Yüksek gerilim ayırıcılarının karma gerilimlerde sonlu elemanlar yöntemi ile elektrik alan analizi
Electric field analysis of high voltage disconnectors at composite voltage with finite element method
Yazar: MİRAÇ YAZICI
Danışman: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik alanları = Electric fields ; Gerilim sistemleri = Voltage systems ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Yüksek gerilim = High voltage

Özet:
Modern dünyada elektrik enerjisi son derece önemli bir gereksinim halini almıştır ve insanoğlunun bu enerjiye olan gereksinimi her geçen gün artarak devam etmektedir. Bu gereksinimin karşılanabilmesi için enerjinin yalnızca üretiminin arttırılması yeterli değildir. Enerji aynı zamanda verimli kullanılmalıdır. Elektrik enerjisinin verimli kullanabilmesi için yüksek gerilim sistemlerine gereksinim vardır.
Yüksek gerilim sistemlerinin güvenli olarak işletilebilmesi için çeşitli aygıt ve donanımlara gerek duyulmaktadır. Bu tür aygıt ve donanımların sistemlerde elverişli ve güvenli bir şekilde kullanılabilmesi zorunludur. Bunun için aygıt ve donanımların, maruz kalacağı koşullar önceden belirlenmeli ve bu koşullara dayanıp dayanamayacağı denenmelidir. Fakat bu deneyler, kimi zaman çok maliyetli olduğundan kimi zaman ise olanakların yetersizliğinden dolayı aksayabilmektedir.
Bu tez çalışmasında, karma gerilimlerin yüksek gerilim ayırıcılarına olan etkileri araştırılmıştır. Yüksek gerilim ayırıcıları, yüksek gerilim sistemlerinde devre yüksüz iken açma kapama yapabilen ve gerekli yalıtım aralığını sağlayan aygıtlardır. Karma gerilimler ise farklı türden gerilimlerin bir araya gelmesiyle oluşan yeni gerilim biçimlerine verilen genel isimdir. Bu çalışmanın yapılmasındaki temel amaç, uygulamada oluşan fakat tip deneyleri dışında kalan koşulların ne tür etkiler meydana getirdiğinin saptanması ve değerlendirilmesidir.
Karma gerilimlerin, yüksek gerilim ayırıcıları üzerinde meydana getirdiği etkilerin incelenebilmesi için COMSOL programında bir model sunulmuştur. Yüksek gerilim ayırıcısı, şebeke frekanslı gerilim ve yıldırım darbe gerilimi modellenmiştir. Yüksek gerilim ayırıcısı modellenirken akım taşıyan kollar için alüminyum, kontaklar için bakır, izolatörler için porselen ve şase için çelik malzeme kullanılmıştır. Ayrıca analizin yapıldığı ortam malzemesi için hava tanımlanmıştır. COMSOL'da oluşturulan modele sınır koşulları uygulanmış ve model sonlu elemanlara bölünmüştür.
Modelin sonlu elemanlara bölünmesinin ardından analizler yapılmıştır. Karma gerilimin ayırıcı üzerinde meydana getirdiği etkilerin anlaşılabilmesi için ilk etapta yıldırım darbe gerilimi ve şebeke frekanslı gerilim ayırıcıya tek tek uygulanmıştır. Yıldırım darbe gerilimi 50 μs boyunca, şebeke frekanslı gerilim ise 20 ms boyunca ayırıcıya uygulanmıştır. Yıldırım darbe geriliminin maksimum gerilim seviyesi ayırma aralığı boyunca 860 kV, faz – toprak arası için 750 kV olarak uygulanmıştır. Şebeke frekanslı gerilimin maksimum gerilim seviyesi ayırma aralığı boyunca 375 kV, faz – toprak arası için 325 kV olarak uygulanmıştır. Ardından şebeke frekanslı gerilimden ve yıldırım darbe geriliminden oluşan karma gerilim ayırıcıya 50 μs boyunca uygulanmıştır.
Bu analizlerin tamamı ayırıcının hem açık hem de kapalı pozisyonları için ayrı ayrı yapılmıştır. Gerilimlerin uygulanmasının ardından elde edilen elektriksel potansiyel dağılımları ve elektrik alan dağılımları belirli anlar için verilmiştir. Buna ek olarak ayırıcının en önemli kısımları olan kontakların ve uçların yüzeylerinde birer nokta belirlenmiş ve bu noktalara ait elektriksel potansiyel – zaman grafikleri ve elektrik alan – zaman grafikleri verilmiştir.
Yıldırım darbe geriliminin ve şebeke frekanslı gerilimin uygulanmasıyla elde edilen analiz sonuçları laboratuvar koşullarında elde edilen gerçek deneye ait sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karma gerilimin uygulanmasıyla birlikte elde edilen analiz sonuçları ise çalışma boyunca elde edilen diğer analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.
Ayırıcı üzerinde meydana gelen elektriksel potansiyel ve elektrik alan değerleri incelendiğinde en fazla zorlanmanın karma gerilim altındayken yaşandığı gözlemlenmiştir.
Bu çalışma sonuçları göstermektedir ki: ayırıcılar için hali hazırda IEC standartları genel anlamda benzer çalışmaları temel alarak en zorlu koşullar için tip deneyi şartlarını hesaplamakta olsa da ülke otoritelerinin kendi çalışma alanlarına özel yapacakları incelemeler sonucunda daha başarılı sistem ve ürün modellemeleri yapılabilir. Bu sayede hem güvenli hem de maliyete oranla verimi yüksek sistemler kurulabilir.

