ilk yıldırım akımı darbesinin genliği ve “R” toprak direncidir. Yıldırım darbesinin gerçekleşen dalga biçimine bağlı olarak, binalarda doğrudan yıldırım düşmesi simülasyonu için 10 μs'lik bir tepe değere yükselme süresi ve 350 μs'lık bir yarı değere düşme süresi olan bir şok dalgası seçilmiştir. Bu şok dalgasına 10/350 μs yıldırım akımı test dalgası denir.

Şekil 3 – Yıldırım düşmesi deşarjı ve 10/350 μs yaklaşık darbe karşılaştırması örneği

Yıldırım darbe özgül enerjisi (W) 1 Ω direncinde (R) harcanan enerjidir. Akımın anlık değerinin (i) ikinci kuvvetinin zaman integraline eşittir (W / R = ∫ i2 dt)

Bu büyüklük, yıldırım akımının akışı sırasında yıldırım iletkenlerinin ısınmasını ve yıldırım akımının aktığı iki paralel kabloya etki eden kuvveti belirler. Tablo 2, farklı malzeme ve kesitlerdeki iletken parçaların ısınması ile, özgül yıldırım darbe deşarj enerjisi arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
 

Tablo 2 – Farklı iletken malzemeler için [K] cinsinden ΔT ısınma (kaynak: IEC 62305-1)

Yıldırım akımı artışının dikliği (di/dt), yıldırım iletkenlerinin çevresindeki iletkenlerin veya iletken parçaların açık veya kapalı döngülerine indüklenen gerilimin büyüklüğü üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Bu, karşılıklı indüksiyon olarak bilinen fiziksel bir olgudur. Başka bir bobindeki akım değişikliklerini tespit etmesini sağlayan bir bobin özelliği olarak tanımlanır. Bir bobinin akımı değiştikçe, akı da değişir, böylece diğer bobinde bir elektromanyetik alan üretir. Bobin ayrıca düz bir iletken ile değiştirilebilir. Şekil 4, yıldırım akımı artışının dikliğine bağlı olarak indüklenen açık döngü geriliminin büyüklüğünün bir örneğini gösterir.
 

Şekil 4 – Endüklenen gerilimin büyüklüğünün yıldırım akımı artışının dikliğine bağlılığı
 

Şekil 5 – 8/20 μs ve 10/350 μs test dalgası formlarının tanımı
 

Bir binaya yakın bir yere yıldırım düşmesi durumunda, elektrik hattı veya tesisatı üzerindeki aşırı endüklenmiş gerilim dalgasının simülasyonu için, tepe değere yükselme süresi 8 μs ve yarılanma süresi 20 μs olan bir dalga kullanılır. Şekil 5 ve Şekil 6 bu dalganın 10/350 dalgasıyla karşılaştırmasını gösterir.

Şekil 6 – 8/20 μs ve 10/350 μs test akımı dalga formlarının enerji karşılaştırması

Binanın doğrudan kendisine veya galvanik olarak bağlı olduğu yakındaki bir binaya doğrudan yıldırım düşmesi, tesisat için olası en büyük tehdidi oluşturur (Şekil 7). Binaya doğrudan etki eden yıldırım akımının tepe değerinin maksimum 200 kA olduğu düşünülmektedir.

Şekil 7 – Aşırı gerilimin elektrik tesisatına geçişi
 

Yıldırım yakalama ucuna doğrudan yıldırım düşmesi durumunda, temel topraklamanın potansiyeli artar ve böylece gerilim, birkaç mikrosaniye boyunca yüksek potansiyel kazanan koruma iletkenlerine ve iletken kısımlara aktarılır. Bu olguyu ortadan kaldırmak için, bina boyunca potansiyelin etkili bir şekilde eşitlenmesine ihtiyaç vardır. Bu nedenle, güç besleme sisteminin koruma iletkenleri ve binadaki ve binaya giren diğer iletken parçalar için de ortak olan topraklama iletkenine topraklama gereklidir. Aşırı gerilim sınırlaması için temel kural, topraklama iletkenlerinin endüktansında istenmeyen gerilim düşümlerinden kaçınmak için mümkün olduğunca kısa topraklama iletkenleri kullanmaktır (Şekil 8). 
 

Şekil 8 – Bir binanın ana (eş) potansiyel baraya (MPB) ortak topraklaması

Topraklama sisteminin potansiyelindeki bu artış, hem elektrik tesisatının kendisi ve hem de yalıtımı aşırı gerilen bağlı cihazlar için bir risk oluşturmaktadır. Şekil 9, yıldırım binaya çarptığında, RE topraklama kablosunun direncindeki gerilim düşüşü nedeniyle, topraklama potansiyelinin nasıl arttığını göstermektedir. Bu nedenle, RE potansiyeli ile topraklama kablo direnci RB olan PEN iletkeninin potansiyeli arasındaki fark sıfıra eşit değildir, örneğimizde 1000 V'luk bir fark vardır.

