ANMA GERİLİMLERİ YÜKSEK, ELEKTRİK MAKİNALARININ KISMİ BOŞALMALARA KARŞI KORUNMALARI

Elk. Y ûk. Müh. Ekrem ALTINLI*

ÖZET

Bu makalede, anma gerilimi yüksek olan elektrik makina larının; gerek iç, gerek dış kısmi boşalmalara karşı ne tür önlemler alınarak korunacaklarına ilişkin yöntemler tanı tılacaktır. Oluşabilecek olaylar anlatılacak ve bunlara karşı kullanılacak malzemelerin elektriksel özellikleri be lirlenerek, nerelerde ve nasıl kullanılacağına dair bilgiler verilmeye çalışılacaktır. Elektrik makinalarımn sargıları nın yalıtılmasında kullanılan yöntemlerin türüne bağlı ola rak kullanılan malzemelerin nasıl fiziksel değişimler gös terdikleri verilmeye çalışılacaktır.

GİRİŞ

Yüzyılımızın başından bu yana elektrik enerjisinin üretimi ve bunların tüketiminde meydana gelen gelişmeler; gerek enerjiyi üreten, gerek ise tüketen elektrik makina larında gerilim yönünden, hiç de azımsanmayacak büyü melere neden oldu. Gerilim sınırının büyümesi, yanında pek çok sorunu da beraberinde getirdi.

Anma gerilim 5 kV.'un üstündeki elektrik makinalarında, yalıtkan malzemenin zamanla elektriksel olarak delin mesine neden olarak makinalarda tahribata sebebiyet veren elektriksel boşalmalar oluşur (1). Boşalmaya karşı koruyucu malzemeler kullanmak suretiyle yalıtkanın hasar görmesi önlenebilir.

Kısmi boşalmalar genelde iki ana başlık altında topla nabilir: (2)

a) İç kısmi boşalmalar. b) Dış kısmi boşalmalar.

Elektrik makinalarında her ikisi de meydana geldiğinden dolayı gerek orta gerilimi, (3 V10 kV.) gerek ise yüksek gerilimli (11 V27 kV.) makinalarda alınacak tedbirler ile hizmet ömürlerinde önemli artışlar meydana gelmektedir.

a) İç kısmi boşalmalar.

Bunlar elektrik makinalarımn stator sargılarında kullanı lan iletkenlerin köşelerinde olması gereken eğrilik yarı çaplarının küçük olmalarından kaynaklanmaktadır. Elektrik makinalarında, oluk içerisindeki iletkenlerde magnetik alan etkisiyle meydana gelen akım yığılmalarını önlemek için, iletkenler çoklu paralel devreye ayrılarak demetler haline getirilirler. İletkenlerin çoklu paralel dev

reye ayrılması, iletkenlerin kenarlarındaki eğrilik yarıçap larının da küçülmesine neden olur. Eğrilik yarıçapının kü çülmesi sivri uç etkisi oluşturarak, sistemde alan dağı lımının düzgünsüzlük derecesini artıracağından, düzgün olmayan alanda eğrilik yarıçapı küçük elektrod çevre sinde iç kısmi boşalma olayları oluşacaktır. İşte çok sa rımlı veya tek olarak konumu değiştirilmiş, (Reobel tipi konum değiştirme) çoklu paralel devreye ayrılmış demet lerin etrafında ve sadece sargının magnetik devredeki oluk içinde kalan kısmında bir ekran gibi görev yapacak ve sivri uç etkisini ortadan kaldıracak tedbirler alınır. Bu işlem için tekil olarak yalıtılmış ve çoklu demet haline ge tirilmiş iletkenler üzerinde (sargı çok sarımlı ise sarımlar arası yalıtım yapıldıktan sonra) ana yalıtım yapılmadan önce iletken bir tabaka oluşturulur. Bu iletken tabakalar ya sıvı vernikler ve macunlar şeklinde uygulanır ya da bu sıvı vernik ile emprenye edilmiş şerit şeklinde bantlar kullanılır. Bu verniklere iletken vernik adı verilir. Bu ilet ken verniklerde iletken bileşeni olarak karbon tozu kul lanılmaktadır.

