enerji kablolarında dağınık optik fiberli sensörlerle sıcaklık algılama
advertisement
YÜKSEK GERİLİM KABLOLARINDA OPTİK FİBERLİ SENSÖRLERLE GERÇEK ZAMANDA SICAKLIK ALGILAMA UYGULAMASI Güneş YILMAZ Sait Eser KARLIK Türk Pirelli Kablo ve Sistemleri A.Ş. AR-GE Bölümü Mudanya/BURSA Uludağ Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Elektronik Mühendisliği Bölümü Görükle/BURSA E-mail: ekarlik@uludag.edu.tr E-mail: gunes.yilmaz@tr.pirelli.com Abstract Existence of high temperature regions along the cable axis limits the transmittable load capacity in underground power cables. It is very difficult to determine and control these ‘hot spots’. This results in either an additional cost in cable construction or a contraction in the life of the cable. Optimum use of power cables and optimum control of the temperature profile along the cable before and during loading process without taking any risk need rapid collection and evaluation of temperature data. Various methods have been developed to meet these requirements. In this paper, distributed temperature sensing of power cables with optical fibers is examined and compared with other techniques. Examples of practical measurements are given and results of these measurements are interpreted. Also applications of a SCADA based system called Real-Time Thermal Rating (RTTR) that evaluates the data collected by distributed temperature sensing method are explained. 1. Giriş Yüksek gerilim enerji iletim ve dağıtım sistemlerinin kurulması büyük yatırımlar gerektirdiği için kablo sistemleri en azından 25-30 yıllık bir zaman dilimi boyunca ekonomik ve güvenilir şekilde çalışma yeteneğine sahip olmalıdır. Kablonun belirtilen süre içerisinde planlanan elektrik gücünü iletmesi ve problemsiz hizmet verebilmesi, kablo sıcaklığıyla yakından ilgilidir. İletken sıcaklığının yüksek olması, kablo yalıtkanında büyük hasarların oluşmasına yol açabilir. Ayrıca, belirli bir gerilim seviyesinde iletilebilecek maksimum yük, yaşlanmadan dolayı yalıtkanda oluşan kayıplar, maksimum akım ve buna bağlı olarak çalışma sıcaklığıyla sınırlandırılmıştır. Metal iletkenin yüzeyi kablodaki en sıcak bölge olacağından, yalıtkanı korumak için iletkenin yüzey sıcaklığının sınırlandırılmasının gerektiği açıktır. Enerji kablosu üretiminde en çok tercih edilen yalıtkan, XLPE kısaltmasıyla anılan çapraz bağlı polietilendir. XLPE, normal polietilene göre yüksek sıcaklıklarda daha kararlı davranış göstermektedir. Yüksek sıcaklıklara dayanabilmesi, büyük akımların taşınmasına imkan sağlamaktadır. 90C’de sürekli çalışabilmesi ve kısa sürelerde de 250C’ye dayanabilmesi, XLPE’nin kısa devre durumlarındaki yüksek sıcaklıklara da dirençli olduğunu göstermektedir. XLPE yalıtkan malzemesinin yaşlanma süresinin en iyi ifadesi Zhurkov modelinde açıklanmıştır [1]. U E 0 . exp 0 kT (1) Burada, U0 aktivasyon enerjisi, 0 malzeme moleküllerinin ters titreşim frekansı, yapısal parametre, E uygulanan elektrik alan, k Boltzman sabiti ve T sıcaklıktır. (1) formülünden de açıkça görüldüğü gibi, kabloda oluşan ısı miktarının ve ısı dağılımının bilinmesi büyük önem taşımaktadır.. Kablonun tümleşik ısıl davranışı kablo boyunca belirli noktalarda termokuplörler vasıtasıyla yapılan