Yalıtkan (elektrik)
Elektriksel yalıtkan, elektrik yükünün serbestçe akamadığı maddelerdir.[1] Bu yüzden elektrik alanının etkisi altında kaldıklarında, elektrik akımını iletmeleri zordur. Mükemmel yalıtkanlar bulunmamaktadır. Ancak, cam kâğıt ve teflon gibi yüksek özdirence sahip bazı maddeler çok iyi elektrik yalıtkanlarıdır. Daha düşük özdirençleri olan maddeler hala elektrik kablolarında kullanılmak için yeterlidir. Kauçuk benzeri polimerler ve birçok plastik bu gruba dâhildir. Bu tür malzemeler düşükten orta dereceli gerilimleri güvenli bir şekilde yalıtılmasına hizmet eder.
Yalıtkanlar, elektrik malzemelerinde elektriksel iletkenleri desteklemek ve akım geçişine izin vermeden ayırmak için kullanılır. Yalıtkan maddeler, elektrik kablolarını ya da diğer malzemeleri sarmak yani yalıtım amacıyla kullanılır. Elektrik direkleri ve iletim kulelerinde dağıtım ve iletim hatlarını bağlamak için kullanılır. Direklere ve kulelere elektrik akımını iletmeden tellerin ağırlığı bu şekilde desteklenir.
Katılarda iletken fiziği
Elektriksel yalıtım, elektrik iletkenliğinin yokluğudur. Elektronik bant kuramına(bir fizik dalı) göre, bir yük ancak elektronların rahat hareket edebileceği durumlarda akar. Bu elektronların enerji kazanmalarına ve bundan dolayı da metal gibi iletkenlerde hareket etmelerini sağlar. Eğer bu durum sağlanmıyorsa, malzememiz bir yalıtkandır. Çoğu yalıtkan büyük bant aralığına sahiptir. Bunun sebebi, yüksek enerjili elektronlarını içeren “değerlik” bandının dolu olmasıdır ve bu bant ile sonraki bant arasındaki genişliği, yüksek enerji açığı ayırır. Her zaman, bu elektronu uyaracak bir yeterli gerilim vardır(delinme gerilimi). Bu gerilim aşıldığında, maddenin yalıtımı sona erer ve yük akışı başlar. Bununla birlikte, genellikle, fiziksel ve kimyasal değişiklikler malzemenin yalıtım özelliklerini etkiler. Eğer, maddenin başka bir yük eksikliği varsa, bu maddelerde eksik elektron iletimi olur. Örneğin, bir sıvı ya da gaz iyonları içeren maddeler elektrik akımı akışı sağlayabilir. Elektrolit ve plazma iyon içerir. Yani, elektron akışı olsun ya da olmasın, iletken gibi davranırlar.
Delinme
Yalıtkanlar, yeterince yüksek gerilime maruz kaldığında, elektriksel delinme görüngüsü yaşanacaktır. Bir yalıtkan üzerindeki elektrik alanı, o maddenin içinde herhangi bir yerde eşik delinme alanını aşarsa, o madde bir anda iletkene dönüşür. Madde üstündeki elektrik alanı, serbest yük taşıyıcılarını(her zaman düşük yoğunlaşmaya mevcut elektronlar ve iyonlar) ivmelendirecek kadar kuvvetli ise elektriksel delinmeyi meydana getirir. Bu serbest elektronlar ve iyonlar sırasıyla ivmelendirilip diğer atomlara çarptırılarak, zincir tepkimesi oluşturulur ve daha çok yük taşıyıcıları oluşturulur. Yalıtkan, aniden hareketli yük taşıyıcılarıyla dolar ve direnci düşük bir düzeye düşer. Katılarda, delinme voltajı ve bant aralığı enerjisi birbirleriyle orantılıdır. Yüksek enerji iletkeninin çevresindeki hava yıkıcı bir artan akım içinde olmadan delinme ve iyonize olabilir; buna “korona boşaltımı” denir. Ancak, hava delinme olayı uzatılırsa, hava ile başka bir iletken arasında iletken bir yol oluşur ve havada elektrik arkı oluşturarak yüksek bir akım akışı olur. Bazı yalıtkanların durumlarında, iletim yüksek sıcaklıklarda gerçekleşebilir çünkü o zaman değerlik elektronları için gerekli enerji sağlanır ve iletim bandı içine alınır.
