1

Yüksek Gerilim Yalıtım Malzemeleri dersi, Enerji alanını seçen öğrenciler için 7. Dönem

Seçmeli dersidir. Dersin amacı yüksek gerilim yalıtım malzemelerinin tanıtılması, yüksek

gerilim tekniğinde kullanılan yalıtkanlardan oluşabilecek problemlerin incelenmesidir.

Bu ders kapsamında incelenecek konu başlıkları;

Dielektrik malzemelerin karakteristik özelliklerin tanımlanması.

Gaz dielektriklerde iyonizasyon, deiyonizasyon prosesleri, gaz dielektriklerde delinme

teorilerinin tanımlanması.

Hava yalıtkanının delinme gerilimine etki eden faktörlerin verilmesi, Düzgün, Az düzgün ve

Düzgün olmayan elektrik alan altında delinme davranışının verilmesi, koronanın

tanımlanması ve korona etkisi.

SF6 gazının genel özellikleri, delinme davranışı, kullanım yerlerinin tanıtılması.

Sıvı dielektrikler, genel özelliklerinin verilmesi, sıvı dielektriklerde delinme teorileri ve

delinme gerilimine etki eden faktörlerin tanımlanması

Katı dielektrikler, sınıflanması, katı dieleketrik malzemelerin özelliklerinin verilmesi, katı

dielektriklerde bozulmanın tanımlanması ve türlerinin açıklanması.

Kompozit dielektrikler genel özelliklerinin tanımlanması, kompozitlerde gözlenen delinme

türlerinin incelenmesi.

Vakum dielektrik, genel özellikleri, delinme gerilimine etki eden faktörlerin incelenmesi,

kullanım yerlerinin verilmesi.

olarak özetlenebilir.

2

Dielektrik malzemelerde yapı içinde serbest elektron yoktur. Valans band ile iletim bandı

arasındaki enerji aralığı 4 eV’tan büyüktür. Dielektrik malzemelerin elektriksel yalıtkanlık

özellikleri iyidir. Elektriği iletmede elektriksel yalıtkan olarak kullanılmaktadır. Yarıiletkenler

gibi ilave katkılarla iletken kılınamaz. Dielektrik malzemelerin özgül direnci 104 (ohm-m)‘nin

üzerindedir. Elektriği iletmemelerine karşın uygun elektrik alandan etkilenirler. Elektrik alan

etkisi ile atomlar ve elektronlar yer değiştirirler ve dipoller oluşur. Bu yer değiştirme

sonucunda yük merkezleri kaydığı için kutuplaşma (polarizasyon) oluşur.

Dielektrik malzemeler elektrik güç sistemlerinde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Đyi

bir dielektrik malzemenin yüksek delinme dayanımının yanı sıra düşük dielektrik kayıp,

yüksek mekanik dayanım ve sertliğe sahip olması, gaz katkıları ve nem içermemesi, ısıl ve

kimyasal etkileşmelere dayanıklı olması istenir. Bunların yanı sıra kullanıldığı bölgedeki

ortam koşullarından etkilenmemeli, ozona, düşük su emilimine ve radyasyona karşı dayanıklı

olmalı, higroskopik esnekliğe sahip olmalı ve sıvı sızdırmaması istenir. Dielektrik

sınıflandırma Tablo 1’de görülmektedir.

Tablo 1: Dielektriklerin sınıflandırılması. Örnekler

Gazlar

Katılar

Sıvılar

Vakum

Kompozitler

Dielektrik Özellikler :

Dielektrik malzemenin dört karakterist ik özell iğ i vardır. Bu özell ik lere bağ l ı

olarak da dielektrik malzeme farklı kullanım alanı bulmaktadır. Bu

karakteristik özell ikler aşağıda veri lmişt i r.

* Dielektrik sabiti * Kayıp Faktörü * Đletkenlik * Kompleks Dielektrik Katsayısı

Dielektrik Sabiti

Maddenin dielektrik geçirgenliğinin bir ölçüsüdür. Havanın dielektrik geçirgenliği ε0=8,86x10-12 F/cm ‘dir. Bütün dielektrik

özellik gösterebilecek maddeler havaya göre değerlendirilerek dielektrik sabiti değeri bulunur. Dielektrik sabiti bir maddeyi

3

oluşturan moleküllerin polarizasyonunun fiziksel ölçümüdür. Elektrik alan içine konulan bir dielektrik

malzeme alan etkisi ile elektriksel olarak kutuplaşır. Elektriksel kutuplaşma malzeme

yüzeyinde elektriksel yük birikimine neden olur. Yüzeyde biriken yükler bir kapasite

oluşmasına neden olur. Yüzeydeki elektriksel yük yoğunluğu nedeni ile oluşan kapasite C ile

yük miktarı arasındaki ilişki

V

QC = (1)

bağıntısı ile verilmektedir. Kapasitenin birimi Farad (F)‘tır.

Diğer yandan aralarında vakum olan paralel plakalı bir kapasitede dielektrik geçirgenlik -

kapasite ilişkisini veren ifade ,

l

AC 0ε= (2)

(2) bağıntısı ile verilmektedir. Şekil 1‘e paralel plakalı bir kapasite şematik olarak

gösterilmiştir. Metal plakalar arasında hava ve dielektrik madde olması durumunda yük

birikimi farklı olacaktır. Burada A plakaların alanını, l plakalar arası uzaklığı, ε0 vakumun

(boşluğun) dielektrik geçirgenliğini (permittivity) göstermektedir.

Şekil 1 Plakalar arasında vakum ve dielektrik malzeme olması durumunda yük birikiminin şematik gösterimi. Boşluğun dielektrik geçirgenlik değeri 8.85x10-12 F/m dir. Plakalar arasında dielektrik malzeme olduğunda oluşacak kapasitenin değeri ise

l

AC ε= (3)

eşitli ği ile ifade edilmektedir. Burada (ε) ortamın dielektrik geçirgenliğidir. Plakalar

arasındaki malzemenin dielektrik değeri vakumun dielektrik değerinden daha büyüktür.

4

Dielektrik maddenin dielektrik geçirgenliği hakkında daha kolay fikir edinebilmek için

maddenin dielektrik geçirgenliğinin (εm) değerinin, boşluğun dielektrik geçirgenliği (ε0)

değerine bölünmesi ile elde edilen büyüklüğe bağıl (rölatif) dielektrik değerine dielektrik

sabiti denilmektedir ve εr ile gösterilmektedir εr = (εm / ε0).

Bağıl dielektrik sabiti boyutsuz bir sayı olup sıcaklığa ve frekansa bağlıdır. Tablo 1’de bazı

malzemelerin dielektrik özellikleri görülmektedir.

Tablo 1 Bazı maddelerin dielektrik özellikleri

Malzeme Dielektrik Sabiti ε

Özgül Direnç (Ω-m)

Dielektrik Dayanıklılık

kV/mm Polietilen 2,3 1014 20

Teflon 2,1 1012 - PVC 7 1014 - Cam 7 1013 10

Baryumtitanat 1700 - - BaTiO3+PbTiO3 6500 - -

Dielektrik sabitine etki eden faktörler 1. Polarizasyonun Dielektrik Sabitine Etkisi Kayda değer bir yönlenme polarizasyonu ve hatta bozulma polarizasyonu göstermeyen maddelerin dielektrik katsayıları 2 civarındadır. Buna örnek olarak birçok simetrik kutupsuz moleküllü termoplastik madde gösterilebilir.

Şekil 2 : Dielektrik katsayısının frekans bağımlılığı, elektroteknik ve optik açısından polarizasyon kayıpları. Karmaşık ve daha kuvvetli kutuplanabilir moleküle ve gruba sahip olan birçok organik yalıtım maddesi yönlenme polarizasyonu sebebiyle yaklaşık εr = 7 mertebesinde dielektrik

5

katsayısına sahiptirler. Önemli örnekler olarak selüloz, dökme reçine ve bir dizi termoplastik madde gösterilebilir. Sıra dışı değerlere örneğin suda (εr = 81) veya gliserinde (εr =40) ulaşılır. Bir çok anorganik yalıtım maddesinde bozulma polarizasyonu oldukça yüksek olan dielektrik katsayıları sağlar(εr = 10 ‘a kadar). Enine yerleştirilmi ş dielektriklerde (örneğin kondansatörlerde veya yağlı transformatörlerde), dolgu malzemeli yalıtkan maddelerde (örneğin kuartz tozlu epoksi reçine) ve karışık dielektriklerde kısmı kapasiteler arasında farklı zaman sabitlerine ε/κ sahip sınır yüzeyler meydana gelir. Çok düşük frekanslarda sadece daha yüksek yalıtan kapasiteler yüklenir. Böylece daha yüksek bir kapasite değeri buna bağlı olarak da daha yüksek bir dielektrik katsayısı ortaya çıkar. Sınır yüzeylerinde yoğunlaşan yükten dolayı sınır yüzey polarizasyonundan bahsedilir. 2. Frekansın Dielektrik Sabitine Etkisi

Yukarıdaki şekilde dielektrik katsayısının εr ‘nin temel davranışını ve frekans karşısındaki

kutuplaşma kaybını elektroteknik ve optik açısından göstermektedir. Yüzey polarizasyonuna

sahip karma dielektriklerde (daha iyi yalıtılmış kısmı kapasitelerin boşalması) artan frekansla

birlikte akım kayıpları oluşur, çünkü daha iyi izole eden kısmi kapasiteler iletkenliği daha

yüksek olan kısmi kapasiteler üzerinden boşalırlar. Sonuç olarak eğer bütün kısmi

kapasitelerde bu kapasitelerin seri bağlanması çalışacak şekilde deplasman akımı iletim

akımın üzerine çıkarsa, toplam kapasite, bunun sonucu olan toplam dielektrik katsayısı ve

kayıplar tekrar artar.

Artan frekansla birlikte dipoller, alan herhangi bir dirençle karşılaşmadan takip edemezler ve

dielektrik katsayısı azalır. Dielektrik özellikler iyileşir.

Polarizasyon mekanizmaları biçimleri farklı frekanslarda yönlenme polarizasyonundan

bozulma polarizasyonuna oradan atom polarizasyonuna kadar basmak basamak ortaya çıkar.

Özellikle yönlenme polarizasyonunun oluşumu, kutuplanabilir molekül gruplarının

büyüklüklerine hareket yeteneklerine göre bir çok basamakta olabilir.

Çok yüksek frekanslarda frekans bağımlılığı frekansın bir fonksiyonu olarak dielektrik

katsayısı ile değil de optik büyüklerle kırılma indisi n olacak şekilde dalga boyu ile ifade

edilir. Çok yüksek frekanslarda εr = n2 geçerlidir.

Örnek :

6

Su görünebilir ışık bölgesinde n = 1,333 şeklinde bir kırılma indisine sahiptir. Bu εr = n2 =1,8

şeklinde bir dielektrik katsayısına karşılık gelir. Düşük (elektroteknik) frekanslarda su

moleküllerinin çok kolay şekil alan yönlenme polarizasyonu sayesinde εr = 81 geçerlidir.

3. Sıcaklığın Dielektrik Sabitine Etkisi

Dielektrik katsayısı εr ‘nin sıcaklıkla değişimi temel olarak yönlenme polarizasyonu sebebi ile

olşur. Artan sıcaklık ile birlikte ilk olarak “hareketsiz” olan dipoller yönlenme polarizasyonun

başlamasına olanak sağlayacak şekilde hareketlenirler. Dielektrik katsayısı bir çok basamakta

farklı polarizasyom mekanizmalarına bağlı kalarak yükselir. Bu sırada iletkenlik

yeteneklerinde değişimler ve sınır yüzey polarizasyonları oluşabilir.

Dielektrik katsayısının basamak basamak artışı sısrasında kayıp faktörü tan δ ortaya çıkar,

ancak toplam eğride etkisi görünmeyecek kadar azdır. Yüksek sıcaklıklarda kuvvetli bir

şekilde artan iletkenliğin etkisi ön plandadır. Sıcaklık artışının devam etmesi durumunda ısı

hareketi dipollerin oluşumunu etkiler ve εr tekrar azalmaya başlar. Maddenin halinin

dönüşmesi durumunda (örneğin kristalleşme sıcaklığı Tg yakınında) dielektrik katsayısında

sık artışlar görülür.

. Şekil 3 Camın ve polimerlerin dielektrik sabitinin sıcaklık ve frekansla değişimi

Örnek :

Tg ‘nin üzerindeki sıcaklıklarda duroplastik epoksi reçine, erimeden mekanik sıkılığını

kaybetmeye başlar. Yumuşama sonucunda polar molekül grupları daha kolay hareket edebilir

hale gelirler, εr açıkça artar. Epoksi reçinenin tipine göre Tg yaklaşık olarak 100 C ‘nin

7

üzerindedir. Sıcaklığın 20 C’den 80 C’ye çıkması sırasında bile dielektrik katsayısında

%20’lik artış oluşur.

4. Alan Şiddetinin Dielektrik Sabitine Etkisi

Birçok durumda dielektrik katsayısı ve kayıp faktörü artan alan şiddeti ile birlikte açıkça artar.

Örnek olarak dolgusuz epoksi reçinelerde 42 kV/mm’de başlayan alan şiddetlerinde (delinme

alan gücünün %20 ila %50 ‘sinde) dielektrik katsayısındaki artışın %10 ila %12 civarında

olduğu gözlemlenmiştir(T=20 C). 80 C’de bu değereler %15 ila %20 mertebesine kadar çıkar.

Dolgu malzemelerinin kullanımıyla alan şiddeti etkileri azaltılabilir.

5. Karma Dielektriklerde Dielektrik Sabiti

Tabakalı dielektriklerde ve karma maddelerden meydana gelen dielektriklerde toplam

dielektrik katsayısı εr top komponentlerin dielektrik katsayılarından hesaplanabilir.

n adet yatay tabakalı bir dielektrik için εr top şu şekilde hesaplanır.

εr top =d/(d1/ε1 +….+ dn/εn1 ) (4)

karma maddelerde toplam dielektrik katsayısı içerdiği hacimler oranına göre ampirik bir

formülle yaklaşık olarak hesaplanır.

ln εr top = v1. ln εr1 +……..+ vn. ln εn1 (5)

Not: bu eşitliklerin yardımıyla εr top ‘nin sıcaklık çarpanı da içerdiği maddelerin sıcaklık

çarpanlarından hesaplanabilir. Artı ve eksi sıcaklık çarpanına sahip malzemeler seçilerek

sıcaklık etkisine karşı bir kompanzasyon yapılabilir. Buna sıcaklık karşısında kararlı

kondansatörlerin yapımında ihtiyaç duyulur.

(4) ve (5) eşitlikleri etkin bir dielektrik deplasman alanı etkisinin bulunduğu göz önüne

alınırsa geçerlidir. Eğer daha iyi ileten kısmi kapasiteler kısa devre olarak kabul edilirse, çok

yavaş değişen olaylarda (iyi iletkenliğe sahip yapı parçalarında) daha yüksek kapasiteler (daha

8

yüksek toplam dielektrik katsayıları) oluşur. Bu sınır durumu (4) eşitli ğinde ∞→rkε alınarak

görülebilir. (5) eşitli ğinde ise ∞→rkε alındığında mantıklı bir sonuç elde edilmez.

KAYIP FAKTÖRÜ

Alternatif gerilim altındaki bir yalıtkanda akım (I) gerilimden (U) yaklaşık olarak tanφ =90

ileridedir Şekil 4. polarizasyon ve iletkenlik yeteneğindeki kayıplar sebebiyle faz açısı φ , 90

‘den “kayıp açısı” δ kadar sapma gösterir. Akım bileşeni Iδ (işletme akımı) U ile aynı fazdadır

ve yalıtkanda dönüştürülen etki gücünü diğer bir deyişle dielektrik kayıp gücü (Pδ) meydana

getirir. Akım bileşeni Ic , U ‘ya göre 90 ileridedir ve kapasitif tepkin güç Qc ‘yi meydana

getirir.

Şekil 4

Kayıp açısı δ için şekle göre

cI

I δδ =tan (6)

geçerlidir. Güç büyüklükleri ile

δδ IUP .= (7)

ve cc IUQ .= (8)

sonuç olarak

cQ

Pδδ =tan (9)

elde edilir.

Kayıp faktörü tanδ ek olarak bir yalıtkandaki dielektrik kayıp güç Pδ ile kapasitif tepki gücü

Qc ararsındaki ilişkiyi de verir. Kapasitif tepki gücü biliniyorsa kayıp faktörü yardımıyla

dielektrik kayıp gücü hesaplamak mümkündür.

9

cQP ).(tanδδ = (10)

Kayıp faktörü tanδ materyale ait bir büyüklüktür ve (10) eşitli ğine göre polarizasyon kayıpları

ve iletkenlik kayıpları tarafından belirlenir. Kayıp faktörleri doğru akım geçirebilirliğe göre

beklenenden daha büyüktür. Bunun sebebi alternatif akım geçirebilme yeteneğinin doğru

akım geçirebilme yeteneğinin doğru akım geçirebilme yeteneğine nazaran daha büyük

olmasıdır. Ayrıca kayıp faktörü ek olarak yönlenme polarizasyonu yüzünden oluşan

polarizasyon kayıplarını da içermektedir.

Yüksek gerilim yalıtımları için genel olarak kayıp faktörü 10-2 den küçük malzemeler seçilir.

Bu yüzden termik problemler ortaya çıkabilir.

Yüksek dielektrik katsayısına sahip malzemelerde (örneğin PVC, poliamid, selüloz, sert kağıt)

yönlenme polarizasyonu ile oldukça yüksek polarizasyon kayıpları ortaya çıkar. Nem çok iyi

polarize olabilen su molekülleri ve iletkenlik yeteneğini arttırıcı özelliği ile kuvvetli bir kayıp

arttırıcıdır. Bu nedenle neme karşı hassas olan malzemelerde, örneğin kağıt, mukavva,

poliamid ve kuvvetlendirilmiş veya doldurulmuş plastik malzemelerde kritik bir önem taşır.

Frekans ve sıcaklık parametreleride kayıplar üzerinde kuvvetli etki yaratır. Kayıp faktörü,

iletkenlik ve buna bağlı olarak alan şiddeti ile birlikte artar. Kuvvetli kısmi boşalmalarda ani

bir kayıp artışı meydana gelir.

KOMPLEKS D ĐELEKTR ĐK KATSAYISI

Bir malzeme için, iletkenlik ve yönlenme polarizasyonu sebebi ile oluşan kayıplar ile birlikte,

elektrik alanın E(t) zayıflatıcı etkisi altındaki elektriksel polarizasyon için aşağıdaki eşitlik

geçerlidir.

)](.[1 tPPt

Pstat −=

∂∂ −τ (11)

relaksiyon zamanı τ olan tek bir polarizasyon mekanizması için örneğin )()( tEtE statσ=

şeklindeki bir alan sıçramasında, sabit son değer Pstat için aşağıdaki gibi bir üstel yaklaşım

elde edilir.

]1[)( τDstat ePtP −= (12)

Not: Polarizasyon P, kayıp güç Pδ ile karıştırmamalıdır.

Elektriksel değişken alanda polarizasyon zayıflaması elektrik alan E(t) buna bağlı olarak

gerilim u(t) ile deplasman yoğunluğu D(t) arasındaki faz kayması şeklinde kendini gösterir.

10

Bunun anlamı kompleks bir vektör diyagramında kompleks efektif değer D için vektör, E ‘nin

kompleks efektif değeri buna bağlı olarak U için olan vektörden, daha ileridedir.

Not : homojen bir alan ele alındığında veya çok ufak alanlar incelendiğinde alan büyüklükleri

E, D ve I’nın vektörel karakterlerinin göz önüne alınmasına gerek yoktur.

Şekil 5:

D’nin geri kalışı Er'

0εε ve Ej r''

0εε− şeklinde iki vektör ile ifade edilebilir. Burada birinci

vektör varolan, faz kaymasına uğramamış deplasman yoğunluğuna tekabül eder. Đkinci vektör

–j ile çarpımı sonucu -90 kadar geridedir. Aşağıdaki eşitlikten yola çıkarak

ED r*

0εε= (13)

faz kayması bir kompleks dielektrik katsayısı ile ifade edilmiş olur.

'''*rrr jεεε −= (14)

Reel kısmı 'rε var olan (rölatif) dielektrik katsayısı'rε ’ye karşılık gelirken, imajiner kısmı ''

rε ,

akım yoğunluğu vektörel diyagramından yola çıkılarak polarizasyon kayıpları ile

ili şkilendirilebilir.

D’den 90 farklı olan deplasman akım yoğunluğu jwD , Ej r'

0εωε ‘nin saf kapasitif kısmından

ve polarizasyon (kayıp) akım yoğunluğu Er''

0εωε ’den meydana gelir. Kayıp güç akım

yoğunluğu vektörü EJ κ= ’den toplama akım yoğunluğu J+jwD oluşur.

Kayıp faktörü için şekilden

)/()(tan '0

''0 rr εωεεωεκδ +=

(15)

pPolL δδδ tantantan +=

11

geçerlidir. Đletkenlik ve polarizasyon kayıplarından meydana gelen kayıp faktörü kısımları için ayrıca

)/(tan '0 rL εωεκδ =

ve (16)

''' /tan rrPol εεδ =

eşitlikleri geçerlidir.

Şekil 6: Yönlü Polarizasyona sahip bir yalıtkan için dielektrik katsayısı ve kayıp faktörünün

sıcaklık ve frekansla değişimi

Şekil 6de kayıp faktörü tanδ ‘nın ve rölatif dielektrik katsayısı 'rr εε = ’nin frekans ve

sıcaklıkla olan ilişkisini ortaya koymaktadır. (10) eşitli ğine bağlı olarak bir dipol zayıflama

etkisinin varolduğu kabul edilir ve analitik bir türev çıkarılırsa

])(1/[)( 2' ωτεεεε +−+= ∞∞ statr

ve (17)

])(1/[).( 2'' ωτεεωτε +−= ∞statr

elde edilir.

Bunun için 'rε nin frekans ile azalması görülebilmektedir. Kayıpları belirleyen kısmı ''

rε

maksimum değerine f=1/τ frekansında sahiptir.

12

Teorik bir türev yerine ortaya konan eğriler fiziksel açıdan anlamlı olacak şekilde

yapılmalıdır.

Frekans etkileri

Düşük frekanslarda dipoller elektrik alanı pratikte engellenmeden takip ederler. Sıcaklığa

bağlı olarak statik dielektrik katsayısı statε ortaya çıkar. Şekil (sol üst). f=1/t frekansının

üzerinde dipoller çabuk değişen alanı takip edemezler, dielektrik katsayısı ∞ε ’a düşer.

Polarizasyon kayıplarının f=1/t frekansı bölgesinde bir maksimum vardır, çünkü dipoller alanı

hala takip edebilmektedir, ancak çarpışmalar ve diğer değişken etkiler yüzünden bir zayıflama

(faz kayması) mevcuttur. Düşük frekanslarda f<<1/t D ve E ararsında bir faz kayması

yoktur, yüksek frekanslarda f>>1/t dipoller kesinlikle hareket edemezler. Şekil (sol alt). Artan

sıcaklık ile birlikte dipoller daha kolay hareket edebilir hale gelirler,reaksiyon süresi t azalır

ve kaybın maksimumu daha yüksek frekanslara kayar.

Polarizasyon kayıpları iletkenlik kayıplarının üzerinde olmalıdır. kayıp faktörü Lδtan (17)

eşitli ği uyarınca artan frekans ile birlikte kuvvetli şekilde yükselir, çünkü kayıp güç-tepkin

güç arasındaki oran 0→ω için sonsuza gider.

Sıcaklık etkileri

Dielektrik katsayısı artan sıcaklıkla birlikte ilk önce artar, çünkü dipoller daha kolay hareket

edebilir hale gelmişlerdir. Artan frekans ile birlikte "donmuş" dipolleri hareketli hale getirmek

için sıcaklığın da artması gereklidir. Şekil (sağ üst). Sıcaklığın artmaya devam etmesi ile

birlikte sıcaklık hareketi dielektrik katsayısının tekrar düşmesine neden olacak şekilde

dipollerin yönünü bozar. dipol hareketlerinin arttığı bölgede polarizasyon kayıpları

maksimuma ulaşır. Şekil (sağ alt).

Đletkenlik yeteneği kayıpları (1) eşitli ğine göre iletkenlik )(Tκ ile birlikte kayıp faktörünün

sıcaklıkla üstel bir şekilde artması sonucunu doğurur. (17) eşitli ğine göre düşük frekanslarda

daha kuvvetli bir yükseliş beklenmelidir.

Pratikte eğriler

Pratikte eğriler birçok polarizasyon mekanizmasının etkilerini taşır. Bunun dışında farklı

materyaller ve materyal durumları(örneğin nem basınç) ve farklı yalıtkan yapıları (yüzey

13

polarizasyonu) arasında çok büyük farklar vardır. Kayıp maksimumu ve dielektrik katsayısını

oluşturan basamaklar genellikle çok net bir biçimde tanımlanamazlar.

YALITKANLARIN E ŞDEĞER BAĞLAMA ŞEMALARI ĐLE ĐFADE EDĐLMESĐ

Yalıtkanlar eşdeğer bağlama şemalarında dirençler ve kapasiteler ile ancak çok eksik bir

biçimde ifade edilebilirler.

Basit paralel ve seri bağlama şemaları eğer belli bir frekans yada frekans aralığı için

sınırlanırlarsa, hesaplar için değerli bir yardım teşkil ederler. Daha yüksek mertebeden

eşdeğer şemalar daha iyi bir yalıtım sağlayabilirler.

PARALEL VE SER Đ EŞDEĞER BAĞLAMA ŞEMALARI

Paralel ve seri eşdeğer bağlama şemalarının her biri bir eşdeğer kapasite ve eşdeğer dirençten

oluşur. Kayıp faktörleri (8) eşitli ğine göre etkin güç ile (direnç ile ifade edilen) tepkin güç

(kapasite ile ifade edilen) arasındaki orandan elde edilir.

Şekil 7: Paralel ve seri eşdeğer şema.

paralel eşdeğer şema için

cQP /tan δδ =

[ ] [ ]22 // UCRU pp ω=

)/(1 ppRCω=

ω/1≈ (18)

14

eşitliklerinden, kayıp faktörünün frekansa karşı olan fonksiyonu, hiperbolik formda ortaya

çıkar.

seri eşdeğer devre için

cQP /tan δδ =

[ ] [ ])/(/ 22sp CIIR ω=

ssRCω=

ω≈ (19)

eşitliklerinden, kayıp faktörünün frekansa karşı olan fonksiyonu, lineer formda ortaya çıkar.

Her iki eşdeğer şema da frekansın kayıp faktörü üzerine etkisini doğru olarak tanımlayacak

durumda değillerdir.

Buna rağmen paralel eşdeğer bağlama şeması iletkenlik yeteneği kayıpların fiziksel olarak

doğru ifade etmeyi mümkün kılmaktadır. Bu yüzden çok düşük frekanslar için gerçek

olaylarla örtüşmektedir.

Seri eşdeğer bağlama şemasının fiziksel açıklaması ideal bir kapasite ve buna seri bağlı

ihmale edilemeyecek bir dirençten oluşmaktadır. Özellikle çok yüksek frekanslarda kapasite

empedansı sCω/1 kuvvetli olarak azalmaktadır. Rδ skin efekti yüzünden artar ve ihmal

edilmesine izin verilmez.

