Bakır giydirilmiş alüminyum iletkenli geçit izolatörü geliştirilmesi
Development of wall type bushings with copper extruded aluminum conductor
Yazar: İLİM ERDEN
Danışman: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Geçit izolatörleri, elektrik enerji sistemlerinde, yüksek gerilimlerin bir ortamdan diğer bir ortama geçişini sağlarlar. Geçit izolatörleri tij olarak da bilinen bir iletken, etrafında, ana yalıtım malzemesi ve bir dış iletkenden (flanş) oluşur. Geçit izolatörlerinde ana yalıtım malzemesi olarak porselen veya kompozit malzemeler gibi yüksek dielektrik dayanıma sahip yalıtkanlar kullanılır.
DAF-30 olarak adlandırılan ve 400 A, 630 A, 1000 A ve 1250 A anma akımlı duvar tipi geçit izolatörleri, 30 kV işletme geriliminde kullanılırlar. Gelecekte ise 1600 A, 2000 A, 2500 A ve 3150 A'de çalışan DAF-30 tipi geçit izolatörlerinin üretilmesi düşünülmektedir. DAF-30 tipi geçit izolatörlerinin ana yalıtım malzemesi porselendir. Tij malzemeleri olarak çoğunlukla alüminyum kullanılmaktadır. Ülkemiz orta gerilim dağıtım sisteminde kullanılan 1000 A ve 1250 A anma akımlı geçit izolatörlerinin, ısıl performanslarında bazı sorunlar olduğu ve aşırı ısındıkları geçmiş deneyimlerden bilinmektedir. Bu çalışmanın amacı, söz konusu ısıl sorunların deneysel çalışmalarla ve benzetimlerle net olarak ortaya konulması ve çözüm önerileri geliştirilmesidir. Bu amaçla çeşitli deneysel ve benzetim tabanlı çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Önce ön deneyler gerçekleştirilerek, sağlıklı bir ısıl deney için gerekli bağlantı iletkenlerinin boyutları belirlenmiştir. Bu iletkenler kullanılarak, DAF-30 1000 A ve 1250 A geçit izolatörlerinde, anma akımlarında, "sıcaklık artışı deneyi" ve "ısıl kısa süreli akımın doğrulanması deneyi"ne tabi tutularak, ısıl yoğunlaşmaların oluştuğu noktalar; bu kritik noktaların sıcaklıkları ve sıcaklık artışları deneysel olarak belirlenmiştir. Yapılan deneylerde, 1000 A ve 1250 A geçit izolatörlerinin her ikisi için de en fazla ısınan noktanın flanşın çevrelediği tij ortası kısım ve flanşın kendisi olduğu görülmüştür. Manyetik girdap akımları sonucu aşırı ısınan flanşın, ek bir ısı kaynağı olarak davrandığı ve tüm iletkende ve özellikle de iletkenin orta kısmında aşırı ısıl yoğunlaşmaların oluşmasına neden olduğu görülmüştür. Flanşa ek olarak, geçit izolatörlerinde kullanılan bağlantı pullarının da birer noktasal ısı kaynağı gibi davranarak yerel sıcaklık artışları meydana getirdikleri anlaşılmıştır. Deney sonuçları, ısıl kısa sureli akıma dayanımın doğrulanması deneyi konusunda bir sorun olmadığını göstermiştir. 1000 A ürünlerin sıcaklık artışı deneyinde ise, tij ortası ve flanş sıcaklıklarının öngörülen sınırların üzerinde olduğu, tij üzerindeki diğer bazı kritik noktalardaki sıcaklık artışlarının ise sınır değerlere oldukça yakın olduğu görülmüştür. 1250 A ürünlerde, belirtilen sorunların daha ciddi boyutlarda olduğu anlaşılmıştır. 
Deney sonuçları dikkate alınarak, ısıl yoğunlaşmaları giderebilmek amacıyla, öncelikle flanş ve pullardaki aşırı ısınmaların nedenleri araştırılmış ve bu ısınmaların iletken sıcaklıklarına etkisi irdelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar ciddi bir ısıl kaynak olan flanş ve noktasal bir ısıl kaynak olarak davranan pulların manyetik olmayan malzemeden (örneğin alüminyum) yapılması veya flanşın 2 parçalı olarak imal edilmesi ile, flanş sıcaklığının önemli ölçüde azalacağı ve bunun yanında pul ve iletken sıcaklıklarında da ciddi azalmaların olacağını göstermiştir. Böyle bir önlemin, 1000 A ürünlerdeki ısıl sorunları gidereceği ve fakat 1250 A ürünlerde iyileşme sağlamasına karşın, yetersiz kalacağı görülmüştür. Bu nedenle, deri etkisi de dikkate alınarak, mevcut alüminyum iletkenlerin 2 mm mertebesinde bakır kaplanması durumuna ilişkin deneyler yapılmış ve bu deneyler, alüminyum ve flanş önlemleri ile birlikte , 1250 A ürünler için ısıl sorunların giderilebileceği sonucunu göstermiştir. Son olarak, porselenin ısıl iletkenlik katsayısının iyileştirilmesi ile, ısıl sorunlarda iyileşme sağlanıp sağlanamayacağı konusunda deneyler yapılmış ve bir miktar katkı sağlayacağı sonucuna varılmıştır.
