Temel Yüksek Gerilim Tekniği Cilt 1 / Prof. Dr. Celal Kocatepe (86066)

ÖNSÖZ

Yüksek gerilim, hiç şüphesiz elektrik enerjisinin yaygınlaşmasında ve buna bağlı olarak kullanımında önemli rol oynamaktadır. Elektrik enerjisinin üretiminden dağıtımına, iletiminden çeşitli alanlarda kullanımına kadar, yüksek gerilime gereksinim duyulduğu büyük bir gerçektir. “Temel Yüksek Gerilim Tekniği” kitabı üniversitelerimizde okutulan yüksek gerilimle ilgili konuları içermekte olup kitapta, temel kavramlardan başlanarak konular açıklanmış, standartlar verilmiş ve konuların anlaşılır olmasına özen gösterilmiştir.
“Temel Yüksek Gerilim Tekniği” kitabı iki cilt halinde hazırlanmış olup Cilt 1 sekiz bölümden, Cilt 2 altı bölümden oluşmaktadır. Cilt 1 kapsamında yer alan bölümler, yüksek gerilimin kullanımı ve çeşitleri, yüksek gerilimlerin üretilmesi, yüksek gerilimlerin ölçülmesi, statik elektrik alan ve koordinat sistemleri, tek tabakalı elektrot sistemleri, çok tabakalı elektrot sistemleri, elektriksel boşalma olayları ve korona boşalması ile dielektrik kayıp, dielektrik malzemenin eşdeğeri ve ölçümleri adlı bölümlerdir. Cilt 2 kapsamında yer alan bölümler ise, iç aşırı gerilimler, dış aşırı gerilimler ve yıldırım boşalması, yürüyen dalgalar, aşırı gerilim koruma elemanları, yüksek gerilim laboratuvarları ve yüksek gerilim testleri ile yalıtım koordinasyonu adlı bölümlerdir.
Bu kitabın hazırlanmasında bana destek olan değerli aileme öncelikle teşekkür ederim. Kitabın hazırlanması sırasında önemli öneri ve katkılarda bulunan kıymetli insan, değerli hocam, Sayın Prof. Dr. Özcan Kalenderli’ye özellikle teşekkürü borç bilirim, yine kitabın hazırlanmasında değerli katkılar sunan vefakar insan, değerli arkadaşım, Oktay Arıkan’a çok teşekkür ederim.
Yüksek gerilim konularının anlaşılması ve öğrenilmesinde “Temel Yüksek Gerilim Tekniği” kitabının meslektaşlarımıza ve öğrencilerimize yararlı olmasını diler, kitabın hazırlanması ve basımı sırasında emeği geçenlere teşekkür ederim.
Eylül 2023, İstanbul
Prof. Dr. Celal KOCATEPE

İÇİNDEKİLER

1. BÖLÜM
YÜKSEK GERİLİMİN KULLANIMI VE ÇEŞİTLERİ……………..1
1.1. Giriş…………………………………………………………..….…...1
1.2. Yüksek Gerilim ve Enerji İletimi……….…………………………....2
1.2.1. Alternatif Akımla Enerji İletimi………….………………..……….3
1.2.2. Doğru Akımla Enerji İletimi……………………….……………....7
1.3. Yüksek Gerilim ile Kayıp Gücün Azaltılması………………………10
1.4. Yüksek Gerilim ile Gerilim Düşümünün Azaltılması....……………14
1.5. Yüksek Gerilim ile Doğal Gücün Artması………………………….15
1.6. Yüksek Gerilimin Kullanıldığı Diğer Alanlar………………………18
1.7. Yüksek Gerilimi Sınırlayan Problemler…………………………….19
1.8. Gerilime Ait Tanımlar……………………………………………....20
1.9. Yüksek Gerilimin Çeşitleri.………………………….………….......27