Abstract:
In the modern world, electrical energy has become an extremely important need and the need of human beings for this energy continues to increase day by day. In order to meet this need, it is not sufficient to increase the production of energy alone. Energy should also be used efficiently. High voltage systems are needed for the efficient use of electrical energy.
Various devices and equipment are required for the safe operation of high voltage systems. It is essential that such devices and equipment can be used conveniently and safely in systems. For this, the conditions that the devices and equipment will be exposed to must be determined in advance and tested whether they can withstand these conditions. However, these tests can sometimes be delayed because they are very costly and sometimes due to insufficient facilities.
In this thesis, the effects of composite voltages on high voltage disconnectors were investigated. High voltage disconnectors are devices that can open and close when the circuit is unloaded in high voltage systems and provide the required isolation distance. In this thesis, a center-break disconnector model was used. Center-break disconnectors are the disconnector model in which both contacts of both poles are movable and these contacts meet at the midpoint of the support insulators. Center-break disconnectors consist of four main parts. These are: current carrying paths, insulators, base frame and control mechanism. Composite voltage is the general name given to new voltage forms formed by the combination of different types of voltages. In order to obtain composite voltages, different types of voltage sources should be properly connected to each other or these different types of voltages should be applied to the test sample at the same time. The main purpose of this study is to determine and evaluate the effects of the conditions that occur in practice but outside the type tests.
In this study, one phase of the center-break disconnector model was used. The disconnector model was drawn in three dimensions in SolidWorks program and then transferred to COMSOL Multiphysics program for the necessary analysis. In order to examine the effects of composite voltages on high voltage disconnectors, a model is presented in the COMSOL program. High voltage disconnector, power frequency voltage and lightning impulse voltage are modeled. While modeling the high voltage disconnector, aluminum is used for the current carrying paths, copper for the contacts, porcelain for the insulators and steel for the base frame. In addition, while modeling the environment material, air is used for the environment. Boundary conditions are applied to the model created in COMSOL and the model is divided into finite elements.
The mesh is made up of tetrahedral elements and triangles. In dividing the model into finite elements, 805146 tetrahedral and 89278 triangular finite elements are used for the open position of the disconnector. In addition, the average element quality for the open position of the disconnector was 0.6108. In dividing the model into finite elements, 793602 tetrahedral and 88897 triangular finite elements are used for the closed position of the disconnector. In addition, the average element quality for the closed position of the disconnector was 0.6098.
After dividing the model into finite elements, analyzes were made. In order to understand the effects of the composite voltage on the disconnector, the lightning impulse voltage and the power frequency voltage were applied to the disconnector one by one in the first time. While voltages are applied to the disconnector, the cylinder contact of the disconnector is determined as the terminal point. The lightning impulse voltage was applied to the disconnector along 50 μs and the power frequency voltage was applied along 20 ms. The maximum voltage level of the lightning impulse voltage was determined across the isolation distance as 860 kV, phase to earth as 750 kV. The maximum voltage level of the power frequency voltage was determined across the isolation distance as 375 kV, phase to earth as 325 kV. Then, composite voltage consisting of power frequency voltage and lightning impulse voltage was applied to the disconnector along 50 μs.
All of these analyzes were applied separately for both open and closed positions of the disconnector. The electrical potential distributions and the electric field distributions obtained after the application of voltages are given for certain moments. In addition, a point has been determined on the contact and terminal surface, which is the most important parts of the disconnector, and the electrical potential graph and the electric field graph of these points are given.
Operating conditions are considered while applying composite voltage to the disconnector.
In the lightning impulse voltage test application for the open position of the disconnector, the maximum electrical potential value seen on the contact surface of the voltage applied terminal was -820 kV. A negligible electrical potential value has occurred on the contact surface of the terminal without voltage applied.
On the other hand, in the composite voltage test application for the open position of the disconnector, the maximum electric potential value seen on the contact surface of the lightning voltage applied terminal was -810 kV. The maximum electric potential value seen on the contact surface of the power frequency voltage applied terminal was 120 kV. Likewise, when the electric field values are examined; in the lightning impulse voltage test application, it has been observed that the electric field values occurring on the contact surfaces are 54 kV/cm and 27 kV/cm, in the composite voltage test application, it has been observed that the electric field values occurring on the contact surfaces are 72 kV/cm and 24 kV/cm.
In the lightning impulse voltage test application for the closed position of the disconnector, the maximum electrical potential value seen on the terminal surface of the voltage applied terminal was 710 kV.
On the other hand, in the composite voltage test application for the closed position of the disconnector, the maximum electric potential value seen on the terminal surface of the lightning voltage applied terminal was 760 kV. Likewise, when the electric field values are examined; in the lightning impulse voltage test application, it has been observed that the electric field values occurring on the terminal surfaces are 27 kV/cm and 16 kV/cm, in the composite voltage test application, it has been observed that the electric field values occurring on the terminal surfaces are 31 kV/cm and 18 kV/cm. The analysis results obtained by applying the lightning impulse voltage and the power frequency voltage were compared with the results of the real experiment obtained under laboratory conditions. The analysis results obtained with the application of the composite voltage were compared with the other analysis results obtained throughout the study.
It has been observed that the maximum electrical potential values and the maximum electric field strength on the disconnector are higher when composite voltage is applied to the disconnector.
The results of this study show that although IEC standards for the disconnectors already determine the type test conditions for the most challenging conditions, more successful system and product modeling can be made as a result of the examinations to be made by the country authorities for their own work areas. In this way, systems that are both safe and cost – effective can be established.