TUGAS MANDIRI

GEJALA MEDAN TINGGI

Dosen : Prof. Syamsir Abduh

Topik :

“ EFEK BACKFILLING PADA PENGANALISAAN AMPACITY KABEL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA”

Penulis : Francisco de León, Senior Member, IEEE, dan George J. Anders, Fellow, IEEE

Nama : Lendra Nur Aprilla

Nim : 062.10.011

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS TRISAKTI

JAKARTA

2012

78

EFEK BACKFILLING PADA PENGANALISAAN AMPACITY KABEL DENGAN METODE ELEMEN HINGGA

Abstrak- Penggambaran untuk menghitung hambatan thermal eksternal T4 dari kabel terpendam, pada kedua standard IEEE dan IEC berlaku sejumlah geometri instalasi. Pada tulisan ini, metode untuk perhitungan T4 menggunakan pendekatan elemen hingga. Dengan metode ini pembelajaran parametik, bagaimana kabel ampacity dipengaruhi oleh perbedaan konfigurasi backfill yang dilakukan. Hasil yang didapatkan perbandingan antara dua standard yaitu IEEE dan IEC (Neher–McGrath) dan dipublikasikan oleh El-Kady and Horrocks. Perbedaan penting dapat diamati untuk kondisi non-standard.

I. Pendahuluan

Untuk sebagian besar kabel yang dipendam, jumlah hambatan thermal eksternal untuk lebih dari 70% kenaikan temperature konduktor. Oleh karena itu, berbagai pengertian tentang pengurangan nilai temperature konduktor telah diterapkan dalam praktik. Di kota-kota Amerika Utara, kabel bertegangan menengah dan rendah sering diletakkan pada saluran bank untuk memungkinkan sejumlah besar sirkuit diletakkan pada saluran yang sama. Saluran merupakan hal pertama yang diinstall pada lapisan - lapisan dengan bantuan spacer, dan kemudian melapisi bagian bawah dari bahan pengisi yang dipadatkan setelah setiap lapisan diposisikan. Beton adalah material yang banyak digunakan sebagai pengisi. Kabel bertegangan tinggi dan bertegangan ekstra tinggi, di sisi lain sering ditempatkan dalam pembungkus –well conducting backfill untuk meningkatkan disipasi panas. Kedua metode pemasangan telah biasa dengan material yang mempunyai resistivitas thermal (hambatan dalam) yang berbeda dari tanah asli.

Backfilling lebih efektif ketika resistivitas thermal tanah tinggi. Beberapa tanah mempunyai resistifitas thermal tinggi secara alami (seperti contoh pasir kering), tetapi resistifitas thermal tinggi dapat terjadi melalui perpindahan kelembapan (atau tanah menjadi kering). Standard IEEE 422[1] menggambarkan prosedur untuk pengukuran hambatan dalam dan memberikan nilai tanah berdasarkan kadar air. Backfill dapat menjadi cara yang efektif untuk mencegah tanah menjadi kering disekitar kabel.

Usaha pertama untuk merancang saluran bank atau backfill dalam perhitungan pada T4

dipresentasikan oleh Neher dan McGrath dan kemudian diadopsi dalam Standar IEC 60287.

Dalam karyanya yang lain, El-Kady and Horrocks [4], El-Kady et al.,[5], Tarasiewicz et al. [6], and Sellers and Black [7] dasar metode Neher dan McGrath dikembangkan untuk

memperhitungkan backfills dan saluran bank yang berbentuk persegi empat panjang memanjang, dan untuk menghapus asumsi bahwa perimeter eksternal dari persegi panjang adalah isotermal.

