ELEKTRİKSEL KISMİ BOŞALMALARIN BİLGİSAYAR DESTEKLİ ÖLÇÜLMESİNE YÖNELİK BİR YAZILIM

Transkript

1 ELEKRİKSEL KISMİ BOŞALMALARIN BİLGİSAYAR DESEKLİ ÖLÇÜLMESİNE YÖNELİK BİR YAZILIM Murat FİDAN Hasbi İSMAİLOĞLU 2,2 Elektrik Mühendisliği Bölüü, Yüksek Gerili Laboratuvarı Mühendislik Fakültesi, Kocaeli Üniversitesi Eski Gölcük Yolu, 4050 İzit, Kocaeli e-posta: 2 e-posta: Anahtar sözcükler: Elektriksel Kısi Boşalalar, Kısi Boşala Ölçüü ABSRAC Partial discharges cause deterioration in high voltage equipent and in the long run they will cause weakening of insulation, which ight subsequently lead to a coplete breakdown. he conventional ethods of partial discharge easureent provide only a liited inforation about discharges. he ai of the study is to get a coputer controlled partial discharge easureent syste. he paper presents a software, naed Ebosis.0, was developed to perfor partial discharge easureent via oscilloscope.. GİRİŞ Günüüzde elektrik enerjisinin ileti ve dağıtıında yüksek geriliin kullanılası vazgeçilez bir olgudur. Bu sayede enerji kayıpları en aza indirilirken, öneli bir proble olan yalıtı sorunları ile karşılaşılaktadır. Yalıtıda kullanılan polietilen, reçine, porselen gibi çeşitli katı yalıtkan alzeelerin üretii esnasında, içlerinde çeşitli büyüklüklerde boşlukların oluşası kaçınılazdır. Yalıtkan alzeelerin içinde bulunan boşluklar elektriksel kısi boşalaların oluşuuna yol açarlar. Elektriksel kısi boşalalar başlangıçta bölgesel olup yalıtkan alzeeyi kısa devre etezler. Fakat kısi boşalaların neden olduğu akı darbeleri, parazit vb. oluşuuna ve zaanla yalıtkan alzeede aşınalara yol açarak, alzeenin ta delinesine neden olabilirler. Bu nedenle yalıtkan alzeelerde eydana gelen kısi boşalaların ölçülesi ve belirli bir değerin üzerinde kısi boşalaya neden olan yalıtkan alzeelerin kullanılaası gerekir []. Bu çalışada elektriksel kısi boşalaların ölçüü için yeni bir yazılı uygulaası geliştiriliştir. Uygulaada 200 Ms/s örneklee yapabilen 00 MHz bant genişliğine sahip Gould 465 arka dijital osiloskop yardııyla kısi boşalaların dış devreye yansıttığı büyüklüklerin ölçülesi aaçlanıştır. Ölçülecek olan büyüklüklerin VB 6.0 dilinde geliştirilen yazılı ile bilgisayara aktarılarak değerlendirilesi hedefleniştir [2]. 2. KISMİ BOŞALMALARIN OLUŞUMU Kısi boşalalar alternatif gerilide daha sık görülebilirler. Alternatif gerilide eydana gelen kısi boşalaların oluşuunu açıklaak için Şekil l - deki eşdeğer devreden yararlanılabilir [,3]. Şekil-. Boşluk içeren bir yalıtkanın elektriksel eşdeğer devresi. Şekil deki devrede boşluğun kapasitesi C c ile, boşluğa seri bulunan yalıtkan alzeenin kapasitesi C b ile tesil edilirken, yalıtkan alzeenin sağla olan kısı C a ile tesil ediliştir. Aynı şekil üzerinde yalıtkan alzeenin hatalı bölgesi I e karşılık gelirken, sağla bölge II ye karşılık gelektedir. V ise boşluk üzerine düşen gerilii gösterektedir. Şekil deki eşdeğer devrede eydana gelen kısi boşalaların oluşuunu açıklaak için Şekil 2 deki dalga şeklinden faydalanılabilir. Şekil-2. Kısi boşala dalga şekli. Şekil 2 de V a yalıtkana uygulanan gerilii, V c ise boşluk üzerine düşen gerilii gösterektedir. Boşluk üzerine düşen V c gerilii, U + deline geriliine ulaştığında boşlukta bir boşala eydana gelir. Boşala, V c gerilii V + değerine düşene kadar sürer. Bu olaya boşalanın sönesi denir. Gerilideki bu düşe 0-7 saniyeden daha kısa bir sürede eydana gelir. Frekansı 50 Hz olan bir sinüs periyodu ile karşılaştırıldığında, bu süre gerçekten çok kısadır. Bu

