Doğal soğutmalı silindirik sargılı dağıtım transformatörlerinin ömür hesabında en sıcak nokta sıcaklığı hesabının geliştirilmesi
Development of a hot-spot temperature calculation for life estimation of a natural cooling cylindirical winding distribution transformers
Yazar: AHMET YİĞİT ARABUL
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ŞENOL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Güç transformatörü = Power transformer

Özet:
Transformatörler enerji iletim hatlarında kullanılan en önemli ve yüksek maliyetli elemanlardan biri olup beklenen işletme ömürleri ortalama 30 senedir. Ancak, çekirdek ve sargıları barındıran aktif kısımda arızalar meydana gelmesi halinde, transformatörün tamiri ancak üretici tesislerinde gerçekleştirilebilmektedir. Dolayısıyla arızanın giderilmesi uzun sürmekte bununla birlikte sargı değişimi de gerekeceği için ekonomik olmamaktadır. Transformatörlerin, belirli parametrelerindeki değişimler çevrimiçi takip edilerek, geliştirilen algoritmalar yardımı ile ömür tahminleri gerçekleştirilebilmektedir. Bu sayede oluşabilecek arızalardan önce transformatöre müdahale edilerek ciddi ekonomik kayıpların önüne geçilebilmektedir.
Bu amaçla transformatör üreticileri tarafından birçok izleme sistemi geliştirilmiştir. Bu izleme sistemlerinin ortak yanı, transformatörün çalışması esnasında bazı parametreleri belirli zaman aralıklarında toplaması, uygun algoritmalar vasıtası ile işleyebilmesi ve transformatör ömrünü hesaplayabilmeleridir.
Transformatör ömür hesabı yapılırken en önemli parametre en sıcak nokta sıcaklığıdır. En sıcak nokta sıcaklığı, sargı üzerinde joule kayıpları ve girdap akımları neticesinde oluşan ısının ve yağ sıcaklığının bir fonksiyonu olup sargı üzerindeki en yüksek sıcaklığı tarif etmektedir. En sıcak nokta yalıtım malzemesinin en çok zorlandığı yerdir. Bir başka deyişle transformatörlerde kullanılan doğal selüloz bazlı yalıtım malzemesinin mekanik yük taşıma kapasitesi sıcaklığın bir fonksiyonudur ve artan sıcaklık ile yük taşıma kapasitesi logaritmik olarak azalmaktadır. Bu durum International Electrotechnical Commission standartlarında "Eğer bir yalıtım malzemesinin yük taşıma kapasitesi, sıcaklığın beraberinde getirdiği yaşlanma etkileri neticesinde, başlangıçtaki yük taşıma kapasitesinin yarısına düşerse malzeme tamamen yaşlanmış ve ömrünü tamamlamıştır." şeklinde ifade edilmiştir. Yapılan testler ve gözlemler neticesinde çeşitli yalıtım malzemeleri için ampirik formüller oluşturulmuş ve standartlarda tanımlanmıştır. Dolayısıyla, en sıcak nokta sıcaklığının doğru tahmin edilebilmesi ile transformatör ömrü hesaplanabilmektedir.
Gerçekleştirilen tez çalışmasında; ilk olarak ülkemizde en çok kullanılan transformatör izleme sistemlerinden bir tanesinin çalışması detaylı olarak incelenmiştir. Bu amaçla en sıcak nokta sıcaklığı hesaplanmalarında kullanılan algoritmanın tespiti için bir deney düzeneği hazırlanmış ve farklı koşullar için testler yapılmıştır. 
Tezin ikinci aşamasında ise 1,5 MVA'lık bir dağıtım transformatörüne ait detaylı çizimler hazırlanarak bu transformatörün benzetim çalışmaları ve imalatı yapılmıştır. Sonlu elemanlar analiz yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilen benzetim çalışmaları sonucunda transformatöre ait en sıcak nokta sıcaklığının oluşabileceği kritik noktalar belirlenerek bu noktalara fiber optik sıcaklık sensörleri yerleştirilmiştir. Transformatöre ait genel testler yapıldıktan sonra; transformatörün sıcaklık değişimi, toplam kayıp ve nominal akım baz alınarak farklı yüklenme koşullarına göre incelenmiştir.