Pendekatan untuk perhitungan dari hambatan dalam eksternal yang didiskusikan pada referensi diatas, mengasumsikan bahwa aliran panas antara kabel dan permukaan tanah terdiri wilayah memiliki tahanan termal yang seragam, bahkan di kasus backfill atau saluran bank, asumsinya dibuat sama, dan faktor koreksi diterapkan kemudian untuk menghitung perbedaan hambatan dalam. Dalam prakteknya, beberapa lapisan dari resistivitas termal yang berbeda mungkin ada antara permukaan kabel dan tanah / antarmuka udara. Untuk menghadapi kasus umum berbagai resistivitas termal dari tanah, CIGREWorking 02 Group mengusulkan metode menggunakan transformasi konformal untuk menghitung nilai T4.

Tujuan kedua dari tulisan ini adalah untuk memperlihatkan hasil dari analisa parametris pada efek ampacity backfilling. Kuantitas, bentuk dan lokasi dari backfill dengan perbedaan hambatan dalam untuk tanah asli telah divariasikan. Selain itu, dampak ampacity pada perekayasaan pemasangan backfills pada pembelajaran utama backfills.

II. T4- Hambatan dalam Eksternal

Ampacity kabel sangat bergantung pada hambatan dalam media sekelilingnya. Selain ukuran konduktor, hambatan dalam tanah mempunyai pengaruh yang sangat besar pada kemampuan kabel membawa arus. Nilai dari T4 untuk kabel terisolasi bergantung pada karakteristik thermal dari tanah/backfill dan kedalaman instalasi. Gambar 1 menunjukkan variasi dari ampacity kabel sebagai fungsi hambatan termal dari tanah untuk kabel yang terpasang. Perhatikan bahwa ampacity cukup sensitif terhadap perubahan yang tahan panas tanah (atau resistivitas untuk kedalaman instalasi yang diberikan).

Selain faktor yang disebutkan sebelumnya, nilai T4 juga tergantung pada posisi kabel yang membentuk sirkuit tunggal serta bentuk kurva beban yang terkait dengan sirkuit. Pada berikutnya, kita akan mengasumsikan faktor beban kesatuan, sehingga efek terakhir akan diabaikan.

A. Metode Standard untuk Perhitungan T4

Hambatan eksternal kabel dihitung berdasarkan standard IEEE dan IEC menggunakan metode the Neher-Mc-Grath yang dipublikasikan pada tahun 1957 [2]. Nilai T4 dihitung dengan ekspresi yang bergantung pada jika kabel yang terpasang atau terpendam. Ketika kabel tersentuh, perbedaan bergantung pada jika kabel diletakkan dalam formasi trefoil atau flat. Ungkapan sejarah dan teori perhitungan ampacity telah ditemukan.

Dalam metode Neher-McGrath, Backfill diperlakukan sebagai permukaan silinder setara radius yang tergantung pada lebar dan tinggi dari backfill tersebut.

B. Perhitungan T4 menggunakan metode elemen hingga

Ketika media di sekeliling kabel terdiri dari beberapa material (bahan) dengan perbedaan hambatan termal, metode standard tidak dapat digunakan. Bagaimanapun juga, solusi perkiraan dapat ditemukan dengan menggunakan metode elemen hingga. Pendekatan iniberdasarkan pengamatan bahwa kenaikan suhu ∆Ә pada permukaan kabel diatas sesuai dengan persamaan :

dimana W adalah Total kerugian di dalam kabel, Jika kita tetapkan W=1 dan lalu

dimana adalah suhu permukaan kabel.

Tujuan pendekatan dibutuhkan untuk membangun mesh elemen hingga dan menyelesaikan persamaan hasil transfer panas untuk suhu permukaan kabel. Gambar 2 menunjukkan contoh memasukkan rincian kabel. Pada sebagian besar kasus permukaan kabel tidak isothermal; maka timbul pertanyaan suhu mana yang dipilih. Pendekatan konservatif akan menggunakan nilai tertinggi. Sebuah alternatif akan menggunakan rata-rata suhu. Pendekatan terakhir diambil dalam perkembangan yang akan disajikan.

Batas adiabatik ditetapkan cukup jauh pada kedua sisi dan di bawah dari pemasangan (batas tidak ditunjukkan pada gambar 2). Pengalaman menunjukkan bahwa kondisi batas menghasilkan error yang diabaikan ketika menghitung suhu kabel. Permukaan tanah dapat di wakilkan sebagai isothermal atau batas kovektif.

