PLASTİK İZOLELİ SODYUM KABLO

YENİ BİR İLETGEN

Yazan: LJE. Humphrey ve Arkadaşları (•*)

özet:

Çeviren: Cemâl Pamucak Devlet Yatırım Bankası

Elektrik enerji endüstrisinde 19. asrın başmdanberı standart iletgen olraak kullanılmakta olan bakır, son samanlarda alüminyumun rekabetine rağmen birinci sıradaki yerini muhafaza edebilmiştir, imalâtı geliştirilmekte olan sodyum kabloların yakın gelecekte bakırın yerini alacağı tahmin edilmektedir.

Elektrik enerjisini taşıma ve dağıtımında kullanılmakta olan bakır ve alüminyum kablolara rakip olarak, ekonomik bakımdan- avantajları haiz olan, plastik izoleli sodyum ilet genler geliştirilmektedir. Bu kablolar hafif ve fleksibl oldukları için yer altına döşenmeleri, enerji hatlarında çekilmeleri ve standart kablo sanayiinde kullanılan makinalar ile imâl edilmeleri kolaylıkla mümkün olmaktadır. Tecrübeler sodyum kablolarının sağlam ,dayanıklı ve uzun ömürlü olacağını göstermektedir. Sodyumun elektrik iletgenliği bakır ve alüminyumdan hemen sonra gelmekte ve normal dış tesirler altında 40 yıllık bir teknik ömüre malikolacağı anlaşılmış bulunmaktadır.

Tarihçe:

Sodyumun elektrik kablosu olarak kullanılması fikri oldukça yeni olmakla beraber bu husustaki ilk araştırmalara daha 1901 yılında başlanmış ve bu maksatla İsviçre'de bir patent alınmıştı. Fransız A.G. Betts metaldeki elverişli ekonomik özellikleri görerek 1906 tarihinde Fransada ve Amerikada patent hakkı tesis etmişti. 1927 de Amerikada Dow ve Boundy isimlerinde iki teknisyen, sodyumu çelik borular içersine koyarak kablolar imal ettiler ve tecrübeler yaptılar. 10 cm. çapında, 6 metre boyunda çelik borular içerisine sodyum doldurularak 260 metre uzunluğunda bir hat yapıldı. Bu izolesiz kablo Dow'un fabrikasında 500 - 400 amper doğru akım naklinde takriben on yıl kadar kullanıldı.

1941 yılında Fransız M.S. Cantacuzene, kurşun kılıflı ve onun üzerinde yağlı kâğıt sarılmış olarak ,izole sodyum kablo yapılması teklifini öne sürdü. 1955'te Hollandalı elektrik mühendisi. T, De Koning, sodyum kablonun imali, kullanılışı ve özelliklerini izah eden ve tamamile teoriye dayanan bir kitap yazdı. De Koning sodyumun üzerine yağ emprenye edilmiş bir kâğıt tabaka ile onun dışında kurşun' veya plâstik bir izole bulunacak şekilde kablo imalini teklif ediyordu. Kablo uç ve eklerinin bağlantı şekilleri kitabında tasvir ve izah edilmişti. Asıl en önemli husus, kısa devre anında, bakır ve alüminyuma nazaran, sodyumun haiz olduğu harareti intişar ettirmek hassasının araştırılmış ve bulunmuş olması idi.

1 — Muhtelif Elektrik îletgenlerinin Mukaye-sesi

Metal

(A) öz Direnç Mikro Om-cm 20° C

(B) özgül Ağırlık 20" C

AxB Faktör

Fiat (*) Dolar /kg

Faktör AxBxC

Eglt Akım Tasıma Kapasitesine Göre fiat Mukayesesi

Bakır

1,72

8,89

2,83

2,70

4,88

0,97

(•) Mart 1966 Pazar fiatlan

15,30 7,64 4,74

0,80

5,51

6,8

0,54

1,87

2,3

0,38

0,81

1,0

( * ) Bu yazı Amerikan IEEE Spectrum Dergisinin Vol 3, No. 11, Kasım 1966 sayısından kısaltılarak çevrilmiştir.

( * * ) Yazanlar: L E Humphrey, R C Hess, G L Addıs (Union Carbide Corporation) A. E. Ruprecht, P. H Ware (Sımplex Wire and Cable Company) E J. Steeve, J A. Schneıder (Commonwealth Edison ompany) IF Matthysse, E M . Scoran (Burndy Corporation).

