Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 ja IEC

Transkriptio

1 Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 ja IEC Johdanto SFS 6000 esikuva standardina on IEC SFS 6000 liitteessä 52A sanotaan mm: Tässä julkaisussa maahan asennettujen kaapelien kuormitusarvoina on käytetty aikaisemmin Suomessa käytössä olleita arvoja. Myös standardin IEC mukaisten arvojen käyttö on sallittua. Kohdassa SFS 6000 kohdassa A Maan lämpöresistiivisyys : Suomessa käytetään maan lämpöresistiivisyyden perusarvona 1,0 K m/w. HUOM. Standardissa IEC maan lämpöresistiivisyytenä on käytetty 2,5 K m/w, joka on turvallinen arvo maalimanlaajuisesti. Kuormituksen laskentaa käsittelevän standardisarjan IEC osan 3-1 mukaan Suomessa maan lämpöresistiivisyytenä käytetään 1,0 K m/w. Paikoissa jossa maan todellinen lämpöresistiivisyys on suurempi kuin 1,0 K m/w kuormitettavuutta on pienennettävä vastaavasti käyttäen sopivaa korjauskerrointa tai välittömästi kaapeleiden kanssa kosketuksessa oleva maa-aines on vaihdettava sopivampaan. Kun sallitaan molempien standardien käyttö, ovat nämä ohjeistukset vähän puutteellisia. Standardien taulukkoarvoja ei missään nimessä saa käyttää ristiin. Kaapelin sallitun kuormitusarvon laskentamenetelmiä on useita. On tärkeää että samasta järjestelmästä otetaan sekä sallitun kuormituksen perusarvo että siihen liittyvät asennustavan ja ympäristölämpötilan korjauskertoimet. SFS standardissa maa-asennuksen taulukkoarvoja on muutettu siinä määrin että kokonaisuus muodostaa oman järjestelmän. On todennäköistä että SFS on käyttänyt lähteenä OY NOKIA AB Kaapelitehtaan julkaisua VOIMAKAAPELIT JA ASENNUSJOHDOT. Ainakin kuormitusarvot ja osa korjauskertoimista ovat samoja ( aikaisemmin Suomessa käytössä olleita arvoja ). Seuraavassa on käytetty lähteinä edellä mainittua Nokian kirjaa sekä L. Reinhold ja R. Stubbe:n kirjoittamaa kirjaa Kabel und Leitungen für Starkstrom (1999). Jälkimäisestä lähteestä löytyy myös kuormitustaulukot ja vastaavat korjauskertoimet. Laskentamenetelmä poikkeaa IEC:n käyttämästä menetelmästä. Kun lasketaan sallitut kuormitusarvot (Iz) eri laskentamenetelmillä saadaan jonkin verran toisistaan poikkeavia arvoja. Poikkeamat eivät ole kovin suuria joten kun noudattaa ylläolevaa ohjetta voidaan kaikkia järjestelmiä käyttää turvallisesti. Katso esimerkit kohta Erot IEC ja SFS taulukoiden välillä ja 52-3 sarake D 1. IEC:n maan lämpötila on 20 C ja SFS:ssä 15 C. 2. IEC:n lämpöresistiivisyys on 2,5 k m/w ja SFS vastaava arvo on 1,0 k m/w 3. Maan syvyys IEC 0,8 m ja SFS vastaava arvo on 0,7 m taulukon johdinlämpötila on IEC:ssä 90 C ja SFS:ssä 65 C 5. SFS on samat arvot kuormitettavuudelle sekä PVC eristeisille että PEX eristeisille kaapeleille. Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 1/9

