Farklı yüksek gerilim tiplerinin yalıtım yağlarının dielektrik dayanımlarına etkisinin incelenmesi
Investigation of effects of different high voltage types on di̇electric strength of insulating oils
Yazar: FATİH ATALAR
Danışman: DOÇ. DR. AYSEL ERSOY ; DOÇ. DR. PAWEL ROZGA
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Delinme gerilimleri = Breakdown voltages ; Deşarj = Discharge ; Dielektrikler = Dielectrics ; Dönüştürücüler = Transformers ; Nano parçacık = Nano particles

Özet:
Sıvı dielektrikler birbirlerinden farklı yapıya sahip olmalarına karşın kullanıldıkları elektriksel ekipmanlarda aynı görevleri gerçekleştirmek üzere kullanılmaktadırlar. Transformatörlerde kullanılan yalıtım yağlarının, benzer koşullarda farklı gerilim türleri altındaki yalıtım performansları dielektrik dayanımları açısından önemli bilgiler verecektir. Bu çalışmada mineral yağ, doğal ester yağ ve sentetik ester yağ olmak üzere üç farklı sıvı dielektrik test edilmiştir. Mineral yağ olarak Nytro TAURUS, doğal ester yağ için MIDEL en1204 ve sentetik ester yağ için MIDEL 7131 yağları kullanılmıştır. AC ve negatif DC gerilim altındaki testleri ASTM D1816-12 ve ASTM D877/87M-19 standartları gereğince disk ve VDE tip elektrotlar kullanılarak 2.5 mm, 2 mm ve 1 mm elektrot açıklıklarında gerçekleştirilmiştir. Darbe gerilimi testleri ise IEC 60897 no'lu standart kapsamında yapılmıştır. AC elektrik alan stresi altında delinmeden önceki 500 ms'lik akım verisi Ampirik Mod Ayrıştırması (Empirical Mode Decomposition-EMD) ve Değişken Mod Ayrıştırması (Variational Mode Decomposition -VMD) yöntemleri kullanılarak ayrıştırılmıştır. Bu sayede elektriksel tam delinmeden önceki süreç analiz edilmiştir. Ayrıca sıvı yalıtkanların delinme dayanımlarına nano parçacıkların etkisini incelemek amacıyla bu yağlara bakır ve demir tozları eklenip uygun şekilde karıştırılmıştır. Gerilim bölücü üzerinden elde edilen akım sinyallerinden 0-1 kHz frekans bandındaki harmonik değerler hesaplanmıştır. Bu harmoniklerin toplam bozucu etkisi de hesaplanarak yağlar kendi aralarında dielektrik dayanım açısından karşılaştırılmıştır. AC ve negatif DC elektrik alan stresi altında sentetik ester yağ en yüksek dielektrik dayanıma sahip olsa da darbe geriliminde mineral yağ en dayanıklı sıvı dielektrik olarak ölçülmüştür. Ayrıca mineral yağın AC ve negatif DC gerilim altındaki kararlılığının da hesaplanan standart sapma değerlerinden iyi olduğu görülmüştür. Ancak özellikle sentetik ester yağın dielektrik performans olarak mineral yağa önemli bir üstünlüğü bulunmaktadır. Bakır parçacıkların delinme dayanımını düşürücü etkisi yapılan deneylerle ortaya koyulmuştur. Ancak demir tozlarının etkisi her yağ ve elektrot açıklığı için değişim göstermiştir.  Bu durum, elektriksel ekipmanlarda sıvı dielektrik seçiminin birden çok parametreye bağlı kombine bir değerlendirme neticesinde seçilmesi gerektiğini göstermektedir.

Abstract:
Although liquid dielectrics have different structures from each other, they are used to perform the same tasks in the electrical equipment they are used in. Insulation performances of liquid dielectrics used in transformers under different voltage types under similar conditions will provide important information in terms of dielectric strength. In this study, three different transformer oils, mineral oil, natural ester oil and synthetic ester oil were tested. Nytro TAURUS as mineral oil, MIDEL en1204 for natural ester oil and MIDEL 7131 oil for synthetic ester oil are used. Tests under AC and negative DC voltage are performed at electrode gaps of 2.5 mm, 2 mm and 1 mm using disk and VDE type electrodes as per ASTM D1816-12 and ASTM D877/87M-19 standards. The impulse voltage tests are performed under standard IEC 60897. The current data of 500 ms prior to breakdown under AC electrical field stress is decomposed using the Empirical Mode Decomposition (EMD) and Variational Mode Decomposition (VMD) methods. This analyzes conducted the process before the full electrical discharge. In addition, to examine the effect of nanoparticles on the dielectric strength of liquid Although liquid dielectrics have different structures from each other, they are used to perform the same tasks in the electrical equipment they are used in. Insulation performances of liquid dielectrics used in transformers under different voltage types under similar conditions will provide important information in terms of dielectric strength. In this study, three different transformer oils, mineral oil, natural ester oil and synthetic ester oil were tested. Nytro TAURUS as mineral oil, MIDEL en1204 for natural ester oil and MIDEL 7131 oil for synthetic ester oil are used. Tests under AC and negative DC voltage are performed at electrode gaps of 2.5 mm, 2 mm and 1 mm using disk and VDE type electrodes as per ASTM D1816-12 and ASTM D877/87M-19 standards. The impulse voltage tests are performed under standard IEC 60897. The current data of 500 ms prior to breakdown under AC electrical field stress is decomposed using the Empirical Mode Decomposition (EMD) and Variational Mode Decomposition (VMD) methods. This analyzes conducted the process before the full electrical discharge. In addition, to examine the effect of nanoparticles on the dielectric strength of liquid insulators, copper and iron powders are added to these oils and mixed appropriately. The harmonic values in the 0-1 kHz frequency band are calculated from the current signals obtained over the voltage divider. By calculating the total distortion effect of these harmonics, the oils are compared among themselves in terms of dielectric strength. Although synthetic ester oil has the highest dielectric strength under AC and negative DC electrical field stress, mineral oil has been measured as the most resistant liquid dielectric at lightning impulse voltage. In addition, stabilization of mineral oil under AC and negative DC voltage is also seen to be good with the help of calculated standard deviation values. However, synthetic ester oil has a significant advantage over mineral oil, especially as dielectric performance. It has been demonstrated by experiments the breakdown voltages are generally reduced because of the copper nano-particle effect. However, the effect of iron powders varied for each oil and electrode gap. This indicates that liquid dielectric selection in transformer must be carried through as a combined evaluation of multiple parameters.