Aşırı Gerilim ve Yıldırımdan Koruma Semineri

YILDIRIMDAN KORUNMA

MERKEZİSerdar AKSOY

ELEKTRİK MÜHENDİSİ/MBAserdar.aksoy@yilkomer.com

Yıldırımdan ve Aşırı Darbe Gerilimlerinden Korunma Sistemleri

Lightning protection system (LPS)

1. Interception systems

2. Earthing systems

3. Equipotential bonding systems

4. Surge protection systems

3

AŞIRI GERİLİM VE YILDIRIMDAN KORUNMA YÖNTEMLERİ-4’LÜ KORUMA

1-İÇ YILDIRIMLIK SİSTEMİ• Parafudr

2-DIŞ YILDIRIMLIK SİSTEMİ Kafes Sistemi-FARADAY Ağ oluşturma Yön.-MESH METOD Franklin Çubuğu Gergi Teli Metodu

3-TOPRAKLAMA SİSTEMİ4-EŞ POTANSİYEL SİSTEM

Loop spacing M

Rolling sphereProtection angle

Earthing system

Conductor

R

h1

h2 12

Interceptor rod

Source: DIN VDE 0185-305-3 5.2

Yakalama uçları temelli yıldırımdan korunma sistemleri

The protective angle method is for suitable for buildings of a simple shape, but is limited to the heights specified in Table 2.

The loop method is suitable for protecting flat surfaces.

The rolling sphere method is suitable for all cases.

Planning Process

5

DİREK YILDIRIM DARBESİ

Effects: Fire hazard

Caused by: specific energy, charge

If a lightning strikes a building, electrical energy is converted into heat. This may cause fires, especially in combustible roof structures! .

0

2dtiRW

0

idtQ

İÇ YILDIRIMLIK SİSTEMLERİNİN OLMAMASI DURUMUNDA

AŞIRI GERİLİMİN OLUŞMA NEDENLERİ

1-Şalt hareketleri sonucu (anahtarlama elemanları sonucu)ortaya çıkan Aşırı Gerilimler.

2-Şebekeden kaynaklanan harmonik ve darbeler sonucu oluşan Aşırı Gerilimler.

3-Yıldırım Deşarjı sonucu oluşan Aşırı Gerilimler

4-Elektrostatik deşarj sonucu oluşan Aşırı Gerilimler

Geçici Gerilimler (Transient Voltage)

Geçici Gerilim Dalgalanmaları Nedir?

Geçici Gerilim Dalgalanmaları mikro saniyeler mertebesinde kısa süreli olarak oluşan, ancak nominal gerilimin birkaç katına ulaşabilen gerilimlerdir !

30

26

22

18

10

6

2

14

K/ Aşırı

Gerilim Faktörü

1500(I)

2500(II)

4000(III)

6000(IV)

ÛrvYıldırım Darbeleri

Anahtarlama Darbeleri

Geçici Gerilim Dalgalanmaları

HarmoniklerYavaş ve hızlı

Gerilim değişiklikleri

Gerilim düşmeleriKısa kesilmeler

Yıldırım Deşarjı Nasıl Oluşur ?

-40

-20

00 200 400 600 800 t (µs)100 300 500 700 900

Deşarjın başladığı an ve birkac ms sonraki periyot

Yıldırım deşarjının enerji etkisi laboratuvarlarda 10/350 µs test darbesi ile simüle edilmektedir.

Ana Deşarj

İkinci deşarj

Ölçülmüş yıldırım darbesiSimüle edilmiş yıldırım darbesi, 10/350 µs

Iimp

1100

I (kA)

Simüle Edilmiş Yıldırım ve Gerilim Darbesi Arasındaki Fark…

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Zaman [µs]

Akı

m [k

A]

Simüle edilmiş yıldırım darbesi, 10/350 µsSimüle edilmiş gerilim dalgası, 8/20 µs

AŞIRI GERİLİME NEDEN OLAN OLAYLAR İÇERİSİNDE EN TEHLİKELİ OLANI

YILDIRIM KAYNAKLI DARBELERİDİR.