Kullanımları
Yalıtkanların esnek kaplaması genellikle elektrik kabloları ve tellerine uygulanır; buna yalıtkan tel denir. Hava bir yalıtkan olduğu için, ilke olarak olması gerektiği gibi başka bir maddenin gücünü tutar. Yüksek gerilim hatlarında, katıların( örneğin plastik) kullanımı kullanışsız olduğundan dolayı, genellikle sadece hava kullanılır. Ancak bu tellerin birbirine dokunması durumunda kısa devreler ve yangınlar oluşabilir. Son olarak, 60V’dan yüksek gerilime sahip teller, insanlarda elektrik çarpmasına neden olabilir. Yalıtım kaplamalar, tüm bu sorunları önlemeye yardımcı olur. Yalıtkan bir kablo ya da tel gerilim derecesine ve azami iletken sıcaklığı derecesine sahiptir. Eğer çevredeki bir başka sisteme bağlıysa, akım taşıma kapasitesi var olmayabilir. Elektronik sistemlerde, baskılı devre kartları, sentetik plastik ve fiberglastan yapılır. İletken olmayan kartları, iletken olan bakır folyo katmanları destekler. Elektronik aletlerde, küçük, narin ve aktif bileşenler iletken olmayan sentetik plastik, fenollü plastik, pişmiş cam ya da seramik kaplamalar içinde gömülüdür. Transistor ve IC gibi mikro elektronik bileşenleri, katkılardan dolayı silikon malzemesi gerçekte iletkendir, ama ısı ve oksijen uygulanmasıyla kolayca yalıtkan haline dönebilir. Oksitlenmiş silikon, kuvarstır. Örneğin silikon dioksit, camın başlıca bileşenidir. Transformatörler ve kondansatörler içeren yüksek voltaj sistemlerinde, sıvı yalıtkan yağ, elektrik yaylarını önlemek için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Yağ havanın aksine, elektrik delinmesi olmadan anlamlı bir gerilimi desteklemelidir.
Telgraf ve güç iletimi yalıtkanları
Yüksek gerilim elektrik iletimi için kullanılan iletkenler çıplaktır. Çevredeki hava ile yalıtımı sağlanır. Düşük gerilimli dağıtımını sağlamak için ise bazı yalıtkanlar kullanılabilir ama genellikle çıplaklardır. İletim kuleleri tarafından desteklenen noktalarda yalıtım kullanılır. Kablolar binalara ya da transformatör ve devre kesiciler gibi elektrikli aletlere bağlıysa, kabloları yalıtkan ile kaplamak gerekir.
Malzemeler
Yüksek gerilimli güç iletiminde kullanılan yalıtkanlar genellikle cam, porselen, çeşitli polimer malzemelerden yapılır. Porselen yalıtkanlar kil, kuvars, alüminyum oksit ya da feldspat ile yapılır. Ve su dökmek için pürüzsüz bir sır ile kaplıdır. Alüminyum oksit bakımından zengin olan porselenden yapılmış yalıtkanlar, yüksek mekanik gücü bir ölçüt olduğunda kullanılır. Porselenin 4-10 kV / mm 'lik bir yalıtım gücü vardır. Camın daha yüksek bir yalıtım gücü vardır ancak, istenen kalınlıkta, şekilde ve iç gerginlikte olması güç olduğundan, yalıtım için kullanılması zordur. Bazı yalıtkan üreticileri 1960’ların sonlarında cam yalıtkanların üretimini durdurup seramik malzemelere geçiş yaptılar. Son zamanlarda, bazı elektrikli araçların yalıtımında, çeşitli polimer malzemelerin kullanımına başlandı. Çeşitli polimerler masrafsız, hafif ve mükemmel su itici yeteneği vardır. Bu birleştirme, kirlenmiş alanlarda kullanımında idealdir. Yine de bu malzemelerin cam ve porselen kadar uzun süreli ömürleri yoktur.
Tasarım
Yalıtkanın aşırı gerilim nedeniyle elektriksel delinme olayı iki farklı şekilde oluşabilir: • Yalıtkan bir malzemenin iletimi sırasında elektriksel delinme olayında oluşan, elektrik yayı. Elektrik yayının ısısı genellikle yalıtkana onarılamayacak bir hasar verir. Delinme gerilimi, bir yalıtkanda elektrik yayına sebep olan gerilimdir. • Bir kıvılcım yayı, yalıtkanın dış yüzeyi ve çevresindeki havada gerçekleşir. Yalıtkanlar genellikle bu olaydan zarar görmeyecek şekilde tasarlanmıştır. Kıvılcım gerilimi, parlak bir yaya neden olan gerilimdir.
