ELEKTRĠK ġEBEKELERĠNDE YENĠ NESĠL SĠLĠKON KOMPOZĠT ĠZOLATÖR TASARIMI, ĠMALAT TEKNOLOJĠLERĠ VE PORSELEN ĠZOLATÖR ĠLE KARġILAġTIRILMASI
Hüseyin ARABUL Elektrik Y. Mühendisi EMEK-BARIŞ Elektrik Endüstrisi A.Ş Yönetim Kurulu Başkanı Balıkhisar Mah. Köyiçi Kümeevleri No:574 06750 Akyurt Ankara-Türkiye
ÖZET Elektrik enerjisinin iletim ve dağıtımında enerji nakil hatlarında, yüksek gerilimli askı ve gergi izolatörleri ile 1100 kV’a kadar güç transformatörleri, akım-gerilim transformatörleri, kapasitörler, parafudurlar, kesiciler, ayırıcılar imalatında kullanılan oyuk (hollow) veya dolu (solid) tip porselen izolatörler 150 yıldır kullanılmaktadır. Elektrik enerjisinde tüketilen güçlerin hızla artması, kullanım güç talebini büyütmüştür. Artan güç değerlerini karşılamak için nominal gerilim seviyeleri yukarılara çekilmiştir. IEC standartları en yüksek nominal gerilim değerini 765 kV olarak gösterirken, ABD, Kanada, Çin Cumhuriyeti ve Rusya Federasyonunda DC ve AC olarak 800 kV ile 1100 kV nominal gerilimli şebekeler işletmeye alınmıştır.Yıllardır kullanılan yalıtım malzemeleri, isteklere ve değişen çevre anlayışlarına, insan emniyeti ihtiyaçlarına cevap vermemeye başlamıştır. Örneğin, porselen izolatörlü bir YG veya ÇYG kesicinin işletme esnasında oluşan yüksek basınç sonucu patlaması çevreye 20 kg’lık porselen parçalarını 25 metre mesafeye savurması, can kaybı tehlikesi ve milyonlarca tüketicinin elektriksiz kalmasına sebep olabilmektedir.
Silikon Kauçuk ve Kompozit Malzemelerin bir araya getirilmesi ile elde ed ilebilen yeni nesil "Silikon Kompozit İzolatörler" (polimer izolatör), teknik, ekonomik, tedarik, sağlık ve çevre korunması yönünden porselene rakip olacak özelliklere sahiptir. Son 30 yıldır işletmede denenen polimer izolatörler çok olumlu sonuçlar vermiştir. Bu izolatörler için son yirmi yılda geliştirilen standartlar, IEC 61109, IEC 60660, IEC 62217, IEC 61462 ve IEC/TS 60815-3 numaraları ile yürürlüğe girmiştir. Bu standartlar, sahip olunması gereken teknik koşulları, yapılması gereken mekanik, elektrik, kimyasal deneyleri ve ömür test yöntemlerini belirlemiştir. Bu bildiri, izolatör kullanıcılarına ışık tutmak amacıyla, Polimer İzolatörün teknik yapısı, tasarımı ve imalat teknolojileri, kendi içerisindeki farklılıkları, porselen izolatörler ile karşılaştırılmasını, polimer izolatörler üzerinde yürütülen ARGE çalışmalarını anlatır.
GĠRĠġ Enerji nakil hatlarında (Demir Yolları dâhil) ve elektrik teçhizatı imalatında kullanılan alçak gerilim, orta gerilim, yüksek gerilim ve çok yüksek gerilim izolatörler 150 yıldır
1
porselen olarak kullanılmaktadır. 7 milyar kişilik dünya nüfusunun 1,4 milyarının elektriğe kavuşmak ve gelişmekte olan ülkelerin elektrik tüketimini artırmak için ENH ve transformatör merkezleri (TM) yatırımları yapılmaktadır. Yeni yapılan sanayi yatırımları ile talep olunan enerji gücü artmakta ve elektriğin uzun mesafelere taşınması gerekmektedir. Yapılan ENH ve TM yatırımları, izolatör kullanımında çevre koşulları, teknik özellikler, tedarik süresi, taşıma ve fiyat konularında porselen izolatörlere alternatif çözüm arayışlarını zorunlu hale getirmiştir. Yeni nesil olarak geliştirilen izolatörler, dış kaplaması silikon ve çekirdeği kompozit malzeme olduğu için Silikon Kompozit Ġzolatör (SKĠ) , bazen kısa olarak Polimer Ġzolatör veya Kompozit Ġzolatör olarak isimlendirilir. Geliştirilen polimer izolatörlerin teknik üstünlükleri porselen ve cam izolatörlerin önüne geçmiştir. SKİ’nin uygulamaya başlandığı son on yılda, rekabet nedeniyle porselen izolatör fiyatları düşüşe geçmiştir. Örnek olarak, 2002 yılında 825 $ olan 170kV oyuk porselen izolatörünün 2012 yılındaki birim fiyatı 410$ olmuştur. SKİ lerin performans değerleri ile ilgili yapılan onlarca ARGE çalışma sonuçları, bildiri, makale, tez ve imalatçı firma raporları ile toplumun bilgisine sunulmuştur. Bu bilgilere IEC, CIGRE, WEC web sayfalarından ulaşmak mümkündür. Silikon Kompozit İzolatör imalat teknolojileri son 10 yılda çok hızlı gelişmiştir. Türkiye veya yurt dışındaki bir çok izolatör tüketicileri, enerji nakil hatları ve cihaz kullanımında satın alma şartnamelerine SKİ kullanımını nasıl dahil edeceği konusunda tereddüt ettiği gözlenmektedir. 43 yıldır teçhizat imalatında 525 kV’a kadar porselen izolatör kullanan, 525 kV’a kadar ENH projeleri ve tesisi yapan bir grubun sorumlusu olan bu bildirinin yazarı, SKİ konusunda, enerji üretim, iletim ve dağıtım yatırımı ile işletme hizmetini gerçekleştirenlere ışık tutmak amacıyla, TÜBİTAK TEYDEB desteği ile EMEK ELEKTRİK ENDÜSTRİSİ A.Ş ve BARIŞ ELEKTRİK ENDÜSTRİSİ A.Ş’nin ortaklaşa gerçekleştirdiği
55O kV GERİLİME KADAR SİLİKON KOMPOZİT İZOLATÖRLERİN IEC STANDARDLARINA UYGUN TASARIMI, PROTO TİPLERİ İMALATI, DENEY SERTİFAKALARININ ALINMASI. (Projenin kısa adı: SİLKOMİZ 550 ) ARGE Projesinin yürütücülüğünü Hüseyin ARABUL ve Fikret ŞENEL yapmaktadır. Bu proje ile oluşan özgün çalışma çıktılarını sektör ile paylaşılmak üzere, “ELEKTRĠK ġEBEKELERĠNDE YENĠ NESĠL SĠLĠKON KOMPOZĠT ĠZOLATÖR TASARIMI, ĠMALAT TEKNOLOJĠLERĠ VE ÜSTÜNLÜKLERĠ” Adı altında Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesinin 12.Enerji Kongresinde bildiri olarak sunulmuştur. GENEL
Yalıtım koordinasyonu elektrik mühendisliğinin en önemli konusudur. Yalıtımda koordinasyonun sağlanması elektrik devresinin oluşturduğu elektrik alan dağılımının ve kullanılacak yalıtkan malzemenin özelliklerinin bilinmesi ile mümkündür. Bu nedenle, elektrik cihazları üretiminde, ENH ile TM’nin tasarımında kullanılacak teçhizatın seçimi, elektrik enerjisinin kaliteli ve sürdürülebilir üretilmesi, iletilmesi ve dağıtımı için çok önemlidir.
