Effects of ath and silica fillers upon electrical and thermal performances of htv silicone rubber composites
Ath ve silika katkı maddelerinin htv silikon yalıtkanlarının elektriksel ve ısıl performanslarına etkileri
- Tez No: 633316
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SUAT İLHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Yüksek ve çok yüksek gerilim havai enerji iletim hatlarında, gerilim altında bulunan kısımlar ile topraklı kısımlar arasındaki yalıtım izolatörler ile sağlanmaktadır. İletim hatlarındaki elektriksel yalıtım, cam ve seramik izolatörlerin yanında son yıllarda polimer (silikon kauçuk, kompozit) izolatörlerle de yapılmaktadır. Polimer izolatörlerin cam ve seramik izolatörlere göre birçok avantajı vardır. Polimer izolatörlerin en önemli avantajı hidrofobik (su tutmayan) yüzeye sahip olmaları ve geçici hidrofobiklik kaybı oluştuğunda hidrofobik özelliklerini geri kazanmalarıdır. İlaveten hafif olmaları, kolay kurulumları, darbelere karşı dayanıklı olmaları, kaçak akımı bastırmada üstün olmaları, kimyasal ve elektriksel dayanımları, geniş sıcaklık aralığında yapılarını koruyabilmeleri ve düşük maliyete sahip olmaları polimer izolatörlerin diğer avantajlarıdır. Bu avantajlar nedeniyle, silikon izolatörlerin kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Diğer taraftan, cam ve porselen izolatörler hidrofilik (su tutan) yüzeye sahip olduklarından, özellikle kirli ortamlarda kötü elektriksel performans göstermektedirler. Silikon izolatörler karbon içermelerinden dolayı organik, silisyum içermelerinden dolayı da inorganik özelliğe sahiptirler. Silikon kauçuk malzemeler silikon-oksijen ana zincirinden ve silisyuma bağlı metil gruplarından (CH3) oluşur. Birden fazla bu zincirlerin bir araya gelmesiyle Polydimethylsiloxane (PDMS) oluşur. Bu tez çalışmasında, yüksek sıcaklıkta kürlenen (High Temperature Vulcanizing / HTV) silikon kauçuk numuneleri kullanılmıştır. Çalışma kapsamında ana malzeme olarak kullanılan HTV silikon kauçuğun yanında iz-erozyon dayanımını arttırmak için ana malzemeye ilave dolgular eklenmiştir. İlave dolgu olarak Aluminum tri-hydrate (ATH) ve silika kullanılmıştır. Bu malzemenin kullanılmasının amacı şu ana kadar ki yapılmış çalışmalarda silika katkılı HTV numuneleri ile ilgili az sayıda çalışmanın yapılmış olmasıdır. Mikron boyutunda kullanılan katkı maddelerinin parçacık boyutunun etkisini görebilmek için ortalama 3.5 µm ve 10 µm parçacık boyutuna sahip katkı maddeleri kullanılmıştır ve her katkı türü ve parçacık boyutu için ağırlıkça %10, %30 ve %50 oranlarına sahip numuneler hazırlanmıştır. Ana silikon ile ATH ve silika katkılar ile oluşturulmuş toplamda on üç farklı numune hazırlanmıştır. Her test düzeneğinde, her durum için, toplam beş özdeş numune kullanılmıştır. Katkı maddelerinin türleri, parçacık boyutları ve katkı oranları dikkate alınarak elektriksel, kimyasal, fiziksel ve termal özellikleri incelenmiştir.. Deneyler öncesinde hazırlanmış olan tüm numunelerin Thermo Gravimetric (TG), Derivative Thermo Gravimetric (DTA), Fourier Transform İnfra-Red Spectroscopy (FTIR) analizleri yapılmıştır. Deney sonrası erozyon bölgelerinden tekrar örnekler alınarak FTIR analizleri yeniden yapılmıştır. Ayrıca ısı değişim entalpisini değerlendirmek amacıyla Differential Scanning Calorimeter (DSC) analizi bazı numuneler için yapıldı. TG analizi sonucu katkı türü, katkı miktarı ve termal kararlılık hakkında bilgilere ulaşılmıştır. Çalışmada kullanılan ana silikon malzemede TG analizi sonucunda 31.5% fume-silika katkısı olduğu görülmüştür. Her iki katkı türü için de katkı konsantrasyonu arttıkça analiz sonucunda kalan kütlelerin miktarları da artmıştır. Bu durumun nedeni katkı maddelerinin inorganik yapıda olmaları ve analiz sonucunda bu maddelerin ortamda kalmalarıdır. Ayrıca katkı miktarının artmasıyla termal kararlılığın arttığı DTG eğrilerinde görülmüştür. Bu eğrilerde ATH katkılı numunelerde suyun dehidrasyonundan kaynaklı iki aşamalı bir süreç oluşurken silika katkılı numunelerde suyun dehidrasyonu olmadığından dolayı sadece tek aşamalı termal bozulma olmuştur. Suyun dehidrasyonu 240 oC civarı başlarken termal bozunma 400 oC civarı başlamıştır. FTIR eğrilerinde ATH katkılı numunelerde