yüksek gerilim tekniği bölüm 7 i i dielektrik kayıpları ve kapasite ölçme

EM 420
Yüksek Gerilim Tekniği
YÜKSEK GERİLİM TEKNİĞİ
BÖLÜM 7
DİELEKTRİK
İ
İ KAYIPLARI VE
KAPASİTE ÖLÇME
YRD.DOÇ. DR.
CABBAR VEYSEL BAYSAL
ELEKTRIK & ELEKTRONIK YÜK. MÜH.
Not: Tüm slaytlar, listelenen ders kaynaklarından alıntı yapılarak ve faydalanılarak hazırlanmıştır.
DİELEKTRİK KAYIPLARI VE KAPASİTE ÖLÇME
Ç
2
Dielektrik (elektriksel yalıtkan) malzemeler
elektrik devrelerinde yalıtım amacıyla kullanılırlar.
Kullanım sırasında ise gerilime maruz kalırlar. Uygulanan
gerilimin seviyesine göre dielektrik malzemenin üzerinden
bir akım akacaktır. Dielektrikten geçen akım sonucunda
ise dielektrik üzerinde bir güç kaybı meydana gelir. İdeal
bir dielektrikte, üzerinden geçen akım reaktif bir akım
olup güç olarak sadece reaktif güce karşılık düşerken
gerçek (ideal olmayan) bir dielektrikte reaktif gücün
yanında aktif güç de meydana gelir.
Dielektrikte meydana gelen bu aktif güç bir ısı şeklinde
kendini gösterir ve "dielektrik
dielektrik kayıp
kayıp" olarak adlandırılır.
Yukarıda da belirtildiği gibi, dielektrik kayıp, dielektriğe
gerilim uygulandığında ısı şeklinde ortaya çıkan aktif güç
kaybıdır Kayıp güç çok fazla olmasa bile dielektrik için
kaybıdır.
zararlı olabilir. Özellikle soğuma olanağı bulamayan
yeraltı kablolarında meydana gelen termik delinmeye yol
açabilir.
bili
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri
3
(a) İdeal kondansatör
(b) Gerçek kondansatör
Kondansatör akım ve gerilimleri arasındaki faz açıları
Dielektrik kaybın meydana gelişi elektriksel eşdeğer devrede bir omik direncin varlığı ile
gösterilir. İdeal bir yalıtkanda (dielektrikte) bu direnç bulunmaz, ancak ideal olmayan gerçek
dielektrikte ise ideal bir kondansatöre seri veya paralel eşdeğer devre ile gösterilir. Bu direnç,
ka ıp direnç olarak adlandırılır.
kayıp
adlandırılır İdeal kondansatörde akım ile gerilim arasında 90° faz
fa farkı
vardır. Gerçek kondansatörde akım ile gerilim arasındaki faz açısı 90°'nin altındadır. Faz
açısının 90°'den sapma açısı δ olarak gösterilir ve "kayıp açısı" olarak adlandırılır. Bu açının
tanjantı (tanδ) ise "dielektrik kayıp katsayısıdır (dielektrik kayıp faktörüdür)".
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri
4
( )P
(a)
Paralel
l l eşdeğer
d ğ ddevre
(b) Seri
S i eşdeğer
d ğ ddevre
Gerçek kondansatörün eşdeğer devreleri
Gerçek kondansatörde kayıp açısının meydana gelmesine neden
olarak yukarıda da sözü edildiği gibi bir omik direncin varlığı
gösterilir. Buna ilişkin seri ve paralel eşdeğer devre Şekilde
ggösterilmiştir.
ş İdeal bir dielektrikte g
güçç faktörü değeri
ğ sıfır olacaktır.
