Güç transformatörü teknolojisinin bugünü ve geleceğine küresel bir bakış
Yazar: Dr. Diego Robalino
Günümüzde insan yaşamının temel bir bileşeni olan elektrik enerjisi henüz tüm toplumlar tarafından kullanılabilir hale gelmemiştir. Güvenli ve güvenilir enerji temini için teknolojik büyümeye duyulan ihtiyaç küresel çapta tartışma konusu olmakla birlikte, iklim değişikliği ve küresel ısınmanın etkileri konusunda da büyük endişeler bulunmaktadır. Elbette teknolojik büyüme ile çevrenin korunması arasında mükemmel bir denge öngörmek neredeyse imkansızdır, ancak enerji üretimi, iletimi, dağıtımı ve tüketiminde yer alan herkesin yaşamı mümkün olduğunca sürdürülebilir kılmak için aktif bir rolü vardır. Elektrifikasyonun net etkisi, en çok elektrik son kullanım teknolojilerinin maliyet ve verimliliğinde ve bunların sosyal etkilerinde gelecekte yaşanacak gelişmelere bağlıdır.
Güç sistemlerinin güvenilirliği de bir başka küresel sorundur. Kuzey Amerika Elektrik Güvenilirliği Kurumu (NERC) güvenilir bir toplu güç sistemini "beklenmedik ekipman arızaları veya diğer faktörler mevcut elektrik miktarını azalttığında bile son kullanım müşterilerinin elektrik ihtiyaçlarını karşılayabilen" bir sistem olarak tanımlamaktadır. NERC, arz ve talep arasında sabit bir denge sağlamak için şebekenin yeterli şekilde çalışmasını desteklemek üzere tasarlanmış bir dizi politikanın yanı sıra ani, beklenmedik bozulmalara veya doğal nedenlerden kaynaklanan sistem unsurlarının beklenmedik kayıplarına ve insan yapımı fiziksel veya siber saldırılardan kaynaklanan bozulmalara yanıt vermek ve bunlara dayanmak için güvenliğe güvenmektedir.
Elektrik şebekesi sadece güvenilir değil aynı zamanda güvenli ve verimli olmalıdır. Şebeke, enerji üretim ve dağıtım yöntemlerinin değiştiği ve bu nedenle elektrikli varlık tasarımı ve üretiminin mevcut teknolojik talebe uyacak şekilde geliştiği, böylece kayıpların azaldığı ve performansın arttığı daha esnek ve daha temiz bir enerji geleceği sağlamak için gelişmektedir. Bu sürekli evrimi destekleyen yeni tasarımların, teknolojilerin ve yaklaşımların değerlendirilmesini ve benimsenmesini teşvik etmek için araştırma ve geliştirme, test ve küresel işbirliğine ihtiyaç vardır.
Güç ve dağıtım transformatörü teknolojisi
Amerika Birleşik Devletleri'nde Office of Electricity, büyük güç transformatörleri ve diğer kritik şebeke donanımlarıyla ilgili zorlukları ele alarak şebekenin modernizasyonunu hızlandırmak için Transformatör Esnekliği ve Gelişmiş Bileşenler (TRAC) Programını yönetmektedir. İlgilenen okuyucuların daha fazla bilgi için Office of Electricity web sitesini ziyaret etmeleri tavsiye edilir.
TRAC programı, enerji verimliliğini arttırmak, operasyonları iyileştirmek, varlık kullanımını ve yönetimini geliştirmek, sistem direncini arttırmak ve artan yerli üretimi desteklemek için koordineli çabalarla ilgilenmektedir.
TRAC, güç transformatörlerinin geleceğin elektrik şebekesindeki gelişmiş uygulamalar için esnek ve uyarlanabilir olmasını öngörmektedir. Hedefler aşağıdakileri içerir, ancak bunlarla sınırlı değildir:
- Geleneksel ünitelerle karşılaştırılabilir maliyet
- Tüm yükleme seviyelerinde > %99 verimlilik
- %25 boyut/ağırlık azaltma
- Kontrol edilebilir empedans aralığı %5 - 21
Esnek bir transformatör çeşitli voltaj oranlarına ve empedans seviyelerine uyum sağlayabilir, bu da günümüz transformatörlerine kıyasla üretim sürelerinin ve maliyetlerin azalmasını sağlar. Önemli bir fayda da, esnek transformatörlerin hasarlı transformatörlerin yerine şu anda olduğu gibi aylar yerine günler içinde kullanılabilecek olmasıdır.
