Bilgiseller / Gemi makineleri ve enerji
Transformatörlerde ısıl yaşlanma: sıcak nokta sıcaklığı ve değişken yük
Sargı sıcak noktasını yağ sıcaklığından ayırın, ısıl gecikmeyi izleyin; ortalama yük veya sıcaklık yerine değişen yaşlanma hızını zaman boyunca toplayın.
Bu sayfada
Bir transformatör elektriksel görevini sürdürürken katı yalıtımında ısıl bozulma birikebilir. İlgili sıcaklık, kolay erişilen yüzey veya yağ termometresinin gösterdiği değer olmak zorunda değildir; sargı–yalıtım sisteminin en sıcak noktası önemlidir. Değişken yük ikinci bir güçlük ekler: sıcaklığın belleği vardır ve yaşlanma kuvvetle doğrusal dışıdır. Bu makale genel ısıl mantığı açıklar; sayısal örnekte açıkça tanımlanan mineral yağ/kâğıt modelini kullanır. Aynı sayısal bağıntı kuru tip gemi transformatörlerine gelişigüzel uygulanamaz.
Yaşlanma bağıntısından önce yalıtım sistemini tanımlamak
Mineral yağlı, ester sıvılı ve kuru tip transformatörlerde farklı yalıtım sistemleri ve sıcaklık sınırları bulunabilir. Kâğıt yalıtımın bile ısıl olarak iyileştirilmiş ve iyileştirilmemiş türleri vardır. Tanıdık bir referans sıcaklık, evrensel azami sargı sıcaklığı değildir. Önce yapı, beyan edilen yalıtım sistemi, soğutma biçimi ve uygulanacak yükleme kılavuzu belirlenmelidir.
IEC, IEC 60076-7:2018’in kamuya açık kapsamında bu yükleme kılavuzunu mineral yağlı transformatörlerle sınırlar. Gemideki kuru tip sevk transformatörü farklı dayanak gerektirebilir. Aşağıdaki karşılaştırma, uygun bağıntı seçildikten sonra yaşlanma hesabının nasıl yapılacağını gösterir; belirtilmemiş bir transformatörün izin verilen yükünü belirlemez.
Isı yolunda sıcak noktayı bulmak
Elektriksel kayıplar sargılarda, çekirdekte ve diğer iletken parçalarda ısı üretir. Yağ soğutmalı eğitim modelinde θH = θA + ΔθTO + ΔθH,TO ayrımı yararlıdır: ortam sıcaklığı, üst yağın ortama göre sıcaklık artışı ve sargı sıcak noktasının üst yağa göre artışı toplanır. Artışlar sıcaklık farkıdır; Celsius derecesi ile kelvinin aralık büyüklüğü aynıdır. Son θH ise °C cinsinden sıcaklık değeridir.
Üst yağ sensörü bu yolun yalnız bir bölümünü ölçer. En sıcak iletken yalıtımının sıcaklığını doğrudan belirlemez. Sargı sıcaklık göstergesi, sıcak noktaya yerleştirilmiş sensör yerine ısıl model olabilir. Varsa doğrudan fiber optik ölçüm de belirli konumları örnekler. Ölçümün neyi temsil ettiğini bilmek, sayısal değerini bilmek kadar önemlidir.
Değişken yük kayıpları ve gecikmiş sıcaklık yanıtını oluşturur
Direncin sabit tutulduğu basit karşılaştırmada yüke bağlı bakır kaybı I²R ile değişir. Akımın referansın 1,2 katına çıkması, kaybın bu bölümünü 1,2 değil 1,44 katına çıkarır. Çekirdek kaybı, sargı direncinin değişimi, girdap/kaçak kayıpları ve harmonik etkiler ayrıca ele alınır. Yalnız yük yüzdesi bütün ısı kaynaklarını açıklamaz.
Isıl kapasite ısınmayı ve soğumayı geciktirir. Yağ ile sargı sıcak noktası aynı zaman sabitine sahip olmak zorunda değildir; fan veya pompalar son sıcaklığı ve yanıtı değiştirebilir. Bu yüzden iki farklı anda aynı akım, farklı sıcak nokta sıcaklıklarıyla birlikte görülebilir. Yakın zamandaki yüksek yükten sonra yükü azaltmak, yalıtımı anında önceki ısıl durumuna döndürmez.
Basit gecikme hesabı belleği görünür kılar
Bilerek sadeleştirilmiş birinci dereceden eğitim modelinde sıcak nokta 80°C’den başlasın; sabit yük/soğutma değişiminden sonra τ = 60 dakika zaman sabitiyle varsayılan 140°C son değerine yaklaşsın. θ(t) = 80 + (140 − 80)[1 − exp(−t/τ)] olur. 30 dakika sonra 103,61°C; 60 dakika sonra 117,93°C bulunur. Bir zaman sabitinde model, sıcaklık değişiminin yaklaşık %63,2’sini tamamlamıştır.
Son sıcaklık ve zaman sabiti varsayımsal girdilerdir. Bu, tam IEC veya IEEE transformatör ısıl ağı değildir; 140°C de kabul edilebilir çalışma değeri olarak verilmez. Gerçek analiz kurulu transformatörün kayıplarını, sıcaklık artış deneylerini, soğutma düzenini ve doğrulanmış modeli kullanmalıdır. Küçük hesap, yük adımının hemen ardından yeni kararlı sıcaklığın neden atanamayacağını gösterir.
