T.C.
SİİRT ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
ÇÖL TOZLARININ YÜKSEK GERİLİM HAVAİ HAT İLETKENLERİ ARASINDA GERÇEKLEŞEN ELEKTRİKSEL KAYIPLAR ÜZERİNDEKİ
ETKİSİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Abdulgani GÖZ (163111013)
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Tez Danışmanı: Doç. Dr. Fevzi HANSU
Haziran-2019 SİİRT
ii
TEZ KABUL ve ONAY SAYFASI
Abdulgani GÖZ tarafından hazırlanan “Çöl Tozlarının Yüksek Gerilim Havai Hat İletkenleri Arasında Gerçekleşen Elektriksel Kayıplar Üzerindeki Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi” adlı tez çalışması 13.06.2019 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oybirliği ile Siirt Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Jüri Üyeleri İmza
Başkan
Dr. Öğr. Üyesi Davut SEVİM ………..
Danışman
Doç. Dr. Fevzi HANSU ………..
Üye
Dr. Öğr. Üyesi Mehmet Recep MİNAZ ………..
Yukarıdaki sonucu onaylarım.
Doç. Dr. Fevzi HANSU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
iii ÖN SÖZ
Tez çalışmamın her aşamasında bilgi ve tecrübesi ile bana yol gösteren, destek ve önerilerini eksik etmeyen, her konuda kendisini örnek aldığım ve kendisiyle çalışmaktan büyük mutluluk duyduğum değerli danışman hocam Doç. Dr. Fevzi HANSU’ya, tez çalışmamın deneyleri sırasında yardımlarını esirgemeyen çalışma arkadaşlarım Arş. Gör. Rıdvan ÇETİN ve Arş. Gör. Murat AKDEMİR’e teşekkürlerimi sunarım.
Ayrıca;
Eğitim hayatım boyunca, benim için en iyi şartları sağlayan, daima fedakâr davranan ve bugünlere gelmeme vesile olan anneme ve babama şükranlarımı sunar, tez çalışmasının her aşamasında desteklerini esirgemeyen kıymetli aileme teşekkürlerimi bir borç bilirim.
Abdulgani GÖZ 2019-SİİRT
iv İÇİNDEKİLER Sayfa ÖN SÖZ ... iii İÇİNDEKİLER ...iv TABLOLAR LİSTESİ ... v
ŞEKİLLER LİSTESİ ...vi
KISALTMALAR ve SİMGELER LİSTESİ ... viii
ÖZET ... x
ABSTRACT ...xi
1. GİRİŞ ... 1
1.1. Genel Bilgiler ... 1
1.2. Elektriksel Gaz Boşalmaları ve İyonizasyon ... 4
1.2.1. Korona boşalmaları ... 5
1.2.1.1. Korona boşalmalarını etkileyen faktörler ... 9
1.2.2. Yüzeysel elektrik boşalmaları ... 10
1.2.3. Elektriksel ark boşalmaları ... 11
1.3. Tezin Güncelliği ... 11
2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI ... 12
2.1. Konuyla İlgili Yapılmış Olan Çalışmalar ... 12
3. MATERYAL ve METOT ... 21 3.1. Materyal ... 21 3.2. Metot ... 27 4. BULGULAR ... 29 5. SONUÇLAR ve ÖNERİLER ... 40 5.1. Sonuçlar ... 40 5.2. Öneriler ... 41 6. KAYNAKLAR ... 42 ÖZGEÇMİŞ ... 45
v
TABLOLAR LİSTESİ
Sayfa Tablo 1.1: oranına göre F kayıp faktörünün ortalama değerleri ... 9 Tablo 4.1: Sistemin statik durumlardaki ölçülen kapasite değerleri ... 39
vi
ŞEKİLLER LİSTESİ
Sayfa
Şekil 1.1: Bir elektron çığının oluşum aşamaları (Trinh, 1995) ... 5
Şekil 1.2: Korona boşalmalarına ait örnek bir Gerilim-Akım grafiği ... 6
Şekil 1.3: Peterson formülündeki F katsayısının oranına göre değişim grafiği ... 8
Şekil 3.1: Deneysel çalışmada kullanılan dâhili tip gerilim trafosu görüntüsü ... 21
Şekil 3.2: Ayarlanabilir Gerilim Kaynağı (Varyak) görüntüsü ... 22
Şekil 3.3: Deney sisteminin kumanda ve ölçüm elemanları görüntüleri ... 22
Şekil 3.4: Çöl tozlarının eldesinde kullanılan kurutulmuş çamur kütleleri görüntüsü ... 23
Şekil 3.5: Küçük boyutlara sahip çöl tozlarını elde etmek için kullanılan elek sistemi görüntüsü ... 24
Şekil 3.6: Hassas terazi görüntüsü ... 24
Şekil 3.7: Elektrot sistemi ve reaktör görüntüsü ... 25
Şekil 3.9: Deney sistemine ait genel bir görüntü ... 26
Şekil 3.10: Hat modelinin toz bulutu sırasındaki elektriksel eşdeğer kapasite modeli ... 28
Şekil 3.11: Hat modelinin toz bulutu sırasındaki elektriksel eşdeğer kapasite devresi ... 28
Şekil 4.1: Tozsuz ortamda ve d=16 mm elektrot açıklığında alınmış olan V-I karakteristiği ... 29
Şekil 4.2: d=16 mm elektrot açıklığında ve ortama 5 gr toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristiği ... 30
Şekil 4.3: d=16 mm elektrot açıklığında ve ortama 10 gr toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristiği ... 31
Şekil 4.4: d=16 mm elektrot açıklığında ve ortama 15 gr toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristiği ... 31
vii
Şekil 4.5: d=16 mm elektrot açıklığında ve ortama 20 gr toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristiği ... 32 Şekil 4.6: d=16 mm elektrot açıklığında ve ortama 25 gr toz eklenmesiyle
alınan V-I karakteristiği ... 32 Şekil 4.7: d=16 mm elektrot açıklığında ve ortama 30 gr toz eklenmesiyle
alınan V-I karakteristiği ... 33 Şekil 4.8: d=16 mm elektrot açıklığında ve ortama 35 gr toz eklenmesiyle
alınan V-I karakteristiği ... 34 Şekil 4.9: d=16 mm sabit elektrot açıklığında ve ortama çeşitli miktarlarda toz
eklenmesiyle alınan V-I karakteristikleri ... 34 Şekil 4.10: d=36 mm sabit elektrot açıklığında ve ortama çeşitli miktarlarda
toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristikleri ... 35 Şekil 4.11: d=57 mm sabit elektrot açıklığında ve ortama çeşitli miktarlarda
toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristikleri ... 36 Şekil 4.12: d=77,4 mm sabit elektrot açıklığında ve ortama çeşitli miktarlarda
toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristikleri ... 37 Şekil 4.13: d=97 mm sabit elektrot açıklığında ve ortama çeşitli miktarlarda
toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristikleri ... 37 Şekil 4.14: d=117 mm sabit elektrot açıklığında ve ortama çeşitli miktarlarda
toz eklenmesiyle alınan V-I karakteristikleri ... 38 Şekil 4.15: Sabit 20 gr toz konsantrasyonu ortamında ve değişken elektrot
viii
KISALTMALAR ve SİMGELER LİSTESİ Kısaltma Açıklama
AC : Alternatif Akım
ATH : Alüminyum Trihidrat
C : Karbondioksit
Cu : Bakır
DC : Doğru Akım
EMI : Elektromanyetik Girişim
H3BO3 : Borik Asit
Mg(OH)2 : Magnezyum Hidroksit
TEDAŞ : Türkiye Elektrik Dağıtım Anonim Şirketi
TEİAŞ : Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi
UV : Morötesi YG : Yüksek Gerilim Zn : Çinko Simge Açıklama A : Atom : Pozitif iyon
: İletkenler arası açıklık
cm : Santimetre
cm2 : Santimetre kare
Cg : Tozlu hatların dışında kalan hattın kapasitesi Cd : Ortamdaki havanın kapasitesi
Ci : Çöl tozu taneciğinin iç kapasitesi d : Elektrot açıklığı
Ek : Korona elektrik alan şiddeti
Emak : Demet İletkenli Hatlardaki Maksimum Alan Şiddeti
E0 : Çarpma ile iyonlaşmanın başladığı gerilime karşılık gelen elektrik Alan
şiddeti : Elektron
ɛ : Elektronun yol boyunca kazandığı enerji
ix Simge Açıklama
F : Peterson formül katsayısı
Hz : Hertz I : Akım değeri 0 K : Kelvin sıcaklığı Km : Kilometre kV : Kilovolt kVA : Kilovoltamper kΩ : Kiloohm kW : Kilowatt l : Hat uzunluğu m : Hattın pürüzlülük katsayısı mm : Milimetre µA : Mikrometre µm : Mikrometre p : Ortam basıncı pF : Pikofarad
: Üç faza ait korona kaybı : Bir faza ait korona kaybı
PT : Hat boyunca meydana gelen toplam kayıp
: Tekil hat için korona radyasyon direnci
r : İletkenin yarıçapı
T : Ortam sıcaklığı
: Fazlar arası gerilim : Delinme gerilimi : Faz-Nötr gerilimi
: Çarpma suretiyle iyonizasyonun başladığı faz-Nötr gerilimi
: Korona gerilimi
: Çarpma suretiyle iyonizasyonun başladığı gerilim
V : Volt
VA : Voltamper
: İyonizasyon için gerekli enerji : Bağıl hava yoğunluğu
Ω : Ohm
x ÖZET
YÜKSEK LİSANS TEZİ
ÇÖL TOZLARININ YÜKSEK GERİLİM HAVAİ HAT İLETKENLERİ ARASINDA GERÇEKLEŞEN ELEKTRİKSEL KAYIPLAR ÜZERİNDEKİ
ETKİSİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ Abdulgani GÖZ
Siirt Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
Danışman: Doç. Dr. Fevzi HANSU
2019, 45+xi Sayfa
