EMPRENYE EDİLMİŞ KAĞIT İZOLELİ,KURŞUN KILIFLI KABLOLARIN +5 C DAN DÜŞÜK SICAKLIKLARDA DÖŞENMESİ

Emprenye Edilmiş Kâğıt İzoleli, Kurşun + 5° C dan Düşük Sıcaklıklarda

Yazanlar : R. Bernard, G. Martın,

O. Weissenberger

UDK : 621:315.2, 68

Çeviren: Talisin ARMAY

Yük. Müh. İller Bankası

ÖZET : Avrupa'da geçen 1962 1963 şiddetli kışlan dolayıstyle soğukta kabloların döşenmesi gü nün konusu olarak yeniden ortaya çıkmış ve bu maksatla, bu şekilde kablo döşenmesine tesir eden esaslı /aktörlerin yeniden etüdedilmesinin faydalı olacağı düşünülmüştür.

Katlama (bükülme) deneylerinde elde edilen pratik sonuçlara göre + 5°C'den aşağı bir sıcak lıkta kabloları döşemek tehlikeli olmuştur. Kabloları döşemeden önce, onları ısıtma imkânları, döşe me mahallerinde, çadır altında bunların elektrik akımına tabi tutulması etüd edilmiştir

Elde edilen sonuçlarla lüzumlu ısınma süresini takriben hesablamaya imkân veren formüllerin tesisi sağlanmıştır. Kritik sıcakltğın altında kabloların döşenmesinin zorunlu bulunduğu hallerde, kablodaki kurgun kılıfın + S"C'dan az olmayacak bir sıcaklığa kadar sıcaklığın saklanması ve müm kün olduğu kadar kablonun yavaş soğuması lûzımdır.

Homogen bir silindire benzetilen bir kablonun soğumasının tam hesabını yapmak mümkündür. Fakat pratik bakımdan bu hesabın kullanılması çok uzun bir zamana ihtiyaç göstermektedir. Başlıca kablo tiplerinin döşeme süresini tayin için lüzumlu basların tesisine yarayan deney sonuçlarının, for müllerle hesablanan sonuçlan doğruladığı görülmüştür.

1 — Giriş : îyl mevsimlerde olduğu gibi kış aylarında da kablolan döşeme lüzumu çoğu kere ortaya çık maktadır. 1962 1963 yıllarından daha soğuk kış larda, asgari olarak kabul edilen sıcaklıkları da ima muhafaza etmek mümkün olmamaktadır. Bu bakımdan, isviçre kablo İmalâtçıları, muhtelif kablolar için aşağıda belirtilen asgarî sıcaklık

me süresince kurgun kılıf sıcaklığı kritik sıcak lıktan yüksek olacak şekilde, kabloların önce ısı tılması gerektiğini ortaya koymuşlardır,

% — Kabloların ısıtılması:

•

— 21

Blr

S*"1111

altmda

veya

ısıtılmış

bir

mahalde ısıtma :

derecelerini tesbit etmişlerdir :

Eğer ısıtılmış bir (yerde bulunan) blr kablo

——

bobinini homogen bir cisme benzetirsek, bu cis

Kablo tipleri

döşeme's. caMigi °C

"****

{ ^ A

18mma

mUttan

">

formüUe

° V e r i l n Ü S l a c a k t ı r :

— Akışkan yağlı yüksek gerilim

A6 = ^ m « (1 'e "t/T>

W

li kablolar

— Yağ ve reçine karışımıyle emp

„ . , , ., „ ,

renye edilmiş yüksek gerilimli

^ « ° ; S o g u k k a b l l l e k<>nuMugu mahal ara

+5

sındakl sıcaklık farkı;

•— Yağ ve reçine karışımıyle emp

t, zamanı;

renye edilmiş alçak gerilimli

+1

— Termoplastik izolasyonlu yük

r, kablonun zaman sabitesini; gösterir, B u z a m a n . sabitesi ş u formüle bağlıdır:

sek gerilimli kablolar

r = G.C/A.0

(2)

— Kuru kağıt izoleli telefon kab

loları

. —5

G, Kablonun toplam ağırlığını,

60 KV'a kadar kurşun kılıflı, reçine yağ

..

