Yüksek Darbe Gerilimi Üreticinin Otomasyonu

Abstract

Günümüzde kullanılan güç sistemlerinin büyük kapasitede olmalarıyla beraber, hassas olmaları da gerekmektedir. Güç sisteminde kullanılan bir elemanın arızalanması sistemin büyük bir kısmının devre dışı kalmasına ve güvenirliliğinin ve performansının azalmasına sebep olur. Bu arızalar genellikle elektrik cihazların yalıtım kısımlarında ortaya çıkan bozulmalarla bağlantılıdır. Özellikle yüksek gerilim cihazları, sürekli olarak şebeke gerilimleri ve aşırı gerilimlerle zorlandıkları için, daha da çok yalıtım bozulmalarına maruz kalabilirler. Şebekede oluşan aşırı gerilimler şebeke kaynaklı (anahtarlama olayları) olabildiği gibi ve şebeke dışından da yıldırım düşmesi sonucu aşırı gerilimler oluşabilir. Anlatılan nedenlerden dolayı yüksek gerilim cihazlarının yalıtımlarının aşırı ve sürekli gerilimlere dayanıklılıkları belirlenmelidir. Söz konusu olan incelemeler yüksek gerilim labratuvarlarında yapılmaktadır. Sanayi sektöründe faaliyet gösteren üreticiler, üretmiş oldukları ürünleri ilgili ulusal, uluslararası ve çeşitli askeri standartlara göre test ettirmelidirler. Bu testler, kendi bünyelerinde bulunan laboratuvarlarda veya uluslararası geçerliliği olan akredite olmuş laboratuvarlarda gerçekleştirilmelidir. Testler sırasında kullanılan test aletlerinin kalibre olması ve standartlara uyması gerekmektedir. Yüksek gerilim mühendisliğinde olan ilerlemeler cihazların daha da hassas ve net incelenmelerini talep etmektedir. Bu yüzden yüksek gerilim laboratuvarlarında yapılan deneyler her zaman yenilikçi ve uluslararası standartlara uygun olmalıdır. İstanbul Teknik Üniversitesi’nde bulunan Fuat Külünk Yüksek Gerilim Laboratuvarı Türkiye’nin en büyük yüksek gerilim laboratuvarıdır. Bu laboratuvarda hem bilimsel araştırmalar hem de endüstriyel deneyler gerçekleşmektedir. 4000 m2 lik bir alan üzerinde kurulmuş olan bu laboratuar A, B ve C olarak adlandırılan üç bloktan oluşmaktadır. Tez konusu olan 6 katlı 1 MV’luk Darbe Gerilimi Üretici laboratuvarın A blokunda yer almaktadır. Darbe gerilimi üreteçlerinin esas yapısı kondansatör ve dirençlerden oluşan (darbe şeklini değiştirmek amacıyla endüktanslar da olabilir) katların küresel elektrotlar üzerinden seri bağlantılarından oluşur. Darbe üretici devresindeki dirençler, kondansatörler, küresel elektrot açıklıkları çıkış geriliminin tepe, cephe ve sırt değerlerini belirlemektedir. Uluslararası standartlara uygun bir darbe gerilimi üretebilmek için darbe gerilimi üreteç devresindeki elemanların belirli değerlerde olmaları gerekmektedir. Üretilen darbenin şekline etkisi olan parametrelerin dışında, havadaki nem ve kir, hava basıncı ve sıcaklık gibi parametrelerin etkisi de göz önüne alınmalıdır. Tezde esas parametre olarak incelenen konu, katlar arasındaki kürelerin aralıklarıdır. Bu aralıklar darbe geriliminin genliğini değiştirmektedir. Belirli bir darbe gerilimi üretici için sabit bir DC giriş geriliminde, küre aralıklarındaki değişim, üretilen darbe geriliminin genliğini değiştirecektir. Ancak istenen darbe genliğini elde etmek için küre aralığını değişmek her zaman istenilen genliğin elde edilmesini sağlamayabilir. Küre meafelerin ayarlayan elektromekanik cihazlar ne kadar hasas yapılsalarda, küre aralıklarında ufak bir değişimle çıkışda büyük bir değişim oluşacaktır. Bu yüzden darbe gerilimi üretici için daha esnek bir çalışma sağlamak ve istenen genlikte darbe gerilimi elde etmek için bir tetikleme sistemi tasarlanmıştır. Tetikleme sistemi farklı darbe üreteçleri için kullanılabilir ve çıkış darbenin tamamen küre arakılarındaki değişime bağlı olmamasını sağlar. Başka bir deyişle belli bir genliğe kadar küre aralıklarının değişimi ile ayar yapılır ve tam genliği elde etmek için tetikleme sistemi kullanılır. Tetikleme sistemleri