Corona characteristics and electromagnetic effects of high DC voltages
Yüksek doğru gerilim korona karakteristikleri ve elektromanyetik etkileri
- Tez No: 650396
- Danışmanlar: Prof. Dr. AYDOĞAN ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- 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: 66
Özet
Yüksek doğru gerilim (HVDC) ile enerji iletimi yüksek alternatif gerilimlere göre çeşitli teknik, ekonomik ve çevresel avantajları vardır. Bunlar arasında en önemliler; • Daha az iletken kullanımı ve direk boyutlarındaki küçülme, . Kaçak kapasitelerden dolayı bir kapasitif akım çekilmemesi ve daha düşük reaktif güç ihtiyacı, • Düşük iletim kayıpları ve gerilim düşümleri, • Kararlılık problem olmaksızın çok uzun mesafelere enerji iletimi yapılabilmesi, • İki AC sistem arasında asenkron bir bağlantı sağlayabilme özelliği, • AC sistemlerinden daha küçük kısa devre akımları ve daha küçük anahtarlama aşırı gerilimleri gösterir, • güç akışının anında ve hassas kontrolünü sağlamak ve • Uzun mesafelere elektrik enerjisinin daha ekonomik iletimi olarak bilinirler. Diğer yandan, aynı iletim gücü için, özellikle dönüştürücü düzeneklerden kaynaklanan çok daha yüksek bir maliyet söz konusudur. Ayrıca, HVDC güç kesicilerinin teknik ve ekonomik problemleri ve güç akışı ve gerilim kontrolünün daha zor olması HVDC sistemlerin en önemli sakıncalarıdır. Yukarıda belirtilen üstünlükler ve sakıncalar dikkate alındığında, belirli bir iletim gücü için, belirli bir uzunluğa kadar AC iletim, bundan daha uzun iletim hatları için HVDC sistemler tercih edilirler. Bu anlamda, AC ve DC ile enerji iletiminin aynı maliyette olduğu uzunluk kritik uzunluk olarak bilinir. Bu uzunluk iletilmek istenen güce bağlı olarak değiştiği gibi, yeni malzeme ve teknolojik gelişmelerle de her gün DC sistemden yana kısalmaktadır. Bu nedenle, her dönemde, her ülke için kritik uzunluk farklılık göstereceği için, her yeni proje için ayrıca hesaplanması gerekir. Bu nedenle, kesin bir değer verilememekte ise de, günümüz ekonomik ve teknolojik koşullarında kritik uzunluğun proje ve güce bağlı olarak 500 km ile 1000 km arasında olduğu söylenebilir. Yukarıda da ifade edildiği gibi, daha önce yapılan çalışmalara benzer şekilde ekonomik değerlendirmeler yapılacaktır. Tezin ilk bölümü, ülkemizin güney-doğu bölgesindeki elektrik enerji kaynaklarını, enerjinin yoğun olarak kullanıldığı kuzey-batı bölgesine bağlamak üzere kurulabilecek olası bir HVDC hat için teknik ve ekonomik analizler yapılmıştır. Literatürde yapılan çalışmalardan esinlenerek ve ülkemiz elektromekanik endüstrisinin mevcut durumu dikkate alınarak, analizler 500 [kV] ve 600 [kV] şeklinde iki ayrı iletim gerilimi için gerçekleştirilmiştir. Her iki işletme gerilimi için, üç farklı demet ve dört farklı iletken tipinin dikkate alındığı toplam 12 adet konfigürasyon için, iletim kayıpları, korona kayıpları ve gerilim düşümleri bazında hesaplamalar ve kıyaslamalar gerçekleştirilmiştir. Tezin ikinci kısmında, yüksek doğru gerilimler için korona karakteristiklerinin deneysel olarak belirlenmesine odaklanılmıştır. Korona boşalmalarının fiziksel mekanizması oldukça karmaşık olup, HVDC hatlarda korona olaylarını anlayabilmek için bu karmaşık fiziksel olayların sağlıklı bir analizi gereklidir. Bilindiği gibi, HVDC iletken yüzeylerindeki az düzgün elektrik alanının en yüksek olduğu belirli bir değerinde, iletkeni çevreleyen hava