Dinamik ark modelleri ve devre kesicilerin bilgisayar simülasyonu

Abstract

Bu tezin amacı yüksek ve orta gerilimde kullanılan kesicilerin açma-kapama işlemi sırasında meydana gelen arkların modellenmesi ve bilgisayar simülasyonları ile incelenmesidir. Güç sistemlerinde kısa devre arızalarının meydana gelmesi durumunda enerjinin sorunsuz bir biçimde kesilmesi ve gerekli korumanın sağlanması büyük önem taşımaktadır. Güç sistemlerinde kısa devre olaylarının büyük bir bölümü ark şeklinde meydana gelmektedir. Ayrıca kısa devre durumları veya normal şartlar altında kesici açma işlemini gerçekleştirdiğinde kontaklar arasında yine bir elektrik arkı oluşabilmektedir. Bu gibi durumlarda sistemden geçen akımın ve gerilim dalgasının biçiminde meydana gelen değişimin bilinmesi gerek koruma açısından, gerekse devre kesicilerinin tasarımı açısından büyük önem taşımaktadır. Elektrik arkı sabit bir direnç olarak modellenmekle birlikte, doğru bir analiz için daha detaylı modellere gerek bulunmaktadır. Bu amaç için, sabit direnç yerine karakteristiği zamanla değişkenlik gösteren dinamik ark modelleri kullanılmaktadır. Ancak bu gibi detaylı modellerin simülasyonunda zorluklar çekilmektedir. Son zamanlarda geliştirilen bir durum uzayı tekniği ile doğrusal olmayan ve zamana bağlı değişkenlik gösteren elemanların kolaylıkla modellenebileceği görülmüştür. Bu çalışmanın ilk aşamasında güç sistemlerinde kullanılacak devre kesicilerinin çeşitleri ve yapısı incelenerek elektrik arkının oluşumu ve çeşitleri hakkında gerekli bilgiler verilmiştir. Güç sistemi MATLAB bilgisayar programı ve durum uzayı tekniği kullanılarak modellenmiş ve simülasyon yoluyla kesici kontaklarının maruz kaldığı gerilim ile akım eğrileri elde edilmiştir.

The purpose of this thesis is to investigate the dynamic models of the electric arcs and simulation of medium and high voltages circuit breakers. In power systems, it is very important to switch the load and source without any problem and to provide a reliable protection in the case of short circuit faults. Most of the short circuit faults are in the form of electrical arcs. Also, electrical arcs occur between the contacts of the circuit breakers. Determination of current flowing in the system and changes in the voltage under these conditions is important for the protection process and for the design of the circuit breakers. Although an electrical arc can be modeled as a constant resistor, more accurate models are needed for a detailed analysis. To achieve this, dynamic arc models whose characteristics varying with time are used instead of constant resistance models. However, there are some difficulties in simulation of these models. With a recently developed state-space technique, it has been shown that non-linear and time-variant circuit elements can be modeled easily. In this thesis, the structure and the types of the circuit breakers are investigated, and useful knowledge about the occurrence and the types of the electrical arcs is given. Various arc models are simulated using a benchmark power system in MATLAB and the state-space technique is also used for transient simulation of fault arcs. Arc current and voltage are obtained.