Yüksek Gerilim Tekniği I_Ders notları
advertisement
3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları 3.3 YÜKSEK BASINÇ 3.3.1 KANAL BOŞALMA TEORİSİ Basınç veya elektrodlar arası aralık 5atm*mm seviyesinin üzerine çıkarıldığı zaman, Townsend delinme mekanizması geçerliliğini yitirmektedir. Özellikle dış ortamda normal hava basıncı altında 10mm’nin üzerindeki açıklıklarda yeni delinme mekanizmalarının varlığından söz etmek gerekmektedir. Bunun başlıca nedenleri şu şekilde sıralanabilir: 1. Gerçekte delinme Townsend mekanizmasında öne sürülen süreçten çok daha kısa bir zaman dilimi (10-100ns) içerisinde gerçekleşmektedir. Oysa bu süre iyonların hareket ederek ( 1mm / µs ) katoda gitmeleri için yeterli değildir. 2. Delinme gerilimi katodun yapıldığı malzemeye bağlı olarak değişim göstermemektedir. Delinmenin gerçekleşmesi için ikinci iyonlaştırma katsayısına gerek yoktur. 3. Delinme kanalları Townsend boşalımında görüldüğü gibi yaygın ve dağınık değil, aksine sivri ve dardır. Belirtilen bozulma şeklini açıklayabilmek amacıyla kanal boşalma teorisi geliştirilmiştir. Bu teori çığ boyunca oluşan yük dağılımının çığ belirli bir uzunluğa eriştiği zaman elektrik alan üzerinde kuvvetli bir etki yaptığını öne sürmektedir. Şekil 3.7’de görüleceği gibi sıfır noktası ile ‘x’ mesafesi arasında bulunan iyonlar üstel olarak artış gösterirler. N x = N 0 eα x Şekil 3.7 Kanal boyunca iyon dağılımı Çığın başında bulunan iyonların tüm iyonlara oranı: eαd − eαx eαd Yaklaşık 1atm dış ortam basıncında havanın delinme dayanımının 3kV/mm olduğu göz önüne alınırsa, d=10mm’lik bir boşluk için α ≈ 20 olarak kabul edilebilir. Bu durumda yüklerin %75’lik 30 3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları bir kısmının çığın %8’lik bir kısmında toplandığı belirlenebilir. Elektronların iyonların yaklaşık 100 katı bir hızda hareket ettiği düşünülürse, bu durumda kısa bir süre sonrasında elektronların kaybolarak çığın ön kısmında sadece pozitif iyonların kaldığı ve bu bölgenin pozitif yüklendiği sonucu çıkarılabilir. 3.3.2 ANOD KAYNAKLI KANAL OLUŞUMU Elektrodlar arasındaki boşlukta oluşan çığın baş kısmındaki pozitif iyonların sayısının 108 seviyesini aşması durumunda oluşan yük dağılımı elektrik alanı ciddi biçimde etkiler. Çığın anoda varmasıyla elektronlar yok olur ve yaklaşık 30µ çapında ve %75’lik oranı baş kısmında bulunan pozitif yükler geride kalırlar. Bir iyonun yükünün 1.6*10-19C olduğu göz önüne alınırsa, 0.75*108 sayıda iyon Q=12pC’luk bir yük oluştururlar. Yük dağılımının bir küre üzerinde (şekil 3.8) oluştuğu düşünülürse, bu durumda ∫∫ D dA = Q n ve εE ⋅ 4πr 2 = Q ifadelerinde pozitif iyonlar sonucu elektrik alan şiddeti E ≈ 1kV / mm olarak hesaplanır. Bu durumda pozitif iyon yoğunluğunun elektrik alan şiddetini 1kV/mm kadar arttırdığı görülebilir. Şekil 3.8 Anod kaynaklı kanal oluşumu Elektrik iyonizasyon oluşumu işlemi hızlanır. ve Birim sayısı (θ), iyon sayısından (α) alanın güçlenmesi sonucu dolayısıyla foton mesafede üretilen foton fazla olur. Yüksek 31 3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları elektrik alan altında fotonların gaz moleküllerine çarpma ve iyonize etme olasılığı artar. Oluşan yeni çığlar kanal ile birleşerek katod yönüne doğru hızla hareket ederler. İnce tel şeklinde ve soluk bir ışık saçan bu pozitif yük oluşumuna kanal adı verilir. Kanallar genelde zik-zak hareketi çizerek ilerler ve 1m’den büyük açıklıklarda çatallanma eğilimi gösterirler (şekil 3.9). Kanal katoda yaklaştığı zaman negatif elektronlar ve pozitif iyonlar da kanal boyunca hareket ederek, Townsend