Yüksek gerilim

Yüksek gerilim (yüksek voltaj), genel olarak yaşayan canlılara zarar verecek yükseklikte gerilimdeki elektrik enerjisi anlamına gelir. Yüksek gerilim taşıyan gereçler ve iletkenler belirli güvenlik gereklilikleri ve prosedürlerini temin etmelidir. Bazı endüstrilerde yüksek gerilim belli bir eşiğin üstündeki gerilim (aşağıya bakınız) anlamına gelir. Yüksek gerilim, elektrik güç dağıtımı, katot ışın tüpleri oluşturmak, X-ışınları ve parçacık demeti üretmek, arklanma kurmak, kıvılcımlanma için, fotoçoğaltıcı tüplerde ve yüksek güçlü yükseltici vakum tüplerde ve diğer endüstriyel ve bilimsel uygulamalarda kullanılır.

Yüksek gerilimin sayısal tanımı duruma göre değişir. Bir gerilimi “yüksek gerilim” olarak sınıflandırmak için iki faktör dikkate alınır; havada kıvılcıma sebep olma olasılığı ve yakınlık veya temas sonucu elektrik şok tehlikesi. Tanımlar iki iletkenli bir sistem ya da herhangi bir iletken ve yer arasındaki gerilimi ifade eder.

Elektrik güç iletişimi mühendisliğinde, yüksek gerilim yaklaşık 35,000 volt üzeri herhangi bir gerilim olarak değerlendirilir. Bu sınıflandırma ekipman ve yalıtma tasarımına göre temellenir. Uluslararası Elektroteknik Komisyonu ve onun ulusal meslektaşları (IET, IEEE, VDE, vb.) yüksek gerilimi alternatif akım (AC) için 1000 V üzeri, doğru akım (DC) içinse en az 1500 V üzeri olarak tanımlar – ve düşük gerilim (50-1000 V AC veya 120-1500 V DC) ve ekstra düşük gerilim (<50 V AC veya <120 V DC) devrelerden ayırır. Bu tanım bina kabloları elektrikli aletlerin güvenliği içeriğine dahil olur.

2011’de ABD Ulusal Elektrik Yasası (NEC) elektrik tesisi yönetmeliği düzenlemelerinde model olmuştur. Bu düzenlemelerde yüksek gerilimle ilgili tanım bulunmamaktadır. NEC® sadece 600 ve altındaki ve üstündeki gerilimleri kapsamaktadır. Ulusal Elektrik Üreticileri Derneği (NEMA) yüksek gerilimi 100 kV – 230 kV üzerinden tanımlar. İngiliz standartları BS 7671:2008 ise iki iletken arası alternatif akımda 1000V üzeri, dalgasız doğru akımda 1500V üzeri ya da toprak ile iletken arasında alternatif akımda 600V, dalgasız doğru akımda 900V üzeri gerilim olarak tanımlar.

Elektrikçiler sadece belli gerilim sınıfları için belli yetki sınırları içinde lisans alabilirler. Örnek olarak, HVAC sistemlerinin kurulumu gibi özelleşmiş alt-ticaret elektrik lisansları, yangın alarmı sistemleri, kapalı devre televizyon sistemleri, iletkenler arası sadece 30 volta kadar onaylanabilir ve şehir şebekesi içinde çalışmaya izin verilmeyebilir. Kamu, eve ait temel devreleri (100-250 V AC), normalde karşılaşılan en yüksek gerilimleri, yüksek gerilim olarak görebilir.

Yaklaşık 50 volt un üzerindeki gerilimlerin yarattığı akım genellikle bir devrenin iki ucunu tutan bir insanın vücudu için tehlikelidir, bu yüzden güvenlik standartları genellikle böyle devreler için daha kısıtlayıcı olmalıdır. Çok yüksek gerilimin (EHV) tanımı da yüksek gerilim gibi içeriğe göre değişir. Elektrik güç iletişimi mühendisliğinde EHV malzemeleri iletkenler arası 345,000 V taşır. Elektronik sistemlerde, 275,000 volt üzeri enerji sağlayan güç kaynağı EHV Güç Kaynağı olarak adlandırılır ve fizik deneylerinde sıklıkla kullanılır.

Televizyon katot ışını tüpü için artan gerilim, cihazın diğer gerilim kaynaklarıyla kıyaslanacak olursa çok yüksek gerilim ya da ekstra yüksek gerilim (EHT) olarak tanımlanabilir. Bu tip kaynaklar 5 kV- 50 kV arasındadır.

