YÜKSEK GERİLİM İZOLATÖRLERİNDE DIŞ ETKEN
KAYNAKLI ARIZALARIN ANALİZİ VE AZALTILMASI
Onur AKALP
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
DİYARBAKIR Ocak-2019
T.C
DİCLE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜKSEK GERİLİM İZOLATÖRLERİNDE DIŞ ETKEN
KAYNAKLI ARIZALARIN ANALİZİ VE AZALTILMASI
Onur AKALP
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
DİYARBAKIR Ocak-2019
I
TEŞEKKÜR
Bu tez çalışması sırasında bana destek ve yardımlarını esirgemeyen danışman hocam Sayın Prof. Dr. İbrahim KAYA’ya teşekkürlerimi bir borç bilirim.
Bu çalışmamın her aşamasında sabırla benden yardım, öneri ve desteğini esirgemeyen hocam Sayın Dr. Öğr. Üyesi Serhat Berat EFE’ye şükranlarımı sunarım.
Bu tez kapsamında bilgi ve doküman paylaşımı sağlayan TEİAŞ Genel Müdürlüğüne teşekkür ederim.
Bu tezin hazırlanmasında maddi ve manevi desteğini esirgemeyen anneme, babama ve kardeşlerime yoğun çalışma temposunda bana moral ve motivasyon anlamında desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen sevgili eşim Sultan Rojda’ya ve kızım Duru’ya teşekkür ederim.
II
TEŞEKKÜR………..…….…………. I
İÇİNDEKİLER………... II
ÖZET………... IV ABSTRACT………... V
ÇİZELGE LİSTESİ………... VII ŞEKİL LİSTESİ………... VIII KISALTMA VE SİMGELER………..…..………….….……. X 1. GİRİŞ………...………... 1 1.1. Genel Bilgi………...………... 1 1.2. Tezin Amacı………..…...………... 4 1.3. Tezin Yapısı………..………...………... 4 2. KAYNAK ÖZETLERİ………..……...……… 7 3. MATERYAL ve METOT……….…..….…….…….……...… 13
3.1. Yüksek Gerilim Teçhizatları…... 13
3.1.1. İzolatörler………..………..…………... 13
3.1.1.1. İzolatörlerin Sınıflandırılması.………...……...……….. 14
3.1.2. Kesiciler……….……….……… 18
3.1.2.1. Kesicilerin Yapısal Bölümleri………...………... 19
3.1.2.2. Kesicilerin Sınıflandırılması.……….. 20
3.1.3. Ayırıcılar…………..……….….……….….…... 20
3.1.3.1. Ayırıcıların Yapısal Bölümleri…….……... 20
3.1.3.2. Ayırıcıların Sınıflandırılması………...………..……... 21
3.1.4. Akım Transformatörleri……….…..…….…………..………..……... 22
3.1.5. Gerilim Transformatörleri ……….……….……..……….…... 24
3.1.6. Parafudrlar………..……….……….…………...…….…..……... 25
3.1.7. Buşingler….………..……..……….………..………...….……..….…….. 26
III
3.2.1. Aşırı Gerilim Arızaları………... 27
3.2.1.1. Gerilim Yükselmeleri………... 27
3.2.1.2. İç Aşırı Gerilimler………...……….... 28
3.2.1.3. Dış Aşırı Gerilimler…….……… 29
3.2.2. Dielektrik Delinme……….….….……..….………… 32
3.2.3. Kirlenme Atlaması……….………..….……..…… 33
3.2.3.1. İzolatör Yüzeyinin Kir Tabakası ile Kaplanması……….…….….….…… 34
3.2.3.2. Kir Tabakasının Rutubet Tesiri ile Islanması…………..…….……..…………. 36
3.2.3.3. Kuru Bandların Oluşması……….…………...…… 37
3.2.3.4. Kuru Bandlar Boyunca Ön Deşarjların Tutuşması………... 38
3.2.3.5. Ön Deşarjların Yüzey Boyunca Yayılması ve Kısa Devre…….………... 38
3.3. Yüksek Gerilim Arızalarının Azaltılması……….……….….…..…….…..…... 39
3.3.1. Periyodik Elle Temizleme……….………....……….…..…... 40
3.3.2. Porselen Yüzeyin Yıkanması……….….…….………….…….…. 41
3.3.3. Aşındırıcı Madde Püskürterek Temizleme……….……...………...……...…… 42
3.3.4. İzolatör Yüzeyinin ısıtılması………..………..….…….…..….……..…… 42
3.3.5. Tasarım Değişikliği……….…..…….….….……….….….… 42
3.3.6. Yüzey Kaplama Materyali Kullanılması…………..……....….…….…….…… 44
3.3.6.1. Hidrofobiklik……….……….……….…….……….…..……… 44
4. BULGULAR VE TARTIŞMA……….….……..….….……….……..……… 47
4.1. Simülasyon Metodu………….……….………….….….……..….……… 47
4.2. Matematiksel Model……….…………..……….…… 49
4.3. Simülasyonun Çözümlenmesi…………..………….……….…..………...…… 50
4.4. Koruyucu Materyal Kaplama Örnek Uygulaması……….…….….……… 55
4.4.1. Kullanılan Kaplama Malzemesi………..………….……….….…….………… 56
4.4.2. Koruyucu Materyal Kaplama Aşamaları……..………...………..….… 56
5. SONUÇ VE ÖNERİLER…………..……….….……..…..………..… 61
6. KAYNAKLAR………..………….……….….………..……....… 63
ÖZGEÇMİŞ………..….……….……….….…… 67
IV
ANALİZİ VE AZALTILMASI YÜKSEK LİSANS TEZİ
Onur AKALP
DİCLE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI 2019
Elektrik enerjisinin kullanımındaki artışa bağlı olarak iletim ve dağıtım şebekelerindeki gerilim seviyeleri de yükselmektedir. Dolayısıyla şebekelerde kullanılan teçhizatların ve akım taşıyan iletkenlerin birbirlerinden ve sistemin diğer bileşenlerinden yalıtılması için hem ekonomik hem de etkin çözümlerin uygulanması gerekmektedir.
Tüm dünyada olduğu gibi enerji ihtiyacı artan ülkemizde enerjinin üretimi, iletimi ve dağıtımı aşamalarında enerji kayıplarının en aza indirilmesi hayati önem taşımaktadır.
Yüksek gerilim izolatörlerinin etkin, sürekli ve emniyetli bir yalıtım yapması beklenir. Fakat işletme şartları altında elektriksel, ısıl, mekanik ve çevresel birçok etkene maruz kalmaları nedeniyle yalıtım açısından bir takım problemler ortaya çıkar.
Bu tez çalışmasında yüksek gerilim şalt teçhizatları ve izolatörlerinde görülen arızaların analiz edilmesi ve bu arızaların azaltılması üzerine araştırmalar yapılmıştır. Bu kapsamda elektriksel ve mekanik olarak farklı görevler üstlenen porselen dış yüzeye sahip şalt teçhizatları ve izolatörler incelenmiştir. Hem sistemin içyapısından hem de çevresel etkenlerden meydana gelen arızalar analiz edilmiştir.
Yapılan analizlerde şalt teçhizatları ve izolatörlerin porselen dış yüzeylerinde kirlenme ve meteorolojik etkilerle ortaya çıkan ve iletim sistemlerinde ciddi arızaların, hatta kesintilerin oluşmasına neden olan ‘kirlenme atlaması’ arıza tipinin önem arz ettiği tespit edilmiştir. Bu nedenle kirlenme atlaması arızasının oluşum aşamaları irdelenmiştir.
Çalışma kapsamında analizi yapılan arızanın azaltılması için porselen izolatör yüzeylerin koruyucu materyal madde ile kaplanmasının en etkili çözüm olacağı tespit edilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellemesi yapılan porselen izolatör yüzeyine koruyucu materyal malzeme kaplanmamış ve kaplanmış hallerde kirlilik etkenleri eklenmiştir. Her iki durum için ortaya çıkan sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Materyal kaplama uygulaması için Türkiye Ulusal İletim şebekesinde bir indirici transformatör merkezi yüksek gerilim şalt sahasında bulunan porselen dış yüzeye sahip teçhizatların kaplanması ve aynı şalt sahasına bağlı enerji nakil hattında yapılan silikon izolatör çalışması incelenmiştir. Yapılan incelemeler neticesinde iletim sisteminde yaşanan arıza sayısının kayda değer miktarda azaldığı tespit edilmiştir.
Bu çalışma porselen dış yüzeye sahip yüksek gerilim teçhizatlarında dış etkenlerden kaynaklı arızaların, koruyucu materyal malzeme ile kaplama metoduyla azaltılabileceği ve bu vesileyle sistemlerde kararlılık sağlanabileceğini göstermiştir.
Anahtar Kelimeler: Porselen izolatör, Yüksek gerilim arızaları, Kirlenme atlaması, Koruyucu
V
ABSTRACT
ANALYSIS AND REDUCTION OF EXTERNAL EFFECTIVE WELDING FAILURES IN HIGH VOLTAGE INSULATORS
MSc THESIS
Onur AKALP
DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
UNIVERSITY OF DICLE
2019
Due to the increase in the use of electrical energy, the voltage levels in the transmission and distribution networks also increase. Therefore, it is necessary to implement both economic and efficient solutions in order to isolate the equipment and current-carrying conductors used in the networks from each other and from other components of the system.
In our country, which is in need of increasing energy needs as in all over the world, it is vital to minimize energy losses during the production, transmission and distribution stages of energy.
