Yüksek gerilim enerji iletim sistemlerinde kullanılan Havai hat iletkenlerinin performans analizleri
Performance analysis of overhead conductors used in high voltage energy transmission systems
Yazar: MURAT DİNÇ
Danışman: DOÇ. DR. OKTAY ARIKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: COMSOL multifizik = COMSOL multiphysics ; Elektrik alanları = Electric fields ; Manyetik alanlar = Magnetic fields ; Matlab = Matlab ; Standartlar = Standards ; Termal analiz = Thermal analysis ; Yüksek gerilim hatları = High voltage lines

Özet:
Elektrik enerjisi, üretim tesislerinde üretilir ve yükseltici transformatörlerle yüksek gerilim seviyesine çıkarılır. Yüksek gerilim seviyelerinde havai hatlar ile tüketim noktalarına iletilir. İletim aşamasında kullanılacak iletkenin belirlenmesi elektrik enerjisinin verimli ve güvenli olarak iletimi açısından önem arz etmektedir. Gelişen teknoloji ve artan nüfus yoğunluğu sebebiyle gün geçtikçe elektrik enerjisi talebi artmaktadır. Artan talebi karşılamak için yeni iletim hatları inşa edilmeli, var olan iletim hatlarına yeni hatlar eklenmeli, gerilim seviyesi yükseltilmeli, var olan iletim hatları kesiti artırılmalı ya da var olan iletim hatları farklı tip iletkenlerle değiştirilmelidir. Bu tez çalışmasında, yapılabilecek bu çalışmalara referans olması amacıyla yaklaşık olarak aynı dış çapa sahip ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced), AAC (All Aluminum Conductor), AAAC (All Aluminum Alloy Conductor), STACIR (Super Thermal Alloy Conductor Invar Reinforced), GTACSR (Gap Type Thermal-Resistant Aluminum Alloy Conductor Steel Reinforced), ACCC ( Aluminum Conductor Composite Core), ACCR (Aluminum Conductor Composite Reinforced), ACSS (Aluminum Conductor Steel Supported) ve ACAR (Aluminum Conductor Alloy Reinforced) havai hat iletkenlerinin performans analizleri yapılmıştır. İletkenlerin termal analizleri, 5-15-25-35 °C hava sıcaklıklarında ve 0,1-0,5-1-3-5-7-9-11-13-15 m/s rüzgar hızlarında 2-D, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak COMSOL Multiphysic yazılımında yapılmıştır. Aynı zamanda, IEEE-738 standardında verilen formülasyonlara göre değişen ortam şartlarında akım-sıcaklık ilişkisinin analitik sonuçları MATLAB yazılımında hesaplanarak termal analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. İletkenlerin 400 kV ve 750 kV gerilim seviyelerinde elektrik alan, eşit yüklenme durumunda iletkenlerin davranışlarını incelemek için, ACSR iletkeninin maksimum akım taşıma kapasitesi olan 990 A akım değerinde ve iletkenlerin maksimum çalışma akımlarında manyetik alan davranışları, 2-D olarak COMSOL Multiphysic yazılımında incelenmiştir. Farklı iletkenler kullanıldığı zaman, oluşan gerilim düşümü, güç kaybı ve sehim hesaplamaları ise MATLAB yazılımıyla hesaplanmıştır.
Birinci bölümde, elektrik enerjisine olan talep artışından, iletim zorluklarından ve artan enerji talebini karşılamak için önerilen çeşitli çözüm yollarından bahsedilmiştir. Tüm dünyada bu çözümler için hangi çalışmalar yapıldığına yer verilmiştir. Bu çalışmamızın amacı ve hipotezimiz açıklanmıştır.
İkinci bölümde, yüksek gerilim havai iletim hatlarında kullanılan iletken tipleri tanıtılmıştır. İletken tiplerinin farklı özellikleri bakımından karşılaştırmalar yapılmıştır. Aynı zamanda, iletken tipi seçiminde dikkate alınması gereken kriterler verilmiştir. Bu kriterlerin önemini anlamak açısından açıklamaları yapılmıştır.
Üçüncü bölümde, IEEE-738 standardı referans alınarak iletkenlerin farklı ortam koşullarında akım ve sıcaklık hesaplamaları için kullanılan formüller tanıtılmıştır. Ortam koşulları ve iletken akımına göre iletken sıcaklığının belirlenmesi açıklanmıştır. 
Dördüncü bölümde, elektrik ve manyetik alan kavramları tanıtılmıştır. Aynı zamanda elektrik ve manyetik alan hesaplamaları için kullanılan eşitlikler verilmiştir.
Beşinci bölümde, COMSOL Multiphysic programının Heat Transfer ve AC/DC modülü tanıtılmıştır.
Altıncı bölümde, yüksek gerilim havai iletim hatlarında kullanılan iletken tiplerinin gerilim düşümü, güç kaybı ve sehim hesaplamalarını yapabilmek için formülasyonlar verilmiştir.
