YÜKSEK GERİLİM TESİSLERİNDE KULLANILAN YALITKAN YAĞLARIN DELİNME DAYANIMI ANALİZİ

YÜKSEK GERİLİM TESİSLERİNDE KULLANILAN YALITKAN YAĞLARIN DELİNME DAYANIMI ANALİZİ Celal KOCATEPE, Oktay ARIKAN, Eyüp TASLAK, C. Faıl KUMRU Yılız Teknik Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Fakültesi, Elektrik Mühenisliği Bölümü kocatepe@yiliz.eu.tr, oarikan@yiliz.eu.tr, eyuptaslak@gmail.com, cfkumru@yiliz.eu.tr Özet Yüksek gerilim tesislerinin sürekliliğine yalıtım seviyesi, güvenlik ve ekonomiklik büyük öneme sahiptir. Bu sebeple yüksek gerilim tesislerinin işletimine yalıtım kalitesi, üzerine urulması gereken en önemli parametrelerenir. Biliniği üzere, yüksek gerilimlere karşı yalıtımın sağlanması için katı, sıvı ve gaz yalıtım malzemeleri kullanılır. Bu çalışmaa, yüksek gerilim tesislerine kullanılan yalıtkan yağların elinme ayanımları incelenmiştir. Deneysel olarak gerçekleştirilen analizlerle uygulamaa kullanılan iki farklı mineral yağ ele alınmıştır. Analizler üç farklı stanart test metouna göre gerçekleştirilmiştir. Anahtar kelimeler: yalıtkan yağlar, elinme gerilimi, mineral yağlar, yüksek gerilim 1. Giriş Yüksek gerilim tesislerine yalıtım amaçlı kullanılan mineral yağlar, kimyasal açıan naftanik, parafinik ve aromatik hirokarbon moleküllerinin bir karışımıır [1]. yağlar, elektrik onanımlarına maliyet ve verimlilik bakımınan uygun sonuç veriğinen uzun süreir kullanılmaktaır. Günümüze çeşitli marka ve kalitee çok sayıa mineral yağ kullanılmaktaır. Kullanılacak yalıtım yağının kalitesi olaylı olarak enerji kalitesini e etkilemekte elektrik onanımının verimini, ömrünü ve güvenirliliğini ortaya koymaktaır. Örneğin, transformatörlere oluşan arızaların önemli bir bölümünün transformatöre kullanılan yağın üşük kaliteli olmasınan kaynaklanığı görülmüştür. Yalıtım yağının seçimine, yalıtkanlık, ısıl soğutma, ayanıklılık, fiyat ve çevreye zararsız olma gibi özellikler ikkate alınmaktaır [2]. Bir yağın kalitesini ve özelliklerini araştırmak için yalıtım yağları üzerine elinme gerilimi, kayıp faktörü (tan δ), parlama noktası, nem gibi kalite parametrelerinin bilinmesi gerekliir. Suwarno ve arkaaşları silikon, oğal ester ve mineral yağları 120 ºC ve 150 ºC e ısıl yaşlanırmaya maruz bırakarak ısının yalıtım yağı üzerineki etkilerini araştırmıştır. Gerçekleştirilen çalışma sonucuna oğal esterin elinme geriliminin aha yüksek oluğu görülmüştür [3]. S. Abi ve arkaaşları BORAK22 tipi transformatör mineral yağına ısıl yaşlanırma testi uygulayarak iki farklı sıcaklıkta yağın elinme gerilimi, tan δ, asitlik erecesi gibi özelliklerini incelemiş ve elinme geriliminin sıcaklık artışıyla azalığını gözlemlemişlerir [4]. Düzgün alanlı ve üzgün olmayan alanlı elektrot sistemlerinin e elinme gerilimi üzerine etkileri bilinmekteir. Wilson ve arkaaşlarınca yapılan analizlerle bunların etkileri e ortaya konulmuştur [5]. Bu çalışmaa, transformatörlere kullanılan iki farklı mineral numunesi kullanılmıştır. Bu yağlara ait elinme gerilimi testleri, ASTM D1816, ASTM D877 ve IEC 156 an oluşan üç farklı stanara göre gerçekleştirilerek ele eilen sonuçlar sunulmuştur [6,7,8]. Ayrıca, yalıtım yağlarının elinme gerilimleri üzerine olumsuz etkileyen nem probleminin araştırılması amacıyla, eney numunesi olarak kullanılan yağlara belirli orana su eklenerek meyana gelen eğişim belirlenmiştir. 