YÜKSEK GERİLİM ALTINDA ORGANİK İZOLASYON MALZEMELERİNDE İZOLASYON BOZULMA ŞEKİLLERİ

Yüksek Gerilim Altında Organik izolasyon Malzemelerinde İzolasyon Bozulma Şekilleri

UDK: 621-315.61

Yazan: Prof. Dr. Robert WİLKlNS ODTÜ

Çeviren: Prof. Dr. Ahmet RUMELi ODTÜ

ÖZET

Bir polimerik izolasyon malzemesinin yüzeyine bitişik, iki elektrod arasında tutuşan bir deşarjın hemen altındaki bölgede sıcaklık ölçmelerinden, verilen bir izolasyon malzemesi için sabit kalan bir «izolasyon bozulma» sıcaklığı tarif edilebilmektedir. Bu sıcaklığın izolasyon malzemesinin termik ayrışma sıcaklığına bağ hlığı gösterilmiştir. Belirli şekildeki bir izolasyon malzemesi için, izolasyon bozulma sıcaklığı ve malzeme içindeki ısı iletim alanının durumundan belirlenebilen bir «sınır» akımı vardır. Bu sonuçlar, izolasyon malzemesinin karbonlaşma ya da aşınma şeklinde bozulmasının anlaşılmasında ve sentetik reçine yapılı izolatörlerin tasarımında faydalı olmaktadırlar.

SUMMARY

Measurements of the lemperature of the surface of polymeric insulating materials immediately under discharges between electrodes upon the surface show that a «breakdown» temperature can be defined, which is constant for each material. it is shown that this temperature is relateâ to thermal decomposition of the insulating material. For any particular geometry, a «threshold» current exists for each material, which can be predicted from a knowledge of the heat conduction field in the material and the breakdown temperature. These results are useful in interpretation of tracking and erosion test results and for the design of insulators manufactured from synthetic resin.

1. GtRtŞ Yüksek gerilimde kullanılan organik izolasyon malzemelerinin işletme şartlarında karbonlaşma

* Odamızın hazırladığı dizi teknik konferanslar serisinden 27 Aralık 1972 Çarşamba günü saat 14.00'te Mimarlar Odası Konferans Salonu'nda verilmiştir.

Elektrik Mühendisliği 195

(tracking) şeklinde bozulmasına oldukça rastlanır. Karbonlaşma olayı izolasyonun yüzeyinde karbonize kanalların oluşmasına Denilmektedir, iletken olan karbonize kanallar zamanla yüzey boyunca ve genellikle ağaç dallan şeklinde yajılarak kısa devrelere ve arızalara yol açarlar [1]. Karbonize kanalların başlamasından kısa devreye kadar geçen zaman, çevre şartla-

rina bağlı olarak bir kaç dakika ile bir kaç yıl olabilir.

Karbonlaşma olayına, izolasyonun yüzeyinde ıslak kirli şartlarda meydana gelen elektriksel deşarjlar sebeb olur. ImA-lA arasında akım taşıyan bu tür deşarjların tutuşma süreleri bir kaç saniye olabilir. Deşarjlar kirli ıslak yüzeyin kısmi kuruması sonucu oluşan ve «kuru band» denen bölgeler boyunca tutuşur. Deşarjların tutuşmasından sonra yüzey kaçak akımı, deşarjlara seri ıslak kir bölgelerinin direnci ile sınırlanır.

Organik izolasyon malzemelerinin yüzeysel deşarjlara dayanım dereceleri değişiktir. Politetrafloretilen (ptfe) gibi bazı izolasyon malzemeleri yüzeysel deşarjlar altında hiç karbonlaşma göstermedikleri halde yüzeylerinde yalnızca «aşınma» (erozyon) görülür, izolasyon malzemelerini karbonlaşma ve aşınmaya karşı dayanım derecelerine göre sınıflamaya yanyan çeşitli milli ve uluslararası test metodlan geliştirilmiştir.

