Generation and measurement of mixed voltages, investigation on electrical discharge phenomena, and electric field analysis
Karma gerilimlerin üretimi ve ölçümü, elektriksel boşalma olayının araştırılması ve elektrik alan analizi
- Tez No: 729831
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Güç sistemlerinde kullanılan yalıtım sistemleri, işletme gerilimi ile aşırı gerilimlerin birleşimleri ile sıklıkla zorlanmaktadır. Bu gerilim türleri literatürde karma gerilimler olarak isimlendirilmektedir. Karma gerilimler farklı karakteristik özelliklere (genlik, frekans, dalga biçimi) sahip iki gerilim türünün üst üste bindirilmesi ile üretilirler. Karma gerilimleri üretebilmek için farklı tipteki gerilim jeneratörlerini birbirine bağlamak veya test edilen nesneye (DUT) aynı anda iki farklı gerilim tipi uygulamak gerekir. Karma yüksek gerilim üretmek için iki tip devre kullanılmaktadır. Bunlar arasındaki en temel fark karma gerilimin uygulandığı deney nesnesidir. Bu iki tip deney devresinde oluşan gerilim ingilizce olarak“composite voltage”ve“combined voltage”olarak isimlendirilmektedir. Bu terimler Türkçe olarak ise sırasıyla“kompozit gerilim”ve“birleşik gerilim”olarak isimlendirebilir. Kompozit gerilim deney devresinde deney nesnesi iki uçluyken, birleşik gerilim deney devresinde deney nesnesi üç uçludur. Karma gerilim deney devrelerinde iki farklı gerilim işareti, tek bir terminalden veya çift terminalden bir test nesnesine aynı anda uygulanır. Yüksek gerilimi uygulamak için tek terminal kullanılıyorsa bu gerilim tipine“kompozit gerilim”, iki farklı terminal kullanılıyorsa“birleşik gerilim”olarak adlandırılır. Kompozit gerilim test devresinde, gerilim kaynaklarının birbirini etkilememesi için kuplaj elemanları ile birbirinden izole edilmesi gerekmektedir. Literatürde elektriksel yalıtım malzemelerinin deneyleri sadece tek bir gerilim türü için yapılmaktadır. Fakat elektrik güç sistemlerinde iç ve/veya dış aşırı gerilimler oluştuğunda sistemin yalıtımı, sistem gerilimi ve aşırı gerilimin toplamı tarafından oluşan gerilim tarafından zorlanmaktadır. Örneğin 400 kV'luk bir enerji iletim hattına yıldırım düştüğünde sistemin yalıtımı, işletme gerilimi ve yıldırım darbe geriliminin birleşimiyle zorlanır. Bu durum yıldırım darbe karakteristiğinin polaritesine ve yıldırımın oluştuğu andaki işletme alternatif geriliminin yarı-dalga polaritesine göre farklılıklar göstermektedir. Bu nedenle, bir sistemin yalıtımının güvenliği ve güvenirliği belirlenirken sistemde oluşabilecek karma gerilim durumları da dikkate alınması önemlidir. Bu doktora tezi, karma gerilimler üzerine yapılmış üç adet SCI makaleden oluşmaktadır. Bu tez çalışmasının ilk bölümünde, günümüzde hali hazırda güç iletim sistemlerinde kullanılmakta olan 66 kV ve 110 kV'luk silikon kauçuk (SiR) izolatörler birleşik AC-DC gerilim altında sonlu elemanlar yöntemi (SEY) ile analiz edilmiştir. İzolatörler, güç sistemlerinin en önemli parçasıdır. İzolatörlerin yalıtım performansı, güç sistemlerinin sürdürülebilirliği için hayati önem taşımaktadır. Son zamanlarda, güç sistemlerinin tüm bölümlerinde SiR izolatörler sıklıkla kullanılmaktadır. Yapılan analizlerde izolatörün faz-toprak çalışma gerilimi üzerine farklı genlik oranlarında pozitif ve negatif DC gerilimler bindirilmiştir. Çalışmada zamana dayalı modeller oluşturulmuş ve zamana bağlı olarak analizler yapılmıştır. İzolatöre ilk 60 s boyunca yalnızca DC gerilim, 60. ile 120. s arasında AC + DC gerilim uygulanmıştır. Böylece, SiR izolatörlerin birleşik AC-DC gerilimi altındaki elektrik alan davranışı elde edilmiştir. Uygulanan birleşik gerilimin, pozitif ve negatif DC bileşenlerine bağlı olarak elektrik alanının değişimi incelenmiştir. Çalışma sonucunda DC bileşeninin polaritesinin birleşik gerilimdeki etkisi gözlemlenmiştir. Uygulanan birleşik gerilimin DC bileşeninin polaritesinin izolatördeki maksimum elektrik alan şiddeti üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Bu tez