5.1 2.7 m, 60 cm Çaplı Korona Kafesi Analizleri
Yapılan hesaplamalara bakıldığında, ifadelerin iletken yüzeylerinde oluşan maksimum elektrik alan şiddetine bağlı oldukları görülmektedir. Bu nedenle, deneyi yapılan her bir iletken konfigürasyonu için ayrıca elektrik alan analizleri yapılmış ve hem korona başlangıç gerilimindeki elektrik alan şiddetleri, hem de farklı gerilimlerdeki alan şiddetleri elde edilmiştir.
Şekil 5.1: Küçük boyutlu korona kafesinin sonlu elemanlar modeli.
Şekil 5.1’de küçük boyutlu korona kafesinin analizde kullanılan 3D modeli görülmektedir. Özellikle demet yapısında eksenel simetri olmaması nedeniyle, iki boyutlu model kullanılmamış, 3D model tercih edilmiştir. Deney koşullarına uygun olması açısından, iletkenlerin sonlandırıldığı korona halkaları ve ölçme kısmı ile koruma elektrotları arasındaki yalıtkan ortam da modele eklenmiştir.
Elektrik alan analizleri, sonlu elemanlar yöntemi kullanan Comsol Multiphysics paket programı kullanılarak yapılmıştır. Kafes içerisindeki iletken konfigürasyonlarına gerilim uygulanırken, kafesin tamamı topraklanmıştır. Üç boyutlu model ile yapılan analizler sonunda, iletken yüzeylerindeki maksimum elektrik alan şiddetleri elde
edilmiştir. Bu model kullanılarak yapılan 4x1272 MCM yapısına ilişkin alan dağılımı Şekil 5.2’de görülmektedir.
Şekil 5.2: 4x1272 MCM iletken için iletken çevresindeki elektrik alan dağılımı. 100 kV’a kadar olan deney gerilimleri için, tekil iletken yapısında belirlenmiş elektrik alan şiddeti değerleri Çizelge 5.1’de görülmektedir. Demet iletken sonuçları ise EK B’de verilmiştir.
Çizelge 5.1: Tekil iletken benzetimlerinde elde edilen maksimum elektrik alan şiddetleri. E [kV/cm] Deney gerilimi [kV] 4 mm 7 mm 7.14 mm 10 9.96 6.42 8.77 20 19.93 12.85 17.55 30 29.89 19.27 26.32 40 39.86 25.69 35.1 50 49.82 32.11 43.87 60 59.78 38.54 52.65 70 69.75 44.96 61.42 80 79.71 51.38 70.2 90 89.68 57.8 78.97 100 99.64 64.23 87.75
Çizelgeden görüleceği gibi, tekil iletken durumunda, maksimum elektrik alan şiddetleri, küçük deney gerilimlerinde, havanın delinme alan şiddetinin (30 kV/cm) üzerine çıkmaktadır. Bu değerleri veren gerilimlerin üzerine çıkıldığında koronanın başlayacağı düşünülse de deneysel sonuçlara bakıldığında koronanın, bu gerilim düzeylerinden daha yüksek değerlerde başladığı belirlenmiştir. Bu nedenle korona başlangıç gerilimleri deneysel olarak belirlenmiş ve bu gerilimlerde yapılan
Çizelge 5.2: Tüm iletken yapıları için korona başlangıç alan şiddetleri.
Negative DC Positive DC
İletken Korona başlangıç gerilimi [kV] Korona başlangıç elektrik alanı [kV/cm] Korona başlangıç gerilimi [kV] Korona başlangıç elektrik alanı [kV/cm] tekil 4 mm 43 42,84 53 52,81 7 mm 70 44,96 75 48,17 7,14 mm 55 48,26 63 55,28 2' li d e m et 2 cm 65 49,69 68 51,98 4 cm 55 42,88 66 51,46 6 cm 40 32,11 62 49,77 3' lü d em et 2 cm 70 44,4 82 52,01 4 cm 66 42,63 78 50,38 6 cm 57 38,48 76 51,31 4' lü d em et 2 cm 87 47,76 92 50,51 4 cm 81 45,6 87 48,98 6 cm 77 46,17 83 49,77
Çizelge 5.2’de, deneyi yapılan bütün durumlar için analizler sonucu elde edilmiş korona başlangıç elektrik alan şiddetleri pozitif ve negatif polariteler için verilmiştir. Çizelgeden görülebileceği gibi, koronanın başlaması için gerekli olan elektrik alan şiddeti, iletken yapısına bağlı olarak 32 kV/cm ile 55 kV/cm arasında değişmektedir.
5.2 6 m, 2x2 m Kesitli Korona Kafesi Analizleri
Büyük boyutlu korona kafesinde, deneysel çalışmalar sonrasında hem gerekli hesaplamalar için, hem de alan dağılımlarını görebilmek için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak elektrik alan analizleri gerçekleştirilmiştir. Bunun için, iletken konfigürasyonlarına ilişkin kafes ortamında sonlu elemanlar modelleri oluşturulmuştur. Bu yapılırken kafes gerçek boyutları ile 3D olarak modellenmiştir. Kafes tasarımı daha önce 3. Bölümde ayrıntılı olarak anlatılmıştır.
Özetlemek gerekirse tasarlanan kafesin özellikleri şu şekildedir: - Kafes kesiti: kare
- Kenar uzunlukları: 2 m x 2 m - Ölçme kısmının uzunluğu: 4 m
- Toplam kafes uzunluğu: 6 m
Şekil 5.3: Büyük boyutlu korona kefesinin 3D FEM modeli.