ABD Enerji Bakanlığı (DOE) 2007 yılından bu yana alçak gerilim kuru tip dağıtım transformatörlerinin enerji verimlilik seviyelerini düzenlemektedir ve alçak gerilim kuru tip dağıtım transformatörleri için verimlilik seviyelerine ilişkin yeni bir karar yayınlamıştır. Yeni verimlilik seviyeleri 1 Ocak 2016 tarihinde yürürlüğe girmiş olup, genellikle DOE 2016 Verimlilik seviyeleri olarak anılmaktadır. Yeni düzenlemeler nedeniyle üreticiler, verimliliği artırmak için ürünlerini yeniden tasarlamak zorunda kalmıştır.
14 Eylül 2021 tarihinde DOE tarafından yeni bir Federal Kayıt yayınlandı: 10 CFR Bölüm 431 "Enerji Koruma Programı: Dağıtım Transformatörleri için Test Prosedürü". Bu, dağıtım transformatörleri için enerji tasarrufu standartlarının değerlendirilmesini destekleyen teknik analizleri ve sonuçları raporlamaktadır. Test prosedürlerindeki değişiklikler, C57.12.00-2015; C57.12.01-2020; C57.12.90-2015; C57.12.91-2020 dahil olmak üzere güncellenmiş IEEE standartlarındaki değişikliklerle uyumludur.
Şekil 1: Elektriğe erişimi olmayan nüfus (kaynak IEA [1])
Transformatör verimliliği sadece Kuzey Amerika bölgesinde güncel bir konu değildir. Temmuz 2015'te, CENELEC (Avrupa Elektroteknik Standardizasyon Komitesi) tarafından üretilen minimum enerji performans standardı, dağıtım transformatörlerinin hem çekirdeği hem de sargıları için maksimum kayıpları ve güç transformatörleri için minimum tepe verimliliğini belirlemiştir.
Dağıtım transformatörü verimliliğindeki artışlar, iki temel çeşidi olan kayıpların azaltılmasına dayanır: yüksüz kayıplar ve yük kayıpları. Yüksüz kayıplar çoğunlukla transformatör çekirdeğinde meydana gelir ve bu nedenle 'yüksüz kayıp' ve 'çekirdek kaybı' terimleri bazen birbiriyle değiştirilir. 'Yük kaybı' esas olarak sargılarda ortaya çıkar. Bir kayıp türünü azaltmak için alınan önlemler tipik olarak diğer kayıp türünü artırır. Verimliliği artırmaya yönelik bazı seçeneklere örnek olarak şunlar verilebilir: daha yüksek kaliteli elektrik çekirdek çelikleri, farklı iletken tipleri ve malzemeleri ve çekirdek ve bobin konfigürasyonlarında ayarlamalar.
Tasarım ve yapıdaki değişiklikler kolayca uygulanamaz. Örneğin, amorf çelik kullanımı bir dizi zorluğu beraberinde getirmektedir. İlk olarak, az sayıda tedarikçi vardır: ABD'de sadece bir tane, uluslararası üretim ise Çin, Japonya, Almanya ve Güney Kore'de yapılmaktadır. İkinci olarak, amorf elektrik çeliğinin pound başına maliyeti, tipik bir M3 tane yönelimli elektrik çeliğinin yaklaşık 1,5 katıdır. Sonuç olarak, amorf çekirdekler mevcut pazarda çok küçük bir penetrasyona sahiptir ve dağıtım transformatörlerinin üretiminde tane yönelimli çelik baskındır.
Dağıtım transformatörlerinin uygulaması, sıvıya daldırılmış veya kuru tip ve mülkiyete göre önemli ölçüde değişmektedir. Elektrik şirketleri sıvıya daldırılmış dağıtım transformatörlerinin yaklaşık %95'ine sahipken, ticari/endüstriyel kuruluşlar çoğunlukla kuru transformatörler kullanmaktadır.
Yenilenebilir enerji piyasası
Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL), yenilenebilir elektrik üretiminin ABD elektrik sistemi için şebeke entegrasyon fırsatları, zorlukları ve etkilerine ilişkin bir analiz sunmaktadır. NREL raporları, enerji tüketimi tahminlerindeki başlıca faktörlere işaret etmektedir:
- Araç elektrifikasyonu, ortalama elektrikli aracın yılda 12 ila 14 bin mil sürülmesiyle yıllık elektrik talebindeki artışta baskın rol oynamaktadır.
- Ticari ve konut binalarının yanı sıra ulaşım sistemlerine enerji sağlayan güneş enerjisinin eklenmesi.