Değişik test metodları yardımıyla bulunan sonuçlarla, test sonuçlan ve işletme şartlarından edinilen tecrübe sonuçlan arasında çok iyi uygunluk sağlanamamaktadır [2], izolasyon bozulma makenizması dikkatlice incelenirse test sonuçlan arasındaki farklılıkların nedenleri anlaşılabilir.

Bu yazıda sunulan çalışmada, izolasyon bozulmalarının aşağıdaki iki basit fiziksel olay yardımı ile açıklanabileceği gösterilmiştir:

a. izolasyon yüzeyinde tutuşan deşarj yüzeyin ısınmasına yol açar. Belirli yüzeysel sıcaklığın aşılması halinde izolasyon yüzeyinde termik ay rışma olur.

b. Termik ayrışmadan sonra, karbonlaşma ve ya aşınmadan hangisinin görüleceği izolasyon malzemesinin kimyasal yapısından anlaşılabilir. Daha önceki araştırmalarda; oksitleşme, ultraviyole (u. v) radyasyon ve deşarjın sebeb oldu ğu aktif maddelerin izolasyon malzemelerinin bozulmasında önemli etkileri olduğu öne sürül müştür [3]. Ancak, sunulan araştırma izolasyon bozulmasında yukarda (a) ve (b) maddelerinde belirtilen termik mekanizma yanında diğer et-

kilerin ihmal edilebilir olduğunu göstermektedir.

2. TERMO - GRAVtMETRtK ANALIZ izolasyon malzemesinin bozulması termik ma kenizma ile açıklanabilirse, termik makenizma ile malzemenin klasik usûllerle ölçülen termik stabilitesi arasında bir bağıntı kurmak mümkündür. Bu maksatla, termo-gravimetrik analiz (tga) metodu en uygun bulunmuştur [4]. Bu metodda, sıcaklığı sabit bir hızla (genellikle 6°C/dak) artırılan numune parçasının ağırlığı sürekli olarak kaydedilir. Şekil l, tipik tga eğrilerini göstermektedir, «a» malzemesi bir ön ayrışmadan sonra kalıntı bırakırken, «b» malzemesi tamamen yok olup uçmaktadır. Şekilden görüldüğü gibi ağırlık sıcaklıkla bir ayrışma noktasına kadar değişmemektedir. Ayrışma, ısıtma hızı ve numunenin ağırlığına bağlı olarak, 100°C civan veya daha yüksek sıcaklıklarda başlamaktadır. Şekil l'deki eğriler yardımıyla bir izolasyon malzemesinin termik stabilite endeksinin hesaplanması için çeşitli medodlar vardır. Bunlar için en basit ve en uygunu numunenin ağırlığının % 10'unu kaybettiği sıcaklığın dikkate alınmasıdır. Bu sıcaklık TJO olarak gösterilecektir. Bütün hallerde bu sıcaklıkta numune ağırlığında ani değişme görüldüğünden, TK iyice belirlenebilmektedir.

Ağırlık (%)

Sıcaklık

ŞEKİL 1. Havada tipik tga eğrileri: a. Karbonlaşan malzemeler b. Karbonlaşmayan malzemeler

Tablo l, çeşitli izolasyon malzemeleri için ölçülen Tşo değerlerini vermektedir:

TABLO 1:

248 Polyvinüklorit Polimetilmetakrilet

285 Polivinilasetat Penolik/lamine kağıt

307 Epoksi reçine l Epoksi reçine 2 Epoksi

320 reçine 3 Epoksi reçine 4 Ebonit

325 Polipropüen Epoksi reçine 5 Poli

342 karbonat Politetrafloretilen (ptfe) Cam

360 dolgulu ptfe

364 3. DEŞARJLARIN İZOLASYON

MALZEMESİNİ ISITMASI

Termik ayrışmaya kadar geçen zaman 372

basit deneysel maddeler testlerle incelenmiştir

üzerinde [5].

