Elektriksel kısmi boşalmayı etkileyen etkenlerin incelenmesi ve sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmesi

Elektrik üretimi ve iletiminde yüksek gerilim kullanılmasıyla birlikte elektriksel kısmi boşalma ve kısmi boşalmanın yüksek gerilim güç bileşenlerinin yalıtım sistemlerine zararlı etkileri de ortaya çıkmaya başlamıştır. Yalıtım sistemlerinde meydana gelen hasarlar, yüksek gerilim güç sistemlerinin zarar görmesine ve dolayısıyla, hem maddi hem zaman kayıplarına sebep olmuştur. Böylelikle, kısmi boşalma ölçümlerinin ve kısmi boşalma algılama yöntemlerinin önemi artmıştır. Kısmi boşalma, iletkenler arasındaki yalıtkan malzemenin kısmi bozulması sonunda oluşan kısmi köprüler aracılığıyla meydana gelen elektriksel boşalmalardır. Kısmi boşalma, yüksek gerilim sistemlerinin güvenliğini tehdit eden önemli bir olaydır. Bu yüzden, kısmi boşalma olayının incelenme sebebi, kısmi boşalmayı etkileyen etkenleri analiz ederek modellemesini yapmaktır. Bu tez çalışmasında, elektriksel kısmi boşalma olayı, kısmi boşalmayı etkileyen etkenler ve kısmi boşalma ölçümü incelenmiştir. Kısmi boşalmayı etkileyen etkenlerin belirlenmesi için deneyler yapılmış, bu deneyler için çubuk elektrot ve düzlem elektrot sistemi kullanılmıştır. Ayrıca, sonlu elemanlar yöntemi açıklanmış, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellemeler yapılmış, benzetim sonuçları yorumlanmış ve laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar ile kıyaslanmıştır. KB karakteristiğinin belirlenmesi için KB başlangıç gerilimi ve KB sönme gerilimi belirlenmelidir. KB başlangıç gerilimi, bir deney cismine uygulanan gerilim yavaş yavaş yükseltildiğinde, kısmi boşalmaların başladığı veya belirli bir yeğinliği geçtiği en küçük gerilimdir. KB sönme gerilimi ise bir deney cismine uygulanan gerilim en az kısmi boşalma başlangıç geriliminden başlayarak yavaş yavaş azaltıldığında, kısmi boşalmaların söndüğü veya belirli bir yeğinlikten daha az olduğu gerilimdir. İTÜ Yüksek Gerilim Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen deneylerle üç farklı elektrotun iki farklı düzlem ile beş farklı açıklıktaki kısmi boşalma karakteristiği incelenmiştir. Deneyler esnasında, varyak yardımıyla gerilim yükseltilmiş ve kısmi boşalma tespit edildikten sonra da belirli bir düzeye kadar yükseltilmeye devam etmiştir. Sonrasında, gerilim yavaş yavaş azaltılarak deney sonlandırılmıştır. Ayrıca, tüm deney süreci kısmi boşalma ölçüm cihazı ile ölçülerek kayıt altına alınmıştır. Deneylerde öncelikle atlama gerilimleri belirlenmiştir. Atlama gerilimi, iletkenler arasındaki yalıtkan malzemenin dayanma gerilimini aşarak yalıtkanın delinmesine ve dolayısıyla da iletkenler arasında kısa devre olmasına sebep olan gerilimdir. Genel olarak bütün sonuçlar incelendiğinde, atlama gerilimlerinin açıklık arttıkça yükseldiği ve elektrot yarıçapı büyüdükçe de yükseldiği görülmektedir. Laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneylerde elde edilen veriler karşılaştırılmış ve elektrot yarıçapının, düzlem özelliğinin ve elektrot ile düzlem arası açıklığın kısmi boşalma karakteristiğini nasıl etkilediği belirlenmiştir. Söz konusu çalışmada, elektrot yarıçapının artması kısmi boşalma başlangıç geriliminin yükselmesine neden olduğu tespit edilmiştir. Benzer şekilde elektrot ile düzlem arası açıklığın artması da kısmi boşalma başlangıç geriliminin yükselmesine neden olmaktadır. Deneyler sırasında kullanılan disk ve Rogowski olmak üzere iki farklı düzlemin kısmi boşalma karakteristiğini nasıl etkilediği de bu çalışmada belirlenmiştir. Laboratuvar ortamında, elektrot ile disk düzlem deneyleri alçak basınçta da