Elektriksel kısmi boşalmayı etkileyen etkenlerin incelenmesi ve sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmesi
Investigation of factors that affect electrical partial discharge and modelling with finite element method
Yazar: TUNCER DÖNMEZ
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:
Elektrik üretimi ve iletiminde yüksek gerilim kullanılmasıyla birlikte elektriksel kısmi boşalma ve kısmi boşalmanın yüksek gerilim güç bileşenlerinin yalıtım sistemlerine zararlı etkileri de ortaya çıkmaya başlamıştır. Yalıtım sistemlerinde meydana gelen hasarlar, yüksek gerilim güç sistemlerinin zarar görmesine ve dolayısıyla, hem maddi hem zaman kayıplarına sebep olmuştur. Böylelikle, kısmi boşalma ölçümlerinin ve kısmi boşalma algılama yöntemlerinin önemi artmıştır. 
Kısmi boşalma, iletkenler arasındaki yalıtkan malzemenin kısmi bozulması sonunda oluşan kısmi köprüler aracılığıyla meydana gelen elektriksel boşalmalardır. Kısmi boşalma, yüksek gerilim sistemlerinin güvenliğini tehdit eden önemli bir olaydır. Bu yüzden, kısmi boşalma olayının incelenme sebebi, kısmi boşalmayı etkileyen etkenleri analiz ederek modellemesini yapmaktır. 
Bu tez çalışmasında, elektriksel kısmi boşalma olayı, kısmi boşalmayı etkileyen etkenler ve kısmi boşalma ölçümü incelenmiştir. Kısmi boşalmayı etkileyen etkenlerin belirlenmesi için deneyler yapılmış, bu deneyler için çubuk elektrot ve düzlem elektrot sistemi kullanılmıştır. Ayrıca, sonlu elemanlar yöntemi açıklanmış, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellemeler yapılmış, benzetim sonuçları yorumlanmış ve laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar ile kıyaslanmıştır. 
KB karakteristiğinin belirlenmesi için KB başlangıç gerilimi ve KB sönme gerilimi belirlenmelidir. KB başlangıç gerilimi, bir deney cismine uygulanan gerilim yavaş yavaş yükseltildiğinde, kısmi boşalmaların başladığı veya belirli bir yeğinliği geçtiği en küçük gerilimdir. KB sönme gerilimi ise bir deney cismine uygulanan gerilim en az kısmi boşalma başlangıç geriliminden başlayarak yavaş yavaş azaltıldığında, kısmi boşalmaların söndüğü veya belirli bir yeğinlikten daha az olduğu gerilimdir.
İTÜ Yüksek Gerilim Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen deneylerle üç farklı elektrotun iki farklı düzlem ile beş farklı açıklıktaki kısmi boşalma karakteristiği incelenmiştir. Deneyler esnasında, varyak yardımıyla gerilim yükseltilmiş ve kısmi boşalma tespit edildikten sonra da belirli bir düzeye kadar yükseltilmeye devam etmiştir. Sonrasında, gerilim yavaş yavaş azaltılarak deney sonlandırılmıştır. Ayrıca, tüm deney süreci kısmi boşalma ölçüm cihazı ile ölçülerek kayıt altına alınmıştır.
Deneylerde öncelikle atlama gerilimleri belirlenmiştir. Atlama gerilimi, iletkenler arasındaki yalıtkan malzemenin dayanma gerilimini aşarak yalıtkanın delinmesine ve dolayısıyla da iletkenler arasında kısa devre olmasına sebep olan gerilimdir. Genel olarak bütün sonuçlar incelendiğinde, atlama gerilimlerinin açıklık arttıkça yükseldiği ve elektrot yarıçapı büyüdükçe de yükseldiği görülmektedir.
Laboratuvar ortamında gerçekleştirilen deneylerde elde edilen veriler karşılaştırılmış ve elektrot yarıçapının, düzlem özelliğinin ve elektrot ile düzlem arası açıklığın kısmi boşalma karakteristiğini nasıl etkilediği belirlenmiştir. Söz konusu çalışmada, elektrot yarıçapının artması kısmi boşalma başlangıç geriliminin yükselmesine neden olduğu tespit edilmiştir. Benzer şekilde elektrot ile düzlem arası açıklığın artması da kısmi boşalma başlangıç geriliminin yükselmesine neden olmaktadır. Deneyler sırasında kullanılan disk ve Rogowski olmak üzere iki farklı düzlemin kısmi boşalma karakteristiğini nasıl etkilediği de bu çalışmada belirlenmiştir. 