Böylece, geçen 65 yıl zarfında, sodyumun önemli ekonomik vasıfları ve fiziksel özellikleri bulunmuş ve anlaşılmış oldu. 1 kg sodyum 3,25 kg bakırın taşıyabileceği elektrik akımını iletir. Tablo I'de sodyum, elektrik iletgeni olarak bakır ve alüminyum ile mukayese edilmiştir. Sodyumun öz direnci bakıra nazaran 2,8 defa fazla olmakla beraber, özgül ağırlığı bakırın dokuzda biri ,birim fiatı da bakırın yarısı kadardır. Böylece, muhayyer bir akım taşıma kapasitesi bakımından, sodyuma nazaran bakır 6,8 defa, alüminyum 'ise 2,3 defa daha pahalı olmaktadır.

Yeni Gelişmeler:

Sodyum tabiatta bol bulunmakta, mevcudiyet bakımından arzın kabuğundaki elemanlar arasında altıncı sırayı işgal etmektedir. Sodyum klorür (tuz)un elektroliz usulü ile ay-

Pornp»

sogu.trna teknesi

nşmasmdan eleman olarak istihsal edilmektedir. Diğer alkalilerle mukayese edildiğinde, lityum, ve kalsiyumun üretilmelerinin sodyuma nazaran daha pahalı olduğu ve elektrik iletimi bakımından fiziksel özelliklerinin elverişli olmadıkları görülür .

Sodyumun elektrik iletgeni olarak üstün vasıflarını takdir eden Amerikadaki Union Carbide Firması mühendisleri plastik izoleli sodyum kablosu imal etmek fikrini tatbik sahasına koydular. Polietilenin rutubete ve hava tesirlerine karşı dayanıklı, sağlam ve izolan olarak üstün vasıflan olduğu görüldü. Sodyum kabloların eklerinin yapılması ve uç bağlantıları için özel teçhizat yapıldı ve geliştirildi. Böylece, ilk defa olarak, elektrik enerji endüstrisinde kullanılabilecek ucuz ve kullanılşlı sodyum kablosu imal edilmiş oldu.

İmal Şekli ve Malzeme:

Kabıo iki kademede imal edilmektedir: İlk kademede polietilen hortum kalıptan çekümekte ve ayru zamanda sıvı sodyum ile doldurulmaktadır. Kalıp başlığından geçtikten sonra kablo soğutma teknesine girmekte ve soğuolcm» »yar

Resim: 1 — tzole edilmiş sodyum kablolarının imalâtını gösteren şematik diyagram.

maktadır (Resim. 1). Bilâhare gerekli tertibat ve uygun kalıplar yardımı ile izolasyon kalınlığı ve ilitgen çapı ayarlanmaktadır. Kablo hafif ve fleksibl olduğu için çekme ve makaralara sarma işlerinde kullanılan makinalar ve mekanik teçhizat basit yapılıştadır.

muhtelif deneyler yapıldı. Aşağıdaki açıklamalardan da anlaşılacağı üzere deneylerden gayet olumlu sonuçlar alılmış bulunmaktadır.

Deneylerde 15 KV a kadar muhtelif, izolasyon seviyelerinde kablolar kullanılmıştnr. (Re-

İmâlatın ikinci kademesinde kablonun üzerine ikinci bir yarı izolan tabaka geçirilmektedir. İzolasyonda kullanılan polietilen enerji kablolarında kulanılan düşük yoğunlukta bir bileşiktir. Sodyum umumiyetle yüzde 99,95 oranında saftır.

Deney Sonuçları: önceleri, sodyumdan yapılacak kablolann hafif ve fleksıbi olacakları malûm olmakla beraber, diğer kablolarda bulunan nitelikleri ve teknik özellikleri haiz olup olmayacaktan bilinmiyordu. Union Carbide Lâbratuvarlarında, basit fakat ihtiyacı karşılayacak kablo ek ve uç parçalan imal edilerek bu kablolar üzerinde

Resim: 2 — 15 KVluk yeraltı dağıtım kablosunun kesiti. Sodyum iletgenin çapı 12,7 mm, polieitlen kılıfın kalınlığı 5,6 mm dir.

sim. 2) de, bir mahallî dağıtım şebekesi için imal edilmiş, 15 KV'luk yeraltı kablosu gösterilmiştir. Buradaki sodyumun akım taşıma kapasitesi No: 4 AWG (21,2 mm-) bakır kablonunkine eşittir. Aralıklı örgü şeklindeki bakır tellerin toplam kesiti de No 4 AWG olarak imal edilmiştir.

Resim: 3 — 12,7 mm kalınlığında polietilen kılıflı, üç iletgenli 5 KV'luk kablo. Sodyum ilet genler üçgen şeklinde tertip edDerek ve paralel olarak, oluklu saç muhaafza içerisine yerleştirilmiştir.

