GİRİŞ
İzolasyon malzemelerinin görevi nedir? Malzemenin karakteri, gerçekten bir kablonun performansını, ömrünü ve dayanıklılığını etkiler mi?
Birçok uygulamada gerek fiziksel dayanım, gerekse de kimyasal dayanım amacıyla kullanılan izolasyon malzemeleri hangi tanımlar ve sınıflandırmalar ile kullanılıyor? Bu malzemelerin birbirlerine olan üstünlükleri ve zayıflıkları, moleküler yapıları ve bilinmeyenleri nelerdir?
Plastik/Polimer tanımı
Monomer adı verilen ünitelerin birbiri ardından tekrarlanması ile oluşan çok yüksek molekül ağırlıklı organik bileşiklere plastik/polimer denir. Plastik malzemeler petrol, doğal gaz, kömür gibi doğal kaynaklardan elde edilen malzemelerdir. Polimerler ise, doğal ve sentetik olarak iki farklı şekilde elde edilebilir. Selüloz (pamuk ve ahşap malzemeler) doğal polimerlere; polietilen, polipropilen, polistiren, polimetilmetaakrilat, polikarbonat, politetrafloretilen ve poliamid ise, sentetik polimerlere örnek olarak gösterilebilir.
Resim 1: Polimerizasyon
Monomer/Polimer nedir?
Mono-mer, polimer grubunu oluşturan küçük molekül anlamına gelir. Poly-mer ise, çok sayıda monomerden meydana gelen kimyasal bileşik anlamındadır. Yani yüzlerce, binlerce monomerin birleşmesinden oluşan çok daha büyük makro moleküllere polimer adı verilir.
Resim 2: Örnek polimer moleküler yapısı
Monomerler birbirlerine kovalent bağlarla bağlanarak kendilerinden daha büyük moleküller oluştururlar. Polimer molekülü boyunca birbiri ardına bağlanarak, zincirin ana iskeletini oluşturan kısmına ana zincir denir. Poly-merkelimesi Yunanca’dan gelmektedir. “Poly”nin anlamı “çok”, “meros”un anlamı ise ünite/birim anlamına gelmektedir. “Plastikos”un anlamı da “eritilebilir”dir. Plastikler ısı ve basınçla şekillendirilebilen sentetik polimerlerdir. Kovalent bağ ise, her bir atomun son yörüngesindeki bir veya birden fazla elektronun diğer bir atomla paylaşılmasıdır.
İzolasyonun tarihsel gelişimi
Kristof Kolomb, 1493 yılında Amerika’ya yaptığı ikinci yolculuk sırasında Haiti Adası’nda, yerlilerin tuhaf bir maddeden yapılmış bir topla oynadıklarını gördü. Bu öyle bir toptu ki, yere vurdukça zıplıyordu. Diğer yanda ise, bu malzemenin kaynağı olan ağaçtan elde ettikleri süt gibi maddenin içine ayaklarını batırıp çıkardıklarını ve kuruduktan sonra çarığa benzer bir çeşit ayakkabı oluşturduklarını gözlemledi. Kauçuğun plastik teknolojisindeki yolculuğu, bu keşifler ile başladı.
1839 yılına gelindiğinde, Charles Goodyear adındaki Amerikalı’nın bir raslantı sonucu bulduğu sistem, lastik sanayiinde devrim yarattı. Goodyear, lateksi ısıtıp kükürtle işleyerek, daha elastiki ve dayanıklı bir duruma getirdi. Böylece, kauçuğa hava şartlarından etkilenmez bir nitelik kazandırdı. Bu işleme, “Vulkanizasyon” denir.
Resim 3: Kauçuk ağaçları
Charles Goodyear, yönteminin Amerika'daki patentini almayı başardı; ancak Fransa ve İngiltere'den yasal formaliteler nedeniyle, patent alamadı. Goodyear, Paris'te borçları nedeniyle hapis yattıktan sonra, Amerika'ya döndü; ancak patentleri ortakları tarafından yağmalandığından, yoksulluk içinde öldü. En azından "Goodyear Tyre" ve "Rubber Company" gibi şirketler onun isminin gelecek kuşaklar tarafından da anılmasını sağladı.
