Yıldırım Savarlar – TV Vericilerini Koruma

Topraklama ve yıldırımdan korunmak için alınan önlemler genel olarak TV verici ve aktarıcı istasyonlarının tesisi sırasında ikinci derece de önemsenen hususlar içinde yer alır. Ancak, istasyonların bulunduğu coğrafik koşullar ve enerji şartları nedeniyle topraklama hatasından ve yıldırımdan meydana gelen etkiler milyarlarca değerindeki tesis ve cihazlara büyük zararlar verir. Yaptığı tahribatın büyüklüğü ile doğru orantılı uzun süreli yayın kesintilerine maruz kalınır.

Tarih boyunca yıldırımdan anlaşıldığı kadarıyla, yıldırımdan korunma sistemleri de o oranda gelişmiştir. Yıldırım üzerine ilk teoriler 17. Yüzyılda tespit edilmeye başlanmıştır. Deskartes adındaki bilim adamı bulutların çarpışmasından sıkışan havanın ışık ve ısı etkisi meydana getirdiğini ve ısının gürültüye neden olduğunu söyleyerek yıldırımla ilgili ilk teoriyi ortaya atmıştır. 18. Yüzyılın ortalarında Rahip Nollet Denel fizik dersleri adlı kitabında elektrikle yıldırımın ilgisini anlatmıştır. Bu tarihten sonra fizikçi Jallbert, yıldırım olayı ile sivri uçların ilgisini dile getirmiştir. Yine aynı yıllarda Romans, yıldırım olayının bir elektriksel olay olduğunu söyleyerek yıldırım olayında elektrikten bahsediyordu.

Franklin 1725 yılında balon deneyi yaparak bulutların elektrik yüklü olduğunu ispatlamıştır. Daha sonra yıldırım konusundaki gelişmeler 1929 yılında İngiliz doktor Simson ve Fransız Mathias tarafından yapılan açıklamalarla devam etmiştir. Yıldırımın meydana gelişimi yapılan gözlemler ve incelemeler sonunda dört şekilde olduğunu ortaya koymaktadır.
(-) inişli
(-) çıkışlı
(+) inişli
(+) çıkışlı
Bunlardan en fazla görüleni (-) inişli olanıdır.

Yıldırım

Bulut ile yer arasındaki elektrik yüklerinin hızlı deşarj olma olayıdır.

Havada asılı bulunan elektrik yüklü bulutlarda hava iyi bir iletken olmadığı için yaklaşık 10 milyon voltluk gerilim oluşturur. Bu bulutların şarj olması anında fırtına bulutunun tabanı yere yakın olan kısmı negatif yükle yüklenir. Bu arada yer pozitif yükle yüklenir. Bazı durumlarda bunun terside mümkündür. Sonuç olarak yüklenme işlemi bulut boyutunda yerde de oluşur.

Fırtınanın artmasıyla bulutlardaki negatif ve yerdeki pozitif yük ayrışması devam eder. Fırtına şiddetlendikçe bulutla yer arasında bulunan yalıtkan hava iletken hale geçmeye başlar ve bulutla yer arasındaki potansiyel farkı da arttıkça havayı delmesi kolaylaşır. Havanın delinmesiyle buluttaki yüksek voltaj toprağa deşarj olur. Bu deşarjlarda 2000 ile 200 000 amper arası akım akmaktadır. Atmosferik olaylarda bulutla bulut arasında voltaj boşalmasına şimşek, bulutla yer arasındaki voltaj boşalmasına yıldırım denilir.

Yıldırımın oluşması

Bir bulutun alt kısmındaki enerjinin yeterli seviyeye geldiği zaman (10kv/cm2) toprağa doğru bir elektron demeti olarak harekete geçmesidir. Birinci demet 10 ile 50 metrelik mesafeyi 60 – 50 000 km/sn arasındaki hızla kat eder. 30 ile 100 mikron saniye süren bir aradan sonra ikinci bir deşarj birinci deşarjın yolunu izler ve birinciden 30 ile 50 metre arası daha ileri gider. Daha sonra üçüncü deşarj ardından dördüncü deşarj meydana gelir. Her bir deşarj öncekinden 30 ile 50 metre ileri giderek şimşeğin ucunun yeryüzüne yaklaşmasını sağlar. Bu arada yeryüzü ile bulut arasındaki potansiyel farkı gittikçe artar ve havanın delinmesi sonunda yeryüzünde bulunana sivri bir uç, bina, ağaç veya kule gibi bir noktaya pozitif yüklü bir demet deşarj olur ve bunun boyu 150 metreyi geçebilir. Bu deşarj esnasında 200 000 Ampere kadar çıkan akım 100 milyon voltluk bir gerilim ile toprağa akar. Bu akıma deşarj akımı denilir. Bu akım saniyenin milyonda biri mertebesinde aralıklarla art arda gerçekleşmesiyle tamamlanır.