Laboratuvar ortamında, elektrot ile disk düzlem deneyleri alçak basınçta da gerçekleştirilerek alçak basıncın kısmi boşalma etkisi incelenmiştir. Bu deneyler, dört farklı alçak basınç altında yapılmıştır. Sonucunda, alçak basınçta kısmi boşalma başlangıç gerilimlerinin normal duruma göre daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, basınç düştükçe kısmi boşalma başlangıç gerilimi de daha düşük olmaktadır.
Deneylerin tamamlanmasından sonra kısmi boşalma karakteristiği sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi, mühendislik problemlerinin çözümünde sağladığı kolaylık sebebiyle pek çok mühendislik dalında tercih edilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemindeki temel mantık, çözüm bölgesini çok sayıda, basit, küçük, birbirine bağlı, sonlu eleman adı verilen alt bölgelere ayırmaktır. Bu modelleme için bilgisayar yazılımından faydalanılmıştır. 
Sonlu elemanlar yöntemini baz alarak oluşturulan FEMM 4.2 programı kullanılarak aynı deney düzeneğindeki gibi elektrot-düzlem düzeni çizilmiş, malzeme ve ortam özellikleri, sınır değerleri gibi bilgiler girilerek matematiksel model sonuçları elde edilmiştir. Bilgisayar ortamında yapılan matematiksel modelleme sonucunda elektrotların ve düzlemlerin geometrisi, sonlu elemanlar ağı, ortamdaki potansiyel dağılımı, eşpotansiyel çizgiler, elektriksel alan dağılımı, elektrot ile düzlem arasındaki yüzey üzerinde potansiyel değişim, elektrot ile düzlem arasındaki yüzey üzerinde teğetsel elektrik alan bileşeni ve elektriksel alanın büyüklüğü gibi parametreler tespit edilmiştir.
Modelleme ile elde edilen sonuçlar, elektrot ile düzlem arasındaki açıklığın en az olduğu durumda en büyük elektrik alanın oluştuğunu ve dolayısıyla, elektrot ve düzlemin birbirine yaklaşmasının, atlama ve delinme riskinin artmasına sebep olduğunu göstermektedir. Elde edilen modelleme sonuçlarına göre, aynı açıklıkta elektrot yarıçapının küçülmesi de elektrik alanın artmasına dolayısıyla atlama ve delinme riskinin yükselmesine sebep olmaktadır. 
Sonuçlar kısmi boşalma açısından değerlendirildiğinde, laboratuvar ortamında gerçekleştirilen KB ölçüm sonuçlarının, FEMM programında elde edilen sonuçlarla paralel olduğu görülmektedir. Örneğin, KB başlangıç geriliminin, açıklık arttıkça veya aynı açıklıkta elektrot yarıçapı büyüdükçe yükseldiği görülmüştür. Dolayısıyla, aynı gerilim altında ve diğer fiziksel ve ortam koşullarını aynı olması durumda, açıklığın azalması veya aynı açıklıkta elektrot yarıçapının küçülmesi, kısmi boşalma riskini de arttırmaktadır.
FEMM 4.2 programı yardımıyla yapılan modelleme sonunda elde edilen sonuçlar, laboratuvar ortamında elde edilen sonuçlar ile genel olarak örtüşmektedir. Bunun önemli sebeplerinden birisi, sonlu elemanlar yöntemini kullanarak çözüm yapan FEMM programı, incelenecek sistemin geometrisinin oluşturulmasına, malzeme özelliklerinin ve sınır koşullarının girilmesine, ağ yapısının oluşturulmasına imkan veren ve sonucunda son derece gerçekçi sonuçlar elde edilmesine olanak sağlayan bir program olmasıdır. 
Sistem davranışını anlama açısından son derece faydalı olacak olan bu çalışma, yalıtım sistemlerinin üretilmesi veya yüksek gerilim sistemlerinin kurulmasında tasarım açısından yardımcı olabilir. Ayrıca bu çalışma, daha farklı durumlar veya koşullar yaratarak geliştirilebilir. İhmal edilen veya öngörülemeyen pürüzler dahil edilerek daha etkin sonuçlara ulaşılabilir. Farklı elektrot sistemlerinin kullanılması, farklı gaz basınçları altında deneylerin yapılması, farklı dielektrik malzemeler kullanılması gibi durumlar için çalışma geliştirilebilir ve kısmi boşalma karakteristiği hakkında daha fazla bilgi toplanabilir.

Abstract:
Partial discharge and harmful effects of partial discharge to the insulation system of high voltage power components begin to appear with the use of high voltage for generation and transmission of electricity. Degradation in the insulation system damages to the high voltage power system and it causes both a loss of time as well as material loss. Thus, the importance of partial discharge detection and measurement methods increased.
