Topraklama

Avustralya'da bir evde tipik topraklama elektrodu(solda). Belirgin yeşil ve sarı topraklama teline dikkat edin ⓘ

Topraklama, elektrikli cihazların herhangi bir elektrik kaçağı tehlikesine karşı gövdelerinin bir iletkenle toprağa gömülü vaziyetteki "topraklama" sistemine bağlanması yöntemi. Böylece cihazda elektrik kaçağı varsa, dokunduğumuzda elektrik akımı bizim üzerimizden değil, direnci daha az olan toprak hattı üzerinden geçer ve çarpılma tehlikesi ortadan kalkmış olur. ⓘ

Topraklamanın görevini yapabilmesi için cihazın gövdesinden toprağa kadar olan elektriksel direncin yeterince düşük olması gerekir. Topraklama iletkenlerinin direnci önemli bir direnç oluşturmaz. Asıl önemli direnç, toprak içinde gömülü bulunan topraklama iletkenlerinden toprağa geçiş direncidir. Toprağa geçiş direncini azaltabilmek için topraklama elektrotları derine gömülür, uzun tutulur ve iletkenliği daha fazla olan toprak bulunmaya çalışılır. Örnek olarak toprak altında ıslaklığın başladığı noktaya elektrotlar gömülür. Dünyanın kendisinin direnci pratikte sıfır kabul edilebildiği için dünyanın kendisi bir iletken görevi görür ve devreyi tamamlar. ⓘ

Toprak çok büyük kütleli iletken bir kitledir ve bütün elektrik tesislerinin bulunduğu binaları veya açık hava tesislerini sinesinde taşır. Arızasız bir şebeke işletmesinde toprak üzerinden önemsiz derecede küçük akımlar geçer. Eğer elektrik tesislerinde bir motor isteyerek veya bir hata sonucunda toprak bir iletkenin bağlantı haline gelirse tesisin bu noktası ile toprak aynı potansiyeli alır. Bundan başka simetrik olmayan şebeke hatalarında toprak üzerinden büyük akımların geçmesi beklenebilir. Topraktan geçen akımın bir kısmı arıza yerinde bulunan bir kimsenin üzerinden geçerse hayati tehlike yaratabilir. Topraktan geçen kaçak akımlar ayrıca yangına da sebep olabilir. Toprağın kendi direnci 0,05 ohm\km gibi gayet küçük bir değerdedir. Fakat toprak üzerinden geçen akımın değerini tayin eden devre direnci, toprak ile temas haline gelen noktalardaki geçiş veya yayılma direncidir. Bazı hallerde bu temas, bir izolasyon hatası sonucunda tesadüfi olarak meydana gelir. Bazı hallerde ise özel olarak toprağa yerleştirilen bir topraklayıcı elektrot üzerinden toprak ile teması sağlanır, buna topraklama denir. Burada aranan en önemli özellik, toprak geçiş (veya yayılma) direncinin mümkün olduğu kadar küçük olmasıdır. Toprak üzerinden geçen hata akımının değeri, ayrıca şebekenin yıldız noktasının durumuna bağlıdır. Mesela yıldız noktası yalıtılmış şebekelerde bir toprak teması halinde, şebekenin cinsine ve büyüklüğüne bağlı olarak 50-100 A mertebesinde bir kapasitif akım geçer. Toprak teması akımında, yıldız noktasına bağlı bir petersen bobini üzerinden yaklaşık olarak 5-10 A gibi bir aktif artık akım geçer. Yıldız noktası direkt topraklanmış bir şebekede ise bir toprak kısa devresi akımı 1 kA kadardır. Elektrik şebekelerinde topraklama tesisleri, bir arıza halinde kısa devre akımlarının insan hayatını tehlikeye sokmayacak yoldan geçmelerini sağlar. Bu bakımdan güvenilir bir topraklamanın elde edilmesi için bunun iyi hesaplanması ve şartlara uygun bir şekilde tesis edilmesi gerekir. Topraklamanın hesaplanmasında tesisin geriliminden ziyade toprak hatalarında geçen akımlar rol oynar. Topraklama tesisinin hesaplanmasında şu işlemlerin yapılması gerekir:

1) Muhtemel en büyük hata akımının hesaplanması,

2) En büyük toprak akımının tayini,

3) Yayılma direncinin hesaplanması,

4) Topraklayıcı geriliminin tayini

5) Temas ve adım gerilimlerinin bulunması. ⓘ

Topraklama tesislerinde hayati önemi haiz olan temas ve adım gerilimi, üç boyutlu bir akım alanının kısımları olduğundan, bir topraklama tesisinin hesaplanması, elektrotekniğin zor problemleri arasındadır. Ayrıca toprağın özgül direncinin tayinindeki güvensizlik yüzünden, yapılan hesaplar sonucunda güvenilir değerlerin bulunması mümkün olmaz. ⓘ

Aşağıda açıklanacağı gibi, tesislerde kullanılan en önemli topraklamalar. ⓘ

• Koruma topraklaması
• İşletme topraklaması
• Yıldırım topraklaması ⓘ

Elektrik mühendisliğinde toprak veya topraklama, bir elektrik devresinde voltajların ölçüldüğü bir referans noktası, elektrik akımı için ortak bir dönüş yolu veya Dünya'ya doğrudan fiziksel bir bağlantıdır. ⓘ