2
Kaliteli yalıtım malzemelerinin yapısındaki elektronlar hareket edemez. Her yalıtım malzemesinin, yapısındaki elektronları uyararak harekete geçirebileceği gerilim değeri vardır. Bu değere atlama (delinme) gerilimi denir. Bu gerilim değeri geçildiğinde, yalıtım malzemesinde elektronlar harekete geçerek yalıtım özelliğinin bozulmasına sebep olur ve enerji boşalması olur. Delinme sırasında, serbest elektrik yük taşıyıcılarının elektronları, kuvvetli elektrik alanı yüzünden çok hızlanır, birbirine çarpması sırasında atomların iyonlaşmasına sebep olur. Serbest kalan elektronlar zincirleme reaksiyona neden olur. Yalıtım malzemesinin, hareketli moleküller sayesinde direnci en düşük seviyeye iner. Havada “Korona Boşalması” en yakın YG iletkene doğru gerçekleşir. Meydana gelen “Ark” arzu edilmeyen akım değerini yaratır. Bu tür delinmeler, kalınlığı ne olursa olsun, her türlü yalıtkan için geçerlidir.[Şekil-1]
Şekil 1. 525 kV darbe geriliminde yalıtım kalınlığına ve izolatör yapısına rağmen meydana gelen delinme için örnek [kaynak EMEK]
Enerji nakil hatlarında fazların birbirine ve toprağa karşı yalıtılması ve cihazlar içerisindeki elektrik devrelerinin yalıtım koordinasyonunu güçlendiren yağ veya gazın muhafazası ve istenilen geometriyi sağlaması, dış muhafaza olarak, primer ile toprak arası istenilen mesafeyi sağlamak için izolatör kullanılır. Hangi amaçla olursa olsun kullanılacak izolatörlerin kullanıldığı çevre ve isteğe bağlı olarak elektriksel, kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip olması gerekir. Değişik koşullara bağlı olarak asgari değerde olması gereken genel teknik şartlar uluslararası teknik çalışma gruplarının oluşturduğu IEC, ANSI, ASTM standartları tarafından belirlenmiştir.
IEEE, CIGRE, WEC ve benzeri Sivil Toplum Kuruluşları (STK), düzenledikleri
sempozyum ve konferanslarda sundukları bildirilerle SKİ teknolojilerinin irdelenmesine, gelişmesine, uygulamalarına, yönlendirilmesine ve denetlenmesine imkan sağlamaktadır. Bu kuruluşlar tarafından yayınlanan teknik bildiriler, tüketicilere ve uzmanlara yol göstericidir. Standartlar dışında her yatırımcının kendine özgü istekleri olabilir. Bunlar, tüketicinin teknik gereksinimi, çevre ve özel istekleri sonucu belirlenebilir. Bu istekler ile standartlar bir bütündür.
Akım-gerilim transformatörü, kaplin kapasitör, kesici, ayırıcı, parafudur gibi cihazların primer veya sekonder bağlantılarının ana gövdeye karşı yalıtılması son 25 yıla kadar rakipsiz olarak porselen izolatör ile sağlanmıştır. Enerji nakil hatlarında, mesnet izolatörlerinde ve ayırıcı imalatında porselene karşı cam izolatör alternatifi kullanılmıştır.
3
POLĠMER MALZEMENĠN TARĠHÇESĠ
Porselen ve cam izolatörlere alternatif olarak ARGE çalışmaları yürütülen kompozit polimer malzemeler son 20 yıldır uygulamada ticari olarak kullanılmaya başlamıştır. 1907 yılında Dr. Baekeland’in sentetik fenol formaldehit’i buluşundan sonra Şellak ve Reçine üzerinde çalışmalar başlatılmıştır. Başlangıçta geliştirilen doğal polimerler, dâhili kullanımda çok iyi elektrik değerlerine sahip olmasına rağmen temelinde karbon olmasından dolayı çok zayıf iz direncine (tracking resistance) sahip idi. 1930 ve 1940 lı yıllarda sentetik reçine konusunda gelişme olmamış ve bu dönemde bütil ve akrilik malzemeler kullanılmıştır. Ancak bu çalışmalar, yüksek gerilimde harici ortamda ve ekonomik olarak başarılı olamamıştır. Alüminyum trihidratın (ATH) plastik ve elastomer ile birlikte kullanılmaya başlaması hariçte kullanılan elektrik yalıtımının İz Direnç değerini artırmıştır. Bu gelişme yalıtım malzeme tarihinde önemli bir adım olarak kabul edilmiştir. ATH kullanımında ilk çalışma sonuçları, epoksiler, poliester, silikon kauçuk ve Etilen Propilen Kauçuk (EPR) malzemeleri için umut verici olmuştur. Bu uygulama, fenolik bileşenlerin İz Direncini daha da geliştirmiştir. Ancak bu gelişim bütün polimerlerde aynı derecede olumlu sonuç vermemiştir. 1960’lı yıllarda poliester ve bisfenol- A epoksi reçinelerde başarılı ARGE sonuçları alınmıştır. Bununla ilk kez, cam elyaflı güçlendirilmiş epoksi (GRP) çubuk üzerine epoksi reçine kaplanarak askı izolatörleri imal edilmiştir. Dâhili kullanımda bisfenol- A epoksi başarılı olsa da epoksi reçine ile kompozit çubuğun termal genleşme katsayılarının farklı olması olumsuzluk yaratmıştır. Uygulamada, UV yaşlanması ve iz (tracking) sorunu ile karşılaşılmıştır. Yapılan ARGE çalışmaları sonucunda dış ortama uygun ve epoksi reçine sorunlarını çözebilen sikloalifatik epoksiler geliştirilmiştir. Fakat termal genleşme katsayısı sorunu çözülememiştir. Rutubetli ortamda elektromekanik sorunlar oluşmuştur. Yukarıda anlatılan olumsuzlukları gidermek üzere 1960 lı yıllarda, EPR ve SR (Silikon Kauçuk-Silicone Rubber) bileşenlerinden oluşan elastomerler geliştirilmiştir. EPR ve SR, cam elyaf takviyeli epoksi çubuk veya boru ile kullanımı sonunda termal genleşme katsayısı sorunu yok edilmiştir. EPR ve SR her ikisi de göreceli olarak olumlu sonuç vermiştir.