çalışmasının ikinci bölümünde, farklı elektrik alanlar için kompozit gerilimin DC bileşeninin havanın delinme gerilimine etkisi incelenmiştir. HVDC iletim sistemlerinde dönüştürücü valflerin valf tarafı, karma AC & DC gerilimlere maruz kalmaktadır. Normalde bu kısımların yapıları, düzgün veya az düzgün bir elektrik alan oluşturacak geometriye sahiptir, ancak düz yüzeylerdeki çapaklar gibi keskin noktalar, düzgün olmayan elektrik alanlar oluşturabilir. Bu çalışmada, farklı elektrik alanlar oluşturmak için deneylerde dört farklı elektrot sistemi kullanılmıştır. Elektrik alanının düzgünlüğünün delinme gerilimi üzerindeki etkileri, kompozit gerilimin farklı ±DC bileşen genlikleri için incelenmiştir. Faydalanma faktörü, kullanılan tüm elektrot sistemleri için ortalama ve maksimum alan kuvvetleri kullanılarak hesaplanmıştır. Farklı oranlardaki ±DC gerilim için kompozit AC ve DC gerilim altında havanın delinme geriliminin değişimi incelenmiştir. Bu çalışmanın bir sonucu olarak, düzgün olmayan elektrik alan deneylerinde pozitif korona boşalma darbeleri nedeniyle, DC gerilim uygulanmasına rağmen delinme AC gerilimin pozitif yarım dalgasında meydana gelmiştir. Delinme belli bir –DC gerilimden sonra, AC gerilimin negatif yarım dalgasında meydana gelmiştir. Bu değişimin gerçekleştiği –DC gerilim değeri polarite değişim noktası olarak isimlendirilmiştir. Düzgün olmayan alanda yapılan deneyler sonucunda polarite değişim noktasının faydalanma faktörü ile yakından ilişkili olduğu görülmüştür. Elektrik alanın düzgünlüğü arttıkça polarite değişim noktası daha düşük –DC gerilimde oluşmuştur. Ayrıca, düzgün olmayan elektrik alan deneylerinde DC gerilim bileşeninin polarite değişim noktasına kadar azalması ile delinme gerilimi artmıştır. Az düzgün elektrik alanda yapılan deneylerde, AC delinme gerilimi, DC delinme geriliminden biraz daha yüksek ölçülmüştür. Az düzgün elektrik alanda yapılan deneylerde, uygulanan AC gerilimin DC gerilime oranı arttıkça, delinme gerilimi kademeli olarak AC delime gerilimine yaklaşmıştır. Düzgün olmayan elektrik alan deneylerinde, +DC bileşeni içinde bu duruma benzer sonuçlar elde edilmiştir. Bu tez çalışmasnın son bölümünde, ilk olarak, bir benzetim programı kullanılarak kompozit DC ve LI kompozit gerilimi üretmek ve ölçmek için deney devresi tasarlanmıştır. Kompozit gerilim üretiminde kullanılan gerilim kaynakları, birbirlerini etkilemeyecek şekilde kuplaj elemanları ile birbirinden izole edilmelidir. Bu bağlamda, bağlantı elemanlarının türleri ve değerlerine karar vermek kritik öneme sahiptir. Oluşturulan deney devresinde, kullanılan bağlantı elemanları yapılan benzetim sonuçlarına göre seçilmiştir. Daha sonra bilgisayar ortamında tasarlanan deney devresinin benzetim sonuçlarına göre laboratuvarda deney devresi kurulmuştur. Daha sonra, az düzgün ve düzgün olmayan elektrik alanlarda DC ve LI kompozit gerilimi altında delinme gerilimi, farklı genliklerdeki pozitif ve negatif DC ön gerilmeler için dört farklı elektrot sistemi ile ölçülmüştür. %50 delinme gerilimi, en küçük kareler yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Son olarak deneylerde kullanılan elektrot sistemleri için, SEY kullanılarak 3 boyutlu modeller oluşturulmuş ve SEY ile hesaplanan değerler ile elektrot sistemlerinin faydalanma faktörleri hesaplanmıştır. Daha sonra ölçülen delinme gerilimi sonuçları ile hesaplanan faydalanma faktörü değerleri ilişkilendirilmiştir. Böylece, bipolar ve unipolar kompozit gerilim (KG) altında havanın delinme davranışı incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, bipolar karma gerilim altındaki çok hızlı polarite değişiminin unipolar kompozit gerilime kıyasla daha yüksek elektriksel strese neden olduğunu göstermiştir. Bu tez kapsamında yapılan deneysel çalışmalarda, küçük elektrot aralıkları için havada ortamında deneyler yapılmıştır. Kompozit gerilim altında havanın delinme davranışını daha iyi anlamak ve ortaya çıkarmak için, daha geniş elektrot aralıkları ile deneysel çalışmalara devam edilebilir. Ayrıca, dielektrik malzemelerin kompozit gerilim altındaki davranışı, farklı zaman parametrelerine sahip darbe gerilimi için genişletilebilir. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda, hava için az düzgün ve düzgün olmayan elektrik alanlarda deneyler yapılmıştır. İlerleyen çalışmalarda, katı ve sıvı yalıtım malzemelerinin dielektrik özelliklerinin kompozit gerilim altında araştırılması planlanmaktadır.
