Buşinglerin Teşhis Testi

Sanket Bolar ve Ankit Porwal tarafından

Giriş

1900'lerin başında, transformatör buşingleri için kapasitans dereceli bir tasarımın benimsenmesinin daha iyi radyal voltaj dağılımı sağladığı ve böylece belirli bir çalışma voltajı için daha küçük buşinglerin kullanılmasına izin verdiği gösterilmiştir. Günümüzde, kondansatör buşingleri 25 kV veya daha yüksek uygulamalar için neredeyse evrenseldir. Bu buşingler yalıtım sisteminde kullanılan malzemelere göre sınıflandırılabilir: yağ emdirilmiş kağıt (OIP), reçine emdirilmiş kağıt (RIP), reçine bağlı kağıt (RBP) ve reçine emdirilmiş sentetikler (RIS). OIP buşingler en yaygın kullanılanlardır.

Trafo merkezlerinde, buşingler transformatörlere bağlantı yapma aracı sağlar. Çalışma sırasında yüksek gerilim streslerine dayanacak, büyük akımlar taşıyacak ve yüksek sıcaklıklarda çalışacak şekilde tasarlanmışlardır. Tipik olarak, potansiyel olarak sert atmosferik koşullara maruz kaldıkları dış mekanlarda kullanılırlar. Ayrıca, kurulumdan önce, nakliye sırasında kolayca hasar görebilirler ve kurulumdan sonra vandalizm için bir hedeftirler.

Bu nedenlerle, burç sorunları transformatör arızalarının en yaygın nedenleri arasındadır ve transformatör arızaları çok pahalıya mal olabilir. Bu nedenle, kusurların ve bozulmaların büyük arızalara yol açmadan önce ele alınabilmesini sağlamak için hizmet ömürleri boyunca buşinglerin durumunu izlemek önemlidir. Geleneksel olarak, durum izleme kapasitans ve güç faktörü testleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir, ancak şimdi dielektrik frekans tepkisi (DFR) testi - güç faktörü testinin gelişmiş bir şekli - geleneksel testleri tamamlamak veya yerine geçmek için giderek daha popüler hale gelmektedir. Nedenini öğrenmek için, her bir tekniğe daha yakından bakalım.

OIP buşingleri üzerinde hat frekansı güç faktörü testi (LFPF).

'Güç faktörü' terimi genellikle ABD'de kullanılır, ancak dünyanın diğer bölgelerinde tan delta ve yayılma faktörü terimleri daha yaygındır. Güç faktörü ve dağılma faktörünün farklı şekillerde hesaplandığını, ancak bizim amaçlarımız doğrultusunda sayısal olarak eşit olduklarını ve bu nedenle değerler %10'un altında olduğunda terimlerin birbirinin yerine kullanılabileceğini unutmayın.

Bir kondansatör buşinginin yalıtım sistemi iki kapasitif bileşene sahiptir: C1 ve C2 (Şekil 1).

Bir OIP buşinginde kapasitans derecelendirmesi, iletken çekirdeğin etrafına Kraft kağıdının birçok kez sarılması ve sarma sırasında belirli aralıklarla iletken folyo eklerinin yerleştirilmesiyle elde edilir; daha sonra bu ana yalıtım sistemi yağ ile emprenye edilir. 69 kV (veya 350 kV BIL) değerindeki buşinglerde, en dıştaki kağıt katman bir test tapasına bağlanır. Hizmette, test tapası tapa kapağı aracılığıyla topraklanır. 69 kV (yani > 350 kV BIL) değerindeki buşinglerde, en dıştaki katmanlardan biri bir potansiyel musluğa bağlanırken, en dıştaki katman dahili olarak topraklanır. Potansiyel tapası, tapa kapağı yerindeyken servis sırasında 'yüzer'.

Çekirdek ile test tapası arasındaki veya çekirdek ile potansiyel tapa arasındaki çoklu katmanların kapasitansı C1 ile temsil edilir. Test tapası, tapa kapağı çıkarıldığında topraklanmış flanştan izole edilir ve bu yalıtımın kapasitansı C2 ile temsil edilir. Potansiyel musluklu bir buşingin C2 yalıtım sistemi, ana çekirdeğin en dıştaki yağ emdirilmiş kağıt katmanlarının yanı sıra potansiyel tapa ile topraklanmış flanş arasındaki yalıtımı içerir.

