6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Güç Trafolarındaki Yalıtım Sorunları ve Dinamik Kuvvet Kaynaklı 380/154 kv 250 MVA Örnek Bir Bushing Tipi Akım Trafosu Arızasının İncelenmesi N. Pamuk 1, Y. Uyaroğlu 2 1 Teiaş 5. İletim Tesis ve İşletme Grup Müdürlüğü, Sakarya/Türkiye, nihatpamuk@gmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Sakarya/Türkiye, uyaroglu@sakarya.edu.tr Power Transformers Insulation Problems and Analysis of 250 MVA 380/154 kv Bushing Type Current Transformer Failure From The Dynamic Effect Abstract In today s world, with the increasing demand for power it has become more essential to transmit higher and higher MW power from the generating station to the load centers. The transmission loses reduce with higher voltages. With availability of appropriate materials and optimized manufacturing practices, it is now possible to have transformers of voltage ratings up to 400 kv. In this study, 380 / 154 kv 250 MVA bushing type current transformer failure was investigated. This voltage range requires very advanced insulation materials and insulation design tools. In insulation design, field stress distribution between oil impregnated solid insulations is taken as the fundamental criteria. This stress is distributed in accordance with the permittivity of insulating materials and the geometry. The insulation arrangement is constituted according to the design curves. Keywords Power transformers, Finite element method (FEM), Insulation, Differential protection, Fault. malzeme parçalarının kalitesidir [3]. Yüksek yağ emme özelliği ve mekanik dayanımı sebebiyle trafo üretiminde kalitenin yükseltilmesi gerekmektedir. II. TRAFOLARDA KULLANILAN YALITKAN MALZEMELERİN ÜRETİLMESİ Yalıtkan malzemesi üretiminde ana ham madde olan en kaliteli sülfat selülozu, kuzey ülkelerindeki ağaçlardan elde edilir. Balya formunda fabrikalara sevk edilir. Fabrikalarda bol su ile kimyasal ve mekanik işlemlerden geçirilerek, akışkan hamur malzeme oluşturulur. İnce hamur, kağıt makinesine püskürtülür ve silindir elekler üzerinden çok ince katmanlar halinde büyük bir valse sarılır. Buradan dev bir prese sevki ile sıcak preslenerek plaka haline getirilir. Plaka kalınlıkları 1-8 mm, boyutları 3.2 x 6.3 metre dir. İstenen ara kalınlık ve boyutlarda üretim yapılır. Proses suyunun kalitesi çok önemlidir [4]. Selüloz yalıtkan malzemenin üretimi şematik olarak şekil 1 de verilmektedir. G I. GİRİŞ ÜÇ trafoları, elektrik enerji sistemleri içinde en pahalı olan teçhizatlardır. Bu nedenle bu tür trafolarda arıza ve hataların giderilmeside çok masraflıdır. Yağlı transformatörler de sargı yalıtkanı olarak kullanılan, selüloz bazlı malzeme çok önemli bir işlev görür. Trafolarda iyi trafo yağıyla birlikte yüksek kaliteli selüloz bazlı yalıtkan malzemelerin kullanılması gerekmektedir [1]. Geçici (transient) devreye giriş ve çıkışlarda atmosferik olaylarda meydana gelen ani ve çok yüksek gerilim darbelerinde daima bu katı yalıtkanlar güç trafolarını kurtarmaktadır. Özellikle yalıtkan malzemelerde aranan en önemli nokta dielektrik özelliğidir [2]. Ancak bu tür malzemelerde mekanik dayanımda çok büyük önem taşır. Çünkü kısa devre esnasında sargılarda meydana gelen dinamik kuvvetlerin tahribatı, trafonun zarar görmesine sebep olur. Bunu önleyecek olan trafo sargılarında kullanılan yalıtkan Şekil 1: Yalıtkan malzemesi üretim şeması 216
