Yüksek gerilim porselen izolatörlerinin deprem güvenliğinin artırılması için bir sismik yalıtım cihazı geliştirilmesi
Development of a seismic isolaton device for high voltage porcelain isolators to enhance their seismic safety
Yazar: TANSU GÖKÇE
Danışman: PROF. DR. ENGİN ORAKDÖĞEN ; PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Doktora tez çalışması kapsamında, yüksek gerilim porselen izolatörlerinin deprem güvenliğinin artırılmasına yönelik olarak yeni bir sismik yalıtım cihazı geliştirilmiştir. Çalışma deneysel ve sayısal bölümlerden oluşmaktadır. Çalışmanın deneysel bölümü İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarında (YDMLab) gerçekleştirilmiştir.
Elektrik iletim hatları ve trafo merkezlerinde kullanılan porselen izolatörler, gevrek davranış sergilediklerinden, depremler sırasında hasar alabilmektedirler. Onarımı mümkün olmayan bu ekipmanların deprem sonrasında değiştirilmesi ve elektrik sisteminin tekrar devreye alınmasında önemli ölçüde gecikmeler yaşanabilmekte, bu da can ve mal kayıplarının artmasına neden olabilmektedir. 
Mevcut uygulamalarda, bir porselen elektrik izolatörü işletme koşullarına göre farklı yükseklikteki çelik taşıyıcı sistemler üzerine mesnetlenmektedir. Geliştirilen sismik yalıtım cihazı, porselen elektrik izolatörü ile taşıyıcı çelik sistem arasına yerleştirildiğinde, çelik sistemin özelliklerinden kaynaklanabilecek belirsizlik de ortadan kaldırılmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, elektrik iletim hatlarında kullanılan yüksek gerilim porselen izolatörlerinin deprem davranışlarının iyileştirilmesi için etkin ve ekonomik bir sismik yalıtım cihazı geliştirilmiştir. Sismik yalıtım cihazı, porselen elektrik izolatörünün hem salınım periyodunu uzatmakta hem de ilave sönüm sağlamaktadır. Böylece deprem sırasında porselen elektrik izolatörü üzerinde oluşacak iç kuvvetler önemli ölçüde küçültülebilmektedir. Cihaz; dairesel alt ve üst çelik plaklar, merkezden belirli bir mesafede eşit aralıklarla yerleştirilmiş dört adet poliüretan yay ve merkezdeki gergi çubuğundan oluşmaktadır.
Tez çalışması kapsamında 550 kV porselen elektrik izolatörleri için GEO-1 ve GEO-2 olarak adlandırılan iki farklı geometriye (rijitliğe) sahip sismik yalıtım cihazı geliştirilmiştir. Cihazların etkinliğinin irdelenmesi için, bir dizi deneysel ve sayısal çalışma gerçekleştirilmiştir. Deneyler, statik ve dinamik karakterli yükler kullanılarak iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar oluşturulan hesap modelleri kullanılarak elde edilen sayısal sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.
Birinci aşamada, porselen elektrik izolatörü ve iki farklı geometriye sahip sismik yalıtım cihazlarının statik itme deneyleri yapılmıştır. Porselen elektrik izolatörünün yatay yükler etkisindeki davranışı ile kırılma biçiminin belirlenmesi amacıyla FEMA 461 (2007)'de tanımlanan yerdeğiştirme protokolü kullanılarak farklı yüksekliklere sahip iki numune denenmiştir. Bu deneylerde, porselen elektrik izolatörünün gevrek modda ve en büyük eğilme momentinin oluştuğu kesitten farklı kesitlerden de kırılabildiği gösterilmiştir. Yüksek rijitlikli (GEO-1) ve düşük rijitlikli (GEO-2) sismik yalıtım cihazlarının yatay yükler etkisindeki davranışlarının belirlenmesi aşamasında; cihazlar üzerine porselen izolatörü temsil edebilecek bir çelik kolon bağlanmıştır. Bu deneylerde, geliştirilen sismik yalıtım cihazlarına ait moment-dönme çevrimsel ilişkileri elde edilmiştir. Bu ilişkilerden hareketle hesap modellerinde kullanılan Ramberg Osgood çevrimsel davranış modelinin değişkenleri belirlenmiştir.
