Yüksek doğru gerilim (HVDC) iletim hatlarının korona karakteristikleri ve elektromanyetik etkileri
DC corona characteristics and electromagnetic effects of HVDC transmission lines
Yazar: AYTUĞ FONT
Danışman: PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: HVDC = HVDC

Özet:
Dünya çapında artan elektrik enerjisi ihtiyacı, sadece üretimin artmasına değil, enerjinin daha verimli kullanılmasına ve bu konuda çalışmaların yapılmasına yol açmaktadır. Kayıplarının daha az, hat kapasitesinin daha fazla olması ve özellikle uzun mesafelerde daha ekonomik olması nedeniyle yüksek doğru gerilim iletim sistemleri gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Geleneksel AC iletim sistemlerinin önemli sorunlarından biri olan korona, DC sistemlerde de oluşmaktadır. Karakteri AC'den farklı olan doğru akım korona olayı için, alternatif gerilimde olduğu gibi deneysel olarak incelemelerin yapılması ve karakteristiklerinin ortaya konması, özellikle HVDC hat tasarımlarında önemlidir. HVDC sistemlerde tasarım kriteri olarak koronayı hesaba katmak için, korona başlangıç gerilimi, korona kaybı, radyo girişimi ve duyulabilir gürültü gibi karakteristiklerinin tam olarak ortaya konması gerekmektedir.
Literatürde HVDC sistemlerinde meydana gelen korona olayı ile ilgili çeşitli yayınlar mevcuttur. Fakat yüksek gerilim ile çalışmanın en büyük zorluğu olan laboratuvar olanakları nedeniyle, çok yüksek gerilimlerde ve sistem gerilimlerinde yapılan çalışma sayısı sınırlıdır. Bunun yerine, çok ince iletkenler kullanılarak, düşük gerilimlerde korona olayı incelenmektedir. Bu çalışmalarda da, genellikle tekil iletken modelleri kullanılmakta ve karakteristikleri ayrı ayrı ele almaktadırlar. Bu tez çalışmasında gerçeğe daha yakın sonuçlar edebilmek için, büyük boyutlu bir kafes ile demet iletken yapısında deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ayrıca incelenen iletken sayısı, yapısı ve konfigürasyonunun fazla olması, bunun yanında incelenen her iletken için bütün korona karakteristiklerinin ayrıntılı bir şekilde verilmesi nedeniyle, bu tez çalışması, DC korona açısından kapsamlı bir inceleme ortaya koymaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında yapılan deneysel çalışmayı bir temele oturtabilmek için ilk olarak Türkiye için bir HVDC iletim sistemi tasarımı yapılmış ve teknik ayrıntıları verilmiştir. Türkiye 400 kV AC iletim şebekesindeki hatlar incelenmiş ve Keban- Adapazarı arasında iletim sağlayacak ve 3000 MW güç taşıyacak hat güzergâhı, AC şebeke de göz önüne alınarak belirlenmiştir. Gerilim düzeyi olarak dünyadaki benzer sistemlerde kullanılan 500 kV ve 600 kV değerleri öngörülmüş ve hesaplamalar bu iki gerilim düzeyi için ayrı ayrı yapılmıştır. HVDC yapısı, aktarılacak güç göz önüne alındığında, iki kutuplu (bipolar) olacak şekilde belirlenmiş ve bu durum için üç farklı iletken konfigürasyonu (4x1272 MCM, 3x1272 MCM, 3x954 MCM) ele alınmıştır. İletken tipi olarak geleneksel ACSR ve ACSR/TW'nin yanında yeni nesil iletkenler olan AAC ve AAAC de yapılan çalışmaya eklenmiştir. İletken tercihinden sonra, hat kayıpları, gerilim düşümü, korona kayıpları ve elektrik alan şiddetleri tüm konfigürasyonlar için, önceden belirlenmiş bir günlük yük eğrisi baz alınarak hesaplanmış ve karşılaştırmaları yapılmıştır. Yapılan hesaplamalarda iletken direncinin sıcaklıkla değişimi de göz önüne alınmıştır.
