Yıldırımdan Korunma Sistemleri Genel Bilgi

For English please visit www.jeflash.com 
 
Yıldırımdan korunma, prensip olarak yıldırım darbesini yakalayacak bir ya da birden çok tercih edilebilir nokta oluşturarak bu darbe akımını düşük özdirençli malzemeler kullanarak güvenli bir şekilde toprağa ileterek sönümlemektir. Bu sistem ile yıldırımın yakalanarak toprağa iletilip sönümlemesi sırasında korunması planlanan yapıya zarar vermemeyi sağlamaktadır. 
 
Genel olarak korunma yöntemlerinden bahsedecek olursak bunları beş ana dalda sınıflandırabiliriz;

• Basit çubuklar
• Kafes sistemleri
• Katener telleri
• ESE Hava Terminalleri
• Doğal yapılar ile korunma.
 
Korunma Yolları
 
Basit Çubuk ( Franklin Çubuğu) ile Yıldırımdan Korunma:
Basit yakalama çubuğu 1753 yılında Benjamin Franklin tarafından bulunmuştur. Bu sistem 2 ila 8 metre arasında bir çubuğun yüksek bir konuma yerleştirilmesi ve en az iki adet iniş iletkeni ile iki adet topraklama çubuğuna bağlanmasından oluşur. 
 
Franklin Çubuğunun koruma menzili (yarıçapı) bulunduğu noktanın 30 metre çevresi ile sınırlıdır.(Yıldırımdan korunma seviyesi IV, yükseklik 60 m). 
Bu sistemler daha çok pilon direkleri, bacalar, tanklar, su kuleleri gibi küçük yapıların korunmasında kullanılır. 
 
 

Kafes Sistemleri ile Yıldırımdan Korunma:

Bu sistem Faraday Kafesi sisteminden türemiş, korunacak yapının çatısını ve duvarlarını iletkenler ile sararak düşme riski olan yıldırımı toprağa ileterek sönümlemek prensibi üzerine kurulmuş yıldırımdan korunma sistemidir.

Hava terminalleri çatının uç noktalarında konumlandırılmıştır. İniş iletkenleri çatının altında konumlanmış çember şeklindeki iletkenlere bağlı olarak topraklama sağlamaktadır.  Kafes aralığı koruma sağlanacak alanın özelliğine göre 5 ila 20 metre mesafe ile konumlandırılır.

Düşen yıldırımın büyük kısmı düştüğü noktaya en yakın olan iniş iletkenleri tarafından toprağa iletilerek sönümlenir.

Bu sistem sadece kurulu olduğu yapıyı korumak için yapılır.

 

Katener Telleri Sistemi ile Yıldırımdan Korunma:

Bu yıldırımdan korunma sistemi, kafes sistemine benzer bir prensip kullanır. Kafes sistemindeki gibi birçok iniş iletkeninden oluşur fakat farklılık olarak korunacak yapıdan belirli bir uzaklıkta kurulur. Bunun nedeni ise korunması istenen yapının direk yıldırım ile temas etmesine engel olmaktır.

Yapı üzerinde konuşlandırılmış Katener Teller indirme iletkenlerine bağlanarak yıldırımı topraklamasını yaparak sönümlemesi içindir. Tellerin boyutları ve teller arasındaki mesafeler Kafes Sistemi kurallarına göre hesaplanır.

Bu koruma sistemi projelendirme ve montaj sırasında ek mekanik çalışmalar (direk malzemelerinin direnci, toprak basıncının sınıflandırılması, rüzgar ve hava koşullarına dayanım vs ) gerektirmektedir.

Bu tip koruma sistemleri çoğunlukla açık arazilerde korunması gerekli mimari yapılar ya da riskli depolama alanları olmadığında kullanılır.

Doğal Yapılar ile Korunma

Bu yapılar yıldırımdan korunma sistemi için yapılmamış olmalarına rağmen yıldırımdan korunmak için kullanılabilecek yapılardır. Bunlar yapıların ana karkaslarını oluşturan malzemelerin yıldırımı yakalama ve toprağa iletme konusunda doğal olarak rol aldıkları sistemlerdir. Bu sistemler ana yıldırımdan korunma sisteminin tamamının ya da bir parçasının yetersiz kaldığında kullanılabilecek sistemler olarak düşünülebilir.

Bunlar;  binalarda bulunan çelik karkas, metal dış kaplamalar, çatı sistemlerini oluşturan metal yapılar, 2,5 mm den fazla et kalınlığı bulunan metal boru sistemleri vs gibi örneklenebilir.