1.9.1 Yüksek Doğru Gerilim………………………….…………………28
1.9.2 Yüksek Alternatif Gerilim.………………………………………...30
1.9.3 Darbe Gerilimi.………………………………………….…………33
1.10. Darbe Akımları.………………………………….………………...44
2. BÖLÜM
YÜKSEK GERİLİMLERİN ÜRETİLMESİ……………………........49
2.1. Giriş.……………………………………………...…………………49
2.2 Yüksek Doğru Gerilimin Üretilmesi.………………………………...50
2.2.1 Alternatif Gerilimin Doğrultulması.……………………...…….....50
2.2.2 Gerilim Katlayıcı Devreler.……………………………………......55
2.2.3 Elektrostatik Generatörler ………………………………...…….....65
2.3 Yüksek Alternatif Gerilimlerin Üretilmesi…………………………..67
2.4 Darbe Gerilimlerinin Üretilmesi……………………………………..77
2.4.1 Tek Katlı Darbe Generatörleri……………………………………..77
2.4.2 Çok Katlı Darbe Generatörleri……………………………………..82
3. BÖLÜM
YÜKSEK GERİLİMLERİN ÖLÇÜLMESİ………………………….97
3.1 Giriş………………………………………………………………….97
3.2 Yüksek Gerilimin Doğrudan (Direkt) Ölçülmesi……………………99
3.2.1 Küresel Elektrotlar…………………………………………………99
3.2.2 Elektrostatik Voltmetreler………………………………………..109
3.2.3 Tepe Değer Voltmetreleri………………………………………...111
3.2.4 Akım Üretimine Dayanan Voltmetreler…………………………..115
3.3 Yüksek Gerilimin Alçak Gerilimden Ölçülmesi……………………117
3.3.1 Gerilim Bölücülerin Kullanılması………………………………..118
3.3.1.1 Gerilim Bölücü Çeşitleri………………………………………..121
3.3.2 Seri Direnç ve Ampermetrenin Kullanımı………………………..131
3.3.3 Gerilim Ölçü Transformatörü Kullanılması………………………132
4. BÖLÜM
STATİK ELEKTRİK ALAN VE KOORDİNAT SİSTEMLERİ….135
4.1 Giriş………………………………………………………………...135
4.2 Maxwell Denklemleri……………………………………………....136
4.2.1 Denklemlerdeki Vektörel ve Skaler Çarpım……………………..137
4.2.2 Denklemdeki Akım Yoğunluğu…………………………………..139
4.2.3 Ortamdaki Yükün İncelenmesi…………………………………...140
4.2.4 Maxwell Denklemlerinin Özellikleri……………………………..142
4.2.5 Bünye Denklemleri……………………………………………….142
4.2.6 Lineer ve Nonlineer Ortam……………………………………….146
4.3 Statik Alan………………………………………………………….146
4.3.1 Potansiyelin Gradyanı……………………………………………147
4.3.2 Poisson Denklemi………………………………………………...149
4.3.3 Laplace Denklemi………………………………………………...150
4.4 Gauss Teoremi……………………………………………………...152
4.5 Yüksek Gerilim Elektrotları Etrafındaki Yük ve Alan……………..152
4.6 Koordinat Sistemleri, Potansiyelin Gradyanı ve Laplasyeni……….157
4.6.1 Kartezyen Koordinat Sistemi, Potansiyel Gradyanı, Laplasyeni…159
4.6.2 Küresel Koordinat Sistemi, Potansiyel Gradyanı, Laplasyeni……161
4.6.3 Silindirsel Koordinat Sistemi, Potansiyel Gradyanı, Laplasyeni...164
4.7 Elektrik Alan Analizi Yöntemleri………………………………….166
4.7.1 Sonlu Farklar Yöntemi…………………………………………...167
4.7.2 Sonlu Elemanlar Yöntemi………………………………………..171
4.7.3 Yük Benzetim Yöntemi…………………………………………..173
4.7.4 Sınır Elemanları Yöntemi……....………………………………...174
4.7.5 Monte-Carlo Yöntemi……………………………………………174