ölçümler dikkate alınarak, farklı yük büyüklükleri ve mevsim şartları için ancak bazı varsayımlar altında tahmin edilebilmektedir. Kesin bir ısıl davranışı belirlemek oldukça zordur. Sonlu elemanlar yöntemi gibi matematiksel modellerle elde edilen sıcaklık değerleri gerçek değerlere en fazla %80-90 civarında yaklaşmaktadır. Hesaplamalarda iyimser varsayımlar kullanıldığında, öngörülen yükte çalışan kablonun ısıl nedenlerden dolayı zamanla arızalanma riski yüksektir. Kötümser varsayımlar ise, var olan kapasiteyi sınırladığından, ekonomik açıdan optimum yararlanmayı engellemektedir. Teorik hesaplamaların ve simülasyonların pratikte karşılaşılan çevresel değişiklikleri tam olarak öngörmesi çok zordur. Noktasal ısı ölçüm sistemi adı verilen geleneksel algılama sisteminde, her bir ölçüm noktası için bir termokuplör ya da platin direnç probu gerekmektedir. Bu nedenle, kablo uzunluğu boyunca sağlıklı bir sıcaklık profili çıkarabilmek için çok sayıda sensöre ve fiber bağlantısına ihtiyaç duyulur. “Dağınık algılama” ifadesi, sadece bir sensörün kablo boyunca binlerce bağımsız ölçüm noktasından veri toplayabildiği bir tekniği tanımlar. Dağınık sıcaklık algılama (DTS) yönteminde, kuvars fiberin kendisi sensör görevini üstlenmiştir. Bu nedenle, geleneksel yöntemdeki veri toplama elemanlarına gerek kalmamakta, fiberin karakteristik özelliklerinden faydalanılmaktadır. Ölçümde kullanılan kuvars fiberler, genellikle haberleşme uygulamalarında kullanılan fiberlerin aynısıdır. DTS’in geleneksel algılamaya göre avantajları şunlardır: Düşük maliyet Eşzamanlı çalışan çok sayıda ölçüm noktası Verilerin sadece bir işlemci tarafından toplanması Büyük kablo uzunluklarında ve değişen coğrafik özellliklere sahip geniş alanlarda, sıcaklık ölçümlerinin yanısıra konum bilgisi de sağlaması Kurulumun ve bakımın basit olması Optik fiberin algılama elemanı olarak kullanılması, elektriksel ve kimyasal açıdan risk taşıyan ortamlarda güvenilirlik, elektromagnetik girişime bağışıklık, aşınmalara karşı yüksek direnç ve kanıtlanmış, uygun fiyatlı iletim ortamı gibi fiberin doğasından gelen çeşitli avantajlara sahiptir. 2. Ölçme Yöntemi Optik fiberli DTS, haberleşme alanında da yaygın şekilde kullanılan optik zaman domeni yansıma ölçme (OTDR) yöntemine dayanır. OTDR, fiberde geri-yansıyan ışığın şiddetindeki değişimi, ışığın katettiği mesafenin fonksiyonu olarak belirler. Işık, fiber içinde yayılırken, bir kısmı saçılır ve geriye doğru yansır. Bu saçılma, yoğunluk ve malzeme yapısının oluşturduğu Rayleigh saçılması ile moleküler ve hacimsel titreşimlerin oluşturduğu Raman ve Brillouin saçılmalarının bileşimidir. Rayleigh saçılması, sıcaklık değişimlerine çok az duyarlı olup daha çok kayıpların, kırılmaların ve inhomojenliklerin belirlenmesinde kullanılır. Raman ve Brillouin saçılmaları, sıcaklığa duyarlıdır. Geniş sıcaklık bağımlılığı olmasına karşın, Brillouin saçılmasını Rayleigh saçılmasından ayrıştırmak kolay değildir. Bu durum, algılayıcının maliyetini arttırır. Raman saçılması ise, DTS’de kullanılabilecek kadar güçlü ve ayrık bir saçılmadır [2]. Raman saçılması, Stokes (düşük foton enerjisi) ve anti-Stokes (yüksek foton enerjisi) yayınımlarından oluşan bileşenler üretir. Geri saçılan ışığın