YÜK HARMONİKLERİNİN YAĞLI Tİ GÜÇ TRANSFORMATÖRLERİNDEKİ SICAK NOKTA SICAKLIĞINA DİNAMİK TERMAL MODEL ÜZERİNDEKİ ETKİSİ * Ali Burha HALİLOĞLU 1, ** Ali MAMİZADEH, ** İres İSKENDER 3 * TÜBİTAK Uzay Tekolojileri Araştırma Estitüsü, ** Gazi Üiversitesi 1 3 burha.haliloglu@uzay.tubitak.gov.tr mamizadeh@gazi.edu.tr iresis@gazi.edu.tr ÖZET Güümüzde kullaıla elektrik eerjisii kalitesi oldukça öemlidir. İletimde ve dağıtımdaki güç kalitesi yetersizlikleride kayaklaa cihaz ve ekipma arızaları, ciddi derecede üretim kayıplarıa sebep olmaktadır. Yaşaa bu üretim kayıpları ülke ekoomisi açısıda da büyük zararlar doğurmaktadır. Maliyetii fazlalığı ve tedarik süresii uzu olması edeiyle trasformatörler, iletim ve dağıtım zicirii e öemli yatırımlarda biri olarak görülürler. Bu edele ekoomik kayıplara sebep vermemek içi, trasformatörleri izolasyo koşulları, faydalı çalışma ömürleri ve yükleebilme kapasiteleri iyi bilimelidir. Trasformatörleri faydalı ömürlerii azalta e öemli parametre, izolasyo malzemesii hızlı yaşlamasıa ede ola yüksek sıcaklık seviyesidir. Elektrik sistemide doğrusal olmaya yükleri oluşturduğu harmoikler hem trasformatörleri fazla ısımasıa, hem de sistemde güç kayıplarıı artmasıa ede olmaktadır. TEİAŞ a ait 000 civarıdaki güç trasformatörüü çok büyük kısmıda, sargı sıcaklığıı ölçebilecek bir düzeek bulumamaktadır. Bu bildiride IEEE stadartları baz alıarak trasformatörü sıcak okta sıcaklığıı tahmi etme yötemleri alatılmıştır. Harmoikleri kayıplar ve dolayısıyla üst yağ sıcaklık artışı, sıcak okta sıcaklığı ve trasformatörleri faydalı ömrü üzerideki etkisi icelemiştir. Aahtar kelimeler: Trasformatör, E Sıcak Nokta, Üst Yağ, Harmoik 1-GİRİŞ E sıcak okta sıcaklığı; trasformatörü yükleme durumu, termal yapısı ve faydalı ömrü ile fikir sahibi olmamızı sağlaya e öemli parametrelerde biridir. Bu edele de bu değeri e doğru şekilde bilimesi gerekmektedir. [4] E sıcak okta sıcaklığıı ölçebilmek içi birkaç yötem vardır. Bularda bir taesi trasformatör tasarım aşamasıdayke, sargısıı e sıcak bölgesie, fiber optik termal sesörler yerleştirilerek, bu bilgileri trasformatör takıı dış kısmıa aktarılmasıdır. Acak kullaımda ola birçok trasformatörde bu düzeek mevcut değildir. Bu edele de e sıcak okta sıcaklığıı çok doğru bir şekilde tahmi edilmesi gerekmektedir. Sargıı Üst Kısmı Sargıı Alt Kısmı Üst Yağ Ortalama Yağ Alt Yağ Şekil-1- Temel Termal Model g HS E sıcak okta Ortalama Sargı Sıcaklık (ºC) Bir trasformatör içi temel model yukarıdaki gibidir. Sargıları içideki yağ sıcaklığı sargıı alt kısmıda üst kısmıa doğru lieer bir artış gösterir. Kullaımda ola trasformatörlerde üst yağ sıcaklığı ve e sıcak okta sıcaklığıı
saptayabilmek içi trafou üreticisi tarafıda sağlaa test raporlarıdaki sıırlı verii kullaılması öerilmektedir. - TRANSFORMATÖRÜN TERMAL MODELLENMESİ IEEE Std C57.91-1995 e [1,] göre üst yağ sıcaklığıı ve e sıcak okta sıcaklığıı hesaplarke yükü değişke durumları göz öüe alıarak basit hesaplamalar yapılır. Sıcaklıktaki değişimler eticeside güç kaybıda ve yağ akışkalığıda meydaa gele değişimleri hesaba katabilmek içi trasformatörü soğutma tipi de göz öüe alıarak bazı sabit değerler kullaılır. Bu stadart sıcaklık değişimii değişke davraışı içi yötem öeriyor. Modelleme Yötemi Bu yöteme göre e