2. Yalıtım larının Özellikleri Transformatör, kesici, konansatör, güç kablosu vb. yüksek gerilim ekipmanlarına, elektriksel yalıtımı ve ısıl soğumayı sağlamak için iki çeşit yalıtım sıvısı kullanılır. Bunlar ham petrolün işlenmesiyle üretilen oğal maeni yağlar ve kimyasal yollarla üretilen sentetik sıvılarır. Sentetik sıvı olarak silikonlu, esterli veya hirokarbonlu yapıa olan yağların parlama noktaları 300ºC en yüksektir. Bu neenle işletmee yangınlara karşı aha güvenle kullanılabilir. Doğal maeni yağlar ise cihazların yapımına kullanılan malzemeler ile iyi uyumu ve ucuzluğu neeniyle uzun zamanan beri tercih eilen bir yalıtım malzemesiir [2]. Aşağıaki 156

tabloa bazı yalıtkan yağların ielektrik özellikleri verilmekteir. Tablo-1 IEC Stanarına göre bazı yalıtım sıvılarına sınır eğerler [2] Özellikler Birim Maeni Yalıtım ı Esterler Ve Silikonlar kv 30 45 (2,5mm) Dielektrik Kayıp - 0,005 0,03 Faktörü(90ºC) Yoğunluk gr/cm 3 0,895 1 Akma Noktası ºC -40-45 Tablo 1 en e görülüğü üzere, yalıtıma kullanılan yağlar farklı elektriksel ve kimyasal özelliklere sahiptir. Bu neenle seçilecek yağa, kullanılacağı onanım ve kullanım amacına göre karar verilmesi gerekliir. 2.1. lar (Maeni lar) Uzun zamanan beri transformatörlere yalıtım sıvısı olarak mineral yağlar kullanılmaktaır. Fiyat bakımınan ekonomik olmaları ve yüksek ısıl soğutma kapasitesine sahip olmaları sebebiyle iğer yağlara göre aha çok tercih eilmekteirler. Ancak, geri önüşüm işlemlerinin zor olması, üşük alevlenme noktasına sahip olmaları, mineral yağların olumsuz özellikleriir [9]. Maliyet ve güvenlik sebebiyle, elektriksel onanımların uzun süre kullanılabilmesi için kaliteli bir yağın seçimi önemliir. Bu çalışmaa kullanılan mineral yağlara ait genel özellikler Tablo 2 e verilmiştir. Tablo-2 Analizi yapılan mineral yağlara ait genel özellikler Özellikler Parlama Noktası (ºC) Dielektrik kayıp faktörü (tanδ) (90ºC) >30 >30 >135 140 < 0,005 0,002 Tablo 2 en görüleceği üzere, mineral yağlar sınıfına bulunan her iki numunenin e katalog eğerleri yaklaşık aynıır. 3. Yalıtkan lara Uygulanan Test Stanartları Günümüze, yağlara fiziksel, kimyasal ve elektriksel testler uygulanarak kirlenme ve yaşlanma seviyeleri ölçülebilmekteir [2]. Böylelikle, transformatör ve iğer elektrik onanımlara bir arıza meyana gelmeen önce gerekli önlemler alınabilir. Bu amaçla yalıtım yağlarına, elinme gerilimi gerilimlerinin belirlenmesi için ASTM D1816, ASTM D877 ile IEC156 stanart test metotları kullanılmaktaır [10,11]. 3.1. ASTM D1816 Stanart Test Metou Bu stanara göre gerilim artış hızı 500 V/s ve kullanılacak elektrot tipi ise VDE küresel elektrot olmalıır. Müsaae eilen elektrot açıklığı 1mm veya 2 mm olup kullanılan elektrot açıklığı ölçüsüne göre elinme gerilimi test sonuçlarının oğruluk kriterleri varır. Testler, 20 C ile 30 C arasına oa sıcaklığına gerçekleştirilir. Test hücresi stanartta belirtilen şekile oluruluktan sonra, ilk elinme geriliminin uygulanması için 3-5 akika arası (yüksek alevlenme noktasına sahip numuneler için en az 30 k.) beklenir. meyana gelene kaar 0,5kV/s artış hızıyla gerilim uygulanır. Takip een her elinme arasına 1 k. ile 1,5 k. arası beklenir. En yüksek elinme gerilimi ile en üşük elinme gerilimi arasınaki fark, 2 mm elektrot açıklığına göre test eilen beş elinme geriliminin ortalamasının %92 sinen aha küçük olmalıır. Aksi taktire analizler tekrarlanır. 