O-H bağı varken silika katkılı numunelerde bu bağ yoktur. FTIR analizi ile dalga boylarına karşılık gelen kimyasal bağlar deney öncesi ve sonrası durumlar için değerlendirilmiştir. Yaşlanmaya bağlı olarak deney sonrası analiz sonucunda O-H, C-H, Si-O ve Si-C piklerinde azalma olmuştur. O-H bağlarının azalmasının sebebi suyun dehidrasyonudur. Hidrat suyunun buharlaşması numune yüzeyinde koruyucu bir tabaka oluşmasına yardımcı olur. Diğer bağların azalmasının nedeni karbonlaşmadır. Ayrıca Si elementinin deney sırasında koruma etkisi yaptığı yapılan bazı makale çalışmaları sonucu bulunmuştur. DSC analizi yapılarak malzemenin entalpi değişimi incelenmiştir. ATH katkılı silikon kauçuklarda suyun dehidrasyonundan kaynaklı endotermik bir reaksiyon olarak 230 oC sıcaklık değerinde başlayan ve 350 oC civarı biten ısı alışverişi görülmüştür. Entalpi değişimi en çok %50 ATH katkılı numunede görülmüş olup katkı oranı arttıkça bu değişimin arttığı gözlenmiştir. Ancak bu entalpi değişimi, suyun dehidrasyonu olmadığından dolayı hem katkısız numunede hem de silika katkılı numunelerde görülmemiştir. Ayrıca bu entalpi değişimi ne kadar fazla olursa numune yüzeyinde koruyucu bir tabaka oluşturarak erozyonu bastırmada rol aldığı söylenebilmektedir. 3.5 kV ve 4.5 kV sabit gerilim altında yapılan eğik düzlem deneyleri sonrasında malzeme analizleri yapılmıştır. Katkı türünün erozyon davranışını etkilediği ve bu farklı erozyon davranışları daha çok kritik düzeyin hemen altındaki konsantrasyona sahip numunelerde olduğu görülmüştür. Ağırlıkça %10 katkı oranı için iki katkı türü de hemen hemen aynı erozyon davranışı sergilerken ağırlıkça %30 katkı türü için ATH katkılılarda delik oluşumu ile sonuçlanmış bunun aksine silika katkılılarda erozyon yolu şeklinde numuneler başarısız olmuştur. Erozyon performansı açısından 3.5 kV ve 4.5 kV gerilim düzeylerinde de %50 ATH katkılı numuneler %50 silika katkılı numunelere göre daha iyi performans göstermiştir. En kötü performansı delikler oluşmasından dolayı %30 ATH katkılı numuneler göstermiştir ve ATH1 (3.5 µm parçacık boyutlu) numunelerinde iki tane numune delinirken ATH2 (10 µm parçacık boyutlu) katkılı numunelerde üç tane numune delinmiştir. Bu nedenle erozyonla aşınmış kütle ortalamaları ATH2 numuneleri için daha fazla olmuştur. Erozyon performansı açısından delinen numuneleri dışarıda bırakılırsa 3.5 kV gerilim altında parçacık boyu açısından önemli bir fark görülmemiştir. Ancak, 4.5 kV gerilim altında, ATH2 grubu ATH1 grubuna göre, Sil1 grubu ise Sil2 grubuna göre daha iyi erozyon performansı göstermiştir. %30 ATH katkısı hariç, katkı oranı arttıkça erozyon performansı artmıştır. Erozyon derinlikleri açısında da benzer durum söz konusudur. Erozyon derinliği performansı her iki gerilim değeri için de yine %50 ATH katkılı numunelerde iyi olmuştur. Deney süreleri olarak, %10 katkı oranına sahip silika ve ATH1 numuneleri ana HTV silikon kauçuk numuneleri ile benzer davranış göstermiştir. Ancak, %10 ATH2 katkı oranına sahip numuneler diğerlerine göre daha iyi performans göstermiştir. Ayrıca tüm katkı büyüklükleri ve türleri için katkı oranı arttıkça numunelerin deney süreleri artmıştır. %50 ATH katkı oranına sahip tüm numuneler hem 3.5 kV hem de 4.5 kV sabit gerilimde eğik-düzlem deneyinde başarılı olmuşlardır. İki test geriliminde de bu katkı oranının ATH katkılı numuneler için yeterli olduğu görülmüştür. Ancak, %50 silika katkılı numuneler için bu oran yeterli olmamıştır. Çünkü deneyi geçen numuneler olduğu gibi deneyden başarısız olan numuneler de olmuştur. Bu nedenle, silika katkılı numunelerin ilgili deney gerilimlerinde başarılı olmaları için ağırlıkça %50'den daha fazla katkı oranına sahip olmaları gerektiği belirlenmiştir. 4.5 kV deney geriliminde 3.5 kV deney gerilimine göre, sadece %50 katkı oranı için yapıldığından, parçacık boyutu açısından ATH katkılı numunelerde pek etki görülmezken 10.5 µm parçacık boyutuna sahip silika katkılı numunelerde deney süresi kısalmıştır ve Sil1 grubunun deney süreleri hemen hemen aynı kalmıştır. 3.5 kV deney geriliminde iki silika grubu da benzer deney süreleri göstermişken 4.5 kV deney geriliminde küçük parçacık boyutlu silika katkısına sahip numuneler daha uzun süre dayanım göstermişlerdir. Numuneler üzerinden geçen kaçak akımlar LabVIEW programı aracılığla kaydedilmiştir. 