anti-Stokes yoğunluğunun Stokes yoğunluğuna oranı olan Rr, Rr s a Şekil 1. Raman ve Brillouin Saçılmaları Kablonun sıcaklık profili çıkarılırken, sıcaklık ölçümünün yanısıra, ölçüm bilgisini gönderen noktanın konumunun da bilinmesi gerekir. OTDR yönteminde, ışığın yansıma süresinin ölçülmesiyle saçılma noktasının belirlenmesi mümkündür. İleri ve geri yönde ışığın yayılma zamanı t ise, ışığın aldığı yol, d c.t 2n formülüyle bulunabilir. Burada; c ışığın boşluktaki hızı ve n fiberin kırılma indisidir. Günümüzde, ticari sistemler 10 km uzunluklu 50/125 m çok modlu fiberin sıcaklığını 1 metrelik uzamsal (spatial) çözünürlük ve 1C’lik sıcaklık çözünürlüğüyle ölçme yeteneğine sahiptir. 3. Ölçme Düzeneği ve Performans Parametreleri DTS ölçme düzeneğinde Neodimium katkılı lazer, 1064 nm dalga boylu <10 ns süreli darbeler üretmektedir. Yönlü kuplör, üretilen darbeleri geriyansıyan işaretten ayırır. Optik fiberde saçılan Raman işareti filtrelenir ve bir fotodiyot tarafından algılanır. Daha sonra bu işaret kuvvetlendirilip yüksek hızlı bir analog-sayısal çeviriciden geçirilir. İşaret-gürültü oranı arttırılarak gösterge ünitesine ve/veya ilgili sistem arabağdaşımlarına gönderilir. Çalışmada kullanılan düzenek Şekil-2’de gösterilmiştir. 4 hcv exp kT (3) (2) ile verilir. Burada, h Planck sabiti, c ışık hızı, v ölçümün yapıldığı frekanstaki (pompalama frekansına göre) kayma, k Boltzmann sabiti ve T (K cinsinden) sıcaklıktır. Bu oran, oda sıcaklığında 0.15 kadar olup 0 - 100C aralığında %0.8 / C’lik sıcaklık bağımlılığına sahiptir. Raman ve Brillouin saçılmaları Şekil-1’de gösterilmiştir. Şekil 2. DTS Ölçme Yöntemi Şekil-2’de gösterilen DTS ölçme yönteminde performansı etkileyen parametreler şunlardır: Fiber Uzunluğu (Uzamsal Aralık) : Uzamsal aralık, istenilen performans kriterlerinin sağlandığı maksimum fiber uzunluğu şeklinde tanımlanabilir. Fiberin her iki yöndeki toplam kaybı ile belirlenir. Bu belirlemede, sistemdeki bağlantı elemanları ve problar da dikkate alınmalıdır. Uzamsal Çözünürlük ve Örnekleme Aralığı: Uzamsak çözünürlük, sıcaklık-mesafe grafiğinde sıcaklık değişiminin %10’u ile %90’ı arasındaki uzaklıktır. DTS’in bölgesel sıcaklık değişimine verdiği cevap bu parametrenin yardımıyla belirlenir. Sıcaklık değişimi DTS uzamsal çözünürlüğünden daha küçük bir bölgede oluşuyorsa, ölçülen sıcaklık gerçek sıcaklıktan sıcaklık değişim aralığı/uzamsal çözünürlük oranı kadar daha düşük olacaktır. Örnekleme aralığı, iki ölçüm noktası arasındaki mesafe olup fiber sensördeki toplam ölçüm noktası sayısını belirler. Uzamsal çözünürlükten daha küçük aralıklarla örnekleme yapılarak sıcaklık değişim noktalarının yerleri daha kesin bir şekilde belirlenebilir. Sıcaklık Çözünürlüğü: Ölçülen değerlerin tutarlılığının göstergesi olup ölçümün bir standard sapmasında tanımlanır. Ölçüm Süresi: Bir fiber sensör çevriminin belirli bir çözünürlükteki sıcaklık profolini elde etmek için gereken zaman aralığına ölçüm süresi denir. Bu süre, geri-yansıyan işaretin algılanmasını ve işlenmesini içerir. Isıl Cevap Süresi: Kablo ve kılıf yapısının yanısıra sensör ile sıcaklığı ölçülecek cismin ısıl bağlantı kalitesiyle yakından ilgilidir. Fiberde ısıl cevap süresi <0.5s’dir. entegrasyonu Şekil-3’te