Tasarlanan bu korona kafesinde, ilk olarak model iletken deneyleri yapılacaktır. Bu amaçla ölçeklenmiş iletkenler kullanılarak elektrik alan analizleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 5.3’te 4x1272 MCM konfigürasyonunun 1/10 GMR ölçeklenmiş modelinin analizi için hazırlanmış olan geometri görülmektedir. Kafes, gerçek durumda olduğu gibi, ölçme ve koruma elektrotları birbirinden elektriksel olarak yalıtılmış olacak şekilde modellenmiştir. İletkenler, kafesin tam ortasına konumlandırılmıştır. Uç noktalardaki kenar etkilerini azaltmak ve bu noktalarda koronanın olmasını engellemek için iletken sonlandırmalarında korona halkaları kullanılmıştır.
Analizler sırasında, iletkenlere yüksek doğru gerilim uygulanmış, kafesin üç bölümü de topraklanmıştır. Analiz edilecek olan yapı çok büyük olduğu için, analiz süresini kısaltmak için, iletken ve çevresine sık bir ağ yapısı, geri kalan kafes ve dış ortam bölümlerine ise daha seyrek bir ağ yapısı atanmıştır (Şekil 5.4). Bu analizlerde önemli olan iletken yüzeyindeki alan şiddetlerinin elde edilmesi olduğu için, özellikle iletken yüzeyindeki ağ yapısının çok iyi olması gerekir.
Şekil 5.4: Büyük boyutlu korona kefesinin sonlu ağ modeli.
Şekil 5.5’te ve Şekil 5.6’da 4x1272 MCM swallow iletken kullanılarak yapılmış 1/10 GMR ölçeğindeki modelin 200 kV deney gerilimi altında elde edilmiş olan elektrik alan dağılımı görülmektedir. İletken yüzeyleri boyunca elektrik alan dağılımına bakıldığında ise ölçme kısmı içerisinde alan dağılımının düzgün olduğu görülmektedir. Oluşturulmuş ağ yapısının doğruluğu bu şekilde kontrol edilebilir.
Şekil 5.6: Bir iletken yüzeyi boyunca elektrik alan dağılımı.
Bir iletken çevresinde oluşan elektrik alan dağılımı ise Şekil 5.7’de verilmiştir. Çok telli iletken yapısı nedeniyle, çevresel alan şiddeti değişimi her bir iletkenin yüzeyi boyunca artıp azalış göstermektedir.
Şekil 5.7: İletken yüzeyindeki elektrik alan şiddeti değişimi.
Elektrik alan analizleri bütün 12 konfigürasyon için yapılmıştır. Bu analizler 50 kV ile 200 kV gerilim arasında 50’şer kV adımlarla genişletilmiştir. İletken yüzeylerinde oluşan maksimum elektrik alan şiddetleri sonuçları Çizelge 5.3’te verilmiştir.
Çizelge 5.3: Ölçeklenmiş iletkenlerde oluşan elektrik alan şiddetleri.
Elektrik alan şiddetleri [kV/cm]
Gerilim [kV] 50 100 150 200 1/10 GMR Raven 4 x 1272 MCM 10.3 20.6 30.9 41.3 3 x 1272 MCM 12.2 24.5 36.7 48.9 3 x 954 MCM 12.3 24.6 36.9 49.3 Swallow 4 x 1272 MCM 12.8 25.6 38.4 51.3 3 x 1272 MCM 15.1 30.1 45.2 60.2 3 x 954 MCM 15.1 30.2 45.3 60.4 1/5 GMR Raven 4 x 1272 MCM 9.8 19.7 29.5 39.4 3 x 1272 MCM 11.4 22.8 34.2 45.7 3 x 954 MCM 11.4 22.9 34.3 45.7 Swallow 4 x 1272 MCM 12.8 25.7 38.5 51.3 3 x 1272 MCM 15.1 30.2 45.3 60.5 3 x 954 MCM 14.9 29.8 44.7 59.6
Bu analizler, deneysel olarak belirlenen korona başlangıç gerilimleri için tekrar edilmiş ve korona başlangıç elektrik alan şiddetleri elde edilmiştir.
Yapılan analizlerde, ölçme segmentindeki iletken yüzeylerindeki maksimum elektrik alan şiddetleri pozitif ve negatif doğru gerilimler için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Çizelge 5.4’te hesaplanmış bu değerler bulunmaktadır. EK D’de ise diğer konfigürasyonlar için elde edilmiş maksimum alan şiddetleri verilmiştir. Çizelgeye göre korona başlangıç elektrik alan şiddetleri pozitif doğru gerilimde negatif doğru gerilimlerden daha yüksek olmaktadır.
Çizelge 5.4: 4x1272 MCM’in swallow iletken ile 1/5 GMR ölçeklemesi için max. elektrik alan hesabı.
Pozitif DC Negatif DC
Gerilim [kV] Max. elektrik alanı
[kV/cm] Gerilim [kV]
Max. elektrik alanı [kV/cm] Uk 155 54.72 136 48.01 %105 Uk 162.75 57.45 142.8 50.41 %110 Uk 170.5 60.19 149.6 52.81 %115 Uk 178.25 62.92 156.4 55.21 %120 Uk 186 65.66 163.2 57.61 %125 Uk 193.75 68.39 170 60.01 %130 Uk 201.5 71.13 176.8 62.41