Yüksek gerilim model transformatöründe frekansa bağlı kayıp katsayısının yalıtkanlık analizi
Insulation analysis of frequency-dependent dissipation factor in high voltage model transformer
Yazar: ONUR KAYA
Danışman: PROF. DR. ŞÜKRAN EMEL ÖNAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Güç trafolarının günümüz enerji dünyasında büyük bir öneme sahip olduğu
bilinmektedir. Bu cihazlar oldukça pahalı olmasının dışında sürekli bakıma ihtiyaç
duyan elektrik ekipmanlarından biridir. En çok bakıma ihtiyaç duyulan kısmı ise
şüphesiz yalıtım sistemleridir. Yağlı kağıt yalıtım sistemleri normal çalışma esnasında
bile bozulabilmektedir. Eğer bu bozulmalar zamanında fark edilemezse beklenmeyen
arızalar ve plansız elektrik kesintisi gibi durumların dışında, yangın gibi felakete de
yol açabilir.
Günümüzde hâlâ kullanılmakta olan çok sayıda eskimiş trafo vardır. Eğer bu trafolar
çalışabilecek durumdalarsa ömürlerinin uzatılması ve çalışmaya devam etmelerinin
sağlanması maliyet açısından önemlidir. Bunu yapmanın yolu da trafonun izolasyon
kalitesini arttırmaktan geçmektedir. Eğer biz trafonun izolasyon durumunu
öğrenebilirsek, trafonun ömrü ile ilgili daha iyi bilgi sahibi olabiliriz. İşte bu yüzden
trafoların yalıtım durumunu öğrenebilmek için bazı yöntemler bulunmuştur(RVM,
PDC). Bu yöntemlerin birbirlerine göre bazı avantajları ve dezavantajları olduğu tespit
edilmiştir ve araştırmalara devam edilmiştir. En son olarak FDS(frekans alan
spektroskopisi) yöntemi geliştirilmiştir. FDS yönteminin diğer iki yönteme göre
üstünlükleri bulunmaktadır.
Bu çalışmada genel anlamda trafo sargılarından, trafo arızalarından ve nedenlerinden,
trafo korumalarından bahsedilmiştir. Bazı koruma cihazları tanıtılmıştır. Ayrıca
yukarıda söylenen yöntemlerin avantajlarından ve dezavantajlarından karşılaştırmalı
olarak bahsedilmiştir. Farklı yağ oranlarına sahip bir pancake model transformatör
geliştirilmiştir. Bu pancake transformatörünün yağ oranları % 85 ila % 0 arasında
değişiklik göstermektedir. FDS yöntemi ile pankek deney transformatöründe farklı
yağ oranlarında kayıp faktörü ve güç faktörü ölçümleri alınmıştır. Bu ölçümler analiz
edilmiştir. Pancake deney transformatöründe sabit gerilim altında, farklı frekanslarda
kayıp faktörü, güç faktörü, imajiner(sanal) kapasite ve reel (gerçek) kapasite ölçümleri
alınmıştır.
Frekans ile kayıp faktörü, güç faktörü, imajiner (sanal) ve reel (gerçek) kapasite
değişimleri analiz edilmiştir. Ayrıca nemin, sıcaklığın ve yaşlanmanın da kayıp
faktörü ve güç faktörü üzerindeki etkileri yardımcı ölçütler ile değerlendirilmiştir.
Frekans büyüklüğünün kayıp faktörünü değerlendirme açısından önemine vurgu
yapılmıştır.
Bununla birlikte kayıp faktörü ve güç faktörünün eşdeğer devre ve vektör diyagramı
yardımıyla birbirleriyle ilişkisinden bahsedilmiştir. Bu iki olgunun düşük, orta ve
yüksek frekanslarda davranışının nasıl olduğu bilinmelidir. FDS yöntemine hâkim
olabilmek için bu iki olgunun anlaşılması çok önemlidir.
Yapılan çalışmalarda FDS ile, yalıtım malzemesindeki bozulmanın tam olarak çevre
koşulundan mı yoksa yalıtım bozulmasından mı kaynaklandığı ayırt edilebilmektedir.
Deney sonuçları, sıcaklığın ve yaşlanmanın yalıtım malzeme üzerindeki etkisinin FDS
sonuçlarını düşük frekanslarda etkilediği görülmüştür. Düşük frekanslarda yapılan
çalışmalarda kayıp faktörü, güç faktörü, imajiner(sanal) kapasite ve reel(gerçek)
kapasite değerlerinin ölçüm sıcaklığı ve yaşlanma süreleri ile birlikte doğru orantılı olarak arttığı görülmüştür. Ayrıca trafo yalıtımındaki yağ oranı azaldıkça
imajiner(sanal) kapasite, reel(gerçek) kapasite ve kayıp faktörü değerlerinin de
azaldıkları görülmektedir. Farklı gerilimler uygulanarak (50 V, 75 V, 100 V, 140 V)
imajiner(sanal), reel(gerçek)kapasite ve kayıp faktörü değişimleri incelenmiştir.