Ayrıca yalıtkanın içerisindeki boşluklarda oluşan iç kısmi boşalmalar ise gerek zengin reçineli sistemde, gerek ise fakir reçineli sistemde (vakumlu basınçlı emprenye diye de anılır.) dikkatli ve itinalı üretim yapmak suretiyle önle nebilir.

Sargının, yukarıda bahsedilen her iki yerinde de oluşan iç kısmi boşalmaların seviyesini tesbit etmek için kul lanılan tahribatsız kontrol yöntemleri vardır. Bunlar ayrı birer makale konuları oluştursa da biraz bahsetmekte yarar vardır. Bu yöntemlerden ilki sistemin dielektrik ka yıp faktörü (tan S ölçülmesi.) ve kapasitesinin ölçülme sidir. Uygulanan gerilimin fonksiyonu olarak ölçülen bu değerler yalıtkanın içerisindeki iç kısmi boşalmalar hak kında detaylı bilgiler sunar. Ama bunların sıhhatli değer lendirilmesi gerekir. İkincisi, uygulanan gerilime bağlı olarak iç kısmi boşalmaların yalıtkan içerisinde meydana getirdiği sızıntı akımlarını ölçmektir. Bu yöntemle de yalıt kanın kalitesi hakkında bilgi sahibi olmamız mümkündür. (3,4) Fakat ilk yöntem bütün dünyada sayılı standart kuruluşları tarafından kabul edilmiş en geçerli yöntemdir. Daha geniş bilgi temin etmek için Batı Alman DİN, Fran sız AFNOR ve merkezi İsviçre'de bulunan lEC'nin ilgili standartlarına bakılması yararlı olacaktır.

* TEMSAN A.Ş. Su Türbini ve (Jeneratör Fabrikası Diyarbakır

b) Dış kısmi boşalmalar.

Stator magnetik devresini meydana getiren laminasyon saçlarının hem imalatında hem de onların montajı esna sında, dizilmesinde meydana gelen hatalar sonucunda stator olukları kenarlarında düzgünsüzlükler oluşur. Bu düzgünsüzlükler de içerisine yerleştirilen stator sargısı yüzeyi ile magnetik devre cidarı arasında, içerisinde gaz olan, boşluklar oluşturur. Bu oluşan sistemin görünüşü ve fiziksel eşdeğeri şekil:1'de gösterilmiştir.

Özellikle iletken tabaka ile yalıtkanın iyi temas halinde bulunması çok önemlidir. Buna kesinlikle dikkat sarfe dilmelidir. Şekil: 2 yalıtkan üzerine iletken tabaka uy gulanmış sargıyı göstermektedir.

— t j MMnelik t f e v r t lllltllllll

! ! ! !\ \ N ^ N *•""••»

Şekil: 1. Bir stator sargısının oluktaki konumu ve onun fiziksel eşdeğer devresi.

Normal şartlar altında; gazlı ortamda, gayet mümkündür ki elektrik alan şiddeti haklı olarak yalıtkanınkinden daha yüksek değerlere ulaşır. İşte bu değerin gaz için gerekli olan dış kısmi boşalma başlangıç değerine ulaşması halinde, boşalmalar başlayacaktır. Generator içerisinde, gazlı ortam olarak hidrolik tahrikli sistemlerde hava, termik kaynakla tahrikli küçük sistemlerde yine hava, fakat büyük güçlü sistemlerde ısı iletim katsayısı yüksek bir gaz olan H2 basınçlı olarak kullanılır. Bu dış kısmi boşalmalar zamanla yalıtkanda bozulmaya ve nihayetinde de delinmeye kadar gidecektir. İşte bun lardan korunmak için daha evvel bahsettiğimiz gibi yalı tım sistemine bağlı olarak iletken sıvı malzeme ya da bu sıvı ile emprenye edilmiş şerit bantlar kullanılır. Bu mal zemeler, stator sargısının sadece magnetik devredeki oluk içerisinde olan düz kısmına uygulanır. Bu malze meler yalıtkan yüzeye uygulanarak, magnetik devreye değen ve değmeyen her yerin eşit potansiyele ulaşması sağlanır. Ayrıca montaj esnasında bu tabakanın hasara uğramasından sakınmak için çeşitli kalınlıklarda esnek, bükülebilir; özellikle sistemin yalıtım ısı sınıfına bağlı ola rak, pamuk, selüloz, polyester veya cam yününden ya pılmış tabakaların iletken sıvı ile emprenye edilmiş olan türleri oluk içerisine, sargı kılıfı olarak uygulanabilir.