Herhangi bir yalıtkanın kayıpları sabit frekansta gerek seri gerekse paralel bağlama şemaları

ile ifade edilebilir. Bağlama şemalarının elemanları Cp , Rp , ve Cs , Rs 'in değerleri ancak

incelenen frekans için geçerlidir. Bu elemanlar uygun bir şekilde değiştirilmeden yapılacak

bir frekans değişikli ği yanlış sonuçlara varılmasına yol açar.

Belli bir w frekansı için bu elemanların kompleks empedansları, [ ]ppp CjRZ ω+= /1 ve

)/(1 sss CjRZ ω+= ’den ve kayıp faktörü (18) ve (19) denklemlerinde yerine konarak

yeniden hesaplamaları mümkündür. Bu iki şarttan eşdeğer kapasiteler için

)tan1/( 2 δ+= sp CC

ve (20)

)tan1/( 2 δ+= ps CC

eşdeğer dirençler için

)tan/(1 δω pp CR =

15

ve (21)

)/()(tan ss CR ωδ=

eşitlikleri geçerlidir.

Eşdeğer kapasiteler Cs ve Cp de tam olarak aynı değildir. Ancak kayıp faktörü tanδ<10-1 olan

yalıtkanlar için pratikte bu fark çoğunlukla ihmal edilebilir.

Kayıpları az olan bir yalıtkanda paralel eşdeğer direnç Rp , (18) eşitli ğine göre çok büyüktür.

Seri eşdeğer direnç Rs için daha küçük değerler elde edilir.

Bir yalıtkanın kayıp gücü Pδ hesaplanmak istendiğinde bir çok ilişki kullanılabilir.

Genel olarak (10) eşitli ği uyarınca CCC sp ≈= kabul edilerek,

δδ tanCQP =

δω tan2CU= (22)

eşdeğer bağlama şemaları (18)’den kayıp güç için

pR

UP

2

=δ

ve (23)

2IRP s=δ

kayıp güç yoğunluğu için (23) eşitli ğinde sonsuz hacmin xAV ∆∆=∆ homojen bir alan

x

UE

∆∆= ile incelenmesinden aşağıdaki genel ifade elde edilir.

V

PP

∆∆

= δδ

)//()(tan))(/( 2' xAxExA ∆∆∆∆∆= δεω

2' .tan Eδωε=

2'' .Eωε=

16

GAZ DĐELEKTR ĐKLER

Gazlar en basit ve en yaygın kullanılan dielektriklerdir. Bu dielektriklerin en verimli şekilde

kullanılması için elektriksel davranışların özellikle iyonizasyona neden olan ve farklı elektrot

sistemindeki delinme değerlerinin bilinmesi gerekir. Deşarjın oluştuğu anda uygulanan

gerilimin maximum değerine deşarj gerilimi denir.

SIFIR ELEKTR ĐK ALAN ALTINDA GAZ DAVRANI ŞI

Elektrik alan olmadığı durumda gaz Boyle Yasasına uyar; formülle ifade edilirse,

PV=C (2.1)

olur. Burada P; gaz basıncı, V; gazın hacmi, C; m kütlesine ve T sıcaklığına bağlı bir sabittir.

V hacim değeri T sıcaklığı ile Gay Lussac Yasasına bağlı olarak değişir.

00 T

T

V

V = (2.2)

(2.2) denkleminde V0 ve T0 başlangıçtaki hacim ve sıcaklıktır. Đki ifade birleştirilirse

PV=nkRT (2.3)

olur. Burada nk gazın kilomole olarak değeri, R ise gaz sabiti olup 8314 J/ oK dir.

N0 =6,02*1023 molekül/mol, N ise gaz yoğunluk sayısıdır. N’=gaz içindeki moleküllerin

sayısı ve N’=Nv diyelim. nk yerine N’/N0 ve N’ yerinede Nv yazarsak eşitlik

RTN

NRT

N

NPV v

00

'

== (2.4)

olur. Buradan

P=NvkT (2.5)

yazılabilir.

Bağıntıda k Boltzman sabiti olup değeri k=R/N0 =1,3806*10-3 OK dir. Buradan şu sonuca

varılabilir. Gazın kinetik enerjisi, termal enerjisi ile ili şkilidir .

kTmv2

3

2

1 2 = (2.6)

Burada v moleküler hızdır.

17

Şekil 1 : Moleküler bağıl hız için Maxwell dağılım Fonksiyonu

Elektrik alan olmadığı durumda gaz moleküllerinin rasgele hızları sıfırdan sonsuza kadar

değişen aralıklarda olacaktır. Sabit bir gaz sıcaklığı için Maxwell moleküllerin hızların

dağılım fonksiyonlarını veren formül şu şekilde ifade edilir. (Şekil 1)

)exp(4

)( 22rrr vvvf −=

π (2.7)

Burada vr : relatif hız, vp : en sık olası hız, v :ortalama hız, ve veff : efektif veya rms hız olmak

üzere vp ile ilişkisi şu şekilde verilmiştir:

v=1,128vp (2.8)

veff =1,224vp (2.9)

Đki çarpışma arasında hiç çarpışma gerçeklenmeden parçacığın aldığı yola serbest yol (λ)

denir. Serbest yollar birbirinden farklılık göstereceği için ortalama serbest yol daha (λ )

pratiktir.

Eğer r1 ve r2 yarıçaplı Np tane çift parçacık varsa

δπ

λ 1

)(

12

21

=+

=pNrr

(2.10)

δ : çarpışmanın efektif değeri (effective collision cross section)

λ : ifadesi gazın sıcaklığı ile doğru, basıncı ile ters orantılıdır.

2.3 UYARILMI Ş PARÇACIKLARIN OLU ŞUMU

Yalıtkan bir gaz tarafından ayrılmış iki elektrot arasına bir gerilim uygulandığında, eğer

ortamda uyarılmış bir parçacıklar varsa bir akım geçer. Bu parçacıklar şunları içerebilir;

1. Elektron e- (Negatif değerli)

18

2. Pozitif Đyon (Bir elektronunu kaybetmiş nötr atom) A+=A-e-

3. Negatif Đyon (Dışarıdan bir e almış nötr atom) A-=A+e-

Gaz deşarjı sırasında yüklü parçacık oluşumu

A- e- e- ve A+

Gaz ortamında Katod yüzeyinde Gaz ortamında

Eklenme Fotoiyonizasyon Termal iyanizasyon

Đyon çifti oluşumu Alan emisyonu Fotoiyonizasyon

Elektron Çarpışması Çarpma ile iyonizasyon

Đyon bombardımanı

Bu parçacıklar çeşitli şekilde oluşabilir. (Tablo 1). Ancak bunlara geçmeden önce atomik yapı

ve enerji seviyelerini içeren Bohr Teorisini özetlemekte fayda vardır:

1. Elektronlar, nukleusun etrafında ayrı ve stabil orbitlerde enerji yaymadan bulunurlar. Bu

stabil yörüngeler nukleusun merkezinden r kadar uzaklıkta bulunurlar;

eevm

qhr

π2= (2.11)

Burada q : kuantum sayısı (Tam sayı),

h : Planck Sabiti (6,62*10-34 js),

ve : elektronun hızı

me : elektronun kütlesidir.

2. Bir atomun enerjisi W1 ’den daha az olan W2 ’ye değişirse, fazla enerji, frekansı fp olan

radyasyon kuantum (foton) şeklinde yayılır. Planck sabiti ile ilişkilidir;

hfp =W1 –W2 (2.12)

Serbest elektronlar, nötr atomların iyonizasyonu veya negatif iyonların ayrılması

(detachment) sonucunda oluşur. Đyonizasyon prosesi için minimum bir enerjiye gereksinim

vardır. Eğer atomun absorbe ettiği enerji bu değerin altında ise, bu uyarılmaya sebep

olacaktır. Böylece e atomdan ayrılmayacak fakat bir üst enerji seviyesine çıkacaktır. Genelde

uyarılmış durumlar stabil değildir ve atom ya daha fazla enerji olarak iyonize olacak veya

daha fazla enerjiyi saçarak eski stabil durumuna dönecektir. Đyonizasyon türleri şöyle

sıralanabilir.

19

2.3.1. ÇARPMA ĐLE ĐYONIZASYON

Đki elektrot arasında bir elektrik alan uygulandığında ve boşlukta bir serbest elektron varsa bu

elektron anoda doğru ilerlerken bir enerji kazanacaktır.

Eğer elektronun enerjisi, iyonizasyon enerjisinden az ise elastik çarpışma gerçekleşir veya gaz

içindeki atomlar uyarılır. Eğer elektronun enerjisi, iyonizasyon enerjisinden fazla ise inelastik

çarpışma olur ve gaz içindeki atom veya molekül uyarılır. Bu şekilde gerçekleşen inelastik

çarpışmalarda, her çarpışma sonucunda bir pozitif iyon ve extra bir elektron oluşur. Bu proses

stabil bir durum oluşana kadar devam eder.

−−−+ +→+ AeeA 2

−−−+ +→+ AeeA 2422 (2.13)

gibi devam eder.

2.3.2. FOTOIYONIZASYON

Uyarılmış bir atomun ömrü 10-9 ile 10-7 saniye arasındadır. Atom temel haline geri

döndüğünde foton şeklinde fazla enerjisini yayar. Bu düşük enerjili fotonlar için iyonizasyon

şu şekildedir:

phfAA +→∗

−− +→+ eBhfB p (2,14)

olur.

Burada A* A atomunun uyarılmış hali, hfp B atomunun iyonizasyon enerjisinden daha fazla

enerjiye sahip A atomunun yaydığı fotonun enerjisidir.

X ışınları, nükleer radyasyon veya kozmik ışınlarda moleküllerde fotoiyonizasyona neden

olabilirler.

2.3.3. TERMAL ĐYONIZASYON

Gaz sıcaklığındaki artış parçacıkların daha hızlı hareket etmesine ve çarpışma sonucunda

iyonizasyona neden olur. Termal enerji (Wt) nin kendisi ark ve alev sırasındaki gibi yüksek

sıcaklıklarda iyonizasyona neden olabilir.

−− +→+ eAWA t (2.15)

2.3.4. ELEKTRON AYRILMASI (DETACHMENT)

Negatif iyondan e ayrıldığında

−− +→ eAA (2.16)

20

olur. Bu durumda uyarılmış parçacık sayısı değişmez, ayrılma iyonizasyon prosesi gibi

görülebilir. Çünkü ağır ve yavaş hareket eden negatif iyonlar yerini hafif ve hızlı hareket eden

e- lar almıştır. Bu sayede elektronlar, negatif iyonlardan daha efektif olarak iyonizasyon

sağlayacaklardır.

2.3.5. KATOT PROSESLERI

Uyarılmış parçacıklar, elektrot yüzeylerinden özellikle katottan da sağlanabilirler. Normal

durumda elektronlar katı elektroda elektrostatik kuvvetlerle bağlıdır. Katottan ayrılan

elektron, malzemeye bağlı olan ve çıkış işi olarak bilinen bir minimum enerjiye gereksinimi

vardır. Bu enerjinin kaynağı ise aşağıda belirtilenlerin bir veya birkaçıdır.

Pozitif Đyon ve Uyarılmış Atom Bombardımanı

Pozitif Đyon katot yüzeyine çarptığında, katot çıkış işine eşit veya iki katı çarpışma enerjisine

sahip elektron serbest kalır. En az 2 e serbest kalır; biri pozitif iyonu nötrler, diğeri gaz

ortamına geçer. Nötr uyarılmış atom ve moleküllerin katodu bombardıman etmesi ile de

elektron açığa çıkar.

Fotoemisyon

Eğer katot yüzeyine çarpan fotonun enerjisi katodun çıkış işinden büyükse katottan bir e

ayrılacaktır.

Termoiyonik Emisyon

Katodun sıcaklığı arttırılarak (2000 K) termal titreşimle yüzeyden e koparılır.

Alan Emisyon

Yüksek elektrostatik alanlar elektron ve protonların birbirleri ile olan bağlarını koparır ve bir

veya daha fazla elektronun katottan ayrılmasını sağlar. 10-7_10-9 V/cm lik elektrik alanlar

oluştuğunda görülür. Güç sistem parçalarının çoğu daha alt seviyelerde strese tabi olurlar.

Faakat mikrohatalar ve çıkıntılarda alanın değeri bu seviyeler çıkabilir.

21

2.4. DEIYONIZASYON PROSESLERI

Deiyonizasyon gaz içinde uyarılmış parçacıkların özellikle elektronların azalmasıdır. Bunlar

iyonizasyona zıt olaylardır ve ark oluşumu ve çığ gelişimi gibi uygulamalarda önemli yer

tutar. Ana deiyonizasyon prosesleri şu şekilde özetlenebilir.

2.4.1. DIFÜZYON

Genel difüzyon eşitli ği

nDJ ∇−= (2.17)

J : akış yoğunluğu, n∇ : konsantrasyon gradyenti, D : difüzyon sabiti v : en yüksek hız.

3

.vD

λ= (2.18)

nDJt

n 2∇=−∇=∂∂

(2.19)

olup n iyon yoğunluğundaki değişim oranıdır. Bu ifade (2.19) herhangi bir an ve noktadaki

iyon konsantrasyonunu verir. Eğer bunu silindirik konsantrasyon için ifadeyi tekrar yazarsak

Dtrd 4= (2.20)

olur.

2.4.2. TEKRAR BIRLEŞME (RECOMBINATION)

Pozitif ve negatif iyonlar nötr atom oluşturmak için birleşirse;

phfABBA +→+ −+ (2.21)

olur. Tekrar birleşme oranı negatif ve pozitif iyonların konsantrasyonu ile orantılıdır.

−+−+ −== nn

dt

dn

dt

dn ρ (2.22)

burada ρ : yeniden birleşme katsayısıdır. Genelde nnn == −+ şeklindedir. O halde

22

2ndt

dn ρ−= (2.23)

eğer bu ifadenin zamana göre integrali alınırsa, herhangi bir andaki yük yoğunluğu

tn

ntn

ρ0

0

1)(

+= (2.24)

bu ifadede n0 : başlangıçtaki iyon konsantrasyonu

2.4.3. ELEKTRON EKLENMESI (ELECTRON ATACHMENT)

Bazı elektronegatif gazlar (örneğin O2, CO2, SF6 gibi) yavaş hareket eden serbest

elektronları alarak, ağır negatif iyonlar oluştururlar. Elektron eklenmesi, deiyonizasyon

prosesidir ve şu şekilde yazılabilir. −− →+ AeA

2.5. DÜZGÜN ALANDA GAZ DELINMESI

Elektrot seçimine bağlı olarak alan düzgün veya düzgün olmayandır. Düzgün alanda

iyonizasyon ve deiyonizasyon parametreleri sabittir. En çok kullanılan iki teori Townsend

Teorisi (1910)ve Kanal (Streamer) Teorisi (1940) dir.

Şekil 2.3 : Gaz yalıtkanlarda olası deşarj prosesleri

2.5.1. TOWNSEND DELINME TEORISI

Townsend DC gerilim altında delinme ve iyonizasyonu araştırmış ve deneysel sonuçlarını bir

teori ile açıklamıştır. n0 tane elektronun ultraviyole ışığı ile bir saniyede katottan yayıldığını

23

düşünelim. α 1. iyonizasyon katsayısı, alan doğrultusunda hareket eden e nun birim mesafe de

yaptığı iyonizasyon çarpışması sayısıdır. Gaz basıncına ve elektrik alana bağlıdır. Katottan x

kadar uzaklıktaki elektron sayısı nx ve d uzaklığındaki anoda erişen elektron sayısı nd olsun.

Şekil 2.4 : Townsend deşarjı için deney devresi

xx n

dx

dn α= (2.25)

ise )exp(0 xnnx α= (2.26)

benzer olarak, nd , d kadar uzaklığa yerleştirilmi ş anoda erişen elektron sayısı olmak üzere;

)exp(0 dnnd α= (2.27)

ifade edilebilir. Katottan ayrılan her bir elektronun oluşturduğu ortalama yeni elektronun

sayısı; 1)exp(0

0 −=−d

n

nnd α dır. (2.28)

Bir saniyede dolaşan elektron sayısı ile orantılı olarak, aralıkta oluşan ortalama akımın değeri

;

I=I0 exp(αd) (2.29)

Burada I0 katottaki başlangıç akımdır. Yukarıdaki ifadeler tek bir çığ prosesini açıklar. Fakat

α prosesi boyunca alan içerisinde genişleyen elektronların yanı sıra diğer(ikincil) prosesler

yardımı ile boşluk içerisinde yeni elektronlar açığa çıkacaktır. Oluşan bu ikinci elektronlar da

kendi çığlarını üretecektir. Đkinci prosesler katotta pozitif iyon bombardımanı,

fotoiyonizasyon ve (detachment) ayrılma ile elektron açığa çıkaracaktır. γ , Townsend ikinci

iyonizasyon katsayısıdır ve katottan ayrılan her bir elektronun oluşturduğu ikinci elektronların

24

net sayısını tanımlar. γ , E/P ‘nin bir fonksiyonu, aynı zamanda elektrod malzemesi gibi

parametrelere bağlıdır. Đkincil proseslerin akımın değerine olan etkisi şu şekilde ifade

edilebilir;

ns :katotta 1 saniyede oluşturulan ikincil elektronların sayısı,

st nnn += 0 1 saniyede katottan ayrılan toplam elektron sayısı olursa;

Anoda erişen e- sayısı ;

)exp()()exp( 0 dnndnn std αα +== (2.30)

olur. Yukarıdaki tanımdan ;

)( tds nnn −= γ (2.31)

olduğundan

)]([ 0 sds nnnn +−= γ (2.32)

ve sonuçta (2.30) ve (2.32) ifadelerinden yararlanarak toplam elektron sayısı;

]1)[exp(1

)exp(0

−−=

d

dnnd αγ

α (2.33)

olur. γ ve α prosesleri sonrasında akan akım;

]1)[exp(1

)exp(0

−−=

d

dII

αγα

(2.34)

olur.

Delinmede I=∞ olur, çünkü bu durumda akımı sadece dış devrenin direnci sınırlar. Bu duruma

Townsend Delinme Kriteri denir ve şu şekilde ifade edilir:

1]1)[exp( =−dαγ (2.35)

ve normalde exp(αd)>>1 dır. Bu durumda yukarıdaki ifade;

1)exp( =dαγ (2.36)

α ve γ prosesleri, E ve P değerine bağlıdır, belirli bir d mesafesi için Townsend Delinme

Kriterini sağlayan bir E ve V değeri vardır. Delinme kriteri V değerini sağlayan gerilime,

delinme (sparkover) gerilimi Vs , d mesafesine ise atlama (sparking) mesafesi denir.

Elektronegatif gazlarda α ve γ proseslerinin yanı sıra elektron eklenmesi de söz konusudur.

Bu nedenle akımın artışını veren eşitlikte eklenme katsayısı da göz önüne alınmalıdır. Bu

25

durumlar için Townsend delinme kriteri değiştirilmelidir. Townsend mekanizması düşük

basınçlarda Pd<=1,5 bar-cm (hava için) değeri içingeçerlidir. Daha büyük aralıklarda ve daha

büyük Pd değerlerinde gazlarda delinme kanal teorisi ile açıklanır.

2.5.2. KANAL TEORISI

Townsend Teorisi deneysel çalışmalar sırasında görülen kıvılcım kanalı boyunca yer alan

dallanmaları ve zigzagları, ve aşırı gerilim veya yüksek Pd değerlerine sahip aralıklardaki kısa

süreli delinme sürelerini açıklamada yetersizdir. Bu ve diğer sınırlandırmalar kanal teorisinin

ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu teaoriyi kısaca özetlersek;

1. Düzgün elektrik alanda bir çığı içerisinde hızlı hareket eden elektronlar ve yavaş hareket

eden pozitif iyonlar mevcuttur(Şekil 2.5a). Bu nedenle ana alana ters, bir yüklü alan

oluşacaktır. Burada anot tarafından elektronlar absorbe edilecek ve pozitif iyonlar

birikecektir. Bu çığ sonrasında çarpışmalar sonucunda uyarılmış atomlarda oluşacak ve bu

uyarılmış atomlar fotonlar yayacaktır.

2. Bu fotonlar gaz atomları tarafından absorbe edilecekler ve çığdan çeşitli uzaklıklarda gaz

içinde fotoelektronlar oluşturacaklardır. Bu fotoelektronlar daha sonra uygun noktalardan

ikincil çığların oluşumuna neden olacaktır.

3. Yardımcı çığlarda oluştuktan sonra daha çok sayıda foton ve fotoelektronlar oluşur.

Böylece üçüncü kuşak yardımcı çığlar oluşur(Şekil 2.5b). Elektronlar uzun süre ana alan

çizgisini, uzay yüklerinin oluşturduğu alan nedeniyle takip edemez. Sonrasında çığda

görülen zigzaglar ve dallanmalar oluşur(Şekil 2.5c). Bu dallanmalar pozitif iyonlarla

besleneceğinden kendilerine bir süreklilik sağlar ve anottan katoda doğru iyonize olmuş

bir kanal oluşur.

26

4. Bir çığ bittiğinde hemen onu besleyen yeni çığlar oluşur. Ve bu proses devam ederse

sonuçta anot ile katot arasında delinmeyi gerçekleştirecek büyüklükte bir kanal oluşur.

Oluşan kanal Şekil 2.5d de verilen tamamlanmamış pek çok dala sahip bir kanala benzer.

Kanal bir kez oluştuktan hemen sonra delinme gerçekleşecektir. Düzgün elektrik alan

altındaki aralıklarda kanal delinme kriterini matematiksel olarak şöyle ifade edebiliriz.

c

d

ndx=∫0

.α (2.37)

Burada nc çığın kanala dönüşmesi için çığda yer alabilecek kritik e- ve iyon sayısıdır.

Genelde hava ve diğer gazlar için nc ≈108 kabul edilir.

2.5.3. PASCHEN YASASI

Townsend delinme kriterine bağlı olarak, delinme gerilimi Vs ile, elektrotlar arasındaki d

mesafesi ile basıncın çarpımı P arasında bir ilişki söz konusudur. Bu ilişki şu şekilde ifade

edilebilir.

α ve γ proseslerinin her ikisi de, elektrik alan E ve gaz basıncı P’ye bağlıdır.

=P

Ef

P 1

α ve

=P

Ef2γ (2.38)

ve düzgün elektrik alanda,d

VE = ,

=Pd

Vf

P 1

α ve

=Pd

Vf2γ (2.39)

(2.35) ifadesinde (2.39) da yer alan eşitlikleri yerine yazarsak;

11exp 12 =

−

Pd

VPdf

Pd

Vf (2.40)

olur. Burada belli bir P.d değeri için bir adet V değeri vardır ve bu değer Vs delinme gerilimi

değerine eşittir.

27

Şekil 2.6. Paschen Eğrisi (hava için)

)(PdfVs = (2.41)

(2.41) ifadesi Paschen Yasası olarak adlandırılır. Şekil 2.6 ‘da hava için Paschen eğrisi

verilmiştir. Bu eğri belirli bir Pd değeri için minimum Vs değerlerini göstermektedir.

28

2.6. DÜZGÜN OLMAYAN ALANDA GAZ DELINMESI

Düzgün olmayan alanlarda, gazın dielektrik dayanımından daha fazla stressin olduğu

noktalarda delinme gerçekleşir ve bölgesel delinme (Partial discharge, Pd) olarak bilinir.

KORONA OLU ŞUMU

Korona oluşumu için gerekli kritik stres değerine korona başlangıç alanı denir. Korona

oluşumunu açıklamak için aşağıdaki bağıntılardan yararlanılır.

1) Topraktan yukarıda tek bir iletkende stabil bir korona oluşması için kritik Ec alanı vardır.

)301,0

1(30rRAD

RADmE sc −+= (kVpeak/cm) (2.42)

Burada r : iletkenin yarıçapı,

RAD : rölatif hava yoğunluğu ve

ms : yüzey düzgünsüzlük faktörüdür.

H elektrotun yerden yüksekliği ise

=r

HrEV cc

2ln (2.43)

2) Đç yarıçapı r1 ve dış yarıçapı r2 olan koaksiyel silindir için

)308,0

1(31rRAD

RADmE sc −+= (2.44)

=

1

21 ln

r

rrEV cc (2.45)

olur. P (mbar), T(K) olarak verildiğinde

=T

PRAD

293

1013 (2.46)

29

2.6.2. KORONA DEŞARJI (DC VEYA - + YARIM DALGA AC)

Korona deşarjları en iyi küre (veya çubuk)- düzlem elektrod konfigürasyonlarında gözlenirler.

Seçilen küre (veya çubuk) yarıçapı istenilen düzgün olmayan alana değerine göre

seçilir.Uygulana gerilim ve elektrod şekline göre 6 farklı korona söz konusudur. Bunların üç

tanesi pozitif DC veya + yarım dalga AC ve üç tanesi negatif DC veya – yarı dalga AC

gerilimde gözlenir. Tablo 2.3 de Korona türleri özetlenmiştir. Şekil 2.7 de ise artan uygulanan

gerilim ile görülen farklı korona türleri verilmiştir.

Pozitif ve negatif korona oluşumu için gerilim değerleri mutlak değer alındığında yaklaşık

olarak aynıdır. Kullanılan çubuğun çapına ve elektrodlar arası mesafeye bağlı olarak bu

verilen korona oluşumlarının bazıları gözlenemeyebilir ya da her iki türde aynı anda

gözlenebilir.

Negatif Korona

Trichel Darbeleri

e lar zayıf alan bölgesine geldiğinde, negatif iyonlar oluştururlar. Uygulanan elektrostatik alan

E0 ve yüklere bağlı olan alan Es olarak kabul edilirse, desarj keskin elektrot üzerinde (E0 –Es )

kritik değerinin altına indiğinde biter.

Şekil 2.9 : Negatif Korona akımı (Trichel darbesi)

Negatif Glow

Deşarjın sürekli ve akan akımın darbesiz olduğu durumdur.

Negatif Öncü Kanallar

Gerilimi arttırarak elektrotlar arsında tam olmayan kanallar oluşur.

Pozitif Korona

30

Onset Kanallar

Bunlar yavaş yükselme süreleri olan ve düşük değerdeki darbeler oluşur.

Pozitif Glow

Bu durumda sürekli bir akım akabilir.

Pozitif Öncül Delinme Kanalları

Delinmenin gerçeklenmesi için gerilim arttırıldığında tam olmayan kanallar oluşur.

DÜZGÜN OLMAYAN ALANDA DELINME

Düzgün olmayan alanda α ve γ sabit değildir. Eğer alan faktörü 5maxp

ortE

Ef = ise yarı düzgün

(quasi uniform) elektrik alan denir ve deşarj davranışı düzgün alandakine benzerdir. Eğer f>5

ise alan, düzgün olmayan davranışı gösterir. Düzgün olmayan alanda korona, delinmenin

davranışı için önemli rol oynar.

Korona başladığında, uygulanan elektrik alan, yüklerden oluşan alan nedeni ile daha

kompleks hale gelir.

Düzgün olmayan alanlarda negatif polariteye göre pozitif polaritenin delinme gerilimi daha

düşüktür.

2.7. DELINME SÜRESI

fs ttt += formülünde ts statistical süre, tf formative süredir(Đlk elektronun koptuğu süre).

si VVV −=∆ formülünde ise Vi darbe delinme gerilimi , Vs delinme gerilimi olmak üzere ∆V

arttıkça t süresi azalır.

