Özet

Güç iletim sistemlerinin temel bileşenlerinden biri olan transformatörler, enerji verimliliği ve güvenliği açısından kritik bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, transformatörlerin çalışma koşullarının sürekli olarak izlenmesi ve analiz edilmesi büyük önem taşımaktadır. Transformatör bobinlerinin sıcaklıkları, bu cihazların performansı ve dayanıklılığı açısından belirleyici bir faktördür. Ayrıca, yüksek sıcaklıklar transformatörlerin ömrünü kısaltabilir ve güç kayıplarını arttırabilir. Alanda yapılmış literatürdeki çalışmaların çoğu, konvansiyonel sıcaklık ölçüm metotları kullanılarak transformatör bobin sıcaklıklarının tespitine odaklanmaktadır. Bu nedenle bu çalışma konvansiyonel sıcaklık ölçüm sistemlerinden farklı olarak Raman saçılması esaslı DTS (Dağınık Sıcaklık Sensörü - Distributed Temperature Sensor) algılama sistemi ile transformatör bobin sıcaklıklarının elde edilmesi açısından önemli olmakla beraber farklı bir bakış açısı sunmaktadır. Diğer bir ifadeyle, geleneksel sıcaklık ölçüm yöntemleri noktasal sıcaklık verilerinin elde edilmesine olanak sağlarken, transformatörün içyapısındaki sıcaklık dağılımı ölçümleri, yüksek çözünürlükte ve eşzamanlı olarak ancak DTS algılama sistemleri ile sağlanabilmektedir. Bu nedenle, Raman Esaslı DTS algılama ve tespit sistemleri kullanılarak transformatör bobin sıcaklıkları, dağınık olarak ve uzamsal çözünürlüğe (spatial resolution) bağlı olarak algılayıcı fiber boyunca çok noktadan sıcaklık verilerinin elde edilmesine imkân sağlamaktadır. Bu yüzden bu proje çalışmasında Raman Esaslı DTS Algılama Sistemlerinden yararlanılmaktadır.

Bu araştırma projesi, Raman Esaslı DTS sistemi kullanarak transformatör bobinlerinin sıcaklık tespiti ve analizi için daha fazla gelişme ve optimize edilmiş bir yöntem sunacaktır. DTS, Raman saçılma mekanizmasını esas alan ve Raman-OTDR (Optical Time Domain Reflectometry - Optik Zaman Domeni Yansıma Ölçme)  metodunu kullanarak algılayıcı fiber boyunca sıcaklık değişimlerinin algılandığı sensör yapılarıdır. Bu sistemlerde optik fiber kablonun kendisi algılayıcı olarak kullanılmaktadır. Raman saçılması, algılayıcı optik fibere bir optik kaynak tarafından pompalanan ışık fotonlarının optik fiber dalga kılavuzu içerisinde ilerlerken silika fiber yapıda meydana gelen moleküler vibrasyonel (titreşimsel) modlarla etkileşmesi sonucu geriye saçılması esasına dayanmaktadır. Moleküler vibrasyonel modlar ortamdaki sıcaklık değişimlerinden direkt etkilendiği için DTS algılama sistemlerinin optik fiber kablo uzunluğu boyunca sıcaklığın algılanmasında kullanılabilir olmasını sağlamıştır. Diğer bir ifade ile DTS, moleküllerin titreşim ve rotasyon enerji seviyelerini esas alan bir algılama sistemi olup, sıcaklık değişikliklerini yüksek sıcaklık çözünürlüklü (temperature resolution) olarak ölçebilmektedir. Raman esaslı DTS algılama sistemi ile algılayıcı optik fiber boyunca dağınık olarak sıcaklık verilerinin elde edilebilmesi mümkün olabilmektedir. Dağınık algılama algılayıcı fiber boyunca uzamsal çözünürlüğe bağlı olarak çok sayıda sıcaklık verisinin algılandığı bir fenomendir.

Bu çalışmada, Raman esaslı DTS algılama sisteminin entegre edildiği transformatör yapılarında bobinlerin farklı bölgelerinde sıcaklık dağılımlarının sürekli olarak izlenmesi amaçlanmış ve MATLAB/Simulink ortamında bir DTS modeli tasarlanarak bu model üzerinden termal analizlerin elde edilmesi hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, bir güç kaynağı ünitesi tasarlanacak ve güç kaynağı transformatörünün yük altında yani rejimdeyken primer ve sekonder bobinlerinin ısıl karakteristiğinin tespiti yapılacaktır. Konvansiyel sıcaklık ölçüm yöntemiyle (termokapıl kullanılarak) elde edilen sıcaklık verileri ile Raman esaslı DTS algılama sistemi ile bobinlerin ürettiği sıcaklık verileri tespit edilecektir. Tasarımı yapılan model ile de termokapıl sıcaklık verileri ile Raman DTS algılama sistemi ve MATLAB/Simulink modeli üzerinden alınan sıcaklık verilerinin karşılaştırılması yapılacaktır. Ayrıca, sıcaklık verileri nedeniyle oluşan optik değişim Raman güç değişimi dağılımı verileri bir foto dedektör aracılığıyla elektriksel-analog işarete dönüştürülerek Osiloskop ortamında görselleştirilerek MATLAB ortamında analiz edilecektir. Diğer bir ifadeyle, sıcaklık ve transformatör akım kapasitesi, güç değişimi ve ampasite değişimi ile sıcaklık arasındaki değişimler analiz edilecektir. Sonuç olarak, bu çalışma ile enerji sektöründe güç iletim sistemlerinin güvenliğinin sağlanması, sıcaklığa bağlı arıza kaynaklarının elimine edilmesi ve enerji nakil hatlarındaki transformatörlerin bakım maliyetlerinin azaltılması noktasında literatüre ve alanında çalışan araştırmacılara katkı sağlaması amaçlanmaktadır.