Yüksek Gerilim Tekniği 1.pdf

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ 1

Referanslar 1.

‘Yüksek Gerilim Tekniği’, Prof.Dr. Muzaffer ÖZKAYA, Cilt 1, Birsen Yayınevi, 1996.

2.

‘Yüksek Gerilim Tekniğinin Temelleri’, Prof.Dr.Sefa AKPINAR, Trabzon, 1997.

3.

‘Çözümlü Problemlerle Yüksek Gerilim Tekniği’, Özcan KALENDERLİ, Celal KOCATEPE, Oktay ARIKAN, Birsen Yayınevi, 2005.

4.

‘High Voltage Engineering’, E. KUFFEL, W. S. ZAENGL, Pergamon Press, 1992.

5.

‘High Voltage Engineering’, 2nd Edt., M. S. NAIDU, Mc. Graw Hill Text, 1995.

6.

‘Yüksek Gerilim Elektrik Malzemeleri ve Testleri’, Halil ULUSOY, Birsen Yayınevi, 1993.

7.

‘Hochspannungstechnik’, Andreas KÜCHLER, VDI Verlag, 1996.

8.

‘High voltage’, Measurement, Testing& Design, T.J.GALLAGHER, A.J.Pearmain, John Wiley&Sons, 1984.

1. YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİNİN GELİŞİMİ Yüksek gerilim tekniğinin gelişiminde olanak sağlayan en önemli etken, bu sayede büyük miktarda enerjinin bir noktadan diğerine ekonomik bir biçimde taşınabilmesidir. Günümüzde yüksek gerilim tekniği yalnızca enerji taşımasıyla sınırlı kalmamış, elektrik mühendisliği ve biliminin diğer alanlarında da geniş uygulama alanı bulmuştur. Bunlara örnek olarak fabrikalardaki gazların filtre edilmelerini sağlayan elektrostatik çökeltileri, şehir artıklarının çıkardığı kötü kokuların giderilmesine olanak sağlayan yüksek gerilim ozon üreteçlerine, sanayide kullanılan sprey boyayı, toz kaplamayı, röntgen cihazlarını ve elektron mikroskoplarını sayabiliriz. Ayrıca günümüz modern teknolojisi yüksek gerilimi yarı iletken malzemelere iyon sağlayıcı olarak, televizyon cihazlarında, osiloskoplarda kullanmaktadır. Görüldüğü üzere yüksek gerilim tekniğindeki gelişmeler yalnız elektrik mühendisliği değil, aynı zamanda diğer endüstri dallarını da yakından ilgilendirmektedir. Fiziksel ve kimyasal olaylar izolasyon malzemelerinin elektriksel özelliklerini belirledikleri için yüksek gerilim tekniğinde önemli rol oynarlar. Günümüzde cihazların güvenilirliğini belirleyen

etkenlerin

arasında

belki

de

zincirin

en

zayıf

halkası

olarak

izolatörler

gösterilmektedirler. 1970 yılında Uluslarası Elektroteknik Komisyonu (IEC) 1000V’ dan yüksek olan AC gerilimleri ve 1200V’ dan yüksek DC gerilimleri yüksek gerilim olarak belirledi. Ancak

1

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

günümüzde gerilim seviyelerinin MV’ lar düzeyine ulaşması, bu tanımlamalarda bazı düzenlemeler yapılamasını gerekli kılmıştır.

Tablo 1. Gerilim seviyeleri GERİLİM SEVİYESİ

Düşük (LV)

AVRUPA (50 Hz)

AMERİKA (60 Hz)

220/240

120

380/415

208

650

600

1000

Orta (MHV)

kV

kV

5

2.4

11

6.9

22

12.47

33

23

66

34.5 69

Yüksek (HV)

Ekstra Yüksek (EHV)

Ultra Yüksek (UHV)

110

115

132

138

156

161

220

230

275

287

380

345

400

500

800

765

1000-1600

Dikkat edilecek olursa tablodaki değerler her aşamada 2 kat artmaktadır. Bu artışın teorik sebepleri olmamakla birlikte, pratikte bazı nedenleri olduğu düşünülebilir. 1. Bilgi ve deneyimlerine dayanarak tasarım mühendisleri her seferinde uygulanacak olan yeni gerilimi 2 kat arttırmayı yeteri derecede güvenli bulmuşlardır. 2. 1960 lı yıllara kadar elektrik tüketimi sanayileşmiş toplumlarda her 10 yılda bir 2 katına çıkmıştır. Bu talebi karşılayabilmek için yüksek gerilimlerde iletim yapmak zorunlu hale gelmiştir.

2

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

Ekonomik açıdan düşünecek olursak, belirli bir güç için (P=V*I), ne derece yüksek gerilim kullanılırsa akım da o derece küçük olacaktır. Bu da akıma dayalı giderlerin (düşük iletken kesiti, düşük bakır kayıpları) azalmasına olanak sağlar. Bu giderlerin, tüm giderlerin 3%-4 % ‘ünü oluşturduğu gözönüne alınırsa yüksek gerilim seviyelerinde iletim yapmanın önemi daha belirgin hale gelir. İletim ve dağıtım hatlarını inceleyecek olursak ilk yıllarda güç iletiminin DC akımla yapıldığını görürüz. Transformatörlerin kullanımıyla birlikte DC sistemler, yüsek gerilimlerin daha ekonomik bir şekilde iletimine olanak sağlayan AC sistemlerle değiştirilmişlerdir. Ancak kesici devrelerde görülen ilerlemeler, AC-DC, DC-AC çeviriminin kolaylaşması, vb. 1980’lerden itibaren HVDC iletimini yeniden popüler hale getirmiştir. Bu sistemin en büyük dezavantajı üretilen enerji direkt olarak generatörden yüke ulaştırıldığı için, hat boyunca gücü kesmekte yaşanır. Ayrıca her ne kadar 3 yerine 2 kablonun kullanılması hat masraflarını azaltmaktaysa da, DC iletim için kullanılan çevirici elemanlar hem komplike, hem de pahalıdırlar. Sonuç olarak DC iletimin AC ye oranla daha ekonomik olabilmesi için belirli bir kritik uzaklık hesaplanabilir. Tristör tasarımındaki yeni gelişmeler sayesinde bu mesafe 500 km’ye kadar inmiştir. 1.2

ELEKTRİK İZOLASYON MALZEMELERİ Yüksek Gerilim’lerde çalışan elektriksel cihazlarının üretiminde kullanılan malzemeler

başlıca 3 sınıfa ayrılır: 1. İletkenler (bakır, demir, vb. → manyetik akıyı ve akımı taşımakta kullanılırlar.) 2. Soğutucular (gaz veya likit halde olurlar, oluşan sıcaklık artışını gidermede kullanılırlar.) 3. Yüksek gerilim ve akımların arzu edilen yönlerde dağıtımına olanak sağlayan izolatörler

İZOLATÖR: İzolatör yada dielektrik, genel anlamda elektriği iletmeyen (yalıtkan) malzemelere verilen isimdir. Kusursuz bir izolasyon malzemesi yoktur, ancak pratikte elektrik akımını belirli bir değerin altında, çok küçük değerlere sınırlayan malzemeler izolatör olarak adlandırılırlar. Malzeme

Dielektrik dayanıklılık (MV/m)