gerçekleştirilerek alçak basıncın kısmi boşalma etkisi incelenmiştir. Bu deneyler, dört farklı alçak basınç altında yapılmıştır. Sonucunda, alçak basınçta kısmi boşalma başlangıç gerilimlerinin normal duruma göre daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, basınç düştükçe kısmi boşalma başlangıç gerilimi de daha düşük olmaktadır. Deneylerin tamamlanmasından sonra kısmi boşalma karakteristiği sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi, mühendislik problemlerinin çözümünde sağladığı kolaylık sebebiyle pek çok mühendislik dalında tercih edilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemindeki temel mantık, çözüm bölgesini çok sayıda, basit, küçük, birbirine bağlı, sonlu eleman adı verilen alt bölgelere ayırmaktır. Bu modelleme için bilgisayar yazılımından faydalanılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemini baz alarak oluşturulan FEMM 4.2 programı kullanılarak aynı deney düzeneğindeki gibi elektrot-düzlem düzeni çizilmiş, malzeme ve ortam özellikleri, sınır değerleri gibi bilgiler girilerek matematiksel model sonuçları elde edilmiştir. Bilgisayar ortamında yapılan matematiksel modelleme sonucunda elektrotların ve düzlemlerin geometrisi, sonlu elemanlar ağı, ortamdaki potansiyel dağılımı, eşpotansiyel çizgiler, elektriksel alan dağılımı, elektrot ile düzlem arasındaki yüzey üzerinde potansiyel değişim, elektrot ile düzlem arasındaki yüzey üzerinde teğetsel elektrik alan bileşeni ve elektriksel alanın büyüklüğü gibi parametreler tespit edilmiştir. Modelleme ile elde edilen sonuçlar, elektrot ile düzlem arasındaki açıklığın en az olduğu durumda en büyük elektrik alanın oluştuğunu ve dolayısıyla, elektrot ve düzlemin birbirine yaklaşmasının, atlama ve delinme riskinin artmasına sebep olduğunu göstermektedir. Elde edilen modelleme sonuçlarına göre, aynı açıklıkta elektrot yarıçapının küçülmesi de elektrik alanın artmasına dolayısıyla atlama ve delinme riskinin yükselmesine sebep olmaktadır. Sonuçlar kısmi boşalma açısından değerlendirildiğinde, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen KB ölçüm sonuçlarının, FEMM programında elde edilen sonuçlarla paralel olduğu görülmektedir. Örneğin, KB başlangıç geriliminin, açıklık arttıkça veya aynı açıklıkta elektrot yarıçapı büyüdükçe yükseldiği görülmüştür. Dolayısıyla, aynı gerilim altında ve diğer fiziksel ve ortam koşullarını aynı olması durumda, açıklığın azalması veya aynı açıklıkta elektrot yarıçapının küçülmesi, kısmi boşalma riskini de arttırmaktadır. FEMM 4.2 programı yardımıyla yapılan modelleme sonunda elde edilen sonuçlar, laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar ile genel olarak örtüşmektedir. Bunun önemli sebeplerinden birisi, sonlu elemanlar yöntemini kullanarak çözüm yapan FEMM programı, incelenecek sistemin geometrisinin oluşturulmasına, malzeme özelliklerinin ve sınır koşullarının girilmesine, ağ yapısının oluşturulmasına imkan veren ve sonucunda son derece gerçekçi sonuçlar elde edilmesine olanak sağlayan bir program olmasıdır. Sistem davranışını anlama açısından son derece faydalı olacak olan bu çalışma, yalıtım sistemlerinin üretilmesi veya yüksek gerilim sistemlerinin kurulmasında tasarım açısından yardımcı olabilir. Ayrıca bu çalışma, daha farklı durumlar veya koşullar yaratarak geliştirilebilir. İhmal edilen veya öngörülemeyen pürüzler dahil edilerek daha etkin sonuçlara ulaşılabilir. Farklı elektrot sistemlerinin kullanılması, farklı gaz basınçları altında deneylerin yapılması, farklı dielektrik malzemeler kullanılması gibi durumlar için çalışma geliştirilebilir ve kısmi boşalma karakteristiği hakkında daha fazla bilgi toplanabilir.