* , __ . , ,, ,' °

C, Kablonun özgül ısısını,

karışımıyle emprenye edilmiş kağıt izoleli kab loların + 5oC'nın altındaki sıcaklıklarda döşene

A Kablonun ısınma yüzeyini,

bilme şartlarını etüdeden yazarlar, bütün döşe

p, Kablonun ısı iletme faktörünü, gösterir.

£*] (Büyük elektrik şebekeleri milletlerarası (CIGBE) konferansmtn 1964 dönemi 206 No. lu raporun

dan özetlenmiştir).

Homogen olmayan bir cisim için, kıyaslama

ile şu formülü kabul edebiliriz :

r = % G.C./A./î

(3)

Burada £ G.C miktarı, bakırın, izolasyon tabaka

larının ve kurgun kılıfın, muhtemel olarak çelik

zırhın termik kapasiteleri toplamıdır.

Şekil (1) den de görüleceği üzere, yapılan bir çok deneylerden, 5 saat kadar devam ettirilen birinci periyotta, ısınma eğrisinin tam bir eks ponansiyel'i takip etmekte olduğu, buradan bir bobin üzerine sarılmış bir kablo için termik bir zaman sabitesinin çıkarılabileceği anlaşılmakta dır. Kablonun ağaç bir bobin üzerine veya demir den bir bobin üzerine sarılmış olmasına göre kab lonun ısınma (yayılma) yüzeyi çok değişik ola caktır. Kablo bobininin ağaç olması halinde, ağacın termik izolan gibi rol oynadığı ve yalnız silindirin dış yüzeyinin göz önünde tutulabile ceği, demirden bir bobin halinde bütün kablo makarası yüzeyinin hesaba katılması gerektiği anlaşılır.

30 A* °C 20

—— •

—

—•—

10 //// s*

bulunmuştur. Ayrıca verilen miktarlar şunlar dı?: Gffl = 1840 kg, Gız0] = 441 kg, G P b = 1715 kg Ccu = 0.40 KW.s/kg.°C, C,^, = 1,63 KW.s/kg.°C, C P b = 0,13 KW.s/kg.°C Buna göre p için şu değer bulunur.: p = G.C/A., = 1678.10V6.5 x 18 x 3600 = 4W/m2.°C

Isıtılmış mahallin sıcaklık derecesine ulagıla bilmesı için kablonun zaman sabitesinin üç ka tına eşit bir zamana ihtiyaç bulunduğu kabul edilirse, demirden bobin için 36 saat ve ağaçdan bobin için 72 saata lüzum vardır.

Sıcak bir kaynağın meselâ bir gaz brülörünün bulunduğu bir çadır altında bir kablonun ısıtıl ması, aynı kanunları takip eder. Fakat çadırın içindeki sıcaklığı iyice tesbit etmek güç olduğun dan, bu takdirde kablonun sıcaklığını kontrol et mek lâzımdır. Böyle bir halde sıcaklığın değiş mesi şekil (2) de görülmektedir.

O

Şekil : 1 — Bir mahalde kabloların ısınması. 1. 60 KV. luk, 1 x 400 mmt lik, 510m lik, demirden bobin üzerine sanlı kablo. 2. = 10 saatlik zaman kat sayısına göre ekspo nansiyel eğri. 3. 1 KV. luk 4 tc 150 mmt lik, 759 m. lik ağaçtan bobin üzerine sarılı kablo 4. = 20 saatlik zaman kat sayısına göre ekspo nansiyel eğri.