Direnç Ώm

Hava

3

-

Bakalit

24

>1

Selüloz kağıt

10

>10^3

Mika

100

>10^6

Yağ

10

>10^4 3

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

Perspex

40

>10^3

Porselen

10

>20

Cam

17

>20

Görüldüğü üzere mika, cama oranla milyon kat daha fazla bir dirence sahiptir. Buna karşın cam izolasyon teknolojiside geniş kullanım alanı bulmuştur. Buna başlıca sebep iletim kablolarının topraklanmış taşıyıcılardan ayrılmalarında cam izolatörlerin mekanik ve fiziksel açıdan üstün performans göstermelerinden kaynaklanmaktadır. Maalesef genelde belirli bir açıdan üstün performans gösteren malzemeler bir diğer açıdan oldukça yetersiz özelliklere sahiptirler. Cam ve seramik izolasyon malzemeleri bir çok elektriksel uygulama için ideal olmakla birlikte kırılganlıklarından dolayı (esnek değil) bir çok alanda güvenli bir biçimde kullanılamazlar. Diğer bir sorun da iyi izolatörlerin genelde sıcaklık iletiminde zayıf kalmalarından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak ısı hızlı bir şekilde dağıtılamaz ve izolasyon üzerinde yüksek sıcaklık bölgeleri oluşur. İzolasyon malzemelerinin seçimi aşamasında elektriksel olduğu kadar mekanik, fiziksel, ısıl ve kimyasal özelliklerinde dikkate alınması gerekir. Bu sebepten iyi bir izolasyonda katı, sıvı ve gaz izolatörlerin karışımını bulmak mümkündür (trafo gibi). Aralarında büyük benzerlikler olduğu halde gazların, sıvıların ve katıların izolasyon özelliklerini belirleyen önemli faktörler vardır. 1.3

KATI İZOLATÖRLER Katı izolatörlerin geçmişi 19. y.y.’a kadar uzanır. Selüloz kağıt, zift, kenevir ve doğal

reçine o dönemlerin önemli izolasyon malzemeleri arasında yer alıyordu. Bu malzemeler 1930’lara kadar yaygın olarak kullanıldılar. Daha sonraları mineral maddelerin (mica, asbest, mangane, vb.), seramik, hayvansal maddelerin (doğal ipek, peynir özü, balık tutkalı, vb.) ve selülozik ürünlerin (yün, pamuk, vb.) popularitesi arttı. Yalıtım geniş bir konudur ve günümüzde bir çok izolasyon maddesi çeşitli özelliklerle piyasaya sunulmuştur. Genelde bir izolatör oluşturulmadan ve serviste kullanılmadan önce

dikkat edilmesi gereken başlıca 3 nokta vardır. Bu özellikleri şöyle

sıralayabiliriz: 1. Kötü ve kirli hava koşullarında verimli çalışabilme, 2. İzolatör yapımında kullanılan malzemelerin özellikleri, 3. Fiyat

4

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

1.3.1 ORGANİK İZOLATÖRLER Genelde hayvansal yada bitkisel kaynaklı organik maddeler birbirine benzer izolasyon özellikleri gösterirler. Bu tip malzemeler kolaylıkla cihazlara monte edilebilirler ve esasında oldukça iyi yalıtkanlardır. En büyük dezavantajları 100°C’den daha yüksek sıcaklıklarda mekanik ve elektriksel özelliklerinin hızla bozulmasıdır. Bu gruba dahil olan maddelerin çoğu emici katı malzemelerdir. Burada emdirilmiş terimi ile kastedilen, bu malzemelerin yağ emdirildikten sonra cilalanarak izolatör olarak kullanılmalarıdır. Sonuç olarak bu tip yağ emdirilmiş kağıt yada mukavvalar, kablo, kapasitor yada trafo gibi yağ içeren cihazlarda güvenle kullanlırlar. 1.3.2 İNORGANİK İZOLATÖRLER Porselen ve cam bu kategoriye ait en önemli izolasyon malzemeleridir. Porselen çeşitli tiplerde kristal parçacıklardan ve orijinal malzemenin belirli miktarı çözülmüş çekirdeklerinden oluşur. Elektriksel cam ise cam formundaki silikat malzemelerin karışımından oluşur. Pratikte daima yapısal kusur olarak gaz baloncukları ve kolay işlenemez yabancı madde parçacıkları içerir. Silikon ve oksijen molekülleri arasındaki elektrostatik bağlar inorganik izolatörlerin yüksek mekanik dayanıma ve kimyasal olaylara karşı direnç göstermesine olanak tanır. Bu tip izolatörler elektriksel ve mekanik özelliklerini 250 °С çalışma sıcaklığına kadar koruyabilirler. Genelde inorganik maddeler iyi yalıtkanlardır, ancak bu tip izolatörlerin yapımı oldukça zordur. İnorganik izolatörler arasında porselen önemli bir yer tutar. 1880’de ilk güç iletim hattında porselen izolatör kullanılmıştır. Yüksek elektrik ve mekanik gücü, fiziksel özelliklerini uzun süreler boyunca koruyabilmesi ve kaçak sızıntı akımlarına karşı dayanıklı olması bu tip malzemelerin popularitesini arttırmıştır. Lakin porselen multifaz bir seramik maddedir ve aluminyum silikatın ısıtılmasıyla elde edilir. Elde edilen bu madde (mullite) gözeneklidir, bu da doğal olarak izolatörün mekanik özelliklerini negatif etkiler. İzolatörün yüzeyinin yüksek sıcaklıkta eriyen cam ile kaplanmasıyla yarıkların etkisi azaltılıp mekanik dayanım arttırılabilir. Porselen, aşınım erozyon gibi izolatörlerin kullanım sürelerini kısıtlayan etkenlere karşı oldukça dirençlidir. Ayrıca su (su buharı) sızdırmama özelliğinden dolayıda izolasyon malzemelerinde kaplama olarak kullanlırlar. Cam, mekanik açıdan porselen kadar sağlam bir madde değildir. Bunun başlıca sebebi yüzeyinde bulunan ve belirli bir kritik büyüklüğe eriştikten sonra tüm kütleyi etkileyen mikroskobik çatlaklardır. Cam izolatörlerde oldukça yüksek bir enerji, yüzeyin altında gerilip sıkıstırılmış bir halde bulunur. Herhangi bir sebeple meydana gelen bir çatlak bu enerjinin ve dolayısıyla bütün kütlenin kübik parçacıklar halinde dağılmasına sebep olur.

5

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

1.3.3. SENTETİK İZOLATÖRLER Sentetik yada polimer izolatörler kendisini tekrar eden uzun molekül zincirlerinden oluşurlar. Genelde türetildiği monomerin başına ‘poly’ kelimesinin gelmesiyle isimlendirilirler. İlk olarak 1960’larda çeşitli dolgu malzemeleri ile karıştırılmış polimerlerin ağırlık ve hacim açısından alışılagelmiş izolasyon maddelerine üstün oldukları gözlenmiştir. Porselen izolatörlerde olduğu gibi , sentetik izolatörlerin seçiminde de göz önüne alınması gereken bazı önemli faktörler vardır. Bunlar: •

izolasyon kapasitesi

•

aşınma direnci (elektriksel boşalım sırasında)

•

güvenilir uzun dönem mekanik performans

İlk dolgu izolatörler, cam fiberlerin epoksi reçine içerisine yerleştirilmesi ile oluşturulmuştur. Bu izolatörlerin başlıca dezavantajları : •

sürekli aşınım sonucu dolgu malzemenin yüzeyinde elektriksel bozulmaya sebebiyet veren iletken yolların oluşumu.

•

fiber cam malzemenin veya bağlantı noktalarının mekanik bozulması

•

oldukça pahalı üretim maliyeti

Bütün bunlara karşın, özellikle 1970’lerden sonra dolgu izolatörlerdeki mekanik hatalar giderilmiş, yeni ve gelişmiş malzemeler (epoksi reçine karışımları, polyester esaslı polimerler, silikon, EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer), vb.) üretilmiştir. Bu maddeler yüksek mekanik dayanıklılığa sahip olup, çevre kirliliği karşısında iyi bir performans gösterirler. Ayrıca porselen izolatörlerle kıyaslandıklarında %90 oranında daha hafiftirler. Korozyona karşı dirençli olmaları, sürekli bakıma ihtiyaç duymamaları, kolayca imal edilebilmeleri, görünümleri ve dayanıklı olmaları diğer avantajlarıdır. Elektriksel açıdan bakacak olursak, sentetik izolatörler küçük yüzey alanına ve uzun kaçak akım yoluna sahip olabilecek şekilde üretilebildikleri için ıslak ve kirli hava koşullarında izolasyon kapasiteleri alışılmış porselen malzemelere oranla daha iyidir. Ayrıca dış yüzeyi içinde bulunan hidrojen atomu sayesinde nem ve kirliliğe karşı porselen malzemelere oranla daha dirençlidir. Bu avantajlarına karşın bazı problemler son 15 yıldır üreticileri yeni gelişmiş izolatörler tasarlamaya yöneltmiştir. •

ayırıcıların çizilmesi, kirlenmesi

•

çubuk-ayırıcı arası bağlantı hatası, elektrik atlaması

•

ayırıcılar ve sentetik voltaj kontrol cihazlarında korona oluşumu, elektriksel arıza ve su sızıntısı