tabakasında, söz konusu karmaşık boşalma olayları başlar ve elektrik alan şiddetinin biraz daha yükselmesi ile birlikte korona tabakası oluşur. İyonizasyon sürecinin sağlıklı bir analizi ile, AC ve DC iletin hatlarını çevreleyen hava tabaksında oluşan korona olaylarının farklı farklı modelleri kurulabilmektedir. Enerji iletim hatlarının çevresindeki elektrik alan dağılımı, az düzgün elektrik alanı olarak ifade edilmektedir. Gerçek bir iletim sistemindeki bu dağılımının deneysel olarak incelenmesi, genellikle zaman alıcı ve maliyetli bir çalışmadır. Bu nedenle, benzer alan dağılımı veren çubuk-düzlem elektrot sistemlerinden yararlanarak korona karakteristiklerinin belirlenmesi yoluna gidilir. Çalışmanın ikinci bölümünde, bir çubuk-düzlem elektrot sisteminde, AC ve DC gerilimler için, korona başlangıç gerilimleri ve delinme gerilimleri, deneysel olarak belirlenmiştir. Benzeri birçok çalışma olduğu dikkate alınarak, daha az üzerinde çalışılan kötü çalışma koşullarına odaklanılmış ve deneyler 29 $^{\circ}$C ortam sıcaklığı ve 20 g/m3 mutlak nem değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Amaç, özellikle kıyı bölgelerinde, en kötü ortam koşulları için korona olaylarının gelişimini gözlemlemektir. Bu koşullarda, elektrot açıklığının 10 cm – 100 cm aralığında, 10 cm basamaklarla yukarıda belirtilen korona karakteristikleri deneysel olarak elde edilmiştir. Çalışmanın son kısmında, AC ve DC gerilimlerde, çubuk-düzlem elektrot sistemi için, korona başlangıç gerilimi ve korona başlangıç elektrik alan şiddetinin analitik hesabı ve eski çalışmalara dayanan deneysel (ampirik) hesaplamaları yapılmıştır. Elde edilen değerler, deneysel olarak elde edilenlerle kıyaslanmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Bu süreçte öncelikle gelişmiş Peek formülü ile AC ve DC gerilimlerde korona başlangıç elektrik alan şiddetleri hesaplanmıştır. Bu hesaplarda, deneysel korona başlangıç gerilimleri ve benzetimlerle bulunan alan dağılımlarından yararlanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, ortam koşullarına uyarlanarak, deneysel sonuçlarla kıyaslanmıştır. Bir iletkenin korona başlangıç voltaj gradyanı üzerindeki değişken atmosfer koşullarını analiz etmek için gerilim gradyanını hesaplamak için farklı ampirik ve sayısal yöntemler. Bu kapsamda, literatürde Kabul gören Maxwell Potansiyel Katsayıları Yöntemi (MPCM), Mark ve Mengele Yöntemi, Mazen Abdel-Salem analitik eşitliği ve Yük Benzetim Yönteminden yaralanılmıştır. Düzgün paralel silindirik iletkenler için ilk üç Ampirik yöntemi kullanılır. Ampirik denklemleri kullanırken, İletken yüzeyindeki gerilim gradyanının değerini belirleyen ana faktörler, üzerindeki gerilim seviyesidir.sırasıyla faz iletkenleri, demet alt iletkeni arasındaki çap ve mesafe, faz iletkenleri arasındaki mesafe ve faz iletkenlerinin toprak seviyesinden yükseklikleri. İletim hattının modelleri, yer düzleminin üzerine yerleştirilmiş sonsuz uzunlukta bir dizi silindirik, paralel ve düz iletken içerir. İletkenler üzerindeki korona başlangıç voltajını değerlendirmek için bir hesaplama modeli benimsenmiştir. bilinen yöntemlere göre kurulmuştur. Korona başlangıç voltajlarının hesaplama sonuçları, korona kafesindeki çeşitli voltaj seviyeleri için deneysel sonuçlarla karşılaştırılır.Son olarak, hava basıncının korona üzerindeki etkisi korona kafeste çok telli iletkenlerin başlangıç voltajı yoğun bir şekilde çalıştı.