Elektrik devreleri çeşitli nedenlerle toprağa bağlanabilir. Elektrikli ekipmanın açıkta kalan iletken parçaları, kullanıcıları elektrik çarpması tehlikesinden korumak için toprağa bağlanır. İç yalıtımın bozulması halinde, açıkta kalan iletken parçalarda tehlikeli gerilimler oluşabilir. Açıkta kalan parçaların toprağa bağlanması, bir arıza durumunda devre kesicilerin (veya RCD'lerin) güç kaynağını kesmesine olanak tanır. Elektrik güç dağıtım sistemlerinde koruyucu toprak (PE) iletkeni, topraklama sistemi tarafından sağlanan güvenliğin önemli bir parçasıdır. ⓘ

Toprağa bağlantı, yanıcı ürünler veya elektrostatiğe duyarlı cihazlarla çalışırken statik elektrik oluşumunu da sınırlar. Bazı telgraf ve güç iletim devrelerinde, toprağın kendisi devrenin bir iletkeni olarak kullanılabilir ve ayrı bir dönüş iletkeni kurma maliyetinden tasarruf sağlar (bkz. tek telli toprak dönüşü ve toprak dönüşlü telgraf). ⓘ

Tarihçe

1820'den itibaren uzun mesafeli elektromanyetik telgraf sistemleri sinyal ve dönüş akımlarını taşımak için iki veya daha fazla tel kullanmıştır. Alman bilim adamı Carl August Steinheil tarafından 1836-1837 yıllarında, devrenin tamamlanması için dönüş yolu olarak toprağın kullanılabileceği ve böylece dönüş telinin gereksiz hale geleceği keşfedildi. Steinheil bunu yapan ilk kişi değildi, ancak daha önceki deneysel çalışmalardan haberdar değildi ve bunu hizmette olan bir telgraf üzerinde yapan ilk kişi oldu, böylece prensip genel olarak telgraf mühendisleri tarafından biliniyordu. Ancak, 1861 yılında Western Union Company tarafından St. Joseph, Missouri ve Sacramento, California arasında inşa edilen kıtalararası telgraf hattında örneklendiği gibi, bu sistemle ilgili sorunlar vardı. Kuru havalarda, toprak bağlantısı genellikle yüksek direnç göstermekte ve telgrafın çalışmasını ya da telefonların çalmasını sağlamak için topraklama çubuğuna su dökülmesini gerektirmekteydi. ⓘ

On dokuzuncu yüzyılın sonlarında, telefon telgrafın yerini almaya başladığında, güç sistemleri, elektrikli demiryolları, diğer telefon ve telgraf devreleri ve yıldırım gibi doğal kaynakların neden olduğu yeryüzündeki akımların ses sinyallerinde kabul edilemez parazitlere neden olduğu görüldü ve iki telli veya 'metalik devre' sistemi 1883 civarında yeniden uygulamaya kondu. ⓘ

Bina kablolama tesisatları

Elektrik güç dağıtım sistemleri, dağıtım devrelerinde ortaya çıkabilecek gerilimi sınırlamak için genellikle topraklamaya bağlanır. Topraklamadan yalıtılmış bir dağıtım sistemi, statik elektriğin neden olduğu geçici gerilimler veya daha yüksek potansiyelli devrelerle kazara temas nedeniyle yüksek bir potansiyele ulaşabilir. Sistemin toprak bağlantısı bu tür potansiyelleri dağıtır ve topraklanmış sistemdeki voltaj artışını sınırlar. ⓘ

Bir şebeke elektriği (AC güç) tesisatında, topraklama iletkeni terimi tipik olarak aşağıda listelenen iki farklı iletkeni veya iletken sistemini ifade eder: Ekipman bağlama iletkenleri veya ekipman topraklama iletkenleri (EGC), ekipmanın normalde akım taşımayan metalik parçaları ile bu elektrik sisteminin kaynağının iletkenlerinden biri arasında düşük empedanslı bir yol sağlar. Açıkta kalan herhangi bir metal parça, örneğin yıpranmış veya hasarlı bir yalıtkan nedeniyle enerjilenirse (arıza), kısa devre oluşturarak aşırı akım cihazının (devre kesici veya sigorta) açılmasına ve arızanın giderilmesine (bağlantının kesilmesine) neden olur. Bu eylemin fiziksel toprağa (toprak) bağlantı olup olmadığına bakılmaksızın gerçekleştiğine dikkat etmek önemlidir; akımın kaynağına geri dönmesi gerektiğinden toprağın kendisinin bu arıza giderme sürecinde hiçbir rolü yoktur; ancak kaynaklar çok sık olarak fiziksel toprağa (toprak) bağlanır. (Kirchhoff'un devre yasalarına bakınız). Akım taşımayan tüm metal nesneleri birbirine ve borular veya yapısal çelik gibi diğer metal nesnelere bağlayarak (birbirine bağlayarak), aynı voltaj potansiyeline yakın kalmalı ve böylece şok olasılığını azaltmalıdır. Bu özellikle, besleme ve tahliye boruları ve cihaz çerçeveleri gibi birkaç farklı metalik sistemle temas halinde olunabilen banyolarda önemlidir. Bir sistemin fiziksel toprağa (toprak) bağlanması gerektiğinde, ekipman bağlama iletkeni aynı zamanda topraklama elektrodu iletkeni haline gelir (yukarıya bakın). ⓘ