Dijital elektronikte, makul yüksek gerilim 1 bit olarak gösterilir. TTL gibi eski sistemlerde 5 volt kullanılırken, yeni bilgisayarlarda sıklıkla 3.3 volt (LV-TTL) ve hatta 1.8 volt kullanılır.

Otomotiv mühendisliğinde yüksek gerilim alternatif akımda 30-1000 V ya da doğru akımda 60-1500 V arası tanımlanır.

50 V üzeri gerilimlerin kuru bozulmamış insan derisine uygulanması eğer elektrik akımı dokulardan geçip göğüs bölgesine gelirse kalbin hızlı çarpmasına sebep olur. Elektrik akımı geçmesi sebebiyle ölüme sebep olabilen gerilim ise kuru insan derisinin elektriksel iletkenliğine bağlıdır. Yaşayan insan dokusu, kuru derinin yalıtkanlık özelliği sayesinde 50 volta kadarki gerilimin vereceği zarardan korunabilir. Eğer aynı deri ıslanırsa, deride yaralar varsa ya da elektrotlara uygulanan gerilim derinin içine giriyorsa, 40 volttan daha az gerilim kaynakları bile öldürücü olabilir.

Yeterli enerji sağlayan yüksek gerilimlere kazara temas etmek şiddetli yaralanmalarla veya ölümle sonuçlanabilir. Bu durum insan vücudunun akım geçişi için yol sağlaması, dokularda tahribata ve kalp yetmezliğine sebep olur. Diğer yaralanmalar ise kazara temas halinde elektrik arkının sebep olduğu yanıklardır. Bu yanıklar eğer kazazedenin hava yolları etkilenirse özellikle tehlikeli olabilir. Yaralanmalar aynı zamanda yüksek bir yerden düşen ya da kayda değer uzaklığa atılma gibi fiziksel kuvvetlerin yol açmasıyla da oluşabilir. Yüksek gerilime düşük enerjide maruz kalmak zararsız olabilir, örneğin kuru havada halıda yürüdükten sonra kapı koluna çarpınca kıvılcımın oluşması gibi. Gerilim 1000 V aralığında olmasına rağmen akım (yük transfer hızı) düşük olduğu için zarar vermez.

Elektrik işçilerinin kullandığı güvenlik ekipmanları yalıtkan kauçuk eldiven ve keçeden oluşmaktadır. Bunlar kullanıcıyı elektrik şokundan korur. Güvenlik malzemeleri düzenli olarak kullanıcının güvenliği açısından test edilmektedir. Test düzenlemeleri ülkelerde farklılık gösterir. Test şirketleri 300,000 volta kadar test yapabilir ve Yüksek Çalışma Platformu (EWP) veya EWP Truck testi ile eldiven testi servislerini sağlar.

Kuru havanın delinme dayanımı, standart sıcaklık ve basınçta (STP), küresel elektrotlar arasında 33 kV/cm’dir. Bu sadece kabaca bir ölçümdür çünkü asıl delinme dayanımı yüksek oranda elektrotların şekline ve büyüklüğüne bağlıdır. Yüksek elektrik alanlar (küçük veya sivri iletkenlere uygulanan yüksek gerilimlerden) sıklıkla havada mor renkli elektrik boşalması olduğu gibi görülebilir küçük kıvılcımlar da üretirler. 500-700 Volt altındaki gerilimler atmosferik basınçta kolaylıkla görülebilir kıvılcım veya parıltı üretemezler, yani bu kurala göre bu gerilimler “düşük”tür. Ancak, düşük atmosferik basınçta (yüksek irtifalı uçaklar) veya argon veya neon gibi soygazların olduğu ortamlarda, kıvılcımlar çok daha düşük gerilimlerde gözükebilir. Kıvılcım oluşması için en az 500-700 arası gerilimler gereklidir diye kısıtlanmamalıdır, fakat bu temel kural olarak alınabilir. STP’de hava için minimum delinme gerilimi 327 Volt olarak Friedrich Paschen tarafından bulunmuştur.