3.2. ASTM D877 Stanart Test Metou Test gerilimi 45 ile 65 Hz arasına bir frekansa ayarlanabilir. Gerilim artış hızı 3 kv/s olarak ayarlanmalıır. Kullanılacak elektrot isk tipi olup elektrot açıklığı 2.54 mm ir. Test süresi boyunca, laboratuvar ortam sıcaklığı 20 C ile 30ºC arasına olmalıır. Test hücresi stanartta belirtilen şekile olurulur. Test hücresinen havayı arınırmak için gerilim uygulanmaan önce 2-3 k. arası beklenir. Dolurulmuş bir test hücresine, her elinme arasına minimum 1k. beklenerek beş elinme gerçekleştirilir. En yüksek elinme gerilimi ile en üşük elinme gerilimi arasınaki fark, beş elinme geriliminin ortalamasının %92 en büyük olmamalıır. 157

3.3. IEC 156 Stanart Test Metou Test hücresinin hacmi 350 ml ve 600 ml arasına seçilebilir. Kullanılacak elektrot küresel olup elektrot açıklığı 2,5 ± 0,05 mm ir. Deneyin yapılacağı laboratuvarın ortam sıcaklığı 20 o C ± 5 o C olmalıır. Test hücresi stanartta belirtilen şekile oluruluktan sonra, ilk gerilim, yağ olurma işleminen yaklaşık beş akika sonra uygulanır. Stanartta belirtilen ölçülere bir karıştırıcı üzeneği kullanılabilir. Gerilim artış hızı 2 kv/s olup her elinme arasına en az 2 akika bekleme süresiyle toplam 6 elinme gerçekleştirilir. 4. Deneysel Çalışma Gerçekleştirilen çalışmaa iki farklı mineral yağın elinme gerilimi analizleri yapılmıştır. Analizler için Şekil 1 e gösterilen HIPOTRONICS OC90D yağ test cihazı kullanılmıştır. Bu cihaz, ASTM D1816, ASTM D877 ve IEC 156 stanartlarına göre üç farklı gerilim artış oranı ve iki farklı elektrot geometrisiyle analiz yapma imkânı sunmaktaır. Testlere kullanılan elektrotlar Şekil 2 e verilmiştir. Şekil 1. test cihazı (Hipotronics OC90D) yeni elinme gerilimleri belirlenmiştir. Su, yağ numunesine şırınga yarımıyla eklenmiştir. Daha sonra bir karıştırıcı yarımıyla yağ numunesi karıştırılarak stanartta belirtilen süre kaar beklenmiştir. Su, iki farklı mineral yağ numunesine aynı şekile uygulanıp üç farklı stanartta belirtilen şekile analizler gerçekleştirilmiştir. Eklenen suyun yağ numunesinin hacmine oranı % 0,5 ir. Deney numunesine ait elinme gerilimi ile elinme ayanımı eğerleri Tablo 3 e verilmiştir. Deney numunelerinin elinme ayanımı eğerleri Denklem 1 e verilen β katsayısı kullanılarak hesaplanmıştır. E U U a 1 10 [1] Bu eşitlikte α elektrot sisteminin üzgünsüzlük faktörü olup β katsayısının birimi 1/cm ir. Elektrot açıklığına bağlı olarak eğişen β eğeri, literatüre verilen grafikten yaklaşık 5,7 olarak belirlenmiştir[12]. Tablo-3 Analizi yapılan mineral yağlara ait elinme gerilimleri ve elinme ayanımları (ASTM D1816) Alan Şieti 36,50 20,81 (5ml su ile) 16,98 9,62 23,22 13,24 18,32 10,44 4.2. ASTM D877 Stanarına Göre Ele Eilen Şekil 2. Disk (sola) ve küresel (sağa) elektrot 4.1. ASTM D1816 Stanarına Göre Ele Eilen Stanartlara uygun şekile hazırlanan eney üzeneği ile ölçümler yapılmıştır. İlk elinme gerilimi uygulanmaan önce 4 k. ve her elinme arası 1,15 k. beklenmiştir. Gerilim artış hızı 0,5kV/s ir. Tüm