Arc-based modeling, condition monitoring and failure detection of on-load tap-changers
Yük altında kademe değiştiricilerin ark tabanlı modellenmesi, durum izlenmesi ve arıza tespiti
- Tez No: 527966
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER USTA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 182
Özet
Güç transformatörleri, farklı gerilim seviyelerini değiştirmek ve düzenlemek için güç sistemlerinde yaygın olarak kullanılan oldukça pahalı ve önemli ünitelerdir. Güç transformatörlerinin güvenli, güvenilir ve kesintisiz çalışması, güç dağıtımının sürekliliğini korumak için son derece önemlidir. Güç trafosunun en pahalı ve hassas parçalarından biri yük altında kademe değiştiricileridir (YAKD). Bunlar, yük değişiminden kaynaklanan yüksek ve alçak gerilim durumlarını kompanze etmek amacıyla güç trafosunun çıkışındaki gerilim seviyesini sargıların adım oranını değiştirerek düzenleyen cihazlardır. Bir YAKD güç transformatörlerinin en hassas ekipmanı olarak kabul edilir, çünkü transformatörlerin hareket eden tek parçasıdır. Bu nedenle, YAKD'nin çalışma koşullarını sürekli olarak izlemek çok önemlidir. YAKD'nin her operasyonu esnasında belirli zamanlarda bir dizi anahtarlama olayı gerçekleşir. Bu anahtarlama olayları, devre kesicilerin (DK) anahtarlama olaylarıyla karşılaştırılabilir. DK'ler, güç sistemleri içinde yaygın olarak yer alan elektro-mekanik anahtarlama cihazlarıdır. DK'lerin temel amacı arıza akımını güvenli, güvenilir şekilde ve zamanında kesmektir. Bir DK, ömrü boyunca çalışma koşullarını bozan ciddi elektriksel, mekanik ve termal streslere maruz kalmaktadır. YAKD'ler için de durum böyledir, çünkü çok benzer prensiplerle çalışmaktadırlar. Bu sebeple, her bir kademe değiştirme işlemi için YAKD'lerin çalışma koşullarının sürekli olarak izlenmesi hayati önem arz eder. Çevrimdışı, çevrimiçi ve gerçek zamanlı olmak üzere DK'ler ve YAKD'ler için geçerli üç tür durum izleme (Dİ) ve arıza tespiti (AT) yöntemi vardır. Çevrim dışı yöntemlerde, tüm ölçümler hizmet dışı durumda enerjisiz ekipmanlardan elde edilir. Çevrimiçi tekniklerde, ölçümler normal çalışma koşullarında gerekli olduğunda ekipmandan alınabilirken, gerçek zamanlı yöntemlerde ölçümler, gerçek zamanlı örnekleme teknikleri kullanılarak sürekli olarak toplanmalıdır. Ölçüm teknolojilerindeki son gelişmeler ve akıllı şebeke planları dikkate alındığında, gerçek zamanlı yaklaşımlara dayalı Dİ ve AT teknikleri daha gerçekçi ve doğrulanabilir hale gelmiştir. Bu tez, DK ark modellerine dayalı YAKD'ler için yeni bir modelleme ilkesi sunmaktadır. YAKD'lerin çalışma prensibi, belirli zaman aralıklarıyla bir dizi anahtarlama işlemine dayanmaktadır. Tez dahilinde, bu anahtarlama işlemleri ayrı ayrı modellenmiştir ve böylece bir kademe değiştirme işleminin tamamını içeren tam bir YAKD ark modeli türetilmiştir. Arıza konumu algoritmaları YAKD çalışmasından etkilenir çünkü bu algoritma empedansı, karakteristik empedansı ve dolayısıyla iletim ve dağıtım hatlarının hareket eden dalga hızını değiştirir. Önerilen YAKD modeli, kademe değiştirme işlemlerinin farklı tipte arıza konumu algoritmaları üzerindeki olası etkilerini daha fazla araştırmak ve bu tekniklerin performansını iyileştirmek için etkin bir şekilde kullanılabilir. Bir DK anahtarlama yaptığı zaman, ayırma kontakları arasındaki ortam, kesilme gerçekleşmeden önceki yüksek akım akışından kaynaklanan yüksek sıcaklık nedeniyle