2 Muutetaan IEC taulukot niin että ne vastaavat SFS taulukoita ja verrataan taulukoita. Kohdalle 1 löytyy korjauskerroin taulukosta IEC A52-15 eli PVC = 1,05 ja PEX ja EPR = 1,04 Kohdan 2 korjauskerroin taulukon IEC A52-16 = 1,18 sekä PVC että PEX. Taulukon huomautuksissa kerrotaan että arvo on keskimääräinen, tarkkuus ± 5 %. Tarvittaessa tarkempia arvoja tulee käyttää standardia IEC Kohdan 3 merkitys on vähäinen. Asennussyvyydestä johtuvia korjauskertoimia ei ole mukana standardeissa (IEC tai SFS). Laskenta standardissa IEC kaapelin syvyydellä on vaikutusta kun lasketaan kaapelin sallittua kuormitusta. Nokia kirjasta löytyy taulukko josta voimme arvioida korjauskertoimen. Asennussyvyys on IEC:n taulukoissa 0,8 m ja SFS taulukoissa 0,7 m. Eli käytetään kerrointa 1 / 0,97 = 1,03 Kohdalle 4 ei löydy valmiita taulukoita. Kun halutaan laskea kaapelin kuormitus arvo toisella johdinlämpötilalla, voidaan käyttää kaavaa: Dv = Dv n æ ç è I I n ö ø 2 I on kuormitus virta ja v on lämpötila josta on vähennetty ympäristön lämpötila. Lähdetään siitä että kaapelin pintalämpötila ei saa ylittää 50 C. Katso tarkemmin kohta 3. ovat silloin: PVC kaapelille ei tarvitse laskea tätä kerrointa koska kaapelin pintalämpötila jää kohdan 3 mukaan alle 50 C vaikka johdinlämpötila on 70 C. PEX ja EPR kaapelien pintalämpötila nousee täysin kuormitettuna yli 50 C.. Yleisesti käytetään PEX kaapelien johdin lämpötilaa 65 C. PEX ja EPR = 50/75 =1,17 (65 / 90 maa 15 C). Laskentamenetelmä ei ole ihan tarkka johtuen siitä että vaihtovirralla ahto-ilmiö kasvattaa resistanssia ja näin kaapelihäviöitä suhteessa enemmän suurilla poikkipinnoilla kuin pienillä poikkipinnoilla. Kertoimilla saadaan näin vähän varmalla puolella olevia arvoja suurilla poikkipinnoilla. Taulukkoon alla on laskettu myös IEC taulukoiden suhteellinen erotus, josta näkyy ahto ilmiön suhteellinen vaikutus. Kokonaiskorjauskertoimet: PVC 1,05*1,18*1,03 = 1,28 PEX ja EPR 1,04*1,18*1,03/1,17 = 1,08 Taulukkoon on otettu mukaan myös vertailu jossa Nokia kirjan taulukon 22 arvot (PEX eristeisten kaapelin kuormitusarvot 90 C) on laskettu korjattuna 65 C.. Viimeisessä sarakkeessa näkyy erotus SFS ja korjatun Nokia kirjan taulukoiden välillä. Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 2/9

3 Poikkipinta SFS 6000 Korjattu Korjattu Korjaamattomat arvot ero IEC Nokia Korjattu ero Nokia Taulukko Taulukko taulukko 21 IEC 52-2 IEC 52-3 IEC 52-2 IEC 52-3 PVC/PEX SFS/Nokia Kupari 1, ,18 2, , , , ,96 % , ,45 % , ,84 % , ,19 % , ,50 % , ,46 % , ,28 % , ,03 % , ,07 % , ,67 % , ,32 % , ,18 % , ,10 % Alumiini , , ,84 % , ,56 % , ,56 % , ,64 % , ,01 % , ,12 % , ,26 % , ,87 % , ,85 % , ,60 % 3. Maan lämpötila ja kuivuminen Alla on suora sitaatti Nokia kirjasta kohta Korkeimmat lämpötilat maaperässä 0,7 m syvyydessä esiintyvät heinä- ja elokuussa. Alhaisimmillaan ovat maan lämpötilat taas helmikuun lopulla. Ohjearvoina voidaan pitää seuraavia lämpötiloja: Etelä-Suomi Korkein 15 C ja alin 0 C Pohjois-Suomi Korkein 13 C ja alin -5 C Kuormitustaulukoiden perustana oleva maaperän lämpöresistiivisyyttä 1 k m/w voidaan pitää sopivana keskiarvona suomalaisiin olosuhteisiin. Kostealla hiekalla ja savella on pienempi lämpöresistiivisyys (taulukko 30). Sitä vastoin kuivuneella ja huokoisella maalla sekä rakennusjätteitä sisältävällä täytemaalla on tavallisesti suurempi lämpöresistiivisyys. Kaapelissa kehittyvä häviölämpö saattaa tihetyissä olosuhteissa aiheuttaa ympäröivän maaperän kuivumista ja lämpöresistiivisyyden nousua. lämpötila kohoaa edelleen ja kuivumisen kiihtyessä syntyy labiili tilanne, joka johtaa korkeisiin lämpötiloihin ja kaapelin turmeltumiseen. Tapahtumaketjuun vaikuttavista tekijöistä voidaan mainita kuormitusvaihtelut, kaapelin pinnan lämpötila ja maaperän laatu. Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 3/9

