Büyük Güçlü Senkron Jeneratörlere Uygulanan Test ve Muayene Yöntemleri

Koray Aydın

Elektrik-Elektronik Mühendisi / RWE & Turcas Güney Elektrik Üretim A.Ş.

Giriş

Senkron jeneratörler, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren ve enerji üretim tesislerinin en kritik ekipmanları arasında yer alan döner elektrik makineleridir. Özellikle büyük güçlü turbo jeneratörler; yüksek sıcaklıklar, elektromanyetik kuvvetler, titreşimler ve sürekli yük değişimleri nedeniyle zaman içerisinde hem elektriksel hem de mekanik zorlanmalara maruz kalmaktadır. İşletme süresince stator ve rotor sargılarında izolasyon yaşlanması, nüve kusurları, mekanik gevşemeler, eksen kaçıklıkları ve yardımcı sistemlerde performans kayıpları meydana gelebilmektedir. 

Bu bozulmaların erken aşamada tespit edilememesi; izolasyon delinmesi, sargı hasarı, mekanik rezonans ve yardımcı sistem arızaları gibi ikincil hasarların gelişmesine ve buna bağlı olarak plansız duruş riskinin artmasına neden olabilmektedir. Bu nedenle planlı bakım dönemlerinde jeneratörün izolasyon sistemi, stator ve rotor sargıları, nüve yapısı, mekanik bütünlüğü, koruma sistemleri ve uyartım ekipmanları kapsamlı test ve ölçümlerle değerlendirilir.

Uygulanan testler; ekipmanın mevcut durumunun belirlenmesinin yanı sıra gelecekte ortaya çıkabilecek arızaların önceden öngörülmesine de yardımcı olmaktadır. Günümüzde bu çalışmaların büyük bölümü IEC 60034 serisi döner elektrik makineleri standartları, IEC 60255 koruma sistemleri standartları ve üretici bakım prosedürleri temel alınarak yürütülmektedir. 

1. Yüksek Gerilim Testleri

Yüksek gerilim testleri stator sargı izolasyonunun elektriksel durumunu değerlendirmek amacıyla uygulanır. 

1.1. Kısmi Deşarj (PD) Testi

Kısmi deşarj ölçümü, izolasyon sistemi içerisinde oluşan lokal boşalmaların tespit edilmesinde kullanılan en önemli teşhis yöntemlerinden biridir. Ölçümler genellikle faz çözünürlüklü PD analiz sistemleri ile gerçekleştirilir ve farklı gerilim seviyelerinde elde edilen deşarj seviyeleri kaydedilir. Büyük jeneratörlerde 0,2 Un ile 1,0 Un arasında kademeli test uygulanarak yapılır. PD sonuçları değerlendirilirken deşarj büyüklüğü, başlangıç gerilimi, PRPD desenleri ve geçmiş ölçümler birlikte incelenmelidir. Özellikle mutlak PD seviyesinden ziyade, aynı jeneratör üzerinde farklı bakım dönemlerinde elde edilen ölçümlerin trendi ve PRPD karakteristiğindeki değişimler değerlendirme açısından önem taşımaktadır.

İlgili Standart: IEC 60034-27-1 

1.2. Tan Delta Testi

Tan Delta testi izolasyon sistemindeki di-elektrik kayıpların belirlenmesi amacıyla uygulanır. Ölçüm sırasında 0,1 Un ile 1,0 Un arasında farklı gerilim seviyelerinde hem di-elektrik kayıp faktörü hem de kapasitans değerleri kaydedilir. Tan Delta sonuçları tek başına bir arıza göstergesi olarak değerlendirilmemeli; gerilim seviyesine bağlı değişim, kapasitans trendi, PD sonuçları ve geçmiş bakım ölçümleri ile birlikte yorumlanmalıdır. 

İlgili Standart: IEC 60034-27-3  

1.3. İzolasyon Direnci, PI ve DAR Ölçümleri

İzolasyon direnci (IR), polarizasyon indeksi (PI) ve di-elektrik emilim oranı (DAR) testleri izolasyon sisteminin kuruluk ve temizlik durumunu değerlendirmek için uygulanır. Büyük jeneratörlerde yüksek gerilim izolasyon test cihazı kullanılarak DC gerilim sargıya uygulanır. 

ormülüyle hesaplanırken DAR değeri kısa süreli emilim davranışını değerlendirmek amacıyla kullanılır. Bu testler özellikle nem etkisi, yüzey kirlenmesi ve izolasyon yaşlanmasının belirlenmesinde önemli rol oynar.  

İlgili Standart: IEC 60034-27-4  

2. Stator Testleri

Stator testleri, sargıların elektriksel ve mekanik durumunun değerlendirilmesini kapsar. 

