ELEKTRİKSEL KISMİ BOŞALMALARIN ÖLÇÜLMESİ Prof. Dr. Özcan Kalenderli

8

ELEKTRİKSEL KISMİ BOŞALMALARIN ÖLÇÜLMESİ

Prof. Dr. Özcan Kalenderli 1. Deneyin Amacı

Kısmi boşalma ölçmeleri, kısmi boşalmaların varlığının belirlenmesi, ölçülmesi, yerinin bulunması ve zarar ya da tehlikelerinin anlaşılmasını sağlayan tahribatsız yüksek gerilim deneylerindendir. Bu deneyde, elektriksel kısmi boşalma ölçme yöntemlerinin, deney devrelerinin ve devre elemanlarının tanıtılması ve genel olarak kısmi boşalma kavramının verilmesi amaçlanmıştır.

2. Genel Bilgi

Kısmi boşalmalar, yalıtkanların ömrüne etki eden en önemli etkenlerden birisi olup konuyla ilgili pek çok kuramsal ve deneysel çalışma ve standart bulunmaktadır [1-21].

Kısmi boşalmaların oluşumu hakkında ileri sürülen farklı kuramlar sonucu kısmi boşalmaların ölçülmesinde değişik yöntemler kullanılmaktadır.

Kısmi boşalmaların ölçülmesinde boşalmalar sırasında enerji dönüşümü sonucu ortaya çıkan etkilerden yararlanılır. Bu etkiler, akım darbeleri, dielektrik kayıpları ve elektromagnetik dalga yayılması gibi elektriksel etkiler ile ısı, ışık, ses ve kimyasal bozulmalar gibi elektriksel olmayan etkilerdir. Ölçmelerde bu etkilerden en çok kısmi boşalma darbelerinden yararlanılır. Kısmi boşalma ölçmelerinin amacı, kısmi boşalmaları bulma, ölçme, yerini belirleme ve sonuçları değerlendirmedir.

2.1. Tanımlar

Aşağıda konunun daha iyi anlaşılmasına yardım edecek tanımlar verilecektir.

2.1.1. Kısmi Boşalma veya Korona:

İki elektrot arasında bulunan bir yalıtkanın yalnızca bir bölümünde olan ve elektrotları köprülemeyen yerel elektriksel boşalmalara kısmi boşalma veya korona adı verilir.

Elektrotlardan birisi veya her ikisi ile boşalmalar arasında katı, sıvı veya gaz şeklinde yalıtkanlar bulunur. Bu tür boşalmalara şu örnekler verilebilir (Şekil 8.1):

1) Yüksek gerilimde eğrilik yarıçapı küçük elektrotlar (keskin kenar, köşe veya sivri uçlar) ve hatlar çevresindeki boşalmalar. Bu durumda boşalma, iyonize olmamış bir gaz tabakası tarafından diğer elektrottan ayrılmıştır. Bu tür boşalmalara dış kısmi boşalma veya korona adı verilir (Şekil 8.1a).

2) Yüzeysel boşalmalar. Bu durumda ise elektrotlardan birisi katı yalıtkan tarafından örtülüdür ve boşalmalar yalıtkan yüzeyinde olur. Bu boşalmalar da dış kısmi boşalmalardandır (Şekil 8.1b).

3) Katı yalıtkan içindeki boşluk veya aralıklardaki boşalmalar. Elektrotlar arasındaki katı yalıtkan içinde olan bu boşalmalar, genellikle iç kısmi boşalmalar olarak adlandırılırlar (Şekil 8.1c).

Bu boşalmaların hepsi çarpma suretiyle iyonizasyonun söz konusu olduğu boşalmalardır.

(a) (b)

(c) (d) (e)

Şekil 8.1. Kısmi boşalma örnekleri

a, b) Dış kısmi boşalmalar; c, d, e) İç kısmi boşalmalar.

2.1.2. Görünen Yük (Kısmi Boşalma Genliği) (q):

Bir deney cisminin uçlarına birdenbire uygulandığında, bunun uçları arasında kısmi boşalma miktarı kadar, anlık bir gerilim değişimi oluşturabilecek miktardaki yüktür.

Genelde q ile gösterilir ve birimi pikokulon (pC) dur. Görünen yükün mutlak değeri çoğu kez kısmi boşalma genliği olarak adlandırılır.

2.1.3. Tekrarlama Sıklığı (n):

Bir saniyede oluşan ortalama kısmi boşalma darbesi sayısıdır.

