Manyetik kontrollü şönt reaktör tasarımı ve elektromanyetik analizlerinin gerçekleştirilmesi = Magnetic controlled shunt reactor design and performance of electromagnetic analysis

Abstract

Tüm dünyada ve ülkemizde, teknolojide meydana gelen gelişmeler, bu teknolojik ürünlere artan talep nedeniyle enerji ihtiyacı yıllar geçtikçe giderek artmaktadır. Enerji ihtiyacındaki bu artış, enerji üretim, iletim ve dağıtım şebekeleri üzerinde, yetersiz iletim kapasiteleri yüzünden olumsuz bir etki oluşturmaktadır. Oluşan bu ilave enerji ihtiyacını karşılamak için üretim artışının gerçekleşmesinin yanında, şebekenin doğru bir şekilde koordine edilmesi ve planlanması da önem arz etmektedir. Bu planlamanın başında artan hat kayıpları ve bu kayıpların azaltılması gelmektedir. Kayıplar günün belirli zamanlarında farklılık gösterebilir, gece saatlerinde kapasitif, gündüz saatlerinde ise endüktif etki daha baskın hale gelmektedir. Kompanzasyon sistemi maksimum kapasitif yüklenme durumu baz alınarak tasarlanmalıdır. Yanlış tasarlanmış iletim ve dağıtım hatları sistemde gereksiz yük oluşmasına neden olur. Yatırım maliyetleri büyüktür bu yüzden sistemdeki değişiklikler maddi sonuçları beraberinde getirir. Enerji iletim sistemi transformatörler , kablolar , koruma malzemeleri, reaktörler olmak üzere çeşitli yardımcı ekipmandan oluşur. Üretilen enerji iletilir. Dağıtım hatları , iletim hatlarına bağlanır. Kullanıcılar ise dağıtım hatlarından beslenirler. Elektrik güç sistemlerinde yükün azaltılmasıyla kapasitif akım artar. Artan bu kapasitif akım reaktif güç üretimine neden olur ve bunun sonucunda hattan iletilebilecek aktif akım azalmakta, hat sonu gerilimi yükselmektedir. Doğal olarak aynı aktif güç değerini iletmek için hat kayıpları da mutlak akımın karesi şeklinde artacaktır. Oluşan bu reaktif gücün tüketilmesi ve akımın mutlak büyüklüğünün azaltılması gerekmektedir. Bunun için farklı yöntemler geliştirilmiştir. Ancak, Manyetik Kontrollü Reaktör büyük bir aralıkta, yükte, yumuşak bir şekilde endüktif kapasitesini ayarlayabilme özelliğiyle, reaktif güç dengesini gerçekleştirebilecek en uygun çözümlerden biridir. Diğer reaktörlerden farklı kılan en önemli özelliği ayarlanabilir kapasitesidir. Reaktörler, kapasitif etki altında olan hatlarda ve işletmelerde endüktif-kapasitif güç dengesini sağlamak için endüktif yük görevi görürler. Yaygın olarak DC sürücülerin ağırlıklı olduğu işletmelerde, uzun iletim hatlarında, yarı iletkenin yaygın olarak kullanıldığı güç sistemlerinde, baz istasyonlarında, uzun kabloların kullanıldığı sistemlerde, hastaneler ve magzalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Kapasitif etkinin sebep olduğu başlıca sorunlar vardır. Ceza ödenmesi , Sistem içindeki cihazların ve sistem ömrünün azalması , Enerji iletiminin veriminin düşmesi, Bakım-onarım masraflarındaki artış reaktif güc artışının oluşturduğu sorunlardan birkaç tanesidir. 22 Manyetik Kontrollü Şönt Reaktörler, iletim sisteminin reaktif kapasitesini düzenlemeye yarayan çok yönlü bir AC iletim cihaz tüğrüdür. Mcr'nin analizi çok önemli bir faktördür, son yıllarda bilim adamları farklı bakışacılarıyla MCR çalışmaları yapmışlardır. MCR yaklaşık eşdeğer devre üzerinden analiz edilmektedir ve bunun başlıca nedeni karmaşık olan elektriksel yapısıdır. MCR kontrol sistemi , kontrol yöntemine göre açık çevrim kontrol, kapalı çevrim kontrol olarak sınıflandırılabilir. Açık çevrim kontrolde çıkıştan geri besleme alınamaz. Bozucu etkiler sistem tarafından tespit edilemez. Açık cevrim kontrol yapısı hassas olmayan sistemlerde kullanılır. Kapalı çevrim kontrol sisteminde çıkıştan geri besleme alınır. Bozucu etki sistem tarafından tespit edilebilir. Hassas bir kontrol sağlanmış olur. MCR'lerde genelde kapalı çevrim kontrol kullanılmaktdır. MCR'de meydana gelen kayıplar nüve kayıpları, sargı kayıpları ve ek kayıplardan oluşur. Demir Çekirdekli Reaktörlerin nüvesinde depolanan akıdan dolayı nüvede kayıplar meydana gelir. Reaktör yapısına ve çeşidine bağlı olarak nüvenin doyumda