(Resim. 3). deki kablo No. 1 AWG (42,4 mm2) kesitinde tipik bir dağıtım kablosudur. Bu, doğrudan doğruya yeraltına döşenebildiği gibi bir askı teli vasıtasile havai kablo olarak da kullanılabilir .

Bilindiği üzere bakır ve alüminyum kablolar örgülü tellerden, heliks şeklinde bükülerek imâl edilirler. Bu suretle kablolara esneklik sağlanmaktadır. Böyle yapılmazsa, makaralara sarıldığında yahut ufak çaplı bükülmelerde kablolar deforme olurlar. İki tane üç iletgenli kablo, biri (Resim. 3) deki gibi saç muhafazalı, diğeri kılavuz telsiz havai hat olarak çekilerek deneylere tabi tutulmuşlardır. Sodyumun elâstik olması dolayısile heliks şeklinde bükülmeye lüzum olmadığı, kabloların deformasyona tabi olmadan kolaylıkla tamburlara sanlabilidiği, ufak çaplı kavisler yapılabildiği müşahede edilmiştir.

Laboratuvarlarda sodyum kabloların montaj ve işletme esnasında maruz kalacakları .mekanik zorlamalara karşı sağlamlık dereceleri tayin edilmiştir. Dış çapı 1 inch olan 15 KV'luk bir yeraltı kablosunun normal sıcaklıktaki uzama ve esneklik ölçüleri Tablo Il'de gösterilmiştir. 20° C de esneklik sının 3100 newton (takriben 317 kg kuvvet) olmakla beraber, 75 - 90° C de ani olarak azalmaktadır. Mamafih, polietilenin hararete karşı mukavemetini arttırmak su-

retiyle, kabloların esneklik sınırının düşmesi onlenebilmektedir.

Sodyum kabloların kullanılışa vasıiflarmdan biri de fazla çekildikleri zaman kopmadan uzayabilmeleri ve serbest bırakıldıklarında tekrar ilk uzunluklarına dönebilmeleri keyfiyetidir. Tablo Il'de görüleceği üzere kablo önce normal uzunluğunun % 125 ini alıncaya kadar gerilmekte, sonra serbest bırakılmaktadır. Bu kablo bir dakika içinde ilk uzunluğunun % 105 ine, beş dakikada % 102,5 na, 30 dakika zarfında da ilk haline dönebilmektedir. Kablo aşırı derecede gerilerek serbest bırakıldığı zaman, aradan 24 saat geçmiş olmasına rağmen ilk haline dönememektedir. îzole sodyum kabloların bu şekilde esnek olmaları tesisat esnasındaki işlemlerde kolaylıklar sağlar. Bakır kablolar aynı şekilde gerildikleri yahut çekildikleri zail — 15 KV'luk Sodyum Yeraltı Kablosunun

Esenlik ve Uzama Şuurları:

Normal uzunluğa nispetle

°/o uzama

İlk duruma dönebilmesi için geçen zaman dakika

İlk duruma dönebilme oranı

%

)ı

J 30

)

J 1440 (24 Saat)

Normal uzunluk 100 alınmıştır.

105 102,5 100

120 110 110

man bu elastikiyeti göstermezler ve normal uzunluğa nazaran % 115 — 125 nispetinde uzamada koparlar.

Sodyumun belirli olan ve üstünlük arzeden diğer üç özelliği şunlardır:

1. Sertleşme karakteristiği göstermeden kolayca tabakalar haline gelebilir.

2. Polietilen izole kılıflar içerisinde, fazla derecede çekilebilir.

3. Eşdeğerdeki bakır kabloya nazaran daha fleksibl olup, daha çok bükülme kabiliyetini haizdir.

Elektrik! Değerler:

Kısa Devre Karakteristikleri:

Kullanılmakta olan bakır ve alüminyum. kablolarda, kısa devre halinde, anî olarak hararetin yükselmesi dolayısiyle izolasyon tah-

Elektrik Mühendisliği 125

rip olmaktadır. Sodyum kablolarda, sodyum ıletgen polietüen izole kılıfa nazaran daha alçak sühunette erimektedir. Erime olayı süresince sodyumun sühuneti sabit kalmakta ve ısıyı absorbe etmektedir. Tamamen sıvı hale geçince, ergime ısısını almış olduğundan, kısa devre tesiriyle sühunet yükselmekte devam eder. Bu füzyon olayı dolayısiyle, sühunetin zamana göre değişen karakteristik eğrisi, diğer ıletgenlere kıyasla farklıdır (Şekil. 4). Sodyum

c

ZJ

•

/ / / //

ı/ / /

Bakır /

A

/ /

10 20

KKO devre suresi H r z

Şekil: 4 — 25°C de eşit dirençleri haiz olan sodyum, bakır ve alüminyum iletgenlerin kısa devre karakteristik eğrileri. Kısa devreden önce, sodyumdaki sıcaklık 75°C ve akım yoğunluğu 78,9 Amper/mm* olarak alınmıştır.

iletgenin, 25°C de, eşit dirençleri haiz olan bakır ve alüminyuma nazaran daha yüksek kısa devre akım kapasitesine malik olduğu (Şekil. 5) de görülmektedir.