testler, 24 C ortam sıcaklığına gerçekleştirilmiştir. Stanart testlere ek olarak, nem faktörünün elinme gerilimi üzerineki etkisini araştırmak için mineral yağ içerisine ph eğeri 7,1 ve iletkenliği 55,1 µs/cm olan 5 ml su eklenerek Stanartta istenen şartlar sağlanarak gerilimi uygulanmaan önce 2,5 k. ve her elinme arasına 1 k. beklenerek 5 elinme gerçekleştirilmiştir. Bu stanarttaki isk tipi elektrotlar üzlemsel elektrot geometrisine sahip oluğu için elinme alan şieti eğerleri, E U a [2] enklemine göre hesaplanmıştır. Buraa U kv cinsinen elinme gerilimini, a ise mm cinsinen elektrot açıklığını ifae etmekteir. Gerçekleştirilen eney sonuçlarına ait elinme gerilim ve hesaplanan elinme ayanımı eğerleri Tablo 4 e verilmiştir. 158

Tablo-4 Analizi yapılan mineral yağlara ait elinme gerilimleri ve elinme ayanımları (ASTM D877) Alan Şieti 52,52 20,67 34,62 13,63 44,76 17,62 34,84 13,72 4.3.IEC 156 Stanarına Göre Ele Eilen Bu stanara küresel elektrot kullanılarak elektrot açıklığı 2,5 mm olarak ayarlanmıştır (β 4,45). İlk elinme gerilimi uygulanmaan önce 5k. ve her elinme arasına 2,5 k. beklenmiştir.. Gerilim artış hızı 2kV/s ir. Test hücresi içineki numune eney süresi boyunca bir karıştırıcı üzeneği ile hava baloncukların oluşmasını önlemek için karıştırılmıştır. Deney boyunca, laboratuvar ortam sıcaklığı 24 o C olarak ölçülmüştür. Deney sonucuna ele eilen veriler, Tablo 5 e belirtilmiştir. Tablo-5 Analizi yapılan mineral yağlara ait elinme gerilimleri ve elinme ayanımları (IEC 156) Alan Şieti 51,60 22,96 29,77 13,25 32,63 14,52 27,38 9,96 5. Analiz Üç farklı stanart test metouna göre gerçekleştirilen analizler sonucuna, iki farklı eney numunesine ait elinme gerilimi ve elinme ayanımı eğerleri ele eilmiştir. için gerçekleştirilen testler sonucuna ele eilen her bir ölçüme ait elinme gerilimi eğerleri Şekil 3 e verilmiştir. Şekil 3. e ait elinme gerilimleri Şekil 3 e görülüğü üzere, birbirini takip een ölçüm sonuçları oğrusal olarak eğişmemekteir. Bunun sebebi, yağların fiziksel ve kimyasal yapılarının çevresel etmenlere karşı hassas olması ve buna bağlı olarak her bir ölçüme yapısal eğişiklik göstermesinen kaynaklanmaktaır. Şekil 4. e ait elinme gerilimleri (5 ml su eklenmiş urum) Şekil 4 e, yağ içerisine su olması urumunaki elinme gerilim ölçümleri verilmiştir. içerisine su bulunması, yağın elinme gerilimini ve elinme alan şietini zayıflatmıştır. gerilimineki en cii zayıflama %53,47 lik oranla ASTM D1816 stanarına yapılan ölçmee görülmüştür. Şekil 5. e ait elinme gerilimleri Şekil 5 e, için gerçekleştirilen testler sonucuna ele eilen elinme gerilimi eğerleri verilmiştir. e ait elinme gerilimi eğerleri, e göre aha üşük eğereir. 159

işletme koşullarına avranışlarının farklı olacağı görülmüştür. Bu neenle, kullanılacak yağların test ve analizlerine büyük önem verilmeliir. Ayrıca, yağ içerisineki istenmeyen maelerin etkisi farklı oluğunan, kullanım amacı ve yeri ikkate alınarak yağ seçimi yapılmasının gerekliliği ortaya çıkmıştır. 7.Kaynaklar Şekil 6. e ait elinme gerilimleri (5 ml su eklenmiş urum) Şekil 6 a yağ içerisine su ekleniği uruma yağın elinme gerilim ölçümleri verilmiştir. Su etkisi, Numune 2 nin e elinme gerilimi ve elinme alan şietini olumsuz etkilemiştir. Ancak, Numune 2 eki elinme gerilimineki azalma oranı Numune 1 e göre aha az oluğu gözlemlenmiştir. 