Çoğu yüksek gerilim yalıtkanları, delinme geriliminden daha düşük bir kıvılcım gerilimi ile tasarlanmış, böylece delinme öncesinde zarar görmesini önlemek için, önce parlaması istenir. Bir yüksek gerilim yalıtkanının yüzeyinde kir, kirlilik, tuz ve özellikle su, kaçak akımları ve atlamaları neden olan iletken bir yol oluşturabilirsiniz. Yalıtkan ıslak olduğunda kıvılcım gerilimi %50’nin altına düşebilir. Dışarıdaki yüksek gerilim yalıtkanları, uzunluğu en fazla olacak şekilde yani kaçak akımları en aza indirecek şekilde tasarlanmıştır. Bunu gerçekleştirmek için yoğun disk serileri ve oluk serilerinden oluşan yalıtkanlar kullanılır. Genellikle, bir ya da daha fazla yarık içerir. En düşük, dağılma mesafesi 20–25 mm/kV’dir. Ancak yüksek kirlilik ve havasında deniz tuzu bulunan alanlarda bu mesafenin artırılması gerekir.
Yalıtkan Türleri
Yaygın olarak kullanılan yalıtkan türleri: • İğne tipi yalıtkan- Adından anlaşılacağı üzere, bir iğne üzerine, kutupta çapraz kolun montelenmesiyle oluşur. Yalıtkanın üst ucunda bir oluk bulunmaktadır. İletken bu oluktan geçmektedir ve yalıtkana iletkenle aynı malzemeden yapılmış ama tavlanmış bir telle bağlanır. İğne tipi yalıtkanlar 33 kV gerilime kadar olan, iletim ve elektrik gücünün dağıtımı için kullanılır. 33 kV çalışma geriliminin ötesinde, iğne tipi yalıtkanlar, ekonomik bakımdan zararlı olmaya başlar. • Askı yalıtkanı -33 kV daha yüksek gerilimler için, şekilde gösterildiği gibi askı tipi yalıtkan kullanmak daha olağan bir uygulamadır. Birçok porselen, bir dize şeklinde metale seri bağlanarak oluşur. İletken dizenin bir ucunda askıda kalırken, dizenin diğer ucu kulenin çapraz kollarına sabitlenmiştir. Kullanılan disk birimlerinin sayısı gerilime bağlıdır. • Gergin yalıtkanlar- • Zincirli yalıtkan- eskiden, zincirli yalıtkanları gerginlik yalıtkanları olarak kullanmışlardı. Ancak bu günlerde, sık sık alçak gerilim dağıtım hatları için kullanılır. Bu tür yalıtkanlar yatay pozisyonlarda ve yatay konumda kullanılabilir. Ayrıca, doğrudan bir cıvata ile veya çapraz kolla direğe tespit edilebilir. • Hat mesnet yalıtkanları- • İstasyon mesnet yalıtkanları- • Şalter-
Başlık ve pim yalıtkanları
Yüksek gerilim iletim hatlarında genellikle modüler başlık ve pim yalıtkanlarından tasarımlar kullanılır. Teller, metal çatal pim ya da top ve soket bağlantıları ile birbirine bağlanarak, özdeş disk şeklindeki yalıtkanlarla bir 'sicim' gibi asılmıştır. Yalıtkanların yapımında temel birimlerin farklı numaralar kullanılmıştır bu da farklı delinim gerilimlerine göre dizilmesine yol açmıştır. Bu olay tasarımın avantajıdır. Ayrıca dize kesintilerinde yalıtkan birimlerinden biri kırılırsa, bütün dizeden ayrı olarak değiştirilebilir. Her bir ünite, zıt taraflarına bir metal başlık ve pim ile bir seramik ya da cam diskin çimentolamasıyla inşa edilmiştir. Arızalı birimleri belirgin hale getirmek için, cam üniteleri B Sınıfı inşaatı ile tasarlanmıştır. B sınıfı camdan, bir delinim geriliminin yerine bir kıvılcım yayı oluşur. Cam ısıtıldığında hasar alan yer görülür hale gelir. Bununla birlikte, ünitenin tamamı değişmeden, yani yalıtkan dize yerinde kalarak tamirat yapılır.