genel olarak aynı prensiplere sahip olurlar. Bu tezde kullanılına tetikleme sistemi bir darbe işaretinin uygulanmasını esas alarak tasarlanmıştır. Başka bir devre üzerinden bir darbe gerilimi ürtildikten sonra, bu darbe yüksek gerilim kablosuyla belirli bir küreye uygulanır ve istenen anda darbe gerilimi üreteçin çıkışına uygulanır. Uygulanan darbe işareti çıkış darbenin parametrelerini değiştirmemektedir ve ancak küreler arasındaki atlamayı sağlamaktadır. Darbeyi üreten devrede 220 voltluk ac gerilim bir trafo üzerinden 150 voltluk dc bir gerilime çeviriliyor. Üretilen dc gerilim yüksek vatlı bir direnç üzerinden bir kondansatörü doldurmaktadır. Kondansatör dolduktan sonra başka bir direnç üzerinden tristör vasıtasıyla yüksek gerilim trafosunun griş tarafına (primary) uygulanmaktadır. Yuksek gerilim trafosunun diğer ucu topraklanmıştır (giriş tarafınında). Tristörün ateşlenmesi için 220/12 voltluk bir trafo kullanılarak bir anahtar üzerinden 12 voltluk dc gerilim tristörün gate ucuna uygulanmıştır. Tristörün anahtarlandığı zamn kondansatör direnç üzerinden boşalarak yüksek gerilim trafosunun çıkış tarafında 6 kV luk bir gerilim üretilmektedir. Üretilen darbe gerilimi yüksek gerilim kablosuyla darbe gerilimi üreteçin birinci katında bulunan küreye uygulanmaktadır. Darbe gerilimi birinci küreye uygulandıktan sonra birinci katda atlama başlayıb ve bu atlama diğer katlarda da tekrarlanacaktır. Birinci trafonun giriş gerilimine göre yüksek gerilim trafosunun çıkışı farklı değerlere sahip olabilir. Üretilen darbe işaretin genliği, sistemin tetiklenmesindeki etkisini incelemek için, dc gerilim değiştirerek 6kV luk ve 12 kV luk darbe işaretleri uygulanmıştır. Trigatron olarak bilinen sistemin tasarlanmasında, farklı deneyler için istenen özelliklere sahip darbe gerilimi elde edilecektir. Trigatron’un etkisi üreticinin pozitif ve negatif polaritelerinde farklı deney gerilimleri altında incelenmiştir. Trigatron sistemi için yeni bir parametre (utr) tanımlanmıştır ve bu parametrenin küre açıklığıyla bağlantısı incelenmiştir. Söz konusu olan parametre incelenen darbe gerilimi üretici ile pratikte yapılan deneyler için kullanılabilir. Trigatron sistemi bir tristör üzerinden darbe üreticinin birinci katında bulunan küreye 6 kV’luk bir darbe gerilimi uygulamakta ve böylelikle diğer kürelerde de atlama olmasını sağlamaktadır. Bu 6 kV’luk darbe gerilimi katlardaki kondansatör geriliminin istenildiği değerinde uygulanabilir. Dolayısıyla üretilen darbe geriliminin genliği istenilen değere ayarlanabilmektedir. Ancak, belirli bir küre açıklığında, belirli bir doğru gerilim için tüm kürelerde atlama olması sağlanmalıdır (tetikleme sistemi için önerilen parametrenin genliği). Bu parametre çıkış darbe geriliminin genliğini istediğimiz değerde sağlanması demektir. Utr parametrese nekadar büyük ise , sabit bir küre aralığında farklı darbe genlikleri elde etmesi kolay olacaktır. Tetiklenen kürenin, tetikleme işaretini küreye bağlayan kablonun ve diğer yalıtımlı olan cihaclar ve bağlantıların belirli bir gerilime kadar dayanıklıdırlar. Ayrıca daha güçlü ve büyük darbe işaretleri üretmek için, tetikleme sisteminde olan elemanların daha büyük bir değerlere sahip olmaları gerekmektedir. Bu yüzden tetikleme işaretinin genliği ve gücünün etkisi incelenmiştir. Deneyler sonucuyla elde edilen sonuçlara göre, tetikleme işaretinin genliği ve gücü belli bir değerden sonra tetiklemede etkisi olmadığı görünmüştür. Bu nedenle tetikleme sisteminde olan elemanların daha az zorlanması için gereken değerler (genlik ve güç) alınmalıdır. Bu değerler birinci trafonun dc çıkışı (kondansatörü dolduran gerilim) ve kondasatörün değerleri ile belirlenmektedir. Tetikleme sistemi hazır olduktan sonra darbe üreteçine bağlanmıştır. Belirli bir genlikte olan darbe