Bağıl yaşlanma hızını seçip zaman boyunca toplamak
Sayısal karşılaştırmada θH °C cinsinden olmak üzere F(θH) = exp[15000/383 − 15000/(θH + 273)] seçilsin. Sabitler, yayımlanmış bağıntıdaki kelvin dönüşümünü ve 110°C referansını kullanır. F boyutsuzdur ve 110°C’de bire eşittir. ABB transformatör izleme kılavuzu bu biçimi verir ve yalıtım kâğıdı türlerine göre yöntem ayrımını açıklar. Burada bütün yalıtım malzemelerinin yasası değil, ısıl olarak iyileştirilmiş kâğıdın örnek modeli olarak kullanılır.
Eşdeğer yaşlanma süresi, F değerinin geçen zamana göre integralidir. Sıcaklığın yaklaşık sabit olduğu aralıklarda Leş = Σ Fi Δti kullanılır. Δti saat ise Leş modelin referans koşulundaki eşdeğer saattir. Gerçek geçen saate bölmek eşdeğer ortalama yaşlanma katsayısını verir. Başlangıç yalıtım durumu ve diğer bozulma yolları bilinmediğinden bu büyüklüklerin hiçbiri kendiliğinden kalan ömür tahmini değildir.
Sayısal örnek: dört sıcak saat, on iki serin saatten ağır basar
Eğitim için 100°C’de 12 saat, 110°C’de 8 saat ve 130°C’de 4 saatten oluşan, ölçülmüş veya model girdisi olarak tanımlanmış bir geçmiş varsayalım. Her plato sabit kabul edilsin; geçişler bilerek ihmal edilsin. Seçilen bağıntı F100 = 0,34994, F110 = 1 ve F130 = 6,98418 verir. Yaşlanma katkıları sırasıyla 4,20, 8,00 ve 27,94 eşdeğer saattir.
24 saatlik dönemde toplam eşdeğer yaşlanma 40,14 saat, ortalama katsayı 1,6723 olur. En sıcak dört saat, geçen zamanın yalnız altıda biri olduğu hâlde hesaplanan yaşlanmanın üçte ikisinden fazlasını oluşturur. Sonuç bu sıcaklık geçmişine izin vermez; seçilen modelin ağırlıklandırmasını gösterir.
Zaman ortalaması sıcaklık (12 × 100 + 8 × 110 + 4 × 130)/24 = 108,33°C olur. Yaşlanma bağıntısını yalnız bu ortalamaya uygulamak F = 0,84268 ve 20,22 eşdeğer saat verir. Kestirme yöntem bu örneğin bütünleştirilmiş yaşlanmasını yaklaşık yarı yarıya düşük gösterir. Önce sıcaklığın ortalamasını alıp sonra doğrusal olmayan yaşlanma bağıntısını uygulamak, yaşlanmayı zaman boyunca toplamakla aynı değildir.
Soğutma ve nem, ısıl eğilimin anlamını değiştirir
Tıkalı ısı değiştirici, kirlenmiş hava yolu, arızalı fan veya daha sıcak soğutucu akışkan, elektrik yükü artmadan sıcaklığı yükseltebilir. Etkili soğutma değişikliği ise aynı akımda sıcak noktayı düşürebilir. Günler karşılaştırılırken yükün yanında soğutma modu ve ortam/soğutucu koşulları da kaydedilir. Nominal kVA belirli koşullara bağlıdır; koşulsuz ısı atma kapasitesi değildir.
Hitachi Energy, katı yalıtımdaki nemi kâğıt bozulmasının önemli bir etkeni olarak belirtir. Bu nedenle yalnız sıcaklığa dayanan yaşlanma hesabı durum değerlendirmesinin yerini tutmaz. Nem, oksijen etkisi, kirlenme ve önceki bozulma, hesaplanan ısıl gösterge ile gerçek yalıtım dayanımı arasındaki ilişkiyi değiştirebilir. Yaşlanmış transformatörü soğutmak sonraki ısıl yaşlanmayı yavaşlatır; birikmiş selüloz bozulmasını geri almaz.
Model belirsizliğini sıcaklık sınırlarından ayırmak
Sıcaklık ölçüm sapması doğrusal olmayan yaşlanma bağıntısıyla büyütülür. Kısa sıcak dönemi kaçırmak, hızlı geçicilerde saatlik ortalama kullanmak veya arızalı soğutma kademesini çalışıyor saymak birikmiş sonucu önemli ölçüde bozabilir. Isıl model veri aralıkları arasında başlangıç durumunu korumalıdır; tekrar tekrar ortam sıcaklığına sıfırlamak içeride hâlâ bulunan ısıyı siler.
Kabul edilebilir bir toplam yaşlanma tahmini de azami sıcaklık, yağ/gaz davranışı, yardımcı parçalar veya mekanik durum sınırlarını kaldırmaz. Isıl yaşlanma ile anlık ekipman sınırları farklı soruları yanıtlar. Onaylı çalışma zarfı ve korumalar belirleyici kalır; model gayriresmî aşırı yük iznine dönüşmek yerine mühendislik değerlendirmesini desteklemelidir.
Yararlı mühendislik kaydında neler bulunur?
Transformatör yapısı ve yalıtım dayanağı, yük ve ortam geçmişi, soğutma durumu, sensör yerleri, model parametreleri, örnekleme aralığı ve seçilen yaşlanma denklemi korunur. Sıcak nokta geçmişi, biriken eşdeğer saatlerden ayrı raporlanır. Sonuca hangi dönemlerin hâkim olduğu ve eksik verilerin nasıl ele alındığı gösterilir.
Uygulanabilir sıra; yalıtım sistemini tanımlamak, ilgili sıcaklığı ölçmek veya hesaplamak, ısıl belleği korumak ve karşılık gelen yaşlanma hızını zaman boyunca toplamaktır. Bu, “ortalama yükü düşük” demekten daha açıklayıcıdır. Ortalama talep kısa ama ısıl açıdan pahalı dönemi gizleyebilir; güvenilir modeli olmayan sıcak nokta tahmini ise sahte kesinlik yaratabilir.