Elektrostatik yük

Elektrik yüklü bulutun altında kalan yer yüzünün üstündeki tüm teçhizatlar elektrostatik alana maruz kalırlar. Bu elektrostatik alan yer küreden yüksekliğe bağlı olarak değişmektedir. Örneğin topraktan 10 m yükseklikte bulunan EN Hattı fırtına sırasında toprağa göre 100 ile 300 KV arası fazla gerilime sahip olur. Deşarj esnasında bu yükün toprağa akması gerekmektedir.

Toprak akımı

Yıldırımın hemen ardından yıldırım akımı sonucu toprak akımları oluşur. Bulutun kapsadığı toprak alanından yıldırımın düştüğü noktaya doğru akım akamaya başlar. Bu bölgede bulunan herhangi bir iletken bu akım için topraktan daha kolay iletim sağladığından akım bu iletkenden geçmeye başlar ve bu akıma toprak akımı denilir. Bu boşalma işlemi çok hızlı olduğundan (20 mikro saniye) bu metaller üzerinde indüklenen gerilimler çok yüksek olmaktadır.

Yıldırımdan korunma dört ayrı şekilde yapılmaktadır.

1. Franklin çubuk paratöneri ile korunma

Bu tür korunma sisteminde aşağıdaki malzemeler kullanılmaktadır

Yakalama çubuğu
İniş iletkeni
Topraklama tesisatı

2. Faraday kafesi ile koruma

Bu tür koruma sisteminde de Franklin çubuk sistemindeki gibi sistemler kullanılmaktadır

3. Radyoaktif paratöner ile korunma

Radyoaktif paratöner ünitesi
Radyoaktif paratöner iniş iletkeni
Radyoaktif paratöner topraklama tesisatı, sistemleri kullanılmaktadır

4. Yıldırımın düşmesini engellemek.

Franklin çubuklu paratonerle koruma

Bu tür korumada sivri ucun oluşturduğu yakalama metodu kullanılır. Sivri uç, iniş iletkeni ile topraklama levhasına en kısa ve düz olarak indirerek irtibatlandırır.

Franklin yakalama ucu

Çelik uçlu krom nikel kaplı ve pirinç üstü krom nikel kaplı olarak üretilmektedir. Zamanla havadaki atmosferik olaylardan etkilenmemesi için bunlardan pirinç olanı tercih edilmelidir. Franklin çubukları 20,40,50,60cm lik boylarda üretilmektedirler.

İniş iletkeni

Radyoaktif paratoner ve Franklin çubuklu paratonerlerde iniş iletkenleri aynıdir. Yıldırımın oluşturduğu yüksek amperli (200 000 A)akımın akması halinde iletken teline herhangi bir zarara uğramaması gerekmektedir. İniş iletkeni ile paratönerle topraklama arasını en kısa yoldan birbirine irtibatlandırmak gerekmektedir.

İniş iletkenleri 50mm2 som bakır
ve döşeneceği zeminden 5cm açıkta olacak şekilde olmalıdır. Bakır iletkende ek yapmak gerekirse ekleri gümüş veya termo kaynağı ile yapmak gerekmektedir. İniş iletkeni mümkün olduğu kadar en kısa yoldan ve 90 dereceden büyük kavislerin olmamasına dikkat edilerek çekilmektedir. Ayrıca bir metre mesafe içinde iki veya daha fazla köşelerin olmamasına dikkat edilmelidir.

Topraklama tesisatı

Franklin çubuklu paratoner. Faraday kafesli koruma ve radyoaktif paratoner de topraklama tesisatı aynı kullanılmaktadır. Topraklama tesisatı çubuk veya düz levha bakırdan yapılmaktadır. Topraklama direnci maksimum 5 ohm olmalıdır. Topraklama direnci 5 ohmdan büyük olursa sisteme topraklama çubuğu veya levhası eklenerek direncin limitler içinde olması sağlanır. Topraklama çubukları veya levhalarının gömüleceği toprağın dünyanın toprağı ile bağlantısı olması gerekmektedir. İniş iletkeni topraklama çubuklarına gümüş kaynağı ile yapılmalıdır. Ayrıca çubuk sayısı birden fazla ise çubuklar arasındaki mesafelerin 5m den daha az olmamasına ve aradaki bağlantı iletkeninin 50mm2 saf bakırdan olmasına dikkat edilmelidir.

Faraday kafesli koruma

Bu koruma tipi radyoaktif paratonerlerden önce kullanılmakta ise de yüksek yerlerdeki istasyon veya yerleşim yerlerinde radyoaktif paratonerle birlikte kullanılmaktadır. Faraday kafesli korumda istasyon binasının çatısının üzerine ve istasyonun kulesine muhtelif aralıklarla franklin çubukları cerleştirilerek iniş iletkenleri ile topraklama çubuklarına irtibatlandırılır.