Şekil 9 – Topraklama potansiyeli ve PEN iletkeninin potansiyeli arasındaki fark

Bu durumda, yıldırım akımı elektrik tesisatına doğrudan girmeyebilir. Binanın etrafına düşen yıldırım, tüm metal parçalarda gerilim indükleyen elektromanyetik bir alan oluşturur. Tehlike açısından bakıldığında, bu durum elektrik tesisatı için daha küçük bir tehdittir, çünkü bu gerilim genellikle yeterince yüksek değildir ve ürettiği aşırı akım şok dalgası 8/20 μs'lik bir dalgada ancak 5 kA'ya kadar ulaşır. Bununla birlikte bu aşırı gerilim bile, gerekli koruma yapılmadığı takdirde elektronik cihazlar için risk oluşturabilir.

Dağıtım şebekesine bir yıldırım düşmesi durumunda yıldırım akımının doğrudan elektrik tesisatına girmesi, doğrudan yıldırım düşmesi durumuna benzer bir etki yaratır.
 

Elektrik tesisatlarında anahtarlama aşırı geriliminin ortaya çıkması, atmosferik aşırı gerilim oluşumundan daha yaygındır. Anahtarlama aşırı gerilimlerinin en yaygın kaynakları, endüktif ve kapasitif yüklerin anahtarlanması, motor komütatörlerinde kıvılcımlanma ve güç beslemesindeki kısa devrelerdir. Bununla birlikte, anahtarlama aşırı gerilim darbe dalgalarının enerjisi, yıldırım düşmesinin neden olduğu dalgalarla aynı değerlere ulaşmaz. Aşırı gerilim darbelerinin yaygın olarak kullanılan cihazlara zarar veremeyeceği ve kablo yalıtımı için önemli bir risk oluşturmadığı, ancak kişisel bilgisayarlar, TV'ler ve benzeri elektronik cihazlar için hala tehlikeli olabileceği sonucuna varılmıştır. Yıldırım aşırı gerilim korumasının kullanımı, anahtarlama aşırı gerilimine karşı da koruma sağlayacağı içindir ki, yıldırım aşırı gerilimine karşı koruma üzerinde durulması yeterli olacaktır.

Şekil 10 – Anahtarlama ve kontrol işlemlerinden dolayı anahtarlama aşırı gerilimi oluşumu

Temel koruma, binadaki tüm iletken parçaların birbirine bağlanarak potansiyelin etkin bir şekilde eşitlenmesinden oluşur (bkz. Şekil 8). Birbirine bağlanma, farklı potansiyellerin ortaya çıkmasının engellenmesini ve böylece bu parçalar arasında tehlikeli gerilimlerin oluşmasının önlenmesini sağlar. Ancak, enerji altındaki iletkenler ile koruma topraklaması arasında "sabit bağlantı" kurmak mümkün değildir, bu tür bir elektrik tesisatı işlevsel olmayacaktır. Aşırı gerilim parafudrları, aşırı gerilim anında enerji altındaki iletkenleri ve koruma topraklamasını bağlamak için kullanılır. Kullanılan parafudrun terminallerindeki aşırı gerilim tanımlanan değeri aşar aşmaz, parafudr empedansını önemli ölçüde azaltır ve böylece potansiyelin izin verilen sınıra eşitlenmesini sağlar. Binanın elektrik tesisatı, geçici aşırı gerilime dayanım açısından dört “aşırı gerilim kategorisine” ayrılmıştır (bkz. Şekil 11 – IEC 60664-1 ed. 2, genel kurallar “Bölüm 2 – Yalıtım koordinasyonu” bölümünde açıklanmıştır).
 

Her tesisat bölümüne, uygun yalıtım darbe gerilim dayanımı ve tesis edilen cihazlar atanmıştır. Konut tesisatlarındaki 230/400 V beyan gerilime sahip nihai elektriksel cihazların çoğu, 1.5 kV'luk bir yalıtım darbe gerilim dayanımı için tasarlanmıştır. Elektrik tesisatı ve cihazlarına zarar gelmesini önlemek için, binanın içinde üç aşamalı aşırı gerilim koruma sistemi, yani IEC 62305-4'e göre koordine edilmiş SPD koruması kullanılır. IEC standart sınıflandırmasına göre I, II, III sınıfları (IEC 61643-11) kullanılır. Bina içinde uygun şekilde koordine edilmiş üç aşamalı parafudrlar ile pahalı ekipmanların hasar görme riskini en aza indirilebilir.
 

