Kısmi Boşalma Ölçümünde Kullanılan Temel Devre Elemanları

Elektriksel kısmi boşalma işaretlerinin doğru olarak ölçülmesi yüksek hassasiyet ve dikkat gerektiren bir işlemdir. Bu nedenle KB ölçümünde kullanılan devre elemanlarının da hassas ve belirli özelliklere sahip olması gerekmektedir. KB ölçümünde kullanılan temel devre elemanlarında aranan belirli özellikler aşağıdaki bölümlerde ele alınmıştır. KB ölçüm devresinde kullanılan temel devre elemanları Şekil 4.5’deki ölçü dört uçlusunun kuplaj kondansatörüne seri bağlandığı doğrudan ölçme devresi üzerinde gösterilmiştir.

Şekil 4.5: KB ölçümünde kullanılan devre elemanları (KOU YG Lab.).

4.2.1. Yüksek gerilim kaynağı

KB ölçümünde dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan birisi de deney gerilimidir. Deney gerilimleri genel olarak uygulamada bir yükseltici transformatör yardımıyla sağlanmaktadır. Yüksek gerilim transformatörünün alçak gerilim sargısı, motor-generatör grubu ile ya da filtre edilmiş şebeke gerilimi ile beslendiğinde, deney geriliminde oluşabilecek bozucu etkiler engellenebilir. Deney

transformatörünün yüksek gerilim çıkışı standartlarda belirtildiği gibi sinüsoidal biçimde olmalıdır. Ayrıca istenilen deney gerilimi seviyesinde kısmi boşalmasız ve çok düşük gürültü seviyesine sahip olmalıdır.

4.2.2. Filtreler ve akım sınırlayıcı dirençler

Yüksek gerilim kaynağından gelen bozucu etkilerin önlenememesi durumunda deney gerilimi yüksek gerilim filtreleri veya empedansları yardımıyla filtrelenebilir. Ayrıca yüksek gerilim deneyleri sırasında, deney malzemesinde meydana gelebilecek herhangi bir atlama veya delinme durumunda, aşırı akımın oluşturacağı zararı engelleyebilmek için, yüksek gerilim kaynağı ile ölçme devresi arasına akım sınırlayıcı bir ön direnç yerleştirilmelidir. Yüksek gerilim kaynağına seri olarak bağlanan filtre veya akım sınırlayıcı ön dirençlerin KB’sız ve deney geriliminin temel frekanstaki bileşenlerine etki etmeyecek biçimde seçilmesi gerekmektedir. 4.2.3. Ölçü dört uçlusu (Coupling device-Coupling quadrapole)

Ölçü dört uçlusu bir kısmi boşalma ölçüm devresinde en uygun hassasiyeti elde etmek için kullanılan elemanlardan birisi olup girişindeki KB akım işaretlerini, çıkışında gerilim işaretlerine dönüştüren devrelerdir. Bu devreler aktif ya da pasif tipte olabilir. Pasif dört uçlular genelde R-L-C gibi pasif devre elemanlarından oluşurlar ve dışarıdan bir besleme kaynağına ihtiyaç duymazlar. Aktif ölçü dört uçlularında KB işaretleri, dış besleme kaynağına gereksinim duyan elektronik devrelerle işlenmektedir. Ölçü dört uçlularının, giriş akımına verdiği çıkış gerilimi tepkisiyle frekans yanıtları belirlenir. Ölçü dört uçluları KB işaretlerini deney gerilimi ve harmonik bileşenlerinden etkin biçimde ayırt edebilmelidir. Ayrıca deney gerilimi ve harmonik bileşenlerinin ölçü aletine ulaşmasını engellemelidir. Ölçü dört uçlusunun çıkışındaki KB işaretleri iletim sistemi yardımıyla ölçü aletine iletilir. Ölçü dört uçlularının giriş empedansları, kuplaj kondansatörü ve deney cisminin kapasiteleriyle etkileşimde bulunduğundan deney devrelerinde bu durum göz önünde bulundurulmalıdır. Deney cismi ve dört uçlu arasındaki bağlantı iletkenlerinin, ölçme bandı üzerindeki etkilerini sınırlandırmak için, olabildiğince kısa tutulmalarında fayda vardır. Ayrıca bir kısa devre durumunda ölçü dört uçlusuna bağlı ölçüm

sisteminin zarar görmemesi için, dört uçlunun giriş uçları aşırı gerilime karşı korunmalıdır.

KB ölçümlerinde kullanılan pasif ölçü dört uçluları RC ve RLC devresi şeklinde ikiye ayrılabilir. Her iki devreye ilişkin ayrıntılar aşağıda ele alınmıştır.

4.2.3.1. RC ve RLC devreleri

KB darbelerinden kaynaklanan i(t) boşalma akımı, ölçü dört uçlusu yardımıyla v(t) gerilimine dönüştürülerek ölçü aletine iletilir. Şekil 4.6.(a)’da ölçü dört uçlusunun deney cismine veya kuplaj kapasitesine seri bağlı olduğu devre görülmektedir. Devrede ölçü dört uçlusuna ilişkin empedans Zm ile ifade edilmiştir. Zm empedansını

oluşturan devreleri RC veya RLC devresi şeklinde iki sınıfta incelemek mümkündür. RC ve RLC devrelerinin her ikisi içinde en önemli elemanlardan birisi ohmik R direncidir. i(t) KB darbe akımları, R direnci içinden geçirilerek direnç üzerinde bir gerilim düşümü elde edilir. Şekil 4.6.(b)’de RC devresi ve KB akımına verdiği yanıt görülmektedir. RC devresindeki C kapasitesi, değeri 5-20 pF arasında kabul edilebilen kaçak kapasitelerden meydana gelmektedir. Ek olarak, v(t) KB gerilim darbesini ölçü aletine iletmek için dorudan R direnci uçlarına bağlanan kablonun kapasitesi de C kapasitesini etkiler.