Gelişen teknolojinin ana besleme kaynağını oluşturan ve iletim, dağıtım, kullanım kolaylığı gibi avantajları ile öne çıkan elektrik enerjisine olan ihtiyaç, her geçen gün daha da artmaktadır. Mevcut üretim kaynaklarının sınırlı olması ve giderek artan tüketim oranı gibi faktörler, elektrik enerjisi sistemlerinde meydana gelen kayıpların azaltılmasını bir zorunluluk haline getirmiştir. Elektrik enerjisi iletim hatlarında meydana gelen kayıpların önemli bir bölümü ise atmosferik veya doğa olayları sonucunda gerçekleşen kum fırtınalarının etkisiyle elektrik enerjisi iletim sistemlerinin maruz kaldığı toz bulutları nedeniyle oluşan kayıplardır. Enerji iletim hatlarında meydana gelen kayıplarının azaltılmasına yönelik yapılan bu çalışmada, iletim hatlarındaki iletken, direk ve izolatör boyutlandırmalarında büyük öneme sahip olan ve dünyanın birçok bölgesinde belirli dönemlerde meydana gelen çöl tozlarının enerji iletim hatlarındaki enerji kayıpları üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Çalışma kapsamında, hat iletkenlerini karakterize eden iki adet silindir çubuk şekilli ve bakır alaşımlı, yüzeyleri pürüzsüz bronz elektrot kullanılarak oluşturulan kapalı bir reaktör sistemi içerisinde homojen olarak dağıtılmış 4 adet fan yardımıyla ve belirli oranlarda çöl tozu karışımı kullanılarak gerçeğe yakın bir çöl fırtınası ortamı oluşturulmuştur. Daha sonra bu elektrotlara kademeli şekilde ve belirli oranlarda yüksek gerilim uygulanarak, her aşamada elektrotlar arasından geçen akım değerleri ölçülmüştür. Boşalmanın tutuşma ve sönümlenme gerilimlerinin yanı sıra, ölçülen değerlere ait Gerilim-Akım grafikleri oluşturularak yorumlanmıştır. Çalışma sonucunda, çöl tozlarının iletim hatlarının iletkenleri arasındaki omik direnci arttırıcı yönde bir etki yaptığı ve buna karşın ortamın elektriksel delinme gerilimi seviyesini önemli ölçüde azalttığı sonucuna varılmıştır.
xi ABSTRACT
M.Sc. THESIS
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF EFFECT OF DESERT POWDERS ON THE ELECTRICAL LOSSES OCCURRED BETWEEN HIGH VOLTAGE
OVERHEAD LINE CONDUCTORS Abdulgani GÖZ
The Graduate School of Natural and Applied Science of Siirt University The Degree of Master of Science
In Electrical-Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Fevzi HANSU
2019, 45+xi Pages
The need for electrical energy, which forms the main source of the developing technology and stands out with its advantages such as transmission, distribution and ease of use, is increasing day by day. The factors such as limited production resources and increasing consumption rates have made a necessity to reduce the losses in electrical energy systems. An important part of the losses in the electric power transmission lines is the losses caused by the dust clouds which are exposed to electrical energy transmission systems due to the effects of sand storms that occur as a result of atmospheric or natural events. In this study, which is mainly aimed at reducing the losses in the energy transmission lines, the effect of desert powders (dusts) on energy losses occur in the energy transmission lines have been experimentally investigated. Within the scope of the study, a real-life desert storming environment was created by using four cylinder fans in a closed reactor system, which was formed using two cylindrical rod shaped and copper alloy, smooth bronze electrodes. Subsequently, these electrodes were applied stepwise and with high rates of high voltage. In addition to ignition and damping voltages of discharge, voltage - current graphs of measured values have been formed and interpreted. As a result of the study, it has been concluded that desert dust has an effect of increasing the Ohmic resistance between the conductors of the transmission lines and in contrast to this; it significantly reduces the electrical breakdown voltage level of the electrodes system.
1 1. GİRİŞ
1.1. Genel Bilgiler
Son yıllarda enerji kavramının önemi giderek artmaktadır. Dolayısıyla, araştırmacılar bir yandan yeni enerji kaynaklarını keşfetmeye çalışırken; diğer yandan enerji üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinde meydana gelen kayıp-kaçak oranlarını düşürmeye yönelik araştırmalar yaparak mevcut enerji kaynaklarının daha verimli bir şekilde kullanılmasının yollarını keşfetmeye çalışmaktadırlar.
Endüstri 4.0 dönemine geçiş ile birlikte gelişen teknolojinin ana besleme kaynağını oluşturan ve iletim, dağıtım, kullanım kolaylığı gibi avantajları ile öne çıkan elektrik enerjisine olan ihtiyaç, her geçen gün daha da artmaktadır. Mevcut üretim kaynaklarının sınırlı olması ve giderek artan tüketim oranı gibi faktörler, elektrik enerjisi sistemlerinde meydana gelen kayıpların azaltılmasının kaçınılmaz bir zorunluluk haline geldiğinin açık bir göstergesidir.
Elektrik enerjisi sistemlerinde meydana gelebilecek kayıplar genel olarak üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinde meydana gelen kayıplar olarak sınıflandırılabilir. Bunlar arasında üretim ve dağıtım sistemlerinde meydana gelen kayıplar daha çok sistemde kullanılan malzemeler ve kullanım yöntemlerinden kaynaklanırken; iletim sistemlerinde meydana gelen kayıplarda ise malzeme türü ve teknik sebeplerin yanı sıra atmosferik koşulların da büyük etkisi söz konusudur.
Ülkemizin güneyindeki sınır bölgelerindeki iller başta olmak üzere bazen iç kesimlerdeki iller de dâhil olmak üzere birçok ilimiz, yılın belirli zamanlarında çöl fırtınaları veya bazen kum fırtınaları da denilen karışım halindeki bir toz taşınımından oluşan bir doğa olayına maruz kalmaktadırlar. Kimyasal açıdan zengin bir mineral karışımına sahip olan ve içerdiği mineral türü ve miktarı bakımından asitlik derecesi ve aynı zamanda iletkenliği de farklı olan bu tozlar, bazen Afrika kıtasından; bazen de Ortadoğu ülkelerinden atmosferik olaylar neticesinde ülkemize kadar ulaşabilmektedirler. İnsanoğlunun kontrolü dışında gerçekleşen bu taşınım olayının gerek canlı varlıklar ve gerekse de elektrik enerjisi sistemleri üzerinde önemli etkileri söz konusudur. Çöl tozlarının canlılar (insanlar, hayvanlar ve bitkiler) üzerinde
2
oluşturduğu etkilere yönelik literatürde çok sayıda çalışmaya rastlanılabilir fakat elektrik enerjisi sistemleri üzerindeki etkilerine yönelik yapılan çalışmalar yok denecek kadar azdır. Bu noktadan hareketle yapılan ön çalışma ve değerlendirmelerde, kum fırtınalarının içerdiği toz partiküllerinin, elektrik enerjisi sistemleri üzerinde iki tür etkisi olduğu anlaşılmıştır. Bunlardan birincisi, toz partiküllerinin havai hat iletkenleri arasında kapasitif bir etki oluşturarak hat iletkenleri arasındaki iletkenlik derecesini etkilemesi; diğer etkisi ise, iletken ve izolatör sistemlerinin yüzeylerinde bir tabaka oluşturarak yüzeysel boşalmaların tutuşma ve sönümleme gerilimlerinin sınır değerlerini azaltması beklenir. Bu durum hat kayıpları açısından önemli ve güncel bir problemi ortaya koymaktadır.
Elektrik Enerjisi kayıpları, üretilen enerji ile tüketilen enerji arasındaki fark olarak bilinir. Sistemlerde meydana gelen kayıplar teknik kayıplar ve teknik olmayan kayıplar olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Teknik kayıplar, hat kayıpları ve trafo kayıpları olarak bilinir ve bu kayıplar şebekeden akan akımla doğrudan ilişkilidirler. Hat kayıpları bakır kaybı, dielektrik kayıplar ve indüksiyon/radyasyon kayıpları olarak bilinir. Trafo kayıpları ise, transformatörün iç sargılarından kaynaklanan bakır kayıpları ve demir (nüve) kayıpları olarak bilinir. Teknik olmayan kayıplar ise ağırlıklı olarak dağıtım şebekelerinde görülmekle birlikte, kaçak hat bağlantıları, ölçüm hataları ve sayaç okuma hataları sonucu meydana gelir (Davidson ve ark., 2002).