yapılan Birinci

modelde numune, içi boş silindirik 505

şekilde hazırlanmış olup deşarj silindir ekseni boyunca iki pirinç elektrod 510

arasında meydana getirilmiştir. Bu model,

silindirin orta bölgesinde iyice tarif edilebilen

bir termik durum sağlar. Diğer bir modelde

numune (düzlemsel) levha şeklinde olup

deşarj, ASTM-D495 [6]'de belirtildiği şekilde

yüzeyde açıklığı 6,35 mm olan iki tungsten

elektrod arasında meydana getirilmiştir. Bu

halde yüzeyin termik durumunun belirlenmesi

daha zor olmaktadır, îkin-ci durumda deşarjın

dairesel bir ısı kaynağı şeklinde

düşünülebileceği gösterilmiştir [5].

yüzeye yerleştirilmesi halinde ölçülen sıcaklık yüzevsel sıcaklıktan çok deşarj sıcaklığı olmuş olacaktır).

Isı akış denkleminin analitik çözümünden, termokupl yardımıyla okunan değerlerle gerçek yüzeysel sıcaklıklar arasında bağıntı kurulabilmiştir [5].

Ölçmelerden sıcaklığın başlangıçta beklendiği şekilde bir Tb sıcaklığına kadar arttığı ve sıcaklığın aniden ve çabukça artmasıyla termik ayrışmanın başladığı görülmüştür. Tb'ye izo. lasyonun bozulma sıcaklığı denilmiştir. Altı farklı izolasyon malzemesi üzerinde yapılan testlerden verilen bir malzeme için Tb'nin sabit kaldığı ve Tb ile tga'den bulunan T^ sıcaklığı arasında

Tb =

- 50

(D

şeklinde lineer bir bağıntının bulunduğu tesbit edilmiştir. Şekil 2, (1) nolu denklem ile belirlenen doğruyu göstermektedir.

Böylece deşarj altında izolasyonun bozulması ile termik ayrışma arasında bir bağıntı ortaya çıkmaktadır. (1) denkleminin ve Tb'nin önemli fiziksel anlamları olmayıp, amprik nitelikli oldukları bilinmelidir. Yukarıda açıklanan şekilde Tb'nin ölçülmesi numunelerin hazırlanmasında ve testlerde zorluklara yol açmaktadır. Bu nedenle (1) denklemin sağlanması dolaylı bir metodla yapılmıştır. Bu metodda, Tb çok çeşitli izolasyon malzemoleri için aşağıda açıklanan akım-izolasyon süresi karakteristiklerinden bulunmuştur.

3.1 İzolasyon bozulma sıcaklığının ölçülmesi:

Yukarda açıklanan modeller kullanarak, yüzey boyunca tutuşturulan belirli bir deşarj akımında, deşarj civarındaki yüzey sıcaklığı izolasyonun içine yerleştirilmiş 0,05 mm çaplı termokupl yardımıyla ölçülmüştür. (Termokuplun

200 A polypropılen

A epoxı-2

*

100 200

o cam/ptfe • expoxı-5 o pol!m«tılm*ul*«Ut pvc.

MÖ 400 500 600

T» (°C)

ŞEKİL 2. İzolasyon bozulma sıcaklığı ile TM sıcakhğı arasında bağıntı:

