SIVI YALITKANLARDA ELEKTRİKSEL DELİNME ÖNCESİ DEŞARJLARIN YAYILMASI

ÖZET

Sıvı yalıtkanların delinmesini etkileyen çok sayı daki etkenler nedeniyle, çeşitli kuramsal görüşle rin deneysel verilerle sağlanması kolay olmamakta dır. Delinme olaylarının deneysel olarak incelen mesi için nokta elektrot sistemlerinin, küresel ya da paralel düzlem elektrodlara başlıca iki üs tünlüğü vardır: a) Orta gerilimler kullanılarak sıvı içerisinde çok yüksek elektrik alanları elde edilebilir, b) Delinme öncesi deşarjları diğer e lektrot sistemlerine göre çok daha yavaş yayıla rak olayın fotoğrafik tekniklerle incelenmesi ola nağını sağlar.

Bu yazıda sunulan araştırmalardat transformatör yağının, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında nokta düzlem ve nokta nokta elektrotlar kullanı larak delinme öncesi deşarj bölgelerinin oluşum ve yayılması optik yöntemlerle incelenmiş ve de şarjlar üzerinde sıvıdaki metal tozlarının ve e rimiş gazların etkileri araştırılmıştır.

Sonuçlar, delinme öncesi deşarj bölgelerinin da ha yüksek sıcaklıkta ve sıvı halde olduklarını, net elektriksel yük içerdiğini ve bir iyonlaşma süreciyle yayıldıklarını göstermektedir.

SUMMARY

The theories on the breakdovm of liquid dielect rics are not easily verified by experimental re sults due to the large number of factors involved. in the study of liquid breakdotm, the point elect rode systems has two important advantages över the spherical or uniform field electrodes: a) with moderate applied voltages a very high field can be obtained in the liquid, b) compared to other electrode systems, the prebreakdovm discharges propogate with a much smaller velocity enabling the photographical study of the phenomena.

in these investigations, the formation and pro pogation of prebreakdotm disturbance regions and the effects of impurities in transformer oil subjected to non uniform fields at room tempera ture and atmospherıc pressure are studied by op tical methods.

The results indicate that, the prebreakdovm dis turbance regions were in a liquid state at a higher temperature containing a net space charge and propogating by a collision ionisation pro

MİRZAHAN HIZAL

UDK: 621.315.615.2:621.317.333

Mirzahan Hızal, Y.Prof.Dr., ODTÜ

Bu yazıda sunulan araştırmalarda, darbe gerilimi altındaki transformatör yağının delinme öncesi olaylarıyla, metal tozların ve erimiş gazların etkileri incelenmiştir.

1. GÎRİŞ

Sıvı yalıtkanlar, katı ve gaz yalıtkanlardan fark lı olarak endüstriyel uygulamada gerçek yalıtkan lık düzeylerinin çok altındaki gerilimlerde çalış tırılırlar. Örneğin, laboratuvar koşullarında de linme alan şiddeti kolayca 1000 kV/cm olabilen transformatör yağı, endüstride 100 kV/cm civarında çalıştırılmaktadır. Bu nedenle, yüksek gerilim ay gıtlarındaki sıvı yalıtkan hacmi, ağırlık ve maliyet üzerinde önemli bir etken olmaktadır. Öte yandan, katı ve gaz yalıtkanlardaki elektriksel delinme olaylarının uygulama ve kuram olarak ta nımlanmasına karşılık, sıvılarda delinme olayı hak kındaki bilgilerimiz daha yetersizdir ve şimdiye değin genellikle kabul edilebilir bir görüş orta ya konulmamıştır. Bu nedenlerle, sıvı yalıtkanlar ötedenberi gerek endüstriyel, gerekse fiziksel bir araştırma konusu olmuştur.

Sıvılarda, elektriksel delinmeyi açıklamak için ortaya konulan çeşitli kuramlar iki bölümde top lanabilir. Birincisi, sıvıyı homojen bir yalıtkan olarak alan ve genellikle gazlardakine benzer e lektronik bir olay ileriye süren görüşleri kapsa maktadır [l,2,3]. İkinci grupta ise, delinmenin bir gaz kabarcığı oluşumu ve büyümesi sonucu oldu ğu görüşü hakimdir [4,5,6]. Ayrıca sıvı içerisin de kaçınılmaz olarak bulunan yabancı toz, sıvı ve gazların, delinme olayları üzerindeki etkileri, bu kuramlar arasında farklılaşmalara ve hatta çe lişkilere konu olmaktadır.

2. DELİNME ÖNCESİ OLAYLARI

2.1 Genel

Tüm yalıtkanların elektriksel delinmesi belirli bir zaman gecikmesi ile olur. Darbe geriliminin uygulanmasından delinme sürecinin başlamasına ka dar geçen zaman istatistiksel delinme sürecinin süresi ise, biçimsel gecikme olarak tanımlanmış tır. Bu biçimsel zaman gecikmesi süresinde gözle nen olaylara delinme öncesi olayları adını veriyo ruz. Çeşitli kuramların bu olaylar üzerinde ileri ye sürdükleri görüşler arasında derin ayrılıklar vardır. Biçimsel zaman süresinin çok kısa oluşu nedeniyle, görüşleri uzlaştırmak için yakın zaman lara kadar bu olayların doğrudan deneysel gözlem lerle incelenmesi olanağı bulunamamıştı.

