EPOKSİ REÇİNELERİN YÜKSEK GERİLİM İZOLASYONLARINDA KULLANILMASI

UDK: 621.315.6

Epoksi Reçinelerin Yüksek Gerilim izolasyonlarında Kullanılması

Yazan : Ziyaretçi Y. Prof. Dr. Robert WİLKİNS

Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü

ÖZET Dökme epoksi reçineler mükemmel elektrik ve mekanik özelliklerinden dolayı yüksek gerilim izolasyonlarında çokça kullanılmaktadır Son zamanlara kadar başlıca kullanma sahası daha çok dahili yüksek gerilim sistemlerinin izolasyonu olmuştur. Bununla beraber, epoksi reçinelerin harici izolasyon tatbkatlannda da kullanılması bugün artık söz konunu olmuştur Bu makalede, epoksi recinin harici izolasyon tatbikatlarında arzettiğ fayda ve problemler incelenmiş, harici şartlara uygun yeni tip epoksi reçinelerin geliştirilme usulleri izah edilmiştir. Sentetik izolasyon maddelerinin kullanılması, harici izolasyon koordinasyonunda önemli gelişmelere yol açabilecektir

Tercüme:

Y. Prof. Or. Ahmet RUMELİ Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü

ABSTBACT Cast epoxy resins are ncno v>idely used in high voltage applications, because of their eicellent combination of electrical and mechanical propertiea. Up to the pre-ıent time, the majör field of appU caticm has been for indoor insulation. There is hoıoever, much interest today in the possibility of using resins outdoors under electrical strees.

Thls paper reviews the special problems encountered by outdoor insulation, and describes the way in mhich nevi classes of resins, which are suitable for outdoor applications, have been developed. By the use of these synthetic materials, mafor improvements in outdoor insulation techniques are possible. possible.

1. GİRİŞ

Dökme epoksi reçinenin son zamanlarda yükffek gerilim cihazlarının izolasyonunda geniş ölçüde kullanılmalına başlanmıştır. Sistem ve cihaz gerilimi arttıkça, izolasyon tekniğinin İslahı maliyet yönünden teşvik görmekte ve uygun izolasyon koordinasyonu ile önemli derecede ekonomi sağlanabilmektedir. Bilhasra çok yüksek gerilimlerde izolasyon, direkt ve endirekt olarak maliyete oldukça tesir etmektedir. Mesela, bir transformatörde izolasyon, öngörülen izolasyon seviyesi için lüzumlu izolasyon kalınlığı yönünden direkt olarak ve sargoilarda açığa çıkan Jsı enerjisinin transferini önlemiyecek bir izolasyon kalınlığı tesbiti yönünden de endirekt olarak transformatör boyutlarının tayininde mühim rol oynar. Dolayısıyla, en uygun izolasyon koordinasyonunun tayini İle, kullanılan izolasyon malzemesi pahalı olsa bile hayli ekonomi sağlanabilir.

Bu hususlar epoksi reçinenin bilhassa son zamanlarda dahili tip yüksek gerilim cihazlarının izolasyonunda çokça kullanılmaya başlanması ile daha da belirli hala gelmiştiı. Epoksi reçinenin yüksek mekanik mukavemeti, bunun hem izolasyon hem de strüktür yapı malzemesi olarak kullanılma imkânını vermektedir. Epoksi reçinenin ayrıca kompleks şekillerde dökülebll-

Elektrik Mühendisliftl 171 - 172

me özelliği, dahili tip metal muhafazalı salt cihazları, kesici, ayırıcı, v.s. (metal cJad switchgear) dizaynında önemli gelişmelere imkân vermiştir. Böyle bir sistemde, kuru tip transformatör kullanılabilmekte, bara izolasyonu dökümden yekpare bir taTzda yapılarak sistemin toplam boyutlarında azalma sağlanmaktadır.

Epoksi reçinenin dahili yüksek gerilik İzolasyon tatbikatlarında kullanılması bugün artık benimsenmiş, bulunmaktadır. Bununla beraber, bu yazıda diğer izolasyon maddeleri yanında epoksi reçinenin harici yüksek gerilim izolasyon tatbikatlarımda kullanılması imkânları ve sağüyacağı büyük ekonomik avantajlar üzerinde durulmuştur. Harici tatbikatın sebep olduğu bazı problemler münakaşa edilmiş ve bu problemlere yol açan şartlarda daha uygun performans sağlıyan geliştirilmiş yeni tip reçineler İncelenmiştir.

2. EPOKSİ REÇİNELER

Yüksek gerilim İzolasyonlarında en çok kullanılan epoksi reçineler bl-fenal A nın epikloridin ile reaksiyonundan elde edilmektedirler. Bunların genel moleküler yapılan şöyledir.