Özet (Çeviri)
The insulation systems in power systems are frequently faced combinations of the operational voltage with over voltages. These types of voltage are called as“composite voltages”and“combined voltages”depending on the type of test object. They are superimposed two voltage signals with different properties (amplitude, frequency, time parameter, waveform). In order to generate them, it is necessary to connect different types of voltage generators together or types of two different voltage must be applied simultaneously to the device under test (DUT). In literature, tests of electrical insulation material are only applied for a single type of voltage wave. But, insulation of the system is forced with the electric field formed by the sum of the system voltage and overvoltage, when the internal and external overvoltage occurs in power systems. For example, insulation of the system is stressed with sum of the operation alternative voltage and lightning impulse voltage, when lightning strikes to power system line. During this event, the stress to which the insulation system is subjected differs according to the polarity of the lightning impulse and the polarity of the operating voltage at the time the lightning occurs. So, composite voltage conditions in the system must also be considered, when the insulation security and reliability of the system is defined. In this context, this thesis is based on three SCI articles on composite and combined voltage. In the first section of the thesis, 66 kV and 110 kV SiR insulators currently used in power transmission systems have been analyzed under combined AC–DC voltage using the finite element method (FEM). Insulators are the most crucial part of power systems. The insulation performance of insulators is vital for the sustainability of power systems. Recently, silicone rubber (SiR) insulators are used frequently in all sections of the power systems. In the analyzes made, positive and negative DC voltages in different amplitude ratios were superimposed over the phase-earth operating voltage of the insulator. In the study, the models were created based on time and analysis were applied in time-dependent. Alone DC voltage was applied to the insulator for the first 60 s, AC + DC voltage was applied between 60 to 120 s. Thus, the electric field behavior of the SiR insulator under combined AC–DC voltage has been obtained. The change of electric field based on positive and negative DC components was investigated. As a result of the study, the effect of the polarity of the DC component in the combined voltage was observed. The effect of the polarity of the DC component in the combined voltage on the maximum electric field intensity was observed. In the second section of the thesis, the effects of different electric fields, distance between electrodes and DC component of composite voltage on the breakdown voltage of air were investigated. The valve side of the converter valve in the HVDC transmission systems is subjected to mixed voltages such as composite AC & DC voltage. Normally, their structures have the geometry to create a uniform or less uniform electric field, but sharp points such as burrs on smooth surfaces can create non-uniform electric fields. In this study, four different electrode arrangements were used in the experiments to create different electric fields. The effects of the homogeneity of electric field on breakdown voltage were investigated for different ±DC component