sıcak okta sıcaklığıı aşağıdaki üç bileşede oluştuğu kabul edilir. Θ H Θ A Θ H Θ H =Θ A + +H Θ =Θ A + :E sıcak okta sıcaklığı (ºC) :Ortam okta sıcaklığı (ºC) :Üst yağ sıcaklığı (ºC) :Üst yağ sıcaklık artışı (ºC) (1) () :E sıcak okta sıcaklık artışı(ºc) Üst Yağ Sıcaklık Artışı Bir yük çevrimi boyuca ortam sıcaklığı sürekli artış gösteriyor ise, hesaplamalarda alık ortam sıcaklık değerleri kullaılabilir. Eğer ortam sıcaklığıda azalma söz kousu ise hesaplamalarda, 1 saatlik bir zama dilimideki maksimum ortam sıcaklığı değeri kullaılabilir. Ortam sıcaklığıa göre üst yağ sıcaklık artışı, yükte meydaa gele bir değişimde sora bir zama sabiti de içere üstel bir foksiyo şeklide ifade edilebilir. t - ( ) τ =,U -,I 1- exp +,I (3) Ölçüm yapıla zama aralığı uzu ise bir öceki yük çevrimide hesaplaa, bir soraki çevrimde kullaılacak ola,i ye eşit olur. Ku R+1,U =,R R+1 (4),I :Başlagıçtaki üst yağ sıcaklık artış,u :E so üst yağ sıcaklık artış t τ τ,r :Zama (saat) :Yağ zama sabiti (saat) :Nomial yağ zama sabiti (saat) : hesaplaırke yüke göre değişimler içi kullaıla deeysel değişke(onan soğutmalı trafolar içi 0.8, ONAF soğutmalı içi 0.9) Sargı Sıcaklık Artışı Yağ sıcaklığıa göre sargı sıcaklık artışı, yükte meydaa gele bir değişimde sora bir zama sabiti de içere üstel bir foksiyo şeklide ifade edilebilir. t - W ( ) τ H= H,U-H,I 1- exp +H,I (5) Ölçüm yapıla zama aralığı uzu ise bir öceki yük çevrimide hesaplaa H, bir soraki çevrimde kullaılacak ola H,I ye eşit olur. H,U = K m u (6)
Yağ Zama Sabiti Üstel sıcaklık deklemii temeli trasformatörü tüm kütlesii ortalama sıcaklık yükselişie dayamaktadır. C τ =,R T,R,R,U,I,R,R,R 1 1,U,I τ =τ H H,I,R,R :Sargı sıcaklık artış (7) (8) :Başlagıçtaki sargı sıcaklık artış H,U :E so sargı sıcaklık artış değeri (ºC) τ W τ,r m :Sargı zama sabiti (saat) :Nomial sargı zama sabiti(saat) : H hesaplaırke yüke göre değişimler içi kullaıla deeysel değişke(onan ve ONAF soğutmalı trafolar içi 0.8) Trasformatörü sargılarıda sıcaklık bilgisi almamızı sağlayacak özel bir düzeek yoksa termal testler boyuca ısı göstergeleri ya da termokupllar trasformatörü üst yağ sıcaklığı değerii kaydetmemizi sağlar. Yağ zama sabiti (τ ), trafou bileşelerii ağırlığıa göre sabit bir termal kapasite değeri (C ) buluarak hesaplaır. Bu durumda bile zama sabiti trafou soğutma tipie göre farklılık gösterir. C :0.133 (aktif kısım ağırlığı-kg) +0.088 (kaza ve teçhizat et ağırlığı-kg) Sargı zama sabiti +0.3513 (yağ miktarı-litre) (9) Yağ sıcaklığıdaki artışa göre sargı sıcaklığı artışı değerii, yükteki değişim boyuca so artış Δ H,U ile ilk artış Δ H,I arasıdaki farkı, %63. değerie ulaşıcaya kadar geçe süredir. Sargı zama sabiti termal testler soucuda elde edile direç soğuma eğriside tahmi edilebilir ya da üretici tarafıda verile iletke malzemeleri kütle bilgisi kullaılarak hesaplaılabilir. C H :0.3513 (yağ miktarı-litre) CH τ TW,R = T,R H,U H,I W TW,R 1 1 m m H,U H,I τ =τ (10) (11) (1) 3 HARMONİKLERİN MODEL ÜZERİNDEKİ ETKİSİ IEEE Std C57.110-008 e [3] göre üst yağ sıcaklığıı ve e sıcak okta sıcaklığıı hesaplarke yükteki harmoik durumu göz öüe alıır. Harmoikleri etkisi ile trasformatörü kayıpları ve dolayısı ile de sıcaklığı artar. Trafo kayıplarıı demir kayıpları ve bakır kayıpları olmak üzere ikiye ayırır.