gösterilmiştir. Bu şekildeki fiber entegrasyonu, kablonun üretim ve kurulum süreçlerine bağımlı olmadığından, kablonun standard tasarımında başka bir değişikliğe gerek kalmamakta ve ihtiyaç duyulduğunda tüplerin içindeki fiberlerin yenileriyle değiştirilmesi mümkün olmaktadır. Şekil 3. Optik Fiberin 154 kV Enerji Kablosuna Entegrasyonu 120 metre uzunluğundaki 154 kV XLPE enerji kablosu üzerinde optik fiberli DTS yöntemi kullanılarak yapılan ölçümlerden elde edilen sıcaklık grafiği Şekil-4’te verilmiştir. 4. Ölçüm Sonuçları DTS ile sıcaklık ölçme yönteminde yüksek gerilim kablolarına fiberin en uygun biçimde yerleştirilmesi büyük önem taşır. İdealde fiber, kablo iletkeninin mümkün olduğu kadar yakında bulunmalıdır. Ancak iletkene erişebilmek için kablo yalıtkanını yarmak gerektiğinden bu yaklaşım pratik değildir. Karar verilmesi gereken önemli bir nokta, fiberin yüksek gerilim kablo konstrüksiyonuna dahil edilip edilmemesidir. Bu durumda fiberin, çeşitli bükme ve yüksek sıcaklık işlemlerini de kapsayan yüksek gerilim kablosu üretim süreçlerine dayanması gerekliliği ortaya çıkabilir. Çalışmada, optik fiberlerin enerji kablolarına entegrasyonu, fiberlerin yüksek gerilim kablolarında ekran tellerinin arasına konulan özel nonmanyetik tüpler içerisine, orta gerilim kablolarında da dolgu malzemesi içerisindeki plastik tüplerin bünyesine yerleştirilmesiyle gerçekleştirilmektedir. Optik fiberlerin 89/154 kV yüksek gerilim kablosuna Şekil 4. 154 kV XLPE Deney Kablosunda Elde Edilen Sıcaklık Grafiği Şekil-4’ten görüldüğü gibi test süresinin ilk 16 saatinde kabloya akım verilmiş ve 48 saat süresince kablodaki sıcaklık değişimleri izlenmiştir. I, III, V ve VI ile işaretlenmiş grafik parçaları toprak içindeki kablonun, II ve IV ile işaretlenmiş grafik parçaları ise bir boru içine yerleştirilmiş kablonun sıcaklık profilini göstermektedir. Her durumda, kablo sıcaklığı XLPE’nin tipik maksimum çalışma sıcaklığı olan 90C’yi aşmadığı gibi bu sıcaklık değerlerine sadece boru içindeki kablolar ulaşmıştır. Topraktaki kablonun eriştiği maksimum sıcaklık ise 80C civarındadır. 5. Gerçek Zamanda Isıl Sınıflama (RTTR) Gerçek zaman verilerinin manuel olarak değerlendirilmesi yoluyla kablo sisteminin kapasitesinin ve yüklenme performansının belirlenmesi pratik bir yol olmadığı için sıcaklık ölçümü tek başına fazla bir anlam taşımamaktadır. Bu nedenle, geliştirilmekte olan SCADA tabanlı Gerçek Zamanda Isıl Sınıflama (RTTR) yöntemi ölçülen sıcaklık ve yükleme verilerinin işlenmesinde karmaşık yazılımlar kullanmaktadır [3]. RTTR’ın temel hedefleri şu şekilde sıralanabilir: Sistemdeki sıcak noktaların tespiti Sistemin yüklenme kapasitesinin gerçek zamanda hesaplanması Kısa süreli aşırı yük kapasitesinin hesaplanması Kablo sistemleri arasındaki yük akışının optimizasyonu Öngürülemeyen aşırı yüklenmelerde alarm işareti üretimi Yer altı kablolar, havai hatlar, tünel kabloları ve deniz altı kabloları gibi çok çeşitli kablo uygulamalarında kullanılabilen RTTR ölçme yöntemi Şekil-5’te gösterilmiştir. Şekil 5. RTTR Ölçme Yöntemi Şekil-5’te görüldüğü gibi RTTR sistem mimarisi kablo sistemi yakınındaki alan birimleri ve kontrol merkezindeki merkezi birim olmak üzere iki ana bölümden oluşmaktadır. Alan