Teknik kayıplar sınıfında yer alan ve genellikle elektrik enerjisi iletim hatlarında meydana gelen kayıpların önemli bir türü de hava veya gaz ortamında gerçekleşebilen elektrik boşalmaları sonucu oluşan kayıplardır (Kumar, 2013). Elektrik enerjisi iletim hatlarında güç taşınırken kayıpları azaltmak amacıyla genellikle hat gerilimin yüksek; hat akımın ise düşük olması istenir. Bunun nedeni ise bağıntısına göre hat kayıplarının akımın karesiyle doğru orantılı olarak artması veya azalmasıdır. Bu durumda, bağıntısına göre sabit güç iletiminde gerilim ne kadar yükseltilirse akım da o derecede azaltılmış olur ve böylece hat kayıpları da önemli oranda kontrol edilebilir hale getirilmiş olur. Ancak gerilimin belirli bir seviyeden daha fazla yükseltilmesinin de bazı sakıncaları söz konusudur. Çünkü gerilimin kontrolsüzce (hat parametreleri dikkate alınmadan) yükseltilmesinin de önemli dezavantajları söz konusudur. Gerilimin gereğinden daha fazla arttırılması, hat üzerinde bazı elektriksel
3
boşalmalara yol açarak korona kayıplarını arttırır. Dolayısıyla, enerjinin optimum koşullarda taşınabilmesi için bu dengenin iyi bir şekilde sağlanması gerekir. Bu durum, yüksek gerilim hatlarında gerçekleşebilen elektriksel boşalmalar neticesinde meydana gelen teknik kayıpların önlenmesine yönelik çalışmaların yapılmasını da önemli kılmaktadır.
Elektrik enerjisi üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinde belirli koşullarda meydana gelen; başta korona boşalmaları, bariyer boşalmaları, yüzeysel boşalmalar ve ark boşalmaları gibi olağanüstü olaylar sonucunda oluşan enerji kayıplarını önlemek ve bu olayların sistemlerde oluşturabileceği tahribatı azaltmak veya yok etmek amacıyla çeşitli yöntemler kullanılır. Dolayısıyla, enerji iletim hatlarının tasarımı veya uygulaması yapılırken bu tür enerji kayıplarını etkileyen faktörlere büyük dikkat çekilmektedir (Phan-Cong ve ark., 1974). Sistemi önemli derecede etkileme potansiyeline sahip olan bu kayıpların önemli bir türü olan elektriksel boşalmaların iletim hatlarında meydana getirdiği enerji kayıpları gibi dezavantajlarının yanı sıra, iyon-elektron teknolojisinde oldukça geniş bir uygulama alanına sahip olan avantajlı yönleri de söz konusudur. Bu alanlara örnek olarak ozonatörler, suyun filtrasyonu ve baca gazlarının temizlenmesi gibi önemli uygulamalar gösterilebilir (Hansu 2005).
Yüksek gerilimli (YG) elektrik enerjisinin iletimi veya taşınımı genellikle izolasyonsuz (çıplak veya hava ile doğrudan temaslı) alüminyum iletkenlere sahip olan havai hatlarla gerçekleştirilmektedir. Enerji iletim sistemlerinde hat-hat arası, hat direk arası veya hat-toprak arası yalıtım işlemi hava ile sağlanmaktadır. Yalıtım için kullanılan havanın temiz olmaması veya hava içerisinde bazı partiküllerin bulunması, elektrotlar arasında kapasitif bir etki meydana getirerek havanın delinme dayanımını belirli ölçüde zayıflatır. Bu durum, beraberinde iletkenlerin etrafında meydana gelen iyonlaşmanın daha kolay bir şekilde gerçekleşmesine neden olmakla birlikte gerçekleşmesi muhtemel elektriksel boşalmalarını da önemli ölçüde tetiklemektedir. Bu elektriksel boşalmalar kısa bir mesafe için az bir kayıp oluşturabilir fakat uzun mesafeli iletim hatlarında oluşturacağı toplam kayıp miktarı, ihmal edilemeyecek derecelere ulaşmaktadır (Yıldırım, 2003). İletim hatlarında enerji kayıplarına zemin hazırlayan bu problemin çözülebilmesi için gazlarda elektriksel boşalma mekanizmasının iyi bir şekilde anlaşılması gerekmektedir.
4 1.2. Elektriksel Gaz Boşalmaları ve İyonizasyon
Hava veya yalıtkan bir gaz ortamına yerleştirilmiş olan iki elektrota uygulanan gerilimin arttırılarak belirli bir kritik değeri aşmasıyla birlikte gaz içindeki serbest elektronlar hareketlenmeye başlar. Kazandıkları enerji ile anota doğru ilerleyen bu elektronlar, gaz ortamındaki atom veya moleküllerle çarpışarak bir iyonlaşma olayını meydana getirirler (Yıldırım ve Kalenderli, 2005). Boşalma aralığında yoğun olarak gerçekleşen bu çarpışma olayları sırasında, bir gaz molekülünden bir elektron serbest kalırken aynı anda bir pozitif iyon oluşmaktadır. Kısaca, bu olaya iyonizasyon denir. Serbest haldeki bir elektron nötr bir gaz molekülü ile çarpıştığında ortamda yeni bir elektron ve pozitif iyon oluşur. Buna çarpışma suretiyle iyonizasyon adı verilir. Katottan ayrılan elektronun yol boyunca sahip olduğu enerji, bir elektronu atomun kabuğundan ayırmak için gerekli olan bağlanma enerjisine eşit veya ondan büyük olursa iyonlaşma olayı gerçekleşir. Bu süreç özetle aşağıdaki şekilde ifade edilebilir (Naidu ve Kamaraju, 1995).
+A⟶ + + (ɛ ˃ ) (1.1) ɛ: Elektronun yol boyunca kazandığı enerji
: İyonizasyon için gerekli enerji A: Atom
: Elektron : Pozitif iyon
Katottan ayrılan bir elektron, anot ucuna doğru ilerlerken yol boyunca diğer atom veya molekülerle çarpışır. Bu çarpışmalar bir elektron çığı meydana getirirler. Meydana gelen bu çığ anota ulaştıktan sonra elektrotlar arasında geriye sadece uzay hacim yükleri (pozitif iyonlar) kalır. Çığ içerisinde bulunan elektron sayısının belirli bir kritik seviyeyi aşmasıyla birlikte kısmi boşalma yani korona boşalması meydana gelir. Elektrot sistemine uygulanan gerilimin bu andaki değerine boşalmanın başlangıç gerilimi adı verilir. Bu noktadan itibaren gerilim belirli kademelerle arttırıldığında, gaz yalıtkan özelliğini kaybedip iletken hale geçer ve ortamda bir delinme olayı gerçekleşir. Boşalmanın bu ana karşılık gelen gerilim değerine ise delinme gerilimi değeri adı verilir
5
(Yıldırım ve Kalenderli, 2005). Şekil 1.1’de örnek bir elektron çığına ait oluşum süreci gösterilmiştir (Trinh, 1995):
Şekil 1.1: Bir elektron çığının oluşum aşamaları (Trinh, 1995)
Katottan çıkan elektronun anota varıncaya kadar kendisi için yedek bir elektron oluşturmasıyla birlikte boşalma sürdürülebilir (kendi kendini besleyen) hale gelebilir. Elektrik enerjisi iletim hatlarında gerçekleşen ve kendi kendini besleyen özelliğe sahip olan elektriksel boşalmalardan en çok bilinenleri korona boşalmaları, yüzeysel boşalmalar ve ark boşalmalarıdır.
1.2.1. Korona boşalmaları
Eğrilik yarıçapı küçük olan iletkenler arasında ve non-homojen bir alanda gerçekleşen korona boşalmaları literatürde, tam olarak gerçekleşmeyen fakat kendi kendini besleyebilen özelliğe sahip elektriksel boşalmalar olarak bilinir. Bir iletim hattının iletkenlerine ya da eş merkezli silindirler arasına kademeli olarak artan bir gerilim uygulandığında (Peek, 1915) çarpma suretiyle iyonizasyon olayı gerçekleşir. Bu gerilim değerinde boşalma için gerekli koşullar sağlanmış olmasına rağmen başlangıçta ışık görülmez (Özkaya, 2008). Fakat gerilim değerinin biraz daha arttırılmasıyla birlikte
6
tıslama sesi duyulur ve iletkenlerin etrafını saran taç şeklinde bir mor ışık tabakası görülmeye başlar. Bu olaya korona olayı, boşalmanın bu andaki değerine de korona başlangıç gerilimi denir (Peek, 1915). Bu gerilim değerinden sonra boşalma başlar ve hat kendi kendini besler konuma gelir. Korona boşalmasına ait örnek bir Gerilim-Akım grafiği Şekil 1.2’de verilmiştir. Şekilde verilen Gerilim-Akım grafiğinde (Özkaya, 2008);
Şekil 1.2: Korona boşalmalarına ait örnek bir Gerilim-Akım grafiği : Çarpma suretiyle iyonizasyonun gerçekleştiği gerilimi,
: Korona Gerilimini, : Delinme Gerilimini ifade eder.
