Paratoner Nedir, Nasıl Çalışır?

Paratoner, statik elektrik yüklü bulutlarla yeryüzü arasında oluşan şiddetli elektrik akımının insanlara, binalara, elektrikle çalışan cihazlara, elektrik tesisatına zarar vermeden doğrudan toprağa aktarılmasını sağlayan elektriksel güvenlik ekipmanıdır.

Paratoner topraklaması, elektrik çarpması ve yangın risklerinin önüne geçmek için bina dışından yapılmalı, izolasyon malzemesinin veya bina duvarının içinden geçirilmemeli, yakınında metal herhangi bir nesne olmamalıdır.

Elektrik akımını paratonerden toprağa aktaran iletken çıplak olmalıdır.

Yıldırım veya şimşeklerin oluşumu doğada belirli bir döngü içerisinde gerçekleşir.

Isınan yeryüzü, üzerindeki havayı ısıtır ve ısınan hava yükselir. Yükselen havadaki su buharı soğur ve bulutlar oluşur. Bulutların tepelerinde sıcaklık donma noktasının altına düşer.

Bulutların tepelerinde oluşan buz kristalleri birbirine sürtünerek statik elektriği oluşturur. Pozitif yükler bulutun üst kısmında negatif yükler ise alt kısmında yoğunlaşır.

Yüklerin yoğunluğu arttıkça bulutların içerisinde şimşekler veya bulutlar-zemin arasında yıldırım olarak adlandırılan, şiddetli elektrik akımı geçişiyle yüklerin deşarjı gerçekleşir.

Elektriğin keşfi milattan öncelere dayanmaktadır. Yakın tarihte elektrik alanında yapılan keşifler günümüz teknolojisinin temellerini oluşturmaktadır.

17. yy. başında W.Gilbert bazı maddelerin birbirlerine sürtündüğünde birbirlerine uyguladığı gücü tanımlamak için elektrik kelimesini kullanmıştır.

18. yy.’ın önemli bilim insanlarından olan B. Franklin, fırtınalar sonucu oluşan yıldırımların insanların yaralanma ve ölümlerine yol açması, binalarda yangın çıkması gibi olumsuzların önlemek için çalışmalarda bulunmuştur.

Yıldırım-elektrik arasındaki ilişkiyi ünlü uçurtma deneyi ile tanımlamış ve yıldırımlardan korunmak için paratoner prensibini ortaya çıkarmıştır.

Yıldırımın düşeceği nokta tahmin edilemez ve özellikle yüksek binalar, enerji nakil hatları, trafo merkezleri, sinyal verici istasyonlar, köprüler, havaalanları, akaryakıt dolum ve satış tesisleri, risk altındadır. Bu sebeple her yapının paratoner sistemi ayrı olarak yapılmalıdır.

Yıldırım çarpmalarının büyük çoğunluğu 30-40 kA aralığında olsa da 200 kA ve üzeri akım deşarjlarında yıldırım çarpmaları da olabilmektedir.

Yıldırım düşmesiyle oluşan gerilim ve akım dalgalanmasının etki yarıçapı 2 km’ye kadar çıkabilmektedir.

Yağışsız kuru havada, havanın izolasyon direnci 30 kV/cm’dir. Yağışlı havalarda yüklenmiş bulutlar arasındaki izolasyon direnci 0.5-10 kV/m değerlerine kadar düşmektedir.

Yıldırımdan korunma sistem ve bileşenlerine ait standartlar; EN 62305-1, EN 62305-2, EN 62305-3, EN 62305-4, EN 62561-1, EN 62561-3, EN 62561-6, EN 61643-21, EN 61024-1, NF C 17-102’dir.

Yıldırım, risk büyüklük değerlerine göre dört sınıfa ayrılmıştır. 1. Sınıf 3-200 kA, 2. Sınıf 5-150 kA, 3. Sınıf 10-100 kA, 4. Sınıf 16-100 kA aralıklarında potansiyele sahip bölgeleri ifade eder.

Yıldırımdan ve etkilerinden korunmak için iç yıldırımlık (LV-Low Voltage Parafudr ) ve dış yıldırımlık (paratoner) sistemleri kullanılır.

Şekil-1 Dış yıldırımlık (paratoner)

Dış yıldırımlık sistemleri binalarda can ve mal güvenliğini sağlarken iç yıldırımlık sistemleri ise düşük gerilimle çalışan elektrikli cihazların korunmasını sağlar. B, C ve D sınıfı olmak üzere üç çeşit iç yıldırımlık sistemi vardır. Bu sebeple dış yıldırımlık yapılan binalarda iç yıldırımlık sistemleri de yapılmalıdır. Sokak, park ve yol aydınlatmalarında iç yıldırımlık parafudr koruyucu sistemlerinin mutlaka kullanılması gerekmektedir.

Paratoner sisteminin topraklama direnci EN 61024 standardı gereği 10 ohm’dan küçük olmalıdır.

Dış yıldırımlık sistemleri çeşitleri; Franklin çubuğu, radyoaktif paratoner, aktif paratoner ve faraday sistemli paratonerdir. Paratonerlerin elektriksel herhangi bir beslemesi yoktur.