Çeşitli araştırıcıların çalışmaları [7,8] , diğer yalıtkanlarda olduğu gibi, sıvılarda da "Delinme Alan Şiddeti / Delinmeye kadar geçen zaman" eğri sinin Şekil l'de gösterilen genel değişime sahip olduğunu ortaya koymuştur. Bu değişimin delinme olayı ile olan ilişkisi üzerine iki değişik görüş belirtilmiştir. Bunlardan birincisine göre [8] , E nin üzerindeki alanlarda delinme tümüyle bi çimsel bir sürece sahiptir ve istatistiksel zaman gecikmesi sıfır alınabilir. Ancak, T , bir iyonun elektrod aralığını geçiş zamanı (transit time) a larak hesaplanan iyon hareketleri deneylerle doğ rulanamamıştır. Böylece, olayın biçimsel gecikme için kabul edilen yalın bir iyon geçişinden daha karışık olması gerektiği anlaşılmaktadır, ikinci görüşte [9] ise, istatistiksel gecikmenin bazı koşullara bağlı olarak bazen çok yüksek elektrik alanlarında bile, toplam gecikmenin önemli bir

eti

•D T3

|\

İt

ç

N

T uygulanan vuruş gerilimi

.T»

T (vuruş süresi )

Şekil 1. Sıvı yalıtkanlarda gözlenen darbe delmme karakteristiği

bölümünü kapsayabileceği belirtilmiştir. Birçok araştırmacının çeşitli koşullarda yaptıkları de linme gerilimi ve zaman gecikmesi ölçmeleri, bu görüş ışığında daha gerçekçi bir şekilde açıklana bilmektedir. Sonuç olarak, toplam zaman gecikmesi nin istatistiksel ve biçimsel olarak bölünmesinde deney koşullarının ve özellikle, elektrot geomet risi ve yüzey niteliğinin çok etken olduğu anlaşıl maktadır.

Delinme olayı ne olursa olsun, elektrot yüzeyin deki alan şiddetinin artması, istatistiksel gecik meyi azaltmaktadır. Bunun yanı sıra yakın zamana kadar araştırmacıların çoğu küresel ya da homojen alan tipi elektrotlar kullandıklarından, elektrot yüzeyindeki alanın artırılmasıyla, elektrot açıklı ğındaki ortalama alan da artmakta ve uygulanan bu yüksek alanlarda hem istatistiksel hem de biçim sel zaman gecikmeleri aynı şekilde küçülmekteydi. Nokta elektrodların kullanılmasıyla, alan çarpa nı artırılarak (Emaks/Eort ^ » ?? 1 0 0 a Ç i^f c l i k t a k i i düşük bir alana karşılık elektrod yüzeyinde çok yüksek alanlar elde edilebilir. Böylelikle, çok küçük istatistiksel gecikmelerin yanısıra ölçüle bilir büyüklükte biçimsel gecikmeler gerçekleşti rilebilir. Böyle bir yöntem, saydam sıvı yalıtkan larda biçimsel delinme sürecinin fotoğraf olarak incelenmesine ve genel olarak delinme olayına i lişkin birçok konuların deneysel verilerle açıklı ğa kavuşturulmasına olanak sağlamaktadır. Ayrıca, yeni geliştirilen yüksek hız fotoğraf teknikleri nin, sıvılardaki delinme olaylarına uygulanması, ancak son zamanlarda olmuş ve araştırmacılar sa dece delinmenin, sıvı içerisinde meydana gelen bir bozulma bölgesinin nokta elektrottan diğer elektrota (düzlem) kadar yayılmasından sonra mey dana geldiğini gözlemişlerdir [10,11]. Bu nedenle, aşağıda verilen araştırmalar; yüksek hız fotoğraf tekniklerinin daha kapsamlı uygulanması ve delin me öncesi gözlenen deşarj bölgelerinin çeşitli ko şullar altında yayılma hızlarının ve sıcaklıkları nın ölçülmesi için yapılmıştır. Ayrıca, artı bir iğne ucundan yayılan deşarjlar da ilk defa etraf lıca incelenmiştir.

2.2 Deneysel Sistem ve Teknikler

2.2.1 örnekler

Deneyler süresince kullanılan test örnekleri; B.S.S. 148'e uygun [l2] transformatör yağından, kapalı bir temizleme ve şartlandırma sisteminde 3 kademeli bir süreçle hazırlanmıştır, önce bu sistem ve test hücresi sırasıyla deterjanlı sıcak su, 1 saat vakum, karbon tetraklorür, 1 saat va kum, saf su ve 1 saat vakum uygulanmasıyla temiz lenmiştir. Daha sonra yağ 80°C de gözenekli bir cam süzgeçten (maks. 10 15 pm) vakum içerisine köpüklendirilerek süzülmüş, kurutulmuş ve erimiş gazlardan ayrılmıştır. Bu örnek daha sonra deney koşullarının gerektirdiği şekilde metal tozları (alüminyum) ve hava ya da oksijen ilavesiyle şart landırılmıştır. Hava ve oksijenin yağda eritilme

b

Şekil 2. Yüksek gerilim devresi a) Darbe gerilim kaynağı, b) Tetikleme birimi c) Gecikme devresi d) Trigatron kesme aralığı e) Test hücresi

C\,CI Gerilim Bölücüsü, C Koruma kondansatörü sinde, test hücresi süzülmüş ve kurutulmuş, 1 Atm. basınçta gazla doldurulduktan sonra yağ bu ortam içerisine püskürtülmüştür. Metal tozlarının katıl masında ise, örnek, tozları ölçülü olarak içeren bir hücreden geçirilmiştir. Tozların gerçek yo ğunluğu, daha sonra mikroskop gözlemiyle saptan mıştır.