3.5 kV deney gerilimde, tüm durumlar için, ATH katkılı numunelerin kaçak akım ve maksimum sıcaklık değerleri silika katkılılardan fazla çıkmıştır. Yapılan araştırmalar sonucunda bunun sebebi olarak silika katkılı numunelerin termal kararlılığının ATH katkılı numunelerden daha iyi olması ile açıklanmaktadır. Silikanın termal kararlılığının sebebi, silika katkısının ana malzeme ile güçlü ara yüz etkileşiminden kaynaklandığı vurgulanmıştır. 4.5 kV deney gerilimi için hem ATH hem de silika katkılı numunelerde aynı kaçak akım değerleri gözlenmiştir. Kaçak akım açısından parçacık boyunun etkisi görülmemiştir. Maksimum sıcaklık açısından 3.5 kV deney geriliminde hem ATH hem silika katkılı numuneler için küçük parçacık boyutuna sahip numuneler az da olsa daha iyi sıcaklık performansı göstermiştir. 4.5 kV deney gerilimi için ATH2 katkılılar ATH1 katkılılara göre daha iyi sıcaklık performansı göstermiştir. Silika katkılılar için 4.5 kV gerilimde bu durum değişmemiş ve yine küçük parçacık boyutuna sahip numunelerin daha iyi sıcaklık performansı gösterdiği görülmüştür. Fakat bu durumda, az bir farkla değil, hemen hemen Sil2 grup numunelerin sıcaklık performansına göre iki kat fark olmuştur. Sıcaklık sonuçları arasındaki ciddi farklılık erozyon miktarlarında da görülmüştür. 4.5 kV deney geriliminde Sil1 grubu daha iyi erozyon performansı göstermiştir. Numune üzerinde sıcaklık artışıyla birlikte kirletici sıvı buharlaşır ve kısmi kuru bölgeler oluşur. Bu kuru bölgelerde, kuru band arkları meydana gelmektedir ve kuru band arkları, kaçak akımda harmonik bileşenlerinin oluşmasına neden olmaktadır. Sıcaklık ile oluşan bu harmoniklerin ilişkisi değerlendirilmiş ve üçüncü harmonik kaçak akımının gücü ile sıcaklık arasında güçlü bir korelasyon olduğu görülmüştür. Sıcaklığın artması veya azalmasının, üçüncü harmonik akım bileşeni ile doğrudan ilişkili olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Silicone rubber insulators are used on overhead lines due to their several advantageous, such as low weight, easy installation, superior pollution performance, etc., over conventional glass and porcelain insulators. Better pollution performance of the silicone rubber insulators is due to their hydrophobic surface features. In a polluted environment, temporary or permanent loss of hydrophobicity leads to increase the magnitude of the leakage current flowing through the insulators, which causes dry-band arcing discharges. During these discharges, temperature of the discharging regions increases, which may initiate tracking and erosion of the silicone rubber material. Therefore, loss of hydrophobicity and tracking-erosion performance of the silicone rubber insulators are important aspects that need to be considered in their design. In order to enhance thermal performance, and therefore, to improve the tracking and erosion performance, several fillers are incorporated with silicone rubbers. This study presents the impacts of filler types, particle sizes and filler loadings on the erosion, leakage current and temperature performance of High Temperature Vulcanizing (HTV) silicone rubber used as an outdoor insulator material. HTV silicone rubber have comprised of 10%, 30% and 50% weight filler concentrations that consist of alumina trihydrate (ATH) and silica (SiO2) with the mean particle size of approximately 3.5 μm and 10 μm. Thermal Gravimetric (TG), Derivative Thermal Gravimetric (DTG), Differential Scanning Calorimeter (DSC) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analyses were performed to better understand behaviours of HTV samples. IEC 60587 standard was used to evaluate tracking and erosion performance, leakage current and temperature performance of the samples. Inclined-plane tracking and erosion tests (IPT) were conducted by using constant test voltage method, considering 3.5 kV and 4.5 kV test voltages. Eroded masses, erosion depth and time-to-failure were evaluated. Besides, the leakage current by using LabVIEW data acquisition system and the maximum temperature by using IR thermal camera were recorded during the test period. As a