YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ BÖLÜM 7 DİELEKTRİK KAYIPLARI VE

EM 420 Yüksek Gerilim Tekniği YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ BÖLÜM 7 DİELEKTRİK KAYIPLARI VE KAPASİTE ÖLÇME YRD.DOÇ. DR. CABBAR VEYSEL BAYSAL ELEKTRIK & ELEKTRO NIK Y Ü K. M Ü H. Not: Tüm slaytlar, listelenen ders kaynaklarından alıntı yapılarak ve faydalanılarak hazırlanmıştır.

DİELEKTRİK KAYIPLARI VE KAPASİTE ÖLÇME 2 Dielektrik (elektriksel yalıtkan) malzemeler elektrik devrelerinde yalıtım amacıyla kullanılırlar. Kullanım sırasında ise gerilime maruz kalırlar. Uygulanan gerilimin seviyesine göre dielektrik malzemenin üzerinden bir akım akacaktır. Dielektrikten geçen akım sonucunda ise dielektrik üzerinde bir güç kaybı meydana gelir. İdeal bir dielektrikte, üzerinden geçen akım reaktif bir akım olup güç olarak sadece reaktif güce karşılık düşerken gerçek (ideal olmayan) bir dielektrikte reaktif gücün yanında aktif güç de meydana gelir. Dielektrikte meydana gelen bu aktif güç bir ısı şeklinde kendini gösterir ve "dielektrik kayıp" olarak adlandırılır. Yukarıda da belirtildiği gibi, dielektrik kayıp, dielektriğe gerilim uygulandığında ısı şeklinde ortaya çıkan aktif güç kaybıdır. Kayıp güç çok fazla olmasa bile dielektrik için zararlı olabilir. Özellikle soğuma olanağı bulamayan yeraltı kablolarında meydana gelen termik delinmeye yol açabilir.

Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri 3 (a) İdeal kondansatör (b) Gerçek kondansatör Kondansatör akım ve gerilimleri arasındaki faz açıları Dielektrik kaybın meydana gelişi elektriksel eşdeğer devrede bir omik direncin varlığı ile gösterilir. İdeal bir yalıtkanda (dielektrikte) bu direnç bulunmaz, ancak ideal olmayan gerçek dielektrikte ise ideal bir kondansatöre seri veya paralel eşdeğer devre ile gösterilir. Bu direnç, kayıp direnç olarak adlandırılır. İdeal kondansatörde akım ile gerilim arasında 90 faz farkı vardır. Gerçek kondansatörde akım ile gerilim arasındaki faz açısı 90 'nin altındadır. Faz açısının 90 'den sapma açısı δ olarak gösterilir ve "kayıp açısı" olarak adlandırılır. Bu açının tanjantı (tanδ) ise "dielektrik kayıp katsayısıdır (dielektrik kayıp faktörüdür)".

Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri 4 ()P (a) Paralel lleşdeğer ğ devre (b) Seri eşdeğer ğ devre Gerçek kondansatörün eşdeğer devreleri Gerçek kondansatörde kayıp açısının meydana gelmesine neden olarak yukarıda da sözü edildiği gibi bir omik direncin varlığı gösterilir. Buna ilişkin seri ve paralel eşdeğer devre Şekilde gösterilmiştir. ş İdeal bir dielektrikte güç gçfaktörü değeriğ sıfır olacaktır. İdeal olmayanda ise bu değer sıfır olmaz. Paralel eşdeğer devreyi göz önüne alarak kayıp güçbağıntısını bulalım: C kapasitesine sahip bir dielektriğe U gerilimi uygulandığında vektör (fazör) diyagramı aşağıdaki Şekildeki gibi olur.

Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri 5 Kondansatörden geçen akım, Toplam akım değeri (I) kullanılarak dielektrikteki aktif güç ise, Paralel eşdeğer devrenin fazör diyagramı Burada kayıp açısı (δ) kullanılırsa Akımlar arasındaki eşitliği kayıp güç ifadesinde yerine yazılırsa

Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri Kondansatör akımı eşitliğiyerine yazılarak kayıp güç 6 Dilktikk Dielektrik kayıp güç paralel ldevrede d aynı zamanda, biçiminde elde edilir. Paralel devre için kayıp faktörü, eşitliğinden bulunur. Seri devre ise dielektrik kayıp Seri devrede kayıp faktörü, bağıntısından bulunur. Her iki devrede kayıpların eşitliği kullanılarak,

Dielektrik Kayıp Türleri Dielektrik kayıp ifadelerinden de anlaşıldığı gibi kayıp değeri, kayıp açısı ile orantılı olup önemli bir bilgi vermektedir. Kayıp faktörünün (tanδ) bilinmesi veya ölçülmesi yüksek gerilimde kullanılan elemanlar veya yüksek gerilimdeki dielektrik malzemesinin çalışma koşullarında iyi bir performans gösterip gösteremeyeceği hakkında bize bir bilgi verir, tanδ 'nın mutlak değeri, gerilim veya akım ile artma miktarı, kullanılan dielektriğin özelliği ve çalışma performansının değerlendirilebilmesi bakımından ilgilenilen parametrelerdendir. Dielektrik kayıp, dört tür kaybın toplamından oluşur. ş rbu kaıplar kayıplar kısaca şöyle açıklanabilir: İletim kaybı (PR): Kaçak akımların iyon veya elektron iletiminin yol açtığı kayıplardır. Yalıtkan Yl malzemenin direncinden i d ve üzerinden geçen akımdan kaynaklanır. Histerezis kaybı (PH): Birbirine komşu birden fazla dielektriğin, elektrik alanı altında kaldıklarında, ara kesit yüzeylerinde dielektrikler arası yük dengesi kurulana kadar gerçekleşen yük hareketlerinden ortaya çıkan kayıplardır. Bu kayıplar, dielektriklerin elektriksel iletkenliklerine ve dielektrik sabitlerine bağlıdır. 7

