Elektrik güç sistemlerinde manyetik alan ekranlanmasının incelenmesi
Investigating magnetic field shielding in electric power systems
Yazar: SELİM KÖROĞLU
Danışman: PROF. DR. NURETTİN UMURKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Analitik çözümler = Analytical solutions ; Devre analizi = Circuit analysis ; Manyetik etkileşme = Magnetic interaction ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks ; Yer altı kabloları = Underground cables

Özet:
Kamu ve endüstriyel alanlarda, aşırı düşük frekanlı (ELF) güç sistemleri tarafından üretilen manyetik alanların azaltılması güncel bir problemdir. Ana ELF manyetik alan kaynaklarına güç kabloları, güç iletim hatları, şalt sahaları, trafo merkezleri vb. örnek olarak verilebilir. Özellikle yeraltı yüksek gerilim kabloların ekranlaması son zamanlarda büyük dikkat çekmektedir. Manyetik alanlar, duyarlı elektrik ve elektronik cihazların çalışmaları üzerinde olumsuz etki yapmaktadır. Bunlardan en bilineni manyetik alan seviyesi 0,5-1 µT olması durumunda TV, bilgisayar, elektron mikroskobu gibi tüplü monitorlar üzerinde titreşim etkisi yapmasıdır. Son zamanlarda, bu alanların insan sağlığı üzerinde olumsuz etkiler yaptığı konusunda kaygılar vardır. Sonuç olarak, manyetik alanların cihazlar ve insan sağlığını üzerindeki sınır değerler belirlenmeli ve gerekli ise manyetik ekranlama yapılmalıdır.Bu tez çalışmasında, iki ana manyetik alan problemi üzerinde çalışılmıştır. Birinci olarak, düzgün dağılımlı bir manyetik alan içerisinde kalan, silindirik ferromanyetik (Fe-Si) ekran için ekranlama verimliliğinin hesabı analitik, sonlu elemanlar ve yapay sinir ağları gibi üç farklı yöntem kullanılarak yapılmıştır. Yöntemlerin hepsinde ekranın doğrusal olmayan histerisiz etkisi dikkate alınmıştır. Yöntemlerin performansı birbiriyle ve ölçüm sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Hesaplamalar farklı ekran yarıçapı, kalınlığı, uygulanan alanın genliği ve frekansa bağlı birçok durum için yapılmıştır. İkinci olarak, yeraltı yüksek gerilim kablolarının ekranlanmasında çeşitli ekran malzemelerin ekranlama verimliliği incelenmiştir. U-biçimli oluk ekran içerisine yerleştirilmiş kabloların üzeri düz bir ekranla kapatılmış kablo yerleşimi üçgen ve düz olması durumda incelemeler yapılmıştır. Ekranlama verimliliği, aynı geometri için alüminyum ve iki adet ferromanyetik ekran için incelenmiştir. Hesaplama sonuçları ölçümlerle doğrulanmıştır. Ayrıca, kontak direncinin ekranlama üzerindeki etkisi incelenmiş, kontak direnci etkisini dikkate alan sonlu elemanları kullanılan bir devre yöntemi önerilmiştir.

Abstract:
An extremely low frequency (ELF) magnetic field produced by electric systems in public areas or in industrial environments is an actual problem. Power distribution systems, power cables, power transmission lines, switchyards, substations, industrial and transformer centres can be given as examples for the main ELF sources. Especially, buried high voltage (HV) cables draw great attention recently. Power frequency magnetic fields higher than 0.5-1 µT are known to produce interference with electron beam devices such as TV, computer monitors and electron microscopes. Moreover, magnetic fields cause a considerable disturbance of the operation and accuracy of sensitive electrical and electronic equipment. Nowadays, there are also concerns about the effects of these magnetic fields on human health. Consequently, a shielding system is necessary to keep field magnitude values lower than the limits related to human health and disturbances on electromagnetic devices.In this thesis, two main magnetic shielding problems are studied. First, three types of methods, i.e. an analytical method, a finite element method and a neural network method, are presented to calculate the shielding performance of a cylindrical ferromagnetic (Fe?Si) shield in a transverse magnetic field. Nonlinear hysteretic behaviour in the shield is taken into account by the methods. All of the methods are compared with each other and with measurements: the shielding factor is computed and measured for several shield radii, thicknesses, field amplitudes and frequencies. Secondly, shielding efficiency of several materials for a buried three phase high voltage cable is studied The shields are U-shaped gutters covered with plates, and the power cables are positioned either in trefoil or in flat configuration. The shielding efficiency are compared for shields with the same geometry but consisted of different materials: aluminium and two ferromagnetic steel grades. The validity of the numerical results is verified experimentally on the shielding setup. In addition, a circuit method combining the 2D FEM with an electric circuit, which also takes into account contact resistance effect in the shield, has been proposed.