Bu devrim, özellikle 1930’lu yıllardan sonra daha hızlı bir ivme kazandı ve günümüzde de devam eden teknoloji çalışmalarının da temellerini atmış oldu.
Resim 4: Vulkanizasyon işlemi
Kabloda izolasyon
Kablo endüstrisinde kulanılan izolasyon malzemeleri ekstrüzyon metodu ile kullanılır. Ekstrüzyonda kullanılan makine, bir motor ısıtıcı ile kaplanmış bir kovan içindeki vidayı döndürerek, sıcaklık ve basınç altında plastik granüllerin eriyik hale gelmesini sağlar.
Eriyik haldeki plastik, meme ve ağızlık yardımı ile, genelde hortum biçimiyle, istenen malzeme üzerine bir çeşit kaplama yapılır. Soğuması için su kanalı içine girer. Kablo endüstrisinde kullanılan izolasyon malzemeleri; termoplastik, termoset, silikon ve kağıt bazlı izolasyon malzemeleridir.
Termoplastik izolasyonlar
Termoplastik bileşikler, ısıtıldıklarında yumuşayabilen, soğutulduklarında tekrar sertleşebilen plastikler grubudur.
Isıtıldıklarında sertleşen ve bu halini sürekli koruyabilen bileşiklerdir. Hem zincir içinde hem de, zincirlerarası kovalent bağlara sahiptir. Isıtılınca önce yumuşar fakat yumuşarken aynı anda cross-link (çapraz bağlanma) oluştuğu için sertleşmeye başlar. Kovalent bağlarla bağlı olduğundan, tekrar ısıtılınca yumuşatmak mümkün değildir. Çok ısıtıldığı durumda ise çapraz bağlar kopar ve aşırı derecede sertleşir. Geri dönüşümleri vardır, ancak çok maliyetlidir. Bu nedenle tercih edilmez.
Silikon, kauçuk-silikon’dan oluşan bir elastomerdir (kauçuk-benzeri malzeme). Silikon kauçuklar, genellikle bir ya da iki parçalı polimerlerdir ve özelliklerini geliştirmek ve maliyet düşürmek için dolgu maddeleri de içerebilirler. Genellikle -55° C ila +300 ° C sıcaklıklarda, reaktif olmayan, istikrarlı ve dayanıklı malzmelerdir.
Kağıt bazlı izolasyon
Kağıt, enerji kabloları yalıtımı için eski bir türdür ve halen yüksek gerilim kabloları için kullanılır. Kağıt izolasyon, dielektrik bir akışkan (örneğin, yağ ya da sentetik reçine sıvı) ile emprenye edilir (emdirilir). Neme karşı hassas olan kağıt, yalıtımın su veya nem girişini engelleyebilme adına, yalıtımın üzerine kurşun kılıf uygulaması yapılır.
Malzeme karşılaştırma tablosundan da (Tablo 2) anlaşılacağı üzere, her izolasyon malzemesinin kendine özgü özellikleri olduğu gibi, birbirlerine karşı üstünlükleri ve zayıflıkları da vardır. Yani, izolasyon malzemelerinin seçimi, önce ulusal ve uluslararası standartlara, daha sonra da çalışma şartlarına ve taleplere dayanmalıdır.
Malzemelerin karşılaştırması
Tablo 2: İzolasyon malzemeleri karşılaştırma tablosu
Elektrik sistemlerinde izolasyon
Sistemlerin izolasyonuna “iyi” diyebilmek için, yüksek direnç değerlerini sağlama yeterliliğini ölçmek ve bunu değerlendirebilmek gerekir. “İyi midir?” sorusunun cevabı; izolasyon direncinin ölçülmesinde gizlidir.
Hiçbir izolasyon malzemesi, sonsuz direnç sağlamaz. İzolasyonlar, pratik amaçlardan en kritik durumlara kadar kullanabileceğinden, toleransları belirlenmeli ve buna göre değerlendirilmelidir.
İzolasyon direnci ölçümünü anlamanın anahtarı, Ohm kanunundadır. Direnç değeri hesaplanmasında, sisteme sabit bir gerilim uygulanır ve akım değeri ölçülür. Uygulanan gerilim ve akımın oranları izolasyon direncine ulaşmamızı sağlar.