İ
İdeal
olmayanda ise bu değer sıfır olmaz. Paralel eşdeğer devreyi göz
önüne alarak kayıp güç bağıntısını bulalım: C kapasitesine sahip bir
dielektriğe U gerilimi uygulandığında vektör (fazör) diyagramı
aşağıdaki Şekildeki gibi olur.
olur
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri
5
Kondansatörden geçen akım,
akım
Toplam akım değeri (I) kullanılarak dielektrikteki
aktif güç ise,
Paralel eşdeğer devrenin
fazör diyagramı
Burada kayıp açısı (δ) kullanılırsa
Akımlar arasındaki eşitliği kayıp güç ifadesinde yerine yazılırsa
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Kayıplı Dielektrik Eşdeğer Devreleri
6
Kondansatör akımı eşitliği yerine
yazılarak kayıp güç
Dielektrik
Di
l kt ik kayıp
k
güç
ü paralel
l l devrede
d
d aynı
zamanda,
biçiminde
ç
elde edilir. Paralel devre
için kayıp faktörü,
eşitliğinden bulunur. Seri devre ise dielektrik kayıp
Seri devrede kayıp faktörü,
bağıntısından bulunur. Her iki devrede kayıpların
eşitliği kullanılarak,
kullanılarak
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Dielektrik Kayıp Türleri
7
y Dielektrik kayıp ifadelerinden de anlaşıldığı gibi kayıp değeri, kayıp açısı ile
orantılı olup önemli bir bilgi vermektedir. Kayıp faktörünün (tanδ) bilinmesi
veya ölçülmesi yüksek gerilimde kullanılan elemanlar veya yüksek gerilimdeki
dielektrik malzemesinin çalışma koşullarında iyi bir performans gösterip
gösteremeyeceği hakkında bize bir bilgi verir, tanδ 'nın mutlak değeri, gerilim
veya akım ile artma miktarı,
miktarı kullanılan dielektriğin özelliği ve çalışma
performansının değerlendirilebilmesi bakımından ilgilenilen
parametrelerdendir.
y Dielektrik kayıp,
ka ıp dört tür kaybın
ka bın toplamından oluşur.
ol ş r B
Bu ka
kayıplar
ıplar kısaca şö
şöyle
le
açıklanabilir:
y İletim kaybı (PR): Kaçak akımların iyon veya elektron iletiminin yol açtığı
k
kayıplardır.
l d Yalıtkan
Y l k malzemenin
l
i direncinden
di
i d ve üzerinden
ü i d geçen akımdan
k d
kaynaklanır.
y Histerezis kaybı (PH): Birbirine komşu birden fazla dielektriğin, elektrik alanı
altında kaldıklarında, ara kesit yüzeylerinde dielektrikler arası yük dengesi
kurulana kadar gerçekleşen yük hareketlerinden ortaya çıkan kayıplardır. Bu
kayıplar, dielektriklerin elektriksel iletkenliklerine ve dielektrik sabitlerine
b ğl d
bağlıdır.
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Dielektrik Kayıp Türleri
8
y Kutuplanma (polarizasyon) kaybı (PP): Dipol moleküler yapılı dielektriklerde, dipol
moleküllerin kutuplarının uygulanan alanın zıt kutbuna doğru yönlenme veya kayma
(polarizasyon
y akımlarından)) meydana
y
ggelen kayıplardır.
yp
hareketlerinden (p
y İyonlaşma kaybı (Pi): Bir yalıtkan ortamda kısmi boşalmaların yol açtığı kayıptır.
Yalıtkanlardaki gazların, hava boşluğu gibi boşlukların iyonizasyonu ve yalıtkandaki
yabancı maddeler nedeniyle oluşan kayıplardır. Korona kayıpları da bu tür kayıpları
içinde yer alır.
y Yukarıda belirtildiği
ğ üzere dielektrik kayıp,
yp
Kayıp faktörü de aynı
biçimde
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Dielektrik Kayıp Türleri
9
B malzemelerin
Bazı
l
l i kayıp
k
faktörü
f ktö ü
Malzeme
tan δ
Yüksek gerilim kondansatörleri
0,006
Ortak metal kılıflı kablolar
0,015
Üç metal kılıflı ve H kablolar
0,01
Yağlı ve basınçlı kablolar
0,005
Yeni yağlar
0,5 (A ve B sınıfı)
İşletmedeki (kullanımdaki) yağlar
10-50
Transformatör yağlarında nemlenme ve kirlenme ile tanδ değeri yükselir. A ve B sınıfı
yeni yağlar 0,5
0 5 değerinde iken işletmede 10 ile 50 değerleri arasına yükselir,
yükselir tanδ'nın
100'den büyük değerleri ise tehlikeli değer olarak kabul edilir. Bu nedenle transformatör
yağlarının kayıp faktörü ile delinme dayanımının işletmeye almadan önce ve işletme
esnasında
d periyodik
i dik kontrolleri
k
ll i mutlaka
l k yapılmalıdır.
l ld
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Dielektrik Kayıp Tespiti
10
y Dielektrik malzemelerdeki iç kısmi boşalmaların seviyesinin belirlenmesinde ve
küçük yarıçaplı elektrotların civarında oluşan kısmi boşalmaların saptanmasında
tahribatsız
h ib
kontrol
k
l yöntemleri
l i kullanılır.
k ll l
Bu yöntemler şöyledir:
y Sistem dielektrik kayıp faktörünü (tanδ) ölçmek ve kapasitesini ölçmek. Uygulanan
gerilimin fonksiyonu olarak ölçülen bu değerler yalıtkanın içerisindeki iç kısmi
boşalmalar hakkında bilgi verir.
y Uygulanan gerilime bağlı olarak iç kısmi boşalmaların yalıtkan içerisinde meydana
getirdiği sızıntı akımlarını ölçmektir. Bu yöntemle yalıtkanın kalitesi hakkında bilgi
sahibi olabiliriz.
Fakat ilk yöntem bütün dünyada sayılı standart kuruluşları tarafından kabul edilmiş
en geçerli yöntemdir. Bu nedenle dielektrik için değerlendirmede kayıp faktörü ile
birlikte bağıl dielektrik sabiti de etkili olur.
olur Düzlemsel elektrotlu iki sistemdeki
yalıtkan maddenin dielektrik kaybının karşılaştırılmasında εr.tanδ değeri incelenir.
Bu değer kayıp indisi olarak adlandırılır.
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü
11
Bir dielektrik malzemenin kapasitesini ve kayıp faktörünü belirlemede en çok
kullanılan yöntem "Schering Köprüsü" dür. Buna ait devre Şekilde görülmektedir. Bu
yöntemde köprünün dengeye gelmesi R3 ve C4 elemanlarıyla sağlanır. Denge durumunda A
ve B noktalarının gerilimleri birbirine eşit olur ve sıfır aletinden (titreşimli
galvanometreden) bir akım geçişi olmaz.
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü
12
Rx ve Cx: Deney cisminin
(numunenin) omik direnci ve
kapasitesi.
kapasitesi
C2: Değeri hassas olarak
bilinen ve değeri değişmeyen
etalon (standart) kondansatör.
R3, C4: Denge hali için değeri
ayarlanabilen omik direnç ve
kondansatör.
R4: Sabit değerli direnç.
P: Deney cisminin delinmesi
durumunda R3, R4 ve C4
elemanlarının yüksek gerilime
karşı korunması amacıyla
kullanılan parafudr.
Rk: Koruma direnci.
Cy, Ca: Kapasitif gerilim bölücü
T: Yüksek gerilim elde edilen
transformatör.
f
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü
13
y Gerilimlerin eşitliğinden denge koşulu, empedans çarpımı olarak belirlenir. Her koldaki
empedansların
d l
gerçell (reel)
( l) ve sanall (imajiner)
(i ji ) bileşenleri
bil
l i yazılır
l ve reell kısımlarla
k
l l
imajiner kısımların eşitliğinden deney cisminin kapasitesi ve omik direnci için,
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
14
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
15
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
16
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
17
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
18
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
19
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
20
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
21
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
22
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.1
23
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.2
24
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.2
25
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.2
26
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.2
27
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.2
28
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.2
29
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.2
30
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.4
31
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.6
32
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011
Schering Köprüsü Örnek Problem 7.6
33
Yrd.Doç.Dr. C.V.Baysal
EM420 Yüksek Gerilim Tekniği , Erciyes Üniversitesi Elektrik-Elektronik Müh. Böl.
19.01.2011