Transformatörlerde kaçak akı kayıplarının incelenmesi ve şönt eleman ekranlaması ile kayıpların azaltılması analizi

Abstract

Transformatörlerde güç kayıplarının doğrulukla hesaplanması ve azaltılması güç verimliliğinin arttırılması açısından büyük öneme sahiptir. Kaçak akılar, dışarıdan veya kısmen dışarıdan devresini tamamlayan manyetik akılardır ve transformatörlerde oluşan bu akılar "kaçak akılar" olarak adlandırılır. Bu akılar, transformatörün manyetik devresinden değil, çekirdek sıkıştırmaları, buşing çıkışları ve kazan duvarları gibi farklı manyetik alanlara dağılarak bu bölgelerde ısınmalara ve güç kayıplarına neden olurlar. Transformatörlerde verimi artırmak için bu kaçak akıların azaltılması veya kontrol altına alınması önem taşır. Transformatörlerin simetrik olmayan karmaşık yapıları nedeniyle kazan kayıplarının hassasiyetle hesaplanması kolay değildir. Bu sebeple hesaplamayı kolaylaştıracak ve hata oranını azaltacak yöntemlere açık bir konudur. Transformatörlerin enerji sistemine dahil edilmesinde kullanılan giriş ve çıkış bağlantı noktalarının bulunduğu yerler buşinglerdir (izolatörler). Enerji sisteminin bağlantı noktaları olan buşingler ve çevrelediği kazan duvarı transformatör kazanında kayıpların en çok arttığı, kaçak akıların yığılma yaptığı noktalardır. Bu sebeple de kazan duvarında kayıpların incelenmesi için en uygun noktadır. Bu çalışmada, literatür çalışmalarında önerilen; transformatörlerin buşing çıkışlarında meydana gelen elektromanyetik alan ve girdap akımları kayıplarının analitik olarak çözümlenmesinin ardından buşingleri çevreleyen bölgelerde Maxwell denklemlerinin karşılık gelen sınır koşullarıyla çözülmesi ve doğrusal geçirgenliğin dikkate alınmasıyla elde edilen analitik ifadelerin modifiye edilmiş Bessel denklemleri çözülmüştür. Böylece transformatörlerde meydana gelen kazan kayıplarının üç boyutlu analitik olarak hesaplanması elde edilmiştir. Elde edilen üç boyutlu analitik formüller; referans olarak alınan 100MVA gücündeki bir güç transformatöründe beş ayrı parametre değiştirilerek oluşturulan on farklı durum için hem analitik hem de üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemi ile karşılaştırmalı olarak analiz edilmiş ve doğruluğu hata oranlarıyla birlikte gösterilmiştir. Çalışmanın devamında üç boyutlu analitik hesabı ve üç boyutlu sonlu elemanlar analizi ile kazan kaybı hesaplanan referans transformatörün bu kazan kaybının azaltılması ve veriminin yükselmesi için kazan duvarlarının iç yüzeyine ekranlama (şönt) yapılarak kaçak manyetik akıların azaltılabileceği gösterilmiş ve bu manyetik akı dağılımını sonlu elemanlar yöntemi ile ekranlama yapılmamış transformatörle karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Referans transformatörün ekransız durumunda kazan kaybı analizi ve on iki tip ekranlama çeşidi ile ekranlanmış durumdaki kazan kaybı analizleri karşılaştırmalı olarak yapılmış ve yorumlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında; transformatörün kazan kayıplarını analitik olarak hesaplayabilmek adına önerilen buşing çıkışlarında meydana gelen kazan kaybı modeli tüm kazan duvarı için genişletilerek elde edilmiştir. Elde edilen üç boyutlu analitik hesapta; transformatörün buşing çıkışlarında meydana gelen elektromanyetik alan ve girdap akıları kayıplarının hesaplanabilmesi için idealize edilmiş bir modele indirgenmiştir. Bu model, buşing çıkışı ile tank duvarı arasındaki boşluk bölgesini birinci bölge, tank duvarını temsil eden ikinci bölge ve tank duvarının dışında kalan üçüncü bölge olarak ayırarak her bir bölge için ayrı ayrı elektromanyetik ve elektrik alan denklemleri oluşturulmuştur. Ardından bu üç bölge için oluşturulan denklemler tüm transformatör duvarı hacmine entegre edilerek toplam kazan kaybı için analitik çözüm oluşturulmuştur. Elde edilen analitik çözüm; transformatör üreticisinden referans olarak alınan 100MVA gücünde 154kV ±12,5%/ 66kV YNyn0 parametrelerine sahip bir güç transformatöre uygulanarak kazan kaybı hesaplanmıştır. Elde edilen sonuç (22.11kW) transformatör üreticisinin elde ettiği test sonucu (22.88kW) ile uyuştuğu aralarındaki hata oranının %3,5 olduğu gösterilmiştir. Çalışmanın devamında, referans transformatörün beş farklı parametresinin değiştirilmesiyle oluşturulan on farklı durum için üç boyutlu analitik hesap yöntemi yeniden uygulanmıştır. Elde edilen analitik sonuçların doğruluğunu kontrol etmek amacıyla önerilen model, Ansys/Maxwell paket programı kullanılarak üç boyutlu sonlu elemanlar analizi ile test edilmiştir. Bu karşılaştırmada, analitik ve numerik yöntemler arasındaki hata oranı en fazla %4,19 olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar ile, iki farklı hesaplama yöntemi arasında uyumlu ve güvenilir bir sonuç elde edildiği gösterilmiştir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında, doğruluğu kontrol edilen üç boyutlu sonlu elemanlar analizi kullanılarak referans transformatörde sadece buşing çıkışlarındaki kazan kaybının değil, tüm transformatör hacminin analizi yapılmıştır. Bu analizde, transformatör çekirdeğinin manyetik alan dağılımı, kazanın kaçak alan dağılımı ve kazan kaybının dağılımı incelenmiş; ortalama kazan kaybı 22,88 kW olarak hesaplanmıştır. Bu kazan kaybı sonucunun hassasiyeti, programa girilen transformatör hacminin detaylarına dayanmaktadır. Örneğin, sarım tipi, tel tipi, kullanılan kanallar arası yapı, yağ boşlukları, çekirdek laminasyonları arasındaki yağ kanalları, buşing çıkış flanşları, çekirdek sıkıştırmaları, kazan duvarında bulunan radyatörler gibi detaylar programa eklenerek hassasiyet artırılabilir. Ayrıca, analizin daha doğru ve hassas sonuçlar vermesi için kullanılan sonlu eleman sayısının artırılması ve çözüm adımlarının küçültülmesiyle çözüm süreleri uzatılabilir. Bu şekilde daha detaylı ve doğru sonuçlar elde edilebilir. Bu çalışmanın son aşamasında da referans transformatördeki 22,88 kW kazan kaybını azaltmak için kazanın iç duvarına farklı tipte on iki ekranlama paketi uygulanmış ve üç boyutlu sonlu elemanlar analizleri tüm ekran paketleri için tekrarlanmıştır. Uygulanan ekranlama paketleri sonucunda, kazanın ön, arka ve sol duvarlarına yerleştirilen şönt elemanlarla kazan kaybı %16,63 azalarak 19,07 kW'a düşürülmüştür. Bu analizlerle, ekranlama paketlerinin transformatör kazanındaki kayıpları azaltmada etkili olduğunu ve kazan kaybını önemli ölçüde azaltabileceği gösterilmiştir.