2.8. NANOSECOND DARBE GERILIMINDE DE ŞARJ

Elektrik alanı varlığında elektronlar )exp(0 xnnx α= formülüne göre artar. Çığın oluşması için

Xc mesafesindeki e sayısı 108 kadardır. n0 =1 olduğu durum çığın oluşacağı kritik mesafe;

αc

c

nX

ln= (2.47)

31

Eğer Xc >d ise delinme gerçekleşir, eğer Xc <d ise delinmenin gerçekleşmesi için yeterince

fotonun iyonize olması istenir.

e

ce V

nT

αln= (2.48)

dn

X cc p

αln= ve dex

e

ce T

V

nT f

αln= (2.49)

şeklinde de formülle ifade edilebilir.

Bu koşullar nanosaniye mertebesinde darbe gerilimi uygulandığı durumlar için geçerlidir. Bu

gerilim türünün avantajı düşük enerji ile gereksinimidir. Çünkü burada sadece elektronlar

hızlandırılmakta, gaz sıcaklığı düşük olmaktadır.

32

3. HAVA YALITKANI

Havanın elektriksel olarak delinme davranışının bilinmesi yüksek gerilim tasarımcı ve

operatörleri için oldukça önemlidir. Hava yalıtım amacıyla iletim hatlarında faz-faz ve faz-

toprak arası yalıtımda kullanılır. Ayrıca kesmede, kıvılcım ve kullanılan hava aralığı

ölçümünde kullanılır. Yüksek gerilim sistemlerinde gaz yalıtkan olarak hava kullanılmasının

nedenleri havanın bol, ucuz ve delinmeden sonra kendi kendini onarabilmesidir.

Yüksek gerilim sistemlerinde kullanılan hava yalıtımı için önemli bazı büyüklükler aşağıda

tanımlanmaktadır.

Gerilim stresi

Yüksek gerilim sistemleri anahtarlama hataları veya atmosferik nedenlerle geçici yüksek

gerilimlere maruz kalırlar. Yalıtım sisteminin ölçülendirmesi yapılırken hava aralığının bir

yıldırım darbesine yada standart anahtarlama darbeleri karşısında delinme davranışı

bilinmelidir. Özellikle ≤300 kV’un altındaki iletim hatları için yıldırım darbeleri kritik öneme

sahiptir. Bu nedenle hava yalıtımlı bir eleman tasarımı için darbe delinme gerilimini bilmek

önemlidir.

Darbe gerilimi uygulanan elektrot sistemleri için delinme olasılığı

Sıcaklığın sabit tutulduğu düzgün bir elektrik alan altında AC ve DC delinme gerilimi, gaz

basıncı (P) ve elektrotlar arası mesafenin (d) bir fonksiyonu olduğunu gaz yalıtkanlar

bölümünde görülmüştü. Eğer elektrotlara arasında alan dağılımı düzgün değil ise elektrotlar

arasındaki delinme gerilimi ayrıca korona ve bölgesel yüklenmelerden de etkilenecektir.

Böylece asimetrik alan dağılımına sahip elektrotlar arasında delinme gerilimi polariteden de

etkilenmiş olacaktır. Pozitif stres uygulanmış elektrotların darbe gerilim değeri negatif stres

uygulanmış elektrotun darbe gerilim değerinden daha düşüktür. Dolayısıyla elektrotlara

uygulanan pozitif polariteli delinme gerilim değerinin bilinmesi daha önemlidir.

Sabit değerde bir darbe gerilimi elektrotlara uygulandığında belli bir zaman sonra delinme

gerçekleşecektir. Dolayısıyla verilen bir elektrotlar arası mesafe için delinme olasılığını veren

darbe gerilimi değerini bilmek önemlidir. Bunun için bazı parametreler bilinmelidir.

V50 = %50 delinme gerilimi seviyesi (Delinmenin % 50 olasılıkla gerçekleştiği gerilim değeri)

V0 = %0 delinme gerilimi seviyesi (Delinmenin gerçekleşmediği maksimum gerilim değeri)

33

V100 = %100 delinme gerilimi seviyesi (Delinmenin her uygulamada gerçekleştiği en düşük

gerilim değeri)

σ = delinme geriliminin standart sapması

COV = 50/Vσ = delinme gerilimindeki değişme katsayısı

Hava kullanılan elektrotlar arasında delinme gerilimi olasılığı genelde Gausian veya normal

olasılıklı dağılım gösterir. Bu nedenle gerilim ile delinme olasılığı arasındaki ilişki düz bir

çizgi şeklindedir(Şekil 3.1). Eğer olasılık fonksiyonu dağılımı normal iseσ şu şekilde

hesaplanır;

16505084 VVVV −=−=σ

Eğer delinme gerilimi eğrisi normal dağılımlı ise daha da ileri giderek yaklaşık olarak

σ3500 −≈ VV ve σ350

100

VV ≈ yazabiliriz. Yalıtkan olarak havanın kullanıldığı sistemlerde V50

delinme gerilimi değerini bilmek önemlidir.

Şekil 3.1 Normal delinme gerilimi olasılığı dağılımı

3.1. DELINME GERILIMI KARAKTERISTIKLERI

Pek çok uygulamada görülmüştür ki hava yalıtkanlı elektrot sistemlerinde elektrik alan

dağılımı düzgün olarak gerçekleşmemektedir. Pratikte kullanılan hava yalıtkanlı yalıtım

sistemlerinde delinme davranışını simule etmek için farklı elektrot konfigürasyonlarından

yararlanılır. Fakat tek başına elektrot konfigürasyonu delinme davranışını tanımlamakta

34

yeterli olmamakta bunu yanı sıra gerilimin dalga formu, gerilimin polaritesi, hava basıncı,

sıcaklık rutubet ve atmosferik kirlilik gibi parametrelerinde göz önüne alınması gerektiği

yapılan çalışmalar ile görülmüştür.

Kullanılan elektrot çeşitleri :

Küre-küre elektrotlar: Simetrik ve düzgün bir elektrik alan oluşur. En yüksek ortalama

delinme dayanımı bu küre-küre elektrot sistemlerinde görülür. Delinme gerilimine etki eden

faktörler; küre çapı, elektrotlar arası mesafe, gerilimin polaritesi ve dalga şeklidir. (Şekil3.2.a)

Çubuk-çubuk elektrotlar : Simetrik fakat düzgün olmayan elektrik alan görülür. (Şekil 3.2.b)

Çubuk-düzlem elektrotlar : Asimetrik ve düzgün olmayan elektrik alan oluşur. En düşük

ortalama delinme gerilimi değeri bu elektrot sisteminde gözlenir. (Şekil 3.2.c)

Şekil 3.2 :Çeşitli elektrot şekilleri (a) Küre-küre elektrotlar, (b) Çubuk-çubuk elektrotlar, (c)

Çubuk-düzlem elektrotlar. r : çubuk veya küre elektrot çapı; d: elektrotlar arası mesafe.

Çubuk-düzlem elektrot aralığında delinme gerilimi karakteristiği

Đletim hatlarında faz-faz, faz-direk arası mesafeler belirlenirken çubuk-düzlem elektrot

sistemlerinden elde edilen delinme gerilimi verilerinden yararlanılır. Orta ve yüksek gerilim

hatlarında delinme olmaması için minimum hava aralığı mesafesi, AC gerilim stresi, korona

etkileri ve yıldırım darbe gerilimi seviyesi ile belirlenirken, Ekstra yüksek gerilim hatlarında

minimum hava aralığı mesafesini belirlemede pozitif anahtarlama darbe gerilimi değeri kritik

önem kazanmaktadır. Bu nedenle çubuk-düzlem elektrot aralığındaki pozitif anahtarlama

darbe gerilimleri önemlidir. V50 delinme gerilimi değeri ve d hava aralığının uzunluğu

35

arasındaki bağıntıyı d<30 m için pozitif anahtarlama gerilimlerinde veren çok sayıda ampirik

formül araştırmacılar tarafından ortaya atılmıştır(Tablo 3.1). Bu formüller ile çıkan sonuçlar

ve deney sonuçları birbirine yakındır. d<30 m için ortaya atılan formüller belli bir elektrotlar

arası mesafe için geçerli olmakta 30 m’ye kadar olan açıklığın tamamı için pozitif

anahtarlama darbe gerilimini veren tek bir ifade yapılan çalışmalar arasında yer almamaktadır.

d>30 m olan hava aralıkları için çalışmalar ise sürdürülmektedir.

Şekil 3.3 : Hava yalıtkanı kullanılan farklı elektrot açıklıklarına sahip elektrot sistemleri için

%50 delinme gerilimi seviyesi grafiği

Yukarıdaki şekil 3.3 de kullanılan ampirik formüller şöyledir;

Tablo 3.1 : çubuk-düzlem elektrotları arasında pozitif anahtarlama darbe ergilimi değerlerini

veren bazı formüller.

V50 (kV) d (m) Referans Eğri No

6,0.500d 2≤d≤8 Paris 1

)/81/(3400 d+ d≤15 Gallet et al 2

[ ])lnln(33,11450 dd −+ d≤10 Lemke 3

[ ] 350.102,3105,15,056 −+ dxx d≤20 Waters 4

[ ] )/(1tanh)/(11260 15,0 drdr −− − d≤20 Aleksandrov 5

1400+55d 13≤d≤30 Pigini et al 6

( ) ( )[ ][ ]78/89,31/501556 +++ dd d≥4 Rizk 7

)146,0ln(1080 +d d≤25 Kishizima et al. 8

36

3.2. HAVA YALITKANIN DELINME GERILIMINE ETKI EDEN F AKTÖRLER

1. Elektrot şeklinin etkisi

Paris yaptığı çalışmalarda Hava yalıtkanı kullanılan bir elektrot sistemi için V50 değeri ile aynı

elektrotlar arası mesafeye sahip çubuk-düzlem elektrotun V50 değeri arasında aşağıdaki ifade

de verildiği gibi orantılı olduğunu göstermiştir.

prx KVV −= 5050

xV50 = bilinmeyen x hava aralığına sahip sistemin V50 değeri

prV −50 = çubuk-düzlem elektrot sisteminin aynı elektrotlar arası mesafe için V50 değeri

K = elektrotlar arası mesafeye bağlı bir faktör

Tablo 3.2: Çeşitli elektrot konfigürasyonları için K faktörü değerleri

Elektrotlar arası konfigürasyon K faktörü

Çubuk-düzlem 1

Đletken-düzlem 1,12-1,25 (d’ye bağlı olarak değişir)

Toprak üzerinde yatay çubuk-çubuk 1,35-(d/H1-0,5 )

Topraktan H1 kadar yüksekte dikey çubuk-

çubuk dH

H

++ 6,01

Đletken-çubuk (1,1’den 1,15)exp[0,7H/(H/H+d)]

Paralel iletkenler 1,6-1,75 (d’ye bağlı olarak değişir)

H: topraklanan çubuğun uzunluğu, d : elektrotlar arası mesafe

Tablo 3.2’de sık kullanılan elektrot konfigürasyonları için K değerleri verilmiştir.

Elektrotların simetrisizliği arttıkça K değeri de artacaktır. K>1,6 olduğu durumda negatif

polariteli anahtarlama darbe gerilim değerleri önem kazanacaktır.

2. Gerilimin dalga şeklinin etkisi

Atlama gerilimi değeri uygulanan gerilimin dalga şekline bağlıdır. Çünkü delinme öncesi

dönemde yüklerin birikip atlamanın gerçekleşeceği zamana kadar geçecek süre gerilimin

dalga şekline bağlıdır. Deşarj öncesi aralıkta biriken yükler hızlanır, aralıktaki elektrik alan

37

dağılımını değiştirir ve atlama mekanizmasını etkiler. Elektrotlar arası aralıktaki yüklerin

davranışı uygulanan gerilimin dalga şekline bağlıdır. Şekil 3.3 ve şekil 3.4 te çubuk-düzlem,

çubuk-çubuk elektrot sistemleri için delinme geriliminin dalga şekli ile elektrotlar arası

mesafe arasındaki ilişki verilmiştir. Aynı elektrotlar arası mesafeye sahip çubuk-düzlem

elektrot sistemi için delinme gerilimi çubuk-çubuk elektrot sisteminden düşüktür. Aynı

şekilde pozitif darbe delinme gerilimi negatif darbe delinme geriliminden düşüktür. Bazı özel

durumlarda (ortamda aşırı nem olması gibi) negatif delinme gerilimi pozitif delinme

geriliminden düşüktür.

Şekil 3.3 : Çubuk-düzlem elektrot sistemi için delinme gerilimi karakteristiği

Şekil 3.4’den de görüleceği üzere çubuk düzlem elektrot sistemi için darbenin ön süresinin

arttırılması ile delinme gerilimi kritik bir değere kadar azalır. Eğer ön süre biraz daha

arttırılırsa delinme gerilimi de artar. Dolayısıyla delinme gerilimi ile darbe süresi arasındaki

ili şki U şeklindedir. Tipik U eğrileri Şekil 3.6 da verilmiştir.

38

Şekil 3.5: Çubuk-çubuk elektrot sistemi için delinme gerilimi karakteristikleri

En düşük delinme gerilimi değeri çubuk düzlem elektrot sistemine tcr yükselme süreli pozitif

anahtarlama darbe gerilimi uygulanması durumunda elde edilir.

( )[ ]dKtcr .13550 −−=

tcr yükselme süresi µs ‘ler mertebesinde olup elektrotlar arası mesafe ve elektrot şekline bağlı

olarak değişir.

EHV ve UHV hatlarda darbelerin yükselme süresi, tcr ye eşittir.

39

Şekil 3.6 : Çubuk-düzlem elektrot sistemi için darbe gerilimi yükselme süresinin pozitif

delinme gerilimine etkisi

3. Atmosferik parametrelerin etkisi

Sıcaklık, basınç, nem, yağmur(veya kar) ve rüzgar gibi atmosferik parametreler delinme

gerilimini etkiler. Sıcaklığın (T) artması sırasında gerçekleşen moleküller arasında mesafenin

artması durumu basıncın (P) azalması sırasında da gözleneceğini temel fizik yasalarından

bilmekteyiz. Bu iki değişkenin (P ve T) etkisi birlikte bağıl hava yoğunluğu (RAD : Relative

Air Density) ifadesinde şu şekilde ifade edilir.

++

=

=

0

0

0 273

20273

1013 T

P

T

T

P

PRAD

Burada P0 : standart atmosferik basınç deniz seviyesinde 1013 mbar;

T0 : standart ortam sıcaklığı 293 K (20 C)

Bağıl hava yoğunluğu değerindeki artış delinme gerilimini de arttırır. Rutubet deşarj

parametreleri olan iyonizasyon ve iyon eklenme katsayılarını etkiler. Rutubet (Humidity)

2<H<25g/m3 aralığının dışında delinme gerilimi artar. Bu artış aynı zamanda alanın

konfigürasyonuna, elektrotlar arası aralığın uzunluğuna, gerilimin dalga şekline, uygulanan

gerilimin polaritesine ve H rutubet değerine bağlıdır. Ayrıca standartlarda verilen rutubet

düzeltme faktörüne (kh ) de bağlıdır.

40

IEC 60-1 ‘e bağlı olarak, standart olmayan atmosferik koşullarda delinme gerilimlerine

aşağıda verilen düzeltme faktörleri uygulanabilir.

1) Hava yoğunluğu düzeltme faktörü mRADk )(1 =

m : elektrot geometrisi, aralığın uzunluğu ve uygulanan gerilimin dalga formuna bağlı bir

üsttür.

2) Eğer H=11 g/m3 den daha farklı bir rutubet değeri ise aşağıdaki rutubet düzeltme faktörü

kullanılır. Rutubet düzeltme faktörü wkk =2 dır. Burada

−=

1

1

RAD

HA

k

A = 0,01 ; 0,012 ve 0,014 sırasıyla darbe, AC ve DC gerilimler için katsayı

).(..50050

RADkd

Vg =

Şekil 3.7 g fonksiyonuna bağlı m ve w değerlerini göstermektedir.

Şekil 3.7 : m ve w değerlerinin g fonksiyonuna göre değişimi.

Va ; hava aralığındaki delinme gerilimi ile Vs ; standart atmosfer koşullarındaki delinme

gerilimi değeri arasındaki bağıntı ;

)( 211 kkVkVV sa ==

Rüzgar delinme gerilimine çok az etkir fakat korona karakteristiklerini etkiler. Fakat rüzgar

iletim hatların hareket edip birbirlerine yaklaşmasına neden olabilir. Bunun sonucunda da

delinme olasılığı artacaktır. Rüzgar etkisi ile gerilim atlamalarını belirgin olarak azaldığı

41

yapılan çalışmalarda gözlenmiştir. Dolayısıyla hat tasarımında iletim hatlarının her birinin

direklere yerleştirilmesi sırasında göz önüne alınması gereken bir parametredir.

Yağmur açık havada elektrotlar arasındaki delinme karakteristiklerini etkiler. Açık havada

büyük elektrot açıklıklarında yağmur delinme gerilimini azaltır. Yağmur damlaları elektrot

yüzeylerinde sivri uçlar oluştururlar bu uçlar elektrot yüzeyinde düzgün olmayan alanların

oluşmasına ve sonuçta delinme geriliminin düşmesine neden olur.

4. Kum/kir parçacıkların etkisi

Kum ve kir partikülleri yalıtkanın açık havadaki davranışını ciddi şekilde etkilemektedir. Bu

etkinin incelenmesi ilk yıllarda pratik uygulamalardan çok uzak olan kısa aralıklarda

yapılırken günümüzde H<11 g/m3 için ≤1000 kV 'luk yıldırım darbeleri ve ≤850 kV'luk

anahtarlama darbelerinin etkisi çubuk-çubuk, çubuk-düzlem, küre-küre ve küre-düzlem

şeklindeki elektrotlar için çalışmalar yapılabilmektedir.

4.a. Çubuk -düzlem elektrot sistemleri

Kir ve kum partikülleri çubuk-düzlem elektrotlar arasında pozitif darbe gerilimlerinin delinme

gerilimi değerini biraz azaltır. Yapılan çalışmalarda pozitif darbe gerilimi için en fazla azalma

değeri %3 olarak ölçülmüştür.

Buna karşılık toz ve kir partikülleri negatif darbe gerilimi uygulanan çubuk-düzlem elektrot

sisteminde elektrotlar arası mesafe küçük olduğunda %35, elektrotlar arası mesafe mesafesi

orta uzunlukta ise %75 artırmaktadır. Fakat elektrotlar arası mesafe arttığında atmosferik

kirlilik delinme gerilimini azaltıcı yönde etki eder(Şekil 3.8).

42

Şekil 3.8 : Temiz ve kirli elektrotlarda elektrotlar arası mesafe ile V50 delinme gerilimi

arasındaki ilişki

Ayrıca sonuçlar göstermiştir ki aşırı partikül kirliliği olan güç hatlarında negatif polaritedeki

delinme gerilimi, pozitif polaritedeki delinme geriliminden fazla veya yakın değerdedir.

Yalnızca çok az kirlilik olan elektrotlar arasında negatif polarite delinme gerilimi, pozitif

polarite delinme geriliminden azdır. Açık havada kullanılacak elemanlarda korona etkilerini

azaltmak ve/veya gerilim dağılımının düzgün bir şekilde olması için geniş yüzeyli elektrotlar

kullanılır. Bu tür elektrotlarda (quasi-uniform) yarı düzgün bir alan oluşur ve şekilde

görüldüğü gibi kirlilik negatif polaritedeki delinme gerilimi seviyesini düşürür. Sonuç olarak,

kirlenmiş elemanlarda negatif polariteli delinme gerilimi değeri, pozitif polariteli delinme

gerilimlerinden daha düşüktür. Bu yüzden açık havada kullanılacak olan elemanların

tasarımında birincil olarak önemlidir. Şekil 3.8’de temiz ve kirli elektrotlarda elektrotlar arası

mesafe ile V50 delinme gerilimi arasındaki ilişki verilmiştir.

4. b. Çubuk-çubuk elektrot sistemleri

Çubuk-çubuk elektrot sistemlerinde toz ve kirlilik delinme gerilimi değerini oldukça

değiştirmektedir. Bu etki gerilimin polaritesine, elektrot şekline ve aralığın uzunluğuna

bağlıdır. Şekil 3.9 da çubuk-çubuk elektrot sistemlerinde temiz ve kirli elektrot yüzeyleri için

V50 değerleri karşılaştırılmıştır. Şekil 3.9’dan da görüldüğü gibi kirlilik etkisi elektrotlar arası

mesafenin genişliğine göre 3 gruba ayrılabilir: Küçük, orta, büyük.

43

Şekil 3.9 : Çubuk-çubuk elektrot sistemlerinde temiz ve kirli elektrot yüzeyleri için V50

değerleri.

Kirlilik küçük elektrotlar arası açıklıkta V50 değerini azaltmakta, orta seviyede elektrotlar

arası açıklıkta V50 değerini arttırmakta ve geniş elektrotlar arası açıklıkta kirliliğin V50

değerine bir etkisi olmamaktadır. Kirliliğin olumsuz şiddetli etkileri < 450 kV kadar olan

darbe gerilimleri ile sınırlıdır. Dolayısıyla 33 ve 66 kV 'luk orta gerilim işletme sistemlerinde

kirlilikten ötürü performans karakteristikleri sapmaktadır. Bu durum aynı şekilde kare kesimli

çubuk ve yarı küre kesimli çubuk-çubuk elektrot sistemlerinde de görülebilir.

d/r>30 tutarak yapılan V50 değeri için Tb delinme süresi kirli olan elektrot yüzeyi ile temiz

olan elektrot yüzeyi arasında ±%10 şeklindedir. Amerikan standartlarında V50 değerinin 20 ile

240 mm elektrotlara arası açıklığa sahip çubuk-çubuk elektrotları için bu değer ±%8 olarak

verilmiştir. Geniş elektrotlar arası mesafeli çubuk-çubuk elektrot sistemleri için delinme

gerilimi kirlilik nedeni ile ±%2 değişir ve bu değerde tasarım aşamasında göz önüne alınmaz.

4.c. Küre-küre elektrot sistemleri

±%3 yaklaşıklıkla en yüksek delinme gerilimini bulmada kullanılır. Şekil 3.10 da (Vp/Vc)

nin d/D ye bağlı eğrisi verilmiştir.

d :aralığın uzunluğu

D : küre elektrotun çapı

d/D ≤ 0,5 olduğunda hava kirliliği küre-küre elektrot sisteminde delinme gerilimini

düşürmektedir. Bilindiği üzere ±%3 yaklaşıkla delinme gerilimini elde etmek için, küreler

44

arasındaki elektrotlar arası açıklık mor ötesi ışıklarla aydınlatılır. Eğer yeterli ultraviyole ışık

uygulanırsa toz ve kirin etkisi delinme gerilimini değiştirmeyecektir. Aksi durumda V50

delinme gerilimi değeri toz ve kir nedeni ile düşecektir.

Şekil 3.10: Küre-küre elektrot sisteminde kirliliğin, d/D değeri ile değişimi.

Gerilim zaman eğrisi ve yalıtkan koordinasyonu

Bir yalıtkanda delinmenin gerçekleşebilmesi için şu koşulların yerine getirilmesi

gerekmektedir.

1. Đyonizasyonun başlayabilmesi için en az bir adet serbest elektron olmalıdır.

2. Đyonizasyonun ve çığ oluşumunun gerçekleşmesi için yeterli gerilim

3. Delinme işleminin tamamlanması için yeterli zaman

Delinme gerilimi değeri, delinmenin gerçekleştiği zamanla orantılıdır. Bu ilişkiye gerilim-

zaman karakteristiği veya kısaca V-t eğrisi denir. Bu eğri yalıtkan malzemeye, gerilimin dalga

şekline ve elektrot şekline ek olarak basınca, neme, vs. bağlıdır.

Aşırı gerilim koruma devrelerinin tasarımında V-t eğrileri önemlidir. Şekil 3.11 de basit bir

yüksek gerilim koruma devresi verilmiştir. Korunacak elemanın önüne konan koruyucu aygıt

bir çubuk-çubuk elektrot sistemi gibi davranır. Böylece aşırı gerilimler karşısında daima daha

önce delinerek eleman korunabilir.

45

Şekil 3.11 : Yüksek gerilim koruma devresi modeli

Aşırı gerilim korumada elektrotlar arası mesafelerin seçiminde, çubuk sonlu profilinin türü, uç

kısmının yarıçapı, elektrot aralığının uzunluğu ve aralık konfigürasyonun (tekil aralık veya

çoklu aralık) ve dikey veya yatay elektrotlar arası mesafeler önemli tasarım parametreleridir.

Şekil 3.12’ den de görüldüğü gibi büyük çaplı elektrot ve elektrotlar arası açıklığın dar

olduğu, kirli ve temiz elektrotlar için uygulanan (+) ve (-) polariteli gerilimler sonucunda

ortaya çıkan delinme gerilimi değerleri verilmiştir. Elde edilen sonuçlar birbirinden oldukça

farklıdır. Sonuçta çubuk-çubuk elektrot sistemlerinde kirliliğin etkisini azaltmak ve böylece

aşırı gerilim koruma performansını arttırmak için çubuk elektrotların yarıçapı küçük

tutulmalıdır.

46

Şekil 3.12: Elektrotlar arasında havanın kirli ve temiz olduğu durumlar için delinme gerilimi-

zaman eğrisi.

Tablo 3.5 de yarı-kurak iklimlerde kullanılan transformatör buşingler için tipik koruma

aralıkları değerleri verilmiştir.

Tablo 3.5 : Yarı-Kuru iklimlerde kullanılacak transformatör buşingleri için tavsiye edilen

elektrotlar arası açıklık ve delinme gerilimi arasındaki ilişki

Nominal

sistem

gerilimi

(kV)

BIL

(kV)

Tavsiye edilen

tekil elektrotlara

arası açıklık

(cm)

Maksimum

delinme

gerilimi

aralığı

(kV)

Tavsiye edilen

çoklu çubuklar

arasındaki

mesafe

(cm)

Maksimum

delinme

gerilimi

aralığı

(kV)

13,8 95 6,5 58-83 1,5+1,5 64-86

33 170 16 106-145 5,5+5,5 110-150

3.3 FAZ-FAZ DELINME KARAKTERISTIKLERI

UHV hatların tasarımında ilk zamanlarda faz-faz arası mesafeler belirlenirken yalnızca

korona etkisi göz önüne alınır ve hatlardaki gerilim atlamaları ihmal edilirdi. Yüksek gerilim

hatlarının tasarımında faz-faz arası iletken mesafesinin yanı sıra aralıkta yer alan havanın

47

özellikleri de önem kazanmaktadır. Yüksek gerilim hattının davranışı kısa ve orta uzunlukta

iletken mesafelerine sahip hatlardan oldukça farklı davranışlar sergilemektedir.

Pratikte sıkça kullanılan hatlar arası geometrik dizilimlerde pozitif polariteli anahtarlama

darbelerinin davranışını elektrotlar arası mesafenin uzun tutulduğu durum için 3 adımda

incelenebilir;

Korona oluşumu, Öncü gelişimi ve Son atlama

Genelde korona oluşumu gerilim seviyesi, delinme gerilimi seviyesi değerinden daha

düşüktür. Korona oluşumundan sonra ortaya çıkan deşarj yükleri, elektrotlar arası hava

aralığında elektrik alan değerini etkiler. Uygulanan gerilimin dalga şekline bağlı olarak,

iyonizasyon bir zaman sonra tamamlanır(karanlık periyot) ve bu periyodun sonunda ikincil

koronalar oluşur. Pozitif elektrotta koronadan sonra genelde çok yüksek iyonize olmuş bir

kanal oluşur ve buna öncü denir. Öncünün davranışı elektrotların geometrisine ve uygulanan

gerilimin şekline bağlıdır. Eğer gerilim seviyesi yeterli değil ise öncünün gelişimi durur ve

aralıkta delinme gerçekleşmez. Benzer olarak eğer uygulanan gerilim o elektrotlar arası

mesafede öncünün gelişimini sağlayabilecek kadar yüksek ise elektrotlar arsındaki öncünün

genişlemesi ile elektrotlar arası temas son atlama ile tamamlanır. Delinme gerçekleştiği bu

ana kadar geçen sürecrt son atlamaya kadar olan öncünün gelişimi süresi ile ilişkilidir.