Şekil 1: Bir kondenser buşinginin yalıtım sistemi

Kapasitans ve güç faktörü testleri, genellikle 10 kV'da, C1 ile temsil edilen yalıtımdaki dielektrik kayıpları ölçer. Elde edilen değerler genellikle yüzde olarak ifade edilir ve yeni buşingler için tipik değerler %0,2 ila %0,4 aralığındadır. Fabrikada yapılan testler, buşing etiketinde yer alan referans değerleri sağlar ve saha testi değerleri bu referanslarla karşılaştırılır. Herhangi bir önemli sapma, buşingin yalıtımının bozulmuş olabileceğini gösterir.

C1'in kapasitans değerindeki değişiklikler de önemlidir. Kapasitanstaki bir artış kısa devre yapan katmanların bir sonucu olabilirken, kapasitanstaki bir düşüş çoğunlukla kademe bağlantısındaki sorunlardan kaynaklanır. Kapasitans ve güç faktörü ölçümleri, 500 V (test kademesi) veya 2 kV'da (potansiyel kademe) C2 tarafından temsil edilen yalıtım üzerinde de yapılabilir. Özellikle bir buşing üzerinde bir conta arızalandığında ve bu da nem girişine izin verdiğinde, su tipik olarak tapa bölmesinde birikir ve ilk olarak en dış katmanlardan ana yalıtım çekirdeğine saldırır. C2 testi öncelikle bu en hassas yalıtımı içerir ve bu gibi durumlarda nem girişinin veya diğer kontaminasyonun C1 testinden önce bir sorun olduğuna dair bildirim sağlar.

Çeşitli standartlar, güç faktörü test sonuçlarının yorumlanması ve doğrulanmasına ilişkin kılavuzlar sağlar. Fabrika kabul testleri için örnekler IEEE C57.19.01 - Dış Mekan Cihaz Buşingleri için IEEE Standart Performans Özellikleri ve Boyutları ve IEC 60137 - 1000 V üzerindeki alternatif gerilimler için yalıtımlı buşinglerdir. Tüm değerler ya 20 ºC'de ölçülmüş ya da 20 ºC'ye normalize edilmiştir.

Saha testi için geçerli standartlar şunları içerir: IEEE C57.152 - Akışkan Dolgulu Güç Transformatörleri, Regülatörleri ve Reaktörlerinin Tanısal Saha Testi için IEEE Kılavuzu.

Bu standart şunu belirtir:

İlk okumaya göre 1,5 ila 2 katlık bir değişiklik, buşinglerin daha sık test edilmesini gerektirir

İlk okumaya göre üç kattan fazla bir değişiklik burşingin servisten çıkarılmasını gerektirir

Kapasitansta %5'ten fazla bir değişiklik, buşingin sürekli hizmet için uygunluğunun araştırılması için bir nedendir

Bu yönergeler, IEEE C57.19.100 - Güç Aparatı Buşinglerinin Uygulanması için IEEE Kılavuzu'nda sağlananlarla uyumludur.

Güç faktörü test sonuçları analiz edilirken sıklıkla gözden kaçan bir nokta sıcaklığın etkisidir. Farklı sıcaklıklarda ölçüm yapmak farklı değerler verir, bu nedenle ölçülen değerleri bir referans sıcaklığa (20 °C) göre düzelterek normalleştirmek önemlidir. Düzeltme faktörleri tabloları çeşitli kaynaklardan temin edilebilir, ancak bunlar genel değerlerdir ve her zaman güvenilemez. Bu konuya daha sonra tekrar bakacağız.

Dar Bant Dielektrik Frekans Yanıtı (NB DFR) ölçümleri

Bazı 10 kV güç faktörü test setleri, 1 Hz ila 500 Hz arasında birden fazla frekansta güç faktörü ölçümleri yapmak için kullanılabilir. Bu ölçümlerin çizilmesiyle elde edilen eğri Dar Bant Dielektrik Frekans Yanıtıdır (NB DFR) ve buşingin yalıtım durumu hakkında ek bilgi sağlar. Bu nispeten dar frekans bandı, yalıtımın nem içeriği hakkında nicel bilgi sağlamaz, ancak nem ve/veya kirliliklerin mevcut olabileceğine dair bir gösterge sağlar.

NB DFR testi, yalnızca hat frekansında güç faktörü ölçümünden bir ilerlemedir ve yaklaşık üç dakika içinde değerli ek bilgiler sağlar. Örneğin, yalıtımın eskimesi ve bozulması konusunda erken uyarı sağlayarak bakımın önceliklendirilmesi veya durumun daha gelişmiş test teknikleri kullanılarak daha fazla araştırılması gerektiğini gösterebilir.

