İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTE Sİ (cid:144) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KABLO EKLERİNİN ELEKTRİKSEL VE ISIL ANALİZİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Hasan Hüsnü MOLLAMAHMUTOĞLU An abilim Dalı : Elektrik Mühendisliği Programı : Elektrik Mühendisliği OCAK 2009 İ STANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:144) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KABLO EKLERİNİN ELEKTRİKSEL VE ISIL ANALİZİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Hasan Hüsnü MOLLAMAHMUTOĞLU 504051011 Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 12 Ocak 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 21 Ocak 2009 Tez Danışmanı : Doç. Dr. Özcan KALENDERLİ (İTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Ayşen DEMİRÖREN (İTÜ) Yrd. Doç. Dr. Önder GÜLER (İTÜ) Ocak 2009 ÖNSÖZ Hazırlamış olduğum bu tezin, konusunun seçiminden başlayarak tamamlanmasına kadar geçen süre içinde yardımlarını hiç esirgemeyen ve tezin şekillenmesinde büyük rol oynayan sayın hocam Doç. Dr. Özcan Kalenderli’ye teşekkür ederim. Öğrenim hayatım boyunca daima yanımda olan, yardımlarını hiç esirgemeyen sevgili babam Süleyman Mollamahmutoğlu ve annem Sadise Mollamahmutoğlu’na minnet duyduğumu belirtmek isterim. Tez çalışmamda kaynak olarak kullandığım kitap ve makaleleri temin eden, çalışmamda motivasyonumu daima yükselten Sayın Serpil Genç’e, deney aşamalarında sağlamış oldukları olanaklar ve hoşgörülerinden ötürü Sayın Devrim Erçetin ve Sayın Yeşim Erçetin’e ve hesaplamalardaki yardımından ötürü çalışma arkadaşım Ozan Yılmaz’a teşekkürü bir borç bilirim. Ocak 2009 Hasan Hüsnü MOLLAMAHMUTOĞLU Elektrik Mühendisi ii iii İÇİNDEKİLER Sayfa KISALTMALAR………………………………………………………………........vi ÇİZELGE LİSTESİ…………………………………………………………….…viii ŞEKİL LİSTESİ…………………………………………………………………......x SEMBOL LİSTESİ………………………………………………………………...xii ÖZET……………………………………………………………………………….xiv  SUMMARY………………………………………………………………………..xvi  1. GİRİŞ……………………………………………………………………………....1  1.1 Kablolar……………………………………………………………………....2 1.2 Kabloların Sınıflandırılması………………………………………………......2 1.3 Kabloların Tanımlanması…………………………………………………......3 1.4 Başlangıçtan Günümüze Enerji Kabloları………………………………….....4 1.4.1 Süper iletken kablolarının özellikleri…………………………………… 4 1.4.2 Yalıtkan malzemelerdeki gelişmeler………………………………….....5 1.4.3  Bu zamana kadar yapılan çalışmalar………………………………….....6  2. TEMEL KAVRAMLAR……………………………………………………….....9 2.1  Kabloların Normal Koşullarda Akım Taşıma Kapasitesi……………………. 9  2.1.1  Kabloların yüklenmesi ile ilgili kavramlar……………………………....9  2.1.2  Kablo malzemelerinin ısınmaya etkileri………………………………..10  2.2  Isı Geçişi…………………………………………………………………......12  2.2.1  İletim………………………………………………………………........13  2.2.2  Taşınım………………………………………………………………....15  2.2.3  Işınım……………………………………………………………….......17  2.3  Isı İle Elektrik Arasındaki Benzerlikler……………………………………...18  2.3.1  İletim ile ısı geçişi………………………………………………….......18  3. İŞLETME KOŞULLARI ve TASARIM ÇİZELGELERİ…………………....21  3.1  Kablonun Toprağa Gömülmesi Durumunda………………………………...21  3.2  Kablonun Havada Bulunması Durumunda…………………………………. 24  3.3 Yüklenme Kapasitesi Hesabı………………………………………………. 30 3.3.1  Kablonun ısıl direncinin hesaplanması………………………………... 37  4. ORTAM KOŞULLARINA GÖRE ISIL DİRENÇ VE KABLOLARIN AKIM TAŞIMA KAPASİTESİNİN HESAPLAMALARI………………….. 43  4.1 Havanın Isıl Direncinin Hesabı………………………………………….......43 4.1.1  Yatay montaj şekillerine göre havanın ısıl direnç hesabı……………....43  4.1.2  Dikey montaj şekillerine göre havanın ısıl direnç hesabı……………... 58  4.1.3  Farklı yüksekliklerde akım taşıma kapasitesi…………………………. 59  4.1.4  Güneş ışınlarının etkisi ile akım taşıma kapasitesi……………………. 62  4.1.5  Rüzgârın etkisi ile akım taşıma kapasitesi…………………………….. 64  4.2  Toprağın Isıl Direncinin Hesabı…………………………………………......67  4.3  Suyun Isıl Direncinin Hesabı……………………………………………….. 