Süperiletken hatalı akım sınırlayıcı (SHAS) tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterisation of superconducting fault current limiter (SFCL)
Yazar: ERCAN ERTEKİN
Danışman: PROF. DR. ALİ GENÇER
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: YBCO = YBCO

Özet:
Bu tezde süperiletken hatalı akım sınırlayıcı (SHAS) uygulamalarında kullanılmak üzere MgB2 ve YBCO yığın numuneler üretilmiştir. MgB2 üretimi esnasında katı hal reaksiyon yöntemiyle beraber, yüksek basınç ve sıcak presleme işlemi uygulanmıştır. YBCO üretiminde ise; katı hal reaksiyon ve eritme yöntemleriyle birlikte yüksek basınç altında presleme işlemi yapılmıştır. Üretilen numunelerin kristal yapı özellikleri; X-ışını toz kırınımı yöntemiyle (XRD), manyetik özellikleri ise; AA alınganlık ve manyetik kaldırma kuvveti sistemleriyle belirlenmiştir. Numunelerin mekanik özellikleri ise, Vickers Mikro sertlik ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmalarına ek olarak 3 ayrı tipte SHAS üretimi gerçekleştirilmiş ve kısa devre testleri tamamlanmıştır. Üretilen SHAS'lar 6 kVA 3-fazlı manyetik akı transferi tipinde, 6 kVA 3-fazlı rezistif tipte ve tek fazlı indüktif tiptedir. SHAS tasarımı aşamasında COMSOL programı yardımıyla birincil ve ikincil nüveler arasındaki enerji transferinin yaklaşık %100 oranında gerçekleştiği simülasyon çalışmalarıyla gösterilmiştir. Birincil ve ikincil nüvelerin çiftlenimi için süperiletken halkanın fiziği esas alınarak akı transferinin gerçekleştiği, süperiletken durumun normal duruma geçişi ile birlikte enerji transferinin önemli ölçüde sınırlandırılması ile birlikte ikincil bobine bağlı elektrik yükünde gerilim düşmesi deneysel olarak gözlemlenmiştir. Bu özellik, üretilen manyetik akı transferi tipindeki trafonun SHAS olarak kullanılmasına imkân vermektedir. Üretimi gerçekleştirilen trafoların suni bir kısa devre oluşturulduğu durumda, hem birincil hem de ikincil sarımlardaki akım-gerilim dalga şekillenimleri zamanın fonksiyonu olarak PicoScope üzerinde kaydedilmiştir. Suni kısa devre anında ani yükselme eğiliminde olan akımın birkaç periyot içerisinde sınırlandırıldığı deneysel olarak gözlemlenmiş ve ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Önerilen trafonun SHAS olarak kullanılması halinde geleneksel olarak süperiletken sarımlı trafolarla mukayese edilmiş ve önerilen sistemin avantaj ve dezavantajları ayrıntılı olarak irdelenmiştir. Böyle bir sistemin geleneksel devre kesicilerle birlikte kullanılmasıyla ikincil devrede akım ve gerilim sarım sayısına bağlı olarak belli bir değerde tutulmasının, devre kesicilerin kullanım ömrünü uzatması bakımından faydalı olacağı değerlendirilmektedir.

Abstract:
In this thesis, MgB2 and YBCO bulk samples were produced for application of superconducting fault current limiter (SFCL). Solid state reaction method with high pressure and hot press processes used for MgB2 production. Solid state reaction and melt-textured methods with high pressure process used for YBCO production. Crystal microstructure characteristics of bulk samples determined by X-Ray diffraction (XRD) method, the magnetic properties of the samples have been investigated by AC susceptibility and magnetic levitation force systems. Vickers Micro hardness measurements were performed to characterize the mechanical properties of the samples. In addition to characterization studies, 3 different types of SFCL production and their short circuit tests were completed. 6 kVA 3-phases magnetic flux transfer type, 6 kVA 3-phases resistive type and a 1-phase inductive type SFCLs were produced. At the simulation studies, about 100% energy transfer between primary and secondary iron cores was shown with COMSOL software. For the coupling of the primary and the secondary iron cores based on the physics of the superconducting ring via the magnetic flux transfer has taken place and the limitation of the energy transfer with the voltage drop in the electrical load connected to the secondary coil with the transition from the superconducting state to the normal state has been observed experimentally. With this feature, this magnetic transfer type transformer can be used as a SFCL. When an artificial short circuit applied to the transformer, the wave forms of current-voltage on both primary and secondary windings have been recorded to the PicoScope. When a short circuit applied, the fault current limitation was observed in a few periods and the measurements were made. The possible advantages and disadvantages between this transformer and the conventional SFCL-transformers for the current limiting have been discussed. If this transformer is used on a real grid, the circuit breakers' lifetime expected to be longer.