Erken Uyarı Akış Sistemleri (ESE Hava Terminalleri)

Erken uyarı akış sistemi(ESE) prensibi iyonizasyon yardımı ile bir öncü yukarı akım oluşturarak doğal elementlerden daha erken sürede (mikrosaniye mertebesinde) yıldırımı güvenli bir şekilde yakalayarak üzerinde bulunduğu yapıya zarar vermeden topraklamaktır.

Bu sistemle çalışan paratonerlerin yıldırımı yakalama hızı daha yüksek olacağından, diğer yöntemlerdeki bileşenlere nazaran daha geniş alanları koruyabilirler.

Koruma alanı, ESE Aktif paratonerin tetikleme hızı (ms mertebesindeki Dt), yüksekliği ve koruma yapılacak seviyeye göre Seviye IV mertebesinde maksimum 120 m’ye ulaşır. 

 

Yıldırımdan Korunma Sistemi Avantajlar Dezavantajlar
Basit Çubuklar - Montaj kolaylığı.
- Ekonomik olması.
- Sorunsuz bir şekilde bina yapısına entegre edilebilir.
- Sadece küçük yapıları korumada sınırlı bir koruma sağlar.
- Mekanik dayanımı kullanılan çubuğun dayanımı ile sınırlıdır.
Kafes Sistemleri - Yıldırımın elektromanyetik ışıma efektini azaltarak yapıyı korur.
- Birden çok iniş iletkeni sayesinde yıldırım akımını dağıtarak toprağa verir.
- Montajı kompleks ve pahalıdır.
- Çoğunlukla yapının bütünlüğü açısından estetik değildir.
Katener Tel Sistemi - Yıldırımın elektromanyetik ışıma efektini azaltarak yapıyı korur.
- Birden çok iniş iletkeni sayesinde yıldırım akımını dağıtarak toprağa verir.
- Açık alanlarda koruma sağlar.
- Katener telleri, kaldırma ekipmanlarının kullanıldığı bölgelerde dokunma konusunda tehlikeli olabilir.
- Birden çok iniş iletkeni sayesinde yıldırım akımını dağıtarak toprağa verir.
- Çoğunlukla yapının bütünlüğü açısından estetik değildir.
- Montajı kompleks ve pahalıdır.
Doğal Yapılar ile korunma - Ucuzdur ve montaj zorluğu yoktur. - Bakım ve kontrol zorluğu.
- Binada yapılacak bir değişiklik ile kullanılmaz hale gelebilir.
ESE Hava Terminalleri - Korunacak alan tehlikeli bir alan ise hava terminali bu alanın dışına monte edilebilir.
Tek bir hava terminali ile birden çok yapı korunabilir.
- Ekonomiktir.
- Korunacak olan yapıyı çevresi ile birlikte koruyabilir.
- Açık alanlarda koruma sağlar.
- Sorunsuz bir şekilde bina yapısına entegre edilebilir.
- Minimum hava terminali yüksekliği 2 metredir.
- Mekanik dayanımı kullanılan çubuğun dayanımı ile sınırlıdır.

Yukarıda verilen açıklamalar ve tablodan da görüleceği gibi yıldırımdan korunma sistemlerinin birbirleri ile karşılaştırmasında hepsinin avantaj ve dezavantajları olduğu görülmektedir.  Bir yapının yıldırımdan korunması tamamen bir mühendislik ve hesap işidir. Tek bir yönteme bağlı kalıp diğer yöntemleri görmezden gelmek doğru bir karar değildir. Gerektiğinde birden fazla sistem yıldırımdan korunmak için kullanılabilir.

Yıldırımdan korunma için korunması planlanan yapı için öncelikli olarak bir Risk Değerlendirmesi yapılmalıdır.

Yapılan Risk Değerlendirmesi sonrasında binanın hangi seviyede ve ne şekilde korunacağı projelendirilmelidir. Bu projelendirme kapsamında binanın çevresel etkenleri ve ekonomik değeri göz önüne alınarak hangi yıldırımdan korunma sistemi ile korunacağına karar verilmeli ve yıldırımdan korunma sisteminin montajı bundan sonra yapılmalıdır. Ezbere yapılmış bir sistem ve sonrasında buna uygun olarak yapılan bir projelendirme büyük riskler taşır.

Bir binanın yıldırımdan korunma sisteminin projelendirilmesi için öncelikle yıldırımın mekanizmasının doğru tanımlanması gereklidir. Bu doğa olayının ne zaman ve nerede gerçekleşeceği hakkında hâlihazırda çok kesin bilgilere sahip olunmamasına karşılık günümüzde genel olarak yıldırımı tanımlamak mümkündür.

Yıldırımın Mekanizması

Yıldırım oluşturacak olan bulut tabanından, genellikle negatif yüklü bir ön deşarj akımı çıkar. Bu ön deşarj akımı güçlükle görülebilecek parlaklıkta ve toprağa doğru ilerlemesi sırasında onlarca metre sıçrama yaparak ilerler. Gerçekte, bu öncü deşarj akımı bir iyonize yol üzerinde hareket ederek 40 ile 100 mikrosaniye içinde toprağa ulaşır.