Sekali T4 diketahui, penghitungan ampacity dapat dihasilkan secara efisien dengan prosedur yang standard. Ini adalah perbedaan penting dengan memperhatikan pendekatan hanya menggunakan metode elemen hingga untuk penghitungan medan thermal. Pada kasus berikutnya, simulasi dengan waktu lebih lama sangat diharapkan.

Gambar 3 menunjukan pemasangan yang kompleks dapat dipecahkan menggunakan metode ini. Selain tanah asli, pemasangan terdiri dari beberapa bahan dengan perbedaan hambatan thermal, dengan nama : dua lapisan tanah, tiga pasang saluran pada trefoil pada backfill, beberapa kabel pada trefoil yang terpasang pada saluran dan pipa.

Pertanyaan biasa pertama yang muncul dalam pendekatan diusulkan di sini adalah bagaimana membandingkan dengan metode standar penghitungan T4 untuk kasus dimana perbandingan dapat dibuat. Pertanyaan ini ditujukan untuk penulis.

III. Jenis Hambatan Thermal Tanah

Beberapa backfilling disusun dan di selidiki dengan paramatik studi. Hambatan thermal tanah bervariasi antara 0.5 dan 4.0 K.m/W. Dua pendekatan tersebut diatas menggambarkan untuk perhitungan T4 yang dibandingkan pada setiap kasus.

A. Kasus Dasar- Kabel Terpendam

Geometri dari dasar kasus ditunjukkan pada gambar 4 yang terdiri dari 3 susunan trefoil. Konstruksi kabel secara detail ditunjukkan pada gambar 5. Gambar 6 menunjukkan variasi ampacity dengan hambatan thermal tanah membandingkan dua metode perhitungan T4. Hal ini dapat dilihat bahwa kedua metode memberikan pendekatan ampacity yang sama untuk seluruh hambatan termal rentang tanah. Hal ini menarik untuk diperhatikan bahwa ampacity untuk hambatan tanah 4.0 K.m/W kurang dari setengah 0.5 K.m/W.

B. Kasus dengan Backfill thermal

Pengaruh dari susunan ampacity kabel pada gambar 4 yang terpasang pada backfill dengan nilai hambatan thermal rendah dianalisis sebagai fungsi hambatan thermal tanah. Dua kasus dibandingkan ketika T4 terhitung sebagai standard dengan metode elemen hingga.

Tiga kuantitas backfill telah diperiksa, lihat gambar 7, satu (small) memiliki dimensi 0.7 x 0.5 m (Luas = 0.35 m2), yang lain (medium) dengan dimensi 1.2 x 1.0 m (luas = 1.2 m2), dan yang terakhir (large) dengan dimensi 2.0 x 1.5 m (Luas = 3.0 m2). Hambatan thermal tanah bernilai antara 0.5 dan 4.0 K.m/W. Gambar 8 menunjukkan susunan ampacity ketika mengggunakan metode elemen hingga. Seperti yang diharapkan, kuantitas yang lebih besar dari backfill dengan hasil daerah amapcity yang lebih besar. Pada contoh ini, ampacity meningkat 37.5 % untuk small backfill, 72% untuk medium backfill, dan 95 % untuk large backfill. Meningkatkan kuantitas backfill menimbulkan biaya-biaya instalasi tambahan. Dimana jumlah optimal backfill di luar yang meningkat di rating kabel tidak mengimbangi biaya tambahan. Topik ini dibahas dalam [2].

Gambar 9 menunjukkan perbedaan presentase antara penjumlahan ampacity dengan dua metode. Berdasarkan referensi penjumlahan ampacity dengan menggunakan metode elemen hingga. Untuk kasus kabel yang langsung ditanam dan large backfill perbedaannya adalah kecil (kurang dari 3 %) dan negatif. Demikian standardisasi perhitungan metode komputasi ampacity pada bagian optimistic. Bagaimanapun juga untuk small dan medium backfill, metode yang standard memberikan lebih besar ampacity pada bagian pesimistik dengan perbedaan rentang dari -2 % sampai 11 %.

