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
- Tez No: 826421
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SUAT İLHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
40 yılı aşkın bir süredir, yüksek gerilim AC sistemlerinde, kirlilik, kurulum kolaylığı ve düşük ağırlık özellikleri açısından daha iyi performansları nedeniyle silikon izolatörler tercih edilmiştir. Bununla birlikte, kullanıları AC sistemlerle sınırlıdır. Çünkü bu izolatörler daha çok HVAC sistemlerde kullanılmaktadır.Bu sebeple HVDC sistemlerindeki performansları tam olarak bilinmemektedir. Bununla birlikte, HVDC sistemi aracılığıyla ülkeler arasındaki ara bağlantı gibi aşırı uzun mesafelerde güç aktarımının HVAC iletiminden daha ekonomik olması avantajından dolayı silikon izolatörlerin HVDC sistemlerdeki davranışını çözümlemek büyük avantajlar getireceği düşünülmektedi. Bu nedenle HVDC iletiminde silikon izolatör uygulamalarına ihtiyaç vardır. Ancak, silikon yalıtkanlar DC ve AC yüksek gerilim altında korona boşalmasına maruz kalırlar. Bu, silikon yalıtkanların yüzeyinde hidrofobik özelliğin kaybolmasına neden olur. Hidrofobiklik, yüzeyin suyu itmesi anlamına gelmektedir. Hidrofobikliğini kaybetmiş olan izolatör üzerinde sıvı yolları ya da kirlilik oluşur. Eğer bu özellik kaybedilirse, yüzeyde bazı boşalma olayları meydana gelecektir. Bu boşalma olayları yüzeyde yüksek sıcaklıkların oluşmasına sebebiyet vermektedir. Bu sebeple,bu bölgede erozyon meydana gelebilir. Bu nedenle, silikon yalıtkanların ısıl davranışı geliştirilmelidir. Bu yalıtkanların ısıl özelliklerini artırmak için ATH ve Silika gibi bazı özel dolgular kullanılabilir. Literatür ve endüstri göz önüne alındığında, bu iki dolgu maddesi en yaygın kullanılan ve araştırılanlardır. Özellikle ATH, kompozitlerde yangın geciktirici bir dolgu maddesi olarak kullanılabilecek bir özelliğe sahiptir. Belirli bir sıcaklık noktasından sonra hidratlanmış su içeriğini serbest bırakarak kompozitin iç sıcaklığını azaltır. Ayrıca yalıtkanda boşalma olaylarından kaynaklanan iz ve erozyona karşı yalıtkanları koruyabilir. Çünkü silikon yalıtkanlar kısa bir süre sonra hidrofobiklik özelliğini yeniden kazanabilir. Öte yandan, ATH'ye benzer şekilde davranan bir başka dolgu bileşiği olan çinko borat da mevcuttur. ATH gibi, dolgu bileşiği içinde hidratlanmış su bulunur. Bu nedenle, kompozitin içinde yangın geciktirici bir dolgu maddesi olarak kullanılabilir. Kauçuklar, PVC ve epoksi gibi kompozitlerde ZB kullanımını içeren sınırlı sayıda literatür bulunmaktadır. ZB dolgusunun silikon yalıtkanlarda kullanılmasının fikri, Türkiye'nin dünya genelinde bor madenlerinin yaklaşık %73'üne sahip olması gerçeğine dayanmaktadır. Bu fikrin başarılı olması, Türkiye'ye ekonomik açıdan katkıda bulunabilir. Ayrıca, ZB, yangın geciktirici, duman bastırıcı ve iz erozyonu önleyici özelliklere sahiptir. Bu nedenle, ATH dolgu maddesi için iyi bir alternatif olabilir. Ayrıca, silikon yalıtkanlarda performansı değerlendirmek için kullanılan eğik düzlem deneyi, dinamik düşme ve korona boşalma deneyleri gibi bazı testlerin geçilebilmesi için yüksek bir ATH dolgu oranına ihtiyaç vardır. Bu nedenle, daha az miktarda ZB dolgusuyla, silikon yalıtkan örnekleri bu testlerde başarılı olması silikon yalıtkanın mekanik özelliklerini korunması açısından büyük önem taşır. Yüksek dolgular mekanik dayanımı azaltıcı etkide bulunmaktadır. Çünkü yüksek dolgulardaki kompozitlerin, dolgu oranı arttıkça sertliklerinin de arttığı gözlenmiştir. Ayrıca, literatür incelendiğinde ATH ve ZB arasında sinerjik bir ilişkinin olduğuna dair bazı çalışmalar bulunmuştur. ATH ve ZB karışımlarının kombinasyonunda, ZB duman bastırıcı olarak hareket eder ve yüzeyde bir bariyer oluşturur. ATH ise kompozit içinde yangın geciktirici olarak görev yapar. Bu sebeple ikisinin birlikte kullanması, kompozitin performansı açısından çok önemli bir yer kaplar. Tez kapsamında, HTV silikonun baz malzeme