75  5. YAPILAN DENEYLER VE SONUÇLARI…………………………………....77  5.1  Genel Bilgi………………………………………………………………….. 77  iv 5.2.1  Havada ısıl çevrimi deneyi……………………………………………. 79  5.2.2  Suda ısıl çevrim deneyi……………………………………………...... 84  5.2.3  Deneylerin sonuçları…………………………………………………....87  6. SONUÇLAR VE ÖNERİLER…………………………………………………. 89 KAYNAKLAR…………………………………………………………………….. 93  EKLER…………………………………………………………………………….. 97 ÖZGEÇMİŞ…………………………………………………………………….....103 v KISALTMALAR XLPE : Çapraz Bağlı Polietilen PE : Polietilen PVC : Polivinilklorür EPR : Etilen Propilen Kauçuk SEY : Sonlu Elemanlar Yöntemi SFY : Sonlu Farklar Yöntemi TS : Türk Standartları vi vii ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 2.1: Kablolarda Yalıtkan Malzeme Türüne Göre İzin Verilen İşletme Sıcaklıkları (°C) ve Isıl Özdirençleri (ρ) [21]………………….. 10 Çizelge 2.2: İletkenin Şeklini Açıklayan Harfler …………………………… 11 Çizelge 2.3: Isı Taşınım Katsayısı için Örnek Değerler [26]….…………….. 17 Çizelge 2.4: Elektrik ve Isı Formülleri Arasındaki Benzerlikler…………….. 19 Çizelge 3.1: IEC 60-287’e Göre Sıcaklık Değerleri [13]……………………. 24 Çizelge 3.2: Oda Tiplerine Göre Sıcaklık Değerleri………………………… 25 Çizelge 3.3: Toprak Altında Yüklenme Değerlerine Göre Akım Taşıma Katsayısı f ……………………………………………………... 28 1 Çizelge 3.4: Toprak Altında Dizilme Şekline Göre Akım Taşıma Katsayısı f 29 2 Çizelge 3.5: NYY 1 x 25 mm2 0,6/1 kV Kablonun Özellikleri……………... 32 Çizelge 3.6: IEC 60287-1-1’e göre Elektriksel Özdirençler ve Sıcaklık Katsayıları……………………………………………………… 33 Çizelge 3.7: IEC 60287-1-1’e Göre k ve k Katsayıları………………………. 34 s p Çizelge 4.1: Örnek 4.1’in Verileri…………………………………………… 48 Çizelge 4.2: Örnek 4.1’e Göre Hesaplanan Değerler……………………….. 50 Çizelge 4.3: Havada Demet Haldeki NYY 1 x 25 mm2 0,6/1 kV Kablonun Farklı Ortam Sıcaklıklarına Göre Akım Taşıma Değerleri……… 51 Çizelge 4.4: Havada Sıralı Haldeki NYY 1 x 25 mm2 0,6/1 kV Kablonun Farklı Ortam Sıcaklıklarına Göre Akım Taşıma Değerleri……. 53 Çizelge 4.5: Havada Tek Halde NYY 1 x 25 mm2 0,6/1 kV Kablonun Farklı Ortam Sıcaklıklarına Göre Akım Taşıma Değerleri……………… 55 Çizelge 4.6: Havada Tek, Demet ve Sıralı halde NYY 1 x 25 mm2 0,6/1 kV Kablonun Farklı Ortam Sıcaklıklarına Göre Akım Taşıma Değerleri…………………………………………………………. 57 Çizelge 4.7: Havada Demet ve Sıralı Halde NYY 1 x 25 mm2 0,6/1 kV Kablonun Farklı Ortam Sıcaklıklarına Göre Akım Taşıma Değerlerinin, Tek Haldeki NYY 1 x 25 mm2 0,6/1 kV Kablonun Akım Taşıma Kapasitesine Oranları……………………………… 58 Çizelge 4.8: Yüksekliklere Göre Açık Hava Basıncı Çizelgesi………………. 59 Çizelge 4.9: Örnek 4.4’ün Verileri……………………………………………... 60 Çizelge 4.10: Farklı Yükseklikler İçin Kablo Akım Taşıma Kapasiteleri………. 61 Çizelge 4.11: Örnek 4.5’in Verileri…………………………………………… 62 Çizelge 4.12: Bazı Malzemeler İçin Solar Emiş Katsayıları [16]……………….. 63 Çizelge 4.13: Örnek 4.6’nın Verileri……………………………………………. 65 Çizelge 4.14: Rüzgâr Hızının Akım Taşıma Kapasitesine Etkileri…………… 66 Çizelge 4.15: Toprak Isıl Özdirencinin 1,0 K.m/W Olması Durumunda Farklı Yüklenme Katsayılar İçin Karakteristik Çap dy Değerleri [21]... 70 Çizelge 4.16: Örnek 4.7’nin Verileri………………………………………….. 73 Çizelge 4.17: Toprakta Farklı Montaj Şekillerine Göre Kablo Akım Taşıma Kapasiteleri……………………………………………………….. 75 Çizelge 4.18: Örnek 4.8’in Verileri…………………………………………....... 76 viii Çizelge 4.19: Suda Farklı Montaj Şekillerine Göre Kablo Akım Taşıma Kapasiteleri………………………………………………………. 76 Çizelge 5.1: Isıl Çevrim Deneyinin Birinci Kısmında Ölçülen Akım ve Sıcaklıklar………………………………………………………… 80 Çizelge 5.2: Isıl Çevrim Deneyinin İkinci Kısmında Ölçülen Akım ve Sıcaklıklar………………………………………………………… 82 Çizelge 5.3: Isıl Çevrim Deneyinin Üçüncü Kısmında Ölçülen Akım ve Sıcaklıklar………………………………………………………. 83 Çizelge 5.4: Suda Isıl Çevrim Deneyinin Ölçülen Akım ve Sıcaklık Değerleri.. 85 ix