Yüksek gerilim yeraltı kablo sistemlerinde tasarım parametrelerinin elektriksel ve termal performansa etkisinin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi

Abstract

Yüksek gerilim yeraltı kabloları kullanılan dağıtım sistemlerinde, sistem tasarım parametreleri enerji verimliliği ve işletme güvenliği açısından kritik öneme sahiptir. Özellikle artan enerji ihtiyacı dolayısı ile günümüzde yeni enerji koridorlarının oluşturulmasının zorluğundan dolayı aynı kablo galerisi içerisinde birden fazla sayıda kablo grubu bulunabilmektedir. Bu kablolar paralel olarak veya birbirinden bağımsız olarak işletilebilmektedir. İçerisinde çok sayıda kablo bulunan kablo galerilerinde, kablo sistemlerinin tasarım parametreleri daha da önemli olmaktadır. Sözü edilen sistem tasarım parametreleri şu şekilde sıralanabilir: paralel kablo sayısı, yan yana bulunan devre sayısı, kabloların yerleşim biçimleri, kablolar arasında bulunan mesafeler, kabloların faz sıralaması, ekran topraklama tipi, harmonik bileşeni içeren akımlar ile yüklenme durumu. Özellikle ekran topraklama tipi, yüksek gerilim yeraltı kablo sistemlerinin tasarımında kritik bir öneme sahiptir ve bunun ile ilgili analizlerin detaylı olarak değerlendirilmeye alınması gerekmektedir. Kabloların ekranları tek taraftan topraklanmış, çift taraftan topraklanmış veya çaprazlanmış olarak tesis edilebilmektedir. Bunlara ek olarak benzer ama bir miktar farklılıkları olan topraklama tipleri de bulunmaktadır, bunlar Bölüm-2.2.1 içerisinde tanımlanmıştır. Tek taraftan topraklı sistemlerde ekranlarda akım oluşmamakta ancak ekranın topraklı olmayan kısmında gerilim indüklenmektedir. Bu gerilim kablo çekirdeğinden geçen akım ve kablo uzunluğu ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Ekranlarda oluşan gerilimler sürekli işletme durumu için ve kısa devre durumu için ayrı ayrı değerlendirilmelidir. Sürekli işletme durumunda ekran ucunda oluşan gerilim bazı standartlar ve ülkelerin yönetmelikleri tarafından sınırlandırılmıştır. Bu sınır değerler Bölüm-2.2.2 içerisinde gösterilmiştir. Kablo sistemlerinde ekran çaprazlaması yapmadan tesis edilebilecek hat uzunluğunun belirlenebilmesi veya çaprazlama gerçekleştirilecek mesafelerin belirlenebilmesi için sistemde kullanılan her bir kablonun ekran gerilimlerinin hesaplanması gerekmektedir. Çift taraftan topraklı sistemlerde ise ekran uçlarında gerilim indüklenmemesine karşın, ekranlarda akım oluşmaktadır. Bu akımın seviyesi kablo sisteminin tasarım parametrelerine göre değişmektedir. Oluşan ekran akımları kablonun uzunluğundan bağımsızdır ancak kablo çekirdeğinden geçen akım ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Kablo ekranlarında oluşan akım aynı zamanda kayıp güç oluşturmaktadır ve çekirdeğinden aynı miktarda akım geçen tek taraftan topraklı duruma göre kablo sıcaklığı artmaktadır, hatta ekran akımları sebebi ile çekirdek sıcaklığı izin verilen sınır değerlerin üzerine bile çıkabilmektedir. Bu durum kablo için oldukça riskli bir durumdur ve tasarım aşamasında akım taşıma kapasitesi değerlendirilirken ekran topraklama tipi kesinlikle değerlendirilmeye alınmalıdır. Bunun yanında ekranda oluşan kayıpların seviyesi kabloların yerleşim biçimine ve kablolar arasında bulunan mesafeye göre önemli ölçüde değişmektedir. Bu durumların hepsi tez içerisinde ilgili bölümlerde