3.2 Akım - izolasyon bozulma süresi karakteristikleri:

Akım-izolasyon bozulma süresi (Bozulmaya kadar geçen zaman-izolasyon ömrü) karakteristiklerinin ölçülmesinde levha model ve ASTM D495 tungsten elektrod düzeni kullanılmıştır. Elektrodlar arasında belirli akımdaki deşarjın başlatılmasından sonra bozulmaya kadar geçen zaman (izolasyon ömrü) bir kronometre ile ölçülmüştür. Bu tarzda her malzeme için akımizolasyon ömür karakteristiği çıkarılmıştır. Karbonlaşan maddelerde vazıh bir izolasyon ömrü tesbiti mümkün olmaktadır. Yüzey boyunca akım karbonize izlerden akmaktadır. Karbonlaşmayan maddeler genellikle tedrici olarak bozulma gösterir. Bununla beraber termik stabilite yönünden uygun özellik gösteren ve karbonlaşmayan ptfe (Tablo 1) için vazıh bir izolasyon ömrü balıis konusudur. Ptfe testinde yüzeye bitişik deşarj renginin bir müddet son. ra parlaklaştığı görülmüştür. Bu, izolasyon malzemesinin ayrışmasından açığa çıkan gazlara atfedilmiştir. Şekil 3, ölçülen akım-izolasyon ömür eğrisini göstermektedir. Görüldüğü gibi belirli bir akımın altındaki deşarjlarda izolasyonda bozulma meydana getirilememektedir. Bu akıma «sınır akımı» denilmiş ve I0 ile gösterilmiştir. Sınır akımının üstündeki akımlarda izolasyon ömrü süratle düzelmektedir.

İzolasyonun Ömrü

3.3 Sınır akımları teorisi:

Her izolasyon malzemesi için belirli bir bozulma akımı kabul edilebilirse sınır akımları, sürekli rejim şartlarında ısınan bölgenin ortasındaki sıcaklığın bozulma sıcaklığının tam altında olması şartlarına tekabül eder. Deşarj dairesel bir ısı kaynağı şeklinde düşünülürse, sürekli rejim şartlarında ısıtılan bölgenin ortasında sıcaklık artışı

(l—ah)

(2)

aF

bağıntısı ile belirlenebilir

[6].

a • ısıtılan bölgenin yan çapı ( s 2mm), F : ısıtılan bölgede ısı akısı (W/cm2), h = H/k ve H : Atmosfere ısı kayıplarını dikkate alan yüzeysel ısı transfer katsayısı

Ortam sıcaklığı

lb ise izolasyonun

için T.

bozulması + Tamb > Tb

dikkate alınırsa: olmalıdır. (2) bağıntısı

K (Tb-

Tamb) a (l —ah)

izolasyon yüzeyindeki ısı akısı deşarj akımının bir fonksiyonu F = ^ (I) olmalıdır.

Akım-ısı akısı bağıntısı T = 0 (F) ise, izolasyonun bozulması için

i K (Tb-Tarab)

I> 0l

a (1 — ah)

ve sınır akımı j

(3a) 1 a (1 — ah)

olur. Çok sayıda izolasyon malzemesi için (1) nolu denklemin tahkikini yapacak bir metod mevcuttur, izolasyon bozulma sıcaklıkları ile termik ayrışma sıcaklıkları arasında yukarıdaki bağlantılar dikkate alınırsa,

!„ = 0

K (T90-50-Tamb) a ( l — ah)

<3b)

I0 deşarj akımı

ŞEKİL 3. Tipik izolasyon akım - ömür karakteristiği.

elde edilir. Görüldüğü gibi sınır atamı; K, T^ ve h gibi fiziksel sabitelere bağlı parantez içindeki ifadenin bir fonksiyonudur. Tablo 2, bahis konusu terim ile tekabül eden ölçülmüş sınır akımlarını 10 farklı polimerik malzeme

için vermektedir. (Termo-fiziksel özellikler ayrı testlerle bulunmuştur.)

TABLO 2:

Polivinilklorid Polıvinilasetat Epoksi l Epoksi 5 Epoksi 6 Ebonit Penolik/Kağıt Polıkarbonat Epoksi 3 (dolgulu) Ptfe

In (mA)

1,15-0,20 0,3 0,65 0,70 0,85 1,1 1,15 1,20 1,80 2,3

K(TM-74) a (1-ah)

1,40 2,08 2,90 3,14 3,10 3,63 3,68 3,85 4,41 5,54

Not : Ortam sıcaklığı Tamb = 24°C.

K (Tjp —74)/a (l —ah) [W/cm2] ŞEKİL 4. Sınır Akımı teorisinin tahkiki.

