OPTİK FİBERLİ DAĞINIK ALGILAMANIN YÜKSEK GERİLİM KABLOLARINDAKİ KULLANIMINDA SICAKLIK VE GERGİNLİK OLUŞUMLARININ YOUNG VE SHEAR MODÜLLERİ ÜZERİNDEKİ ETKİSİ

Yıl 2014, Cilt: 29 Sayı: 3, 0 - , 30.09.2014

Abdurrahman Günday , Sait Karlık , Güneş Yılmaz

https://doi.org/10.17341/gummfd.71120

Öz

Bu çalışmada, XLPE yalıtkanlı yüksek gerilim (YG) kablolarında oluşan eşzamanlı sıcaklık ve gerginlik değişimlerinin algılanmasında kullanılabilecek yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemde, Brillouin güç değişimlerinin sıcaklık bağımlılığını esas alan optik fiberli dağınık algılama prensibi ile algılayıcı fiberin Young modülü ve Shear modülünün, sıcaklık ve sıcaklık kaynaklı içsel gerginlik bağımlılığından yararlanılmıştır. Çalışmada model olarak, Temmuz ayında Bursa bölgesinde 20 °C ortam sıcaklığına sahip 1,5 m derinlikli kumlu toprak altına serilmiş, 2 km uzunluklu, 630 mm² iletken kesitli, XLPE yalıtkanlı 89/154 kV YG kablosu esas alınmıştır. Algılayıcı fiber, 1550 nm’de tek modlu optik fiberdir. Young modülü sıcaklık duyarlılığı YG kablosunun çalışma sıcaklığı bölgesinde  iken, Shear modülünde  şeklinde elde edilmiştir. Ayrıca, Young modülü gerginlik duyarlılığı ile Shear modülü gerginlik duyarlılığı, YG kablosu üzerindeki en sıcak noktada sırasıyla   ve  olarak bulunmuştur. Kablo çalışma rejiminde iken, sıcaklıktaki 1 °K değişime karşılık kablo boyunca ~ 26,83 µε gerginlik değişimi meydana gelmiştir. Gerek teorik hesaplamalar gerekse benzetim sonuçları, Young modülü sıcaklık ve gerginlik duyarlılıklarından yararlanmanın, kablo çalışma süresi ve kapasitesi hakkında bilgi edinilmesi açısından Shear modülü sonuçlarına göre daha etkin bir yöntem olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

Young Modülü, Shear Modülü, Brillouin Saçılması, Optik Fiberli Dağınık Algılama, Sıcaklık, Gerginlik, Yüksek Gerilim Kablosu.