YILDIRIM DARBE DEĞERLERİ VE SIKLIKLARI

50 % 10 % 5 % 1 %

30 80 100 200kA

20 90 100 100kA/s

10 80 100 400C

105 106 5.106 107A2s

Sıklık %

Yıldırım AkımınınTepe Değeri

Yıldırım AkımınınAzami Artış hızı

Yıldırımın Yükü

Yıldırım Akımı Kare Darbe değeri

YILDIRIM…

100 Milyon km hız 1 milyar volt 28000 celcius sıcaklık Her gün 8 milyon kez düşüyor Yarım saniyeden çok daha hızlı bir darbe Statik bir elektrik Adımları saniyenin/50 hizinda

TÜRKİYE YILDIRIM HARİTASI

Gerilim Darbelerinin Nedenleri ve Etkileri

Harici Yıldırım Tesisatı Olmayan Bir Binaya Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

Etkiler (direct strike)

Harici Yıldırım Tesisatı Olmayan Bir Binaya Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

Bir binaya düşen yıldırım, elektrik enerjisini ısıya dönüştürür.Bu özellikle kolay yanabilen çatılar için yangın riskini çok daha fazla arttırmaktadır. Yıldırım, metal parçaların ergimesine de sebep olabilmektedir. Ayrıca mekanik hasarlara da sebepolabilmektedir

Yüksek Gerilim Hattına Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

Alçak Gerilim Hattına Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

Alçak Gerilim Hattına Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

Alçak Gerilim Hattına Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

A.G. hattına düşen yıldırımla Y.G. hattına düşen yıldırım arasındaki fark, kısmi yıldırım akımlarının iletildiği binaya olan uzaklığıyla ilgilidir.

Etkileri: A.G. Şebekesinde kısmi yıldırım akımları ve gerilim dalgalanmaları Nedeni:Yıldırım darbe akımının genişliği

Yıldırımdan Korunma Tesisatına Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

Yıldırımdan Korunma Tesisatına Yıldırım Düşmesi (Direct Strike)

Yıldırımdan Korunma Tesisatına YıldırımDüşmesi (Direct Strike) ve Eş potansiyel Topraklama Sisteminin Var Olmaması Durumu

Yıldırım düşmesi sonucu oluşan yıldırım akımı, toprağa yönlendiğinde, tesisatın topraklama noktasında gerilim yükselmesine neden olur. Bu, ev içindeki eş potansiyel topraklama sisteminden geçer.

Yıldırımdan korunma için uygun bir eş potansiyel topraklama elektrik tesisatının zarar görmesini engeller.

Etkileri: Gerilim Darbeleri (Aşırı Gerilim) yalıtım bozulması Nedeni: Maksimum darbe akımı

L1

L2

L3

PEN

Yıldırımdan Korunma Tesisatına YıldırımDüşmesi (Direct Strike)

Yıldırımdan Korunma Tesisatına YıldırımDüşmesi (Direct Strike) ve Eş potansiyel Topraklama Sisteminin Var Olmaması Durumu

Etkileri: Gerilim Darbeleri (aşırı gerilim) yalıtım bozulması Nedeni: Maksimum darbe akımı

Yıldırım düşmesi sonucu oluşan yıldırım akımı, toprağa yönlendiğinde, tesisatın topraklama noktasında gerilim yükselmesine neden olur. Bu, ev içindeki eş potansiyel topraklama sisteminden geçer.

Yıldırımdan korunma için uygun bir eş potansiyel topraklama elektrik tesisatının zarar görmesini engeller.

Yıldırımdan Korunma Tesisatına YıldırımDüşmesi (Direct Strike)

Yıldırımdan Korunma Tesisatına YıldırımDüşmesi (Direct Strike) ve Eş potansiyel Topraklama Sisteminin Var Olmaması Durumu

Etkileri: Gerilim Darbeleri (aşırı gerilim) yalıtım bozulması Nedeni: Maksimum darbe akımı

Yıldırım düşmesi sonucu oluşan yıldırım akımı, toprağa yönlendiğinde, tesisatın topraklama noktasında gerilim yükselmesine neden olur. Bu, ev içindeki eş potansiyel topraklama sisteminden geçer.

Yıldırımdan korunma için uygun bir eş potansiyel topraklama elektrik tesisatının zarar görmesini engeller.

Yıldırım düşen noktanın yakınında

Gerilim Darbelerinin Coupling Etkisi (Yıldırım Düşen Noktanın Yakınında)

Etkileri: Yıldırım akımları, iletkenler (yer altındaki borular, kablolar vs ) arasından geçtiği zaman yüksek indüklenmiş gerilim üreten manyetik bir değişim yaratmaktadır.

Bu durum yine, bina içindeki yangın riskini arttırmaktadır.