2 nedenle sözü geçen gerili düşüü bir adı fonksiyonu olarak dikkate alınabilir. Boşala söner sönez boşluk üzerindeki gerili tekrar yükseleye başlar. Boşluğun üzerindeki gerili U + seviyesine ulaştığında tekrar bir boşala eydana gelir. Bu olayların sürüp gitesi ile pozitif alternansta bir boşala grubu oluşur. Katı yalıtkana uygulanan V a gerilii negatif yarı periyoda geçince boşluk üzerindeki V c gerilii de U - seviyesine doğru düşecektir. Boşluk üzerindeki gerili değeri U - olduğunda bir önceki boşala grubuna ters yönde bir başka boşala eydana gelir. Bir öncekine benzer şekilde boşluk üzerindeki gerili, V - seviyesine düştükten sonra negatif yönde tekrar artaya başlar. U - seviyesine gelindiğinde tekrar bir boşala oluşur, bu olayların tekrarlanası ile bir önceki boşala grubuna ters yönde bir diğer boşala grubu eydana gelir. Koşullar değişedikçe boşala gruplarının oluşuu deva eder. Sonuç olarak ta bu boşala grupları dış devreye, yüksek frekansa sahip akı darbecikleri şeklinde yansır [,3,4]. Elektriksel kısi boşalalar her zaan Şekil 2 de görüldüğü gibi düzgün biçide eydana geleyebilir. Gerek boşalalardan sonra boşluk çeperinde kalan statik yükler, gerek boşluğun fiziksel şeklinin sietrik olaası veya birden fazla boşluğun katı yalıtkan içinde bulunası gibi durularda boşalaların dış devreye yansıttığı akı darbeleri kesintili ve düzensiz biçide olabilirler. 3. ELEKRİKSEL KISMİ BOŞALMA ÖLÇME SİSEMLERİ Elektriksel kısi boşalaları ölçek için kullanılan yönteler, elektriksel olayan yönteler ve elektriksel yönteler olak üzere ikiye ayrılabilir. Elektriksel olayan yönteler, kısi boşalaların ortaya çıkardığı fiziksel oluşuları gözlelee teeline dayanırken, elektriksel yönteler kısi boşalaların neden olduğu yük transferi, akı ve gerili darbeleri gibi elektriksel büyüklükleri ölçe teeline dayanır. Elektriksel olayan yöntelerle kısi boşalaların değeri ta olarak belirleneez. Bu nedenle kısi boşalaların değerini belirleede elektriksel yönteler tercih edilir. Elektriksel olayan yönteler ise alzee içinde boşalaların eydana geldiği bölgeyi belirleek için tercih edilebilir. Elektriksel olayan yönteler uygulanırken, Kiyasal dönüşüler, Gaz basıncı, Isı (sıcaklık), Ses, Işık gibi fiziksel büyüklüklerden faydalanılır. Elektriksel kısi boşalaların değerini belirleede sıklıkla tercih edilen elektriksel ölçe yöntelerini, Doğrudan ölçe yönteleri, Dengeleniş devre ile ölçü yönteleri, Kayıp ölçe yönteleri şeklinde sınıflandırak ükündür. Doğrudan ölçe yönteleri, kısi boşalaların oluşturduğu akı darbelerini ölçü epedansı (Z ) yardııyla bir ölçü aleti üzerinden okua teeline dayanır. Doğrudan ölçe yönteinde, ölçü epedansının, Kuplaj kapasitesi ile seri bağlı olduğu devre, Deney cisi ile seri bağlı olduğu devre olak üzere iki farklı ölçe devresi kullanılabilir. Şekil-3. Ölçü epedansının kuplaj kapasitesi ile seri bağlı olduğu ölçe devresi. Şekil 3 deki devre, deney cisinin topraktan yalıtılasının ükün oladığı durularda öneli kolaylık sağlar. Ayrıca ölçü epedansı, kuplaj kapasitesine seri bağlanarak, büyük kapasiteli deney cisilerinin çekecekleri yüksek kapasitif akılardan da korunuş olur. Kaynaktan gelebilecek bozucu etkileri filtre etek ve olası kısa devrelerin eydana getirebileceği yüksek akılardan ölçe devresini koruak için yüksek gerili kaynağına seri olarak Z epedansı bağlanır. Yapılan çalışada kullanılan ölçe devresinin teel ilkesi Şekil 3 deki devreye dayanaktadır. Ölçüü yapılacak deney cisi küçük kapasiteli ve topraktan yalıtılabilecek duruda ise, Şekil 4 deki ölçü epedansının deney cisi ile seri bağlı olduğu ölçe devresi tercih edilebilir. Bu tip devrelerin kaynaktan gelen bozucu etkileri daha iyi zayıflatabile özelliği vardır. (C k ) kuplaj kapasitesinin değeri (C y ) deney cisinin kapasitesinden büyük seçilerek, bozucu etkiler C y / C k oranında zayıflatılabilir [3]. Şekil-4. Ölçü epedansının deney cisi ile seri bağlı olduğu ölçe devresi.