2.1.4. Kısmi Boşalma Başlama Gerilimi (U_i):

Bir deney cismine uygulanan gerilim yavaş yavaş yükseltildiğinde, kısmi boşalmaların başladığı veya belirli bir yeğinliği geçtiği en küçük gerilimdir.

2.1.5. Kısmi Boşalma Sönme Gerilimi (U_e):

Bir deney cismine uygulanan gerilim en az kısmi boşalma başlama geriliminden başlayarak yavaş yavaş azaltıldığında, kısmi boşalmaların söndüğü veya belirli bir yeğinlikten daha az olduğu gerilimdir.

2.1.6. Kısmi Boşalma Deney Gerilimi:

Bir deney cismine uygulanan ve deney cismindeki kısmi boşalmaların belirli bir yeğinliği aşmaması beklenen gerilimidir.

2.2. Kısmi Boşalmaların Ölçülmesi ve Yerinin Bulunması İçin Elektriksel Olmayan Yöntemler

2.2.1. İşitsel (Gürültü-Akustik) Belirleme

Sessiz bir ortamda kısmi boşalmaların tıslama şeklindeki gürültüsünü kulakla dinleyerek kısmi boşalmaların belirlenmesi çok kullanılan bir yöntemdir. Yöntemin duyarlığı, deneyi yapanın kulağına, deney yerinin temel gürültü düzeyine ve kısmi boşalma yerine çok bağlıdır. Yöntemin özellikle dış kısmi boşalmaların belirlenmesi için kullanılması uygundur. Ölçmelerde, dinleme borusu, kulaklık, mikrofon veya duyarlı ses alıcıları gibi yardımcı elemanlar kullanılarak duyarlık ve ayırtedicilik arttırılabilir.

2.2.2. Görsel (Işık-Vizüel veya Optik) Belirleme

Bu yöntem, yüzeysel ya da dış kısmi boşalmalarla, saydam ya da yarı saydam katı yalıtkanlardaki iç kısmi boşalmaları belirlemek için kullanılabilir. Karanlık bir odada, gözleri karanlığa alışmış ve direk deney cismine bakan bir gözlemci, gerekirse dürbün de kullanarak yüzeysel boşalmalarla, katı yalıtkan içindeki yüzeye yakın boşalmaları gözle görebilir. Karanlığa uyum sağlama süresi her gözlemci için değişebilir olmakla birlikte karanlıkta 5 dakika durduktan sonra ölçme duyarlığı fazla değişmemektedir. Özellikle gözle farkedilemeyen yüzeysel boşalmalar fotoğraf yardımıyla belirlenebilir. Özel amaçlar için bazen ışık yükselteçleri de kullanılabilir.

2.2.3. Sıcaklık Ölçme Yöntemi

Bu yöntemde, kısmi boşalmaların neden olduğu sıcaklık artışından yararlanılır. Bu yöntemin duyarlığı ve kullanımı azdır.

2.2.4. Basınç Ölçme Yöntemi

İletken ile yalıtkan arasındaki hava aralığında hava basıncı ölçülerek kısmi boşalmalar incelenebilir. Bu yöntemin uygulaması çok sınırlıdır.

2.2.5. Kimyasal Bozulmaların ve Kısmi Boşalma İzlerinin İncelenmesi

Kısmi boşalmaların neden olduğu kimyasal bozulmaların ve yanma izlerinin incelenmesiyle kısmi boşalmaların yeri ve yayılımı konusunda oldukça yararlı bilgiler edinilir.

2.3. Kısmi Boşalmaların Ölçülmesi İçin Elektriksel Yöntemler

2.3.1. Dolaysız Ölçme Yöntemleri (Deney Cismine Paralel veya Seri Ölçü Empedansı Bağlayarak Ölçme)

Bu yöntem için kullanılacak genel ölçme devreleri Şekil 2'de gösterilmiştir. Burada bir gerilim kaynağı, bir empedans üzerinden deney cismine bağlanmış ve devre toprak üzerinden tamamlanmaktadır. Ölçme amacıyla da Şekil 8.2a'da deney cisminin uçlarına,

paralel olarak, birbiriyle seri bağlı bir kuplaj kondansatörü ve ölçme empedansı ya da dört uçlusu bağlanmıştır. Ölçme dört uçlusundan da ölçü aletine bağlantı yapılmıştır. Genellikle gerilim kaynağının çıkışına herhangi bir arıza kısa devresinde koruyucu (akım sınırlayıcı) olarak Şekil 8.2'deki gibi bir empedans (öndirenç) veya gerilim kaynağından gelebilecek bozucu etkileri (yüksek frekanslı parazitleri) ölçü devresine geçirmemek amacıyla bir süzgeç konabilir.

