Kısmi boşalma işaretlerinin optik fiberli sensörlerle algılanma yöntemlerinin analizi ve bir sensör tasarımı

Abstract

Kısmi boşalma, elektriksel yalıtım problemlerinin başlangıcının önemli bir belirtisidir. Yoğun elektrik alan etkisinde kalan yalıtkan malzemelerde oluşan kısmi boşalmaların algılanması, ölçülebilir elektriksel ve akustik karakteristikleri temel alır. Akustik algılama yöntemlerinde, kısmi boşalmanın algılanmasının yanı sıra, yerinin de belirlenmesi mümkündür. Bu nedenle akustik algılama sistemleri, elektriksel izleme sistemlerine göre daha çok tercih edilmektedir. Bu çalışmada yüksek gerilim ekipmanlarında meydana gelen kısmi boşalmaların algılanma yöntemleri üzerinde durulmuştur. Akustik algılama yöntemlerine göre çalışan, optik fiberli sensör tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, kısmi boşalma algılanmasının teknik detayları ve sensör kafasının genel yapısı üzerinde durulmuştur. Akustik algılamada kullanılan sensör membranının yüzey uzunluğu, kalınlığı ve malzemesinin sensör duyarlılığı üzerindeki etkileri tartışılmıştır. Kısmi boşalma nedeniyle yalıtım yağında meydana gelen akustik basıncın membranda oluşturduğu çökme miktarı kısmi boşalmanın değeri hakkında bilgi vermektedir. ANSYS benzetim ortamında belirlenen parametreler ile membran analizi yapılarak membranın çökme değerleri elde edilmiş ve doğrusallığı incelenmiştir. Çalışma kapsamında kısmi boşalmanın algılanması ve yerinin belirlenmesinde kullanılan optik fiberli algılayıcıların gereksinimleri incelenmiştir. Tasarımı yapılan Fabry-Perot interferometrik sensöründe bu gereksinimler göz önünde bulundurulmuştur.Sensördeki Fabry-Perot boşluğunun görünürlük ve optik yoğunluk ile ilişkisi incelenmiştir. Tasarımı yapılan sensör transformatör yağına daldırılarak kullanılacağı için, sensörün 0.1 m, 1 m ve 2 m derinliklerde konumlandırılacağı düşünülerek yağ basıncı hesaplanmış; analizler bu basınç değerleri de ilave edilerek tekrarlanmıştır. 0.1 m derinlikte konumlandırılan sensör membranında meydana gelen çökmenin dahi sensörün doğrusal bölgenin dışında çalışmasına neden olduğu görülmüştür. Bu nedenle sensörde hava deliği açılarak yağ basıncına eşit bir basınç uygulanması sağlanmıştır. Böylelikle yağ basıncı etkisi ortadan kaldırılmıştır.Sensörü doğrusal bölge içerisinde tutarak duyarlılığını arttıracak şekilde yeniden tasarım yapılmış, gerçekleştirilen analiz sonuçları ile teorik sonuçlar karşılaştırılmıştır.

Partial discharge is an important indication of electrical insulation problems. Detection of partial discharges that take place in dielectric materials influenced heavily by dense electrical fields uses measurable electrical and acoustic characteristics as a base. In acoustic detection methods, detection of partial discharge can be achieved and its location can be found. Therefore, acoustic detection is preferred over electrical detection. In this study, detection methods of partial discharges occuring in high voltage device are analyzed. Optical fiber sensor design according to acoustic detection method has been realized because of its advantages compared to other detection methods.In this thesis, electrical details of partial discharge detection and sensor head are emphasized and effect of surface lenght, thickness and material of the sensor membrane used in acoustic detection on sensor sensitivity are discussed. Deflection of the membrane by the acoustic pressure caused by the partial discharge in the transformer oil is used in obtaining the partial discharge. Using ANSYS simulation for analysing membrane with predefined parameters, deflection values of membrane acquired and their linearities are analyzed. Requirements for optical fiber sensors used in detection of partial discharge and determining its location are also discussed. These requirements are taken into account şn the design of the Fabry-Perot interferometric sensor.Correlation of the Fabry-Perot cavity in the sensor with visibilty and optical intensity are examined. Since the sensor to be designed is going to be used by being immersed into transformer oil, considering the fact that the sensor will be located 0.1 m, 1 m adn 2 m deep, oil pressure is calculated and analyses are iterated by using these values. It is observed that even the membrane deflection of the sensor immersed 0.1 m deep in the transformer oil causes the sensor to run outside the linear region. Therefore by opening an air hole in the sensor, application of a pressure equal to the oil pressure is achieved so that effect of the oil pressure is suppressed.By keeping the sensor within the linear region, a re-desing has been carried out so as to increase the sensitivity. Analysis results that are obtained are compared with theoretical results.