Trasformatör Bakır Kaybı = Kaybı + Demir Kaybı LL = I R + EC + OSL Sargı Girdap Akımları Kaybı Diğer Kayıplar ya da İlave Girdap Akımları Kaybı (13) Girdap akımları kaybı trafou sargılarıda çekirdeğide, çekirdek parçalarıda, mayetik zırhıda ya da trafo takıda başıboş dolaşa elektromayetik akıda meydaa gele kayıptır. Sargı girdap akımları kaybı ve ilave girdap akımları kaybı olmak üzere ikiye ayrılır. Trasformatör imalatçıları girdap akımları kaybıı ölçmek içi ayrı bir test yapmamaktadırlar. Bu edele trafou sertifikalı test raporuda aşağıdaki veriler alıarak hesaplamalar yapılabilir. NL-R :Trasformatör boşta çalışma kaybı omial değeri (watt) LL-R :Trasformatör omial yükte çalışma kaybı değeri (watt) R 1 :Yüksek gerilim termialleri arasıdaki DC direci (ohm) R :Alçak gerilim termialleri arasıdaki DC direci (ohm) I 1-R I -R :Yüksek gerilim tarafı omial akım değeri (Amper) :Alçak gerilim tarafı omial akım değeri (Amper),R :Nomial üst yağ sıcaklık artış :Nomial sargı sıcaklık artış ( ) ( ) TSL-R =LL-R -K I 1-R R 1+ I -R R (14) =0.33 EC-R TSL-R OSL-R =TSL-R - EC-R (15) (16) TSL_R :Nomial toplam girdap akımları kaybı (watt) EC-R :Nomial girdap akımları kaybı (watt) OSL_R :Nomial ilave girdap akımları kaybı (watt) K :Tek fazlı trafolar içi 1, üç fazlı trafolar içi 1.5 alıır Harmoik Akımlarıı Sargı Girdap Akımları Kaybıa Etkisi: Güç frekas spektrumuda; sargı girdap akımları kaybı frekası ve yük akımıı karesi ile doğru oratılıdır. Bu yüzde harmoikli yük akımlarıı buluduğu trafoları sargılarıda aşırı derecede sargı girdap akımları kaybı oluşur. Bu kayıp yüzüde de sargılar aormal derecede ısıır. Harmoik Akımlarıı İlave Girdap Akımları Kaybıa Etkisi: Trafo çekirdeğideki, çekirdek kelepçelerideki, trafou diğer yapısal parçalarıdaki ilave girdap akımları kaybı; yük akımıı karesi ile oratılı olarak belli bir değere kadar artar. Fakat ilave girdap akımları kaybı, sargı girdap akımları kaybıda olduğu gibi frekası karesi ile artmaz. İmalatçıları ve diğer araştırmacıları yaptıkları çalışmalar eticeside; 0.8 ya da daha az bir harmoik katsayısı ile oratılı olarak arttığıı göstermiştir. Harmoikleri Üst Yağ Sıcaklık Artışı Üzerideki Etkisi: Yağlı tip trasformatörü yükü, harmoikli ise, toplam yük kaybı arttığı gibi üst yağ sıcaklık yükseliş değeri de artar. İlave girdap akımları kaybıdaki küçük bir miktar artış
bile üst yağ sıcaklık artış değerii öemli derecede etkiler. Sargı Girdap Akımları Kaybı içi Harmoik Kayıp Faktörü: Trafou yükü besleyebilme kabiliyetii ifade edebilmek içi tek bir sayı taımlamak hesapları oldukça kolaylaştırır. F HL harmoik yük akımlarıda kayaklaa ve asıl ısı artışıa sebebiyet vere, sargı girdap akımları kaybıa uygulaa oratısallık faktörüdür. F HL harmoiklerde kayaklaa toplam girdap akımları kaybıı( EC ), hiç harmoik olmadığı durumdaki girdap akımları kaybıa( EC-O ) oraıdır. F HL i harmoik akımlarıı gerçek RMS değerleri ciside hesaplaması aşağıdaki şekildedir. F HL = EC h=1 EC-O h=1 Ih h Ih (17) Birçok ölçüm cihazı hesaplamaları