6

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

•

madeni eşya ayrımı, hatların kopması ve düşmesi

Sentetik malzemeleri 3 ana başlık altında toplayabiliriz: 1. Termoplastik 2. Termoset 3. Lastik Lastik, uygulanan kuvvetle birliktye gerilmeye (uzama) uğrar, kuvvetin kaldırılması ile birlikte eski haline döner. Kuvvet uygulandığı takdirde moleküller yanlara kayarak yer değiştirirler, ancak çapraz bağlantı kalıcı deformasyonu önler. Termoplastik polimer malzemeler düşük erime sıcaklığına sahiptir (100°С –120°С). Moleküler açıdan çapraz bağlı olmadıkları için, erime sıcaklıkları altında çeşitli kalıplara sokulabilirler. Başlıca 2 kategoriye ayırmak mümkündür •

soğurken kristalize olanlar

•

kristal hal almayanlar

Termoset polimer malzemeler ısıya bağımlıdırlar, yani sıcaklığın artması ile birlikte kayda değer oranda mekanik güçlerini arttırır ve sertleşirler. Polimerin içerisine katalizör malzemenin karıştırılması ile birlikte karışım istenilen şekle veya kalıba dökülebilir. Bazı durumlarda katalizör oda sıcaklığında bile çapraz bağ oluşumunu başlatsa da genelde bu reaksiyonun başlatılması için ısıtılması gerekir. Bu tip polimerler stabil olup yükle birlikte şekil değiştiremezler. Sentetik polimerlerin mekanik dayanıklılığı sabit değildir. Zamanla uygulanan yükte bir artış olduğunda veya izolatör kabul edilemez oranda yorulmaya (vibrasyon) maruz kaldığında mekanik açıdan zayıflama görülür. Ayrıca atomik yapı açısından düzensizlik gösterirler. En büyük dezavantajları ise temel yapıyı oluşturan karbonun bağımsız halde iken oldukça iyi bir iletken oluşudur. Özellikle yüksek sıcaklıklarda daimi boşalımlar sonucunda yüzeyde iletken karbon yollar oluşabilir. 1.4

SIVI İZOLATÖRLER Sıvı yalıtkanlar madeni, reçineli, klorlu ve silikonlu yağlar olmak üzere birçok türlere

ayrılırlar ve yüksek gerilim tekniğinde çok önemli bir yer tutarlar. Bu tip yalıtkanların elektriksel dayanımları gazlara göre daha yüksektir ve ısısyı konveksiyon yolu ile iletirler. Ayrıca katı yalıtkan maddelerin yüzeyini havaya ve neme karşı da korurlar. Sıvı yalıtkanlar ayrıca akışkan özellikte olduklarından, katı yalıtkanlara göre daha kalın tabakalar halinde kullanılabilirler ve dieletrik katsayıları çok büyük olmadığı için katı yalıtkanların elektriksel zorlamalarını azaltıcı yönde rol oynarlar. Sıvı yalıtkanların en önemli elektriksel özellikleri delinme dayanımı, iletkenlik 7

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

ve dielektrik kayıplardır. Bu özellikleri sıvı içerisinde bulunan nem,yabancı maddeler, gaz kabarcıkları ve hava boşlukları büyük ölçüde etkiler. Yağlar hava ile kıyaslandıklarında oluşan ısının giderilmesinde (trafo sargıları) 20-30 kat daha etkilidirler. Ayrıca katılardan farklı olarak herhangi bir boşalma olayından sonra elektriksel özelliklerini geri kazanabilirler. sıvı

cihaz

bağıl fiyat

petrol bazlı yağlar

her tür

1

sentetik hidrokarbon

kablo, kapasitör

2-3

askarel (clorinated hidrokarbon)

trafo, kapasitör

8

halogen hidrokarbon

elektronik

silikon

trafo

10-40 10

1.4.1 TRAFO YAĞI Diğer yağlar içerisinde petrol bazlı trafo yağları en ucuz ve en yaygın kullanılanıdır. Yağ emdirilmiş mukavvalarda ve kablolarda kullanılabilirler ve dielektrik sabiti arttırdıkları için katı izolatörün kütlesini, hacmini ve fiyatını düşürürler. Trafo yağları kaynağına bağımlı olarak renksiz yada açık sarı renkte olabilir. Kimyasal olarak parafin, isoparafin, naftalin gibi maddeleri içeren hidrokarbonların karışımından oluşurlar. Servis süresi boyunca daimi olarak yüksek sıcaklıklara (95°C) maruz kalabilirler. Bu durum da zamanla yaşlanmaya sebebiyet verebilir. Önce yağın rengi koyulaşır ve daha sonra sıvının içerisinde asit ve reçine oluşumu başlar. Oluşan bu asitlerden bazıları katı izolasyon malzemesine de zarar verip, metal parçaların korozyona uğramasına sebep olabilirler. Ayrıca oluşan sulu çamur bobinlere zarar vererek, yağ dolaşımını yavaşlatır ve soğumayı engeller. Ayrıca yaşlanmanın hızlanmasında katalizör görevi de üstlenir. 1.4.2 SENTETİK YAĞLAR Sentetik yağlar içerisinde ‘poybutane’ uzun süreden beri kablolarda ve yağ emdirilmiş kağıt ile kaplanmış kapasitörlerde kullanılmaktadır. Sentetik yağlar doğal mineral yağlara oranla elektriksel özellikler (dielektrik dayanım) açısından üstündürler. Florakarbon ve silikon yağlar da özel amaçlı bazı uygulamalarda kullanılırlar. 1.5

GAZ İZOLATÖRLER Gazlar, diğer yalıtkan malzemelerle kıyaslandığında oldukça basit ve kolay bulunan

izolatörlerdir. Günümüzde birçok cihazda hava temel yalıtkan malzeme olarak kullanılmakla birlikte, nitrojen (N2), carbon-dioksit (CO2), freon (CCl2F2) ve sülfür-hexaflorid (SF6) bazı 8

1. Yüksek Gerilim Tekniği’nin Gelişimi ve Yalıtkan Malzemeler

alanlarda geniş kullanım amkanı bulmuşlardır. Gaz yalıtkanlarda gerilimin uygulanması ile birlikte iç yapıda çeşitli reaksiyonlar meydana gelir. Eğer uygulanan gerilim seviyesi düşükse, elektrodlar arasında küçük çapta akım gözlenir; ancak yalıtkan madde dielektrik özelliğini kaybetmez. Buna karşın eğer uygulanan gerilim yüksekse, yalıtkan gazdan akan akım aniden yüksek değerlere ulaşır ve elektriksel delinme meydana gelir. Delinme esnasında oldukça güçlüiletken bir boşalım oluşur ve bu da iki elektrodu kısa devre eder. Delinme aşamasında uygulanabilecek maksimum gerilime delinme gerilimi adı verilir. Gazlarda meydana gelen elektriksel boşalmalar başlıca iki tiptedir. Ø katılımsız boşalım Ø daimi boşalım Kıvılcım delinmesi olarak da nitelendirilen gazlardaki delinmeler, aslında katılımsız boşalımdan, daimi boşalıma geçiştir. Delinme aşamasında oluşan yüksek akımlar iyonize olma olayı ile açıklanmaktadır. İyonizasyon, elektron ve iyonların nötr atom ve moleküllerden oluşmaları ve topluca anot ve katoda hareket ederek yüksek akımlar oluşturmalarıdır. Günümüzde gaz yalıtkanlardaki delinme olaylarını açıklayan başlıca iki teori vardır. Ø townsend teorisi Ø kanal boşalma teorisi Gazlarda basınç, sıcaklık, elektrik alan yapısı, elektrod yüzeyleri ve iletken partiküller iyonizasyonu etkileyen başlıca faktörlerdir.