3 Doğrudan ölçe yönteleri basit olduklarından sıklıkla tercih edilir. Fakat doğrudan ölçe yöntelerinde, kaynak, devre eleanları vb. den kaynaklanan bozucu etkenleri bastırak zor olduğundan ölçe sonuçları etkilenebilir. Gerek doğrudan ölçe yöntelerinin gerek diğer ölçe yöntelerinin kullanıldığı durularda ölçe ortaındaki dış bozucu etkileri ortadan kaldırak için orta uygun şekilde ekranlanış olalıdır. Bozucu etkilerin bastırılaadığı durularda dengeleniş ölçe devresi yönteine baş vurulabilir. Kayıp ölçe yönteinin teeli ise yalıtkan ciside eydana gelen kısi boşalaların oluşturduğu güç kaybını ölçe antığına dayanır. Kayıp güç, yalıtkan alzeenin dielektrik kaybı ve kayıp faktörü ile ilişkilidir. Bu nedenle yalıtkan alzeedeki dielektrik kayıpların ölçülesi, kısi boşaalar hakkında fikir sahibi olunasına yardıcı olur. Dielektrik kayıpları düşey - yatay saptıralı osilograf veya Schering köprüsü gibi yöntelerle belirlenebilir [,3,4,5]. 4. ELEKRİKSEL KISMİ BOŞALMA BÜYÜKLÜKLERİ Elektriksel kısi boşalaların değerini tanılaak için çeşitli büyüklüklerden faydalanılır. Bu büyüklükleri teel ve türetiliş büyüklükler biçiinde sıralaak ükündür. eel büyüklükler : Boşlukta transfer edilen yük: q t =(C b +C c ). V () eşitliği ile belirlenebilir. Boşalaların sebep olduğu q t yükünü ölçek çok zordur. Ancak q t yükünün etkileri ölçülerek boşalaların büyüklüğü hakkında fikir sahibi olunabilir. Görünen yük: Görünen yük, kısi boşala darbelerinin, yalıtkan alzeeye yüksek geriliin uygulandığı elektrotlar arasında eydana getirdiği yük geçişidir. Görünen yük, q = C b. V (2) Görünen yük geçişinin yalıtkan üzerinde eydana getireceği gerili düşüü Şekil den de görüleceği C gibi, b V şeklinde olacaktır. Bu gerili Ca + Cb düşüünden faydalanılarak (q) görünür yükü belirlenebilir. Görünür yük (q), boşlukta transfer edilen yükün (q t ) bir fonksiyonudur [,3]. Boşala enerjisi: Boşala enerjisi, bir kısi boşala süresince açığa çıkan enerjidir ve w ile ifade edilir. Boşala enerjisi, w = 2 q U i (3) 2 eşitliği ile belirlenebilir. Bu eşitlikteki U i gerilii yalıtkan üzerindeki gerilie karşılık gelektedir. ekrarlaa sıklığı: ekrarlaa sıklığı saniyede oluşan kısi boşala darbe sayısının ortalaasıdır ve n ile ifade edilir. Kısi boşala ölçülerinde belirli genliğe sahip boşalalar dikkate alınalıdır. üretiliş büyüklükler : Ortalaa boşala akıı: Belirli bir zaan aralığında yalıtkan alzeenin yüksek gerili uygulanan elektrotları arasından geçen yüklerin utlak değerleri toplaının, zaan aralığına bölüüdür ve I ile gösterilir, [ q + q + q + ] I = Karesel oran: q (4) Kısi boşalalar nedeniyle yalıtkan alzeenin yüksek gerili uygulanan elektrotları arasından zaan aralığında geçen yüklerin kareleri toplaının zaan aralığına bölüüdür ve D ile gösterilir, [ q + q + q +... ] D = q (5) Boşala gücü: Boşala gücü kısi boşalalar nedeni ile zaan aralığında yalıtkan alzeenin elektrotları arasında harcanan ortalaa kayıp güçtür ve P ile gösterilir, P + = [ q.u + q.u + q.u +... q. ] (6) U eşitliği ile ifade edilebilir [3,5]. 5. DENEY DÜZENEĞİ Çalışada kullanılası düşünülen ölçe sisteinin bağlantı şeası Şekil 5 de gösteriliştir. Söz konusu devrenin ilkesi Şekil 4 de verilen ölçe devresine eşdeğerdir. Çalışada deney cisi olarak sivri uç-yarı küre elektrot (SYK) sistei kullanılası öngörülüştür. Bu sistede yarı kürenin yarı çapı 42 olup sivri uçun eğrilik yarı çapı yaklaşık 0,5 dir. Deney sırasında oluşabilecek isteneyen bir boşalanın (kısa devre) akıını sınırlaak için değeri R ö = 322 kω olan yüksek gerili ön direnci tasarlanıp, gerçekleniştir. Kısi boşala verilerini