yaparke aşağıdaki formülde olduğu gibi harmoikleri aa bileşee ormalize edilmiş hallerii kullaır. HL F = h (18) F HL diğer stadartlarda taımlaa K faktörüe bezer acak tamame ayı değildir. İlave Girdap Akımları Kaybı içi Harmoik Kayıp Faktörü: İlave girdap akımları kaybıda kayaklaa ısıma miktarı kuru tip trafolar içi fazla öemli olmasa da yağlı tip trafolarda azımsamayacak derecede öemlidir. Sargı girdap akımları kaybı içi ola harmoik kayıp faktörü ilave girdap akımları kaybı içide geçerlidir ve bezer bir tutum sergiler. Bara bağlatıları, yapısal parçalar, tak vb. kısımlarda oluşa kayıplar yük akımıı karesi ile ve frekası 0.8. kuvveti ile oratılıdır. HL-STR F = h 0,8 (19) Hesaplaa bütü omial trafo kaybı verilerii, ölçüle akım değerlerie ormalize etmek içi aşağıdaki formül kullaılır ve yük durumua göre düzeltilmiş trafo kaybı verileri elde edilir. Kayıp Türü I h I LL(pu) = h=1 I 1 I rated Nom. Kayıp Yük Kaybı Harmoik Çarpaı NL α α Α I R EC OSL TL β γ λ TL =α+β +γ+λ β =βx LL γ =γx LL λ =λx LL TL =α+β +γ +λ γ =γ xf HL λ =λ xf HL-STR (0) Düzltlmş β Kayıp γ λ TL =α+β + γ +λ Çizelge -1 Yük ve Harmoik Durumua göre Düzeltilmiş Trasformatör Kayıp Değerleri Tablosu
Elde edile verilere göre yukarıdaki tablo oluşturulur ve yükü değişke durumua göre omial kayıp değerleri LL(pu) değerleri ile çarpılarak yük kaybı sütuu oluşturulur. Daha sora sargı girdap akımları kaybı EC harmoik kayıp faktörü(f HL ) ile, ilave girdap akımları kaybı ( OSL ) ilave girdap akımları kaybı içi harmoik faktörü (F HL-STR ) ile çarpılarak, yük akımıı harmoik dağılımı hesaba katılmış olur. Elde edile so sütudaki kayıp değerleri, hem yükü durumua hem de harmoikleri durumua göre ormalize edilmiş değerlerdir. Düzeltilmiş kayıp verileri kullaılarak aşağıdaki formüle göre üst yağ sıcaklık değeri elde edilir. ' ' TL A TL Θ = +Θ ( ) I R= K I R (pu) -R LL (1) () '' I R+γ.4 Θ= g ( -,R) ( K I -R R ) +γ.4 (3) Θ g :E sıcak okta sıcaklık artış Θ H =Θ +Θg (4) 4- TRANSFORMATÖR FAYDALI ÖMRÜ ve YAŞLANMASI Deeysel veriler Arrheius Kauu a göre, zama ilerledikçe trafou yalıtım malzemelerideki bozulma ile sıcaklık arasıda bir ilişki olduğuu kaıtlar. IEEE stadardıa göre trafou yaşlama deklemi şu şekildedir; 15000-18 er Uit Life=.00 10 EX Θ H +73 (5) Güveli bir şekilde kullaıla iletim trasformatörlerii yaklaşık faydalı ömrü 40 50 yıl civarıdadır. Termal dayaaklılığı arttırılmış selülozu ömrüü 1 birim daha arttırabilmek içi e sıcak okta sıcaklığı e fazla 110 ºC olmalıdır. Varsayıla ortam sıcaklığı 30 ºC, ortam sıcaklığı üzeride ortalama sargı sıcaklık değişimi 65 ºC ve ortalama sargı sıcaklığı üzeride e sıcak okta sıcaklığı değişimi 15 ºC i toplamı 110 derecelik e sıcak okta sıcaklığıı vermektedir. Trafou e sıcak okta sıcaklığıı 110 derecede tutmak 1 birimlik ömrüü uzamasıa bedeldir ve eğer e sıcak okta sıcaklığı 110 derecei altıda tutulursa trafou ömrü 1 birimde çok daha fazla uzatılmış olur. Dağıtım ve güç trasformatörleri ile yapıla testler eticeside, sürekli 110 ºC lik e sıcak okta sıcaklığıda çalıştırıla trafoları ömürlerii yaklaşık 0.55 yıl olması gerektiği beklemektedir. IEEE birimle ifade edile trafo ömrü yerie, göreceli yaşlama derecesi fikrii ortaya koymuştur. B ( Θ +73) ( Θ H +73 ) F =e AA F AA - B (6) :Yalıtım yaşlamasıı hızladırma faktörü B :Yaşlama oraı sabiti (15000) :Nomial sargı sıcaklık artış (Eğer W/A,R =55ºC ise 95ºC, W/A,R =65ºC ise 110ºC dir)