C. Jenis Kedalaman Backfill

Eksperimen numerik dilakukan untuk menemukan perbedaan antara standar dan metode elemen hingga sebagai kedalaman jenis backfill. Jarak antara bagian atas backfill dengan permukaaan antara 0.1 m sampai 10 m. Lihat gambar 10. Hasil ditunjukkan pada gambar 11, untuk hambatan thermal 1.0 dan 5.0 K.m/W untuk tanah dan backfill. Seperti yang diharapkan, ampacity menurun sesuai dengan peningkatan kedalaman. Kedua metode memberikan hasil yang hampir sama untuk setiap kedalaman. Perbedaan terbesar adalah di bawah 2% dan terjadi untuk kasus dangkal (0,1 m). Hasil elemen hingga yang agak optimis. Hasil yang sama diperoleh untuk kombinasi lainnya dari resistivitas termal.

IV. Jenis Lebar dan Tinggi

Standar metode untuk perhitungan kabel ampacity untuk instalasi backfill berlaku untuk rasio lebar dengan ketinggian mulai dari 1/3 sampai 3. Dalam referensi [4], ekstensi untuk metode standar yang diberikan. Di sini, kita membandingkan standar metode, termasuk ekstensi, melawan batas elemen hasil.

A. Mengubah-ubah Lebar

Lebar dari backfill bervariasi antara 0.7 m sampai 4.0 m. Hambatan thermal untuk tanah dan backfill adalah 1.0 dan 5.0 K.m/W. Respektif gambar 12 menunjukkan susunan untuk kasus ekstrim dan gambar 13 menggambarkan perbandingan hasil. rasio lebar ke tinggi antara 1.4 dan 8.

Dari gambar 13 kita dapat mengamati bahwa metode standard menghitung ampacity pada bagian konservatif di sekitar 4 % (untuk kasus ini). Faktanya tercatat pada [4]. Penulis menunjukkan bahwa faktor geometrik diperoleh dengan metode Neher-McGrath menurun seperti peningkatan rasio tinggi terhadap lebar kontradiksi hasil dari skemanya. Alasannya adalah pendekatan standard, permukaan backfill diasumsikan menjadi silinder isothermal. Untuk rasio sangat besar (atau kecil) lebar / tinggi, hal ini tidak benar, terutama ketika kabel sudah terkumpul bersama seperti dalam contoh. Daerah backfill dekat panas kabel lebih panas dari daerah jauh dari kabel.

B. Mengubah-ubah tinggi

Ketinggian backfill bervariasi 0,5-4,0 m dengan konstan lebar 0,7 m. Rentang ini mencakup lebar rasio tinggi 0,714-5,71. Posisi awal backfill kini 2 m (bukan 1 m) untuk memberikan lebih banyak ruang untuk variasi. Gambar. 14 menggambarkan situasi yang ekstrim dan gambar. 15 menunjukkan dihitung ampacity dengan metode standar, metode tambahan diterbitkan pada [4] dan pendekatan elemen hingga.

Kita dapat mengamati bahwa metode standar (hingga rasio lebar dengan tinggi dari 3) menghitung ampacity dengan kurang dari 2% perbedaan sehubungan dengan pendekatan elemen hingga. Ekstensi memberikan perbedaan maksimum 9%. Dalam kasus keduanya, perbedaan berada di sisi optimis (yaitu, ampacity dihitung lebih besar dari referensi ampacity dihitung dengan metode elemen hingga).

V. Pengaturan Backfill Pada Bagian Atas

Setelah menggali saluran untuk instalasi kabel bawah tanah, adalah hal yang biasa menempatkan tanah permukaan diatas backfill. Namun, ketika tanah ini memiliki resistivitas termal kurang baik (nilai yang tinggi atau rawan terhadap kekeringan), backfill yang telah diatur dengan resistivitas termal lebih rendah dari tanah dapat digunakan. Pada gambar. 16 menggambarkan kondisinya.