+− )()( crcr tt p olmasının nedeni negatif öncü yayılma hızın pozitif öncü yayılma hızından

daha hızlı olmasıdır. Ayrıca crt değeri elektrotlar arası mesafenin uzunluğu ile artar ve

kullanılan elektrot şeklinden özellikle katodun elektrot şeklinden etkilenir.

Genelde pozitif anahtarlama geriliminin elektrotlar arası mesafenin uzun olduğu durumlardaki

delinme olasılığı normal dağılımlı bir fonksiyon ile belirlenebilir. Fakat pek çok durumda

delinme sırasında iki yada daha çok sayıda koşulun bir arada bulunması nedeni ile delinme

olasılık dağılımını normal olmayan eğriler ile ifade etme yoluna gidilir. Öncü gelişiminin

etkin olduğu uzun aralıklı sistemler için delinme süresi (TBD) normal dağılım gösterir. Öncü

korona başlangıç süresinin, delinme gerilimi süresine oranının belirgin olduğu d<5 m olan

elektrotlar arası mesafelerde normal olmayan dağılım gözlenir.

Faz-faz arasındaki delinme davranışı faz-toprak arası delinme davranışından daha

komplekstir. Bunun nedeni iki faz arasındaki yeri ve zamanı belli olmayan dalgalanmalardır.

Faz-faz arasındaki yalıtkanın dayanımı, fazlar arasındaki ve faz-toprak arasındaki gerilimlerin

toplamının bir fonksiyonudur. Faz-toprak arası delinme gerilimi faz-faz arası delinme

geriliminden her zaman yüksektir. Bunun nedeni faz-toprak arası mesafenin fazlar arası

48

mesafeden daha uzundur. Bunun yanı sıra faz-faz arasında görülen aşırı gerilimlerin faz-

toprak arasında görülen aşırı gerilimlerden 1,4-1,8 kat kadar büyüktür.

Faz-faz arasındaki delinme gerilimini incelerken, iki fazdaki +V pozitif ve −V negatif darbe

gerilimlerinin bağıl değerleri bilinmelidir. Bu iki darbe gerilimi değeri ile delinme gerilimi

arasında yaklaşık olarak α değeri kadar senkronize artışların gerçekleştiğini kabul edelim.

−+

−

+=

VV

Vα

α değer olarak 0,3 ile 0,7 arasında değişir, fakat pratikte bu değer 0,3 ile 0,5 arasında tutulur.

Çünkü α≥0,5 olduğu durumda +− ≥ VV olur ve bu değer tasarımcıları −+ ≤ 5050 VV olduğu için

ilgilendirmez.

Ark deşarjları

Yalıtkan bir gaz tarafından ayrılmış iki elektrot arasında köprü vazifesi gören plazma kanala

kıvılcım denir. Eğer bu kıvılcım sürekli olursa buna ark deşarjı adı verilir. Güç sistemlerinde

arklar, koşullara bağlı olarak sınıflanır.

1. Yüksek kısa devre akım arkları

2. Kısa elektrotlar arası mesafeli ark, burada ark sütunu elektrotlara bağlıdır.

3. Uzun elektrotlar arası mesafeli ark, burada ark elektrotlardan bağımsızdır (yıldırım gibi).

Arkı tanımlama yolları; ark direnci R, endüktansı L, ve geri gerilim E, arkın uzunluğuna arkın

akımına ve zamana bağlı akımdaki değişim oranına bağlıdır. (Şekil 3.12)

3.4. KORONANIN ISTENMEYEN ETKILERI

KORONA KAYIPLARI

Küçük yarıçaplı elektrotlarda görünen tam olmayan fakat kendi kendini besleyen deşarja

korana deşarjı denir.

Đletim hatlarında bakır kayıpları (I2R) 20 ile 200 kW/km aralığındadır. Đyi havalarda korona

kayıpları %10 kadardır ve yük akımından bağımsız olarak tasarlanır. Kirli havalarda korona

kayıpları iyi havalara oranla en az 10 kat fazladır. Havanın etkisi yanı sıra korona için

başlangıç gerilimi; Vc ye etki eden faktörler, işletmedeki gerilimler arasındaki farklar(veya

dalgalanmalar)ın yanı sıra, , iletken yüzey eğimi, iletkenin yüzey düzgünlüğü, sistem frekansı

ve iletkenin boyutlarıdır. Đletken eğimi az ise korona kayıpları ihmal edilebilir ve iletkenlerin

kabul edilebilir gürültüleri vardır.

49

UHV aralığındaki 3 fazlı (kW/km) sistem için kirli havadaki toplam bölgesel korona kaybını,

PL veren ifade şu şekilde tanımlanmıştır.

5

1

2 )101ln(...3

i

n

iFWL ERrJ

VPP ∑

=

++=

Burada PFW = 3 fazın iyi havalardaki toplam korona kaybı (kW, km)

V =rms hat gerilimi (kV)

J =kayıp akım sabiti (400 kV ‘un üzeri hatlar için 7,04x10-10

500-700 kV arası hatlar için 5,35x10-10 )

r = iletken yarıçapı (cm)

n =hat destesindeki toplam iletken sayısı

Ei =iletkendeki i'nin maksimum eğimi

R =yağmur oranı (mm/h)

DUYULABILIR GÜRÜLTÜ (Audible Noise, AN)

Genelde iyi havalarda iletim hatlarındaki gürültü ihmal edilebilir. Fakat aşırı yağış olduğu

durumda gürültü iletim hattı yakınında 60 dB'e çıkar ve bu aşırı rahatsız edicidir. Bu değer

pratikte 52 dB civarında tutulmaya çalışılmaktadır. Aşağıdaki ampirik formül 3 fazlı demet

iletkenli hattın yağışlı havada gürültüsünü hesaplamada kullanılır. Bu formülde gürültü dB

olarak bulunur.

−++−−+−+=D

DnBADDKEDnAN s

nNlmlmns )1(9,2202,0log10/665log44log20

n = demetteki iletken sayısı

Ds = demetteki iletkenin çapı

D = demetin çapı

E = iletkenin yüzey eğimi

Dlm = hatla ölçülen uzaklık arasındaki mesafe

Kn = (n=1 için 7,5); (n=2 için 2,6); (n≥3 için 0)

AN = (n=1 için75,2); (n=2 için75,2) ; (n≥3 için 67,9)

Bn = (n=1 için 0); (n≥3 için 1)

50

4. SF6 YALITKANI

Periyodik cetvelde 7.grupta yer alan ağır gazların, havaya nazaran daha yüksek bir dielektrik

dayanımı olduğu aynı koşullarda yapılan deneylerde görülmüştür. Serbest elektronları

yakalayıp bu şekilde ağır negatif iyonlar haline gelmeleri ile yüksek delinme dayanımı

kazanırlar. Bu özelliklere sahip gazlara elektronegatif gazlar denir. Bunların içinde SF6

kimyasal stabilitesi ve yüksek delinme dayanımı ile en önemlilerindendir.

4.1 SF6 'nın Genel Özellikleri

Kükürt hekzaflorür(SF6) gazı, endüstride sülfür ve florun doğrudan birleştirilmesiyle elde

edilir. Ürün içindeki oksijen, azot, karbon tetraflorür gibi yabancı maddelerin temizlenmesi

için SF6’nın sıkıştırılarak sıvı hale getirilmesi gerekmektedir. SF6’nın özellikleri IEC

60376’ya uygun olmalıdır. SF6 gazı içinde bulunmasına izin verilen yabancı maddeler

maksimum değerleri Tablo 4.1 de verilmiştir.

Tablo 4.1: SF6 Đçinde bulunmasına izin verilen yabancı maddeler

Yabancı Madde Đzin verilen en büyük kütlesel yoğunluk

Karbon tetraflorür

Hava (Oksijen + Azot)

Su

Asit (HF)

Suda çözülebilen flüorlar (HF ile ifade edilen )

Madeni yağ

0,05 %

0,05%

15 ppm

0,3 ppm

1 ppm

10 ppm

SF6 renksiz, kokusuz, toksik almayan, alev almayan ve inert bir gazdır. Bazı özellikleri Tablo

4.2'de verilmiştir. SF6 0 C'de sıvılaşır, aynı şekilde 3,5 barda -40 C'de sıvılaşır. Yüksek gaz

basıncı gerektiren noktalar da aşırı soğuk koşullar altında SF6 gazının sıvılaşması önemli

problemdir.

51

Tablo 4.2: SF6 gazının fiziksel ve kimyasal özellikleri

Molekül ağırlığı

Ergime sıcaklığı

Kaynama sıcaklığı

Kritik sıcaklık

Yoğunluk at 21,10C, 1 atm

146,06 g/mol

222,35 0K

205,05 0K

318,15 0K

6,139 g/L

Kritik Basınç

Kritik yoğunluk (sıvı halde)

20 0C de yoğunluk (gaz halde)

Bağıl dielektrik katsayısı

(760 mmHg, 19,4 0C )

Isıl iletkenlik

Đyonizasyon gerilimi

Özgül ısı

36,75 g/mol

0,79 g/ cm3

6,15 g/ dm3

1,0021

18,8. 10-3 W/0K.m

15,9 V

633 J/kg. 0K

SF6 atmosferik basınçta 500 C'ye kadar stabildir. Daha yüksek sıcaklıklarda, çeşitli parçalara

ayrılır. Gazın kendisi inerttir ve elektrik ekipmanlarında kullanılan metallere (bakır,

alüminyum ve çelik) işletme sıcaklığında korozyona neden olmaz. Fakat SF6, bir elektrik

deşarjı sırasında ortamda oksijen ve su buharı bulunması halinde kimyasal olarak

dekomposizyona ve oxidasyona uğrar. SF6'nın dekomposizyonu ile ortaya çıkan ürünlerin

bazıları aşırı toksik veya korozyona yatkındır ve sisteminin güvenirliğini ve güvenliğini

etkiler. Fakat SF6 elektrik deşarjı ile parçalandıktan sonra oluşan ürünler hızla yeniden SF6

oluşturmaya başlarlar.Đşte bu yüzden SF6 iyi bir ark-söndürücü ortamdır. Tablo 4.3'de SF6'nın,

oksijenin ve su buharının ortamda bulunması halinde bir elektrik deşarjında ortaya çıkan

ürünleri verilmiştir.

Tablo 4.3 : SF6'nın olası reaksiyonları sonucu ortaya çıkabilecek ürünler

SF6 + e → SF4 + 2F + e

SF6 + e → SF2 + 4F + e

SF6 + e → SF5 + F + e

SF5 + SF5 → S2F10

SF4 + H2O → SOF2 + 2HF

SF4 + O → SOF4

SOF2 + H2O → SO2 + 2HF

52

Camili ve Champman, iki saat süre ile %80 SF6, %20 O2 karışımına maruz kalan farelerin

gazdan etkilenmediklerini gözlemlemiştir. Ancak SF6 gazı içinde meydana gelen elektriksel

bir boşalma sonucunda zehirli bir bileşen olan kükürt dekafflüorür (S2F10) açığa çıkar. SF6

gazı çok yoğun olduğu için alçak kesimlerde yer alır. Atmosferde SF6'nın ürünleri toksiktir ve

atmosferde belirli pp mikron üzerine çıktığında tehlikelidir. Belli bir süre kullanılan SF6 gazı

zehirli ürünler içerebilir, dikkat edilmelidir. Ortamdan oksijen ve rutubet uzak tutulursa, SF6

gazının içinde bulunan metalin, metal floridlerinin (deşarjı başlatan ürünlerdir) SF6'ya bir

etkisi yoktur denir. Ayrıca SF6'ya sodalime ve alumina gibi kimyasal katkılar katılarak, oluşan

deşarj ürünlerinin gaza olan etkisi azaltılmaya çalışılmaktadır..

SF6'nın ısı transfer karakteristikleri oldukça iyidir. SF6'nın spesifik sıcaklığı, termal

iletkenliği, moleküler ağırlığı ve hızı göz önüne alındığında, ısı dağılımı havadan 4 kat daha

iyidir. Ayrıca SF6 da ark oluştuktan sonraki soğuma karakteristiği oldukça iyidir.

SF6 gazının delinme dayanımının yüksek ve dolayısıyla iyonlaştırma sayısının havanınkine

oranla çok küçük olmasının nedeni; elektrik alanı içinde hızlanan gaz moleküllerinin,

iyonizasyon sonucu ortaya çıkan serbest elektronları yakalaması ve böylece meydana gelen

negatif iyonların büyük kütleye sahip olması nedeniyle hız kazanamamalarıdır. Dolayısıyla

bunlar çarpma suretiyle iyonizasyona neden olamazlar.

Howard ile Malik ve Qureshi, SF6 gazındaki iyonizasyon işleminin birkaç türünün aşağıdaki

gibi olabileceğini ileri sürmüşlerdir.

SF6 + e → SF5+ + F- + 2e

SF6 da, düşük enerjili elektronlar, nötr faz molekülleri tarafından yakalanır ve negatif iyonlar

oluşur ve bu da ya elektronun,

SF6 + e → SF6- şeklinde doğrudan gaz moleküllerine bağlanması ile; veya gaz molekülünün

bir serbest elektronu yakalaması sonucu molekülün,

SF6 + e → SF5 + F- şeklinde ayrışması sonucunda , elektronun molekül elementlerinden bir

tanesine bağlanması ile olur.

53

Yukarıda sözü edilen iyonizasyon işleminin elektron sayısında meydana getireceği artış,

ancak serbest elektronların enerjilerinin, iyonizasyon enerjisine eşit veya daha büyük

olmalarına bağlıdır. SF6 molekülünün elektronlara doymuş olması ve F atomlarının

kararlılıkları nedeniyle elektron sayısının çığ oluşumuna kadar artışı güçleşmektedir. SF6 gazı

ülkemizde üretilmemekte olup, Avrupa’da Almanya Đngiltere, Đtalya’da uluslararası pazara

göre üretim yapılmaktadır.

4.1.1 Kapasitif Akımlarda SF6 Gazının Davranışı

SF6 gazlı kesiciler açma kapama sırasında kendi kendini besleyemeyen boşalma veya

çoklu yeniden tutuşma yaşamazlar. Dolayısıyla kendi kendini besleyemeyen boşalma veya

çoklu yeniden tutuşmanın yarattığı aşırı gerilimler bu teknolojide söz konusu değildir. Bu

yüzden kapasitif akımlar bağlı oldukları sistemleri zarar vermeksizin ve aşırı gerilimler için

gerekli ilave parafudurlar kullanılmaksızın kesilirler.

4.1.2. Endüktif Akımlarda SF6 Gazının Davranışı

Yine SF6 gazlı teknoloji, düşük akımlarda oluşan arkların kararsızlığının yarattığı darbe

akımlarını çok düşük seviyelerde çeker. Dolayısıyla bu akımların yarattığı aşırı gerilimler

ihmal edilebilir düzeydedir.

4.1.3. Kısa Devre Akımlarında SF6 Gazının Davranışı

Kesme hücresindeki ark süresinin kısa olması ve SF6 dielektrik özelliklerinin hızla geri

kazanılması sayesinde 50kA seviyesinde akımlar kesilebilmektedir.

4.2. SF6 'da Delinme Prosesi

Diğer gazlarda olduğu gibi birincil iyonizasyon prosesi elektron/gaz molekülleri çarpışması

54

ile gerçekleşir ve Townsend'in birinci iyonizasyon katsayısı α ile tanımlanır. SF6'daki önemli

ikincil prosesler gazın fotoiyonizasyonu, elektrodlardan fotoemisyon ve ark durumunda

termal iyonizasyondur. SF6'da negatif iyonlar, direkt ve direkt olmayan eklenme prosesleriyle

oluşur. Eklenme prosesleri elektron ekleme kat sayısı η tarafından tanımlanır. α ve η

katsayılarının her ikisi de uygulanan E elektik alana P gaz basıncına bağlıdır. Net iyonizasyon

katsayısı η−α=α_

’dir. Şöyle tanımlanır.

−=η−α=α

crit

_

P

E

P

EK

PP (cm kPa)-1 (4.1)

Burada K=27 ve (E/P)crit. = 877.5 V (cm kPa)-1

Ecrit kritik veya limit alan dayanımıdır. Eğer E>Ecrit ve α >η ise gaz iyonizasyonu deşarja

doğru gerçekleşir. Diğer yandan E<Ecrit ve α <η ise iyonizasyon ve deşarj gerçekleşmez.

Elektrik alanın Ecrit=(E/P)crit.P'den az olan değerlerinde SF6 'da delinme olmaz.. 1 bar'da

SF6'nın dielektrik dayanımı ≈90 kV/cm ve 3,5 barda dayanımı 300kV/cm' den fazladır.SF6‘

daki elektriksel delinme kanal(streamer) formasyonunun bir sonucudur. Kanal

mekanizmasında tek elektron çığının gelişmesinin anoda varmadan önceye kadar değişken

olduğu varsayılır. Kanaldaki alan değeri yaklaşık olarak Ecrit delinme kriterini veren eşitlik,

( ) M)Nln(dx c

x

0

c

==η−α∫ (4.2)

Nc=Xc mesafesine kadar giden çığıdaki iyonların kritik sayısı

Xc=kritik çığ sayısı

M=10 ila 20 arasındaki bir sabit

Bir çığın gelişerek kanal olduğu gaz hacmine, kritik hacim denir. Denklem 2.14’ deki ifade

kanal oluşumu ve delinmenin gerçekleşmesini açıklar.Kritik analiz gösterir ki denklem 2.14

ile 0.6≤Pd≤100 kPa cm aralığında iyi doğrulukla düzgün alan boşluğunda ölçülen delinme

gerilimi tahmin edilebilir.

55

4.2.1. Düzgün Olmayan Elektrik Alanında Delinme

Keskin olan elektrodun yakınındaki alan değeri aralıktaki alan değerinden daha yüksektir.

Düzgün olmayan aralıklarda, kanal delinme kriteri, korona oluşum değerini yüksek düzgün

olmayan alan boşluklarında verir. .Bu tip delinmeye korona tabanlı delinme denir.

Şekil 4.1: SF6 gaz basıncının doğru gerilim altında delinme gerilimine olan etkisi

Gaz basıncı arttıkça, delinmenin modu değişir ve belirli bir basınç değerinde, oluşan ilk çığ,

yeterince büyük bir kanala dönüşür ve stabil bir korona olmadan delinme gerçekleşir. Bu tür

delinmeye direkt veya korona tabansız delinme denir.Bu fenomen lineer olmayan sivri uç

elektrottan etkilenen V-P karakteristiklerine neden olur. Şekil 4.1. bize delinme ve korona

delinme karakteristikleri pozitif ve negatif direk gerilim altındaki durumunu gösterir. Darbe

ve AC gerilimler lineer olmayan gerilim-basınç karakteristikleri üretir. Belirli deneysel

durumlarda korona-tabanlıdan korona-tabansız delinmeye geçiş aniden olur. Geçişin oluştuğu

basınç değeri gaz niteliğinden oldukça etkilenir. Düzgün olmayan alandaki delinme

karakteristiğini etkileyen bir başka faktör ise gerilim dalga şeklidir. Böylece pratik

sistemlerdeki delinme gerilimi karakteristikleri birçok parametreden etkilenir ve gaz

basıncındaki artış her zaman delinme gerilimini arttırmaz.

56

4.2.3. Delinme Gerilimine Etki Eden Faktörler

4.2.3.1. Kirlilik

SF6 gazında bulunan herhangi karışım veya serbest metal partikülleri SF6'nın korona oluşum

ve delinme gerilimini düşürür. Delinme gerilimi parçacığın şekline, boyutu malzemesine,

yerine, hareketine, gaz basıncına ve uygulanan gerilimin şekline bağlıdır.

Yalıtkan parçacıkların örneğin cam ve fiberin, delinme gerilimine önemli bir etkisi yoktur.

Fakat toz (dust) parçacıkları delinme gerilimini %30 kadar azaltabilir. Bu etki AC gerilimde

görülür. Çünkü burada toz parçacıkları SF6'nın yalıtımını çok etkiler. Serbest iletken

partiküllerin, dielektrik dayanıma etkisi hafifletmek için iletkenlerin yüzeyi yalıtkanla

kaplanır.

4.2.3.2 Elektrot Faktörü

Elektrot yüzeyinin malzemesi, alanı ve durumu, SF6'nın dielektrik dayanımını etkiler.

Uygulanan alanın değeri 100 kV' un üzerine çıktığında , delinme dayanımı, artan elektrot

alanı ile azalır.Çünkü elektrodun alanı büyüdükçe yüzeydeki zayıf noktaları artacak bu da

dayanımı azaltacaktır.Yapılan deneyler göstermiştir ki yarıçapı R olan bir yarımküre elektrot

yüzey pürüzlülüğü, PR<0,4 kPa cm için delinmenin eşik değerine etkimez. PR değeri arttıkça,

ortalama delinme gerilimi, temiz ve düzgün olana göre %30 kadar azaltır.

Paschen yasasının geçerli olduğu değerlerde dielektrik dayanıma, elektrot malzemesi etkimez.

Elektrot malzemesi dielektrik dayanıma, yüksek basınçlarda uygulanan gerilim 200 kV' un

üzerine çıktığında etkir. Bu koşullarda bakır yerine paslanmaz çelikten elektrot kullanmak

dielektrik dayanım açısından daha iyidir. Elektrodun malzemesi ve alanı,düzgün alanlarda

dielektrik dayanımı bulmada önemlidir

57

4.2.3.3. Gazın Saflığı

Gaz Saflığı SF6 nın kimyasal ve biyolojik özelliklerinden etkilenir., SF6‘ nın CO2 ve N2O ile

olan karışımlarındaki delinme gerilimindeki değişim benzerdir. Hava, N2 ve CO2 küçük

oranlarda SF6'ya karıştırılırsa dielektrik dayanım fazla etkilenmez.

4.2.3.4. Gazın Sıcaklığı

SF6 yalıtımlı aletler çok yüksek yada çok düşük ortam sıcaklıklarına maruz kalabilir. Bazı dış

aletler -50 0C nin altındaki sıcaklılara maruz kalabilir. Bu nedenle SF6‘ nın düşük sıcaklık

delinme davranışları oldukça önemlidir.

SF6 gazı normal basınçta -50 0C' de sıvılaşabilir. ve bu düşük sıcaklıkta SF6 kullanımı için

oldukça önemlidir. 20 ila 50 0C aralığında gazın yoğunluğu sabit olduğu sürece dielektrik

dayanımına sabittir. Sıcaklık 50 ila 325 0C arasında yoğunluk (N), SF6‘ nın kritik alan

dayanımını azaltır. (E/N)crit oranı %10 kadar artar. Bu artış yüksek sıcaklıklarda elektron

eklenmesinin artmasına bağlanır. Diğer bir çalışma düşük sıcaklıklardaki SF6 yalıtım

sistemlerindeki DC delinmeyi -50 0C den 240C ye kadar incelemiştir. Düzgün olmayan

delinme etkilenmese de, SF6 yalıtım sistemlerinde düzgün alanda delinme gerilimi sıcaklığa

bağlıdır ve sıcaklık azalırken %10 kadar azalır. Bu düşme -25 ve - 300C başlar ve -50 0C ye

kadar sabit kalır.

Minimum Deşarj Geriliminin Hesaplanması

Deşarj gerilimi hesaplama metotları iki kategoriye ayrılır. Kanal delinme teorisine dayananlar

ve kritik olan dayanımına bağlı olanlar

Kanal teorisi, boşluktaki alanın düzgünlük derecesine bağlı olarak görülen, yalıtkanda

bölgesel veya tam deşarjlara neden olan kanal oluşumunu açıklar. SF6'lı yalıtkan sistemlerde

minimum delinme deşarj gerilimini veren ifade;

Vb=0,8775 Mf Sf Cf Pf

Mf=olan düzgünlük faktörü P=gaz basıncı (kPa) d=boşluğun uzunluğu (cm) Sf>1 elektrotun

58

yüzeyinin pürüzsüzlük faktörü (iletkenin yüzeyine ve gaz basınca bağlıdır, deneylerde

tanımlanabilir.)

4.3. SF6 Gazının Kullanıldığı Yerler

4.3.1 SF6 Gazlı Kesicilerin Yapısı (Gas Insulated Switchgear : GIS)

Orta gerilimden 800 kV kadar olan aralıkta metalle temas eden gaz yalıtkanlı anahtarlarda SF6

kullanılmaktadır. SF6 Gazlı kesicileri kullanıldığında kesici yağmur, kar, atmosferik kirlenme,

kimyasallar gibi etkilerden modüler bir yapıya sahip olduğu için tam olarak korunur. Güvenli,

gürültüsüz, güvenilirdir.

GIS' de sürekli olarak gaz takip edilmeli, basıncına dikkat edilmelidir. SF6'nın dielektrik

dayanımının hassaslığı nedeniyle üretimde, yerleştirilmesinde ve kullanımında çok fazla

dikkat gerektirir.

Genel Tasarımı

GIS, iki farklı türde tasarlanır.200 kV'un altındaki gerilim seviyelerinde hatların 9'u bir arada

yalıtılır ve daha yüksek gerilim seviyelerinde her bir hat tek başına yalıtılır.

Her bir eleman normal ve arıza koşullarında, elektriksel, termal ve mekaniksel streslere

dayanacak şekilde tasarlanır.

Tüm kesiciler gibi SF6 gazlı kesiciler de iki ana bölümden oluşur: Kontakların ve ark

söndürme hücresinin içinde bulunduğu kutup kısmı ve açma-kapama mekanizması. SF6 gazlı

kesicilerde ark söndürme hücresi SF6 gazıyla doldurulmuştur. Açma-kapama mekanizması ise

yaylı veya çeşitli elektro mekanik sistemler olabilir(Şekil 4.2).

59

Şekil 4.2: SF6 gazlı kesicilerin yapısı

Şekil 4.2 ‘de genel olarak verilen SF6 gazlı kesicisinin parçaları Şekil 4.3 ‘de ayrıntılı olarak

gösterilmiştir.

1. Yardımcı Şalter 11. W-Otomat 21. Açma Yayı

2. El Kurma Kolu Yatağı 12. Motor 22. Mekanik Kilit

3. Kurma Grubu 13. Açma Bobini 23. Antipompaj Röle

Đç Kilitleme Anahtarı Operasyon Sayıcı

Kapama Yayı Pompalama Rölesi

Terminal

Açma Bobini Kapama Bobini Motor Yardımcı Düğme

60

4. Şase 14. Kapama Butonu ve Soketi

5. Teker 15. Açma Butonu 24. Kutup

6. Numaratör 16. Kapama Bobini 25. Yere Montaj Parçası

7. Kapama Yayı 17. Hareket Sonu anahtarı 26. Açma Tırnağı Ayar

8. Gösterge Plakası 18. O-I Gösterge Civatası

9. Redüktör 19. Açma Kilit Yatağı 27. Kol Pimi

10. Klemens-Terminal 20. Kapama Yayı Konum 28. O.G. teminali

anahtarı

Şekil 4.3: SF6 gazlı kesicilerin parçaları

Tahrik mekanizması, kurulabilen açma ve kapama yayları ile donatılmıştır. Mekanizma,

elektrik motoru ile veya elle kurulabilir. Kurulan kapama yayları, üzerlerinde enerji depolar

ve bu enerjiyi kapama kumandası ile hareket iletim kolları vasıtasıyla kutuplara iletir. Kapama

yayı, kapama yaparken aynı anda açma yayını da kurar. Açma yayı da üzerinde depolanan

enerjiyi hareket iletim kolları vasıtasıyla kutuplara iletir. Kesici kumandası yakından kumanda

da, butonlara basarak, uzaktan kumanda da, açma ve kapama bobinleri ile yapılır.

