Analysis of the effects of geomagnetic events on the thermal capacity and performance of synchronous generators

Abstract

In this study, the effects of geomagnetically induced currents (GICs), which occur in power transmission systems as a result of geomagnetic storms, on the performance parameters of synchronous generators were investigated. Parametric analyses were carried out under different grounding resistance values and GIC levels using a test system developed in the MATLAB/Simulink environment. The analyses revealed that GICs cause magnetic saturation in generator step-up transformers (GSUs), leading to increased harmonic components of magnetizing currents and elevated reactive power demand. This condition may result in thermal and structural issues such as rotor overheating, insulation degradation in field windings, and increased losses in synchronous generators. Furthermore, it was observed that low grounding resistance significantly amplifies harmonic distortion and reactive power demand, whereas higher resistance values help mitigate these effects. Additionally, instead of time-consuming detailed simulations, mathematical models were developed using the Response Surface Methodology (RSM) to enable fast, reliable, and highly accurate predictions of GIC impacts. The results demonstrated that key performance parameters such as equivalent negative sequence current (I2eq), total harmonic distortion of generator current (THDIG), and reactive power demand (Q1) can be statistically modeled with respect to GIC levels and grounding resistance.

Bu çalışmada, jeomanyetik fırtınalar sonucunda enerji iletim sistemlerinde oluşan jeomanyetik indüklenen akımların (JİA), senkron generatörlerin performans parametreleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. MATLAB/Simulink ortamında oluşturulan test sistemiyle farklı topraklama direnci ve JİA seviyeleri altında parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. Analizlerden, JİA’ların generatör yükseltme transformatörlerinde (GYT’lerinde) doyuma neden olarak mıknatıslanma akımlarının harmonik bileşenlerinde ve reaktif güç talebinde artışa yol açtığı görülmüştür. Bu durumun, senkron generatör rotorlarında aşırı ısınma, alan sargılarında izolasyon bozulması, kayıp artışı gibi termal ve yapısal sorunlara sebep olabileceği ifade edilebilir. Bununla birlikte, düşük topraklama direncinin harmonik bozulmaları ve reaktif güç talebini artırdığı, yüksek topraklama direncinin ise bu etkileri sınırladığı anlaşılmıştır. Ayrıca, zaman gereksinimi olan detaylı simülasyonların yerine Yanıt Yüzeyi Yöntemi (3Y) kullanılarak geliştirilen matematiksel modeller ile JİA etkilerinin hızlı, güvenilir ve yüksek doğrulukla öngörülebileceği ortaya konulmuştur. Elde edilen sonuçlar, eşdeğer negatif sıra akımı (I2eq), toplam harmonik bozulma (THDIG) ve reaktif güç talebi (Q1) gibi temel performans parametrelerinin, JİA seviyesi ve topraklama direnci ile olan ilişkilerinin istatistiksel olarak anlamlı biçimde modellenebildiği gösterilmiştir.