Manyetik alanın kısmi boşalmaya etkisi
The effect of magnetic field on partial discharge
Yazar: UĞUR AKTEPE
Danışman: DOÇ. DR. ŞÜKRAN EMEL ÖNAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektriğin sorunsuz ve verimli bir şekilde üretilmesi, dağıtılması, iletilmesi elektrik mühendisliğinin önemli konularından biridir. Elektrik sisteminin kararlığı özellikle sistemde kullanılan yüksek gerilim elemanlarının durumlarıyla ilişkilidir. Sistemde kullanılan yüksek gerilim elemanlarında ortaya çıkabilecek sorunlar sistemin kararlılığını etkileyerek sistemden istenilen verimin alınamamasına neden olur. Bu şekilde sistemdeki elemanlar için sorun çıkarabilecek olaylardan biri elektriksel boşalmalardır.
Elektriksel boşalmalar geçmişten beri önemini koruyan bir konudur. Elektriksel boşalmalar kısaca "yük veya elektrikten kurtulma" olarak tanımlanır. Elektriksel boşalmalar yalıtkanlarda gerçekleşmektedir. Yalıtkan malzemeler normal koşullarda elektrik akımını iletmezler. Yalıtkan malzemenin elektriği iletir hale geçtiği durum olarak adlandırılan elektriksel boşalmalar iki grupta (tam ve kısmi boşalmalar) incelenmektedir. 
Gerçekleştirilen tez çalışmasında kısmi boşalma sinyalleri incelenmiş ve deneyler yapılmıştır. Kısmi boşalmalar belirli bir bölgede meydana gelen ve yalıtımı kısmen köprüleyen elektriksel boşalmalardır. Tam boşalma olayı bir elektrik sisteminin performansını kötü yönde etkileyerek sistemde düzeltilemeyecek arızalara neden olabilmektedir. Bu yüzden tam boşalma olayını gerçekleşmeden önlemek için kısmi boşalma ölçümleri yapılmaktadır. Böylece arızalar daha oluşmadan sorun belirlenmektedir. 
Kısmi boşalma konusu ile ilgili geçmişten bugüne birçok çalışma yapılmıştır. Bu tez çalışmasında manyetik alanın kısmi boşalma sinyallerine etkileri gerekli deney düzenekleri hazırlanarak araştırılmıştır. Gerçekleştirilen çalışma için çubuk-düzlem elektrot sistemi ve bu elektrot sisteminde 30 mm, 35 mm, 40 mm elektrot açıklıkları deney için seçilmiştir. Manyetik alan üretimi için 20 mm çap ve 10 mm kalınlık değerlerine sahip iki adet Neodyum silindir mıknatıs kullanılmıştır. Mıknatıs aralıkları pleksiglas bir kap yardımıyla 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm ve 30 mm olarak ayarlanarak manyetik alanın değiştirilmesi sağlanmıştır. Ayrıca 40 mm uzunluk, 10 mm genişlik ve 20 mm kalınlığa sahip iki adet Neodyum dikdörtgen mıknatıs da 30 mm elektrot açıklığında ve üç farklı kap açıklığı için deneylerde manyetik alan üretmek amacıyla kullanılmıştır. 
Deneysel çalışmalar iki ana başlıkta özetlenebilmektedir. İlk önce sistemde manyetik alan yokken üç farklı elektrot ve beş farklı pleksiglas kap açıklığı için kısmi boşalma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerin verileri Haefely marka DDX-9121 model kısmi boşalma ölçüm cihazı ve bilgisayar yardımıyla kaydedilmiştir. Deneyde alınan veriler kısmi boşalma başlangıç gerilimi ve kısmi boşalma sinyalinin fazı, boşalma genliği ve sayısı ile ilgilidir. Manyetik alanın olmadığı durum için elde edilen veriler kaydedildikten sonra aynı sisteme silindir mıknatıslar dahil edilerek manyetik alanlı durum oluşturulmuştur. Manyetik alansız durumda gerçekleştirilen aynı deneyler bu sefer değişen manyetik alan durumu için tekrarlanmıştır. Silindir mıknatıslarla ilgili deneyler tamamlandıktan sonra dikdörtgen mıknatıslar üç kap açıklığı için kullanılmıştır. Veriler ve ölçümler alındıktan sonra bunların analiz kısmına geçilmiştir.
