Topraklanmış Elektrik Aslında Nereye Gider?

Topraklanmış Elektrik Aslında Nereye Gider?

Elektrik "topraklandığında", aslında doğrudan toprağa akmaz; bunun yerine, topraktan akar ve elektrik devresinin kaynağına geri döner, esasen devreyi tamamlamak için bir yol olarak toprağı kullanır, elektriği emmek için bir lavabo olarak değil.

"Devre tamamlanması", elektrik akımının bir güç kaynağından, bir devreden ve tekrar kaynağa akması için tam bir yolun oluşturulduğu ve elektriğin devre boyunca sürekli olarak akmasına izin verdiği anı ifade eder; esasen, bir devrenin tüm bileşenlerinin bağlı olduğu ve akımın içinden geçebileceği kapalı bir devre oluşturduğu anlamına gelir.

"Toprak tarafından emilmeyen" bir şey, toprak tarafından alınamayacağı veya emilemeyeceği anlamına gelir, örneğin kumlu topraktan hızla akan su veya filtrelenmeden topraktan sızabilen kirleticiler gibi topraktan geçebilen ve tutulmayan belirli malzeme türleri gibi.

Topraklama elektrodu, elektrik akımlarını hasarlı kablolardan, cihazlardan veya kablolardan güvenli bir şekilde uzaklaştırmak için doğrudan toprağa bağlanan iletken bir nesnedir.

İşte topraklama elektrotlarına dair bazı örnekler:

Sürtünmeli çubuk: En yaygın topraklama elektrodu olan bu, 8-10 fit uzunluğunda ve bakırla kaplanmış bir çelik çubuktur.

Topraklama çubuğu: Hata akımlarının toprağa doğru akmasına yardımcı olmak için toprağa gömülen bir topraklama elektrodu türü.

Metal yeraltı su borusu: Onaylanmış bir topraklama elektrodu.
Metal yeraltı destek yapısı: Onaylanmış bir topraklama elektrodu.

Beton kaplı elektrot: Onaylanmış bir topraklama elektrodu.
Topraklama halkası: Onaylanmış bir topraklama elektrodu.

Çubuk ve boru elektrotları: Onaylanmış bir topraklama elektrodu.

Alüminyum ve metal yeraltı gaz boru sistemleri topraklama elektrodu olarak kullanılmamalıdır.

Şu senaryoyu hayal edin: Elektriksel olarak topraktan izole edilmiş bir stand üzerinde dizel yakıtla çalışan bir jeneratörünüz var. Bir prizin enerjili yuvasından toprağa çakılmış bir elektroda bir tel geçirin. Toprağa veya nötr yuvalara hiçbir şey bağlamayın. Şimdi jeneratörü çalıştırdığınızı hayal edin. Ne olur? Enerjili telden toprağa akım akar mı akmaz mı? Cevabınız tamamen dünyanın bir elektrik devresinde neyi temsil ettiğine dair zihinsel modelinize bağlıdır. Sonuçta, bir devre fikri sadece bazı gerçekten karmaşık elektromanyetik süreçlerin soyutlanmasıdır ve bu, elektrik şebekesinin büyük ölçeğinde daha da doğrudur. Topraklama, şebekenin en kafa karıştırıcı ve yanlış anlaşılan yönlerinden biridir, bu yüzden biraz şaşkın olduğunuz için affedilebilirsiniz.

Örneğin, bir akünün pozitif tarafından toprağa bir tel geçirirsem hiçbir şey olmaz. Ancak, enerjili bir elektrik hattı bir direkten düştüğünde, o zaman kesinlikle toprağa akım akar. Buluttan yere düşen yıldırımlar, toprağa büyük elektrik akımları taşır veya topraktan dışarı atar, ancak topraklama elektroduna bağlı bir jeneratörün küçük düşünce deneyimi hiçbir akım oluşturmaz. Nedenini birazdan açıklayacağım. Elektrik şemasında bile, toprak, devreden gelişigüzel sarkan büyülü bir semboldür. Ancak, elektrik devresi ile toprak arasındaki bağlantılar oldukça farklı ve kritik amaçlara hizmet eder. Ve stüdyoda açıklamaya yardımcı olmak için bazı gösteriler kurdum. Sanırım bundan sonra elektrik şebekesine tamamen yeni bir şekilde bakacaksınız, ancak bu deneyleri evde denemeyin. Ben Grady ve burası Pratik Mühendislik. Bugünkü bölümde elektrik topraklamasından bahsediyoruz.