9

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

2. ELEKTRİK ALANLAR Yüksek gerilim tekniğinde genelde herhangi bir değişken manyetik alanın etkisi altında olmadan sadece elektriksel bir yük tarafından oluşan elektriksel alanlar incelenir. Bu aşamada kullanılan başlıca 3 fonksiyon vardır. Bunlardan birincisi rotasyonel (rot) adını alıp, vektörel bir fonksiyonu yine vektörel bir büyüklüğe çevirmekte kullanılır.

rot E = 0 ifadesi alanın herhangi bir manyetik değişken alana maruz kalmadığını ve belirli bir noktada ölçülen Ux geriliminin takip edilen yoldan (şekil 2.1) bağımsız olarak sabit bir değerde olduğunu belirtir.

Şekil 2.1 İki nokta arasındaki potansiyel farkı gidilen yoldan bağımsızdır

∫ Edl =0 ve

∫ Edl − ∫ Edl = 0 I

II

olup,buradan

∫ Edl = ∫ Edl = U I

II

x

sonucuna ulaşılır. Kullanılan ikinci fonksiyon gradyen (grad) adını alır ve skalar bir büyüklüğü vektörel bir büyüklüğe çevirmekte kullanılır.

E = − grad U veya

E = −∇U

Vektör E elektrik alanın herhangi bir noktasında U gerilimindeki maksimum azalmayı gösterir, yani birim mesafede U gerilimindeki azalmaya eşittir. Son olarak diverjans (div) ifadesi ise, vektörel bir büyüklüğü skaler bir büyüklüğe çevirmekte kullanılmaktadır.

div D = ρ

veya

∇⋅ D = ρ

Burada ‘ρ’ birim yükü, D ise akı yoğunluğunu göstermektedir ve permitivite (ε) ile elektrik alanın skaler çarpımına eşittir.

10

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

D =εE Akı yoğunluğunun yüzeysel integrali alındığında bu alanı oluşturan yük miktarı belirlenir.

∫∫ D dA = q n

q = D⋅A q =ε ⋅ E ⋅ A Eğer q=0 olursa, bu durumda yüzeye giren ve yüzeyden çıkan alan çizgileri sayısı aynıdır, aksi taktirde (q≠0) q yükünden (şekil 2.2) dışarıya doğru yeni elektrik alan çizgileri oluşur.

Şekil 2.2 Cismin içerisinde bulunan ‘q’ yükü nedeniyle oluşan alan çizgileri

∇ ⋅ D = ε∇ E = ρ ve E = −∇U olduğuna göre, denklemler yeniden düzenlenirse,

− ε∇ ⋅ ∇U = ρ ∇ 2U = −

veya

q

ε

Bu eşitlik Poisson denklemi olarak bilinmektedir. Herhangi bir yükün olmadığı durumda denklemin sağ tarafı ( ∇ 2U = 0 ) sıfır değerini alır ve bu durumda eşitlik Laplace denklemi olarak anılır. 2.1 EŞ POTANSİYEL ÇİZGİLER VE ALAN ÇİZGİLERİ Elektrik alanlar eşpotansiyel çizgiler ve bunlara dik olan alan çizgileri (şekil 2.3) ile temsil edilirler. Eşpotansiyel çizgiler U geriliminin sabit olduğu noktaları gösteren çizgilerdir. Alan çizgileri ise hareket etme imkanına sahip küçük bir yükün takip edeceği istikameti ve yönü belirler.

Şekil 2.3 Elektrik alan ve eşpotansiyel çizgileri

11

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

2.2 ALAN HESAPLARI Elektrodlar arasındaki alanların eşpotansiyel dağılıma uygun olduğunu göz önüne alarak elektrostatik alanların hesabını Laplace denklemini kullanarak yapmak mümkündür, ancak bu yöntemle başlıca 3 adet farklı elektrod konfigürasyonuna sahip alanlar yeterince hassasiyetle hesaplanabilir. 2.2.1 SONSUZ UZUNLUKTA PARALEL PLAKALAR Mükemmel simetriden dolayı elektrik alan ( E ) konumdan bağımsız olup, her noktada plakalara diktir (şekil 2.4).

Şekil 2.4 İki paralel elektrot arasındaki elektrik alan

U = ∫ Ed x = Ed olup, elektrik alan

E=

U d

olarak gösterilir. Gerçekte plakaların sonlu olmasından dolayı bitiş noktalarında alan çizgilerinde yoğunlaşma görülürse de, genelde yukarıdaki formül ile hesaplanan alan şiddetinin doğru olduğu kabul edilir. Elektrotlar arasında birden fazla (şekil 2.5) farklı dieletrik sabitine sahip yalıtkanlar olduğu halde yine aynı formülü kullamak mümkündür. Bu durumda ‘A’ yüzeyinden geçen akı yoğunluğu her bir yalıtkanda aynı olup, meydana gelen elektrik alanlar arasında fark vardır.

D1 A = D2 A = D3 A = q

ε 1 E1 = ε 2 E2 = ε 3 E3

Şekil 2.5 İki iletken plaka arasına yerleştirilmiş farklı dielektrik özelliklere sahip yalıtkanlar

12

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

U = E1d1 + E2 d 2 + E3 d 3 Yukarıda belirtilen ifadeler ‘U’ denklemine yerleştirilecek olursa, birinci yalıtkandaki elektrik alan,

U

E1 = d1 +

ε1 ε d2 + 1 d3 ε2 ε3

Denklem ‘k’ sayılı yalıtkana göre yazılacak olursa,

Ek =

U

εk ε ε d1 + k d 2 + k d 3 + ... ε1 ε2 ε3

Pratik örnek: Üretim aşamasında çeşitli nedenlerden dolayı yalıtkan malzemelerin içinde hava boşluğu kalma ihtimali vardır ve bu boşluklar yalıtkanın elektriksel dayanımı konusunda önenmli rol oynarlar. Şekilde 2.6’da görüldüğü gibi, iki elektrot arasına yerleştirilmiş ve içinde boşluk olan bir yalıtkanı, farklı dielektrik katsayılara sahip ve arka arkaya bağlanmış 3 adet yalıtkan şeklinde düşünmek mümkündür. Bu durumda orta tabakadaki içi hava dolu bölgenin dielektrik sabitinin

ε2 =1

ve yalıtkanın dielektrik sabitinin ε

olduğu dikkate alınarak E2 hesaplanacak olursa,

E2 =

U 1

ε

d1 + d 2 +

1

ε

d3

olarak bulunur. Yalıtkan içerisindeki boşluğun genişliği, kalan yalıtkana göre ihmal edilebilecek düzeyde olduğu için ( d 2 → 0 ), denklemi

E2 = ε ⋅

U d

şeklinde yazmak mümkündür. Yalıtkanın kalan kısmına etki eden alan şiddeti ise,

E1 = E3 →

U d

Şekil 2.6 İçerisinde hava boşluğu bulunan bir yalıtkan

Sonuç olarak boşluğa etki eden alan şiddeti, yalıtkanın kalan katı kısmına etki eden alan şiddetinin ‘ε’ katına eşittir. Benzer olay iki elektrod arasına sıkıca yerleştirilmemiş ve arada bir kısım hava boşluğu bırakılmış olan düzenekler için de geçerlidir.

13

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

2.2.2 EŞMERKEZLİ SİLİNDİRLER Merkezde bulunan bir ‘q’ yükünün (şekil 2.7) merkezden ‘x’ mesafesi uzaklıkta ‘A’ yüzeyinden geçirdiği akı yoğunluğu ‘D’ ile gösterilecek olursa, bu durumda

q = ∫∫ D ⋅ dA = Dl 2πx E=

q 2πεlx

Şekil 2.7 Eşmerkezli silindirler arasındaki elektrik alan

Oluşan potansiyel farkını hesaplayabilmek için elektrik alanın dış silindirden, iç silindire kadar olan bölge boyunca integrali alınırsa, R

U = ∫ Edx r

R

U =∫ r

U=

q 2πεlx

dx

q

⎛ R ⎞ ln⎜ ⎟ 2πεl ⎝ r ⎠

Yuıkarıdaki ifadede ‘

E=

q 2πεl

’ yerine ‘ Ex ’ ifadesi konularak buradan ‘E’ hesaplanacak olursa,

U x ln

R r

olarak bulunur. En yüksek elektrik alan içerideki ‘r’ silindirinin üzerinde meydana gelmektedir.