Resim 5: İzolasyon ölçüm devresi
Tesiste yeni kablo montajında olabilecek izolasyon hasarlarının kontrolü, daha sonraki sürelerde kablo izolasyonlarının takibi, kontrolü ve kabul edilebilirlik değerleri IEEE 525’te verilmiş olan formülle hesaplanıp, yine verilmiş olan tabloya göre değerlendirilebilir.
Feet birim ile ölçüm yapılacaksa formülde 1000 (m) yerine 304.8 yazılmaldır.
Uygulanacak minimum test gerilimi 500 V dc olmalıdır.
Tablo 3: Kabul edilebilir minimum direnç değerleri
İzolasyonu kötüleştiren etkenler
İzolasyon, zamanla etkileşime girdiği diğer etkenler nedeni ile yalıtım kalitesini düşürebilir. Bu etkenleri 5 madde halinde ele alabiliriz:
Tesislerde izolasyonlar periyodik olarak ölçülüp değerlendirilmelidir. Bu periyodik kontroller, doğabilecek büyük kayıpları engelleyebilir. Belki olumsuzluğun tespiti ile alınacak basit önlemlerle, tesis çok uzun yıllar korunabilir. Değerlendirmede tablolar oluşturulabileceği gibi, bu kontrolleri sistematik tutabilen cihazları kullanmak da diğer bir seçenek olacaktır.
Bahsettiğimiz konulara ek olarak, kablo yapım standartlarında yer alan konulardan biri de hacimsel öz dirençtir.
Hacimsel özdirenç, ölçülen yalıtım direncinden aşağıdaki formülle hesaplanmalıdır:
Burada;
ρ : Hacimsel özdirenç, ohm. santimetre,
R: Ölçülen yalıtım direnci, ohm,
l: Kablo uzunluğu, santimetre,
D: Yalıtımın dış çapı, milimetre,
d: Yalıtımın iç çapı, milimetredir.
Yalıtım direnci sabiti Ki, aşağıdaki formül kullanılarak da hesaplanabilir:
Tablo 4: Yalıtım bileşikleri için elektriksel tip deney özellikleri
Çok geniş içeriğe sahip olan izolasyon konusu, bu test gibi daha birçok konuda, gerek yapım ve gerekse test standartlarında ayrıntılı bir şekilde bulunabilir.
Prysmian Group Türkiye olarak, çalışmalarımız kapsamında tüm detaylata önem veriyoruz. Bu doğrultuda da, kullanılan izolasyon malzemelerinin önemine, bir kez daha dikkat çekmek isteriz.
Yazar
Murat Çakırkaplan
İzolasyon malzemelerinin görevi nedir? Malzemenin karakteri, gerçekten bir kablonun performansını, ömrünü ve dayanıklılığını etkiler mi?
Birçok uygulamada gerek fiziksel dayanım, gerekse de kimyasal dayanım amacıyla kullanılan izolasyon malzemeleri hangi tanımlar ve sınıflandırmalar ile kullanılıyor? Bu malzemelerin birbirlerine olan üstünlükleri ve zayıflıkları, moleküler yapıları ve bilinmeyenleri nelerdir?
Plastik/Polimer tanımı
Monomer adı verilen ünitelerin birbiri ardından tekrarlanması ile oluşan çok yüksek molekül ağırlıklı organik bileşiklere plastik/polimer denir. Plastik malzemeler petrol, doğal gaz, kömür gibi doğal kaynaklardan elde edilen malzemelerdir. Polimerler ise, doğal ve sentetik olarak iki farklı şekilde elde edilebilir. Selüloz (pamuk ve ahşap malzemeler) doğal polimerlere; polietilen, polipropilen, polistiren, polimetilmetaakrilat, polikarbonat, politetrafloretilen ve poliamid ise, sentetik polimerlere örnek olarak gösterilebilir.
Resim 1: Polimerizasyon
Monomer/Polimer nedir?
Mono-mer, polimer grubunu oluşturan küçük molekül anlamına gelir. Poly-mer ise, çok sayıda monomerden meydana gelen kimyasal bileşik anlamındadır. Yani yüzlerce, binlerce monomerin birleşmesinden oluşan çok daha büyük makro moleküllere polimer adı verilir.
