Dış ortamlarda kullanılabilir kuru tip transformatörün grafen temelli ısıl analizi
Graphene based thermal analysis of dry-type transformers that can be used in outdoor environments
Yazar: MURAT TÖREN
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ÇELEBİ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Enerji verimliliğindeki önemi giderek artan transformatörlerin tasarımında ısı, elektriksel izolasyonu bozup arızalara sebep olması nedeniyle önemli bir faktördür. Transformatörlerin faydalı ömrü, tasarımında ve imalatında kullanılan malzemelerin ömürleri ile doğru orantılıdır. Transformatörlerin soğutulma tiplerine göre çeşitleri arasında yer alan kuru tip transformatörlerde de ısı hem arızalara hem de faydalı ömrün azalmasına, kullanılan malzemelerin yaşlanmasını hızlandırmasına neden olan parametrelerdendir. Transformatörlerde meydana gelen ısı transformatörün çekirdek ve sargı kısımlarında oluşan demir ve bakır kayıpları sebebi ile oluşur. Kuru tip transformatörlerde meydana gelen ısınma problemi ve güneşin yakıcı etkilerine maruz kalacak olan sargı yalıtımı, bu transformatörlerin yağlı tip transformatörlerin yerine dış ortamlarda kullanılamamasında önemli bir sebeptir.
Bu çalışma ile kuru tip transformatörlerin hem yağlı tip transformatörler gibi dış ortamlar da kullanımının yaygınlaşması hem de kuru tip transformatörlerdeki faydalı ömrün artırılmasını sağlamak amaçlı bir mahfaza tasarlanmıştır. Bu tasarımda, standartlarla belirlenmiş değerlerde ve transformatörün içerisinde kullanılan yalıtım malzemelerinin ömürlerinin artırılması amaçlanmıştır. Yalıtım malzemelerinin ve dolayısıyla transformatörün ömrünün artırılmasında kuru tip transformatörün yalıtımına ek olarak, son yıllarda geliştirilen ve ısıl iletkenliği ile popüler olan grafen malzemesi eklenmiştir. Çalışmada kullanılan 1500VA gücündeki kuru tip transformatör Ansys Maxwell ile elektromanyetik analiz edilmiş ve buradan elde edilen kayıp değerleri ile Ansys Fluent paket programları kullanılarak ısıl analizler sonucunda sıcaklık değerleri bulunmuştur. Bu değerler deneysel olarak termal kamera ile ölçülen kuru tip transformatör ısıl değerleriyle karşılaştırılmıştır. 
Yeni tasarıma sahip mahfazalı kuru tip transformatör, yeni mahfazaya sahip grafen kullanılan kuru tip transformatör, iç ortamda kullanılan kuru tip transformatör ve dış ortamda kullanılan ticari yağlı tip bir transformatörün ısı değerleri farklı soğutma sistemleri uygulanarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara bağlı olarak bu tez ile tasarlanan mahfazalı kuru tip transformatörlerin ve grafen yalıtımlı kuru tip transformatörlerin ısıl değerlerinin dış ortamda da kullanılabilirlik açısından uygun olduğu saptanmış ve yağlı tip transformatörlere muadil olabilecekleri görülmüştür.

Abstract:
Heat is an important factor in the design of transformers, which are becoming increasingly important in the field of energy efficiency, as they break down electrical insulations and cause breakdowns. The lifetime of transformers is directly proportional to the life of the materials used in their design and manufacture. In dry type transformers, which are among the types of transformers according to their cooling types, heat is a parameter that causes both the breakdown and the lifetime to decrease and accelerate the aging of the materials used. The heat coming from the transformers is the iron and copper losses that occur in the transformer core and winding parts. Thermal problems in dry type transformers and winding insulation that will be exposed to sunburn effects are an important reason for not being able to use these transformers in outdoor environments instead of oil immersed transformers.
In this study, a cover has been designed to increase the usage of dry type transformers in outdoor environments such as oil immersed transformers as well as to increase the life time in dry type transformers. In this design, it is aimed to increase the life of the insulation materials used in the values determined by the standards and within the transformer. In addition to the insulation of the dry type transformer, graphene material developed in recent years and popular with thermal conductivity has been added to increase the life of insulation materials and therefore the transformer. The 1500VA dry type transformer used in the study was electromagnetically analysed with the Ansys Maxwell dry type transformer and the temperature values were found as the result of the thermal analyses using the loss values obtained there and Ansys Fluent package programs. These values are compared with the dry type transformer thermal values measured experimentally by the thermal camera.
The temperature values of the dry type transformer with a new design cover dry type transformer, the graphene with a new design cover, the indoor type dry type transformer and the outdoor type commercial oil immersed transformer were compared by applying different cooling systems. Therefore, it has been determined that the thermal values of the enclosed dry type transformers and the graphene insulated dry type transformers designed in this thesis are suitable for outdoor use and are likely to be equivalent to oil type transformers