Topraklama elektrodu olarak kullanılan metal su borusu ⓘ

Topraklama elektrodu iletkeni (GEC), sistem topraklı ("nötr") iletkenini veya ekipmanı bir topraklama elektroduna veya topraklama elektrodu sistemi üzerindeki bir noktaya bağlamak için kullanılır. Buna "sistem topraklaması" denir ve çoğu elektrik sisteminin topraklanması gerekir. ABD NEC ve Birleşik Krallık BS 7671 topraklanması gereken sistemleri listeler. NEC'ye göre, bir elektrik sistemini fiziksel toprağa (toprak) bağlamanın amacı, yıldırım olayları ve yüksek gerilim hatlarıyla temas nedeniyle oluşan gerilimi sınırlamaktır. Geçmişte topraklama elektrotu olarak su boruları kullanılmaktaydı, ancak zayıf iletkenler olan plastik boruların kullanımının artması nedeniyle, belirli bir topraklama elektrodunun kullanılması genellikle düzenleyici makamlar tarafından zorunlu kılınmaktadır. Aynı topraklama türü radyo antenleri ve yıldırımdan korunma sistemleri için de geçerlidir. ⓘ

Kalıcı olarak monte edilen elektrikli ekipmanlar, zorunlu olmadıkça, kalıcı olarak bağlı topraklama iletkenlerine sahiptir. Metal kasalı taşınabilir elektrikli cihazlar, bağlantı fişindeki bir pimle topraklamaya bağlanabilir (bkz. Evsel AC güç fişleri ve prizleri). Güç topraklama iletkenlerinin boyutu genellikle yerel veya ulusal kablolama yönetmelikleri tarafından düzenlenir. ⓘ

Bağlama

Açık konuşmak gerekirse, topraklama veya topraklama terimleri toprağa/toprağa elektrik bağlantısı anlamına gelir. Bağlama, elektrik taşımak için tasarlanmamış metalik öğeleri kasıtlı olarak elektriksel olarak bağlama uygulamasıdır. Bu, elektrik çarpmasına karşı bir koruma olarak bağlanan tüm öğeleri aynı elektrik potansiyeline getirir. Bağlanan öğeler daha sonra yabancı gerilimleri ortadan kaldırmak için toprağa bağlanabilir. ⓘ

Topraklama sistemleri

Elektrik besleme sistemlerinde, bir topraklama sistemi, iletkenlerin elektrik potansiyelini Dünya'nın iletken yüzeyine göre tanımlar. Topraklama sisteminin seçimi, güç kaynağının güvenliği ve elektromanyetik uyumluluğu üzerinde etkilere sahiptir. Topraklama sistemlerine ilişkin yönetmelikler farklı ülkeler arasında önemli ölçüde farklılık göstermektedir. ⓘ

İşlevsel bir toprak bağlantısı, elektrik çarpmasına karşı korumadan daha fazlasını sağlar, çünkü böyle bir bağlantı bir cihazın normal çalışması sırasında akım taşıyabilir. Bu tür cihazlar arasında aşırı gerilim bastırma, elektromanyetik uyumluluk filtreleri, bazı anten türleri ve çeşitli ölçüm aletleri yer alır. Genellikle koruyucu topraklama sistemi işlevsel topraklama olarak da kullanılır, ancak bu dikkatli olunmasını gerektirir. ⓘ

Empedans topraklaması

Dağıtım güç sistemleri, bir devre iletkeni doğrudan bir topraklama elektrot sistemine bağlı olacak şekilde sağlam bir şekilde topraklanabilir. Alternatif olarak, toprağa akabilecek akımı sınırlamak için dağıtım sistemi ile toprak arasına bir miktar elektrik empedansı bağlanabilir. Empedans bir direnç veya bir indüktör (bobin) olabilir. Yüksek empedanslı topraklanmış bir sistemde, arıza akımı birkaç amperle sınırlıdır (kesin değerler sistemin gerilim sınıfına bağlıdır); düşük empedanslı topraklanmış bir sistem, bir arızada birkaç yüz amperin akmasına izin verecektir. Sağlam bir şekilde topraklanmış büyük bir dağıtım sistemi binlerce amper toprak arıza akımına sahip olabilir. ⓘ

Çok fazlı bir AC sisteminde yapay bir nötr topraklama sistemi kullanılabilir. Hiçbir faz iletkeni doğrudan toprağa bağlı olmamasına rağmen, özel olarak inşa edilmiş bir transformatör ("zig zag" transformatör) güç frekansı akımının toprağa akmasını engeller, ancak herhangi bir kaçak veya geçici akımın toprağa akmasına izin verir. ⓘ

