Güç Trafolarında Yalıtım Seviyeleri ve Dielektrik Gereksinimleri
- Hüseyin GÜZEL
- Apr 1
- 7 min read
Elektrik enerjisinin güvenilir ve verimli bir şekilde iletim ve dağıtımının temel taşlarından biri olan güç trafoları, farklı gerilim seviyelerini birbirine dönüştürerek elektrik sistemlerinin omurgasını oluşturmaktadır. Bu kritik görevleri yerine getirirken, trafoların güvenilirliği ve uzun ömürlü olması büyük önem taşımaktadır. Bu güvenilirliği doğrudan etkileyen en önemli faktörlerden biri ise trafoların yalıtım sistemleridir.
Güç trafolarında kullanılan yalıtım malzemeleri ve bu malzemelerin tasarlanması, farklı gerilim seviyeleri arasındaki elektriksel yalıtımı sağlayarak kısa devreleri ve arızaları önlemekle kalmaz, aynı zamanda trafonun genel performansını ve ömrünü de belirler. Yüksek gerilimlerin söz konusu olduğu güç trafolarında, yalıtım sisteminin yetersizliği ciddi güvenlik risklerine, ekipman hasarlarına ve enerji kesintilerine yol açabilir. Bu nedenle, trafoların tasarım ve üretim aşamasında yalıtım seviyelerinin doğru bir şekilde belirlenmesi ve dielektrik gereksinimlerinin eksiksiz olarak karşılanması hayati bir öneme sahiptir.
Güç trafolarında yalıtım, hayati bir öneme sahiptir ve bu trafoların işletme gerilimlerine, ani aşırı gerilimlere ve arıza durumlarına karşı dayanıklılığını temin eder. IEC 60076-3 standardı, güç trafolarının yalıtım seviyelerini ve dielektrik ihtiyaçlarını düzenleyerek güvenlik ve güvenilirliği garanti altına almak için gereken testleri ve tasarım prensiplerini ortaya koyar.
Trafonun elektriksel hasarlardan korunması ve uzun süreli verimli çalışması için doğru yalıtım koordinasyonu olmazsa olmazdır.
İçerik Tablosu
Bir trafonun yalıtım seviyesi, normal çalışma voltajlarının yanı sıra yıldırım veya anahtarlama gibi olaylardan kaynaklanan geçici aşırı gerilimlere karşı göstereceği direnç kapasitesine göre tayin edilir. IEC 60076-3 standardı, ekipmanın ulaşabileceği en yüksek gerilim (Um) değeri ve buna denk gelen temel yalıtım seviyesi (BIL) esas alınarak yalıtım seviyelerini sınıflandırır.
1.1| Ekipman için En Yüksek Voltaj (Um)
Bir trafo sargısının normal işletme şartlarında karşılaşabileceği en yüksek sistem voltajı, ekipman için en yüksek voltaj (Um) olarak tanımlanır. Bu değer, voltaj değişimlerini ve sistemdeki olası durumları hesaba katan bir güvenlik payını içerir.
Um değerinin doğru seçilmesi, yalıtım sisteminin arızaları engelleyecek yeterli dayanıklılığa sahip olmasını garanti eder.
1.2| Temel Yalıtım Seviyesi (BIL)
Temel Yalıtım Seviyesi (BIL), transformatörün darbe voltajına dayanma kapasitesidir. Yıldırım veya anahtarlama olayları gibi harici dalgalanmalar nedeniyle bir transformatörün kaldırabileceği maksimum tepe voltajını temsil eder. BIL, IEC 60076-3'e göre yürütülen yıldırım darbe testleri aracılığıyla belirlenir.
Örneğin, tipik sistem voltajlarına karşılık gelen standart BIL değerleri Tablo 1'de listelenmiştir.
Tablo 1 – Standart BIL değerleri
System Voltage (Um) (kV) | Lightning Impulse Withstand Voltage, BIL (kV peak) |
72.5 | 325 |
145 | 650 |
245 | 1050 |
420 | 1425 |
765 | 2100 |
Bir trafonun dielektrik performansı, çalışma koşullarını, aşırı gerilim streslerini ve geçici olayları simüle eden çeşitli testler yoluyla değerlendirilir. IEC 60076-3, trafo yalıtım güvenilirliğini sağlamak için aşağıdaki dielektrik testlerini belirtir.