High-voltage insulators are expected to make an effective, continuous and safe insulation. However, due to the fact that they are exposed to many electrical, thermal, mechanical and environmental factors under operating conditions, some problems arise in terms of insulation.
In this thesis, researches have been carried out on analyzing the failures seen in high voltage switchgear equipments and insulators, also reducing these failures. In this context, the electrical and mechanical different parts of the porcelain outer surface, undertake the installation of electrical equipment and insulators. Failures have been analyzed that occurring to both the internal structure of the system and environmental factors.
In the analyzes, it has been determined that the type of ‘contamination failure’ type which is caused by pollution and meteorological effects on the porcelain outer surfaces of the switchgear and insulators and which cause serious failures or even interruptions in the transmission systems are important. For this reason, the stages of formation of the pollution skipping failure has been scrutinized./ For this reason, the stages of formation of the pollution skipping failure are examined.
Within the scope of the study, it was determined that the coating of porcelain insulator surfaces with protective material would be the most effective solution in order to reduce the malfunction.
The surface of the porcelain insulator which is modeled by using finite element method, In cases where the protective material is uncoated and coated, pollution factors are added. The results for both cases were compared.
In Turkey national transmission network for material coating application a down transformers for high voltage switchyard located coating of porcelain outer surface with equipment and at the same switchyard connected to the silicon insulators work in the energy
VI
protective material and stability can be achieved in the systems.
Keywords: Porcelain Insulator, High Voltage Failures, Contamination Flashover,
VII
ÇİZELGE LİSTESİ
Çizelge No Sayfa
Çizelge 3.1. Normal ve sis tipi izolatörlerin parametreleri 43
Çizelge 4.1. Simülasyon modellemesi yapılan izolatör malzemelerinin dielektrik
sabitleri 47
Çizelge 4.2. Zincir izolatörün bir elemanının parametreleri 49
Çizelge 4.3. 2009 yılında 154 kV Kaş-Fethiye enerji iletim hattında meydana
gelen arızalar 57
Çizelge 4.4. 2010 yılında 154 kV Kaş-Fethiye enerji iletim hattında meydana
gelen arızalar 58
Çizelge 4.5. 2011-2018 yılları arasında 154 kV Kaş-Fethiye enerji iletim
VIII
Şekil 1.1. 2017 yılı Türkiye kurulu gücünün birincil enerji kaynaklarına göre dağılımı
2
Şekil 1.2. 2017 yılı Türkiye elektrik enerjisi üretiminin kaynaklara göre dağılımı 2
Şekil 3.1. Pin tipi izolatörler a)Yapısal bölümleri, b)Görseli 15
Şekil 3.2. Mesnet tipi izolatörler a)Yapısal bölümleri, b)Görseli 15
Şekil 3.3. Zincir izolatörün bir elemanı a)Yapısal bölümleri, b)Görseli 16
Şekil 3.4. Zincir (string) tip izolatörler 17
Şekil 3.5. Çubuk (long rod) tip izolatör 17
Şekil 3.6. Geçit izolatörleri 18
Şekil 3.7. Yüksek gerilim kesicisi 19
Şekil 3.8. Çift döner izolatörlü (ortadan açmalı) ayırıcı 22
Şekil 3.9. Akım transformatörü a)Yapısal bölümleri, b)Görseli 23
Şekil 3.10. Gerilim transformatörü a)Yapısal bölümleri, b)Görseli 24
Şekil 3.11. Parafudr a)Yapısal bölümleri, b)Görseli 26
Şekil 3.12. Transformatör buşingleri 26
Şekil 3.13. Standart açma-kapama(anahtarlama) darbe gerilimi 29
Şekil 3.14. Faz hattına düşen yıldırımın davranışı 30
Şekil 3.15. Yıldırım dalga formu 31
Şekil 3.16. Direğe düşen yıldırımın davranışı 31
Şekil 3.17 Koruma hattına düşen yıldırımın davranışı 32
Şekil 3.18. Yalıtkan malzemenin delinme mekanizmaları 33
Şekil 3.19. Kirlenme atlaması akış diyagramı 34
Şekil 3.20. Kirlenme etkisi yaratan tarım arazisi 35
Şekil 3.21. Kirlenme etkisi yaratan ağır sanayi dumanları 36
Şekil 3.22. Askı (düşey) ve gergi (yatay) zincir izolatörleri 37
IX
Şekil 3.24. Porselen yüzeylerin yıkanması 41
Şekil 3.25. Zincir izolatörün bir elemanı a)Normal tip, b)Sis (kirlilik) tip 43
Şekil 3.26. Su damlasının neden olduğu hidrofobiklik 45
Şekil 3.27. İzolatör yüzeyi SEM görüntüleri a)Kaplanmamış, b)Kaplanmış 45
Şekil 4.1. 10 elemanlı izolatörün 2 boyutlu programda çözümlenmesi 48
Şekil 4.2. Zincir izolatörün bir elemanına ait parametrelerin gösterimi 49
Şekil 4.3. 10 elemanlı izolatörün 5. elemanı kirlenmiş genel grafiği 51
Şekil 4.4. 10 elemanlı izolatörün 5. elemanı kirlenmiş detaylı grafiği 51
Şekil 4.5. 10 elemanlı izolatörün 5. elemanı kirli ve silikon kaplanmış kirli genel
grafiği 52
Şekil 4.6. 10 elemanlı izolatörün 5. elemanı kirli ve silikon kaplanmış kirli
detaylı grafiği 52
Şekil 4.7. 10 elemanlı izolatörün 5. elemanı kirlenmiş (Kaplanmamış) 53
Şekil 4.8. 10 elemanlı izolatörün 5. elemanı kirlenmiş (Tüm izolatörler silikon
kaplanmış) 54
Şekil 4.9. 10 elemanlı izolatörün 2. ve 5. elemanı kirlenmiş (Sadece 5. eleman
silikon kaplanmış) 54
Şekil 4.10. Porselen yüzeyleri silikon koruyucu materyal malzeme ile kaplanan şalt teçhizatları, a)Çift mesnet, b)Akım transformatörü, c)Gerilim
transformatörü, d)Buşing, e)Kesici, f)Ayırıcı, g)Tek mesnet 56
X TEİAŞ : Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi EPDK MVA MWh Km mm V
: Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu : Megavoltamper : Megawattsaat : Kilometre : Milimetre : Volt kV : Kilovolt
RTV : Room Temperature Vulcanizing (Oda sıcaklığında vulkanize) NaCl : Sodyum Klorür (Tuz)
AC : Alternating Current (Alternatif akım) DC : Direct Current ( Doğru akım)
mA : Miliamper % Megep SF6 ʋ Mes. kor Top. Kad. Dk YTM E D : Yüzde
: Mesleki Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi
: Kükürt Hegzaflorür : Gerilim : Mesafe koruma : Toprak : Kademe : Dakika : Yük Tevzi Müdürlüğü : Elektrik alan
XI ɛ SEM kN : Yük yoğunluğu : Elektriksel geçirgenlik : Nabla operatörü : Psi
: Scanning Electron Microscopy (Taramalı Elektron Mikroskobu)
1
1. GİRİŞ 1.1. Genel Bilgi
Elektrik enerjisi günümüzde sosyal, ekonomik ve kültürel yaşamın temel bir parçası haline gelmiştir. İstenilen her noktaya ulaştırılabilmesi, kullanımının kolay ve sürekli olması, diğer enerji türlerine dönüştürülebilmesi, teknolojilerin gelişmesinde en önemli kaynak olması gibi özellikleri dikkate alındığında elektrik enerjisi tüketim miktarları ülkelerin gelişmişlik düzeylerini belirleyen en önemli göstergedir. Diğer bir ifadeyle elektrik enerjisinin tüketiminin toplumun her alanında artışı ve yaygınlaşması refah düzeyinin arttığının bir göstergesidir. (İsmiç, 2015)
Sosyal yaşantımızda pek farkına varamadığımızı fakat hayatımızı güvenli ve daha kolay hale getiren birçok şeyin elektrik enerjisi sayesinde ortaya çıktığı görülmektedir. Örneğin her yerde kullandığımız piller elektrik enerjisinin bize sağladığı en önemli nimetlerden biridir. Pillerin kullanımı ile hayatımıza taşınabilir birçok araç girmiş olup cep telefonu, tablet, dizüstü bilgisayarlardan hesap makinelerine kadar birçok cihaz kolay, etkin ve güvenli kullanılabilmektedir. Yine küçük bir icat olduğu düşünülen yangın alarm sistemleri büyük ölçekli binaların vazgeçilmezi olmuştur.
Dünyada artan sanayileşme ve şehirleşmenin bir sonucu olarak her alanda elektrik enerjisi ihtiyacı artmaktadır. Buna karşılık elektrik enerjisi üretimi için ihtiyaç duyulan kaynakların sınırlı olması, enerjiyi ithalat yoluyla karşılamak zorunda olan gelişmekte olan ülkeler için enerji daha da önem arz etmektedir (Yapraklı ve Yurttançıkmaz, 2012). Bu durum ülkeleri enerji alanında politikalar üretmeye, yeni tedbirler almaya ve üretim sağlayabilecek alternatif kaynaklara yönelmeye sevk etmektedir.
Türkiye gelişmekte olan ülkeler içinde yer alırken dünya enerji piyasasında da büyüyen bir yapı göstermektedir. Türkiye’de elektriğe olan talep 2000’li yıllarda daha da artmıştır. Türkiye’de kurulu güç 2000 yılında yaklaşık 27264 GW iken 2017 yılında 85000 GW seviyesine yükselmiştir (TEİAŞ, 2018). Elektrik üretimi için ihtiyaç duyulan kaynağın büyük bir kısmını fosil yakıtlar ve hidroelektrik üretimini sağlamaktadır. Fosil yakıtlar içerisinde ise doğalgaz birinci sıradadır. Önümüzdeki birkaç yıl içinde faaliyete girecek olan nükleer enerji ile bu üretimin bir kısmının sağlanması planlanmaktadır.
