GÜÇ ENDÜSTRİSİNDE YENİ BİR TEKNİK: AŞIRI İLETKENLİK

GÜÇ ENDÜSTRİSİNDE YENİ BİR TEKNİK:

AŞIRI İLETKENLİK

.1. AŞIRI ÎLETKENLÎK:

Aşırıiletkenler (superconductors) alışıla gelmiş alüminyum ya da bakır iletkenlere gerçek bir rakip olarak ortaya çıkıyor. A şırıiletkenlerin endüstriye girmesinde iki önemli etken var: a. Aşırıiletkenlerin çok yüksek akım taşı ma yetenekleri. 1 cm2 kesitli bir aşırı i letkenden 10 000 ya da 100 000 A yeğinli ğinde akımları hiç dirençsiz, yani hiç joule kaybı olmaksızın geçirmek bugün artık pra tik olarak mümkündür. Araştırmalar sonucu 1 0 2 101* A/mm2lik akım yoğunlukları elde edilebilmektedir.

b. Aşırıiletkenliğin ortaya çıkabilmesi i çin gerekli çok düşük sıcaklıkların ( 268°C = 5°K) elde edilmesi, yapılan a raştırmalar sonucu, gitgide kolaylaşmakta dır.

Bilindiği gibi; niyobyum, kurşun, alümin yum ve kalay gibi bazı manyetik olmayan metaller belirli bir sıcaklıktan aşağıya soğutulursa dirençleri sıfıra inmektedir. (Direnç değeri "çok küçük" bir değere de ğil, gerçek sıfır değerine inmektedir). Böylece iletkende gerilim düşmesi ve joule kayıpları tümden ortadan kalkmaktadır. Bu olaya aşırıiletkenlik adı veriliyor. Aşı rıiletken bir metalden bir halka yapılıp içinde bir elektrik akımı indüklenirse, bu akım hiç azalmaksızın sürekli olarak akmak tadır.

mıknatıs alam

aşı r ı iletkeniik bölgesi

S. normal >v iletkenlik N. bölgösi

sıcakl ık

Şekil 1. Aşırı iletkenliği kaldıran mıkna tıs alan yeğinliğinin sıcaklıkla ' değişimi.

Aşırıiletkenlik, dışardan uygulanan bir mıknatıs alanı etkisiyle, alan yeğinliğinin belirli bir değeri geçmesi durumunda, ani den ortadan kalkmakta ve metal normal bir iletkene dönüşmektedir. Bu mıknatıs alanı nı yaratacak yeğinlikte akım, aşırıiletke nin içinden geçirilirse yine aşırıiletken lik sona erer. Sıcaklık azaldıkça aşırıi letkenliği ortadan kaldırmak için gereken mıknatıs alanı yeğinliği yükselmektedir. Aşırıiletkenliği yok eden akım yeğinliği de sıcaklık düştükçe yükselir(Şekil 1 ve 2).

lanlarında bile aşırıiletken kaldığı bulun du. Daha sonraları NbZr, NbTi alaşımları ve V3Ga bileşimi gibi başka yararlı aşırı iletkenler bulundu.

Akım taşıyan aşırıiletkenin herhangi bir noktasında aşırıiletkenliğin yokolması ve iletkenliğe dönüş, ısınma yaratması dolayı sıyla aşırıiletken boyunca yayılır ve bir çığ etkisi yaratarak aşırıiletkenliği tüm den ortadan kaldırır. Buna engel olmak i çin NbTi alaşımı incecik teller biçiminde yapılmakta ve bakır bir iletken içine yer leştirilmektedir (Ticari adı, Niomax FM C361). Şekil 3'de böyle yapılmış bir aşı rıiletkende aşirıiletkeniik iletkenlik bölgelerinin ayrımı, akım yoğunluğu ve mıknatıs alanı yeğinliği değerlerine bağlı olarak görülmektedir.