Tahrik mekanizması 3 ana bölümden oluşmaktadır.

1. Kapama Yayı Kurma Sistemi

2. Açma – Kapama Sistemi

3. Elektrik Donanım

Şekil 4.4: SF6 gazlı kesicilerin tahrik mekanizması

61

Kapama Yayı Kurma Sistemi: Mekanizma gövdesinin her iki yanına monte edilmiştir.

Elektrik motoru (12) ile veya bir kol yardımıyla elle kurulur. Herhangi bir nedenle gerilimi

kesilse bile kapama yayı (7) kol yardımıyla elle kurulabilir. Açma yayı (21) kesici gövdesine

bağlı olup kapama işlemi tamamlandığında kendiliğinden kurulur. Kapama işlemi

tamamlandığında boşalan kapama yayı motor tarafından tekrar kurulur. Bu durumda,

mekanizma açma-kapama-açma yapabilecek pozisyondadır.

Açma – Kapama Sistemi: Mekanizma gövdesine mekanik tırnak ve buna kumanda eden

mekanik kollardan ibarettir. Üzerinde uzaktan kapama (16) – Açma (13) bobinler vardır.

Ayrıca yakından mekanik olarak kendi aralarında kilitlenmiştir. Kesici açma esnasında

kapama kumandası almaz.

Elektrik Donanım: Tahrik mekanizmasının kapama yaylarını kurmak için şanzıman grubunu

çalıştıran bir adet seri motor (12) vardır. Buna bağlı olarak hareket sonu anahtarı (17), açma

ve kapama bobinleri yardımcı şalter (1) ve antipompaj (23) rölesinden oluşmaktadır.

Elektrik Motoru (12) : Tahrik mekanizmasının kapama yayını kurar.

Hareket Sonu Anahtarı (17) : Motorun kurma işlemi bitince durmasını sağlar, ayrıca yayın

kurulması esnasında mekanizmaya kapama kumandası verilmesini (Elektriki olarak) önler

Açma – Kapama Bobinleri (13,16) : Kesicinin uzaktan açma ve kapama yapmasını sağlar.

Anti-pompaj rölesi (23) : Đşletmede meydana gelen arızi açmalarda tekrar kapama rölesinin

arıza üzerine bir defadan fazla kapama yaptırmasını önler.

SF6 Gazlı kesicileri Test Etme

Darbe Gerilim Testi

245 kV altında yıldırım darbe ve AC gerilim testleri yapılır.Eğer GIS gerilim seviyesi 300 kV

büyükse bu testlerin yanı sıra anahtarlama darbe testleri yapılır.

Ayrıca GIS'de kullanılan elemanlar (kesici, izolatör, topraklama direnci...vs.) için süreklilik,

dayanım ve gerilim düşüm testleri yapılır. Ayrıca yüksek gerilim ve bölgesel deşarj (Partial

discharge, PD) testleri de yapılabilir.

62

Yüksek Frekanslı Geçici Gerilimler

Yüksek frekanslı geçici gerilimlerde SF6 gazında delinme çok hızlıdır. Bu

delinmelerde gerilim 4-15 ns arasında yükselir ve bir kaç yüz milisaniyede

sonlanır. Bu gerilimlerin yükselme oranı 200 kV/ns' dir.

Aşırı Gerilim Koruması

Hatlarda açma kapama ve arıza durumlarında ortaya çıkan aşırı gerilimler SF6 gazı ile

yalıtılan sistemlerde delinmelere yol açabilir. Bu sebeple aşırı gerilimleri azaltmak için direnç

eklemesi ve anahtar konulması uygundur. Fakat SF6'lı kesicilerde, direnç eklenmesi

durumunda ortaya çıkan kesici hem daha pahalı hem de daha az güvenilir olur. Bunun için

anahtarlama sırasında oluşan aşırı gerilimleri azaltmada metal oksit dalga yakalayıcı (MOA)

kullanılması uygundur. Böylece sistemde güvenirlik artar ve ekonomik olur.

4.5. SF6 Gaz Yalıtkanlı Kablolar

SF6 yalıtkanlı kablolar 1000-5000 MVA'lık iletim potansiyeline sahiptir. SF6 yalıtkanlı

kablolar;

1-) Düşük kapasitesi, düşük şarj akımı ve reaktif gücü vardır.

2-) Düşük direnci ve dielektrik kaybı vardır. Isı transferi ve termal performansı iyidir.

3-) Akımın bir fonksiyonu olarak MVAR kayıplar oluşur. Toplam reaktif güç kaybı, güç

faktörünün uygun bir değer seçilmesiyle sıfırlanabilir.

4-) Kablonun işletimdeki gerilim seviyesi, gazın basıncı arttırılarak, arttırılabilir. Diğer

elemanların değişmesi gerekmez.

Kablolar tek fazlı veya 3 faz aynı ortamda olacak şekilde tasarlanır. Kullanım alanları diğer

kablolara göre daha fazladır.

63

SF6 Gazının Diğer Uygulamaları

Yüksek gerilim gaz yalıtkanlı kapasiteler, hızlı hareket eden yüksek gerilim anahtarları, güç

transformatörleri, Van de Graff jeneratörleri, yarı iletken endüstrisi

SF6 Gazının Kontrolü

Gazın düşük saklama basıncı onun güvenilir bir şekilde saklanması ve maliyeti azalmaktadır.

SF6'nın kendisi toksik değildir. Fakat yan ürünleri toksiktir. Bunun içinde bu yan ürünleri

emmesi için gaz ağırlığının %10 kadar ağırlıkça 50-50 soda-lime (Na OH +CaO) ve alümina

gazla temas halinde tutulması uygundur. Aksi halde gazla temas edebilecek şahıslara uygun

elbise, maske ve solunum aygıtı verilmelidir.

SF6'daki su buharı oranı 1 kg SF6 için=300 mg' dır. Fazlası olduğunda yalıtkanda iz oluşumu

ve delinme gerçekleşir

SF6, GIS ve kablolardan sızabilir, bunun için sızan gazı tespitte tracer gazlar kullanılır. En çok

tracer gazlar, hidrojen gazlardır. (Freon), Helyum veya bazı radyoaktif gazlardır.

64

5. Sıvı Dielektrik Malzemeler

Sıvı dielektrik malzemeler yada yalıtkan yağlar daha çok transformatörde, yüksek gerilim

kesicilerinde, yüksek gerilim kablolarında, yüksek gerilim kondansatörlerinde kullanılır. Sıvı

dielektrikler tek olarak veya katı yalıtkanlarla birlikte cihazları ve cihazların birbirlerine karşı

yalıtılması amacıyla kullanılabilir. Sıvı dielektrikler elektrik endüstrisinde soğutma

özelliklerinden, kompozit dielektriklerdeki boşlukları doldurmak için, ince kağıt yalıtkanların

yalıtkanlığının artması için kağıtlara emdirilerek, yüksek gerilim anahtar/devre kesicilerinde

ark oluşumunu kontrol etmek gibi çeşitli amaçlarla yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektrik

endüstrisinde kullanılan yalıtkan yağlar, mineral yağların damıtılması ile elde edilen sıvı

dielektriklerdir. Ortalama molekül ağırlıkları 300 civarındadır.

5.1 Yaygın Kullanılan Yalıtım Yağları ve Özellikleri

Yalıtkan yağlar iki madeni, reçineli, klorlu, silikonlu, florürlü yağlar olarak çok çeşitlidir.

Kullanma yerine ve amacına göre seçilirler.. En yaygın kullanılan sıvı dielektrik malzeme

organik madeni yağlardır.

Madeni Yağlar: Rafinasyon metodu vasıtasıyla ham petrolden elde edilir. Madeni yağlar

daima aromatik, parafinik ve naftanik hidrokarbonlardan oluşur.

Aromatik hidrokarbonlar, CnH2n-6 şeklinde gösterilen doymamış hidrokarbonlardır ve

izolasyon yağında %10 civarında olması tercih edilir. Gaz absorblama özelliği ve yağın

stabilitesi yönünden arzu edilirse de bazı kimyasal özellikleri nedeniyle yağın izolasyon

özelliklerini zayıflattığından pek istenmez. Şekil 5.1‘de aromatik ve naftanik yağa örnek

görülmektedir.

Şekil 5.1 (a): Benzen (Aromatik) (b): Siklenoksan (Naftanik)

65

Parafinik hidrokarbonlar, doymuş hidrokarbonlardandır. Kapalı formülleri CnH2n+2

şeklindedir. Kararlı bileşiklerden olduğundan kimyasal reaksiyonlara ilgisizdirler. Yüksek

oranda vaxlar ihtiva ederler.

Naftanik hidrokarbonlar, tek bağlı kararlı bileşiklerlerdendir. Kapalı formülleri CnH2n

şeklindedir.

Madeni yağın içinde bulunan aromatik, parafinik ve naftanik hidrokarbonlar, bulundukları

yüzdelere göre madeni yağları, Parafinik Madeni Yağlar ve Naftanik Madeni Yağlar şeklinde

ikiye ayrılırlar.

1925 yılına dek yalıtkan yağ olarak parafinik yağlar kullanılmaktaydı. Fakat bu yağın bazı

dezavantajları karşısında naftanik yağlar kullanılmaya başlandı. Parafinik ve naftanik yağlar

arasındaki belirgin farklılıklar Tablo 7.3‘de verilmiştir:

Tablo 5.1 Naftanik ve Parafinik yağların bazı özellikleri

Karakteristik Naftanik Parafinik

Asit Etkili Zararsız

Maksimum asit sayısı 0,1mg KOH/gr 1,0 mg KOH/gr

Çamurlaşmadan önce Yumuşak Katı

Çamurlar Erir Erimez aşındırır

Akma noktası -40 ºC -10 ºC

Reçineli Yağlar: Bunlar kolofonyum adı verilen bir maddenin damıtılmasıyla elde edilir ve

oldukça kalın yağlardır. Bu nedenle kablolarda madeni yağlarla birlikte kullanılır. Bir kablo

yağında reçineli yağ, madeni yağın yaklaşık 1/3'ü kadarıdır. Elektriksel dayanımları yüksek

olan bu yağların, ısı iletimleri çok düşük olduğundan trafo ve kesicilerde pek kullanılmazlar.

Klorlu Yağlar (Askareller): Transformatör ve kesicilerde kullanılan madeni yağların okside

olmaya müsait ve yanabilirlik özelliğinden dolayı klorlu yağlar önem kazanmıştır. Klorlu

yağlar daha uzun ömürlüdür ve yanma noktaları çok yüksektir. Dielektrik sabiteleri madeni

yağlara oranla 2-2.5 kat daha fazladır. Bu sebeple kondansatörlerde kapasiteyi büyütmek

66

amacıyla kullanılır. Yüksek dielektrik sabiti ve aleve karşı dayanıklılığı önemli avantajlarıdır.

Çok uzun ömürlü olmalarına rağmen, klorlu yağlar insan sağlığı ve çevre kirlenmesi açısından

bazı problemlere sebebiyet verirler. Dolayısıyla tamir ve bakım gerektiren bazı teçhizatlarda

(transformatör, kesici vb.) pek kullanılmazlar.

Silikonlu Yağlar: Klorlu yağlara alternatif olarak kullanılabilirler, fakat maliyetleri oldukça

yüksektir. Havanın bulunduğu ortamlarda 150 oC‘den daha fazla bir ısı dayanımı vardır.

Yangına karşı madeni yağlara oranla çok daha emniyetlidir.

Ayrıca yanma sonucu ortaya çıkan ürünlerin zehirl i olmadığı tespit edilmişt ir.

Sil ikonlu yağların güç tutuşma özell iği nedeniyle, lokomotif

transformatörlerinde ve büyük yerleş im merkezlerindeki konutların dağıt ım

transformatörlerinde kullanılması yoluna gidi lmişt ir.

Silikonlu yağların kayıp faktörü, delinme gerilimi, dielektrik sabitesi diğer yağ çeşitlerine

göre yüksektir. Silikonlu yağların kayıp faktörü frekans ve sıcaklıktan bağımsızdır. Ayrıca

içine su almama özelliği yüksektir. Pek çok kimyasala karşı dayanıklıdır.

Silikonlu yağların genleşme katsayısı diğer yağlara oranla daha büyük olduğundan bu yağı

barındıran teçhizatlarda genleşme kabı %30 daha büyüktür. Bu yağların yaşlanma

dayanımlarının iyi oluşu nedeniyle diğer yağları barındıran transformatörler gibi bakım

gerektirmez.

Florürlü Yağlar: Hemen hemen klorlu yağın özelliklerini taşımaktadır. Isı iletimi madeni

yağlara oranla pek iyi değildir. Bu sebepten ötürü kayıp faktörü tanδ yüksektir. En önemli

özelliği yanıcı olmamasıdır.

Transformatör yağlarının genel özellikleri ve sağladığı yararlar

Elektriksel delinme gerilimi yüksektir. Bakır iletkenlerden ve nüveden açığa çıkan ısıyı

absorbe edip soğutucu yüzeylere ileten ve oralarda harcanmasını sağlayan iyi bir soğutma

elemanıdır. Sıvı olma özelliğinden dolayı katı yalıtkan maddeleri hava ve nemin tahrip edici

tesirlerinden korur. Ark söndürücü bir ortam olarak vazife görür. Darbe gerilimlerine karşı

büyük bir delinme dayanımı gösterir. Yukarıda belirtilen faydaları yanında transformatör

yağlarının iki önemli sakıncası vardır; içinde nemi barındırır, yanıcı bir maddedir.

67

5.2. Sıvı Dielektriklerde Delinme Teorileri

Yalıtkan yağlardaki delinme olayı gazlardakine benzer şekildedir. Tıpkı

gazlarda olduğu gibi alan şiddetinin belirli değerine ulaşması sonucunda,

elektrotlar arasında ilk önce bir ışınlama ve bunu takip eden yüzeysel

boşalmalar olur. Bu boşalmaların başlangıcından itibaren elektrik alanının

daha da artması sistemi delinmeye götürür.

Sıvı yalıtkanların delinmesinin birçok halleri son birkaç on yılda araştırılmıştır. Fakat sıvı

yalıtkanlar için uygulanabilir genel bir teori ortaya koymak için birçok araştırıcı ve bilim

adamlarının yapmış olduğu incelemeler farklı ve birbiriyle tamamen zıt bulguları ortaya

çıkarmıştır. Bu durumun asıl nedeni sıvı durumunun fiziksel temellerini içeren geniş kapsamlı

bir teorinin eksikliğidir. Benzer bulguları birarada toplarsak delinme teorilerini üç ana grupta

inceleyebiliriz:

Termik Delinme Teorisi: Yalıtkan sıvı içerisinde hemen hemen daima su buharı, toz, is,

elyaflı parçacık ve benzeri yabancı maddeler bulunduğundan, bir elektrik alanın etkisi altında

bu parçacıklar polarize olurlar ve elektrik alanının büyük olduğu bölgede iletken bir köprü

teşkil ederek yalıtkan sıvının kolaylıkla delinmesine neden olurlar. Doğru ve alternatif

gerilimde yalıtkan sıvıların 1 dakikalık delinme dayanımlarının tayininde en çok meydana

gelen delinme olayı termik delinmedir. Termik delinmede yağın kendi fiziksel özelliklerinden

çok yabancı maddelerin cinsi, miktarı, büyüklükleri vb. rol oynar.

Mekanik Delinme Teorisi: Yalıtkan sıvı içerisinde gaz habbecikleri ve hava boşlukları

olduğu zaman, deşarj olayı daha çok mekanik delinme teorisiyle açıklanabilir.

Bu teori, sıvının delinme dayanımının sıvıya uygulanan hidrostatik basınçla sıkı bir ilişkisi

olduğunu ortaya çıkarmıştır.

Elektrotlara bir gerilim uygulanmadığı sürece yalıtkan sıvı elektrotlara PD-PH basıncı ile

etkir. Buradaki PD dış basınç, PH ise gaz habbeciklerinin basıncıdır. Ayrıca yalıtkan sıvının

elektrotlara olan yapışma basıncını da hesaba katarsak elektrotlara bir gerilim uygulanmadığı

sürece yalıtkan sıvının elektrotlara yüklediği toplam basınç PD+PA-PH ‘dır.

68

Elektrotlara herhangi bir gerilim uygulandığında elektrotlar arası çekme kuvvetinden dolayı

bir basınç söz konusudur. Bu da;

2

2

1EP ε= [N/m2] (5.1)

şeklinde ifade edilir. Delinmenin olabilmesi için:

HDA PPPP ++≥ (5.2)

koşulunun gerçekleşmesi gerekir.

2

2

1EPPPP HDA ε==++ (5.3)

formülünden yola çıkarsak,

εP

E2= (V/m) (5.4)

değerini buluruz. Bu da delinmenin başladığı elektriksel alandır.

Elektriksel Delinme Teorisi: Sıvı içine giren elektronların elektriksel alan içinde iyonize olup

bir çığ oluşturması ve bu çığın elektrotlar arasında bir iletken köprü kurmasına dayanan bir

teoridir (Şekil 5.2).

Şekil 5.2. Elektrotlar arasındaki çığın oluşması

69

Elektriksel delinme, kayıp faktörü küçük olan saf yalıtkan malzemelerde örneğin gazlarda

görülür. Bunlarda gerilimin tesir süresinin etkisi azdır.

5.2.1. Sıvılarda delinme dayanımına etki eden faktörler

Nem: Bir yalıtım yağının delinme dayanımı, yağın nemliliğine bağlı olarak çok düşer.

Örneğin %0.01 mertebesindeki su buharı yalıtkan sıvının delinme dayanımını 300 kV/cm’den

30 kV/cm’ye indirebilmektedir. Ayrıca neme ilaveten sıvının içinde yabancı maddelerde

mevcut ise (toz, is, elyaflı parçacıklar, vb.) sıvının delinme dayanımı daha da düşmektedir.

Bundan dolayı transformatör yağlarının kurutulması ve süzülerek yabancı maddelerden

arındırılması gerekmektedir. Şekil 5.3’te yağdaki su miktarı ile delinme dayanımı arasındaki

değişim görülmektedir.

Şekil 5.3 : Delinme dayanımının yağın nemi ile olan değişimi

Su miktarı: Su miktarını düşüren diğer önemli bir faktör de yağda suyun bulunmasıdır. Bir

yağda %0.05 oranında su bulunması halinde delinme dayanımı %20 düşmektedir. Ayrıca yağ

içinde bulunan toz, is, elyaflı parçacıklar vb.yabancı maddelerin bulunması halinde su miktarı

daha da etkili olmaktadır. Bu cisimler yağdaki suyu emmekte ve yüksek alan şiddetleri

oluşturarak delinmeyi kolaylaştırmaktadır. Suyun yağ içindeki yağ sıcaklığına bağlı olarak

maksimum çözünebilirliği Şekil 5.4’de görülmektedir.

70

0

100

200

300

400

500

600

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

Yağın Sıcaklığı

gr/to

n yağ

Şekil 5.4 Suyun yağ içerisinde yağ sıcaklığına bağlı olarak maksimum eriyebilirliği

Gaz Habbecikleri ve Hava Boşlukları: Yağ içinde bulunan elektrotlara yüksekçe bir gerilim

uygulanmışsa yabancı maddeler daha önce açıklandığı gibi elektrik alanının en büyük olduğu

bölgede iletken bir köprü teşkil ederler ve joule kanununa göre ısınırlar. Eğer devrenin direnci

büyük değilse, bu sırada iletken köprüden büyük akım geçer. Bu akım yağın köprü oluşturan

bölgesinde kuvvetle ısınmasına neden olur ve dolayısıyla köprü parçalanır. Bu olay

sonucunda yağ içinde gaz habbecikleri oluşur ve korona deşarjı başlar. Korona deşarjı, küçük

yarıçaplı elektrotlarda görülen, tam olmayan fakat kendi kendini besleyen bir boşalma

olayıdır. Koronanın başlamasından sonra eğer gerilim yükseltilirse ancak o zaman tam

anlamıyla delinme meydana gelebilir. Korona deşarjı, gaz habbecikleri ve hava

boşluklarından başka elektrotların biri tarafından emilmiş olan bir gaz tabakasında veya

üzerinde elektrik yükleri bulunan serbest bir gaz habbeciğinde de meydana gelebilir.

Basınç: Basınç arttıkça delinme dayanımı artmaktadır. Daha önce de anlatıldığı gibi basınçla

delinme dayanımındaki artış yağdaki gaz miktarını azaltmaktadır. Şekil 5.5‘de çeşitli elektrot

şekilleri ile basıncın delinme gerilimine etkisi incelenmiştir.

71

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Yüksek Basınç kg/cm³

Del

inm

e G

erili

mi k

V

sivri uçlu elektrot

küresel elektrot

Şekil 5.5. Sıvı yalıtkanlarda (Transformatör yağları) farklı elektrotlarda basınç-delinme

gerilimi ili şkisi

Sıcaklık: Yapılan deneyler sonucu yalıtkan sıvıların delinme dayanımına büyük bir etkisi

olmadığı görülmüştür. Transformatör yağları için izin verilen maksimum sıcaklık 90-95

°C’dir. Yüksek sıcaklıkla oksijen ile yağ reaksiyona girmekte, delinme dayanımını düşüren

katı, sıvı, gaz şeklinde maddeler ortaya çıkarmaktadır. Yağın kaynama noktasına yakın

sıcaklıklarda delinme dayanımı çok fazla düşmektedir.

Frekans: Delinme gerilimi frekansın yükselmesi ile artar. Birkaç yüz Hz'de maksimuma

erişir. 0 ile 50 Hz arasındaki fark ancak %1 kaç mertebesindedir. Maksimum delinme

geriliminden sonra delinme gerilimi azalır (Şekil 5.6).

F r e k a n s ( H z )

Del

inm

e G

erili

mi

(kV

)

72

Şekil 5.6 Farklı frekanslar için delinme gerilimin değişimi

Elektrot şekilleri ve elektrotlar arasındaki açıklık: Yalıtkan sıvılarda delinme dayanımı

elektrot şekillerine ve elektrotlar arasındaki açıklığa bağlıdır. Düzgün olmayan bir elektrik

alanda farklı elektrotlar için elektrotlar arasındaki açıklık ile delinme gerilimi artar.

Gerilimin uygulanma şekli ve süresi: Bir yalıtkan sıvının delinme dayanımı, gerilimin

uygulanma süresine ve şekline bağlıdır. Gerilimin yavaş ve hızlı yükselmesi arasında %30

delinme dayanımı farkı vardır. Gerilim yükseltme hızı yavaşlatılırsa delinme maksimum

değerde olur. Delinme dayanımının ölçülmesinde 2 kV/s‘lik bir yükselme hızı tavsiye

edilmektedir. Şekil 5.7‘de delinme dayanımının gerilimin uygulanma süresine bağlı olarak

değişimi gösterilmiştir:

Şekil 5.7 Delinme dayanımının gerilimin uygulanma süresine bağlı olarak değişimi

Yapılan araştırmalar sonucunda gerilimin uygulanma süresi arttıkça delinme dayanımının

adtEE −=

formülüne göre küçüldüğü tespit edilmiştir. Burada,

Ed ; geril imin çok küçük sürede uygulanması halindeki delinme dayanımı,

E; gerilimin t süresince uygulanması halindeki delinme dayanımı,

a; yağın temizliğine bağlı bir sabitedir.

73

6. KATI D ĐELEKTR ĐKLER

Katı yalıtkan malzemeler elektrik güç sistemlerinde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır.

Katı dielektriklerin delinme dayanımı sıvı ve gazlara oranla daha yüksektir. Đyi bir dielektrik

malzemenin yüksek delinme dayanımının yanı sıra düşük dielektrik kayıp, yüksek mekanik

dayanım ve sertliğe sahip olması, gaz katkıları ve nem içermemesi, ısıl ve kimyasal

etkileşmelere dayanıklı olması istenir. Bunların yanı sıra kullanıldığı bölgedeki ortam

koşullarından etkilenmemeli, ozona, düşük su emilimine ve radyasyona karşı dayanıklı

olmalı, higroskopik esnekliğe sahip olmalı ve sıvı sızdırmaması istenir. Katı yalıtkanlar en

kolay kimyasal kompozisyonlarına göre sınıflandırılır. Bu sınıflandırma Tablo 6.1’de

görülmektedir.

Tablo 6.1: Katı yalıtkanların sınıflandırılması.

Đnorganik Organik Sentetik Polimerler

Termoplastik Termoset

Seramik Kehribar Perspeks Epoksi Reçine

Cam Kağıt Polietilen Fenolikler

Mika Mukavva Polipropilen Melamin

Fiberglas Kauçuk Polisitren Ürefermaldehid

Seramik Tahta Polivinilklorür (PVC) XLPE

Alüminyum

oksit

Reçine Poliamid Elastomerler

Magnezyum

oksit

Polikarbonat

Emaye

6.1.1 Đnorganik Katı Yalıtkan Malzemeler

Đnorganik malzemeler 650°C ye kadar elektriksel ve mekanik özelliklerini yitirmeden

kullanılabilen malzemelerdir. Kompakt yapıları nedeniyle yağ ve verniği emmezler. Đnorganik

katı yalıtkanların üretimi çok güç olmasına karşın genelde oldukça iyi yalıtım sağlarlar ve

elektrik endüstrisinde kullanılan ilk yalıtkan seramik malzemelerdir. Bu grubun en yaygın

kullanılan elemanları cam, seramik ve porselendir.

74

6.1.1.1 Seramik

Seramik inorganik malzemeler, yüksek sıcaklıkta monolitik yapılara mineral katılması ile

gerçekleştirilir. Dielektrik sabitlerine göre iki gruba ayrılırlar, εr<16 olanlar düşük

geçirgenlikli seramiklerdir, küçük değerde yalıtım amaçlı kullanılır. εr>16 olanlar ise yüksek

geçirgenlikli seramiklerdir, kapasitelerde ve algılayıcılarda kullanılır.

Şekil 6.1: Havai hatlarda kullanılan seramik izolatörler

6.1.1.2. Alüminyum oksit

Aluminyum oksit inorganik katı dielektrik malzemedir. Yüksek mekanik dayanımı, iyi yalıtım

özellikleri ve ısıl iletkenliği nedeniyle yaygın olarak tercih edilirler. Alüminyum oksit

vakumlu yüksek akım kesicilerinde ve çeşitli elektriksel – seramik parçaların yapımında

kullanılır. Toz hali çeşitli kompozit yalıtkan ve zırhların yapımında kullanılır. Günümüzde

alüminyum oksit tabanlı porselenler oldukça yaygın bir şekilde gecikmeli tip yalıtkanlarda,

istasyon tipi yalıtkanlarda ve yüksek mekanik dayanıklılık gerektiren tüm yalıtım

malzemelerinde kullanılırlar. Plastiklerin ısıl iletkenliği 0.15 – 0.3 W/mK , porselen ve

camların ısıl iletkenliği ise 1.6 - 1.7 W/mK arasında değişirken alüminyum oksitte bu değer

35 W/mK dir. Kayıp faktörü 1 MHz için 0.0006 değeri ile seramiklerdeki en düşük

değerdir . Bu değer diğer dielektrik malzemeler içerisinde de en düşük değerdir.