Elde edilen verilerin analizinde öncelikle kısmi boşalmanın başlangıç gerilimine olan etki araştırılmıştır. Manyetik alan varlığının kısmi boşalma başlangıç gerilimine etkisini incelemek için yatay ve düşeyde aynı açıklık değerleri için manyetik alan yokken bulunan veriler ile manyetik alan varlığında bulunan veriler birbirleriyle kıyaslanmıştır. İlk önce manyetik alansız durumda elde edilen on beş veriyle silindir mıknatıslarla oluşturulmuş manyetik alan varlığında elde edilen on beş veri aynı açıklıklar için kıyaslanmıştır. Bu kıyaslamalar grafikler verilerek yapılmıştır. Manyetik alanın kısmi boşalma başlangıç gerilimini ne şekilde ve hangi oranda etkilediği belirlenmiştir. Silindir mıknatıslar için yapılan benzer kıyaslamalar daha sonra dikdörtgen mıknatıslar içinde yapılmıştır. 
İkinci olarak n-q-p analizi gerçekleştirilmiştir. N-q-p analizi kısmi boşalmanın karakteristiği hakkında birçok bilgi içermesi bakımından önemlidir. Bu analiz sayesinde manyetik alanın kısmi boşalmaya etkisi 2 ve 3 boyutlu grafiklerle faz, boşalma genliği ve boşalma darbe sayısı bakımından karşılaştırılarak incelenmiştir. N-q-p analizinde öncelikle silindir mıknatısların oluşturduğu manyetik alanların, manyetik alansız durumdaki n-q-p verilerine etkileri farklı açıklıklar için incelenmiştir. Daha sonra benzer analiz dikdörtgen mıknatısların kullanıldığı durumlarla, manyetik alansız durumlar arasında yapılmıştır.
En son analizde oluşturulan sistemlerdeki manyetik ve elektrik alan dağılımları ayrı ayrı incelenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemine dayanan FEMM programı yardımı ile deneylerde oluşturulmuş sistemler modellenerek bunların elektrik ve manyetik alan dağılımları ayrı ayrı bulunmuştur. 
Yapılan deneyler ve deneylerden elde edilen verilerin incelenmesi sonucunda kısmi boşalma sinyallerinin manyetik alan varlığından etkilendiği görülmüştür. Özellikle yapılan çalışma sonucu kısmi boşalma başlangıç geriliminde ve n-q-p verilerinde meydana gelen değişimler ortaya konulmuştur. Manyetik akı yoğunluğunun büyük olduğu durumlarda kısmi boşalma başlangıç geriliminde azalmalar ve n-q-p verilerindeki değişimler daha net görülmüştür. Ayrıca elektrot açıklığı arttıkça kısmi boşalma başlangıç geriliminin de arttığı, Neodyum mıknatıslar arası mesafe arttıkça ürettikleri manyetik akı yoğunluğu değerlerinin de azaldığı yapılan çalışma sonucunda belirlenmiştir.

Abstract:
Efficient generation, transmission and distribution of electricity is one of the important issues of electrical engineering. The stability of the electrical system is related to the state of high voltage components used in system. Problems that may arise in high voltage components can affect the stability of the system and this will lead system not to get desired efficiency. One of the events that can cause problems for the components of system is electrical discharges. 
Electrical discharges are a matter of importance since the past. Electrical discharges are briefly referred to as "relief from charge or electricity". Electrical discharges occur in insulators. Insulating materials do not conduct electrical current under normal conditions. The electrical discharges which is the state in which the insulating material becomes electrically conductive are studied in two groups (complete and partial discharges).