Şekil 4.6: RC ve RLC devreleri ve KB akım darbesi yanıtları.

KB akım darbesi i(t), yükselme süresi yaklaşık sıfır olan Dirac darbesi şeklinde ele alınırsa, RC devresinin bu darbeye yanıtı Şekil 4.6.(b)’deki gibi, üstel olarak yükselen ve düşen bir v(t) gerilim darbesi şeklinde olur. Bu durumda v(t) darbesi,

(-t / τ) t t k q V = . e C C + C. 1 + C       (4.3)

eşitliği ile ifade edilebilir. (4.3) eşitliğinde τ devrenin zaman sabitidir ve,

t k e t k C C = R .C R . C C C  ⋅  τ = _ + _ +   (4.4)

şeklinde belirlenebilir. (4.4) eşitliğindeki Ce eşdeğer kapasiteyi simgelemektedir. RC

devrelerinin, hızlı değişime sahip KB işaretlerinin yüksek frekans bileşenlerini geciktirerek, darbe şeklini bozabileceği göz önünde bulundurulmalıdır. Ölçü dört uçlusunu meydana getiren RC devresi, küçük kapasiteli deney cismine seri bağlandığında, deney cisminin çektiği kapasitif akımı, KB darbesi akımından ayırt etmek mümkündür.

Şekil 4.6.(c)’de RLC devresi ve Dirac darbesi olarak ele alınan i(t) KB akım darbesine verdiği yanıt görülmektedir. RLC devresindeki L endüktansı, genelde KB darbelerinin yükseltilmesi için kullanılan yükseltici transformatörün primer sargısının endüktansından kaynaklanmaktadır. KB işaretlerini yükseltmek için kullanılan transformatörün yüksek frekanslara uygun ve KB işaretlerinin karakteristiklerini bozmayacak biçimde tasarlanmış olması gereklidir. Aynı zamanda KB darbelerinin büyük kapasitif yer değiştirme akımlarından (sinüsoidal bileşenlerden) süzülmesi işlemi de yükseltici transformatör ile sağlanabilir. Yani transformatör sargısı sinüsoidal bileşenleri filtre etmekte kullanılan, bant geçiren filtre devresinin bir elemanı gibi davranır. RLC devrelerinin KB darbelerine verdiği yanıt sönümlü ve üstel karakterli bir darbe şeklindedir ve,

(-t / 2.τ) t t k q V = . e × cos (ωt) C C + C . 1 + C       (4.5)

2 2 e e 1 1 ω L . C 4 . R . C   = _ − _   (4.6)

eşitliği ile bulunabilir. Devrenin τ zaman sabitini RC devresinde olduğu gibi (4.4) eşitliği ile belirlemek mümkündür.

KB işaretlerini kuvvetlendirmek için RC ve RLC devrelerinin çıkışına kuvvetlendirici devreler (amplifikatör) bağlamak mümkündür. Kuvvetlendirme işlemi için kullanılan amplifikatör devrelerinin tasarımında, KB işaretlerinin yüksek frekanslı bileşenleri göz önüne alınmalıdır.

4.2.4. Kuplaj kondansatörü

Elektriksel kısmi boşalma ölçümlerinde kullanılan önemli devre elemanlarından birisidir. KB deneyleri sırasında, deney cisminde ortaya çıkan KB darbelerinin meydana getirdiği gerilim düşümleri (yük hareketleri) kuplaj kondansatöründen karşılanmaktadır. Bu nedenle kuplaj kondansatörünün kapasitesi, KB ölçümlerinde duyarlılığa etkide bulunan önemli parametrelerden birisidir. Büyük kapasiteli kuplaj kondansatörleri kullanılarak ölçme duyarlılığını arttırmak mümkündür. Uygulamalarda kullanılabilen kuplaj kondansatörünün kapasitesini deney geriliminin elde edildiği kaynağın gücü sınırlandırmaktadır. Genel olarak 1 nF veya daha büyük değerdeki kuplaj kondansatörleri ile yeterli ölçüm duyarlılığı elde edilebilmektedir. Kuplaj kondansatörü seçilirken kondansatörün gürültüsüz, KB’sız ve düşük endüktans özelliğine sahip olmasına özen gösterilmelidir [1,2].

4.2.5. Bağlantı iletkenleri ve alan dağılımı düzenleyicileri

Elektriksel kısmi boşalmaların ölçülmesinde dikkat edilmesi ve önlem alınması gereken en önemli noktalardan biriside harici boşalma kaynaklarıdır. KB ölçüm devresindeki yüksek gerilim aygıtlarının bağlantısında kullanılan iletkenlerin eğrilik yarıçapı, korona boşalmasına neden olmayacak şekilde seçilmelidir. İletkenlerin birbirine ve aygıtlara bağlantısının, elektrik alan dağılımını düzenleyen elektrotlar

üzerinden yapılmasında fayda vardır. Ek olarak KB devresinin ölçekleme işleminin, kalibratör ile yapılması durumunda yüksek ve alçak gerilim bağlantılarının, büyük geçiş dirençleri oluşturacak kadar gevşek olmamasına ve uygun uzunlukta olmasına dikkat edilmelidir. Deneysel çalışmalar sırasında ölçme devresindeki bağlantıların gevşek olması durumunda, ölçüm sonuçlarının kararsız ve hatalı olarak elde edildiği belirlenmiştir.