Enerji kablosunda oluşan sıcaklık ve gerilmeleri optik fiberli algılayıcılarla algılama benzetimleri
Sensing simulations of the temperatures and strains occured on power cable by the optical fiber sensors
Yazar: ABDURRAHMAN GÜNDAY
Danışman: DOÇ. DR. GÜNEŞ YILMAZ
Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Haberlesme ve enerji dagıtım kablolarında, geleneksel izleme ve kontrolün zorve pahalı oldugu, elektriksel açıdan tehlikeli çevre ortamlarında optik fiberlikablolardan sensör olarak faydalanılmaktadır.Yer altı enerji dagıtım kabloları; çalısma 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 desarjlara (akım bosalmaları) veizolasyonun kopmasına neden olabilir. Bu sebeple, kablo çalısma kapasitesinin vehizmet süresinin uzatılması açısından, kablo boyunca sıcaklık ve gerginlik bilgilerineulasmak zorunlu hal almıstır.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 saglanması ve optimum kullanımı, sıcaklık verileriningerçek-zamanda islenmesiyle gerçeklestirilebilmektedir.Bu tez çalısmasında; kablo boyunca sıcaklık verilerine ulasabilmek için, yaygınolarak bilinen ve her ölçüm noktası için bir termokupl veya bir platin rezistans probunkullanıldıgı ?noktasal sıcaklık ölçüm metodu? yerine, Raman saçılmasına dayalı dagınıksıcaklık ölçüm metodu kullanılmıstır. Kablo boyunca gerginlik verilerinin elde edilmesiiçin ise, sıcaklık ve Brillouin frekans kayması bilgilerinin kullanıldıgı spontane Ramanve Brillouin esaslı teknikten faydalanılmıstır. Deneysel veriler ısıgında, 1550 nm dalgaboyunda tek modlu fiber kullanılarak 380 kV 5 km uzunlugunda yüksek gerilim enerjikablosu için es zamanlı dagınık sıcaklık ve gerginlik ölçümleri elde edilmis ve belirlikriterler altında simülasyonları gerçeklestirilmistir. Simülasyon bulguları altında, 1.5 muzamsal çözünürlükle ~1.25 ºC sıcaklık çözünürlügü ve ~50 ? gerginlik çözünürlüklerielde edilmistir.Bu çalısma da ayrıca, Brillouin frekans kayması ve güç degisimleri üzerindekiRMS gürültü miktarları sırasıyla, ~1.20 MHz ve ~% 0.45 olarak elde edilmistir.Bunların yanı sıra, sıcaklık ve gerginlige baglı olarak kablo boyunca Brillouin frekanskayması ve Brillouin güç degisimleri hesaplanmıs ve simülasyonları gerçeklestirilmistir.Son olarak ise, spontane Raman ve Brillouin esaslı sensörlerin performansını etkileyenfaktörlerin arastırması raporlanmıs ve optik fiber sensör sistemlerinde gürültükaynakları üzerinde durulmustur.Anahtar Kelimeler: Optik Fiberli Sensör, Raman ve Brillouin Saçılması, DagınıkSıcaklık ve Gerginlik Ölçümü.

Abstract:
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 ? 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.Key Words: Optical Fiber Sensor, Raman and Brillouin Scattering, DistributedTemperature and Strain Measurement.