İkinci aşamada, 1/1 ölçekli ve çelik kafes sisteme bağlı porselen elektrik izolatörlerinin gerçek ivme kayıtları etkisindeki dinamik deneyleri, üç farklı durum için gerçekleştirilmiştir. Birinci gurup deneylerde elektrik izolatörü çelik kafes sisteme rijit olarak bağlı iken, ikinci ve üçüncü gurup deneylerde bu iki eleman arasına sırasıyla GEO-1 ve GEO-2 sismik yalıtım cihazları yerleştirilmiştir. Bu deneylerde elde edilen sonuçlar şunlardır; i. Sismik yalıtımlı sistemlerde, porselen izolatörün tepe ivmesi önemli oranda küçülmektedir. ii. Sismik yalıtım cihazı kullanılan sistemlerde porselen izolatör taban kesitinde oluşan iç kuvvetler önemli ölçüde azalmaktadır. iii. Sismik yalıtım cihazı kullanılan durumlarda, elektrik izolatörü ve sismik yalıtım cihazları üzerinde kalıcı şekildeğiştirme ve yerdeğiştirme oluşmamıştır. iv. Etkitilen ivme kayıtları sonunda sismik yalıtım cihazları ilk konumlarına geri dönmüş ve herhangi bir artık yerdeğiştirme oluşmamıştır. v. Geliştirilen sismik yalıtım cihazı sayesinde sistemin titreşim periyodu öngörülen değere ötelenebilmektedir. vi. Gerçekleşen sönüm oranları; rijit mesnetlenme durumunda %2 iken, sismik yalıtım cihazı kullanılan durumlarda %3 ~ %8 aralığında olmuştur.
Rijit mesnetlenme durumu ile GEO-1 ve GEO-2 sismik yalıtım durumları için hesap modelleri oluşturulmuştur. Geometri bakımından doğrusal olmayan davranışın dikkate alındığı hesaplarda on farklı deprem ivme kaydı için zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler yapılmıştır. Genel sönüm oranı olarak; rijit mesnetlenme durumunda %2, sismik yalıtım cihazı kullanılan durumlarda ise %0.5 değerleri kullanılmıştır. Elde edilen sayısal hesap sonuçları deneysel çalışma sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. İvme, yerdeğiştirme ve porselen izolatör taban kesitinde gerçekleşen iç kuvvet geçmişlerinin uygulanan tüm deprem ivme kayıtları için uyumlu olduğu görülmüştür.
Rijit mesnetlenmiş porselen elektrik izolatörünün üç boyutlu (hacimsel) sonlu eleman modeli oluşturularak, farklı kesitlerindeki gerilme yığılmaları sayısal olarak elde edilmiştir. Porselen izolatör taban kesitinde elde edilen sayısal sonuçların ilgili deneyde elde edilenler ile oldukça yakın oldukları görülmüştür.
Çalışmanın son aşamasında, rijit ve iki farklı sismik yalıtım cihazı kullanılarak mesnetlenmiş 550kV yüksek gerilim porselen izolatörüne ait aşılma (kırılma) olasılık eğrileri oluşturulmuştur. Aşılma olasılık eğrileri, taban momenti ve tepe yerdeğiştirmesi olmak üzere iki farklı büyüklük için hazırlanmıştır. Taban momenti aşılma olasılık eğrileri, IEEE-693(1984) ve IEEE-693 (2005) yönetmeliklerinde verilen sınır değerler için oluşturulmuştur. Tepe yerdeğiştirmesi aşılma olasılık eğrisinde ise geliştirilen sismik yalıtım cihazlarının dönme kapasitesine karşı gelen sınır değerler dikkate alınmıştır. Sismik yalıtım cihazı kullanıldığı GEO-1 ve GEO-2 durumlarında, tasarım depremi düzeyinde (PGA=0.5g) sınır yerdeğiştirme büyüklüklerinin aşılma olasılığı %0, PGA=1g düzeyi için ise sırasıyla %30 ve %10 olarak elde edilmiştir. 
Geliştirilen sismik yalıtım sisteminin IEEE-693 (2005)'de sismik taban izolatörleri için tanımlanan koşulları sağladığı ve elektrik izolatörü üzerindeki iç kuvvetleri rijit mesnetlenme durumuna göre önemli ölçüde küçültebildiği gösterilmiştir.

Abstract:
In this study, a new seismic isolation device is developed for high-voltage porcelain insulators to enhance their seismic safety. The study consists of the experimental and the numerical parts. The experimental studies that consist of static and dynamic tests were conducted in the Structural and Earthquake Engineering Laboratory of ITU Civil Engineering Faculty. The numerical studies are aimed to reproduce the experimental results and to generate the fragility curves. 
High voltage porcelain insulators are vulnerable components of the electrical substations during strong earthquakes. It is rather hard to repair them in service. Hence, it will be useful to reduce the internal forces on the insulators to increase their seismic safety. The replacement costs as well as indirect costs due to interruption of the power supply are somewhat significant. In 1994 Northridge-America, 1995 Kobe-Japan, 1999 İzmit-Turkey and 1999 Chi-Chi-Taiwan Earthquakes, the losses were hundreds of millions of dollars for each event. Damage of the electrical substation equipment in Loma Prieta and Northridge Earthquakes resulted to be $283,000,000 worth of losses.
In the current practice of Turkey, porcelain insulators are supported on steel truss type systems with varying geometry and stiffness properties. The porcelain insulators and steel truss are provided by the independent suppliers. Consequently, the supporting truss is not accounted in design stage of porcelain insulator. The developed seismic isolation device to be placed between the steel truss and the porcelain insulator gives an opportunity to tune stiffness and damping properties of the system.