Elektrik devrelerini neden ilk etapta topraklıyoruz? Belki de bu soruyu cevaplamanın en kolay yolu, bunu yapmadığımızda ne olduğunu göstermektir. Elektrik kodunda ne kadar önemli olursa olsun, her zaman bu kadar büyük bir sorun olmadığını ve bazı durumlarda faydalı bile olabileceğini görmek sizi şaşırtabilir. Sonuçta, birçok küçük elektrik devresinin, devrenin bir kısmı kelimenin tam anlamıyla "toprak" olarak adlandırılsa bile, toprağa bağlantısı yoktur. Bu durumda, bu terim aslında voltajların ölçüldüğü ortak bir referans noktasını ifade eder. Voltaj hakkında kafa karıştırıcı olabilecek bir şey de budur: aslında tek bir teli, izi veya konumu ifade etmez, ancak iki nokta arasındaki elektrik potansiyellerindeki farkı ifade eder. Geleneksel olarak, ortak bir referans noktası seçeriz, matematiği basitleştirmek için sıfır potansiyeli olduğunu varsayarız ve ayaklarımızın altındaki gerçek toprağa hiçbir referans olmasa bile buna toprak adını veririz. Küçük, düşük voltajlı cihazlarda (pille çalışan oyuncaklar gibi), devre kartındaki bileşenler ile gerçek toprak arasındaki potansiyel farkı o kadar da önemli değildir, ancak şebekeye bağlı yüksek voltajlı sistemler için bu geçerli değildir. Nedenini göstereyim:

Bu, şebekedeki tipik bir güç sisteminin diyagramıdır. Bir jeneratörün bobinleri solda gösterilmiştir. Bir manyetik alan bu bobinlerin yanından döndüğünde, iletkenler üzerinde elektrik akımı üretir ve (genel olarak) bugün çoğu elektrik şebekesinin omurgasını oluşturan üç fazlı AC gücünü bu şekilde elde ederiz. Neredeyse herhangi bir iletim hattına bakın ve (yine, çok genel olarak) bu diyagrama karşılık gelen üç ana iletken göreceksiniz. Ancak burada görmediğiniz şey toprak bağlantısıdır. Mesafenin voltaja eşit olduğu başka bir diyagram koyayım. Üç iletkenimizin hepsinin aynı faz-faz voltajına sahip olduğunu ve aynı faz-toprak voltajına sahip olduğunu görebilirsiniz. Her şey dengelidir. Ancak bu örnekte, toprağa olan bu bağlantı çok güçlü değildir ve yalnızca alternatif akımın elektromanyetik alanlarından (kapasitif bağlantı olarak adlandırılır) kaynaklanır.

Bir toprak arızası sırasında ne olduğunu izleyin. Bu, bir ağaç dalının bir elektrik hattını devirmesi veya bir iletkenin çelik bir kuleye çarpması veya bir faz ile toprak arasında kısa devreye yol açan başka herhangi bir sorun olabilir. Şimdi, aniden, faz-toprak voltajlarını dengede tutan zayıf kuplaj kuvveti aşırı güçlenir ve tüm fazlar toprağa göre bir voltaj kayması yaşar. Ancak, faz-faz voltajları değişmez. Aslında, topraklanmamış bir güç sistemindeki bir toprak arızası genellikle herhangi bir ani soruna neden olmaz. Sistemdeki motorlar, transformatörler ve diğer yükler faz-toprak voltajını pek umursamazlar çünkü fazlar arasına bağlanmıştır. Bu, topraklanmamış bir güç sisteminin bir avantajıdır: birçok durumda bir toprak arızası sırasında bile çalışmaya devam edebilir. Ancak, elbette, bazı dezavantajları da vardır.