2.1| Güç Frekansı Dayanım Testi
Bu test, yalıtımın sabit durum çalışma koşullarını karşılayabileceğini doğrulamak için transformatör sargılarına belirli bir süre (genellikle 1 dakika) boyunca yüksek bir AC voltajı (50 Hz veya 60 Hz) uygular.
Dayanım voltajı değerleri, Um ve sargı yapılandırmasına (yıldız veya delta) göre tanımlanır.
2.2| Yıldırım Darbe Testi
Bu test, yıldırım çarpmalarının iletim hatları üzerindeki etkisini simüle eder ve trafo sargılarına yüksek voltaj dalgalanması uygular. Standart, darbe seviyelerini BIL derecelendirmelerine göre tanımlar ve kullanılan dalga biçimi 1,2/50µs'dir (1,2 mikrosaniye yükselme süresi, 50 mikrosaniye düşme süresi).
Trafo, darbeye, ani akımlar veya dahili arızalar olmadan dayanmalıdır.
Şekil – Transformatör yıldırım darbe testi prosedürü
2.3| Anahtarlama Darbe Testi
EHV (Ekstra Yüksek Gerilim) trafoları (≥245 kV) için geçerli olan bu test, trafonun yalıtımını devre kesici işlemlerinin neden olduğu yavaş ön geçişlere karşı değerlendirir. Darbe, yıldırım darbelerinden daha düşük büyüklüktedir ancak daha uzun sürelidir ve bu da onu yüksek gerilim şebekelerinde yalıtım koordinasyonu için kritik hale getirir.
2.4| Kısmi Deşarj Testi
Kısmi deşarjlar (PD), kademeli bozulmaya yol açabilen yerel yalıtım arızalarıdır. IEC 60076-3, çalışma koşulları altında yalıtım bütünlüğünü sağlamak için PD sınırlarını belirtir. Trafo, uzun vadeli hasarı önlemek için minimum PD aktivitesi göstermelidir.
Şekil – Laboratuvar testi sırasında güç trafosunun resmi (yakınlaştırmak için tıklayın)
Güç trafolarının sorunsuz çalışmasının temelini ise doğru seçilmiş yalıtım seviyeleri oluşturur ve yalıtım seviyesi seçimi, karmaşık bir süreç olup, sadece anlık bir karar değil, sistemin uzun ömürlü ve güvenli bir şekilde işlemesini garanti altına almayı amaçlayan stratejik bir mühendislik yaklaşımıdır. Peki, bu kritik seçimi etkileyen temel faktörler nelerdir?
Bir trafo için yalıtım seviyelerini belirlerken, birkaç faktör dikkate alınmalıdır:
Sistem Voltajı ve Aşırı Gerilim Koşulları: Yüksek gerilimli elektrik şebekeleri, hem normal çalışma voltajlarını hem de geçici aşırı gerilimleri güvenle yönetebilmek için daha dayanıklı bir yalıtım sistemine ihtiyaç duyar.
Konum ve Çevre Koşulları: Özellikle yıldırım düşme olasılığının yüksek olduğu coğrafi bölgelerde kullanılan trafolar, sıkça meydana gelen voltaj dalgalanmalarına karşı daha yüksek bir Temel İzolasyon Seviyesi (BIL) ile tasarlanmalıdır.
Nötr Topraklama Yapılandırması: Nötr noktasının doğrudan topraklanmadığı veya empedans üzerinden topraklı olduğu elektrik sistemlerinde, geçici aşırı gerilimlerin genliği daha yüksek olabilir. Bu durum, trafolarda daha gelişmiş yalıtım seviyelerinin kullanılmasını gerektirebilir.
Rakım Hususları: Deniz seviyesinden itibaren 1000 metrenin üzerindeki yüksekliklerde, havanın dielektrik dayanımı azalır. Bu nedenle, bu tür ortamlarda çalışacak trafoların yalıtım tasarımlarında rakım faktörü dikkate alınmalı ve gerekli düzeltmeler yapılmalıdır.
Yük Özellikleri ve Harmonikler: Özellikle doğrusal olmayan yükleri (örneğin, güç elektroniği ekipmanları, Yüksek Gerilim Doğru Akım - HVDC sistemleri) besleyen trafolar, harmonik gerilimler nedeniyle ortaya çıkan ilave dielektrik zorlanmalara karşı da yeterli yalıtım dayanımına sahip olmalıdır.
