Alçak gerilimde nötr ile toprak iletkenleri arasında ölçülen potansiyel farkın sıfır olması beklense de,  işletme koşullarında potansiyel fark oluşur. 

Nötr-Toprak Gerilimi
Nötr toprak gerilimi 

Nötr-Toprak Gerilimi Nedir?

Nötr-toprak gerilimi \({V_{NT}}\) bir elektrik sisteminde dönüş hattı olarak kullanılan  nötr iletkeni ile güvenlik referansı olan toprak hattı arasındaki potansiyel farktır.  Bu durum aslında kabloda "gerilim düşümü" oluşmasıdır.

İdeal durumda toprak hattı üzerinden kaçak akım olmadığı sürece akım akmadığı için toprak potansiyeli trafonun yıldız noktası olan sıfır volt(0V) referansıdır. Ancak nötr hattı üzerinden fazdan dönen akım nötr akımı (\({I_N}\)) akar ve  nötr kablosunun direnci (\({R_N}\)) ya da empedansı nedeniyle bir gerilim düşümü oluşur.

\({V_{NT}} = {I_N}.{R_N}\)

Nötr-Toprak Gerilim Değeri Hakkında Referanslar

Nötr-toprak gerilimi için literatürde "tek bir değer" yoktur; ancak performans ve güvenlik için belirli eşikler kabul edilmiştir.

IEEE 1100 (Emerald Book)

Dünya genelinde hassas elektronik cihazların (bilgi teknolojileri ekipmanları, tıbbi cihazlar) beslenmesi konusunda IEEE 1100, nötr-toprak geriliminin priz seviyesinde 2V veya altında tutulmasını tavsiye eder. 2V üzerindeki değerler "Ortak Mod Gürültüsü"  yaratarak mikroişlemcilerde veri hatalarına neden olabilir.

Elektrik İç Tesisleri Yönetmeliği

İç tesisatta gerilim düşümü sınırlandırılmıştır. 230V tek faz sistemlerde priz devresi için izin verilen toplam gerilim düşümü %3'tür yani 230x0,03=6.9V'tur. Hattın başından (sayaçtan) en son priz noktasına kadar olan toplam kayıptır. Bu kaybın ya da gerilim düşümünün içinde hem faz iletkenindeki gerilim düşümü hem de nötr iletkenindeki gerilim düşümü vardır.

Nötr-toprak gerilimi, toplam gerilim düşümünün sadece nötr hattına düşen kısmıdır. İdeal ve dengeli bir sistemde, toplam gerilim düşümünün yarısının fazda, yarısının nötrde oluştuğu varsayılır ve bu nedenle  6,9/2=3,45 V olması beklenir.

Nötr-toprak gerilimi bu 6,9 V gerilim düşümünün bir parçası olduğu için, uygulamada ya da saha pratiklerindebu değerin 5V altında kalması ifade edilmektedir ancak standartlar 5V değerini doğrudan ifade etmez bu gerilimin belirli sınırlar dahilinde tutulması gerektiğini söyler. Eğer nötr-toprak arasında 5V ölçülüyorsa, faz hattındaki gerilim düşümü de eklendiğinde toplam gerilim düşümünüzün yasal sınır olan %3'e 6,9V'a çok yaklaştığı ya da aşacağı görülür.

IEEE 1100 açısından mikroişlemcili cihazlar için 5V bile çok yüksek bir "elektriksel gürültü" (Common Mode Noise) demektir. Bu yüzden standart, yasal sınırın çok daha altında olan 2V seviyesini hedefler.

Nötr-Toprak Geriliminin Yükselme Nedenleri

Dengesiz Yük Dağılımı

3 faz sistemlerde fazlardan birine aşırı yüklenilmesi, nötr hattından dönen akımı artırarak gerilimi yükseltir. 3 faz trifaze sistemlerde nötr hattından akım geçmesi, fazlar arasındaki vektörel dengesizliğin bir sonucudur. İdeal dengeli bir sistemde, üç fazın akımları birbirini yok eder ve nötr akımı sıfır olur. Ancak bir faza aşırı yüklenildiğinde bu denge bozulur.

Dengesiz yük durumunda nötr akımının büyüklüğü, faz akımları \({I_R}\), \({I_S}\), \({I_T}\) alınırsa;

\[{I_N} = \sqrt {{I_R}^2 + {I_S}^2 + {I_T}^2 - ({I_R}{I_S} + {I_S}{I_T} + {I_T}{I_R})}\]

Sadece R fazına 10A yük bağlı ve diğer fazlara yük bağlanmadıysa nötr akımı 10A olacaktır.