ı i•• / / /

'.

1 1 1 / 1,'

'

' ı t 1ı ' s

,'

IH<I»|,|

\^\

Şekil: 3. Oluk içerisinde stator sargısı ve yalıtkandaki alan çizgilerinin değişimi.

Şekil: 3 içerisinde stator sargısı bulunan bir magnetik devre oluğunu göstermektedir. Şekilden de görüleceği üzere kesik çizgiler, yalıtkan içerisindeki elektrik alanı nın varlığını göstermektedir. Bakır iletkenler ile stator magnetik devresine (toprak potansiyelindedir.) bir alter natif gerilim uygulandığı zaman, stator magnetik devre sinin keskin kenarlarında belirgin bir alan yığılması göz lenecektir. İletkendeki gerilim yükseldikçe, stator mag netik devre ile sargı yüzeyinin biraraya geldiği köşede, belirli bir gerilim değerinden sonra boşalmalar meydana gelmeye başlar. Dış kısmi boşalmaların yeri ve şiddeti gerilim arttıkça artar. Alan şiddetinin enine bileşeni o kadar büyür ki artık yalıtkanın yüzeyi boyunca, alan şid

Magnetib d «v e

Y alıtkan

Şekil: 2. Stator sargısının oluk içerisindeki kısmının yalıtkanı üzerine iletken tabakanın uygulanması.

Şekil 4. Stator magnetik devre oluk kenarlarında alan düz günsüzlüğünün düzeltilmesi.

detinin enine bileşeninin en büyük olduğu yerden, mag netik devreye doğru görüntülü olarak bir ışıltılı boşalma başlar. (Dış kısmi boşalma koruması tedbiri alınmış nor mal yüksek gerilimli yalıtım durumunda yaklaşık 3 kV.'da magnetik devrenin kenarından boşalma yayılmaya baş lar. Işıltılı boşalma ise 15 V 20 kV.'da görünür.) Uygulanabilirlik yönünden söylenecek olursa, bugün magnetik devrenin kenarında alan şiddeti yoğunluğunu azaltmanın yolları vardır. Y ukarıda sözünü ettiğimiz ilet ken tabakayı oluk dışarısına biraz taşırmak gerekir. Taş manın miktarı generatör tasarımcısı tarafından anma geriliminin ve stator magnetik devresinin fiziksel boyut larının bir fonksiyonu olarak belirlenir. Alan şiddetinin değeri gibi bu kaplamanın iletkenliği ve uzunluğu, hem magnetik devrenin kenarında hem de kaplamanın öteki ucunda, büyük değildir.

gulama yönünden imkansızdır. Ama sargı boyunduru ğunda mesafenin fonksiyonu olarak değişim gösteren bir yarı iletken tabaka meydana getirmek suretiyle yukarıda bahsedilen amaca ulaşmak mümkün olur. Bu uygulama genetikle anma gerilimi 10 kV.'un üzerindeki elektrik ma kinalarında kullanılır. Bu yarı iletken tabakanın şekli ve matematiksel eşdeğer devresi Şekil: 5'de verilmiştir. Bu yönteme, yüzey direnciyle alan denkleştirme denir. Tüm dünyada elektrik makinası imalatçıları tarafından birbirinden ufak tefek farklılıkları olsa da kullanılmak tadır.

Oütjün ilan

İletken tabaka

'Y vı ileUtn tabaka

»20 Bindirme

Valılkan

İletken

. Maanttih tfrvıc

T^T

şr «r

iletken

Şekil: S. Stator sargısı boyunduruklarına yan iletken tabaka uygulaması ve onun fiziksel eşdeğeri.