- Küresel iklimdeki değişiklikler klima ve alan ısıtması kullanımını artırma eğilimindedir.
Uluslararası Enerji Ajansı (IEA [1]) tarafından yayınlanan Dünya Enerji Görünümü 2021 raporunda da belirtildiği üzere, yeni bir enerji ekonomisi ortaya çıkmaktadır. Ortaya çıkan sürecin nasıl gelişeceği tam olarak belli değil, ancak birçok yönden farklılıklar olacaktır. PV ve elektrikli araç satışları 2020'de yeni rekorlara ulaştı. IEEE Transformatörler Komitesi'nde sunulan bazı çalışmalar, yüklemenin %10 ila 40 arasında artacağını göstermektedir. Bu nedenle, ortalama eşdeğer yükün transformatörün nomeplate kapasitesinin %50'sine yakın olduğu, ancak pik yükün bu kapasitenin %100'ünü aşabileceği bir senaryoyu dikkate almak önemlidir. Bu potansiyel yük artışıyla başa çıkmanın bir yolu, termal olarak yükseltilmiş kraft kağıdı ile birlikte kullanılan doğal veya sentetik ester sıvılarından oluşan yükseltilmiş bir yalıtım sisteminin benimsenmesidir.
Elektrik şebekesinin bu evrimine ve yenilenebilir kaynakların, dağıtık üretimin ve mikro şebekelerin entegrasyonuna yönelik olarak, güç elektroniğindeki gelişmeler katı hal transformatörleri (SST'ler) olasılığını yaratmaktadır. Bunlar, örneğin bir mikro şebeke ile ana şebeke arasındaki son derece değişken, iki yönlü elektrik akışını yönetmeyi vaat ediyor. SST'ler eşdeğer bir geleneksel transformatörden önemli ölçüde daha küçük olabilir, ağırlığın yaklaşık yarısı ve hacmin üçte biri kadar olabilir, ancak maliyet ve voltaj seviyeleriyle ilgili sınırlamalar vardır. Gelecekteki araştırmaların SST'ler hakkında daha fazla şey ortaya koyması beklenebilir.
Gelişmiş test ve teşhis teknolojileri
Zaman zaman kulağa oldukça ürkütücü gelebilecek yeni bir terminoloji ortaya çıkmaktadır. Örneğin, dijitalleştirilmiş güç transformatörleri. Bu bağlamda dijitalleştirme, performansını veya durumunu sürekli olarak izlemek için güç transformatörüne sensörlerin yerleştirilmesi anlamına gelir. Sensörler Çözünmüş Gaz Analizi (DGA), sıcaklık ve nem ölçümü, yükleme profili soğutma kontrolü ve daha fazlasını destekleyebilir. Amaç, öngörücü varlık yönetimini kolaylaştırmak, kayıpları en aza indirmek ve verimliliği artırmaktır.
Bir güç transformatörünün ömrü gerçekte yalıtım sisteminin ömrü kadardır. Uygun maliyetleri ve faydalı özellikleri nedeniyle, selüloz bazlı malzemeler güç transformatörlerinde kullanılan en yaygın katı yalıtım türüdür ve genellikle yalıtım sıvıları ile birlikte kullanılır. Saf selülozdan üretilen bu malzemeler mükemmel elektriksel ve yağ emdirme özelliklerinin yanı sıra iyi mekanik özelliklere de sahiptir.
Yalıtım malzemeleri ile ilgili olarak, TRAC gibi gruplar tarafından belirlenen araştırma hedefleri şunlardır:
- Dielektrik dayanımı > 300 V/mil
- Dielektrik kayıp açısı (tan delta) 60 Hz'de < %0,05
- Varlıkların faydalı ömrü boyunca (20 ila 40 yıl) sabit kalan gelişmiş malzeme özellikleri
- Sürekli çalışmada sıcaklık dayanımı > 130 ºC
Test etmek esastır. Artık araştırma ve geliştirme hattında daha fazla malzeme var ve bunların davranışları sadece araştırmacılar tarafından değil, aynı zamanda son kullanıcılar tarafından da iyi anlaşılmalıdır. Son yirmi yılda, güç ve dağıtım transformatörlerinde ester sıvılarının kullanımı hakkında daha fazla şey duyduk. Mineral yağa batırılmış katı izolasyonlu transformatörler, elektrik trafo merkezlerindeki en önemli yangın güvenliği tehlikesini temsil etmektedir. Ancak ester sıvıları, sadece daha yüksek parlama ve yanma noktalarına değil aynı zamanda daha düşük net kalorifik değere sahip olduklarından, mineral yağlara göre daha az yangın tehlikesi oluştururlar. Soğutucu ve dielektrik yalıtkan olarak geleneksel yağdan daha az yanıcı bir sıvı kullanıldığında, potansiyel transformatör yangınlarıyla ilişkili riskler önemli ölçüde azalır.
