Enerji iletim sistemlerinin çevresel faktörlere bağlı olarak toprak yolu analizi ve simülasyonu
The analysis and simulation of the ground path of power transmission systems depending on the environmental factors
Yazar: ERCAN İZGİ
Danışman: PROF. DR. SELİM AY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrik enerjisi, üretim, iletim ve dağıtım olarak üç bölümde ele alınmaktadır. Enerjininiletimi aşamasında gerilim seviyesinin yüksek olması (154 kV, 380 kV, â¦) gerekmektedir.Enerji iletim sistemlerinde, çelik galvanizli direkler kullanılmaktadır. İletim hattının devresayısına bağlı olarak direk modelleri farklı olmaktadır. Enerji iletim hatlarını atmosferikolaylardan korumak için koruma telleri kullanılmaktadır. İletim hatlarında olabilecek yıldırımdüşmesi veya kısa devre durumlarında oluşan aşırı akımların koruma telleri vasıtasıylatoprağa akıtılabilmesi için iletim hattının tüm direklerinin topraklanması gerekir.Bu tez çalışmasında 100 MVA, 154 kV'luk tek devre / çift koruma telli, 50 km'lik (163 adetdirek) bir enerji iletim hattının toprak yolu analizi ve simülasyonları gerçekleştirilmiştir.Enerji iletim hatlarında fazları direğe (toprağa) karşı yalıtmak amacıyla zincir izolatörlerkullanılmaktadır. Bu izolatörlerin yüzeyleri çevre koşulları sebebiyle kirlenerek iletken halegelmektedir. Bunun sonucu olarak izolatör yüzeyinden direğe doğru kaçak akımlarakmaktadır. Bunun yanı sıra faz iletkenleri ile koruma telleri arasında karşılıklı kuplajsebebiyle, koruma telleri üzerinde gerilimler (akımlar) endüklenmektedir.Bu çalışmada, enerji iletim hatları sürekli işletmenin tüm durumları (dengeli-sinüsoidal,dengeli-non sinüsoidal, dengesiz-non sinüsoidal) için farklı zemin yapıları kullanılarak toprakyolu analizi ve simülasyonları yapılmıştır. İletim hattı boyunca direk topraklama gerilimlerielde edilmiştir.Ayrıca iletim hattında sık meydana gelen arızalardan faz-toprak kısa devre arızası farklızemin yapıları ve farklı arıza noktaları (hat başı, hat ortası ve hat sonu) için direk topraklamagerilimleri elde edilmiştir.Bu çalışmalarda farklı direk açıklıklarının (300 m, 400 m) olması ve farklı sayıda topraklamaçubuğu kullanılması durumlarında direk topraklama gerilimlerinin nasıl değiştiğiincelenmiştir. Bunun yanında, koruma tellerinden geçen akımlar için, farklı iklim koşullarınabağlı olarak oluşan magnetik alanlar, elektrodinamik kuvvetler, asimetri oranları, güçkayıpları ile direklerden akan akımların oluşturduğu adım gerilimleri incelenmiştir. Ayrıca,literatürde toprak yolu için oluşturulan modeller ile Matlab/Simulink'te oluşturulan modelinkarşılaştırılmasına yönelik inceleme yapılmıştır. Elde edilen sonuçların her iki durumlaörtüştüğü ortaya konmuştur.Anahtar kelimeler: Toprak yolu, izolatör, enerji iletim hattı, toprak özgül direnci, Matlab/Simulink, direk topraklama gerilimi, faz-toprak kısa devresi, çevre koşulları.JÜRİProf. Dr. Selim AY (Danışman) Kabul tarihi : 02.01.2006Prof. Dr. Hüseyin ÇAKIRProf. Dr. Celal KOCATEPE Sayfa satısı : 187Prof. Dr. İrfan GÜNEYProf.Dr. Fahrettin ARSLANTHE ANALYSIS AND SIMULATION OF THE GROUND PATH OF POWERTRANSMISSION SYSTEMS DEPENDING ON THE ENVIRONMENTAL FACTORSErcan İZGİElectrical Engineering, Ph.D. ThesisElectric energy is considered in three sections as generation, transmission and distribution.High voltage such as 154 kV and 380 kV is required to transmit the electrical power. For thepower transmission systems, steel galvanized towers are used. Based on the number ofcircuits of the transmission line, tower models differ. To prevent the transmission lines fromthe atmospheric discharge, ground wires are used. The towers must be grounded againstpossible high current flows caused from a lightning