SĠLĠKON KAUÇUK NEDĠR? [ 7, 11] Silikon kauçuk, sentetik bir malzemedir. Havaya ve geniş sıcaklık bandına dayanıklıdır. Elektriksel ve termal yönden iyi bir yalıtım malzemesidir. Oksitlenmeye dayanıklı, düşük yüzey enerjisi ve yüksek bağ enerjisinden dolayı ultraviyole ışınlarında (UV) bozulmaz. Bu özellikler silikon kauçuk malzemenin Elektrik İzolatörü olarak kullanılmasına imkân verir. Silikon kauçuk özellikleri, polimer yapısından kaynaklanır. Sıcaklığa karşı kararlı oluşu ve kötü hava koşulları ile oksitlenmeye karşı direnci silikon oksijen (Si -O) bağlarından kaynaklanır. Polimer zincirlerinin esnekliği düşük yüzeysel enerji (hidrofobik) özelliğini ve düşük sıcaklık esnekliğini oluşturur. Silikon, normal olarak, -75°C ile + 200°C gibi geniş bir çalışma aralığına sahiptir. Bu sıcaklıklar arasında,
4
fiziksel özelliklerini hiç kaybetmez. Silikonlar göreceli olarak zayıf aşınma direncine sahiptir ve benzen, toluen gibi aromatik hidrokarbonlara karşı kimyasal direnci ve yüksek basınçlı buharlara direnci azdır. Silikon kauçuk iskeletindeki Si -O bağından dolayı güneş ışınına karşı dirençli, esnek, hava koşullarına ve ozona karşı dayanıklı, dielektrik özelliği iyi, bariyer özelliklere sahip, ısı ve yangına karşı dirençlidir. Silikon, inert bir malzemedir (kimyevi etkinliği yoktur). İnsan ve çevre sağlığı üzerinde olumsuz etkisi yoktur. Tam vulkanize edilmiş (pişirilmiş) silikon, üzerinde mantar üremesine olanak vermez. Bu nedenle gıda sanayiinde, tıpta, eczacılıkta ve kozmetik sanayinde başarıyla kullanılabilmektedir. [1] Silikon kauçuk ne organik ne de inorganik maddedir. Yüksek gerilim yalıtımı için kullanılan SR tipik olarak dimetilsiloksan ( dimethylsiloxane) olup %45 organik özelliği vardır. Silikon kauçuk organo-silikon bileşiği olarak sınıflandırılır. Bu sınıflandırma çok önemli olan karbon (organik) ve silikon (inorganik) arasındaki (C-Si) bağdan kaynaklanmaktadır.[2] Polimer, birbirini tekrarlayan atom zincirinin yan yana geldiği çok geniş bir molekül yapısıdır. Kelime anlamı Yunanca “Çok Parçalı” demektir. Polisiloksan (Polysiloxane), birçok siloksan birimi demektir. Silikonun ana ham maddesi kumdur. Kum, Karbon ile ısıtılarak silikon elementine dönüştürülür. Metil klor ile silikon elemanları bir araya getirilerek klorosilanlar elde
edilir. Elde edilen bu yapıdan dimetildiklorosilan ayrıştırılır. Bu ayrışım su ile işleme tabi tutularak dimetilsilandiol oluşturulur. Dimetilsilan yoğunlaştırılarak önce metil siloksanlar daha sonra polimerize edilerek polidimetilsiloksanlar ve son olarak silikon
kauçuk haline getirilir. Bu hale gelmiş olan silikon kauçuk ana ham madde olarak alaşım ve karışım yapılmaya hazırdır.[8] Dimetilsiloksanlardan, silikona bağlı olan karbon gruplarının değiştirilmesi ile değişik karışımlar da elde edilebilir. Yapılan değişiklikler ana kauçuk malzemeye farklı özellikler kazandırabilir. Silikon moleküllerinin çoğunda silisyum atomlarına bağlı metil ya da fenil grupları yer alır. (CH3)2-Si-Cl2 + 2H2O → (CH3)2-Si-(OH)2 + 2HCl n[(CH3)2-Si-(OH)2 ] → [-Si(CH3)2-O-]n
Metil grupları yapıya; Su iticilik, yüzey sertliği, yanmazlık özelliklerini kazandırır. Fenil grupları (aromatik); Isı ve aşınma direnci kazandırır, organik kimyasallarla da uyumludur. Vinil grupları; Silikon kauçuklarının sertliğini artırırken metoksi ve alkoksi grupları düşük sıcaklıklarda çapraz bağlanmayı sağlarlar. [3]
KARIġIMLAR Polimer teknolojisi oldukça karmaşıktır. Kullanıcının istediği fiziksel, kimyasal ve elektriksel hatta özel isteklere uygun karışım hazırlayarak Silikon Kauçuk elde edilebilmektedir .
Karışım içerisinde, silikon esaslı kısım (elastomer), güçlendirici katkı, genişletici dolgular, muhtelif katkılar, kürleşme katkıları (agents) ve özel katkılar kullanılır. Düşük basınç, yüksek sıcaklık dayanımı, düşük sıcaklıkta esneklik isteği, sıvı ve gazlara karşı dayanım, YG elektrik dayanımı ve ark iz direnç isteklerinin elde edilebilmesi ana malzeme ve katkıların seçimi ile belirlenir. Bu özellikleri temin ederek piyasaya sunan Wacker, Dowcorning, Bluestar, DJSilicon, Jiangsu Hongda vb firmalar mevcuttur.[4]
5
Elastomerler
Bileşik hazırlanırken en önemli adım elastomer seçimidir. Elastomerin seçimi istenilen özellik ve işlenebilirliğe bağlıdır. Çok çeşitli silikon polimerler olmasına rağmen birkaç tanesi yüksek gerilimli izolatör imalatı uygulamalarında kullanılabilir. Uygun elastomerler, yapılacak analiz ve testlerle ve özgün eşleşme yapılarak bulunabilir. Metilsiloksanın (MQ) ısı ve oksitlenme direnci iyidir. Dimetilsiloksanların silikona bağlı karbon grupların değişmeyle modifikasyonu sağlanabilir. Her modifikasyon değişik özellik katabilir. Bu sayede yağ direnci, düşük sıcaklık esnekliği, düşük sıkıştırma ayarı ve şeffaflığa izin verir. VMQ (metilvinil siloksan) MQ ile aynı gibi görünse de MQ standart silikon kauçuktur ve VMQ ya dönüştürülerek kullanılır. VMQ kürleşmeyi hızlandırır ve kürlenmiş kauçuğun esnekliğini artırır. Elastomerler istenilen şekil ve özelliklere dönüşebilmeleri için değişik katkı malzemeleri ile birlikte işleme tabi tutulur. Bu katkı maddeleri aşağıdaki gibidir. Vulkanizasyon (SertleĢtirme) Katkıları (agents) : Kimyasal reaksiyona sebep olarak çapraz bağlı elastomerik moleküller oluşmasını sağlar. Kimyasal çapraz bağlanma ile elastomerik bileşik, yapışkan yumuşak malzemeden sert, sıcaklığa karşı kararlı malzemeye dönüşür. Vulkanizasyon ya da kürleme katkıları çok farklı tiplerde bulunmaktadır. Silikon kauçukta vulkanizasyon yan zincirlerdeki karbonlar arasında olur. Tüm çapraz bağlar karbon-karbon (C-C) bağlarından oluşmaktadır. Organik peroksitler yüksek gerilim yalıtımında kullanılan en yaygın vulkanizatlardır. Yardımcı Katkılar (agents &coagents): Polimer ve vulkanizat arasında oluşan çapraz bağların parçalanmasını önler. Bu bağların kırılıp yeni bağlar oluşturmasını engeller. İki çeşit yardımcı katkı vardır: Tip I yardımcı katkılar (agents), kürleşme hızını ve kür sertliğini hızlandırır. Tip II yardımcı katkılar (agents) kürleşme hızını etkilemezken sertliği artırır. Antidegredantlar : Kauçuğun oksijen, ozon, ısı veya ışıktan bozulmasını geciktirir. ĠĢlem Yardımcıları: Bileşiğin diğer kimyasallarla karışmasına, karışım yapılan cihaz içerisinde kolay hareket edebilmesine yardımcı olur. Dolgu Maddeleri: Elastomerin fiziksel özelliklerini güçlendirici niteliktedir. İki çeşit dolgu malzemesi vardır; Güçlendirici tip veya Uzatıcı-genişletici tip: Quartz, titanyum dioksit, kil, çinko oksit, tebeşir tozu uzatıcı veya genişletici olarak kullanılan dolgu maddeleridir. Alumina trihidrat (ATH) tüm izolatör bileşiklerinde elektriksel iz oluşumu ve yanmaya karşı yüksek direnç sağlar.