Corona ring design and parameter optimization for 380 kV V-insulator strings used in Turkish national power transmission system
Türkiye ulusal elektrik iletim sisteminde kullanılan 380 kV V-askı izolatörleri için korona halkası tasarımı ve parametre optimizasyonu
- Tez No: 332957
- Danışmanlar: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 182
Özet
Yüksek alternatif gerilimle enerji iletiminin uygulanabilir hale geldiği yirminci yüzyılın başlarından günümüze kadar, artan elektrik enerjisi talebinin bir sonucu olarak, elektrik enerjisinin iletiminde giderek daha yüksek gerilimlerin kullanımı yönünde bir eğilim ortaya çıkmıştır. Günümüzde, çeşitli ülkelerde, 750 kV'a kadar olan yüksek alternatif gerilimle enerji iletimi yapılmaktadır ve iletim gerilimi düzeyininin daha da arttırılması yönünde çalışmalar devam etmektedir. İletim gerilimi düzeyinin artması ve gelecekte daha yüksek gerilimlerin enerji iletimlerinde kullanılması, yüksek elektrik alan şiddetleri, korona boşalmaları ve korona ile ilgili problemleri de beraberinde getirmektedir. Korona boşalmaları önemli ölçüde güç kayıplarına ve genellikle iletim sisteminde kullanılan yalıtımın yaşlanmasına neden olmaktadır. Bu nedenle, yalıtımı sağlayan yapılardaki yüksek elektrik alanı değerlerinin bilinmesi ve kontrol edilmesi iletim sistemi tasarımcıları için önemlidir.Enerji iletim sisteminde kullanılan izolatör zincirlerinin elektriksel performansını arttırmak için bazı yardımcı düzenekler kullanılmaktadır. Bu yardımcı düzeneklerin geometrileri ve tasarımları iletim sistemi gerilimine ve birlikte kullanıldıkları izolatör yapılarına bağlı olarak farklılık göstermektedir. Korona halkaları porselen, cam veya silikon izolatörlerle birlikte kullanılan yardımcı düzeneklerdendir.Korona halkaları izolatör zincirinin performansını çeşitli şekillerde arttırmaktadırlar. İzolatör zinciri ile birlikte korona halkasının kullanılması, izolatör zinciri çevresindeki korona boşalmalarının azalmasına, radyo ve televizyon girişim gerilimlerinin azalmasına yardımcı olmaktadır. Korona halkası ayrıca izolatör zinciri boyunca daha düzgün gerilim dağılışı sağlamakta ve izolatör çevresinde oluşabilecek maksimum elektrik alan şiddeti değerlerinin azalmasına neden olmaktadır. Bunlara ilaveten, korona halkaları ark koruması için de kullanılırlar. İzolatör çevresinde meydana gelebilecek bir boşalma olayı sırasında, oluşacak arkın izolatörden uzak tutulması gereklidir. Bazı deneysel çalışmalar, kirli ortam koşullarında kullanılan silikon izolatörler için, korona halkasının izolatör son bağlantı kısımlarındaki kuru bölge arklarının oluşumunu engellediğini göstermiştir. Yukarıda belirtilen tüm etkilerine ilaveten, korona halkaları ayrıca iletim sisteminin alternatif ve darbe gerilim düzeylerini de etkilemektedir. Tüm bu etkiler tamamı ile korona halkası tasarım parametrelerine bağlıdır. Korona halkası tasarımı ile ilgili herhangi bir standartın bulunmaması, verilen askı takımı için uygun geometride korona halkasının tasarımı için elektrik alan benzetimleri ve laboratuvar deneylerini zorunlu kılmaktadır.Silikon izolatörlü askı takımları için, 345 kV ve üstü iletim gerilimleri için, hem toprak tarafında hem de hat tarafında (izolatörün her iki bağlantı noktasında) korona halkalarının kullanılması önerilmektedir. 230 kV ile 345 kV gerilim aralığı için sadece iletim hattı tarafında korona halkasının kullanımı yeterlidir. 230 kV ve altı iletim gerilimleri için ise korona halkalarının kullanımı gerekli olabilir veya olmayabilir.Türkiye elektrik iletim sistemi arıza kayıtlarına göre, 380 kV iletim sistemizde meydana gelen ve kaynağı tam olarak bilinmeyen geçici arıza olayları sistemde meydana gelen tüm arızalar içerisinde önemli bir yer tutmaktadır. Geçici arızalı durumların genellikle sabah erken saatlerde meydana geldiği belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, askı takımında kullanılan korona halkaları ve iletim direğinde ark izlerine ve izolatör zincirlerinde kırık izolatör birimlerine rastlanmıştır. Bu bulgular, geçici atlama olaylarının korona halkası ile iletim direği arasında ve/veya izolatör yüzeyi boyunca gerçekleşmiş olabileceğini göstermektedir. Geçici atlama olayları esnasında kaydedilmiş herhangi bir gerilim dalga şekli mevcut değildir.