birimleri, sensörlerden verileri toplar, bu veriler ışığında ilkel analizler gerçekleştirir ve bunları modem vasıtasıyla merkezi birime gönderir. Merkezi birim ise alan birimlerinden gönderilen verileri işler. Merkezi birimdeki Kullanıcı - Makine Arabağdaşımı (MMI), Grafiksel Kullanıcı Arabağdaşımı (GUI), alarm ünitesi ve geçmiş veri göstergelerinden oluşur. GUI, kullanıcı uygulamaları için ayrılmış olup mevcut şartlar altında sistemin kapasitesiyle ilgili bilgilerin sunumunun yanısıra, kablo sistemindeki değişikliklerin algılanmasını da sağlar. GUI’dan, mevcut yük (ölçülen akım), mevcut şartlar altında (toprak sıcaklığı ve ısıl direnç) iletilebilecek maksimum sürekli yük, belirli zaman dilimlerinde iletilebilecek maksimum aşırı yük, iletken sıcaklığı, mevcut yük altında izin verilen iletken sıcaklığına erişim süresi ve optik fiberdeki maksimum sıcaklıkla ilgili veriler elde edilebilir. Alarm ünitesi, tehlikeli ya da beklenmeyen durumlarda kullanıcıyı uyarmak için grafiksel ve görsel alarmlarım üretiminde ve yönetiminden sorumludur. Son olarak geçmiş veri göstergeleri, depolanmış bilgiler üzerinde on-line ve off-line analizler yapabilme imkanı sağlamaktadır. Tüm veri erişimleri bir kullanıcı-hizmet ünitesi çevresinde gerçekleştiğinden, kullanıcı dial-up bağlantı yoluyla herhangi bir veri ya da veri topluluğunu görebilmekte, analiz edebilmekte ve kendi uç birimine indirebilmektedir. 1.2m derinlikte ve 20C ortam sıcaklığındaki 154kV bakır iletkenli XLPE yer altı deney kablosunda GUI kullanılarak yapılan RTTR ölçümleri, kablo sisteminde kararlı halde iletilebilecek maksimum yükün %60’ı kadar bir ön yük mevcutken 15 dakika süreyle kararlı haldeki yükün %700’ü kadar bir aşırı yükün iletilebileceğini göstermiştir. 6. Sonuç Bu çalışmada, 154 kV XLPE kabloya optik fiber entegrasyonu ve DTS yöntemi uygulanarak sıcaklık ölçümü gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık ölçümünde fiberdeki Raman saçılmasının sıcaklık bağımlılığından yararlanılmıştır. 120 metre deney kablosunda elde edilen sonuçlar, kilometrelerce uzunlukta yüksek gerilim kablolarının daha verimli işletilmesini sağlayacak çalışmalara ışık tutacak niteliktedir. Raman saçılmasının mekanik stres bağımlılığı da bulunmaktadır. Benzer algılama mekanizmaları kullanarak kablo üzerindeki mekanik stres ve sıcaklık değerlerinin eşzamanlı olarak elde edilmesi teorik açıdan mümkündür. Böyle bir uygulamanın başarılmasıyla kablonun yaşlanmasına etki eden tüm faktörlerin eşzamanlı denetimi sağlanacaktır. 120 metre deney kablosu üzerinde yapılan RTTR testlerinden elde edilen sonuçlar da gelecekte daha uzun mesafeli kablo sistemlerinin bir merkezi birimden kontrol edilebilmesi konusunda yardımcı olacaktır. Kaynaklar [1] Aras F. and Varol H.S., “Correlation of ampacity and insulation life time of XLPE power cable under thermal/electrical stresses”, Proceedings of 6th International Conference on Dielectric and Related Phenomena, September 2000, Spala, Poland, p. 97 [2] Distributed Temperature Sensing Systems (Fiber Optic), York Sensors Ltd., November 1999, pp. 1-5 [3] Donazzi F. and Gaspari R., “Method and System for the Management of Power Cable Links”, Proceedings of CIGRE 1998, Paris, pp. 203-209