Özet (Çeviri)
HVDC links have several technical, economic, and environmental advantages over AC ones. Among them, •decrease in the number of conductors and the size of the towers, •the absence of charging current and comparatively lower need for reactive power, •reduced line losses and voltage drops, •enabling longer lengths without any stability problems, •providing an asynchronous link between two ac systems, •show smaller short circuit currents as well as smaller switching over voltages than AC systems, •providing instant and precise control of the power flow, and •economical transmission of the bulk power can be assigned as the most important ones. On the other hand, in the same power transferring compatibility, the overall expenditures of a dc line's terminal equipment is greater than that of an ac line, mainly because of the cost of converter equipment. Moreover, technical and economic problems of DC circuit breakers and complicated control and voltage regulation are the additional disadvantages of HVDC transmission. With the combined effect of the advantages mentioned above and disadvantages for a given amount of power transmitted, ac lines cost less up to a certain distance of power transmission, and dc lines become more economic beyond this distance.. The distance at which this cross over occurs is known as the break-even distance because of the variability in transmission-lines and terminal equipment costs. These variations are mainly due to introducing new materials and technologies and the new manufacturing of constructing practices. Break-even distances have to be determined, for each specific transmission project. Nevertheless, a literature review suggests that the break-even distances may vary in a broad range from 500 km to 1500 km. Similar studies have been done in past works to investigate the technical parameter of the HVDC lines, and in this thesis, only the economic standpoint of the system is presented. The first part of this thesis is devoted to the analyzing of a prospective HVDC line between the southeast part and the northwest part of Turkey. With the help of literature studies and considering the insulation experience of the Turkish national electromechanical industry, 500 [kV] and 600 [kV] of transmission voltages are considered. For each operating voltage level, three bundle configurations with four different types of conductors (12 cases) are compared in terms of copper and corona losses as well as voltage drops. The second part of the thesis is devoted to the experimental determination of corona characteristics for high DC voltages. The nature of corona discharge is too complicated, and understanding the fundamental processes is necessary to evaluate the corona execution of transmission lines. At adequately high levels of conductor surface electric fields, complex ionization processes happen in the air, which surrounds high-voltage transmission line conductors, which leads to the corona incidence. Following a brief review of the ionization processes, the mechanism and different corona discharge modes occur on conductors of ac and dc transmission lines. It is known that the rod-plane electrode systems are generally used to characterize quasi-uniform and non-uniform electric field behaviors, which is the case of HVDC transmission. In this context, corona inception voltages and discharge voltages in a rod–plane electrode system are determined experimentally for AC and DC voltages. Severe environmental conditions, i.e. 29 $^{\circ}$C of ambient temperature and 20 g/m3 of absolute humidity, are preferred as there were so many similar studies at normal operating conditions. The aim is to observe the development of corona phenomena for the worst ambient conditions, especially by the coastal areas. The aforementioned quantities were measured for the gap spacings of 10 cm to 100 cm with 10 cm increments. The last part of the study is devoted to theoretical and empirical CIV and CIVG calculations for AC and DC voltages again for rod-plane electrode system. The idea behind this study was to provide a concordance between the experimental and theoretical/previous empirical studies. Improved Peek formula is used for obtaining a corona inception electric field strength for ac, positive and negative dc conductor by considering atmospheric conditions such as temperature and humidity. Corona inception electric field is obtained for the different conductors by simulation. Once the corona inception electric field is obtained for different humidity, we change and modify the peek formula. Among several methods suggested in the literature, in order to analyze variable atmospheric conditions on corona inception voltage gradient of a conductor different empirical and numerical methods for calculating the voltage gradient are used such as: the method of Maxwell potential coefficients (MPCM), Markt and Mengele's method, Mazen Abdel-Salem analytical equation, and Charge Simulation Method (CSM) are used for the calculations. The first three methods are used for smooth parallel cylindrical conductors. When using empirical equations, the main factors that determine the value of the voltage gradient at the surface of conductor, are the voltage level on the phase conductors, diameter and distance between sub-conductor of bundle, distance between the phase conductors and heights of phase conductors above ground level, respectively. The models of the transmission line comprises a series of cylindrical, parallel and smooth conductors of infinite length installed above ground plane. A computation model is adopted for evaluating the corona inception voltage on conductors, which is established according to the known methods. The computation results of corona inception voltages are compared with experimental results for several kinds of voltage levels in the corona cage. Finally, the influence of air pressure on the corona inception voltage of stranded conductors in corona cage is studied intensively.
Benzer Tezler
- Yüksek doğru gerilim (HVDC) iletim hatlarının korona karakteristikleri ve elektromanyetik etkileri
DC corona characteristics and electromagnetic effects of HVDC transmission lines
AYTUĞ FONT
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
- EMPT ile enerji iletim sistemlerinde açma-kapama olayları analizleri
Switching phenomena analyses of power transmission systems with EMTP
TANER DENİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. ADNAN KAYPMAZ
- Uçaklar için statik elektrik yükü çökelme durumunun incelenmesi ve yıldırım çarpma durumu analizleri
Investigation of precipitation static condition and lightning strike condition analysis for aircraft
FURKAN AKBULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
- Güneş flareleri
Başlık çevirisi yok
AHMET ERDEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Astronomi ve Uzay BilimleriEge ÜniversitesiAstronomi ve Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECDET GÜDÜR
- Detection and identification of DC corona discharges by using advanced techniques
DC korona boşalmalarının gelişmiş teknikler ile algılanması ve tanımlanması
HALİL İBRAHİM ÜÇKOL
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SUAT İLHAN