Düşük gerilimler genellikle gerilim uygulanmadan önce oluşan araları atlamayıp, oluşan akım geçişine müdahale ederek düşük gerilimli kıvılcım ya da arklar üretirler. Temas noktaları birbirinden ayrıldıkça, temas noktasındaki küçük noktalar son olarak ayrılacak kısım olur. Bu noktalardaki akım bu küçük sıcak noktalara sıkışır ve onların akkor hale gelmesini sağlar, böylelikle bu noktalar elektron saçarlar(ısıl yük salımı ile). 9 voltluk piller bile karanlık bir odada bu mekanizmayla fark edilebilir ölçüde kıvılcımlanabilir. İyonlaşmış hava ve metal buharı (temas noktalarından), geçici olarak aralığı genişletecek plazma oluşturur. Eğer güç kaynağı ve yük yeterli akım geçişine izin verirse, kendine yetebilir ark oluşabilir. Oluştuğunda ise, ark devreyi bozmadan önce önemli bir uzunluğa genişleyebilir. Endüktif devre açmaya çalışmak genellikle ark oluşturur, çünkü akım kesildikçe endüktans yüksek gerilimli sinyal sağlar. Alternatif akım sistemlerinin her döngüde akım iki kere sıfır olduğu için uzun süreli kıvılcımlanma yapması daha az olasıdır. Kıvılcıö her akım sıfıra gittiğinde sönmeli ve kıvılcımın sürdürülebilmesi için sonraki yarı döngüde tekrar ateş almalıdır.

Ohm iletkeninden farklı olarak, arkın direnci akım arttıkça azalır. Bu da elektrikli eşyalarda istenmeyen kıvılcım oluşması tehlikesi oluşturur, çünkü küçük bir kıvılcım bile yeterli akımla büyüyüp eşyaya zarar verebilir ve hatta yangın başlatabilir. Bilerek oluşturulan arklar, ışıklandırmada veya kaynaklardaki gibi, arkın akım/gerilim özelliğini dengelemek için devrede bazı elementlere ihtiyaç duyar.

Yüksek gerilim eğer önemli büyüklükte akım taşıyamıyorsa tehlikeli olmayabilir. Düşük nemli ortamlarda görülen genel statik elektrik kıvılcımları daima 700 Voltun epeyce üzerinde gerilim kapsar. Örneğin, kışın araba kapılarındaki kıvılcımlar 20,000 V üzeri gerilim kapsayabilir. Aynı zamanda, Van de Graaff jeneratorü ve Wimshurst makineleri gibi fizik uygulama cihazları bir milyon volta yakın gerilim üretebilir ya da en kötü ihtimalle kısa bir şiddette taşıyabilirler. Bunun sebebi dahil olan elektron sayısının çok yüksek olmamasıdır. Bu cihazların sınırlı miktarda depolanmış enerjisi olduğundan üretilen akım düşük ve kısa sürelidir. Yük boşaltımı sırasında bu cihazlar vücuda bir saniyenin milyonda biri ya da daha az süre boyunca yüksek gerilim uygularlar. Bu yüzden düşük amperli akımlar kısa süreliğine uygulanır ve dahil olan elektron sayısı çok azdır.

Yük boşaltımı kısa süreler için aşırı boyutta yüksek gerilim barındırabilir, fakat kalp fibrilasyonuna sebep olmak için, bir elektrik güç kaynağının birçok milisaniye boyunca kalp kasına yüksek ölçüde akım uygulamalı ve biriken toplam enerji milijoule veya daha fazlası aralığında olmalıdır. Sonuç olarak 50 Volt üzeri herhangi bir yüksek akım tıbben önemli ve potansiyel ölüm tehlikesi olabilir.

Tesla bobinleri elektrostatik cihazlar değildir ve uzun süreli zamanlar boyunca önemli ölçüde akım üretebilirler. Görünüşleri yüksek gerilimli statik elektrik cihazlarına benzemesine rağmen, temas sürdürüldüğü boyunca insan vücuduna sağladığı akım sabittir ve gerilim insan derisinin atlama geriliminden çok daha yüksek olacaktır. Doğru kullanıldığında Tesla bobininin üretiminin uygun tasarımı tedavisel yöntemler için kullanılabilir. Yanlış kullanımındaysa tehlikeye ve hatta ölüme sebep olabilir.