Düşük dirençli topraklama sistemleri, arıza akımını 25 A veya daha yüksek bir değerle sınırlamak için nötr topraklama direnci (NGR) kullanır. Düşük dirençli topraklama sistemleri, direncin aşırı ısınmadan önce arıza akımını ne kadar süre taşıyabileceğini gösteren bir zaman değerine (örneğin 10 saniye) sahip olacaktır. Topraklama hatası koruma rölesi, dirençte aşırı ısınma meydana gelmeden önce devreyi korumak için kesiciyi açmalıdır. ⓘ

Yüksek dirençli topraklama (HRG) sistemleri, arıza akımını 25 A veya daha düşük bir değerle sınırlamak için bir NGR kullanır. Sürekli bir derecelendirmeye sahiptirler ve tek bir topraklama arızası ile çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bu, sistemin ilk toprak arızasında hemen devreye girmeyeceği anlamına gelir. İkinci bir toprak arızası meydana gelirse, toprak arızası koruma rölesi devreyi korumak için kesiciyi açmalıdır. Bir HRG sisteminde, sistem sürekliliğini sürekli olarak izlemek için bir algılama direnci kullanılır. Bir açık devre tespit edilirse (örneğin, NGR üzerindeki kırık bir kaynak nedeniyle), izleme cihazı algılama direnci üzerinden voltajı algılayacak ve kesiciyi açacaktır. Algılama direnci olmadan sistem toprak koruması olmadan çalışmaya devam edebilir (açık devre durumu toprak arızasını maskeleyeceğinden) ve geçici aşırı gerilimler meydana gelebilir. ⓘ

Topraklanmamış sistemler

Elektrik çarpması tehlikesinin yüksek olduğu yerlerde, toprağa olası kaçak akımı en aza indirmek için özel topraklanmamış güç sistemleri kullanılabilir. Bu tür kurulumlara örnek olarak, tıbbi ekipmanın doğrudan hastaya bağlı olduğu ve herhangi bir elektrik hattı akımının hastanın vücuduna geçmesine izin vermemesi gereken hastanelerdeki hasta bakım alanları verilebilir. Tıbbi sistemler, kaçak akım artışını uyarmak için izleme cihazları içerir. Islak inşaat sahalarında veya tersanelerde, elektrikli bir alette veya kablosunda meydana gelen bir arızanın kullanıcıları şok tehlikesine maruz bırakmaması için izolasyon transformatörleri sağlanabilir. ⓘ

Hassas ses/video üretim ekipmanlarını veya ölçüm aletlerini beslemek için kullanılan devreler, güç sisteminden gelen gürültü enjeksiyonunu sınırlamak için izole edilmiş topraklanmamış bir teknik güç sisteminden beslenebilir. ⓘ

Güç aktarımı

Tek telli toprak dönüşlü (SWER) AC elektrik dağıtım sistemlerinde, AC dönüş akımını topraktan geçirirken güç şebekesi için sadece tek bir yüksek gerilim iletkeni kullanılarak maliyetlerden tasarruf edilir. Bu sistem çoğunlukla büyük toprak akımlarının başka türlü tehlikeye neden olmayacağı kırsal alanlarda kullanılır. ⓘ

Bazı yüksek voltajlı doğru akım (HVDC) güç iletim sistemleri toprağı ikinci iletken olarak kullanır. Deniz suyu iyi bir iletken olduğu için bu özellikle denizaltı kablolarının kullanıldığı şemalarda yaygındır. Toprağa bağlantı yapmak için gömülü topraklama elektrotları kullanılır. Yeraltı yapılarında elektrokimyasal korozyonu önlemek için bu elektrotların yeri dikkatle seçilmelidir. ⓘ

Elektrik trafo merkezlerinin tasarımında özel bir endişe toprak potansiyelinin yükselmesidir. Toprağa çok büyük arıza akımları enjekte edildiğinde, enjeksiyon noktasının etrafındaki alan, uzak noktalara göre yüksek bir potansiyele yükselebilir. Bunun nedeni trafo merkezinin bulunduğu topraktaki toprak katmanlarının sınırlı sonlu iletkenliğidir. Gerilim gradyanı (enjeksiyon noktasına olan mesafe boyunca gerilimdeki değişim) o kadar yüksek olabilir ki yerdeki iki nokta önemli ölçüde farklı potansiyellerde olabilir. Bu eğim, elektrik trafo merkezinin topraktan yeterince yalıtılmamış bir alanında toprak üzerinde duran herkes için tehlike oluşturur. Bir trafo merkezine giren borular, raylar veya iletişim telleri trafo merkezinin içinde ve dışında farklı toprak potansiyelleri görebilir ve bu borulara, raylara veya tellere dokunabilecek şüphesiz kişiler için tehlikeli bir dokunma gerilimi yaratabilir. Bu sorun, trafo merkezi içinde IEEE 80'e uygun olarak kurulan düşük empedanslı bir eşpotansiyel bağlama düzlemi oluşturularak hafifletilir. Bu düzlem gerilim gradyanlarını ortadan kaldırır ve herhangi bir arızanın üç gerilim döngüsü içinde giderilmesini sağlar. ⓘ