Resim 2: Örnek polimer moleküler yapısı
Monomerler birbirlerine kovalent bağlarla bağlanarak kendilerinden daha büyük moleküller oluştururlar. Polimer molekülü boyunca birbiri ardına bağlanarak, zincirin ana iskeletini oluşturan kısmına ana zincir denir. Poly-merkelimesi Yunanca’dan gelmektedir. “Poly”nin anlamı “çok”, “meros”un anlamı ise ünite/birim anlamına gelmektedir. “Plastikos”un anlamı da “eritilebilir”dir. Plastikler ısı ve basınçla şekillendirilebilen sentetik polimerlerdir. Kovalent bağ ise, her bir atomun son yörüngesindeki bir veya birden fazla elektronun diğer bir atomla paylaşılmasıdır.
İzolasyonun tarihsel gelişimi
Kristof Kolomb, 1493 yılında Amerika’ya yaptığı ikinci yolculuk sırasında Haiti Adası’nda, yerlilerin tuhaf bir maddeden yapılmış bir topla oynadıklarını gördü. Bu öyle bir toptu ki, yere vurdukça zıplıyordu. Diğer yanda ise, bu malzemenin kaynağı olan ağaçtan elde ettikleri süt gibi maddenin içine ayaklarını batırıp çıkardıklarını ve kuruduktan sonra çarığa benzer bir çeşit ayakkabı oluşturduklarını gözlemledi. Kauçuğun plastik teknolojisindeki yolculuğu, bu keşifler ile başladı.
1839 yılına gelindiğinde, Charles Goodyear adındaki Amerikalı’nın bir raslantı sonucu bulduğu sistem, lastik sanayiinde devrim yarattı. Goodyear, lateksi ısıtıp kükürtle işleyerek, daha elastiki ve dayanıklı bir duruma getirdi. Böylece, kauçuğa hava şartlarından etkilenmez bir nitelik kazandırdı. Bu işleme, “Vulkanizasyon” denir.
Resim 3: Kauçuk ağaçları
Charles Goodyear, yönteminin Amerika'daki patentini almayı başardı; ancak Fransa ve İngiltere'den yasal formaliteler nedeniyle, patent alamadı. Goodyear, Paris'te borçları nedeniyle hapis yattıktan sonra, Amerika'ya döndü; ancak patentleri ortakları tarafından yağmalandığından, yoksulluk içinde öldü. En azından "Goodyear Tyre" ve "Rubber Company" gibi şirketler onun isminin gelecek kuşaklar tarafından da anılmasını sağladı.
Bu devrim, özellikle 1930’lu yıllardan sonra daha hızlı bir ivme kazandı ve günümüzde de devam eden teknoloji çalışmalarının da temellerini atmış oldu.
Resim 4: Vulkanizasyon işlemi
Kabloda izolasyon
Kablo endüstrisinde kulanılan izolasyon malzemeleri ekstrüzyon metodu ile kullanılır. Ekstrüzyonda kullanılan makine, bir motor ısıtıcı ile kaplanmış bir kovan içindeki vidayı döndürerek, sıcaklık ve basınç altında plastik granüllerin eriyik hale gelmesini sağlar.
Eriyik haldeki plastik, meme ve ağızlık yardımı ile, genelde hortum biçimiyle, istenen malzeme üzerine bir çeşit kaplama yapılır. Soğuması için su kanalı içine girer. Kablo endüstrisinde kullanılan izolasyon malzemeleri; termoplastik, termoset, silikon ve kağıt bazlı izolasyon malzemeleridir.
Termoplastik izolasyonlar
Termoplastik bileşikler, ısıtıldıklarında yumuşayabilen, soğutulduklarında tekrar sertleşebilen plastikler grubudur.
- PVC (Polivinil Klorür); kabloda en yaygın olarak kullanılan termoplastik yalıtkandır. PVC malzeme ucuz, dayanıklı ve yaygın olarak kullanılabilir; ancak PVC’de bulunan klor (halojen) yandığında kalın, zehirli ve siyah duman üretimine neden olur. Bu da duman yoğunluğu ve toksisitenin istenmediği yerlerde (tüneller, insanların yoğun yaşadığı kapalı mekanlar gibi) ciddi sağlık tehditleri oluşturur. Normal çalışma sıcaklıkları (PVC türüne bağlı olarak) 70°C ve 105°C arasında değişir. Kısa devre sıcaklık limiti, 160°C (<300 mm²) ve 140°C (>300mm²) aralıklarındadır.