Elektrik iletim hatlarında gerçekleşen korona kayıplarının hesaplanmasında deneye dayalı formüller kullanılmaktadır. Bu formüllerden en çok kullanılanlar Peek ve Peterson formülleridir. Kayıpların hesaplamasına ilişkin formüller aşağıda verilmiştir. Korona gerilimi; kullanılan iletkenlerin yarıçapına ( ), iletkenler arası açıklığa ( ), bağıl havanın yoğunluğuna ( ) ve hatların pürüzlülüğüne ( ) bağlıdır. Peek’e göre Korona Gerilimi;
(1.2)
şeklindedir. Burada : Çarpma suretiyle iyonizasyonun başladığı gerilim; : Bağıl hava yoğunluğu; : İletkenin yarıçapıdır. Bağıl Hava Yoğunluğu;
7
bağıntısıyla elde edilir. Burada P: ortamın basıncı; T: ortam sıcaklığıdır. Korona gerilimine ulaşıldığında hat üzerindeki korona alan şiddeti ise;
(1.4)
bağıntısıyla elde edilir Burada ; Çarpma suretiyle iyonizasyonun başladığı gerilime karşılılık gelen alan şiddetidir (ve değeri yaklaşık olarak 30 kV/cm ya da21,213 kVeff / cm’dir). Demet iletkenli hatlarda meydana gelen maksimum elektrik alan şiddeti ( )
aşağıdaki formülle elde edilir:
(1.5)
Peek’e göre tek fazlı bir hatta meydana gelen korona kaybı;
(1.6) Peek’e göre üç fazlı bir hatta meydana gelen korona kaybı;
(1.7)
Burada ; Üç faza ait korona kaybı (kW/km-faz), ; Bir faza ait korona kaybı, ;
Faz-Nötr gerilimi (kV), ; Çarpma suretiyle iyonizasyonun başladığı faz-Nötr gerilimi
(kV) ve ise tekil hat için korona radyasyon direncini ifade eder.
Peek formülü adı verilen bu formülde tekil hat için korona radyasyon direncine ait değerdir ve bu değer aşağıda verilen bağıntı yardımıyla elde edilir:
(1.8)
burada ’nin de hesaba katılmasıyla birlikte korona kaybı bağıntısı;
(1.9)
halini alır. Burada ; Frekans (Hz), ; Fazlar arası gerilim (kV)’i ifade eder. Bu kayıp km başına meydana gelen kayıp olup, Hat boyunca meydana gelen toplam kayıp;
8
(1.10)
km başına meydana gelen kaybın toplam hat uzunluğuna çarpılmasıyla elde edilir. (Özkaya, 2008).
Faz-Nötr geriliminin, çarpma suretiyle iyonizasyonun başladığı gerilim değerine oranının 1.8’den büyük olduğu değerlerde Peek formülü kullanılırken; buna karşılık bu değerin 1.8’den küçük olduğu değerlerde Peterson kayıp formülü kullanılır (Tonmitr ve Ratanabuntha 2016).
ln (1.11)
Peterson formülüne göre iletim hatlarında meydana gelen korona kaybı;
(1.12)
bağıntısı ile elde edilir. Bu kayıp km başına meydana gelen kayıp olup hat boyunca meydana gelen toplam kayıp ise;
(1.13)
km başına meydana gelen kaybın hat uzunluğuna çarpılmasıyla elde edilir F rmülde kullanılan katsayısının oranına göre değişim grafiği Şekil 1.3’te verilmiştir (Özkaya, 2008):
9
Şekil 1.3’te verilen oranına göre değişen F faktörünün ortalama değerleri Tablo 1.1’de verilmiştir (Bal, 2010).
Tablo 1.1: oranına göre F kayıp faktörünün ortalama değerleri
U/U0 F U/U0 F U/U0 F U/U0 F
1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 1.22 1.24 0.037 0.039 0.042 0.045 0.048 0.052 0.057 0.063 0.069 0.075 0.082 0.092 0.105 1.26 1.28 1.3 1.32 1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46 1.48 1.5 0.12 0.136 0.154 0.176 0.2 0.228 0.26 0.3 0.38 0.48 0.6 0.74 0.9 1.52 1.54 1.56 1.58 1.6 1.62 1.64 1.66 1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.1 1.33 1.59 1.88 2.2 2.52 2.83 3.13 3.42 3.7 3.97 4.23 4.48 1.78 1.8 1.82 1.84 1.86 1.88 1.9 1.92 1.94 1.96 1.98 2 4.72 4.95 5.17 5.39 5.6 5.81 6.01 6.21 6.41 6.61 6.81 7
1.2.1.1. Korona boşalmalarını etkileyen faktörler
Korona boşalmalarını etkileyen çok sayıda etken söz konusudur. Bunlardan biri, uygulanan gerilimin değeridir. İletkene uygulanan gerilim değerinin artmasıyla birlikte iletken yüzeyindeki elektrik alanı artacağından dolayı, koronanın oluşumu kolaylaşacaktır. Diğer bir etken ise, sistemde kullanılan iletkenin yarıçapıdır. Faz başına birden çok iletkenden meydana gelen demet iletkenler kullanmak yerine faz başına tek bir iletkenin kullanılması, iletkenin yüzeyinde elektrik alan yoğunluğunu arttıracağından dolayı koronanın oluşumu daha da kolaylaşacaktır (Dawood ve Narejo, 2015). Korona boşalmalarını etkileyen bir diğer faktör ise iletkenler arası mesafedir. Korona kayıpları iletkenler arası mesafe ile ters orantılıdır. Hatlar arası mesafe azaldıkça korona kayıpları artacaktır (Yahaya ve ark., 2013). İletim hatlarında yüzey pürüzlülüğü korona boşalmalarını etkileyen bir diğer faktördür. İletim hatları üzerinde düzensizlikler yüzeyin pürüzlülük faktörünü azaltacağından dolayı korona eşik gerilim değerini de azaltırlar. İletim hatlarının yüzeyindeki örümcek ağları ve kuş pislikleri gibi etmenler, bir diğer korona oluşum sebebi olarak gösterilebilir (Gomber ve ark., 1982). Bunlarla birlikte kaynak geriliminin frekansı da korona boşalmalarını etkilemektedir. Frekans
10
korona kayıpları ile doğru orantılıdır. Frekansın artmasıyla birlikte korona kayıpları da artar (Vincent ve ark., 2017).
Kar yağışı, şiddetli yağmur ve yoğun sis ve toz fırtınası gibi atmosferik koşullar, iletken etrafında meydana gelen korona boşalmalarını önemli derecede arttırarak kayıpların artmasına sebep olmaktadırlar (Phan ve ark., 1974). Korona boşalmalarını etkileyen atmosferik faktörlerden biri de bağıl nemdir (Özkaya, 2008). Nem, içerisinde çok küçük su partiküllerini bulundurmaktadır. Ortamda bulunan su moleküllerinin miktarı gaz molekülleri, iyonlar ve elektronların hareket kabiliyeti için önemli bir parametredir (Jiang ve ark., 2008). Havadaki toz partikülleri de koronanın oluşumu açısından önemli bir etken olarak karşımıza çıkmaktadır. Havadaki toz parçacıklarının kapasitif etkileri ve iletkenlikleri göz önüne alındığında çöl tozlarının boşalma süreci üzerinde önemli bir etkisi olduğu görülmektedir.
1.2.2. Yüzeysel elektrik boşalmaları
Elektrik enerjisi sistemlerinde gerçekleşen önemli bir boşalma türü de yüzeysel boşalmalardır. Bu tür boşalmalar genellikle izolatör yüzeylerinde meydana gelirler. İzolatör yüzeyleri kuru iken çok az da olsa yüzeyde kapasitif bir akım meydana gelir. Ancak havai hattın endüstri bölgelerine ya da tuzluluk oranının yüksek olduğu yerlerin yakınından geçmesiyle birlikte veya kum (çöl) fırtınaları sırasında, havadaki kül ve toz gibi parçacıklar izolatör yüzeylerinde birikirler. Daha sonra yağmur, çiğlenme ya da nem gibi içerisinde su partikülleri bulunduran koşullar gerçekleştiğinde, izolatör yüzeylerindeki bu kir tabakası su partikülleri ile birleşerek iletken hale geçer ve izolatör yüzeyinde kaçak omik akımların akmasına neden olur. Bu da izolatör yüzeyinde elektrik alanın non-homojen bir şekilde dağılmasına (bozulmasına) neden olur (İzgi, 2006).
Enerji iletim ve dağıtım sistemleri açısından önemli bir kayıp ve tahribat etkisi oluşturan bu tür kayıpların önlenmesi, sistemin enerji verimliliği açısından büyük önem arz eder. Bu tür kayıpların oluşumunu kolaylaştıran faktörler aynı zamanda boşalmanın tutuşma ve sönümlenme gerilimlerinin sınır değerlerini azaltarak hatta taşınan gerilim değerini de azaltmaktadırlar. Bu durum sistemin toplam güç taşıma kapasitesini ve buna bağlı olarak sistemin verimliliğini de doğrudan sınırlandırmaktadır.
11 1.2.3. Elektriksel ark boşalmaları
Ark boşalmaları, gaz ortamında yüksek basınç ve yüksek akım koşullarında gerçekleşebilen elektrik boşalmaları olarak bilinir. Ark olayı, bir gaz ortamında gerçekleşebilen elektrik boşalmasının gelişmiş son aşaması olarak bilinir. Ark, bazen elektriksel patlama olarak da tanımlanır. Ark oluşumu sırasında gaz ortamının özelliklerine bağlı olarak sistemden yüksek miktarlarda ve düzensiz şekilli bir akım akar. Akımın yüksek olması, arkın sistemde oluşturacağı tahribatın artması anlamına gelir. Ark oluşumu sırasında, boşalma kanalında bir elektrottan diğer bir elektrota doğru yoğun bir iyon-elektron bombardımanı gerçekleşir. Bu süreçte boşalma aralığında meydana gelen sıcaklık değeri ortalama 11000 oK dolaylarındadır. Sıcaklığın bu derece
yüksek olması, malzemede veya sistemin diğer elemanları üzerinde erimeye bağlı büyük oranda hasarlar meydana getirmektedir.