[4] Yüksek dolgu içeren elastomerler iyi ark direncine sahiptir. Ancak geleneksel iz testlerinde (tracking wheel test) ya da diğer standartlarda gerilim olayları arasında iyileşme sürecine izin vermemesinden dolayı (ATH) Al(OH)3 dolgusu fazla eklenememektedir. [5]
Bağlayıcı Katkılar (Coupling Agents): Bağlayıcı katkılar (agents) dolgu ile elastomer arasında kimyasal bağın oluşmasını sağlarlar. Elektrik izolatörlerinde ATH ve polimer arasında köprü durumundadır ve elektriksel özellikleri, modülüs ve gerilme dayanımını artırırlar. PlastikleĢtirici ve YumuĢatıcılar: Bunlar karıştırmaya yardımcı, viskoziteyi ayarlayıcı ya da düşük sıcaklıklarda esneklik sağlayıcı olarak kullanılırlar. Yukarıda anlatılan katkı malzemeleri ile vulkanize edilen silikon kauçuk karışımının dış ortamda ve yüksek gerilim izolatörleri için en önemli özelliği hidrofobik olmasıdır. Hidrofobiklik, polimerin yüzeyinde su tutmama özelliğidir. Eğer polimerik yüzeyde su
6
tutulmazsa kaçak akım azaltılmış olur. Ayrıca hidrofobik olan yüzey su damlaları kaydıkça temizlenmiş olur. Kontaminasyon veya kirliliğin uzaklaştırılması yine kaçak akımı azaltır. Hidrofobiklik konusunda yapılan araştırmalar, silikon kauçuk alaşımının, üzerine silikon kaplanmış porselen ve EPDM’den çok daha iyi olduğu sonucunu vermiştir.[6] Araştırmalar sonunda SR (silikon kauçuk) ’ın geçici olarak kaybettiği hidrofobik özelliğini geri kazandığı kanıtlanmıştır. [7] Bu özellik, farklı mekanizmalarla açıklanabilse de genellikle yüzeydeki silikon bileşeni içerisinde bulunan silikon yağının Düşük Molekül Ağırlıklı (LMW) ve gezer olması sayesinde açıklanmaktadır.
KOMPOZĠT MALZEMELER [8] Uzay çağının başlaması ile uzay araçlarında kullanılan malzemenin mekanik dayanımı ve ağırlığı önem kazanmıştır. Bu nedenle çelik ve alüminyum yerine geçebilecek kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Kompozit malzemelerin mekanik dayanımı, fiziksel özellikleri uçak sanayisinde kullanılan metallerin yerine kullanılmasına imkân vermiştir. Türkiye de BARIŞ Elektrik Endüstrisi A.Ş. (BARIŞ) elyaf ile güçlendirilmiş plastik (FRP) polimer boru uygulamasını 30 yıl önce başlatmıştır. BARIŞ’ta anti tank silahının lançerinin yapımı ile başlayan kompozit boru imalatı günümüzde çok gelişerek 600 mm çap ve 6000 mm boyunda füze borularının yapımına imkan vermektedir. Polimer İzolatör imalatında kullanılmak üzere ilk kompozit borular yine BARIŞ bünyesinde 1988 yılında başlamıştır. İlk imal edilen cam elyaf takviyeli plastik (GRP) borular, Avrupa ve Japonya da ki firmalara (MWB ve NGK) satılmıştır. Yüksek Gerilim Silikon Kompozit İzolatörler üç ana bölümden meydana gelir. Dış kısımda atmosfer ile karşı karşıya kalan gövde bölümü ve gövdeye güç veren çekirdek diye isimlendirilen kompozit malzeme bölümü ve SKİ’nin alt ve üstünde kullanılan metal bağlantı parçalarından oluşur. Yukarıdaki paragraflarda, gövdenin silikon kauçuk alaşımından yapıldığını inceledik. Yüksek gerilim polimer izolatörleri imalatında iki ayrı yapıda kompozit malzeme kullanılabilir. Birincisi, enerji nakil hatları (Demir Yolları dahil) izolatörleri ile mesnet izolatörlerinde kullanılan çubuk (rod) kompozit malzeme, ikincisi, cihaz imalatında kullanılan İçi boş (hollow) kompozit malzemedir.
Her iki tip kompozit malzeme, elyaf ile güçlendirilmiş epoksiden (FRP) yapılır. Genellikle, oyuk (hollow) kompozit (FRP) borular, elektrik cihazı imal eden firmalar tarafından kullanılmaktadır. Oyuk kompozit izolatörlerde kullanılacak borularda, kimyasal dayanım, mekanik dayanım, aşınmaya karşı direnç ile elektriksel özellikleri çok iyi olan "epoksi" reçine ile E-Cam Elyaf ve ECR-Cam Elyafı kullanılır. Oyuk kompozit borunun üretimi için çeşitli üretim teknikleri vardır. Vakum veya Basınç İle Islatma, Prepreg (Reçine emdirilmiş elyaf) Malzemeler ile Sargı , Santrifüj Döküm teknikleri ile yapılan imalat YG İzolatör imalatları için uygun değildir. YG SKİ imalatı için uygun olan teknolojiler aşağıdaki gibidir. Filaman Sargı: Reçine banyosuna girerek ıslanan elyaf sürekli dönmekte olan mandrel üzerine sarılırlar. ( Şekil 2 ve Şekil 3) Sarım sırasında sıcaklık, elyaf gerginliği ve sarım açısı sürekli kontrol altında tutularak istenilen özelliklerde ürün üretilmesi sağlanır.
7
Şekil 2. Filaman Sargı Yöntemi [9]
Şekil 3. Cam Elyaflı "Filaman Sargı" Boru[9]
Pultrüzyon/Gergili Sarım(Pull winding): Pultrüzyon/gergili sarım sürekli bir üretim yöntemidir ve üretim hızı diğerlerine nazaran daha yüksektir. Reçine ile ıslatılan elyaflar form verilecek ısıtılmış kalıp ile birlikte çekilerek kalıp ile aynı profilde malzeme imalatı gerçekleştirilmiş olur.(Şekil 4)
Şekil 4. Pultrüzyon İşleminin Şematik Gösterimi [9] Pultrüzyon yöntemiyle ayrıca çubuklar ve asimetrik profillerin üretimi de mümkündür. Yüksek et kalınlıkları ile imalat yapılabilmesi, mükemmel elektriksel ve mekanik özelliklere sahip olma ve 2000 mm'ye kadar büyük çaplarda sargılar yapılabilmesini sağlayan "filaman sargı" yöntemi, oyuk kompozit izolatörler için en çok kullanılan ve pratik olan yöntemdir.