Sebuah studi parametrik telah dilakukan untuk menemukan keuntungan ampacity untuk instalasi dengan backfill (atau rekayasa) yang terkendali. Kabel dipasang dalam backfill kecil berpusat di kedalaman dari 1 m dengan resistivitas termal 0,5 K.m / W. Resistivitas termal dari kedua tanah dan backfill terkendali bervariasi antara 0,5 dan 4,0 K.m / W.

Pada gambar. 17 menunjukkan variasi dalam ampacity untuk beberapa kondisi:Tidak mengendalikan backfill pada bagian atas, menambahkan backfill terkendali denganresistivitas termal 0,5, 1,0, dan 1,5 K.m / W. Dari gambar. 17 seseorang dapat menghargai bahwa mengganti tanah permukaan dengan material resistivitas termal yang lebih rendah secara substansial dapat meningkatkan ampacity kabel. Seperti yang diharapkan, manfaat ampacity lebih besar diperoleh ketika resistivitas termal dari tanah permukaan lebih tinggi. Dalam contoh kita, peningkatan ampacity lebih dari 42% ketika kita menambahkan backfill terkendali 0,5 Km / W menggantikan tanah dengan resistivitas termal sebesar 4,0 K.m / W. Semua simulasi dalam bagian ini telah dilakukan dengan metode elemen hingga.

Prosedur standar tidak berlawanan terhadap metode menggunakan pendekatan elemen hingga adalah sebagai berikut.

• Metode standar akurat sesuai dengan hasil dari elemen hingga ketika kabel langsung ditanam.

• Metode standar cenderung sedikit mengabaikan ampacity ketika kabel sudah dipasang pada pengurukan berbentuk sumur (rasio lebar / tinggi dari 1/3 sampai 3) dengan persentase nilai yang kecil. Dengan meningkatnya kedalaman instalasi, membuat perbedaan antara dua metode menurun.

• Ekstensi untuk perhitungan faktor geometrik diusulkan oleh El-Kady dan Horrocks bekerja relatif baik untuk backfills dengan lebar rasio dengan tinggi lebih besar dari 3. Namun, untuk backfills dengan lebar rasio dengan tinggi lebih kecil dari 1/3, pendekatan El-Kady/Horrocks ampacity yangdari 5 sampai 10%.

• Dalam standar, tidak ada prosedur untuk komputasi pada kasus di mana sebuah backfill terkendali digunakan di atas backfill utama. Semua simulasi dalam makalah ini telah dilakukan dengan program tersedia secara komersial untuk termal kabel rating, CYMCAP, dimana algoritma disajikan dalam makalah ini telah dimasukkan [13].

Gambar. 18. Ampacity untuk tiga kasus penting: kabel langsung ditanam, kabel pada backfill, dan kabel pada backfill ditambah backfill atas yang terkendali. Ilustrasi untuk komputasi untuk pengaturan geometris digambarkan pada Gambar. 16.

VI. Ikhtisar Hasil

Gambar. 18 membandingkan tiga kasus yang paling penting: skenario kasus yang mengkhawatirkan, ketika kabel langsung ditanam seperti pada Gambar. 4; standar kasus backfill, dan skenario kasus terbaik, ketika kabel yang dipasang pada backfill dan dengan backfill atas yang terkendali (Gbr. 16). Peningkatan ampacity ketika kabel dipasang pada backfill bervariasi antara 0% dan 37,5% terhadap dengan kasus langsung ditanam. Ketika backfill terkendali ditambahkan, peningkatan ampacity bervariasi dari 0% sampai 95% dari ampacity yang untuk kabel langsung ditanam.