Deneyle zaman sabitesini tayin için, t — r ka bul edilerek,

A0 = 0,63 A0 m a I bulunmuştur, yani, kablodaki nihaî ısınmanın % 63'ne kadar ulaşılabilmesi için, kabloya lüzumlu ısmma za manının T 'ye eşit olduğu görülür. /3'nın tayini için (3) formülünden.hareketle :

p = 2 G.C/A.r

Muhtelif kesitli ve muhtelif gerilimli kablolar üzerinde yapılan çok sayıdaki ölçülerden elde edilen sonuçlara göre, p miktarının 4 ila 6 W/m2. °C arasında değiştiği görülmüştür. Bu değerin alt limiti 20 ilâ 35 milimetre çaplı kablolara; üst limiti de 60 mm. den büyük çaplı kablolara te kabül etmektedir.

Misal olarak; 1000 metrelik, 1 KV. luk, 4 x 50 mm2 İlk ısınma yüzeyi 6,5 m2 olan ağaçdan tam bur üzerine sarılmış bir kablo için, , = 18 saat

Saat

Şekil : 2 — 261 m. boyunda, 220 KV. luk, 1 x 200 mmt lik, bir kablonun demirden bir bobin üzerinde, bir çadır içinde ısınması, 1. \Dış sıcaklığın değişmesi, 2. Bir çadır içindeki havanın ısınısu 3. Bakırın ısınışı, 4. Kursunun ısınışı.

2.2 — Jul tesiriyle kablonun ısınması :

Elde lüzumlu bir akım kaynağının bulunma sı şartına göre, bakırda veya izole esilmiş kur şun kılıfdaki Jul kayıplarıyle kablonun ısıtılma sı mümkündür. Kurşun kılıf vasıtasıyla kablonun ısıtılması tercih edilir. Zira, bakır vasıtasıyle ısı tılma nazaran kablonun bütün kitlesi aynı sıcak lık derecesine daha kolay ulaşır.

Bakır ile ısıtmada, bakır ile kurşun arasın da meydana gelen sıcaklık düşmesinden dolayı, kâğıt izolanın dış tabakaları daha az sıcak olur ve kabloda yığılmış toplam termik enerji mik tarı daha az seviyede bulunur. Bununla beraber, kurşun kılıfın soğuması, bakır iletkenin soğuma sından daha hızlı olmaktadır.

' Elâfctrik Mühendisliği 114

Kurgun vasıtasıyle ısınma halinde, zamana bağlı olarak sıcaklığı hesablamak İçin, yeniden (1) formülünden hareketle kablonun konulduğu mahallin AQm „ sıcaklık farkını formülden çı karmamız mümkün bulunmaktadır.

12. Rg = A.a.A0m«

(4)

Burada :

I , ısıtma akımı, R0, 0 sıcaklığında kurşunun direnci; A , soğuma yüzeyi; a , ısının nakledilme faktörü;

a miktarı, A0 ve A'ya ve havanm hızına bağlı olup 5 ila 7 W/m2.°C arasında bir değerde olduğu kabul edilebilir.

Hava İle kurşun kılıf arasındaki A 0majt sıcak lık farkını bulmak için lüzumlu asgari akım şid deti :

Misal olarak :

4x50 mm' İlk, 1 KV lik, 500 metrelik ve demirden bobin üzerine sarılmış bir kabloda : A = 8,8 m2; R,o= 0,72 ohm; « = 6 W/m2.°C A0»« =20»C için:

I =4 V 8,8 x 6 x 20/0,72 = 39 Amper r = X G.C/A.a = 4,4 saat bulunur.

S. Kablonun soğuması :

Aşağıda görüleceği üzere, + 5°C'in altında bir sıcaklıkta bulunan bir kablonun bükülmesi sıra sında, kağıt izolasyonda bir takım çatlaklar mey dana gelmektedir. Kablonun bükülmeslnden do ğan bütün tehlikeleri önlemek için, kurşun sı caklığının + 5°Cln altına düşmemesi zorunlu bu lunmaktadır. Eğer havanm sıcaklığı daha düşük olursa, bütün döşeme süresince kablonun sıcak lığı + 5°C'dan büyük olacak şekilde kablonun ısıtılması yoluna gidilir. Kablolar kendi bobin leri üzerinde bırakıldığı takdirde, soğuma nlsbe ten yavaş olmaktadır.