Elektronik

Sinyal yer		Şasi yer		Dünya yer

Zemin sembolleri ⓘ

Sinyal toprakları, ekipman içindeki ve ekipmanlar arasındaki sinyal bağlantılarında sinyaller ve güç (ekstra düşük voltajlarda, yaklaşık 50 V'tan az) için dönüş yolları olarak hizmet eder. Birçok elektronik tasarımda tüm sinyaller için referans görevi gören tek bir dönüş bulunur. Güç ve sinyal toprakları genellikle ekipmanın metal kasası üzerinden bağlanır. Baskılı devre kartlarının tasarımcıları elektronik sistemlerin yerleşiminde dikkatli olmalıdır, böylece bir sistemin bir bölümündeki yüksek güç veya hızlı anahtarlama akımları, yerleşimin topraklama izlerindeki bazı ortak empedans nedeniyle bir sistemin düşük seviyeli hassas bölümlerine gürültü enjekte etmez. ⓘ

Devre topraklamasına karşı topraklama

Voltaj, bir elektrik alanındaki noktalar arasındaki elektrik potansiyellerinin farkı olarak tanımlanır. Bir voltmetre, bir nokta ile bir referans noktası arasındaki potansiyel farkını ölçmek için kullanılır. Bu ortak referans noktası "toprak" olarak gösterilir ve sıfır potansiyele sahip olduğu kabul edilir. Sinyaller, bir güç toprağına bağlı olabilen sinyal toprağına göre tanımlanır. Sistem toprağının başka bir devreye veya toprağa bağlı olmadığı bir sistem (bu devreler arasında hala AC kuplajı olabilir) genellikle yüzer toprak veya çift yalıtımlı olarak adlandırılır. ⓘ

Fonksiyonel topraklamalar

Bazı cihazlar, tamamen koruyucu bir rolden farklı olarak, doğru bir şekilde çalışmak için toprak kütlesine bir bağlantı gerektirir. Bu tür bir bağlantı işlevsel topraklama olarak bilinir - örneğin bazı uzun dalga boylu anten yapıları işlevsel bir topraklama bağlantısı gerektirir ve iletilen radyo frekanslarının elektrik dağıtım şebekesine girmesi hem yasadışı hem de potansiyel olarak tehlikeli olduğundan genellikle gelişigüzel besleme koruyucu topraklamasına bağlanmamalıdır. Bu ayrım nedeniyle, tamamen işlevsel bir topraklamanın normalde koruyucu bir işlevi yerine getirmesine güvenilmemelidir. Kazaları önlemek için, bu tür işlevsel topraklamalar normalde yeşil veya yeşil/sarı değil beyaz veya krem kablo ile bağlanır. ⓘ

Düşük sinyal topraklamasını gürültülü bir topraklamadan ayırma

Televizyon istasyonlarında, kayıt stüdyolarında ve sinyal kalitesinin kritik olduğu diğer kurulumlarda, topraklama döngülerini önlemek için genellikle "teknik topraklama" (veya "teknik topraklama", "özel topraklama" ve "ses topraklaması") olarak bilinen özel bir sinyal topraklaması kurulur. Bu temelde AC güç topraklamasıyla aynı şeydir, ancak elektriksel parazit taşıyabilecekleri için genel cihaz topraklama kablolarının buna bağlanmasına izin verilmez. Örneğin, bir kayıt stüdyosundaki teknik toprağa yalnızca ses ekipmanı bağlanır. Çoğu durumda, stüdyonun metal ekipman raflarının tümü ağır bakır kablolarla (veya düzleştirilmiş bakır borularla veya baralarla) birbirine bağlanır ve teknik toprağa benzer bağlantılar yapılır. Teknik topraklamaya tek bir AC topraklama bağlantısı etkinliğini yok edeceğinden, raflara genel şasi topraklamalı cihazların yerleştirilmemesine büyük özen gösterilir. Özellikle zorlu uygulamalar için, ana teknik topraklama ağır bir bakır borudan oluşabilir, gerekirse birkaç beton zemini delerek takılabilir, böylece tüm teknik topraklamalar mümkün olan en kısa yoldan bodrumdaki bir topraklama çubuğuna bağlanabilir. ⓘ

Radyo antenleri

Bazı radyo anteni türleri (veya bunların besleme hatları) toprağa bağlantı gerektirir. Radyo antenlerindeki akımın radyo frekansları güç hattının 50/60 Hz frekansından çok daha yüksek olduğundan, radyo topraklama sistemleri AC güç topraklamasından farklı ilkeler kullanır. AC hizmet binası kablo tesisatındaki "üçüncü tel" güvenlik topraklamaları bu amaç için tasarlanmamıştır ve bu amaçla kullanılamaz. Uzun şebeke topraklama kabloları belirli frekanslarda yüksek empedansa sahiptir. Bir verici söz konusu olduğunda, topraklama kablolarından akan RF akımı radyo frekansı paraziti yayabilir ve diğer cihazların topraklanmış metal parçaları üzerinde tehlikeli voltajlara neden olabilir, bu nedenle ayrı topraklama sistemleri kullanılır. ⓘ