Yukarıdaki değerler Şekil 4'de çizilmiştir. Deneysel noktalar muntazam bir dağılım göstermektedir. Bu, yukarda yapılan kabulleri doğrulamaktadır. K ve Tpo değerleri büyük olan malzemeler için sınır akımının da büyük olduğu görülebilir. Şekil 2 ve Şekil 4 beraberce incelendiğinde bunların, dolgulu ve dolgusuz termosetting ve termoplastik 14 cins izolasyon malzemesinin deşarjlar altındaki izolasyon ömürlerinin termik ayrışma sıcaklıklarına bağlılığını ortaya koymaktadır.

4. TERMiK AYRIŞMA SONRASI ÎZOLASYON MALZEMESİNDE BOZULMA ŞEKLİ

Şimdiye kadar açıklamalar, termik ayrışmaya kadar olan olayları kapsamına almaktadır. Termik ayrışma başladıktan sonra, ayrışma ile açığa çıkan maddelerin cinsi, izolasyonun tamamen bozulmasının gelişme şekli ve hızını tesbit eder. Önce açıklandığı gibi, komple izolasyon bozulması ya karbonlaşma ya da aşınma şeklinde oluşur, tga metodu izolasyon malzemesinin ne cins bir bozulma göstereceğini tesbit edebilmektedir. Şekil l, aşınma şekli bozulmaya uğrayan bir izolasyon malzemesinin tga eğrisinin muntazam bir şekilde sıfıra düştüğünü göstermektedir. Karbonlaşma şeklinde bozulmaya uğrayan izolasyon malzemesinin tga eğrisi ise bir ara değere düşerek sabit kalmaktadır. Bu ara değer karbonize kalıntıya tekabül eder. Bu yazıda zikredilen bütün izolasyon malzemelerinin nasıl bir bozulma gösterdikleri tga medotu ile kesinlikle tesbit edilebilir. (Dolgulu reçinede dolgu ağırlığı dikkate alınmamalıdır.)

Karbonlaşma izolasyon malzemeleri için, termik ayrışmadan geriye kalan % kalıntının (Şekil l'de A noktasına tekabül eden ağırlık) karbonlaşma hızı için bir ölçü olarak alınabileceği düşünülebilir. Ancak toz-sis testi niteliğindeki bir test altında [7], çok zayıf deşarjlar hızlı sıcaklık artışına yol açarlar [5]. Bu durumda deşarj enerjisinin büyük çoğunluğu karbonize teşekkülüne harcanır, tga metodu ile bulunan % kalıntıları gösteren Şekil 5, toz-sis testinde karbonlaşmaya kadar geçen süre ile % kalıntı arasında kuvvetli bir bağlılığın bulunduğunu göstermektedir. Toz-sis testi ile karbonlaşmaya kadar geçen sürenin hassas olarak tesbiti zor olmakla beraber, bu test yardımıyla fenolik reçinenin çok çabuk ve polistrenin diğer kar bonlaşan polimerîerden daha geç karbonlaştıkları ölçülebilir. Fenolik reçine en büyük % kalıntı ve polistren en küçük % kalıntı veren izolasyon malzemeleridir (Şekil 5).

Bununla beraber, % kalıntı değerleri ile sınır akımı ve diğer testler yardımı ile ölçülen diğer

parametreler arasında önemli bir bağlılığın bulunduğu beklunilmemelidir. % kalıntı değerleri daha çok malzemenin termik iletkenliği ve ayrışma sıcaklığına bağiı değerler olup sınır değerler aşıldığında izolasyon malzemesinin bozulma hızı bir ölçü teşkil etmezler.

\\

_

s0

\\ \ \

$ o<

x s

s4 *rpohsı-4

0,5

o polisi ren û Sol'ı k^rtoana? \

A

V ^poksı-1

A «pobsı-5 A

ul

J? PVC * \»7x

o penotık

/kağıt

xv

Cmt

X <

°X

l

!