gerilimini elde etmek için sabit bir küre aralılığında darbe üreteçinin giriş gerilimi basamaklı olarak artırmaktadır, istenilen genlikte tetikleme anahtarını basarak sistem tetiklenmiş olacaktır. Böylece farklı deneyler için istenilen darbe genliği uygulama imkanı olacaktır. Tetikleme sisteminin olmadığında, darbe gerilimi üreteçinin çıkışını istenilen genlikte darbe üretebilmesi için küre aralıklarının değiştirilmesi gerekmektedir. Bu değişmeler elektromekanik elemanları aracılığıyla yapıldığına göre, her ayarlamada aynı küre aralığına ulaşılmadığı için aynı darbe gerilimlerini elde etmek zor olacaktır. Bu tez çalışmasında daha etkin bir tetikleme sisteminin tasarlanması için önerilen tetikleme sisteminin fiziksel çalışma mekanizması, ilgili matematiksel eşitlikler ile açıklanmıştır. Deneyler sonucunda tetikleme darbe geriliminin genliği ve enerjisinin utr parametresinin genliğine etkisi olmadığı görülmüştür. Üretilen darbe geriliminin genliğinin ölçülebilmesi ve şeklinin incelenebilmesi için gerilim bölücüler kullanılır. Darbe gerilimi şeklinde, gerilim bölücü ile ölçü sistemi arasındaki bağlantılar ve bölücünün kendi yapısından kaynaklanan, bir takım parazitler olabilir. Bu etkenler sonucunda çıkış darbe gerilimin şekli değişmiş olabilir ve bazı aşımlar ortaya çıkabilir. Bu aşımlar genelde üretilen darbe gerilimin sırt ve cebhesinde yer almaktadırlar. Bu yüzden İTÜ yüksek gerilim labratuarında bulunan gerilim bolucunun parametreleri incelenmiştir. Bu çalışmada, gerilim bölücünün üretilen darbe geriliminin şekline etkisini inceleyebilmek için, bölücünün birim basamak cevabı (unit step response) incelenmiştir. Bu inceleme uluslararası önerilen standartlarla uygun bir düzenle yapılmıştır. Birim basamak gerilimi üreten bir devre ile yükselme zamanı 33 ns ve doğru gerilim genliği 158 volt olan bir basamak fonksiyonu elde edilmiştir. Birim basamak fonksiyonunu üretmek için civa rölesi kullanılmıştır. Birim basamak üretecinin çıkışı bir sönümleme direnci üzerinden gerilim bölücünün yüksek gerilim girişine uygulanmıştır. Birim basamak fonksyonunu uygulamak için tüm bağlantılar levha şeklinde olan bakır bağlantılardan oluşmuştur. Bu bağlantılar kablonun kendisinden oluşabilen elektromanyetik yüklenmeleri önlemektedir. Uygulanan birim basamak geriliminin cevabı, gerilim bölücünün alçak gerilim tarafından bir 200 MHz’lik osiloskop yardımı ile incelenmiştir. Kullanılan osiloskop bilgisayara bağlanarak Lab View programı üzerinden kontrol edilebilmektedir. Tüm cevaplar program tarafından bir Excell dosyasında kayd edilmekteir. Dolayısıyla üretilen darbe şekli zaman ekseni ve genlik eksenine göre sayılarla elde edilmiştir. Bu veriler birim basamk fonksyonunun parametrelerini hesaplamak için kullanılmıştır. Mathlam de bir .m programı hazırlandıktan sonra bu parametreler hesaplanmıştır. Bu incelemede 1 MV’luk gerilim bölücünün 1 MV ve 0,5 MV’luk ölçme konumları için çevirme oranları elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar bir gerilim bölücü için uluslar arası istandartların belirlediği parametreleri sağladığı görünmektedir. Sonuç olarak tetikleme sisteminin darbe gerilimi üreteçlerde olması daha standart deneyler yapılmasını sağlamaktadır. Tetikleme sistemi var olan darbe gerilimi üreteçinde daha esnek bir kumanda olanağı olduğundan, operatör (deneyleri yapan teknik elemanlar) uluslar arası kabullenmiş standartlara uygun deneylerin yapılmasını sağlıyabilmektedirler. İTÜ yüksek gerilim laboratuarında yer alan 6 katlı yüksek darbe girilim üreteçinin tetikleme sistemi eklendikten sonra, deneyler sırasında kolaylıksağladığı görünmektedir. Ayrıca ölçüm için kullanılan gerilim bölücünün de parametreleri doğru bir ölçüm sağladığı görünmektedir.

