Katı yalıtkan malzemelerin farklı çalışma koşulları altında performans analizi
Performance analysis of solid insulating materials under different working conditions
Yazar: FIRAT AKIN
Danışman: DOÇ. DR. OKTAY ARIKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Artan nüfus ve dünya üzerindeki gelişmeler sebebiyle, elektrik enerjisine olan talep her geçen yıl artmaktadır. Bu talebin karşılanması adına yüksek gerilim tesisleri, yapılan yatırımlar ile geliştirilmektedir. Tüm bunlar, güç sistemlerinin büyümesi ve karmaşıklaşmasına sebep olmaktadır. Bu sistemlerin; güvenilir, kesintisiz, arızasız, güç kalitesi parametrelerine uygun ve uzun ömürlü işletilebilmesi, büyük önem arz etmektedir. Güç sistemlerinden beklenen bu niteliklerin karşılanması için yalıtkan malzeme seçiminin ve boyutlandırılmasının doğru yapılarak elektrikli ekipmanlara ait yalıtım sistemlerinin iyi bir şekilde tasarlanması gerekmektedir.
Katı yalıtkan malzemeler, güç sistemlerinin temelini oluşturan; jeneratörler, transformatörler, devre kesicileri, kablolar, izolatörler, havai hatlar, parafudrlar, kapasitörler ve döner makinalar gibi birçok yüksek gerilim bileşenine ait yalıtım sistemlerinin ana ögesidir. Bu nedenle, ilgili ekipmanlardaki yalıtım arızalarının önüne geçilebilmesi adına, katı yalıtkan malzemelerin farklı çalışma koşullarında göstereceği dielektrik performans, derinlemesine araştırılmalıdır. 
Bu tez çalışmasında, katı yalıtkanlar arasında yaygın şekilde kullanılmakta olan; prespan, polietilen tereftalat (PET), stiren-butadien/doğal kauçuk (SBR/NR) ve yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) yalıtkanların, delinme dayanımına, kısmi deşarj ve dielektrik kayıp performansına dayalı analizler gerçekleştirilmiştir.
Katı yalıtkan malzemelerin delinme dayanımları, görece, sıvı ve gaz yalıtkanlara göre daha yüksek olsa da delinme süreçleri tersinmezdir. Yani, katı yalıtkanlarda delinme meydana geldiğinde, dielektrik özellikleri geri döndürülemez şekilde bozulmaktadır. Bu sebeple, katı yalıtkanların delinme dayanımı analizlerinin çok yönlü ve detaylı bir şekilde yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, bahsi geçen dört tip yalıtkanın delinme dayanımları, 3 farklı elektrot tipi ve 2 farklı gerilim yükselme hızı kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen deney verilerinin istatistiki analizi, Weibull Dağılımı ile gerçekleştirilmiştir.
Bilindiği üzere, güç sistemi ekipmanları, işletim süreleri boyunca çeşitli sıcaklıklara maruz kalmaktadırlar. Gerek işletim koşulları gerekse bulundukları ortam şartlarına bağlı oluşan ısı, ilgili ekipmanların yalıtım malzemelerini de etkileyerek, uzun vadede dielektrik özelliklerinde olumsuz değişimler yaratmaktadır. Isıl zorlanmaların katı yalıtkan malzemelerde yarattığı olumsuz etkilerin incelenmesi adına, yukarıda bahsedilen 4 yalıtkana, 120°C sıcaklıkta, bir çevrimi 120 saat olmak üzere, toplam 720 saat sürecek 6 çevrimlik ısıl yaşlandırma uygulanmıştır. Bu süreçte, belirli periyotlarda, tahribatsız ölçümler olarak nitelendirilen ve yalıtkanların durum değerlendirilmesi adına önemli bilgiler sunan kısmi deşarj ve dielektrik kayıp parametrelerinin ölçümleri alınmıştır. Bunun yanında, yalıtkan malzemelerin ısıl yaşlandırma sürecindeki delinme dayanımlarında meydana gelen değişim, alternatif gerilimler ve darbe gerilimleri altında takip edilmiştir.

Abstract:
Due to the increasing population and developments in the world, the demand for electrical energy is increasing every year. In order to meet this demand, high voltage installations are being developed with the investments made. All this causes power systems to grow and become more complex. It is very important for power systems being continuous, reliable, fault-free, long-lasting and comply with quality parameters during the operation.  In order to meet these qualities expected from power systems, the insulation systems of electrical equipment must be designed well, by making the selection and sizing of the insulating materials correctly.
Solid dielectric materials are the main insulation elements of many high voltage components such as generators, transformers, circuit breakers, cables, insulators, overhead lines, surge arresters, capacitors, and rotating machines which form the basis of power systems. Therefore, dielectric performance of solid insulating materials under different operating conditions should be investigated in depth to prevent insulation failures in related equipment. 
In this thesis, analyzes based on breakdown strength, partial discharge and dielectric loss performance are carried out on presspaper, polyethylene terephthalate (PET), styrene-butadiene/natural rubber (SBR/NR) and high density polyethylene (HDPE) insulation materials, which are widely used among solid insulations.
 Although the breakdown strength of solid insulating materials is higher than the breakdown strength of liquid and gas insulating materials, their breakdown mechanism is irreversible. That is, when breakdown occurs in solid dielectrics, their dielectric properties are irreversibly deteriorated. For this reason, breakdown analyzes of solid insulating materials should be done in a versatile and in detail. In this study, the breakdown strengths of the mentioned insulation materials were determined by using 3 different electrode types and 2 different voltage rise rates. Statistical analysis of the obtained experimental data was carried out with the Weibull Distribution.
As is known, power system equipment is exposed to various temperatures during their operating periods. The heat generation depending on both the operating conditions and ambient conditions affects the insulation materials of the electrical equipment and creates negative changes in the dielectric properties in the long-term. In order to examine the effects of thermal stresses on solid insulating materials, 6 cycles (one cycle - 120 hours) of thermal aging were applied to the 4 insulation materials mentioned above at 120°C for 720 hours total. In this process, measurements of partial discharge and dielectric loss parameters were taken at certain periods, which are considered as non-destructive measurements and provide important information for the evaluation of the condition of insulating materials. In addition, the change in breakdown strength of insulating materials during the thermal aging process was observed under alternating and impulse voltages.