olarak kullanıldığı 4 farklı numune üretildi. Bunlar Saf HTV numuneleri, ZB numuneleri, ATH numuneleri ve ATH/ZB karışımı numuneleridir. Her bir türün farklı bir dolgu oranı bulunmaktadır. Örneğin, ZB numuneleri %5, %10, %15, %20 ve %30 oranlarında ZB dolgu içermektedir. Numuneler, dolgu oranına göre isimlendirilmiştir. Örneğin, ZB5 numunesi %5 ZB dolgu ve %95 HTV silikon içermektedir. Ayrıca, ATH numuneleri ATH10, ATH20, ATH30 ve ATH50'dir. Son olarak, ATH&ZB karışımı numuneleri ATH10ZB10, ATH20ZB10, ATH30ZB10 ve ATH30ZB20'dir. Bu numuneler, ATH ve ZB numunelerine benzer şekilde isimlendirilmiştir. Örneğin, ATH10ZB10 numunesi %10 ATH ve %10 ZB içermekte olup, kalan %80'i HTV silikonudur. Bu numunelere ek olarak, karşılaştırma amaçlı olarak sadece temel HTV silikondan oluşan saf HTV numuneleri de üretilmiştir. Numunelerin fiziksel davranışını belirlemek için yoğunluk, temas açısı, sertlik ve yüzey pürüzlülüğü ölçümleri numuneler üzerinde yapılmıştır. ATH ve ZB'nin yoğunluğu, temel HTV silikondan daha yüksektir. beklendiği gibi, dolgu içeren son ürünün yoğunluğu ve sertliği dolgu maddesi eklenerek artmaktadır. Ayrıca, aynı miktarda dolgu içeren ATH numunesine kıyasla, ZB numunesinin yoğunluğu ve sertliği ATH'tan daha yüksek çıktığı gözlenmiştir. Eğer %30 dolgu içeren ZB30, ATH30 ve ATH20ZB10 numuneleri karşılaştırılırsa, en yüksek yoğunluk ve sertlik ZB30 numunesine aittir. En düşük yoğunluk ve sertlik ise ATH30 numunesindedir. Ayrıca, temas açısı ile dolgu oranı veya türü arasında net bir ilişki bulunmamaktadır. Yani dolgu oranının artması ya da temas açısını arttırıp azaltmamıştır. Diğer yandan, numune içerisindeki dolgu tipi yanı ATH, ZB ve bunların karışımlarının kullanılması ile temas açısı arasında herhangi bir ilişki bulunmamaktadır. En yüksek temas açısı ATH10ZB10 numunesine aittir. Aynı şekilde yüzey pürüzlülüğü ve dolgu oranı arasında herhangi bir benzerlik ya da ilişki bulunmamıştır. Bu bölümde ise numunelerin ısıl özelliklerine ait sonuçlara yer verilecektir. Bu bağlamda, numunenin ısıl davranışını ortaya çıkarmak için termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel ısıl analiz (DTA) ve ısıl iletkenlik analizleri yapılmıştır. Isıl iletkenlik açısından, ATH ve ZB dolgu oranının artmasıyla ısıl iletkenlik de buna göre artmaktadır. ATH içeren numunelerin iletkenlikleri ZB'ye göre daha fazla arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, TGA ve DTA analizleri incelendiğinde, çinko borat konsantrasyonunun yükseldikçe az da olsa hidratlı suyun boşaltıldığını göstermektedir. Çinko borat numunesine kıyasla ATH, önemli ölçüde daha fazla su içeriği salmıştır. Karışım numuneleri incelendiğinde, ATH dolgu oranı arttıkça suyun dehidrasyon miktarı da arttığı gözlemlenmiştir. Numunelere ait kimyevi yapısal incelemeler için taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ve Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) analizleri kullanılmıştır. SEM görüntüsüne göre, ATH'nin düşük parçacık boyutu nedeniyle ATH50 numunesinin parçacıkları daha homojen bir dağılım göstermiştir. ATH30ZB20'nin SEM görüntüsü incelendiğinde, ZB'nin yüksek parçacık boyutu nedeniyle farklı boyutlardaki ZB parçacıkları görülmektedir. Ayrıca, ZB numunelerinde FTIR analizine incelendiğinde -OH bağlarına ait dalga boylarında herhangi bir peak oluşumu gözlenmemektedir. Bununla birlikte, ATH numunelerinde bu bağ açıkça görülmektedir. Diğer yandan, ATH30ZB10 ve ATH30ZB20 numuneleri incelendiğinde, ZB oranının %10 artırılmasıyla -OH bağının geçirgenlik pikinin dramatik bir şekilde arttığı görülmektedir. Son olarak, numunelerin iz ve erozyon performansını incelemek için numunelere eğik düzlem deneyi adı verilen bir deney uygulanmaktadır. Bu deney AC ve DC gerilim altında uygulanabilir. AC için, deneyin yöntemini gösteren özel bir IEC standardı bulunmaktadır. Bununla birlikte, DC uygulamaları için belirli bir standart bulunmamaktadır. Bu nedenle, numunelerin