Kapasite eğrilerinin farklı gerilimler altında neredeyse aynı eğrilere sahip olduğu
gözlenmiştir. Kayıp faktöründe ise gerilim arttıkça eğrilerin tepe değerlerinin daha
yüksek frekanslarda olduğu görülmüştür.
Aynı bağlantı noktası ve eşit gerilimler(140 V) altında farklı sargı yerlerinin ölçümleri
alınıp grafikleri çizdirilmiştir. CL ve CH için kayıp faktörü, kapasite ve güç faktörü
eğrilerinin benzerlik gösterdikleri söylenebilir. Kayıp faktörü ve güç faktörü 0.1 Hz
seviyelerinde tepe noktasına ulaşmıştır. C1H1, C1H2, C1H3 için kayıp faktörü,
kapasite ve güç faktörü eğrileri ile C2H1, C2H2, C2H3 eğrilerinin benzer oldukları
söylenebilir. Fakat CHL için kayıp faktörü, kapasite ve güç faktörü eğrileri diğer
durumlardan biraz ayrışmaktadır. CHL'de kayıp faktörü ve güç faktörünün tepe
noktası yaklaşık olarak 0.1 Hz de, kapasitenin ise 0.001 Hz seviyelerinde
gözükmektedir.
Yapılan ölçümler ile tüm bağlantı şekillerinde (CH-B, DG-CH, E-DG ve F-E) ve tüm
sargı yerlerinde(CHL, CH, CL, C1H1, C1H2, C1H3, C2H1, C2H2 ve C2H3) güç
faktörü, kapasite ve kayıp faktörü eğrilerinin yüksek frekans aralığında birbirlerine çok
yakın oldukları bulunmuştur. Ancak bu değerler düşük frekanslarda farklılık
göstermişlerdir. Yani bizim için belirleyici olan düşük frekanslardır.
Frekans alanı spektroskopisi (FDS), diğer yalıtım teşhis yöntemlerinden(RVM, PDC)
daha az gürültülüdür ve transformatörün şeklinden bağımsızdır. Ayrıca dış
faktörlerden de en az etkilenen ölçüm yöntemidir. Bu nedenle FDS'nin en etkili ölçüm
yöntemi olduğu söylenebilir.

Abstract:
It is known that power transformers are of great importance in today's energy world.
These devices are quite expensive and require constant maintenance. The most
maintenance-requiring zone is insulation systems. Oily paper insulation systems can
be breakdown even during normal operation. If these failures cannot be noticed in
time, they can lead to disaster, such as fire, as well as unexpected failures and
unplanned power outages.
There are many old transformers still in use today. If these transformers are capable of
working, it is important to extend their life and ensure that they continue to work. The
way to do this is to increase the insulation quality of the transformer. If we can learn
the isolation status of the transformer, we can have better information about the life of
the transformer. That's why researchers found some methods to learn the insulation
status of transformers (RVM, PDC). These methods have some advantages and
disadvantages compared to each other, and research has been continued. Finally, FDS
(frequency domain spectroscopy) method was developed. The FDS method has
advantages over the other two methods.
In this study, the transformer windings, transformer protection, transformer failures
and the reasons of transformer failures are mentioned. Some protection devices have
been introduced. In addition, the advantages and disadvantages of the aforementioned
methods are mentioned comparatively. A pancake model transformer with different
oil ratios has been developed. The oil content of this pancake transformer ranges from
85% to 0%. The dissipation factor and power factor measurements were taken in
Pancake test transformer by using FDS method. These measurements were analyzed.
On pancake test transformer under constant voltage, loss factor, power factor,
imaginary capacity and real capacity measurements were taken at different
frequencies. These values for DG-CH are power factor 0.0053475, dissipation factor
0.0053476, real capacity 2.8319E-9 and imaginary capacity is 1.5138E-11. Values for
E-DG are power factor 0.005547, the dissipation factor is 0.0055471, the real capacity
is 2.4056E-9 and the imaginary capacity is 1.3344E-11. Values for F-E are power
factor 0.0044075, the loss factor is 0.0044075, the real capacity is 4.8008E-9 and the
imaginary capacity is 2.1159E-11. Loss factor, power factor, imaginary and real
capacity changes were analyzed by frequency. In addition, the effects of moisture,
temperature and aging on dissipation factor and power factor were evaluated with
auxiliary parameters. The importance of frequency magnitude in evaluating the
dissipation factor is emphasized.