Er =

U r ⋅ ln

R r

Eğer elektrotlar arasında farklı dielektrik katsayılara sahip yalıtkanlar bulunuyorsa bu durumda elektrik alan,

∫∫ D ⋅ dA = ε

k

Ek 2πxl

14

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

U x εk

1 r ε r ε r ln 2 + k ln 3 + k ln 4 + ... ε 1 r1 ε 2 r2 ε 3 r3

Ek =

Pratik örnek: Kablo veya benzeri tasarım aşamasında yer kaygısıyla dış iletkenin yarıçapının (R) değiştirilemediği durumlarda, iç iletkenin yarıçapı değiştirilerek (r) izolasyona etki edecek minimum elektrik alanın (Er) oluşumuna özen gösterilir. Bu aşamada elektrik alanının ‘r’ değişkenine göre türevi alınarak sonuç sıfıra eşitlenirse,

dE r =0 dr

R − (ln( ) − 1) r =0 R 2 2 r ⋅ ln( ) r

→

→

ropt =

R e

Birinci katmanın ince bir hava boşluğundan oluştuğu bir kabloda ( ε 1 = 1) ve ( ε 2 = ε )

E hava =

U ⋅ r

1 ⋅ ln 1 +

1 1

→

R ⋅ ln( ) ε r

E hava = ε ⋅

U R r ln( ) r

Bu sonuçtan da görülebileceği gibi kabloların içerisinde kalan hava boşluklarında yalıtkanın kalan kısmına etki edenin ‘ε’ katı kadar bir alan şiddeti oluşmaktadır.

2.2.3 EŞMERKEZLİ KÜRELER Eş merkezli iki kürenin merkezinde bulunan bir ‘q’ yükünün (şekil 2.8) merkezden ‘x’ mesafesi uzaklıkta ‘A’ yüzeyinden geçirdiği akı yoğunluğu ‘D’ ile gösterilecek olursa, bu durumda

q = ∫∫ D ⋅ dA = ε ⋅ E ⋅ 4πx 2

Şekil 2.8 Eşmerkezli küreler arasındaki elektrik alan

Oluşan potansiyel farkını hesaplayabilmek için elektrik alanın dış küreden, iç küreye kadar olan bölge boyunca integrali alınırsa, R

U = ∫ Edx r

R

U =∫ r

q dx 4πεx 2

15

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

q ⎛ 1 1 ⎞ ⎜ − ⎟ 4πε ⎝ r R ⎠

U=

Yukarıdaki ifadede ‘

E=

q 4πε

’ yerine ‘ Ex 2 ’ifadesi yerleştirilerek buradan ‘E’ çözülürse,

U ⎛ 1 1 ⎞ x 2 ⎜ − ⎟ ⎝ r R ⎠

olarak bulunur. En yüksek elektrik alan içerideki ‘r’ yarıçaplı kürenin üzerinde meydana gelmektedir.

Er =

U R ⋅ r R−r

Pratik örnek: Tasarım aşamasında yer kaygısıyla dış iletkenin yarıçapının (R) değiştirilemediği durumlarda, iç iletkenin yarıçapı (r) değiştirilerek minimum elektrik alanın (Er) oluşumuna özen gösterilir. Bu aşamada elektrik alanının ‘r’ değişkenine göre türevi alınarak sonuç sıfıra eşitlenirse,

dE r =0 dr

→

R ( 2r − R ) ⋅ r 2 (r − R) 2

Düzlemsel plakalar

→

→

Ex: sabit

R 2

Eşmerkezli silindirler

Ex =

U Ex = d

ropt =

Eşmerkezli küreler

U x ln

R r

→ Ex: çift taraflı logaritmik kağıtta elektrik alan düz bir çizgi

Ex = →

U R⋅r x2 R − r

Ex: çift taraflı logaritmik kağıtta

elektrik alan düz bir çizgi ile gösterilir

ile gösterilir

x U x = ⋅U d →

lineer potansiyel değişimi

Ek =

U

εk ε d1 + k d 2 + ... ε1 ε2

Ux = →

1 1 − U x = x R ⋅U 1 1 − r R

ln R − ln x ⋅U ln R − ln r

tek taraflı logaritmik kağıtta potansiyel düz bir çizgi ile

→ çift taraflı logaritmik kağıtta potansiyel

gösterilir

Ek =

U ⋅ x εk

ε1

1 ln

r2 ε k r3 + ln + ... r1 ε 2 r2

düz bir çizgi ile gösterilir

Ek =

U 1 ⋅ 2 ε 1 1 x εk 1 1 ( − ) + k ( − ) + ... ε 1 r1 r2 ε 2 r2 r3

16

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

2.3 ELEKTROD SİSTEMLERİ İÇİN YAKLAŞIK HESAP YÖNTEMLERİ Uygulamada karışık hesaplar yerine, yaklaşık hesap yöntemleri kullanarak çeşitli elektrod sistemlerinin maksimum elektrik alanını hesaplamak mümkündür. Ancak bu hesaplamalar aşamasında dikkat edilmesi gereken bazı noktalar bulunmaktadır: 1. Emax yarıçapı küçük olan elektrodun üzerindedir. 2. Emax genel olarak yalıtkan maddenin en dar olduğu bölgededir. 3. Emax yarıçapı büyük olan elektrodun şekline tamamen bağlı değildir. 2.3.1. KÜRE-DÜZLEM ELEKTROD SİSTEMİ 1. Emax küre üzerindedir. 2. Emax A noktasında oluşur. 3. D düzlemi yerine yarıçapı a+r olan bir küre dikkate alınarak sistem eş merkezli küresel elektrod sistemi şeklinde düşünülerek Emax hesaplanır. Ancak oluşacak hatayı giderebilmek amacıyla ‘k’ düzeltme katsayısı kullanılır.

Emax = k

U r1 + a , r1 a

k≈0.86-0.94

2.3.2. EŞİT YARIÇAPLI YANYANA DURAN ELEKTRODLAR 1. Emax, A ve B noktaları arasındadır. 2. İki küre yerine A ve B noktaları arasından geçen bir düzlem ile bir küre sistemi dikkate alınarak hesap yapılabilir.

Emax = k

U / 2 r1 + a / 2 * r1 a/2

Denklem sadeleştirildikten sonra,

Emax = k

U r1 + a / 2 * r1 a

2.3.3. SİLİNDİR-DÜZLEM ELEKTROD SİSTEMİ 1. Emax alan şiddeti A noktasında oluşur. 2. D düzlemi yerine yarıçapı r2=r1+a olan bir silindir alınırsa meydana gelecek olan hata ‘k’ düzeltme faktörüyle giderilebilir.

17

2. Yüksek Gerilim Tekniği’nde Elektriksel Alanlar

Emax = k

U !r +a$ r1 ln # 1 & " r1 %

2.3.4. YANYANA DURAN SİLİNDİRİK ELEKTROD SİSTEMİ Paralel eksenli iki silindirik elektrod silindir-düzlem elektrod şiekile çevrilerek maksimum elektrik alan hesaplanabilir.

Emax = k

U !r +a / 2$ 2r1 ln # 1 & " r1 %

18

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

3. GAZ YALITKANLAR 3.1 VAKUM (BOŞLUK) Vakum yüksek gerilim tekniğinde X ışını tüpleri, kesiciler, vb. alanlarda önemli kullanım alanına sahiptir. Bir elektronun herhangi bir çarpışmaya maruz kalmadan hareket edebileceği ortalama uzaklık ‘λ’ gazın basıncı ile ters orantılıdır. 1mbar’lık bir basınçta bu mesafe 0.4mm olmasına karşın, basıncın yaklaşık 10-6mbar seviyesine düşmesiyle birlikte, elektronların serbestçe hareket edebilecekleri mesafe de 400m’ye kadar uzar ve bu durum sızıntı akımlarının veya bozulmanın oluşumunu önemli ölçüde engeller. Vakum’un (boşluk) üstün özellikleri

Vakum’un (boşluk) dezavantajları

Ø kendi kendini onarır

* yüksek maliyet (hava geçirmemeli!)