Dielektrik Kayıp Türleri 8 Kutuplanma (polarizasyon) kaybı (P P ): Dipol moleküler yapılı dielektriklerde, dipol moleküllerin kutuplarının uygulanan alanın zıt kutbuna doğru yönlenme veya kayma hareketlerinden (polarizasyon akımlarından) meydana gelen kayıplardır. İyonlaşma kaybı (P i ): Bir yalıtkan ortamda kısmi boşalmaların yol açtığı kayıptır. Yalıtkanlardaki gazların, hava boşluğu gibi boşlukların iyonizasyonu ve yalıtkandaki yabancı maddeler nedeniyle oluşan kayıplardır. Korona kayıpları da bu tür kayıpları içinde yer alır. Yukarıda belirtildiği ğ üzere dielektrik kayıp, Kayıp faktörü de aynı biçimde

Dielektrik Kayıp Türleri Bazı malzemelerin l kayıp faktörü Malzeme tan δ Yüksek gerilim kondansatörleri 0,006 Ortak metal kılıflı kablolar 0,015 Üç metal kılıflı ve H kablolar 0,01 Yağlı ve basınçlı kablolar 0,005 Yeni yağlar 0,5 (A ve B sınıfı) İşletmedeki (kullanımdaki) yağlar 10-50 9 Transformatör yağlarında nemlenme ve kirlenme ile tanδ değeri yükselir. A ve B sınıfı yeni yağlar 0,5 değerinde iken işletmede 10 ile 50 değerleri arasına yükselir, tanδ'nın 100'den büyük değerleri ise tehlikeli değer olarak kabul edilir. Bu nedenle transformatör yağlarının kayıp faktörü ile delinme dayanımının işletmeye almadan önce ve işletme esnasında periyodik kontrolleri mutlakayapılmalıdır.

Dielektrik Kayıp Tespiti 10 Dielektrik malzemelerdeki iç kısmi boşalmaların seviyesinin belirlenmesinde ve küçük yarıçaplı elektrotların civarında oluşan kısmi boşalmaların saptanmasında tahribatsız kontrol yöntemleri kullanılır. Bu yöntemler şöyledir: Sistem dielektrik kayıp faktörünü (tanδ) ölçmek ve kapasitesini ölçmek. Uygulanan gerilimin fonksiyonu olarak ölçülen bu değerler yalıtkanın içerisindeki iç kısmi boşalmalar hakkında bilgi verir. Uygulanan gerilime bağlı olarak iç kısmi boşalmaların yalıtkan içerisinde meydana getirdiği sızıntı akımlarını ölçmektir. Bu yöntemle yalıtkanın kalitesi hakkında bilgi sahibi olabiliriz. Fakat ilk yöntem bütün dünyada sayılı standart kuruluşları tarafından kabul edilmiş en geçerli yöntemdir. Bu nedenle dielektrik için değerlendirmede kayıp faktörü ile birlikte bağıl dielektrik sabiti de etkili olur. Düzlemsel elektrotlu iki sistemdeki yalıtkan maddenin dielektrik kaybının karşılaştırılmasında ε r.tanδ değeri incelenir. Bu değer kayıp indisi olarak adlandırılır.

Schering Köprüsü 11 Bir dielektrik malzemenin kapasitesini ve kayıp faktörünü belirlemede en çok kullanılan yöntem "Schering Köprüsü" dür. Buna ait devre Şekilde görülmektedir. Bu yöntemde köprünün dengeye gelmesi R 3 ve C 4 elemanlarıyla sağlanır. Denge durumunda A ve B noktalarının gerilimleri birbirine eşit olur ve sıfır aletinden (titreşimli galvanometreden) bir akım geçişi olmaz.

Schering Köprüsü 12 R x ve C x : Deney cisminin (numunenin) omik direnci ve kapasitesi. C 2 : Değeri hassas olarak bilinen ve değeri değişmeyen etalon (standart) kondansatör. R 3, C 4 : Denge hali için değeri ayarlanabilen omik direnç ve kondansatör. R 4 : Sabit değerli direnç. P: Deney cisminin delinmesi durumunda R 3, R 4 ve C 4 elemanlarının yüksek gerilime karşı korunması amacıyla kullanılan parafudr. R k : Koruma direnci. C y, C a : Kapasitif gerilim bölücü T: Yüksek gerilim elde edilen transformatör.

Schering Köprüsü 13 Gerilimlerin eşitliğinden denge koşulu, empedans çarpımı olarak belirlenir. Her koldaki empedansların gerçel l( (reel) ve sanal l(imajiner) )bileşenleri l iyazılır ve reel lkısımlarla l imajiner kısımların eşitliğinden deney cisminin kapasitesi ve omik direnci için,

Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1 14