When voltage is applied to the dielectrics, various events occur. If the applied voltage is low, small currents flow through the electrodes and the insulation loses its electrical properties. If, on the other hand, a large voltage is applied, the flow of current in the insulation starts to increase sharply and the breakdown event takes place. During breakdown, a strong conductive spark is generated and it produces a short circuit between the electrodes. 
Partial discharge is electrical discharge which does not fully bridge the insulation. Partial discharge is called as a localized dielectric breakdown. Although partial discharges are usually small in size, they can cause growth problems and can cause the material to deteriorate. Partial discharge is a generic term for discharge events that are not completely realized. The concept of partial discharge includes different groups. These groups can be examined in internal discharges, surface discharges, corona discharges and electrical treeing. 
Problems may arise in HV components due to electrical discharges. Due to failures in the insulation system, costly and time consuming maintenance is required. Therefore, the determination of partial discharges and the analysis of partial discharge data are very important in preventing the problems that may occur in the insulation system. In this case, the number of maintenance that is time consuming and costly is reduced. Electrical and non-electrical methods are available for determining electrical discharges.  
Partial discharge signals were studied in the thesis and in this subject experiments were carried out. Partial discharges are electrical discharges that flow into a particular region and partly bridge the insulation. Partial discharge affects the performance of an electrical system in a bad way which can cause irreparable damage to the system. Therefore, partial discharge measurements are made to prevent partial discharge from occurring. Thus, the problem is determined before failures occur.
A lot of study has been done from the past on the subject of partial discharge. Although there are many studies on partial discharge concept, there are few studies on the effect of the magnetic field. In this thesis study the effects of the magnetic field on the partial discharge signals were investigated. 
Firstly, the electrode system to be used in the experiment was determined. The rod-plane electrode system was selected to form and the test setup was established. Three different electrode gap spacings were selected which are 30 mm, 35 mm and 40 mm. By selecting these electrode gap spacings, partial discharge analysis can be performed more safely without breakdown. The rod electrode used in the experiments is 67 mm long, 2 mm thick and chrome plated. In addition, the radius of the tip of the rod electrode is 1 mm. The plane electrode is 10 mm thick, 75 mm in diameter and has a radius of curvature of 3 mm.
Secondly, the high voltage test system to be applied to the selected electrode system was set in two different way. A high voltage test transformer, a resistor and a capacitive voltage divider are used to apply high alternating voltage to the electrode system. On the plane electrode, plexiglass box with adjustable range was placed. The plexiglass box used for the magnetic field setup was also used in this setup to be identical. Plexiglass box thickness is 3 mm. The distance between the two outer surfaces of the plexiglass to be used in the experiment was selected as 10 mm,         15 mm, 20 mm, 25 mm and 30 mm. The electrical measurement was carried out by means of a partial discharge measuring device (Haefely DDX-9121) and a computer via a coupling capacitor connected in parallel with the high alternating voltage generation test system.  
Two types of tests were carried out after the initial test setup was determined and connections were completed. First 30 mm vertical (electrode) and 10 mm horizontal gap spacings (plexiglass box) were set in the test setup. High alternating voltage started to apply gradually to the electrode system starting from zero by control panel. The partial discharge data was saved to the computer for every second that passed in the experiment by the software of Haefely DDX-9121. Partial discharge inception voltage for these gap spacings was found by recorded data. The voltage at which the permanent partial discharge first appears is taken as the inception voltage. The inception voltage value of the partial discharge is noted for comparison to the case where the magnetic field is applied at the same gap spacings values. With this test performed, the time, voltage and pC value of the partial discharge are recorded in a list. Also, time-voltage and time-discharge magnitude graphs are taken from test reports. After completion of the first test, experiments were carried out for 35 and 40 mm electrode openings with 10 mm horizontal gap fixed. Thus, three partial discharge inception voltage values were obtained for 10 mm horizontal opening. Similar tests for three vertical openings were also made for 15 mm, 20 mm, 25 mm and 30 mm horizontal openings. As a result, fifteen partial discharge inception voltage values were found in the case of no magnetic field. 