Deney cisminin kapasitesinin küçük ve topraktan yalıtılabilir olduğu durumlarda ölçme empedansı ya da dört uçlusunun deney cismi ile seri bağlandığı devreler de kullanılabilir (Şekil 8.2b).

Şekil 8.2. Dolaysız kısmi boşalma ölçme devreleri.

Ca deney cismi; Ck kuplaj kondansatörü;

Zm ölçü empedansı veya dört uçlusu;

ÖA ölçü aleti; Z öndirenç veya süzgeç.

2.3.2. Dolaylı Ölçme Yöntemleri 2.3.2.1. Köprü Yöntemi

Elektriksel gürültülerin fazla olduğu ortamlarda deney yapmak gerektiğinde ve devreye süzgeç koymanın veya deney alanını ekranlamanın yeterli olmadığı durumlarda Şekil 8.3'te genel olarak gösterilen köprü devrelerinin kullanılması önerilir. Bu devrede deney cismi ve kuplaj kondansatörü (veya ikinci bir deney cismi) birer ölçü empedansı ile seri bağlanıp topraklanmıştır. Bu dört uçluların çıkışından alınan işaretlerin farkı bir ölçü aletiyle değerlendirilebilir. Devre bir yüksek frekans Schering köprüsü olduğundan bu yönteme köprü yöntemi adı verilir.

Ölçü Aleti Z

C_k C_a

Zm

 U

Kablo

Ölçü Aleti Z

Ca

Ck

Z_m

 U

Kablo

Şekil 8.3. Köprü yöntemi ile kısmi boşalma ölçme devresi.

Ca deney cismi; Zm ve Zm1 ölçü empedansları;

Ca1(Ck) kuplaj kondansatörü veya ikinci deney cismi

2.3.2.2. Kayıp Ölçme Yöntemi

Kısmi boşalma kayıplarının ölçülmesi ile kısmi boşalmaların belirlenmesinde çevrim izleme yöntemiyle bir osiloskoptan yararlanılır. Şekil 4'te görüldüğü gibi köprü devresinde osiloskobun düşey saptırma girişine, köprünün ölçü aletine giden uçlarından ve yatay saptırma girişine ise deney geriliminden bir bölücü yardımıyla alınan alçak gerilim uygulanır. Böylece osiloskopta görünen kapalı çevrimin alanı gerilimin bir periyodunda kısmi boşalmaların enerjisini verir. Bu yöntemin kullanılmasında dielektrik kayıp faktörünün, kısmi boşalma etkileri dışında gerilim ile değişmediği kabul edilmiştir. Ayrıca kısmi boşalma kayıplarının, iletkenlik ve dipol kayıplarından ayırtedilmesi gerekir.

Şekil 8.4. Çevrim izleme yöntemi ile kayıp ölçme devresi.

Ca deney cismi; Ck kuplaj kondansatörü

Elektriksel kısmi boşalma ölçme devrelerinde kullanılan deney transformatörleri, kuplaj kondansatörleri ve deney bağlantıları deney gerilimlerinde kısmi boşalmasız olmalıdır.

Deney gerilimi bir elektriksel süzgeç üzerinden uygulanmalı ve deney yerinin gürültü düzeyini düşürücü (ekranlamak; uygun yer ve zamanda deney yapmak gibi) önlemler alınmalıdır.

Ölçü Aleti Z

Ca

Zm

 U

Kablo

C_a1 (C_k)

Zm1

Kablo

Ck

Ca

1 2

C2

C1

 U

Ölçü aleti, kısmi boşalma darbelerini yükseltip mikrovolt veya pikokulon cinsinden ölçen dar veya geniş bandlı bir alet ile boşalmaların şeklini ve tekrarlama sıklığını izlemeye ve diğer bozucu işaretlerden ayırtetmeye yarayan bir osiloskop olabilir. Ölçmeler, bir frekans bandında sürekli tarama ile yapılabildiği gibi, belirli bir frekansta da yapılabilir.

3. DENEYİN YAPILIŞI

Bu deneyde iç ve dış kısmi boşalma örnekleri görüldükten sonra aşağıdaki ölçmeler yapılacaktır:

1) Bir sivri uç-düzlem elektrot sisteminde, kısmi boşalma başlama ve sönme gerilimleri saptanacak, kısmi boşalmaların değişimi osiloskopta izlenecektir.