Gök gürültülü, yağışlı, yıldırımlı havalarda ortaya çıkan fırtınaya oraj denir. Türkiye’nin yıllık oraj sayısı Şekil-1’de gösterilmektedir.

Şekil-2 Türkiye yıllık orajlı günler sayısı (www.mgm.gov.tr)

Koruma sınıfı belirlenirken yapı yerleşim özellikleri, yapı-çatı türü katsayıları, yapı değer katsayıları, yapı doluluğu, çevre önemi gibi kriterler vardır. Bu kriterlerin katsayıları Tablo-1’de gösterilmiştir.

Tablo-1 Etkinlik Değeri-Sınıf Belirleme

Tablo-1 kullanılarak paratoner sistemi kurulacak yapının etkinlik değeri şu şekilde bulunur;

Formülasyonlar sonucunda eğer;

Nd<Nc ise koruma sınıfı isteğe bırakılır.

Nd>Nc ise E=1-Nc/Nd ile koruma sınıfı belirlenir.

Tablo-2 Koruyucu Sınıfları

Genel örnekler verilecek olursa; 1. Sınıf korumaya sahip paratonerler nükleer santral, ordu birlikleri, fabrika gibi alanlarda, 2. Sınıf korumaya sahip paratonerler patlama riski olan tesislerde, 3. Sınıf korumaya sahip paratonerler okul, müze, konutlarda ve 4. Sınıf korumaya sahip paratonerler ise daha küçük yapıların korunması için kullanılır.

Franklin çubuğu; kule, baca, cami minaresi gibi yapıların en üst noktasına yerleştirilen topraklaması yapılmış basit bir yakalama ucudur.

Radyoaktif paratonerler alfa, beta ve gama radyasyon kaynaklarından oluşan RA-226 ve alfa, gama radyasyon kaynaklarından oluşan AM-241 olmak üzere iki çeşittir.

Radyoaktif paratonerler yıldırıma yardımcı yol oluşturup toprağa aktarmak için havaya iyon yayma amacıyla AM-241 ve RA-226 elementlerini kullanır.

20. yy. başlarında patenti alınmış ve satışı yapılmış radyoaktif paratonerlerin 1987’de radyoaktif maddelerin canlılar üzerindeki risklerinden dolayı kullanımı yasaklanmış ve kurulu olan yerlerdeki paratonerlerin söküm işlemlerine başlanılmıştır. Ülkemizde ise TAEK (Türkiye Atom Enerjisi Kurumu) tarafından 2000 yılından itibaren ithalatı yasaklanmış ve 2001 yılından itibaren de yetkili kuruluşlarca söküm işlemlerine başlanmıştır.

Radyoaktif paratonerlerin yerine kullanılan aktif paratonerlerin, paratoner başlığı iletken yakalama ucu, tetikleyici devre, iniş iletkeni, bazı üreticilerde test ucu ve bağlantı bölümlerinden oluşmaktadır. Yakalama ucu; sivriltilmiş ve paslanmaz özelliktedir.

Havadaki statik elektrik yoğunluğunun artmasıyla yıldırımın oluşmasına sebep olan elektrik alan artışı aktif paratoner içerisindeki darbe gerilimi üreticisinin bir uyartım akımı oluşturmasını sağlar. Bu uyartım akımı yukarıya doğru ilerleyerek yıldırımın geçişini kolaylaştıran bir yol oluşturur. Böylece yıldırımın doğrudan yeryüzüne ulaşmasını önleyerek paratoner üzerinden toprağa akışına olarak sağlar ve havayı iyonize etmez. Fiziksel özelliğinden dolayı küresel bir koruma alanına sahiptir. Şekil-2’de örnek bir aktif paratoner tasarımı görülmektedir.

Şekil-3 Aktif Paratoner tertibatı

Faraday kafesi binanın en üst noktasından belirli noktalara yakalama ucu konularak topraklamasına kadar tüm binanın yatay ve düşey olarak iletkenlerle sarılmasıyla yapılan yıldırımdan korunmada en etkin yöntemdir. Tesla bobini ile yapılan kafes deneyi, faraday kafesli yıldırımdan korunma sisteminin en güzel örneklerindendir. Ancak yapı dışında kalan bölgeler ve diğer binaların koruma alanı dışında kaldığı unutulmamalıdır.

Yıldırımın şiddetine ve kullanılan paratonerin tasarımına bağlı olarak değişebilmekle birlikte aktif paratonerin koruma yarıçapı, aşağıdaki formülasyonla hesaplanabilir;

h: Yakalama ucunun binanın en üst noktasına olan yüksekliği(m)
Rp: h yüksekliğindeki paratoner yakalama ucunun koruma yarıçapı(m)
r: Yıldırım ilerleme adımları(m); 1.Seviye koruma 20m, 2.seviye koruma 30m, 3.seviye koruma 45m, 4.seviye koruma 60m
∆T: Paratoner yıldırımı algılama süresidir(us).
V: Yakalama çubuğu etrafındaki iyonların yıldırıma ilerleme hızıdır(m/us).
∆: Yıldırımı yakalama mesafesi(m).