75

6.1.1.3. Porselen

Porselenler, içinde gaz habbecikleri bulundurmama özelliği, korozyona dayanıklılık ve tüm

alkalilere ve asitlerin pek çoğuna karşı kimyasal olarak reaksiyona girmemeleri ve çevresel

kirliliklere karşı dayanıklılıkları ile bilinirler. Yüksek mekanik dayanımları ve düşük

dielektrik geçirgenlikleri ile elektronik malzemelerin yapımı için de uygundurlar. Porselen,

Alüminyum silikatın (3Al6O3-6SiO3) mulit fazına dönüşene kadar ısıtılmasıyla elde edilen

çok fazlı bir seramik malzemedir. Porselenin yüzeyi gözenekli olduğundan yüzeyi cilalanır,

çok kullanışlı bir malzemedir.

Şekil 6.2: Havai hatlarda kullanılan porselen izolatör

Şekil 6.3: Elektrik porselen için dielektrik sabiti-sıcaklık eğrisi.

76

6.1.1.4.Magnezyum Oksit

Magnezyum oksit yaygın olarak kullanılan inorganik izolasyon malzemesidir. Isıl geçirgenliği

yüksektir. Đnorganik malzemeler içerisinde 60 Hz frekansta dielektrik sabiti en yüksek

malzemedir. 1 MHz frekansta kayıp faktörü 0.03 ve dielektrik sabiti 5.4 tür.

6.1.1.5. Cam

Bilinen en eski yalıtım malzemesidir. Katılaştırma sırasında kristalleşmez. Yüzey akımları

düşüktür ve yüksek sıcaklıklarda güneş ışığını geçirdiği için ısıya karşı dayanıklıdır. Camın

dielektrik sabiti 3.7 ila 10 arasında ve yoğunluğu 6.6 ila 6 gr/cm3 arasında değişir. Oda

sıcaklığında direnci 1014 – 1066 Ωm arasındadır. Camın dielektrik kayıp faktörü frekansa bağlı

olarak 0.004 ile 0.06 arasında değişir. Düşük frekanslarda kayıplar minimuma inmektedir.

Camların dielektrik dayanımı 3 ila 5 MV/cm arasında değişir ve artan sıcaklıkla dayanımı

düşer, 100ºC civarında yarı değerine iner. Günümüzde en yaygın uygulama alanı fiberglass

yapımıdır. Havai hat izolatörlerinde, transformatörlerde, kapasite ve devre kesicilerinde

kullanılmaktadır.

Yalıtım amacıyla kullanılan kağıt formundaki camlar mikro fiberlerden oluşurlar ve 538ºC ye

kadar ısıl stabilitesini korurlar. Yüksek ısıl iletkenliği, düşük miktarda nemlenmesi ve iyi

kimyasal rezistans gibi özellikleri vardır.

6.1.1.6. Mika

Doğal inorganik malzemeler sınıfına aittir. Kristal yapısı itibariyle ince tabakalar haline

dönüştürülebilmektedir, üst üste getirilen bu tabakalar hava boşluklarını ve dolayısıyla kısmi

boşalmaları önlerler, oda sıcaklığında 1000 kV/mm’ye kadar yüksek dielektrik dayanıma

sahiptir. Dielektrik kayıp değeri oldukça düşük bir değere sahiptir 0.001, yüksek sıcaklıklara

dayanım 650ºC (sentetik mika için bu değer 980ºC ) ve iyi mekanik dayanıklılık gibi

özellikleri vardır. Yüksek sıcaklıkların yer aldığı ortamlarda güvenle yalıtkan olarak

kullanılırlar. Mika ve mika tozu rotorlu döner makinalarda stator izolasyonunda,

77

transformatör sargılarında, devre kesicilerde, anahtarlarda, ark bariyerlerinde ve fincanlarda

kullanılırlar.

Tablo 6.2 : Đnorganik katı yalıtkan malzemelerin dielektrik özellikleri

Đnorganik katı

yalıtkan

Dielektrik sabiti Kayıp faktörü Sıcaklık dayanımı

( oC max)

Seramik 6 -20 (1 MHz) 0,035(1 MHz) 650

Porselen 8,5 (1 MHz) 0,005 1200

Aluminyum oksit 10,1 (1 MHz) 0,0002 2200

Magnezyum oksit 5,4 (1 MHz) <0,0003 (1 MHz) 1700

Cam 3,7-10 0,004-0,06 ---

Mika (doğal) 6,5-8,7 (1 MHz) 0,001 540

Şekil 6.4 : Katı dielektrikler için kayıp faktörünün sıcaklıkla değişimi (f=50 Hz, AC gerilim)

6.1.2. Organik Katı Yalıtkan Malzemeler

Organik katı yalıtkan malzemeler bitkisel veya hayvansal kökenli malzemelerdir. Đyi yalıtım

özelliklerine sahip olmalarına karşın 100ºC’nin üzerindeki çalışma sıcaklıklarında bu

özelliklerini yitirirler. Yağ emdirilmiş kağıt yalıtkan ve mukavvalar kablolar, kapasiteler,

transformatörler ve panellerde kullanılırlar.

6.1.2.1. Kağıt ve Mukavvalar

78

Kağıt ve mukavva arasındaki en önemli fark tam olarak belirtilemese de 8 mm den düşük

kalınlıktaki malzemelere kağıt ve 8 mm den fazla kalınlıktaki malzemelere mukavva adı

verilir. 6 mm’nin üzerindeki kalınlık için mukavvalar üst üste konarak istenen kalınlık elde

edilir.

Yalıtkan amaçlı kullanılan kağıtlar, genelde Kraft kağıdı olarak tanımlanmaktadır. Kalınlığı

ve yoğunluğu uygulanacak yere göre farklılık gösterir. Düşük yoğunluklu kağıtlar (0,8

gr/cm3) yüksek frekans kapasite ve kablolarında kullanılırlar. Orta yoğunluklu kağıtlar güç

kapasitelerinde, yüksek yoğunluklu kağıtlar ise enerji depolama kapasitelerinde ve DC

makinelerin yalıtımında kullanılmaktadırlar.

Şekil 6.5: Yağ emdirilmiş kağıt yalıtkanlar için su oranının kayıp faktörüne etkisi.

Kağıt sıvı emme özelliğine sahip bir malzemedir. Bu nedenle kurutulmalı ve mineral yağ,

sentetik yağ veya bitkisel yağlar emdirilerek kullanılmalıdır. Yağ emdirilmiş kağıdın bağıl

dilektrik sabiti, onun yapıldığı selülozun ve emdirilen yağın geçirgenliğine ve kağıdın

yoğunluğuna bağlıdır. Kağıtlar sert kağıtlar ve yumuşak kağıtlar olarak üretilirler. Sert

kağıtlar, kağıdın epoksi ve fenolik reçinelerle kompres yapılmasıyla elde edilirler. Malzemeyi

desteklemek veya yalıtkan bariyer olarak kullanılırlar. Yumuşak kağıtlar, emdirme işleminden

sonra trafolarda ve fincanlarda kullanılırlar.

79

Şekil 6.6 : Yağ emdirilmiş kağıt dielektrikler için darbe delinme dayanımının kağıtın kalınlığı

ile değişimi

6.1.2.2. Tahta

Tahta kolay işlenebilen ve mekanik dayanımı yüksek olan bir yalıtkan maddedir. Kurutulmuş,

laklanmış ve yağ emdirilmiş olarak kullanılırlar.

6.1.3. Sentetik Polimer Katı Yalıtkan Malzemeler

Sentetik polimerler endüstride kullanılan tüm polimerik malzemeleri içerirler. Polimerler

genelde iki grupta incelenirler. Termoplastikler ve termosetler. Erime sıcaklıkları düşüktür

(100–160ºC) buna karşın esnek olmaları sebebi ile erime sıcaklıklarının altındaki sıcaklıklarda

kalıplanabilir ve işlenebilirler. Bu özellikleri nedeniyle termoplastikler yüksek gerilim

kablolarının yalıtımında kullanılırlar. Termoset polimerler ise ısı ile bir kez şekil alırlar ve

şekil aldıktan sonra işlenemezler. Mekanik dayanımları ve sertlikleri termoplastiklere göre

daha iyidir. Epoksi 1947 de yalıtkan olarak kullanılmaya başlanmıştır. Fenoliklerle

kombinasyonları epoksileri daha kullanışlı termoset bileşikleri haline getirmiştir. 1950 de

mükemmel dielektrik özellikleri ve korona dayanımı ile polikarbonat kullanılmaya

başlanmıştır. 1973 yılında polietersülfon reçineler 180ºC ye kadar olan çalışma sıcaklığı (bu

değer termoplastikler için en yüksek değerdir) ile yalıtımda kullanılan dielektrik malzemeler

arasına girmiştir. 1980 yılında poliakrilat ve polietereterketon (PEEK) içeren 600ºC ye kadar

olan çalışma sıcaklığı ve su geçirgenliğine karşı yüksek dayanımları ile özel reçineler

kullanılmaya başlanmıştır.

80

6.1.3.1. Polietilen (PE)

Polietilenler kablo endüstrisinde yaygın olarak kullanılan termoplastik polimerlerdir. Etilenin

(C6H4) polimerizasyonu ile elde edilirler. Uzun zincir halindeki polietilen molekülleri

birbirleri ile kimyasal olarak bağlı değildirler. Bu nedenle oda sıcaklığında sert, fakat daha

yüksek sıcaklıklarda akışkan sıvı haldedirler. %95 kristallenmeye sahip amorf katıdırlar.

Kristallenmenin artması ile çekme dayanımları, rijitlikleri, kimyasal dayanımları artar.

Polietilenin özellikleri çeşitli katkılayıcılar ve dolgu malzemeleri kullanılarak değiştirilebilir.

Bunlar aminler, fenoller ve fosfitlerdir. Kablolarda kullanılan polietilenler kabloda yer alan

iletken kısım ile temas halinde olduğu için polietilenin metalle reaksiyona girmesini önleyen

katkı maddeleri içerirler. Böylece bakır iletken ve ekranla temas halideki polietilenin

reaksiyona girmesi önlenir. Alev önleyici özelliklerini arttırmak amacı ile antimonoksit,

alüminyumtrihidrat ve halojen bileşikler katkı maddesi olarak kullanılır. Reaksiyon

proseslerine bağlı olarak polietilenler düşük yoğunluklu polietilen (LDPE) veya yüksek

yoğunluklu polietilen (HDPE) olarak üretilirler. LDPE nin tipik kristallenmesi %45 – 55

arasında gerçekleşirken bu değer HDPE için %70-80 arasındadır. HDPE nin delinme

dayanımı ve dielektrik sabiti LDPE den daha yüksektir. Đnce film halindeki HDPE için

delinme dayanımı seviyesi 600 KV/mm den daha fazladır.

PE polar gruplar içermediği için dielektrik sabiti düşüktür ve kayıp faktörü de oldukça

düşüktür. Direnci 1014 Ωm dir ve çalışma sıcaklığı -50ºC – 75ºC arasındadır.

6.1.3.2. Çapraz Bağlı Polietilen (XLPE)

Polietilenin moleküllerinin çapraz bağlanmasıyla elde edilir. 165ºC ye kadar çalışma

sıcaklığına sahiptirler. Yüksek akım taşıyan kabloların yapımında kullanılırlar. 650ºC

civarında özelliklerini yitirirler. Polietilene nazaran aşınmaya karşı daha dayanıklıdırlar.

Polietilenden bir diğer farkı da fiziksel özelliklerini yitirmeden daha fazla oranda katkı

yapılabilir. Bölgesel deşarjlara karşı daha dayanıklı ve uzun ömürlüdürler. Üretim aşaması

sırasında 1-30 µm boyutlarındaki boşlukların oluşması kaçınılmazdır ve görülen bölgesel

deşarjların oluşma sebebi de bunlardır.

81

6.1.3.3. Polivinilklorür (PVC)

PVC’ler, 1930’lu yıllardan beri kablo yalıtkanı olarak ve son dönemde de dolgu malzemesi

olarak kullanılmaktadır. Vinilklorürün polimerizasyonu ile elde edilirler. PVC nin tipik olarak

%56.8’i klorür içerir ve bu değer % 67’ye kadar çıkartılabilir. PVC nin elektriksel endüstride

kullanılan türünde %50 PVC, %65-35 arası plastikler ve kalan kısmı da katkılayıcılardan

oluşur. Çalışma sıcaklığı 105ºC’ye kadar uygundur ve delinme dayanımı 30 kV/mm’den

küçüktür. Oda sıcaklığında kayıp faktörü kullanılan katkılayıcıya bağlı olarak 0.006-0.1

arasında değişir. Bu zayıf karakteristik özelliği nedeniyle PVC orta gerilim kablo

yalıtkanlarında 10 KV mertebesinde uygulama alanı bulmuştur. Bına karşın 1 KV çalışma

geriliminin altındaki değerlerde oldukça yaygın olarak kullanılmakatadır. Bunların yanısıra

yüksek gerilim kablolarında da iç ve dış koruyucu zırhı olarak ta kullanılan türleri vardır.

Şekil 6.7: XLPE ve EPR için dielektrik sabitinin sıcaklıkla değişimi (f=60 Hz)

6.1.3.4. Elastomerler

Elastomerler kauçuğa benzer elastik özellikler gösteren polimerik malzemelerdir. Güç

sistemlerinde en çok kullanılanları silikon kauçuk, Etilen Propilen Kauçuk (EPR), Etilen

Propilen Dien Monomer (EPDM)’dir. Diğer bir elastomer olan silikon kauçuk yüksek gerilim

yalıtkanlarında ve kablolarında yüksek sıcaklık yalıtkanı olarak kullanılırlar. Silkon kauçuka

silika gibi dolgu malzemeleri kullanılarak fiziksel özellikleri arttırılabilir. Silikon kauçuk –

55ºC ile 600ºC arasındaki çalışma sıcaklıklarında güvenle kullanılabilirler. Ozona koronoya

82

ve hava koşullarına karşı oldukça iyi bir dayanımı vardır. Ayrıca alkollere, alkalilere, tuzlara

ve hemen hemen bütün yağ ve wax lara karşı dayanıklıdırlar. Buna karşın halojen

hidrokarbonlar konsantire asitler ve aromatik çözeltilere karşı zayıftırlar .

Kablo yalıtkanları olmasının yanı sıra HTV silikon kauçuklar dış yüksek gerilim hatlarında

seramik yalıtkanların üzerine kılıf olarak konurlar ve böylece yalıtkanın kirli havalardaki

performansını arttırırlar. Silikon kauçuk kılıf kullanılarak üretilen fiberglaslar 765 kV AC ve

±500 kV DC gerilime dayanabilirler.

Bir başka tür silikon kauçuk ta oda sıcaklığında vulkanize edilen (RTV) silikon kauçuktur.

Genelde seramik yalıtkanların üzerinde koruyucu tabaka olarak kaplama yapılır. Ticari RTV

kaplamalarında Polidimetilsiloksan (PDMS) polimeri, silika ve alüminyumtrihidrat (ATH)

kullanılır. Bunların en karakteristik özelliği hidrofobik özellikleridir ki bu sayede ortamda

kirlilik ve rutubet olması durumunda dahi oldukça yüksek bir yüzey dayanımı elde ederler.

Etilenpropilen kauçuk, orta ve yüksek gerilim kablolarında kullanılır, oldukça iyi elektriksel

özellikler ve ıslak elektriksel kararlılığa sahiptir, esnektir, su ağaçlarına ve koronaya karşı

oldukça dayanıklı bir malzemedir. Günümüzde hat başı elektriksel yalıtkan olarak üç tip EPR

kullanılır. Bunlar etilenpropilenmonomer (EPM), etilenpropilendienmonomer (EPDM) ve

kopolimer olarak etilenpropilen ve silikon içeren (ESP)’dir. Dağıtım ve iletim sınıfındaki

yalıtkanlarda 765 kV’a kadar güvenle kullanılabilirler.

83

Şekil 6.8: XLPE ve EPR için kayıp faktörünün sıcaklıkla değişimi

6.1.3.5. Epoksi Reçineler

Epoksi reçineler termoset polimerler sınıfında yer alırlar, suya karşı dayanımları oldukça

iyidir. Uzun zincirleri ve çapraz bağlı yapıları nedeni ile yüksek mekanik dayanıklılık

gösterirler. Sıkıştırıcı, hızlandırıcı, doldurucu, renklendirici ve esnekleştirici dolgu

malzemeleri karışımın %50’sini oluşturur. 130ºC civarında güvenli bir şekilde

çalıştırılabilirler, fakat cam dolgu malzemesi kullanılarak bu çalışma sıcaklığı 650ºC’ye kadar

yükseltilebilir. Epoksi polimerlerin su emmeleri % 0.05 – 0.5 arasında değişir ve bu değer

oldukça düşüktür. Bağıl dielektrik sabitleri 3.5 – 5 arasındadır. Cam katkılı epoksilerde bu

değer 4-8 arasında değişir. Kayıp faktörleri sıcaklıkla artarlar ve genelde 130ºC civarında bir

düşme görülür, bu düşüş yapı içerisindeki dipol yönlenmesine bağlanır. Genelde yüksek

mekanik dayanımları ve kullanılacak malzemeye ve metale oldukça iyi yapışması, rutubete

karşı dayanıklılığı nedeniyle epoksi reçineler tercih edilirler. Günümüzde 69 kV altındaki

gerilim seviyelerinde kullanılırlar. Normal atmosfer koşullarında uzun süreli performansları

oldukça iyidir, fakat kirli atmosferik koşullarda performansları oldukça kötüdür.

Şekil 6.9: Epoksi Reçine kullanılarak izole edilmiş bir akım transformatörü

84

6.1.3.6. Polyesterler

Polyesterler genellikle bir dialkolün bir diesterle reaksiyonu sonucu elde edilirler. Üç grupta

incelenirler; esnek yapıya sahip olan sentetik kauçuklar, bunlar kolay şekil değiştirebilirler.

Düşük erime sıcaklığına sahip (100 – 160ºC) termoplastikler, soğukta kristalize olabilen ve

olamayan olmak üzere iki alt grupa ayrılırlar. Termosetler ise ısıya dayanıklı malzemeler olup

mekanik darbelere karşı dayanıklıdırlar. Elektrik endüstrisinde termoset polyester olan

alkidler kullanılır. Elektrik yalıtım malzemesi olarak kullanılan polyester bileşikleri aşağıdaki

gibidir.

• MAG Tipi mineral katkılı bileşiklerdir, dielektrik özellikleri iyidir ve ark

dayanıklılıkları istenilen düzeydedir.

• MAI-60 Tipi cam-fiber katkılı bileşiklerdir, yüksek darbe dayanımı,iyi dielektrik

özellikleri ve ark dayanımları mevcuttur.

• MAT-30 Tipi ısıya dayanıklı, iz oluşumuna dayanıklı, aleve dayanıklı, yüksek

darbelere dayanıklı, cam dolgulu mineral katkılı bileşiklerdir.

• MAI-30 Tipi mineral katkılı, cam-fiber katkılı bileşiklerdir. Mükemmel şekil alma ve

kalıplanma özellikleri mevcuttur. Elektriksel arka, aleve, ısıya ve yüksek darbelere

karşı dayanıklı olan bu bileşikler bunların yanı sıra oldukça iyi mekanik ve elektriksel

özelliklere sahiptirler.

MAI-60 Tipi polyesterin 1 MHz te dielektrik sabiti εr=4.6 kayıp faktörü 0.06 ve oda

sıcaklığında direnci 1x 1013 Ωcm olarak ölçülmüştür.

Elektrik–Elektronik endüstrisinde polyesterler devre kesicilerde, rölelerde, anahtarlarda,

konnektörlerde ve panolarda kullanılırlar.

85

Şekil 6.10: Polyester izolatör

Tablo 6.3 : Sentetik polimer katı yalıtkan malzemelerin dielektrik özellikleri

Sentetik Polimer

katı yalıtkan

Dielektrik sabiti Kayıp faktörü Kullanım sıcaklı ğı

( oC max)

PE 2,28 (1 MHz) 0,0005(1 MHz) 80

XLPE 2,3 (1 MHz) 0,0003 (1 MHz) 165

PVC 6,2 (1 MHz) -- 60-105

Elastomerler 2,5-3,5 (1 MHz) 0,007(1 MHz) 177

Epoksi reçine 4,6(1 MHz) 0,01(1 MHz) 204

Polyester 5,6 (1 MHz) 0,02 204

6.2. KATI YALITKANLARDA BOZULMA Katı yalıtkanlarda bozulma, sıvılardan ve gazlardan farklıdır. Gazlar bozulma gerçekleştikten

sonra tamamen eski hallerine dönebilirler. Sıvılar bozulma olduktan sonra bir kısmı eski

haline dönebilir, katılar ise eski haline geri dönemezler. Katılarda delinme, yalıtkana

uygulanan stresin süresine bağlıdır.

86

Şekil 6.11: Katı yalıtkanlarda bozulma

Katılarda bozulma elektronik bozulma mekanizmaları, ısıl bozulma mekanizmaları ve

elektromekanik bozulma mekanizmaları olarak üç farklı grupta gerçekleşirler. Bozulma olayı

bu proseslerin her birine ve/veya toplu olarak etkimesi sonucu oluşur.

Katı yalıtkanlarda bozulma malzemenin moleküler yapısına ve morfolojisine bağlı olduğu

kadar, malzemenin geometrisine, sıcaklığına ve çeşitli çevresel faktörlere de bağlıdır. Katı

yalıtkanlarda bozulma yapıları birbiri ile ilişkilidir.

6.2.1. Yaşlanma

Tüm yalıtkanlar kullanım süreleri boyunca çeşitli elektriksel, termal ve mekanik streslerin

yanı sıra aşırı akım ve gerilimlere maruz kalırlar. Nem, ısıl değişiklik, güneş ışını UV etkisi,

mekaniksel gerilmeler ve benzeri çevresel faktörler yalıtkanlarda yaşlanmayı

hızlandırmaktadır. Bunların yanı sıra izolatörlerde titreşim etkisi de izolatör üzerinde

mekaniksel ve elektriksel bozukluklar oluşturur. Yaşlanma yüksek gerilim izolatörlerinde

kanal oluşumu, kısmi deşarjlar ve ısınma gibi olumsuz etkileri ile yalıtkanın kullanım ömrünü

kısaltır. Başlıca yaşlanma deneyleri dört grup altında gerçekleşir. Bunlar:

• Gerilim yaşlanması: Bu deneyler orta gerilim kablolarının ve alçak gerilim

kablolarının ömür sürelerini kestirmek amacıyla yalıtkana uygulanan gerilim

seviyesi ve süresi göz önüne alınarak yapılan yaşlandırma testidir.

87

• Frekans yaşlanması: Burada yalıtkana uygulanan gerilim sabit tutularak kaynağın

frekansı değiştirilip örnekteki bölgesel deşarjlar gözlenir ve buradan yola çıkarak

frekans yaşlanması gerçekleştirilir.

• Termal yaşlanma: Yalıtkan belirli gerilim seviyesinde iken ortamın sıcaklığı

değiştirilerek her bir sıcaklık durumu için kullanım ömrü tespit edilir. Genel olarak

kablo yalıtkanları için her 8-10ºK lik sıcaklık artışı için kablo yalıtkanının

ömrünün yarı yarıya azaldığı düşünülür.

• Çok faktörlü stres yaşlandırması: Burada aynı anda elektriksel, termal, mekanik ve

kimyasal etkilere maruz bırakılan yalıtkanın değiştirilen koşullar karşısındaki

ömrü tespit edilerek ömür analizi gerçekleştirilir.

6.2.2. Kısmi De şarj (Korona)

Korona, tam olmayan fakat kendi kendini besleyen deşarja denir. Đzolasyonun kısmi delinmesi

olarak ta tanımlanabilir. Üç biçimde oluşmaktadır.

• Đzolatördeki sivri uçlu elektrotta oluşan elektriksel alanın oluşturduğu bozulma,

• Farklı izolasyon malzemelerinden oluşmuş izolatörlerde bileşenlerden bir

tanesinde meydana gelen bozulma,

• Yüksek alanın meydana getirdiği bozulma.

Bunların dışında malzemenin içinde oluşan hava boşluklarında gerçekleşen, koronolar ve

yüzeyde meydana gelen deşarjlar da bu tanımın içine katılabilir. Polimerik yalıtkanları, içinde

hava boşluğu olmaksızın üretmek mümkün değildir. Üretim esnasında poyesterin içine

yerleşen ve dielektrik geçirgenliği polyesterden daha az olan, hava kabarcıkları, gaz basıncına

ve diğer faktörlere bağlı kalarak bir yüksek alan oluşturmaktadır. Bu alan boşluktaki gazın

iyonize olmasına ve boşlukta başlayan deşarjlara ve hatta delinmelere neden olmaktadır. Bu

tür deşarjlar izolatörün bozulmasına hemen etki etmezler, fakat servis ömrünü kısaltırlar.

6.2.3. Kanal Olu şumu

Katı yalıtkanlarda kanal oluşumu, elektriksel ön boşalma olayı ile açıklanabilir. Kontrol

altında hazırlanmış örnek içerisine tam olarak gömülmüş elektrotlar ile tek bir çığın

geçişinden sonra delinme tamamlanabilir. Katottan yalıtkanın iletim bandına giren bir

elektron alanın etkisi ile çarpışmalar yaparak enerji kazanır ve bu enerjiyi anoda ilerleyerek

88

kullanır. Ortaya çıkan başka serbest elektronlarla da birlikte bu işlem sürer ve bir elektron çığı

oluşur, bu çığ eğer belirli bir kritik boyu aşarsa delinme gerçekelşir.

6.2.4. Termik Delinme

Elektrik ve elektronik elemanları üzerinde görülen termal etki, aşırı akım yüklenmesi ve

ortam sıcaklığının artması nedeniyle tahribat gerçekleşir. Bunun nedeni, termal etkiye tabi

tutulan yalıtkanın polarizasyona bağlı olarak oluşan akım ve dielektrik kayıplarına bağlanır.

Herbir malzeme için belirli sıcaklık düzeyinin üzerine çıkıldığı zaman kimyasal ve fiziksel

bozunma hızlanır. Bir yalıtkana oda sıcaklığında iken bir alan uygulanırsa iletim akımı

genellikle düşüktür fakat bunun değeri ortamın sıcaklığının artması ile iletkenliği de artar. Bu

sırada akım tarafından üretilen ısı kısmen çevreye verilip atılırken kısmen de yalıtkan içinde

yutulup bu sıcaklığı üreten akımı, dolayısıyla da sıcaklığı arttırır. Eğer yalıtkan içinde

herhangi bir noktada üretilen ısı o yalıtkan için belirli bir değeri aşarsa kararsız bir durum

ortaya çıkar ve yalıtkan örnek termik delinme ile bozulur. Malzeme, içinde kalan hava

boşluları nedeniyle ısınır. Bu boşluklarda oluşan deşarjlar iç sıcaklığı arttırmaktadır. Yüzey

alanı A olan bir dielektrik küpte ısı akışı Şekil 6.6’da gösterildiği gibi x doğrultusunda

olduğunda, termal delinmeyi ifade eden denklem aşağıdadır.

Şekil 6.12: Isı giriş çıkışını bulmada kullanılan blok diagram

89

Yüzeyinden ısı akışı dx

dTKA= (6.1)

Burada K, malzemenin termal iletkenliği.