1.3. Tezin Güncelliği
Enerji kavramının giderek önem kazandığı son yıllarda, kayıp-kaçak oranlarını azaltmaya yönelik yapılan çalışmaların sayısı ve çeşitliliği de gün geçtikçe daha da artmaktadır. Bu nedenle, araştırmacılar her geçen gün daha farklı yöntemler kullanarak kayıp-kaçak oranlarının azaltılmasına yönelik çalışmalarını sürdürmektedirler. Enerji üretim, iletim ve dağıtım sistemlerdeki kayıp ve kaçaklar, günümüzde hâlâ kesin bir çözüme kavuşturulamamış bir problem olarak güncelliğini korumaktadır. Günümüzdeki elektrik enerjisi üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinde meydana gelen kayıplar incelendiğinde; bu kayıpların büyük kısmının enerji iletim sistemlerinde gerçekleştiği görülmektedir. Elektrik enerjisi iletim hatlarında meydana gelen kayıpların önemli bir bölümü ise atmosferik veya doğa olayları sonucunda gerçekleşen kum fırtınalarının etkisiyle elektrik enerjisi iletim sistemlerinin maruz kaldığı toz bulutları nedeniyle oluşan kayıplardır. Bu durum, araştırmacılar açısından önemli bir problemi oluşturmaktadır. Bu noktadan hareketle, özellikle iletim hatlarındaki iletken, direk ve izolatör boyutlandırmalarında büyük öneme sahip olan ve dünyanın birçok bölgesinde belirli dönemlerde meydana gelen çöl tozlarının enerji iletim hatlarındaki enerji kayıpları üzerindeki etkisinin deneysel olarak araştırılmasının önemli sonuçlar sağlayacağı düşünülerek bu tez konusu belirlenmiş ve bir model prototip üzerinde deneysel olarak araştırılmıştır.
12 2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
2.1. Konuyla İlgili Yapılmış Olan Çalışmalar
Enerji verimliliği kavramının giderek önem kazandığı günümüzde, çöl tozlarına bağlı kayıpların iletim hatlarında kayda değer bir enerji kaybına yol açabileceği söylenebilir. Dolayısıyla, elektrik enerjisi sistemlerinin boyutlandırılmasında ve bazı hesaplamalarında bu kayıpların da göz önüne alınmasının önemi büyüktür. Elektrik enerjisi üretim, iletim ve dağıtım sistemlerinde gerçekleşen kayıp ve kaçaklara yönelik literatürde yapılmış olan birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalar incelendiğinde, günümüze kadar kum fırtınaları veya çöl tozlarının elektrik enerjisi üretim, iletim ve dağıtım sistemlerindeki kayıp-kaçak üzerindeki etkisine yönelik detaylı bir çalışmanın yapılmadığı görülmüştür. Yüksek gerilim sistemlerinde çöl tozları ve kum fırtınalarına bağlı gerçekleşen kayıplarla ilgili literatürde daha önce yapılmış olan çalışmalardan önemli olanları aşağıda verilmiştir.
Moustafa ve arkadaşları tarafından 2015 yılında yapılan çalışmada, farklı boyut ve yoğunluğa sahip toz parçacıklarının delinme (breakdown) gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Doğru Akım (DC) ve Alternatif Akım (AC) gerilim altında kapalı bir reaktör içerisine yerleştirilmiş bir küre-küre elektrot sistemi kullanılarak gerçekleştirilen bu çalışmada, farklı boyutlara sahip toz parçacıkları, çöl tozlarının farklı geçirgenlik değerlerine sahip eleklerden geçirilmesiyle elde edilmiştir. Elde edilen toz parçacıkları, farklı elektrot açıklıkları altında reaktör içerisine püskürtülerek delinme karakteristikleri incelenmiştir. Sonuçlar, büyük toz parçacıklarının delinme gerilimi üzerinde bir etkisi olmadığını ancak küçük toz partiküllerinin hem AC hem de DC gerilim altında boşalmanın delinme gerilimini azalttığını ve bu azalmanın elektrotlar arası açıklığın artmasıyla birlikte arttığını (geniş elektrot açıklıklarında azalmanın daha belirgin olduğunu) göstermiştir. Ayrıca toz yoğunluğunun artmasına bağlı olarak delinme geriliminin azaldığı ve bu azalmanın elektrotlar arası açıklığının artmasıyla beraber arttığı gözlemlenmiştir (Moustafa ve ark., 2015).
Bo ve arkadaşları tarafından 2010 yılında yapılan çalışmada kum tozlarının (sand-dust) hava boşluklarında gerçekleşen delinmenin (breakdown) boşalma karakteristiklerine olan etkisi incelenmiştir. Yapay bir kum fırtınasının oluşturulduğu bir reaktör içerisine yerleştirilmiş düzlem-düzlem elektrot sistemi ile gerçekleştirilen bu
13
çalışmada, temiz hava ve kum-toz (sand-dust) ortamında, delinme gerilimleri ayrı ayrı ölçülerek karşılaştırılmıştır. Ayrıca farklı elektrot açıkları altında tekrarlanan bu çalışmada rüzgâr hızı ve toz yoğunluğunun etkisi de araştırılmıştır. Sonuçlar, delinme gerilimi değerinin aynı elektrot açıklığı altında temiz hava ortamına kıyasla kum-toz fırtınası ortamında daha düşük olduğunu, her iki ortam içinde elektrot açıklıklarının artmasıyla birlikte bu değerin arttığını göstermiştir. Bununla birlikte rüzgâr hızının bir santrifüj fan ile kontrol edildiği bu çalışmada, aynı elektrot açıklığı ve toz yoğunluğu ortamında artan rüzgâr hızı ile birlikte delinme geriliminin başlangıçta azalma; daha sonra ise artma eğilimi gösterdiği görülmüştür. Ayrıca kum-toz ortamında artan toz yoğunluğu ile birlikte delinme geriliminin azaldığı sonucuna varılmıştır (Bo ve ark., 2010).
Bai ve arkadaşları tarafından 2017 yılında yapılan çalışmada kum tanelerinin büyüklüğü, kum yoğunluğu, rüzgâr hızı ve elektrotlar arası açıklık gibi parametrelerin havanın delinme gerilimine olan etkisi araştırılmıştır. Elektrot sistemi olarak iğne-düzlem elektrot sisteminin kullanıldığı bu çalışmada, rüzgâr hızının etkisi bir santrifüj fan yardımıyla deney ortamına verilen havadan sağlanmıştır. Sonuçlar, elektrotlar arasındaki havanın delinme geriliminin artan kum/toz yoğunluğu karşısında azaldığını, hem kumlu hem de kumsuz ortam için artan rüzgâr hızıyla birlikte önce artan bir eğilim içerisinde iken buna karşın; belli bir rüzgâr hızı değerinden sonra azalan bir eğilim içerisinde olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte artan kum/toz yoğunluğunun ortamda homojen olmayan elektrik alanlar meydana getirmesinden dolayı delinme gerilimini azalttığı belirtilmiştir. Ayrıca artan tanecik büyüklükleri karşısında delinme geriliminin azaldığını ve bu değerin 200-300 µm tanecik boyutundan minimum değerlere ulaşırken tanecik boyutunun 200-300 µm'den sonraki değerleri için delinme geriliminin arttığı sonucuna varılmıştır (Bai ve ark., 2017).
Jiangtao ve arkadaşları tarafından 2016 yılında yapılan çalışmada toz yoğunluğunun ve ilk rüzgâr hızının havanın AC delinme gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Yapay bir test ortamı içerisinde gerçekleştirilen bu çalışmada elektrot büyüklüğünün etkisi için 6 mm ve 16 mm gibi iki farklı çapa sahip olan çubuk-çubuk (rod-rod) elektrot sistemi kullanılmış olup deneyler farklı elektrot açıklıkları için tekrarlanmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda, 16 mm çapa sahip elektrot sistemi için delinme geriliminin artan toz yoğunluğu karşısında azaldığını ve bu değerin 6 mm
14
yarıçaplı elektrot sistemi için minimum değerlerde olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte delinme geriliminin farklı toz yoğunluklarına sahip iki farklı ortam için artan rüzgâr hızının belli bir değerine kadar azalma eğilimi içinde olurken belli bir rüzgâr hızından sonra artma eğilimi içerisinde olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca her iki elektrot tipi içinde aynı toz yoğunluğu altında elektrotlar arası açıklığın arttıkça delinme geriliminin arttığı gözlemlenmiştir (Jiangtao ve ark., 2016).
Gao ve Shi tarafından 2012 yılında yapılan çalışmada bir yüksek gerilim iletim hattının kum fırtınası ortamında gerçekleşen boşalma mekanizması analiz edilmiştir. Bir iletim hattı modeli için simülasyonun yapıldığı bu çalışmada, kum fırtınası ortamında iletken etrafındaki elektrik alan dağılımları Sonlu Hacim Yöntemi ve Sonlu Elemanlar Yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, kum fırtınası ortamında havanın bağıl geçirgenliğinin değişmesi sonucunda iletkenin etrafındaki elektrik alan şiddetinin boşalma için gerekli değeri aşmasıyla birlikte boşalmanın gerçekleştiğini göstermektedir. Ayrıca kumlu ve rüzgârlı ortamda bu boşalmanın korona boşalması şeklinde olabileceği belirtilmiştir (Gao ve Shi., 2012).