4 Jos kuormituskäyrä sisältää yhden tai kaksi vuorokautista huippua ja pienen kuorman yöaikaan, on edellä kuvattu tapahtumien kulku tavallisesti epätodennäköinen. Pitkäaikaisella jatkuvalla kuormituksella riski suurenee sitä enemmän mitä korkeampi kaapelin pintalämpötila on. Termisesti labiiliin tilanteeseen johtavan lämpötilan kriittinen arvo riippuu maan laadusta On tapauksia jossa kuivuminen on alkanut kaapelin pinnan saavutettua + 40 C lämpötilan. Yleensä voidaan kaapelin pintalämpötilan kuitenkin nousta arvoon + 50 C asti. Käytettäessä kaapelin ympärillä ns. termisesti stabiilia täytettä voidaan kuivumisen vaikutuksia lieventää. Tällainen täyte voidaan saada aikaan sekoittamalla eri raekoon omaavia hiekkakokoja keskenään tai lisäämällä hiekkaan pieni määräsementtiä tai sopivasti valittua asvalttia. Juntattaessa täytemateriaali lisäksi mahdollisimman tiiviiksi voidaan kuivallakin täytteellä saada täten aikaan stabiili arvo n. 1 K m/w. Jos kaapelin pintalämpötilan odotetaan nousevan korkeaksi, on aiheellista tarkistaa täytemaan laatu ja pyrkiä mittaamaan lämpötilat niissä kohdissa, jossa kuivumisen vaara on suurin. Koska pintalämpötilan mittaus on tavallisesti vaikea järjestää, pintalämpötila joudutaan usein arvioimaan kaapelin johdinlämpötilan mittauksen perusteella ottaen huomioon kaapelin sisäinen lämpöresistanssi ja maaperän lämpöresistanssi. Useimmissa asennuksissa massakyllästettyjen paperieristeisten, PVC- ja PE-eristeisten kaapelien pintalämpötila eivät normaalisti saavuta +50 C. Sitä vastoin PEX-eristeisten täyteen kuormitettujen kaapelien pintalämpötila on yli + 50 C, kuten eräissä tapauksissa myös öljykaapelien pintalämpötila. Veteen lasketut kaapelit jäähtyvät yleensä niin hyvin, että niitä voidaan kuormittaa noin 1,15 kertaa suuremmalla virralla kun maahan asennettuja kaapeleita. Pohjaa peittävät kerrokset, joihin kaapelit vajoavat, ovat tavallisesti termisesti stabiileita. On kuitenkin löydetty pohjakerroksia, joiden lämpöresistiivisyys on suuri. Tällaisesta on esimerkkinä orgaaninen, mm. kasvijätteistä muodostunut muta. Tästä syystä on myös vesistöihin laskettujen kaapelien pintalämpötiloihin kiinnitettävä huomiota. 4. Korjauskertoimien taulukot 4.1 ympäröivän maan muulle lämpötilalle kun 15 C Nokia kirjan taulukko 31 SFS taulukko Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 4/9

5 SFS taulukonarvot tulisi olla samat kun Nokian kirjan arvot. Onko mahdollisesti kirjoitettu PEX kaapeleille 90 C asteen arvot? Perustaulukko oli muunnettu 65 C eli PEX arvot tulisi mielestäni ottaa 65 C riviltä. Vaikutus katso kohta 6 esimerkit. 4.2 Maan lämpöresistiivisyyden korjauskertoimet Nokian kirjan taulukko: SFS taulukko Nokia kirjan taulukko on huomattavasti monipuolisempi. SFS taulukkoon on otettu ainoastaan yksi rivi. 4.3 useammalle kuin yhdelle kaapelille Nokia kirjan taulukko SFS taulukossa on samat arvot kun ylläolevassa taulukossa. Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 5/9

6 SFS 6000 on lisäksi taulukko putkeen asennettaville monijohdin maakaapeleille. Tätä vastaavaa taulukkoa ei löydy Nokia kirjasta. Taulukko ei myöskään ole samanlainen kun A2 kirjassa olevat vanhat taulukot tai IEC:ssä olevat taulukot. IEC:ssä on kolme taulukkoa joka on samankaltainen kun SFS taulukko, mautta arvot ovat erilaisia. Arvojen tulleekin olla erilaisia kun kuormitettavuus arvot poikkeavat toisistaan (SFS / IEC). SFS taulukkoa vastaava taulukko on IEC:ssä jaettu kahteen osaan, monijohdinkaapelit ja yksijohdinkaapelit. Yksijohdintaulukkoa ei löydy SFS standardista. 4.4 Muita hyödyllisiä Nokia kirjan taulukoita maa asennuksille Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 6/9