yüksek oranda iyonlaşır. Bu durumda, DK'nin ark akımı, DK'nin ark kontaklarının tamamen fiziksel olarak ayrılmasından sonra bile akmaya devam eder. Bu olaya DK modellemede önemli bir fenomen olan elektrik arkı denir. Geçtiğimiz yıllarda, literatürde çeşitli ark modelleri önerilmiştir. Bu tezde iki iyi bilinen ark modellerinin kombinasyonu kullanılacaktır. İlk model 1939 yılında A. M. Cassie tarafından öne sürülmüştür; bu çalışmada sabit sıcaklık, elektrik alan şiddeti ve akım yoğunluğuna sahip bir elektrik ark kanalı modeli önerilmiştir. Bu modelde, ark iletkenliği ark kesitinin bir fonksiyonudur ve ark enerjisi, enerjinin korunumu kanunu ile elde edilir. Bu model, yüksek akım durumlarında ark davranışını karakterize edebilir. İkinci ark modeli, 1943 yılında O. Mayr tarafından önerilmiş olup, bu modelde ark sıcaklığı değişken kabul edilmekle birlikte, arkın boyutu ve şekli sabitlenmiştir. Böylece, enerji kayıplarının temeli termal iletim yasasına dayandırılmıştır. Önerilen bu model, düşük akımlardaki ark karakteristiklerini doğru bir şekilde gösterebilir. Daha önce de belirtildiği gibi, Cassie ve Mayr ark modelleri, sırasıyla yüksek ve düşük akımlardaki ark davranışlarını temsil edebilir. Bu sayede, her iki ark modelinin kombinasyonu, tüm akım spektrumu içindeki ark davranışlarını simüle edebilecektir. DK'lerin giriş ve çıkış terminalleri ile kademe değiştirici transformatörlerin ani gücü arasındaki fark, ani ark gücünü ve bu gücün DK ve YAKD operasyonları sırasındaki enerjisini hesaplamak için kullanılır. Bir DK için güç farkı, tamamen kapalı veya açık olduğu sürece daima sıfırdır. Öte yandan, normal çalışma koşullarında, transformatörlerin ani güç farkı, trafonun güç kaybına eşittir. Ancak, DK ve YAKD işlemleri sırasındaki güç farkı DK'lerin ve kademe değiştirici transformatörlerin ark gücü haline gelir. DK'ler için ani ark gücü, ark koşulları altındaki hesaplamalarda doğrudan kullanılabilir. Bununla birlikte, YAKD'lerde arkın ani gücünün elde edilmesi için, güç transformatörlerinin tahmini ani güç kaybının, hesaplanan ani güç farkından çıkarılması gerekir. Ardından, kümülatif ark enerjisi ve ark güçlerinin integrali, DK'ler ve YAKD'ler için yeni bir Dİ ve AT algoritmasının tasarımında kullanılır. Bu tezde, DK'lerin ve YAKD'lerin kümülatif ark enerjisinin DK'ler ve YAKD'nin kontaklarının elektriksel aşınmasının iyi bir göstergesi olduğu ortaya konmuştur. Bu nedenle, bu yöntem DK ve YAKD'lerin Dİ'sinin hesaplanması için kullanılır. Dİ algoritmasına ek olarak, tek bir açma veya kademe değiştirme operasyonu için ark güçlerinin ilişkisi, DK veya YAKD operasyonundaki herhangi bir arızayı tanımlamak için kullanılabilir. Yürüyen ortalama filtresi, çıkış sinyalini düzeltmek için kullanılmıştır. Bu bağlamda, çıktı verilerini gösteren noktaları üretmek için giriş dizisinden belirli sayıda örneklem alınmıştır. Bu sayede, önerilen algoritmalar için daha güvenilir veriler bulunacaktır. Dİ algoritmasının uygulanması boyunca sabit kalan Dİ eşik değeri, DK'nin nominal kapasitesindeki izin verilen operasyon sayısına ve üreticiler tarafından tanımlanan YAKD'nin nominal adım kapasitesine bağlı olarak her bir DK ve YAKD tipi için önceden belirlenir. Önerilen Dİ algoritmasının alarm kriterleri, DK veya YAKD operasyonlarına bağlı kümülatif ark enerjisi kullanılarak bulunabilir. Bu bağlamda, DK veya YAKD işlemleriyle ilişkili ölçülen yayılma güçlerinin