SĠLĠKON KOMPOZĠT ĠZOLATÖR YAPISI
8
SKİ yapısında silikon gövde ve gövdeye mekanik dayanımını sağlayan çekirdek yukarıda anlatılmıştır. Gövde ve çekirdeğin dışında izolatörün istenilen yere bağlantısını ve hermetikliğini sağlayan, mekanik kuvvetleri çekirdeğe ileten metal parçalar vardır. Armatür veya flanş olarak isimlendirilen metal parçalar (Şekil 5), alüminyum alaşım veya demir döküm (kokil veya dövme pres) olarak izolatörün alt ve üst kısma sıkma (crimping) [Şekil 6] veya ısıl işlem [Şekil 7] ile bağlanır. Metal bağlantı parçalarının tasarımı ve seçiminin elektrik alan dağılımında önemi dikkate alınmak zorundadır.
Şekil 5 . Çubuk Kompzit İzolatör
Şekil 6. Çubuk İzolatör bağlantı (crimping) şekli
Şekil 7 -Elyaf ile güçlendirilmiş çubuklar (FRP)
Şekil 8– Flanşları bağlanmış kompozit boru (kaynak:MR)
Şekil 9. Silikon kauçuk kanatlı oyuk kompozit izolatör gövdesinden kesit örnek [9]
9
SĠLĠKON KOMPOZĠT ĠZOLATÖR ĠMALAT TEKNOLOJĠLERĠ Silikon kompozit izolatörün yukarıda anlatılan üç ayrı bölümünün olması gereken teknik özellikleri standartlar tarafından belirlenmiştir. Kullanılacak silikon kauçuk alaşımının, kompozit boru [Şekil 8] veya çubuğun [Şekil 7] teknik özelllikleri ve mekanik bağlantı parçalarının özellikleri bilinerek imalat teknolojisi uygulanır. İmalatçılar, önceden özelliklerini bildiği malzemelere uygun olarak kendine özgü teknoloji ile SKİ leri imal eder.[ Şekil 9] İmal edilmiş olan SKİ nin sahip olması gereken teknik değerler standartlar tarafından tanımlanmıştır. SKİ imalatçısı polimer malzeme, kompozit malzeme ve son mamül için standartların tanımladığı teknik değerleri ve varsa müşterinin isteklerini karşılamakla sorumludur. Tüketici uygulanan teknolojiyi ve malzemelerin (silikon kauçuk, boru/çubuk ve metal parçaların) karakteristiklerini bilme hakkına sahiptir. İstendiği takdirde ek teknik özellikleri imalatçı yerine getirmek zorundadır . Silikon Kauçuk Gövdenin istenilen şekil ve ölçülerde istenilen mekanik güce dayanacak kalıp tasarımı iki parça olarak yapılır. [Şekil 10] İmal edilen kalıpların istenilen sıcaklık kontrolü altında çalışması için sıcaklık kontrol sistemine sahip olması gerekir. İki parçadan oluşan kalıp arasına izolatörün cinsine bağlı olarak kompozit çubuk veya kompozit boru yerleştirilir. Kompozit çubuk veya kompozit boruların iki uçuna armatür veya flanş parçaları bağlanır. Bu işlem, uygulanacak teknolojiye bağlı olarak Silikon Gövde baskısından önce veya sonra gerçekleştirilebilir. Burada kullanılacak makineler yatay veya dikey çalışan pres şeklindedir. [Şekil 11]
Şekil 10: Kompozit Borunun kalıba bağlanması
Şekil 11: Oyuk SKİ döküm teknolojisi [2KM firması]
Silikon ve katkı maddelerinin kalıba baskısı özel geliştirilmiş ölçme ve dozlama teknolojisi ile yapılır. Ön kürleşme (10 dakika civarında) ve son kürleşme süreleri kullanılan alaşıma ve imalatçının teknolojisine bağlı olarak değişir.[Şekil 9] Macun silikon için dikey presleme ve sıvı silikon için yatay presleme sistemi kullanılır . POLĠMER
ĠZOLATÖRLER ĠÇĠN STANDARTLAR VE KALĠTE KONTROL DENEYLERĠ Kompozit izolatörler ile ilgili olarak, 1- Enerji Nakil hatlarında kullanılan askı ve gergi izolatörleri için IEC 61109 -1992(E) olarak “Composite insulators for a.c. overhead lines with a nominal voltage greater than 1000V” – “ yayınlanan ilk standarttır . Bu standart TSE tarafından TS EN 61109 olarak Haziran 2009 tarihinde son haliyle uygulamaya konmuştur.
10
2- 300 kV’a kadar mesnet izolatörleri için IEC 60660 -1999-10 olarak
“Insulators-Tests on indoor post insulators of organic material for system with nominal voltages greater than 1 000V up to but not including 300kV” standardı yayınlanmıştır. 3- Dâhilde ve hariçte 1000 V üzerinde kullanılan polimer izolatörlerin genel tanımları, deney metodları ve kabul deneylerini kapsayan IEC 62217 First edition 2005-10 2005
yılında yayınlamıştır. 4- Cihaz imalatı ile ilgili olarak “Composite hollow insulators-Pressurized and unpressurized insulators for use in electrical equipment with rated voltage greater than 1 000 V –Definitions, test methods, acceptance criteria and design recommendations” adı ile IEC 61462 First edition 2007-02 Standardı yürürlüğe
girmiştir. 5- IEC/TS 60815-3 Edition 1.0 2008- 10 numara ile Teknik Şartname adı altında “Selection and dimensioning of high-voltage insulators intended for use in polluted conditions – Part 3: Polymer insulators for a.c. systems” standardı yayınlanmıştır .
TSE, yukarıda bahsedilen IEC standartlarını aynen kabul ederek yayınlamıştır. IEC Standartlarına ilave olarak
“ Guide for The Application of Composites Insulators“ adı altında IEEE 987-1985 ve IEEE 987-2001
CIGRE SC 22-03/2001, Composite Insulators Handling Guide.
Adlı yayınlar ile SKİ kullanımına açıklık getirilmiştir. Polimer izolatörlerin daha güvenilir ve uzun ömürlü olmasını temin için IEC ve CIGRE çalışmaları yürütülmektedir .
Silikon kompozit İzolatörlerde Kalite Temini için Standartlar aşağıdaki deneyleri zorunlu kılmıştır.
Tasarım Deneyleri : Aynı malzeme ve tasarıma sahip izolatörler için bir defaya mahsus yapılır. İzolatörün bütünü ve bileşenlerine tasarım deneyleri uygulanarak, izolatör ve bileşenlerinin elektriksel ve mekanik özelliklerinin zamana bağlı olarak ne derece değiştiği gözlenerek, normal koşullarda izolatörün çalışma ömrü belirlenir. Mekanik stres etkisinde, oyuk kompozit izolatörlerin bozulmaya başladığı anı belirleyebilmek için "strain gauge" (gerinim ölçer) ölçümleri yapılır. Bu deneyler, tasarım ile malzeme ve üretim teknolojisinin uygunluğunu doğrulamak için yapılır. Oyuk kompozit izolatör tasarımında , Borunun tipi, malzemesi, katman kalınlığı, üretim yöntemi ve yerleşimi, Flanş (armatür) ların malzemesi, tasarımı ve yerleştirilme yöntemi, Borunun üzerindeki silikon kauçuk gövde (housing) malzemesinin katman kalınlığının belirlenmesi atılacak ilk adımlardır. Tasarım deneyleri; Arayüzler ve Flanş (armatür), Gövde (Housing) Malzemesi, Kompozit Boru deneyleri şeklindedir.