Elektrik enerjisi için elektriksel geçirim ve dağıtım hatları her zaman 50 volttan çokça yüksek gerilim kullanırlar, bu yüzden hat iletkenlerine temas halinde ya da yakınında elektrik ile ölüm tehlikesine sebep olur. Hava hattı kablolarıyla temas sıklıkla yaralanma ve ölüme sebep olur. Metal merdivenler, çiftlik malzemeleri, bot direkleri, yapı makineleri, antenler ve benzer objeler sıklıkla hava hattı kablolarıyla temas edip ölümcül tehlikelere sebep olurlar. Toprağa gömülü kabloları kazmak da kazı alanındaki çalışanlara tehlikeli olabilir. Kazı malzemeleri(el aletleri ya da makineli aletler) gömülü kabloyla temas ederse boru tesisatı ya da alandaki zemine enerji verebilir ve bu da yakındaki çalışanların ölümüyle sonuçlanabilir. Yüksek gerilimli iletim hattı ya da ikinci trafo merkezindeki bir hata toprak yüzeyine yüksek akım geçmesiyle ve toprak potansiyelinin artması da elektrik şoku tehlikesi ile sonuçlanabilir.

Yetkili olmayan kişilerin elektrik direklerine ya da elektrik aparatlarına tırmanması da sıklıkla elektrik ile ölümün kurbanı olurlar [7]. Çok yüksek iletim gerilimlerine yaklaşmak bile çok tehlikelidir, çünkü yüksek gerilim büyük hava boşluklarında kıvılcımlanabilir. Yüksek ve çok yüksek gerilimli iletim hatları için, özel eğitilmiş personel güç verilmiş ekipmana elle temasa izin verilen “canlı hat” tekniklerini kullanır. Bu durumda çalışma yüksek gerilim hattına elektrik gücüyle bağlıdır ama toprak ile tamamen yalıtılmıştır ve böylece hatla aynı elektriksel potansiyelde olur. Bu gibi operasyonlar uzun ve hala tehlikeye sebep olduğu için sadece çok önemli iletim hatları canlıyken müdahaleye maruz kalır. Uygun tasarlanmış durumlar dışında, toprağın yalıtkanlığı toprağa akım geçmeyeceğinin garantisini vermez- topraklama veya toprağa kıvılcımlamanın beklenmedik şekillerde olması ve yüksek frekanslı akımların topraklanmamış bir insanı bile yakabilmesi gibi. İleten bir antene dokunmak bu yüzden tehlikelidir ve yüksek frekanslı Tesla bobini tek uç noktalı bir kıvılcımı devam ettirebilir.

Genellikle yüksek gerilim iletim hatlarındaki koruma malzemeleri istenmeyen kıvılcımları önler ya da bir milisaniyenin onda biri sürede sönmesini garanti eder. Yüksek gerilim devrelerini kesen elektrikli aletler oluşan kıvılcımı güvenli bir biçimde yönetmek için tasarlanır ve böylece oluşan kıvılcımlar zarara vermeden yok olur. Yüksek gerilimli devre anahtarları genellikle yüksek basınçlı hava patlaması, elektriği iletmeyen özel gazlar (basınç altında SF6 gibi) ya da mineral yağına batırma ile yüksek gerilimli devre kesildiğindeki kıvılcımı söndürür.

Ana şalter dizisinde bulunan olası kısa devre akımına bağlı olarak, yüksek yoğunlukta elektrik arkı ihtimali yüzünden sürdürme ve işletme personeline tehlike oluşturabilir. Bir arkın ulaştığı maksimum sıcaklık 10,000 Kelvin’i aşabilir ve ışıma ısısı sıcak, genişleyen sıcak hava ve metal ve yalıtkan maddenin patlayıcı buharı korunmasız işçilerde şiddetli yaralanmalara sebep olabilir.

Bu gibi ana şalter dizileri ve yüksek enerjili ark kaynakları elektrik santralleri ve ikincil trafo merkezlerinde, sanayi tesisleri ve büyük ticari yapılarda bulunur. Amerika Birleşik Devletleri’nde, Ulusal Yangın Korunma Derneği, NFPA 70E standartlarında bir kılavuz yayınladı ve elektrik işçilerinin çalıştıkları yerlerde bu gibi tehlikelere maruz kalmaması için koruma kıyafeti talep etti.

Havayı bölmeye yetersiz gerilimler bile yeterli enerji ile birleştiğinde yanıcı gaz veya buhar içeren atmosferi ya da havadaki tozları yakabilir. Örneğin hidrojen gazı, doğal gaz veya petrol/benzin buharı hava ile karıştığında elektrikli aletlerdeki kıvılcımlar ile yanabilir. Tehlikeli endüstriyel tesislere örnek olarak petrokimya rafinerileri, kimyasal tesisler, tahıl ambarları ve kömür madenleri verilebilir.