Yakalama uçları

Yakalama uçları olarak franklin çubukları kullanılmaktadır. Binanın çatısına bu çubuklar dik olarak çatıyı kaplayacak şekilde aralıklarla dik olarak yerleştirilir ve topraklama iletkenleri ile birbirlerine irtibatlandırılırlar

İniş tesisatı

Dik olarak binanın çatısına yerleştirilen franklin çubukları 50mm2 lik saf bakırla ve tüm binayı kafes gibi saracak şekilde üstten, yanlardan ve toprak altından saracak şekilde tesis edilmelidir. Bakır iletkenler kroşelerle döşenmeli ve hiçbir noktadan binaya değmemelidir.

Şekil 1.

Radyoaktif paratöner ile korunma

Radyoaktif paratoner ile korunma franklin çubuklu korunmaya benzemektedir. Aradaki tek farkı yakalama ucu olarak radyoaktif malzemeden yapılmış paratoner ünitesi kullanılmaktadır. Bununda yıldırımı yakalama yeteneği daha fazladır.

Radyoaktif paratoner ünitesi

Radyoaktif paratonerdeki amaç fırtınalı havalarda bulutlarda biriken elektrik yüklerinin insanlara, tesislere ve yapılara zarar vermeden olabilecek yüksek gerilimleri oluşturulan iyonize kanallarla toprağa vermektir

Radyoaktif paratonerler sivri bir ucun yaydığı iyonlara ek olarak radyoaktif maddenin oluşturduğu yüksek iyonlar sayesinde iyonize kanallar oluşturmaktadır. Yakalama ucunun toz ve yabancı maddeleri üzerinde bulundurmaması ve paratonerin alt kısımlarına iyon yaymaması istenmektedir.

Radyoaktif paratoner koruma yapacağı alanın en yüksek ve orta yerine konmalıdır. Ayrıca en yüksek noktadan 1.5m yükseğe tesis edilmelidir. Topraklama kazıklarının birbirine olan mesafeleri boylarının 1.5 katından daha küçük olmamalıdır çünkü çubuklar boyları kadar küresel bir alanda toprağa deşarj yapmaktadırlar.

Yıldırımın düşmesini engellemek

Geleneksel yıldırımdan korunma metotlarının yeterli olmadığı TV ve radyo verici tesislerinde daha kompleks bir koruma gerekmektedir. Özellikle yüksek yapıların ve kulelerin yıldırımı daha çok çektiği düşünüldüğünde ,bu tür bina ve kuleler normalde düşmeyecek olan yıldırımları tetikleyerek düşmesine neden olurlar. Dağlık bölgelerdeki kuleler ve binalar yıldırımı daha fazla çekerler. Yıldırım bulutlardaki yüksek potansiyellin toprağa boşalması işlemidir. Bu işlemin yavaş, yavaş ve sürekli olarak yapılması halinde bulutlardaki potansiyel azalacağından o bölgeye yıldırımın düşmesi engellenmiş olacaktır.

Enerji nakil hatlarının yıldırımdan korunması

Şekil 2.

E.N.Hatının enerji taşıyan tellerinin ve direklerin tepesinden geçecek şekilde yıldırımdan koruma iletkeni olmalıdır.

E.N Hattındaki direklerden birine yıldırım düştüğünde direğin ortalama direncinin 50 ohm olduğunu varsayarsak direk üzerinde düşen gerilim yaklaşık olarak 800 KV olur. Direk üzerinde oluşan bu gerilimden faz hattına izolatörlerden atlama meydana gelir. Atlayan bu gerilimde enerjinin beslediği sistemlere zarar verir. Buradan da anlaşılacağı gibi E.N. Hattının topraklamalarının iyi yapılarak topraklama direncinin küçük olması sağlanmalıdır. Bu direncin maksimum 10 ohm olması gerekir. E.N. Hatları direklerinin topraklama dirençlerinin 10 ohm olması durumunda direk üzerinde oluşabilecek yaklaşık gerilim 475 KV mertebesindedir.

E.N.Hatlarında genel olarak yıldırıma karşı koruyucu olarak iki yöntem uygulanır.

Paralel koruyucu yöntemi

Koruyucu malzeme faz iletkenine seri olarak bağlanır. Malzemenin içinde yıldırım enerjisini sınırlayan devre elamanları mevcuttur. Enerji hattına seri 1mhz e yüksek empedans gösterecek bir bobin bağlanır. Yıldırım bu bobinden geçemeyerek toprağa kısa devre edilir. Yıldırımın bobin den geçen kısımları da faz hatlarına bağlanan gerilim sınırlayıcı kontaktörlerle sistemlere ulaşması engellenmiş olur.