NB DFR tipik olarak 250 V'ta gerçekleştirilir ve düşük enerjili bir test olduğu için rutin 10 kV LFPF testinden daha güvenlidir. Test edilen nesnenin benzersiz dielektrik imzasının görselleştirilmesine olanak tanır, böylece aynı transformatör üzerindeki birden fazla buşingden elde edilen sonuçların grafiksel olarak karşılaştırılmasını kolaylaştırır. Ayrıca, belirli bir yalıtım sisteminin sıcaklık hassasiyetini ölçmenin bir yolunu sağlar, böylece sonuçları 20 ºC'ye normalleştirmek için doğru bir bireysel sıcaklık düzeltme faktörü (ITC) belirlenebilir.

Güç faktörü sıcaklığa bağlıdır ve IEEE C57.12.90 - Sıvıya Daldırılmış Dağıtım, Güç ve Düzenleme Transformatörleri için IEEE Standart Test Kodu - Bölüm 10.10.4'ün Not 3(b)'sinde "Deneyimler, sıcaklıkla birlikte dağılma faktöründeki değişimin önemli ve düzensiz olduğunu, dolayısıyla tek bir düzeltme eğrisinin tüm durumları karşılamayacağını göstermiştir" ifadesi yer almaktadır. Neyse ki, bir dielektrik sistemin frekans tepkisi ve termal tepkisi birbiriyle ilişkilidir ve bu ilişki, bir güç faktörü test sonucunu 20 °C eşdeğerine 'düzeltmek' veya normalleştirmek için daha doğru, alternatif bir yol ortaya koymaktadır.

Bir OIP buşing için, dielektrik frekans tepkisi grafiği sıcaklıktaki bir değişiklikle yatay olarak kayar, ancak eğrinin şekli değişmeden kalır. Sıcaklıktaki belirli bir değişiklik için eğrinin yatay olarak kaydığı kesin miktarı belirlemek mümkündür, bu da en sık karşılaşılan buşing sıcaklıklarında yapılan güç faktörü ölçümlerinin doğru ve güvenilir bir şekilde 20 ºC'ye normalize edilebileceği anlamına gelir. Şekil 2'de ölçülen eğrinin yanında normalleştirilmiş bir DFR eğrisi örneği gösterilmektedir.

Sonuçları doğru bir şekilde normalleştirmek için ITC yöntemini kullanmak, bir buşingi test etmek için sıcaklığın 20 ºC'ye yaklaşmasını bekleme veya yalıtım durumuna bağlı olarak geçerli olabilecek veya olmayabilecek genel düzeltme faktörlerine güvenme ihtiyacını ortadan kaldırır.Dielektrik Frekans Tepkisi (DFR) ölçümleri

Bir OIP buşinginin yalıtım sistemi elektriksel olarak daha önce belirtildiği gibi iletken folyo ve yağ emdirilmiş Kraft kağıttan oluşan çoklu seri kapasitörler gibi davranır. Yağ ve kağıt kompozit bir dielektrik sistem oluşturur ve DFR sonuçları yağ ve kağıt bileşenlerinden gelen yanıtların bir kombinasyonudur. Bu bileşenlerin her ikisinden gelen tepkiler frekansla değişir, ancak değişme şekilleri farklıdır ve DFR testinde bu farktan yararlanılır.

NB DFR testi bir buşingin durumu hakkında kesin bir gösterge sağlamadığında, daha geniş bir frekans aralığında gerçekleştirilen DFR testi daha derinlemesine bir analiz için kullanılabilir. DFR eğrilerinin analizi, kağıdın nem içeriği ve yağın iletkenliği gibi önemli bilgiler sağlayabilir. Buna ek olarak, kirlenme veya diğer fiziksel sorunların varlığı, en belirgin sapmaların düşük frekanslarda görüldüğü atipik yanıtlara neden olabilir.

Test geniş bir frekans aralığını kapsadığından ve düşük akımlar kullandığından, elektriksel gürültü, özellikle buşingler gibi zaten nispeten düşük kapasitanslı numuneleri test ederken ölçümlerin doğruluğunu olumsuz etkileyebilir. Çözüm, daha yüksek bir voltajda test etmektir. Bir DFR test seti ile birlikte bir voltaj amplifikatörünün kullanılması, sinyal-gürültü oranını büyük ölçüde iyileştirerek gürültülü ortamlarda bile doğru ve güvenilir ölçümler yapılmasını sağlar.