Qiang ve Yahou tarafından 2011 yılında yapılan çalışmada kum fırtınası koşullarında bir iletim hattına ait deşarj analizi yapılmıştır. Simülasyon yöntemiyle gerçekleştirilen bu çalışmada bir katı-gaz akış iletim hattı modeli oluşturulmuş olup iletim hattının etrafındaki kumun hacimsel fraksiyonun belirlenebilmesi için ise değişken rüzgâr hızı, kumun boyutu, ve değişken iletim hattının yarıçapı gibi parametreler altında nümerik simülasyon kullanılmıştır. Daha sonra kum fırtınası ortamında yüksek gerilim iletim hattı modeline ait elektrik alan dağılımı ise Sonlu Elemanlar Yönetim yardımıyla elde edilerek kum ve elektriksel alan arasındaki ilişki belirlenmiştir. Çalışma sonucunda kumun varlığının iletim hattının etrafındaki ortamın dielektrik katsayısını değiştirdiği ve kumun varlığının iletim hattı etrafındaki elektrik alan dağılımlarında bozulmalara neden olduğu belirtilmiştir. Bununla birlikte oluşturulan modelin etkili (verimli, geçerli) olduğu sonucuna varılmıştır (Qiang ve Yahou., 2011).
Malik ve Al-Araıny tarafından 1989 yılında yapılan çalışmada sıcak ve kuru bir çöl ortamında bulunan dağıtım hatlarının elektromanyetik girişim (EMI) karakteristiği incelenmiştir. Tam anlamıyla bir saha çalışması şeklinde gerçekleştirilen bu çalışmada farklı bölgelerden farklı iklim koşulları altında (tozlu, yağmurlu, yağmurdan sonra)
15
farklı iletken hatlar seçilmiş ve bu hatlara ilişkin EMI frekans spektrumu, yanal profili (lateral profile) ve EMI seviyelerinde istatistiksel dağılım gibi bazı parametreler incelenmiştir. Sonuçlar, elektromanyetik alan girişiminin yağışlı havalarda daha yüksek düzeyde olduğu ve sıcak, kuru ve çöl ortamında bulunan hatlarda elektromanyetik alan girişiminin zayıf olmasından dolayı TV'ler için belirgin ölçüde parazit üretmediği sonucuna varılmıştır. Bununla birlikte kirlenmiş izolatörlerin hatlarda önemli derecede radyo parazitleri oluşturabileceği gibi yüzeydeki kirlilikler ve hattın keskin kenarlarının bu parazitleri arttırabileceği belirtilmiştir. Ayrıca saha da elde dilen bulgular, laboratuar koşullarında da tekrarlanarak doğrulanmıştır (Malık ve Al-Araıny, 1989).
Sima ve arkadaşları tarafından 2010 yılında yapılan çalışmada kum tozlarının elektrik deşarj karakteristiklerine olan etkisi incelenmiştir. Rüzgâr hızının, kum parçacıklarının yüklü oluşunun, izolatör yüzeyinde biriken kum birikintilerinin ve toz parçacıklarının nemli oluşunun çığ (flashover) karakteristiğine olan etkisinin incelendiği bu çalışmada düz plaka sistemi kullanılmış olup deneyler hem AC hem de DC gerilim altında yapılmıştır. Deneyler sadece kumlu ve hem kumlu hem de rüzgârlı olmak üzere iki farklı ortam için yapılmış olup rüzgâr için fan kullanılmıştır. Sadece kumlu bir ortamı simule etmedeki amacın izolatör yüzeylerinde zamanla biriken kum tozlarının çığ gerilimine olan etkisinin incelenmesi olup bunun için düz plaka üzerine toz serpilerek ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçümler sonucunda rüzgâr-kum ortamında rüzgâr hızının çığ gerilimi üzerinde belirgin bir etkisi olmasına rağmen kum tozlarının yüklü oluşunun hem AC hem de DC gerilim altında çok az bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Kum biriktirme ortamında ise kum tozlarının yoğunluğunun ve tozların nemli oluşunun çığ gerilimini etkilediği sonucuna varılmıştır (Sima ve ark., 2010).
Awad ve arkadaşları tarafından 2002 yılında yapılan çalışmada yüklü parçacıklı kum fırtınalarının iletim hatlarında meydana gelen çığ ve delinme olaylarına olan etkisi incelenmiştir. Deneysel olarak gerçekleştirilen bu çalışmada yüklü parçacıklar izolatör ile kum fırtınası üreten aparat arasına DC ve AC gerilim ile enerjilendirilen bir ızgara sistemi kullanılarak elde edilmiştir. Deneyler doğal ve yapay kum fırtınasının simule edilebildiği bir test düzeneği yardımıyla yapay kum fırtınasına maruz bırakılarak gerçekleştirilmiştir. Yapay kum fırtınası için izolatöre basınçlı hava ile ızgaradan geçirilerek basınçlı hava yardımıyla izolatör alt yüzeyine gönderilen tozlar, izolatörün altına yerleştirilmiş basınçlı hava üreten bir türbin kullanılarak doğal bir kum fırtınası
16
oluşturularak tozların izolatörün tüm yüzeyine dağılması sağlanmış ve çığ olayı gerçekleşene kadar gerilim arttırılmıştır. Sonuçlar, çöl tozlarının izolatörlerin elektriksel performansları üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte kum tozlarının yüklü olmasının çığ gerilimini azalttığını ve bu azalmanın tozların içinden geçtiği ızgaraya uygulanan gerilimin DC olması durumunda AC'ye oranla daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, çöl bölgeleri için yapılan bu çalışmanın bu bölgelerdeki iletim hatlarının tasarımında önemli bir kaynak olabileceği belirtilmiştir (Awad ve ark., 2002).
Moustafa ve El-Aal tarafından 2016 yılında yapılan çalışmada toz fırtınalarının havanın delinme (breakdown) gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Tozun bir fan yardımıyla bir reaktör içerisinde sirkülasyonunun sağlandığı bu çalışmada elektrot sistemi olarak küre-küre ve iğne-düzlem elektrot sistemleri kullanılmıştır. Çalışma boyunca hem AC hem de DC gerilim altında havanın hızı, toz taneciklerinin büyüklüğü ve yoğunluğunun delinme gerilimine olan etkisi deneysel olarak incelenmiş olup elektrot sistemleri arasındaki hava boşluğunda oluşan elektrik alan dağılımları Sonlu Elemanlar Yöntemini kullanan bir program ile hesaplanarak simule edilmiştir. Sonuçlar, küçük toz tanelerinin delinme geriliminin azalmasına neden olurken büyük toz tanelerinin delinme gerilimini etkilemediğini göstermiştir. Delinme gerilimindeki azalmanın artan hava hızı karşısında arttığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca simülasyon verileri ile deneysel verilerin örtüştüğü belirtilmiş olup tozlu ortamda, elektrik alan dağılımının elektrotlar arasında düzensiz olduğu sonucuna varılmıştır (Moustafa ve El-Aal, 2016).
Nasrat ve arkadaşları tarafından 2013 yılında yapılan çalışmada çöl iklimi koşullarında polimer ve kompozit izolatörlerin çığ (flashover) geriliminin yanı sıra farklı dolgu malzemeleri kullanılmasının izolatörlerin mekanik, elektriksel ve termal özelliklerine olan etkisi incelenmiştir. İnorganik dolgu malzemesi olarak farklı yoğunluklara sahip ATH (Alüminyum trihidrat), H3BO3 (Borik asit) ve Mg(OH)2
(Magnezyum hidroksit)'in bu çalışmada kullanılan bu malzemelerin çığ gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Sonuçlar kullanılan dolgu türünün ve yüzdesinin çığ gerilimini etkilediği sonucuna varılmıştır. Kuru koşullarda dolgu malzemesi kullanılmayan numunelerde çığ gerilimi 38 kV iken, %50 ATH dolgulu numunelerde 47 kV'a kadar çıktığı ve çeşitli koşullar altında ATH kullanılan numunelerde çığ geriliminin, H3BO3 ve
17
Mg(OH)2 dolgulu numunelerden daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte
kum fırtınası koşullarında çığ geriliminin polyester numunelere eklenen ATH dolgusu ile birlikte %24 arttığı belirtilmiştir. Ayrıca ATH ve H3BO3 kullanımının yüzey
pürüzlülüğünü azaltarak çığ gerilimini azalttığı ve Ultraviole ışınlar altında farklı sürelerde maruz bırakıldığında dolgusuz numunelerin çığ geriliminin Mg(OH)2 dolgulu
numunelerden yüksek iken ATH ve H3BO3 numunelerinden daha düşük olduğu
sonucuna varılmıştır (Nasrat ve ark., 2013).