Bir trafonun güvenilir ve uzun ömürlü bir şekilde çalışabilmesi için, işletme sırasında karşılaşabileceği elektriksel zorlanmalara karşı dayanıklı olması kritik öneme sahiptir. Bu zorlanmalar arasında şebekenin normal sistem voltajları, ani ve kısa süreli yüksek gerilimler olan geçici akımlar (transientler) ve şebekede meydana gelen arıza koşulları sonucu oluşan aşırı akım ve gerilimler yer alır.
Yalıtım koordinasyonu prensipleri, işte tam da bu noktada devreye girerek trafonun hem maliyetini optimize etmeyi hem de performansını en üst düzeye çıkarmayı hedefler. Bu süreç, trafonun yalıtım sisteminin, bahsedilen elektriksel zorlanmalara karşı yeterli dayanımı gösterecek şekilde tasarlanmasını ve seçilmesini içerir.
Mühendisler, bu kritik görevi yerine getirirken uluslararası standartlar ve yönergelerden faydalanırlar. IEC 60076-3 standardı, "Güç trafolaı - Bölüm 3: Yalıtım seviyeleri, dielektrik testleri ve dış açıklıklar" başlığı altında, trafoların yalıtım seviyelerinin belirlenmesi konusunda kapsamlı bir çerçeve sunar. Mühendisler, IEC 60076-3 yönergelerine göre yalıtım seviyelerini seçerek şunları yapabilir:
1. Dielektrik Arızaları ve Yalıtım Bozulmaları Riskini En Aza İndirin:
Detay: Trafoların yalıtım sistemi, farklı potansiyeldeki iletken parçaları birbirinden ayırarak kısa devreleri ve istenmeyen akımları engeller. Ancak, sistemdeki aşırı gerilimler (örneğin yıldırım düşmeleri, şalt işlemleri) veya uzun süreli termal ve elektriksel stresler, yalıtım malzemesinin dielektrik dayanımını aşabilir. Bu durumda dielektrik arızaları (yalıtımın delinmesi, yüzey kaçakları vb.) meydana gelebilir. Ayrıca, zamanla yalıtım malzemesi özelliklerini kaybedebilir, bu da yalıtım bozulmalarına yol açar ve arıza riskini artırır.
Yalıtım Koordinasyonunun Rolü: Etkili bir yalıtım koordinasyonu, trafonun maruz kalabileceği maksimum geçici ve sürekli gerilim seviyelerini doğru bir şekilde tahmin etmeyi ve buna uygun yalıtım seviyelerini seçmeyi içerir. Bu sayede, yalıtım sisteminin aşırı zorlanmalara karşı dayanımı artırılır ve dielektrik arızaları ile yalıtım bozulmaları riski önemli ölçüde azaltılır. Bu, trafonun güvenilirliğini ve uzun ömrünü doğrudan etkiler.
2. Fazla Yalıtım Olmadan Transformatör Tasarımını Optimize Edin, Maliyetleri Azaltın:
Detay: Yalıtım malzemeleri ve tasarımları, trafonun toplam maliyetinde önemli bir paya sahiptir. Aşırı derecede yüksek yalıtım seviyeleri seçmek, gereksiz malzeme kullanımına, daha büyük ve ağır bir tasarıma ve dolayısıyla daha yüksek üretim maliyetlerine yol açabilir. Ayrıca, aşırı yalıtım her zaman en iyi çözüm değildir; bazen termal performansı olumsuz etkileyebilir.
Yalıtım Koordinasyonunun Rolü: Yalıtım koordinasyonu, sistem gereksinimlerini ve potansiyel gerilim zorlanmalarını dikkate alarak, gerekli olan en uygun yalıtım seviyelerinin belirlenmesini sağlar. Bu, "fazla yalıtım" olarak adlandırılan gereksiz malzeme ve işçilik maliyetlerinin önüne geçer. Optimize edilmiş bir yalıtım tasarımı, transformatörün daha kompakt, hafif ve maliyet etkin olmasını sağlar. Ancak bu optimizasyon, performanstan ve güvenilirlikten ödün verilmeden yapılmalıdır.