boşalmalarında gözlemlenen ikincil elektron oluşumu işlemini de gerçekleştirirler. Şekil 3.9 Kanalın kıvılcıma dönüşümü a) fotonlar kanalın ucundan yayılırlar b) rastlantısal olarak aynı anda iki çığ oluşumu c) katoda yaklaşınca ‘γ’ ikincil iyonizasyon olayı d) negatif elektron+ pozitif iyon = iletken yol e) ark ve yüksek akım 3.3.3 BOŞLUK ORTASI KANAL OLUŞUMU Elektrodlar arasındaki boşluk (şekil 3.10) çok yüksek bir alana maruz bırakıldığı taktirde, birim uzunluktaki iyon sayısı (α) artış gösterir ve çığ henüz anoda varmadan kritik iyon sayısına (108) ulaşılır. Bu durumda çığın her iki tarafında da kanal oluşumu ve bunu takiben ani delinme olayı gözlenir. Şekil 3.10 Kritik seviyedeki bir çığın her iki tarafındaki elektriksel alan 3.3.4 KIVILCIM VE ARK OLUŞUMU 32 3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları Elektrodlar arasında oluşan kanalın katoda yaklaşmasıyla birlikte gerilim düşer, devreden geçen akım ise sadece devrenin empedansı ile sınırlanır. Delinen aralık, akım birkaç amper seviyesinde olduğu sürece ultraviole ışık yayar. Bu arada kanal içerisindeki gaz elastik çarpışmalar sonucunda ısınmaya başlar. Bu aşamaya kıvılcım adı verilir. Akımın daha da artması sonucu gerilim birkaç volt seviyesine kadar düşer ve yayılan ışık beyaz bir renk alır. Ark olarak nitelendirilen bu aşamada termal yayılım gerçekleşir ve katod buharlaşmaya başlar (şekil 3.11). Gazın sıcaklığı 5000°C 20000°C’ ye kadar çıkar ve moleküllerin çok hızlı hareket etmeleri neticesinde, çarpışma sonucu iyonizasyon oluşumu gözlenir. Bu olay iletkenliğin artmasına ve sıcaklığın daha da yükselmesine neden olur. Şekil 3.11 Delinme olayının akımgerilim karakteristiği A: sızıntı akımı B: çığ oluşumu C: geri besleme D: delinme E: ark Pratik örnek: Kesici devrelerde de en büyük sorun ark sonucu oluşan akımı kesmek aşamasında yaşanır. Sıcaklıktaki ani artış basınç dalgalarının oluşumuna sebep olur. 3.3.5 HOMOJEN ALANLAR Havanın homojen bir ortamda delinmesini incelemek için Rogowski elektrodu yaygın olarak kullanılmakla birlikte, belirli bir açıklığa kadar küresel elektrodların kullanımının da yeterli olacağı belirlenmiştir. Elektrodlar arası açıklık (mm): 10 20 30 40 80 120 mm Homojen ortam (Rogowski elektrodu): 31.7 59 86.3 113 213 313 kV Küresel elektrodlar (250mm çap): 59 86 112 206 275 kV 31.7 Delinme gerilimi 40mm’den sonra değişim göstermektedir. Düzgün bir elektrik alan (şekil 3.12) elde edilebilmesi için elektrodlar arası açıklığın (d), elektrod çapına göre (D) küçük seçilmesi gerekmektedir. Delinme gerilimi basınç, sıcaklık, nem, toz, elektrod yüzeyi, hava akımları, vb. etkenlere göre değişim göstermektedir. 33 3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları Şekil 3.12 Havanın küresel elektrodlar arasında delinme dayanımının değişimi 3.3.6 HOMOJEN OLMAYAN ALANLAR Bu tip bir ortamda delinme ancak e ⎡ d ⎤ ⎢ αdx ⎥ ⎢⎣ 0 ⎥⎦ ∫ ≥ 10 8 ifadesinin gerçekleşebilmesiyle mümkün olabilmektedir. 3.3.6.1 NOKTA-DÜZLEM ELEKTROD Bu tip elektrodların kullanıldığı düzeneklerde (şekil 3.13) noktasal elektrodun pozitif olması durumunda kanal oluşumu gözlenir. Elektrik alanın yüksek olduğu bu bölgede oluşan yeni çığlar, kanala eklenerek elektrodlar arası aralığın kısa zamanda delinmesini sağlarlar. Şekil 3.13 Havanın delinme dayanımının elektrod geometrisi ve aralığa göre değişimi Noktasal elektrodun negatif olduğu durumda ise, elektronlar boşluğa, elektrik alanın zayıf olduğu bölgelere doğru itilirler. Sonuç olarak yeni çığ oluşumu güçleşir ve delinme ancak daha yüksek 34 3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları gerilim seviyelerinde gerçekleşebilir. AC gerilimin kullanıldığı düzeneklerde ise delinme noktasal elektodun pozitif olduğu yarı saykıllarda gerçekleşir. 