In this study, a new low-cost seismic isolation device that is mounted underneath of high voltage porcelain insulator is being developed to provide period elongation and supplementary damping. The internal forces arose from the earthquake effect are reduced severely by means of the developed seismic isolation device. Seismic isolation device consists of four polyurethane springs that are positioned between two circular stainless-steel plates. The plates are connected each other by pre-stressed steel rod (M14 bolt, 12.9 quality) positioned at their center. The polyurethane springs are located in the cavities created on the steel plates. Depth of the cavities, which transfer shear forces between the upper and the lower steel plates, is selected as 7 mm depending on the preliminary calculations.
Two independent seismic isolation devices tagged as GEO-1 and GEO-2 were produced for 550 kV porcelain insulators. A series of the experimental and the numerical studies were conducted on the rigid and seismically isolated specimens. The experimental studies that were accomplished in two phases consist of quasi-static and dynamic tests. The experimental results are also utilized to calibrate the numerical model parameters.
In the first phase, it was performed quasi-static cyclic tests on porcelain electrical insulators and seismic isolation devices that have two different geometries. The porcelain insulators tests were performed on two specimens with different heights to determine their behaviors and collapse modes. The displacement pattern given in FEMA – 461 (2007) was utilized in the quasi-static tests. The pattern consists of ten distinct displacement targets and each target were applied in two cycles. It has been experienced that the porcelain insulator is very brittle and the collapse observed in any sections rather than bottommost section. A steel column was utilized in the tests in which the behavior of GEO-1 and GEO-2 devices were examined. The hysteretic moment – rotation relations of the devices were obtained from the tests. Moment-rotation relation, stiffness variation, damping property and Ramberg Osgood model parameters are the quantities extracted from the quasi-static tests. 
In the second phase, full scale dynamic tests of porcelain insulators on the support structure are performed for three distinct cases for a set of historical earthquakes selected according to IEEE-693. In the first case, rigid connection was utilized between the steel support structure and the porcelain insulator. In the second and third cases, GEO-1 and GEO-2 seismic isolation devices were utilized for the connections, respectively. The general results obtained from the dynamic tests are as follows; i. Top acceleration of porcelain insulator is reduced drastically in the seismically isolated cases. ii. The internal forces at the bottommost section reduced severely in the seismically isolated cases. iii. No residual deformations and displacements were observed of the porcelain insulators and the seismic isolation devices. iv. The seismic isolation devices returned to their original positions after the completion of dynamic tests. v. The predominant vibrational periods of the systems are elongated to the target values. vi. Equivalent viscous damping ratio extracted from the distinct testing methods for the systems with seismic isolation devices were in the range of 3~8%, while it was 1-2% for fixed base system. 
The numerical models were generated to represent the structural behavior of the rigid and seismically isolated specimens. The models consist of the members to represent steel support, seismic isolation device components and porcelain insulators. All the members were represented by "Elastic Frame Elements" depending on the experimental observations. The mass and stiffness properties of the porcelain insulator were directly determined from the measurements. Free vibration tests in discrete displacement ranges were performed to determine equivalent flexural stiffness of the porcelain insulator system. It involves the effect of the porcelain end connections. The lateral stiffness obtained from the failure tests executed for the porcelain insulators are consistent with the results of the free vibration tests. Nonlinear elastic behavior of polyurethane springs was represented by Ramberg-Osgood model. Relatively high shear resistance was utilized for polyurethane springs. Although 2% global damping was consigned in fixed base case, 0.5% damping was assigned for the isolated cases. The inherent damping of seismic isolation device was accounted through the nonlinear behavior model utilized for the polyurethane springs. In the comparison of absolute top accelerations, general forms of the curves are well-matched, but there are some discrepancies particularly for low amplitude peaks. In the relative top displacement comparison, it is observed that the main peaks are compatible but then again there are some disagreements for the succeeding peaks. A Good correlation was obtained for the base moment that is the most critical quantity for design of seismic isolation device and porcelain insulator.  
Three-dimensional finite element model by using solid elements was generated for rigidly supported porcelain insulator to observe the stress concentrations at any section. The numerical estimation of the stress concentration at the bottommost cross-section are quite consistent with the experimental measurements.
In the last stage of the study, the fragility curves were generated for the rigid and seismically isolated 550 kV high voltage porcelain insulators. The curves were produced for two quantities specifically the base flexural moment and horizontal top displacement. The target stress limits defined in IEEE-693 (1984) and IEEE-693 (2005) were utilized in the generation of the base moment fragility curves. How about, in the construction of top displacement fragility curves, it was utilized the displacement limits arose from the rotational capacity of the developed isolation devices. For the seismic isolation cases (GEO-1 and GEO-2), the probability of exceedance of the target displacements is 0% for design earthquake (PGA=0.5g). However, the probability rises to 30% and 10% for PGA=1g for GEO-1 and GEO-2, respectively.
The developed seismic isolation device meets the requirements given by IEEE-693 (2005) for the seismic base isolators and it reduces the internal forces of high voltage porcelain insulator severely compared with the rigid type connection.