7 5. Lyhyesti kuormituksen ja korjauskertoimien laskenta menetelmistä Tietenkin paras tapa olisi aina laskea kulloisenkin tapauksen kuormitusarvot erikseen esimerkiksi IEC standardin IEC mukaan. Näin tulee myös tehdä, mikäli mitoitustaulukkojen käyttö ei ole mahdollista ko. tapauksen mitoitukseen. Esimerkkinä mainittakoon asennus kaukolämpöputkiston lähelle. Laskenta on monimutkainen ja edellyttää kaapelin rakenteen ja maan laadun, asennustavan ym. tarkkaa tuntemusta. IEC kohdan mukainen peruskaava: θ W d [0,5T 1 + n(t 2 + T 3 + T 4 )] I = [ RT 1 + nr(1 + λ 1 )T 2 + nr(1 + λ 1 + λ 2 )(T 3 + T 4 ) ] 0,5 jossa: I on suurin sallittu kuormitusvirta A Θ on johtimen suurin sallittu lämpenemä K R on johtimen vaihtovirtaresistanssi, maksimi käyttölämpötilassa Ω/m W d on dielektriset häviöt W/m T 1 on johtimen ja metallivaipan välinen lämpöresistanssi K m/w T 2 on metallivaipan ja armeerauksen välinen lämpöresistanssi K m/w T 3 on armeerauksen ja kaapelin pinnan välinen lämpöresistanssi K m/w T4 on kaapelin pinnan ja ympäristön välinen lämpöresistanssi K m/w n on kaapelin kuormitettujen johtimien lukumäärä λ 1 on metallivaipan häviöiden suhde johdinhäviöihin λ 2 on armeerauksen häviöiden suhde johdinhäviöihin Kaapelille joka on alttiina suoralle auringon paisteelle, käytetään omaa kaava ja jokaiselle osatekijälle on omat erilliset laskentakaavat ja menetelmät. Kuormitusvirta- ja korjauskerrointaulukot muodostavat mitoitusjärjestelmän jossa on laadinnan yhteydessä tehty harkittuja kompromisseja ja/tai yksinkertaistuksia. Korjauskerrroin saadaan kun laskenta tehdään erikseen molemmille tapauksille. Kuten jo kohdassa 1 todettiin, on tärkeää että sallittu kuormitusvirta ja korjauskertoimet otetaan saman mitoitusjärjestelmän taulukoista. 6. Esimerkit Esimerkki 1, yksittäinen kaapeli AMCMK 4x asennetaan suoraan maahan eteläsuomessa Kaapeli kaivetaan maahan jossa lämpöresistiivisyys on todettu olevan 1,5 K m/w Kaivannon syvyys on 0, m, maan lämpötila on 15 C, jännite on 400 V, 50 Hz. PVC SFS 6000 IEC Nokia Kabel und.. I = 255 SFS 52-2D Johdinlämpötila Maan lämpötila 1 SFS ,05 1 0,86 1,5/15/70 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 0,85 1 Kaivannon syvyys 1 1 0,97 1 Iz = 217 A 218 A 210 A 212 A PEX SFS 6000 IEC Nokia Kabel und.. I = 255 SFS 52-3D Johdinlämpötila 1 0,86 90/65 1 0,86 90/65 Maan lämpötila 1 SFS ,04 1 0,85 1,5/15/65 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 0,85 1 Kaivannon syvyys 1 1 0,97 1 Iz = 217 A 216 A 208 A 196 A Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 7/9