11
Tip Deneyleri: Oyuk kompozit izolatörlerde borunun ve flanş (armatür) malzemelerine bağlı olarak değişen mekanik karakteristiklerini belirlemek için Basınç Eğilme Deneyleri yapılır . Numune Deneyleri: Bu deneylerin amacı izolatörlerde kullanılan malzeme ve üretim kalitesini belirlemektir. Bu amaçla, ölçülerin doğrulanması, mekanik deneyler ,
galvanizasyon deneyi, Gövde (Housing) ve Flanş (armatür)) kontrolü, Arayüzlerin kontrolünden ibarettir. Rutin deneyler: Bu deneylerin amacı hatalı üretilmiş olan izolatörleri ortadan kaldırmaktır. Üretilen her izolatöre yapılır. Bunlar, Görsel Muayene, Basınç Deneyi, Mekanik Deneyler ve Rutin Sızdırmazlık Deneyini içerir. Yukarıda açıklanan deneylerin çoğu, deney gerçekleştirilmeden önce yapılan hesaplamalar ile doğrulanabilmektedir. Deney öncesi analizler ile en uygun üretim tekniği, FRP et kalınlığı ve sarım açısı, kullanılacak malzeme vb. kritik durumlar belirlenir. Sonrasında, üretilen ürünler üzerinde deneyler yapılarak sonuçlar değerlendirilir. Bu kapsamda çoğu analizler, gelişmiş bir sonlu elemanlar analiz programı olan "Ansys v14" ile yapılabilmektedir.
SIVI VE KATI (MACUN) SĠLĠKON KAUÇUK Yüksek Gerilim SKİ imalatında kullanılabilen iki tür Silikon Kauçuk vardır. Bunlar macun tipinde olan HCR (High Consistency Rubber) silikon kauçuk ile İki ayrı kısımdan oluşan sıvı tipinde LSR (Liquid Silicone Rubber) silikon kauçuktur. Zaman zaman iki ayrı tür silikon kauçuk üzerinde değişik söylemler yapılmakta biri diğerine karşı kullanılmaktadır. Bu nedenle her iki tip kauçuk tanınmalıdır. YG SKİ imalatında kullanılan LSR ve HCR arasında teknik özellikler yönünden fark yoktur. İki malzemenin karşılaştırılması aşağıda verilmiştir [Tablo:1]
Tablo 1: HCR ile LSR Arasında Karşılaştırma¹ [15,16]]
12
Sıra
HCR Silikon Kauçuk ( Macun)
LSR Silikon Kauçuk (Sıvı)
No
1
Yüksek Kıvamlı Silikon Kauçuk (HCR), dolgu, düzenleyiciler, vulkanizasyon ajanları ve pigmentler, ısı ile kürleşerek elastomerik bileşenleri oluşturur.
Sıvı silikon kauçuk (LSR) bileşikleri karıştırılan ve elastomerik bileşenleri oluşturmak için hızla ısıyla kürleşen iki parçalı pompa lanabilir silikon malzemelerdir.
2
Yüksek performansa sahiptir.
3
Üstün mekanik ve elektriksel yalıtım özelliklerine sahiptir. Kısaltılmış geliştirme zamanı Üretim öncesi ön hazırlık gerektirir. Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama, sıkıştırarak kalıplama veya kalenderleme ile işlenebilir. Peroksit yada platin katalizör ile formülasyon oluşturulabilir. HCR bileşik seçenekleri de mevcuttur. Kauçuk bileşenleri ve ilgili ürünler elde
4 5 6
7 8 9
Otomatik olarak büyük miktarda karmaşık tasarımlar için uygundur. LSR işlem verimliliğini artırabilir. Mükemmel işleme performansına sahiptir.
Çabuk kürleme hızı Ürün elde etme süresi daha kısadır. Sıvı enjeksiyon kalıplama ile işlenebilir. Platin katalizör ile formülasyon oluşturulabilir. Düşük üretim maliyetine sahiptir. İki bileşenli ve kullanıma hazırdır.
edilebilir. 10
11
1
Birim fiyatı daha düşüktür Katı silikon kauçuk (HTV=yüksek sıcaklıkta vulkanlaşabilen) yüksek molekül ağırlığına ve göreceli olarak uzun polimer zincirlere
Birim fiyatı daha yüksektir. Sıvı silikon kauçuk düşük molekül ağırlığına ve daha kısa zincirlere sahiptir. Akış özellikleri iyidir.
sahiptir.
Yukarıdaki tablo Dow Corning web sayfasında n alınmıştır .
HCR ile LSR, silikon kauçuk tipleri arasındaki son üründe fiziksel işletme değer farklılıkları görmek mümkün değildir. İki malzeme arasındaki farklılık, kalıp imalatı, makine seçimi ve imalat uygulamalarında sıvı silikon lehinedir.
SĠLĠKON KOMPOZĠT ĠZOLATÖR BĠLEġENLERĠN TEKNĠK ÖZELLĠKLERĠ Yukarıdaki anlatıldığı gibi SKİ lerin Silkon Kauçuk, Kompozit Çubuk/Boru ve Metal aksam ayrı olarak denenmek zorundadır. Bu nedenle olması gereken silikon kauçuk özellikleri aşağıda Tablo:2 de verilmiştir.[9] Kompozit Boru ile ilgili teknik özellikler Tablo:3 de verilmiştir.[12]
13
Tablo:2 Silikon Kauçuk Teknik Özellikleri [12]
Tablo 3: Cam Elyaflı kompozit boru(GFRP) teknik özellikleri[17]
14
GFRP'nin özellikleri- Reinhausen'den borular Sarma Açısı 1) PBFW (25°/54°) BFW (25°)
PFW (54°)
Mekanik Özellikler (Malzeme) Eğilme dayanımı tanjantsal Eğilme dayanımı eksenel Mekanik Özellikler (Boru) Eğilme dayanımı Eğilme Modülü eksenel Eğilme Modülü tanjantsal İç basınç sırasında maksimum eksenel gerilim İç basınç sırasında maksimum tanjantsal gerilim
Standart
Birim
ISO 178 ISO 178
MPa MPa
IEC 61462 IEC 61462 IEC 61462 IEC 61462 IEC 61462
MPa MPa MPa MPa MPa
Başlangıç halka rijitliği (duvar kalınlığına bağlı olarak) Elektriksel Özellikler
DIN EN 1228
N/m
Dielektrik kayıp faktörü tan δ, 23 °C de, 50 Hz
VDE 303-4
10
^-3
Ca. 2
^-3
Ca.4.2
138 302 PFW (54°)
BFW (25°)
120 12000 18200 60 120 2
476 211
PBFW (25°/54°)
350 28000 14000 35 70
VDE 303-4
10
Dielektrik kayıp faktörü tan δ, 23 °C de, 1MHz Dielektrik Dayanımı Krepaj Akım dayanımı
VDE 303-4 VDE 303-21 IEC 60112
10 kV/cm -
Bağıl Geçirgenlik (Bağıl dielektrik sabiti) ε R , 23 °C 50 Hz
VDE 303-4
-
Ca. 5.2
Bağıl Geçirgenlik (Bağıl dielektrik sabiti) ε R , 60 °C 50 Hz
VDE 303-4
-
Ca. 5.2
Bağıl Geçirgenlik (Bağıl dielektrik sabiti) ε R , 100 °C 50 Hz Su difüzyon testi
VDE 303-4 IEC 61462
mA rms
Ca. 5.2 <1
Hacim Direnci (500 V, 23 °C) Ark dayanımı Yüksek akım dielektrik dayanımı (30 ° C) Yükse gerilim krepaj akım dayanımı
