Kabloda İzolasyon
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).
Termoset izolasyonlar
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 izolasyonlar
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
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.
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.
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.
Çevresel kirlilik;Kemirgenler, haşereler kablo izolasyonuna yalıtımı etkileyecek hasarlar oluşturabilirler. Nem gibi etkenler de, zamanla oluşabilecek kusurlara zemin hazırlarlar. İzolasyon üzerinde oluşan kirlilik, yüzeysel kaçak akımlar oluşturur. Bu kuru ve temiz yüzeylere kıyasla daha büyüktür. Potansiyele göre değişen ciddi hasarlara neden olabilirler.
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: