İzolatör Nedir, Ne İşe Yarar?
Bir elektrik izolatörü, dahili elektrik yüklerin serbestçe akmasını engelleyen bir malzemedir. Çok az elektrik akımı bir elektrik alanın etkisi altında akacaktır. Bu, elektrik akımını daha kolay yürüten diğer malzemeler, yarı iletkenler ve iletkenler ile tezat oluşturur. Bir yalıtkanı ayıran özellik onun direncidir; İzolatörler, yarı iletkenlere veya iletkenlere göre daha yüksek bir dirence sahiptir.
Mükemmel bir izolatör mevcut değildir, çünkü izolatörlerde bile akım taşıyabilen az sayıda mobil şarj (şarj taşıyıcıları) bulunur. Buna ek olarak, tüm izolatörler, elektrik alanının elektronları atomlardan uzak tutması için yeterince büyük bir voltaj uygulandığında elektriksel olarak iletken hale gelir. Bu bir yalıtkanın arıza gerilimi olarak bilinir. Yüksek öz dirence sahip cam, kağıt ve Teflon gibi bazı malzemeler çok iyi elektrik izolatörleridir. Daha düşük hacim direncine sahip olmalarına rağmen çok daha büyük bir malzeme sınıfı, normal olarak kullanılan voltajlarda önemli akımın akmasını önlemek için yeterlidir ve bu nedenle elektrik kabloları ve kablolar için yalıtım olarak kullanılır. Örnekler kauçuk benzeri polimerler ve doğada termoset veya termoplastik olabilen çoğu plastiği içerir.
İzolatörler, elektrik iletkenlerini, akımları kendilerine izin vermeksizin desteklemek ve ayırmak için kullanılırlar. Elektrik kablolarını veya diğer ekipmanı sarmak için toplu olarak kullanılan yalıtım malzemesine yalıtım denir. İzolatör terimi ayrıca, elektrik direkleri veya iletim hatlarının elektrik direklerine ve iletim kulelerine bağlanması için kullanılan yalıtım desteklerine değinmek için daha spesifik olarak kullanılır. Akımın kule içinden zemine akmasına izin vermeden asma tellerin ağırlığını desteklerler.
Katılarda Elektrik İletimi
Elektrik yalıtımı elektriksel iletimin yokluğudur. Elektronik bant teorisi (bir fizik dalı), elektronların uyarılabildiği durumlar olduğunda bir yükün aktığını söylüyor. Bu, elektronların enerji kazanmasına ve böylelikle bir metal gibi bir iletkenden geçmesine izin verir. Böyle bir durum mevcut değilse, malzeme bir yalıtıcıdır.
Çoğu (hepsi olmasa da, Mott izolatörüne bakınız) izolatörlerin büyük bir bant boşluğu vardır. Bunun nedeni, en yüksek enerji elektronlarını içeren “değerlik” bandının dolu olması ve büyük bir enerji boşluğunun bu bandı, üstündeki bir sonraki banttan ayırmasıdır. Elektronlara bu gruba heyecan verebilecek kadar enerji veren bir miktar gerilim (arıza gerilimi denir) vardır. Bu voltaj aşıldığında, malzeme bir yalıtkan olmaktan çıkar ve şarj bunun üzerinden geçmeye başlar. Bununla birlikte, genellikle malzemenin yalıtım özelliklerini kalıcı olarak bozan fiziksel veya kimyasal değişiklikler eşlik eder.
Elektron iletimi olmayan materyaller, diğer mobil ücretlerden yoksun ise, izolatörlerdir. Örneğin, bir sıvı veya gaz iyonlar içeriyorsa, iyonlar bir elektrik akımı olarak akacak şekilde yapılabilir ve materyal bir iletkendir. Elektrolitler ve plazmalar iyonları içerir ve elektron akışının söz konusu olup olmadığına dair iletkenler gibi davranır.
İzolatörlerde Arıza
Yeterince yüksek bir voltaja maruz kaldığında, izolatörler elektrik arızası olgusundan muzdariptir. Bir yalıtıcı maddeye uygulanan elektrik alanı, herhangi bir yerde bu madde için eşik bozulma alanını aştığında, izolatör aniden bir iletken haline gelir ve akımda büyük bir artışa neden olur, madde boyunca bir elektrik arkı. malzemede Elektrik sahası atomuna iyonlaştırıcı çarptığı zaman atomu elektronları vurmak için yeterince yüksek bir hızda serbest yük taşıyıcıları (her zaman düşük konsantrasyonlarda mevcut olan elektronlar ve iyonlar,) hızlandırmak için yeteri kadar güçlü olduğunda elektrik arıza meydana gelir. Bu serbest elektronlar ve iyonlar sırayla hızlanır ve zincir reaksiyonunda daha fazla taşıyıcı madde yaratarak diğer atomlara çarpar. Hızla izolatör, mobil şarj taşıyıcıları ile doldurulur ve direnci düşük bir seviyeye düşer. Bir katı olarak, arıza gerilimi bant boşluk enerjisi ile orantılıdır. Korona deşarjı meydana geldiğinde, yüksek voltaj iletkeni çevresindeki bir bölgede bulunan hava, akımda büyük bir artış olmadan bozulabilir ve iyonlaşabilir. Bununla birlikte, hava arızası bölgesi başka bir iletkene farklı bir voltajda uzanırsa, bunlar arasında iletken bir yol oluşturur ve büyük bir akım havada akar ve elektrik arkı oluşturur. Bir vakum bile bir çeşit bozulmaya uğrayabilir, ancak bu durumda, kırılma veya vakum arkı, vakum tarafından üretilmekten ziyade metal elektrotların yüzeyinden dışarı atılan yükleri içerir.
Buna ek olarak, tüm izolatörler çok yüksek sıcaklıklarda iletken olurlar, çünkü valans elektronlarının termal enerjisi bunları iletim bandına koymak için yeterlidir.
Bazı kondansatörlerde, uygulanan elektrik alanı azaldığında, dielektrik arıza nedeniyle oluşan elektrotlar arasındaki şortlar kaybolabilir.
İzolatör Kullanımı
Bir yalıtkanın çok esnek bir kaplaması genellikle elektrik teli ve kablosuna uygulanır, buna yalıtılmış tel denir. Bir katı (örneğin plastik) kaplamanın pratik olmadığı için, teller bazen sadece bir yalıtıcı kaplama kullanmazlar. Bununla birlikte, birbirine değen teller, çapraz bağlantılar, kısa devreler ve yangın tehlikeleri üretir. Koaksiyel kabloda EM dalgası yansımalarını önlemek için orta iletken tam olarak içi boş kalkanın ortasında desteklenmelidir. Son olarak, 60 V’tan yüksek gerilimleri açığa çıkaran kablolar, insan şokuna ve elektrik çarpması tehlikelerine neden olabilir. İzolasyon kaplamaları, bu problemlerin tümünü önlemeye yardımcı olur.
Bazı teller gerilim yokken mekanik bir kaplamaya sahiptirler -örn .: servis düşürme, kaynaklama, kapı zili, termostat teli. İzoleli bir tel veya kablo bir voltaj derecesine ve maksimum iletken sıcaklık derecesine sahiptir. Ortam (örneğin ortam sıcaklığı) ortamına bağlı olduğundan, bir akım kapasitesi (akım taşıma kapasitesi) olmayabilir.
Elektronik sistemlerde baskılı devre kartları epoksi plastik ve fiberglastan üretilmektedir. İletken olmayan paneller, bakır folyo iletkenlerinin katmanlarını destekler. Elektronik cihazlarda, küçük ve hassas aktif bileşenler, iletken olmayan epoksi veya fenolik plastikler veya fırınlanmış cam veya seramik kaplamalar içine gömülür.
Transistörler ve IC’ler gibi mikroelektronik bileşenlerde, silikon malzeme normal olarak doping nedeniyle bir iletkendir, ancak ısı ve oksijenin uygulanmasıyla iyi bir yalıtıcıya kolaylıkla seçici olarak dönüştürülebilir. Oksitlenmiş silikon kuvars, yani camın birincil bileşeni olan silikon dioksittir.
Transformatör ve kondansatörler içeren yüksek gerilim sistemlerinde, sıvı yalıtkan yağı, yayların önlenmesi için kullanılan tipik yöntemdir. Yağ, elektrik arızası olmadan önemli voltajı desteklemesi gereken alanlarda hava değiştirir. Diğer yüksek gerilimli sistem yalıtım malzemeleri arasında seramik veya cam tel tutucular, gaz, vakum ve kabloları yalıtım olarak kullanmak için yeterince uzağa yerleştirmek yeterlidir.
Telgraf ve Güç İleticisi İzalatörleri
Yüksek voltajlı elektrik iletimi için havai iletkenler çıplak ve çevreleyen hava tarafından yalıtılmıştır. Dağıtımdaki düşük gerilimler için iletkenler bazı yalıtımlara sahip olabilir, ancak genellikle çıplaktırlar. İzolatörler olarak adlandırılan yalıtım destekleri, elektrik direkleri veya iletim kuleleri tarafından desteklendiği noktalarda gereklidir. Telin, kasadan kabloyu izole etmek için binalara veya trafo veya devre kesiciler gibi elektrikli cihazlara girmesi durumunda izolatörler de gereklidir. İçlerindeki iletkenleri olan bu içi boş izolatörler burçtur.
