مدلسازی و تخمین تلفات کرونا در خطوط انتقال HVDC دوقطبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه آزاد اسلامی واحد یادگار امام(ره) شهرریدانشکده مهندسی برقگروه برق-قدرت

2 دانشگاه آزاد اسلامی-واحد یادگار امام(ره) شهرری

3 دانشگاه آزاد اسلامی واحد یادگار امام خمینی(ره) شهرری

چکیده

تلفات کرونا یکی از مسائل اصلی در طراحی خطوط انتقال HVDC می باشد. تحقیقات بسیار زیادی در زمینه محاسبات تلفات کرونا در خطوط انتقال DC درولتاژهای مختلف خط صورت پذیرفته است. در خطوط انتقال دو قطبی (Bipolar)HVDC ، یون های مثبت، منفی و ذرات ناشی از ترکیب یون ها بایکدیگر تحت تاثیر کرونا تولید می گردند. با توجه به حضور ذرات مختلف در کرونا ، پیچیدگی محاسبات نسبت به میدان های تک قطبی بیشتر خواهد بود. در این مقاله روابط دو قطبی حاکم بر میدان حل شده و پس از محاسبه چگالی جریان بارهای مثبت و منفی ، تلفات کرونا محاسبه می گردد. در محاسبات مربوط به چگالی جریان به منظور ساده سازی، فرض بر این خواهد بود که تمامی محدوده دارای بارهای مثبت و منفی بوده و ضخامت محیط شبیه سازی شده در اطراف کابل ها، محدود باشد و پتانسیل زمین به عنوان مرجع برابر با صفر در نظر گرفته خواهد شد. روش های عددی مختلفی برای محاسبه میدان الکتریکی وجود دارند. این روش های عددی قادر هستند مسایلی را که در آنها حل تحلیلی بسیار مشکل یا غیر ممکن است را حل نمایند. روش های عددی پرکاربرد شامل روش های تفاضل محدود، المان محدود، المان مرزی، شبیه سازی بار و مونت کارلو می باشند. در این مقاله از روش المان محدود در محاسبه میدان کرونا در خطوط انتقال دو قطبی HVDC استفاده خواهد شد هم چنین در توپولوژی به کار رفته از روش شبیه سازی بار نیز استفاده خواهد شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modeling and Estimation of Corona Losses in Bipolar HVDC Transmission Line Using Finite Element Methods(FEM)

چکیده [English]

Corona losses are one of the main issues in the design of HVDC transmission lines. A lot of research has been done in the calculation of corona losses in DC transmission lines in various line voltages. In bipolar transmission lines, positive ions, negative ions and ion-ion particles are produced under the influence of corona. Due to the presence of various particles in the corona, the complexity of the calculations will be higher than unipolar fields. In this article, the bipolar relations governing the field are solved and after calculating the positive and negative load flow density, corona losses are calculated.
In this paper, finite element methods (FEM) have been used to calculate corona losses in a DC high voltage transmission line. Simulations of the FEM method have been performed by ANSYS software. Given that the algorithm provides a lot of calculations in the analysis of the results of simulations and reloading the results in the simulation, then the MATLAB software has been used to analyze the ANSYS outputs. The results obtained in this paper include distribution of electric field strength vectors, electrical flux density, potential and also free loads within the corona range. In addition to the above, corona flow and casualties are the final results of the calculations made in this article.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bipolar Transmission Lines
  • Corona Losses
  • Finite Element Method
  • HVDC
 