Düşük frekanslarda, 20 MHz'in altında çalışan tek kutuplu antenler, radyo dalgalarını yansıtmak için iletken bir düzlem olarak Dünya'yı antenin bir parçası olarak kullanır. Bunlar arasında T ve ters L anteni, şemsiye anten ve AM radyo istasyonları tarafından kullanılan direk radyatörü sayılabilir. Vericiden gelen besleme hattı anten ile toprak arasına bağlanır, bu nedenle dönüş akımını toplamak için toprakla temas kurmak üzere antenin altında bir topraklama (Earthing) sistemi gerekir. Daha düşük güçlü vericilerde ve radyo alıcılarında, toprak bağlantısı toprağa çakılan bir veya daha fazla metal çubuk veya kazık kadar basit olabilir veya bir binanın toprağa uzanan metal su borularına elektrik bağlantısı olabilir. Ancak verici antenlerde toprak sistemi vericinin tüm çıkış akımını taşır, bu nedenle yetersiz bir toprak bağlantısının direnci vericinin gücünde büyük bir kayba neden olabilir. Toprak sistemi, antenden gelen yer değiştirme akımını almak ve vericinin besleme hattının toprak tarafına geri döndürmek için bir kapasitör plakası olarak işlev görür, bu nedenle tercihen doğrudan antenin altına yerleştirilir. ⓘ

Orta ve yüksek güçlü vericiler genellikle direnci düşürmek için antenin altında toprağa gömülü çıplak bakır kablolardan oluşan kapsamlı bir topraklama sistemine sahiptir. Bu bantlarda kullanılan çok yönlü antenler için toprak akımları her yönden toprak noktasına doğru radyal olarak ilerlediğinden, topraklama sistemi genellikle antenin altında her yöne doğru uzanan ve antenin tabanının yanındaki bir terminalde vericinin besleme hattının toprak tarafına bağlanan gömülü kablolardan oluşan radyal bir modelden oluşur. ⓘ

Toprak direncinde kaybolan verici gücü ve dolayısıyla antenin verimliliği toprak iletkenliğine bağlıdır. Bu büyük ölçüde değişir; bataklık zemin veya göletler, özellikle tuzlu su, en düşük dirençli zemini sağlarken, kuru kayalık veya kumlu toprak en yüksek dirence sahiptir. Zeminde metrekare başına güç kaybı, toprakta akan verici akım yoğunluğunun karesiyle orantılıdır. Akım yoğunluğu ve dağıtılan güç, antenin tabanındaki toprak terminaline yaklaştıkça artar, bu nedenle radyal topraklama sistemi, güç kayıplarını azaltmak için toprağın yüksek akım yoğunluğu taşıyan kısımlarında toprak akımının akması için daha yüksek iletkenlikli bir ortam, bakır, sağlamak olarak düşünülebilir. ⓘ

Tasarım

MF ve LF bantlarında çalışan direk radyatörlü yayın antenleri için yaygın olarak kullanılan standart bir topraklama sistemi, bir dalga boyunun dörtte biri (.25$\lambda$, 90 elektriksel derece) uzanır. Tipik olarak 8 ila 10 numara yumuşak çekilmiş bakır tel kullanılır ve 4 ila 10 inç derinliğe gömülür. AM yayın bandı antenleri için bu, direkten 47-136 metre (154-446 ft) uzanan dairesel bir arazi alanı gerektirir. Bu alana genellikle çim ekilir ve uzun çim bazı durumlarda güç kaybını artırabileceğinden kısa biçilir. Eğer mevcut arazi alanı bu tür uzun radyaller için çok sınırlıysa, çoğu durumda bunların yerine daha fazla sayıda daha kısa radyaller ya da daha az sayıda daha uzun radyaller kullanılabilir. ⓘ

Gönderici antenlerde güç israfının ikinci bir nedeni, antenin topraktan geçerek toprak tellerine ulaşan elektrik alanının (yer değiştirme akımı) dielektrik güç kayıplarıdır. Yarım dalga boyu yüksekliğe (180 elektriksel derece) yakın antenler için, antenin tabanına yakın bir voltaj maksimumuna (antinode) sahiptir, bu da yer değiştirme akımının toprağa girdiği direğin yakınındaki toprak tellerinin üzerindeki toprakta güçlü elektrik alanlarına neden olur. Bu kaybı azaltmak için bu antenlerde genellikle antenin altında, gömülü topraklama tellerine bağlı, zemine uzanan ya da birkaç metre yükseltilmiş iletken bir bakır topraklama perdesi kullanılır. ⓘ

Kayalık ya da kumlu toprağın gömülü toprak için çok yüksek dirence sahip olduğu birkaç durumda, bir kontrpuan kullanılır. Bu, gömülü toprak sistemindekine benzer, ancak yüzeyde uzanan veya yerden birkaç fit yukarıda asılı duran radyal bir tel ağıdır. Bir kapasitör plakası gibi davranarak besleme hattını toprağın iletken katmanlarına kapasitif olarak bağlar. ⓘ