Deneysel çalışmalarda iki farklı kafes kullanılmıştır. İnce ve tekli iletkenler için 60 cm çaplı ve 270 cm uzunluklu küçük boyutlu kafes kullanılmıştır. Daha kalın ve demet iletken yapısındaki konfigürasyonlar için, büyük boyutlu bir korona kafesi tasarımı ve üretimi yapılmıştır. Kafes boyutları belirlenirken, kullanılacak olan iletken boyutları ve bu iletkenlerde korona oluşturabilecek gerilim düzeyleri dikkate alınmış ve buna göre kare kesitli, bir kenarı 2 m olacak şekilde tasarım yapılmıştır. Ölçme kısmı, iletken yüzeyindeki elektrik alan dağılımının yeterince düzgün olmasını sağlayacak şekilde, 4 m olarak belirlenmiştir. Koruma elektrotları boyutlandırılırken sonlu elemanlar analizinden yararlanılmış ve kenar etkilerini en aza indirecek şekilde, 1'er m olarak tasarıma eklenmiştir. Kafesin uzunluğu toplamda 6 m olup, kafes yapısındaki gözlerin boyutları ise, kafes boyutuna bağlı olarak 2.5 cm x 2.5 cm olacak şekilde tasarlanmıştır.
Küçük boyutlu korona kafesi kullanılarak seçilmiş olan ince iletkenlerde (4 mm, 7 mm ve 7.14 mm) DC korona deneyleri yapılmıştır. İnce olan iletkenlerde öncelikle tekli yapıda deneyler gerçekleştirilmiş; daha sonra 2'li, 3'lü ve 4'lü demet iletken yapılarında, demet açıklıkları sırasıyla 2 cm, 4 cm ve 6 cm olduğu durumlar incelenmiştir. Yapılan deneylerde korona karakteristikleri olan korona başlangıç gerilimi, korona akımı, korona kaybı, radyo girişim gerilimi ve duyulabilir gürültü düzeyi hem pozitif hem de negatif doğru gerilimde çıkartılmıştır. Artan gerilim düzeylerinde de deneyler tekrarlanmıştır.
Büyük korona kafesi deneylerinde, gerçek iletim sisteminde kullanılacağı öngörülen iletkenlerin ölçeklenmiş modelleri kullanılmıştır. Bu modeller elde edilirken iletken yapısının ortalama geometrik yarıçapı (GMR) üzerinden 1/10 ve 1/5 oranlarında ölçeklemeler yapılarak model iletkenler oluşturulmuştur. Yapılan ölçekleme ve kullanılan iletken çapına göre demette kullanılan iletkenler arasındaki uzaklıklar (demet açıklıkları) belirlenmiştir. Bu mesafeleri kafes içerisinde de tutturabilmek için, iletken ayırıcı (spacer) tasarlanmıştır. Deneysel çalışmada ise, küçük kafeste olduğu gibi, korona karakteristikleri her iki polarite için deneysel ve hesaplama yöntemleri ile elde edilmiştir. Burada gerilim düzeyi çok daha yüksek olduğu için, gerilim kademeleri korona başlangıç geriliminin belirli yüzdeleri olacak şekilde alınmıştır.
Son olarak, her iki kafes deneylerinde de ihtiyaç duyulan, iletken yüzeylerindeki elektrik alan şiddetlerini hesaplamak için, sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Kafes ve iletken yapısı 3D ve gerçek boyutlu olarak modellenmiştir. Deneylerde uygulanan gerilimler kullanılarak, her bir deney gerilimine karşılık gelen maksimum yüzeysel elektrik alan şiddetleri hesaplanmıştır. Yapılan bütün deney ve hesaplamalar karşılaştırmalı olarak verilmiş ve korona karakteristiklerinin değişimleri farklı gerilim, iletken yapısı ve konfigürasyonları için ortaya konmuştur.
Yapılan çalışmalara bakıldığında farklı iletken konfigürasyonları için hat parametreleri farklı olduğu için tasarım yaparken özellikle korona açısından da değerlendirmeler yapılmalıdır. Deneysel çalışmalara bakıldığında kafes yapısı içindeki iletkenler eşeksenli silindirsel elektrot sisteminden farklı bir karakter göstermektedir. Bununla birlikte elektrik alan şiddeti korona karakteristikleri üzerinde çok önemli rol oynamaktadır. Bu karakteristikler polarite, iletken kesiti ve iletken konfigürasyonu ile belirgin şekilde değişmektedir. Korona akımı ve korona kayıplarında negatif polaritede değerler büyük olurken, RIV ve duyulabilir gürültüde pozitif daha baskındır.