\({I_N} = \sqrt {{{10}^2} + {0^2} + {0^2} - (0)}  = 10\) A 

Nötr direncinin 0.5 ohm olması durumunda 10A x 0,5 ohm = 5 V gerilim düşümü nötr toprak arası gerilimi verir ve idealde sıfır veya sıfıra yakın olması gereken gerilim yükselir. 

Dengeli dağılsaydı \({I_N} = \sqrt {{{10}^2} + {{10}^2} + {{10}^2} - (100 + 100 + 100)}  = 0\) A ideal durum oluşurdu.

Direnç ifadesi kullanılmakla birlikte gerçekte nötr kablosunun direnç ve reaktanstan oluşan bir empedansı vardır. \({U_{NT}} = {Z_N}.{I_N}\). 

Nötrden dönen "artık" akım arttığında örneğin 10A dengesizlikten kaynaklı akım oluştuğunda,  akım nötr iletkeni üzerinden trafo merkezine giderken, iletkenin direnci ya da empedansı nedeniyle priz noktasındaki nötr potansiyelini toprak referansına göre artırır.

Eğer sistem çok dengesizse özellikle harmonikli yüklerde nötr akımı faz akımından büyük olabilir. Bu da nötr-toprak geriliminin 10V-20V seviyelerine  çıkmasına ve hatta nötr klemenslerinin aşırı ısınıp yanmasına yol açabilir.

Nötr Direnci: 

Nötr direnci nötr kablosunun kesitine (kalınlığına) ve uzunluğuna bağlıdır. Priz hatları için genellikle   \(2,5m{m^2}\)  bakır kablo baz alınırsa 10 metre uzunlukta bir kablo için direnç 0,07 ohm olur.

\(R = \rho \frac{L}{A} = 0,0178\frac{{10}}{{2,5}} = 0,07\Omega \)

Prizde multimetre ile ölçülen direnç o noktadan trafoya kadar olan tüm kabloların toplam direncidir. Ancak gerilim altında multimetre ölçüm yine de yapılmamalıdır.

Ev içinde sigorta panosundan en uzak noktadaki priz 15 metre olsun. Bakır kablo ve \(2,5m{m^2}\) nötr kesiti durumunda;

\(R = 0,0178.\frac{{15}}{{2,5}} = 0,106\Omega\) olur. Bu değer kablonun sadece nötr (veya sadece faz) iletkeninin direncidir. Priz ile pano arasındaki mesafe arttıkça direnç doğrusal olarak yükselir. Örneğin mesafe 40 metre olsaydı, direnç yaklaşık 0,28 ohm olurdu. 

0,106 ohm nötr direnci prize kadar varsa yaklaşık olarak   \(10A.0,106\Omega  = 1,06V\) nötr toprak gerilimi  ölçülür. 40 metre kablo olursa yaklaşık  \(2.8V\)  ölçülecektir. Prizin panoya olan uzaklığı arttıkça gerilim artar. Değerler için yaklaşık ifadesinin sebebi aslında nötr direnci prizden trafonun yıldız noktasına kadar olan tüm dirençleri içermesidir. 

Nötr direnci değeri sadece iletken tipi, boyu, kesiti ile ilgili değildir. Pano içindeki klemensler, buatlardaki ek yerleri ve prizdeki vidalı bağlantılar ideal değildir. Her bir ek yeri sisteme küçük birer direnç ekler. Ayrıca akım geçtikçe kablo ısınır ve bakırın direnci sıcaklıkla artar.

Nötr-toprak gerilim farkı örneğin evdeki cihazlar çalışırken aniden artabilir. İç tesisattaki direnç normalde sabittir ancak cihazlar çalışırken bakır kablonun ısınması ile artmakla birlikte her yeni yük devreye girdiğinde paralel bağlantı oluşur ve faz akımı ve nötrden dönen akım artar. 

Sayaçtan önceki hat (şebeke), elektrik dağıtım şirketinin sorumluluğundadır ve genellikle çok kalın kablolarla genelde \(16m{m^2} - 50m{m^2}\) ve üstü  çekilir. Kalın kablolarda direnç düşüktür. Ancak bu durum dağıtım tarafı nötr direncinin ihmal edilebilir olmasını gerektirmese de aşağıda belirtilen nedenlerle dağıtım tarafı nötr direnci manuel hesapta ihmal edilebilir.

