Harmoniklerin transformatör kayıpları, termal performansı ve çalışma ömrü üzerindeki etkilerinin analizi
Impact of harmonics on transformer losses, thermal behavior and service life
- Tez No: 961183
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Günümüzde hızla gelişen teknoloji ile birlikte elektronik cihazların sayılarının artması, elektrik sistemlerinde doğrusal olmayan yüklerin sayısında büyük bir artışa sebep olmaktadır. Söz konusu doğrusal olmayan yükler, elektrik sistemlerinde harmonik oluşumuna neden olmaktadır. Harmonikler, elektrik şebekesinde kayıpların artmasına, verimin düşmesine, ölçüm cihazlarında hatalı ölçümlere, elektrik şebekesinde bulunan cihazlarda yanlış çalışma ve arızalara sebep olduğundan harmoniklerin elektrik güç sistemi bileşenleri üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi önem arz etmektedir. Elektrik güç sistemlerinin başlıca bileşenlerinden biri transformatörlerdir. Doğrusal olmayan yükler sebebiyle oluşan harmonikler, transformatör kayıplarında artışa sebep olarak transformatörlerin veriminin düşmesine, transformatörlerde sıcaklık artışlarına sebep olmaktadır. Transformatör ömrü ile yalıtım yaşlanması arasında doğrudan bir ilişki bulunmaktadır. Transformatörlerdeki sıcaklık artışları, transformatör yalıtımının yaşlanmasına sebep olmaktadır. Dolayısıyla transformatör ömrünü de olumsuz etkilemektedir. Transformatörlerin ömür tayininde önemli bir parametre olan transformatörün en sıcak nokta sıcaklığı da harmoniklerden etkilenmektedir. Bu sebeplerden ötürü harmoniklerin transformatörlerin performansı ve ömrü üzerindeki etkilerinin analizi oldukça önemlidir. Transformatörlerin doğrusal olmayan yükler altındaki davranışının incelenmesinde IEEE C57.110 standartı rehber niteliğindedir. Bu standart, doğrusal olmayan yüklerin sebep olduğu harmoniklerin transformatörler üzerinde sebep olduğu etkilerin analiz edilebilmesi için methodlar sunan, transformatörlerin harmonikler altında yüklenme sınırlarının belirlenmesine yönelik bilgiler içeren bir standarttır. Ayrıca transformatörlerin harmonikler altındaki kayıp değerlerinin belirlenmesi, harmoniklerin varlığı durumunda transformatörlerdeki sıcaklıkların belirlenmesine yönelik bilgiler de içermektedir. Harmonikler sebebiyle transformatörlerde görülen kayıpların artması, transformatörlerde termal stresin artmasına sebep olmaktadır. Transformatörlerin termal performansının değerlendirilmesinde IEEE C57.91 standartı büyük öneme sahiptir. Transformatörün en sıcak nokta sıcaklığının yalıtım sisteminin yaşlanmasına etkisinin belirlenmesinde, transformatör ömrünün değerlendirilmesinde IEEE C57.91 standartının sunduğu bilgiler kullanılmaktadır. Bu çalışmada transformatörlerde görülen kayıp türlerinden, doğrusal olmayan yükler sebebiyle oluşan harmoniklerden ve harmoniklerin transformatör kayıpları üzerine etkilerinden bahsedilmiştir. Transformatörlerde doğrusal olmayan yüklerin varlığı durumunda kayıpların hesabı için IEEE C57.110 standartında önerilen methodlar açıklanmıştır. Transformatörlerin doğrusal olmayan yükler altında sıcaklık değerlerinin hesabı için IEEE C57.110 ve IEEE C57.91 standartlarında verilmiş methodlar hakkında bilgiler verilmiştir. Gerekli bilgilerin sunulmasının ardından bir güneş enerji santralinde bulunan 6 MVA kapasiteli 2 transformatörden alınmış harmonik akım değerleri MATLAB ortamına aktarılarak 3 fazlı transformatörlerin her bir fazı için THD değerleri ve akım dalga şekilleri incelenmiş, IEEE C57.110 standartında verilmiş methodlar kullanılarak önce transformatörlerin harmonik akımların varlığı durumundaki kayıp değerlerinin hesabı yapılmıştır. İki transformatör için hesaplanan kayıp değerleri, THD değerleri de göz önüne alınarak kıyaslanmış ve 3 fazın THD değerlerinin ortalaması alınarak hesaplanan toplam THD değeri daha yüksek hesaplanan transformatörün kayıp değerlerinde görülen artışın da daha fazla olduğu görülmüştür. Harmonik akımların varlığının transformatör kayıpları üzerindeki etkisinin değerlendirilmesinin ardından hesaplanan kayıp değerleri kullanılarak transformatörlerin en sıcak nokta sıcaklık değerleri hesaplanmış ve harmonik akımların transformatörlerin ömrüne etkisi analiz edilmiştir. Toplam harmonik içeriğin daha yüksek olduğu görülen transformatör için hesaplanan en sıcak nokta sıcaklığı, toplam harmonik içeriği daha düşük olan transformatöre göre daha yüksek çıkmıştır. Böylece harmonik içeriğin daha yüksek olduğu durumda transformatör en sıcak nokta sıcaklığının da daha yüksek olduğu görülmüştür. Harmoniklerin transformatör manyetik akı yoğunluğu dağılımına etkileri sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Elde edilen analiz sonuçları değerlendirilerek harmonik akımların transformatörlerde sebep olduğu etkiler, gerçek verilerin kullanıldığı bir uygulama ile pekiştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