8 Esimerkki 2, kuten yllä mutta kaapeleita on 2//, asennettuna vierekkäin koskettaen. Muutetaan myös ympäröivän maan lämpötila 25 C PVC SFS 6000 IEC Nokia I = 255 SFS 52-2D Johdinlämpötila Maan lämpötila 0,9 SFS ,95 0,9 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 0,85 Kaivannon syvyys 1 1 0,97 2// väli 0 0,79 SFS ,75 0,79 Per kaapeli Iz = 154 A 148 A 149 A PEX SFS 6000 IEC Nokia I = 255 SFS 52-3D Johdinlämpötila 0,93 0,86 1 Maan lämpötila 1 SFS ,96 0,89 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 0,85 Kaivannon syvyys 1 1 0,97 2// väli 0 0,79 SFS ,75 0,79 Per kaapeli Iz = 159 A 150 A 146 A Esimerkki 3, kuten yllä mutta kaapeleita on 6//, asennettuna vierekkäin väli 0,25. Maan lämpötila 15 C. PVC SFS 6000 IEC Nokia I = 255 SFS 52-2D Johdinlämpötila Maan lämpötila 1 SFS ,05 1 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 0,85 Kaivannon syvyys 1 1 0,97 6// väli 0,25 m 0,69 SFS ,7 0,69 Iz = 150 A 153 A 145 A PEX SFS 6000 IEC Nokia I = 255 SFS 52-3D Johdinlämpötila 1 0,86 1 Maan lämpötila 1 SFS ,04 1 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 0,85 Kaivannon syvyys 1 1 0,97 6// väli 0,25 m 0,69 SFS ,7 0,69 Per kaapeli Iz = 150 A 152 A 143 A Esimerkki 4, kuten esim. 1 mutta kaapeleita on 2//, asennettuna putkeen koskettaen. Muutetaan myös ympäröivän maan lämpötila 25 C PVC SFS 6000 IEC I = 255 SFS 52-2D 189 Johdinlämpötila 1 1 Maan lämpötila 0,9 SFS ,95 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 Kaivannon syvyys 1 1 2// väli 0 putkessa 0,75 SFS ,85 Per kaapeli Iz = 146 A 14,7 % 168 A PEX SFS 6000 IEC I = 255 SFS 52-3D 220 Johdinlämpötila 0,93 0,86 Maan lämpötila 1 SFS ,96 Maan resistiivisyys 0,85 SFS ,1 Kaivannon syvyys 1 1 2// väli 0 putkessa 0,75 SFS ,85 Per kaapeli Iz = 151 A 12,3 % 170 A Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 8/9

9 Esimerkissä 4 on liian suuri ero. Ehkä SFS 6000 korjauskerrointaulukko on vähän virheellinen. Tosin tulos on varmalla puolella. On kuitenkin hyvä muistaa että kun pienjännitekaapeleita asennetaan maahan, esimerkiksi hajaasutusalueella, on matkat verkkojännitteeseen nähden (400/230 V) pitkät, joten poikkipintoja tulee kasvattaa jotta jännite alenemat pysyy kohtuulisina. Kuormituksien arviointi on myös haasteellista. Esimerkki 5, välijännitekaapeli maassa Dynaaminen oikosulkuvirta voidaan laskea kaavalla jossa Välijännitekaapelia mitoittaa: Verkon sysäysoikosulkuvirta - kaapelin dynaaminen oikosulkukestoisuus Verkon maksimi oikosulkuvirta kaapelin terminen oikosulkukestoisuus Kaapelin kuormitusvirta. Tavallisesti välijänniteverkon maksimi oikosulkuvirta ja sysäysoikosulkuvirta tunnetaan. Laskentasääntöjen mukaan R/X suhteena käytetään arvoa 0,1 jos oikeata arvoa ei tunneta. Näin saatu tulos on varmanpuolella. ip =1,74* 2*10 ka = 24,6 ka Maan paino estää kaapelia purkautumasta maassa. Mutta kun siirrytään maanpinnalle, on huolehdittava että kaapeli on sidottu purkautumisen estämiseksi. Yllä laskettu sysäysoikosulkuarvon sidosväli on suuruusluokkaa 1,5 m. 10kV oikosulkuvirrat ovat huomattavasti suuremmat jolloin myös sidosväli lyhenee huomattavasti. Sidontaan voidaan käyttää narua, Tespa pantaa tai tarkoitukseen valmistettua teippiä. Neuvottele asiasta tarvittaessa kaapelivalmistajan kanssa. Usein kaapelin terminen oikosulkukestoisuus mitoitetaan niin, että se vioittumatta sallii myös laukaisun siirtymisen toiselle portaalle. Eli 2*0,4 s = 0,8 s. Esimerkin oikosulkuvirta on 10 ka. Valmistajan luettelon mukaan: AHXAMK-WM 20 kv 3* sekunnin oikosulkuvirtakestoisuus on 8,9 ka AHXAMK-WM 20 kv 3* sekunnin oikosulkuvirtakestoisuus on 11,3 ka Oikosulkukestoisuus voidaan muuntaa toiseen aikaan kaavalla I = 1/0,8 *8,9 ka = 9,95 ka Mitoituksessa on hyvä huomioida myös oikosulkuvirran kasvu tulevaisuudessa. Kuormitettavuus maassa 65 C johdinlämpötilalla on 95 mm 2 kaapelilla = 235 A ja 120 mm 2 = 265 A. Kuormitusvirta on 45,1 A. Lyhytaikainen virtakestoisuus ylimitoittaa kaapelin kuormitusvirtaan nähden joten ongelmia kaapelin pintalämpötilan kanssa ei ole. Kaarnatie 1 F Helsinki Maakaapeloinnin Iz SFS 6000 / IEC Sivu 9/9