Yıldırım elektromanyetik darbesinin yüksek gerilim hatları ı̇le doğrudan ve dolaylı etkileşiminin modellenmesi ve analizi
Modelling and analysis of direct and indirect interactions of lightning electromagnetic pulse with high voltage lines
Yazar: TURAN ÇAKIL
Danışman: PROF. DR. ŞÜKRÜ ÖZEN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektromanyetik Alanlar ve Mikrodalga Tekniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik güç sistemleri = Electric power systems ; Elektrik iletimi = Electric transmission ; Elektromanyetik alanlar = Electromagnetic fields ; Elektromanyetik dalgalar = Electromagnetic waves ; Elektromanyetik darbeler = Electromagnetic pulses ; Elektromanyetik kuplaj = Electromagnetic coupling ; Elektromanyetik uyumluluk = Electromagnetic compatibility ; Enerji iletim hatları = Energy transmission lines ; Yüksek gerilim hatları = High voltage lines ; Yüksek gerilim sistemleri = High voltage systems

Özet:
Güç sistemlerinin kritik unsurları olan yüksek gerilim enerji tesisleri ve iletim hatları, yıldırım elektromanyetik darbeleri (YEMD) nedeniyle ciddi arızalar ve harmonik bozulmalarla karşı karşıya kalmaktadır. Bu arızalar, enerji tüketiminde aksamalara ve ekonomik kayıplara yol açmakta olup, önleyici tedbirlerin alınmasını zorunlu kılmaktadır. Bu bağlamda, yüksek gerilim (YG) sistemlerinin simülasyon programları kullanılarak modellenmesi ve analiz edilmesi, alınacak tedbirlerin belirlenmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Çalışmada, MATLAB, EMTP ve CDEGS gibi simülasyon programları kullanılarak enerji iletim hatlarında ve bu hatlarla ilişkili tesislerde YEMD kaynaklı elektriksel arızaların analiz edilmesi ve bu arızaların etkilerinin minimize edilmesi hedeflenmiştir. Bu alanda uluslararası literatürde çalışmalar bulunmasına rağmen, ulusal düzeyde kapsamlı araştırmalar yetersiz kalmaktadır. Çalışmanın özgün değeri, klasik koruma tedbirlerinin (parafudr ve paratoner) yanı sıra elektromanyetik ekranlama yöntemleri ile yeni korunma stratejileri geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmaktadır. YEMD'in doğrudan ve dolaylı etkilerini (kublaj etkisi) minimize etmek amacıyla elektromanyetik uyumluluk (EMC) açısından ekranlama metotları önerilmiştir. Bu bağlamda, enerji iletim hatları ve ilgili tesislerde YEMD'in neden olduğu arızaların analiz edilmesi, bu arızaların konumlarının belirlenmesi ve etkilerinin en aza indirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada analitik yöntemler ve gerçek hat verilerine dayanan simülasyonlar kullanılarak, YEMD kaynaklı arızaların çözümüne yönelik basit ve pratik matematiksel modeller geliştirilmiştir. Bu modeller, ulusal şebekede YEMD kaynaklı arızaların çözümüne önemli derecede kolaylık sağlamaktadır. Çalışmada, Türkiye'nin Batı Akdeniz ve Ege bölgelerinde yoğun YEMD düşüşlerinin yaşandığı enerji iletim hatları üzerinde analitik hesaplamalar yapılmış ve gerçek zamanlı veriler Türkiye Meteoroloji Genel Müdürlüğü ile Türkiye Elektrik İletim A.Ş.'den sağlanmıştır. Çalışmada Türkiye'de kullanılan 380, 154 kV ve 34.5 kV'lık kablo ve havai hatlar incelenmiş, farklı direk tipleri değerlendirilmiş ve çeşitli bölgelerde (özellikle Antalya, Burdur, Isparta, Muğla ve Denizli) analitik hesaplamalar ve yazılım geliştirmeleri yapılmıştır.  Bu veriler, hatların ve tesislerin YEMD karakteristikleri, topraklama ve koruma iletkeni özelliklerini içermektedir. YEMD kaynaklı arızaların ve kublaj etkilerinin analizi, matematiksel modeller ve bilgisayar simülasyonları ile gerçekleştirilmiş ve yeni korunma yöntemleri önerilmiştir. Çalışmada ayrıca, hat kulelerinin yeraltındaki topraklama yapısına yeni bir bakış açısı kazandırılmış ve Faraday kafesi şeklinde topraklama modelleri oluşturularak geleneksel topraklama modelleri ile karşılaştırılmıştır. Uluslararası literatürde genellikle YEMD'in doğrudan hatta düşmesi sonucu oluşan durumlar incelenmişken, bu çalışmada dolaylı düşüşler de kapsamlı olarak ele alınmıştır. Ayrıca, enerji tesislerinin ve iletim hatlarının YEMD'e karşı performansını iyileştirmenin bir yolu olarak parafudr kullanmanın faydaları da incelenmiştir. Parafudrların optimal ve uygun maliyetli yerleşimini belirlemek için EMTP-ATP simülasyon analizleri yapılmış ve farklı konfigürasyonlar değerlendirilmiştir. Çalışmada, iletim hatlarını YEMD'den korumak için iki farklı tasarım düşünülmüştür: her kulenin seçilen fazına hat parafudr takmak ve seçilen kulelerin tüm fazlarına hat parafuduru takmaktır. Hat izolatörlerinin geri atlama gerilim (flashover) değerleri eşik voltajı olarak kullanılarak farklı parafudr kurulum konfigürasyonları değerlendirilmiştir. Ayrıca, hatların karakteristik empedansı YEMD performansı açısından incelenmiş ve sadece topraklama direncine değil, hattın karakteristik empedansına da dikkat edilmesi gerektiği önerilmiştir. Bu tez çalışması, YEMD'in etkisini toprak koşulları, topraklama tasarımı ve YEMD akımının enjeksiyon noktasının konumu gibi parametreler üzerinden simülasyon ve numerik metotlarla tespit etmektedir. MATLAB/Simulink ve EMTP-ATP benzetim programları ile TEİAŞ Genel Müdürlüğü ve Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden alınacak veriler sayesinde gerçek zamanlı transient analizler yapılmıştır. Çalışma, ulusal şebekede YEMD kaynaklı arızaların çözümüne yönelik basit ve pratik matematiksel modellemeler geliştirilmesini sağlamıştır. 