1. GİRİŞ
2
2017 yılı Türkiye kurulu gücünün birincil enerji kaynaklarına göre dağılımı TEİAŞ verilerine göre Şekil (1.1)’de verilmiştir. (TEİAŞ, 2018)
Şekil 1.1. 2017 yılı Türkiye kurulu gücünün birincil enerji kaynaklarına göre dağılımı
2017 yılında birincil enerji kaynaklarına göre elektrik enerjisi üretiminin %55’i ithal (doğalgaz, ithal kömür, asfaltit) yolla sağlanmaktadır. Hidrolik (barajlı, göl ve akarsu) kaynaklı üretim ise %32 seviyesindedir.
Türkiye elektrik üretiminin kaynaklara göre dağılımı TEİAŞ verilerine göre Şekil (1.2)’de verilmiştir. (TEİAŞ, 2018)
Şekil 1.2. 2017 yılı Türkiye elektrik enerjisi üretiminin kaynaklara göre dağılımı
Elektrik üretiminin büyük bir miktarını ithalat yoluyla sağlayan ülkemiz için elektriğin tüketiciye ulaştırılması aşamasında kayıpların en aza indirilmesi
3
gerekmektedir. İletim yatırımlarının maliyetinin yüksek oluşu ve kamulaştırmalarda güçlüklerin yaşanması elektrik enerjisinin güvenilir ve kesintisiz işletilmesini gerektirmektedir.
EPDK verilerine göre ülkemizde 2017 yılı sonu itibarıyla iletim sisteminde 1234 adet transformatör merkezi, 2164 adet güç transformatörü bulunmaktadır. Bu transformatörlerin gücü, 2017 yılında 193961 MVA’ya ulaşmıştır. 2017 yılı sonu itibarıyla iletim hatlarının uzunluğu 66285 km’dir. Son 15 yılda iletim hat uzunluklarında %55 civarında bir artış olmuştur. İletim sistemi kayıp oranı ise 2017 yılında %2.09 olmuştur. Bu verilere göre iletilen enerjide kayıp miktarı 5642184 MWh olmuştur. (EPDK, 2018)
İletim şebekelerinde yaşanan kayıplar incelendiğinde iki tür kayıp göze çarpmaktadır. Bunlar şebekenin yük durumuna bağlı olan kayıplardır. Yüksüz şebekelerde gerilimin karesi ile orantılı olarak yaşanan kayıplar ve şebekenin yüklü olmasına bağlı olarak sistemin çektiği akımın karesiyle orantılı kayıplardır. (Güney, 1989)
Şebeke yükünden bağımsız olan kayıplar transformatörlerde görülen demir nüve kaynaklı fuko ve histerezis kayıplarıdır. Bu kayıplar manyetik indüksiyon mıknatıslanma akımının büyüklüğüne ve primer geriliminin büyüklüğüne bağlı olarak gerilimin karesi ile orantılıdır. (Güney, 1989)
Hava hattı iletkenlerinde iletken dış yüzeyindeki alan şiddeti, havanın delinme alan şiddetini geçecek şekilde yükselirse iletken üzerinde gerilime bağlı olarak kendi kendini besleyen bir korona deşarjı meydana gelir.
Gerilim altındaki hava hatlarında ne kadar yalıtım sağlanırsa sağlansın gerilimin büyüklüğüne bağlı olarak izolatör üzerinde bir kaçak akım mevcut olacaktır.
Yüklü şebekelerde ise akım miktarına bağlı olarak kayıplar oluşmaktadır. Şebeke elemanlarının dirençlerinde akımın karesiyle orantılı olarak ısıl kayıplar oluşmaktadır. Ayrıca alternatif akım taşıyan iletkenlerin yakınındaki cisimlerde de akıma bağlı olarak fuko akımı kayıpları ve histerezis kayıpları oluşmaktadır. (Güney, 1989)
1. GİRİŞ
4
Elektrik üretiminin daha çok ithal kaynaklarla karşılandığı ülkemizde iletim şebekelerinde görülen kayıpların azaltılması için bu tez çalışmasında yüksek gerilim şalt teçhizatlarında görülen dış etken kaynaklı arızalar araştırılmış ve en uygun yöntemle kayıpların azaltılması amaçlanmıştır. Böylece boşa akacak olan enerjinin önüne geçilerek ülke ekonomisine katkı sağlanması ve gereksiz açmalar önlenerek sistem verimliliğinin oluşturulması amaçlanmıştır.
1.2. Tezin Amacı
Bu tez çalışmasının amacı aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır:
i. Yüksek gerilim teçhizatlarını tanımlamak
ii. Yüksek gerilim teçhizatlarında meydana gelen arızaları analiz etmek iii. Yüksek gerilim teçhizatlarında görülen arızaların azaltılmasına yönelik
yöntemler incelemek
iv. Porselen yüzeylerin koruyucu materyal malzeme ile kaplanmasının
arızaları azaltma üzerine etkilerinin irdelemek
v. Sonlu elemanlar yöntemi ile kirli şartlarda koruyucu materyal malzeme
kaplanmış ve kaplanmamış durumlarda porselen yüzey üzerindeki etkileri gözlemlemek
vi. Koruyucu materyal kaplaması yapılmış canlı bir yüksek gerilim
sisteminde yıllar bazında arıza sayılarındaki değişimleri incelemek
1.3. Tezin Yapısı
Bu tez; Giriş, Kaynak Özetleri, Materyal ve Metot, Bulgular ve Tartışma, Sonuç ve Öneriler ve Kaynaklar olmak üzere altı bölümden oluşmaktadır.
Giriş bölümü olan ilk bölümde elektrik enerjisinin önemi, Türkiye’de elektrik enerjisinin üretim istatistikleri, iletim sistemlerinin istatistikleri ve kayıpların miktarları hakkında bilgi verilmiştir.
Kaynak özetleri bölümü olan ikinci bölümde porselen yüzeylerin koruyucu materyal malzeme ile kaplanması üzerine yapılan çalışmalar ele alınmıştır.
Materyal ve Metot bölümü olarak verilen üçüncü bölümde, öncelikle yüksek gerilim teçhizatları detaylı olarak açıklanmış ve yüksek gerilim teçhizatlarında görülen arızalar analiz edilmiştir. Tezin konusunu oluşturan dış etken kaynaklı arızaların meydana gelme süreçleri anlatılmıştır. Dış etken kaynaklı arızaların azaltılması için
5
yöntemler anlatılmıştır. Porselen yüzeylerin materyal malzeme ile kaplanması üzerine detaylar verilmiştir.
Bulgular ve tartışma olan dördüncü bölümde, sonlu elemanlar yöntemi ile izolatör yüzeylerde dış etken kaynaklı arızalar üretilmiş ve etkileri ele alınmıştır. Ayrıca Türkiye’de bir yüksek gerilim şebekesinde koruyucu materyal kaplama uygulaması hakkında detaylar verilmiştir.
Sonuç ve öneriler kısmında yapılan canlı şebeke üzerinde yapılan çalışmaya ait sonuçlara yer verilmiş, çalışmanın getirisi üzerine açıklamalarda bulunulmuş, çalışmanın geliştirilmesi yönünde önerilerde bulunulmuştur.
Kaynaklar olarak verilen altıncı bölümde ise tez içinde referans verilen kaynaklar sıralanmıştır.
1. GİRİŞ
7
2. KAYNAK ÖZETLERİ
Bu tez çalışmasında yüksek gerilim izolatörlerinde dış etken kaynaklı arızaların analizi ve azaltılması üzerine çalışma yapılmıştır. Porselen dış yüzeye sahip yüksek gerilim şalt teçhizatları ve izolatörlerin yüzey koruyucu materyal malzeme ile kaplanmasının oluşacak arızaları azaltma konusunda en etkin çözüm olduğu saptanmış ve tezin 3. Bölümünde açıklanmıştır. Bu bölümde porselen yüzeylerde görülen dış etken kaynaklı arızaların azaltılması ile ilgili literatür özetleri verilecek ve yapılan çalışmalara yer verilecektir.
Kirlilik nedenli arızalar elektriğin kullanıma başlandığı ilk zamanlardan beri iletim sektöründe bir sorun olmuştur. İletim hatları üzerine çalışmalar yapan Alpha D. Lantz 1956 yılındaki söyleminde yüzey kirlenmesi ve kaçak akımlarının 80 yıl önce elektrik güç aktarımının ilk günlerinden beri sorun teşkil ettiğini, iletim sisteminde yükselen gerilim seviyeleri ve ıslak kirli koşullarda izolatör tasarımlarının özel bir çalışma gerektirdiğini söylemiştir. (Hall ve Orbeck, 1982)
İlk kuşak silikon materyal araştırma ve uygulamalarının 1950’li yıllarda başladığı düşünülmektedir. Her ülkenin silikon kaplama materyalleriyle tanışması da aynı zamanda olmamıştır. Örneğin Amerika’nın Kaliforniya eyaleti ve Avustralya’daki çalışmalar 1970’li yılları gösterirken (Hall ve Orbeck, 1982). Çin’de ilk kaplamalara 1985’li yıllarda başlanmıştır (Jia ve ark. 2008). Ülkemizde ise uygulamaya 2000’li yıllarda geçilmiştir.
