Harmoniklerin transformatör kayıpları, termal performansı ve çalışma ömrü üzerindeki etkilerinin analizi

Abstract

Günümüzde hızla gelişen teknoloji ile birlikte elektronik cihazların sayılarının artması, elektrik sistemlerinde doğrusal olmayan yüklerin sayısında büyük bir artışa sebep olmaktadır. Söz konusu doğrusal olmayan yükler, elektrik sistemlerinde harmonik oluşumuna neden olmaktadır. Harmonikler, elektrik şebekesinde kayıpların artmasına, verimin düşmesine, ölçüm cihazlarında hatalı ölçümlere, elektrik şebekesinde bulunan cihazlarda yanlış çalışma ve arızalara sebep olduğundan harmoniklerin elektrik güç sistemi bileşenleri üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi önem arz etmektedir. Elektrik güç sistemlerinin başlıca bileşenlerinden biri transformatörlerdir. Doğrusal olmayan yükler sebebiyle oluşan harmonikler, transformatör kayıplarında artışa sebep olarak transformatörlerin veriminin düşmesine, transformatörlerde sıcaklık artışlarına sebep olmaktadır. Transformatör ömrü ile yalıtım yaşlanması arasında doğrudan bir ilişki bulunmaktadır. Transformatörlerdeki sıcaklık artışları, transformatör yalıtımının yaşlanmasına sebep olmaktadır. Dolayısıyla transformatör ömrünü de olumsuz etkilemektedir. Transformatörlerin ömür tayininde önemli bir parametre olan transformatörün en sıcak nokta sıcaklığı da harmoniklerden etkilenmektedir. Bu sebeplerden ötürü harmoniklerin transformatörlerin performansı ve ömrü üzerindeki etkilerinin analizi oldukça önemlidir. Transformatörlerin doğrusal olmayan yükler altındaki davranışının incelenmesinde IEEE C57.110 standartı rehber niteliğindedir. Bu standart, doğrusal olmayan yüklerin sebep olduğu harmoniklerin transformatörler üzerinde sebep olduğu etkilerin analiz edilebilmesi için methodlar sunan, transformatörlerin harmonikler altında yüklenme sınırlarının belirlenmesine yönelik bilgiler içeren bir standarttır. Ayrıca transformatörlerin harmonikler altındaki kayıp değerlerinin belirlenmesi, harmoniklerin varlığı durumunda transformatörlerdeki sıcaklıkların belirlenmesine yönelik bilgiler de içermektedir. Harmonikler sebebiyle transformatörlerde görülen kayıpların artması, transformatörlerde termal stresin artmasına sebep olmaktadır. Transformatörlerin termal performansının değerlendirilmesinde IEEE C57.91 standartı büyük öneme sahiptir. Transformatörün en sıcak nokta sıcaklığının yalıtım sisteminin yaşlanmasına etkisinin belirlenmesinde, transformatör ömrünün değerlendirilmesinde IEEE C57.91 standartının sunduğu bilgiler kullanılmaktadır. Bu çalışmada transformatörlerde görülen kayıp türlerinden, doğrusal olmayan yükler sebebiyle oluşan harmoniklerden ve harmoniklerin transformatör kayıpları üzerine etkilerinden bahsedilmiştir. Transformatörlerde doğrusal olmayan yüklerin varlığı durumunda kayıpların hesabı için IEEE C57.110 standartında önerilen methodlar açıklanmıştır. Transformatörlerin doğrusal olmayan yükler altında sıcaklık değerlerinin hesabı için IEEE C57.110 ve IEEE C57.91 standartlarında verilmiş methodlar hakkında bilgiler verilmiştir. Gerekli bilgilerin sunulmasının ardından bir güneş enerji santralinde bulunan 6 MVA kapasiteli 2 transformatörden alınmış harmonik akım değerleri MATLAB ortamına aktarılarak 3 fazlı transformatörlerin her bir fazı için THD değerleri ve akım dalga şekilleri incelenmiş, IEEE C57.110 standartında verilmiş methodlar kullanılarak önce transformatörlerin harmonik akımların varlığı durumundaki kayıp değerlerinin hesabı yapılmıştır. İki transformatör için hesaplanan kayıp değerleri, THD değerleri de göz önüne alınarak kıyaslanmış ve 3 fazın THD değerlerinin ortalaması alınarak hesaplanan toplam THD değeri daha yüksek hesaplanan transformatörün kayıp değerlerinde görülen artışın da daha fazla olduğu görülmüştür. Harmonik akımların varlığının transformatör kayıpları üzerindeki etkisinin değerlendirilmesinin ardından hesaplanan kayıp değerleri kullanılarak transformatörlerin en sıcak nokta sıcaklık değerleri hesaplanmış ve harmonik akımların transformatörlerin ömrüne etkisi analiz edilmiştir. Toplam harmonik içeriğin daha yüksek olduğu görülen transformatör için hesaplanan en sıcak nokta sıcaklığı, toplam harmonik içeriği daha düşük olan transformatöre göre daha yüksek çıkmıştır. Böylece harmonik içeriğin daha yüksek olduğu durumda transformatör en sıcak nokta sıcaklığının da daha yüksek olduğu görülmüştür. Harmoniklerin transformatör manyetik akı yoğunluğu dağılımına etkileri sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Elde edilen analiz sonuçları değerlendirilerek harmonik akımların transformatörlerde sebep olduğu etkiler, gerçek verilerin kullanıldığı bir uygulama ile pekiştirilmiştir.