Gerilim artışı ile birlikte artma eğilimi gösteren korona akımında, korona başlangıç gerilimi negatif doğru gerilimde pozitiften daha küçük olduğu için aynı gerilimde elde
edilen korona akım değerleri negatif gerilimlerde daha yüksek olmaktadır. Demet yapısının korona akımına etkisine bakıldığında ise büyük açıklıklarda korona akımı daha yüksek, küçük açıklıklarda ise korona akımının değeri daha düşüktür. Korona kayıpları, korona akımları ile doğru orantılı şekilde değiştiğinden karakteristikte negatif doğru gerilimdeki korona kayıpları pozitiftekilerden daha yüksektir. Bunun yanında korona kayıpları iletken kalınlaştıkça azalmakta, demetteki iletken sayısı azaldıkça da artmaktadır. Demet açıklığı arttıkça ise, kayıplar artış göstermektedir.
Radyo girişim gerilimi hesapları, doğrudan elektrik alan şiddeti ile bağlantılı olduklarından, yapılan hesaplamalara bakıldığında iletken çapı arttıkça RIV değerleri azalmaktadır. Benzer şekilde demet iletken yapısında iletken sayısı arttıkça da radyo girişimi azalmaktadır. Duyulabilir gürültü açısından bakıldığında, RIV ile benzer özellik gösterdiği gözlenmiştir. Duyulabilir gürültü gerilim arttıkça artmakta, kaynaktan radyal olarak uzaklaştıkça ise azalmaktadır.
Büyük boyutlu korona kafesinde yapılan çalışmalar da küçük boyutlu kafeste yapılan çalışmaları destekler niteliktedir. Korona başlangıç gerilimi karşılaştırmalarına bakıldığında, dörtlü demet iletkenlerde koronanın daha geç başladığı görülmektedir. Ayrıca, aynı konfigürasyonda daha ince iletken kullanıldığında, sonlu kafes yapısında alan şiddetleri düştüğü için korona başlangıç gerilimi yüksek olmaktadır.

Abstract:
The increasing demand for electrical energy worldwide leads not only to increase production capacities, but also to use energy more efficiently and to work on this issue. DC transmission systems are becoming more and more popular day by day because of their low losses, high transmission capacities and especially economise over long distances. Corona, which is one of the electrical phenomena occurring in conventional AC transmission systems, also occurs in DC systems. For DC corona, whose character is different from AC, similar experimental studies like AC and investigating the characteristics are important for HVDC line designs. To take into account corona as a design criteria for HVDC systems, its characteristics such as corona inception voltage, corona losses, radio interference and audible noise must be fully studied.
In the literature, there are several publications related to the corona discharge occurring in HVDC systems. Due to the voltage level, which is the biggest challenge of working with high voltage, the majority of the work cannot be performed at very high voltages and real system voltages. Instead, the corona phenomenon is investigated under relatively low voltages using very thin conductors. In these studies, single conductor models are generally used and they investigate the characteristics separately. In this thesis, experimental studies have been carried out in bundle conductor structures using a large corona cage in order to obtain more realistic results. In addition, this thesis presents a comprehensive investigation in terms of DC corona, due to variety of number of conductors, conductor structures and configurations, as well as all corona characteristics are given in detail for each conductor configuration.
Before the experimental work carried out under this thesis, a HVDC transmission system was designed for Turkey and technical details were given. Following a detailed analysis of national 400 kV AC power transmission network, an HVDC line route to transfer 3000 kV between Keban and Adapazarı was determined. Transmission voltage level of 500 kV and 600 kV are selected as being appropriate values when the transfer power rating of similar applications is taken into account. All the calculations were made separately for those two prospective voltage levels. Considering the power to be transferred HVDC structure, bipolar configuration was selected and three prospective conductor configurations (4x1272 MCM, 3x1272 MCM, 3x954 MCM) were examined. In addition to traditional ACSR and ACSR / TW conductors, new generation conductors like AAC and AAAC were also included in the study. After all these conductor selections, line losses, voltage drops, corona losses and electric field strengths were calculated and compared based on a predetermined daily load curve for all conductor configurations. The change of the conductor temperature so does the conductor resistance due to the load current were also taken into consideration in the calculations.
Two different corona cages were used in experimental studies. Small size cylindrical cage with a diameter of 60 cm and a length of 270 cm is used for the thin and the single conductors. A larger-sized corona cage was designed for configurations with thicker and bundle conductors. When determining the cage dimensions, the conductor dimensions and the voltage levels that can form the corona in these conductors were taken into consideration and accordingly, it was designed with a square cross-section and 2 m of an edge. The length of the measuring segment was determined as 4 m to ensure that the electric field on the conductor surface was sufficiently uniform. Finite element analysis was used for dimensioning the protection electrodes and they were added to the design as 1 m to minimize the edge effects. The length of the cage was finally set to 6 m in total. The dimensions of the eyes in the cage structure were determined as 2.5 cm x 2.5 cm depending on the cage size.