Gençoğlu ve ark. (2006) yaptıkları çalışmada kirlenmiş yüksek gerilim izolatörlerindeki atlamanın güç sistemlerinin en önemli sorunu olarak görmüştür. Meteorolojik şartların, kirin izolatör yüzeylerinde birikmesinde ve izolatörün elektriksel davranışında önem teşkil ettiğini belirtmişlerdir. İzolatör yüzeylerdeki kirlenmenin takip edilmesini kirlenme atlamasının en etkili çözümü olarak belirtmişlerdir.
Akbar ve Zedan (1991) Suudi Arabistan’ın doğu bölgesindeki yüksek gerilim iletim hattı porselen izolatörlerinin çöl şartlarındaki performansı üzerine çalışma yapmışlardır. Tesis edilmesi düşünülen yeni bir yüksek gerilim iletim hattında mevcut kirliliğin ölçümü yapılmadan yatırım yapmanın yanlış olacağını düşünerek ülkenin farklı bölgelerinde beş adet enerjili ve beş adet enerjisiz izolasyon test istasyonu Kral Fahd Petrol ve Mineraller Üniversitesi tarafından kurulmuştur. Sekiz aydan fazla geçen
2. KAYNAK ÖZETLERİ
8
kuraklık sonunda yapılan ölçümlerle hızlı bir kirlilik tespit edilmiş ve sahile yakın test istasyonunda meydana gelen %80’i aşan bağıl nem sonucu sabahın erken saatlerinde ve akşam parlamalar görülmüştür. Test edilen izolatörlerin krepaj mesafelerinin işletme için uygun olmadığı belirlenmiştir.
Endonezya’nın Bandung şehrinde çalışmalarını yapan Teknoloji Enstitüsünden Suwarno ve Basuki (2011) 3 farklı tip porselen izolatörde kaplama materyalleri üzerine deneyler yapmıştır. Birinci deney için 500 mm/kV kaçak mesafesine sahip Endonezya ulusal şebeke sisteminde kullanılan 20 kV sınıfı pin-post tipi izolatör kullanmıştır. İkinci deney için 31,5 mm/kV kaçak mesafesine sahip 500 kV iletim hatlarında kullanılan zincir izolatörün 1 adet ünitesini kullanmıştır. Son deney için de Bali adası Ketewel kıyılarında kullanılan yoğun kıyı kirliliği ve neme maruz kalan 154 kV sınıfı çubuk izolatörleri seçmiştir. Tüm izolatör örneklerini oda sıcaklığında vulkanize olmuş (RTV) 0,3±0,05 mm kalınlığındaki silikon koruyucu materyal ile kaplamıştır. Daha sonra yüzeyi koruyucu materyal ile kaplanan bu örnek izolatörlere yapay kirlilik maddeleri uygulamıştır. 1 litre suda 40 gram kaolin ve istenilen iletkenliği elde etmek için bir miktar NaCl (tuz) ilave etmiştir. Elde edilen bu kaolin-tuz karışımı silikon koruyucu materyal kaplı izolatör yüzeylerine uygulanarak kurutulmuş ve izolatörler sıcaklık, nem, temiz ve tuzlu sis gibi farklı yapay koşullara tabi tutulmuşlardır. Birinci deneyde silikon materyalle kaplı ve kaplı olmayan izolatörlerde artan gerilim seviyelerine göre kaçak akım miktarlarını tespit etmiştir. Silikon materyal ile kaplanan porselen izolatörün yüzeyinde flashover (parlama) gerilimi seviyesinin kaplı olmayan izolatöre göre arttığını tespit etmiştir. İkinci deneyde Suwarno yüzeyi materyal ile kaplanmış ve kaplanmamış iki zincir tip yüksek gerilim izolatörlerinde temiz durum ve kirlilik maddesiyle kirletilmiş durumda su damlacıklarının izolatör yüzeylerine tutunma değerlerini incelemiştir. Sonuç olarak silikon ile kaplanmış kirli bir izolatörün yüzeyindeki hidrofobiklik düzeyinin, temiz kaplanmamış izolatör ile aynı olduğunu tespit etmiştir. Silikon materyal madde kirlilik koşullarında bile porselen izolatör yüzeyinde yüksek hidrofobiklik sağlamıştır. Üçüncü deneyde ise işletme koşulları altında bulunan 154 kV tip çubuk izolatörlerden R ve S fazlarına herhangi bir işlem yapmamışken T fazını silikon materyal malzeme ile kaplamıştır. Sayım oranı korona yoğunluğu veren ultraviyole kamera kullanılarak dakikada izolatör üzerinde oluşan
9
korona miktarlarını tespit etmiştir. Sonuç olarak silikon materyal ile kaplamanın izolatör yüzeyinde oluşacak olan korona yoğunluğunu açıkça azalttığını görmüştür.
Cardif Üniversitesinden Shuaib ve ark. (2011) yüksek gerilim porselen izolatörlerinde elektriksel yüzey performansını arttırmak için tasarlanmış, kimyasal yapısı çapraz bağlarla bağlı yapışmaz bir reçine ile porselen izolatörlere mikro kaplama uygulamışlardır. Mikro kaplama ile yüzeyi kaplanmış porselen izolatör ile kaplanmamış izolatör yüksek gerilim test laboratuvarında sis testlerine tabi tutulmuştur. Bu test sonucunda mikro kaplı izolatör yüzeyinden akan kaçak akımların kirli yüzeylerde, kaplanmamış izolatöre göre 10 katlık bir oranda az olduğu saptanmıştır. Islak izolatör bazında bu oran 5 kat, kuru izolatörler bazında ise 3 kat oranında iyileşme görülmüştür.
Suwarno (2005) 20 kV pin tip seramik izolatörler kullanarak bir test gerçekleştirmiştir. Silikon materyal kaplama ile kapladığı ve yapay kirletici maddesi ile kirlettiği izolatörü temiz, tuz-sis, nem gibi değişik faktörler altında özel hazırlanmış bir laboratuvar odasında testlere tabi tutmuştur. Bu test sonucunda silikon bileşik kaplama materyalinin porselen izolatörler üzerine uygulanmasının kirli koşullarda kaçak akımı büyük ölçüde bastırdığı görülmüştür. Çimento kirliliği altında kaçak akımı kaplanmamış izolatörün yaklaşık %4’üne düşürdüğünü ve kaolin-tuz kirliliği altında kaçak akım büyüklüğünü kaplanmamış izolatörün %15’ine düşürdüğünü, parlama (flashover) gerilimini önemli ölçüde yükselttiğini ve kaçak akımın yüksek frekans bileşenini ortadan kaldırmak için çok iyi bir yalıtkan özellik gösterdiğini tespit etmiştir.
Hugall ve ark. (2012) Avustralya’nın Queensland eyaletinde yüksek gerilim izolatörleri üzerinde silikon kaplama uygulamasını incelemişlerdir. Mevcut kullanımda olan normal ve sis tipi porselen izolatörlere silikon materyal uygulayıp yedi günlük sürede sertleşmesini beklemiş ve kirletici malzeme ile kirletip bir takım testlere tabi tutmuşlardır. Test sonuçlarına göre silikon materyal kaplamanın kirli ve ıslak koşullar altında izolatör yüzeyinde akan kaçak akımları azaltabileceğini ve bu sayede izolatörlerin etkin kullanım ömürlerinin arttırılabileceğini ortaya koymuşlardır.
Pakpahan ve Suwarno (2001) Endonezya devlet dağıtım şebekesinde kullanılan 20 kV pin-post tipi porselen izolatörlerden ve birebir aynı özellikteki izolatörlerden kullanarak testler yapmışlardır. Kaplanmamış yeni bir izolatöre, materyal kaplanmış bir izolatöre, kaplama yapılmış yaşlı bir izolatöre, bir parlama yaşamış kaplanmış izolatöre
2. KAYNAK ÖZETLERİ
10
oranları standartlar ile belirlenmiş kirleticiler ile kirletip farklı sıcaklık ve nem koşulları altında testler yapmışlardır. Test sonuçlarına göre silikon materyal ile kaplanmış izolatörden akan kaçak akım değeri kaplanmamış izolatörden akan kaçak akım değerinin hemen hemen 0.01’ine düştüğünü tespit etmişlerdir. 30 kV değerinde kaplanmamış izolatörde parlama yaşanırken silikon kaplı izolatörde 70 kV düzeylerinde herhangi bir parlama olayına rastlanmadığı görülmüştür. Silikon kaplamanın hidrofobikliği iyileştirdiği, yüzey pürüzsüzlüğü sağladığı tespit edilmiştir.
Chrzan ve Moro (2007) Almanya’nın Stuttgart, Zittau ve Mannheim ile Polonya’nın Wroclaw eyaletlerindeki yüksek gerilim laboratuvarlarında farklı prosedürler ile izolatör yüzeylerde kirli ve ıslak koşullarda yoğunlaşmış deşarjları ve parlamayı gözlemlemişlerdir. Sonuçlara göre birkaç 10 mA düzeylerinde oluşan yoğun deşarjların uzunluklarının izolatör damlalıklarını aşabileceği ve köprüler kurulabileceği, bu köprülerin kaçak mesafesini kısaltacağını görmüşlerdir. Bu durum izolatörlerde yüzeysel korumanın gerekliliğine ispattır.