incelenip değerlendirmeler gerçekleştirilmiştir. Temel tasarım parametrelerinden biri olan ekran topraklama tipi seçiminin kritik öneme sahip olduğu özet açıklamalardan görülmektedir. Eğer tek taraftan topraklama yöntemi kullanılır ise ekranlardan akım akmayacak, buna bağlı olarak kayıp oluşmayacak ve kablonun akım taşıma kapasitesinde azalma meydana gelmeyecektir. Ancak tek taraftan topraklı sistem kullanımı durumunda ucu açıkta kalan kablo ekran gerilimi sınırlandırıcı üzerinden toprağa bağlanmalıdır. Bu işletme güvenliği için olması gereken bir uygulamadır. Uzun kablo hatlarında ekran gerilimi sınırlandırıcı kullanımı için kablo bölümleri fazla sayıda olabilmektedir, ekran gerilimi sınırlandırıcı kullanılan bu noktalar hem sistem maliyetini hem de arıza noktası oluşturma riskini arttırmaktadır. Bunun yanında çift taraftan topraklama sistemi kullanımı durumunda ekran gerilimi sorunu oluşmamakta ancak kayıp değerleri ve kablo sıcaklığında artış meydana gelmektedir, bu artışın izin verilen sınırlar içerisinde kalması gerekli olmaktadır. Bu sebeplerden dolayı tek taraftan topraklı ve çift taraftan topraklı durumlar için kabloların yatay veya üçgen yerleşim biçimlerine göre, faz sıralamasına göre ve kablolar arasında bulunan mesafelere göre oluşan ekran akımlarının ve gerilimlerinin hesaplanması kritik önem taşımaktadır. Bu çalışma içerisinde yukarıda sıralanan sistem tasarım parametrelerinin elektriksel ve termal performansa etkisinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda Ansys Electronics Suite sonlu elemanlar analizi yazılımı ile çoklu-fizik analiz modelleri oluşturulmuş ve sistemler üzerinde hem elektriksel hem de termal analiz çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sistemlerin incelenmesi için gerçekleştirilen analiz çalışmalarının yanında, sonlu elemanlar modelinin doğrulanması için de farklı yöntemler ile modelleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar programının doğrulanması amacıyla, IEC 60287-1-3 standardı içerisinde sonuçları bulunan üç model, sonlu elemanlar yazılımında modellenmiş ve sistemdeki çekirdek akımları ile ekran akımları iki yöntem ile doğrulanmıştır. Bunun yanında tez çalışmasında kullanılan örnek bir sistem IEC 60287-1-3 standardına göre teorik olarak modellenmiş, tek taraftan topraklı durum için ekran gerilimi, çift taraftan topraklı durum için ise ekran akımı sonlu elemanlar yöntemi sonuçları ile doğrulanmıştır. Ek olarak kablo analiz yazılımı olan Cymcap programında tez çalışmasında kullanılan örnek bir model oluşturulmuş ve kablo sıcaklıkları çoklu-fizik sonlu elemanlar modelinin sonuçları ile doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar programının özel durumların analizi için birçok avantajı olmasına karşın modelleme kısmının kompleks yapısından dolayı örnek sonuçların farklı bir analiz programı ve teorik yöntem ile doğrulanması ihtiyacı görülmüştür, doğrulama çalışmaları bu sebepten dolayı gerçekleştirilmiştir. Tez içerisinde modelleme ve analiz çalışmalarından önce, yüksek gerilim yeraltı kablo sistemleri hakkında bilgi sahibi olmak ve kabloların yapılarını daha iyi anlamak adına bazı bilgiler verilmiştir. Literatür taraması kısmında dergi makaleleri, konferans makaleleri incelenmiştir. Bunun yanında ayrı başlıklar altında güncel Cigre dokümanları ve standartlar incelenmiştir. Daha