2.2.2 Yüksek Gerilim Devresi

Araştırmalarda kullanılan yüksek darbe gerilimle ri 0,25/1000 us karakteristiğindedir ve delinme öncesi deşarj süresince örneğe değişmez bir geri lim uygulanmıştır. Elektrod yüzeyleri ve yağ örne ği, delinme arkının tahribatından akım sınırlayıcı seri bir kondansatör kullanılarak korunmuştur (Şe kil 2 ) .

Delinme öncesi deşarj bölgelerinin fotoğraflarının alınması anında uygulanan gerilim, bir trigatron kesme aralığı kullanılarak kesilmiştir. Böylece deşarjın büyümesi durdurulmuş ve film üzerinde op tik netlik elde edilmiştir. Deşarj bölgelerinin aydınlatılması için esas darbe kaynağından belir li bir süre sonra ateşlenen yüksek enerjili ve kı sa süreli (<1 ys) bir elektrik arkı kullanılmıştır.

2.2.3 Optik Sistem

Deneylerde kullanılan optik sistem, saydam bir ortamda oluşan çok küçük kırılma indeksi değişim lerini kaydetmeye yarayan Schlieren yöntemine gö re hazırlanmıştır. Bu sistem Şekil 3.a'da göste rilmiştir.

Sistemin ayarlanmasıyla, paralel ışık demeti, kes kin kenar tarafında durdurulan bir noktada odak lanmaktadır. Sıvı içerisinde bir (a) noktasındaki

Elektrik Mühendisliği 220 188

kırılma indeksi herhangi bir nedenle değişecek o lursa, buradan geçen ışın kırılarak paralel de metten ayrılacak ve böylece keskin kenarın altın dan geçerek sırasıyla (a1) ve ( a " ) görüntülerini oluş turacaktır.

Bu araştırmalarda optik sistem, aynı zamanda kı rılma indeksindeki değişme miktarını ve üst kı rılma açısını ölçerek deşarj bölgelerinin sıcak lığının bulunmasında da kullanılmıştır. Bu yöntem Şekil 3.b'de açıklanmıştır. Bir deşarj bölgesini gösteren (ab) üzerinde oluşan en üst kırılma açı sı (0) olarak alınırsa Şekil 3.b'den görülecektir ki, keskin kenarın (d) kadar aşağı indirilmesiyle (a'b1) görüntüsü kaybolacaktır. Deneylerde (d) u zaklığı görüntünün film üzerinde kaybolması anına rastlayan keskin kenar konumu ile ölçülmüştür.

keskin kenar

ışık kaynağı

filim

0 = Arc Tan (kd)

k = a'c / (be.a'f)

(D

Aynı zamanda Şekil 3.c'de rastgele alınan deşarj bölgeleri için maksimum kırılma açısı,

0 = ir 2A , Sin A = n'/n

(2)

dir. Burada;

n : yağın normal kırılma indeksi

n': deşarj bölgesinin kırılma indeksi.

Böylece,

n' = n Sin [ i (IT 0)]

O)

olur. Deşarj bölgelerinin sıcaklığının bulunmasında; ön ce (d) uzaklığı ölçülmüş ve (1) den 0, (3) den n* hesaplanarak kullanılan yağın "kırılma indeksi/sı caklık" karakteristiğinden tekabül eden sıcaklığa bakılmıştır.

Bu yöntemde yalnızca en ilerideki deşarj kanalı nın ucu gözlenerek bir ışının ardarda birkaç de fa kırılmasından doğabilecek karışıklıklardan ka çınılmıştır.

fb

Şekil 3. Optik sistem ve ışığın kırılması a) Optik sistem b) Işık kırılma diyagramı c) Deşarj bölgelerinde ışığın kırılması (1) Genel durum (2) Maksimum kırılma (3) Tam yansıma

2.2.4 Deneysel Teknikler

Belirli bir sıra deney koşullarında aynı test ör neği kullanılmıştır. Nokta elektrotlar için çelik iğneler kullanılmış ve bunların ucu başlangıçta ve her 20 delinmeden sonra yaklaşık 5 ym'lik bir yarıçapa sivriltilmiştir.

Bir delinme öncesi deşarjın yayılması kaydedilir ken, süreleri 0,1 ps'lik basamaklarla artan, ay nı büyüklükte bir seri yüksek gerilim vuruşları (darbeleri) uygulanmış ve her vuruşun sonunda e lektrod aralığının Schlieren fotoğrafı alınarak deşarj bölgesinin çeşitli büyüme konumlarını tes bit eden bir seri fotoğraflar elde edilmiştir. Ayrıca her vuruşun sonunda yağ karıştırılarak, vuruşun yağa uyguladığı ön alan (prestressing) etkisi önlenmiştir.

Deşarj bölgeleri sıcaklığının ölçülmesinde, aynı süre ve büyüklükte vuruş serileri uygulanmış ve her vuruştan sonra keskin kenar belirli bir mik tar indirilmiştir. Böylece yağda oluşan en üst kırılma açısı, en öndeki deşarj kanalı ucunun gö rülebildiği son fotoğraftan bulunmuştur. Burada da her vuruşun sonunda yağ karıştırılmıştır.