	Sonuç olarak, YEMD analizi sonucu elde edilen benzetim modellerinin, gelişmekte olan yapay zekâ tabanlı şebeke çalışmalarına da katkı sağlaması beklenmektedir. Bu kapsamda elde edilen sonuçlar, ulusal ve uluslararası literatüre önemli katkılar sunmakta ve ileri araştırmalar için bir temel oluşturmaktadır.

Abstract:
High voltage energy facilities and transmission lines, critical elements of power systems, are prone to serious faults and harmonic distortions due to lightning electromagnetic pulses (LEMP). These faults lead to disruptions in energy consumption and economic losses, necessitating the implementation of preventive measures. In this context, the modelling and analysis of high voltage (HV) systems using simulation programs such as MATLAB, EMTP and CDEGS are of paramount importance in determining the necessary measures to be taken. The aim of this study is to analyse electrical faults caused by LEMP in energy transmission lines and associated facilities using simulation programs and to minimize the effects of these faults. Despite existing studies in the international literature, comprehensive research at the national level is insufficient. The originality of this study focuses on the development of new protection strategies using electromagnetic screening methods, in addition to classical protective measures (surge arresters and lightning rods). Electromagnetic compatibility (EMC) screening methods have been proposed to minimize the direct and indirect effects (coupling effect) of LEMP. In this context, the analysis of faults caused by LEMP in energy transmission lines and associated facilities, determination of the locations of these faults, and minimization of their effects are targeted. Simple and practical mathematical models for solving faults caused by LEMP have been developed based on analytical methods and simulations using real-world data. These models significantly facilitate the resolution of faults caused by LEMP in the national grid. Analytical calculations have been conducted on energy transmission lines with intense lightning strikes in the Western Mediterranean and Aegean regions of Turkey, and real-time data has been obtained from the Turkish State Meteorological Service and the Turkish Electricity Transmission Corporation. Cable and overhead lines of 380 kV, 154 kV, and 34.5 kV used in Turkey have been examined, different pole types have been evaluated, and analytical calculations and software developments have been made in various regions, especially Antalya, Burdur, Isparta, Mugla, and Denizli. These data include the lightning characteristics of the lines and facilities, grounding, and protection conductor properties. The analysis of faults caused by LEMP and coupling effects has been carried out using mathematical models and computer simulations, and new protection methods have been proposed. Additionally, a new perspective on the grounding structure of pole towers has been provided, and grounding models in the form of Faraday cages have been created and compared with traditional grounding models. While the international literature has generally focused on situations resulting from direct lightning strikes on the line, this study comprehensively addresses indirect strikes as well. Furthermore, the benefits of using surge arresters to improve the performance of energy facilities and transmission lines against LEMP have been examined. EMTP-ATP simulation analyses have been conducted to determine the optimal and cost-effective placement of surge arresters, and different configurations have been evaluated. Two different designs have been considered to protect transmission lines from LEMP: installing line surge arresters on selected phases of each tower and installing line surge arresters on all phases of selected towers. Different surge arrester installation configurations have been evaluated using the flashover values of line insulators as threshold voltages. Additionally, the characteristic impedance of the lines has been examined in terms of LEMP performance, and it has been suggested that attention should be paid not only to the grounding resistance but also to the characteristic impedance of the line. This thesis aims to determine the effect of LEMP on parameters such as ground conditions, grounding design, and the location of LEMP current injection through simulation and numerical methods. Real-time transient analyses have been performed using MATLAB/Simulink and EMTP-ATP simulation programs with data obtained from the Turkish Electricity Transmission Corporation and the State Meteorological Service. The study has facilitated the development of simple and practical mathematical models for solving faults caused by LEMP in the national grid. In conclusion, it is expected that the simulation models obtained because of LEMP analysis will contribute to developing artificial intelligence-based network studies. In this context, the results obtained significantly contribute to the national and international literature and lay the foundation for further research.