Şekil 2. Aşırıiletkenliği kaldıran akım yeğinliğinin, sabit bir sıcaklık ta, dışardan uygulanan mıknatıs alanına göre değişimi.

uygulanan mıknatıs a l a n ı , kG

Şekil

3. Aşırıiletkenliği kaldıran akım yoğunluğunun dış mıknatıs alanına göre değişimi (Niomax FM C361 için).

Önceleri ancak 1 kG mıknatıs alanı yeğin liğine kadar aşırıiletken kalabilen ve bu yüzden de uygulama alanı bulamayan a ş ı r ı iletkenler yapılabiliyordu. 1961'de ABD'de Nb3Sn bileşiminin 1000 A/mir^lik bir akım yoğunluğu taşırken 80 kG'luk mıknatıs a

2. UYGULAMA ALANLARI:

2.1. Aşırıiletken alan sargılı ho mopolar doğru akım motorları:

Yüksek momentli, düşük hızlı büyük DA (doğ ru akım) motorları genellikle büyük, yapı mı zor makinelerdir. Homopolar DA motorla rının yapımı ise, büyük mıknatıs akıları ve büyük demir hacimleri gerektirmesinden dolayı olanaksızdır. Bu büyük değerli akı ların elde edilmesi için aşırıiletken sar gılar ideal bir çözümdür, çünkü mıknatıs alanı bir kez elde edildikten sonra bu a lanı sürdürmek için ek elektrik erkesi ar tık gerekli olmaz. Ayrıca demir kullanıl masına da hiç gerek yoktur. Sonuç;Homopolar makinelerin tüm üstünlükleri (yüksek moment, düşük hız) çok büyük güçlerde ve ağırlığı çok küçük makinelerle gerçekleştirilmekte dir. Bu özelliklerden ötürü aşırıiletken DA motorlarının çok önemli bir uygulama alanı gemi makineleridir. Bu yüzden bazı ülkelerin (özellikle ingiltere) deniz kuv vetleri bu alandaki araştırmalara el koy muşlardır.

2.2. Aşırıiletken kablolar:

Elektrik üretim merkezleri, soğutma suyu sorunundan ötürü genellikle akarsu ya da deniz kıyılarında kurulur. Bu yüzden de u zun iletim hatları kullanma zorunluğu orta ya çıkar. İletim için genellikle kullanı lan hava hatları çirkindir ve sevilmez. Yeraltı kabloları ise hava hatlarına göre 13 kat daha pahalıdır, üstelik su ya da yağ soğutması gerektirir. Bütün bunlar, bu

alanda aşırıiletkenliğin çok yararlı olaca ğını ortaya koymaya y e t e r l i d i r . 2000 MVA'lk güçler ve 10 kA'lik akımlar söz konusudur. Burada ortaya çıkan güçlük alternatif a kımlarda aşırıiletkende çok küçük de olsa histeresis kayıplarının ortaya çıkmasıdır.

Şekil 5. Aşırıiletken sargılı 2 MVA güçlü türboaltematör.

Şekil 4. 15 m uzunluğunda tek fazlı alter natif akım aşırıiletken kablosu, 25 kA deneme akımlı.

Aşırıiletken b i r kabloda üç fazın iletkeni de aynı hava boşluklu zarfta bulunur. 5 K1 lik helyum soğutması için gereken güç kab lonun km'si başına 300 W kadardır. Soğutma merkezleri 10 km a r a l ı k l ı o l a b i l i r . Henüz bu alandaki araştırmalar bitmiş değildir. Şekil 4'de İngiltere'de Central Electric Araştırma Laboratuvarlarında denenmekte o lan 15 km uzunlukta tek fazlı bir a ş ı r ı i letken kablo görülmektedir. Kablonun çapı 120 mm'dir, akım yeğinliği ise 25 kA'dir.

2.3. Alternatif akım türboalterna törleri:

Aşırıiletkenlik kullanılarak AA türboal ternatörlerinde demir ortadan kaldırılabi l i r , DA uyarımı (ikaz) da aşırıiletken sar gılarla sağlanabilir. Sonuç olarak rotorda demir yerine daha sağlam ve daha basit ge reçler kullanılabilir, ayrıca rotor çok daha küçük yapılabilir. Küçük bir helyumlu soğutucu aşırıiletkenlik için gerekli so ğutmayı sağlar. Güç 500 MVA'den büyükse a ş ı r ı i l e t k e n l i makineler daha ekonomik ol maktadır. Makine ağırlığı (ye boyu) yakla şık yarıya inmektedir.

Şekil 6. 5 MVA güçlü aşırıiletkenli türbo altematör.

Şekil 5'de Massachusetts Institute of Tech nology (ABD)de geliştirilen 2 MVA güçlü bir makine görülmektedir. Bu makinede roto run çapı 150 mm, uzunluğu 600 mm ve ağır l ı ğ ı 20 kg'dır. Şekil 6'da Westinghouse'ın geliştirdiği 5 MVA güçlü makine görülmek tedir. İngiltere'de Bilimsel Araştırma Ku rumu 50 MVA güçlü makineler tasarımlanması için araştırmalar yaptırmaktadır.