Ø düşük dielektrik sabiti (ε=1)

* katı yalıtkana ihtiyaç duyar (tasarım!)

Ø dielektrik kayıplar (tanδ) sıfıra eşit Ø yanmaz Ø delinme dayanımı yüksek 3.1.1 ELEKTRON EMİSYONU Gaz yalıtkanlarda bozulmayı başlatan elektronun iletken elektrottan koparılabilmesi için başlıca iki teori öne sürülmüştür: Alan yayımı: Elektronların temiz bir yüzeyden yayımı ancak 1000kV/mm veya daha yüksek alan seviyelerinde mümkün olmakla birlikte, metal yüzeyin pürüzsüz olmaması ve mikroskobik çıkıntılar içermesi bu seviyeyi daha aşağılara çekmektedir. Yüzeyin zımparalarak cilalanması genel bir düzgünlük sağlamakla birlikte, ince tel şeklinde yüzeyde sıkışıp kalan bazı partiküller, yüksek elektrik alana maruz kaldıklarında elektrotlar arasındaki boşluğa doğru çekilirler ve yüzey üzerinde bozucu etki yaparlar. Bu tip partikül ve çıkıntıların (şekil 3.1) varlığı, uygulanan elektrik alanın bu bölgelerde ‘β’ kat artmasına neden olur.

Şekil 3.1 Elektrot yüzeyindeki bir çıkıntı ve elektrik alanın değişimi

19

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

E 0 = βE ‘β’ katsayısı büyük oranda çıkıntının şekline bağlı olup, yaklaşık olarak

β≈

2h w

bağıntısı ile ifade edilebilir. Isı yayımı: Elektrodların ısıtılmasıyla birlikte elektron yayılımı çok daha düşük alan seviyelerinde gerçekleşmeye başlar. Sivri çıkıntıların bulunduğu bir elektrod yüzeyinde, akan akım ile birlikte bölgesel sıcaklık artışı meydana gelir ve bu olayın sonucunda ısı kaynaklı elektron yayımı artış gösterir. 3.1.2 ALAN YAYIMI SONUCU BOZULMA Vakumun (boşluk) bozulmasına (delinmesine) neden olabilecek başlıca iki mekanizma bulunmaktadır: •

alan kaynaklı delinmeler

•

mikro parçacık temelli delinmeler

Mikron boyutlu (şekil 3.2) çıkıntılarda elektron demeti nedeniyle bu noktalarda akım artışı gözlenir. Bu akıma direnç gösteren bölgelerde akım nedeniyle ısı artışı meydana gelir ve elektron yayılımı artar. Bu ani artış mikro çıkıntıların erimesine ve metal buharının oluşmasına neden olur. Bu metal buharı elektrot yüzeyinde bulunan metal çıkıntılardaki sıkışmış gaz kalıntıları ile birleşerek yerel bölgelerde boşluğun delinme dayanımını önemli ölçüde azaltır. Bu durumda iyonizasyon için gerekli olan şartlar hazırlanmış olur ve düşük basınçlı gazlarda görülen delinme mekanizması geçerlik kazanır. Sıcaklık artışı yanlızca mikro çıkıntılarda geçerli olmayıp, karşı bölgede bulunan anotta da elektronların hızla çarpmaları nedeniyle aşırı ısınmaya neden olurlar (→ metal ve gaz buharı oluşur).

Şekil 3.2 Mikron boyutundaki bir çıkıntı ve karşı bölgesinde aşırı ısıma

20

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

Yüksek ‘β’ katsayısına sahip uzun çıkıntılar katod kaynaklı bozulmalara neden olurken, küçük ‘β’ katsayılı kısa çıkıntılar bozulmaların genelde anottan başlamasına neden olurlar. Delinmenin gerçekleşmesi için gerekli olan zaman oldukça kısa olup,

t = t1 + t 2 şeklinde ifade edilebilir. Bu denklemde t1 mikro çıkıntının ısınması ve buharlaşması için gerekli zaman olup, 1ns-100ns arasında değişim gösterir. Buharın boşluğu geçmesi için gerekli zaman ise

t 2 ile gösterilir ve elektrotlar arası aralığın (1mm-10mm) mesafesine göre 50ns-500ns arasında değişir. Sonuç olarak delinme süresi vakum yalıtkanlarda genelde 1µs’yi aşmaz. Boşluğun delinmesine neden olabilen ikinci bir etken ise elektrodlar arası boşlukta bulunan yaklaşık 10µm çapındaki mikro parçacıklardır. Bu parçacıkların kaynağı çok çeşitli olup, üretim aşamasında çevrede bulunan toz partikülleri, elektrodlar içerisinde bulunan ve kuvvetli bir elektrik alan sonucu yüzeye çekilen sivri yabancı maddeler, parlatma aşamasında yüzeye yapışan aluminyum oksit, vb. bu etkenlerden bazılarıdır. Güçlü bir elektrik alanın uygulanmasıyla birlikte bu parçacıklar 500m/s’lik bir hızla elektrodlara çarparak yüzeyde yer yer aşırı sıcak bölgelerin oluşumuna neden olurlar. Eğer açığa çıkan enerji yeterli olursa bu durumda parikül ve çarptığı elektrod yüzeyi buharlaşarak gaz ve metal buharının boşluğa yayılmasına ve dolayısıyla delinmeye sebep olurlar. Elektronların elektrodlar arasındaki boşluğu geçmeden orta noktada buharlaşması ya da elektrodlar arasında birden fazla çarpışmalar yapması gibi farklı ve daha karmaşık delinme teorileri olmakla birlikte, pratikte delinmenin belirtilen iki mekanizmanın bir kombinasyonu şeklinde olduğu yaygın olarak gözlenmiştir. Mikro partiküllerin neden olduğu bozulmaların süresi (min. 1µs), elektron yayımlı bozulmalara oranla oldukça uzundur, bunun başlıca nedeni ise parçacıkların hızlarının elektronlara göre oldukça yavaş olmasından kaynaklanmaktadır. 3.1.3 ELEKTRODLARIN BOZULMAYA ETKİSİ Vakum yalıtkanlarda elektrodların yapıldığı malzemenin yalıtkanın delinme dayanımı üzerinde önemli etkisi vardır, bu nedenle paslanmaz çelik veya titanyum gibi sert ve üzerlerinde okside bir yalıtım tabakası olan metaller tercih edilirler. Elektrodlar öncelikle mikron seviyesinde cilalandıktan sonra ultrasonik havuzlarda yıkanarak tozdan arındırılmış ortamlarda eldeğmeden ve tamamen çiziklerden arındırılmış olarak üretilirler. Bunlara ek olarak yalıtkan gaz (boşluğun) bulunduğu ortam kademeli yükseltilen yüksek gerilim elektrik alanına maruz bırakılır ve bu işlem sonucunda elektrodların içerisinde kalmış olan yabancı partiküller buharlaştırılır. Bu gaz daha sonra bir pompa ile ortamdan uzaklaştırılır. Genelde 2mm’den küçük olan boşluklarda delinme elektron yayımı ile gerçekleşir. Delinme dayanma için gerekli alan seviyesi AC akımda

21

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

20kVrms/mm – 30kVrms/mm arasında değişim gösterir. Büyük boşluklarda bozulma ise genellikle mikro parçacıklar nedeniyle gerçekleşir. Bu tip bozulmalarda esas hızlandırıcı etken uygulanan gerilimdir ve dayanma gerilimi yaklaşık olarak