Gösterdiğim örnekte, iki hatasız iletkenin faz-toprak voltajları dengeli bir durumda olacağının neredeyse iki katına çıkar. Bunun önemi şu: Daha yüksek voltaj daha fazla yalıtım gerektirir, bu da daha fazla maliyet demektir. Özellikle yalıtımın iletkenleri birbirinden ve topraktan büyük mesafelerde tutmak anlamına geldiği büyük iletim hatlarında, bu maliyetler hızla artabilir. Bir elektrik mühendisi için ezoterik bir sorun gibi görünebilir, ancak pratikte, sadece topraklanmamış güç sistemlerinin çok daha pahalı olabileceği anlamına gelir (herkesin anlayabileceği bir sorun). Ancak bu sadece başlangıç.

Diyagramımıza geri dönüp baktığınızda, hatalı faz potansiyelinin toprak potansiyeline eşit olduğunu görebilirsiniz. Başka bir deyişle, farkları sıfırdır. Voltaj yoktur ve sıfır voltajınız olduğunda, sıfır akımınız da olur. İletkenden toprağa elektrik akmaz. Ya da en azından çok fazla akmaz. Hala hatasız iletkenler arasında biraz akım akmasına izin veren kapasitif bir bağlantı var, ancak çok fazla değil. Ve bu önemlidir çünkü bir sistemi bir sorundan (topraklama hatası gibi) koruyacak cihazların neredeyse hepsinin akması için bir miktar akıma ihtiyacı vardır.

Binalardaki kablolama hakkında çok şey biliyorsanız, metal kasalı bir tost makinesinin klasik örneğine aşina olabilirsiniz. Herhangi bir cihaz olabilir, ancak bir tost makinesi kullanalım. Normal koşullar altında, akım canlı veya sıcak telden bir ısıtma elemanından geçerek nötr tele akar ve devreyi tamamlayarak şebekeye geri döner. Ancak, tost makinesinin içinde bir şey gevşerse, elektrik kaynağınızın canlı veya enerjili tarafı o metal kasayla temas edebilir ve onu da enerjili hale getirebilir. Bu bir yangına neden olabilir veya en kötü durumda, kasaya dokunan birini şok edebilir. Bu nedenle, birçok cihazın muhafazaya bağlı başka bir iletkene sahip olması gerekir ve bu da akıma paralel, düşük dirençli bir dönüş yolu sağlar. Bu düşük direnç, çok fazla akımın akacağı ve devreyi kapatmak için bir kesiciyi tetikleyeceği anlamına gelir.

Ve, bu şekilde çalışan sadece evinizdeki kesiciler değildir. Elektrik şebekesinin parçalarını sorunlara karşı izleyen röle adı verilen koruyucu cihazların neredeyse tamamı, normal elektrik yükleri ile kısa devreler arasındaki farkı söylemek için arıza akımına güvenir. Bunu yapmanın en basit yolu, arıza akımının normal yüklerden çok daha yüksek olduğundan emin olmaktır. Hasarlı tost makinesinde, bu arıza akımı "toprak" adı verilen bir iletkenden akıyordu (ama aslında elektrik panelinizdeki nötre bağlanan paralel bir teldir). Ancak, trafo merkezleri ve iletim hatları durumunda, arıza akımı yolu gerçek topraktır.

Diyagrama geri dönelim ve onu topraklanmış bir sisteme dönüştürelim. Jeneratörde toprağa güçlü bir bağ eklersem, arızasız durumda işler çok farklı görünmüyor. Ancak fazdan toprağa kısa devre eklediğiniz anda, diyagram çok farklı görünüyor. Birincisi, diğer fazlar fazdan toprağa potansiyellerinde bir kayma yaşamıyor. İkincisi, artık arıza akımının topraktan kaynağa geri akması için bir yol var. Ve bu videonun başlığındaki sorunun cevabı: elektrik akımı (neredeyse tüm durumlarda) toprağa akmaz; toprağın içinden akar. Toprak aslında sadece bir teldir. Çok iyi bir tel olmasa da. Size bir örnek göstereyim.