Bu öncü deşarj akımı toprağa ulaştığında, yüksek şarjlı öncü deşarj akımının şiddeti ile kendi yolu boyunca oluşan elektrik alanında önemli derecede bir artışa neden olur. Bu elektrik alanı 400-500kV/m değerlerine ulaşır. Atmosferik hava iyonizasyonu eşik değere ulaştığında (30 kV/cm), yıldırım topraklaması için tercihli darbe noktalarında (ağaçlar, bacalar ya da hava terminalleri gibi) korona deşarjı oluşur.  Yerel olarak bu elektrik alan değerleri korona deşarjı oluştuğunda pozitif iyonlu bir öncü yukarı akımı oluşturur. Bu akım en kısa yoldan aşağı akım ile birleşir. Bulut ve yer arasındaki bu elektriksel birleşim bir iyonizasyon kanalı üzerinde gerçekleşir. Bu şarj daha sonrasında yerden havaya bulutun şarjını bir nötrleme eğilimi ile geri döner.

0,2 ile 1 saniye içinde birçok akım deşarjı gözlenebilir. Bu dizi yıldırımlar sürekli ve çok yüksek hızda gerçekleşir.

Yıldırımın her bir fazını basit gözlemleme ile ayırt etmek mümkün değildir. Bu gözlemleme yüksek hızlı kameralar ile yapılabilir. Çoğu yıldırım şu olağandışı yolu sergiler; bir deşarj bulut altında belirli bir noktayı terk eder ve 50.000 km/sn hız ile yaklaşık 50 m yol kat eder. Daha sonra aynı noktadan başka bir deşarj buluttan ayrılır ve ilk deşarj akımı ile bire bir aynı yolu takip ederek hareket eder.

Bu süreç son deşarj akımı buluttan ayrılıp belirli bir noktaya kadar yol kat edene ( bu nokta yerden birkaç metre yukarıda da olabilir) kadar tekrarlanır.

Bu artan akımlar sonrasında birleşerek yerden buluta doğru yükselen bir geri dönüş hattı oluşturarak bir elektriksel akım devresi oluşturur: bu iki doğaüstü olayın uyumu ana akımın oluşturduğu iyonizasyon kanalı boyunca birçok kez tekrarlanabilecek olan esas büyük yıldırım deşarjını oluşturur.

Ortalama değerdeki bir negatif iyon yüklü yıldırım esnasında yaklaşık 35.000 A akım oluşur.

Fırtına Bulutları

Dengesiz nemli ve ılık hava kütlelerinin varlığı kümülonimbus fırtına bulutlarına şeklini verir. Bu bulutlar yatayda 10 km çapında ve dikeyde 15 km çapında çok büyük oluşumlardır. Karakteristik görüntüsü çoğunlukla alt ve üst tablalardan oluşmuş bir örse benzetilir.  Aşırı sıcaklık değişimleri nedeni ile (üst noktada sıcaklık değeri -65 oC olarak gözlenebilir) kümülonimbus bulutlarında çok hızlı artan hava akımları gözlenir ve bu hava akımları su parçacıklarının elektrik yüklenmesine sebep olur.

Genel olarak tipik fırtına bulutlarında üst kısım buz kristallerinden oluşur ve pozitif iyon yüklü, alt kısım su partiküllerinden oluşur ve negatif iyon yüklüdür. Böylece kümülonimbus bulutlarının alt tabanında elektriksel ters kutup oluşur( örnek olarak yer küreye yakın bölüm pozitif iyon yüklüdür.)

Dolayısıyla kümülonimbus bulutlarının yapısı kenarortay uzunluğu 2 km ye varan devasal bir iyon yüklü tabaka ve yeryüzü arası kapasitör oluşturur. Normal havalarda yeryüzündeki atmosferik elektrik alan değeri 600 V/m olarak gözlenirken yıldırım çarpma anında bu değer 20.000 V/m değerine çıkabilir. Yıldırım çarpması sırasında deşarj akımı bulut ve yeryüzü arasında veya iki bulut arasında gözlemlenebilir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Elektrik deşarjının yönü (yukarı ya da aşağı) ve elektrik yüklerinin kutuplanmasına (negatif ya da pozitif) göre buluttan yeryüzüne düşen yıldırımlar dört sınıfa ayrılabilir. Fakat pratikte negatif iyon yüklü yıldırımlar diğerlerine göre çok daha yoğun gözlenmektedir (Buluttan yeryüzüne düşen yıldırımlar arasında % 96 oranında).