Girit Teknik Eğitim Enstitüsünde çalışmalarını yapan Siderakis ve ark. (2011) Yunanistan’ın Girit adasında kamuya ait 150 kV’luk transformatör merkezinde dış etkenlerden kaynaklı oluşan arızaların analizi üzerine araştırmalarda bulunmuşlar ve bu çerçevede Girit adasında mevsimsel olarak yaşanan problemlere en etkin çözümün şalt teçhizatlarının silikon materyalle kaplanması olduğunu saptamışlardır. Bulgularına göre 1998 yılında ilk kaplamanın yapıldığı Girit’te, 150 kV’luk bir transformatör merkezine (Linoperamata) yerleştirilmiş silikon kaplanmış izolatörlerde uygulanan kaçak akım takip çalışmalarında, kaplamalı izolatörlerin kaplanmamış izolatörlere kıyasla çok daha iyi performans sergilediği görülmüştür.
Mei ve ark. (2012) 2006 yılında faaliyete geçen 500 kV’luk bir transformatör merkezinde transformatör merkezinin etrafına dikilmekte olan şeker kamışlarından meydana gelen kirletici maddelerin porselen yüzeylerde fazla miktarlarda parlama ve deşarjlar meydana getirdiğini saptamışlardır. Test için örnek aldıkları izolatörlerden 2 adet izolatöre şeker ihtiva eden kirletici uygulamışken 2 adet izolatöre uygulamamış ve bu 4 izolatör üzerinde testler yapmışlardır. Test sonuçlarına göre silikon kaplı izolatörlerde şekerli kirleticilerin yüzeye tutunma temas açısı 110° ile çok güçlü bir hidrofobikliğe sahipken kaplanmamış izolatörlerde 50° ile düşük hidrofobiklik
11
saptanmıştır. Ayrıca şekerli kirletici ile kirlenmiş silikon kaplı izolatörde deşarj başlatma gerilimi ve parlama gerilimi kaplamasız izolatöre göre daha yüksek çıkmıştır. Bu test sonuçlarına göre 2007 yılında transformatör merkezi porselen ve cam dış yüzeye sahip teçhizatlar silikon materyal ile kaplanmış ve bu dönemden sonra güçlü bir deşarj ve parlama tespit edilmemiştir.
Suwarno ve Pratomosiwi (2009) 20 kV’luk dağıtım hattında kullanılan porselen izolatörlerden RTV kaplama uygulaması üzerine çalışmalar yapmışlardır. RTV silikon kauçuk ile kaplanan bir izolatör ile kaplanmamış bir izolatöre kaolin ve tuz sis testleri uygulamışlardır. RTV silikon kauçuk kaplamanın kirlilik etkisini gidermek için porselen izolatör performansını arttırdığını tespit etmişlerdir. Kirli koşullar altında bile yüzey hidrofobikliğini koruyabildiğini görmüşlerdir.
2. KAYNAK ÖZETLERİ
13
3. MATERYAL VE METOT
Bu bölümde, yüksek gerilim teçhizatları detaylı olarak açıklanacaktır. Yüksek gerilim teçhizatlarında görülen arızalar anlatılacaktır. Tezin konusunu oluşturan dış etken kaynaklı arızaların meydana gelme aşamaları detaylı olarak ele alınacaktır. Dış etken kaynaklı arızaların azaltılması için yöntemler açıklanacaktır. Porselen yüzeylerin koruyucu materyal malzeme ile kaplanması yöntemi detaylı anlatılacaktır.
3.1. Yüksek Gerilim Teçhizatları
Bu bölümde yüksek gerilim sistemlerinde kullanılan porselen dış yüzeye sahip açık şalt teçhizatları açıklanacaktır. Bu teçhizatlar izolatörler, kesiciler, ayırıcılar, akım transformatörleri, gerilim transformatörleri, parafudrlar ve buşinglerdir.
3.1.1. İzolatörler
Enerjinin üretim noktasından tüketim noktasına taşınmasında iletim hatlarının direklere tutunmasını sağlayan, nakil hattını direk, toprak ve diğer iletkenlerden izole eden, transformatör merkezlerinde baraları ve iletkenleri taşıyan, topraktan ve diğer elemanlardan izole eden şebeke teçhizatına izolatör denir. (Türkyurt, 2010)
İletim sistemlerinde kullanılan izolatörlerin şebeke frekanslı normal işletme gerilimi ile sistemde meydana gelen gerilim yükselmelerine dayanabilmesi gerekmektedir. İzolatör içinde bir delinme ya da yüzeyinden toprağa kaçak akım akışı olmamalıdır.
İzolatörlerin kendini temizleme özelliklerinin iyi olması istenir. Yani üzerlerinde biriken kir ve tozların; yağmur, kar ve rüzgâr ile kolayca temizlenmesi böylece yüzeylerine tutunmaması istenir.
Elektriksel dayanımlarının yanında mekaniksel dayanımlarının da yüksek olması gerekir. İletken ağırlığına, buz, kar yüküne ve rüzgârın etkisiyle oluşacak gerilmelere karşı sistemin güvenle çalışmasını sağlamalıdırlar.
İzolatörlerin porselen, cam, silikon ve epoksi reçineli olmak üzere değişik imalleri vardır. Porselen feldispat, kuvars ve kaolin hammaddelerinin karışımından oluşur. 1400 derece üstü sıcaklıklarda fırınlanmayla pişirilir. %25 feldispat, %25 kuvars ve %50 oranında kaolin birleşimiyle ortaya çıkan sert porselen ısı değişimlerinden az etkilenir (Karahan, 2008). Elektron ve iyon hareketliliği kısıtlı olmasıyla iyi bir yalıtkan
3. MATERYAL VE METOT
14
olma özelliğine sahip olan porselen izolatörler soğuk ve sıcak ortam şartlarına dayanıklıdırlar.
İzolatör imal edilirken porselen içinde hava boşlukları, leke ve yabancı madde kalmaması gerekir. Yüzeyin ise parlak, gözeneksiz ve sıkı bir yapıda olması istenir. Aksi halde elektriksel zorlanmalara karşı dayanıksız olur. (Türkyurt, 2010)
Dielektrik dayanımlarının arttırılması için yüzeyleri ince bir sır tabakası ile kaplanır. İzolatöre yapılan sırlama ile kaygan bir yüzey oluşturulup kir ve tozların tutunmasının engellenmesi düşünülür. Ayrıca sır tabakasının uzama katsayısı düşük tutularak soğuk basınç altında porselenin çatlaması engellenmiş olur. (Türk, 2009)
Cam izolatörler yapıları gereği kalsiyum silikat, sodyum silikat ve mukavemet arttırıcı maddeler içerirler. İletim şebekelerinde daha çok zincir izolatör olarak görev almışlardır. Işığı geçirme özelliğinden dolayı cam izolatörler güneşte daha az ısınırlar. Saydam oldukları için kırık ve çatlaklar kolay tespit edilir. Ciddi arızalarda parçalanarak zincir demetinden ayrılırlar. Yüzeylerinde kir, pislik ve nemin tutunması kolay olduğundan kaçak akımlar daha fazla görülür. (Megep, 2011)
Epoksi reçine ile üretilen izolatörler diğer izolatör gruplarına göre pahalı olduğu için iletim hatlarında pek rağbet görmemiştir.
Silikon izolatörler darbelere karşı dayanıklı, hafif, çatlama ve kırılma riski az olan, çok soğuk ve sıcak havalarda bile özelliğini koruyabilen kurulumu kolay izolatörlerdir. İmalattan ya da sonradan oluşabilecek iç arızalarının tespiti zordur.
3.1.1.1. İzolatörlerin Sınıflandırılması
İzolatörlerde sınıflandırma yapımlarına göre ve tiplerine göre olmak üzere ikiye ayrılır. Yapımlarına göre izolatörler A sınıfı ve B sınıfı izolatörler olarak sınıflandırılabilir. A sınıfı izolatörde ya da izolatör ünitesinde katı dielektrik içindeki en kısa delinme uzaklığı, izolatör dışında ve hava içindeki en kısa atlama uzaklığının en az yarısına eşittir. Bu tip izolatörlere delinmez tip izolatörler de denir. A sınıfı izolatörlere örnek long rod (çubuk) izolatörlerdir. B sınıfı izolatörde veya izolatör ünitesinde katı dielektrik içindeki en kısa delinme uzaklığı, izolatör dışında ve hava içindeki en kısa atlama uzaklığının yarısından azdır. B sınıfı izolatörlere örnek kep ve pin tipi izolatörlerdir. Bu tip izolatörlere delinebilir tip izolatörler de denir. (Mouton, 2012)
Tiplerine göre sınıflandırma ise pin tipi izolatörler, mesnet tipi (line post) izolatörler, zincir (string) izolatörler ve geçit izolatörlerdir.