Kuru kumla dolu dar bir akrilik kutum var. Kutunun her iki tarafındaki kuma bir bakır çubuk koydum ve akımın bir elektrottan diğerine kumdan geçmesi için bir ampulle bir devre bağladım. Anahtarı açtığımda hiçbir şey olmuyor. Kuru kumun oldukça iyi bir yalıtkan olduğu ortaya çıkıyor. Aslında, toprak ve kaya elektrik akımını ne kadar iyi ilettikleri konusunda büyük ölçüde farklılık gösterir. Özdirenç, toprak türü, mevsimler, hava durumu, sıcaklık ve nem içeriğine göre değişir. Örneğin, bu kumu ıslatmayı deneyelim ve bir fark yaratıp yaratmadığına bakalım. Yine de hiçbir şey. Kumu musluk suyuyla tamamen doyursak bile, yalnızca çok küçük bir akım akıyor. Ampulde neredeyse hiçbir şey göremiyorsunuz, ancak akım ölçer şimdi onda bir amper gösteriyor.

Toprak direnci ayrıca topraktaki kimyasal bileşenlere göre değişir, bu yüzden kumdan akım geçirmekte zorluk çekiyorum. Yeterli elektrolit yok. Kumun üstünde bir durgun su tabakası olsa bile çok fazla akım iletmiyor. O durgun suya biraz tuzlu su eklersem, direncin düştüğünü ve ampulün yanabildiğini hemen görürsünüz. Ve o tuzlu suyun toprağa nüfuz etmesine izin verirsem, artık kum da elektrik iletebiliyor.

Toprağın akımı iletme direnci oldukça önemlidir. Toprak harika bir tel değildir, ancak iletkenlikteki eksikliğini boyutuyla telafi eder. Bir toprak elektrodundan çevredeki toprağa akan akımı, arızalı iletken ile toprak potansiyeli arasındaki voltaj düşüşünü temsil eden bir dizi eşmerkezli kabuk olarak hayal edebilirsiniz. Her kabuk, akımın akması için daha fazla yüzey alanına sahiptir ve bu nedenle sonunda neredeyse hiç direnç kalmayana kadar daha düşük dirence sahiptir. Ancak elektroda yakın bir mesafede, kabuklar tek bir nokta veya çizgiye doğru sıkıca aralıklıdır. Bu aralık, toprağın direnciyle ilgilidir ve oldukça ciddi bir güvenlik sorunu oluşturabilir. İşte bunun nasıl çalıştığını göstermek için kurduğum küçük bir gösteri.

Bu, şebeke voltajı arasına birkaç güç direnci eklenmiş ve akımı sınırlamak için aralarında bir nikrom tel uzunluğudur. Anahtarı çevirdiğimde, elektrik akımı telden akarak bir topraklama hatasını simüle eder. Bu uzunluktaki Nikrom tel, tıpkı topraklama hatası durumunda toprağın olacağı gibi akım akışına dirençlidir. Anahtarı çevirdiğimde ısındığını görebilirsiniz. Bu, bu tel boyunca elektrik potansiyelinin her noktada farklı olduğu anlamına gelir. Bunu sadece birkaç farklı noktadaki voltajı bir ölçüm cihazıyla ölçerek gösterebilirim.

Voltajın iki nokta arasındaki potansiyel farkı olduğunu veya burada Zap McBodySlam'in durumunda olduğu gibi iki ayak arasındaki potansiyel farkı olduğunu unutmayın. Zap tele bastığında, bacakları iki farklı elektrik potansiyelindedir ve ne yazık ki insan vücudu yerden daha iyi iletkendir. Elektrik potansiyelindeki bu fark, akımı bir bacağa yukarı ve diğerinden aşağı doğru yönlendiren bir voltaj yaratır. Bu durumda, bu voltajı biraz hafifletiyorum, ancak bu voltajın ne kadar yüksek olduğuna ve Zap'ın bundan ne kadar iyi yalıtıldığına bağlı olarak, bu adım potansiyeli bir ölüm kalım meselesi olabilir. Aslında, elektrik hattı teknisyenleri genellikle bir adım potansiyeli olasılığını azaltmak için bir toprak arızasından bir ayak uzakta zıplamaya teşvik edilir. Kulağa saçma geliyor, ancak hayatlarını kurtarabilir.