Son olarak ise, elde edilen veriler doğrultusunda test edilen transformatör için en sıcak nokta sıcaklığı ek algoritmalar ile düzeltilerek, izleme sistemlerinde kullanılan ömür kaybı hesapları iyileştirilmiştir.
Sonuç olarak gerçekleştirilen testlerde, ölçülen gerçek değerler ile transformatör izleme sistemlerinde kullanılan International Electrotechnical Commission standartlarındaki en sıcak nokta sıcaklığı hesaplama yöntemi arasında kayda değer farklar olduğu tespit edilmiştir. Bahsi geçen bu fark ömür tahmininde %50'ye ulaşan hatalara sebep olmaktadır. Geliştirilen algoritmalar ile bu oran %0,8'e kadar düşürülerek çok daha doğru ömür tahmini yapılmasına olanak sağlamıştır.

Abstract:
Transformers are one of the most important and high cost components in energy transmission with an approximately 30 years expected life time. Faults which may occur in the active part which includes the core and the windings of a transformer can only be repaired in the manufacturer's facilities. Therefore the repair time is extremely long and also the winding renewal is not cost effective. Life time estimations of transformers can be achieved with the help of developed algorithms by online tracking of the variations in specific transformer parameters.
The online monitoring of the specific parameters of the power transformers and processing these parameters using specifically developed algorithms will help the power transformer to last for the expected service life. This will also help to foresee the possible failures and take the necessary measures, thus preventing these particular failures to occur. Thus, maintenance of the transformer is done before the fault occurs by this way higher expenses prevented. For this purpose so many types of transformer monitoring systems are developed by the manufacturers. All the common points of this mentioned monitoring systems are; they store the specific transformer parameters in periodic time intervals, process them with appropriate algorithms and calculate the life time of the transformer by this way.
The hot-spot temperature is the most important parameter for the life time calculations. Hot-spot temperature; which is a function of oil temperature and the heat generated as a result of joule losses and eddy current, is the temperature of the hottest point in the windings. In the windings hot-spot is the point where the highest stress occurs. In other word mechanical load bearing capacity of natural cellulose based insulation material is a function of heat and it is logarithmically decreasing with the increasing temperature. This is defined in International Electrotechnical Commission standards as "If, the load bearing capacity of an insulation material decreases to half of the load bearing capacity of the unused insulation material, it indicates that the material is completely aged and its service life is expired".  
As a result of tests and analysis several empirical formulas are defined in standards for several kinds of materials. Thus, life time of transformers can be estimated by accurate estimation of hot-spot temperature.
In this dissertation; first of all on of the most commonly used transformer monitoring system in Turkey is investigated in detail. For this purpose an experimental set up is prepared to determine the algorithm that used in hot-spot temperature calculations and several tests for several conditions are done.
In the second part drawings of a 1.5 MVA distribution transformer is prepared and also it is simulated and manufactured. Fiber optic temperature sensors are located into critical points where the hot-spot temperature can be observed according to finite element analysis. After routine tests are done, the variation of the transformer temperature is observed for several loading conditions in the tests based on total losses and nominal current values.
In the last stage; the life time calculation used in transformer monitoring systems is improved by the correction of hot-spot temperature by using additional algorithms generated from the experimental results.
As a result significant variance is determined between the values of hot-spot temperature measured from experimental results and calculated by using the algorithm in International Electrotechnical Commission standards that are commonly used in transformer monitoring systems.  This mentioned variance causes an error in life time calculations up to 50%. More accurate life time calculations are done by reducing the error up to 0.8% percent with the help of developed algorithms.