çalışma durumlarına rastlanabilir ama standart şönt reaktörlerde böyle bir durum istenmez. Bakır kayıpları sargıların DC ve AC kayıpları olmak üzere iki çeşittir. Bu kayıp değeri reaktör buşinglerine gelen gerilim değerine göre ve reaktörün çektiği akıma bağlı olarak değişiklik gösterir. Ek kayıplar ise sargı ve nüve dışında kalan metal kısımlarda oluşan kayıplardır. MCR harmonik açıdan reaktörün yüküne bağlı olarak değişmektedir. Reaktör yükü arttıkça harmonik içeriği azalmaktadır. Benzer ürün olan Tristör Kontrollü Reaktöre göre harmonik içeri fazladır. MCR nüvesindeki boşluğun kordinasyonu ile reaktör harmonik içeriği azaltılabilmektedir. MCR'de soğutma sistemi de önemlidir. Reaktöler genelde ONAN soğutmaya göre tasarlanır. Güç artışı istenmesi durumunda ONAF sisteme geçilir. FEM analizleri son yıllarda yaygınlaşmış ve önemli hale gelmiştir. Bu yazılımlar sonlu ağ oluşturma mantığıyla çalışan büyük ölçekli bir yazılımdır ve elektromanyetik sektöründe yaygın olarak kullanılır. Karmaşık AR-GE sürecine sahip ürünlerde bu tür yazılımlar üretim öncesi harcamayı ve karşılaşılacak sorunları azaltır. Elektromanyetik modelin mümkün olduğu kadar sade olmasına dikkat edilmelidir. Analitik hesapları yapılan ürün için üretim aşaması ciddi önem arz eder. Üretimden kaynaklı hatların tespiti ciddi zaman alıcı ve zordur. Protatip ürünün üretilmesi aşamasında , yetersiz ve uygun olmayan kurutmadan, yağın nemli olmasından, yetersiz ham madde kullanımından kaçınılmalıdır. MCR test aşamısında karmaşık ve anlaşılması zor yapısından dolayı testler titizlikle yapılmaldır. Reaktöre yapılan testler ile sarım sayıları doğrulanmaldır. Direnç ölçümünde "RATECH WR50-13" cihazı kullanılmıştır.Her faz için drienç ölçümü yapılır. Her fazdaki uçlarda yakın değerlerin ölçülmesi beklenir. Değerlerin arasındaki farkın fazla olması durumunda test tekrarlanmalı yada ürün gözden geçirilmelidir. Oran testi "OMICRON CPC100" cihazı ile yapılmaktadır. Reaktör girişinden 400 V uygulanmakta ve diğer uçlarda oluşan gerilim ölçülmektedir. Tasarım aşamasında bu 23 test sonucunda okunacak değerler hesaplanmaktadır. Ölçüm sonuçları tasarım esnasında hesaplanan değerler ile yakın çıkması beklenir. Reaktöre AC yüksek gerilim verilmeden önce son olarak izolasyon testi yapılmalıdır. Bu test "MEGGER MIT 525" cihazı ile yapılır. Sonrasında ise uygulanan ve indüklenen gerilim testleri yapılmaktadır. Reaktör sargısının belirli sarımlarından alının uçlar tristörler ile hatasız bağlanmasına dikkat edilmeldir. Test ortamında tristörlerin tetik açıları 90 dereceye doğru azaltılır. Manyetik Kontrollü Şönt Reaktörler son yıllarda dünya üzerinde yaygın olarak kullanılmaya başlandığı gibi, Türkiye'de de yaygınlaşmaya ve sistem tasarımcılarının ilgi odağı haline gelmeye başlamıştır. Tüm bu gelişmelere rağmen Türkiye'de bu ürün detaylı bir şekilde incelenmemiş ve tam olarak bilinmemektedir. Bu çalışmada, 2MVAr gücünde Manyetik Kontrollü Reaktörün teknik ve ekonomik açıdan en uygun tasarımı, tasarımın en uygun şekilde elektromanyetik analiz programına tanımlanması, reaktörün aktif güç kayıplarının analiz ortamında ve test ortamında tespiti, reaktör akımının yüklenme rejimine göre harmonik içeriğinin tespit edilmesi ve alternatif ürünlerle karşılaştırılması, alternatif ürünlerle teknik ve ekonomik açıdan uygunluğu, uygunsuzluğunun araştırılması, çalışmaları yapılmıştır. Bu tez çalışması sonucunda, iletim hatlarının en uygun şekilde koordine edilmesi, ihtiyaç olan reaktif güç dengesi ve değişken reaktif güç ihtiyacı için geliştirilen Manyetik Kontrollü Şönt Reaktörün çalışma yapısı anlaşılmıştır. İleriki akademik çalışmalarda kazan, ek aksesuarlar ve sargıda meydana gelen kayıplar, nüve birleşme noktalarında meydana gelen kayıplar ve harmonikler, MCR'nin diğer kompanzasyon sistemleri ile koordineli kompakt bir şekilde çalışması, tepki süresinin kısaltılması, ses seviyesinde iyileştirme, kayıplarının azaltılması üzerine çalışılacaktır.