I

V /\

HH

Molekül yapıdaki ;n' sayısl) elde edilen reçinenin vlskozluk derecesi İla llgiü olup, *n' nln büyük değerleri kata reçinelerte tekabül eder. 'n' değeri, dolayısıyle reçinenin viskozluk derecesi, reaksiyonda kullanılan bi-fenol ve epikloridln oram ile değiştirilebilir. Bu şekilde elde edilen esas reçine, asit anhldrld veya amin gibi bir eertleştirici veya oluşturana reaktifl ile karıştırılırsa, reçine ve sertleştirlci maddi molekülleri arasümda meydana gelen—bir çapraz-bağ reaksiyonu sonucu set, üç buutlu ve çapraz-bağh katı bir izolasyon maddesi hasıl olur. Böylece elde edilen sentetik katı izolasyon maddesi mükemmel mekanik, termik ve elektriksel izolasyon özelliklerine sahiptir. Esas reçinenin sertegtlrlcl veya oluşturma reaktifi ile reaksiyonunda herhangi bir yan ürün meydana gelmez ve reaksiyon için bir dış basınç tatbiki gerekmez. Elektriksel İzolasyon tatbikatlarının çoğunluğu için, karışıma aynca kuvars tozu ilave edilir. Kuvars tozu elde edilen sentetik maddenin m'ekanik mukavemetini daha da iyileştirir ve maliyetini azaltır.

3. SENTETİK İZOLASYON MADDELERİNİN HARİCİ İZOLASYON TATBİKATLARINDA SAĞLADIĞI AVANTAJLAR:

Sentetik izolasyon maddelerini harici yüksek gerilim izolasyon tatbikatlarında kullanmakla bir çok avantajlar sağlanabileceği gibi, porselen ve cam gibi kullanılagelmekte olan izolasyon maddelerinin arzettiğl bazı problemlerde giderilmiş olacaktır. Bu avantajları şöylece sırallyabiliriz.

a. Hafiflik: ön dizayn araştırmaları, sentetik maddeden yapılı bir askjı izolatörünün porselen yapılı bir izolatöre nazaran % 30 daha hafif olduğunu göstermiştir. Bu - husus, enerji nakil hatlarının-inşasında önemli bir 'ekonomik avantaj demektir.

b. Yüksek Çarpma Mukavemeti:

Sıkıştırılmış cam ve porselenin çarpmaya karşı mukavemetleri oldukça zayıftır. Bu yüzden enerji nakil sistemlerinin yapımı sırasKnjda cam ve porselen izolatörlerde kırılmalar ve çatlamalar olur.

c. Uygun Termik Şok Direnci:

Yapılan çok sayıda deneyler, sentetik reçinte yapüll izolatörlerin binlerce amper akım taşıyan arka, alternatif akımın bir kaç periyodu zamanda tahrip olmadan dayanabildiklerlni göstermigtir. Halbuki, ayni şartlar altında porselen bir İzolatörün sır tabakası çatlayarak dökülür ve yüksek ark akımlarında İzolatör tamamen kjrıür.

d. Yüksek Mekanik Mukavemet:

Yuka/da (a), (b) ve (c) gıklarında da belirtildiği gibi epoksi reçine, bilhassa cam fiber ile takviye edilince, yüksek mekanik mukavemet kazanır. Buna ilaveten, epoksl reçinenin cam ve porselene nazaran daha yüksek gerilme mukavemeti dizaynda çok daha fazla elastikiyet sağlar. Meselâ, bir enerji nakil hattı dlreğlndeki izolatörler ve metal konsollar ayni sentetik maddeden yapılabilir. Bunun Bağlıyacağı avantaj aşikârdır. Diğer taraftan dizaynda önemli değişmelere imkân vermesi, İzolasyon koordinasyonunda önemli diğer ekonomik avantajlar sağlar.

e. Elverişli İmalât özellikleri:

İyi kalitede bir dökme epoksl reçine mamulü için gerekil teknik bilgi iyi t»lr porselen mamulü için gerekli teknik tecrübeden fazla değildir. Fırınlama sarasında bir porselen izolatör boyutlarında % 8 kadar bir değinme olabilir. Bu, 400 kV luk yekpare bir porselen izolatör için izolatör boyunda 40 cm kadar bir azalmaya tekabül eder. Bu durum, büyük eîbatta porselen bir izolatörün fırınlanma esnasında tesbitini zorlaştırır. Fırınlanan porselen bir İzolatör gekil ve boyutlarında meydana gelen değişmeler bazen müsaade edilir limitlerden fazla olabilir ve imâl edilen edilen izolatör kullanılmayabilir. Ayni boyutlardaki İzolatör reçineden imâl edilirse daha uygun toleranslar sağlamak mümkündür.