kümülatif toplamı (yani, kümülatif ark enerjisi), her bir açma veya kademe değiştirme işleminden sonra, önerilen Dİ algoritmasının Dİ eşik değeri ile karşılaştırılır. Müterakim değer önceden tanımlanmış eşik değerine her ulaştığında, sistem operatörünü bilgilendirmek için bir alarm sinyali gönderilir. Bu durum, DK veya YAKD'nin maksimum kontak aşınmasına ulaştığını ve muayene edilmesinin gerekli olduğunu gösterir. Aksi halde, algoritma, ark enerjisini ölçmeye ve depolamaya devam eder. Diğer yandan, DK'lerin izin verilen maksimum ark zamanları genellikle üreticiler tarafından tanımlanır ve çeşitli DK tipleri için küçük farklılıklar gösterir. Bu değerler, DK'lerin arızalanmadan atlatabileceği maksimum ark sürelerini ifade ederler ve 15 ms ile 25 ms arasında değişiklik gösterirler. Buradan da anlaşılabileceği gibi, DK ark sürelerinin ölçümü oldukça karmaşık bir iştir. Bu nedenle, önerilen AT algoritması, çeşitli ark süreleriyle ilişkili olarak ark enerjisini, yani ark güçlerinin zamana bağlı integralini kullanarak DK ark sürelerini dolaylı olarak ölçer. Normalize edilmiş ark gücünün integrali AT eşik miktarından daha büyükse, DK düzgün bir şekilde çalışamaz ve bu nedenle aynı DK'ye tekrar bir açma sinyali gönderilir veya arızanın izolasyonu için ilgili öncül DK'lerin açması sağlanır. YAKD'ler için, tek bir kademe değiştirme operasyonu için tahmin edilen ark enerjisi, AT açma seviyesine ulaştığında, güç transformatörünü sistemden ayırmak için bir açma sinyali gönderilir. Aksi takdirde AT algoritması sabit kalır ve bir sonraki kademe değiştirme işlemlerini değerlendirmeye alır. Bilgisayar simülasyon çalışmalarının sonuçları, Dİ algoritmasının, bakım süresini ölçmek için DK'nin veya YAKD'nin ark kontaklarının elektriksel aşınmasını etkin bir şekilde değerlendirdiğini kanıtlamaktadır. Öte yandan, AT algoritmasından elde edilen sonuçlar, AT algoritmasının, DK'lerin veya YAKD'lerin başarılı veya hatalı açma ve kademe değiştirme işlemleri arasında ayrım yapabileceğini ve hata koşullarını etkin bir şekilde saptayabileceğini göstermektedir. Bu çalışmada, 1. Bölüm, YAKD'lerin Dİ ve AT'si için bir giriş ve literatür taraması içermektedir. Kademe değiştiricilerin arıza bölgesi tespiti algoritmalarına etkileri ve tezin motivasyonları Bölüm 2'de açıklanmıştır. DK'lerin farklı ark modellerinin kısa bir açıklaması ve Habedank ark modelinin elektro-manyetik transient programının yeniden yapılandırılmış versiyonu (EMTP-RV) içerisinde uygulanması, Bölüm 3'te tartışılmıştır. Bölüm 4, DK'lerin Dİ'leri için mevcut yöntemleri ve bu amaçla ark nedeniyle güç kaybının ölçümünü kullanan bir Dİ algoritmasının önerilmesini içerir. Bölüm 5, mevcut uygulamaları ve DK'lerin AT'leri için yeni bir güç tabanlı algoritmayı barındırmaktadır. Kesiciler için tasarlanmış Dİ ve AT algoritmalarının performans analizi amacıyla uygulanan gerçek zamanlı test çalışmaları Bölüm 6'da tartışılmıştır. Bölüm 7'de YAKD'ler için orijinal bir modelleme konsepti ve onun uygulanması tanıtılmıştır. Bölüm 8, yaygın uygulamaları ve YAKD'lerin Dİ'leri için yeni bir güç tabanlı algoritmayı içermektedir. YAKD'lerin AT uygulamaları için aynı güç tabanlı algoritma üzerinden tasarlanan başka bir modifikasyon ve onun simulasyon çalışma-ları Bölüm 9'da açıklanmıştır. YAKD'lerin çalışmaları ilgili test çalışmaları Bölüm 10'da tartışılmıştır. Bölüm 11 yapılan çalışmalar ile ilgili sonuç ve önerileri kapsamaktadır.