Both worldwide and within our country, the developments in technology and the increasing demand for technological products are leading to a progressively rising energy requirement. This escalation in energy demand adversely affects energy production, transmission, and distribution grids due to insufficient transmission capacities. To meet this additional energy demand, besides increasing production, proper coordination and planning of the grid are crucial. At the forefront of this planning is the need to address increasing line losses and reduce them. Losses may vary at different times of the day, with capacitive effects being more dominant during nighttime and inductive effects during daytime. The compensation system should be designed based on maximum capacitive loading. Improperly designed transmission and distribution lines cause unnecessary load on the system. Investment costs are large, so changes in the system bring financial consequences. The energy transmission system consists of various auxiliary equipment such as transformers, cables, protection materials and reactors. The energy produced is transmitted. Distribution lines are connected to transmission lines. Users are fed from distribution lines. In electrical power systems, reducing the load increases capacitive current. This increased capacitive current leads to reactive power generation, resulting in a decrease in the active current that can be transmitted through the line and an increase in line-end voltage. In order to transmit the same active power, line losses will also be increased as the square of absolute current. it is necessary to consume this reactive power and reduce the absolute magnitude of the current. Various methods have been developed for this purpose. However, the Magnetic Controlled Reactor, with its ability to smoothly adjust inductive capacitance over a wide range of loads, is one of the most suitable solutions for achieving reactive power balance. The most important feature that makes it different from other reactors is its adjustable capacity. Reactors serve as inductive loads to ensure inductive-capacitive power balance in lines and enterprises under capacitive influence. It is widely used in businesses where DC drivers are dominant, long transmission lines, power systems where semiconductors are widely used, base stations, systems where long cables are used, hospitals and stores. There are fundamental problems caused by the capacitive effect. Payment of fines, shortening the life of the devices and the system within the system, decreasing energy transmission efficiency, increasing maintenance and repair costs are some of the problems caused by the increase in reactive power. Magnetically Controlled Shunt Reactors are a versatile type of AC transmission device that serves to regulate the reactive capacity of the transmission system. The 26 analysis of MCR is a very important factor. In recent years, scientists have conducted MCR studies with different perspectives. MCR is analyzed on an approximately equivalent circuit and this is mainly due to its complex electrical structure. MCR control system can be classified as open-loop control and closed-loop control according to the control method. In open loop control, no feedback can be received from the output. Disruptive effects cannot be detected by the system. Open loop control structure is used in non-sensitive systems. In the closed loop control system, feedback is received from the output. The disruptive effect can be detected by the system. A precise control is provided. Closed loop control is generally used in MCRs. Losses occurring in MCR consist of core losses, winding losses and additional losses. Losses occur in the core of Iron Core Reactors due to the flux stored in the core. Depending on the reactor structure and type, the core may operate in saturation, but such a situation is not desired in standard shunt reactors. Copper losses are of two types: DC and AC losses of the windings. This loss value varies depending on the voltage value coming to the reactor