4.8 Çeşitli Elektrot Sistemlerinin Elektrik Alanı………………….……174
5. BÖLÜM
TEK TABAKALI ELEKTROT SİSTEMLERİ……………………179
5.1. Giriş……………………………………………………………….179
5.2. Elektrik Alanındaki Dielektrik Malzeme…………………………179
5.3. Dielektrik Dayanıklılığı…………………………………………....181
5.4. Elektrot Sistemlerine Ait Tanımlar………………………………...182
5.5. Düzlemsel Elektrot Sistemi………………………………………..184
5.5.1. Laplace Denklemi ile Analiz…………………………………….184
5.5.2 Gauss Teoremi ile Analiz…………………………………………190
5.6. Küresel Elektrot Sistemi…………………………………………...192
5.6.1 Laplace Denklemi Kullanımı……………………………………..196
5.6.2 Gauss Teoremi Kullanımı………………………………………...203
5.7. Silindirsel Elektrot Sistemi………………………………………...225
5.7.1 Laplace Denklemi Kullanımı……………………………………..226
5.7.2 Gauss Teoremi Kullanımı………………………………………...230
5.7.3 Silindirsel Elektrot Sistemine Ait Tanımlar……………………...235
5.7.4 Alan Zorlanmasında En Uygun Silindirsel Elektrot Sistemi……..238
5.7.5 Eş Eksenli Silindirsel Elektrot Sisteminde Delinme……………..243
5.7.6 Ekonomik Eş Eksenli Silindirsel Elektrot Sistemi……………….246
6. BÖLÜM
ÇOK TABAKALI ELEKTROT SİSTEMLERİ……………………249
6.1. Giriş………………………………………………………………..249
6.2. Dielektriklerin Sınır Yüzeyleri ……………………………………249
6.2.1. Dielektrik Sınır Yüzeyinden Alanın Geçişi ve Bileşenleri………250
6.2.2. Sınır Yüzeylerdeki Akım Yoğunluğu……………………………251
6.2.3. Sınır Yüzeylerdeki Elektrik Alan………………………………..252
6.2.4. Sınır Yüzeylerdeki Deplasman…………………………………..252
6.2.5. Sınır Yüzeylerdeki Açılar………………………………………..253
6.2.6. Sınır Yüzeyle Seri Sistem Oluşması……………………………..255
6.2.7. Sınır Yüzeyle Paralel Sistem Oluşması………………………….256
6.2.8. Sınır Yüzeyle Eğik Sistem Oluşması…………………………….257
6.3. Çok Tabakalı Düzlemsel Elektrot Sistemi…………………………257
6.3.1. İki Tabakalı Düzlemsel Elektrot Sistemi………………………...261
6.3.2. İki Yalıtkanlı Çok Tabakalı Düzlemsel Elektrot Sistemi………..263
6.3.3. Çok Tabakalı Düzlemsel Sistemde Hiçbir Tabaka Delinmemesi..265
6.4. Çok Tabakalı Eş Merkezli Küresel Elektrot Sistemi………………266
6.4.1. İç Kürenin Dielektrikle Kaplanması……………………………..271
6.5. Çok Tabakalı Silindirsel Elektrot Sistemleri……………………....274
6.5.1 Düzgün Zorlanan Çok Tabakalı Silindirsel Sistem……………....278
6.5.2. Zorlanmaya Karşı İç Silindirin Kaplanması……………………..281
6.5.3. İki Yalıtkanlı Sistem……………………………………………..284
6.5.4. Tek Yalıtkanlı ve Çok Yalıtkanlı Kablonun Karşılaştırılması…...288
7. BÖLÜM
ELEKTRİKSEL BOŞALMA OLAYLARI VE KORONA BOŞALMASI………………………………………………………….293
7.1. Giriş………………………………………………………………..293
7.2. Elektriksel Boşalma (Deşarj)……………………………...……….294
7.3. Gazlarda Elektriksel Boşalma…...…………………………………296
7.3.1. Düzgün Alanda Gazlarda Elektriksel Boşalma…………………..297
7.3.2. Düzgün Olmayan Alanda Gazlarda Elektriksel Boşalma ………..298