N. Pamuk, Y. Uyaroğlu Genellikle arızaların en kötüsü ve en pahalısı, kısa devre sebebiyle trafo içindeki yalıtkan malzemenin görevini yapamaz hale gelişidir [7]. Şebekelerin kısa devre güçleri arttıkça, trafoların içindeki yalıtkan malzeme özelliklerininde buna dayanması şarttır. Diğer yandan yalıtkan dizaynıda problemlerin çözümünde anahtar durumundadır. Modern olarak dizayn edilen trafolarda boyutlar, ağırlıklar ve kayıplar küçülmüştür. Büyük güç trafolarında bakır ve demir kayıplarını bir yana bırakacak olursak, elektrik ve mekanik dayanımın hesabı ve dizaynı en önemli konudur [5]. Yalıtkan malzemelerinin yağ içindeki elektriksel dayanımlarının karşılaştırılması şekil 2 de gösterilmektedir. Şekil 3: Çok yüksek gerilimli bir trafonun sargı bushing arası çıkış takımının etkilendiği elektrik alan çizgilerinin ekrandaki görüntüsü Şekil 2: Yalıtkan malzemelerinin IEC 60243 standartına göre yağ içindeki elektriksel dayanımlarının karşılaştırılması İzolasyon amaçlı üretilen ürünler içerisinde selüloz malzemesinin dielektrik sabitinden farklı bir malzeme hava, metal parçası vb. olursa ve trafo içerisindeki farklı dielektrik sabitli bu parça nedeni ile parçanın bulunduğu bölgelerde çok yüksek elektrostatik alan şiddetlerine sebep olur. Bu durum, trafonun kendisine göre çok düşük maliyetli olan bir parça nedeni ile trafoda kısa devrelere ve maliyetlerin çok fazla artmasına neden olur. Kontrol yapma alanı yaklaşık 3 metre olduğu için en büyük güçte ve gerilimde çalışması planlanan trafoların bile büyük ölçüdeki komponent ürünleri rahatlıkla kontrol edilmektedir. Günümüzün yüksek teknolojisi olan çok özel X-ray cihazları, malzeme içindeki en küçük metal partiküllerini ve hava boşluklarını tespit eder [8]. Bu testten geçen yalıtkan parçalar, çok yüksek alternatif akım (UHVAC) ve çok yüksek doğru akım (UHVDC) trafolarında sorunsuz olarak kullanılabilir. Bu alan çizgileri incelenerek yalıtkan malzemeler en efektif korumayı sağlayacak şekilde konumlandırılır. Alan çizgilerine uygun olarak, elektrot ve iletken borular yalıtkan kompanentlerle donatılmalıdır. Yüksek gerilim trafolarında en önemli (yapımı zor olan) yalıtım problemleri, sargı sonları ile sargı uçlarını bushinglere taşıyan kısımlarda oluşur [10]. Bu kısımlarda kullanılan yalıtkanlar, yumuşak ve ıslak hamur halindeki malzemeden üretilir [1,2]. Şekil 4 de güç trafolarındaki izolasyon problemlerinin en sık yaşandığı alanlar görülmektedir. III. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ (FEM) İLE TRAFOLARIN DİZAYN EDİLMESİ Trafo dizayn ve hesaplamalarında özel bilgisayar programları kullanılarak, elektrostatik alan etütleri yapılır [2]. Optimum sonuçlar alınmak üzere kullanılacak parçaların boyut ve geometrileri tespit edilir. Bu geometrilerin ölçüleri elektrik alanını minimize edecek şekilde oluşturulur. Örneğin şekil 3 de çok yüksek gerilimli bir trafonun sargı-bushing arası çıkış takımının etkilendiği elektrik alan çizgileri bilgisayar ekranında görülmektedir. 217