4 değerlendirek için kullanılacak PC, 2 GHz lik bir işleciye, 28 MB belleğe ve 40 GB kapasiteli bir hard diske sahiptir. Sistei besleek için kullanılacak transforatör, 5 kva gücünde, 00 kv luk bir transforatördür. göz önünde bulundurularak Microsoft Windows yazılılarına benzeyen bir biçide geliştiriliştir. Şekil-5. Deney bağlantı şeası. Sistede kullanılası aaçlanan kuplaj (bağlaa) kapasitesi silindirsel ve küresel elektrot sisteler yardııyla özel olarak elde ial edilesi düşünülüştür. Yapıı deva eden kuplaj kapasitesinin değerinin 40 pf civarında olası hedefleniştir. Elektriksel kısi boşala büyüklüklerinin örneklenesinde Gould 465 DSO arka 200 Ms/s örneklee yapabilen 00 MHz bant genişliğine sahip bir dijital osiloskop kullanılası öngörülüştür. Gould 465 DSO örneklediği verileri RS-232 seri iletişi protokolü yardııyla PC ye aktarabile özelliğine sahiptir. Çalışada örneklenen kısi boşala verileri, Visual Basic 6.0 yazılı dili ile geliştirilen EBOSIS.0 adı verilen prograla işlenektedir [2]. 6. EBOSIS.0 EBOSIS.0 Visual Basic 6.0 yazılı dilinde geliştiriliş bir progradır. EBOSIS.0 geliştirilirken örneklenen kısi boşala verilerinin işlenerek bu kısi boşalalara ait büyüklüklerin elde edilesi hedefleniştir. EBOSIS.0 prograının akış şeası Şekil 6 da gösteriliştir. 50 Hz frekansa sahip bir sinüs işaretinin periyodu ile karşılaştırıldığında kısi boşala darbelerinin çok hızlı bir değişie sahip oldukları söylenebilir. Mikro saniyeler seviyesinde, çok kısa sürede, gerçekleşen kısi boşala darbelerini örnekleyebilek zordur. Bu nedenle kısi boşala verilerinin örneklene işlei çok hızlı yapılalıdır. EBOSIS.0 prograının istenilen hızda çalışası için öncelikle kısi boşala işaretleri örneklenerek PC de bir dosyaya kaydedilesi ve örneklee işleinin sonunda kaydedilen dosyadaki veriler işlenerek kısi boşala büyüklüklerinin belirlenesi planlanaktadır. EBOSIS.0 prograının kullanıcı ara yüzü Şekil 7 - deki gibidir. Progra, ağırlıklı kullanıcı alışkanlıkları Şekil-6. EBOSIS.0 prograına ait teel akış şeası. Ara yüzde ile nuaralandırılan kısı, kısa yol butonlarının bulunduğu araç çubuğudur (Şekil 8). 2 ile nuaralandırılan kısıda örneklenen kısi boşala verilerine ait bilgilerin görüntülendiği kısı bulunaktadır. Bu kısıda örneklenen veriye ait tarih, saat, vb. bilgiler bulunaktadır. 3 ile nuaralandırılan kısıdaki ok şeklindeki buton ile grafik ara yüzüne kısa yoldan geçiş yapılabilektedir. 4 ile nuaralandırılan pencerede kısi boşala dalga şekilleri görüntülenektedir. 5 ile nuaralandırılan kısı, kısi boşala verilerinin örneklenesinde kullanılacak kanal veya kanalların seçilebildiği kısıdır. Osiloskop ara yüzünün en öneli kısı 6 ile nuaralandırılan veri al butonudur. Bu buton yardııyla kullanıcı dijital osiloskopun örneklediği kısi boşalalara ait ha verileri PC ye aktarabilektedir. 7 ile nuaralandırılan kısı sayesinde dalga şekillerinin yazıcıdan çıktısı alınabilektedir.