Araştırmaların bir bölümünde ön alan etkisiyle şartlanmış örnekler kullanılmıştır. Bu örneklerde uygulanan ön alan; en küçük delinme geriliminin % 10 altında, uygulanacak test serilimiyle aynı polaritede ve 10 adet 0,25/1000 us vuruş gerilimiy le elde edilmiştir.

Q)a

(d)

Şekil 4. Saf transformatör gaconda nokta düzlem elektrotlar arasında oluşan delinme öncesi

deşarj bölgelerinin Schlieren fotoğrafları.

a) Eksi uç , 60 kV , 2 \ıs vuruş süresi , b) Artı uç , 45 kV , 2 ys vuruş süresi , c) Eksi uç , 45 kV , 9,6 \ıs vuruş süresi , d) Artı uç , 45 kV , 2,7 \xs vuruş süresi

.3 E

/60

EJ

70/

V

/35

.

"'7 ( a ) ( b ) ._

*

T3

0 /0

0I

A6

vuruş süresi (u.s)

/uruş süresi

Şekil 5. Saf transformatör yağında, nokta düzlem elektrotlarla gözlenen delinme öncesi deşarj bölgelerinin yayılma eğrileri

a) Eksi uç , b) Artı uç

Eğriler üzerindeki sayılar uygulanan gerilimi (kV) göstermektedir.

SffifâTP

3. DENEYSEL SONUÇLAR

Bu araştırmalarda delinme öncesi deşarj bölgesinin fotoğrafları, ışık kaynağı çalıştırılmadığı zaman l a r elde edilememiştir. Bu nedenle, bölgelerin ken diliklerinden yaydıkları ı ş ı k , gözlenemeyecek ka dar azdır ve fotoğraflar yalnızca kaynaktan gelen ve bu bölgelerde kırılmaya uğrayan ışık i l e alın mıştır.

3.1 Nokta Düzlem E l e k t r o t S i s t e m i

3.1.1 Gerilim Büyüklüğünün E t k i s i

Delinme öncesi deşarj bölgelerinin tipik örnekle ri Şekil 4a ve b'de gösterilmiştir. Bu bölgelerin maksimum kanal uzunluğu, giderek artan vuruş sü relerinde ve değişik gerilimlerde ölçülmüştür. Her beş ölçmenin ortalaması "yayılma e ğ r i l e r i " olarak Şekil 5a ve b'de g ö s t e r i l m i ş t i r . Bu deneylerden aşağıdaki önemli sonuçlar ç ı k a r t ı l a b i l i r .

Yapılan gözlemlere göre, eksi nokta için 15 kV ve artı nokta için 20 kV'un altındaki gerilimlerde deşarj bölgeleri oluşmamaktadır. Bu sonuç çok bü yük b i r i s t a t i s t i k s e l zaman gecikmesini k a n ı t l a maktadır. Daha yüksek gerilimlerde ö z e l l i k l e , ek si nokta için i s t a t i s t i k s e l gecikme h ı z l a çok ö nemsiz b i r değere düşmüş, bununla b i r l i k t e deşarj bölgeleri b e l i r l i kısa bir gecikmeden sonra göz lenmiştir. Biçimsel sürecin b i r bölümünü kapsa dığı sanılan bu gecikme artan gerilimle azalmak t a d ı r . Uygulanan aynı gerilim düzeyinde artı uç deşarjı daha uzun b i r başlangıç gecikmesinden son ra ortaya çıkmış fakat eksi uçtan başlayan deşarj dan çok daha h ı z l ı i l e r l e m i ş t i r .

Artı uç deşarj kanallarının eksi uca nazaran çok daha ince olduğu ve elektrik alanının kuvvet çiz g i l e r i boyunca yayıldıkları görülmüştür. Eksi uç tan yayılan daha hacimli deşarj bölgelerinin i s e , gerilim azaldıkça kalınlaştıkları saptanmıştır.

Her iki polarite için deşarj bölgesinin elektrot aralığını; elektrotlara yaklaştıkça artan fakat yaklaşık değişmez bir hızla geçtiği gözlenmiştir. Eksi uçta; kritik bir gerilimin altında, deşar jın b e l i r l i bir büyüklükten sonra durduğu ve bi çimsel gecikmenin çok büyük olduğu görülmüştür.

Eksi uç deşarjında esas delinme kanalının, deşarj kanallarından birinin anoda ulaşması ile bu elekt rottan başladığı (Şekil 4.c) görülmüştür. Artı uç durumunda ise, deşarj kanallarının elektrot ara lığını köprülemesi ile delinme olayı arasında 0,2 ys kadar bir gecikme saptanmıştır. Ayrıca ar tı uç deşarj kanallarının katoda yaklaştıklarında daha parlak bir görünüm kazandıkları gözlenmiştir (Şekil 4.d)

3.1.2 Elektrot Açıklığının Etkisi

Değişik elektrot açıklıkları için elde edilen ya yılma eğrileri Şekil 6'da gösterilmiştir. Bu so nuçlardan görüleceği gibi, uygulanan aynı orta lama alanda artan elektrot aralığı, deşarjların görünmes indeki başlangıç gecikmesini artırmış, buna karşılık yayılma hızlarını azaltmıştır.

3.1.3 Sıcaklık Ölçmeleri

Duru örnekler kullanılarak; 35 kV , 2 10 ys sü r e l i vuruşlarla ve 3 mm lik elektrot aralığında deşarj bölgelerinin en üst sıcaklığı yaklaşık 48°C bulunmuştur.