IEC 60093 IEC 6161 VDE 0441-1 IEC 60587
Wm
12
s -
3.9·10 177 HD2 1A0
Yüzey dayanımı Diğer Özellikler
IEC 60167
W
1.5·10
12
ISO 1183 ISO 1172
Sıcaklık sınıfı
IEC 60085
Lineer ısısal genleşme katsayısı eksenel (-60...100 ° C)
ISO 11359-2
Lineer ısısal genleşme katsayısı tanjantsal (-60...100 ° C) Alev direnci Alev direnci (akkor tel)
Isısal İletkenlik Su absorpsiyonu (ağırlık sabitlenene kadar)
^-3
113
PFW (54°)
Yoğunluk Cam miktarı Camsı geçiş sıcaklığı Tg
IEC 61006
ISO 11359-2 IEC 60695-11-10 IEC 60695-2-12 DIN 52612 ISO 62 Method 2
g/cm wt-% °C
310 25000 16700 40 80
25150 (5.5cm) 24140 (5.5cm) 31400 (6.5cm) PFW (54°) PBFW (25°/54°) BFW (25°)
Dielektrik kayıp faktörü tan δ, 23 °C de, 1kHz
3
398 294
Ca. 11.5 113 CTI 600
PBFW (25°/54°)
BFW (25°) 2,06 79,5
90
2,02 79,2
2,04 77,7
128 (Rotafil® 50X1X) or 156 (Rotafil® 50X1X) B (Rotafil® 50X1X) or H (Rotafil® 50X1X)
-5 -1
1,55
0,94
1,09
-5 -1
0,94
1,68
1,23
10 K
10 K °C W/mK %
V0 960 0.5-0.6 0.1
1) Talep üzerine daha fazla sarma açıları yapılabilir. PFW: Basınçlı filaman sarma, BFW: bükme filaman sarma, PBFW: Basın/Bükme filaman sarma
PORSELEN VE SĠLĠKON KOMPOZĠT ĠZOLATÖRLERĠN KARġILAġTIRILMASI[9]
15
Tablo 4
:
Porselen İzolatör ile Silikon Kompozi t İzolatör karşılaştırılması İlgili
Sıra
Özellikler
No 1
Kullanım tecrübe süresi
Standart/ Porselen Birim >100 Yıl
2
Uzun izolatör talebi >4m
3
E veya Cam elyaf ile güçlendirilmiş plastik +Epoksi Reçine matriks kompozit boru ECR cam
m
Elektriksel Özellikler Kimyasal Dayanımı Hava koşullarında kararlılık 4
5
6 7 8 9
Fırın ile Kısıtlı
İyi İyi İyi
Yapışma enerjisi
Silikon Kompozit >30
Her iki tip için 1100kV Kısıt yok izolatör imalatı gerçekleşmiştir
Çok iyi İyi Çok iyi
İyi
Çok iyi İyi
İyi
Çok iyi
Zayıf
İyi İyi
Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi
Gerekli
Gereksiz
Zayıf imkansız Zayıf
Çok iyi Çok iyi Çok iyi
Su sızdırmazlık
İyi
İyi
Hava boşluk oluşumu ( PD yönünden)
İyi
İyi
Yapışma özelliği
İyi
İyi
170 kV≤
≥170 kV
İyi
Çok iyi
Maliyet Bedeli
11
Krepaj uzunluğu
12
Mekanik özellikler
Oyuk İzolatör
444 kj/mole
UV ışınları Kimyasal maddelere karşı dayanım Çok düşük ve Çok Yüksek sıcaklıklara karşı dayanım Hidrofobik yapı Suyu yüzeyde tutmaması Tuzu-kiri yüzeyden atması Hidrofobik yapının geri kazanımı Ağır hava koşullarına dayanım Uzun süreli işletme olanağı Krepaj uzunluğuna etkisi Yüzey temizlik gereksinimi Karışık Yapı oluşturma Pedigotları ayrı ayrı imal etme Çoklu ara yüz imkanı Ara yüz kullanımında
10
Açıklamalar
iyi
iyi Orta
zayıf iyi
Ucuz
Kullanılacak malzeme ve teknoloji çok
İmalatçıya bağlı olarak değişebilir. Polimer izolatörde istenilen krepajı uygulamak
mümkündür. Sertlik
13
Yoğunluk Kırılganlık Hasar toleransı Düzensiz taşıma halinde Doğal afetler (deprem gibi) Yıkıcı davranış (vandalism)
16
İyi
Ayarlanabili r Daha iyi
Zayıf Zayıf Çok zayıf zayıf Zayıf
Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi İyi
POLĠMER ĠZOLATÖRLER HAKKINDA TEKNĠK DEĞERLENDĠRMELER VE ÖNERĠLER
Polimer malzemenin, YG izolatörü olarak uzun süreli çalışılabilirliği, tasarım deneyi olan hızlandırılmış yaşlandırmayla kanıtlanmıştır. Polimer Alaşım, İz oluşumu, UV ışınımı ve Korona oluşumuna dayanıklıdır. Polimer malzemenin fiziki yeteneği çizilme, ağaçlanma ve çatlama, erozyon, hidrofobiklik etkilerine karşı olumlu cevap vermektedir. ASTM G53 te belirtilen hızlandırılmış yaşlanma deneyi ile malzemenin çizilme, çatlamaya karşı direnci ve hidrofobik kayıp miktarının standartlara uygunluğu kanıtlanmıştır.[6]
Kuru bant arkı deneyinde başarılı sonuç vermiştir.
Silikon kauçuk aşağıdaki deneylerden geçmek zorundadır , [6] Sertlik Deneyi (IEC 62217 paragraf 9.3.1), Hızlandırılmış yaşlandırma Deneyi
(IEC 62217 paragraf 9.3.2), İz oluşumu ve erozyon Deneyi (IEC 60587), iz oluşumu sınıfı 4.5 kV da 1A olmalıdır. Alevlenebilirlik, (IEC 60695-11-10) standardına göre alevlenme sınıfı V0, Hidrofobilik Deneyi (IEC 62073, C metodu) standardına göre HC1 yada HC2 olduğu, Hidrofobiklik geri kazanımı (IEC 62073, C metodu) elektrik boşalması yada temizlenmeden 24 saat içinde yapıldığında, ve HC2 yada HC1 sınıfına girmektedir.
Epoksi reçinenin camsı geçiş sıcaklığı 120 °C-130ºC civarında ve sünme direnci (creep resistance) IEC 60112 standardına göre CTI 600’e uygundur. FRP boruya flanşı tutturmak için aynı camsı geçiş sıcaklığına sahip kullanılan epoksi reçine bazlı yapıştırıcı ile boruda kullanılan epoksi reçine sayesinde bağlantı noktalarında esnemelerin meydana gelmediği belirlenmiştir. FRP boru tüm izolasyon sıvılarına (mineral izolasyon yağı, sentetik izolasyon yağı) ve SF6 ya karşı dirençli olduğu kanıtlanmıştır. [13,14] Flanşlar (armatür) korozyona dirençli alüminyum alaşımdan olmalıdır. Sıvı ve gaz sızdırmamalıdır. Yüzey pürüzlülüğü ≤ 16 µm olmalıdır. SKİ, IEC 61462 tasarım deneylerine ek olarak izolatörün eğilme dayanımı -60 °C ve 110 °C de ölçüldüğünde oda sıcaklığında ölçülen değerden %5 farklı olmadığı tespit edilmiştir. 70º C de 8 saat sabit 35kN çekme yükü uygulandıktan sonra geri dönüşümü olmaktadır. Su geçirgenlik deneyinde, 25º C de bağıl nemlilik % 60-75 arasında 10 yıl sonra kullanımda olan izolatörün iç hacimde birikmiş suyun hacmi %0.05 den az olduğu kanıtlanmıştır. Kirli izolatörlerde oluşan yüzey akımı polimer yüzeyinin erozyonuna sebep olur. Erozyonun ve iz (tracking) oluşumunun önüne geçmek için (ATH) dolgu olarak polimere eklenmektedir.