2.1. RTD Ölçümleri

RTD sensörleri, stator sargılarındaki sıcaklık dağılımının işletme sırasında izlenmesini sağlayan sıcaklık ölçüm elemanlarıdır. Bakım sırasında sensör dirençleri kontrol edilerek süreklilik ve ölçüm hassasiyeti doğrulanır.  İlgili Standart: IEC 60034-1 

2.2. Reçine ve Beyaz Toz Kontrolü

Stator sargı bölgesinde gerçekleştirilen görsel inceleme ile reçine çatlakları, destek elemanlarındaki gevşemeler, sürtünmeye bağlı beyaz toz oluşumu ve korona koruma sistemlerindeki bozulmalar değerlendirilir. Planlı bakım dönemlerinde stator sargıları, sargı bölgeleri, destek yapıları ve korona koruma sistemleri görsel olarak incelenir. Reçine yüzeylerinde oluşan çatlaklar, beyaz toz birikimleri, sürtünme izleri ve mekanik deformasyonlar değerlendirilir. Ayrıca, elektrik akımına bağlı ısınmaları izlemek amacıyla belirli bölgelere termal bantlar yerleştirilir ve bakım dönemlerinde bu bantlar düzenli olarak takip edilir.

2.3. Robotik İnceleme ve ELCID (Elektromanyetik Nüve Kusurları Tespiti) Ölçümü

Stator nüvesindeki laminasyon kusurlarının ve erişimi zor bölgelerdeki fiziksel bozulmaların tespit edilmesidir. ELCID (Electromagnetic Core Imperfection Detection) yöntemi stator nüvesindeki lokal kusurların belirlenmesi amacıyla kullanılır. Modern robotik inceleme sistemleri, rotorun jeneratör içerisinden çıkarılmasına gerek kalmadan stator nüvesi boyunca hareket ederek görsel inceleme ve ELCID ölçümlerinin gerçekleştirilmesine olanak sağlayabilmektedir. Stator nüvesi, slot bölgeleri ve step iron alanları ayrıntılı olarak kontrol edilir ve ara boşluk ölçümleri yapılır.  

İlgili Standart: IEC 60034  

2.4. Stator İzolasyon Direnci Testi

Bu testin amacı stator sargılarının toprağa karşı izolasyon seviyesinin belirlenmesi ve izolasyon sisteminin genel durumunun değerlendirilmesidir. İzolasyon direnci test cihazı kullanılarak stator sargılarına DC gerilim uygulanır ve belirli zaman aralıklarında direnç değerleri ölçülür. Ölçümler tüm sargı veya faz bazında gerçekleştirilebilir.  

İlgili Standart: IEC 60034-27-4  

2.5. Stator Sargı Direnci Ölçümü

Bu testin amacı stator sargılarının elektriksel sürekliliğinin doğrulanması ve fazlar arasındaki direnç dengesizliklerinin tespit edilmesidir. Düşük direnç ölçüm yöntemleri kullanılarak stator faz dirençleri ölçülür. Ölçülen değerler genellikle referans sıcaklığa dönüştürülerek değerlendirilir ve bakım geçmişi ile karşılaştırılır. 

İlgili Standart: IEC 60034-1 

2.6. Stator Gerilim Düşümü (Voltage Drop) Testi

Stator sargılarındaki kısa devreli tur, iletken hasarı ve bağlantı problemlerinin tespit edilmesi amacıyla uygulanır. Stator sargısına düşük seviyeli akım uygulanır ve bobinler üzerindeki gerilim düşümleri ölçülerek fazlar ve benzer sargılar arasında karşılaştırma yapılır. 

İlgili Standart: IEC 60034 Serisi ve üretici bakım prosedürleri. 

3. Rotor Testleri

Rotor testleri alan sargısının elektriksel bütünlüğünü ve uyartım devresinin sağlıklı çalışmasını doğrulamak amacıyla uygulanır.

3.1. RSO (Tekrarlı Darbe Osilografı) Testi

RSO (Repetitive Surge Oscillograph) testi rotor sargılarındaki kısa devreli turların tespit edilmesi amacıyla kullanılır. Test sırasında rotor kutuplarından elde edilen darbe dalga şekilleri karşılaştırılarak olası asimetriler tespit edilir. Bu yöntem büyük turbo jeneratörlerde uygulanan en önemli rotor teşhis yöntemlerinden biridir. 