result of TG analysis, the filler type, filler ratio and thermal stability of HTV samples were evaluated. There was two stage weight loss in ATH filled samples while it was seen as one stage in silica filled ones. The dehydration of the water and degradation of the polydimethylsiloxane (PDMS) are the stages of the weight loss. These stages are available if the silicone rubber has ATH filler. On the other hand, if the silicone rubber has silica filler, it has only one stage weight loss which is the decomposition of PDMS. With DSC analysis, it was observed that the enthalpy changes increased as the filler ratio for ATH filled samples increased. The increase in the enthalpy change results in a better erosion performance. FTIR analysis performed before and after the experiment, it was clearly observed that the O-H bonds were exhausted due to the dehydration of the water. It was found that the filler type and filler concentration affect the erosion performanceof HTV silicone rubber. For both filler types, test duration increased as the filler ratio or volume fraction increased. For both test voltages, the highest filler ratio used in the study was found to be sufficient for ATH filled samples to satisfy the conditions as provided in IEC 60587. However, for silica filled HTV samples, some samples failed at both voltage levels. ATH filled samples with 50% filler ratio showed better erosion performance than silica ones for both 3.5 and 4.5 kV test voltages. 30 % ATH filled samples showed the worst performance in terms of erosion performance due to the formation of holes on the samples. At 3.5 kV test voltage for 50% loaded samples, particle size did not affect the erosion performance, while at 4.5kV test voltage, ATH2 showed better erosion performance than ATH1. Moreover, Sil1 samples performed better than Sil2 samples in terms of erosion performance. Except for 30% ATH filled samples, the depth of erosion has decreased as the filler ratio increases. For all cases at 3.5 kV test voltage, the leakage current and the maximum temperature values of ATH filled samples were higher than those of silica filled ones since silica filled samples are better in terms of thermal stability. The same leakage current values were observed in both ATH and silica filled samples for 4.5 kV test voltage. No significant effect of particle size has been observed in terms of leakage current. In terms of maximum temperature, samples with a small particle size at both the ATH and silica filled samples showed slightly better temperature performance at 3.5 kV test voltage. For 4.5 kV test voltage, ATH2 filled samples showed better temperature performance than ATH1 filled ones. For silica filled samples, this situation did not change at 4.5 kV test voltage and samples with small particle size showed better temperature performance. It was found that there was a strong correlation between the 3rd harmonic power / 3rd harmonic component of the leakage current and the maximum temperature. The increase or decrease of the temperature was directly related to the 3rd harmonic component.
Benzer Tezler
- Investigation of electrical, thermal and chemical characteristics of zinc borate-filled htv silicone rubber composites
Çinko borat katkılı htv silikon kauçuk kompozitlerinin elektriksel, ısıl ve kimyasal özelliklerinin incelenmesi
İDRİS ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SUAT İLHAN
- Development of flame retardant and antibacterial nanoparticle doped polypropylene fibers
Nanoboyutlu güç tutuşur ve antibakteriyel katkılı polipropilen lif geliştirilmesi
AYFER İREM KOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Polimer Bilim ve TeknolojisiEskişehir Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERDEM ÜREYEN
- Esnek imalat sistemlerive simülasyonla bir uygulaması
Başlık çevirisi yok
VECİHİ YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. HÜSEYİN BAŞLIGİL
- Halojen içermeyen, alev geciktirici kauçuk karışımlarının geliştirilmesi ve karakterizasyonları
Development and characterization of non-halogenated flame retardant rubber mixtures
EDA KARAMAN
- Yaş kemikler için elektromekanik bir model
An Electromechanical model for wet bones
M.TACETTİN ŞARIOĞLU