Stator oluğunun hemen dışında elektrik alan şiddeti bü yük değerlere yükselir. Y oğunlaşması yalıtkanın kontrol edilmesiyle düzeltilebilir. Bunu Şekil: 4'de görüldüğü gibi magnetik devrenin kenarlarını alan düzgünlüğü ideal ola cak şekilde biçimlendirmek ve arasına da yalıtkan yer leştirmek suretiyle gerçekleştirebiliriz. Fakat bu yol uy

Şekil: 6. Stator sargısının oluktaki yereşimi ve yüzeye uygulanan, iletken ve yan iletken tabakalar ile boyundu ruk boyunca uygulanan gerilimin mesafeye göre değişimi.

a iletken tabakanın magnetik devreden dışarı çıkan kıs mı.

b Tabakaların üst üste binmesi gereken kısmı, c Yan iletken tabakanın uzandığı kısmı. U(x) Sargı boyunduruğu boyunca x noktasındaki gerilim x Sargı boyunduruğu boyunca uzunluk. 1 Sabit yüzey direnci (yüksek değerli). 2 Sabit yüzey direnci (düşük değerli). 3 Gerilime bağlı yüzey direnci.

Tabaka genellikle, iletken bileşeni olarak karbon tozu içeren ve havayla kuruyan bir vernikle veya bu vernik emdirilmiş şerit bant ile elde edilir. Stator magnetik dev resine bu tabaka boyunca akan kaçak boşalma akımı uzunluğun fonksiyonu olarak bir gerilim dağılımı oluştu rur. Bu değişim tabakanın yüzey direncini uygun seçmek

suretiyle de kontrol edilebilir. Bu tabaka boyunca gerilim dağılımının yüzey direncine bağlı olduğu ispat edilebilir. Şekil: 6 sargının stator oluğundaki yerleştirilişini ve bo yunduruğundaki gerilimin değişimini göstermektedir. Şa yet direncin değeri çok yüksek ise eğri T d e görüldüğü biçimde gerilim dağılımı elde edilir. Şayet her ne şekilde yapılırsa yapılsın değeri çok küçük ise eğri "2" geçerli liğini korur. Eğri "Tde gerilim stator mağnetik devreye çok yakın yerde hızla yükselir ve boşalmalar da orada gerçekleşir. Eğri "2"de ise tabakanın sonlarına doğru ge rilim seviyesi aniden yükselir ve boşalmalar orada görü lür. Arzulanan doğrusal değişim ise eğri "3" ile temsil edil mektedir.

Bunun yanı sıra Şekil: 7'ye şöyle bir göz attığımızda: sar gı boyunduruğundaki birim uzunluk başına sabit dirençli bir tabakayla, uygun bir gerilim dağılımı elde edilemez. Stator mağnetik devresine yakın Sı bölgesindeki gerilim düşümü tabakanın öbür ucunda, S2 bölgesindeki gerilim düşümünden daha büyük olacaktır. Çünkü tabaka doğ rultusunda stator mağnetik devreye yaklaştıkça kaçak akımlarda artış meydana gelecektir.

S t a » mftfnctık devf«

Iı1111 j İillMi 1'

/S :' l"! •''

tmkan

Mata

1 s,

N \K \

t \*\

t

\\\

•Uf itttktn

\ \ \ \

V

•*,

\_

.\

Şekil: 7. Stator sargı boyunduruğuna sabit dirençli bir tabakanın uygulanması

Bu durumda gerilime bağlı yüzey direnç değişimi ile dış kısmi boşalma koruması yapmak akla daha uygun ola caktır. Bunun nasıl gerçekleştirileceği Şekil 6'daki eğri "3"den görüleceği üzere istenilen alan dağılımından anla şılabilir. Önemli olan stator mağnetik devreye yaklaşıl dıkça yüzey direncinin düşüş eğilimi göstermesidir. Böy lece, stator mağnetik devreye daha yakın olan yerlerde daha büyük akım, tabakanın diğer ucuna doğru daha az akım akarak tüm tabaka boyunca birim uzunluk başına gerilim düşümü aynı kalır.