Endüktif coupling yıldırım akımının manyetik etkisi ile oluşur.

Gerilim Darbelerinin Coupling Etkisi(Yıldırım Düşen Noktanın Uzağında)

.

max

dtdi

2 km2 km

Gerilim Darbelerinin Coupling Etkisi(Yıldırım düşen noktanın uzağında)

Far lightning strike

ENDÜKTİF KUPLAJ

Pik değeri=

max

dtdi

Parallel guided cables

Conductor loop

Lightning current arrestor

Gerilim Darbelerinin Coupling Etkisi(Yıldırım düşen noktanın uzağında)

Yıldırımın Kuplaj Etkisi Sonucu Zararları

Yıldırımın Kuplaj Etkisi Sonucu Zararları

Source: http://www.photovoltaik.eu

Anahtarlama

Etkileri

Anahtarlama (Switching)

Anahtarlama özellikle yükün endüktif yük olması durumundda tehlikeli olabilmektedir. Örneğin;  

• Motorlar• Transformatörler• Şok bobinleri• Klima kontrol sistemleri• Kaynak makinaları• Uzun aydınlatma iletkenleri

Etkileri: Şebeke hatlarında aşırı gerilim (darbeler) Neden: Anahtarlama esnasındaki yüksek akım şebekede geçici gerilim dalgalanmalarına (aşırı gerilim) sebep olmaktadır.

Gerilim Darbelerinin Sonuçları

4. Data ve bilgi kaybı

5. İmalatın aksaması

6. Sistemin çalışmasında görülen ciddi aksaklıklar

7. Bilgi aktarımında oluşan hatalar

1. Personel yaralanmaları

3. Darbelerden kaynaklanan malzeme hasarları

2. Yangın tehlikesi

YILDIRIM DARBESİNİN ETKİLERİ

Yıldırım darbesi sonucu yıkılan bir rüzgar türbini…

Dağıtım Panoları Kılcal çatlamalar

36

SU Boruları

YILDIRIM DARBESİNİN ETKİLERİ

Elektronikteki Uygulama ÖrnekleriTarihi

1950 1960 1970 1980 1990

Elektronikteki uygulamaörnekleri

Time

Interferans bağışıklığı

Vakum Tüpleri

Tranzistörler

Entegre Devreler

2000

PC

Sigorta şirketleri istatistikleri

Hasar Bildirimlerinin Dağılımları Darbe Gerilimleri ve Yıldırım Düşmeleri dahil (direk ve endirek)

Fırtına1%

Diğerleri27%

İhmalkarlık

23%

Yıldırım ve Aşırı Darbe Gerilimleri

31%

Hırsızlık7%

Su6%

Yangın5%

9000 şikayetin analizi

Amount of lightning – and surge damages

Paid benefits for lightning- and surge damages

Year

Amount of lightning – and surge damages and paid benefits for lightning- and surge damages from residential building insurer

StatisticSigortaların ödediği tazminat miktarları

Eşpotansiyel Sistem

Eşpotansiyel sistem

LPZ 0 B

LPZ 0 A

LPZ 1

LPZ 2

LPZ 3

Eş potansiyel Bağ ve Sistem İçindeki Güç ve Data Hatları

Data Hatları

Güç Hatları

Eş potansiyel bağın amacı metal kısımlar ile hacim içindeki sistemler arasındaki potansiyel farkı yıldırımdan korunma için en aza indirmektir.

Yıldırımdan Korunma için Eş PotansiyelTopraklama Sistemi

PEN iletkeninin bina topraklama sistemine bağlanması

Aşırı gerilim darbe koruyucusunun bina topraklama sistemine bağlanması.Minimum Kesit: 16 mm2 Cu

Metal komponentlerin Eş potansiyel topraklama barasına (EBR) bağlanması

Topraklama barasının bina topraklama sistemine bağlanması

*EBR: Eş potansiyel topraklama barası

Yıldırımdan Korunma İçin Eş potansiyel Sistem İçindeki Güç ve Data Hatları

Yıldırımdan Korunma Bölge Kabulü

LPZ = Lightning Protection Zone

I

LPZ 0 LPZ 1Binaya Enerji GirişiAna Dağıtım Panosu

I

LPZ 1 LPZ 2Tali Dağıtım PanosuII

IILPZ 2 LPZ 3Cihaz girişiIII

III

Aşırı Gerilim Darbe Koruyucu Seçimi

B

C

D

DIN VDE 0675 Bölüm 6 (A1/A2)’ya göre Aşırı Gerilim Darbe Koruyucu Seçimi

Yıldırım Darbe Koruyucuları (Ana koruma) LPZ 0 1

Aşırı Gerilim Darbe Koruyucuları (Orta koruma) LPZ 1 2

Aşırı Gerilim Darbe Koruyucuları (Cihaz/hassas koruma) LPZ 2 3

Class I, IEC 61643-1:1998 Tip1, EN 61643-11 (07/02)