| tel gerilimi (kV) | Disk sayısı |
|---|---|
| 34.5 | 3 |
| 46 | 4 |
| 69 | 5 |
| 92 | 7 |
| 115 | 8 |
| 138 | 9 |
| 161 | 11 |
| 196 | 13 |
| 230 | 15 |
| 287 | 19 |
| 345 | 22 |
| 360 | 23 |
Tarihi
Yalıtkanların kullanımını gerektiren ilk elektrik sistemleri telgraf hatlarıydı; ahşap direklerin tellerle doğrudan temasında, tellere zarar verdiği belirlenmiştir. Havanın nemli olduğu zamanlarda bu hasar oldukça artar. Büyük miktarlarda kullanılan ilk cam yalıtkanlarda açılmamış iğne deliği vardı. Bu cam parçalar, dikey olarak kutup ve çapraz yukarıya doğru uzanan, konik bir ahşap pim üzerine konumlandırıldı. İlk seramik yalıtkanlar üretmek için kurulan şirketler Birleşik Krallıktaydı. Bu günlerde pim tipi yalıtkanların hala delikli iğne uçları var. Askı tipi yalıtkanların bulunuşu, yüksek gerilimli enerji naklini mümkün kıldı. Pim tipi yalıtkanları yaklaşık 60.000 volt gerilimin üzerinde yetersizdi. Telefon, telgraf ve elektrik yalıtkanları, büyük bir çeşitlilikte yapılmıştır; bazı insanlar hem tarihsel ilgi için hem de tasarım ve yüzey kalitesi için onları toplamıştır. Ulusal Yalıtım Derneği (NIA), şu anda en büyük yalıtkan toplayan topluluktur.
Antenlerin yalıtımı
Genellikle yayın radyo anten direği bir radyatör olarak inşa edilmiştir. Yani tüm direk yapısı topraklama ile yalıtılmış olmalıdır. Sabun taşı montajları kullanılır. Sadece 400 kV gerilime ulaşan topraklanmış direk anteni değil ayrıca, direk yapısının dinamik kuvvetlerinin ağırlığını taşımak zorundadır. Anten direklerinde yay boynuzları ve yıldırım tutucular gereklidir çünkü antenlere yıldırım çarptığı sık sık görülmektedir. Destekleyici çelik halatlar genellikle gergin yalıtkanlar eklendikten sonraki olan dönemde takılır. Genellikle, çelik kabloları bükmek için kullanılan çeşitli yalıtkanlar vardır. Bu yalıtkanlar genellikle silindirik veya yumurta şeklinde olan seramiklerdir. Bu yapının seramik olmasının avantajı ise daha büyük kuvvetlere dayanıklı olmasıdır. Bu izolatörler da aşırı gerilim koruyucu donanım ile donatılmış olmalıdır. Çelik halat boyutları için, halatların statik yükünün dikkate alınması gerekir. Statik yük, yüksek direklerde, verici tarafından neden olan gerilimden daha yüksek olabilir. Bu durumlarda çelik halatlar çapa ile toprağa tutturulmalıdır.
Elektrikli cihazların yalıtımı
En önemli yalıtım malzemesi havadır. Çeşitli katı, sıvı ve gazlar yalıtkanlarda elektrikli cihazlarda kullanılır. Küçük trafolar, jeneratörler, elektrik motorları ve tel bobinlerindeki yalıtım, polimer cila filminin dört katı kadar ince bir katmandan oluşur. Filmle yalıtılmış mıknatıs tel, mevcut alanın içinde dönüşlerin sayısını elde etmek için üreticilere izin verir. Kalın iletkenler için kullanılan sargılar, ek fiberglas yalıtım bandıyla paketlenmiştir. Sargılar ayrıca, elektriksel koronayı önlemek ve manyetizma kaynaklı tel titreşimini azaltmak için yalıtkan verniklerle kaplanır. Büyük güçlü trafo sargıları hala çoğunlukla kâğıt, ahşap, vernik ve mineralli yağ ile yalıtılmıştır. Bu malzemeler 100 yıldan fazla kullanılmasına rağmen hala ekonomik ve performans için yeterlidir. Alevin yayılmasını ve malzeme genelinde akımın akışını önlemek için, donanımın içindeki lastik kablolar ve devre kesiciler, cam takviyeli plastik yalıtkan malzemesi ile yalıtılabilir. 1970'lere kadar yapılmış eski cihazında, sıkıştırılmış taş pamuğundan yapılmış panolar bulunabilir. Bu güç frekanslarında yeterli bir yalıtkan iken, onarımı ve taşıması sırasında tehlikeli lifleri açığa çıkarabilir. Keçeli taş pamuğu ile yalıtılmış tel 1920'lerden beri yüksek sıcaklıklı ve engebeli uygulamalarda kullanılır. Bu tür teller ticari adı "Deltabeston" olarak General Electric tarafından satıldı. Elektrik telleri polietilen, PVC, kauçuk benzeri polimerler, yağ yedirilmiş kâğıt, Teflon, silikon, ya da tadil edilmiş etilen tetrafloroetilen (ETFE) ile yalıtılabilir. PVC gibi esnek yalıtım malzemeler devreyi yalıtmak ve 'canlı' tel (600 volt veya daha az gerilime sahip) ile insan temasını önlemek için kullanılır.