Bu deneylerde, uygulanan gerilimin kesilmesinden sonra, deşarj bölgelerinde kırılan ışığın yoğun luğunun giderek azaldığı ve 200 ys kadar deşarj bölgesinin artık filmde gözlenemediği görülmüştür. Deşarj bölgesinin bu yavaş kaybolması sırasında ölçülen sıcaklıklar Şekil 7'de verilmiştir.

A

vuruş süresi (_u.s)

Şekil 6. Saf transformatör yağında, nokta düzlem elektrotlar arasında delinme öncesi de şarjlarının yayılmasına elektrot aralı ğının etkisi.

o Artı uç , x Eksi uç

Uygulanan ortalama alan şiddeti 15 kV/ mm. Eğriler üzerindeki sayılar elektrot aralığını (mm) göstermektedir.

120 160 200 kesmeden sonra geçen zaman

Şekil 7. Saf transformatör yağında, nokta düzlem elektrotlar arasında delinme öncesi de şarjlarının sıcaklık/zaman eğrisi o Artı uç , x Eksi uç Elektrot aralığı = 3 mm. Gerilim = 45 kV Vuruş süresi = Artı uç için 2 \is

Eksi uç için 8 \ıs

delinme

"5 1

•o

../

vuruş süresi (JJS)

Şekil 8.

Saf transformatör yağında, nokta nokta elektrotlar arasında oluşan delinme ön cesi deşarjları ve deşarj yayılma eğri leri

a) Yayılma eğrileri, o Artı uç, x b) Artı ve eksi deşarj bölgeleri.

Gerilim = 45 kV Vuruş süresi = 3,5 \ıs Elektrot aralığı 3 mm

Bu sonuçlar deşarj bölgelerinin sıvı halinde fa kat çevreden daha yüksek bir sıcaklıkta bulunduk larını göstermektedir. Gerilimin kesilmesinden sonra, bölgenin kırılma indeksinin ve dolayısıy la sıcaklığının bir soğuma süreciyle çevre sıcak lığına doğru düştüğü anlaşılmaktadır. Artı uç de şarj bölgesinin kaybolma süresi, eksi uca göre daha kısadır. Aynı zamanda eksi uç deşarj bölge sinde kanal uçlarının film üzerinde en son kaybo lan yerler olduğu, böylece buraların en yüksek s ı caklıkta bulunduğu gözlenmiştir.

3.2 Nokta Nokta Sistemi

Bu deneylerde, ayrı ayrı meydana gelen artı ve eksi uç deşarj bölgeleri aynj. koşullarda beraber ce oluşan deşarjlarla karşılaştırılmıştır. Bu so nuçlar Şekil 8'de verilmiştir. Yayılma eğrileri üzerindeki her nokta on ölçmenin ortalamasını göstermektedir. Görüleceği üzere artı uç deşarj bölgesi eksi uçtan daha sonra ortaya çıkmış fa kat daha büyük bir hızla ilerlemiştir. Böylece nokta nokta sistemlerde bulunan sonuç burada da görülmUş olmaktadır. Bununla beraber nokta düzlem sistemine göre; aynı ortalama alan şiddetinde de şarj başlangıç gecikmeleri ve yayılma hızları ol dukça artmıştır.

3.3 Yabancı Maddelerin ve Ön Alanın Etkileri

Test örneklerine katılan erimiş hava, oksijen ve alüminyum tozlarının etkileri Tablo l'de göste rilmiştir. Genellikle yabancı maddelerin deşarj bölgelerinin başlaması üzerinde önemli bir etki si görülmemiş fakat bazı durumlarda yayılma hız larını etkilemiştir.

Tablodan izleneceği gibi, erimiş hava ve oksijen, ön alan uygulanan ve .uygulanmayan örneklerde ya yılma hızlarını etkilememiştir. Katı tanecikler i s e , yayılma hızlarını artırarak biçimsel zaman gecikmesini azaltmışlardır. Bu etki, tanecik bü yüklüğünün ya da yoğunluğunun artması ya da ör neğe ön alan uygulanmasıyla daha da artmıştır, ön alanın etkisi i s e , ön alan darbe gerilimleri nin sayısıyla artmaktadır. Ayrıca taneciklerin bulunduğu örneklerde; eğer bir ön alan uygulan mamışsa, erimiş hava ya da oksijenin varlığı so nuçları fazlaca etkilememiştir. Buna karşılık aynı örneklere ön alan uygulandığında, erimiş hava ve özellikle oksijenin, deşarj yayılma hı zını azalttığı görülür.

3.4 Sonuçların İncelenmesi

3 . 4 . 1 Eksi Uç Düzlem S i s t e m i

Sıvı yalıtkanlarda elektriksel delinmeyi açıkla mak için ortaya atılan gaz kabarcığı kuramlarında [4,5,6,13], delinme için gerekli koşullar; kabar cığın kritik bir büyüklüğe erişmesi ve kabarcık üzerindeki gerilimin "Paschens minimumunu" geç mesini kapsar. Böylece kabarcık içerisinde başla

Tablo 1.

