Kablo İzolasyon Malzemeleri

Kablo İzolasyon Malzemeleri

undefined

GİRİŞ

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.
undefined

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.
undefined

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-mer kelimesi  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.
undefined

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.
undefined

Resim 4: Vulkanizasyon işlemi

Kabloda İzolasyon

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).
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
undefined

 

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.
undefined

 

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.
undefined

 

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.
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:
undefined
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:
undefined

 

undefined

 

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.

İletişim

İlgili Döküman
Yazar
Murat Çakırkaplan
Tel: 0224 270 31 07
E-posta: murat.cakirkaplan@prysmiangroup.com
Referanslar
1 IEC 60502-2:2007 BEYAN GERİLİMLERİ 1 kV’DAN (Um = 1,2 kV) 30 kV’A (Um = 36 kV) KADAR OLAN YALITIMI EKSTRÜZYONLA ÇEKİLMİŞ GÜÇ KABLOLARI VE BUNLARIN YARDIMCI DONANIMLARI - BÖLÜM 2: BEYAN GERİLİMLERİ 6 kV’DAN (Um = 7,2 kV) 30 kV (Um = 36 kV)’A KADAR OLAN KABLOLAR
2  Prof.Dr.Hüseyin ÜNAL, Polimer/Monomer Eğitim Dokümanları
3  Power Cables and their Applications, 3rd edition, 1990, Lothar Heinhold - Siemens
4  Megger kataloğu
5  IEEE 525 dökümanları
Prysmian Group Türkiye Hakkında
Prysmian Group Türkiye; merkezi 1964 yılından bu yana, Mudanya’da (Bursa) yer alan Türk Prysmian Kablo ve Sistemleri A.Ş. ile 2011 yılında gruba dahil olan Draka Comteq Kablo ve Ltd.Şti. ve Draka İstanbul Asansör İth. İhr. Üretim Tic. Ltd. Şti. firmalarından oluşmaktadır. Prysmian Group Türkiye bünyesinde, bugün yaklaşık 550 kişi çalışmaktadır. Prysmian Group Türkiye’nin ürün yelpazesi kapsamında 220 kV'a kadar olan tüm enerji kabloları, 3.600 çifte kadar bakır iletkenli haberleşme kabloları ile fiber optik kabloları bulunmaktadır. Ayrıca, Draka ile, sadece ana ortaklar seviyesinde gerçekleşen birleşme sonucunda, demiryolu sinyalizasyon kabloları, asansör sistemleri, stüdyo broadcast kabloları ve özel kablolar ürün yelpazesine eklenmiştir. Prysmian Group içinde öncelikli bir ihracat merkezi olan ve 2013 yılında toplam yaklaşık 822 milyon TL olan cirosunun %34’ünü ihraç eden Türk Prysmian Kablo, Borsa İstanbul’da işlem görmektedir.