Yedinci bölümde, yüksek gerilim havai iletim hatlarında kullanılan iletken tiplerinin 5-35 °C arasında 4 farklı ortam sıcaklığında ve 0,1-15 m/s arasında 9 farklı rüzgar hızında uygulanan akım değerine göre iletken sıcaklıkları analizi yapılmıştır. Sonlu elemanlar yönteminde ulaşılan sonuçlar IEEE-738 standardında yapılan hesaplama sonuçları ile desteklenmiştir. İletkenlerin 400 kV ve 750 kV gerilim seviyelerinde elektrik alan davranışları, her iletkene eşit yüklenme durumunda iletkenlerin davranışlarını incelemek için ACSR iletkeninin maksimum çalışma akımı olan 990 A akım ve her iletkenin maksimum çalışma akımı uygulanarak, manyetik alan davranışları incelenmiştir. MATLAB yazılımında belirli bir hat üzerinde farklı iletken tiplerine göre yapılan gerilim düşümü, güç kaybı ve sehim hesaplamaları karşılaştırılmıştır.
Sonuç bölümünde, 9 tip iletken ısıl, elektromanyetik davranış, sehim, gerilim düşümü ve güç kaybı yönünden değerlendirilip, hesaplama ve analiz sonuçlarından elde edilen çıkarımlar yapılmış ve öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Electrical energy is produced in the production facilities and increased to high voltage level with step-up transformers. It is transmitted to consumption points with overhead line conductors at high voltage levels. Determining the conductor to be used in the transmission phase is important in terms of efficient and safe transmission of electrical energy. Due to developing technology and increasing population density, electric energy demand is increasing day by day. In order to meet the increasing energy demand, new transmission lines should be built, new lines should be added to existing transmission lines, the voltage level should be increased, the cross-section of existing transmission lines should be increased or existing transmission lines should be replaced with different types of conductors. In this thesis studies, can be done performance analyzes of ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced), AAC(All Aluminum Conductor), AAAC(All Aluminum Alloy Conductor), STACIR(Super Thermal Alloy Conductor Invar Reinforced), GTACSR(Gap Type Thermal-Resistant Aluminum Alloy Conductor Steel Reinforced), ACCC( Aluminum Conductor Composite Core), ACCR(Aluminum Conductor Composite Reinforced), ACSS(Aluminum Conductor Steel Supported), ACAR(Aluminum Conductor Alloy Reinforced) overhead line conductors with approximately the same outer as a reference for these studies. Thermal analyzes of the conductors were performed at air temperatures of 5-15-25-35 °C and wind speeds of 0,1-0,5-1-3-5-7-9-11-13-15 m/s using the 2-D, finite element method using COMSOL Multiphysic made in software. At the same time, the analytical results of the current-temperature relationship under varying ambient conditions according to the formulations given in the IEEE-738 standard were calculated in the MATLAB software and the thermal analysis results were compared. In order to examine the behavior of the conductors at 400 kV and 750 kV voltage levels with electric field and equal load, the magnetic field behavior of the ACSR conductor at a current value of 990 A, which is the maximum current carrying capacity of the conductors, and at the maximum operating currents of the conductors, was investigated in 2-D in COMSOL Multiphysic software. When different conductors are used, voltage drop, power loss and deflection calculations are calculated with MATLAB software.
In the first chapter, the increase in demand for electrical energy, transmission difficulties and various proposed solutions to meet the increasing energy demand are mentioned. The studies carried out for these solutions all over the world are given. The aim of this study and our hypothesis are explained.
In the second chapter, the types of conductors used in high voltage overhead transmission lines are introduced. Comparisons were made in terms of different properties of the conductor types. At the same time, the criteria to be considered in the selection of conductor type are given. Explanations have been made to understand the importance of these criteria.
In the third chapter, the formulas used for current and temperature calculations of conductors in different ambient conditions are introduced with reference to the IEEE 738 standard. Determination of conductor temperature according to ambient conditions and conductor current is explained.
In the fourth chapter, the concepts of electric and magnetic field are introduced. At the same time, the equations used for electric and magnetic field calculations are given.
In the fifth chapter, the Heat Transfer and AC/DC module of the COMSOL Multiphysic program are introduced.
In the sixth chapter, formulations are given to calculate voltage drop, power loss and sag of conductor types used in high voltage overhead transmission lines.
In the seventh chapter, the conductor temperatures of the conductor types used in high voltage overhead transmission lines are analyzed according to the current value applied at 4 different ambient temperatures between 5-35 °C and 9 different wind speeds between 0,1-15 m/s. The results obtained in the finite element method were supported by the calculation results made in the IEEE 738 standard. In order to examine the electric field behavior of the conductors at 400 kV and 750 kV voltage levels, and the behavior of the conductors under equal load on each conductor, the magnetic field behavior of the ACSR conductor was investigated by applying the maximum operating current of 990 A and the maximum operating current of each conductor. In MATLAB software, voltage drop, power loss and sag calculations made according to different conductor types on a certain line are compared.
In the conclusion section, 9 types of conductors are evaluated in terms of thermal, electromagnetic behavior, deflection, voltage drop and power loss, inferences obtained from the calculation and analysis results are made and suggestions are presented.