Güç trafolarındaki yalıtım sorunları ve dinamik kuvvet kaynaklı 380/154 kv Şekil 4: Güç trafolarındaki izolasyon sıkıntılarının en sık görüldüğü alanlar Güç trafolarındaki sargı uçlarının bushinglere bağlandığı kısımlarda yaşanan izolasyon problemlerine örnek olarak 03.08.2009 tarihinde 380 kv Batman 2 trafo merkezindeki 250 MVA, 380/154 kv ototrafonun domları içerisindeki bushing tipi akım trafosu arızası gösterilebilir. IV. BUSHING TİPİ AKIM TRAFOLARI KULLANILAN OTOTRAFOLARDA DİFERANSİYEL RÖLE KORUMA BÖLGESİ 380 kv Batman 2 trafo merkezindeki 380/154 kv ototrafolarda zati koruma için bushing tipi akım trafoları kullanılmaktadır. Bu akım trafoları ototrafonun 380 kv ve 154 kv bushing domları içerisinde yer almaktadır. Enterkonnekte sistemdeki ototrafoların çoğu aynı tip dizayna sahiptir. Diferansiyel röle koruma bölgesi, ilgili akım trafoları arasında kalan bölge olduğundan, bu dizayn nedeniyle 380 kv ve 154 kv bushingler diferansiyel röle koruma bölgesinin dışında kalmaktadır [6]. Şekil 5 de diferansiyel röle koruma bölgesi görülmektedir. Zati korumalar için harici akım trafolarının kullanıldığı ototrafolarda ise hem bushingler hemde parafudrlar ve bir kısım teçhizat diferansiyel röle koruma bölgesi içerisinde yer almaktadır. Harici tip akım trafoları kullanılması durumunda, diferansiyel röle koruma bölgesi içerisinde olması nedeniyle bu röle çalışacaktır. Rölenin çalışması ile temizlenecek harici arızalar (örneğin bushinglerde ve prafudrlardaki arızalar) bushing tipi akım trafoları kullanılması nedeniyle başta 154 kv yönlü toprak ve 380 kv yönlü toprak röleleri olmak üzere trafoya ait diğer zati korumalar ve varsa 380 kv bara diferansiyel rölesi vasıtasıyla temizlenmektedir [9]. Bushing tipi akım trafoları kullanıldığında 380 kv bara diferansiyel koruma sistemi tesis edilmemişse, arıza karşı trafo merkezindeki mesafe koruma röleleri vasıtasıyla temizlenmektedir. Bara diferansiyel rölesinin çalışması durumunda sadece ilgili baraya bağlı ototrafolar, kuplaj kesicisi ve yine sadece ilgili baraya bağlı enerji iletim hatları servis harici olmaktadır [6,9]. V. BUSHING TİPİ AKIM TRAFOSU ARIZASI A. Koruma Kumanda Devresi ve Arıza Akımları Şekil 6: Yönlü toprak rölesi devresine ait koruma şeması Yukarıdaki devre şemasında görüldüğü gibi yönlü toprak, aşırı akım ve aşırı yük rölelerinde arıza nedeni ile fazlardan akan akım değerleri değişmiş ve topraktan C fazdan akan akımın yarısı kadar rezidüel bir akım aktığı tespit edilmiştir. Bu durumda I 0 = I c / 2 olmuştur. Bu arıza nedeni ile rölenin C fazından akan akım değeri yarı değerine düşerek, I = I c / 2 olmuştur. Bunun sonucunda yönlü toprak rölesi yanlış çalışmıştır. B. Arızanın Tespiti İçin Yapılan Akım Trafosu Testi Şekil 5: Diferansiyel röle koruma bölgesi Röle ekibi tarafından yapılan kontrollerde T9 akım trafosunun sekonderine bağlı olan yönlü toprak, aşırı akım ve aşırı yük röleleri ile T6 akım trafosunun sekonderine bağlı olan kesici arıza koruma ve bara diferansiyel koruma rölelerinin C fazından; Faz akımının yarısı : I c / 2 akım aktığı, Topraktan ise 218