15
Pin tipi izolatörler B sınıfı (delinebilir) olup orta gerilimli dağıtım hatlarında iletkenin direğe tespitinde kullanılır.
a) b) Şekil 3.1. Pin tipi izolatörler a)Yapısal bölümleri, b)Görseli
Mesnet tipi izolatörler A grubu (delinmez) olup orta gerilimli dağıtım hatlarında iletkenin direğe tespitinde kullanılır. İzolatörlerin konsollara irtibatı izolatör tutturma demirleriyle yapılır. Yüksek gerilim şalt sahalarında ise iletkenlerin ve baraların taşınmasında kullanılır. Tek ve çok parçalı olarak imal edilmektedirler.
a) b) Şekil 3.2. Mesnet tipi izolatörler a)Yapısal bölümleri, b)Görseli
Zincir izolatörler kep ve pin tipi (cap and pin type) izolatörler ve çubuk (long rod) tipi izolatörler olmak üzere ikiye ayrılır. Kep ve pin tipi izolatörler B grubu (delinebilir) izolatörler olup aynı cins izolatörlerin uygun hırdavat malzemeler
3. MATERYAL VE METOT
16
yardımıyla birbirine eklenmesiyle oluşmuştur. Bir elemanın üst tarafında oluşturulan yuvaya diğer elemanın alt tarafındaki pimin geçirilmesiyle ve çelik kopilyayla sıkıştırılmasıyla oluşturulmuştur. Bu ekleme işlemleri sonucu izolatör grubu bir zincire benzer (Karahan, 2008). İzolatör zincirinin kullanılacağı ortam koşulları ve sistemin gerilim seviyesine göre izolatördeki zincir sayısı arttırılabilir ve aynı gerilim seviyesinde üst derece izolasyon sağlanabilir. Mekaniki olarak çok dayanıklıdırlar. Kırılan bir eleman olduğu zaman sadece arızalı eleman değiştirilebilir.
a) b) Şekil 3.3. Zincir izolatörün bir elemanı a)Yapısal bölümleri, b)Görseli
Orta gerilimli dağıtım hatları ile yüksek gerilimli iletim hatlarının askı ve gergi takımlarında kullanılırlar. İletim hatlarında kullanılan zincir izolatörler kullanıldığı bölgeye göre normal veya sis tipi olarak tesis edilmektedirler. Ağır kirlenme seviyesi olan 25 mm/kV minimum kaçak mesafesi baz alındığında, son yıllarda yeni tesis edilen ve işletmedeki hatlarda bu değeri sağlayan sis (kirlilik) tipi izolatörler kullanılmaktadır.
17
Şekil 3.4. Zincir (string) tip izolatörler
Çubuk tipi izolatörle zincir izolatörlere denk olarak kullanılmaktadır. Kep ve pin tipi izolatörlere göre daha az metal içerirler. Orta gerilimli dağıtım ve yüksek gerilimli iletim hatlarında askı ve gergi takımlarında kullanılırlar. Kırıldığı zaman tamamının değiştirilmesi, yüksek gerilim için ağır ve kullanışsız olması, esneyemediği için kırılma ihtimalinin yüksek olması ve imal edildiği gerilimde kullanılabilir olmasından dolayı yüksek gerilim iletim hatlarında bu tip izolatörlere rağbet olmamış, silikon kompozit izolatörler tercih edilmiştir.
Şekil 3.5. Çubuk (long rod) tip izolatör
Geçit izolatörler ise bina içi ile dışı arasında iletkenin toprakla yalıtımını sağlayan izolatörlerdir. Tek parçalı ve çok parçalı olarak imal edilirler. Her türlü mekanik etkiye karşı dayanıklı olmalıdırlar.
3. MATERYAL VE METOT
18
Şekil 3.6. Geçit izolatörleri 3.1.2. Kesiciler
Düşük akım ve gerilim seviyelerinde devreleri açma kapama işini basit yapılı şalterler yapmaktadır. Fakat yüksek akım ve gerilim seviyelerinde devreleri yük altında açma esnasında kuvvetli arklar oluşmaktadır. Bu arkları sönümleyen, devreleri boşta, yükte, kısa devre halinde açma ve kapama yapan şalt teçhizatlarına kesiciler denir. Kesicilerin ark söndürme, çok hızlı hareketi sayesinde arkın tekrar tutuşmasını engelleme, arıza durumlarında kendisinden evvelki cihazları koruma gibi görevleri vardır. Bir kesicinin anahtarlama sırasında aşırı gerilimler oluşturmaması istenir.
Kesiciler kapalı devrelerde yük akışı sağlarken açık devrelerde ise yük akışını engellerler.
19
3.1.2.1. Kesicilerin Yapısal Bölümleri
Kesicilerin yapısal bölümleri incelendiği zaman sabit ve hareketli kontaklar, ark söndürme bölümü (hücresi), porselen dış yüzeyden oluşur. Sabit ve hareketli kontaklar akımın taşındığı kesicinin devreye girdiği zaman hareketli kontağın sabit kontaktan ayrılarak devreyi açtığı bölgedir.
Ark söndürme bölümü kontakların birbirinden ayrılması ile meydana gelen arkın söndürüldüğü bölümdür. Arkın boyu parçalara ayrılarak arkın şiddeti azaltılır ve daha hızlı söndürülür. Arklar söndürülerek kontakların ve kesicinin zarar görmesi engellenmiş olur. (Megep, 2012)
Yüksek gerilim şalt sahalarındaki kesicilerin dış yüzeyleri porselen ile çevrelenmiştir. Bu porselen kesici için iletkenle toprak arasında yalıtım sağlamaktadır.
3. MATERYAL VE METOT
20
3.1.2.2. Kesicilerin Sınıflandırılması
Kesicilerin sınıflandırılması mekanizma çeşitlerine göre ve arkın söndürüldüğü ortama göre olmak üzere ikiye ayrılır. Kesicilerde açma ve kapama işlemlerinin gerçekleştiği çeşitli mekanizmalar vardır. Elle kurmalı yaylı, motorla kurmalı yaylı, basınçlı hava ve elektromanyetik bobinli mekanizma çeşitleri vardır.
Basınçlı hava üflemeli kesiciler, tam yağlı kesiciler, az yağlı kesiciler, vakumlu kesiciler, manyetik üflemeli kesiciler ve SF6 (kükürt hegzaflorür) gazlı kesiciler olarak arkın söndürüldüğü ortama göre kesici çeşitleri bulunmaktadır. (Megep, 2012)
Günümüzde yüksek gerilim sistemlerinde büyük bir oranda SF6 gazlı kesiciler kullanılmakta olup çok düşük miktarlarda da basınçlı hava üflemeli kesiciler mevcuttur. SF6 gazlı kesicilerin hacimleri diğer kesici çeşitlerine göre küçüktür. Bu kesiciler çok sık bakım gerektirmezler. SF6 gazı ise iyi bir yalıtkandır. Kükürt hegzaflorür (SF6) gazı yüksek dielektrik katsayılı, delinme dayanımı yüksek (90 kV/cm), mükemmel ark söndürme yeteneğine sahip, yüksek kimyasal kararlılıkta bir gazdır. Alev almaz, kokusuz, renksiz ve havadan 5 kat daha ağırdır.
Kontaklar içinde ark oluştuğu esnada ortaya çıkan ısı, SF6 gazını ayrıştırarak ortaya kükürt ve florür atomları çıkarır. Gaz molekülleri serbest elektronları tutar ve onları hızlı hareket edemeyen negatif elektronlar haline getirir. Böylece ark akımı sıfıra yaklaşır. Ortam ısısı düşünce atomları birleşerek tekrar SF6 gazı halini alırlar.
3.1.3. Ayırıcılar
Sahip olduğu kontakların açık ve kapalı olduğu gözle görülebilen enerjisiz devreleri açma kapama yapabilen şalt teçhizatlarına ayırıcı denir. Amacı garanti edilen sistemi ayırmak ve bağlamaktır. Kapalı halde iken sistemde meydana gelecek kısa devre akımlarının elektriksel ve mekanik etkilerine dayanabilecek şekilde tasarlanırlar. Ayırıcılar ile enerjili sistemde açma kapama yapılamaz. Aksi takdirde oluşabilecek ark ile sistem ve kişiler zarar görebilir.
3.1.3.1. Ayırıcıların Yapısal Bölümleri
Yüksek gerilim şalt ayırıcıları şase, mesnet izolatörleri, işletme mekanizması, sabit ve hareketli kontaklardan oluşurlar. Ayrıca gerekli durumlarda kilitlemeyi sağlayan tertibatlar bulunur.
21
Köşebent ya da profilden imal edilen şase üzerine izolatörler ve mekanizmalar monte edilir. Şaseler genellikle galvanizli veya toz boyalı demirden yapılır.
Mesnet izolatörler sabit ve hareketli kontakların tutunması ve elektriğin şaseden ayrılması amacıyla kullanılırlar. Ayırıcıda yalıtım sağlayan bölümdür. Ortadan açmalı bir ayırıcıda her 3 faz için 1 hareketli ve 1 sabit kontağın irtibatlandığı 6 adet izolatör vardır ve çoğunlukla porselenden imal edilirler.
Sabit kontaklar kısa devre akımlarına ve anma akımlarına uygun, elektrolit bakır malzemeden imal edilmiş hareketsiz kalan kontaklardır. Hareketli kontaklar ise açma kapama esnasında mekanizma ile hareket edip sabit kontaklarla birleşen ya da ayrılan kontaklardır. Ayırıcıda sabit ve hareketli kontaklar iyi temas etmelidir. Kötü temas akan akım miktarına bağlı olarak kontaklar üzerinde oksitlenme ve arklar oluşturur.
İşletme mekanizması 3 fazın aynı anda elle ya da elektriki olarak açılıp kapanması için irtibatı sağlayan tertibattır. Kontakların açma kapama işlemi için gerekli hareketi sağlar. Hat ayırıcılarında bu tertibatlara ek olarak ayırıcı ile toprak bıçağı arasında düzenek vardır. (Megep, 2012)
3.1.3.2. Ayırıcıların Sınıflandırılması
Ayırıcılar; bara ayırıcısı, hat ayırıcısı, bypass ayırıcısı, toprak ayırıcısı, bara bölümleme ayırıcısı ve transfer ayırıcı olmak üzere görevlerine göre isimlendirilirler.