amplitudes of the composite voltage. The field efficiency factor was calculated using mean and maximum field strengths for all of them. Variation of breakdown voltage of air was examined under the composite AC & DC voltage for different ratios ±DC. As one result of the study, the breakdown occurs at the positive half-wave of the AC voltage despite −DC voltage being applied due to positive corona discharge pulses. This breakdown point is named as the polarity change point. The breakdown voltage increases with the decrease of DC voltage component up to polarity change point in non-uniform electric field. As a result of the experiments, it was seen that the polarity change point is closely related to the homogeneity of the electric field. As the homogeneity of the electric field increases, the polarity change point starts to be lower −DC voltage. In less uniform electric field, the AC breakdown voltage was measured slightly higher than the DC breakdown voltage. In less uniform electric field, as the ratio of the applied AC voltage to DC voltage increases, the breakdown voltage gradually approaches the AC breakdown voltage. This result is similar to the result obtained for the +DC component in non-uniform electric field experiments. In the last section of the thesis, firstly, experimental circuits were designed to generate and measure composite DC and LI high voltage using a simulation program. The voltage sources used in composite voltage generation must be isolated from each other with coupling elements so that they do not affect each other. In this context, it is critical to decide on the types and values of coupling elements. The coupling elements used were chosen according to simulation results. Afterward, experimental circuits were established in the laboratory according to the simulation results of the designed experimental circuit. Then, breakdown voltages under composite DC and LI voltage for less uniform and non-uniform electric fields were measured with four different electrode systems for positive and negative DC voltage pre-stresses with different amplitudes. The 50% breakdown voltage was calculated using the least-squares method. Finally, 3D models were created for the electrode systems used in the experiments using the finite element method. The efficiency factors of electrode systems calculated with the FEM results were correlated with the experimental breakdown voltage results. Thus, the breakdown behavior of air under bipolar and unipolar composite voltages (CV) was investigated. In conclusion, the experimental results showed that very fast polarity change in bipolar CV causes higher electrical stress compared to unipolar CV.
Benzer Tezler
- Yüksek gerilim labaratuvarlarının tasarımı ve deney devrelerinin incelenmesi
Design of high voltage laboratories and analysis of test circuits
MEHMET BAYRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. ÖZCAN KALENDERLİ
- State of charge estimation of lithium-ion batteries using machine learning approach
Makine öğrenmesi yaklaşımı kullanılarak lityum iyon pillerin şarj durumu tahmini
OSMAN ALPER ALTUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE AYAZ
- Transformatör sargılarında oluşan hızlı değişimli geçici olayların incelenmesi ve enerji iletim sistemlerinin modellenmesinde yeni bir yaklaşım
Investigation of high speed transients on transformer windings and a new approach in modelling of energy transmission systems
A.OĞUZ SOYSAL
Doktora
Türkçe
1985
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. M. KEMAL SARIOĞLU
- Development of QCM sensors for measuring particulate matter concentration
QCM sensörlerinin partikül madde konsantrasyonunu ölçmek için geliştirilmesi
MAJID JAVADZADEHKALKHORAN
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Güç kalitesinde harmonikler ve filtrelenmesi
Harmonics and filtering in power quality
İLKER İLASLANER
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. CENGİZ TAPLAMACIOĞLU