stroke or short-circuits.In this study, the analysis and simulation of a 100 MVA / 154 kV ground path of a 50 kmsingle-circuit transmission line having 163 towers with double ground wire are carried out.String isolators are used to insulate phase conductors against the tower / ground in the powertransmission lines. Because of the ambient conditions, isolators are contaminated and becomeconductive. Thus, leakage currents flow from the surface of isolators to the tower. On theother hand, because of the mutual coupling between phase conductors and ground wires, thevoltage / current is induced on the ground wires.In this study, the analysis and simulations of the ground path for different soil structures andfor all conditions of steady-state operation of power transmission lines have been performed.Tower footing voltages are obtained along the transmission line. In addition, tower footingvoltages in case of single line to ground fault, which frequently occurs in power system areanalyzed for different soil structures and fault points, namely at sending-end, mid-point andreceiving-end of the transmission line.The change of tower footing voltages for different spans (300 m, 400 m) and for differentvalue of electrode has been studied. On the other hand, magnetic fields for different weatherconditions, electrodynamic forces, asymmetry ratio, power losses and step voltages becauseof current flowing through the towers have been studied.In addition to these, the comparison between the ground path models in the literature and theproposed Matlab/Simulink model has been evaluated. It is shown that both numerical resultsmatch each other.Keywords: Ground path, string insulator, power transmission line, soil resistivity, Matlab/Simulink, tower footing voltage, phase-ground fault, environmental conditions.JURY:1. Prof. Dr. Selim AY (Supervisor) Date : 02.01.20062. Prof. Dr. Hüseyin ÇAKIR3. Prof. Dr. Celal KOCATEPE Page : 1874. Prof. Dr. İrfan GÜNEY5. Prof. Dr. Fahrettin ARSLAN

Abstract:
Elektrik enerjisi, üretim, iletim ve dağıtım olarak üç bölümde ele alınmaktadır. Enerjininiletimi aşamasında gerilim seviyesinin yüksek olması (154 kV, 380 kV, â¦) gerekmektedir.Enerji iletim sistemlerinde, çelik galvanizli direkler kullanılmaktadır. İletim hattının devresayısına bağlı olarak direk modelleri farklı olmaktadır. Enerji iletim hatlarını atmosferikolaylardan korumak için koruma telleri kullanılmaktadır. İletim hatlarında olabilecek yıldırımdüşmesi veya kısa devre durumlarında oluşan aşırı akımların koruma telleri vasıtasıylatoprağa akıtılabilmesi için iletim hattının tüm direklerinin topraklanması gerekir.Bu tez çalışmasında 100 MVA, 154 kV?luk tek devre / çift koruma telli, 50 km?lik (163 adetdirek) bir enerji iletim hattının toprak yolu analizi ve simülasyonları gerçekleştirilmiştir.Enerji iletim hatlarında fazları direğe (toprağa) karşı yalıtmak amacıyla zincir izolatörlerkullanılmaktadır. Bu izolatörlerin yüzeyleri çevre koşulları sebebiyle kirlenerek iletken halegelmektedir. Bunun sonucu olarak izolatör yüzeyinden direğe doğru kaçak akımlarakmaktadır. Bunun yanı sıra faz iletkenleri ile koruma telleri arasında karşılıklı kuplajsebebiyle, koruma telleri üzerinde gerilimler (akımlar) endüklenmektedir.Bu çalışmada, enerji iletim hatları sürekli işletmenin tüm durumları (dengeli-sinüsoidal,dengeli-non sinüsoidal, dengesiz-non sinüsoidal) için farklı zemin yapıları kullanılarak toprakyolu analizi ve simülasyonları yapılmıştır. İletim hattı boyunca direk topraklama gerilimlerielde edilmiştir.Ayrıca iletim hattında sık meydana gelen arızalardan faz-toprak kısa devre arızası farklızemin yapıları ve farklı arıza noktaları (hat başı, hat ortası ve hat