At the same time, the relationship between dissipation factor and power factor with the
help of equivalent circuit and vector diagram is mentioned. With the dissipation factor
tan δ, the conductivity of oil in the transformers, the moisture and the aging of the
insulating paper can be determined. In transformers with power factor cos θ, the core
movement between the transformer tank and the core, and the change of the distance
between the windings can be determined. The behavior of these two cases at low,
medium and high frequencies should be known. It is very important to understand
these two cases in order to very good know the FDS method.
In the studies done, it is possible to know exact cause of the defect in the insulation
material(environmental conditions or insulation deterioration) by FDS. The results of
the experiment showed that the effect of temperature and aging on the insulating
material affected FDS results at low frequencies. In studies performed at low
frequencies, dissipation factor, power factor, imaginary capacity and real capacity
values increased with the measurement temperature and aging times. In addition, as
the oil content of the transformer insulation decreases, the values of imaginary
capacity, real capacity and dissipation factor decrease. By applying different voltages
(50 V, 75 V, 100 V, 140 V), imaginary, real capacity and dissipation factor changes
were investigated. It has been observed that the capacity curves have almost the same
curves under different voltages. In the dissipation factor, the peak values of the curves
were at higher frequencies as the voltage increased.
Under the same connection point and equal voltages (140 V), different winding
locations are measured and plotted. It can be said that the dissipation factor, capacity
and power factor curves for CL and CH are similar. The dissipation factor and power
factor reached its peak at 0.1 Hz. Dissipation factors, capacity and power factor curves
for C1H1, C1H2, C1H3 and C2H1, C2H2, C2H3 curves are similar. However, the
dissipation factor, capacity and power factor curves for CHL differ slightly from other
conditions. In CHL, the loss factor and power factor peak at approximately 0.1 Hz and
the capacity at 0.001 Hz.
Power factor, capacity and loss factor curves in all connection forms (CH-B, DG-CH,
E-DG and FE) and all winding locations (CHL, CH, CL, C1H1, C1H2, C1H3, C2H1,
C2H2 and C2H3) were found to be very close to each other in the high frequency
range. However, these values differed at low frequencies. So we can say that low
frequencies that are decisive for us.
The dissipation factor of CHL for a frequency of 0.1 Hz in CH-B mode is
approximately 2.5 times greater than that of CH and approximately 7 times greater
than that of CL. On the frequency of 60 Hz, the dissipation factor of CHL is
approximately 1.5 times higher than that of CH and approximately 2 times higher than
that of CL. At the frequency of 1000 Hz, the rates are quite variable. The dissipation
factor of the DG-CH connection for the frequency of 0.1 Hz in CH-L is about 2 times
the dissipation factor of the E-DG connection and about 9 times the dissipation factor
of the F-E connection. At 60 Hz, the dissipation factor values are very close to each
other, but we see that the biggest E-DG connection and the smallest DG-CH
connection. While the loss factor has the highest value at a frequency of 0.05 Hz, it is
smaller at lower frequencies. While the dissipation factor of CL and CH are close to
each other, the dissipation factor of CHL are about 1.5 times smaller than that of CL
and CH.
The dissipation factor of the DG-CH connection at 0.1 Hz is about 2 times the
dissipation factor of the E-DG connection and about 5 times the dissipation factor of
the F-E connection. Although real capacities are close to each other, the real capacity
of the DG-CH connection is the lowest, while the real capacity of the F-E connection
is the highest. In the imaginary capacities, the DG-CH connection is the highest and
the F-E connection has the lowest values. Although the values at 60 Hz were very close
to each other, the highest dissipation factor value was found in E-DG and the lowest
dissipation factor value was observed in F-E connection. The highest real capacity
value was found in the F-E connection, the lowest DG-CH connection. The highest
imaginary capacity value is found in the DG-CH connection and the lowest in the F-E
connection. At 1000 Hz, the dissipation factors of the DG-CH and F-E connections are
almost equal, and the dissipation factor of the E-DG connection is approximately 5/4
about of the other two connections. In the highest real capacity value F-E connection,
the lowest real capacity value was seen in the DG-CH connection. The highest
imaginary capacity value is seen in the F-E connection and the lowest imaginary
capacity value is seen in the DG-CH connection.
Today, transmission and production at low frequencies are preferred because of the
low losses. In particular, a more detailed analysis of the low frequency experiments is
necessary since the diagnostic tests are performed at low frequencies such as 0.1 Hz.
Changes in capacity and dissipation factor inform us about the type of error. For
example, short circuit turns and changing of magnetizing are seen at the low frequency
response while the medium frequency response is sensitive to hoop buckling and axial
movement faults in the transformers. The high frequency response is sensitive to the
part of the properties of windings and grounding problems. For this reason, the
capacitance and dissipation analysis according to frequency are very important for
detecting faults in transformers.
Frequency domain spectroscopy (FDS) is less noisy than other insulation diagnostic
methods (RVM, PDC) and is independent of the shape of the transformer. It is also
little affected method by external factors. Therefore, it can be said that FDS is the most
effective diagnosis method.