4. KARBONLAŞMA:

Çegitli avantajlar sebebiyle, 1950 sıralarında harici tatbikatlar için sentetik yapılı izolatörlerin denenmesine bağlandı1. Daha sonra sentetik izolatörlerin, yukarda belirtilen birçok avantajlarına karşılık, bazjj zorluklar çıkardığı görüldü. Bunlar İçinde en önemlisi Sentetik izolatör yüzeyi boyunca «tracking» denen ağaç dallan şeklinde İletken karbonlze yolların teşekkül etmesidir.

Harici tip bir izolatör yüzeyinde bu olay şöylece meydana gelmektedir. 1 Rutubetli şartlarda İzolatör yüzeyinde birikmiş kir tabakası iletken hale gelerek yüzey boyunca kaçak

(sızma) akımların akmasına sebep olur. Kaçak akımlar kir tabakasının bazı bölgelerini kurutarak «kuru band» adı verilen bölgeler meydana gelir. Kuru bandlar ekseriya izolatör yüzeyinde akım yoğunluğunun en fazla olduğu dar kalımlarda meydana gelir. Kuru bandlar boyunca gerilim düğümü havanın dlelektrik dayanımını aşınca, izolatör yüzeyinde miliamper mertebesinde atam1 taşayan deşarjlar meydana geür. Porselen ve cam, genellikle yüksek sıcaklıklara mukavim olduklarından, bu tür deşarjlara dayanırlar. Sentetik izolasyon maddeleri ise bu tür deşarjlara fazlaca dayanamazlar. Deşarj uçlarının izolatör yüzeyi ile temas eden kasımları karbonize olur ve neticede izolatör yüzeyinde ağaç dallarına benzer İletken karbonize izler meydana gelir. Bir kaskct-pln İzolatöründe karbonlaşmalar ekseriya kapak ve sap kısımlarının sızma yüzeyi boyunca genişlemesine tekabül eder. Şekil 1 deki fotoğraf sentetik yapılı izole bir yüzeydeki karbonlaşmayı göstermektedir.

Yukarda izah edilen mekanizma ile deşarjlar daha sonra karbonize yolların uçlarından tutuşarak izlerin büyümesini sağlar. Neticede, izolatör yüzeyinde metal elektrodlar (kapak-sap) arasında ağaç şeklinde sürekli karbonize izler meydana gelerek izolatör sızma yüzeyi kısa devre edilmiş olur. Ortam şartlarına ve sentetik izolasyon maddesinin cinsine de bağlı olmak üzere bu ameliye bir kaç saat gibi çok kasa bir sürede veya bir kaç yıl çok uzun bir zamanda meydana gelebilir.

Epoksl reçine yapılı harici tip askı izolatörlerinin geniş ölçüde denenmesine ilk defa 1959 yılında Amerika da başlandı. Denenen izolatörler, cam fiber yapılı bir ana gövde üzerine uygun profilde dökülmüş 'epoksi reçine yapılı idi. Kısım 2. de izah edilen bi-finol reçine esas sentetik madde ve dolgu maddesi olarak normal kuvars tozu (SiO2) yerine alumlnyum-tri-hidrat (AJÎO3X3H2O) kullanılmıştır. Laboratuvar deneyleri dolgu maddesi olarak ALppiZKfi nun irııiiajnİmasının karbonlaşmayı biraz azalttığını göstermiştir. Deney izolatörleri Amerıkada, taşlanma ve kirlenmenin en fazla olduğu bölgelerde servis şartları altında denemelere tabi tutulmuşlardır. Bu izolatörler^ basit şekillerine, porselen ve cam izolatörlere nazaran daha yüksek yüzeysel gerilim gradyanı altında tutulmalarına rağmen oldukça iyi performans göstermişlerdir. Bu denemelerde sentetik izolatörün porselen izolatörden her bakımdan daha iyi olduğu iddias* gibi yanlış bir gaye ile hareket edilmiştir. Bununla beraber, karbonlaşma prob-

Şekil 1. Sentetik yapılı İzole bir yüzeyde karbonlaşma olayı

Elektrik Mubenaislijl 171 -179

47.

lemi yönünden tamamen aksi sonuç elde edilmiştir.

tine yaklaşan yüksek mukavemetler sağlanabilmiştir. Siklo-allfatik reçinelerin geliştirilmiş ol-