Kaynakça

• Onaran, K., Malzeme Bilimi, Bilim Teknik Yayınevi, 11. Baskı, İstanbul, 2009.
• Sokkar, T.Z.N., Shams El-Din, M.A. ve El-Tawargy, A.S., “On Young’s Modulus Profile Across Anisotropic Nonhomogeneous Polymeric Fibre Using Automatic Transverse Interferometric Method”, Optics and Lasers in Engineering,50 (9):1223-1229, 2012.
• Heinhold, L., “Power Cables”, Power Cables and Their Application, 3rd Edition,Part 1, Editor: Heinhold, L., Siemens Aktiengesellschaft, Berlin, Germany, 134-139, 1990.
• Yılmaz, G., Karlık, S.E., “A Distributed Optical Fiber Sensor for Temperature Detection in Power Cables”, Sensors and Actuators A:Physical, 125 (2): 148-155, 2006.
• Culverhouse, D., Farahi, F., Pannell, C.N. ve Jackson, D.A., “Potential of Stimulated Brillouin Scattering as Sensing Mechanism for Distributed Temperature Sensors”, Electronics Letters, 25 (14): 913-914, 1989.
• Ghogomu, N.N. ve Everard, J.K.A., “Coherent Photoconductive Detection of Brillouin Scattering for Temperature Sensing”, Electronics Letters, 31 (18): 1606-1607, 1995.
• Bao, X., Dhliwayo, J., Heron, N., Webb, D.J. ve Jackson, D.A., “Experimental and Theoretical Studies on a Distributed Temperature Sensor Based on Brillouin Scattering”, Journal of Lightwave Technology, 13 (7): 1340-1348, 1995.
• Davis, M.A. ve Kersey, A.D., “Simultaneous Measurement of Temperature and Strain Using Fibre Bragg Gratings and Brillouin Scattering”, IEE Proceedings - Optoelectronics, 144 (3): 151-155, 1997.
• Lecoeuche, V., Hathaway, M.W., Webb, D.J., Pannell, C.N. ve Jackson, D.A., “20-km Distributed Temperature Sensor Based on Spontaneous Brillouin Scattering”, IEEE Photonics Technology Letters,12 (10): 1367-1369, 2000.
• Parker, T.R., Farhadiroushan, M., Feced, R., Handerek, V.A. ve Rogers, A.J., “Simultaneous Distributed Measurement of Strain and Temperature from Noise-Initiated Brillouin Scattering in Optical Fibers”, IEEE Journal of Quantum Electronics, 34 (4): 645-659, 1998.
• Bernini, R., Minardo, A., Persiano, G.V., Vaccaro, A., Villacci, D. ve Zeni, L., “Dynamic Loading of Overhead Lines by Adaptive Learning Techniques and Distributed Temperature Sensing”, IET Generation, Transmission & Distribution, 1 (6): 912-919, 2007.
• Diaz, S., Mafang, S.F., Lopez-Amo, M. ve Thevenaz, L., “A High-Performance Optical Time-Domain Brillouin Distributed Fiber Sensor”, IEEE Sensors Journal, 8 (7): 1268-1272, 2008.
• Soto, M.A., Bolognini, G., Di Pasquale, F., “Enhanced Simultaneous Distributed Strain and Temperature Fiber Sensor Employing Spontaneous Brillouin Scattering and Optical Pulse Coding”, IEEE Photonics Technology Letters, 21 (7): 450-452, 2009.
• Zou, W., He, Z. ve Hotate, K., “Demonstration of Brillouin Distributed Discrimination of Strain and Temperature Using a Polarization-Maintaining Optical Fiber”, IEEE Photonics Technology Letters, 22 (8): 526-528, 2010.
• Wang, L. ve Shu, C., “Demonstration of Distributed Strain Sensing with the Use of Stimulated Brillouin Scattering-Based Slow Light”, IEEE Photonics Journal, 3 (6): 1164-1170, 2011.
• Angulo-Vinuesa, X., Martin-Lopez, S., Nuno, J., Corredera, P., Ania-Castanon, J.D., Thevenaz, L. ve Gonzalez-Herraez, M., “Raman-Assisted Brillouin Distributed Temperature Sensor Over 100 km Featuring 2 m Resolution and 1.2 °C Uncertainty”, Journal of Lightwave Technology, 30 (8): 1060-1065, 2012.
• Luo, J., Hao, Y., Ye, Q., Hao, Y. ve Li, L., “Development of Optical Fiber Sensors Based on Brillouin Scattering and FBG for On-Line Monitoring in Overhead Transmission Lines”, Journal of Lightwave Technology, 31 (10): 1559-1565, 2013.
• De Souza, K.R.C.P., Fiber Optic Distributed Sensing Based on Spontaneous Brillouin Scattering, PhD Dissertation, University of Southampton, 1999.
• Wang, W.H., “The Elastic Properties, Elastic Models and Elastic Perspectives of Metallic Glasses”, Progress in Materials Science, 57 (3): 487-656, 2012.
• Lu, Y., Li, C., Zhang, X. ve Yam, S., “Determination of Thermal Residual Strain in Cabled Optical Fiber with High Spatial Resolution by Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry”, Optics and Lasers in Engineering, 49 (9-10): 1111-1117, 2011.
• Alahbabi, M., Distributed Optical Fiber Sensors Based on the Coherent Detection of Spontaneous Brillouin Scattering, PhD Dissertation, University of Southampton, 2005.
• Shang-hui, X., Li, L., “Signal Processing on Brillouin Scattering Based Distributed Fibre Sensors”, Symposium on Photonics and Optoelectronics SOPO 2009, Wuhan, China, 1-4, 14-16 August 2009.
• Günday, A., Yılmaz, G. ve Karlık, S.E., “Optik Fiberli Dağınık Algılama Yöntemiyle Enerji Kablosunda Sıcaklık ve Gerginliğin Algılanması”, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 12 (2): 43-52, 2007.
• Günday, A., Yılmaz, G. ve Karlık, S.E., “Spontaneous Raman Power and Brillouin Frequency Shift Method Based Distributed Temperature and Strain Detection in Power Cables”, 5th International Conference on Electrical and Electronics Engineering ELECO 2007, Bursa, Turkey, 326-330, 5-9 December 2007.
• Aras, F., Oysu, C., “Thermal Analysis of 154 kV Underground Cable Joint Using Finite Element Method”, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 22 (3): 281-286, 2007.
• Ichino, T., Suzuki, T., Wada, T. ve Sadahiro, T., “Measurement of Conductor Temperature of Power Cable by Optical Fiber Sensor”, 7th International Conference on Dielectric Materials Measurements & Applications, University of Bath, UK., 303-306, 23-26 September 1996.