Buna ek olarak, sentetik ve doğal ester akışkanlar biyolojik olarak kolayca parçalanabilir, çok düşük oral toksisite gösterir ve sucul yaşam için toksik olarak sınıflandırılmazlar. Bu faktörler, su toplama alanları ve açık deniz rüzgar çiftlikleri gibi hassas ortamlardaki kurulumlarda daha kolay kullanıma olanak sağlayabilir.
Katı izolasyona dönecek olursak, yüksek sıcaklık transformatörleri artık dünya çapında oldukça yaygındır. İletkenler, sargı ara parçaları ve mekanik destek malzemeleri için emaye ve bant sargı dahil olmak üzere yüksek sıcaklık yalıtımı, mobil, lokomotif ve redresör transformatörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamalar, yüksek sıcaklık malzemelerinin kullanımıyla sunulan daha hafif ağırlık, gelişmiş güvenilirlik ve daha uzun ömürden yararlanır. Bu malzemeler uzun yıllar boyunca üreticilerin onarım uygulamaları ve mobil transformatörler için çözümler sunmasına da olanak sağlamıştır.
Cer uygulamaları için yüksek sıcaklık transformatörleri uzun yıllardır üretilmektedir, ancak son zamanlarda bu teknoloji direk tipi dağıtım transformatörlerinde ve rüzgar türbini transformatörlerinde giderek yaygınlaşmaktadır. Güç transformatörlerinde yüksek sıcaklık yalıtım malzemelerinin kullanımıyla ilgilenenlerin IEC 60076-14'ü okumaları tavsiye edilir.
Özet
Yükselen ve gelişmekte olan ekonomilerdeki talep, 2020'nin ikinci yarısında yeniden başlayan büyüme yörüngesinde kalmaya devam etmektedir ve Çin ve Hindistan için öngörülen güçlü ekonomik toparlanmanın bu yörüngeyi daha da hızlandırması muhtemeldir. Bu da elektriğin arz güvenilirliği ve satın alınabilirliğinin insanların hayatlarının her alanında daha da kritik hale geleceği anlamına geliyor.
Solar PV ve rüzgar, halihazırda hızla gelişen yeni elektrik üretim kaynaklarını temsil etmektedir. Yenilenebilir enerji piyasası, 2050 net sıfır emisyon senaryosuna (NZE) yönelik planı takip ederse, bugünün petrol endüstrisinden çok daha büyük olacaktır.
Transformatör performansının dijitalleştirilmesi, izlenmesi ve kontrolü daha erişilebilir ve uygun maliyetli hale gelmektedir. Gelişmiş veri işleme algoritmalarına dayalı kestirimci bakım heyecan verici bir şekilde ilerlemektedir ve temel endişe artık ilgili veri hacminin nasıl ele alınacağı değil, verilerin kalitesinden nasıl emin olunacağıdır.
Yeni tip yalıtım akışkanlarının piyasaya sürülmesi, gelecekteki gereksinimleri karşılamak için transformatörlerin geliştirilmesine yardımcı olacaktır, ancak yeni akışkanların davranışları tam olarak anlaşılmadığında transformatör endüstrisi için bir zorluk da olabilir. Bir yalıtım sıvısının performansı büyük ölçüde kimyasına bağlıdır ve esterler gibi alternatif yalıtım sıvıları iyi bilinen mineral yağdan farklı davranır.
Ancak zorluklar ne olursa olsun ve elektrik şebekesi nasıl gelişirse gelişsin, kesin olan bir şey var: güç transformatörleri önümüzdeki yıllarda da iletim ve dağıtımda çok önemli bir rol oynamaya devam edecek. Gördüğümüz gibi, transformatörler neredeyse bir buçuk asırdır bizimle birlikte olsa da, tasarım ve yapımlarındaki ilerleme hızla devam ediyor; bu da geleceğin hem ilginç hem de heyecan verici gelişmeler getireceğinden emin olduğumuz anlamına geliyor.
Referanslar
[1] IEA, Population without access to electricity in the Stated Policies and Net Zero by 2050 scenarios, 2000-2030, IEA, Paris https://www. iea.org/data-and-statistics/charts/population-without-access-to-electricity-in-the-stated-policies-and-net-zero-by-2050-scenarios-2000-2030