- PE (Polietilen); poliolefin olarak adlandırılan polimer sınıfının bir üyesidir. Polietilenin PVC’den daha düşük dielektrik kayıpları vardır ve gerilim stresi altında neme karşı duyarlıdır (Özellikle yüksek gerilimler için).
Isıtıldıklarında sertleşen ve bu halini sürekli koruyabilen bileşiklerdir. Hem zincir içinde hem de, zincirlerarası kovalent bağlara sahiptir. Isıtılınca önce yumuşar fakat yumuşarken aynı anda cross-link (çapraz bağlanma) oluştuğu için sertleşmeye başlar. Kovalent bağlarla bağlı olduğundan, tekrar ısıtılınca yumuşatmak mümkün değildir. Çok ısıtıldığı durumda ise çapraz bağlar kopar ve aşırı derecede sertleşir. Geri dönüşümleri vardır, ancak çok maliyetlidir. Bu nedenle tercih edilmez.
- XLPE (çapraz bağlanmış polietilen); birbirine bağlanmış farklı polietilen zincirleri, yüksek sıcaklıklarda erimesini ya da ayrılmasını önlemeye yardımcı polimerlere (çapraz bağlama) sahiptir. Bu nedenle, XLPE yüksek sıcaklık uygulamalarında daha avantajlıdır. XLPE’nin, PE’ye oranla daha yüksek dielektrik kayıpları vardır; ancak diğer yandan daha iyi yaşlanma özelliklerine ve “water treeing” (Ağaçlanma) direncine sahiptir. Normal çalışma sıcaklıkları, 90°C ile 110°C arasındadır. Kısa devre sıcaklığı 250°C dir.
- • EPR (Etilen Propilen Kauçuk); etilen ve propilenin bir kopolimeridir. EPR, PE ve XLPE den daha esnektir, ancak her ikisinden de daha yüksek dielektrik kayıplarına sahiptir. Normal çalışma sıcaklıkları genellikle 90 °C ile 110 °C arasındadır. Kısa devre sıcaklığı 250°C dir.
Silikon, kauçuk-silikon’dan oluşan bir elastomerdir (kauçuk-benzeri malzeme). Silikon kauçuklar, genellikle bir ya da iki parçalı polimerlerdir ve özelliklerini geliştirmek ve maliyet düşürmek için dolgu maddeleri de içerebilirler. Genellikle -55° C ila +300 ° C sıcaklıklarda, reaktif olmayan, istikrarlı ve dayanıklı malzmelerdir.
Kağıt bazlı izolasyon
Kağıt, enerji kabloları yalıtımı için eski bir türdür ve halen yüksek gerilim kabloları için kullanılır. Kağıt izolasyon, dielektrik bir akışkan (örneğin, yağ ya da sentetik reçine sıvı) ile emprenye edilir (emdirilir). Neme karşı hassas olan kağıt, yalıtımın su veya nem girişini engelleyebilme adına, yalıtımın üzerine kurşun kılıf uygulaması yapılır.
Malzeme karşılaştırma tablosundan da (Tablo 2) anlaşılacağı üzere, her izolasyon malzemesinin kendine özgü özellikleri olduğu gibi, birbirlerine karşı üstünlükleri ve zayıflıkları da vardır. Yani, izolasyon malzemelerinin seçimi, önce ulusal ve uluslararası standartlara, daha sonra da çalışma şartlarına ve taleplere dayanmalıdır.
Malzemelerin karşılaştırması
Tablo 2: İzolasyon malzemeleri karşılaştırma tablosu
Elektrik sistemlerinde izolasyon
Sistemlerin izolasyonuna “iyi” diyebilmek için, yüksek direnç değerlerini sağlama yeterliliğini ölçmek ve bunu değerlendirebilmek gerekir. “İyi midir?” sorusunun cevabı; izolasyon direncinin ölçülmesinde gizlidir.
Hiçbir izolasyon malzemesi, sonsuz direnç sağlamaz. İzolasyonlar, pratik amaçlardan en kritik durumlara kadar kullanabileceğinden, toleransları belirlenmeli ve buna göre değerlendirilmelidir.