7.3.3. Gazlarda Elektriksel Boşalma Çeşitleri……………………….....298
7.4. Yüksek Gerilimde Gazlardan Beklenen Özellikler………………..301
7.5. Basınç Altındaki Gazlarda Yalıtım………………………………...302
7.5.1. Basınç Altındaki Havanın Delinme Dayanımı…………………..302
7.5.2. Basınç Altındaki SF6 Gazının Delinme Dayanımı……………….303
7.6. Gazlarda Delinme Gerilimi………………………………………...304
7.7. Katılarda Delinme Gerilimi………………………………………..307
7.7.1. Yapısal (Elektronik) Delinme……………………………………308
7.7.2. Termal Delinme………………………………………………….309
7.7.3. Ağaçlanma ve İz Oluşumu ile Delinme………………………….309
7.7.4. Elektrokimyasal Delinme………………………………………..310
7.7.5. Elektromekanik Delinme………………………………………...311
7.8. Sıvılarda Delinme Gerilimi………………………………………...313
7.8.1. Elektronik Delinme Teorisi……………………………………...314
7.8.2. Asılı Parçacıklarla Delinme Teorisi….…………………………..314
7.8.3. Boşluk Delinme Teorisi…….……………………………………315
7.8.4. Kabarcık Delinme Teorisi………………………………………..315
7.9. Vakumda Delinme Gerilimi……………………………………….316
7.10. Korona Boşalması..………………………………………………317
7.10.1. Korona Gerilimi………………………………………………...320
7.10.2. Korona Elektrik Alan Şiddeti…………………………………..323
7.10.3. Enerji İletim Hatlarında Korona Gerilimi………………………324
7.10.4. Korona Boşalmasının Önlenmesi ve Demet İletkenler…………327
7.10.5. Demet İletkenlerde Korona Gerilimi…………………………...329
7.10.6. Demet İletkenlerde Elektrik Alan ve Kritik Açıklık……………333
7.10.7. Korona Kaybı Hesabı…………………………………………..335
7.10.8. Korona Boşalmasının Etkileri…......…………………………...338
8. BÖLÜM
DİELEKTRİK KAYIP, DİELEKTRİK MALZEMENİN EŞDEĞERİ VE ÖLÇÜMLERİ…………………………………………………….341
8.1. Giriş………………………………………………………………..341
8.2. Dielektrik Sabiti……………………………………………………342
8.3. Dielektrik Kayıp…………………………………………………...346
8.3.1. Dielektrik Kaybın Paralel Eşdeğeri……………………………...347
8.3.2. Dielektrik Kaybın Seri Eşdeğeri…………………………………349
8.3.3. Dielektrik Kayıp Bileşenleri ve Devresi…………………………351
8.4. Kayıp Faktörü……………………………………………………...354
8.5. Dielektrik Malzemenin Öz Güç Kaybı…………………………….355
8.6. Kayıp İndisi………………………………………………………..357
8.7. Dielektriklerde Kapasite ve Direncin Ölçülmesi…………………..358
8.7.1. Schering Köprüsü………………………………………………..359
8.7.2. Ölçümde Seri Eşdeğerin Kullanımı……………………………...363
8.7.3. Ölçümde Paralel Eşdeğerin Kullanımı…………………………..365
8.7.4. Wagner Topraklamalı Schering Köprüsü………………………..370
8.7.5. Topraklanmış Elemanların Ölçümü……………………………...371
8.7.5.1. Tersine Çevrilmiş Schering Köprüsü…………………………..371
8.7.5.2. Sıfır Aletinin Topraklanması…………………………………..372
8.8. Yalıtım Direncinin Ölçümü………………………………………..376
8.9. Dielektrik Malzemede Radyo Parazit Deneyi……………………..377
8.10. Kısmi Boşalma Ölçümleri………………………………………..378
KAYNAKÇA………………………………………………………….381
DİZİN………………………………………………………….………385