5 Şekil-7. EBOSIS.0 prograının veri aktara ara yüzüne ait genel görünü (Osiloskop arayüzü). Şekil-9. Sayısal filtre arayüzü. Şekil-8. Kısa yol butonları. Örneklenen kısi boşala verileri arasında, çeşitli etkenlerden kaynaklanan bozucu işaretlerin de bulunası söz konusudur. Bu işaretlerin kısi boşala işaretlerinden ayırt edilebilesi aacıyla geliştirilen, 2 farklı sayısal filtre EBOSIS.0 prograı içinde kullanılıştır. Sayısal filtrelerden ilki aksiu darbe genliğine göre çalışaktadır. Kısi boşala darbeleri içinden aksiu genliğe sahip olan darbe belirlenir. Kullanıcı yüzdelik bir oran seçerek filtre duyarlılığını belirler. Progra aksiu darbe genliğinin seçilen yüzdelik oranını bularak, bu oran altında kalan işaretleri bozucu etki kabul eder ve işlee alaz. İkinci sayısal filtre ise aksiu yük iktarına göre çalışaktadır. Bu filtrelee işleinde kısi boşala verileri içinden aksiu yük iktarı bulunur. Bir önceki filtrede olduğu gibi kullanıcının seçtiği yüzdelik orana bağlı duyarlılık belirlenerek filtrelee işlei yapılır. Kullanıcı istediği filtre şeklini seçekte serbesttir. Orta gürültüsünün yüksek değerlerde olabileceği göz önüne alınarak sayısal filtrelerin yüzdelik sınırlarını ayarlaa olanağı kullanıcıya veriliştir (Şekil 9). EBOSIS.0 prograın işlee alarak değerlendirdiği kısi boşala verilerinden elde ettiği büyüklükler grafik ekran arabirii kullanılarak görüntülenektedir (Şekil 0). Grafik ekrana geçiş, Şekil 7 de gösterilen 3 nuaralı buton ile de yapılabilir. Değerlendiresi yapılan kısi boşala verileri istenirse *.dat uzantılı bir dosya şeklinde yada excell dosyası şeklinde kaydedilebilir. EBOSIS.0 dalga şeklini *.bp uzantılı dosya şeklinde saklaaya izin verektedir [2]. Şekil 0 Grafik ekran arabirii. 7. SONUÇ Yüksek gerilide kullanılan yalıtkan alzeelerin işleti örünü kısaltan elektriksel kısi boşalaların belirlenesi öneli bir konudur. Kısi boşalaların ölçülesi işlei son yıllara kadar analog ölçe sisteleri yardııyla yapılaktaydı. Bu işlein duyarlılığı ise ölçeyi gerçekleştirenin deneyilerine bağlı olarak değişektedir. Çalışa ile kısi boşala ölçülerinde sayısal ölçe tekniklerini kullanarak, kısi boşala ölçülerinin daha duyarlı ve doğru biçide gerçekleştirilesi hedefleniştir. Ek olarak ölçülen büyüklüklerin bilgisayar yardııyla işlenesi ve değerlendirilesi ile elde edilecek verilerin yalıtı teknolojisine kazandıracağı yeniliklerin olabileceği düşünülüştür. Ancak, tasarıı yapılan siste, henüz taalanaadığından, ölçe yapılıp, sonuçlar bir referansla karşılaştırılaaıştır. KAYNAKLAR [] Kreuger F.H., Partial discharge detection in High Voltage Equipent, Butterworth & Co.Ltd., London, 989. [2] Fidan M., Elektriksel Kısi Boşalaların Bilgisayar Destekli Ölçüü, K.O.Ü. Fen Bil. Ens., Y.lisans ezi, [3] S 205, Elektriksel Kısi Boşalaların Ölçülesi, ürk Standartları Enstitüsü, 975. [4] Kuffel E., Abdullah M., High Voltage Engineering Pergaon Press Ltd., 79-95/33-327, Hungary, 970. [5] İsailoğlu H., Elektriksel Kısi Boşala Ölçe Devrelerinin Ölçeklenesi, İstanbul ek. Ünv. Fen Bil. Ens., Y.lisans ezi, 988. [6] Lucas J.R., High Voltage Engineering, Srilanka 200.