Şekil 11 – IEC 60664-1’e göre darbe dayanım gerilimi (Uimp)

Önceki bölümde belirttiğimiz gibi, aşırı gerilim korumasının temeli, bir binadaki tüm iletken bölümler arasındaki potansiyelin eşitlenmesidir. Aynı durum hat iletkenleri için de geçerlidir. Ancak, enerji altındaki iletkenlerin koruma iletkeni ile galvanik bağlantısı, bir faz-toprak kısa devresi oluşturacak ve dolayısı ile elektrik tesisatının işlevselliğini ortadan kaldıracaktır. Bu nedenle, iletkenler arasına bir parafudr monte edilir. Parafudrun ana elemanı, normal koşullar altında önemli bir empedansı olan ve büyük ölçüde bir yalıtkan olarak hareket eder. Aşırı gerilim durumunda, bu eleman empedansını azaltacak ve akımın akmasına izin verecek, böylece aralarına parafudr tesis edilen iletkenler arasındaki potansiyel dengelenecektir. Bu işlev için en sık kullanılan elemanlar kıvılcım aralıkları ve varistörlerdir. Potansiyeli tanımlanan sınıra eşitledikten sonra, elektrik tesisatının tekrar işlevsel hale gelmesi için parafudrun empedansı tekrar artacaktır. Parafudrlar IEC 61643-11 ürün standardına tabidir.

Kıvılcım aralığına sahip modern parafudrların çoğu, elektronik olarak kontrol edilen gaz iyonizasyonu ile hermetik olarak kapatılmış parafudrlardır. Terminallerindeki gerilimi kontrol eden bir elektronik devre içerirler. Bu gerilim tanımlı bir seviyeyi aşarsa, gaz kıvılcım boşluğunda iyonize olur, bu da tutuşmasına neden olur, ardından darbe akımını toprağa iletir. Kıvılcım aralığı tepkisi, yıldırım deşarjlarından veya anahtarlama aşırı geriliminden kaynaklanan şok darbelerinin artış hızından bağımsızdır.

Şekil 12 – Aktif kıvılcım aralıklı parafudrların yapısı

Bu parafudrlar, çinko oksit (ZnO) veya silikon karbür (SiC) varistörleri ile donatılmıştır. Bunlar, aktif direnç değerleri, gerilim artışı ile önemli ölçüde azalan doğrusal olmayan yarı iletken dirençlerdir. Varistörlerin ana avantajı, yüksek yanıt hızlarıdır (yaklaşık 25 ns). Küçük boyutlarda, enerjiyi emme kabiliyeti büyüktür. Varistörler, hem AC hem de DC devrelerindeki darbelere karşı koruma için kullanılır. Varistörlü her parafudr, bir termal sigorta içerir. Varistör aşırı yüklenirse, sıcaklığı artar ve bu sigorta tarafından güç kaynağından ayrılır. Bu işlem geri döndürülemez. Gösterge penceresindeki renk kırmızıya döner ve varistör modülünün en kısa zamanda değiştirilmesi gerekir.
 

Parafudr olarak bir varistör kullanmanın avantajı, müteakip kısa devre akımının olmamasıdır. Granüler mahfazanın bir sonucu olarak, varistörün 40.000 pF'ye kadar büyük bir kapasitesi vardır. Sonuç olarak, düzgün çalışan bir varistörde birkaç mA'yı aşmaması gereken kaçak akımlar ortaya çıkar.

Şekil 13 – Varistörlü parafudrların yapısı

Yalıtım delinmesi ve hassas elektrikli ekipmanların zarar görmesi durumunu engellemek için bina tesisatına giren darbe gerilim dalgasının enerjisi etkili bir şekilde azaltılmalıdır. Aşırı gerilim koruması, bir dizi "enerji damperi" olarak işlev görür (sınıf I ila III parafudrlar). Aşırı gerilimin yıkıcı gücü yavaş yavaş zararsız bir seviyeye düşer. Pratikte, üç adımlı koruma kullanılır.
 