Bara ayırıcısı şalt sahasında bara ile kesici arasında bulunup iletim hattı ile bara irtibatlanması yapar. Hat ayırıcıları nakil hatlarının giriş ve çıkışlarında bulunur. Birlikte çalıştığı kesici açık iken açma kapama yapar. Toprak ayırıcısı, hat ayırıcısı açık konumda iken kapatılan toprak bıçağı vasıtasıyla enerjisi kesilmiş sistemde istenmeyen artık enerjinin toprağa akmasını sağlayan ayırıcılardır. Mekaniki olarak hat ayırıcısı ile toprak bıçağı birbirine ters bağlıdır. Biri açılırken diğeri kapanır. Bypass ayırıcısı tek baralı sistemlerde kesiciye paralel olarak bağlanır ve kesicide yapılması düşünülen bir çalışmada üzerinden baraya enerji vermeyi sağlar. Transfer ayırıcısı çift baralı sistemlerde ana bara ile transfer barayı birleştirmeyi sağlayan ayırıcıdır. Bara bölümleme ayırıcısı aynı gerilimli baraların birleştirilmesi ya da ayrılmasında kullanılır.
Ayırıcıların yatay ve dikey açılıp kapanabilen tipleri mevcuttur. Yatay açılan ayırıcılar tek döner izolatörlü tip, çift döner izolatörlü tip (ortadan açmalı), yatay kesmeli diz tip; dikey açılan ayırıcılar tek döner izolatörlü dikey kesmeli tip ve pantoğraf tipi ayırıcılardır.
3. MATERYAL VE METOT
22
Şekil 3.8. Çift döner izolatörlü (ortadan açmalı) ayırıcı 3.1.4. Akım Transformatörleri
Bağlı oldukları devreden geçen akımı, istenilen oranda küçülterek bu akımla sekonder terminallere bağlı ölçü aletlerini, sayaçları ve röleleri besleyen ve onları yüksek gerilimden koruyan ölçü transformatörleri denir. Akım transformatörleri birincil (primer) terminalden geçen akımı, manyetik bir kuplaj ile küçülterek ikincil (sekonder) terminale aktarır. Sekonder devresine bağlı cihazlar yüksek akımlar ile zorlanmaz. Primer akımı ile sekonder akımı orantılıdır ve bu akımlar arasındaki faz farkı sıfırdır.
Akım transformatörü primer sargı ve terminal, sekonder sargı ve terminal, manyetik nüve ve gövdeden oluşur.
23
a) b) Şekil 3.9. Akım transformatörü a)Yapısal bölümleri, b)Görseli
Primer sargı demir nüve üzerine akım değerine uygun bir kesitle sarılmış sargıdır. Sekonder sargı ise demir nüve üzerine primer sargıya ters olarak sarılmış kesiti düşük spir sayısı (akım oranına göre) büyük olan sargıdır. Terminaller de primer sargının girişi ve sekonder sargının ölçü ve koruma aletlerine bağlantılarını sağlayan gövde dışında bulunan kısımdır. Gövde kısmı ilk üretilen akım transformatörlerinde içi izolasyon yağı ile doldurulmuş demir gövdeli olarak üretilirken, şimdilerde izolasyonu sağlayıcı epoksi, reçine türünde katı izolasyon malzemeli gövdeler imal edilmektedir. Manyetik nüvede manyetik akı ortamı sağlanır. Nüvenin kesiti ve diğer özellikleri akım transformatörünün karakteristik bilgilerini verir.
Ölçü veya koruma sistemlerinde kullanılmak üzere değişik yapılarda imal edilirler. Değişen primer akımlarına karşı sabit sekonder akımı sağlarlar. Akım transformatörleri yüksek akımları küçük ölçü aletleri ile ölçmeye imkân verir.
Akım transformatörlerinin dış yüzeyleri porselen izolatör ile kaplıdır. Porselen yüzey, akım transformatöründe mekaniki olarak mukavemet sağlarken elektriki olarak ortamda oluşabilecek kaçak akıma karşı yalıtım sağlar. İzolatörler yüksek kaliteli
3. MATERYAL VE METOT
24
porselenden imal edilmiş ve dış yüzeyleri sırlanmış olacak şekilde imal edilir. İzolatörlerin mekanik dayanımı işletme veya kısa devre sırasında oluşabilecek titreşimlere, atmosferik olaylara ve deprem koşullarına uygun olmalıdır.
3.1.5. Gerilim Transformatörleri
Birincil (primer) terminaldeki gerilimi manyetik kuplaj vasıtasıyla küçülterek ikincil (sekonder) terminale aktaran ve bağlı olduğu cihazlara gerilim bilgisini sağlayan teçhizatlardır. Bu cihazlar voltmetre, wattmetre ve sayaçlardır. Gerilim transformatörleri sayesinde bu cihazlar büyük gerilimlere maruz kalmazlar.
Gerilim transformatörü birincil sargı ve terminali, ikincil sargı ve terminali, yağ kabı, manyetik nüve ve izolatör dış yüzeyden oluşur.
a) b)
Şekil 3.10. Gerilim transformatörü a)Yapısal bölümleri, b)Görseli
Gerilim transformatörlerinde akım transformatörlerinin aksine birincil devredeki sargı sayısı ikincil devreye göre fazladır. Birincil sargı ince telli çok sarımlı, ikincil sargı ise kalın ve az sarımlıdır. Gerilim transformatörünün yüküne bağlı olarak nüve kesiti imal edilir. Gerilim transformatörlerinin faz-toprak ve faz-faz arasında kullanılabilen çeşitleri vardır.
25
Değişen primer gerilimine karşı sabit sekonder gerilimi sağlarlar. Gerilim transformatörü ile yüksek gerilimler küçük ölçü aletleri ile ölçülebilir. Ölçü aletleri ve koruma röleleri primer gerilim seviyesinden korunmuş olur.
Gerilim transformatörlerinin dış yüzeyleri porselen izolatör ile kaplıdır. Faz-faz gerilim transformatörlerinde çift izolatör bulunur.
3.1.6. Parafudrlar
Yüksek gerilim tesislerinde oluşan aşırı gerilimlere karşı sistemi koruyan teçhizatlardır. Aşırı akımları kendi içinde toprağa ileterek işletmeyi kesintiye uğratmadan aşırı gerilimleri şebeke içinde etkisiz hale getirirler. Parafudrların sönümlediği yüksek gerilimler iç ve dış yüksek gerilimler olmak üzere ikiye ayrılır. İç yüksek gerilimler kesici açma manevrası esnasında meydana gelen, ayrıca şebeke elemanlarının toprakla teması, iki fazın teması ve nötr toprak arızalarında görülen gerilimlerdir. Dış yüksek gerilimler ise yıldırım düşmesi sonucu oluşan gerilimlerdir.
Normal işletme şartlarında parafudrlar yalıtkan özellik gösterirken istenmeyen seviyedeki akımlarda iletken görevi görerek artık enerjiyi toprağa iletir. Artık gerilimin etkisi geçince tekrar yalıtkan hal alırlar.
Parafudrun yapısı değişken dirençler ya da çinko oksitten yapılmış varistörler, basınç dengeleme yayı, seri ark aralıkları, azot gazı, kuru hava ve porselen izolatörden oluşur.
Yüksek gerilim tesislerinde parafudrlar her faza ayrı ayrı olmak üzere faz-toprak arasına bağlanır. Aşırı gerilim oluştuğunda değişken direnç değeri düşer ve seri ark aralığında izolasyon delinerek ark oluşur. Aşırı gerilimin değeri azalınca değişken direnç değeri yükselir ve akan akım sınırlanır. Ark birkaç mikro saniye içinde sönmüş olur. Kullanılan tesiste gerilim miktarı büyüdükçe parafudr boyutu da büyür.
Parafudr atmosfer basıncı altında azot gazı veya kuru hava ile doldurulur. Aktif bölümleri nem oluşmaması için nem alıcı bir maddeyle sınırlandırılmış, iki ucu contayla kapatılmış porselene yerleştirilir. Porselen ve sır ani sıcaklık değişimlerinden etkilenmeyecek ve diğer atmosferik koşullara karşı dayanıklı olacak şekilde imal edilirler.
3. MATERYAL VE METOT
26
a) b)
Şekil 3.11. Parafudr a)Yapısal bölümleri, b)Görseli 3.1.7. Buşingler
Transformatör buşingleri bir tür geçit izolatörüdür. Güç transformatörünün dışından orta gerilim ve yüksek gerilim iletkenlerinin gerekli bağlantı yollarıyla transformatörün içine bağlanmasını ve iletkenin tanka karşı yalıtımını sağlar. Bir flanş vasıtasıyla tanka tespit edilir. İzolatör gövde, ana flanş ve akım iletkeninden oluşur. Porseleni ateşe, yüksek sıcaklıklara ve patlamaya karşı dayanıklı imal edilir.
27
Transformatör buşinglerinin sistemdeki yüksek gerilim arızalarından dolayı patlamasıyla çoğu transformatör yanmıştır. Geçiş noktalarında kilit rol oynayan bu teçhizatların porselen dış yüzeylerinin kısmi deşarj ve parlama oluşturacak etkilere karşı korunması gerekmektedir.
Yüksek gerilim teçhizatları adı altında anlatılan tüm teçhizatların dış yüzeylerinin hem elektriksel hem de mekaniksel olarak korunması porselen yalıtkan ile sağlanmaktadır. Bu teçhizatlar açık ortamda çalışmakta ve dış etkilere doğrudan maruz kalmaktadırlar.