Özet (Çeviri)
Power transformers are highly valuable units that are extensively used throughout the power systems to change and regulate different voltage levels. The safe, reliable, and continuous operation of power transformers is extremely critical for safeguarding the continuity of power delivery. One of the most expensive and vulnerable parts of power transformer is its on-load tap-changer (OLTC), i.e., an electro-mechanical switching equipment which operates to regulate the output voltage level of power transformer to compensate the over and under voltages resulted from load variations by changing the winding step ratio. An OLTC is also considered as the most vulnerable equipment of power transformers, because it is the only moving part of transformers. Therefore, it is very important to continuously monitor the operating conditions of OLTC. There is a sequence of switching incidents with certain timings during each OLTC operation. These switching events can be compared to the switching incidents of circuit breakers (CBs). CBs are electro-mechanical switching devices which operate widely within the power systems. The principle objective of CBs is to interrupt the fault current in a safe, reliable, and timely manner. As a CB operates through its lifetime, it undergoes severe electrical, mechanical, and thermal stresses that degrade its operating condition. This is the case for OLTCs as well, because they operate in a very similar manner. Thereby, it is highly crucial to continuously monitor the operating conditions of OLTCs for each tap-changing operation. There are three types of condition monitoring (CM) and failure detection (FD) methods applicable for CBs and OLTCs that include off-line, on-line, and real-time. In off-line methods, all measurements are obtained from de-energized equipment during out of service conditions. In on-line techniques, measurements can be taken from equipment under normal operating conditions whenever required, whereas in real-time methods, measurements must be collected continuously utilizing real-time sampling techniques. Considering recent developments in measurement technologies and smart grid plans, the CM and FD techniques based on real-time approaches have become more realistic and justifiable. This thesis presents a new modeling principle for OLTCs based on the CB arc models. The working principle of OLTCs is based on a sequence of switching operations with certain timing intervals. These switching operations are individually modeled and thus a full arc model of OLTC which is capable of performing a full tap-changing operation is derived. Fault location algorithms are influenced by the OLTC operation because it changes the impedance, characteristic impedance, and therefore the traveling wave velocity of the transmission and distribution lines. The proposed OLTC model can be effectively used to further investigate the probable effects of tap-changing operations on different types of fault location algorithms and improve the performace of these techniques. Whenever a CB operates, the medium between its separating contacts becomes highly ionized because of the high temperature originated by the high current flow before its interruption. In this case, the arcing current of CB continues to flow even after the full physical separation of CB's arcing contacts. This phenomenon is called an electric arc which is the key point in CB modeling. Several arc models have been proposed in the literature during the past decades. The combination of two well-known arc models will be used in this thesis. The first model has been introduced by A. M. Cassie in 1939, in which an electric arc channel with fixed values of temperature, electric field intensity, and current density is considered. In this model, the arc conductance is a function of the arc cross section and the arcing energy is obtained by the convection law. It can characterize the arc behavior in high current vicinities. The second arc model has been proposed by O. Mayr in 1943, in which the arc temperature is highly variable but the size and shape of the arc column is fixed. Therefore, the principal mechanism of energy losses is based on the thermal conduction law. It can model the arc characteristics in low current vicinities accurately. As mentioned earlier, the Cassie and Mayr arc models can represent the arc behaviors in high and low current vicinities, respectively. Therefore, the combination of both arc models can simulate the arc behaviors within the entire current spectrum. The difference between the instantaneous power of the input and output terminals of CBs and tap-changing transformers is used to calculate the instantaneous arcing power and its related energy relating to the CB and OLTC operations. The power difference of a CB is always zero as long as a CB is fully closed or open. On the other hand, under normal operating condition, the instantaneous power difference of transformers equals the transformer power loss. However, during the CB and OLTC operations, the power difference becomes the arcing power of CBs and tap-changing transformers. For CBs, the instantaneous arcing power is directly available under arcing conditions. However, in case of OLTCs, the instantaneous power loss of power transformers must be estimated and subtracted from the instantaneous power difference in order to obtain the instantaneous arcing power. Then, the cumulative arcing energy and the integration of arcing power are used to propose a novel CM and FD algorithm for CBs and OLTCs. In this thesis, it has been demonstrated that the cumulative arcing energy of CBs and OLTCs is a good indication of the electrical