Saf ve yabancı maddeler içeren transfor matör yağında nokta düzlem elektrotlar altında yabancı maddelerin ve ön alanın etkileri ön alan : 20 x 10 kV, 0,25/1000 ]xs dar be gerilimi

Erimiş hava : 760 mm Hg eşdeğer kısmî basınç ya da oksijen

Küçük tanecikler : 1 15 ym çap, 3 25 tanecik/mm

Daha küçük tanecikler : 1 15 \ım çap, 3 216 tanecik/mm

Büyük tanecikler : 50 10 \im çap, 25 tanecik/mm

Gerilim : 45 kV, Elektrot aralığı: 3 mm

Test Örneği

Deşarjın elektrot aralığını geçiş süresi (ps)

Artı uç

normal ön alan normal ön alan

Saf yağ

Saf yağ ve hava

Saf yağ ve oksijen

Saf yağ ve küçük

7,5

6,5

Saf yağ ve daha faz la küçük tanecikler 5 , 4

4,2

Saf yağ ve büyük

4,5

1,4

7,8

5,8

5,0

8,4

1,9

5,4

1,7

yan bir iyonlaşma ve gaz deşarjının, sıvının de linmesine yol açacağı önerilmiştir. Bu yazıda su nulan araştırmalara göre; böyle bir olayın deşarj bölgelerinin yayılma hızında, diğer bir deyişle, yayılma eğrilerinde kritik bir büyüklükten sonra ani bir değişme ve süreksizlik (discontinuity) or taya çıkaracağı beklenmelidir. Sonuçlar ise, böyle bir süreksizliğin bulunmadığını ve deşarj bölgesi nin sürekli bir büyümeyle diğer elektrota kadar u zandığını göstermiştir. Aynı sonuç 5 mm genişlikte ki elektrot aralıklarında bile alınmış ve delinme ye götüren olayın aniden değiştiğini gösteren hiç bir kanıt bulunmamıştır. Bu gözlemler, ölçülen kı rılma indeksi ve sıcaklık değerleri, delinme öncesi deşarj bölgelerinin, çevreden daha yüksek sıcaklık ta fakat sıvı halde bulunduğunu göstermektedir.

Bir nokta düzlem sisteminde uygulanan alan şiddeti, elektrot aralığı boyunca çok değişkendir. Deşarj yayılma hızının, alan şiddetine olan bağımlılığı ve elektrot aralığı boyunca değişmediği gözlenmiş t i r . Böylece, deşarj bölgelerinin uçlarında net bir elektriksel yükün (space charge) bulunduğu ve bu nedenle uygulanan alanın deşarj bölgeleri ta rafından bozulduğu (distortion) anlaşılmaktadır.

Deşarj bölgelerinin içerdiği bu elektrik yükü gö rüşü [14], ayrıca deşarjların kanallar halinde yayılması gözlemleriyle de kanıtlanmaktadır. Ni tekim kanal uçlarında uygulanan alan şiddetinin daha fazla oluşu, bunların diğer bölümlerden da ha önde oluşunu açıklayabilir. Böyle bir olayda, sıvının kırılma indeksindeki değişme, elektronla rın sıvı molekülleriyle yaptıkları titreşimsel

çarpışmalar (vibrational collisions) [il,15] so nucu ortaya çıkan enerji ve ısınmaya bağlanmalı dır. Deşarjın yayılmasında ise, başlangıçta eksi uçtan yoğun bir elektron emisyonu ve anota doğru ilerleyen bu eksi yükün bir bölüm elektronlarca yapılan iyonlaştırıcı çarpışmalarla beslenmesi etken olmaktadır.

Böyle bir deşarj olayı, bu araştırmalarda gözle nen bütün e t k i l e r i açıklayabilir. Örneğin, iyon laşmaya neden olan elektron çarpışması yüzdesi, uygulanan alan şiddetine bağlıdır ve gözlendiği gibi daha yüksek alanlarda iyonlaşma oranı ve do layısıyla deşarjın yayılma hızı daha fazla olacak t ı r . Diğer taraftan daha düşük gerilimlerde iyon laşma oranı ve buna bağlı olarak deşarj yayılma hızı azalarak elektronların çevreye sızması (dif fusion) yoluyla daha hacimli deşarj bölgeleri olu şacaktır. Yine görüldüğü gibi, b e l i r l i bir g e r i l i min altında ortaya çıkan deşarjlar, b e l i r l i bir büyümeden sonra bunların uçlarında uygulanan ala nın bozulması sonucunda, alan şiddeti azalarak, iyonlaşma oranı ve elektron çoğalması deşarj böl gesini daha fazla ilerletemeyecek yetersiz bir düzeye düşmüş olmalıdır. Buna benzer sonuçlar Chadband ve Wright tarafından da gözlenmiştir.

Araştırmalarda esas delinme kanalının, düzlem anot taki deşarj kanallarından birinin buraya ulaşması sonucu başladığı b e l i r t i l m i ş t i . Yukarıda açıklanan olayın ışığı altında, eksi yüklü deşarj kanalının anota gelmesiyle buradaki alan şiddetinin ve buna bağlı olarak iyonlaşma oranının çok a r t t ı ğ ı kabul edilebilir. Böylece delinme kanalı, yıldırım de

şarjına benzer bir şekilde varolan deşarj kanalı üzerinden katoda doğru hızla ilerleyen bir artı iyon kanalı (positive streamer) olmalıdır.

3 . 4 . 2 Artı Uç Düzlem S i s t e m i

Artı ve eksi uç deşarjları arasında, yayılma hı zının, uygulanan gerilime bağlı olması, kırılma indeksi ve sıcaklık ölçmeleri gibi konularda ben zerlikler görülmekle beraber, birçok sonuçlardan bu iki deşarjın başlama ve büyüme olaylarının ol dukça farklı olduğu anlaşılmaktadır.