Elektriksel olarak kısa antenler

Daha düşük frekanslarda, antenin küçük ışıma direnci nedeniyle toprak sisteminin direnci daha kritik bir faktördür. LF ve VLF bantlarında, yapı yüksekliği sınırlamaları, temel rezonans uzunluğu olan çeyrek dalga boyundan daha kısa elektriksel olarak kısa antenlerin kullanılmasını gerektirir ($\lambda /4$). Bir çeyrek dalga monopolü yaklaşık 25 ila 36 ohm arasında bir radyasyon direncine sahiptir, ancak $\lambda /4$ direnç, yüksekliğin dalga boyuna oranının karesi ile azalır. Bir antene beslenen güç, antenin istenen işlevi olan radyo dalgaları olarak yayılan gücü temsil eden ışıma direnci ile toprak sisteminin omik direnci arasında bölünür ve bu da gücün ısı olarak boşa harcanmasına neden olur. Dalga boyu anten yüksekliğine bağlı olarak uzadıkça, antenin ışıma direnci azalır, böylece toprak direnci antenin giriş direncinin daha büyük bir oranını oluşturur ve verici gücünün daha fazlasını tüketir. VLF bandındaki antenler genellikle bir ohm'dan daha az bir dirence sahiptir ve son derece düşük dirençli toprak sistemlerinde bile verici gücünün %50 ila %90'ı toprak sisteminde boşa harcanabilir. ⓘ

Yıldırımdan korunma sistemleri

Baralar, yüksek akımlı devrelerde topraklama iletkenleri için kullanılır. ⓘ

Yıldırımdan korunma sistemleri, toprakla geniş bir yüzey alanı bağlantısı sağlayan kapsamlı topraklama sistemlerine bağlantı yoluyla yıldırımın etkilerini azaltmak için tasarlanmıştır. Geniş alan, yıldırım çarpmasının yüksek akımını sistem iletkenlerine aşırı ısı ile zarar vermeden dağıtmak için gereklidir. Yıldırım çarpmaları çok yüksek frekans bileşenlerine sahip enerji darbeleri olduğundan, yıldırımdan korunmaya yönelik topraklama sistemleri, öz endüktans ve deri etkisini azaltmak için kısa düz iletken hatları kullanma eğilimindedir. ⓘ

Toprak (toprak) paspası

Bir elektrik trafo merkezinde topraklama şiltesi, bir kişinin bir anahtarı veya başka bir cihazı çalıştırmak için duracağı yerlere yerleştirilen iletken malzemeden bir ağdır; operatörün trafo merkezindeki bir arıza nedeniyle yüksek bir diferansiyel gerilime maruz kalmaması için yerel destekleyici metal yapıya ve şalt cihazının koluna bağlanır. ⓘ

Elektrostatik hassas cihazların yakınında, insanlar ve hareketli ekipman tarafından üretilen statik elektriği topraklamak için bir toprak (toprak) matı veya topraklama (topraklama) matı kullanılır. Statik kontrolde kullanılan iki tip vardır: Statik Dissipatif Paspaslar ve İletken Paspaslar. ⓘ

İletken bir yüzey üzerinde duran statik dağıtıcı bir paspas (genellikle askeri tesislerde durum böyledir) tipik olarak, elektriksel olarak toprağa (toprak) bağlı iletken bir alt tabakayı çevreleyen statik dağıtıcı vinil tabakalarla 3 katmandan (3 katlı) yapılır. Ticari kullanımlar için geleneksel olarak, vinil paspaslardan daha uzun süre dayanmalarını sağlayan sert lehime dayanıklı üst statik dağıtıcı katmana ve iletken kauçuk tabana sahip 2 katmandan (2 katlı) oluşan statik dağıtıcı kauçuk paspaslar kullanılır. İletken paspaslar karbondan yapılır ve statik elektriği mümkün olduğunca çabuk toprağa çekmek amacıyla sadece zeminlerde kullanılır. Normalde iletken paspaslar ayakta durmak için yastıklama ile yapılır ve "anti-yorgunluk" paspasları olarak adlandırılır. ⓘ

Makro ölçekte gösterilen 3 katlı statik dağıtıcı vinil topraklama paspası ⓘ

Statik dağıtıcı bir matın güvenilir bir şekilde topraklanabilmesi için toprağa giden bir yola bağlanması gerekir. Normalde hem mat hem de bilek kayışı bir ortak nokta topraklama sistemi (CPGS) kullanılarak toprağa bağlanır. ⓘ

Bilgisayar tamir atölyelerinde ve elektronik imalatında çalışanlar, insanlar tarafından üretilebilecek gerilimlere duyarlı cihazlar üzerinde çalışmadan önce topraklanmalıdır. Bu nedenle statik dağıtıcı paspaslar üretim montaj zeminlerinde montaj hattı boyunca yukarı ve aşağı yürüyen insanlar tarafından üretilen statik elektriği çekmek için "zemin koşucusu" olarak kullanılabilir ve kullanılmaktadır. ⓘ

İzolasyon

İzolasyon, topraklamayı ortadan kaldıran bir mekanizmadır. Düşük güçlü tüketici cihazlarında ve mühendisler, hobiciler veya tamirciler normalde güç hattı voltajı kullanılarak çalıştırılacak devreler üzerinde çalışırken sıklıkla kullanılır. İzolasyon, cihaz ile normal elektrik hattı arasına eşit sayıda dönüşe sahip "1:1 tel oranlı" bir transformatör yerleştirilerek gerçekleştirilebilir, ancak birbirinden elektriksel olarak yalıtılmış iki veya daha fazla bobin kullanan her tür transformatör için geçerlidir. ⓘ