Yüzeyinden ısı akışı xdx

dT

dx

dKA

dx

dTK ∆

−= (6.2)

(6.2) nolu eşitlikteki ikinci terim dielektrik blok içerisine doğru ısı girişini ifade eder. Buradan

hareketle;

Isı akış hızı / hacim )(KgradTdivdx

dT

dx

dK =

= (6.3)

Enerjinin korunumu yasasına göre elemanın içine giren ısı miktarı, malzemenin ilettiği ısı

miktarı artı malzemenin içindeki sıcaklığı yükseltmek için harcanan ısı miktarı şeklinde veya

üretilen ısı = yutulan ısı + kaybedilen ısı

)(2 KgradTdivdx

dTCE v +=σ (6.4)

Burada Cv dielektriğin termal kapasitesini, σ elektriksel iletkenlik T son sıcaklığı t, ısının

uygulanma süresi.

Deneysel çalışmalar göstermiştir ki, termal delinme malzemeye uygulanan gerilimin süresine

de aynı oranda bağlıdır.

6.2.5. Elektromekaniksel Delinme

Yalıtkan malzemenin kiyasal birleşim konfigürasyonları, üretim teknikleri, merkezkaç

kuvvetleri ve vibrasyon nedeni ile malzemenin fiziksel açıdan etkilenmesi ile görülen

bozulma türüdür.

Oksidasyon, ozon, radyasyon, nem ve kimyasallar yalıtkanın ömrünü fiziksel olarak bozan

etmenler arasındadır. Yalıtım malzemelerinin birçok kimyasallara karşı dirençleri çok iyi

kaydedilmiş ve böylece yalıtım malzemelerinin karşılaşılabilecekleri kimyasal maddelere

karşı dirençleri arttırılmaya çalışılmıştır. Fiziksel bozulmaya yol açan malzemelerden olan

90

rutubet, su formunda veya yüksek nem olarak karşımıza çıkar. En büyük etkisi yalıtım

sisteminin dielektrik özelliklerini düşürmesi veya dielektrik arızaya yol açmasıdır. Bazı

yalıtım malzemeleri, özellikle kağıt yalıtkanlar ve organik bazlılar nem emici özelliktedir ve

yüksek oranda rutubet gözlenen çevre şartlarındaki elektriksel yalıtım sistemlerinde yalnız

olarak kullanılmaya müsait değillerdir. Rutubet bu malzemenin liflerinin şişmesine sebep olur

ve malzemenin kalınlığını arttırarak daha fazla yer kaplamasına neden olur. Bununla birlikte

%6 oranında rutubet bu malzemelerin ideal mekanik özelliklerini gösterebilmesi için gerekli

bir düzeydir. Bu malzemelerin herbiri kritik su içeriğine sahiptir ve bu içeriğin altına

düşüldüğünde kullanışlılıkları hızla bozulur bu sebeple kullanımdan önce tamamen

kurutulmazlar. Genellikle bu malzemelere yalıtkan sıvılar veya cilalar emdirilerek veya

kaplanarak rutubete karşı direnci arttırılır.

Rutubeti çekme özelliği kağıtlar ve organik üretimlerle aynı derecede olmasa da bazı

plastikler diğerlerine oranla rutubeti daha kolay emer. Örnek olarak poliamidler (naylonlar),

poliimidler, akrilikler, polisülfonlar ve bazı poliüretanlar gösterilebilir. Bir dereceye kadar

düşük dielektrik özellikleri çoğu durumda bunların kullanımını engellemez.

Rutubet dirençli malzemelerin yüzeyinde, iletken bir yol olarak şekillenir. Bu hareket yüzeyde

iletken kirliliğin bulunduğu durumlarda daha da şiddetlenir. Çoğunlukla enerji nakil hattı

yalıtkanlarında gözlenir.

Belirli koşullarda ve yüksek sıcaklıklarda rutubet bazı polimerleri özellikle poliüretanları

aktive eder ve kimyasal bozunmaya neden olur. Bu şekilde dielektrik özelliğini bozar. Bu

hidrolize olma eğilimi daha az yalıtkan olan polimerlerle karıştırılarak veya katkılanarak

kontrol edilebilir.

Yalıtım malzemesindeki boşluklar ve kirlilik diğer çevre koşullarında olduğu gibi

malzemenin fiziksel olarak bozulmasına neden olur.

6.2.6. Erozyon

Elektriksel malzemelerde kullanım sırasında özellikle yüksek gerilim kablolarındaki başlıca

bozulma nedenlerinden biridir. Malzemenin üretimi sırasında içinde kalan boşluk ve hava

kanallarında elektriksel deşarjların oluşması sonucu gerçekleşir. Genelde bu boşluk ve

91

kanalların içindeki hava veya diğer gazların dielektrik dayanımı katı yalıtkanın dayanımından

daha az olması nedeniyle boşluktaki veya kanaldaki elektrik alanın değeri yükselir ve bunun

sonucunda yalıtkanda erozyon görünür. Şekil 6.7’de içinde disk şekilli bir boşluk bulunan

dielektrik bir malzeme verilmiştir, burada malzeme Ed elektrik alanına maruz bırakılmıştır. Bu

durumda boşluktaki elektrik alan değerini hesaplamak istersek

dc

dc EE

εε=

(6.5)

Şekil 6.13: Đçinde disk şeklinde bir boşluk bulunan yalıtkan malzeme

Đfadesinden yararlanılır. Burada sırasıyla εd ve εc dielektriğin ve boşluğun geçirgenliğidir.

Hava için εc ≅ 1 ve pekçok katı yalıtkan malzeme için εd 6 ile 3 arasında değişir. Yukarıdaki

ifadeden görüleceği üzere boşluktaki alan değeri dielektriğe uygulanan alan değerinden daha

fazla olacağı için boşluktaki alan değeri havanın delinme değeri seviyesine geldiğinde deşarj

oluşur ve alternatif akımın her sıfırdan geçişinde bu tekrarlanır. Tekrarlanan deşarjlar

sonucunda boşluğun yüzeyinde erozyon ve kimyasal bir bozulma gerçekleşir.

Boşluklardan kaynaklı sorunlar genelde katı dielektrik kabloların en önemli problemidir.

Polimerik yalıtkanların üretimi aşamasında bu boşlukların (1 – 30 µm) önüne geçilemediği

için ticari polimerik kablo yalıtkanları 138 kV ile ve yağ emdirilmiş polimer katkılı kablo

yalıtkanları 400 kV ile sınırlıdır.

6.2.7. Yüzey Aşınımı (Surface Tracking)

Yüzey aşınımı daha çok polimerik izolatörlerde gözlemlenen bir bozulma biçimidir. Yüzey

aşınımı sonucunda, izolatörün yüzeyi yanmaya bağlı olarak karbonlaşır ve o bölgede bir iz

meydana gelir. Yüzeyde oluşan iz ve oluşum süresi, izolatörde kullanılan polimerin moleküler

92

yapısına, uygulanan gerilime, elektrot tipine, test sırasında yüzeyden akan suyun akış hızına

bağlıdır. Yüzey aşınımı oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir(Şekil 6.8).

Şekil 6.14: Yüzey aşınımının (surface tracking) mekanizmaları

Katı yalıtkanlardaki yüzeyde oluşan kaçak akım, yüzeydeki nem ve kirlilikten

kaynaklanmaktadır. Bu da doğal olarak yüzeyin bozulmasına ve bir karbonize yolun

oluşmasına neden olmaktadır. Bu olaya yüzey aşınımı veya yüzey iş oluşumu denir.

Karbonize yol toprak elektrottan yüksek gerilim elektrotuna doğrudur. Bu yolun

tamamlanmasıyla bozulma tamamen gerçekleşmiş olur.

93

Yüzey aşınımı, düşük şiddetli deşarjların oluşumu ile başlar. Bu deşarjlar yüzeyden akan

suyun iyonize bir tabaka oluşturmasından meydana gelmektedir.

6.3. KOMPOZĐT DĐELEKTR ĐKLER

Đletim hatlarında ve güç sistemlerinde tek malzemeden üretilmiş yalıtkan malzemelere nadir

olarak rastlanır. 2 veya daha fazla sayıda yalıtım malzemesinin birlikte kullanılması ise

yapılan tasarımın veya üretim sırasında oluşacak pratik zorluklar göz önüne alınarak

gerçeklenir. Bu malzemeler birbirine paralel hava-katı yalıtkan veya yağ-mukavva gibi

olabilir. Laminantlarda olduğu gibi birbirine seri de olabilir. Bunların dışında epoksi reçine

veya emdirilmiş katılarda olduğu gibi iki farklı granül haldeki malzemenin karışımında veya

polietilen karışımında olduğu gibi mikroskopik hacimlerde farklı fazlar içeren katkılanmış

(doldurulmuş) veya desteklenmiş yalıtkan malzemelerde bu sınıfta yer alırlar.

Kompozit yalıtkan sistemlerin davranışları bazı durumlarda bileşenlerin özelliklerinde

bulunabileceği gibi genelde sistemin bütün olarak göz önüne alınması daha sağlıklı verilerin

elde edilmesi için gereklidir. Kompozit sistemlerin özellikleri şu faktörler incelenerek

çıkartılabilir.

(1) Yalıtkan malzemelerin farklı noktalarındaki stres dağılımı

(2) Kompozit malzemenin sınır noktalarına stres uygulandığında yüzeyde gözlenecek delinme

karakteristiği

(3) Bölgesel deşarj (partial discharge) ve/veya yaşlanma sonrası kompozitte yer alan bir

bileşenin diğer bileşen ile reaksiyona girmesi ile oluşan ürünler (PVC, HCl gibi).

Kompozit sistemlerin ekonomik ömrü de göz önüne alınmalıdır. Çünkü uzun süreli

kullanımdan sonra çeşitli bozulma mekanizmaları (elektronik, elektromekanik veya termal

bozulma mekanizmalarının yanı sıra elektriksel polarizasyon, moleküler polarizasyon, yüksek

gerilim altındaki ısıl kayıplar gibi bozucu etkiler) bir arada veya ayrı ayrı etkili olacaktır.

6.3.1. KOMPOZĐTLER ĐN DĐELEKTR ĐK ÖZELL ĐKLER Đ

AC elektrik alan uygulanan iki katmanlı bir dielektrik malzemede, dielektriklerin birbirine

etkimediğini ve kompozit sistemde nem ve gaz katkıların olmadığı durumda, bu iki

tabakadaki elektrik alan dağılımı bu iki farklı malzemenin dielektrik sabiti ile ters orantılıdır.

2211 εε EE =

94

Benzer olarak kompozite gerilim uygulandığında bu iki katman arasındaki alan dağılımı

resistiviteleri ile değişir. Şekilde görülen kompozit sistem birbirine birbirine seri bağlanmış

kapasite gibi düşünülebilir. bu durumda gerilim dağılımı, d1 kalınlığındaki malzeme için

+=

)/(1 12211 dd

VV

εε [6.1.1]

Burada V, uygulanan toplam gerilim

d2 , diğer bileşenin kalınlığıdır.

Şekil 6.15 : Đki tabakalı kompozit dielektrik

Bir diğer sıkça kullanılan kompozit türü ise fiber katkılı reçineler veya inorganik katkılı

polimer matrislerinde olduğu gibi iki fazlı karışımlardır. bu sistemlerde üretim sırasında olası

yetersizlikler örneğin küçük boşluklar yer alabilir. Böylece her boşluk ve her katkı partikülü

veya fiberin etrafında bir ara yüzey oluşur. Karışımdaki bileşenlerin her birinin hacimce

büzülme ve termal genişleme katsayıları farklı olduğundan boşluklar oluşur. Katkılı

malzemelerin nem emme eğilimleri fazladır. Eğer bu katılar arasında kimyasal bağ yoksa, su

molekülleri rahatça difüze olur ve su katmanlarını oluşturur. Su katmanları dielektrik

dayanımı ve DC resistiviteyi azaltırken kompozitin dielektrik sabitini yavaşca arttırır. Buna

karşılık kayıp faktörü hatırı sayılır miktarda artar. Buradan hareketle kompozitin dielektrik

özelliklerinin ölçüm yapılan zaman aralığında partiküllerin davranışlarına bağlıdır diyebiliriz.

Şekil 6.16 : Kompozit karışımların iç bağları (a) mika düzlemleri (b) fibarglass paralel

çubukları

95

Kompozitin dielektrik sabitinin, içindeki bileşenlerin dielektrik sabitlerine ve hacimce

oranlarına bağlı olduğu görülmektedir. Eğer bir kompozit iki bileşenden oluşuyorsa bu

bileşenlerin hiçbiri diğerinin özelliklerini etkilemiyorsa ve bu kompozit nem, gaz katkıları

veya benzeri faktörlerden etkilenmiyorsa, kompozitin ε ve δtan değerleri şu şekilde

hesaplanabilir.

1221

21

vv εεεεε+

= [6.1.2]

)/(1

tan)./(tantan

1221

212211

vv

vv

εεδεεδδ

++

= [6.1.3]

6.3.2. KOMPOZĐTLERDE ARAYÜZEY POLAR ĐZASYONU

Eğer bir yalıtkan malzeme iki veya daha fazla sayıda farklı malzemeden oluşuyorsa, bu

malzemelerin içerdiği dağınık mikroskopik safsızlık bölgelerinde, iletkenlik ve permitivite

farklılıklarından dolayı malzemeye bir elektrik alan uygulandığında mikroskopik

arayüzeylerde bir bölgesel yüklenme oluşması ile sonuçlanır. Buna arayüzey (interfacial)

polarizasyonu denir. Bu durum dielektrik kayıpların artmasına ve malzemede alan

düzgünsüzlüğüne neden olur.

Şekil 6.17 : Kompozit dielektrikte arayüzey polarizasyonu

Kompozitteki bileşenlerin birinin iyonik iletkenliği fazla ise, bu hareketli (mobile) yükler

(genellikle safsızlık iyonları) uygulanan elektrik alan etkisi altında iletken bölgeden daha az

iletken olan arayüzeye doğru difüze olurlar. Bu yeni arayüzeyde yükler kalır ve yüzey

yüklenmesine neden olur. Bu etki alternatif gerilimde, alanın yönünün değişmesi ile kalkar.

DC gerilimde ve uzun süreli stress uygulamasından sonra burada yüzey yükleri birikir ve

küçük bir akımın akmasına neden olur. Bu tip polarizasyonlara yalıtkanlarda oldukça yaygın

96

olarak rastlanır. Çünkü yapıda bu tür arayüzeyler dağınık olarak yer almaktadır. Yakın

zamanda yapılan bir çalışmada DC gerilim testi yapılan polimerik kabloların ömürlerinin

kısaldığı bunun nedeninin çok sayıda faktörden kaynaklandığı ve bunlardan en önemlisinin

çapraz bağlı polietilenin yarı-kristal yapıda oluşan yüzey yükleri olduğu görülmüştür. Bu

testler sonrası kristal-amorf arayüzeyde yüksek konsantrasyonlarda tuzaklar(traps)

bulunmuştur.

6.3.3. UÇ DELĐNMESĐ (EDGE BREAKDOWN)

Şekil 6.18 : Uç etkisi ile katı dielektriğin delinmesi

Pratik uygulamalarda bazı durumlarda elektrotlar yalıtkan yüzeyine şekildeki gibi temas

ederler. Burada elektrotların temas ettiği noktada dış ortam ve katı yalıtkan beraber bir

kompozit gibi davranır. Elektrotlara U gerilimi uygulandığına, yüzeyin dA alanına sahip

olduğunu düşünürsek elektrottan x kadar mesafe uzakta havada U1 kadar bir potansiyel

ölçülebilir. Enerji sistemlerinde kullanılan katıların dielektrik sabiti rε = 2-3 arasındadır.

Buradan görüleceği üzere hava ortamının etkisi ihmal edilmemelidir. x mesafesinin değeri

azaldıkça stress değeri artacaktır. d1 yeterince küçüldüğünde düşük gerilim değerlerinde de

hava ortamında delinme gerçekleşecektir. Elektrot ucunda meydana gelen boşalmalar elektrot

yüzeyinde düzgün olmayan bir alan oluşturacaktır. Bunun sonucunda katı yalıtkan yüzeyinde

elektrottan katı yalıtkan yüzeyi boyunca bir deşarj kanalı oluşacaktır. Bu da yalıtkan

yüzeyinde erozyona neden olur. Bu tür delinme kanalları sonuçta yalıtkanın içinde bir

ağaçlanmaya neden olurlar ve yalıtkan delinir. Ağaca benzer delinmeler sadece uç

delinmesinde gözlenmez aynı şekilde diğer bozulma mekanizmalarında da gözlenebilir.

6.3.4. BOŞLUK DEL ĐNMESĐ

Katı yalıtkan ve sıvı dielektriklerin bir kısmında, dış ortamda elektrot ve dielektrik arasında

ve dielektrik içerisinde, boşluk veya habbeciklere rastlanır. Örnek olarak amorf polimerde

97

moleküller arasında boşluk hacmi (free space) adı verilen boşluk ve delikler (holes) yer

almaktadır.

Şekil 6.19 : Dielektrik içerisindeki boşluk ve eşdeğer devresi

Polietilende camsı geçiş sıcaklığının altında (Tg) boşluk hacmi, toplam hacmin %2,5 'u

kadardır. Tg sıcaklığının üzerinde sıcaklık arttıkça bu boşluk hacmide artar. Epoksi reçine

kompozitlerde çok sayıda katkı kullanılır ve bunlarda genelde arayüzeyde kimyasal veya yarı-

kimyasal bir (adsorption-type bonding) toplama-tipi bağlanma görülür. Bu duruma üretim

sırasında dikkat edilmezse pek çok arayüzeyde kimyasal bağ oluşmaz ve boşluk hacmi artar.

Bu boşluklar dielektriğe göre daha düşük dielektrik dayanıma ve dielektrik sabitine sahiptir.

Dolayısıyla normal çalışma koşullarında bu boşluklar delinmenin daha kolay gerçekleşmesine

neden olurlar.

Şekilde d kalınlığındaki bir dielektrik içerisindeki t kalınlığında disk şeklinde bir boşluk

olduğunu düşünelim. Boşluğun abc eşdeğer devresi şekildeki gibidir. Cc boşluğun, Cb

dielektriğin, Ca da dielektriğin tamamının kapasitesini göstermektedir. t<<d olduğu durumda

boşluğunda gaz dolu olduğunu düşünelim, bu durumda Cc üzerindeki alan dağılımı Ecxxxxx

olur. Burada rε dielektriğin bağıl dielektrik geçirgenliğidir. Gaz dolu boşluğun kapasitesini

dielektrik sağlam kısmının kapasitesi ile seri bağlı olduğunu düşünürsek

td

AC r

b −=

εε 0

t

ACc

0ε=

Boşluktan geçen gerilim;

−+=

+=

11

1t

d

VV

CC

CV

r

bc

bc

ε

Boşlukta deşarjın başlaması için dielektriğe uygulanması gereken gerilim

V i boşluğun delinmesi için gerekli elektrik alan değeri

98

−+= 11

1t

dtEV

rcbi ε

[6.1.4]

Boşluğun küresel olduğu durumda boşluğun içerisindeki elektrik alan değeri;

rrc

rc

EE

εεε

2

3

+= [6.1.5]

ile hesaplanır.

bu ifadede boşluğun dielektrik sabiti

E : dielektrikteki ortalama alan değeridir.

rcr εε ff ise bu ifade EEc 2/3≈ olarak kullanılabilir. Görüldüğü gibi boşluktaki alan değeri

dielektriğe uygulanan alanın 1,5 katı kadar fazladır.

Boşluktaki gaz delindiğinde yalıtkanın yüzeyi katot ve anot gibi davranır. Anoda ulaşan bazı

elektronlar yalıtkan yüzeyindeki kimyasal bağları koparacak kadar enerjiye sahiptir. Benzer

olarak katodun pozitif iyon bombardımanına tabi tutulması ile de boşluğun iç yüzeyi yüzey

sıcaklığının artması ve bölgesel ısıl dengesizlikler yaratılması ile zarar görür. Bunlara ilave

olarak havada oluşan O3 veya NO2 gibi aktif deşarj ürünleri, kimyasal bozulma ile yalıtkana

zarar verir. Zarar veren etki hangisi olursa olsun sonuçta katı yalıtkanda bir erozyon gözlenir

ve katı yalıtkanın kalınlığı azalır. Bölgesel deşarjlarda (Pd) yalıtkana zarar veren bir etkendir.

Boşluğun çapı arttıkça sadece çok düşük gerilimlerde deşarjlar gerçeklenmez aynı zamanda

daha fazla enerji açığa çıkar ve yalıtkan daha hızlı olarak bozulur. Yüksek gerilim kablo

yalıtkanlarında boşluk çapı >50 µm den büyükse bu delinme ısıl nedenlidir.

EROZYON VE ĐZ OLUŞUMUNA BAĞLI DEL ĐNME

Polimerik katı yalıtkanlar, üretimlerinin kolaylığı, şekil verilebilmesi, tok olmaları, hafif

olmaları ve çok iyi dielektrik özellikleri nedeni ile uygulamalarında erozyon ve iz oluşumuna

bağlı olarak kullanım ömürleri oldukça kısalmaktadır. Yalıtkan yüzeyinde deşarjlar

görülmeye başladığında, erozyon oldukça geniş bir alanda etkin olmaya başlar.

Erozyon yüzeyi pürüzlü hale getirir ve çukurların (pitting) oluşmasına ve bu nedenle yüzeyde

kirlilik birikmesine ve en sonunda iz oluşumuna yol açar. Erozyon ve çukurların oluşması

daha önce anlatılan uç mekanizmasına bağlı olarak ilerler.

Sürekli deşarjlar ve erozyona bağlı olarak yalıtkan yüzeyinde oluşan genellikle karbon yapıda

iletken yolun oluşumuna "iz oluşumu" denir. Kullanımları sırasında yalıtkan yüzeyleri

kirlenir. Biriken kirler atmosferdeki nemi tutar ve bu ıslak kirli tabaka yüksek gerilimi

99

elektrotu ile toprak arasında sürekli ve iletken bir yol oluşturur. Nem ve kirliliğin olduğu

durumda yüzey direnci azalır. Düşük direnç ise yüzey kaçak akımlarının yükselmesine ve

kayıp faktörünün artmasına; bu da yüzeydeki nemin azalmasına neden olur. Bu azalma

düzgün olarak gerçekleşmez ve yalıtkan yüzeyinde kuru bantların oluşmasına neden olur.

Kuru bant oluştuğunda yüzeyden akan kaçak akım kesilir. Sistemin endüktansı yüksek gerilim

dalgalanmaları üretir ve bu etki kontaklardaki devre kesildiği andaki durumun aynıdır. Bu

kuru bantlar ve elektriksel deşarjlar yalıtkan yüzeyinde ark noktalarında sıcaklığın bölgesel

olarak artmasına, dolayısıyla erozyonun gerçekleşmesine ve karbonlu kalıntıların oluşmasına

neden olur. Đletken karbon yol oluştuğunda yalıtkan tam olarak bozulur.

Đz oluşumu dayanımını veren çok sayıda uluslar arası standart test metodu mevcuttur.

Günümüzde en yaygın olarak kullanılanlar IEC 587 ve ASTM D2303'dür. IEC metodunda iz

oluşumu süresini belirlemek için iki prosedür önerilir; (1) sabit gerilim altında (2) adım adım

artan gerilim kullanılarak IEC metodu tercih edilir. Çünkü burada aynı iz oluşumu gerilimine

sahip farklı iz oluşumu dayanımı olan malzemeler için farklı iz oluşumu süreleri elde edilir.

Bir diğer metot olan ASTM D495'de ise herhangi bir sıvı akışı olmadan iki tungsten elektrot

kullanılarak gerilim uygulanır.

Đz oluşumunun başladığı gerilime "iz oluşumu indisi (tracking index)" denir ve dielektriğin

yüzey özelliklerini belirtir.

KĐMYASAL VE ELEKTROK ĐMYASAL BOZULMA VE DEL ĐNME

Yalıtkan malzemeler birden fazla malzemenin bir araya gelmesi ile oluşurlar veya farklı

yapıda malzemelerle temas halindedir. Bu da bu farklı malzemeler arasında kimyasal

reaksiyonların gelişmesini kaçınılmaz hale getirmektedir. Sürekli elektrik stres uygulanması

yüksek sıcaklığında katalizör gibi davranması ile kimyasal reaksiyonların sayısını arttırır.

Kimyasal olarak bozulan kompozitin elektrik ve mekanik dayanımını azaltmaktadır. En büyük

bozucu etkiler ise O2 'nin olduğu durumda ultravioyle ışıma olması ve nem /suyla temas gibi.

Hava (O2 ) olduğu durumda, kauçuk ve PE oksidasyona uğrar, yüzey çatlakların oluşması

hızlanır. Havadaki elektrik deşarjı sırasında NO oluşur ve nemin bulunduğu ortamlarda da

nitrikoksitin (HNO3 ) oluşmasına neden olur ki bu da dielektriği bozar. Benzer olarak

rutubetin olduğu ortamlarda kağıt, selüloz, gibi yalıtkanlar hidrolizise bağlı olarak bozulurlar.

Örneğin iki farklı malzemenin karışımı ile kompozitte malzemelerin termal genişleme

katsayıları farklı olduğu durumda sıcaklığın artması ile ara yüzeydeki kimyasal bağlar kopar

ve burada mikroçatlak ve boşlukların oluşmasına neden olur. Pek çok katkı malzemesinin de

100

su emme yeteneği fazla olduğundan su molekülleri bu boşluk ve katmanları sızar ve

elektrokimyasal bozluma hızlanır. Elektriksel iletkenlik ve dielektrik kayıplar artar. (epoksi

içerisindeki fiberler gibi)

ELEKTRIK ENDÜSTRISINDE KULLANILAN KOMPOZIT DIELEKTR IKLER

Sıvı –katı film etkileşimleri

Sıvı katı film etkileşimlerinde sıvının katı içerisine difüzyonu katının yüzeysel gerginlik

kuvveti (surface tension force) ile sınırlıdır. Sıvıyı emdirme işlemine etki eden faktörler

emdirilen sıvının viskositesi, yüzey gerginliği(surfece tension) ve dielektrikle temas açısıdır.

Küçük temas açısı sıvının yalıtkan katı içerisindeki deliklerden hızlı bir şekilde emilmesini

sağlar. Yüzey gerginlik kuvveti θη cos ile tanımlanır. Burada η , sıvının yüzey gerginlik

değeridir ve kullanılan sıvıya bağlıdır. Sıvı-katı film etkileşimleri katı içerisindeki deliklerin

doldurulması açısından oldukça önemlidir ve katı içerisindeki delikleirn büyüklüğü ve

kullanılan sıvının emilme özelliği ile doğrudan etkilenir. Aşırı miktarda sıvının emilmesinin

de çeşitli sakıncaları vardır. Örneğin mekanik dayanımın zayıflaması ve eleketrik dayanımın

ani olarak düşmesi gibi.

Katı ve sıvı dielektrik arasında kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi kaçınılmazdır. Katı

dielektrikten kopan düşük moleküler ağırlığa sahip kirlilikler veya iyonik bileşikler sıvı

dielektriğin iletkenliğinin veya kayıp faktörünün artmasına neden olur(Şekil 8.6). bu da AC

gerilim kullanılan elemanlarda ısıl sınırlamalar neden olacaktır.