Korona Seviyesi: Korona seviyesi (kablo yapısındaki iyon laşma olayının durduğu voltaj seviyesi)nin voltaj basıncına nazaran yüksek olması keyfi yeti, kabloların kalitesinin takdirinde önemli bir ölçüdür. İyonlaşma, kablolarda izolasyonun bozulmasına, dolayısiyle arızalara sebep olur. İşletme voltajı seviyesinde iyonlaşma olmaz. Aşağıda, yapılan deneylerle ilgili bir misal verilmiştir. 12 m uzunluğunda, 15 KV'luk bir sodyum yeraltı kablosu, çapı kablo çapının 7 katı kadar olan bir makaraya sarılmıştır. Kablo makaradan açılmak suretiyle ve ters yönde bükülerek tekrar makaraya sarılmıştır.

02 AWG

DO 500 1000 kcmil

Eşdeğer bakır iletken kesiti

Şekil: 5 — Polietilen izoleli kabloların kısa devre akım kapasiteleri. Kısa devreden önceki sühunet 75°C, kabloların azami ısınma değeri

150<>C dir.

Bu ameliyeye kabloda birbirinden ters yönde iki bükülme hasıl oluncaya kadar devam edilmiştir. Kabloda deneyden önceki ve bükülmeler meydana geldikten sonraki korona seviyesinin aynı, yani 26 KV, olduğu müşahede edilmiştir.

Korona seviyesinin tespit ve tâyini ile ilgili deneylerin sonuçlanna göre, 15 KV'a kadar olan polietilen izoleli sodyum kablolarda, çok sert bükülmelere karşı dahi herhangi bir muhafaza ve tedbire ihtiyaç olmadığı anlaşılmış bulunmaktadır.

Dielektrik Mukavemeti: Polietilen izoleli 15 KV'luk sodyum yeraltı kablolarından muhtelif numuneler üzerinde 60-Hz alternatif akımla, muayyen zaman ara lıklariyle voltajı kademe kademe arttırarak, dielektrik mukavemeti deneyleri yapılmıştır. Faz - toprak arasında 44 KV'dan başlayarak, beşer saniyelik fasılalarla ve her kademede voltajı takriben % 20 arttırmak suretiyle, izolasyonda delinme oluncaya kadar ameliyeye devam edilmiştir. Detaylı sonuçlar Tablo III.'de gösterilmiştir.

Deneylere tâbi tutulan sodyum kablolarının dielektrik mukavemetlerinin, aynı cins izolasyonu haiz olan bakır ve alüminyum kablolara nispetle, ortalama olarak % 20 - 25 kar dar daha yüksek olduğu görülmüştür.

III — Polietilen İzoleli Sodyum Kablolarda A G Dielektrik Mukavemeti Deney Sonuçlan

Kablonun İzolasyon

Çapı

Kalınlığı

Delinme Voltajı

KV

Ortalama Gerilim KV/mm

(5'er dakikalık aralıklarla)

29,3

23,4

(24 Saatlik aralıklarla)

İmpuls Deneyleri:

x 40 mikro saniye standart dalga

ile impuls deneyleri yapılmıştır. Başlama voltajı 95 KV alınmış, her kademede voltaj 20 KV

arttırılmak suretiyle üç negatif impulsa tâbi

tutulmuştur. Sonuçlar Tablo IV. de gösterilmiştir. Kullanılmakta olan diğer kablolara kıyasla elde edilen sonuçlar mükemmeldir:

IV — Polietilen İzoleli Sodyum Kablolarda İmpuls Deneyleri

Kablonun

Çapı mm

İzolasyon

Kalınlığı mm

İmpuls

Gerilimi KV/mm

5,6 .

92,5

91,4

110,0

78,7

Dikkat Edileeck Husus:

Metalik sodyum suya karşı fazla reaktif olduğu için bu hususa her zaman dikkat edilmelidir. Sodyum oda sühunetinde suyla temas ederse, reaksiyon neticesinde sodyum hidroksit ve hidrojen hasıl olur. Ekzoterm olan bu olay

32-

dolayısiyle intişar eden ısı tesiriyle sodyum erir. Suya maruz kalan sodyumun yüzeyi fazla ise, reaksiyon hızlı (patlama şeklinde) olur.