Bir mahalde kablonun ısıtılması için lüzumlu zaman sabitesi, kablonun soğumasındaki zaman sabitesinin aynıdır. Buna mukabil, eğer kablo döşeme makaraları (galet'ler) üzerine serilmiş (açılmış) bulunursa, bu takdirde kablonun soğu ması çok daha hızlı olmaktadır.

3.1 — Homogen bir silindir gibi kabul edilen bir kablonun soğumasının hesabı :

Gröber ve Erk tarafından hazırlanan kitabın (1) 56. ci sahife ve şekil 23 de görüleceği üzere, yığılan enerji ile kayıp olan enerji miktarı ara sındaki diferansiyel denklem kullanılmak sure tiyle silindirin yüzey sıcaklığını tam olarak he sablamak mümkündür. Bunun için, limit şartlar

gez önünde tutularak bu diferansiyel denklemi kısaltmak lâzımdır. Bu suretle 0 ve 1 mertebe sinde Bessel fonksiyonu elde edilir. Hesap sıra sında, seri halinde konulmuş muntelif bütün ter mik İletkenlerin toplam termik iletkenliği olarak (\t)'yi denkleme ithal etmek lâzımdır.

İ+ İ

:u d, 2.A1ZO,

2hPb (6)

Burada :'

, bakır ile izolan arasındaki ısı

nın iletilme kat sayısı olup, takriben 130 W/m2.

°C'e eşittir.

d, , Bakır iletkenin çapı;

\,zol , izolanın termik iletkenliği olup, 1,5 İlâ 1,8.10 3 W/cm.°C

di , Kurşun kılıf altındaki kablo çapı;

\pb, Kurşunun termik iletkenliği olup, 350.10 3 W/cm.°C'e eşitür.

de , Kablonun dış çapı;

, aL Kablonun havaya ısı İletme kat sayısı olup, 8W/m2.°C>dir.

Ortalama olarak hacım özgül ısısı Cv ise, birim hacım başına termik enerji toplamı, santig

rat derece basma :

Cy = % V.C/2 V

(7)

60 KV. luk 1 x 240 mm2 lik bir kablo için ya

pılacak hesapda : de = 6 0 mm. olduğuna göre :

\t = 6,7.10' W/cm.°C

Cv = 1,84 ,W.s/cm3.°Cs

bulunmuştur.

Kablonun yüzey sıcaklığı için hesablanmış de

ğerler (Şekil 3)'e aktanlırsa, ölçülmüş değerle

re çok yakın olarak eksponansiyel soğuma di

yagramına İntibak ettiği görülür.

3"

l

D

t Dakika •

Şekil : 3 — 60 KV. luk, 1 x 240 mm* lik, çıplak bir

kablonun soğuması.

1. Kurşun üzerinde ölçülen sıcaklık farkı.

>

2.

= 65 dakikalık zaman kat sayısına göre ksponansiyal eğri

•• '

3. Kurşun üzerinde hesaplanmış sıcakhk farkları.

(1) Gröber et Erk, Die Grundgesetze der Wârme übertragune, Sprlnger Verlag, 195B.

Elektrik Mühendislik 114

3.2 — Yaklaşık hesap : Yukarıda sözü geçen hesap metodunun bir şantiyede kullanılması çok fazla zaman kaybına yol açmaktadır. Bunun için :

A0 = A0™* e T ı/

(8)

formülünden hareketle daha pratik bir metot aranmasına çalışılmıştır. Burada :