6.Sonuç Gerçekleştirilen çalışmaa, elektrik tesislerine kullanılan onanıma yalıtım amacıyla kullanılan iki farklı yağ numunesi için elinme gerilimi analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışmaa her iki numuneye e üç farklı stanara göre (ASTM D1816, ASTM D877. IEC 156) gerilim uygulayarak avranışları tespit eilmiştir. Ayrıca, izolasyon yağlarına elinme ayanımını olumsuz etkileyen nem urumu, yağ içerisine bir miktar su eklenerek simule eilmiştir. Deneyler sonucuna, gerilim yükselme hızı arttıkça olumlu bir avranış olarak ortalama elinme gerilimi eğerinin büyüüğü tespit eilmiştir. Yalıtkan malzeme içerisine su ekleniğine ise bekleniliği üzere elinme geriliminin her iki numune için e olumsuz etkilenerek üştüğü ve yalıtım özelliğinin zayıflaığı görülmüştür. Deneysel çalışmaa, temiz yağ kullanılığına üç test metou içine Numune 1 in elinme gerilimi eğerinin aha yüksek çıktığı belirlenmiştir. Yalıtım yağlarının içerisineki yabancı mae olarak 5ml su ekleniğine, ASTM D1816 ve ASTM D877 test metotları için Numune 2 nin eğeri, IEC 156 ya göre ise Numune 1 in elinme gerilimi eğeri aha yüksek çıkmıştır. Suyun, izolasyon yağının elinme gerilimini azaltma oranı bakımınan yapılan analiz sonucuna, Numune 2 nin elinme gerilimineki azalmanın aha az oluğu belirlenmiştir. Gerçekleştirilen çalışma sonucu, kullanım amaçları aynı olan benzer özellikteki yalıtkan yağların, [1] Ciuriuc, A., Vihacencu, M.S., Dumitran, L.M., Notingher, P.V., Comparative Stuy on Power Transformers Vegetable an Oil International Conference on Applie an Theoretical Electricity(ICATE), pp 1-6, 2012. [2] Sezer, M.,Yalıtım ı ve Trafo Bakımı, 1.Basım, Çağaş Basımevi, 2008. [3] Suwarno., Wiyanugraha, T., Diit, P.C.H.S., Suharto., Dielectric Properties of Silicone Oil, Natural Ester, an Oil uner Accelerate Thermal Aging, International Conference on Conition Monitoring an Diagnosis (CMD), pp 1139-1142, 2012. [4] Abi, S., Boubakeur, A., Haa, A., Influence of Thermal Ageing on Transformer Oil Properties IEEE International Conference on Dielectric Liquis(ICDL), pp 1-4, 2008. [5] Wilson, M.P., Timoshkin, I.V., Given, M.J., MacGregor, S.J., Wang, T., Breakown of Oil: Effect of Electroe Geometry an Rate of Voltage Rise, IEEE Transactions on Dielektrics an Elektrical Insulation, Vol 19, No 5, pp 1657-1664, 2012. [6] ASTM D1816-12, Stanar Test Metho for Dielectric Breakown Voltage of Insulating Liquis Using VDE Electroes, 2012. [7] ASTM D877-02, Stanar Test Metho for Dielectric Breakown Voltage of Insulating Liquis Using Disk Electroes, 2007. [8] IEC 156, Insulating liquis-determination of the breakown voltage-at power frequency-test Metho, 1995-07. [9] Li, X., Li, J., Sun, C., Properties of Transgenic Rapesee Oil base Dielectric Liqui, Southeast Con, 2006. [10] IEEE Guie for Acceptance an Maintenance of Insulating Oil in Equipment, IEEE St C57.106-2006. [11] IEC 60296 International Stanart, Fluis for electrotechnical applications-unuse mineral insulating oils for transformers an switchgear, 2003. [12] Kalenerli, Özcan., Özemir, Ayoğan., Yüksek Gerilim Laboratuvarı Deneyleri, Ofset Baskı Atölyesi, 1990. 160