Yüksek gerilim yeraltı kablo sistemlerinde tasarım parametrelerinin elektriksel ve termal performansa etkisinin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
Investigation of the effect of design parameters on electrical and thermal performance in high-voltage underground cable systems with fem
Yazar: YUNUS BERAT DEMİROL
Danışman: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç kablosu = Power cable ; Yer altı kabloları = Underground cables

Özet:
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.

Abstract:
In distribution systems using high-voltage underground cables, system design parameters are critical for energy efficiency and operational safety. Especially due to the increasing energy need and the difficulty of creating new energy corridors, there may be more than one cable group within the same cable gallery. These cables can be operated in parallel or independently of each other. In cable galleries containing many cables, the design parameters of cable systems become even more critical. The system design parameters mentioned can be listed as follows: number of parallel cables, number of circuits located side by side, layout of cables, distances between cables, phase sequence of cables, screen bonding type, and loading with non-sinusoidal currents.

In particular, the screen bonding type is critical in the design of high-voltage underground cable systems, and related analyses need to be evaluated in detail. The screens of the cables can be installed as single-side bonded, solidly bonded or cross-bonded. In addition to these, there are similar bonding types that have some differences, which are defined in Section-2.2.1.

In single-side bonded systems, no current occurs in the screens, but voltage is induced in the non-grounded part of the screen. This voltage increases directly to the current passing through the cable core and cable length. Voltages on the screens should be evaluated separately for continuous operation and short-circuit conditions. Some standards and country regulations limit the screen voltages in continuous operation. These limit values are shown in Section-2.2.2. To determine the line length that can be installed without screen crossing in cable systems or the distances to be crossed, the screen voltages of each cable used in the system must be calculated. 

In solidly bonded systems, although no voltage is induced at the screen terminals, current is occur in the screens. The level of this screen current varies according to the design parameters of the cable system. The screen currents are independent of the length of the cable but increase in direct proportion to the current passing through the cable core. The current in the cable screens also creates power loss, and the cable temperature increases compared to the single-side bonded condition. In fact, the core temperature may even exceed the permissible limit values due to the screen currents. This is a hazardous situation for the cable, and the screen bonding type should be considered when evaluating the current carrying capacity at the design stage. In addition, the level of losses occurring on the screen varies significantly depending on the layout, phase sequence and the distance between the cables. All of these situations were examined and evaluated in the relevant sections of the thesis.

It can be seen from the summary explanations that the selection of screen bonding type, one of the primary design parameters, is critical importance. In the case of using single-side bonding method, no current will flow through the screens, no loss will occur, and the current carrying capacity of the cable will not decrease. However, in that case, the cable must be connected to the ground via the shield voltage limiter for operational safety. In long cable lines, the number of cable sections may be high for the use of screen voltage limiters. These sections where screen voltage limiters are used increase the system cost and the risk of creating a failure point. In addition, In the case of using the solidly bonding method, there is no screen voltage problem, but screen losses will occur, and cable temperature increase. That increase must be within the permissible limits. For these reasons, it is critical to calculate the screen currents and voltages according to the layout, distances between the cables and phase sequences for single-side and solidly bonded situations.

This study examines the effects of the cable system design parameters listed above on electrical and thermal performance. In this context, multi-physics analysis models were created with Ansys Electronics Suite finite element analysis software, and coupled electrical and thermal analysis studies were carried out on the modelled systems. In addition to the analysis studies carried out to examine the systems, modelling studies were carried out with different methods to verify the finite element model.

To verify the finite element model, three models with results in the IEC 60287-1-3 standard were modeled in the finite element software, and two methods verified the core currents and screen currents in the system. In addition, an example system used in the thesis study was modeled theoretically according to the IEC 60287-1-3 standard, and the screen voltage for the single-side bonded case and the screen current for the solidly bonded case were verified with the finite element model results. Also, a sample model used in the thesis study was created in the Cymcap cable analysis software, and the cable temperatures were verified with the results of the multi-physics finite element model. Despite the many advantages of the finite element program in analyzing special cases, the complex structure of the modeling part makes it necessary to verify the sample results with various analysis programs and theoretical methods. As a result, verification studies were conducted to ensure accuracy. 

Before modeling and analysis studies in the thesis, some information is about high voltage underground cable systems to understand the cables' structures better. In the literature review section, journal articles and conference papers were examined. In addition, recent Cigre documents and standards were reviewed under separate headings. Then, the design parameters of high-voltage underground cables, design parameters of high-voltage underground cable systems, screen bonding types, and analysis methods were examined separately. After these examinations were carried out, the modeling studies section was started.

In the modeling studies section, the electrical model, thermal model, and multi-physics model used in the finite element method are explained in detail. Then, parametric models with different geometric structures used in the analyses were described and supported with visuals. Afterward, information about the model created in the Cymcap cable analysis software used for verification studies is given. The modeling studies section also provides information about the solvers for finite element programs, modeling stages, and equations used in the finite element method.

Analysis studies are shown under three different headings. In Section 4.2, the effects of layout, phase sequence and bonding type on electrical performance were examined with magnetic FEM analyses. A total of 12 different models were examined in this section; the change in the distance between the cables was not examined in this section. According to the analysis results, it is seen that the current distribution in parallel cables is balanced in the L1-L2-L3-L3-L2-L1 phase sequence in the flat layout and in the L1-L2-L3-L2-L1-L3 phase sequence in the trefoil layout. In addition, screen losses and total losses in single-side and solidly bonded systems were compared. The analysis results are shown in detail in Section 4.2 and supported by graphics.

In Section 4.3, the electrical performance of the cables when loaded with non-sinusoidal currents is evaluated. For this purpose, a harmonic spectrum was defined, and the cables were loaded with this current. The loading of flat and trefoil layouts with non-sinusoidal currents was evaluated in cases of single-side bonded and solidly bonded situations. Screen voltages, screen currents, screen losses, and total losses were compared. The results are shown in detail in Section 4.3 and supported by graphics. 

According to the parametric models created in Section 4.4, the effects of the distance between the cables, the layout type, and the screen bonding type were examined with multi-physics FEM analyses. As a result of these analyses, screen voltages, screen currents, total losses, and maximum temperatures of the cables were calculated. According to the analysis results, it is seen that the performance of trefoil layouts is better for solidly bonded cases compared to flat layouts. The analysis results are explained in Section 4.4 and supported by graphics.

Within the scope of the analyses, the effects of screen bonding type, layout, phase sequence, the distance between cables, and loading with non-sinusoidal currents on electrical and thermal performance in high-voltage underground cables were examined. It is emphasized that these calculations are necessary for sustainability and operational safety in cable systems.