N. Pamuk, Y. Uyaroğlu I 0 /2 akım aktığı tespit edilmiştir. Akım trafolarının trafo gövdesine karşı izolasyonunun ölçülmesine karar verilerek, 03.08.2009 tarihinde aşağıdaki test düzeneği ile test yapılmıştır. Şekil 9 da akım trafolarının montajlı biçimi ve arızanın üstten çekilmiş şekli görülmektedir. Şekil 7: Akım trafolarının domda bulunan bağlantı terminalinden trafo gövdesine karşı izolasyonunu ölçmeye yarayan test düzeneği Yapılan testde akım trafolarının toprak ucu izole edilerek, uçları kısa devre edilmiştir. Megger cihazı ile uçlar ve tank arasına 1000 V uygulanarak, megger cihazının kısa devre gösterdiği görülmüştür. Bunun üzerine arızanın hangi trafoda olduğunu bulmak için aynı test, ototrafoya ait bushing tipi akım trafolarına tek tek uygulanmış ve T6 ile T9 akım trafolarının gövde ile kısa devre olduğu tespit edilmiştir. Şekil 9: Bushing tipi akım trafolarının montajlı biçimi ve arızanın üstten çekilmiş hali Şekil 10 ve şekil 11 de görüldüğü gibi akım trafolarından iki tanesi dinamik bir kuvvet nedeni ile veya taşıma esnasında 22 o eğim açısınında etkisi ile yerinden kayarak metal saplamaya dayanmıştır. Şekil 10: Bushing tipi akım trafolarının metal saplamaya dayalı şekli Şekil 8: Bushing tipi akım trafolarının ototrafo domundaki şekli Şekil 8 de görüldüğü gibi ototrafonun A ve C fazı domları düşey eksen ile 22 o lik açı yapacak şekilde dışa yatık vaziyette imal edilmektedirler [3,8]. Akım trafolarının alt ve üst kısımlarına 3mm lik dairesel galvaniz saclar konmuş ve bu saclar saplamalar vasıtası ile birbirine bağlanmıştır. Saplamaların sıkılması sonucunda levhalar, aralarındaki akım trafolarını sıkıştırarak sabitlemektedir. Akım trafoları ile saclar arasına mantar izolasyon maddesi bulunmaktadır [8]. Ancak saplamalar izolasyonsuzdur. Saplamalar ile akım trafoları arasında yaklaşık 1.5 cm lik hava boşluğu bulunmaktadır. Şekil 11: Bushing tipi akım trafolarının kayarak taşıyıcı saplamaya dayanmış hali 219
Güç trafolarındaki yalıtım sorunları ve dinamik kuvvet kaynaklı 380/154 kv Saplamalar izole olmayıp, trafo gövdesine temas halinde ve topraklıdırlar. Akım trafolarının saplamaya temas etmesi sonucunda bir yandan sürtünmenin etkisi ile bir yandanda akım trafosu bobinlerinin saplamayı kesen manyetik alanları nedeni ile, topraklı saplama üzerinden akan rezidüel akımın ısıl etkisi sonucunda akım trafolarının A ve C fazının izolasyonları delinmiştir. şartının sağlandığı tespit edilmiştir. Akım trafolarının (T3,T6,T9) takılmasına karar verilmiştir. Bushing tipi akım trafolarının montajları yapılarak, akım trafoları ve saplamalar arasına 2 mm lik psp izolasyon bariyeri konulmuştur. Şekil 12: İzolasyonun delinmesi hali İzolasyon delinmesi neticesinde yönlü toprak rölesinin yıldız noktasından bir fazdan akan akımın yarısı kadar (I c / 2) akım akmaya başlamış ve röle hatalı çalışarak ototrafonun servis harici olmasına sebep olmuştur. Söz konusu bushing tipi akım trafoları, bushing in alt kısmı ve merkez iletkenini halkaladığından arızanın büyüyerek bushing e zarar verebileceği veya merkez iletkeni ile gövde arasında kısa devreye sebep olabileceği kanısına varılmıştır. Bu maksatla iki adet troid tipi, çevirme oranı 500/5, 30 VA bushing tipi akım trafoları temin edilerek 15-16.01.2010 tarihlerinde testleri yapılmıştır. C. Bushing Tipi Akım Trafolarının Testi Yeni alınan (T6, T9) akım trafoları ile ototrafonun içinde olan ve sağlam olduğu gözlenen eski