Seri koruyucu yöntemi

Koruyucu malzeme faz iletkenine seri olarak bağlanır. Malzemenin içinde yıldırım enerjisini sınırlayan devre elamanları mevcuttur. Enerji hattına seri 1mhz e yüksek empedans gösterecek bir bobin bağlanır. Yıldırım bu bobinden geçemeyerek toprağa kısa devre edilir. Yıldırımın bobin den geçen kısımları da faz hatlarına bağlanan gerilim sınırlayıcı kontaktörlerle sistemlere ulaşması engellenmiş olur.

Krıtik açıklık

Yıldırımdan korunma tesisatlarında fazla dikkat edilmeyen hususlardan biriside kritik açıklıktır. Kritik açıklık paratonerle topraklama arasındaki iniş iletkeninin diğer iletkenlerle (elektrik tesisatı, zayıf akım tesisatı,telefon tesisatı vs.) arasındaki
uzaklıktır. Bu açıklık belirli bir değerden küçük tutulduğunda iki iletken arasında endüksiyon yolu ile aşırı gerilimler oluşabilmektedir. Buda sistemlere zarar vermektedir. Kritik açıklık emniyetli bir uzaklığın altına düşürülmemelidir. Bazı ülkelerde kabul edilen kritik açıklıklar Almanya’da 1,5m, İngiltere’de 1.83m,Hollanda’da 1m dir.

Topraklama

Topraklama malzemeleri olarak aşağıdaki malzemeler kullanılmaktadır. Topraklamanım yeterli seviyeye indirilememesi halinde bunlardan ikisi kullanılabilmektedir.

Bakır levhalar; 140m2 alanında 1mm, 1.5mm kalınlığında bakırdan yapılmış düz levhalardır.
Bakır çubuklar; 20cm, 16mm çaplarında 1m,1.5m boylarında üretilmişlerdir.
Galvanizli çubuklar; Sıcak daldırma ile kaplanmış demir çubuklardır.

Statik topraklama

Ülkemizde fazla önemsenmeyen statik topraklama aslında elektronik cihazlar ve insan hayatı için önemlidir. Bina ve istasyonlardaki elektrik tesisatındaki arızalar nedeniyle binaya veya cihazlara kaçan elektriğin insanlara zarar vermeden toprağa boşalması için zorunlu olarak kullanılmalıdır.

Ayrıca bilgisayar ve vericiler gibi elektronik cihazların üzerinde biriken manyetik alanları toprağa boşaltmak için kullanılması zorunludur. TV verici istasyonlarında istasyonun bir köşesine topraklama barası yapılır istasyonda bulunan tüm cihazlar bu baraya bağlanır

Şekil 3.

Koruma topraklaması

Canlıların dokunma ve adım gerilimlerine karşı korunmak için gerilim altında olmayan iletkenlerin topraklanması için yapılan topraklamaya denir

Televizyon ve Radyo İstasyonlarında Yıldırım ve Topraklama ile ilgili işlemler bir üste yer alan maket şekil içerisinde kalın çizgilerle belirtilmektedir. Anten, kulesindeki paratöner için yapılan topraklama bağımsızdır. Ancak anten kulesi, binanın ve cihazlara ait topraklama yapıldıktan sonra, topraklama baraları birleştirilir. Enerji hattı üzerinden gelebilecek yıldırımdan korunmak için gerilim sınırlayıcı kontaktörler bulundurulmalıdır. Anten kulesi tepesi üzerindeki ikaz ledlerinin bulunması yıldırımın çekmelerinde etkili bir faktördür. Bu amaçla led’i besleyen enerji hattı da yıldırımdan etkilenebilecektir. Bu hat üzerinde de koruyucu devrelerin bulundurulması koruma sağlayacaktır.

Yıldırım ile ilgili bilgi notları

Yıldırım çubuğu yıldırımı çeker mi ? Evet çeker ve güvenli bir şekilde toprağa akmasını sağlar.
Yıldırımdan korunma sistemleri tümüyle korumayı sağlar mı ? Hayır sağlamaz. Tesisin zarar görmesini, hayat kaybını önler, yıldırımın hızlı ve kolay boşalmasını sağlar.
TV anten direkleri koruma sağlar mı ? Kesinlikle hayır. Riski daha da artırır. Anten, yıldırımı çeker ve bağlı olduğu cihaz üzerinden boşalmasını sağlar ve cihaza zarar verir.
Ağaçlar için ne söylenebilir , ağaçlar yıldırıma karşı koruma sağlayabilir mi ? Hayır sağlayamaz. Daha önemlisi yıldırımlı havalarda ağaca yakın yede bulunmak ağaç üzerinden akabilecek akımdan etkilenmek demektir.