Transformatör çekirdeklerinde kullanılan cam elyaf takviyeli polyesterimid reçine kompozitin mekanik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Güç transformatörleri ve şönt reaktörler, elektrik güç sistemlerinin vazgeçilmez bileşenleri olup enerji iletim ve dağıtım şebekelerinde kritik bir rol oynamaktadırlar. Bu makineler; enerji kayıplarını en aza indirmek, gerilim düzenlemesini sağlamak ve sistem kararlılığını artırmak için gereklidir. Ancak bu elektrik makinelerinin verimli çalışması ve uzun bir hizmet ömrüne sahip olması için tasarım ve üretim süreçlerinde çeşitli faktörlerin dikkatle değerlendirilmesi gerekir. Güç transformatörleri ve şönt reaktörlerin hizmet ömrünü ve performansını etkileyen bazı değişkenler arasında, Maxwell kuvvetlerinden kaynaklanan titreşimler, akım taşıyan sargılarda etkili olan Lorentz kuvvetleri ve elektrik çeliğinde görülen manyetostriksiyon kuvvetleri yer almaktadır. Ayrıca artan elektrik enerjisi talebi nedeniyle özellikle kentsel bölgelerde yüksek kapasiteli yeni trafo merkezlerinin yerleşim yerlerine yakın konumlandırılması, titreşim ve gürültünün insan sağlığı ve konforunu olumsuz yönde etkilemesine neden olabilmektedir. Bu durum, çevrede yaşayanların rahatsız edici gürültü seviyelerine maruz kalmalarına yol açabilir. Transformatör çekirdeği üst üste yerleştirilmiş silisyum çeliği laminasyonlardan oluşmakta, bu laminasyonlar cıvatalarla sabitlenmekte ve sürekli cam elyaf takviyeli polyesterimid reçine kompozitleri (Polyglass) veya polietilen tereftalat (PET) bantlarla sıkıştırılmaktadır. Bu sayede yapısal kararlılığı sağlamak için belirli bir laminasyon basıncı elde edilmektedir. Laminasyonlar arasındaki doğrusal olmayan temas sertliği, karmaşık bir dinamik davranışa yol açmaktadır. Bu nedenle, çekirdeğin yapısal bütünlüğünü sağlayan sıkıştırma bileşenlerinin performansının anlaşılması büyük önem taşımaktadır. Günümüzde, güç transformatörleri ve şönt reaktör çekirdeklerinin titreşimi üzerine yapılan araştırmaların çoğu, malzemelerin manyetostriktif özellikleri, gürültü kaynakları, titreşim iletim yolları gibi konulara odaklanmaktadır. Ancak, çekirdek sıkıştırma bileşenlerinin laminasyon basıncına olan etkisi ve bu bileşenlerin dinamik özellikler üzerindeki etkileri hakkında özel olarak yapılmış bir çalışma bulunmamaktadır. Polyglass, özgün mekanik özellikler sunmakta olup, önemli bir çekirdek sıkıştırma elemanı olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle çalışmamız, söz konusu malzemenin etkisini kapsamlı bir şekilde incelemeyi amaçlamaktadır. Sıkıştırma elemanlarından beklenen performans kriterlerinden biri, istenilen sıkıştırma kuvvetini sürekli olarak sağlayabilmesidir. Polyglass gibi viskoelastik malzemelerde sürünme olgusu kaçınılmaz olduğundan, bu malzemenin mekanik performansı detaylı olarak incelenmelidir. Bu nedenle, Polyglass malzemesinin çekme mukavemeti, yorulma ömrü ve sürünme özellikleri, uygulama pratiğine uygun olarak araştırılmıştır. Buna ek olarak, Polyglass tarafından sağlanan laminasyon basıncının etkisini belirlemek için deneysel ve sayısal yöntemlerin bir kombinasyonu kullanılmıştır. Laminasyonlar arası doğrusal olmayan temas sertliğini değerlendirmek amacıyla bir makette deneysel modal analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler daha sonra, çekirdekteki laminasyon basıncının etkisini incelemek için maketin modal analizinde kullanılmıştır. Test numuneleri, paralel cam liflerinden oluşan ve termoset tipi polyesterimid reçine ile önceden emprenye edilmiş Von Roll Polyglas® P30 B-stage bantlama bandı kullanılarak EN 2747 standardına uygun olarak hazırlanmıştır. Aynı zamanda uygulama pratiklerine uygun olması açısından standart dışı numunelerle de sürünme testleri yapılmıştır. Testler için hangi sıcaklığın üstüne çıkmamız gerektiğini tespit etmek amacıyla Polyglas®'ın camsı geçiş sıcaklığı (Tg) diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizi ile bulunmuştur. Bulunan sıcaklık, polyesterimid esaslı termoset reçinelerin tipik camsı geçiş sıcaklığı aralığında yer almakta olup, malzemenin yüksek sıcaklıklara mukavim olduğunu göstermiştir. Tg'nin altında malzeme elastik malzeme özelliklerini sergilerken, Tg'nin üzerinde malzemenin viskoz komponenti etkin hale gelmeye başlayıp malzemenin mekanik özelliklerinde azalma olacağı bilinmektedir. Çekme testleri 23°C ve 120°C sıcaklıklarda uygulanmıştır. Testler karşılaştırıldığında, sıcaklık arttıkça mekanik özelliklerin zayıfladığı açıkça görülmüştür. Malzeme rijit cam elyaf takviyeli olduğu için beklenildiği gibi gevrek kırılma görülmüştür. Elastisite modülü yüksek olup, numunelerin daha az uzadığı tespit edilmiştir. Bu durum, malzemenin mekanik yükler altında formunu koruyabildiğini ve rijitliğini kaybetmediğini göstermektedir.