With the rapid advancement of technology today, the number of electronic devices in use is increasing. These electronic devices are nonlinear loads and cause to the generation of harmonics in electrical systems. The increase in harmonic components within these systems leads to higher power losses, reduced efficiency, malfunctions and misoperations of protective devices and inaccurate measurements in metering equipment. Therefore, it is important to thoroughly evaluate the impact of harmonics on the components of electrical systems. Transformers are among the most critical components of electrical power systems. Harmonics generated due to nonlinear loads lead to increased power losses in transformers. The lifespan of a transformer is directly related to the aging of its insulation. As transformer losses increase, the resulting rise in temperature accelerates insulation aging, thereby reducing the transformer's service life. The hottest spot temperature of a transformer, which is a key parameter in estimating its lifespan, increases in the presence of harmonics. For these reasons, analyzing the effects of harmonics on transformer performance and longevity is of great importance. The IEEE C57.110 standard serves as a guideline for examining the behavior of transformers under harmonic components generated by nonlinear loads. This standard provides methodologies for analyzing the effects of harmonics caused by nonlinear loads on transformers and includes information for determining the loading limits of transformers under harmonic conditions. It offers methods for calculating transformer losses and evaluating temperature rises in the presence of harmonics. The increase in transformer losses due to harmonics results in thermal stress within the transformer. The IEEE C57.91 standard is of great significance in assessing the thermal performance of transformers. This standard provides essential data for evaluating the hottest spot temperature of the transformer and its impact on insulation aging, which is a critical factor in estimating transformer lifespan. This study discusses the no-load and load losses observed in transformers, the harmonics generated by nonlinear loads and the impact of these harmonics on transformer losses. Detailed information is provided on the methods proposed in the IEEE C57.110 standard for explaining and calculating the effects of nonlinear loads on transformer losses. The study also covers key concepts used in the analysis of harmonics in transformers, including the K-factor, harmonic loss factor for winding eddy current losses and harmonic loss factor for other stray losses. The methods provided in the IEEE C57.110 standard are based on the assumption that the effective values of the load currents in all three phases of the transformer are equal and that the harmonic content is identical across phases. However, in real world applications, especially due to the presence of single phase loads, it is often observed that transformer phases experience unbalanced loading. There are studies conducted for where transformers are unbalanced loaded and harmonic content of the phases is different. In the study, information about the method suggested for this situation is also given. Furthermore, this study addresses parameters that influence transformer lifespan, such as top oil temperature rise over ambient temperature, hottest spot winding rise over top oil temperature and the hottest spot temperature of the transformer and presents methods from the IEEE C57.110 and IEEE C57.91 standards used for calculating transformer temperature values under nonlinear load conditions. Following the presentation of the necessary background information, harmonic current data up to the 50th harmonic component, measured from two 6 MVA transformers in a solar power plant, were transferred to MATLAB. Total Harmonic Distortion (THD) values and current waveforms for each phase were analyzed. Upon examining the THD values, the highest THD was observed in phase B and the lowest in phase A for the first transformer. In the second transformer, the highest THD was observed in phase A, while the lowest was found in phase B. When comparing the THD values of both transformers, it was observed that the THD values were higher in A and C phases of the second transformer. When the total THD was calculated by the taking the average of the THD values of the three phases, it was seen that the total THD value of the second transformer was higher than the first transformer. Subsequently, using the methods provided in the IEEE C57.110 standard, the K-factor, the harmonic loss factor for winding eddy current losses and the harmonic loss factor for other stray losses were calculated for both transformers. It was found that the calculated values were higher in the phase with the higher THD. Since the A and C phases of the second transformer exhibited higher THD values, the corresponding factors for A and C phases were also found to be higher compared to the first transformer. As the transformers experienced unbalanced loading across the three phases, the average values of the K-factor, the