Class II, IEC 61643-1:1998 Tip 2, EN 61643-11 (07/02)

Class III, IEC 61643-1:1998 Tip 3,EN 61643-11 (07/02)

Darbe Koruyucusu Tipleri

Darbe Koruyucusu Teknolojileri

Parafudrlarda Kullanılan Teknolojiler

Spark Gaps (Kıvılcım Aralığı)

Deşarj kapasiteleri nedeniyle yüksek performanslı spark gap’ler yıldırımdan korunma elemanları olarak kullanılmaktadırlar.Spark gap’ler izleme akımlarını sönümlendirmektedir.

Varistörler

Varistörler aşırı gerilim darbe koruyucusu olarak kullanılmaktadır. Diğer aşırı gerilim darbe koruyucularının tersine yıldırım akımı taşıma kapasiteleri sınırlıdır.

Diyotlar

Transzorb diyotlar, aynı zamanda sönümlendirici diyotlar olarak bilinirler.Hızlı tepki vermeleri karakteristik özellikleri olmakla birlikte, deşarj kapasiteleri sınırlıdır.

YILKOMER

VG TECHNOLOGY

SPARK GAP TECHNOLOGY

A new feature in low-voltage spark gaps is the use of carbon for the electrodes.

•Lastingly consistent properties•High energy density in a small space•Heat-proof Teflon discs allow extremely narrow gaps between electrodes

Structural design

30 V

Graphite electrode

High conducted current capacity

(fire-resistant)Negative field voltage

means good capacity for eliminating secondary

mains currents

Teflon discs

9 encapsulated sub spark gaps

UG

Varistor technology

intermediate phase

ElectrodesEpoxy resin

Sintered zinc oxide grains with other metal oxides added

Zinc oxidemicrovaristor

= 10 µm

Tinned copper electrode

1) Source: Siemens brochure on "SIOV metal oxide varistor"

t/(ns)Output pulse

U(V)

Input pulse

U

t/(ns)

(V)

Varistors are voltage-dependent resistors with highly non-linear U/I characteristics.

A number of microvaristors connected in parallel and in series produce special electrical characteristics. The transitions between the microvaristors can "age" under the influence of electrical surges.

Diode technology

Input pulse

U

t/(ps)

(V)

Output pulse

U

t/(ps)

(V)

Voltage

(V)

Current

(A)UC UB UR

UCUBUR

Transorb diodes (also called suppressor diodes) are diodes which limit both positive and negative surges. Their extremely fast connecting response of just a few ps means they are especially suited to use in fine and data line protection equipment.

Chapter 3.2. Conductor technologies and types

Yıldırım ve Aşırı Gerilim Darbe Koruyucuları Seçimi

Tesisat Rehberi / TN-C Şebekeler (4 Telli)

Nötr iletkeni ve koruma iletkeni (toprak) binanın girişinde bir iletkende birleştirilmiştir (PEN). PEN iletkeni, Nötr İletkeni (N) ve Koruma İletkeni (toprak - PE) olarak ayrılmıştır.Uygulama Alanı: Ağırlıklı olarak nüfus yoğunluğu olan bölgeler ve yeni tesisatlar

Sayaçtan önce de

kullanılabilir Aşırı gerilim darbe koruyucusu

RCD’den önce monte edilmelidir. Aksi durumda, RCD darbe akımını

kaçak akım olarak algılayıp devreyi açar.

3 x MC 50 B

V20-C/3+NPE

Şebeke Tipleri

50%

50%

Tesisat Rehberi / TN-C Şebekeler (4 Telli)

VDE V 0185 Part 4: 2002’den Örnek: Yıldırım Koruma Sınıfı : Tip 1

200 kA 50%’si toprağa yönelir (akar)

50%’si binaya 4 iletken üzerinden geri döner.Bu da iletken başına 25 kA demektir.

