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
Download