Başlıca önemli farklar; artı uç kanallarının çok daha ince, düzenli ve aynı gerilimde yayılma hız larının fazla olmasını kapsıyor. Bu kanalların gö rünüşü uygulanan gerilimle değişmemekte fakat eksi uçta olduğu gibi yayılma hızı gerilimle çok artmak tadır. Böylece, elektrot aralığındaki yaklaşık de ğişmez yayılma hızının yine deşarj uygulanan alanı önemli ölçüde bozduğu görülmektedir.

Sıvı içerisinde; yabancı maddeler ve çözünmeler (detachment) nedeniyle önemli sayıda elektronlar bulunabilir. Böylece artı uç deşarjının başlama sında, bu elektronların art uçtaki kuvvetli alan bölgesine hareketleri etken olmalıdır. Alan şid detinin b e l i r l i bir değerinden sonra, bu elektron lar, alanda bir iyonlaşma sürecini başlatmaya ye t e r l i enerji kazanacaklardır. Böylece gazlardaki artı iyon kanal (streamer) olayına benzer şekilde bir süreç etken olacak ve anottan başlayan artı iyon kanalları katoda doğru eksi uç deşarjından çok daha hızla yayılacaklardır. Gerilimin artırıl ması ise iyonlaşma oranını ve dolayısıyla yayılma hızını artıracaktır.

Uygulanan aynı gerilimde, artı uç deşarjının daha uzun bir başlangıç gecikmesine sahip oluşu, var olan elektronların şiddetli alan bölgesine gelme leri ve yeterli bir iyon yoğunluğu sağlamaları i çin gereken zaman nedeniyle olmaktadır.

Artı uç kanallarının ince oluşu i s e , deşarjın ya yılması süresince nispeten küçük olan mobilitele ri nedeniyle artı iyonların iyonlaşma konumlarını korumaları ve çevreye sızmamalarıyla açıklanabilir. Aynı zamanda deneylerde gözlendiği gibi, bu kanal lar ince olduklarından, içerdikleri sıvı kütlesi de azdır ve eksi uç kanallarından daha önce soğu yup kaybolmaları beklenebilir.

3.4.4 Nokta Nokta E l e k t r o t l a r

Nokta nokta sistemle gözlenen sonuçların da yuka rıda önerilen olaylarla uyum içinde olduğu anla şılmaktadır.

Nokta düzlem sistemle karşılaştırıldığında; görü len başlangıç gecikmelerindeki artış, bölüm 3.4.3 de açıklandığı gibi, nokta elektrottaki alan şid detinin azalmasına bağlanabilir. Yayılma hızları nın çok daha fazla olması ise nokta nokta sistem deki deşarj bölgelerinde bulunan artı ve eksi yük lerin elektrik alan şiddetini çok artırmalarıyla açıklanabilir.

3.4.5 Yabancı Maddelerin ve ön Alanın Etkileri

Metal tozlarının etkileri; bunların uygulanan ala nı yüzeylerinde toplayarak şiddetlendirmeleri ve böylece esas deşarj olayını hızlandırmalarıyla i l gilidir.

Ön alan uygulamalarında; gözlenen etkiler ise, taneciklerin dielektrik kuvvetlerden gelen hare ketlerine bağlanabilir (Şekil 9) [16,17] . Yalnız metal tozlarının bulunduğu örneklerde; bu hareket kuvvetli alan bölgelerine doğrudur ve buralardaki tanecik sayısını buna bağlı olarak da, deşarj ya yılma hızını artıracaktır. Metal tanecikleri içe ren örneklerde, gazlar eritildiğinde, yukarda a çıklananın tersi bir etki görülmüştür. Buna neden olarak, büyük bir olasılıkla gaz moleküllerinin taneciklere bağlanarak onların toplam geçirgen liklerini azaltmak, büyüklüklerini artırmak ve diğer iyonik kuvvetler oluşturmak gibi etkileri gösterilebilir. Böylece taneciklere ön alan tara

3.4.3 Elektrot Aralığının Etkisi

Uygulanan aynı ortalama alanda, nokta elektrotta ki alan şiddeti, elektrot aralığıyla artmaktadır. Böylece önceki bölümlerde açıklanan olaylar nede niyle, uygulanan aynı ortalama alan şiddetinde deşarj bölgelerinin görülmesindeki başlangıç ge cikmesi, elektrot açıklığı artırıldıkça noktadaki alanın şiddetlenmesi nedeniyle azalacaktır. Aynı nedenle nokta elektrottaki yüksek iyonlaşma ve emisyon oranı daha yoğun bir elektrik yükü ürete cek ve dolayısıyla yayılma hızı da o oranda arta caktır.

Şekil 9. Değişken alan uygulanan bir sıvı içe risindeki küresel yabancı taneciğe etki eden yalıtkanlık kuvveti. E = 0 noktasındaki alan şiddeti, F = Kuvvet, e = Sıvının yalıtkanlık sabiti, e',.r = Taneciğin yalıtkanlık sabiti ve yarıçapı

Q)n

fından uygulanan ve onları şiddetli alan bölgesi ne iten kuvvet azalmış ve hatta ters yönde etki lemiş olmaktadır. Ayrıca oksijenin, havadan daha etken olması nedeniyle, eritilen gazın elektrone gatif oluşu da bu etkileri artıran bir rol oyna mış olabilir. Yağlarda delinme ölçmeleri yapan diğer araştırıcılar [l8] oksijenin çok önemli et kisine karşılık erimiş azot ya da karbon dioksi tin bir etkisi olmadığını ancak karbondioksitin çok sayıda delinmeden sonra az bir etkisi olduğu nu bulmuşlardır.