[1]  V. I. Popkov, “On the Theory of Unipolar DC Corona,” Elektrichestvo, Technical Translation 1093, National Research Council of Canada, no. 1, pp. 33-48, 1949.##
 [2]  J. H. Simpson, “Theoretical and Experimental Studies of Corona Loss from D. C. Lines,” Corona Research Meeting, Montreal, P.Q., Canada, March 17-18, 1966.##
 [3]  M. P. Sarma and W. Janischewskyj, “Analysis of Corona Losses on DC Transmission Lines: I- Unipolar Lines,” IEEE Trans. PAS, vol. 88 , pp. 718-731, 1969.##
[4]  M. P. Sarma and W. Janischewskyj, “Analysis of Corona Losses on DC TransmissionLines: II- Bipolar Lines,” IEEE Trans. PAS, vol. 88, pp. 1476-1491, 1969.##
[5] P. S. Maruvada, “Corona-Generated Space Charge Environment in the Vicinity of HVDC Transmission Lines,” IEEE Trans. PAS, vol. 17, pp. 125-130, 1982.##
[6]   A. A. Elmoursi and G. S. P. Castle, “Modelling of Corona Characteristics in a Wire-Duct Precipitator Using the Charge Simulation Technique,” IEEE Trans. IA, vol. 23, pp. 95-102, 1987.##
 [7] K. Adamiak, “Simulation of Corona in Wire-Duct Electrostatic Precipitator by Means of the Boundary Element Method”, IEEE Trans. IA, vol. 30, pp. 381-386, 1994.##
 [9] M. Khalifa and M. Abdel-Salam, “Improved Method for Calculating DC CoronaLosses,” IEEE Trans. PAS, vol. 93, pp. 720-726, 1974.##
 [10] T. Takuma, T. Ikeda, and T. Kawamoto, “Calculations of Ion Flow Fields of HVDC Transmission Lines by the Finite Element Method,” IEEE Trans. PAS, vol. 100, pp. 4802-4810, 1981.##
 [14] B. L. Qin, J. N.Sheng, Z. Yan, and G. Gela, “Accurate Calculation of Ion Flow Field under HVDC Bipolar Transmission Lines,” IEEE Trans. PWRD, vol. 3, pp.368-376, 1988.##
[15] E. Kuffel, A. Dzierzynski, and J. PoItz, “Final Report on: Development of Numerical Method for Analysis of Bipolar Corona on an HVdc System,” The University of Manitoba, January 28, 1987.##
 [16] J. Poltz and E. Kuffel, “A New Method for the Two-Dimensional Bipolar Ion Flow Calculation,” 6th International Symposium on High Voltage Engineering, New Orleans, LA, USA, Aug.28-Sept.l, 1989.##
 [17] M. Yu, “The Study of Ionized Fields Associated with HVDC Transmission Lines in the Presence of Wind,” Ph.D Dissertation, Dept, of Electrical & Computer Engineering,  University of Manitoba, 1993.##                                   
[18] A. J. Butler, Z. J. Cendes, and J. F. Hoburg, “Interfacing the Finite-Element Method with the Method of Characteristics in Self-Consistent Electrostatic Field Models,” IEEE Trans. IA, vol. 25, pp. 533-538, 1989.##
 [21] M. Abdel-Salam and Z. AI-Hamouz, “Analysis of Monopolar Ionized Field as Influenced by Ion Diffusion,” IEEE Trans. IA, vol. 31, pp. 484-493, 1995.##
 [22] M. Abdel-Salam and Z. AI-Hamouz, “A Finite-ELement Analysis of Bipolar Ionized Field,” IEEE Trans. IA, vol. 31, pp. 477-483, 1995.##
 [23] G. Ghione and R. D. Graglia, “Two-Dimensional           Finite-Boxes Analysis of Mono olar Corona Fields Including Ion Diffusion,” IEEE Trans, on Magnetics, vol. 26,  pp.     567-570, 1990.##
 [24] J. R. McDonald, W. B.Smith, H. W. Spencer, and L. E. Sparks, “A MathematicalModel for Calculating Electrical Conditions in Wire-duct Electrostatic PrecipitationDevices,” J. Appl. Phys., vol. 48, pp. 2231-2243, 1977.##
 [25] P. A. Lawless and L. E. Sparks, “A Mathematical Model for Calculating Effects of Back Corona in Wire-duct Electrostatic Precipitators,” J. Appl. Phys., vol. 51, pp.242-256, 1980.##
 [31] T. Takuma and T. Kawamoto, “A Very Stable Calculation Method for Ion Flow Field of HVDC Transmission Lines,” IEEE Trans. PWRD, vol. 2, pp. 189-198, 1987.##   
[32] B. L. Qin, J. N. Sheng, Z. Yan, and G. Gela, “Accurate Calculation of Ion Flow Field under HVDC Bipolar Transmission Lines,” IEEE Trans. PWRD, vol. 3, pp.368-376, 1988.##     
 [33] Z. M. Al-Hamouz and M. Abdel-Salam, “Finite-Element Solution of Monopolar Corona on Bundle Conductors,” IEEE Transaction on industry application, vol. 35, no. 2, pp. 380-386, 1999.##
 [34] Z. M. Al-Hamouz, M. Abdel-Salam, and A. Mufti, “ Improved calculation of Finite Element Analysis of Bipolar Corona Including Ion Diffusion,” Industry Application Conference , pp. 1912-1918, 1996 .##
 [35] Z. M. Al-Hamouz, “Corona Power Loss, Electric Field, and Current Density Profiles in bundled Horizontal and vertical Bipolar Conductors,” IEEE Transaction on industry application, vol. 38, no. 5, pp. 1182-1189, 2002.##