Benzer şekilde, elektrik teknisyenleri genellikle ekipmanın etrafındaki metal kasalarla düzenli olarak temas eder. Yani, bir ekipmanda topraklama hatası meydana gelirse ve topraklama sisteminin direnci çok yüksekse, toprak ile metal kasa arasında bir voltaj olabilir ve bu da yine bir kişinin vücudunda temas potansiyeli adı verilen bir voltaj olasılığı yaratır. Elektrik santralleri, trafo merkezleri ve iletim hatları tasarlayan mühendisler, bir kişi tarafından güvenli bir şekilde hangi temas potansiyellerine ve adım potansiyellerine dayanılabileceğini göz önünde bulundurmalı ve bunların asla o seviyeyi aşmamasını sağlamak için topraklama sistemleri tasarlamalıdır. Örneğin, çoğu trafo merkezi yalnızca tek bir topraklama elektrodu ile değil, toprak bağlantısındaki direnci en aza indirmek için gömülü iletkenlerden oluşan bir ızgara ile donatılmıştır. Ayrıca birçok trafo merkezinin toprak yüzeyi olarak ezilmiş kaya kullandığını da fark edebilirsiniz. Bunun nedeni sadece hat görevlilerinin çimleri biçmeyi sevmemesi değildir. Bunun nedeni, demomdaki kuru kum gibi ezilmiş kayanın elektriği iyi iletmemesi ve durgun su olasılığını en aza indirmesidir.

Ancak, tüm elektrik sistemleri toprağı yalnızca bir güvenlik önlemi olarak kullanmaz. Toprağın aslında akımın akması için birincil dönüş yolu olduğu sistemler vardır. Toprak esasen nötr hattır. "Tek Kablolu Toprak Dönüşü" veya SWER olarak adlandırılan elektrik dağıtım sistemleri, dünyanın birkaç yerinde kırsal alanlara elektrik gücü sağlamak için kullanılır. Toprağı bir dönüş yolu olarak kullanmak, yalnızca tek bir kablo çekmeniz gerektiğinden maliyetten tasarruf sağlayabilir, ancak elbette güvenlik ve teknik zorluklar da vardır.

Benzer şekilde, dünya genelinde AC yerine doğru akım (pil gibi) kullanan bazı yüksek gerilim iletim hatları vardır. Bu sistemlerin ayrıntılı bir tartışmasını başka bir güne bırakacağız, çünkü çok fazla büyüleyici mühendislik söz konusudur. Ancak, bunlardan burada bahsetmek istedim, çünkü bu hatların çoğu gerçekten ayrıntılı topraklama sistemleriyle donatılmıştır. Çoğu Yüksek Gerilim DC iletim hattı iki iletken (pozitif ve negatif) kullansa da, bazıları yalnızca bir iletken kullanır ve dönüş akımı topraktan veya denizden geçer. Ve hatta, iki kutuplu hatlar bile genellikle topraklama sistemleri içerir, böylece bir kutup hizmet dışı kalırsa bir kesinti veya acil durum sırasında toprak dönüşünü kullanabilirler. Örneğin, Pasifik kuzeybatısından Los Angeles'a güç taşıyan Pasifik DC Bağlantısı, her iki ucunda da ayrıntılı topraklama sistemlerine sahiptir. Oregon'da 1000'den fazla elektrot, çevresi 2 mil veya 3,2 kilometre olan bir halkaya gömülüdür. Kaliforniya'da topraklama sistemi, kıyıdan birkaç mil uzakta Pasifik Okyanusu'na batırılmış devasa elektrotlardan oluşur.