Eğer F AA ı değeri 1 de büyük ise, hızlı yaşlama söz kousu olur ve e sıcak okta sıcaklığı 110 ºC de daha fazla olur. Yalıtım ömrü birikimli bir süreç olduğu içi eşdeğer yaşlama faktörü, toplam geçe süre boyuca, farklı zama aralıklarıı toplamıı ortalaması alıarak şu şekilde ifade edilebilir. F = EQA F EQA Δt N N F AA =1 N =1 Δt Δt (7) :Tüm zama periyodu içi eşdeğer yaşlama faktörü :1 saat içideki zama aralığı :Zama aralıklarıı toplam sayısı F AA, :Δt zama aralığı süresice devam ede sıcaklık değeri içi yaşlamayı hızladırma faktörü 5- SONUÇ Ülkemizde TEİAŞ a ait 000 civarıdaki trasformatörde üst yağ sıcaklığı mekaik basit bir termometre ile ölçülebilmektedir. E sıcak okta sıcaklığı ise büyük bir kısmıda ölçülememektedir. IEEE stadartlarıa göre tahmi yapılabilmektedir. Trasformatörleri yükleme yötemi, e sıcak-okta sıcaklık hesabıa dayaarak yapılmaktadır. E sıcak-okta sıcaklığı, yalıtım katı malzemesii ormal koşullar altıda beklee faydalı ömrüü sağlayacak şekilde hesaplaır. Yalıtım malzemesii yaşlama hızı her 6 ºC sıcaklıkta iki katıa çıkmaktadır. Bu kouda, serbest ortamda çalışa trasformatörler içi IEC ve IEEE stadartlarıı suduğu yötemler temel alımaktadır. Bu yötemlerde, trasformatörleri yükleebilme kapasitelerii hesaplamasıyla ilgili açıklamalar bulumaktadır. IEEE Std. C57.1.00 e göre 60-65 ºC lik bir trasformatör, 30 ºC lik ortam sıcaklığıda ve ama gücüde e sıcakokta sıcaklığı 110 ºC dir. Burada ormal koşullar altıda e sıcak-okta sıcaklığıı, üst-yağ sıcaklığıı 0ºC üzeride olduğu görülmektedir. So yıllarda lieer olmaya akım çeke yükleri sayısı hızla artmıştır. Lieer olmaya akım çeke yükleri sayısıı artması, mevcut sistemlerde eerji kaliteside değişikliklere ede olmuştur. Ayı zamada lieer olmaya yükleri besleye trasformatörlerde harmoikli akımlar trasformatörlerde kayıpları artmasıa ede olmaktadır. Çalışma souçlarıda da görüldüğü gibi bu kayıplar ısı artışıı doğruda etkilemektedir. Bu hususlar dikkate alıdığıda; harmoikli yükleri azaltılması, harmoikleri elemesi ve trasformatörleri yüküü harmoik durumua göre seçilmesi başlıkları dikkat çekmektedir. KAYNAKLAR 1- IEEE Std C57.91-1995 IEEE Guide for Loadig Mieral-Oil-Immersed Trasformers - C57.91 TM -1995/Cor 1-00 3- IEEE Std C57.110-008 IEEE Recommeded ractice for Establishig Liquid-Filled ad Dry-Type ower ad Distributio Trasformer Capability Whe Supplyig Nosiusoidal Load Currets 4- Yağlı Tip Trasformatörleri Doğrusal Olmaya Diamik Termal Modellemesi-010 Yüksek Lisas Tezi - Ali Mamizadeh-Gazi Üiversitesi 5- Trasformer Hot Spot Temperature Calculatio usig IEEE Loadig Guide 008- Mohd Taufiq Ishak ad Zhogdog Wag