İletim sistemizde meydana gelen geçici arıza olaylarının kaynağının belirlenmesi ve gerekli önlemlerin alınması için arızalı durumların meydana geldiği askı takımlarının elektriksel dayanımlarının farklı gerilimler, farklı ortam koşulları ve farklı ark mesafeleri için incelenmesi gereklidir.Bu tez çalışmasında temel olarak cam ve silikon askı izolatörlerinden oluşmuş 380 kV 90o V-askı takımlarının elektriksel performansları farklı geometrilerdeki korona halkaları için incelenmiştir. Bu askı takımları mevcut 380 kV Türkiye elektrik iletim hatlarında kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalar, deneysel ve benzetim bazlı çalışmalar olmak üzere iki temel kısımda incelenebilir.Deneysel çalışmalar, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fuat Külünk Yüksek Gerilim Laboratuvarı'nda yapılmıştır. Standart yıldırım darbe gerilimi, anahtarlama darbe gerilimi ve 50 Hz frekanslı alternatif gerilim deneyleri cam ve silikon izolatörlü V-askı takımları için farklı geometrilerde korona halkaları için gerçekleştirilmiştir. Deneyler kuru ve yaş ortam koşulları için tekrarlanmıştır. Korona halkası çapı, korona halkası tüp çapı ve korona halkası montaj yüksekliği korona halkası tasarım parametreleri olarak dikkate alınmış ve deneylerde bu parametrelerin askı takımı elektriksel performasını ne şekilde etkilediği incelenmiştir. Deneyler, laboratuvar içerisine kurulan, gerçek boyutlardaki 380 kV 3PB tipi iletim direğinin orta fazına asılı 90o V-askı takımları ile gerçekleştirilmiştir. Laboratuvar boyutlarının sınırlı olması ve laboratuvar dış deney alanının 380 kV askı takımı için uygun olmaması nedeni ile deneylerde sadece orta fazı temsil eden direk yapısı kullanılmıştır. Yıldırım ve anahtarlama darbe gerilimleri deneyleri, pozitif ve negatif polariteli darbe gerilimleri ile, kuruda ve yapay yağmur altında gerçekleştirilmiştir. Korona halkası tasarım parametrelerinin izolatör zinciri darbe dayanımına etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Darbe dayanma düzeyleri, küçük olasılıklı atlama gerilimleri, darbe kesilme süreleri ve darbe atlama yönleri farklı korona halkası modelleri için elde edilmiştir. 50 Hz frekanslı alternatif gerilim deneyleri için ise, izolatör askı takımının atlama gerilim değerleri kuruda ve yapay yağmur altında farklı geometrili korona halkaları için elde edilmiştir. Askı takımının radyo girişim gerilim düzeyleri de ölçülmüştür. Sonuç olarak, deneysel çalışmalarda, 380 kV, 90o V-askı takımının darbe ve alternatif dayanım düzeyleri farklı geometrili korona halkaları için elde edilmiş ve korona halkası parametrelerinin askı takımının elektriksel performansı üzerine etkileri incelenmiştir.Benzetim çalışmaları Coulomb 3D and Comsol Multiphysics lisanslı yazılımlar yardımı ile gerçekleştirilmiştir. İletim hattı, iletim direği, izolatör zinciri ve korona halkalarını içeren üç boyutlu benzetim modelleri geliştirilmiştir. Benzetim modellerinde, yan fazlar, koruma telleri ve iletken sehim etkileri de dikkate alınmıştır. Laboratuvar deney düzeneğinin de üç boyutlu modeli oluşturulmuş ve laboratuvar modeli ile gerçek model için alan dağılımları elde edilmiştir. İzolatör zinciri boyunca gerilim dağılışı, korona halkası üzerindeki ve izolatör çevresindeki kritik bölgelerdeki elektrik alan dağılımları her bir korona halkası modeli için elde edilmiştir. Sonuç olarak, belirtilen askı takımı için, elektrik alan dağılımı bakımından uygun geometrili korona halkası modelleri önerilmiştir. Benzetim çalışmaları ayrıca farklı izolatör kirlenme durumları için yapılmış ve alternatif ve darbe gerilimi alan dağılımları kirli durumlar için farklı korona halkası modelleri için elde edilmiştir.Benzetim çalışmalarına ilave olarak bir dizi doğrulama deneyleri yapılmıştır. Doğrulama deneylerinde, bir, iki ve üç izolatörlü izolatör zincirleri, iletim direğini temsil eden topraklı bir metal düzeneğe asılarak gerilim dağılımları elde edilmiştir. İzolatör yüzeyi boyunca gerilim dağılışlarını ölçmek için, dokunmasız ölçme probuna sahip dijital bir elektrostatik voltmetre kullanılmıştır.