A 0 m u miktarı, kurşun kılıf ile hava arasın daki max. sıcaklık farkını; T miktarı, kablonun soğuma zaman sabitesini; göstermektedir, yapı lan bir çok deneyler sonunda : T/2 den küçük bir süre içinde kablonun soğuma eğrisinin eksponan slyel bir şekil takip ettiği ve A0 sıcaklık farkının O,37x,A0ma,t değerine ulaşıncaya kadar lüzumlu zamanın T olduğu ve bu eksponansiyel şekil için işlenen hatanın ihmal edilebileceği anlaşılmıştır. Bu T zaman sabitesinin değeri :

T = % G.C/A.tt

(9)

Yukarıda belirtildiği gibi burada da :

G miktarı, ağırlıkları;

C miktarı, özgül ısıyı;

A miktarı, soğuma yüzeyini;

a miktarı, kablo ile hava arasındaki ısı ilet me kat sayısını; göstermektedir.

a k a t sayısı sabit olmayıp kablonun çapına, sıcaklık farkına ve kablonun yüzeyindeki havanın hareketine bağlıdır. Bu kat sayıyı tayin için, kab lonun döşeneceği mahalde elektrikle ısıtılmış bir kabloya tekabül eden (4) formülünden' hareket edebiliriz. Fakat bu sefa bir bobin üzerine sa nlı olarak değil de, yere serili makaralar (galef ler) üzerine yerleştirilmiş bulunmaktadır.

/. t Dakika

Şekil: 4 — 60 KV.luk, 11x240 mmt UM, plâstik

kılıflı bir kablonun soğuması.

1. Bakırın stcaklık farkı, .

2. — 65 dakikalık zaman kat sayısına göre ekspo nansiyel eğri.

3. Kursunun sıcaklık farkı.

Bu formülden şu bağıntıyı çıkarabiliriz :

a = 12. Rğ/.Ağ

(10)

Pratik olarak kat sayısının :

a = ao'lVAı9 + av şeklinde olduğu bulunmuştur.

(11)

a o ( Şekil 5) de kablo çapının bir fonksiyonu olarak verilmiştir. av miktarını, saniyede metre olarak V hava hızına bağlı olup, 7.VV değerine

eşit kabul edilmektedir.

<*o

ttmnn Trrrrm

6 0 kV

miiiıııılııııııııii

i mm

Şekil • S — Kablonun dıs çapına bağlı olarak ısının

nakil kat sayısı (aa)

Meseleyi daha iyi aydınlatmak için, 1 KV. hık 4 x 185 mm2, lik bir kablonun aşağıdaki üç hale göre 30°C'e kadar ısıtıldığı kabul edilerek, kab lonun zaman sabitesi hesablanabilir :

1 pı hil : Havanın sıcaklığı 0°C ve rüzgâr yok;

2 ci hal : Havamn sıcaklığı 10°C ve rüzgâr yok;

3 ci hal : Havanın sıcaklığı 0°C ve ortalama rüzgâr hızı 3 m/s;

Kablonun ölçüleri :

ı£dı5 = 55 mm., Gcu = 6,81 kg/m G,2Oİ = 1,21 " G p b = 4,34 "

A = 0,173 mVm. C r a = 0,40 KW.S/Kg. °C C120İ = 1,63 C p b = 0,13

1 cinai 2ci hal Scilhal

"•(^y/^Ozn^L av oc

Buna göre; r ğenler bulunur :

=0

X G.C/A.a için aşağıdaki de

1 ci h a l :

2ci hal: 3cü hal:

x

= 57 dakika,

0,173 x 9 60

= 53 >

= 20 >

Kablonun döşenmesi için lüzumlu zamanın hesaplanmasında, (8) denkleminden harektle t/r oranını çıkarmamız lâzımdır. Buradan:

ka (â0ma*/A0) = t/r

(12)

Yukarıda da belirttiğimiz gibi, kablonun sıcak

lık derecesinin +25°C dan aşağı düşmemesi için :

A0 (°C)

A0max (°C)

40max / A0 t/Tr ' t (dakika)

1 d hal 5

6 1,79 102

2cl hal 15

2,66 0,98 52

Sctthal 5

6 1,79 36