Deneysel çalışmalara ek olarak, çok sayıda benzetim tabanlı çalışma gerçekleştirilmiştir. Benzetim programına, hem gerçek ölçüm değerlerinden elde edilen parametreler (iletkenlik), hem de deri etkisinden gelen katsayılar birleştirilerek girilmiştir. Öncelikle benzetim parametreleri uygun şekilde tanımlanarak, deney ve benzetim sonuçları arasındaki uyum sağlanmıştır. Benzetim çalışmaları da deneysel çalışmalara benzer sonuçlar vermiş ve yukarıda belirtilen önlemlerle 1000 A ve 1250 A ürünlerde önemli ısıl iyileştirmeler sağlanabileceği görülmüştür. Deneysel olarak doğrulanmamasına rağmen, benzetimlerle ortaya konan bir diğer önemli bulgu ise, tij-porselen arası hava aralığı değiştirilerek ısıl performansın arttırılabileceğidir. Bu tür bir değişiklikle, döküm flanşlı ürünlerde dahi, flanş sıcaklığı hariç, tüm kritik sıcaklıklarda önemli ölçüde azalma sağlanabileceği görülmüştür.
Deneysel ve benzetim tabanlı çalışmalar birlikte değerlendirildiğinde; 1000 A alüminyum tij'li geçit izolatörlerinde flanşın döküm yerine alüminyumdan yapılması veya 2 parçalı imal edilmesi, pulların da benzer şekilde alüminyumdan yapılması ve kullanılan 1,5 W/moK ısıl iletkenlik katsayılı porselen yerine daha yüksek iletkenlikli (yüksek alüminalı) porselen kullanılması ile, ısıl sorunlar giderilebilecek ve standartlarda öngörülen en yüksek sıcaklık ve en yüksek sıcaklık artışı koşulları rahatlıkla sağlanacaktır. 1250 A'lik ürünlerde ise, 1000 A ürünlerdeki önlemlere ek olarak, alüminyum iletken yerine 2 mm mertebesinde bakır kaplı alüminyum iletken kullanılması ısıl sorunları giderebilecek ve standartta öngörülen en yüksek sıcaklık ve en yüksek sıcaklık artışı koşullarını rahatlıkla sağlayacaktır.

Abstract:
High voltage bushings provide transferring high voltages from one insulating medium to another one. Typical examples are transformer bushings and wall-type bushings. They are one of the critical components in electric power transmission and distribution systems. 
DAF-30 type bushings are categorized as indoor-outdoor wall-type bushings in IEC 60137 standard. DAF-30 is the general name of 30 kV distribution system wall type porcelain bushing family. It includes several current levels such as 400, 600, 1000 and 1250 A. Higher current ratings of 1600, 2000, 2500 and 3150 A are expected taken into service in the future.
In addition to classical electrical and mechanical stresses, bushings are additionally subjected to thermal stresses because of heavy currents flowing through their conductors. Their thermal performance is verified by several type tests in accordance with an international standard IEC 60137. Past laboratory experience showed that 1000 A and 1250 A units had some problems and insufficiencies regarding their thermal performances. 1000 A bushings showed high temperature rises at some critical regions, which were so close to upper thermal limits. On the other hand, 1250 A units did not fulfill the temperature rise limits at all. This study is therefore devoted to the improvement of thermal performances of 1000 A and 1250 A DAF-30 wall-type bushings.
The aim of the study is to determine heat distribution and heat concentration on the surface and inside the bushing as well as to propose possible solutions for the improvement of the thermal performance. At this initial phase of the study, we have concentrated on the heat distribution problems. First, critical regions where the temperatures and/or temperature rises were greater than the remaining parts of the bushings have been determined by two-dimensional simulations and by laboratory tests. At the second phase of the study, we intended to develop some solutions to alleviate those thermal problems.