sonra yüksek gerilim yeraltı kablolarının tasarım parametreleri, yüksek gerilim yeraltı kablo sistemlerinin tasarım parametreleri, ekran topraklama tipleri ve analiz yöntemleri ayrı ayrı incelenmiştir. Bu incelemeler gerçekleştirildikten sonra modelleme çalışmaları bölümüne geçilmiştir. Modelleme çalışmaları bölümü içerisinde sonlu elemanlar yönteminde kullanılan elektriksel model, termal model, çoklu-fizik modeli detaylı olarak açıklanmıştır. Daha sonra gerçekleştirilen analizlerde kullanılan farklı geometrik yapıda parametrik modeller açıklanmış ve görseller ile desteklenmiştir. Sonrasında doğrulama çalışmaları için kullanılan Cymcap kablo analiz yazılımında oluşturulan model hakkında bilgi verilmiştir. Modelleme çalışmaları bölümü içerisinde ilgili kısımlarda sonlu elemanlar yönteminde kullanılan çözücüler, modelleme aşamaları ve denklemler hakkında da bilgi verilmiştir. Analiz çalışmaları üç farklı başlık altında gösterilmiş ve bu başlıklar altında farklı durumlar incelenmiştir. Bölüm 4.2 içerisinde yerleşim biçimi, faz sıralaması ve topraklama tipinin elektriksel performansa etkisi manyetik FEM analizleri ile incelenmiştir. Bu bölümde toplamda 12 farklı model incelenmiştir, kablolar arasında bulunan mesafenin değişimi bu bölümde incelenmemiştir. Analiz sonuçlarına göre yatay yerleşik düzende L1-L2-L3-L3-L2-L1 faz sıralamasında, üçgen yerleşik düzende L1-L2-L3-L2-L1-L3 faz sıralamasında paralel kablolardaki akım dağılımının dengeli olduğu görülmektedir. Bunun yanında tek taraftan ve çift taraftan topraklı sistemlerde ekran kayıpları ve toplam kayıplar karşılaştırılmıştır. Analiz sonuçları detaylı olarak ilgili bölüm içerisinde grafikler ile desteklenerek gösterilmiştir. Bölüm 4.3 içerisinde kabloların harmonikli akımlar ile yüklenmesi durumunda elektriksel performansı incelenmiştir. Bu amaç ile bir harmonik spektrumu tanımlanmış ve kablolardan harmonik bileşenleri içeren akım geçirilmiştir. Analizler ile tek taraftan ve çift taraftan topraklı olmak üzere yatay yerleşik ve üçgen yerleşik düzenlerde kabloların harmonik bileşenleri içeren ve içermeyen akımlar ile yüklenmesi durumu değerlendirilmiştir. Analizlerde ekran gerilimleri, ekran akımları, ekran kayıpları ve toplam kayıplar karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar detaylı olarak ilgili bölüm içerisinde grafikler ile desteklenerek gösterilmiştir. Bölüm 4.4 içerisinde oluşturulan parametrik modellere göre kablolar arasında bulunan mesafe, yerleşim biçimi ve topraklama tipinin etkisi çoklu-fizik FEM analizleri ile incelenmiştir. Bu analizlerin sonucunda ekran gerilimleri, ekran akımları, toplam kayıplar ve kabloların maksimum sıcaklıkları hesaplanmıştır. Analiz sonuçlarına göre üçgen yerleşik modellerin performansının genel olarak daha yüksek olduğu görülmektedir. Analiz sonuçları ve elde edilen yorumlar ilgili bölüm içerisinde grafikler ile desteklenerek detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Gerçekleştirilen analizler kapsamında yüksek gerilim yeraltı kablolarında ekran topraklama tipinin, yerleşim biçiminin, faz sıralamasının, kablolar arasındaki mesafenin ve harmonik bileşeni içeren akımlar ile yüklenmenin elektriksel ve termal performansa etkisi incelenmiştir. Bu incelemelerin kablo sistemlerinde sürdürülebilirlik ve işletme güvenliği için gerekliliği vurgulanmıştır.