Sentetik izolatörler üzerinde Amerikada bağmast kimyacıya, istenen özellikli sentetik bir

latılan bu denemelerin sonucu yek teşvik edici

reçinenin kolayca imal edilmesini mümkün kıolmamış, ve 1967 yılana kadar denemelere tabi

lan bir fleksibilite sağlamıştır.

tutulan sentetik izolatörlerin önemli bir yüzdesi karbonlaşma sebebiyle kullanılamaz hale gelmiştir. Bu sonuç, bir çok kimselerin sentetik izolasyon maddelerinin dıg izolasyon tatbikatla-

5. SENTETİK İZOLASYON MADDELERİ VE DIŞ İZOLASYONLARDA TATBİKATI:

rı için uygun olamayacağı gitoi yanlış, bir kanaat edinmelerine sebep olmuştur.

Dünyanın çeşitli yerlerindeki test istasyonlarında dış şartlar altında çeşitli denemelere

Devam eden laboratuvor çalışmaları, reçine

tabi tutulan siklo-allfatik epoksi reçinenin uyve dolgu maddesinin moleküller yapılarında degun dizayn gartı altında dış İzolasyon tatbikatğişiklikler yapılarak karbonlaşma probleminin

larında emniyetle kullanılabileceği anlaşılmıştamamen, önlenmesinin, mümkün olabileceğini

tır.

göstermiştir. Bu araştırmalarda, benzen halkası ihtiva eden sentetik maddelerin (mesela bi-fenol epoksi reçine gibi) karbonlaşmaya meyyal oldukları görülmüştür. Bunun sebebi, benzen halkasının dengeli olmayışı, termik ayrışma esnasında halka yapısının yüzeyde değigmiyerek, volatik moleküler parçalarla birleşerek yüzeyde grafit yapıda karbonize bir kalıntı (artık) teşkil etmesidir. Diğer bazı jnoleküler yapılar ve bilhassa halojenize maddeler (PVC gibi) karbonlaşma gösteriler. Bu gibi maddelerde yan gurupların, kaybolması, grafit yapıya polimerize olan karbonize bir kalıntının meydana gelmesine sebep olmaktadır.

Son bir kaç yıldan beri sentetik izolasyon maddelerin kullanıldığı harici tip yüksel gerilim cihazlarının ticari maksatla imalatı artmaktadır. Sentetik izolasyon maddelerinin geniş çapta ve kolaylıkla kullanılabileceği bir saha kuru tip akün ve gerilim transformatörleridir. Gerilim transfomartöleri çok yüksek gerilimlerde oldukça pahalıya mal olmaktadır.

Batı Almanya'da imal edilen, dökme yekpare busingli, tamamen siklo-allfatik reçine ile izole edilmiş, 220 kV luk bir akım transformatörü satılmış bulunmaktadır. Amerikada son bir kaç yıl içinde sentetik yapılı onbinlerce 15 kV luk harici tip gergi izolatörü satılmış, sistemlere

Araştırmalar sonucu, fitrt olarak karbonlaşmonte edilmiş ve gayet iyi performanslar elde

ma göstermiyen bazı moleküler yapı/ tipleri buedildiği bildirilmektedir. Sentetik izolasyonlalundu ve bunlardan siklo-alifatik reçinenin morın kayda değer artmakta olan diğer tatbikat

leküler yapısı şöytediır.

Bahaları] olarak, tren elektrifikasyon tesisleri ile

Moleküler yapıdan görüldüğü gibi siklik yapı hiç karbon bağı (C=C) ihtiva etmemektedir.

transformatör merkezlerinde bara izolatörleri olarak kullanılmalarını zikredebiliriz.

Yükardaki reçine uygun bir sertleştirici madde ile muamele edildiği takdirde hiç karbonlaşma göstermyen sentetik bir İzolasyon maddesi elde edilebilir. Bu tür bir izolasyon maddesinin yüzeyinde deşarj sebebiyle | bir ayrışma olsa bile yüzey karbonlaşmayıp hafifçe pürüzlenir. Bu pürüzlerime, dolgu ve sertleştirici maddenin itina ile seçilmesiyle minimum bir dereceye indirilebilir.

önceleri geliştirilen siklo-alifatik reçine zayıf mekanik mukavemet gösterirken, son geliştirilen tiplerde, dahili izolasyonlarda kullanılan bi-fenol yapılı reçinelerin mekanik mukaveme-

Sentetik izolatörlerin ana enerji nakil hatlarında kullanılmaları henüz araştırma safhasındadır. Bu konuda maksimum bir ekonomi sağlanması radikal dizayn mefhumuna bağlıdır. Şekla 2 de denemelerde başarılı sonuç veren btr dizayn tarzı görülmektedir. Bu dizayn 132 kV civarındaki gerilimler için en uygundur. Görüldüğü gibi, konsolların sentetik ziolasyondan yapılması) hem konstruksiyonu basitleştirmekte hem de boyca kısalmayı mümkün kılmaktadır. Benzer dizayn daha yüksek gerilimler için kullanılabilir.