Sınıf I parafudrlar (eski Alman standartlarına göre aynı zamanda B Sınıfı parafurlar olarak da adlandırılır), iletkenler arasındaki potansiyeli 4 kV seviyesine düşürmek için tasarlanmıştır ve en kaba korumadır. Bu nedenle, LPZ0 ve LPZ1 bölgelerinin geçişinde, bina tesisat girişine mümkün olduğunca yakın tesis edilmelidir. Kabloları, binanın dış yıldırım iletkenine doğrudan düşen yıldırım veya dış uçlara yıldırım düşmesi nedeniyle oluşan yıldırım aşırı gerilimine karşı korumak için kullanılırlar. Bu parafudrlar, darbe akımına bağlı olarak kıvılcım aralığı veya varistör ile donatılır.

Sınıf II SPD'lerin (eski C sınıfı SPD'ler) görevi, kablolar arasındaki potansiyeli 2 kV seviyesine düşürmektir. Sınıf I parafudrlarına benzer şekilde, elektrik tesisatları ve cihazları için yıldırım aşırı gerilimine karşı orta düzeyde bir koruma sağlar, aynı zamanda anahtarlama süreçlerine karşı koruma sağlar. Kaynak tarafında Sınıf I SPD'leri olmayan bireysel bir Sınıf II parafudrun kullanımı, ancak binada doğrudan yıldırım düşmesi riski yoksa ve tüm tesis sadece bina etrafındaki uzaktan yıldırım etkisinden kaynaklanan aşırı gerilimlere karşı savunmasızsa mümkündür. Bu durum, IEC 61643-11'e göre bu parafudrların test edildiği 8/20 μs dalga boyundaki darbe akımı ile gösterilmiştir. Bu SPD'ler LPZ1 ve LPZ2 bölgelerinin geçişine yerleştirilir. Büyük bina tesislerindeki sınıf II parafudrların, aralarındaki mesafe 10-20 m’nin üzerinde olacak şekilde tekrarlı olarak tesis edilmesi önerilir.
 

Hassas elektronik cihazlar için en hassas korumayı sağlarlar. Görevleri kablolar arasındaki potansiyeli 1,5 kV seviyesine düşürmektir. Bu korumanın etkinliği, SPD ile korunan hassas cihaz arasındaki mesafeye çok bağlıdır; doğru koruma için bu mesafe 5 metreyi geçmemelidir.

Yukarıda bahsettiğimiz sınıf tanımlamaları, kablolamanın ve bağlı cihazların etkili bir şekilde korunması için, çoğu durumda, sadece tek bir sınıftaki bir parafudru kullanmanın yetersiz olabileceğini, ancak birkaç sınıf parafudrun bir kombinasyonunun kullanılması gerektiğini açıkça göstermektedir. Bina tesisatına giren darbe gerilim enerjisi, yalıtım delinmesine ve hassas elektrikli ekipmanda zarara yol açmaması için etkili bir şekilde azaltılmalıdır. Aşırı gerilim koruması, her zamankinden daha hassas “enerji damperleri” olarak işlev görür (Sınıf I’den III’e kadar parafudrlar). Böylece aşırı gerilimin yıkıcı gücü kademeli olarak zararsız bir seviyeye düşer.
 

Bununla birlikte, aşırı gerilim koruma sınıfları arasındaki koordinasyon, verimli ve uzun vadeli güvenilir aşırı gerilim koruması için çok önemlidir. Bunun yapılmaması, Sınıf II veya III parafudrların aşırı yüklenmesine ve hatta imha olmasına, veya binaya doğrudan veya yakın bir yıldırım düşmesi durumunda korunan ekipmanın tahrip olmasına neden olabilir. Bu nedenle, Sınıf I ve II SPD'ler arasındaki mesafe en az 10 metre ve Sınıf II ve III SPD'ler arasındaki mesafe en az 5 metre olmalıdır. Özellikle Sınıf I ve II SPD'ler arasındaki mesafeye uyulmaması, önce Sınıf II SPD'nin etkinleştirilmesine neden olabilir. Bu durum, Sınıf II parafudrda hasara neden olur ve gerilim darbesi korunan cihaza nüfuz eder.
 

Eğer bu mesafe korunamıyorsa, bir ayırıcı bobin kullanılabilir. Bu durumda, aşırı gerilim meydana geldiğinde, ayırıcı bobinleri ve Sınıf II parafudr üzerindeki gerilim düşümünün toplamı Sınıf I parafudrun önce etkinleştirilmesine neden olur. Etkinleşmeden sonra, yıldırım akımının çoğu toprağa iletilir.
 

Bunun yanısıra, ayırıcı bobinlerin kullanımı, özellikle daha yüksek akımlara sahip uygulamalarda sorun olabilir. En uygun olanı, üreticilerin açıkladığı ve garanti ettiği minimum montaj mesafelerine uyulması veya kombine Sınıf I + II parafudrların kullanılmasıdır.