DC davranışını incelemek için literatürden yararlanılmaktadır. AC uygulaması için gerilim büyüklüğü 3.5 kV'dır. Her deneyde 5 numune test edilmektedir. Eğer bu 5 numune de deneyi geçerse, gerilim büyüklüğü 4.5 kV'ye yükseltilir ve deney tekrarlanır. Diğer yandan, DC uygulaması için her iki polarite de kullanılmaktadır. +DC için, gerilim büyüklüğü 2.45 kV'dir ve -DC uygulaması için uygulanan gerilim -3.15 kV'dir. Bu değerler, IPT'nin DC uygulamasına ilişkin literatür taraması göz önünde bulundurularak uygulanmaktadır. IPT'nin 3.5 kV AC uygulamasına göre, ATH50 ve ATH30ZB20 numunelerinin tamamı deneyi geçmiştir. Saf HTV numunesi ile karşılaştırıldığında, ZB dolgusunun olumsuz bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, düşük dolgu oranında ATH konsantrasyonunun artmasıyla hafif bir iyileşme görülmektedir. Ancak, ATH ve ZB karışım numuneleri arasındaki sinerjistik etkiden dolayı karışımlardan oluşan numunelerin deney süresi açısından daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Bunun yanı sıra, ATH50 ve ATH30ZB20 numuneleri 4.5 kV AC altında test edilmiştir. Benzer şekilde, bu gerilim büyüklüğünü de başarıyla geçmişlerdir. +DC ve -DC için, IPT deneyi AC uygulamasına benzer bir sonuç vermektedir. 2.45 kV +DC gerilimi altında, ATH50 ve ATH30ZB20 numunelerinin tamamı deneyi başarıyla geçmiştir. %30 dolgu içeren ZB30, ATH30 ve ATH20ZB10 gibi numuneler, ATH ve ZB'nin sinerjistik etkisinden dolayı ATH20ZB10'un ATH30 ve ZB30'a kıyasla biraz daha iyi bir sonuç vermektedir. Son olarak, -3.15 kV -DC gerilimi altında ATH50 numunelerinin beşinden dördü deneyi başarıyla geçmiştir. Diğer yandan, ATH30ZB20 numunelerinin tamamı deneyi geçmiştir. Sonuç olarak, elektriksel uygulama açısından, karışım numuneleri IPT deneyinde en yüksek performansa sahiptir. ATH numunelerine kıyasla biraz daha iyi bir sonuç verdiği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
For more than 40 years, high-voltage AC systems have used silicone insulators due to their better performance in terms of pollution, ease of installation, and low-weight properties. However, understanding is constrained by AC applications because of usage in HVAC systems. On the contrary, the HVDC application is limited due to the restricted amount of usage of silicone insulators in this area. However, because of the advantage that transferring power over extremely long distances such as interconnection between countries via HVDC system is more economical than HVAC transmission. Therefore, there is a need for silicone insulator applications in HVDC transmission. However, the silicone insulators are exposed to corona discharge under DC and AC high voltage. This causes a loss of hydrophobicity on the surface of silicone insulators. Hydrophobicity means that the surface repeals the water. Therefore, the contamination path is not occurring over the insulator. If it losses this property, some discharge event will happen on the surface. And high-temperature areas will reveal on the surface. Then in that area, erosion can occur. Therefore, the silicone insulator's thermal behavior needs to be enhanced. Therefore, to increase the thermal characteristic of these insulators, some special fillers such as ATH and Silica can be used. Considering the literature and industry, these two fillers are the most widely used and investigated ones. Especially, ATH has a property that can be used as a fire retardant filler in composites. It consists of hydrated water which after a certain point of temperature, it releases this hydrated water content to decrease the internal temperature of the composite. Furthermore, in the insulator, it can protect insulators from tracking and erosion which occur due to discharge events. Because the silicone insulators can regain the hydrophobicity property after a short amount of time. On the other hand, there is another filer compound that acts in similar behavior to