Sıcaklık ve nem etkisi altında dielektrik sıvıların davranışının incelenmesi
Investigation of temperature and humidity effect on dielectric liquids behavior
Yazar: ALPER AYDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. AYSEL ERSOY ; DR. FATİH ATALAR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektriğin iletim ve dağıtımında transformatörler en kritik görevlerden birini almaktadır. Yağlı tip transformatörler şebeke içinde elektrik enerjisinin iletim ve dağıtımında %80-85 civarında kullanım ile büyük bir paya sahip olmaktadır. Bununla beraber transformatörlerin içinde kullanılan yağın önemi daha da artmaktadır. Trafoların korunması ve de uzun ömürlü olarak çalışmasında trafo yağlarına büyük iş düşmektedir. Trafo yağının yapısını çevresel etkenler bozmakta ve trafonun çalışmasını negatif yönde etkilemektedir. Bununla beraber trafonun ömrünü de kısaltmaktadır. Delinme gerilimi trafo yağının dielektrik dayanımının aşılması ile meydana gelir. Yağa ait izolasyonun bozulduğu noktada delinme gerilimi meydana gelmektedir. Delinme gerilimine etki eden çevresel faktörlerden ikisi sıcaklık ve nemdir. Bu faktörlerden ilki olan sıcaklık bir izolasyon yapı olan trafo yağlarının dielektrik özelliklerini olumsuz etkilemektedir. Yağın içinde bulunan hava kabarcıkları yüksek sıcaklık ile genişlemektedir. Bu hava kabarcıklarının hacminin değişmesine neden olarak delinme gerilimini de negatif yönde etkilemektedir.
Bir diğer çevresel faktör olan nem, trafo yağlarının dielektrik özelliğini azaltan ve dielektrik özelliğini kaybetmesine neden olan bir parametredir. Bu nedenle delinme gerilimine etkisi de büyük olmaktadır.
Bu çalışmada çevresel faktörler olarak nem ve sıcaklığın trafo yağlarındaki delinme gerilimine olan etkisi ile trafo yağının verdiği karakteristik cevaplar incelenmiştir. Bunun için ilk önce 3 adet trafo yalıtkan sıvısı seçilmiştir. Bu yalıtkan sıvılar trafolarda en çok kullanılan yağlardan olan mineral yağ, sentetik ester sıvı ve doğal ester sıvılardır. Daha sonra trafo yağı içinde delinme geriliminin gerçekleştirileceği bir iğne düzlem yatay elektrot tasarımı yapılmıştır. Yapılan tasarım ile sıcaklık ve nem için deneylerin yapılacağı bir deney seti oluşturulmuştur. Sıcaklık deneyleri 20 ºC ile 60 ºC arasında gerçekleştirilmiştir. Nem deneyleri ise %40 ile %95 nem seviyelerinde yapılmıştır. Sıcaklık deneyleri her 5 ºC de tekrarlanmıştır. Nem deneylerinde ise her %5 nem seviyesinde deneyler tekrar edilmiştir. Elektrotlar arası açıklık her deney için 1 mm' den 5mm' ye 1 mm artırılarak 5 farklı açıklık için her sıvı dielektrik için tekrar edilmiştir. Deneyler sonucunda her sıvı dielektrik için delinme gerilimi verileri elde edilmiştir.
Delinme gerilimi verilerinin doğru bir şekilde yorumlanabilmesi amacıyla çeşitli yöntemler değerlendirilmiştir. Bu inceleme sürecinde kurtogram yöntemi tercih edilmiş ve elde edilen veriler, her deney için kurtogram yöntemiyle analiz edilmiştir. Kurtogram yönteminin sonuçları, sıcaklık ve nemin yağlar üzerindeki delinme gerilimlerine verdikleri tepkilerin karşılaştırılmasıyla incelenmiştir. Bu analiz ile yalıtkan sıvıların kendi aralarındaki gösterdikleri üstünlük ve farkların belirlenmesine olanak sağlamıştır.

Abstract:
Transformers play one of the most critical roles in the transmission and distribution of electricity. Oil-immersed transformers have a large share in the transmission and distribution of electrical energy in the network, with around 80-85% utilization. However, the importance of the oil used in transformers is even greater. Transformer oils play an important role in the protection and long-term operation of transformers. Environmental factors deteriorate the structure of transformer oil and adversely affect the operation of the transformer. It also shortens the life of the transformer. Breakdown voltage occurs when the dielectric strength of the transformer oil is exceeded. Puncture voltage occurs at the point where the insulation of the oil deteriorates. Two of the environmental factors that affect breakdown voltage are temperature and humidity. The first of these factors, temperature, adversely affects the dielectric properties of transformer oils, which is an insulating structure. Air bubbles in oil expand at high temperatures. This changes the volume of the air bubbles and negatively affects the breakdown voltage.
Moisture, another environmental factor, is a parameter that reduces the dielectric properties of transformer oils and causes them to lose their dielectric properties. Therefore, its effect on the breakdown stress is also large.
In this study, the effect of humidity and temperature as environmental factors on the puncture stress in transformer oils and the characteristic responses of transformer oils were investigated. For this purpose, 3 transformer insulating liquids were initially selected. These insulating liquids are mineral oil, synthetic ester liquid and natural ester liquid, which are the most commonly used oils in transformers. Then, a needle plane horizontal electrode design was made in which the puncture voltage is realized in the transformer oil. The design was used to create an experimental set for temperature and humidity experiments. Temperature experiments were carried out between 20ºC and 60ºC. Humidity experiments were carried out between 40% and 95% humidity. Temperature experiments were repeated every 5ºC. Humidity experiments were repeated at each 5% humidity level. The distance between the electrodes was increased by 1 mm from 1 mm to 5 mm for each experiment and repeated for each liquid dielectric for 5 different distances. As a result of the experiments, puncture voltage data were obtained for each liquid dielectric.
In order to correctly interpret the puncture stress data, various methods were evaluated. The kurtogram method was preferred in this investigation and the data obtained for each experiment was analyzed using the kurtogram method. The results of the kurtogram method were analyzed by comparing the responses of temperature and humidity to the puncture stresses on oils. This analysis allowed the superiority and differences between the insulating liquids to be determined.