3.2.  Rotor İzolasyon Direnci Testi

Rotor sargıları ile rotor gövdesi arasındaki izolasyon seviyesinin doğrulanması amacıyla uygulanır. Bu test sayesinde izolasyon sistemindeki nem, kirlenme ve olası toprak kaçakları tespit edilebilir. İzolasyon direnci test cihazı kullanılarak rotor sargısı ile gövde arasında DC gerilim uygulanır ve belirli sürelerde izolasyon direnci ölçülür. Ölçümler sıcaklık bilgileri ile birlikte kayıt altına alınarak değerlendirilir. 

İlgili Standart: IEC 60034-27-4 

3.3.  Rotor Sargı Direnci Ölçümü

Rotor sargılarının elektriksel sürekliliğinin doğrulanması ve bağlantı noktalarındaki olası direnç değişimlerinin belirlenmesi amacıyla uygulanır. Rotor sargı direnci düşük direnç ölçüm yöntemleri kullanılarak ölçülür. Ölçülen değerler sargı sıcaklığı dikkate alınarak referans sıcaklığa dönüştürülür ve önceki ölçümlerle karşılaştırılır. 

İlgili Standart: IEC 60034-1

3.4. Rotor Empedans ve Kutup Düşümü (Pole Drop) Testleri

Rotor empedans testi, direnç ölçümleriyle tespit edilemeyen kısa devreli tur problemlerinin belirlenmesinde kullanılır. Kutup düşüm testi ise rotor kutupları arasındaki manyetik simetrinin değerlendirilmesini sağlar. Rotor empedansı ve pole drop sonuçları, RSO ölçümleri ve geçmiş bakım verileriyle birlikte değerlendirilerek rotor sargısındaki elektriksel asimetrinin kaynağının belirlenmesine yardımcı olur.

3.5. Slip Ring Testleri (Voltage Drop ve İzolasyon Testi)

Slip ring sistemlerinde hem temas direncini değerlendirmek amacıyla gerilim düşümü ölçümleri hem de brush gear izolasyon direnci ölçümleri gerçekleştirilir. Bu testler uyartım akımının güvenilir şekilde rotora aktarılması açısından önem taşımaktadır.  

4. Mekanik ve Fonksiyonel Testler

Elektriksel testler kadar mekanik testler de jeneratör güvenilirliği açısından kritik öneme sahiptir. 

4.1. Durum Tespit (Fact Finding) Muayenesi

Durum tespit muayenesi, jeneratörün bakım sırasında erişilebilen stator, rotor, yataklar, soğutucular, slip ring sistemi ve yardımcı ekipmanlarının, jeneratörün bakım sırasında erişilebilen bileşenlerinde mevcut mekanik, termal ve yüzeysel bozulmaların sistematik olarak belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilir. Muayene kapsamında jeneratör bileşenleri görsel olarak incelenir ve tespit edilen çatlaklar, aşınmalar, kirlenmeler, gevşemeler veya diğer fiziksel bozulmalar kayıt altına alınır. Gerekli durumlarda endoskopik veya robotik inceleme yöntemlerinden faydalanılabilir.  

İlgili Standart: IEC 60034 Serisi ve üretici bakım prosedürleri.

4.2. Hava Aralığı (Air Gap) Ölçümü

Rotor ve stator arasındaki hava aralığının çevresel dağılımı ölçülerek rotor merkezleme durumu değerlendirilir. Düzensiz hava aralıkları merkez kaçıklığı, deformasyon veya montaj problemlerini işaret edebilir.

4.3. Çekiç Darbe (Bump) Testi ve Model Analizi

Bump test yöntemi, sargı yapısının doğal frekanslarının belirlenmesi amacıyla uygulanır. Stator uç sargılarının mekanik sağlamlığının değerlendirilmesinde kullanılan en önemli teşhis yöntemlerinden biridir. Test sırasında darbe çekici ve ivme sensörleri kullanılarak sistemin dinamik davranışı analiz edilir. Elde edilen frekans cevapları yardımıyla yapının doğal frekansları ve titreşim modları belirlenir. Ölçümler hem türbin hem de uyartım tarafındaki sargı bölgelerinde gerçekleştirilir.

Bump test sonuçları, bakım öncesi ve sonrası ölçümler ile karşılaştırılarak sargı destek sistemlerinde meydana gelen gevşeme, sertlik değişimi veya mekanik bozulmaların tespit edilmesine yardımcı olur. Ayrıca elde edilen doğal frekanslar ile işletme sırasında oluşabilecek elektromanyetik kuvvetlerin rezonansa girme riski değerlendirilir. Bu nedenle ölçülen doğal frekansların jeneratörün nominal çalışma frekansı ve elektromanyetik kuvvetlerin karakteristik frekansları ile ilişkisi ayrıca değerlendirilmelidir. Sargı yapısındaki doğal frekansların zaman içerisindeki değişimi, mekanik durumun izlenmesinde önemli bir gösterge olarak kabul edilmektedir.  

