Katı yalıtkanlardaki elektriksel zorlamalar ve ömür saptaması
Electrical stresses in solid insulators and life prediction
Yazar: SUAT İLHAN
Danışman: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2005
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik enerjisinin kullanımındaki artış, beraberinde yükselen iletim gerilimleri ve dolayısıyla akım taşıyan iletkenleri birbirinden yalıtmak için en ekonomik ve en etkin yalıtım sisteminin kullanımını zorunlu hale getirmiştir. Çalışma koşullarına bağlı olarak, elektriksel yalıtım sistemleri, elektriksel, mekanik, ısıl, çevresel ve ara sıra da geçici zorlanmalara maruz kalırlar. Bu zorlanmalar' sonucunda yalıtım sisteminde meydana gelecek arızalar sistemin verimliliğini ve güvenilirliğini azaltacaktır. Bu sebepten, yalıtım sistemleri üzerinde yaşlanma durumunu belirleyebilmek için yapılan tam( diagnostic) ve durum izleme çalışmaları üzerinde önemli artışlar olmuştur. Bu çalışmalar öngörülü bakım planlarının geliştirilmesi için yalıtım sistemlerinin ömür tahminleri ve performansları üzerine yoğunlaşmıştır. Uygulamada çok farklı türde yalıtım yapılarının kullanılması ve bu yapılarda meydana gelen yaşlanma durumlarında ki karmaşıklıktan dolayı, güvenilir ve kesin tanısal planların sağlanması için bir çok elektriksel ve elektriksel olmayan işaret gereklidir. Bu işaretler genellikle üç kısma ayrılabilir: 1. Yalıtım direnci, kutuplanma indeksi ve kaçak akım değeri gibi doğru gerilim deneyleri, kısmi boşalma, radyo frekans karakteristikleri, kapasite ve kayıp faktörü (tan8) gibi alternatif gerilim deneyleri, 2. Mekanik yorulma ve ısıl bozulma gibi fiziksel olaylar, 3. Kimyasal reaksiyonlar sonucu oluşan yan ürünler gibi kimyasal değişimler. Değişik ölçüm yöntemleri yardımıyla, normal çalışma koşullarında yalıtım sisteminde meydana gelen bozulmaları değerlendirebilmek için yukarıdaki parametrelerden birçoğunun davranışı üzerine yapılan çalışmalar devam etmektedir. Bu çalışmalar sonucunda, bu parametrelerden bazılarının yalıtım sisteminin bozulma xudurumunu tanımlamada kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Diğer taraftan, elektriksel deneyler içerisinde yer alan ve yalıtım kalitesini belirlemek için kullanılan kısmi boşalma ölçümlerinin yalıtım yapılarının bozulmaları ile ilgili güvenilir ölçümler sağladığı görülmüştür. Son zamanlarda, kısmi boşalmaların oluşumu, genliği ve diğer karakteristik büyüklüklerinin yalıtım sisteminin çalışma ömrünü nasıl etkilediğini belirtmek için yapılan çalışmalarda önemli artışlar olmuştur. Kısmi boşalma ölçümleri ve ölçüm sonuçlarının yorumlanması, yüksek gerilim sistemlerinin güvenilirliliğinin geliştirilmesi için gerekli parametreler olarak düşünülebilir. Çünkü, kısmi boşalmalar neticesinde, yalıtım kusurları algılanabilir, tanımlanabilir ve arıza riskleri ölçülebilir. Kısmi boşalma ölçümleri gibi tanısal deneyler yapılarak bir yalıtım sisteminin ömrünü tayin edebilmek için genellikle hızlandırılmış yaşlanma deneylerine başvurulur. Bu deneylerden, normal çalışma koşullarındaki ömür verilerini e}de etmek için matematiksel modellere ihtiyaç duyulur. Bir yalıtım sistemi belirli bir değerden daha yüksek değerde kısmi boşalma değeri gösteriyorsa o yalıtım sistemi yaşlanmış olarak düşünülebilir. Yaşlanma sürelerindeki istatistiksel dağılımdan dolayı, her bir zorlanma seviyesinde bir çok deney numunesi deneye tabi tutulmalıdır. Deney sonuçlarının farklılıklar göstermesi, deney verilerinin birkaç parametreye indirgenmesine imkan sağlayan istatistiksel modellerin ve istatistiksel veri anketlerinin kullanımım zorunlu kılmıştır. Bu tez çalışmasında, epoksi reçineden imal edilmiş, birbirinin aynı deney numuneleri üzerinde yapılan kısmi boşalma temelli hızlandırılmış yaşlanma deneyleri üzerinde durulmuştur. Uygulanan gerilimlerin genlikleri ve etki süreleri değiştirilerek ölçümler tekrarlanmıştır. Belirli bir değerden daha yüksek kısmi boşalma gösteren deney numunelerine ait yaşlanma deney verileri bazı teknik problemler nedeniyle henüz tam olarak elde edilememiştir. Bu nedenle, örnek deney verileri üzerine yapılan istatistiksel veri analizi üzerinde durulmuştur. Örnek deney verilerini temsilen Lognormal olasılık dağılımı kullanılmış ve hızlandırılmış deney verilerinden deney numunelerine ait normal çalışma koşullarındaki ömürleri tayin etmek için Eksi Üs Modeli (Inverse Power Model) kullanılmıştır. Model parametrelerinin hesaplanması için En Küçük Kareler yöntemi kullanılmış ve deney numunelerine ait ömürler belirli güven aralıkları içerisinde hesaplanmıştır. xııı