Vb ≈ C d şeklinde ifade edilir. Burada ‘C’ değeri 30kvrms/mm civarında olup, ‘d’ mm olarak mesafeyi belirtmektedir. Darbe gerilimlerinde zaman mikro parçacıkların elektrodlar arası boşluğu katebilmesi için yetersiz olduğundan bu tip gerilimlerde bozulmalar elektron yayımı ile gerçekleşmektedir. Ancak büyük aralıklarda bozulmalar yine AC gerilimlerde gözlendiği şekilde oluşmaktadır. 2mm elektrodlar arası açıklığa sahip sistemlerde darbe gerilimi uygulaması sonucu gözlenen bozulmalar, AC akımda olduğu gibi elektron esaslı olup, 30kVrms/mm – 40kVrms/mm seviyesinde gerçekleşmektedir. Ancak 2mm’den büyük açıklıklarda darbe gerilimlerinde delinme için gerekli elektrik alan mikro parçacıkların sınırlı hareket zamanı nedeniyle 60kVrms/mm seviyelerinde gerçekleşir. 3.2 DÜŞÜK BASINÇ Gaz yalıtkanlar moleküllerin ışık, raydoaktif ışınım veya kosmik ışınım gibi etkenlerle iyonize olmaları nedeniyle daima serbest elektronlara sahiptirler. Elektrik alanın olmadığı ortamlarda, elektronlar pozitif iyonlarlar birleşirler, ancak elektrik alanın uygulanmasıyla birlikte elektronlar alan yönünde harekete geçerler. Düşük basınçlı gazlarda (1mbar) elektronların serbestçe hareket edebilecekleri mesafe birkaç mm seviyesinde olup, ‘(λ) ile gösterilir. İyonizasyon, gazların delinmesi için gerekli koşulların hazırlanmasında önemli rol oynar ve genelde serbest elektronların çarpışması sonucu meydana gelmesine karşın, diğer bazı dış etkenler de bu konuda hızlandırıcı rol oynarlar. 3.2.1 ÇARPMA SURETİYLE İYONİZASYON Gaz molekülünden bir elektron ayrıştırılarak pozitif iyon oluşturulması olayına iyonizasyon adı verilir. İyonizasyon olayında, serbest bir elektron nört bir gaz molekülü ile çarpışarak yeni bir elektron ve pozitif iyon oluşturabilir. Alçak basınç altındaki 2 elektroda ‘V’ gerilimi uygulanarak elektriksel alan elde edildiği zaman, katoddan ayrılan elektronlar, anoda doğru olan hareketleri esnasında diğer gaz moleküllaeri ile çarpışarak ivmelenirler. Kütlesi ‘m’ ve etkin hızı ‘vef’ olan bir parçacığın kinetik enerjisi W =

1 2 mvef olduğundan, bu parçacık bir atom veya moleküle çarptığı 2

zaman, atom veya molekülü iyonize edebilir (şekil 3.3). Kazanılan bu enerji elektrik alan ile doğru, uygulanan basınç ile ise ters orantılıdır. 22

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

W = eEλ ≡ e

E p

Şekil 3.3 Elektrik alan altında iyonizasyon olayı

Serbest elektronların gaz atomları ile çarpışması sonucunda başlıca üç farklı durum gözlenebilir: 1. Eğer parçacığın kinetik enerjisi, söz konusu gazın iyonizasyon enerjisine eşit veya ondan büyükse, çarpma iyonizasyonla sonuçlanır, yani bir gaz atom veya molekülden, bir pozitif iyonla bir elektron meydana gelebilir. ½ mvef2 ≥ Wi A : atom e- + A → e- + A+ + e-

A+: pozitif atom e- : elektron

2. Çarpışmanın elastik olması durumunda kinetik enerjisi Wi’den küçük olan elektronlar enerjilerinin küçük bir miktarını kaybederek ağır gaz molekülüne devrederler ve ikinci bir çarpışmaya kadar yeniden ivmelenirler. Uyarılmış atoma çarpan 2. , 3. ve diğer parçacıklar atomu kademeli olarak iyonize edebilirler (kademeli iyonizasyon) 3. Çarpışmanın sert olması durumunda ise elektron enerjisini kaybederek atomu uyarılmış duruma sokabilir. A + e- → A* + eBurada A* uyarılarak bir üst enerji kademesine yükselmiş atomu temsil etmektedir. Uyarılan atom µs’den daha kısa bir zaman dilimi içerisinde foton yayarak enerjisini kaybeder. A* → A + hv Burada ‘h’ Planck sabiti, ‚’v’ ise ışınımın frekansıdır.

23

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

3.2.2 FOTO İYONİZASYON Foto iyonizasyon, atom yada molekül tarafından absorbe edilen radyasyonun, gazın iyonizasyon enerjisini aşması halinde maydana gelir. Bu olayın (radyasyon emilimi) gerçekleşmesi için: 1. Atomun daha yüksek bir enerji seviyesine uyarılması 2. Atomun uyarımı sonucu daimi emilim gerekmektedir. Uyarılmış bir atomdaki elektronlar bir düşük enerji halkasına geçerlerse, atom radyasyon yayar. Benzer şakilde atom radyasyonla uyarıldığı zaman, elektronlar bir üst enerji halkasına geçer. Frekansı f olan bir ışıma ile bir gazın iyonize olabilmesi için

λ≤

c⋅h Wi

h: Plank sabiti (6,625.10-34Js) c: Işık hızı (3.108 m/s) λ: Işınımın dalga boyu (m) Wi: Atomun iyonizasyon enerjisi (Joule) 1 eV = 1,6.10-19 Joule

‘h’ ve ‘c’ değerleri yerine konunca

λ≤

1.27 *10 −6 m Wi

Deneysel olarak dalga boyu 1250 ºA olan ışınımın, birçok gaz için foto-iyonizasyona sebep olduğu belirlenmiştir. Bu dalga uzunluğu mor ötesi (ultraviole) ışınlar bölgesinde bulunmaktadır, dolayısıyla görülebilir ışıkta iyonizasyon mümkün olmamaktadır. 3.2.3 TERMİK İYONİZASYON Bir gaz yeteri derece yüksek sıcaklıklara ısıtıldığı taktirde, gaz veya moleküller yüksek hız kazanarak çarpışma sonucu iyonizasyona sebebiyet verirler. Ayrıca kızgın duruma gelen gazların (ateş ve yüksek basınç arkı) ışıması dolayısıyla da foto iyonizasyon ile elektrikli parçacıklar meydana gelebilir. Termik iyonizasyonun oluşabilmesi için sıcaklık seviyesinin 1000 K ve yukarısında olması gerekir. 3.2.4. YÜZEYSEL İYONİZASYON Bir maden yüzeyinden elektron koparılmasına yüzeysel iyonizasyon denir. Bunun için maden yüzeyine çıkış işi veya çıkış enerjisi adı verilen bir enerjinin verilmesi gerekir. Bu enerji maden yüzeyine, 1. Madeni ısıtmak suretiyle 2. Maden yüzeyini elektrikli parçacıklarla bombardıman etmekle 24

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

3. Maden yüzeyini kısa dalga boylu ışınlarla bombardıman etmekle 4. Kuvvetli bir dış alanın etkisiyle Genel olarak bir maddenin çıkış enerjisi, bu maden buharına ait iyonizasyon enerjisinden daha küçüktür (Wθ < Wi) 3.2.5 TOWNSEND BOŞALMA TEORİSİ Şekil 3.4’de görülen (bakınız: çarpma suretiyle iyonizasyon) katoddan n0 adet elektron serbest kalarak anoda doğru hareket ederler. Eğer bir elektron nötr bir atom ile çarpışırsa, pozitif iyon ve eoluşur; bu olaya iyonize çarpışma adı verilmiştir. Townsend teorisinde elektrik alanı boyunca 1 cm hareket eden bir elektronun meydana getirdiği iyonize çarpışmaların (yeni elektronların) sayısı α ile gösterilir. Çarpışmalar ve dolayısıyla ‘α’ katsayısı gazın basıncına α ~p ve hareket halindeki elektronların enerjisine W~eEλ bağlıdır. ’λ’ katsayısının basınç ile ters orantılı olduğu göz önüne alınırsa W~

E p

ve dolayısıyla iyonizasyonun gerçekleşme olasılığı enerjiye bağlı bir fonksiyon olarak

⎛ E ⎞ α ~ f ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ p ⎠ şeklinde hesaplanır.