İzolasyon direnci ölçümünü anlamanın anahtarı, Ohm kanunundadır. Direnç değeri hesaplanmasında, sisteme sabit bir gerilim uygulanır ve akım değeri ölçülür. Uygulanan gerilim ve akımın oranları izolasyon direncine ulaşmamızı sağlar.
Resim 5: İzolasyon ölçüm devresi
Tesiste yeni kablo montajında olabilecek izolasyon hasarlarının kontrolü, daha sonraki sürelerde kablo izolasyonlarının takibi, kontrolü ve kabul edilebilirlik değerleri IEEE 525’te verilmiş olan formülle hesaplanıp, yine verilmiş olan tabloya göre değerlendirilebilir.
R(izolasyon)=V(kablo gerilimi+1) .(1000/L)
Feet birim ile ölçüm yapılacaksa formülde 1000 (m) yerine 304.8 yazılmaldır.
Uygulanacak minimum test gerilimi 500 V dc olmalıdır.
Tablo 3: Kabul edilebilir minimum direnç değerleri
İzolasyonu kötüleştiren etkenler
İzolasyon, zamanla etkileşime girdiği diğer etkenler nedeni ile yalıtım kalitesini düşürebilir. Bu etkenleri 5 madde halinde ele alabiliriz:
- Elektriksel stres: İzolasyon belirli bir uygulama için tasarlanır. Aşırı yüksek ve alçak gerilimler, yalıtım içinde anormal streslenmeye yol açar ve bu olay izolasyonun çatlamasına ya da delaminasyonuna neden olabilir.
- Mekanik stres: Kablo montajı sırasında oluşan hasarlar, gözle görülebilir düzeyde olabilir. Diğer yandan; makinaların sık sık duruş ve kalkışları ve sürekli vibrasyon altında çalışması, izolasyon içinde kusurlara neden olabilir.
- Kimyasal etkenler: Bu etkenlerin başlıcası, aşındırıcı buhardır. Yağ ve hidro karbon gibi etkenler de izolasyonun kalitesini hızlıca düşürürler.
- Termal stres: Aşırı ısınma ve soğumaların oluştrurduğu genleşme ve büzüşmeler, izolasyon içinde çatlamalar gibi kusurlara neden olabilir. Makine kullanımlarındaki tüm kalkış ve duruşlar, ısıl gerilmelerin en yüksek olduğu periyotlardır. Diğer sistemlerde de kablonun yük altına girmesi, çıkması izolasyon yaşlanması açısından olumsuzluk yaratacaktır.
Tesislerde izolasyonlar periyodik olarak ölçülüp değerlendirilmelidir. Bu periyodik kontroller, doğabilecek büyük kayıpları engelleyebilir. Belki olumsuzluğun tespiti ile alınacak basit önlemlerle, tesis çok uzun yıllar korunabilir. Değerlendirmede tablolar oluşturulabileceği gibi, bu kontrolleri sistematik tutabilen cihazları kullanmak da diğer bir seçenek olacaktır.
Bahsettiğimiz konulara ek olarak, kablo yapım standartlarında yer alan konulardan biri de hacimsel öz dirençtir.
Hacimsel özdirenç, ölçülen yalıtım direncinden aşağıdaki formülle hesaplanmalıdır:
ρ : Hacimsel özdirenç, ohm. santimetre,
R: Ölçülen yalıtım direnci, ohm,
l: Kablo uzunluğu, santimetre,
D: Yalıtımın dış çapı, milimetre,
d: Yalıtımın iç çapı, milimetredir.
Yalıtım direnci sabiti Ki, aşağıdaki formül kullanılarak da hesaplanabilir:
Tablo 4: Yalıtım bileşikleri için elektriksel tip deney özellikleri
Çok geniş içeriğe sahip olan izolasyon konusu, bu test gibi daha birçok konuda, gerek yapım ve gerekse test standartlarında ayrıntılı bir şekilde bulunabilir.
Prysmian Group Türkiye olarak, çalışmalarımız kapsamında tüm detaylata önem veriyoruz. Bu doğrultuda da, kullanılan izolasyon malzemelerinin önemine, bir kez daha dikkat çekmek isteriz.
Yazar
Murat Çakırkaplan