Abstract:
Continuous increase in consumed electrical power has brought the necessity of higher transmission voltages. Consequently, implementation of economical and effective insulation systems because one of the most important issue in electrical engineering. Depending upon the operating condition, insulation systems are subjected to electrical, thermal, mechanical, environmental contamination, and, occasionally to transient stresses. The electrical breakdown of the insulation systems under these circumstances weakens the reliability and cost effectiveness of electrical systems. Therefore, diagnostic and condition monitoring of the insulation structure has gained growing interest and has become the focus of many research programs in order to characterize the ageing processes involved. These programs are often directed toward performance and life estimation of insulation systems in order to develop condition- based maintenance schemes. It is now recognized that because of the complexity of the ageing phenomena involved and the wide range of insulation types and structures used in practical situation, a plurality of electrical and non-electrical signatures is needed to provide a reliable and conclusive diagnostic scheme. These signatures, in general, fall into three catagories; 1. Electrical measurements such as partial discharge activity, radio frequency characteristics, DC tests (insulation resistance, polarization index, leakage current and DC dielectric absorption, AC tests (capacitance, dissipation factor (tan5)), etc. 2. Physical phenomena such as mechanical fatigue and erosion of coating, thermal degradation, 3. Chemical agencies such as byproduct from chemical reactions. xivThrough on-line and off-line measurement techniques, the behavior of many of these parameters and signatures have been studied to assess the deterioration process of the insulation under operating conditions. While some of these parameters were found reliable indicators of transitions in the deterioration mechanism of the insulation material, some measurements are not proven to be sensitive or to contain a significant amount of information about the health of insulation. On the other hand, partial discharge characterization is among the electrical tests which are performed to ensure the quality are shown to provide reliable measurements to the extent of the insulation deterioration. Over the past four decades, considerable research effort has been expended in relating the occurence, magnitude and other characteristics of partial discharge to the reduction in working life of the insulation. Partial Discharge (PD) measurements and interpretation are considered essential tools for improving the reliability of high voltage insulation systems, because of their ability to detect and identify insulation defects and assess the risk of failures involved. In order to predict the life of insulation systems based on diagnostic tool (such as partial discharge) at normal operating stresses, generally, relatively rapid tests (accelerated testing ) performed at higher than normal operating stress. Life prediction at normal stresses requires a mathematical model to extrapolate the accelerated ageing data to lower stresses. In partial discharge test, life is defined to end when the insulation has a partial discharge magnitude above a set level. The high variability in ageing lifetimes requires that many specimens be tested under each set of stress conditions. Since the results are so variable, statistical models and statistical data analysis are used to summarize a set of test condition into two or three parameters which are an objective indication of the average life. In this thesis, accelerated ageing test on apparantly identical epoxy resin test specimens based on partial discharge measurement was introduced. As voltage levels increased, accelerated ageing test was performed. Partial discharge tests were repeated for different voltages and exposure times. Ageing test data for test specimes were not obtained because of some technical problems. For this reason, statistical data analysis for sample test results were given. In order to represent the sample test result, lognormal probability distribution was used and to predict the life under xvnormal operating conditions from accelerated ageing test data, Inverse Power Model was selected. With the help of Least Square Method, model parameters was calculated and lifetimes for test specimens was obtained in some confidence interval. xvi