Enerji kablosunda oluşan sıcaklık ve gerilmeleri optik fiberli algılayıcılarla algılama benzetimleri

Abstract

Haberleşme ve enerji dağıtım kablolarında, geleneksel izleme ve kontrolün zor ve pahalı olduğu, elektriksel açıdan tehlikeli çevre ortamlarında optik fiberli kablolardan sensör olarak faydalanılmaktadır. Yer altı enerji dağıtım kabloları; çalışma esnasında, kablonun ömrünü kısaltmakla birlikte performansını da olumsuz etkileyen elektriksel, termal ve mekanik etkilere maruz kalmaktadır. Bu etkiler, kablo izolasyonuna zarar verebilir, kablo izolasyonun kalitesinde bozulmalara, kısmi deşarjlara (akım boşalmaları) ve izolasyonun kopmasına neden olabilir. Bu sebeple, kablo çalışma kapasitesinin ve hizmet süresinin uzatılması açısından, kablo boyunca sıcaklık ve gerginlik bilgilerine ulaşmak zorunlu hal almıştır. Enerji kablolarında; güç transfer kapasitesi, kablo boyunca ortaya çıkan yükseksıcaklıklı noktalar ile sınırlandırılmaktadır. Bu “sıcak noktaları” kontrol etmek ve belirlemek oldukça zordur. Yük iletimi sırasında ve iletim öncesinde enerji kablolarının sıcaklık profili kontrolünün sağlanması ve optimum kullanımı, sıcaklık verilerinin gerçek-zamanda işlenmesiyle gerçekleştirilebilmektedir. Bu tez çalışmasında; kablo boyunca sıcaklık verilerine ulaşabilmek için, yaygın olarak bilinen ve her ölçüm noktası için bir termokupl veya bir platin rezistans probun kullanıldığı “noktasal sıcaklık ölçüm metodu” yerine, Raman saçılmasına dayalı dağınık sıcaklık ölçüm metodu kullanılmıştır. Kablo boyunca gerginlik verilerinin elde edilmesi için ise, sıcaklık ve Brillouin frekans kayması bilgilerinin kullanıldığı spontane Raman ve Brillouin esaslı teknikten faydalanılmıştır. Deneysel veriler ışığında, 1550 nm dalga boyunda tek modlu fiber kullanılarak 380 kV 5 km uzunluğunda yüksek gerilim enerji kablosu için eş zamanlı dağınık sıcaklık ve gerginlik ölçümleri elde edilmiş ve belirli kriterler altında simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Simülasyon bulguları altında, 1.5 m uzamsal çözünürlükle ~1.25 ºC sıcaklık çözünürlüğü ve ~50 µε gerginlik çözünürlükleri elde edilmiştir. Bu çalışma da ayrıca, Brillouin frekans kayması ve güç değişimleri üzerindeki RMS gürültü miktarları sırasıyla, ~1.20 MHz ve ~% 0.45 olarak elde edilmiştir. Bunların yanı sıra, sıcaklık ve gerginliğe bağlı olarak kablo boyunca Brillouin frekans kayması ve Brillouin güç değişimleri hesaplanmış ve simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Son olarak ise, spontane Raman ve Brillouin esaslı sensörlerin performansını etkileyen faktörlerin araştırması raporlanmış ve optik fiber sensör sistemlerinde gürültü kaynakları üzerinde durulmuştur.

Optical fibers are utilized as sensor in the environmental conditions in which conventional monitoring and controlling processes are difficult and expensive by means of electrical terms in telecommunication and power distribution cables. An underground power cable is expose to electrical, thermal and mechanical effects that either shorten the life of cable insulation and or affect the cable performance unfavorable during its operating time. These effects can damage the cable insulation, induce the degradations in the quality of insulation, partial current discharges and perforation or breakdown of the cable insulation. Therefore; being obtained temperature and strain informations along the cable have become imperative by means of working capacity of the cable and extending service time. In power cables; power transmission capacity is limited by high temperatured spots occured along the cable. It is too difficult to detect and determine these “hot spots”. Temperature profile control and optimum use of power cables during and before load transmission may be carried out with real-time processing of temperature data. In this thesis; in order to obtain temperature data along the cable, distributed temperature measurement method based on Raman scattering have been used instead of the conventional temperature detection method in which a thermocouple or a platinum resistance probe is used for every measurement point and called “point temperature measurement”. In order to achieve the strain informations along the cable, spontaneous Raman and Brillouin based technique using the temperature and Brillouin frequency shift informations has been utilized. According to the results from experiments, distributed temperature and strain measurements along the high voltage power cable with a lenght of 5 km by using single mode fiber at 1550 nm have been obtained and the simulations under various working conditions have also been achieved. As results taken from the simulations supported by experiments, ~1.25 ºC temperature resolution and ~50 µε strain resolution with 1.5 m spatial resolution have been obtained. In this thesis, Brillouin frequency shift RMS noise and Brillouin power change RMS noise have also been achieved as ~ 1.20 MHz and ~ % 0.45 respectively. Additionally, Brillouin frequency shift and Brillouin power change regarding to the temperature and strain informations along the cable have been computed and their simulations have also been executed. Finally, investigation of the factors limiting the performance of spontaneous Raman and Brillouin based sensors have been reported and underlined the noise sources in optical fiber sensor systems.