harmonic loss factor for winding eddy current losses and the harmonic loss factor for other stray losses were taken for each transformer. When the power loss values under harmonic loading conditions were calculated for the transformers, it was observed that the greatest increase occurred in the winding eddy current losses for both transformers. This is an expected outcome, as winding eddy current losses are proportional to the square of the load current and harmonic frequency. When considering other stray losses, it has been observed that there is also an increase in these loss values due to the influence of harmonic components. However, this increase is relatively lower compared to the winding eddy current losses. Since the other stray losses are proportional to the 0.8th power of the harmonics, this is an expected outcome. When comparing the increases in loss values caused by harmonics, it has been observed that the increases are more significant in the second transformer. This is expected, as the total THD value in the second transformer is higher than first transformer. Using the calculated loss values, the hottest spot temperature calculation for both transformers was carried out. For the hottest spot temperature calculation, the top oil temperature rise over the ambient temperature and the hottest spot winding temperature rise over the top oil temperature were first determined. Upon reviewing the calculated hottest spot temperature values, it was observed that the temperature calculated for the second transformer was higher compared to the first transformer. The IEEE C57.91 standard specifies that if the hottest spot temperature is lower than 110°C, there is no reduction in the transformer's lifespan. However, if the hottest spot temperature exceeds 110°C, a reduction in the transformer's lifespan is expected. For both transformers, the calculated hottest spot temperature value was found to be lower than the reference value of 110°C specified in the IEEE C57.91 standard. This indicates that harmonic currents do not cause a reduction in the transformer's lifespan. The IEEE C57.91 standard defines the aging acceleration factor, which is dependent on the transformer's hottest spot temperature. When the hottest spot temperature exceeds 110°C, the aging acceleration factor becomes greater than 1. Conversely, when the hottest spot temperature is below 110°C, the aging acceleration factor is less than 1. The aging aging acceleration factor values calculated for both transformers were found to be less than 1, confirming that there is no reduction in the transformer's lifespan. Effects of harmonics on the transformer magnetic flux density distribution were investigated by the finite element method using Simcenter MAGNET program. In this study, the impact of harmonics generated by nonlinear loads on transformer losses has been presented, providing insights into the calculation of transformer losses under harmonic loading conditions. Furthermore, the relationship between transformer lifespan and hottest spot temperature of the transformer has been explained based on the relevant standards. Using harmonic current measurements obtained from two transformers, the effects of harmonics on transformer losses, temperatures, and lifespan have been validated through a practical application. Since transformers are among the most critical components of electrical systems and harmonics have significant effects on them, conducting analyses and taking necessary precautions in cases where transformers supply nonlinear loads is of great importance for the reliability of the electrical power system.
Benzer Tezler
- Güç transformatörlerinin standartlara göre termal analizi
Thermal analyses of power transformers according to standards
ALİ BURHAN HALİLOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. İRES İSKENDER
- Doğrusal olmayan yüklere uygun yağlı tip transformatörün tasarımının geliştirilmesi ve standartlardaki kabullerle teorik ve deneysel karşılaştırılması
Developing the design of oil immersed transformers for nonlinear loads and comparison of their theoretical and experimental results with standard assumptions
ALI MAMIZADEH
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRES İSKENDER
- İki farklı dağıtım transformatörün sonlu elemanlar yöntemi ile manyetik alan ve termal analizi
Magnetic fields and thermal analysis of two different distribution transformers using finite element methods
HUSNUL AMALIA ARIANI
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET KARAKAYA
PROF. DR. İRES İSKENDER
- Güç transformatör kayıplarına harmoniklerin etkisi
The effect of the harmonics on the power transformer losses
MUSTAFA YAĞCI
Doktora
Türkçe
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ASIM KASAPOĞLU
Y.DOÇ.DR. ABDULLAH ÜRKMEZ
- Güç sistemlerinde harmonikler ve harmoniklerin transformatör üzerinde oluşturduğu ek bakır kayıpları
Başlık çevirisi yok
SÜLEYMAN GÜRCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDİN GÖKALP