sonu) için direk topraklamagerilimleri elde edilmiştir.Bu çalışmalarda farklı direk açıklıklarının (300 m, 400 m) olması ve farklı sayıda topraklamaçubuğu kullanılması durumlarında direk topraklama gerilimlerinin nasıl değiştiğiincelenmiştir. Bunun yanında, koruma tellerinden geçen akımlar için, farklı iklim koşullarınabağlı olarak oluşan magnetik alanlar, elektrodinamik kuvvetler, asimetri oranları, güçkayıpları ile direklerden akan akımların oluşturduğu adım gerilimleri incelenmiştir. Ayrıca,literatürde toprak yolu için oluşturulan modeller ile Matlab/Simulink?te oluşturulan modelinkarşılaştırılmasına yönelik inceleme yapılmıştır. Elde edilen sonuçların her iki durumlaörtüştüğü ortaya konmuştur.Anahtar kelimeler: Toprak yolu, izolatör, enerji iletim hattı, toprak özgül direnci, Matlab/Simulink, direk topraklama gerilimi, faz-toprak kısa devresi, çevre koşulları.JÜRİProf. Dr. Selim AY (Danışman) Kabul tarihi : 02.01.2006Prof. Dr. Hüseyin ÇAKIRProf. Dr. Celal KOCATEPE Sayfa satısı : 187Prof. Dr. İrfan GÜNEYProf.Dr. Fahrettin ARSLANTHE ANALYSIS AND SIMULATION OF THE GROUND PATH OF POWERTRANSMISSION SYSTEMS DEPENDING ON THE ENVIRONMENTAL FACTORSErcan İZGİElectrical Engineering, Ph.D. ThesisElectric energy is considered in three sections as generation, transmission and distribution.High voltage such as 154 kV and 380 kV is required to transmit the electrical power. For thepower transmission systems, steel galvanized towers are used. Based on the number ofcircuits of the transmission line, tower models differ. To prevent the transmission lines fromthe atmospheric discharge, ground wires are used. The towers must be grounded againstpossible high current flows caused from a lightning stroke or short-circuits.In this study, the analysis and simulation of a 100 MVA / 154 kV ground path of a 50 kmsingle-circuit transmission line having 163 towers with double ground wire are carried out.String isolators are used to insulate phase conductors against the tower / ground in the powertransmission lines. Because of the ambient conditions, isolators are contaminated and becomeconductive. Thus, leakage currents flow from the surface of isolators to the tower. On theother hand, because of the mutual coupling between phase conductors and ground wires, thevoltage / current is induced on the ground wires.In this study, the analysis and simulations of the ground path for different soil structures andfor all conditions of steady-state operation of power transmission lines have been performed.Tower footing voltages are obtained along the transmission line. In addition, tower footingvoltages in case of single line to ground fault, which frequently occurs in power system areanalyzed for different soil structures and fault points, namely at sending-end, mid-point andreceiving-end of the transmission line.The change of tower footing voltages for different spans (300 m, 400 m) and for differentvalue of electrode has been studied. On the other hand, magnetic fields for different weatherconditions, electrodynamic forces, asymmetry ratio, power losses and step voltages becauseof current flowing through the towers have been studied.In addition to these, the comparison between the ground path models in the literature and theproposed Matlab/Simulink model has been evaluated. It is shown that both numerical resultsmatch each other.Keywords: Ground path, string insulator, power transmission line, soil resistivity, Matlab/Simulink, tower footing voltage, phase-ground fault, environmental conditions.JURY:1. Prof. Dr. Selim AY (Supervisor) Date : 02.01.20062. Prof. Dr. Hüseyin ÇAKIR3. Prof. Dr. Celal KOCATEPE Page : 1874. Prof. Dr. İrfan GÜNEY5. Prof. Dr. Fahrettin ARSLAN