101

Şekil 6.20 : Kağıt ve çeşitli sentetik polimerler için kayıp faktörünün sıcaklıkla değişimi

102

7. VAKUM D ĐELEKTR ĐKLER

Diğer dielektrik malzemelerle karşılaştırıldığında, ideal bir vakum, en yüksek olası dielektrik

dayanıma sahip olmalıdır. Çünkü içerisinde akım iletken taşıyıcılar yer almaktadır. Vakumda

basıncın 0.01 Pa’dan ve içerisinde 3x10-12 molekül/cm3 ’ den daha az molekül bulunmalı ve

serbest yolun uzunluğu metreler mertebesinde olmalıdır. Böyle bir vakumda elektrotlar

arasındaki bir elektron hiçbir çarpışma yaşanmadan birkaç cm ilerleyebilir. Çarpışma

proseslerinin gerçekleşmediği için vakum ideal bir yalıtkan gibi davranır.Buna karşın pratikte

vakumda metalik ve yalıtkan yüzeyler ve tutulan gaz ve yağ buharı vakumu kirletir. Vakumun

bir delinme eşiği mevcuttur çünkü elektrotlardan kopan ve kirlilik nedeni ile oluşan

taşıyıcılar, elektrik alanla hızla artarlar ve vakumu delerler. Buna karşın iyi bir tasarım

yapılarak vakumun delinme dayanımı diğer dielektrikler arasında yinede oldukça yüksek

noktalarda tutulabilirler. Đşte bu nedenle vakumlar hala daha çok yüksek elektrik alanların yer

aldığı uygulamalarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şekil 7.1 : Çeşitli dielektriklere uygulanan gerilimle zaman arasındaki ilişki.

Vakumun yalıtkan olarak uygulamada kullanıldığı yerler, elektron mikroskopları, X- ışını

tüpleri, parçacık hızlandırıcıları, ve elektriksel yalıtkan olarak kullanılmaktadır. En önemli ve

yaygın kullanım alanı güç sistemlerinde vakum devre kesicilerinde kullanılan vakum

kesicilerdir.

Vakumdaki elektron emisyonu ile öncül delinme çok küçük bir aralıkta (<2mm) sürekli bir

şekilde vakuma uygulanan gerilim arttırılırsa, ortamdaki elektronların hareketi ile küçük bir

akım akmaya başlar. Daha büyük aralıklarda (>10mm) küçük akımların yanı sıra

microcoulomb seviyesinde darbe akımları da görülür. Gerilim seviyesi biraz daha arttırılırsa

103

bu mikro deşarjlar kaybolur ve sürekli bir akım akmaya başlar. Hem küçük hem de büyük

aralıklarda geriliminde sonradan oluşan bir artma vakumun delinmesine neden olur. 2-10 mm

aralığındaki elektrotlarda delinme öncül delinme etkisiyle veya ayrı ayrı etkir.

Uzun yıllar yapılan çalışmaların sonucunda öncül delinmenin elektrot yüzeyinde bulunan

metalik sivri uçlardan başladığı ve akım belli değeri aştıktan sonrada delinmeye neden olduğu

görülmüştür. Fakat son yıllardaki deneysel çalışmalar bu sivri uçların yanı sıra elektrot

yüzeyine yapışmış kirlilik veya yalıtkan yüzey oksitlerinin oluşturduğu elektron emisyonu da

delinmeye neden olduğu gözlenmiştir. Burada aynı şekilde öncül delinmeyi açıklamak için bir

nonmetalik emisyon mekanizması da kullanılmaktadır.

7.1 METAL ĐK YÜZEYLERDEN ELEKTRON EM ĐSYONU MEKAN ĐZMASI

Metalik yüzeylerden elektron emisyonuna sebep olan pek çok mekanizma mevcuttur. Bunlar

termoiyonik emisyon, Schottky emisyonu foeler soğuk alan emisyonu, foto elektron

emisyonu, ikincil elektron emisyonu mekanizmaları gibi. Günümüzde en yaygın kabul gören

model Fowler ve Nordheim tarafından bulunan soğuk alan emisyonu modelidir. Bu modele

göre E elektrik alanın bir fonksiyonu olan sivri elektrottaki akım yoğunluğu J kabul edersek

keskin uçlu elektrottaki akım yoğunluğu

−=

E

yvBAEJ

)(exp

5,12 φ

[7.1] A/m2

Burada [ ])(/)1054,1( 22 ytxA φ−=

910831,6 xB −= ve =φ metale bağlı olarak değişen çıkış işidir.

t(y) ve v(y) ifadeleri çok yavaş değişen fonksiyonlardır ve sabit olarak alınabilirler. Bu halde

yukarıdaki ifade şu hale gelir;

3026,2

)/1)((1loglog

5,1

2'2

EyvB

AAV

J φβ

−

−=

[7.2]

A, φ ve v(y) sabit alınır. LogJ/E, E’ye göre çizdirildiğinde negatif eğimli bir doğru elde

edilir. Elde edilen bu doğru deneysel sonuçların Fowler-Nordheim bağıntısına uygulanabilir

olduğunu görmede kullanılır. Fakat geniş alanlı elektrotlarda bu sivri noktalar zorluk

çıkarmaktadır. Bu zorlukları göze alarak Albert yukarıdaki ifadeyi şu hale getirmiştir.

βφ

β 3026,2

)/)((1loglog

5,1

2'2

VdyvB

AAV

J −

−=

[7.3]

104

Burada A’ elektrot yüzeyi d elektrotlar arası mesafedir. Yüzey pürüzlülüğünden kaynaklanan

elektrik alan değeri için (enhancement) faktörü beta yeterince büyükse vakum delinir.

Elektron emisyonunun diğer kaynakları, katod yüzeyindeki yapışmış partiküller, oksit filmler,

pozitif yüzey yükleri bölgesel sıcak noktalar ve düşük çıkış işine sahip bölgelerden alan

etkisinde termoiyonik emisyon ve katod mikro projeksiyonlarıdır.

7.2. METAL OLMAYAN YÜZEYLERDE ELEKTRON EMISYONU

MEKANIZMALARI

Elektronik akım ve darbe öncül delinme mekanizmaları nadir olarak metal olmayan

yüzeylerden kaynaklanırlar. Bunlar yüzeydeki yalıtkan yarı iletken oksit tabakaları veya

safsızlık konsantrasyonu ile ilişkilidir. Elektrot yüzeyinde yer alan mikro katkılar çok yüksek

elektron emisyonuna neden olabilirler ve buda vakumun delinme seviyesini oldukça düşürür.

Büyük yüzeyli elektrotlara sahip vakumlarda oksitler, yapışmış partiküle ve kirliliğe

kaçınılmazdır.vakumda oksidasyon normal basıncın altında bir basınca sahip olduğu için daha

hızlı yayılır. 0,0001 Pa da elektrot yüzeyindeki oksit tabakası 60ms de oluşur.yapılan

çalışmalarda vakumlarda elektrot yüzeyinde 5nm kalınlığında oksit tabakası ve 10nm

kalınlığında yapışmış elemanlar bulunduğu gösterilmiştir. Yüksek elektrik alan altında bu

tabakalar kimyasal değişime uğrar ve vakum delinir. Elektrot yüzeyindeki yapışmış elemanlar

çeşitli gazlarla ve yağ buharlarına ait atom ve moleküllerdir. En sık görülenler H2, He , O2,

N2 , CO/N2 ,H2O ,CO2 ve çeşitli hidro karbonlardır. Yüksek elektrik alan altında bu

partiküller mikro deşarj adı verilen zayıf bir deşarjın oluşmasına neden olurlar.

7.3. MĐKRODEŞARJLAR

Daha öncede belirttiğimiz gibi katot yüzeyindeki pürüzler veya metal olmayan kirliliklerdeki

elektrik alan nedeniyle elektron emisyonu gerçekleşmekte idi. Bu öncül delinme alan

akımlarının yanı sıra mikro deşarj adı verilen uzun aralıklı elektrot yüzeylerinde görülen

düşük güçlü darbelerde delinmeye etki eder. Bu darbelerin süreleri 0,1 ila 100ms , frekansları

0,1 ila 100s-1 ve genlikleri ≤10 mA’ den daha küçüktür.

Mikrodeşarjlar elektrod kirliliğine bağlı olarak bir gerilim eşik değerinden sonra gözlenir.

Sabit basınç altında gerilim arttıkça mikrodeşarjların görülme sıklığı da artar.

7.4. VAKUMDAK Đ DELĐNME GERĐLĐMĐNE ETK Đ EDEN FAKTÖRLER

Vakumun elektrik dayanımı pek çok farklı yolla tanımlanabilir. Vakum yalıtkanlı bir

anahtarda delinmeye etki eden ilk ve en önemli parametre uygulana gerilimin şiddetidir.

105

Şekil 7.1 : d=3 mm elektrod açıklığına sahip b.r vakum dielektrikte kıvılcım sayısı ile

delinme geriliminin değişimi.

7.4.1. Elektrotlar arası mesafenin etkisi

<2mm den küçük aralıklarda, çok temiz elektrot yüzeyine sahip vakumlarda delinme gerilimi

Vb aralığın d uzaklığın bir fonksiyonudur.

Vb=kd (7.4)

burada k bir sabittir. Bu tür mesafelerde delinme gerilimi 108 V/cm’in katlarıdır ve oldukça

yüksektir. Burada elektronların alan emisyonları delinme prosesinde etkilidir.

>1cm’den uzun mesafeye sahip vakumlarda alan emisyon akımları düşüktür. Bölgesel

kıvılcım kanallarıyla delinme gerçekleşir. Delinme 104 V/cm’in katlarıdır ve düşüktür. Non

lineer bir ifade kullanılır.

Vb=kdⁿ (7.5)

k ve n , d mesafesine bağlı olarak değişen sabitleredir. Bu durumda delinme gerilimine

elektrod yüzeyi üzerinde yer alan mikroboyutlardaki yapıların dominant etkiye sahip olduğu

söylenebilir.

106

Şekil 7.2 : Farklı dielektrikler için darbe delinme gerilimi ile elektrotlar arasındaki mesafe

arasındaki ilişki

7.4.2 Elektrot malzemesinin etkisi

Kontak metalinin fiziksel özellikleri ve mikro kayıpları vakum yalıtkanlarının delinme

dayanımını ciddi anlamda etkiler. Tablo 7.1 de 1mm aralıklı elektrotların malzemelere bağlı

delinme gerilimleri verilmiştir.

Tablo 7.1 : 1 mm aralıklı vakum elektrotlarda deneysel olarak ölçülen delinme geriliminin

kullanılan malzemeye göre değişimi

Elektrod malzemesi Gerilim (kV)

Paslanmaz çelik 179

Krom kaplı bakır (500 C pişirilmi ş) 143

Krom kaplı bakır (pişirilmemiş) 89,4

Nikel 89,5

Alüminyum 57

Gümüş 27

107

Elektrotun, şekli ve boyutları da delinme dayanımına önemli ölçüde etkir. En büyük alanlı

elektrotun delinme seviyesi en azdır. Aynı şekilde farklı malzemelerden oluşan elektrotlarda

da polarite etkisi görülür.

7.4.3 Basıncın etkisi

Gaz basıncının delinme dayanımına etkisi elektrotlar arası açıklığın bir fonksiyonudur. Küçük

aralıklarda 10-2 Pa’ın altında delinme dayanımına fazla etki etmez. Uzun aralıklarda basınç

oldukça etkindir. Önceleri basınç artışı ile delinme dayanımı artar ve belli bir değerden sonra

keskin bir şekilde azalmaktadır.

Şelil 7.3 : Vakum ortamında paslanmaz çelikten yapılmış küre –düzlem elektrot sisteminde

basıncın delinme gerilimine etkisi

7.4.4 Gerilimin dalga formuna etkisi

Geniş alanlı elektrotları ve uzun aralıklara sahip vakum kesicilersistemlerinde

kullanılmaktadır. AC ve yıldırım darbeleri ile oldukça az çalışma olmasına karşın AC

gerilimde her bir yarım dalgada görülen davranış aynı polariteli Dc gerilimdeki davranışın

aynısını göstermektedir. Buna karşın 1,5 cm aralıklı vakumda 1,2/50mikrosaniue darbe

geriliminin delinme dayanımı AC gerilim dayanımının %30-40 fazlasıdır.

108

Şekil 7.4 : Paslanmaz çelikten yapılmış elektrotlar arası açıklıkta delinme gerilimine AC ve

darbe gerilimlerin etkisi

7.5. VAKUM DEVRE KES ĐCĐLER

Vakumlu kesicilerde elektrik kontakları dış ortama temas olmadığı için kullanım süreleri

boyunca kontak direnci çok az değişir. Diğer yandan SF6 ‘lı kesicilerde ark sonrası oluşan

ürünler iç elemanlarla reaksiyona girer. Vakumlu kesiciler zehirsizdir. Vakumlu kesiciler gaz

veya yağ dolumu gerektirmez. Ek bir gaz veya yağ doldurma düzeneğine ihtiyaç duyulmaz.

Uzun süreli kullanımda vakumlu kesiciler daha ekonomiktir. Patlama ve toksik ürün sızıntısı

riski yoktur. Sessiz çalışırlar. Kontak erozyonu çok azdır. Normal akımları 30000 kez keser.

Vakumlu devre kesicilerde vakum özelliği bozulduktan sonra tamir yapılamaz. Vakumlu

devre kesicinin her bir fazına paralel ek bir kaçak akım yakalayıcı koymak gerekir.

109

SORULAR :

1. Şekilde verilen 4 tabakalı düzlemsel elektrot sistemine U = 180 kV gerilim

uygulanmaktadır.

a) Sistemin toplam dielektrik geçirgenliğini hesaplayınız.

b) Tabakadaki gerilimleri ve elektrik alanları hesaplayınız.

c) Sistemin delinip delinmeyeceğini belirleyiniz

d) Hiçbir tabakada delinme olmaksızın uygulanabilecek maksimum gerilim değerini

hesaplayınız. (ε0=8,854x10-12 F/m)

2. a) Düzgün alanda gazların delinmesi ne şekilde gerçekleşir?

b) Paschen Yasasını şekil çizerek açıklayınız.

3. Schering köprüsünde elektriksel eşdeğer devresi seri direnç ve kapasite ile gösterilen bir

deney düzeneğinde Cn=1400pF (hava εr =1) olan bir deney cismi için denge durumunda

C2=1000 pF olup köprünün bu kolundaki alçak gerilim kapasitesi C4 =185 nF alçak gerilim

direnci R4 =25 Ω ve köprünün diğer kolundaki alçak gerilim direnci R3 =10Ω olarak

belirlenmiştir. Deney cismi yerinden çıkarılarak et kalınlığı bilinmeyen ve çapı 10 cm olan bir

yüksek gerilim kablo numunesi yerleştirilmi ştir.

a) Kablo numunesinin direncini ve kapasitesini veren eşitlikleri ve değerlerini bulunuz.

b) Kablo numunesinin dielektrik sabitini ve kayıp faktörünü ve bulunuz.

c) Numunenin et kalınlığını bulunuz.

d) Böyle bir numuneyi üzerinden maksimum 400 uC geçecek şekilde delmeden test

edebilmek için uygulanması gereken maksimum gerilimin değerini bulunuz.

Hesaplarda işletme frekansını 50 Hz alınız.

110

4. Darbe gerilimi uygulanan elektrot sistemi için delinme olasılığını şekil çizerek açıklayınız.

5. Aşağıdaki grafikte A=6 cm2 elektrot yüzey alanına sahip bir düzlemsel elektrotta elektrotlar

arası açıklık (d) ile delinme gerilimi (U) arasındaki deney sonuçları verilmiştir. Bu yalıtkanın

d=2 mm olduğu durum için kapasitesi 27 pF olarak ölçüldüğüne göre

6. Yüksek gerilim sistemlerinde kullanılan elektrotları kısaca anlatınız. Elektrot seçimi neden

önemlidir? Açıklayınız.

7. Şekil 1’de verilen üç tabakalı düzlemsel elektrot sisteminde V=200 kV;

8. Yüzey alanı 33 cm2 ve elektrotlar arası açıklığı 6 mm olan bir düzlemsel elektrot sisteminin

dielektrik sabiti 2 ve kayıp faktörü 4x10-5 olduğuna göre;

a) Sistemin seri eşdeğer devresi için Cs ve Rs değerlerini hesaplayınız.

b) Aynı sistemin paralel eşdeğer devresi için Cp ve Rp değerini hesaplayınız.

9. Bir işyerinde 45 C sıcaklık, 21 g/m rutubet ve 1200 mbar basınç altında kullanılan d=20 cm

açıklığa sahip küre-küre elektrot sistemine sahip bir yalıtım düzeneği fabrikada gerilim

a) Dielektrik geçirgenliğini hesaplayınız.

b) Elektriksel yükünü hesaplayınız.

c) Elektrik alan şiddetini hesaplayınız.

d) Elektriksel akı yoğunluğunu hesaplayınız.

e) Yüzeysel yük yoğunluğunu hesaplayınız

a) Tabakalardaki gerilimleri ve

alan şiddetlerini hesaplayınız.

Sistemin delinip delinmeyeceğini

belirleyiniz.

b) Sistemin delinme dayanımını

belirleyiniz. (ε =8,854x10-12 F/m)

111

seviyesi 400 kV olan başka bir noktada kullanılmak isteniyor. Fakat düzeneğe ait katalog

parametreleri okunamadığı için sistem devreye alınamamaktadır. Şekil 2’de m ve w

değerlerinin g fonksiyonuna göre değişimi verilmiştir.

10.Havanın delinmesine gerilim etkisini şekil çizerek açıklayınız.

11. Yalıtkanlardaki delinme davranışını veren temel delinme teorilerini kısaca anlatınız.

12. SF6 ‘nın yalıtkan olarak genel özellikleri nelerdir? açıklayınız. SF6 gazının kapasitif,

endüktif ve aşırı akımlar karşısında davranışı nasıldır?

13. Yarıçapı 2 cm olan dairesel kesitli bir iletken, yarıçapı 6 cm olan metal bir borunun içine

eş eksenli olarak yerleştirilmi ştir. Metal boru ile iletken malzeme arası yalıtılmak

istenmektedir. Bu amaçla kullanılacak olan yalıtkanın dielektrik özellikleri Schering köprüsü

yöntemi ile belirlenecektir. Bunun için 6x5 cm2 yüzey ve 2 mm kalınlıkta bir örnek

kullanılmıştır. Kullanılan yalıtkanın seri eşdeğer devresi için denge koşulu sağlanan köprüde

Cn=4000 pF (etalon kondansatör) , R4=300 ohm, C2=800 pF, R3=10 ohm ve C4=90 pF olarak

ölçülmüştür.

a) Yalıtkanın dielektrik karakteristikleri Cx , Rx , εrx ve tanδx değerlerini hesaplayınız.

(Hesaplarda metal borunun et kalınlığını ihmal edilecektir.)

c) Oluşturduğunuz bu yeni sisteme 50 Hz frekansa sahip 10 kV’luk bir alternatif gerilim

uygulanırsa b şıkkında bulduğunuz uzunluk için hatta oluşacak dielektrik kayıp kaç Wattır?

14. Havanın delinmesine etki eden faktörler nelerdir? Bunlardan herhangi birini şekil çizerek

açıklayınız

a) Katalogdan okunabilen parametreler

m=w=0,5 ise V50 değerini hesaplayınız.

b) Buna göre bu düzenek yeni yerinde

kullanılabilir mi?

b) Elimizde bu dielektrik malzemeden 250 m3

olduğuna göre bu sistem için kaç km’lik yalıtım

sağlarız?

112

15. Aşağıda şekli verilen 3 fazlı bir demet iletkende her bir iletkenin çapı 2,5 mm ve hattın

eğimi 11 olarak verilmiştir. Yağışlı hava koşulları için bu hatta korona nedeni ile oluşan

duyulabilir gürültüyü hattan 2,5 m uzaklıktaki bir nokta için hesaplayınız. Elde ettiğiniz

gürültü seviyesinin standartlara uyup uymadığını belirtiniz.

16. Dielektrik olarak mika ve polipropilen kullanılan bir elektrod sisteminde sistemin

kapasitesi 0,2 F, uygulanan gerilim 1,25 kV depolanan enerji 2

2

1CVW = [J] ve

dielektrik dayanıklılık sırasıyla 50x106 V/m ve 7x106 V/m olduğuna göre;

a) Mikanın ve Polipropilenin kalınlığını bulunuz.

b) Mika ve Polipropilen plakaların alanını bulunuz.

c) Mikada ve Polipropilende oluşan enerjiyi bulnuz.

d) Mikada ve Polipropilende 3 s’de açığa çıkan gücü bulunuz.

e) açıklayınız. 100 N/m2 basınçta 30 kV/mm ‘lik elektrik alanda kullanılmak istenen

yağın dielektrik sabitini bulunuz.

17. Termoset ve termoplastik kavramlarını açıklayınız. Birer örnek veriniz.

18. Bir katı dielektrik 5 mm2 yüzey alanına sahip olsun, plakalar arasındaki mesafe 1 µm

olduğu durumda 20 kV ‘luk bir gerilim uygularsak plakalar üzerindeki yüzey yük

yoğunluğunu, kapasitesini ve polarizasyonu hasaplayınız. Katı yalıtkanın εr= 2,3

ε0=8.86x10-12F/m.

19. Vakumdaki ark nasıl gerçekleşir, özetle yazınız.

20. Dielektrik geçirgenliği 2,1 olan 3 mm kalınlığında bir dielektrik ile dielektrik

geçirgenliği 2,6 olan 2 mm kalınlığındaki iki dielektrik arasında hava boşluğu

kalmayacak şekilde üst üste yerleştiriliyor. 10 kV’luk bir gerilim uygulanıyor oluşan

Hatırlatma :

−++−−+−+=D

DnBADDKEDnAN s

nNlmlmns )1(9,2202,0log10/665log44log20

Kn = (n=1 için 7,5); (n=2 için 2,6); (n≥3 için 0)

AN = (n=1 için75,2); (n=2 için75,2) ; (n≥3 için 67,9)

113

yeni malzemenin her bir katmanındaki gerilim dağılımını bulunuz. Oluşan yeni

malzemenin dielektrik geçirgenliğini bulunuz.

21. Kompozitlerin avantajları ve dezavantajların nelerdir? Kısaca özetleyiniz.

22. 10 mm kalınlığında bir yalıtkana 5 kV gerilim uygulanıyor ve yalıtkanın içerisinde bir

gaz habbeciği tespit ediliyor. Ve bu habbecik üzerindeki gerilim 4 kV olarak

ölçülüyor. Yalıtkanın bağıl dielektrik geçirgenliği 3 olduğuna göre genleşme katsayısı

A=25x10-6 m/oC olduğuna göre boşluğun çapını bulunuz.

(Boşluğun dielektrik geçirgenliği ε0 = 8.86x10-12 F/m.)

td

AC r0

b −εε

= t

AC 0

cε

= VCC

CV

bc

bc +

= .

23. a) Gaz ve SF6 yalıtkanlarda sıcaklığın ve basıncın dielektrik özelliklere etkisini şekil

çizerek açıklayınız.

b) Sıvı dielektriklerde mekanik delinme teorisini açıklayınız. 120 N basınçta 3 kV/mm

‘lik elektrik alanda kullanılmak istenen yağın dielektrik sabitini hesaplayınız.

24. a) Kompozitlerin avantajları ve dezavantajların nelerdir? Kısaca özetleyiniz.

b) Ortam sıcaklığının ortalama 60 C olduğu bir noktaya 10 A ve üzeri akımları

kesmek üzere bir kesici satın alınmak isteniyor? Aşırı nem ve su buharının olduğu

işletmenin bu noktası için alınması gereken kesicinin iç yalıtım malzemesi ne

olmalıdır? Nedenlerini kısaca açıklayınız.

25. Schering köprüsünde elektriksel eşdeğer devresi paralel direnç ve kapasite ile

gösterilen bir deney düzeneğinde Cn=1600pF (hava εr =1) olan bir deney cismi için

denge durumunda C2=1000 pF olup köprünün bu kolundaki alçak gerilim kapasitesi

C4 =1 mF alçak gerilim direnci R4 =360 Ω ve köprünün diğer kolundaki alçak gerilim

direnci R3 =80Ω olarak belirlenmiştir. Deney cismi yerinden çıkarılarak et kalınlığı

bilinmeyen ve çapı 10 cm olan bir yüksek gerilim kablo numunesi yerleştirilmi ştir.

a) Kablo numunesinin direncini ve kapasitesini veren eşitlikleri ve değerlerini

bulunuz.

b) Kablo numunesinin dielektrik sabitini ve kayıp faktörünü ve bulunuz.

c) Numunenin et kalınlığını bulunuz.

114

d) Böyle bir numuneyi üzerinden maksimum 400 uC geçecek şekilde delmeden test

edebilmek için uygulanması gereken maksimum gerilimin değerini bulunuz.

Hesaplarda işletme frekansını 50 Hz alınız.

26. Bir yüksek gerilim yalıtkanı için sıcaklıkla dielektrik sabiti ve sıcaklıkla kayıp faktörü tan

δ ne şekilde değişir? Grafik çizerek gösteriniz.

27. 8 mm kalınlığında bir yalıtkanda 2 µm çapında bir gaz habbeciği saptanıyor. Yalıtkanın

bağıl dielektrik geçirgenliği 3 ve genleşme katsayısı A=25x10-6 m/oC olduğuna göre

a) Yalıtkana 180 kV gerilim uygulandığında habbecik üzerindeki gerilim ne kadardır?

b) Gaz habbeciğinin içerisinde hava olduğunu göz önüne alarak habbeciğin delinmesi için

yalıtkana uygulanması gereken gerilim ne kadardır? Hesaplayınız.

Hatırlatma: Boşluğun dielektrik geçirgenliği ε0 = 8.86x10-12 F/m. Havanın delinme

dayanımı 80 kV/cm olarak alınız. td

AC r0

b −εε

= t

AC 0

cε

= VCC

CV

bc

bc +

=

28. Bağıl dielektrik sabiti 3 olan bir malzeme elektrot yüzey alanı 400 cm2 olan bir düzlemsel

elektrot sistemine yerleştiriliyor. Elektrotlara 1 kV gerilim uygulanıyor. Elektrotlar arası

açıklığın 10 mm olduğu bu sistem için;

a) Sistemin kapasitesini, biriken elektrik yükünü, elektriksel deplasmanı ve elektrik alan

değerini hesaplayınız.

b) Elektrotlar arası mesafe 20 mm’ye çıkarıldığında ve 5 mm ‘ye indirildiğinde oluşan yeni

sistem için sistemin kapasitesini, biriken elektrik yükünü, elektriksel deplasmanı ve elektrik

alan değerini hesaplayınız ve elde ettiğiniz sonuçları elektrotlara arası açıklığın değişimi ile

yorumlayınız.

29. a) Gazlar için delinme dayanımının basınçla değişimini ne şekilde gerçekleşir? Grafik

çizerek açıklayınız.

b) Vakum ortamını SF6 gazlı ortamla yalıtım bakımından karşılaştırınız. Grafik çizerek

açıklayınız.

c) Şekilde verilen 3 tabakalı düzlemsel elektrot sistemine U= 130kV gerilim

uygulanmaktadır.

d) Sistemin toplam dielektrik geçirgenliğini hesaplayınız.

e) Tabakadaki gerilimleri ve elektrik alanları hesaplayınız.

f) Sistemin delinip delinmeyeceğini belirleyiniz

g) Hiçbir tabakada delinme olmaksızın uygulanabilecek maksimum gerilim değerini

hesaplayınız. (ε0=8,854x10-12 F/m)

115