İzolatör Malzemeleri
Yüksek voltajlı güç iletimi için kullanılan izolatörler cam, porselen veya kompozit polimer malzemelerden yapılmıştır. Porselen izolatörler kil, kuvars veya alümina ve feldispattan üretilir ve su dökmek için pürüzsüz bir sırla kaplanır. Alümina bakımından zengin porselenlerden yapılmış izolatörler, yüksek mekanik mukavemetin bir kriter olduğu yerlerde kullanılır. Porselen yaklaşık 4–10 kV / mm’lik bir dielektrik dayanıma sahiptir. Cam daha yüksek bir dielektrik dayanımına sahiptir, ancak yoğunlaşmayı çeker ve izolatörlerin ihtiyaç duyduğu kalın düzensiz şekilleri iç suşları olmadan dökmek zordur. Bazı yalıtkan üreticileri, 1960’ların sonlarında seramik malzemelere geçerek cam yalıtıcılar yapmayı bıraktılar.
Son zamanlarda, bazı elektrik tesisatları, bazı izolatör tipleri için polimer kompozit materyallere dönüşmeye başladı. Bunlar tipik olarak fiber takviyeli plastikten imal edilmiş bir merkezi çubuk ve silikon kauçuk veya etilen propilen dien monomer kauçuğundan (EPDM) yapılmış bir dış dokumadan oluşur. Kompozit izolatörler daha az maliyetli, daha hafiftir ve mükemmel hidrofobik kapasiteye sahiptir. Bu kombinasyon onları kirli alanlarda hizmet için ideal hale getirir. Bununla birlikte, bu malzemeler henüz uzun süredir kanıtlanmış cam ve porselen hizmet ömrüne sahip değildir.
İzolatör Tasarımı
Aşırı voltaj nedeniyle bir izolatörün elektriksel bozulması iki yoldan biriyle meydana gelebilir:
- Bir delik arkı, yalıtkanın malzemesinin bir yalıtımı ve iletimi olup, yalıtkanın iç kısmından bir elektrik arkına neden olur. Arkdan kaynaklanan ısı genellikle yalıtkanın tamir edilemez şekilde zarar görmesine neden olur. Delinme gerilimi, izolatördeki (normal şekilde kurulduğunda) bir delinme arkına neden olan voltajdır.
Bir flashover arkı, yalıtkanın yüzeyi boyunca veya boyunca havanın bir yalıtımı ve iletimi olup, yalıtıcının dış tarafı boyunca bir ark oluşturur. İzolatörler genellikle flashover’a zarar vermeden dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Flaş voltajı, bir çakma arkına neden olan voltajdır.
Çoğu yüksek voltajlı izolatör, delinme voltajından daha düşük bir flashover gerilimi ile tasarlanmıştır, bu nedenle zarar görmemeleri için delinmeden önce flaşlar yanıp söner.
- Yüksek voltajlı bir yalıtkanın yüzeyindeki kir, kirlilik, tuz ve özellikle su, bunun karşısında iletken bir yol oluşturarak kaçak akımlara ve flashozlara neden olabilir. İzolatör ıslandığında, flaş voltajı% 50’den daha fazla azaltılabilir. Dış mekan kullanımı için yüksek voltajlı izolatörler, bu kaçak akımları en aza indirgemek için, kaçak akım olarak adlandırılan bir uçtan diğerine sızıntı yolunun uzunluğunu en üst düzeye çıkarmak üzere şekillendirilir. Bunu başarmak için yüzey bir dizi oluk veya eşmerkezli disk şeklinde kalıplanır. Bunlar genellikle bir veya daha fazla hangar içerir; ‘Kupa’ altındaki yüzey sızıntısı yolunun parçasının ıslak havada kuru kalmasını sağlamak için şemsiyeler gibi hareket eden aşağı doğru bakan bardak şeklindeki yüzeyler. Minimum kaçak mesafeleri 20–25 mm / kV’dir, ancak yüksek kirlilik veya havadaki deniz tuzu alanlarında arttırılmalıdır.
İzolatör Tipleri
Süspansiyon izolatörleri
Pim tipi izolatörler, yaklaşık 69 kV’den daha büyük voltajlar için uygun değildir. Daha yüksek iletim voltajları, diziye izolatör elementleri ekleyerek herhangi bir pratik iletim gerilimi için yapılabilen süspansiyon izolatör dizileri kullanır.