bushings and the current drawn by the reactor. Additional losses are losses occurring in metal parts other than the winding and core. MCR's harmonic content changes depending on the load of the reactor. As the reactor load increases, the harmonic content decreases. It has more harmonic content than the similar product Thyristor Controlled Reactor. By coordinating the space in the MCR core, the harmonic content of the reactor can be reduced. The cooling system is important in MCR. The reactor is generally designed for ONAN cooling. The cooling system is also important in MCR. The reactor is generally designed for ONAN cooling. If a power increase is desired, the ONAF system is switched to. FEM analysis have become widespread and important in recent years. These software are large-scale software that work with finite networking logic and are widely used in the electromagnetic industry. In products with complex R&D processes, such software reduces pre-production expenses and problems that may be encountered. Care should be taken to keep the electromagnetic model as simple as possible. The production phase is of great importance for the product for which analytical calculations are made. Detecting errors caused by production is seriously time- consuming and difficult. During the production phase of the prototype product, insufficient and improper drying, moist oil, and use of insufficient raw materials should be avoided. During the MCR testing phase, tests must be carried out meticulously due to its complex and difficult to understand structure. The number of winding turns must be verified by tests performed on the reactor. "RATECH WR50-13" device was used to detect resistance. Resistance is measured in each phase. Resistances between phases are expected to be close. If the difference between the values ​​is large, the test should be repeated or the product should be reviewed. Ratio testing is done with the "OMICRON CPC 100" device. 400 V is applied from the reactor inlet and the voltage at the other ends is measured. During the design phase, the values ​​to be read as a result of this test are calculated. Measurement results are expected to be close to the values ​​calculated during design. 27 Finally, an insulation test must be performed before applying AC high voltage to the reactor. This test is performed with the "MEGGER MIT 525" device. Afterwards, applied and induced voltage tests are performed. Care should be taken to ensure that the ends of certain windings of the reactor winding are connected to thyristors without any errors. In the test environment, the trigger angles of the thyristors should be reduced towards 90 degrees. Magnetic Controlled Shunt Reactors have begun to be widely used worldwide in recent years and have become the focus of interest for system designers in Turkey as well. Despite all these developments, this product has not been thoroughly examined and fully understood in Turkey. In this study, the technically and economically most suitable design of a 2MVAr Magnetic Controlled Reactor, defining the design in the electromagnetic analysis program, detecting the active power losses of the reactor in the analysis and test environment, determining the harmonic content of the reactor current according to the loading regime, and comparing it with alternative products in terms of technical and economic suitability or unsuitability, have been conducted. As a result of this thesis, the working structure of the Magnetic Controlled Shunt Reactor developed for the optimal coordination of transmission lines, the required reactive power balance, and the variable reactive power requirement has been understood. In future academic studies, the losses occurring in the boiler, additional accessories and winding, losses and harmonics occurring at the core junctions, the compact operation of MCR in coordination with other compensation systems, shortening the response time, improving the sound level and reducing losses will be studied.