RÜZGAR TÜRBİNİ TOPRAKLAMA SİSTEMLERİNDE YILDIRIM DARBE AKIMI ETKİLERİNİN SİMÜLASYONU VE ANALİZİ
Simulation and Analysis of Lightning Surge Current Effects in Wind Turbine Grounding Systems
- Tez No: 1006608
- Danışmanlar: PROF. DR. NEVZAT ONAT, DOÇ. DR. CELAL FADIL KUMRU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Manisa Celal Bayar Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, rüzgâr türbini topraklama sistemlerinin yıldırım darbe akımları altındaki davranışı elektromanyetik geçici rejim yaklaşımıyla incelenmiştir. Yıldırım akımlarının yüksek genlikli ve çok kısa yükselme sürelerine sahip olması, topraklama sistemlerinin yalnızca düşük frekanslı modellerle değerlendirilmesini yetersiz hâle getirmektedir. Bu nedenle çalışmada, toprak özelliklerinin frekansa bağlı değişimi, iletkenlerin endüktif etkileri ve sistem geometrisinin analiz sonuçları üzerindeki etkileri dikkate alınmıştır. Bu kapsamda, rüzgâr türbinlerinde kullanılan topraklama yapıları farklı iletken ağ sıklıkları ve değişen türbin sayıları için modellenmiştir. Tek türbinli modellerde 2×2 m, 1×1 m ve 0,5×0,5 m topraklama ağı aralıkları karşılaştırılmış; çoklu türbin modellerinde ise dört ve sekiz türbinli sistemlerin topraklama davranışı incelenmiştir. Simüle edilen modellerin Elektrik Tesislerinde Topraklamalar Yönetmeliği ve IEEE Std 80 yaklaşımıyla uyumlu olacak şekilde hazırlanmasına dikkat edilmiştir. Simülasyon çalışmaları, elektromanyetik alan temelli çözüm yeteneğine sahip XGSLab yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş; analizlerde GPR, adım gerilimi, dokunma gerilimi ve akımın sistem içerisindeki dağılımı birlikte değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, topraklama ağı yoğunluğunun artırılmasının akımın daha geniş bir alana yayılmasını sağladığını ve yüzeyde oluşan potansiyel farklarını azalttığını göstermiştir. 5 kA arıza akımı analizlerinde 0,5×0,5 m topraklama ağı yapısına sahip Model 3, tek türbinli modeller içerisinde en düşük topraklama empedansı ve daha dengeli yüzey potansiyeli dağılımı sağlamıştır. Türbin sayısının artırıldığı modellerde ise ortak topraklama etkisi belirginleşmiş; özellikle sekiz türbinli yapıda GPR ve adım gerilimi değerlerinde önemli azalmalar elde edilmiştir. Yıldırım darbe akımı analizlerinde 10/350 µs ve 8/20 µs dalga biçimleri ayrı ayrı değerlendirilmiştir. 10/350 µs darbe akımı, yüksek enerji ve uzun kuyruk etkisini ortaya koyarken; 8/20 µs darbe akımı daha kısa süreli ve hızlı değişen geçici rejim davranışını göstermiştir. Her iki darbe tipi altında da 0,5×0,5 m topraklama ağı aralığına sahip Model 3'ün en düşük empedans değerini verdiği ve topraklama ağı iç bölgesinde daha başarılı bir potansiyel dengeleme sağladığı görülmüştür. Bu sonuç, rüzgâr türbini topraklama tasarımında yalnızca statik topraklama direncinin değil, yıldırım darbe akımları altında oluşan geçici rejim davranışının da dikkate alınması gerektiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this study, the behavior of wind turbine grounding systems under lightning impulse currents was investigated based on an electromagnetic transient approach. Since lightning currents have high amplitudes and very short rise times, evaluating grounding systems only by means of low-frequency models is not sufficient. Therefore, the frequency-dependent behavior of soil properties, the inductive effects of conductors, and the influence of system geometry on the analysis results were taken into account in this study. Within this scope, the grounding structures used in wind turbines were modeled by considering different conductor topraklama ağı densities and varying numbers of turbines. In the single-turbine models, GPR spacings of 2×2 m , 1×1 m, and 0.5×0.5 m were compared. In the multi-turbine models, the grounding behavior of four-turbine and eight-turbine systems was examined. The simulated models were prepared in accordance with the Turkish Regulation on Grounding in Electrical Installations and the IEEE Std 80 approach. The simulation studies were carried out using XGSLab, which provides electromagnetic field-based solution capabilities. In the analyses, ground potential rise, step voltage, touch voltage, and the current distribution within the system were evaluated together. The obtained results showed that increasing the topraklama ağı density allowed the current to spread over a wider area and reduced the potential differences occurring on the ground surface. In the 5 kA fault current analyses, Model 3, with a 0.5×0.5 m grounding grid structure, provided the lowest grounding impedance and a more balanced surface potential distribution among the single-turbine models. In the models with an increased number of turbines, the common grounding effect became more pronounced. In particular, the eight-turbine configuration resulted in significant reductions in gpr and step voltage values. In the lightning impulse current analyses, the 10/350 µs and 8/20 µs waveforms were evaluated separately. The 10/350 µs impulse current represented the high-energy and long-tail effect of a direct lightning stroke, whereas the 8/20 µs impulse current represented a shorter-duration and faster-changing transient response. Under both impulse current waveforms, Model 3, with a 0.5×0.5 m topraklama ağı spacing, produced the lowest impedance value and provided better potential equalization within the GPR area. This result indicates that, in wind turbine grounding design, not only the static grounding resistance but also the transient behavior under lightning impulse currents must be taken into consideration .
Benzer Tezler
- Dokunma ve adım gerilimleri bakımından rüzgar türbini topraklamasının üç boyutlu incelenmesi
Three dimensional analysis of wind turbine grounding in terms of touch and step voltages
ÇAĞRI KÖKSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖMER GÜL
- Rüzgar santrallerinde topraklama performanslarının iyileştirilmesi
Improvement of grounding performances in wind power plants
MELİH GÜNERİ
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BORA ALBOYACI
- Rüzgar santrali içeren elektrik sistemlerinde etkilenmeler ve kısa-devre incelemesi
The effects of wind farms connected to power systems and short-circuit analysis
KADİR TEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
- Loop type DC micro-grid protection
Alçak gerilim halka tipi DC mikro şebekeler için koruma şeması
EMAN NAZUM ABDALAZIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER USTA
- Mikro şebekelerin toprak arızalarına karşı korunması
Microgrid protection against ground faults
MUHSİN ALPER MUTLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER USTA