ATH called zinc borate. Similar to ATH it has hydrated water inside the filler compound. Therefore, it can be used as a fire retardant filler inside the composite. There limited amount of literature that consists of ZB usage in composite such as rubbers, PVC, and epoxy. The idea behind the utilize the ZB filler in the silicone insulators is that Turkiye has around 73% of boron mines over the world. The succession of this idea can contribute to Turkiye in terms of economic aspects. Additionally, ZB has the properties of fire-retardant, smoke and afterglow-suppressing, and anti-tracking agents. Therefore, it can be a good replacement for ATH filler. Furthermore, a high ATH filler rate needs to be used in the silicone insulators to pass some tests such as the inclined plane test, dynamic drop, and corona discharge test that utilize to evaluate the performance of silicone insulators. Therefore, with a lower amount of ZB filler, silicone insulator samples can succeed in these tests. Additionally, there is some indication of a synergistic relationship between ATH and ZB when the literature is examined. In the combination of ATH and ZB mixtures, ZB acts as a smoke suppressant and creates a barrier on the surface. ATH acts as a fire retardant in the composite. With the scope of the thesis, 4 distinct type of samples contain HTV silicone as the base material as manufactured. These are pure HTV samples, ZB samples, ATH samples, and ATH/ZB mixture samples. Each type has a different amount of filler rate. For example, ZB samples have 5%, 10%, 15%, 20%, and 30% rates of ZB filler. And they are named depending on filler rate. For example, ZB5 consists of 5 percent of ZB filler and 95 percent of HTV silicone. Furthermore, the ATH samples are ATH10, ATH20, ATH30 and ATH50. Lastly, ATH&ZB mixture samples are ATH10ZB10, ATH20ZB10, ATH30ZB10 and ATH30ZB20. These samples are called similar to ATH and ZB samples. For example, ATH10ZB10 comprises 10 percent of ATH and 10 percent of ZB, and the remaining is 80 percent of HTV silicone. And addition to that samples, in order to compare the samples, pure HTV samples which consist of only base HTV silicone is also manufactured. To determine the physical behavior of the samples, density, contact angle, hardness, and surface roughness measurements are utilized. The density of ATH and ZB is higher than the base HTV silicone. Therefore, as aspected, the density and hardness of the final product that consists of filler are increasing with the addition of filler. Moreover, the density and hardness of the ZB sample are higher than the ATH sample which contains the same amount of filler. If the ZB30, ATH30, and ATH20ZB10 samples which comprise 30 percent of filler are compared, the highest density and hardness belongs to ZB30. And the lowest one is ATH30. Furthermore, there is no clear relationship between contact angle and filler rate or type. The highest contact angle belongs to ATH10ZB10. The relationship between surface roughness and filler type or rate is also unrelated in terms of surface roughness measurement. In the following part, the thermal investigation of samples will be given. In this context, to reveal the thermal behavior of the sample, thermogravimetric analysis(TGA), differential thermal analysis (DTA), and thermal conductivity analyses are done. According to thermal conductivity, increasing the filler rate of ATH and ZB increases the thermal conductivity accordingly. Additionally, the TGA and DTA analyses show that as zinc borate concentrations rise, more hydrated water is discharged. When compared to the zinc borate sample, ATH had a significantly higher released water content. The amount of water dehydration rises with the ATH filling rate when the mixture samples are monitored. For chemical structural examination, scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) investigations are used. According to the