Initial efforts were devoted to the determination of the adequate connection bars for the test assembly in order not to affect the heat distribution of the system. Following those pre-tests, 1000 A and 1250 A bushings were subjected to "temperature rise test" and "verification of thermal short-time current withstand test" in accordance with IEC 60137. Rated currents were applied to the bushings and temperature measurements were recorded up to steady-state conditions. The results have shown that the mid point of conductor just under the flange and the flange itself were the most critical regions from the point of high temperatures and/or high temperature rises. High temperatures on the flange were the result of eddy currents flowing through its surface. Therefore, the flange was an additional heat source for the remaining part of the system. Mid-point of the conductor was greatly effected from high flange temperatures due to the high thermal resistance of the air between the porcalein and the conductor. In addition, magnetic washers were the point heat sources which were effective locally at their vicinity. On the other hand, thermal short-time current withstand test was found not to be critical creating any problems. When the temperatures and temperature rises were compared with the upper limits specified in IEC 60137; for 1000 A bushings, it was seen that the temperatures on the flange surface and at the mid-point of the conductor were higher than the limits. Moreover, temperature rises at some critical points were near to the specified temperature limits. The problems were more critical for 1250 A units.
The second phase of experimental studies were devoted to alleviation of thermal problems by several revisions either on the conductive parts or on the insulating parts of the bushings. It was clear that, first of all overheating of the flange should be avoided. Therefore, either a nonmagnetic material (i.e. aluminum) should be used or the flange should be seperated into two pieces by inserting an insulator between them. Both alternatives were seen to be effective both for the flange itself and for conductor mid-point and the other critical regions which were effected from high temperature of the flange. On the other hand, improvements of porcelain thermal conductivity was seen to be less effective on the temperatures and temperature rises of the critical points. 
Test results have shown that elimination of additional heat sources; i.e. the flange and the washer, by replacing their magnetic material with non-magnetic ones (preferably aluminum) would solve the thermal problems for 1000 A units. However, those actions were seen to be not sufficient for 1250 A ones. Therefore additional studies regarding the conductor material had to be performed. Due to the current concentration phenomena of skin effect, significant amount of the current were prefered to flow through the skin depth of the conductor. Therefore, it was concluded that, copper extruded aluminum conductors would improve the heat distribution of the system since they will show less electrical resistance against the flowing current. In order to verify this idea, we have used copper extruded aluminum bars where the outer 1,75 mm of 35 mm total diameter was copper. Test results showed that, such an implementation provided a temperature decrease of 5% at the critical points. Test results also showed that the usage of copper extruded aluminium conductors in addition to  the revisions stated for 1000 A will be satisfactory to comply the conditions stated in the standard.
Following the experimental efforts, we have made similar studies by using Comsol software. First we tried to determine the values of the parameters so that there would be a concordance between the test results and the simulations. In order to simplify the computational efforts, only heat conduction was taken into account and convection phenomena for the air layer between the porcelain housing and the conductor was ignored. Moreover, only the flange was modelled as an heat source and the washers were not included. That is why there was a difference of 5 oC between the experimental temperatures and the ones obtained from the simulations. Simulation studies also showed that the most critical part was the conductor mid-point, which was due to high thermal resistance of the air layer between the porcelain housing and the conductor. The two terminals of the conductor, nuts and the washers were the other critical points where the temperetures were gradually higher than the other parts. 
Similar studies were carried out to improve the thermal performance of the system. Simulation results have shown that non-magnetic flanges and improved thermal conductivity of porcelain material would provide satisfactory improvements for 1000 A bushings. However, additional revisions were required for 1250 A ones. For 1000 A bushigs, 2 mm and 3 mm copper coatings of aluminium conductors were found to decrease the conductor mid-point temperatures by 13% and 17,4%, respectively. 2 mm copper coating in addition to revisions stated for 1000 A were found to provide satisfactory improvements for 1250 A units.
Another important result derived from simulation studies was the fact that the decrase in the thickness of the air layer between the porcelain housing and the conductor would provide significant improvements for the high temperatures at critical points. However, this was not verified by laboratory tests and thermal expansion problems were not taken into account so far. Therefore, these points need a further study. In addition, filling the space between the conductor and the porcelain housing will better be analysed.
The results of experimental and the similuation based studies can be summerized as:
Using non magnetic flanges, washers and improved pocelain material having a thermal conductivity of 2,5 W/moK will solve the thermal problems of 1000 A DAF-30 type bushings. Additional copper coated aluminum conductor usage is required for 1250 A units. 2 mm of coating thickness can provide satisfactor resuls. Finally, some revisions on the porcelain design will bring some economical benefits if it is performed together with the thermal studies.