Sodyum kablolarda polietilen mekanik sağlamlık ve elektrikî izolasyonu sağlar. Diğer ta-' raftan hava tesirlerine ve suya karşı iyi bir muhafaza teşkil eder. İzolasyonda bir delinme yahut hasar olmadıkça, sodyum kimyasal reaksiyonlara maruz kalmaz.-

Tatbikat Sonuçlan:

Servisteki kullanılış derecelerini anlamak ve değerlendirmek maksadiyle, sodyum kablolar Commonwealth Edison Kumpanyasının Chicago tesislerinde kullanılmış ve denenmişlerdir .Kabloların yeraltına döşenmeleri sırasında, bu işte çalıştırılan ekip elemanlarına kablonun cinsi hakkında bilgi verilmemiş ve özel bir tertibat alınmamıştır. Bununla beraber tesisat tamamlandıktan sonra yapılmış olan tetkiklerde hasar ve arıza görülmemiştir.

Kullanılmış olan kablolar üzerinde periyo dik yükleme (muhtelif akım kademelerinde) deneyleri, kısa devre ve arıza testleri olumlu sonuçlar vermiş bulunmaktadır.

Kablo Bağlantıları (Uç ve Ekler):

Sodyumun kimyasal bakımdan aktif bir metal olması ve fiziksel özellikleri dolayısiyle (Yumuşak olması gibi), kablo bağlantıları için özel tertibat yapılması icap etmektedir. İzole sodyum iletgenlerde bağlantının tam olabilmesi, izole tabakanın mekanik özelliklerine ve basınç hasıl etmeden, bir alçak dirençli kontak yapılabilmesine bağlıdır.

İyi bir bağlantı yapılabilmesi için gerekli olan ölçüler ve şartlar şunlardır:

1. Sodyumun kısa bir müddet açıkta (İzolesiz) kalması,

2. İrtibatların sıkıca yapılması ve iyi izole edilmesi,

3. İzolasyonun üzerinde sıkı ve emniyetli olarak kavranması,

4. Sodyum iletgene alçak dirençli devamlı kontak sağlanması,

5. Çabuk ve basit bir enstalasyon tekniği, 6. Bağlantı tertibatının ekonomik olması.

Kablo bağlantıları için, yukarıda sıralanan nitelikleri haiz, basit yapılışta ve «mantar burgusu» şeklinde, kablo ek ve uçları yapılmıştır (Resim. 6). Bağlantı parçasının burgusu sodyum iletgen içerisine girerek geniş bir yüzeyde kontak temin eder. Tüb şeklindeki madeni kısım da polietilen kılıfı sıkı sıkıya kavrar.

Elektrik Mühendisliği 121

Şekil: 6 — Kabloya takılan bir bağlantı parçasının enine kesiti, a) Burgunun sodyuma girmeden önceki durumu.

Tesisat esnasında ek yahut uç bağlantısı yapılırken, sodyum kısa bir süre hava tesirle rine maruz kalmaktadır. Fakat dikkat edildiği takdirde bunda bir tehlike yoktur. Kablo özel bir destere ile kolayca kesilebilir. Bilâhare resimde görülen bağlantı parçası derhal kabloya geçirilir. Destere yüzeyinde kalmış sodyum pasçacıkları, varsa, nemli kâğıt parçası yahut bezle silinmelidir. Bağlantı parçası mantar burgusu gibi döndürülerek kabloya sokuulr.

Şekil: 6 b) Bağlantı -parçasının yerine takılmış durumu.

Mukavemet artınca bağlantı parçasının yerine oturmuş olduğu anlaşılır. Sonra izole kılıf üzerine geçmiş olan tub şeklindeki madeni kısım sıkılarak (boğumlar yapılarak) mekanik sağlamlık ve iyi bir izolasyon temin enilmiş olur.

Yapılışının basit olması, entalasyon tekniğindekı kolaylık ve maliyetinin ucuzluğu sebebiyle bu bağlantı parçalan kullanışlı ve uygun bulunmuşlardır.

lllllllllllllllllllllllllllll

ÜYELERİMİZİN DİKKATİNE

Elektrik Mühendisliği Kuvvetli Akım Tekniği El Kitabından her üyemiz 25.— TL. fiatla bir defa abna hakkına sahiptir. îkinci defa isteklerinde 40.— TL. ödemeleri gereklidir.

YÖNETİM KURULU

IIIIMIIIIIIIMIIIIIILt

JOloktrik Mühendisliği 128