VII. Kesimpulan

Sebuah metode elemen hingga untuk perhitungan termal resistensi eksternal untuk kabel telah dibuat. Itu merupakan metode alternatif yang efektif untuk penggunaan penuh program termal elemen hingga. Setelah dihitung, pendekatan yang diusulkan menerapkan prosedur Peringkat standar. Kombinasi metode memberikan kemungkinan efisien. Peringkat kabel dipasang pada tanah homogen dan / atau pengurukan pengaturan.

Studi parametrical tentang efek backfill pada ampacity kabel telah disajikan. Analisa yang dilakukan meliputi perbandingan dari dua metode untuk menghitung tahan panas eksternal. Kesimpulan yang paling penting pada penggunaan backfills adalah sebagai berikut.

• Backfilling adalah cara (secara teknis) yang efektif untuk meningkatkan ampacity. Instalasi sejumlah backfill kecil bisa menghasilkan keuntungan ampacity yang cukup besar.

• Peningkatan di ampacity backfill lebih signifikan ketika resistivitas termal dari tanah asli adalah tinggi.

• Jumlah backfill secara substansial mempengaruhi ampacity.

• Pengaturan backfills di atas kabel sudah ditimbun dapat signifikan meningkatkan ampacity ketika tanah air ini memiliki tinggi resistivitas termal. Yang paling penting kesimpulan pada perbandingan metode standar untuk perhitungan nilai.

Referensi:

[1] IEEE Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements, IEEE Std. 442, 1981.

[2] J. H. Neher and M. H. McGrath, “The calculation of the temperature rise and load capability of cable systems,” AIEE Trans. Part III—Power App. Syst., vol. 76, pp. 752–772, Oct. 1957.

[3] Electric Cables—Calculation of the current rating—Part 2: Thermal resistance—Section 1: Calculation of the thermal resistance, IEC Std. 60287-2-1, 2001-11.

[4] M. A. El-Kady and D. J. Horrocks, “Extended values of geometric of external thermal resistance of cables in duct banks,” IEEE Trans. Power App. Syst., vol. PAS-104, no. 8, pp. 1958–1962, Aug. 1985.

[5] M. A. El-Kady, G. J. Anders, D. J. Horrocks, and J. Motlis, “Modified values for geometric factor of external thermal resistance of cables in ducts,” IEEE Trans. Power Del., vol. 3, no. 4, pp. 1303–1309, Oct. 1988.

[6] E. Tarasiewicz, M. A. El-Kady, and G. J. Anders, “Generalized coefficients of external thermal resistance for ampacity evaluation of underground multiple cable systems,” IEEE Trans. Power Del., vol. PWRD-2, no. 1, pp. 15–20, Jan. 1987.

[7] S. M. Sellers and W. Z. Black, “Refinements to the Neher-McGrath model for calculating the ampacity of underground cables,” IEEE Trans. Power Del., vol. 11, no. 1, pp. 12–30, Jan. 1996.

[8] CIGRE, “The calculation of the effective thermal resistance of cables laid in materials having different thermal resistivities,” Electra, No. 98, 1985, pp. 19–42.

[9] F. de Leon, “Major factors affecting cable ampacity,” presented at the IEEE/Power Eng. Soc. General Meeting, Montreal, QC, Canada, Jun. 18–22, 2006, paper 06GM0041.

[10] IEEE Standard Power Cable Ampacity Tables, IEEE Std. 835-1994.

[11] G. J. Anders, Rating of Electric Power Cables: Ampacity Computations for Transmission, Distribution, and Industrial Applications. Piscataway,NJ: IEEE Press, 1997.

[12] G. J. Anders, Rating of Electric Power Cables in Unfavorable Thermal Environment. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2005.

[13] CYMCAP for Windows, CYME Int. T&D, Nov. 2006. St. Bruno, QC, Canada.

[14] D. Mushamalirwa, N. Germay, and J. C. Steffens, “A 2-D finite element mesh generator for thermal analysis of underground power cables,” IEEE Trans. Power Del., vol. 3, no. 1, pp. 62–68, Jan. 1988.