Elektrik ve ısıl gerilmeler altında 154 kV XLPE yeraltı güç kablosunun yaşlanma davranışının deneysel incelenmesi ve ampasite ile ilişkilendirilmesi

Abstract

ELEKTRİK VE ISIL GERİLMELER ALTINDA 154 kV XLPE YERALTI GÜÇ KABLOSUNUN YAŞLANMA DAVRANIŞININ DENEYSEL İNCELENMESİ VE AMPASİTE İLE İLİŞKİLENDİRİLMESİ Faruk ARAŞ Anahtar Kelimeler : XLPE Güç Kablosu, Ampasite, Kablo kesişimi, Ampasite Azaltma Faktörü, Kablo Yaşlanması, Kablo Ömür Tahmini, Fiber Optik Sıcaklık Algılayıcı Özet : İlk olarak, konulara ilişkin çok sayıda makale, kitap, standart ve internet ile IEEE elektronik kütüphanesinden on-line olarak elde edilen yayınlar incelenerek değerlendirilmektedir. Daha sonra teze temel oluşturan konulara ve doğrudan toprağa gömülü kabloların modellenmesine ilişkin teorik çalışma yapılmaktadır. Bu amaçla, Isı transfer eşitlikleri ve kablo parametreleri incelenmektedir. IEC 287 standardına göre kablo ampasitesi, ısıl-elektrik benzetişimi ile modellenmektedir. Bu model kullanılarak, İstanbul 154 kV XLPE yeraltı enerji iletim kablosu ampasite hesapları yapılmaktadır. Bunlara ek olarak genellikle göz ardı edilen, iletim kablosunun güzergahının bir orta gerilim kablosu tarafından kesilmesi durumu analitik olarak incelenmektedir. Brekelman'ın modeli kullanılarak MATLAB'da yazılan bir bilgisayar programı yardımıyla çeşitli kesişim açıları ve mesafe değerlerinde, kablonun zarar görmemesi (ömrünün azalmaması) için yeniden ampasite değerleri hesaplamaktadır. Elde edilen sonuçlar, kabloların izin verilebilir maksimum işletim sıcaklığının 10-25 °K arasında arttığını, buna göre kabloların ampasitesinin azaltılması için 0.8-0.9 arasında kesişim açısına bağlı olarak bir azaltma faktörü hesaplanmaktadır. Sonraki bölümlerde, kablonun işletme süresince maruz kaldığı yüksek elektrik ve ısıl gerilimler altındaki yaşlanma davranışı araştırılmaktadır. Bu amaçla, modellenmesi ve ampasite hesaplaması yapılan 154 kV'luk İstanbul kablosundan alınan örnekler üzerinde çok değişik elektrik ve ısıl gerilimler altında hızlandırılmış yaşlanma testleri gerçekleştirilerek delinme zamanları ölçülmektedir. Yaşlanmış ve yaşlanmamış örnekler üzerinde, OIT ölçümleri ve FTIR spektrumu sonuçlan elde edilmekte ve mikrofotoğrafları çekilmektedir. Bu verilerden, kablo yalıtkan ömrünün sıcaklık ve elektrik alan artışıyla önemli ölçüde azaldığı görülmektedir. Deney sonuçları ve çizilen grafiklerden, literatürde var olan çok sayıda modelden Zhurkov'un modelinin XLPE kablo yalıtkanın yaşlanma davranışım açıklayan en uygun model olduğu sonucuna varılmaktadır. Aynı zamanda kablo yaşlanması ile ampasite ilişkilendirilerek, elektrik ve ısıl gerilimler altında bir program yardımıyla ilk kez ampasite - ömür grafikleri çizilmektedir. Program sonuçlarından, herhangi bir ampasite veya sıcaklıkta, ömür tahmini yapılabilmektedir. İşletim sıcaklığının, kablo yalıtkanı için çok hayati bir parametre olması nedeniyle, bu sıcaklığın gözlenmesi amacıyla tasarlanan bir Fiber Optik Sıcaklık Algılayıcı öneri olarak sunulmaktadır.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF AGING BEHAVIOUR UNDER ELECTRICAL AND THERMAL STRESSES OF 154 kV XLPE UNDERGROUND POWER CABLE AND CORELATION WITH ITS AMPACITY Faruk ARAS Key Words : XLPE Power Cable, Ampacity, Cable Crossing, Cable Aging Ampacity Derating Factor, Cable Lifetime Estimation, Fiber Optic Distributed Temperature Sensor Abstract : First, a literature survey has been done by collecting various papers, books, standards related to the topic through the internet online of the IEEE electronic library. Afterwards, a theoretical work was conducted to make a model of the buried cable. For this purpose, heat transfer equations and identification of cable parameters were examined. A cable ampacity model was performed using thermal -electrical analogy according to IEC 287 standards. Using this model, ampacity of 154 kV underground XLPE power cable which was installed between Kasımpaşa and Yıldıztepe municipalities in Istanbul has been computed by a computer program which was written using MATLAB Software. In the computation cable crossings with middle voltage underground distribution and transmission lines or heat sources were considered including dependence to the crossing angles. In this calculation Brekalmann's model was used. The program computed ampacity derating factor and temperature rise due to thermal interference caused by cable crossings as a parameter of crossing angle. A derating factor of 0.8-0.9 is calculated for different angles and the permissible maximum temperature of the cable increased 10-25 °K due to computation results. In the next sections, the aging behaviour of the cable insulation under high electric and thermal stresses during the normal operation conditions was investigated. For this purpose samples from the insulation of Istanbul 1 54 kV underground power cable were cut and accelerated aging test under electrical and thermal stresses were conducted. Breakdown times were measured. OIT measurements and FTIR spectrum was obtained and microphotographs were taken from aged and unaged samples. It has been found out that cable insulation lifetime decreases considerably by temperature and electric fields. It was concluded that among various theories and models put forward to explain the aging behaviour of dielectric materials, Zhurkov's model is the most suitable one to interpret the cable aging. Also cable lifetime and its ampacity were correlated at different operating temperatures. The computer program calculates the ampacity and the lifetime at different operating temperatures and the life loss under overload conditions can be estimated from the computed results. Since the operating temperature is a very critical parameter a Distributed Fiber Optic Temperature Sensor has been proposed.