Elektriksel Boşalmaların Yük Benzetim Yöntemiyle Sayısal Analizi

Abstract

Bu çalışmada, yük benzetim yöntemi ile gazlarda, elektrostatik alan dağılımı ve korona başlangıç geriliminin hesabı için Windows işletim sisteminde çalışan, Korona 2002 adı verilen bir yazılım geliştirilmiştir. Geliştirilen yazılımla çubuk-düzlem, küre-düzlem ve silindir-düzlem elektrot sistemlerinde alan dağılımı ve korona başlangıç gerilimi hesabı yapılmıştır. Korona 2002’de, elektrot geometrisi, uygulanan gerilim ve yüklerle ilgili veriler girildikten sonra, yük değerleri ve elektrot sınırında alınan kontrol noktalarında potansiyel ve elektrik alan hesaplanmaktadır. Benzetimin doğruluğu, kontrol noktalarında hesaplanan potansiyellerin elektrot potansiyeline yakınlığı ile belirlenmektedir. Yeterli doğruluk elde edilmişse, elektrostatik alan dağılımı çizdirilmekte, maksimum elektrik alan şiddeti, faydalanma faktörü ve iyonlaşma bölgesi hesaplanmaktadır. Daha sonra, korona başlangıç gerilimini hesaplamak amacıyla, elektron çığının benzetimi halkasal yüklerle yapılmaktadır. Halkasal yükün değeri, elektronlarla gaz atomlarının çarpışma noktalarında oluşan pozitif iyonların toplam yüküne eşit alınmakta, yarıçapları ise elektronun difüzyon yarıçapından hesaplanmaktadır. Elektron çığı anoda ulaştığında eğer elektron sayısı 108 adet olursa, bu durumda çubuk ucundaki maksimum elektrik alanı 24.4 kV’tan küçük olmaktadır. Bu koşul sağlanırsa korona başlamış kabul edilmektedir. Bu durumda uygulanan gerilim korona başlangıç gerilimidir. Yapılan uygulamada, korona başlangıç geriliminin, korona başlangıcındaki maksimum alan şiddetinin, faydalanma faktörünün ve iyonlaşma bölgesi uzunluğunun, sabit elektrot yarıçapında elektrot açıklığı ile değişimi ve sabit elektrot açıklığında elektrot yarıçapı ile değişimi incelenmiştir. Korona 2002’de düzlem elektrot, yarıçapı ve yüksekliği değiştirilebilen sonlu düzlem olarak alınabilmekte, düzlem üzerine yarıküresel pürüz yerleştirilebilmektedir. Böylece düzlemin sonlu olmasının ve/veya pürüzün etkisi incelenebilmektedir. Sonuçlar, literatürdeki çalışmalarla karşılaştırıldığında, sonuçlar arasında uyum olduğu gözlenmiştir. Korona 2002’nin, yüksek gerilimde, elektrostatik alan ve korona başlangıç gerilimi hesabında kullanılabileceği görülmüştür.

High voltage equipment is the backbone of modern power systems. So, the insulation of the high voltage conductor is of primary importance. For the proper design, safe and reliable operation of the insulation system, a complete knowledge of the electric field distribution and corona inception voltage of any high voltage device is required. In the investigations of electrical breakdown of gases, particularly in the study of corona phenomena in atmospheric air, the asymmetrical nonuniform field configuration has been a valuable tool for experimental observations due to the local confinement of prebreakdown ionization around the stressed electrode. Many of the basic breakdown studies were carried out with rod to plane electrodes or with two rods. In this study, the electric field distribution and corona inception voltage of the rod-plane, sphere-plane and wire-plane electrode systems have been computed using Charge Simulation Method. A new software, named Corona 2002 (Electrical Discharge Analysis System) has been developed based on the Charge Simulation Method. Computations have been made under positive DC voltage for various electrode radius and gap spacings. In the computation of corona inception voltage, positive ions (space charges) the primary electron avalanche, have been simulated by a number of ring charges. Corona 2002, has been developed using Microsoft Visual Basic 6.0 for Windows operating system, and is user friendly. Results have been compared with those found in the literature, and were in good agreement. Results show that, Corona 2002 can safely be used to compute the electrostatic field distribution and corona inception voltage of the above mentioned electrode systems.