Sahada

Bu makalede açıklanan testlerin değerini göstermek ve doğrulamak için, aynı test serisi sahada üç OIP YG buşingi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Test üç aşamada gerçekleştirilmiştir: PF analizi, NB DFR analizi ve DFR analizi.

Aşama 1: PF analizi

Tablo 2'de gösterildiği gibi, üç buşingden ikisinde (X1 ve X3) güç frekansında ölçülen güç faktöründe bir artış gözlenmiştir.

IEEE C57.152'ye göre, 20 °C'de X1 ve X3 için hat frekansı PF değerleri kabul edilebilir sınırları aşarken, CIGRE TB 445'e göre, X1 ve X2 buşinglerinin PF değerleri sınırlar dahilindedir ve sadece X3 buşingi kabul edilebilir sınırların dışındadır. Yalnızca bu sonuçlara dayanarak, X1 ve X3 buşinglerinin iyi durumda olmadığını ve ayrıca X3 buşinginin mümkün olan en kısa sürede daha fazla incelenmesi gerektiğini söyleyebiliriz.

Aşama 2: NB DFR analizi

NB DFR testi üç buşing üzerinde 1 Hz ila 500 Hz arasındaki frekanslarda gerçekleştirilmiştir. Şekil 3, düşük frekanslarda X1 ve X3 buşingleri için % DF'de bir artış olduğunu göstermektedir. Termal tepki eğrileri Şekil 4'te gösterilmektedir ve buşingler arasındaki dielektrik frekans tepkisindeki farklılıklar nedeniyle her bir buşing için farklıdır. Tablo 3 sıcaklıkla düzeltilmiş % PF değerlerini göstermektedir.

İyi durumdaki bir buşing için C1 PF test sonucu sıcaklığa çok az bağlıdır. İzolasyonu eskidikçe ve bozuldukça, sıcaklık düzeltme faktörü artar, bu da sıcaklığa bağımlılığın doğrudan buşingin dielektrik tepkisiyle ilişkili olduğu anlamına gelir. Bu sonuçlarda, X3 buşinginin X1 ve X2 buşinglerine göre sıcaklığa bağımlılığı çok daha fazladır. Bu, X3 buşinginde sorunlar olduğuna dair iyi bir göstergedir.

Megger, DFR testinde lider bir uzman olarak 20 yılı aşkın süredir yürüttüğü çalışmalara dayanarak, 1 Hz'de ölçülen % PF değerleri için Tablo 4'te gösterilen sınırları önermiştir.

X1 ve X3 buşinglerinde 1 Hz'de ölçülen yüksek % PF, yalıtımla ilgili sorunları gösterir ancak sorunun sıvı yalıtımda mı yoksa katı yalıtımda mı olduğuna dair bir gösterge vermez. Bunu belirlemek için tam bir DFR analizi gerçekleştirilmiştir.

Aşama 3: DFR analizi

DFR analizinden elde edilen sonuçlar Tablo 5'te gösterilmektedir. Megger'in % mc (nem konsantrasyonu) ve yağın iletkenliği için önerdiği limitler Tablo 6'da gösterilmiştir. Tablo 7, buşingler üzerinde gerçekleştirilen toplu testlerden elde edilen sonuçları özetlemekte ve nihai değerlendirmelerini ortaya koymaktadır.

Sonuç

Geleneksel olarak buşing durum değerlendirmesi için kullanılan hat frekansı PF testi, DFR testleri kullanılarak üstesinden gelinebilecek sınırlamalara sahiptir. PF'nin düşük frekanslarda nem ve kirlenmeye karşı artan hassasiyeti nedeniyle, DFR testi buşing yalıtım sorunlarının daha erken bir aşamada tespit edilmesini sağlar.

NB DFR testinden sonra durum hakkında kalan herhangi bir belirsizlik, katı yalıtımdaki nem miktarının ve yağın iletkenliğinin tahmin edilmesini sağlayan tam bir DFR testi gerçekleştirilerek ortadan kaldırılabilir. DFR ayrıca PF ölçümlerinin sıcaklığa bağlı olması sorununu da ortadan kaldırır. Son olarak, bazen elektriksel olarak gürültülü ortamlarda DFR testinin gerçekleştirilmesiyle ilgili zorluklar artık 1,4 kV RMS'ye kadar test gerilimleri kullanılarak çözülebilir.