Two neodymium cylindrical magnets were added to the system after the fifteen partial discharge inception voltage obtained in the absence of the magnetic field. Cylindrical magnets were added to the plexiglass box to create a changing magnetic field for five openings. Cylindrical magnets were also used for horizontal spacings of 10 mm, 15 mm,  20 mm , 25 mm, 30 mm and vertical spacings of 30 mm, 35 mm,   40 mm. So that comparison can be made between the results obtained in the case of no magnetic field. After the tests with the cylindrical magnets were completed, fifteen partial discharge inception voltage values were obtained. After the tests of the cylindrical magnets were completed, two neodymium rectangular magnets were placed in the plexiglass box to create the magnetic field. Rectangular magnets were only used in tests for 30 mm electrode gap spacings and three horizontal openings. 
The second test that the partial discharge measurement device can perform is n-q-p analysis. The n-q-p data tells a lot about partial discharge phenomenon. N-q-p can be called as frequency of occurrence against magnitude and phase. The recorded n-q-p data can be used to determine the type of partial discharge. N-q-p tests were also performed when partial discharge inception voltage finding tests were performed. With the feature of the partial discharge measurement device, two and three dimensional n-q-p graphics were obtained for both magnetic field and non-magnetic field situations. The n-q-p data for the case with and without the magnetic field with the same horizontal and vertical openings are given in the same graphic and compared. First of all, this comparison was made for fifteen data that cylindrical magnets were used and not used. Later, comparative graphs of the three cases in which the rectangular magnets are used are given. The graphs obtained by n-q-p tests are given in the analysis section.
In the analysis part, the data obtained from the tests performed were examined. Firstly, the effects of the magnetic field on the partial discharge inception voltage were investigated. Fifteen data obtained in the case of no magnetic field for three vertical and five horizontal openings and fifteen data obtained in the presence of magnetic field using cylindrical magnets were compared in terms of partial discharge inception voltage in graphs. When the obtained graphs are examined, it is found that the presence of the magnetic field lowers the value of the partial discharge inception voltage. Since the magnetic flux density is greatest when the distance between the magnets is the smallest, the greatest effect is seen in the horizontal opening of          10 mm. As the distance between the magnets increases, the magnetic flux density decreases, so the effect on the partial discharge starting voltage also decreases. The percentage reduction in the partial discharge inception voltage values was also determined by changing the magnetic flux density values. The largest decrease in the percentage of the partial discharge inception voltage value was found to be the value at which the magnetic flux density was the greatest. Similar studies have been carried out for the three data obtained in the case of magnetic field generated by rectangular magnets and in the case of no magnetic field.
Secondly, n-q-p analysis was performed in the analysis section. Where the n-q-p data obtained in the absence of the magnetic field and the n-q-p data obtained in the presence of the magnetic field are compared in two and three dimensions in the same graphs. As a result of the comparison, it was determined that the presence of the magnetic field widens the phase angles and shifts, causes the increase in the discharge magnitude, and causes an increase in the discharge numbers. These changes were seen in both positive and negative half-waves. These comparisons were made separately within the two magnet types used in the experiment.
In the final analysis, the magnetic and electric fields generated in the experiments have been investigated. The FEMM program based on the finite element method was used to model the systems created in the experiments and their electric and magnetic field distributions were found separately. Magnetic flux density and magnetic field strength values were found for the cylinders and rectangular magnets in the FEMM program and compared in different gap spacings.
As a result of the thesis study, it was found that the partial discharge signals were affected by the magnetic field presence. In particular, values at which the magnetic flux density is large show reductions in partial discharge inception voltage and changes in the n-q-p data. Furthermore, as the electrode gap spacings increased, increases in partial discharge inception voltage values were also determined as the end result of the experiments.