An uninterrupted supply of electricity is of supreme importance in all our activities. Transient over-voltages and over-currents due to lightning and switching surges are the main causes of interruption of the continuous supply of electricity by causing a breakdown of insulation of the transmission lines and various power apparatus thus causing severe damage to these equipments. So power apparatuses are generally required to undergo several insulation tests to demonstrate that the equipment fulfills the specified requirements and quality standards. High voltage laboratories are an essential requirement for making acceptance tests for equipments that go into operation in the high voltage transmission systems. Istanbul Technical University, Fuat Kulunk High Voltage Laboratory is the biggest high voltage laboratories in Turkey that performs high voltage tests for industrial utilities and academic researchers. The laboratory consists of several blokes that perform various tests. The one MV six stages impulse voltage generator (IVG) that is located in B block can perform lightning impulse tests with a range of 10 kJ output. The mentioned IVG that is the case of study for this thesis supposed to have more accurate output and flexible control for the operator during the tests. To make it possible, we propose an overall view of an automated generator, which includes a computer aided system to control, record and analysis the whole system. The hardware required for such a system demands some additional parts for generator itself to have more its output voltage as desired for the test properties, while it is even within national and international standards. Since computerized part of proposed system postponed for as future job and is not included in this thesis study, we will go with the other parts. Typical IVGs are consisted of some stages with capacitors and resistors that work in series connection via spark gaps. It is the main structure of any IVG in high voltage laboratories. The generated impulse wave shape is a function of some parameters from generator structure (elements of generator such as capacitors, resistors, inductances, sphere gaps and …) and some environmental conditions (such as dirt and humidity of air, pressure). In this study, most interested parameters are those affecting the magnitude of output impulse. For known generator elements that satisfy standard wave shape, in a constant DC charging voltage, the distance between sphere gaps of stages influences the magnitude of the output voltage. It means that with no additional tool obtaining the desired magnitude for produced impulse will be hard and somehow impossible. For this reason, to have a precise magnitude, a system called trigatron installed on the generator that makes it able to generate any impulse voltage with desired magnitude. During some tests, the behavior of the generator in presence of the trigatron analyzed and more details are mention that it leads to a more accurate output. A voltage divider that can operate in one MV (full mode) and 0.5 MV (half mode) range have used to measure the output signal of the one MV six stages impulse generator. An impulse voltage has generated in some KVs and must lower to scales of some volts to be monitored. It is important to obtain the impulse voltage as proper scale of that to be demonstrated on oscilloscope or a digital recorder. During the connections between generator and divider and divider to monitoring tools, some disturbances can be imposed on the impulse wave shape and make it unfit the standards. To analysis the accuracy of measuring system, a unit step response of the divider is evaluated. For this reason, a step pulse generator is established according to international standards. The results are used to define some parameters of the divider in both full and half mode.