Uygulama olarak dirençteki bu azalma statorun mağne tik devresine doğru elde edilen tabakanın kalınlığını tedricen artırmak veya kademe kademe stator mağnetik devreye doğru tabakadaki katman sayısını artırmak suretiyle elde edebiliriz. Bu tür işlem gerçekte sıvı mal zemelerle yapıldığından stator mağnetik devreye doğru sıvı ile kaplanmış tabaka sayısını artırmak suretiyle ger çekleştirilebilir. Direncin değeri dışarıdan mağnetik dev reye doğru giderek azalır. Yukarıda bahsettiğimiz her iki yöntem de uygulama yönünden elverişli değildir.

Gerilim düşümü tabaka boyunca doğrusal değişsin iste minin en etkili yöntemi tabaka direncini gerilime bağlı kıl maktır. Örneğin yüzey direnci, aşağıdaki denklem ile verildiği gibi değişim göstersin:

P s = kU a

Burada, k: sabit bir katsayı, U: gerilim, (v), a: belirli bir gerilim aralığında sabit bir sayı. Böylece gerilim arttıkça direnç düşecektir. Bu yolla Şekil 6 eğri "3"'deki gibi arzu edilen gerilim değişimi elde edilmiş olur. Birim uzunluk başına gerilim düşümünün büyük olduğu, stator mağne tik devreye yakın bölgelerde direnç küçük değerlere dü şecek, oradan uzaklaştıkça gene birim uzunluk başına gerilim düşümü aynı kalarak, direnç tedricen anacaktır. Bunun sonucu olarak akım azalacaktır. Uygun gerilime bağlı direnci bulunan bir tabakanın etkilenmesi, onu mey dana getiren kimyasal terkibin yüzdesinden bağımsızdır. Bu özellik geniş bir gerilim aralığında etkin bir gerilim denkleştirici rolü oynar.

Zamanımızdan yirmi yıl öncesine kadar sabit dirençli sıvı malzemeler kullanılırken, ondan sonra bu malzemeler yerine, gerilime bağlı direnç değişimi olan sıvı malzeme ler geliştirilmiş ve uygulamaya konulmuştur (5, 6, 7). Bu sıvı yeni malzemeler çoğunlukla, içerisinde yarı iletkenlik özelliği olan silikon karpit içerikli alkali tabanlı vernikler dir. Ağır silikon karpit parçacıklarının çökelmesini önle mek için vernik haifrf peltemsi yapılır ve çalkalanarak, fır çayla uygulanır. Herhangi bir inceltici gerektirmeksizin fırçayla sargı yüzeyinin gerekli bölgelerine kolayca sü rülebilir. Kuruma zamanıoda sıcaklığında yaklaşık 6 saattir. Sürülen tabakanın herhangi bir hasara uğrama ması için yüzeyi bir yalıtkan şerit ile örtülebilir. Bu malze meler, genellikle ısıl kararlılık yönünden oldukça iyi olup (F ısı sınıfı için bile kullanılabilirler), yağa karşı muka vemetli olduklarından, onlardan etkilenmezler. Bu yarı iletken verniğin, iletken vernik üzerine bindirilmesi gere ken uzunluğu ve sonra boyunduruktaki uygulama mesa feleri, bu malzemeleri üreten firmalardan, elektrik maki nasının anma gerilimine bağlı olarak temin edilebilir. Artık stator sargısının düz kısmında iletken, boyunduruk kıs mında yarı iletken vernik kullanarak, elektrik makinaları nın yalıtkanlarında yaşlanmayı geciktirmek mümkündür.

KAY NAKLAR

1. Engineering Dielectrics. Corona Measurement and interpretation. Bartnikas. Mc. Mahon. ASTM, Baltimore, 1979.

2. Elektriksel kısmi boşalmaların değişik yöntemlerle ölçülmesi ve ölçü sonuçlarının karşılaştırılması. Necati Ergan, Doktora tezi, İTÜ, 1982.

3. An Introduction To High Voltage Experimental Technique. Dicter Kind. Vieweg, 1978.

4. Dış Kısmi Boşalmalar. Ekrem Altınel, MMLS Tezi. İTÜ, 1983.

5. Isola, The catalogues of insulation systems. 1983, Breitenbach, Swiss.

6. ASEA's pamphlets. No OK Ö0 104E, Vasteras, Sweden, 1976.

7. REMISOL Catalogue, type programme II, 1984, Wien, Austria.