3. Sistem Koruma Şemaları ve Aşırı Gerilim Koruyucularla Uyumluluğu Sağlayın:
Detay: Elektrik güç sistemleri, trafolar ve diğer ekipmanları aşırı gerilimlerden korumak için çeşitli koruma cihazları ve şemaları içerir. Bunlar arasında aşırı gerilim koruyucular (örneğin parafudrlar), devre kesiciler ve röleler bulunur. Bu cihazlar, aşırı gerilimleri algılayarak ve sınırlandırarak veya arızaları hızla izole ederek sistemi korur.
Yalıtım Koordinasyonunun Rolü: Etkili bir yalıtım koordinasyonu, trafonun yalıtım seviyelerinin, sistemdeki koruma cihazlarının karakteristikleriyle uyumlu olmasını sağlar. Örneğin, aşırı gerilim koruyucuların tetikleme seviyeleri ve enerji sönümleme kapasiteleri, trafonun dayanabileceği maksimum gerilim seviyeleriyle koordine edilmelidir. Amaç, koruma cihazlarının aşırı gerilimleri transformatöre zarar vermeden önce etkili bir şekilde bertaraf etmesini sağlamaktır. Bu uyumluluk, hem trafonun korunmasını güçlendirir hem de koruma sisteminin doğru ve zamanında çalışmasını temin eder. Yalıtım koordinasyonu yapılmadan seçilen yalıtım seviyeleri, koruma cihazlarının etkinliğini azaltabilir veya gereksiz açmalara neden olabilir.
Özetle, bu üç madde, yalıtım koordinasyonunun trafo tasarımı ve işletimi için ne kadar kritik olduğunu vurgulamaktadır. Doğru bir yalıtım koordinasyonu yaklaşımı, güvenilirliği artırırken maliyetleri düşürmeyi ve sistemin genel performansını optimize etmeyi mümkün kılar.
IEC 60076-3 Standardının Önemi
Elektrik mühendisleri, transformatörlerin yalıtım seviyelerini belirlerken uluslararası kabul görmüş standartlara başvururlar. Bu standartlardan biri de Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) tarafından yayınlanan IEC 60076-3 "Güç transformatörleri - Bölüm 3: Yalıtım seviyeleri, dielektrik testleri ve dış açıklıklar" standardıdır. Bu yönergeler, mühendislere sistematik bir yaklaşım sunarak şunları yapmalarını sağlar:
Yalıtım Seviyelerinin Seçimi: IEC 60076-3, farklı gerilim seviyeleri ve uygulama alanları için önerilen standart yalıtım seviyelerini tanımlar. Mühendisler, trafonun bağlanacağı şebekenin özelliklerini, beklenen geçici aşırı gerilimleri ve arıza akımlarını dikkate alarak uygun yalıtım seviyelerini seçebilirler. Bu seçim, yalıtımın aşırı zorlanmalara karşı yeterli dayanımı göstermesini sağlar.
Dielektrik Testlerinin Belirlenmesi: Standart, seçilen yalıtım seviyelerinin doğrulanması için uygulanması gereken dielektrik testlerini (örneğin, uygulanan gerilim testi, endüklenmiş gerilim testi, yıldırım darbe testi) detaylı olarak açıklar. Bu testler, üretim aşamasında yalıtım sistemindeki potansiyel zayıflıkların tespit edilmesine ve trafonun güvenilirliğinin sağlanmasına yardımcı olur.
Dış Açıklıkların (Clearances) Tanımlanması: IEC 60076-3, trafonun farklı potansiyeldeki parçaları arasında ve trafo ile topraklanmış parçalar arasında bırakılması gereken minimum hava ve yüzey yalıtım mesafelerini (dış açıklıklar) belirtir. Bu mesafeler, yüzey kaçak akımlarını ve hava yoluyla atlamaları önleyerek güvenli bir çalışma ortamı sağlar.
Yalıtım koordinasyonu, IEC 60076-3 gibi standartların rehberliğinde gerçekleştirilen titiz bir mühendislik sürecidir. Doğru yalıtım seviyelerinin seçilmesi ve uygun testlerin uygulanması sayesinde, trafolar sistem voltajlarına, geçici akımlara ve arıza koşullarına güvenle dayanabilir. Bu da trafonun ömrünü uzatır, arıza riskini azaltır ve dolayısıyla hem maliyet etkinliğini hem de sistemin genel güvenilirliğini artırır.
Comments