İlgili Standart: IEC 60034-14 

4.4. Vibrasyon Analizi

Vibrasyon ölçümleri jeneratörün mekanik durumu hakkında önemli bilgiler sağlar. Yatak vibrasyonu, şaft vibrasyonu ve eksenel yer değiştirme ölçümleri sayesinde balans problemleri, hizalama bozuklukları, mekanik gevşeklikler ve rulman arızaları erken aşamada tespit edilebilir. Bu ölçümler, makine işletmede olduğu sürece çevrimiçi olarak gerçekleştirilmekte olup, belirlenen aralıklarla analiz edilmesi yeterlidir.

İlgili Standart: IEC 60034-14  

5. Koruma ve Senkronizasyon Sistemi Testleri

Koruma ve senkronizasyon sistemleri jeneratörün güvenli işletimi için kritik öneme sahiptir. 

5.1. Koruma Rölesi Testleri

Koruma sistemleri genellikle sekonder enjeksiyon yöntemiyle test edilir. Diferansiyel koruma, ters güç koruması, eksik uyartım koruması, frekans koruması ve toprak arızası koruması gibi fonksiyonların doğru çalıştığı doğrulanır. Testlerde yalnızca açma fonksiyonunun değil, koruma eşik değerlerinin, zaman gecikmelerinin, alarm ve trip lojiklerinin ve ilgili sinyallerin kontrol sistemine aktarımının da doğrulanması gerekir.  

İlgili Standart: IEC 60255 Serisi 

5.2. Senkronizasyon Testleri

Jeneratörün şebekeye güvenli şekilde bağlanabilmesi için gerilim, frekans ve faz açısı koşullarının uygunluğu kontrol edilir. Bu kapsamda senkron kontrol fonksiyonları, otomatik senkronizasyon sistemleri ve manuel senkronizasyon devreleri test edilir.  

İlgili Standart: IEC 60034-1 ve IEC 60255 Serisi  

6. Uyartım Sistemi ve AVR Testleri

Uyartım sistemi jeneratör terminal gerilimini ve reaktif güç üretimini kontrol eder. Bu nedenle bakım dönemlerinde AVR ve ilgili koruma fonksiyonları detaylı şekilde test edilir. 

6.1. Otomatik Voltaj Regülatörü (AVR) Fonksiyon Testleri

AVR sistemlerinde otomatik ve manuel çalışma modları kontrol edilir. Gerilim regülasyon performansı, PSS performansı, referans izleme kabiliyeti ve mod geçişleri doğrulanır.  

6.2. OEL, UEL ve Limittir Testleri

Aşırı uyartım limitleri (OEL), Düşük uyartım limitleri (UEL) ve V/Hz limit fonksiyonları jeneratörün güvenli çalışma bölgesi içerisinde kalmasını sağlar. Bu fonksiyonların doğru çalışması rotor ve statorun aşırı zorlanmasını önlemektedir.  

İlgili Standart: IEC 60034-16 Serisi  

Sonuç

Senkron jeneratörlerin güvenilir işletimi yalnızca tek bir test sonucu ile değerlendirilemez.  Yüksek gerilim testleri izolasyon sisteminin durumunu, stator ve rotor testleri sargı bütünlüğünü, mekanik testler yapısal sağlamlığı, koruma testleri güvenli işletmeyi ve uyartım sistemi testleri ise gerilim regülasyon performansını doğrulamaktadır. Bu nedenle başarılı bir bakım programı; elektriksel, mekanik ve fonksiyonel testlerin birlikte değerlendirilmesine dayanmalıdır.

IEC 60034 ve IEC 60255 standartları bu değerlendirmeler için temel referans dokümanları oluşturmaktadır.  Günümüzde uygulanan durum bazlı bakım yaklaşımlarında; kısmi deşarj ölçümleri, izolasyon testleri, ELCID kontrolleri, rotor teşhis testleri ve vibrasyon analizleri sayesinde ekipmanın mevcut durumu belirlenebilmekte ve olası arızalar kritik seviyeye ulaşmadan önce gerekli bakım faaliyetleri planlanabilmektedir. Ayrıca elektriksel ve mekanik problemlerin çoğu zaman birbiriyle ilişkili olduğu göz önünde bulundurulmalı, teşhis sonuçları tek tek değil bütüncül bir yaklaşımla değerlendirilmelidir. Bu sayede ekipman ömrü uzatılabilir, plansız duruş riski azaltılabilir ve jeneratörün işletme güvenilirliği artırılabilir.