Doğru akım uyartımın güç transformatörlerine etkilerinin analizi

Abstract

Güneş'te meydana gelen patlamaların, Dünya'nın jeomanyetik alanına etkisi neticesinde, iletim hatlarında 0.01 Hz civarında frekanslarda gerilimler indüklenir. Bu gerilimler, çok yüksek gerilimde enerji naklinde tercih edilen yıldız noktası topraklanmış iletim hatlarında literatürde "jeomanyetik indüklenen akımlar" (JİA) olarak adlandırılan yaklaşık doğru akımların dolaşmasına yol açar. Bununla birlikte, yüksek gerilim doğru akım iletimi sistemleri ve transformatörsüz fotovoltaik dağıtık üretim birimleri sebebiyle doğru akımlar (DC) alternatif akım güç sistemlerine akabilir. Literatürdeki çalışmalardan, JİA veya DC uyartım altında transformatörlerin, doğru akımın yönüne bağlı olarak şebeke geriliminin pozitif veya negatif yarım periyodunda doyuma ulaştıkları bilinmektedir. Doyuma ulaşan transformatörlerin, yüksek harmonik bozulmaya sahip ve aşırı büyüklükte uyartım akımlarına, yüksek reaktif güç taleplerine ve ekstra kayıplara sahip olduğu, ölçüm ve simülasyon temelli analiz çalışmalarında ifade edilmiştir. Ayrıca, bu çalışmalarda, faz sayısı, nüve tipi ve nüvenin bacak sayısı gibi parametrelerin, transformatörün DC uyartıma hassasiyetini etkileyen başlıca unsurlar olduğu gözlenmiştir. Diğer taraftan, DC uyartımın transformatörler üzerindeki etkilerini analiz eden çalışmalar halen devam etmekte olup ilgili literatür gelişim süreci içindedir. Bu tez çalışmasında, dengeli ve dengesiz DC uyartımın tek fazlı çekirdek tipi nüveli, üç fazlı üç bacaklı çekirdek tipi nüveli, üç fazlı beş bacaklı shell tipi nüveli transformatörlere etkilerinin analiz edilmesi amaçlanmıştır. Analizlerde boşta çalışma durumu için benzetim yoluyla bulunan; manyetik akı tepe değeri, primer taraf akımlarının temel harmonik ve toplam etkin değerleri, primer taraf akımlarının toplam harmonik bozulma ve toplam talep bozulma değerleri, primer taraf akımlarının dengesizlik faktörü, sekonder taraf gerilimlerinin toplam harmonik bozulma, dengesizlik faktörü ve temel harmonik sapma değerleri, kayıplar ile temel harmonik reaktif güç talebi büyüklüklerinin DC uyartım seviyesiyle değişimleri yorumlanmıştır. Son olarak; dikkate alınan transformatör tiplerinin kayıp ve en yüksek akım etkin değerinin kriter olarak kabul edildiği iki farklı yaklaşımına göre DC uyartım altında azami yüklenme oranları incelenmiştir.

As a result of the effect of solar bursts on the Earth's geomagnetic field, the voltages with frequencies around 0.01 Hz are induced in the transmission lines. These voltages lead to circulating quasi direct currents (DC), so-called "geomagnetically induced currents" (GIC) in the literature, in the star point earthed very long transmission lines preferred for energy transmission at extra high voltage levels. Furthermore, due to high voltage direct current transmission systems and transformerless photovoltaic distributed generation units, DC currents can flow into alternating current power systems. From the studies in the literature, it is known that under GIC and DC excitation, transformers can be saturated during the positive or negative half period of utility voltages depending on the polarity of DC excitation. In the measurement and simulation based analysis studies, it is mentioned that the saturated transformers have highly distorted and excessive excitation currents, the high reactive power demands and extra losses. In addition, it is also observed in these studies that the phase numbers, core type and core leg numbers of the transformer affect its sensitivity to the DC excitation. On the other hand, the studies, which analyse the effects of DC excitation on the transformers, are still being continue and the literature on the subject is in the process of development. In this thesis, it is aimed to analyse the effects of balanced and unbalanced DC excitation on single-phase core-type, three-phase three legs core type, three-phase five legs shell type transformers. In the analysis, by using the simulation results obtained under the no load condition, with the increment of the dc excitation level, the variation of quantities as magnetic flux peak values, fundamental harmonic rms and total rms values of primary side currents, total harmonic distortion and total demand distortion values of primary side currents, unbalance factor of primary side currents, total harmonic distortion, unbalance factor and fundamental harmonic deviation value of the secondary side voltages, losses and fundamental harmonic reactive power demand are interpreted. Finally, according to two different approaches based on the criteria as the loss and highest rms current, the maximum loading ratios of the considered transformer types are examined under the DC excitation.