Ekstra yüksek gerilim yeraltı kablo eklerinin optimal tasarımı ve deneysel analizi
Optimal design and experimental analysis of extra high voltage underground cable joints
Yazar: ÇAĞRI KÖKSAL
Danışman: DOÇ. DR. AYSEL ERSOY ; DOÇ. DR. EMRAH DOKUR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelişen teknolojiye paralel olarak artan tüketici grubu ve çeşitliliğinin artış göstermesi ile birlikte toplumun elektrik enerji talebini karşılamak için yüksek kapasiteli bir iletim ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu iletim ihtiyacı içerisinde modern toplumlarda yüksek gerilim yer altı kablolarının kullanımı metropol ve yoğun nüfuslu alanlarda kaçınılmaz bir ihtiyaç haline gelmektedir. Üretim ve nakliye sırasında görülen kısıtlamalar sebebiyle yüksek gerilim yeraltı kablolarının sınırlı uzunlukta üretilmesi bu tesis elemanları ile birlikte kablo aksesuar ve eklerinin kullanımını zorunlu kılmaktadır. Arıza istatistikleri dikkate alındığında kablo aksesuarlarında görülen arızaların toplam görülen hata payının yarısından fazla olduğu dikkat çekmektedir. Bu bağlamda yüksek gerilim kablo aksesuarlarındaki en büyük sorun, kablo bağlantı noktalarında yüksek gerilim seviyesinin neden olduğu elektrik alan stresidir. Çok yüksek gerilim seviyelerine çıkıldığında bu alanın kontrolü ve sınırlaması için en uygun tasarımın yapılması gerekliliği açıktır. Bu sebeple bu tez çalışması çok yüksek gerilim seviyesinde kullanılabilecek yeraltı kablosu ek bağlantı yapısının optimum tasarımına ve burada kullanılabilecek materyal testlerine odaklanmaktadır. Tezin ilk aşamasında 500 kV yüksek gerilim yeraltı kablosu ek bağlantı yapısı için stres konisi tabanlı optimal tasarım sonuçları Comsol Multiphysics yazılım ortamında yinelemeli metodoloji ve bulgular ile sunulmuştur. IEC 62067 standartı da göz önünde bulundurularak önerilen tasarım sonuçlarının uygunluğu karşılaştırmalı sonuçlar ile gösterilmiştir. Tezin ikinci aşamasında ise elde edilen bulgular göz önünde bulundurularak optimal model tasarımı ek bağlantı yapısının kritik bölgelerindeki elektrik alan değerleri de dikkate alınarak İleri Beslemeli Çok Katmanlı Yapay Sinir Ağı modeli ile optimizasyonu sağlanarak genel bir tasarım modeli ortaya koyulmuştur. Daha sonra farklı malzemeler için yüksek gerilim laboratuvar ortamında deneysel testler yapılıp malzeme seçiminde kullanılabilecek farklı alternatifler sunulmuştur. Deneysel sonuçlardan elde edilen veriler farklı malzemelerin seçiminin deneysel olarak ortaya konulmasını sağlarken hem de genel tasarım sonuçlarının detayları ile karşılaştırmasını sağlamıştır. Tasarımda önerilen stres konisinin geometrik karakteristiğine bağlı olarak elektrik alana ve kritik bölgelerdeki stres kontrolüne önemli düzeyde katkısı gözlemlenmiştir. Simülasyon sonuçları değerlendirilerek optimal kablo eki boyutları ortaya konmuştur.

Abstract:
As the consumer group and its diversity increase in parallel with developing technology, there is a need for high-capacity transmission to meet the electricity demand of the society. Within this transmission need, the usage of high-voltage underground cables has become an inevitable requirement in metropolitan and densely populated areas of modern societies. Due to limitations encountered during production and transportation stages, high-voltage underground cables are manufactured in limited lengths, which necessitates the use of cable accessories and joints along with these facility components. Considering fault statistics, it is noteworthy that the failures observed in cable accessories account for more than half of the total error rate. In this context, the biggest problem with high-voltage cable accessories is the electrical field stress caused by the high-voltage levels at cable connection points. When very high voltage levels are reached, it is clear that an optimum design is required for the control and confinement of this area. Therefore, this study focuses on the optimum design of the underground cable joint structure that can be used at very high voltage level and the material tests that can be used under these conditions.In the first part of the thesis, stress cone-based optimal design results for the 500 kV high-voltage underground cable joint structure were presented using the Comsol Multiphysics software environment with an iterative methodology and findings. The comformity of the proposed design results in comparison with IEC 62067 standard is demonstrated. In the other part of the thesis, taking into account the obtained findings, an overall design model was established through optimization using the Feed-Forward Multilayer Perceptron Artificial Neural Network model, considering the electrical field values in critical regions of the joint structure. Afterwards, experimental tests were carried out for different materials in a high voltage laboratory environment and different alternatives that can be used in material selection were presented. Experimental values of the high voltage endurance of different materials and comparative results of the proposed designs have revealed innovative findings. Depending on the geometric characteristics of the stress cone proposed in the design, a significant contribution to the electric field and stress control in critical areas was observed.