Yüksek gerilim ayırıcılarının karma gerilimlerde sonlu elemanlar yöntemi ile elektrik alan analizi

Abstract

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.