3.2. Yüksek Gerilim Arızalarının Analizi
Elektrik enerjisi yüksek gerilim seviyelerinde üretilir ve iletilir. Gerilim seviyelerinin çok yüksek olması, bu tip sistemler için özel ve detaylı çalışma yapılmasını gerektirmektedir. Normal çalışma koşullarında ilgili sistemler kararlı çalışmakla birlikte, arıza durumlarında olası zararları en aza indirgemek için çok kısa sürede arızaya müdahale edilmesi gerekir. Bunun için arızalar doğru bir biçimde analiz edilmelidir. Bu bölümde yüksek gerilimde meydana gelebilecek olası arıza tipleri açıklanmıştır.
3.2.1. Aşırı Gerilim Arızaları
Aşırı gerilimlerin genlikleri iletim şebekesinin yapısına ve aşırı gerilimlerin meydana gelmesine neden olan olaylara bağlı olarak işletmedeki şebeke geriliminin birkaç katına çıkabilmektedir. Aşırı gerilimler meydana geldiği bölgeden başlayarak tüm sistem üzerinde, yürüyen dalgalar şeklinde ışık hızı düzeyindeki hızlarla ilerleyerek sistemde bulunan cihaz, teçhizat ve yalıtkanların zorlanmalarına neden olurlar.
Yüksek gerilim sistemlerinde meydana gelen aşırı gerilimler; gerilim yükselmeleri, iç aşırı gerilimler ve dış aşırı gerilimler olarak üçe ayrılır.
3.2.1.1. Gerilim Yükselmeleri
İşletme esnasında meydana gelen olaylardan kaynaklanan aşırı gerilim yükselmeleridir. Boşta çalışan enerji nakil hattının hat sonunda gerilim yükselmesi (ferranti olayı), generatör yükünün kalkması, devreden çıkan generatörün kapasitif yüklenmesi, rezonans-ferrorezonans meydana gelmesi, kapasitif devrenin açılması, simetrik olmayan faz-toprak, faz-faz ve faz-faz-toprak kısa devresi gibi olaylar neticesinde oluşurlar. Genellikle şebeke frekanslı olarak görülen gerilim
3. MATERYAL VE METOT
28
yükselmelerinin etki süreleri, şebeke yapısına göre değişiklik gösterebilir. Gerilim yükselmeleri birkaç saniyeden birkaç saate kadar sürebilir.
Hat sonu açık devre olan (boşta yüksüz çalışan) iletim hatlarında, hattın sahip olduğu kapasiteden dolayı hat sonu gerilimi hat başı geriliminden yüksek olur. Kapasitif akımdan dolayı oluşan bu durum ferranti olayı olarak tanımlanır. Kompanzasyonu yapılmamış uzun bir hatta bir yük atması ile hat sonunda ferranti olayıyla hat başına göre 1.2 kat gerilim oluşur.
Generatörde herhangi bir sebeple yük ani olarak kalkarsa uyarma regülatörü devreye girerek gerilimi ayarlamaya başlasa da ani gerilim yükselmesi olur. Bu ani gerilim artışı gerilimin %30’una kadar çıkabilir.
Rezonans ve ferrorezonans durumlarında meydana gelen gerilim yükselmeleri, büyük kapasitanslı iletim hatları, kablolar ve büyük endüktanslı transformatör ve şönt reaktör gibi elemanların enerjilendirilmeleri veya ani yük değişimleri sırasında meydana gelir. Gerilim yükselmesi faz geriliminin 1.5 katına kadar ortaya çıkabilir. (İsmailoğlu, 2009)
Kapasitif devrelerde güç anahtarları devreyi tekrar tutuşma olmadan keserlerse aşırı gerilimler meydana gelmez. Aksi halde büyük aşırı gerilimler ortaya çıkabilir. Bu yüzden güç anahtarlarının açma esnasında kontak aralıklarını hızla temizleyip yalıtması ve yeniden ark oluşmasını engellemesi gerekir.
Faz-toprak, faz-faz ve faz-faz-toprak kısa devrelerinde sağlam kalan fazların gerilimleri artar. Gerilim artışı için yıldız noktasının topraklı olup olmaması çok önemlidir. Yıldız noktası yalıtılmış şebekede bir faz-toprak arızası meydana geldiğinde sağlam fazların faz-toprak gerilimleri arızadan önceki faz-faz gerilim değerine kadar yükselebilir. Bu değer faz gerilimi olarak %73 kadardır. Yıldız noktası topraklı olan şebekelerde bir toprak kısa devresi olduğunda sağlam fazların toprağa karşı gerilim artışı sıfır ve pozitif bileşen empedanslar arasındaki orana bağlı olarak %30 ile %70 arasında artabilir.
3.2.1.2.İç Aşırı Gerilimler
İç aşırı gerilimler, şebeke içi olaylar nedeniyle oluşan yavaş cepheli ve kısa süreli aşırı gerilimlerdir. Devrenin kapasitansı ve endüktansı nedeniyle ani bir osilasyon üretilir ve gerilim yükselmesi ortaya çıkar. Genel olarak ucunda transformatör olan hattın devreye alınması, üzerinde yük olan hattın tekrar kapama yapması, ani yük atma
29
ve anahtarlama ile devre açma-kapama olayları sonucunda oluşan aşırı gerilimlerdir. Genellikle kısa süreli gerilimler olup işletme frekansının yarı dalgası içinde sönerler (Orozalieva, 2009). Şekil (3.13)’te standart açma-kapama (anahtarlama) darbe gerilimi IEC 60060-2 standartlarına göre verilmiştir. (Dedeoğlu vd., 2008)
Şekil 3.13. Standart açma-kapama(anahtarlama) darbe gerilimi
Genlikleri; işletilen gerilim düzeyine, hattın uzunluğuna, empedansına ve kompanzasyonuna, kullanılan kesicinin karakteristiklerine, tekrar kapama öncesinde hat üzerinde bir önceki enerji kesintisinden kalan yüklerin bulunmasına bağlı olarak değişir. Açık uçlu bir hatta gerilim verildiği anda, hattı hızla şarj eden yürüyen dalgalar oluşur. Hattın açık ucuna ulaşıldığında, bu dalgalar işaret değişikliği olmaksızın tamamen yansıtılır böylece bu noktada voltaj yaklaşık olarak ikiye katlanır. Yürüyen bu dalgalar çoğunlukla kaynaktan uzak noktada etkili olur.
Yüklü bir hat ani olarak açılırsa anlık ani akımın hattın dalga empedansı ile oluşturduğu bir gerilim yükselmesi yaşanır. Oluşan bu geçici gerilim yükselmesi hat voltajının bir sonucu olarak ortaya çıkmaz. Kesici kısa devre akımının tepe değerinde açmaya giderse gerilimde yükselme görülür. Kesicinin devreyi akımın sıfır değerinde açması bu sorunun yaşanmasını engelleyecektir.
İç aşırı gerilimler işletilen gerilim seviyesine göre teçhizatların yalıtım boyutlandırılmasında dikkate alınan gerilimlerdir.
3.2.1.3. Dış Aşırı Gerilimler
Dış aşırı gerilimler, atmosferik olaylar sonucu oluşurlar. Yıldırımın, doğrudan doğruya faz iletkenlerine, iletim hattı direğine, koruma iletkenlerine ya da şalt sahalarına düşmesiyle direkt yıldırım düşmesiyle oluşan dış aşırı gerilimler görülür.
3. MATERYAL VE METOT
30
Yıldırım bulutundaki elektriksel yüklerin hat üzerinde tesirle elektriklenmesi sonucu hatta oluşan yük dalgasının, yıldırımın hattın dışında bir noktaya düşmesi ile yük dalgasının hat üzerinde her iki tarafa doğru yayılmasıyla tesirle elektriklenme ile oluşan dış aşırı gerilimler görülür.
Yıldırım faz hattına doğrudan düşerse düştüğü yerden itibaren faz hattının her iki tarafına doğru eşit hız ve büyüklükte yürüyen dalgalar oluşur. Yıldırımın büyüklüğüne göre oluşacak yürüyen dalga ilk direğin izolatöründen direğe atlama eğiliminde olacaktır. Bu durum Şekil (3.14)’te gösterilmiştir.
Şekil 3.14. Faz hattına düşen yıldırımın davranışı
𝒾(t)=Io(e-αt
-e-βt) (3.1) Denklem (3.1)’de e-αt
pozitif tarafta azalan fonksiyon, e-βt negatif tarafta azalan fonksiyon olmak üzere denklem hat üzerine düşen akımın formülüdür.
υ(t)=1/2Z.𝒾(t)=1/2Z.Io(e-αt
-e-βt)=Uο(e-αt-e-βt) (3.2) Denklem (3.2) yürüyen dalga gerilimi formülüdür.
31
Şekil 3.15. Yıldırım dalga formu
Şekil (3.15)’te IEC standart 60060-1’e göre verilen yıldırım dalga formunda T1 cephe süresi, T2 sırt yarı değer süresidir.
Yıldırım akımlarının tepe değeri birkaç kA ile 200 kA arasındadır. 200 kA üzerindeki yıldırım akımları çok nadir olmakla birlikte yıldırımların %90’ı 20 kA düzeyindedir. Yıldırım akımları nedeniyle bu tip gerilimler çok kısa süreli (dik cepheli) gerilimlerdir.
Yıldırımın direğe düşme durumunda meydana gelen aşırı gerilimler, yıldırımın faz iletkenlerine düşme durumu kadar tehlike oluşturmaz. Fakat bu durum direk ayak topraklama direnç değerine göre değişebilir. Eğer direğin ayak topraklama direnci çok yüksekse meydana gelecek olan gerilim çok yüksek seviyelere çıkıp izolatör üzerinden faz hattına doğru geri atlama yapabilir. Bu durum Şekil (3.16)’da gösterilmiştir.