SEM image Due to the low particle size of ATH, the particle size of the ATH50 sample is more uniform. When the SEM picture of ATH30ZB20 is examined, a diversity of particle sizes may be found due to ZB's high particle size. Furthermore, The ZB samples have no -OH bonds, according to FTIR analysis. However, this bond is readily apparent in the ATH samples. On the other hand, the peak of -OH bond transmittance is dramatically increased by rising the ZB by 10%, when ATH30ZB10 and ATH30ZB20 are examined. Lastly, in order to examine the tracking and erosion performance of samples, an experiment called the inclined plane test is applied to samples. this experiment can be applied under AC and DC voltage. For the AC there is a special IEC standard that shows the procedure of the experiment. On the contrary, there is no particular standard for DC applications. Therefore, to examine the DC behavior of the samples, literature is used. For AC application, the voltage magnitude is 3.5 kV. In each test, 5 samples are tested. If all these 5 samples pass the experiment, the voltage magnitude is increasing to 4.5 kV and the experiment is repeated. On the other hand, for DC application, both polarity is used. For +DC, the voltage magnitude is 2.45 kV, and for -DC application, the applied voltage is -3.15 kV. These values are applied considering the literature review of the DC application of IPT. According to the 3.5 kV AC application of IPT, every sample of ATH50 and ATH30ZB20 passed the test. When compared to a pure HTV sample, ZB filler has a detrimental effect. Furthermore, there is a slight improvement with increasing ATH concentration at the low rate of filler. However, due to synergistic effect between ATH and ZB mixture samples gives better results in terms of duration time. In addition to that, ATH50 and ATH30ZB20 samples are tested under 4.5 kV AC. Similarly, they passed this voltage magnitude as well. For + DC and -DC, the IPT experiment provides a similar result to the AC application. Under 2.45 kV +DC voltage, all samples of ATH50 and ATH30ZB20 passed the experiment successfully. If the samples that contain 30 % filler such as ZB30, ATH30, and ATH20ZB10, due to the synergistic effect of ATH and ZB, the result of ATH20ZB10 is slightly better than ATH30 and ZB30. Lastly, under -3.15 kV -DC voltage, four out of five samples of ATH50 successfully passed the experiment. On the other hand, the all sample of ATH30ZB20 samples passed the experiment. In conclusion, in terms of electrical application, the mixture samples have the highest performance in the IPT experiment. It gives slightly better improvement than ATH samples.
Benzer Tezler
- Flor sübstitüe ftalosiyaninler ve biyolojik özelliklerinin incelenmesi
Fluorine substituted phthalocyanines and investigation of their biological properties
BAŞAK SEZGİ BİLEN
- Investigation of structural, optical and electrical characteristics of ZnO-SnO2 thin films deposited by filtered vacuum arc deposition system
Filtreli vakum ark depolama sistemiyle üretilen ZnO-SnO2 ince filmlerin yapısal, optiksel ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
EDA ÇETİNÖRGÜ
Doktora
İngilizce
2007
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜKSEL UFUKTEPE
- Kobalt ftalosiyanin ve kobaltoksim komplekslerinin fotokimyasal ve elektrokimyasal incelenmesi
Photochemical and electrochemical investigation of cobalt phtalocynanine – cobaltoximes complexes
AYKUT DEMİR
- Plazma spreylenmiş Cr3C2-NiCr ve Al203-TiO2 kaplamaların abraviz aşınma davranışlarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
UĞUR PAMUK
- Yeni tip yüksek çözünürlüğe sahip florlu ball-type metalloftalosiyaninler: Sentezi, karakterizasyonu ve bazı fiziksel özelliklerinin araştırılması
New type of perfluoro ball-type metallo phthalocyanines with high solubility: Synthesis, characterization and investigation of their some physical properties
NİLÜFER KOÇYİĞİT