Katod

Anod Şekil 3.4 Elektron çığı oluşumu

Her iki etkenin de hesaba katılmasıyla ‘α’ parametresi

⎛ E ⎞ α ~ pf ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ p ⎠

25

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

olarak bulunur. ‘α’ parametresi bir maksimum değere sahip olup, bu değerin altında iyonizasyonu başlatacak olan moleküllerin sayısı (şekil 3.5 a) yetersizdir. Bu değerin üzerinde ise moleküller arası hareket alanı kısıtlı olduğu için elektronların hızlanarak iyonizasyonu başlatacak enerji düzeyine ulaşmaları güçleşmektedir.

Şekil 3.5 a. Birinci iyonizasyon katsayısının basınca bağlı değişimi

Şekil 3.5 b. İkinci İyonizasyon katsayısının ekeltrik alan ve basınca bağlı değişimi

Townsend teorisindeki tek çığ işlemi öncü elektronların anoda varması ve gaz moleküllerinin daimi iyonizasyonu ile mümkündür. Katodu terkeden N 0 adet elektron, ‘x’ mesafesi kadar yol katederse, bu durumda ‘dx’ aralığında oluşacak yeni elektronlar (şekil 3.4):

dN x = N x ⋅ α ⋅ dx olup, bu denklemin sıfırdan , ‘x’ mesafesine kadar (katoddan, ‘dx’ tabakasına kadar) integrali alınırsa,

∫

dN x = α ⋅ dx Nx ∫

ln N x = α ⋅ x N x = N 0 ⋅ eα x

26

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

Sonuç olarak ‘d’ aralığını geçerek anoda ulaşan elektronların sayısı da,

N a = N 0 ⋅ eαd olarak hesaplanabilir. Elektronların sayısı üstel bir artış gösterdiği için, bu olaya ‘elektron çığı’ adı verilir. Her bir iyonizasyon olayı geride pozitif bir iyon bırakır. Elektronların hızı 100mm/µs olmasına karşın, iyonlar yaklaşık 1mm/µs hızında hareket ederler. Çığ oluşumu sızıntı akımlarına sebep olmakla birlikte, doğrudan delinmeye sebep olmaz. Delinmenin gerçekleşebilmesi için elektron sayısının artışına neden olabilecek bir çeşit geribesleme mekanizmasına da ihtiyaç vardır. Düşük basınçlı gazlarda bu olay ikinci iyonlaştırma katsayısı ‘γ’ ile açıklanmaktadır. Bu teoriye göre çığ oluşumu aşamasında geride kalan pozitif iyonlar (şekil 3.4) elektriksel alanın etkisiyle hızlandırılarak katoda doğru harekete geçerler. Pozitif bir iyonun katoda çarpması sonucu, katoddan elektron koparabilme olasılığı ‘γ’ olup, bu katsayı elektrik alanın şiddetine, iyonun hızına ve katodun yapıldığı malzemeye göre değişmekle birlikte genelde yaklaşık olarak 0.01 değerindedir. Bu şekilde oluşan elektronlara ikincil elektron adı verilir ve oluşan bu elektronlar da yeni çığ oluşumlarını başlatırlar. Anoda varan toplam elektron sayısı N 0 eαd ise, bu durumda çarpışma sonucu

N 0 e αd − N 0 adet yeni iyon oluşur. Bu iyonların katoda çarparak oluşturacağı yeni elektronların sayısı ise

γN 0 (eαd − 1) adet olarak hesaplanır. Her bir ikincil elektronun yeni bir çığ ve pozitif iyon oluşumu başlatacağı düşünülürse bu durumda toplam elektron sayısı

N 0 + N 0 ⋅ γ (eαd − 1) + N 0γ 2 (eαd − 1) 2 + N 0γ 3 (eαd − 1) 3 + ...... olarak bulunur. ‘α’ ve ‘γ’ katsayılarının büyük değerler alması durumunda ( γ (eαd − 1) 〉 1), sonsuz sayıda elektron üretileceği için, gazın yalıtkanlık özelliği azalacak ve sonuçta delinme gerçekleşecektir. Ancak bu durumun gerçekleşebilmesi gazın belirli bir basınçta elektrodlar arası belirli bir açıklığa sahip olması ile mümkündür.

1

α ⋅ d 〉 ln(1 + ) γ İkincil elektronların oluşmasına yardımcı olan bir diğer etken de, uyarılmış atom yada moleküllerin yaydığı fotonlardır. Katoda ulaşan fotonlar aynen pozitif iyonlar gibi elektron ayrıştırabilirler. Elektronlar sonucu uyarılmış her bir atomun foton yayacağı düşünülürse, bu durumda birim uzunlukta yayılan foton sayısı ‘θ’ katsayısı ile belirtilir. Bu fotonlar her yönde hareket etmelerine

27

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

karşın, bunların yalnızca ‘g’ kadar bir oranı katoda varabilir. Bunlara ek olarak oluşan fotonların bir kısmı (µ) gaz tarafından absorbe edilir ve sonuç olarak katoda varan fotonların sayısı e − µx kadar azalır. Katoda varan fotonların da sadece ‘δ’ kadarlık bir kısmı elektrod yüzeyinde bir elektron koparmayı başarabilir. Bu işlemler sonucunda ‘dx’ kalınlığında bir tabakada oluşabilecek ikincil elektronların sayısı:

dN = N 0 eαxθ ⋅ g ⋅ e − µxδ ⋅ dx olarak bulunur. Bu denklemin katoddan anoda doğru integrali alınırsa, fotonlar sonucu başlangıçta N0 olan elektron sayısı,

N = N0

θgδ (α −µ ) d (e − 1) α −µ

adede ulaşır. Burada

θgδ ifadesi ’Γ’ ile gösterilirse, bu durumda denklem α −µ

N = N 0 Γ(eαd − 1) şeklinde ve ikincil elektronların oluşumunda etkili olabilecek diğer tüm mekanizmaları da kapsayan genel hal alır. ‘Γ’ katsayısı deneysel olarak hesaplanmakla birlikte, genellikle gazın cinsine ve elektrodun yapıldığı malzemeye göre (şekil 3.7) değişim gösterir.

Şekil 3.6 Townsend tipi boşalmalarda akımın değişimi

Şekil 3.7 Delinme geriliminin katodun yapıldığı malzemeye göre değişimi

28

3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları

3.2.5 PASCHEN YASASI

⎛ E ⎞ Belirli bir gaz ve katod malzemesi için α = pf ⎜⎜ ⎟⎟ ve Γ= sabit olduğu durumlarda elektrik alan ⎝ p ⎠ ifadesi yerine E =

pd ⋅ f (

U denkleminin konulmasıyla, d

U ) pd

çarpımının sabit bir değere eşit olduğu görülecektir. Bu durumda Ud delinme geriliminin basınca ve aynı zamanda elektrodlar arası uzaklığa bağlı olarak değişim gösterdiği belirlenmiştir. Paschen yasası olarak bilinen bu ifade,

U d = f ( pd ) şeklinde yazılır. Bu ifade gerilimin ve ‘pd’ çarpımının değişiminin logaritmik bir kağıda çizilmesiyle ‘Paschen’eğrisi adını alır (şekil 3.8).

Şekil 3.8 Farklı gazlar için Paschen eğrisi

Minimum noktasının solunda kalan kısımda elektron sayısının az olması nedeniyle çarpışma suretiyle iyonizasyon olayının gerçekleşmesi güçleşmektedir. Benzer şekilde minimum noktasının sağ tarafında bulunan bölgede çok sayıda çarpışma olmakta birlikte elektronlar yeterince hız kazanamadıkları için iyonizasyon olayı nadiren gerçekleşmektedir. Paschen eğrisi genellikle düşük basınçlarda, maksimum 1atm * 5mm’lik çarpıma kadar geçerli olmaktadır. Daha büyük basınçlarda veya mesafelerde delinme mekanizması değişmekte ve dolayısıyla Paschen yasası da geçerliliğini yitirmektedir. Bu yasa sadece gazların delinmesini belirlemekle sınırlı kalmayıp, aynı zamanda katı malzemelerin içerisinde bulunan boşlukların delinme gerilimlerinin hesaplanmasında da yardımcı olmaktadır. 29