Özellikle çekme mukavemeti ve elastisite modülündeki kayıplar, yüksek sıcaklıkların malzeme iç yapısını bozduğunu ve mekanik stabiliteyi azalttığını ortaya koymuştur. Sürünme testlerinde standart ve standart dışı numuneler kullanılarak yer değiştirme sabit tutulmuş,bir saat boyunca oda sıcaklığında bekletilmiştir. Daha sonra test kabininin sıcaklığı 120°C'ye yükseltilmiş bu koşul altında sıcaklığın etkisiyle kuvvetin zamana bağlı değişimi gözlemlenmiştir. Her iki numune tipinde de kuvvet düşüşleri benzer şekillerde gözlemlenmiş olup, standart dışı numunelerin de standart numunelere yakın sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. Bu durum, saha uygulamalarına yönelik testlerin güvenilirliğini desteklemekte ve pratik çözümler açısından önem taşımaktadır. Daha sonra EN 2747 standardına uygun numuneler kullanılarak kuvvet sabit tutulup uzama miktarı ölçülmüştür. Sıcaklık artışıyla birlikte malzeme içinde meydana gelen yapısal rahatlama, sabit yük altında belirgin bir uzamaya yol açmıştır. Yorulma testleri 23 °C sıcaklık ve %50 bağıl nem koşullarında gerçekleştirilmiştir. Yapılan testler sonucunda malzemenin 23°C'de yüksek yorulma ömrüne sahip olduğu tespit edilmiştir. Maksimum gerilme ve sıcaklık arttıkça numunelerin kırılmaya kadar dayanabildiği çevrim sayısının azaldığı, düşük gerilme seviyelerinde ise yorulma ömrünün uzadığı gözlemlenmiştir. Sonuçlar, çekme deneyi sonuçlarıyla birlikte değerlendirildiğinde uygulama pratiklerine göre 200 MPa mertebelerinde yüklenen Polyglas® transformatör ve şönt reaktörlerde uygulamalarında, 23°C'de tekrarlı yüklemelere karşı yeterli yorulma ömrü sunduğunu göstermiştir. Modal analizinde ise, 150 mm yükseklik, 358 mm genişlik ve 2000 mm uzunlukta model oluşturulup içerisie silikon çelik laminasyonlar 0.3 mm kalınlığında sıralanmıştır. Laminasyonlar, manyetik olmayan çelik kirişler ve cam elyaf yalıtım malzemeleri arasında, Polyglass kullanılarak sabitlenmiştir. Prototip üzerinde test edilen en yüksek basınç olarak 1 MPa'ya ulaşmak için 12 fiberglas bant kullanılmıştır. Ardından farklı laminasyon basınçlarının etkisini değerlendirmek amacıyla bantlar kademeli olarak kesilerek basınç azaltılmıştır. Her bant, ikisi paralel olmak üzere 5 tur Polyglas® kullanılarak hazırlanmıştır ve bu nedenle her bantta toplamda 10 katman bulunmaktadır. Özel bir pnömatik germe aleti kullanılarak her banda 1 MPa laminasyon basıncına ulaşacak şekilde 25 kN kuvvet uygulanmıştır. Prototip, 30 Hz ile 1000 Hz aralığında sinüs taramalı uyarım sağlayan bir modal sarsıcı ile 45° açıyla titreşime tabi tutulmuştur. Otuz adet üç eksenli ivmeölçer kullanılarak yapısal tepkiler kaydedilmiştir. Ana titreşim modları için iki farklı davranış gözlemlenmiştir. Burulma modları 1 ve 2 ile yatay (X) yönündeki eğilme modları 1 ve 2 için belirgin bir eğilim gözlenmiştir. Çekirdek laminasyon basıncı azaldıkça modal frekanslar da azalmaktadır. Bu modlar için, laminasyonlar arası sürtünmenin dinamik davranışta önemli bir rol oynadığı sonucuna varılmıştır. Dikey (Z) yöndeki ilk eğilme modunda ise laminasyon basıncına bağlı herhangi bir değişim kaydedilmemiştir. Bu durum, ilk eğilme modunun laminasyonlar arasındaki sürtünmeden etkilenmediğini ve yalnızca kütle ve elastik özellikler tarafından belirlenen homojen bir titreşim sistemi gibi davrandığını göstermiştir. Yapılan çalışmalar, Polyglas® malzemenin transformatör ve şönt reaktörlerde kullanımının genel anlamda uygun olduğunu ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, malzemenin yüksek sıcaklıklardaki sürünme ve mekanik gevşeme davranışı, bant sayısı gibi konularda dikkatli bir tasarım süreci gerektiğini göstermektedir. Özellikle laminasyonların basıncı uygulayan Polyglas® malzemenin kürlenmesinin ardından ek bir sıkma işlemi uygulanması önem taşımaktadır. Zaman içinde sürünme etkisiyle laminasyon basıncının azalması, çekirdek yapısının gevşemesine neden olabilmektedir. Bu nedenle, üretici firmaların üretim aşamasında sonradan sıkma işlemini prosedürlerine eklemesi tavsiye edilmektedir. Bu parametrelerin detaylı bir şekilde incelenmesi, sistemin yüksek sıcaklık ve titreşim gibi zorlu koşullara daha dayanıklı hale getirilmesi açısından önemli bir araştırma alanı olarak öne çıkmaktadır.