4. SONUÇ

Bu araştırmalar, darbe gerilimi altındaki sıvılar da delinme olayının temelde elektronik bir süreç olduğu görüşünü kanıtlamaktadır. Diğer taraftan sonuçlar, delinme olayının bir gaz kabarcığının büyümesi ve kritik bir büyüklükten sonra delinme sini öngören açıklamalarına uygun bulunmamıştır.

Sonuçlar genel bir uyum içerisinde göstermiştir ki, nokta elektrot sistemlerinde delinme; yüksek bir alan şiddetinin bulunduğu noktadan başlayan

ve yaklaşık değişmez bir hızla bütün elektrot a çıklığını geçen bir deşarj bölgesi sonucunda o luşmaktadır. Bu deşarj bölgesinin, elektron ve sıvı moleküllerinin çarpışmaları süreciyle oluşan zayıf bir iyonlaşma bölgesi oldukları önerilmiş tir. Ayrıca eksi uç deşarjının katotdan elektron emisyonu, artı uç deşarjının ise yüksek alan böl gesindeki elektron çarpışmalarıyla başladığı, de şarj bölgelerinin sıcaklığının iyonlaşmaya neden olmayan titreşim çarpışmaları sonucu yükseldiği açıklanmıştır.

Yabancı maddelerin genellikle deşarj başlangıcına değil yayılma hızına etkili oldukları görülmüştür. Metal tozları en büyük bir olasılıkla yüzeylerin de alanı şiddetlendirerek bu hızı artırmış, eri miş gazlar ise ancak metal tozlarını da içeren örneklerde ve bir ön alan uygulanmasından sonra etkili olarak yayılma hızını azaltmışlardır. Yal nız metal tozlarının bulunduğu örneklerde, ön alan uygulanması bunların etkisini artırmıştır. Elekt ronegatif gazların metal tozlarına bağlanarak bun ları kuvvetli alan bölgelerine toplayan kuvveti azalttıkları açıklanmıştır.

KAYNAKLAR

[l] Lewis, T.J., "The electrical strength and high field conductivity of dielectric liqu ids", Progress in Dielectrics, C.l, s.117, Heyvood, Londra, 1959

[2] Gooduin, D.W., and K.A.MacFadyen, "Electri cal conduction and Breakdovn in Liquid Di electrics" Proc. Phys. Soc. Cilt.B 66 s.85, 815, Londra, 1953

[3] Swan, D.W., "A reviev of recent investiga tions into electrical conduction and break dovn of dielectric liquids" Br.J.Appl.Phys. Cilt.13, s.208, 1962

[4] Sharbaugh, A.H. and P.K.ffatson, "Conduction and Breakdovn in Liquid dielectrics" Prog ress in Dielectrics. Cilt.4 s.243, 1962

[5] Kao, K.C. and J.B.Higham, "The effects of hydrostatic pressure, temperature and vol tage duration on the electric strengths of hydrocarbon liquids" J.Electrochem. Soc. Cilt.108, s.522 528, 1961

[6] Hoover, t/.G. and W.A.Hixson, "Dielectric strength of oil vith variations of pressure and temperature" Trans. AIEE. Cilt.68, s.1047 1050, 1949

[7] Edwards, W.D. Canad.J.Phys.Cilt.29, s.310, 1951

[8] Crowe, R.W. J.Appl.Phys. Cilt.27, s.156, 1956

[9] Ward, D.fi. and T.J.Lev/is, "A statistical interpretation of the electrical breakdovn of liquid dielectrics" Proc.R.S. Cilt.A 269 s.233, 1962

[lO] Farazmand, B. "study of electrical breakdown of liquid dielectrics using Schlieren optical techniques" Br.J.Appl.Phys. Cilt.12, s.251

254. 1961

[il] Chadband, W.G. and G.T.tiright, "A prebreak down phenomenon in the liquid dielectric hexane" Br.J.Appl.Phys.' Cilt.16 s.305, 1965

[12] BS 148: 1959. "Insulating oil for transfor mers and svitchgear"

|ı 13

Krasucki,

Z.,

"Breakdovn of

liquid

dielect

rics" Proc.R.S. Cilt.A 294, s.393, 1964

r^ı Hızal, E.M., "Breakdown mechanisms in li quid dielectrics" Ph.D.Thesis, Univ. of

Manchester, 1973

rı 15

Lewis,

r.J.,

"Mechanism of

electrical

bre

akdovn in saturated hyrocarbon liquids"

J.of Appi.Phys. Cilt.27 6 s.645, 1956

Il6j Kok, J.A. and M.M.G.Corbey, "Breakdovn of liquid insulating and dielectric material"

Appl.Sci.Res. CİU.B6, s.197, 1956/57

[17| Hızal, E.M., "Breakdovn of transformer oil subjected to impulse voltages" M.Sc.Thesis, Univ. of Manchester, 1971

rj ıg

Sletten,

A.M.,

and T.J.Letfis,

"The

influence

of dissolved gases on the electric strength

of n hexane" Br.J.Appl. Phys., Cilt.14,

s.883, 1963