Genellikle iletim hattına uyan bir yolu izleyen AC dönüş akımlarının aksine, DC akımları tüm dünyadan akabilir. Esasında, elektrotlar tamamen ayrılmıştır. Bu, bazı çevresel sorunlara karşı hassas oldukları anlamına gelir. Pusula okumalarını ve somon ve yılan balığı gibi manyeto-hassas balıkları etkileyebilecek manyetik alanlar yaratırlar. Okyanus elektrotlarında, akım elektrolize neden olarak deniz suyunu kloroform ve bromoform gibi toksik kimyasallara parçalayabilir. Ve, zemindeki başıboş elektrik akımları boru hatlarına ve diğer gömülü yapılara akarak bunların aşınmasına neden olabilir. Bu, rayı dönüş yolu olarak kullanan bazı elektrikli trenlerde de bir sorundur. Elektriğin en az dirençli yolu izlediğini duymuş olabilirsiniz, ancak bu gerçekten doğru değil. Elektrik, göreceli iletkenliğine göre gidebildiği tüm yolları izler. Yani, büyük bir çelik ray dünyadan çok daha iletken olsa da, çekiş motorlarından gelen dönüş akımı zemine akabilir ve akar, bazen bitişik boru hatlarını aşındırır ve ara sıra gömülü telekomünikasyon hatlarını da etkiler.

Şimdiye kadar yıldırımı bu tartışmadan uygun bir şekilde çıkardım. Akımın her zaman hareket ettiği geleneksel bir devrenin aksine, yıldırım bir tür statik elektriktir. Akmaz... ta ki akana kadar. Ve sadece toprağı bir kanal olarak kullanan arıza akımının aksine, yıldırım düşmesinden kaynaklanan akım gerçekten sadece toprağa akar veya çoğunlukla yerden çıkıp atmosfere karışır ve havanın veya suyun hareketiyle oluşan yük dengesizliğini geri yükler... veya başka bir şey. Yıldırımı gerçekten de o kadar iyi anlamıyoruz. Ancak elektrik sistemlerini topraklamamızın ek ve hayati bir nedeni, yıldırım düştüğünde, akımın toprağa doğrudan bir yolu olmasıdır. Aksi takdirde, boşluklardan yay çizebilir veya sistemde yük biriktirebilir, yangın çıkarabilir veya ekipmana zarar verebilir.

Yeryüzünden geçen sadece yıldırım, toprak arızaları ve devre dönüş akımı değildir. Güneş rüzgarı, dünyanın manyetik alanındaki değişiklikler ve daha fazlası dahil olmak üzere birçok başka doğal mekanizma akımın ayaklarımızın altından akmasına neden olur. Bunlar topluca tellürik akımlar olarak bilinir ve yerin altında toprağa gönderdiğimiz akımlarla karışırlar.

Elektrik şebekesiyle ilgili aldığım yaygın bir soru, bir şehre veya bir binaya hangi elektrik santralinin hizmet ettiğini nasıl bileceğimdir. Bu, soluduğunuz oksijeni hangi ağacın veya bitkinin ürettiğini sormaya benzer. Teknik olarak, çok uzakta olmaktansa size yakın olması daha olasıdır, ancak işler tam olarak böyle yürümez. Güç şebekede birbirine karışır - bu yüzden ilk etapta şebeke olarak adlandırılır - ve potansiyel farkına göre hatlar boyunca akar. Ve toprak da benzer şekilde çalışır. Kaynaklar ve yükler, yıldırım düşmeleri ve tellürik olaylar arasında mutlaka akım akış çizgileri çizemezsiniz. Akımın toprakta nasıl aktığı gerçeği bundan biraz daha karmaşıktır; hepsi orada bir dereceye kadar birbirine karışır. Ancak yüzeyin üzerinde, aslında o kadar karmaşık değildir. Akım toprağa akmaz; yerden akar ve geri yukarı çıkar. Enerjili bir iletkenden toprağa elektrik akıyorsa, o iletkenin kaynağına geri dönün ve ne olduğunu görün. Şebeke için, muhtemelen bir transformatör veya elektrik jeneratörüdür, her iki durumda da basit bir tel bobinidir. Ve bobinden çıkan elektrik akımı, içine akan elektrik akımına eşit olmalıdır, bu akım diğer fazlardan birinden, nötr bir hattan veya toprağa gömülü bir elektrottan geliyor olsun.

Kaynak: PE