3.3.6.2 NOKTA-NOKTA ELEKTROD Simetriden dolayı bu tip elektrod düzeneklerinde delinme olayı pozitif, negatif veya AC gerilimlerde değişim göstermez. Elektriksel alan seviyesi her iki elektrodun da noktasal olması sebebiyle düşme gösterir. Bu nedenle pozitif noktasal elektrod ile kıyaslandığında delinme daha yüksek gerilim seviyesinde olmakla birlikte, negatif noktasal elektroda göre daha düşük seviyede gerçekleşmektedir. 3.3.7 ELEKTRONEGATİF GAZLAR Bu tip gazlarda elektronlar iyonizasyon aşamasında gaz moleküllerine yapışarak ortamdan çekilirler. Geride kalan negatif iyonlar ise yavaş hareket edebildikleri için çığ oluşumuna katkıda bulunamazlar ve sonuç olarak gazın delinme dayanımı artış gösterir. Birim mesafede moleküllere yapışan elektron sayısı ‘η’ ise, bu durumda geride kalacak aktif eletron sayısı N (α − η )dx kadar olacaktır. Elektro negatif özellik gösteren freon (CCl2F2), tetra (CCl4), sülfür hexaflorid (SF6), vb. gazlar havanın birkaç katı delinme dayanımına sahip olup, karıştırıldıkları gazların da delinme dayanımını arttırıcı özellik gösterirler. En yaygın olarak kullanılan gaz sülfür hexaflorid olup, 5atm basınca kadar yoğuşma gibi herhangi sorun oluşturmadan rahatlıkla kullanılır, ancak zehirli bir gaz olmamasına karşın ark aşamasında oluşan yan ürünler zararlı olabileceği için özellikle kesici ve benzeri yerlerde kullanıldığı tartirde filtre edilerek temizlenmeli ve kurutulmalıdır. 3.3.8 YENİDEN (TEKRAR) BİRLEŞME Pozitif ve iyonik yüklü parçacıkların bulunduğu ortamlarda tekrar birleşme durumuna rastlanır. Bu durumda potansiyel enerji ve iyon-elektron birleşmesinin kinetik enerjisi radyasyon olarak serbest kalır. A+ + e A + hv : radyasyon hv: foton enerjisi A+ + e Am + hv : tekrar birleşme Am: yüksek enerji düzeyi Yüksek basınçta iyon çiftlerinin tekrar birleşmeleri mümkündür. Birleşmenin hızı pozitif ve negatif iyonların konsantrasyonuna bağlıdır. Pozitif (n+) ve negatif (n-) iyonların aynı miktarda olması halinde, 35 3. GazYalıtkanlar ve Boşalma Olayları dn + dn − = = − βn+ n− dt dt n+ ~ n- = ni β: tekrar bağlanma katsayısı olduğu için t=0 anında ni = nio ve tni = ni (t) dn i 2 = − β ni dt dn i = − β dt dt ni 0 ni (t ) = 1 + nio βt İyon düzeyinin yarıya düşmesi için geçen zaman ise, tn = 1 nio βt Tekrar birleşme olayı, yüksek basınçlarda, yayılmanın (difüzyon) önemli olmadığı durumlarda iyonizasyonu azaltan başlıca etkendir. 3.3.9 KORONA Gaz yalıtkanlarda sivri noktalarda veya köşelerde gözlenen korona olayı delinmenin gerçekleşmesinden çok önce yüksek elektrik alanın oluştuğu bu bölgelerde hafif ışıldama şeklinde kendini belli eder. Genelde korona oluşumu sistem açısından çok zararlı olmamakla birlikte, yüksek gerilim hatlarında kayıplara yol açması, gürültü sinyalleri üretmesi veya sulfur hexaflorid (SF6) kullanılan ortamlarda yalıtkanlığı azaltıcı bazı yan ürünlerin oluşmasını hızlandırması nedeniyle mümkün olduğunca engellenmeye çalışılır. Pozitif, negatif ve AC olmak üzere başlıca üç ayrı tipte incelenir. 3.3.9.1 NEGATİF KORONA Negatif elektrodun bulunduğu bölgede Townsend boşalımları gözlenir. Sivri bölgeden elektronların çevreye yayılması sonucunda öncelikle pozitif elektriksel yükler oluşur (şekil 3.14). Ancak biraz ileride elektronların oksijen moleküllerine yapışmaları sonucu negatif yüklerin oluşumu hızlanır ve bu sayede elektrodun sivri ucuna etkiyen elektriksel alanın şiddeti azalır. 36