2) Hava yalıtımlı bir eş eksenli silindirsel elektrot sisteminde, kısmi boşalma başlama ve sönme gerilimleri saptanacaktır.

3) İçinde silindirsel bir hava dolu boşluk bulunan bir katı yalıtkanda kısmi boşalma ölçmeleri yapılacaktır.

4) Bilindiği gibi standardlarda çeşitli deney cisimleri için kısmi boşalma deneylerine hazırlanma koşulları, deney gerilimleri ve sınır kısmi boşalma değerleri verilmektedir.

Bu deneyde, bir deney cisminde (bir yüksek gerilim kablosunda) standardlara uygun kısmi boşalma ölçmesinin yapılışı gösterilecektir.

4. RAPORDA İSTENENLER

1) Deneyde ölçtüğünüz değerleri ve gözlemlerinizi yazınız. Deney sonuçlarını yorumlayınız.

2) Kısmi boşalma olayının oluşumunu ve bu tür boşalmalara etki eden etkenleri açıklayınız.

3) Boşluklu bir katı yalıtkanın elektriksel eşdeğerini göz önüne alarak kısmi boşalma büyüklüklerinin ölçülmesini açıklayınız.

4) Kısmi boşalma ölçme aleti ve ölçü empedansı türlerini yazınız.

5. KAYNAKLAR

[1] KIND, D., An Introduction to High-Voltage Experimental Technique, Vieweg, Braunschweig, 1978.

[2] KIND, D. (Çeviren: RUMELİ, A.), Yüksek Gerilim Deney Tekniğine Giriş, Vieweg- ODTÜ, Ankara, 1992.

[3] KIND, D., FESER, K., High-Voltage Test Techniques, SBA Publ./Vieweg, 1999.

[4] SCHWAB, A. J., Hochspannungs Messtechnik, Springer Verlag, Berlin, 1981.

[5] GALLAGHER, T. J., PEARMAIN, A. J., High Voltage Measurement, Testing and Design, John Wiley and Sons Ltd., Chichester, 1983.

[6] KUFFEL, A., ZAENGL, W. S., High-Voltage Engineering Fundamentals, Pergamon Press Ltd., Oxford, 1984.

[7] KUFFEL, E., ZAENGL, W. S., KUFFEL, J., High Voltage Engineering Fundamentals, Newnes, 2^nd Ed. 2000.

[8] KREUGER, F. H., Discharge Detection in HV Equipment, Butterworth Co. Ltd., London, 1989.

[9] KREUGER, F. H., Industrial High Voltage, Vol. II, Delft University Press, Delft, 1992.

[10] E. Gulski, Computer-Aided Recognition of Partial Discharges Using Statistical Tools, Delft University Press, Delft, 1991.

[11] KHALIFA, M., High-Voltage Engineering Theory and Practice, Marcel Dekker Inc., New York, 1990.

[12] MALIK, N. H., AL-ARAINY, A. A., QURESHI, M. I., Electrical Insulation in Power Systems, Marcel Dekker, Inc., New York, 1998.

[13] NAIDU, M. S., KAMARAJU, V., High Voltage Engineering, Tata McGraw-Hill Co.

Ltd., New Delhi, 2004.

[14] TS 2051 EN 60270, Kablolar – Yüksek Gerilim Deney Teknikleri - Elektriksel Kısmi Boşalma Ölçmeleri, Nisan 2003.

[15] IEC 60270, Partial Discharge Measurements, 2000.

[16] DIN EN 60270 VDE 0434, High-voltage Test Techniques. Partial Discharge Measurements, 2001.

[17] BS EN 60270, High-voltage Test Techniques. Partial Discharge Measurements, 2001.

[18] ASTM D1868-07, Standard Test Method for Detection and Measurement of Partial Discharge (Corona) Pulses in Evaluation of Insulation Systems, 2007.

[19] IS 6209, Methods for Partial Discharge Measurements, 1982.

[20] IEC Publ.885-I,II, Partial Discharge Tests for Cables, 1987.

(a) (b)

Deney gerilimi üzerine bindirilmiş kısmi boşalma darbelerinin osiloskoptaki görüntüleri.

a) Deney gerilimi sinüsoidal olarak alınmış, b) Deney gerilimi eliptik biçimde alınmış.