wear of CB's and OLTC's arcing contacts. Therefore, it is used for the CM of CBs and OLTCs. In addition to the CM section, the integration of arcing power for a period of a single opening or tap-changing operation is used to identify any failure in CB or OLTC operation. The moving average filter has been used to smooth the output sequence. In this regard, certain number of points has been taken from the input sequence to produce the output data points. Therefore, more reliable data will be available for the proposed algorithms. The CM threshold quantity which remains constant throughout the implementation of CM algorithm is predetermined for each type of CB and OLTC based on the number of permissible operations at the rated capacity of CB and rated step capacity of OLTC which is defined by manufacturers. The alarm criteria of the proposed CM algorithm is evaluated using the cumulative arcing energy associated to CB or OLTC operations. In this regard, the cumulative integration/summation of the measured arcing powers associated to CB or OLTC operations (i.e., the cumulative arcing energy) is compared to the CM threshold quantity of the proposed CM algorithm following each opening or tap-changing operation. Whenever the accumulated value exceeds the predefined threshold value, an alarm signal is initiated to inform the system operator. This alarm signal indicates that the maximum contact wear of CB or OLTC has been reached and the inspection has become necessary. Otherwise, the algorithm continues to measure and store the arcing energy. On the other hand, the maximum permissible arcing times of CBs are usually defined by manufacturers and are slightly different for various types of CBs. Their values are ranging from 15 ms to 25 ms that indicate the maximum arcing durations that CBs can safely undergo without being defected. Clearly, the measurement of CB arcing times is a highly complicated job. Therefore, the proposed FD algorithm indirectly evaluates the CB arcing times utilizing the integration of arcing powers over time that is actually the arcing energy related to various arcing durations. If the integration of normalized arcing power is greater than the FD threshold quantity, the CB has failed to function properly and therefore a trip signal is initiated to the same CB once again or upstream CBs for fault isolation. Regarding the OLTCs, whenever the estimated arcing energy for a single tap- changing operation reaches the FD trip level, a trip command is initiated to disconnect the power transformer from the power system. Otherwise, the FD algorithm remains stable and evaluates next tap-changing operations. The results of the computer simulation studies prove that the CM algorithm effectively monitors the electrical wear of CB's or OLTC's arcing contacts to evaluate the time of maintenance. On the other hand, the results obtained from the FD algorithm show that the FD algorithm is capable of distinguishing between the successful and faulty opening or tap-changing operations of CBs or OLTCs and effectively detects failure conditions. Chapter 1 includes an introcution and a literature review on CM and FD of OLTCs. Tap-changing effects on fault location algorithms and the motivations of the thesis are explained in Chapter 2. A brief explanation of different arc models of CBs and the implementation of Habedank arc model within electro-magnetic transient program restructured version (EMTP-RV) are discussed in Chapter 3. Chapter 4 contains the existing techniques for CM of CBs and a proposed CM algorithm which uses the measurement of CB power loss caused by arcing condition for this purpose. Chapter 5 discusses an available practice and a new power-based algorithm for FD of CBs. The real-time test studies for the performance analysis of the CM and FD algorithm for CBs are discussed in Chapter 6. An original modeling concept for OLTCs and its implementation details have been introduced in Chapter 7. Chapter 8 contains a modified version of the proposed power-based algorithm and the related computer simulation studies for CM of OLTCs. Another modification of the same power-based algorithm and simulation studies for FD of OLTCs are explained in Chapter 9. The real-time test studies for the performance analysis of the OLTC operation is performed in Chapter 10. The conclusions, recommendations and future research opportunity are discussed in Chapter 11.
Benzer Tezler
- Alçak gerilim sistemlerinde ark flaş analizi ve koruma
Arc flash analysis and protection in low voltage systems
GÜLŞAH DAMLA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER USTA
- Raylı sistemlerde pantograf-katener sisteminin modellenmesi, simülasyonu ve arıza teşhis yöntemlerinin geliştirilmesi
Modeling, simulation and development of fault diagnosis methods for pantograph-catenary system in railway systems
EBRU KARAKÖSE
Doktora
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHSİN TUNAY GENÇOĞLU
- Hava kirliliği konusunda çevre bilgi sistemi tasarımı ve gerçekleştirilmesi pilot projesi
Design of an information system about air pollution
HARUN İYİDİKER
- Yüksek gerilim güç sistemlerinde ark patlamalarının modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of arc flash in high voltage power systems
SENİH ERKEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
- Kiriş ucu plastik mafsal bölgesindeki tam dayanımlı bulonlu kiriş ekinin kiriş-kolon birleşim davranışına etkisinin araştırılması
An investigation of the effect of fully restrained bolted splice connection within the plastic hinge zone at a beam end on the behavior of beam-to-column connection
KUTAY KUTSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER