Transformatörlerde Kısa Devre Dayanımı Deneyi

Elektrik sisteminde bu kadar önemli olan transformatörleri en çok zorlayan ise kısa devre durumudur. Peki “kısa devre “ ne demektir? Nasıl tanımlayabiliriz?

Transformatör, elektrik enerjisini bir sistemden başka bir sisteme frekansını değiştirmeden elektromanyetik yolla transfer eden elektrik makinasıdır. Farklı gerilimlerdeki sistemler transformatörler vasıtası ile birbirlerine bağlanırlar. Elektriğin üretimi ve jeneratör çıkışındaki elektrik enerjisinin yüksek gerilim iletim hatlarına transferi, buradan tüketici merkezlerine kadar iletilmesi, tüketici merkezlerinde orta gerilime dönüştürülüp taşınması ve son tüketici öncesinde alçak gerilime transferi olarak özetleyeceğimiz elektrik enerjisinin bize ulaşmasındaki serüveninde en önemli parçalardan biri transformatörlerdir.

Elektrik sisteminde bu kadar önemli olan transformatörleri en çok zorlayan ise kısa devre durumudur. Peki “kısa devre “ ne demektir? Nasıl tanımlayabiliriz?

Elektrik  devrelerinde  akım her zaman en kolay yolu(en düşük empedans) tercih eder. Sizin tasarladığınız bir devrede herhangi bir sebepten dolayı ilk durumdan daha düşük empedansa sahip bir yol ortaya çıkarsa , akım da sizin tasarımınızın dışında bu yolu tercih edecektir. Bu duruma kısa devre denilmektedir.

Elektrik sistemlerindeki kısa devre olaylarını aşağıdaki başlıklarda toplayabiliriz.

  • 3 faz kısa devre
  • 2 faz kısa devre
  • Faz-toprak kısa devresi

Transformatörler, işletme şartlarında birçok elektriksel ve mekaniksel zorlayıcı kuvvetlere maruz kalırlar. Ancak bunlardan en şiddetli ve en önemlisi kısa devre kuvvetleridir. Bir transformatörün genel kalitesini tek başına gösterebilecek yegane durum kısa devredir. Bu durumu simule eden deneyin adı ise kısa devre dayanımı deneyidir.

Kısa devre dayanımı deneyi üretici test laboratuvarlarında gerçekleştirilememektedir. Bu deneyi gerçekleştirebilecek dünyadaki geçerli laboratuvar sayısı da sınırlıdır. Bu sebeple bu deney pahalı bir deneydir. Ancak daha önce de bahsettiğimiz gibi transformatör tasarım  ve üretim kalitesini kanıtlama anlamında  bu teste başvurulur. Ya da müşteri talep ederse tasarıma ait kısa devre hesaplarını isteyip bunun üzerinden değerlendirme yapabilir.

Bu deney IEC 60076-1 de  özel deney olarak tanımlanmış ve detayları IEC 60076-5 de belirtilmiştir.

Genel olarak 3 fazlı bir transformatör için  kısa devre akımını şu şekilde formüle edebiliriz;

Örneğin; 1000 kVA 33/0,4 kV Dyn 11,Uk= 6% trafonun kısa devre akımı;

Primer nominal akım:17,495 A

Sekonder nominal akım:1443,37 A

 

Yukarıda en genel hali ile kısa devre akımının nasıl hesaplandığı verilmiştir.Kısa devre akımının detaylı hesapları (simetrik ve asimetrik kısa devre akımları) IEC 60076-5 de verilmiştir.

Kısa devre akımlarının hesabından sonra,3 fazlı 2 sargılı transformatör için kısa devre deneyinin nasıl uygulandığını özetle aşağıda anlatılmıştır.

Transformatör kısa devre deneyine girmeden önce,IEC 60076-1 de belirtilen rutin testler uygulanır. Bu testlerden elde edilecek önemli sonuçlardan biri kısa devre akımının da hesaplanmasında kullanılacak olan  minimum, nominal ve maksimum kademedeki kısa devre empadansları ve reaktans değerleridir. Bu değerlere göre transformatöre uygulanacak olan kısa devre akımları hesaplanır.

 

Hesaplanan bu akımlara göre; her bir kademede 3 darbe(her faza bir darbe) olacak şekilde minimum, nominal ve maksimum kademede darbeler tekrarlanır. Toplamda transformatöre 9 kere kısa devre akımı uygulanır. Her bir akımın süresi 0,5 sn  ±10 % dir.(IEC 60076-5 Kategori I için)

Her bir darbe sonrası transformatörde reaktans ölçümü yapılır. Buradaki başarı kriterleri IEC 60076-5 4.2.7.4 de belirtilmiştir.

Kısa devre dayanımı deneyinde transformatöre uygulanan kısa devre akımının transformatör üzerinde hem mekanik hem de termal etkisi olmaktadır.Kısa devre anında oluşan kuvvetler akımın küpü ile orantılıdır.Oluşan bu kuvvet mekanik olarak transformatörü ciddi şekilde zorlamakta ,akımın değeri ve süresine bağlı olarak da termal zorlamalar meydana gelmektedir.

Yukarıda özetlenen 9 asimetrik darbe tamamlandıktan sonra kısa devre dayanım deneyi tamamlanır. Ancak müşteriler transformatörün termal olarak da kısa devrelere dayanımını görmek için ilave olarak 3sn ya da 5sn simetrik darbe uygulanmasını talep edebilmektedir. Burada da yukarıda hesaplanan simetrik kısa devre akımı transformatöre belirtilen süre kadar uygulanmaktadır. Bu darbe sonrasında da reaktans ölçümünden başarılı sonuç alınması gerekmektedir.

Asimetrik ve simetrik kısa devre darbe dayanım deneyleri tamamlandıktan sonra transformatör tekrar rutin testlere tabi tutulur. Bu testlerden de başarılı ile geçildikten sonra, transformatör de-monte edilip aktif kısmı ekspertiz işlemine tabi tutulur.Burada bobinler,terminal çıkışları,sabitlemeler ve diğer aksamlar kontrol edilir. Tüm bu işlemlerden olumlu sonuç alınması durumunda, transformatör kısa devre dayanım deneyinden başarılı bir şekilde geçmiş demektir.

Özetle; kısa devre dayanım deneyi transformatör tasarım ve üretim kalitesini tek başına önemli ölçüde gösteren zor ve pahalı bir testtir. Ayrıca talep edilen uzun süreli simetrik darbe deneyinden başarılı sonuç almak da ayrıca bir kalite göstergesidir.

Ulusoy Elektrik olarak transformatör üretiminde ön planda tuttuğumuz kalite anlayışımızı hem yurtiçi hem de yurtdışı şartnameler gereği birden fazla kısa devre dayanım test rapor ve sertifikalarımız ile kanıtladık. En son olarak 630 kVA 11/0,415 kV ve 1500 kVA 33/0,415 kV trafolarımız  Kema laboratuvarlarında  9 asimetrik+ 3 sn simetrik kısa devre dayanım deneyine  tabi tutulmuş ve testleri başarı ile tamamlamıştır.

Kaynakça

TS EN 60076-5: Güç transformatörleri - bölüm 5: Kısa devre dayanım yeteneği(IEC 60076-5:2006)

 

Samet BALCI

Elektrik-Elektronik Mühendisi