Tesisat Rehberi / TN-S Şebekeler (5 Telli)

Ağırlıklı olarak endüstriyel tesisatlar…

3 x MC 50-B ve

1 x MC125-B/NPE

V20 C/3+NPE

200 kA

Faz başına25 kA

Min. 100 kA

Sigorta Kullanımı

B tipi koruma ürünlerinde Ana sigorta değeri 500 A in üzerinde ise B tipi ürünün önüne maksimum 500 A sigorta bağlanır. B tipi koruma ürünleri 25 kA e kadar kısa devre akımlarına karşıda koruma yapmaktadır. Olası uzun süreli ( saniyeler mertebesinde ) kısa devre akımlarında ürünün önüne bağlanacak olan 500 A lik sigorta devreyi açarak kısa devre akımının ana şalter üzerine binmesine neden olacak ve şalterin devreyi kesmesini sağlayacaktır. Kısa devre arızası kalktığında sigortalar tekrar devreye alınarak koruma ürünleri çalışır duruma getirilmelidir. Aksi taktirde devre korumasız kalacaktır bu sebeple bağlanacak sigortaların kontak çıkışlı olarak tercih edilmesi önemlidir.

500 A in üzerinde ise

Maksimum 500 AMaksimum 125 A

İlave Tesisat Rehberi

Minimum Bağlantı Kesitleri

.

Conductor type Conductor cross-sectionmm2

Type I (class B) 16 CuType II (class C) 6 CuType III (class D) 1.5 Cu

Source: DIN EN 0185-305, Part 3

İlave Tesisat Rehberi

• Paralel kablaj yapılmamalıdır (korunan ve korunmayan kablolar).• Kablolar ve yıldırım darbe koruyucu, loop içinde olmamalıdır.

Yanlış Montaj

SAT receivers

DS-F m/f

DS-F f/f

1

1

FineController FC-SAT-D

22

2

2

Chapter 6: Surge protection for data lines, telecommunications systems and ICA systems

Switch

Star network Ethernet 100BaseT

External data line

HUB/switch

RJ45S-E100/4-C

1

1

3

3 3

333

1

RJ45S-E100/4-B

1

Chapter 6: Surge protection for data lines, telecommunications systems and ICA systems

Net Defender

2

2

2 2

222

2

Priz Tipi Korumalar

Priz tipi koruma

Anten koruma

Telefon koruma

Uydu Anten koruma

Üçlü Priz koruma

Adaptörlü koruma

Application LSA- Plus

Installation and devices

Basic protection (spark gaps)

• high protection level

• high current capacity

• good frequency attributes

Combi protection

• low protection level

• over current fuse

• small nominal currents

LSA-strip

Design of connecting – and separating strip l

Cable side

Incomming cable with color code

Connection contact for cable

Connection contact for switch cable

Name of double wire/pair (DA)

Hole for numbering

Protection of a high speed computer network

PC PC PC PC PC

PC

230 V 230 V 230 V 230 V 230 V

230 V

Kamera ve Anten Korumaları

BNC tip

N tip

High frequency protectorsTo use for

TV and satellite installations radio transmission video and audio signals

Types of arrester for high frequency applications

λ/4-Protector

- Is working linke a filter

- No DC possibleNot be used for current controlled

antenna systems

Protection with spark gap

- DC transmission possible

- Not very high bandwidth possible

- Many plug systems available

Overvoltage protection for sat antenna

Quelle: EN 60728-11:2005

1) Net connection

2) Equipotential bar

2a) Equipotential bar

3) Equipotential wire

4) Earth line

5) Earth connection

6) Earthing system

7) Protection wire

Protection must be planed for energy side also!

Protection of CCTV (Close Circuit Television)

• Suggestion for koax based systems

• For IP-based systems

Data ve Komünikasyon Teknolojisinde Darbe Koruma

Geniş band koruma (kırmızı) Bina girişindeki hatta monte edilir.

Kombine Koruma (mavi) Bina girişindeki hatta monte edilir. Korunacak cihazla arasındaki mesafe 10m’yi aşmamalıdır.

Ya da hassas koruma (yeşil) Korunacak cihaza monte edilir.

Tutarlı cihaz renkleri verilen cihazlar:

Application solution for CCTV (Close Circuit Television)

Application solution for CCTV (Close Circuit Television)

RS 232 / RS 485 / Ehernet / Cat 5 / RJ11 / RJ45 korumalar