Dahham tarafından 2018 yılında yapılan çalışmada endüstriyel kirlilik ve kum fırtınalarının yüksek gerilim izolatör performansına ve çığ gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Bir test odası içerisine yerleştirilmiş polimer ve porselen olmak üzere iki adet izolatörün kullanıldığı bu çalışmada her iki izolatör de kum ve serbest karbon partikülleri ortamlarına maruz bırakılarak izolatör yüzeylerinde biriken partiküllerin çığ gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca nemli ortam içinde tekrarlanarak nemin yüzeydeki kirlilik oluşumuna olan etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır. Nemli koşulların izolatör yüzeyindeki partiküllerin yapışkanlığına olan etkisini belirlemek için test ortamına uygulanan kuru havaya su püskürtülerek deneyler tekrarlanmıştır. Sonuçlar, yüzeydeki kirliliğin izolatörde gerçekleşen çığ gerilimini azalttığını ve her iki izolatör tipi içinde yüzeyde biriken yüklü ya da yüksüz kum partiküllerinin yüzeyde biriken serbest karbon partiküllerinin artmasına neden olduğunu göstermiştir. Nemin ikincil partiküllerin birikmesi üzerinde önemli bir parametre olduğu ve yüzeydeki kum partikülleri nemli oluşunun yüzeyde biriken serbest karbon partiküllerinin artmasına neden olduğu bunun da çığ gerilimini azalttığı belirtilmiştir. Bununla birlikte kum fırtınalarından sonra izolatörlerin yıkanmasının biriken kum tabakasını azaltacağı; bunun da yüzeyde serbest karbon partiküllerinin daha az birikmesine olanak sağlayacağı söylenmiştir. Ayrıca polimerik izolatörlerin kum tanelerini daha iyi itme performansı sergilemesinden dolayı çığ geriliminin porselen izolatöre oranla daha yüksek olduğu belirtilmiştir (Dahham, 2018).
Fangcheng ve arkadaşları tarafından 2018 yılında yapılan çalışmada, kum fırtınalarının hava boşluğunda gerçekleşen boşalma karakteristikleri ve elektrik alan dağılımı simule edilmiştir. Sonlu Elemanlar Yönetimine dayanan COMSOL Multiphysics programı kullanılarak elektrik alan dağılımının incelendiği bu çalışmada elektrot sistemi olarak çubuk-düzlem (rod-plane) elektrot sistemi seçilmiştir. Sonuçlar,
18
kumun varlığından etkilenen elektrik alanın bozulduğunu ve elektrik alanın elektrotun uçları yönünde artarken dikey yönde azaldığını göstermiştir. Bununla birlikte kum tanelerinin elektrik alanı, yarıçapının en fazla 5 katı kadar olduğu bölgede etkileyebildiği belirtilmiş olup elektrik alan dağılımına etkisinin kum tanelerinden uzakta olan bölgelerde ve çubuk elektrot yüzeyinde çok küçük olduğu sonucuna varılmıştır (Fangcheng ve ark., 2018).
Hamza ve arkadaşları tarafından 2002 yılında yapılan çalışmada çöl koşullarının izolatörlerin çığ gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Hem doğal hem de yapay kum fırtınası ortamlarında gerçekleştirilen bu çalışmada yapay kum fırtınası için hava akışı yardımıyla test ortamına gelen kumlar şarj edilmiş bir ızgara sisteminden geçirilerek yüklü hale gelmesi sağlanmıştır. Deneyler kum partiküllerinin hem yüklü hem de yüksüz olduğu durumlar için gerçekleştirilerek karşılaştırılmış ve sonuçlar kum partiküllerinin yüksüz olması durumunda hem doğal hem de yapay kum fırtınası ortamında çığ gerilimini etkilemediğini ancak yüklü kum parçacıklarının çığ gerilimini azalttığını ve bu azalmanın ızgara sisteminin DC ile enerjilendirilmesi durumunda, arttığı sonucuna varılmıştır (Hamza ve ark., 2002).
Yu ve arkadaşları tarafından 2006 yılında yapılan çalışmada kum fırtınası koşullarında yüklü toz taneciklerinin kompozit izolatörlerin yalıtım performansına olan etkisi incelenmiştir. Sonlu Elemanlar Yöntemi kullanılarak 330 kV’luk bir iletim hattına ait izolatör modeline uygun direk, hat, donanım parçaları ve kum tozu (iletken, yarı-iletken, yalıtkan parçacıklardan oluşan) hesaplanarak simule edilmiştir. Sonuçlar yüklü kum taneciklerinin izolatörün etrafındaki elektrik alan dağılımını bozduğunu ve bu bozulmanın seviyesinin toz partiküllerinin aldığı yük miktarı ile ilişkili olduğunu göstermiştir. İletken, yarı-iletken ve yalıtkan gibi özelliklere sahip olan kum taneciklerinin elektrik alan dağılımına olan etkisi karşılaştırıldığında, iletken parçacıkların elektrik alan dağılımını yarı-iletken ve yalıtkan parçacıklara oranla daha fazla bozduğu belirtilmiştir. Yüklü kum taneciklerine ait yük/kütle oranın belli bir seviyeye ulaşması ile birlikte boşalmanın korona boşalmaları şeklinde olduğu ve bununda izolatörün erken bir zaman dilimi içerisinde yıpranmasına neden olduğu sonucuna varılmıştır (Yu ve ark., 2006).
Zhang ve arkadaşları tarafından 2015 yılında yapılan çalışmada kum fırtınası koşullarında bir kompozit izolatörün yüzeyinde birikmiş kum tanelerinin elektrik alan
19
dağılımı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonlu Elemanlar Yöntemine dayanan COMSOL Multiphysics yazılımının kullanıldığı bu simülasyon çalışmasında kum tanelerinin büyüklüğü, yük miktarı, kum tanelerinin pozitif yada negatif yüklü oluşu ve konumu gibi parametrelerin elektrik alan dağılımına olan etkisi simule edilerek analiz edilmiştir. Sonuçlar, belirtilen parametrelerin tamamının elektrik alan dağılımı üzerinde belirgin bir etkisinin olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte kum taneciklerinin büyüklüğünün artmasıyla birlikte elektrik alan kuvvetinin arttığı ve kum taneleri ile birlikte gelen yüklerin miktarının artmasının elektrik alan dağılımını bozduğu belirtilmiştir. Ayrıca elektrik alan artışının izolatör halkalarının (sheds) üst yüzeyinde negatif yüklü kum tanelerinin varlığıyla daha fazla olurken, bu artışın izolatör halkalarının (sheds) alt yüzeyinde ise pozitif yüklü kum tanelerinin varlığında olduğu sonucuna varılmıştır (Zhang ve ark., 2015).
Liu ve arkadaşları tarafından 2014 yılında yapılan çalışmada yüksek irtifalı bölgelerden geçen 750 kV’luk bir enerji nakil hattının (demet iletkenin) kumlu ve tozlu havalarda korona başlangıç karakteristiğine olan etkisi incelenmiştir. Deneyler yüksek irtifaya sahip bir bölgede (2200 m) oluşturulan korona kafesinin içerisine yerleştirilmiş demet iletkenler kullanılarak yapılmış olup kum ve toz koşulları için korona kafesinin içerisine fanlar yardımıyla toz partikülleri püskürtülerek farklı hızlarda kum fırtınası oluşturulmuştur. Sonuçlar, kumlu ve tozlu havalarda koronanın başlaması için gerekli elektrik alan şiddetinin normal hava koşullarına göre azaldığını göstermiştir. Bununla birlikte artan kum partikül yoğunluğu ve boyutu karşısında iletim hattının pürüzlülük katsayısının azaldığını göstermiş, kum yoğunluğu ve tanecik boyutu arttıkça korona için gerekli elektrik alan şiddetinin azaldığı sonucuna varılmıştır (Liu ve ark., 2014).
Annaka ve arkadaşları tarafından 2016 yılında yapılan çalışmada, kum fırtınalarının ve UV ışınların slikon kauçuk kablo sonlandırmalarının çığ gerilimine olan etkisi incelenmiştir. Deneyler için 3 farklı kablo ucu seçilmiş olup bu başlıklardan bir tanesi farklı dozlarda UV ışınlara maruz bırakılarak, bir tanesi yapay kum fırtınasına maruz bırakılarak bir diğeri de hiçbir şeye maruz bırakılmadan kuru ortam koşulları ve farklı toz yoğunluğuna sahip ıslak koşullar altında çığ gerilimleri incelenmiştir. Sonuçlar, ıslak koşullar, UV’ye maruz kalma ve kum fırtınası gibi koşulların çığ gerilimini etkilediğini ve ıslak koşullar altında yüzeydeki su partiküllerin iletkenliği arttırmasından dolayı kaçak akımların arttığını; bunun da çığ gerilimini azalttığını
20
göstermiştir. Ayrıca, ıslak koşullar altında hem kum fırtınasına maruz kalma hem de UV ışınlara maruz kalma süresi arttıkça çığ geriliminin azaldığı sonucuna varılmış olup kum fırtınasının UV ışınlara oranla çığ gerilimi üzerinde daha belirgin bir etkisinin olduğu sonucuna varılmıştır (Annaka ve ark., 2016).