Açık havada bulunan izolatörler üzerinde ince bir kir tabakası oluşur. Deniz ya da kıyı kasabalarda bu kir tabakası tuz ile birleşmişken iç kısımlardan toz, fabrika atıkları ve tarımsal gübreler izolatör yüzeyini kaplar. Bu izolatör ıslandığı zaman polimerde reaksiyon başlayabilir. Aynı şekilde tropik iklimlerde mikro organizmalar büyüyerek izolatör yüzeyini kaplar ve akım kaçaklarına sebep olabilir. Akım şiddeti arttıkça izolatör ısınmaya başlar ve ısındıkça mikro organizma popülasyonu artmaya devam eder. Kısmi arklar organizmaları parçalar ancak biyolojik kalıntılar oluşmaya devam eder.[18]
17
Yüzeydeki kontaminasyonu ortadan kaldırmak için basınçlı yıkama yada elle yıkama yapılabilir ancak çok miktarda izolatörün bir arada olduğu TM lerinde bu mümkün değildir. Bunun için yüzeydeki kontaminasyonu ortadan kaldırmak için silikon yağ kullanılabilir. Kullanıldığı şartlara göre 3 ay ile 5 yıl arasında yenilenmesi gerekmektedir.
Polimer izolatörlerin; Montaj kısımlarındaki zayıf bağlantı noktalarından, yüzey hatlarından yada çatlaklardan, Polimer malzemenin suyu emmesi ile su ile korozif kimyasallar yada iyonlaşabilen kontaminantlar polimer içerisine girerek polimerin mekanik özelliklerini etkileyebilir. Su absorpsiyonu depolimerizasyona ya da polimer ve dolgular arasında polarlaşmaya sebep olabilir. En önemlisi de geçirgenliği artırarak dielektrik gücün azalmasına neden olur . [10] Kompozit izolatörde bağlantı elemanları genellikle alüminyum ya da çelikten oluşmaktadır. Kompozit İzolatörlerde kullanılan kompozit gövde eğilme, gerilme ve sıkışma gibi mekanik yüklere karşı uygulama alanına bağlı olarak dayanıklı olmak zorundadır. Metal uçların boyutları IEC 60120, IEC 60471, IEC 61466 veya eşdeğer ANSI standartlarına uygun olmak zorundadır. 70 kN a kadar dökme çelik metal uçlar kullanılırken 70 kN üzerinde dövme çelik (forged steel) kullanılmaktadır. Demiryolu için kullanılan izolatörlerde ise kabuk alüminyum (coquille aluminium) metaller kullanılmaktadır. Ayrıca çelik metal uçlar sıcak daldırma yöntemi ile galvanizlenerek kalınlık IEC 60383 standardına göre ayarlanmalıdır. Kompozit İzolatörde kullanılacak kompozit çubuk, sürekli pultrüzyon yöntemi ile üretilebilmektedir. Kompozit içinde kullanılan elyaf içeriği hem eğilmede hem de spesifik iç gerilmede önemli rol oynamaktadır. Reçine matriksine bağlanmada cam boyutu önemli bir parametredir. Reçine matriksinin düşük nem absorpsiyonuna ve elektriksel, mekaniksel değişimlerin fazla olmadığı bir yapıda olması tercih edilir. Ayrıca gevrek kırılma (brittle fracture) olmaması için bor bulunmayan cam elyaf kullanmak gerekmektedir. Bükülme eğilme davranışları IEC 61952 (Hava Hattı Mesnet İzolatörleri- Line Posts) ve IEC 62231 (Station Posts) standartlarına uygun olmalıdır. Normal pedigot profilleri için 2.7-2.8 krepaj faktörü ve alternatif pedigotlar için 3.84.0 krepaj faktörü dikkate alınmalıdır. Pedigotların alt kısımları yataydan minimum 3° eğik olmalıdır.
SONUÇ İzolatör, elektriğin elektrik enerji nakil hatları ile taşınılmasında ve transformatör merkezlerinde kullanılan teçhizatın imalatında yalıtım koordinasyonunu sağlar. 150 yıldır kullanılan porselen izolatörler kullanılmaya devam edecektir. Çevre korunması, taşıma (ağırlık), hidrof obik özellik, yüksek krepaj, tedarik süresi, artı ve eksi geniş sıcaklık bandı, doğal afetlere dayanım konuları öncelik kazandığında silikon kompozit izolatör öncelikli kullanılacaktır. Porselen ve polimer izolatörin fiyatları yukarıdaki özelliklerin maliyetleri dikkate alınarak karşılaştırılmalıdır. Yatırımcı seçim tercihini değerlendirme sonucu yapmalıdır.
18
Referanslar 1-
Materials handbook: a concise desktop reference, François Cardarelli, İkinci
baskı, Springer ] 2- Polymer insulating materials and insulator for high voltage outdoor applications. By Sri Sundhar, A1 Bernstorf, Waymon Goch, Don Linson, Lisa Huntsman; The Ohio Brass Company-8711 Wadsworth Rd. Wadsworth, OH 44281 3- http://www.hubbellpowersystems.com/literature/insulators/SiliconeWhitePaper1.pdf 4- http://www.dowcorning.com/content/publishedlit/rubber tech98.pdf 5-Surface Structural Changes of Naturally Aged Silicone and EPDM Composites Antonios Vlastos-Chalmers University Insulators by E of Technology,Gornenburg Swedenand Stanislaw M. Gubanski Royal Institute of Technology S-100 44 Stockholm Sweden
6-Aging in Silicone Rubber used for outdoor insulation by R. S.GON,G.G.Karady, A. Jagota, M. Shah and A. M. Yates Dept. of Electrical Engineering, Arizona State University, Tempe, AZ 85287-5706 7- Rubber Technologist Handbook Volume 2, Chapter 11 Silicone rubber, 385, 386 8- Barış elektrik Endüstrisi A.Ş. SİLKOMİZ 550 projesi, 1. Dönem teknik Raporu 9- Dr. Armin Merten, Dr. Jens Frost. Main Features of Hollow-Core Composites in Comparison to Porcelain Insulators. Germany : Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, Power Composites Division. 10- High Voltage Insulators, by JP Holthausen, www.idc-online.com 11- MOMENTIVE performance materials “Next Generation Silicone Rubbers for the
High Voltage Industries” 12-Rheinhausen Power Composites GmbH, Specification for Hollow composite insulators for high voltage outdoor equipment with U m≥52,5 kV 13- Electrical engineer's reference book, M. A. Laughton, D. F. Warne, Onaltıncı
Baskı, Newnes 14- PFISTERER SEFAG SILCOSIL SILICON INSULATORS Technical Facts 15- www.downcorning.com 16- Solid And Liquid Silicone Rubber Material And Processing Guidelines 17- Main Features of Hollow-Core Composites in Comparison to Porcelain Insulators Dr. Armin Merten Reinhausen Power Composites GmbH 18- Biofims on silicone rubber materials for outdoor high voltage insulation by Stina Wallstrom [ Thesis work]
19