akım trafosu (T3) şekil 13 de gösterildiği gibi spir kopmaları ve çevirme oranları doğruluğu açısından test edilmişlerdir. Şekil 13: Test düzeneği ve test için kullanılan teçhizat Akım trafosunun S1 ucundan 10 A akım değeri verilerek S2 ucundan 10 A akım değeri okunmuş ve spir kopması olmadığı tespit edilmiştir. Sverker cihazı ile; I1=10 A verilerek I2=0.1 A ölçülmüş ve I2=20 A verilerekde I2=0.2 A ölçülmüştür. Böylece 500/5 çevirme oranı için; I2 = I1/n ( n:çevirme oranı ) Şekil 14: Bushing tipi akım trafoları ve saplamalar arasına 2 mm lik psp izolasyon bariyeri konulmuş hali VI. SONUÇ VE ÖNERİLER Enterkonnekte güç sistemlerindeki 380 kv trafo merkezlerinde kullanılan ototrafoların domları içinde bulunan bushing tipi akım trafoları düşey eksenden 22 o dışa doğru yatık olması nedeniyle meydana gelebilecek herhangi bir dinamik veya elektriksel kuvvet etkisi sonucunda yerlerinden kayabilmektedirler. Bu akım trafoları bushing in alt kısmı ile merkez iletkenini halkaladığından büyük önem arz etmektedirler. İmalat esnasında akım trafolarının montajında kullanılan konstrüksiyonun hem tutturma hemde izolasyon anlamında yetersiz kaldığı görülmektedir. Bu nedenle ototrafo ve trafoların periyodik testlerinde domların içindeki akım trafolarının birbirlerine karşı ve trafo gövdesine karşı izolasyonlarının devamlı olarak ölçülmesi gerekmektedir. Trafo imalatçılarının dom içindeki akım trafolarının montaj konstrüksiyonunu mekanik açıdan güçlendirmesi gerekmektedir. Dom içindeki akım trafolarının montaj konstrüksiyonunun alt ve üst sacları ile özellikle saplamalarının izolasyon malzemesi ile izole edilmesi gerekmektedir. TEŞEKKÜRLER 380 kv Batman 2 trafo merkezindeki bushing tipi akım trafosu arızası hakkında vermiş olduğu desteklerinden dolayı, TEİAŞ 16. İletim Tesis ve İşletme Grup Müdürlüğü çalışanı Sn. Salih KAYA ya çok teşekkür ederiz. KAYNAKLAR [1] S.V. Kulkarni, S.A. Khaparde, Transformer Engineering Design and Practice, New York, Marcel Dekker, 2004. [2] Robert M. Del Vecchio, Bertrand Poulin, Pierre T. Feghali, Dilipkumar M. Shah, Rajendra Ahuja, Transformer Design Principles : With Applications to Core Form Power Transformers, Taylor and Francis, 2010. 220
N. Pamuk, Y. Uyaroğlu [3] James H. Harlow, Electric Power Transformer Engineering, CRC Press, 2007. [4] V. Mijailovic, Optimal spares availability strategy for power transformer components, Electric Power Systems Research, vol. 80 no.8, pp. 987 992, August 2010. [5] N. Pamuk, Y. Uyaroğlu, The analysis of electrical and mechanical faults in power transformers by Fuzzy expert system, Scientific Research and Essays, vol. 5 no.24, pp. 4018 4027, 18 December 2010. [6] M. Tripathy, Power transformer differential protection using neural network principal component analysis and radial basis function neural network, Simulation Modelling Practice and Theory, vol. 18 no. 5, pp. 600 611, May 2010. [7] Stanley H. Horowitz, Arun G. Phadke, Power System Relaying, John Wiley & Sons, Third Edition 2008. [8] Martin J. Heathcote, J&P Transformer Book, Newnes, 2007. [9] Anthony F. Sleva, Protective Relay Principles, CRC Press, 2009. [10] C. L. Wadhwa, Electrical Power Systems, New Age International, Fourth Edition 2005. 221