Maadjoudj ve arkadaşları tarafından 2018 yılında yapılan çalışmada çöl kirliliği koşulları altında bir izolatöre ilişkin sızıntı (kaçak) akımı ve çığ süreci incelenmiştir. Çalışmada, izolatör yüzeyine ilişkin bilgiler elde etmek için tek harmonikler ve temel bileşenler incelenmiş olup sızıntı akımının farklı harmonik bileşenlerinin standart sapma hesabı (standard deviation) ve frekans-zaman karakteristiği için dalgacık dönüşüm tekniği kullanılmıştır. Ayrıca Hızlı Foriyer Dönüşümü ve dalgacık dönüşüm tekniği ile frekans ve frekans-zaman karakteristiği üzerinden harmonik bileşenler elde edildiği bu çalışmada artan kirlilik seviyesi ve uygulanan gerilim karşısında sızıntı akımların arttığı sonucuna varılmıştır. Bununla birlikte, tekdüze (uniform) kirlilik durumunda düşük frekans ile karakterize edilen 9., 10. ve 11. Bileşenlerin kirlilik seviyesi için iyi bir gösterge olduğu belirtilmiş olup 11. Bileşene ait sapma miktarı ve yüksek frekanslı bileşenlere ait sapma miktarının kirlilik seviyesi ve elektriksel boşalma aktiviteleri ile iyi bir kolerasyon içinde olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca izolatör modelinin kirliliğin 0-20 cm arasında olduğu ve çözünmeyen birikmiş madde yoğunluğunun 0,01 ve 0,02 g/cm2 olduğu durumlarda izolatörün kapasitif bir davranış sergilediği ve 3. harmoniğin bu davranışın bir göstergesi olduğu sonucuna varılmıştır. İzolatörün, 0,03 ila 0,05 g/cm2 yüksek çözünmeyen birikmiş madde yoğunluğunun olduğu ortamda direnç özelliği gösterdiği ve harmoniklerin temel bileşenlere oranla önemsiz olduğu belirtilmiştir (Maadjoudj ve ark., 2018).
Yukarıda belirtilen çalışmalara göre daha gerçekçi sonuçlar verebileceği düşüncesiyle yapılmış olan bu tez çalışmasında, hat iletkenlerini karakterize eden iki adet silindir çubuk şekilli ve bakır alaşımlı, yüzeyleri pürüzsüz bronz elektrot kullanılarak oluşturulan kapalı bir reaktör sistemi içerisinde homojen olarak dağıtılmış 4 adet fan yardımıyla ve belirli oranlarda çöl tozu karışımı kullanılarak gerçeğe yakın bir çöl fırtınası ortamı oluşturulmuştur. Daha sonra bu elektrotlara kademeli şekilde ve belirli oranlarda yüksek gerilim uygulanarak, her aşamada elektrotlar arasından geçen akım değerleri ölçülmüştür. Boşalmanın tutuşma ve sönümlenme gerilimlerinin yanı sıra, ölçülen değerlere ait Gerilim-Akım grafikleri oluşturularak yorumlanmıştır.
21 3. MATERYAL ve METOT
3.1. Materyal
Kum fırtınalarının bir sonucu olarak ortaya çıkan çöl tozlarının elektrik enerjisi iletim hatlarında “iletken–iletken” veya “iletken–yer” arasında meydana gelen elektriksel kayıplar üzerindeki etkisini incelemek amacıyla özel olarak tasarlanmış bir iletim hattı modeli tasarlanmış ve prototip imalatı yapılmıştır. Elektrot sistemi olarak, yüzeyi pürüzsüz, korozyona dayanıklı 5 mm çapındaki silindirik şekilli pirinç malzemeden (Cu-Zn alaşımı) yapılan 2 adet çubuk elektrot kullanılmıştır. Deneysel çalışma için kullanılacak hat modeli, hat iletkenlerine eşdeğer özelliklere sahip olacak şekilde ve ortam koşullarına uygun olacak şekilde imal edilmiştir. Bu hat iletkenleri daha sonra fiberglas malzemeden yapılan kapalı bir reaktör içerisine belirli aralıkta yerleştirilerek farklı toz konsantrasyonlarında ve farklı elektrot açıklıkları için deneysel ölçümler alınmıştır.
Şekil 3.1. de gösterilen ve Siirt Üniversitesi bünyesinde yer alan Yüksek Gerilim Laboratuarında, beslemesi bir varyak yardımıyla sağlanan ve 0-33 Kv aralığında ayarlı çıkış gerilimi verebilen, tek fazlı, 1:150 dönüştürme oranına sahip olan 1 kVA gücündeki dâhili tip bir gerilim trafosu kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir.
22
Şekil 3.2’de gösterilen ve gerilim trafosunun besleme kaynağı olarak kullanılan varyak, 1 V aralıklarla 0-220 V aralığında çıkış gerilimi verebilecek özelliklere sahiptir. Bu varyak yardımıyla, yüksek gerilim trafosuna 0-33 Kv aralığında kontrollü olarak istenilen aralıklarla besleme gerilimi sağlanmıştır. Varyağın çıkış gerilimi ise sağ üst köşesinde yer alan dijital voltmetre yardımıyla takip edilmiştir.
.
Şekil 3.2: Ayarlanabilir Gerilim Kaynağı (Varyak) görüntüsü
Deney sisteminde gerilim trafosunu besleme amacıyla kullanılan kumanda cihazları ve ölçüm elemanları ise Şekil 3.3’te verilmiştir. Şekilden de görüleceği üzere sistemde bir adet 0-220 v gerilim çıkışı sağlayan varyak, bir adet 45-500 Hz ayarlı frekans ve 0-220 v ayarlı gerilim sağlayabilen bir AC güç kaynağı ile Akım-Gerilim sinyallerini ölçmek için de bir osiloskop bulunmaktadır.
23
Çöl tozunu elde etmek amacıyla Siirt ilinde belirli dönemlerde meydana gelen toz bulutlarının akabindeki yağmurun etkisiyle temiz bir alanda çamur olarak biriken karışım bir spatül yardımıyla özel bir kaba alınarak güneşte kurutulmuş ve laboratuar ortamında paslanmaz bir havanda dövülerek toz haline getirilmiştir. Şekil 3.4’te kurutulmuş olan çamur kütleleri ve bu çamurları öğütmek amacıyla kullanılan Havan’ın görüntüsü verilmiştir.
Şekil 3.4: Çöl tozlarının eldesinde kullanılan kurutulmuş çamur kütleleri görüntüsü
Homojen ve mikro boyutlardaki toz taneciklerini elde etmek amacıyla, havanda dövülen kurutulmuş çamur granülleri mikron boyutlarında eleme işlemi gerçekleştirebilen Retsch AS200 tip çok katlı titreşimli bir elek sistemi ile elenerek boyutlarına göre taneciklere ayrıştırılmıştır. Elek sisteminin en üst katında en iri taneli tanecikler yer alırken; eleğin en alt katında ise toz bulutu oluşturabilecek mikron boyutlardaki tanecikler toplanmıştır. Çalışmanın her adımında elek sisteminin üst katlarındaki kuru çamur granülleri havana tekrar aktarılarak yeniden dövülmüş ve ince toz taneciklerine dönüştürülmüştür. Bu sistemin genel görüntüsü Şekil 3.5’te verilmiştir.
24
Şekil 3.5: Küçük boyutlara sahip çöl tozlarını elde etmek için kullanılan elek sistemi görüntüsü Elek sisteminde ayıklanan toz taneciklerinin reaktördeki konsantrasyonunu belirlemek amacıyla bu tozlar Şekil 3.6’da gösterilen hassas bir terazi yardımıyla tartılarak kullanılmıştır.
25
Deneysel çalışmalarda kullanılan reaktör ve elektrotların görüntüsü Şekil 3.7’de verilmiştir. Çalışmalarda, iletim hattı modeli olarak düşünülen elektrot sistemi için kullanılan pirinç elektrotlar 5 mm çapa sahip olup 21 cm uzunluğundadırlar. Farklı toz konsantrasyonlarında deneylerin gerçekleştirilebilmesi için reaktör özel ölçülerde ve özelliklerde tasarlanmıştır. 5 mm kalınlıkta ve 20*20*20 cm ölçülerindeki düzlemsel plexiglas tabakaların kesilerek sızdırmaz bir şekilde yapıştırılmasıyla oluşturulan reaktörün üst tarafında toz girişini sağlamak için bir terminal bulunmaktadır. Reaktörün yan kenarlarının tam orta noktalarından yere paralel doğrultuda açılan delikler sayesinde elektrotlar arası açıklığın (rastgele seçilmiş olan belirli aralıklarla) 16 mm, 36 mm, 57 mm, 77,4 mm, 97 mm ve 117 mm olması sağlanmıştır. Pleksiglas malzeme kullanılarak tasarlanan saydam reaktör sayesinde elektrotlar dış atmosferik koşullardan tamamen izole edilmiştir. Reaktörün iç basıncı, ortam basıncına eşdeğer olarak ayarlanmış ve deneyler oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir.
Şekil 3.7: Elektrot sistemi ve reaktör görüntüsü
Şekil 3.8’de gösterilen fan sistemi, reaktör içerisindeki tozları homojen bir şekilde dağıtarak elektrotların deney sırasında sürekli olarak toz bulutu içerisinde kalmalarını sağlamaktadır. Reaktör içerisine çeşitli konsantrasyonlarda dâhil edilen tozlar, reaktörün alt köşelerine yakın bölgelere monte edilen 4 adet fan yardımıyla
26
sürekli karıştırılarak dibe çökmeleri önlenmiştir. Bu fan sisteminin beslemesi ise dışarıdan harici bir DC kaynakla sağlanmıştır.
Şekil 3.8: Reaktör içinde toz bulutu oluşturmak için kullanlan fan sistemi görüntüsü
Gerilim trafosu, elektrot sistemi, reaktör ve elektriksel ölçüm aletlerinin bir arada kullanıldığı deney sisteminin genel görüntüsü ise Şekil 3.9’da verilmiştir.