Daha yüksek gerilim iletim hatları genellikle modüler süspansiyon izolatör tasarımlarını kullanır. Teller, birbirine metal clevis pimi veya top ve soket bağlantıları ile bağlanan aynı disk şeklindeki izolatörlerden oluşan bir “ipekten” asılır. Bu tasarımın avantajı, farklı hat gerilimleri ile kullanım için farklı arıza gerilimlerine sahip yalıtkan dizilerin farklı sayıdaki temel birimler kullanılarak oluşturulabilmesidir. Ayrıca, dizedeki izolatör birimlerinden biri kırılırsa, tüm dizeyi atmadan değiştirilebilir.
Her bir ünite, metal bir kapaklı ve karşıt taraflara yapıştırılmış pim bulunan bir seramik veya cam diskten yapılmıştır. Arızalı üniteleri belirgin hale getirmek için, cam üniteleri, aşırı gerilimin bir flaş yerine camdan delinmesine neden olacak şekilde tasarlanmıştır. Cam ısı ile işlenir, böylece hasarlı birimi görünür hale getirerek paramparça olur. Bununla birlikte, ünitenin mekanik gücü değişmez, böylece izolatör dizisi birlikte kalır.
Standart süspansiyon disk izolatör üniteleri 25 santimetre (9,8 inç) çapında ve 15 cm (6 inç) uzunluğundadır, 80-120 kN (18-27 klbf) yükünü destekleyebilir, yaklaşık 72 kV’luk kuru flashover voltajına sahiptir ve 10-12 kV’luk bir çalışma voltajında değerlendirilmiştir. Bununla birlikte, bir dizginin flaş voltajı, bileşen disklerinin toplamından daha azdır, çünkü elektrik alanı, dizinin her tarafına eşit olarak dağılmamakta, fakat, iletkene en yakın diskte en üstte bulunan, ilk önce yanıp sönen disktir. Metal disk halkaları bazen diskin etrafındaki elektrik alanını azaltmak ve flaş voltajını iyileştirmek için yüksek voltaj ucunda diskin çevresine eklenir.
Çok yüksek voltajlı hatlarda, izolatör, korona halkaları ile çevrelenebilir. Bunlar tipik olarak alüminyum (en yaygın olarak) veya hatta bağlı bakır borulardan oluşmaktadır. İzolatörün hat üzerine bağlandığı noktada elektrik alanını azaltmak için tasarlanmıştır, korona boşalmasını önlemek için güç kayıplarına neden olur.
Tarihçe
İzolatörlerden yararlanan ilk elektrik sistemleri telgraf hatlarıydı; tellerin ahşap direklere doğrudan bağlanmasının, özellikle nemli havalarda, çok zayıf sonuçlar verdiği bulunmuştur.
Büyük miktarlarda kullanılan ilk cam izolatörler işlenmemiş bir iğne deliğine sahipti. Bu cam parçaları, kutupun çapraz kolundan dikey olarak yukarı doğru uzanan konik bir ahşap pim üzerine yerleştirildi (genellikle sadece iki izolatör bir direğe ve belki de direğin tepesindeki bir taneye). Bu “dişsiz izolatörlere” bağlı olan tellerin doğal kasılması ve genişlemesi, manüel olarak yeniden yerleştirmeyi gerektiren pimlerden ayrılan izolatörlere neden olmuştur.
Seramik izolatörleri üreten ilk şirketlerden biri, 1840’lı yılların ortalarından itibaren sert kabuklu sert malzeme kullanan Stiff ve Doulton, Joseph Bourne (daha sonraları Denby olarak değiştirildi) 1860’lı yıllardan üretenler ve 1868’deki Bullers’tı. Firmanın patent numarası 48.906’ya verildi. 25 Temmuz 1865 tarihinde Louis A. Cauvet, dişli bir iğne deliği olan izolatörlerin üretilmesi için bir işlemdir: pim tipi izolatörlerin hala dişli iğne delikleri vardır.
Süspansiyon tipi izolatörlerin icadı, yüksek voltajlı güç iletimini mümkün kılmıştır. İletim hattı voltajları 60.000 volta ulaştığında ve geçtiğinde, izolatörler çok büyük ve ağır hale gelirler, 88 000 voltluk bir güvenlik payı için üretilen izolatörler, üretim ve kurulum için pratik sınır hakkındadır. Diğer taraftan, süspansiyon izolatörleri, hat voltajı için gerekli olduğu sürece dizilere bağlanabilir.
Çok çeşitli telefon, telgraf ve güç izolatörleri yapılmıştır; Bazı insanlar hem tarihi ilgileri hem de birçok yalıtkan tasarım ve estetiğin estetik kalitesi için onları toplarlar. Bir koleksiyoncu örgütü, 9.000’den fazla üyesi olan ABD Ulusal İzolatör Derneği’dir.