Yalıtılmış bir cihaz için, tek bir elektrik iletkenine dokunmak ciddi bir şoka neden olmaz, çünkü toprak yoluyla diğer iletkene geri dönüş yolu yoktur. Ancak, transformatörün her iki kutbuna çıplak tenle temas edilmesi halinde yine de şok ve elektrik çarpması meydana gelebilir. Önceleri, test edilen cihazın iki parçasına aynı anda dokunmaktan kaçınmak ve böylece akımın göğüsten geçerek kalp ritmini kesintiye uğratmasını veya kalp durmasına neden olmasını önlemek için tamircilere "bir elleri arkada çalışmaları" öneriliyordu. ⓘ

Genel olarak her AC güç hattı transformatörü bir izolasyon transformatörü görevi görür ve her yukarı veya aşağı adım izole bir devre oluşturma potansiyeline sahiptir. Ancak bu izolasyon, arızalı cihazların toprak iletkenlerine kısa devre yaptırıldığında sigortaları attırmasını önleyecektir. Her bir transformatör tarafından oluşturulabilecek izolasyon, giriş ve çıkış transformatör bobinlerinin her iki tarafında transformatörlerin bir bacağının her zaman topraklanmış olmasıyla ortadan kaldırılır. Elektrik hatları da tipik olarak her kutupta belirli bir kabloyu topraklar, böylece toprağa kısa devre oluşması durumunda kutuptan kutba akım eşitlemesi sağlanır. ⓘ

Geçmişte, topraklı cihazlar, görünürde bir sorun olmaksızın hileli fişlerle toprak bağlantısının basit bir şekilde kesilmesine izin verecek derecede dahili izolasyonla tasarlanmıştır (tehlikeli bir uygulama, çünkü ortaya çıkan yüzer ekipmanın güvenliği güç transformatöründeki izolasyona bağlıdır). Ancak modern cihazlar genellikle elektromanyetik paraziti bastırmak için AC güç hatları ile şasi arasında kasıtlı kapasitif bağlantı ile tasarlanmış güç giriş modülleri içerir. Bu, güç hatlarından toprağa önemli bir kaçak akımla sonuçlanır. Toprak bağlantısı hileli bir fişle veya kazayla kesilirse, ortaya çıkan kaçak akım ekipmanda herhangi bir arıza olmasa bile hafif şoklara neden olabilir. Küçük kaçak akımlar bile tıbbi ortamlarda önemli bir endişe kaynağıdır, çünkü toprak bağlantısının kazara kesilmesi bu akımları insan vücudunun hassas bölgelerine sokabilir. Sonuç olarak, tıbbi güç kaynakları düşük kapasitansa sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. ⓘ

Sınıf II cihazlar ve güç kaynakları (cep telefonu şarj cihazları gibi) herhangi bir toprak bağlantısı sağlamaz ve çıkışı girişten izole edecek şekilde tasarlanmıştır. Güvenlik çift yalıtımla sağlanır, böylece bir şoka neden olmak için iki yalıtım arızası gerekir. ⓘ

Koruma topraklaması

Yüksek gerilim tesisleri 17 Ağustos 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. nde insanları yüksek temas gerilimine karşı korumak için koruma topraklaması yapılır. Bunun için işletme akım devresine ait olmayan, fakat bir hata hâlinde gerilim altında kalabilen ve insanların temas edebileceği bütün cihaz ve tesis elemanlarının madeni kısımları, topraklama iletkeni üzerinden bir topraklayıcıya bağlanır. ⓘ

Alçak gerilim tesislerinde temas gerilimine karşı koruma sağlamak için uygulanan çeşitli metotlar arasında koruma topraklaması da vardır. Fakat bunun çok iyi bir metot olmadığı ve çeşitli sakıncalarının olduğu açıklanmıştır. Buna karşılık yüksek gerilim tesislerinde tehlikeli temas ve adım gerilimlerine karşı koruma sağlamak için yegâne koruma metodu koruma topraklamasıdır. Koruma topraklaması yapılacak tesisin boyutlandırılması bakımından ana kriter temas gerilimi olduğundan Alman VDE yönetmeliklerine göre topraklama tesisleri o şekilde yapılmış olmalıdır ki, ⓘ

Yıldız noktası yalıtılmış veya kompanzasyon bobini üzerinden topraklanmış şebekelerde temas gerilimi 50 V’un üstüne çıkmamalıdır. ⓘ

Yıldız noktası sürekli veya geçici olarak küçük değerli bir direnç üzerinden topraklanan şebekelerde temas gerilimi şekilde verilen eğrideki değerlerin üzerine çıkmamalıdır. ⓘ

Bu eğrinin her noktası için elektrik miktarının Q= 70 mAs değerini aşmaması şartı yerine getirilmiştir. Zira yapılan araştırmalara göre, ölümle sonuçlanan elektrik kazalarında bu elektrik miktarı tespit edilmediğinden, bu değer bir kriter olarak geçerlidir. Burada vücut direnci için en düşük değer olarak 1000 ohm kabul edilmiştir. ⓘ