50 100

•/.KALINTI

ŞEKİL 5. To-sis testinde °/o kalıntı, karbonlaşmaya kadar geçen zaman değişimi.

Hızlandırılmış testlerde deşarjların enerjisinin bir kısmı yüzeyin ayrışma sıcaklığına kadar ısıtılmasına harcanırken diğer kısmı ayrışmanın meydana gelmesine harcanır. İki test serisinde bu enerjilerin oranı fazlaca farklı ise testlerden farklı sonuçların bulunması normaldir.

Bir izolasyon malzemesinde, karbonize kalıntının meydana gelebilmesi ile kimyasal yapı arasındaki bağıntı yazar ve arkadaşları [8] tarafından detaylı şekilde araştırılmıştır. Bu çalışmalardan karbonlaşma için şu basit kriter ortaya çıkmıştır:

Bir izolasyon malzemesinin molekül yapısı (a) aromatik yapılı ise -veya (b) zayıf bağlı yan grup veya atomları ihtiva ediyorsa, bu izolasyon malzemesi karbonlaşmaya meyyaldir. Termik ayrışma sırasında (a) grubundaki malzemeler, grafikte benziyen üç boyutlu çapraz bağlantılı aromatik yapılı kalıntı meydana getirir, (b) grubundaki alifatik malzemeler termik ayrışma sırasında yan grup ve atomları kaybederler. Bunun sonucu olarak arta kalan konjuge moleküler iskelet (peşpeşe tek ve çift

bağlı karbon zinciri) grafikte benzer yapıda çapraz bağlantılı bir yapıya dönüşür. Yukarıdaki kriterlerin ışığında karbonlaşmayan izolasyon malzemelerinin sentezi mümkün olmuştur.

5. SONUÇLAR izolasyon malzemelerinin deşarjlar altında dayanım durumlarının termik olaylar yardımıyla tatminkâr olarak incelenebileceği gösterilmiştir. Belirli şekilde bir izolasyon malzemesi için bir deşarj akımı tarif etmek mümkündür. Bu sınır akımının altındaki deşarj akımlarında izolasyon deşarjlara bozulmadan dayanabilmektedir. Sınır akımı aşıldığında termik ayrışma ile meydana gelen maddeler izolasyonun komple bozulma şeklini tayin etmektedir. Termo-gravimetrik analiz (tga) izolasyon bozulma şekli incelenmek için uygun bir metod olarak belirmiştir.

6. KAYNAKLAR

1. Wilkins, R.: "Epoksi reçinelerin yüksek ge rilim izolasyonunda kullanılması", Elektrik Mühendisliği Dergisi, C. 15, S. 171, s. 45-50.

2. Bilings, M. J., Warren, L, ve Wilkins., R. : "Acomparison of the IEC, Dust-Fag and Inclined-Plane Tests", Trans EI-3, p. 33, 1968.

3 Mandelcorn, L.: "The Effect of Electric Discharges Betvveen Electrodes Across Surfaces" Trans AIEE, Vol. 80, p. 481, 1961.

4. Coats, A. W. ve Redfern, L. P.: "Thennogravimetric Analysis", Analyst, London, 88, pp. 906-924, 1963.

5. Billings, M. J., ve Wükins, R.: "Effect of Discharger BeUveen Electrodes on the Surface of Organic Insulation" Proc. IEE, Vol. 116, p. 1777, 1969.

6. ASTM standart method of test D 495-1961: "High Voltage, Low-Current Arc Resistance of Solid Electrical Insulating Materials", ASTM Book of Standards.

7. ASTM tcntative method of test D 2132-62 T • "Dust-and Fag Tracking and Erosion Re sistance of Electrical Insulating Materials", ASTM Book of Standards.

8. Billings, M. J., Snıilh, A. ve V/ilkins, R.: "Tracking in Polymeric Insulation", IEEE Trans, El-2, p 131, 1967.