Özet (Çeviri)
In a real power transmission system, insulator strings are equipped with auxiliary apparatus in order to increase the electrical performance of an insulator string. For example, a grading ring, usually called a corona ring is one of the auxiliary fittings that are used with porcelain and polymer insulator strings.Corona rings are used to improve the performance of an insulator string in multiple ways. Corona rings reduce the corona and associated audible noise, radio, and television interference voltages, modify the electric field distribution around the string, and cause more linear potential distribution along the insulator string. In addition, corona rings keep the arc away from the insulator, and fix the root of the arc on the ring to avoid heating of the end fittings. Moreover, corona rings increase the string performance in contaminated conditions. All of these effects of corona rings on insulator strings are primarily dependent on the design parameters of the corona rings. Electric field simulations and laboratory tests are required to obtain the suitable design parameters for a given insulator string since there is no one standard for corona ring installation.According to the failure records of the Turkish National Power Transmission System, unexpected transient flashovers in 380 kV transmission systems for unknown reasons were the dominating failures in the past. Most of these flashovers occurred in the early morning. Power arc traces on the corona ring surfaces, and on the tower side as well as damaged insulator units were observed in the field by the transmission utility. Those observations indicated that the unforeseen flashovers occurred around the insulator string between the corona rings and the transmission tower, propagated either in the air space or along the insulator string. However, no recorded data are available about the voltage type.To investigate the nature and origin of these failures as well as to eliminate or minimize the unforeseen power outages, it is necessary to investigate the electrical performance of the string for different stress conditions and different air clearances. Consequently, this thesis is concentrated on the electrical performance of a 380 kV V-string for different corona ring models and different insulator strings (glass or polymer insulators).The objective of this thesis is to investigate the electrical performance of 380 kV V-suspension insulator strings of different types of corona rings. Currently, these kind of strings are used in 380 kV Turkish National Power Transmission lines. The investigation is divided into two parts: laboratory experiments and and simulation analyses.The experiments were conducted at Istanbul Technical University, Fuat Külünk High Voltage Laboratory. Lightning impulse, switching impulse with standard wave shapes as well as alternating voltage tests were performed for the strings, including glass insulators and polymer insulators, for different corona ring models. The corona ring diameter, corona tube diameter and corona ring installation heights were selected as the design parameters. The laboratory tests were performed on the insulator strings, suspended from the central phase of a full size power transmission tower because of the laboratory size limitation. The tests were repeated in dry and wet test conditions and for positive and negative polarity impulses. The effects of the corona ring design parameters on the insulator string impulse performance were investigated. Withstand voltage levels and small flashover probability voltage levels, time-to-flashovers, flashover paths of the strings were recorded for the different corona ring models. For the 50 Hz alternating voltage tests, the flashover voltage level of the string was investigated under dry and wet test conditions. In addition, the radio interference voltage levels of the strings were measured for various corona ring models. As a result, the effects of the corona rings on the electrical performance of the 380 kV V-suspension insulators were investigated for impulse and alternating voltages.The simulation-based studies were conducted by using Coulomb 3D and Comsol Multiphysics licensed simulation softwares. Three-dimensional simulation models, including transmission lines, transmission tower, insulator strings, and corona ring models were developed to investigate the electric field distributions around the string for different corona ring models. The adjacent phases, ground wires, and conductor sags were also taken into consideration. The laboratory experimental setup was also simulated by 3D models to see what extent the experimental model fit the real service model. The potential distribution along the insulator string, as well as the electric field distribution on the corona rings and at critical regions around the string were investigated for each corona ring design parameters, and optimal corona ring models were recommended with respect to the electric field values. In addition, simulations were conducted for polluted insulator strings. Alternating and transient field distributions were obtained for polluted insulator strings for different corona ring models.
Benzer Tezler
- Üç fazlı dengeli elektrik dağıtım şebekelerinde kayıp tahmini ve kayıp paylaşımı
Loss estimation and loss allocation of balanced three-phase electricity distrubition networs
FEVZİ BOZGEYİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER GÜL
- 154 kV hava hattı silikon kauçuk izolatörde alternatif ve darbe gerilimlerinde elektrik alan dağılımının incelenmesi
Electric field analysis of 154 kV silicon-rubber line insulator for AC and lightning impulse voltages
CAN YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
- Korona salgını bağlamında güncel fıkhî hükümler
New fiqh provisions through Corona disease
AWAD HAMEED SAMEEN
Yüksek Lisans
Arapça
2021
DinBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiTemel İslam Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLAL GÖKKIR
- Retroinguinal ve retropubik bölgedeki vasküler yapıların belirlenmesi
Determination of vascular structures in the retroinguinal and retropubic region
YİĞİT GÜNGÖR
- Elektret davranışları ve uygulamaları
Electret behaviours and its applications
AYKUT ÖZTAYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. ÖZCAN KALENDERLİ