Genelde \(3 \times 95 + 50{\rm{ m}}{{\rm{m}}^2}\) ve \(3 \times 150 + 70{\rm{ m}}{{\rm{m}}^2}\) bakır veya alüminyum kablo kullanılır. 

Örneğin trafo bina arası 100 metre olsun. Nötr kablosu \(150m{m^2}\) Alüminyum kabloda  \({\rho _{AL}}\) = 0,028 alınırsa  ve nötr   \(50m{m^2}\) olduğundan;
  
 \(R = 0,028.\frac{{150}}{{50}} = 0,084\Omega\) olur. 0,106 ohm'a göre 0,084 ohm çok küçük bir değer değildir ancak şebeke tarafında farklı durumlar oluşur. Trafo ile bina arasındaki kalın kabloda oluşan gerilim düşümü, binadaki tüm dairelerin toplam akımıyla ilgilidir. Şebeke nötrü, sadece evde prizin değil, bölgedeki tüm trafoya bağlı yüklerin akımını taşır. Diğer evlerin fazları birleştiğinde (trifaze denge), nötr akımı vektörel olarak birbirini yok eder ve nötr hattı trafo potansiyeline (0V) çok yakın kalır. Binada yükler fazlara eşit dağılıyorsa, nötrden geçen "bileşke akım" çok küçülür. Akım küçük olduğu için bu direnç üzerinde oluşan gerilim düşümü sıfıra yaklaşır.

Şebeke nötrü sadece trafoda değil, hat boyunca belirli direklerde, saha dağıtım kutularında ve bina girişlerinde belirli mesafede topraklanır. Bu "paralel topraklamalar" nötr hattının direncini düşürür.Trafodan çıkan nötr hattı binalara ulaşana kadar mesafeden dolayı direnç gösterir. Örneğin saha dağıtım kutularının girişlerinde yapılan bu ek topraklama, nötr hattını fiziksel toprak potansiyeline (0V) tekrar yaklaştırır. Bu nedenle prizde ölçülen nötr-toprak geriliminin şebeke kaynaklı kısmı düşük kalır. Asıl direnç ve dolayısıyla gerilim düşümü, daire içindeki daha ince nötr kesitten kaynaklı olur. 

Prizden sayaca, sayaçtan bina girişine, oradan da sokaktaki trafo merkezine giden hat boyunca mesafe kısaldıkça (yani trafoya fiziksel olarak yaklaştıkça) hattın toplam direnci azalır. Trafonun hemen dibindeki bir binada nötr-toprak gerilimi genellikle daha düşüktür, çünkü "dönüş yolu" daha kısa ve direnci daha azdır.

Harmonikler

Harmonikler, özellikle modern binalarda (ofisler, veri merkezleri, LED aydınlatmalı evler) nötr-toprak gerilimini yükseltir. Normalde trifaze sistemlerde faz akımları birbirini yok ederken, harmonikler nötr hattında vektörel olarak değil, aritmetik olarak toplanır. 

3. harmonik 150 Hz ve onun katları 9,15,21 olan akımlar, her üç fazda da aynı faz açısına (in-phase) sahiptir.Normal yüklerde nötr akımı vektörel fark iken, harmonikli yüklerde (lineer olmayan yükler) nötr akımı:


\[{I_N} = \sqrt {{I_{N1}}^2 + {I_{N3}}^2 + {I_{N5}}^2 + .... + {I_{Nn}}^2}\]

Harmonik bileşenler (özellikle 3. katlar)  toplanır.  \({I_{h3}}\) : Bir fazdaki 3. harmonik akımı.

\[{I_{N3}} \approx 3.{I_{h3}}\]


Eğer her üç fazdan da 5A,  3. harmonik akımı varsa, nötrden 15A akım akar. Bu akım, faz akımlarından bile büyük olabilir.

Nötr hattından geçen  harmonik akımının, nötr direncinde gerilim düşümü:

\[{V_{NT}} = ({I_{N1}} + 3.{I_{h3}} + 3.{I_{h9}} + ...).{R_N}\]

Şebeke kablolarında nötr kesitini fazdan küçüktür. Nötr hattı, fazdan daha fazla akım taşımak zorunda kaldığında kablo hızla ısınır.Harmoniklerin frekansı yüksek olduğu için  150 Hz, 450 Hz gibi, akım iletkenin merkezinden değil yüzeyinden akmaya başlar ve kablonun etkin direnci artar. Direnç arttığı için aynı akımda çok daha yüksek nötr-toprak gerilimi oluşur. Çözümü harmonik filtre kullanmak veya nötr kesitini iki katına çıkarmaktır.