DC corona tests were performed for the thin conductors (4 mm, 7 mm and 7.14 mm) using a small size corona cage. At first, experiments were performed for single configuration. Then the tests were carried out for the bundle configurations (double, triple and quadrupole bundles) with sub conductor spacings of 2 cm, 4 cm and 6 cm. In the experiments, corona characteristics such as corona inception voltage, corona current, corona losses, radio interference voltage and audible noise were obtained for both the positive and the negative DC voltage. Experiments were repeated for different voltage levels above the corona inception voltage.
For big corona cage experiments, scaled model conductors simulation the prospective bundle configurations were used. Model conductors were created by making scaling in the ratio of 1/10 and 1/5 over the geometric mean radius (GMR) of the real conductor configuration. Sub conductor spacings for the bundles were determined according to the scaling ratios and the diameter of the conductors. In order to keep these sub conductor distances in the cage, special separators were designed. Corona characteristics were obtained by experimental and computational methods for both polarities as in the small cage in the experimental study. Since the voltage level was much higher for big corona cage test, the voltage levels were chosen as certain percentages of the corona inception voltage.
Finally, Finite element method was used to calculate the electric field strength distribution on the conductor surfaces for both corona cage experiments. The cage and the conductor configurations were modelled in 3D and real size. Maximum electric field strengths corresponding to each test voltage were calculated by using the experimental data. All experiments and calculations were given comparatively and trends of corona characteristics were presented for different voltage levels, conductor types and configurations.
According to studies, since line parameters are different form each other for different conductor configurations, corona evaluations should also be made during design process of transmission lines. Considering the experimental studies, the conductors in the cage structure behave a different characterictic than the coaxial cylindrical electrode system. Besides, electric field strength acts important role on corona properties. These characteristics clearly vary with polarity, conductor size and conductor configuration. While negative polarity values are large for corona current and corona losses, positive is more dominant in terms of RIV and audible noise.
Corona inception voltage level of a conductor and a bundle configuration is highly depended on the surface electric field strength. CIV increases with increasing conductor diameter. Number of strands in a sub-conductor also affects the CIV values.
CIV of the stranded conductor is higher than of the single core one due to its surface roughness. Note that the surface roughness increases with the number of strands. Both corona cage experiments and simulations show that increasing sub conductor spacing increases the voltage gradient on the surface of the conductor because of proximity effect between cage and conductors. Corona losses are related with the measured corona currents. Losses for negative DC voltages are higher than of the corresponding positive ones due to their lower CIV levels. Furthermore, corona losses decrease for thick conductors as well as for increased number of sub-conductors in the bundle configuration.
Similar affects can be observed for decreased sub conductor spacing. RIV levels and AN levels show similar characteristics for the tested conductor configurations. Increase in diameter of the conductor cause decrease in RIV and AN levels. High values of RIV and AN are observed when voltage gradient of the conductor surface becomes high. For this reason, both characteristics are high for conductors having a greater number of sub conductor and less sub conductor distance.
When looking at corona inception voltage comparisons, it is seen that corona starts later in quadrupole conductor configuration. In addition, when using a thinner conductor in the same configuration, the corona initial voltage becomes high as the field strengths in the finite cage structure decrease. Because of the same situation, the corona inception voltage is larger on a smaller scale (1/10 GMR). In addition, when looking at the polarity, it is seen that corona starts earlier at negative voltage.
The amplitudes of corona currents increase with increasing voltage in large cage experiments. According to the results obtained from the model configurations, the current valuesobtained in quadruple strand conductors are higher than those obtained with triple strand conductors. For all configurations, corona currents at negative voltage are higher than at positive ones. When looking at the effect of scaling on corona current, the corona currents are larger at smaller scaling (1/10 GMR).
When the corona losses for each configuration are compared, it is seen that the losses in negative voltage are higher due to the higher corona current values. Corona losses are greater than others in the 4-bundle conductor structure. In addition, the loss values in the 954 MCM model at the same scaling are higher than the 1272 MCM model. The losses calculated on the smaller scale for the same conductor configuration are larger than the larger scale.
All those corona characteristics should be taken into account while designing a prospective HVDC transmission application in Turkey. The sum of the corona losses and copper losses computed in accordance with the load curve can be used as one of the design criterion. Final decision regarding the voltage level, conductor type/diameter and bundle configuration can be made with respect to these criterion and additional ones, such as voltage drops, incremental transmission costs etc. Finally, RI levels and AN levels should be taken into account while specifying the critical distance along the right of way of the HVDC lines.