TOPRAK MESAFESİ

(a)

(b)

Şekil 2. Sentetik reçinenin direk dizaynında tatbikatı

a) NoırmaJ demir direk dizaynı b) Konsolları sentetik reçine yapib

direk dizaynı.

Bir çok elektrik müesseseleri mevcut porselen zincir tip izolatörlerin yerine kullanmak üzere sentetik reçine yapfeılı askı tip izolatörlere ilgi göstermektedirler. Her ne kadar porselen izolatör zincirinin sentetik İzolatör zinciri ile değiştirilmesi ilk bakışta büyük bir ekonomi sağlamazsa da, mevcut enerji nakil sistemi üzerinde az bir montaj işi ile sentetik İzolatör zincirinin nasıl bir performans göstereceği denenmiş olur. Bununla beraber sistem gerilimi 1 MV a erigirse, porselen izolatör zinciri kullanmanın arz edetegi bir sürü problemler (mekanik mukavemet, porselenin imalat zorluğu, v.s.) reçine yapıla İzolatörlerin tercihini kaçınılmaz kılacaktvr.

Halen tatminkar bir askı tip sentetik izolatör dizaynı mevcut değildir. Tipik bir askı (çubuk) ip İzolatörün yapısı ' Şekil 3 de gösterilmiştir. Bu dizaynda ortada cam fiber yapOı bir ana 3Wde ite onun etrafında uygun profilde sentetik reçineden dökme bir kısım vardır. Sentetik İzolatör imalinde esas zorluk, orta kısımda kullanılan cam, fiber ile onu kuşatan sentetik reçinenin farklı gerilme uzanımları göstermelerinden ileri gelmektedir. Bu durum, izolatörün yük

Elektrik Mühendisliği'171V172

RECİNE TAKVIVELİ CAM FİBER

DÖKME REÇİNEDEN DIŞ TABAKA

TESPİT UCU

Şekil S. Tipik bir sentetik askı izolatörü altında bulunması halinde reçine kısmının çatlamasına yol açmaktadır. İngiltere ve İsviçre'de halen bu problem üzerinde araştırma ve geliştirmeler devam etmektedir. Bu zorluğun gide-

rlldiğini ve yakın bir gelecekte 33 kV ve daha yüksek gerilimler için harici askı tip sentetik reçine yapıi izolatörlerin denemelere hazır olacağını söyllyebüiriz.

6. SONUÇ:

Epoksl reçine yapık izolatörlerin dış ortamlarda kullanılması belirli bir çok avantajlar arzetmektedir. Sentetik reçinelerin mekanik dizayn elastikiyeti, teorik optimum şartlara daha uygun, mesela kirlenme atlamalarına karşı daha elverişli performans Bağlıyacak, bir izolatör şekli imâlini mümkün kılabilmektedir. Mekanik mukavemetin uygun bir tarzda koordinasyonu ile,' enerji nakil sisteminin bir çok noktalarında dizaynda basitleştirmeler, boyutlarda azaltmalar yapmak dolayısıyle daha iyi performans ve ekonomi sağlamak mümkün olur.

Sentetik izolasyon maddelerinin yüzeylerinde deşarjlar altında ilk zamanlarda görülen karbonlaşma problemi, slklo-alifatik epoksi reçine gibi yeni tip sentetik maddelerin geliştirilmesi

ile artık giderilmiş, bulunmaktadtar. Uygun bir dizayn sağlandığı takdirdi siklo-alifatik- epoksi reçinenin Harici izolasyon tatbikatlarında kullanılması ile iyi performanslar elde etmek-mümkündür. Halen sentetik izolasyon maddelerin tatbikatta kullanılması izafi olarak fazla olmamakla, beraber kullanma oranı cesaret verici bir artış göstermektedir.

7 REFERANSLAR:

1. Rumeli, A.: «İzolatörlerde Kirlenme ve Atlama Problemi», Elektrik Mühendisliği Mecmuası, Cilt 13, Sayı 156, 1969.

2. Lee, H. ve Neville, K.: «Epoxy resins; their applications and technology», (Mc Graw HiU)

3. «Proceedings of the Symposium on the High - Voltage Applications of Epcocy Resins», CIBA (AJt.L) Ltd, Duxford, Cambridge, U. K.

Elektrik Mühendisliği 171 - 172