Partial discharge is the electrical discharge occurring through partial bridges as a result of partial degradation of the dielectric material between the conductors. Partial discharge is an important event that threatens the safety of high voltage systems.  That's why modelling by analyzing the factors that affect the partial discharge. 
In this thesis, electrical partial discharge, the factors that affect the partial discharge and how to do partial discharge measurement were studied. For the detection of the factors that affect the partial discharge have been conducted some experiments. Rod electrode and plane electrode were used in the experiments. Furthermore, finite element method (FEM) was stated, the modellings were done by using this method, the simulation results were interpreted and these results were compared with the results obtained in laboratory. 
For the detection of partial discharge characterization is needed to specify the partial discharge inception voltage and partial discharge extinction voltage. Partial discharge inception voltage is the smallest voltage starting partial discharge in case applied voltage increases slowly. The partial discharge extinction voltage is the voltage out of the partial discharge when applied voltage decreases slowly, starting from at least partial discharge inception voltage.
In experiments performed in ITU High Voltage Laboratory, partial discharge characterization were investigated with three different electrodes and two different planes in five different gap spacings. During the experiments, the voltage is increased by the manuel variac and it continues to increase till a specific level after the partial discharge is also detected. After that the experiment is finished while the voltage is reduced slowly and besides, all experiment process was measured by the partial discharge measurement device and recorded.
In experiments, firstly sparkover voltages were stated. Sparkover voltage is the voltage caused to perforation of the insulator and short circuit between conductors, when passing over the withstand voltage of the insulating material between conductors. After all reviews, it was seen that sparkover voltage increases, if the gap spacing or the radius of the electrode increase.
We compare the data obtained in the experiments performed in laboratory and then radius of electrode, feature of plane and the gap spacing between electrode and plane is determined how it affects partial discharge characterization. In this study, it is detected to cause to the increasing of partial discharge inception voltage, if electrode radius increases. Similarly, increasing of the gap spacing between electrode and plane causes also to rise of the partial discharge inception voltage. In experiments,  disc and Rogowski planes were used. In this study is stated also how the planes affect to the partial discharge characterization. 
The impact of partial discharge in low pressure was also investigated in laboratory by performing of the experiments with electrode and disc plane in low pressure. The experiments were done under four different low pressure. As a result, it was established that partial discharge inception voltage in low pressure was lower than normal situation. Furthermore, partial discharge inception voltage also decreased, when the pressure was reduced.
After the experiments were completed, partial discharge characterization was modelled by using of finite element method (FEM). FEM is a method used for numerical solution of complex problems in different fields of engineering. From other side, the method aims to seperate to the sub regions of solution zones called finite element in many numbers, basic, small and connected each other. For the modelling have been utilized by computer software. 
Electrode and plane layout was drawn like in the same experimental setup by using of FEMM 4.2 program. The results of the mathematical model have been obtained with the informations like material specifications and boundary values. As a result of mathematical modelling in computer was established some parameters like the geometry of the electrode and plane, mesh of the finite elements, the potential distribution, equipotential lines, the electric field distribution, potential changes on the surface between the electrodes and planes, tangential electric field component on the surface between the electrodes and planes and the magnitude of the electrical field.
The results obtained from the modelling showed that the largest electric field is formed by at least gap spacing between the electrodes and planes. Therefore, the results established by modelling show that risk of the sparkover and perforation increases when the electrode and the plane come to each other. According to the modelling results, electrode radius in the same gap spacing decreases and then electrical field increases. Thereby, risk of the sparkover and perforation increases.
When results were evaluated in terms of partial discharge, it was seen that the results of partial discharge measurement in laboratory are parallel with the results established by using of the FEMM program. For example, partial discharge inception voltage increased when the gap spacing or radius of the electrode in the same gap spacing increased. Therefore, if the gap spacing or radius of the electrode in the same gap spacing reduced, the risk of the partial discharge increased under the same voltage and in same physical conditions.
Generally, the results established by modelling with the help of FEMM 4.2 program covered with the results in laboratory. One of the important reason is that FEMM program using finite element method allows to obtain the solution as a result of the creation of the problem structure and entering material properties and boundary conditions. Using this program, quite realistic results can be obtained. 
This work which is extremely helpful in understanding the behavior of the system, can help in the design of the insulation systems or in the construction of high voltage systems. In addition, this study can be developed by creating different situations or conditions. More effective results can be achieved by including neglected or unpredictable rough edges. For example, using different electrode systems, performing experiments under different gas pressures, using different dielectric materials can be improved and more information about the partial discharge characteristic can be collected.