Bu çeşit patlamalara alınan önlemler:

• Bir patlamayı tetikleyecek kadar depolanmış elektrik enerjisi biriktirmeyecek şekilde tasarlanmış cihazların kullanımı ile kendinden koruma
• Kıvılcımları önlemek için yağ dolgulu kapamalar kullanılması gibi cihazlara uygulanabilecek önlemler ile arttırılmış güvenlik
• Patlamaya dayanıklı (aleve dayanıklı) duvarlar; bu duvarlar içlerinde herhangi bir patlama olması durumunda kaçamayan ve dışardaki patlayıcı atmosferle yanmayan şekilde tasarlanmıştır (bu tasarım içeride veya dışarıdaki patlamalarda sağlam kalabileceği anlamına gelmez)

Son yıllarda, patlama tehlikesi koruma standartları Avrupa ve Kuzey Amerika arasındaki uygulamalarda aynılaştı. Sınıflandırmada “bölge” sistemi şimdi Amerika Ulusal Elektrik Yasası ve Kanada Elektrik Yasası’nın değiştirilmiş formunu kullanmaktadır. Kendinden korunma aparatları şimdi Kuzey Amerika uygulamalarında kullanımı için onaylanmıştır, yine de Kuzey Amerika'daki alev-korumalı duvarlar Avrupa’da nadir olarak bulunur.

Elektrik boşalması, kısmi boşalma ve tam boşalma dahil olmak üzere, kapalı alanlarda ciddi sağlık tehlikesi yaratabilecek kadar düşük miktarlarda zehirli gaz üretebilir. Bu gazlar klor, ozon ve çeşitli nitrojen oksitlerdir.

Yüksek ölçekli kıvılcımlar, doğal olarak şimşek ile üretilenlerdir. Ortalama bir negatif yıldırım 30-50 kA akım taşır, 5 coulomb yük aktarır ve 500 megajoule enerji yayar (120 kg TNT ile ya da 100-wattlık bir ampulün 2 ay boyunca yakacağı enerjiyle eşdeğer). Yine de, ortalama bir pozitif yıldırım (fırtınanın başında) 300-500 kiloamper akım taşıyabilir, 300 coulomba kadar yük aktarabilir, 1 gigavolta kadar (1 milyar volt) potansiyel farka sahip olabilir ve 300 GJ enerji (72 ton TNT ya da 100 Wattlık bir ampulü 95 yıl yakacak kadar enerji) yayabilir. Negatif yıldırım çarpması genellikle sadece 10 mikrosaniye sürer, ama birden fazla çarpmalar da yaygındır. Pozitif yıldırım darbesi genellikle tek vakadır. Ancak, daha büyük maksimum akım yüzlerce milisaniyeler boyunca geçebilir ve bu da negatif yıldırımdan önemli ölçüde daha sıcak ve tehlikeli olabilir.

Yıldırıma bağlı tehlikeler açıkça bir yere veya bir insana direk yıldırım düşmesini kapsar. Ancak yıldırım aynı zamanda yeryüzünde tehlikeli gerilim bileşenleri olduğu kadar elektromanyetik vuruşlar yaratabilir ve telefon kabloları, çitler, boru hatları gibi metal objelere tehlikeli gerilimlerde ve düşmenin olduğu yerden yüzlerce metre uzaklığa kadar yük sağlayabilir. Bu objelerin çoğu iletken olmamasına rağmen yüksek gerilim bu yalıtkanların iletkenliğini değiştirip onların iletken gibi davranmasına sebep olabilir. Transfer edilen bu potansiyeller insanlara, hayvanlara ve elektronik eşyalar için tehlikelidir. Yıldırımlar aynı zamanda ölüm, yaralanma ve mal zararıyla sonuçlanabilen yangın ve patlamalara sebep olabilir. Örneğin, her sene Kuzey Amerika’da binlerce orman yangını yıldırım düşmesi sonucu oluşur.

Yıldırım düşmesine karşı önlemler zararı hafifletebilir; paratonerler, koruma kabloları, binaların elektrik bağlantıları ve yapısal kısımlarının kapalı ve sürekli beslenen bir form oluşturması.

Yüksek gerilimli yıldırım Jupiterin atmosferine yükünü boşaltması, gezegenin güçlü radyo frekansı yaymasının kaynağı olduğu düşünülmektedir.