TEKNIIKKA JA LIIKENNE. Sähkötekniikka. Sähkövoimatekniikka INSINÖÖRITYÖ

Transkriptio

1 TEKNIIKKA JA LIIKENNE Sähkötekniikka Sähkövoimatekniikka INSINÖÖRITYÖ KOSKETUSSUOJAN POIKKIPINNAN VAIKUTUS kv SUURJÄNNITEKAAPELIN KUORMITETTAVUUTEEN Työn tekijä: Mika Suomi Työn valvoja: Jarno Varteva Työn ohjaaja: Rito Kiviaari Työ hyväkytty: Lehtori Jarno Varteva

2 ALKULAUSE Tämä ininöörityö tehtiin Prymian Cable and Sytem Oy:n tiloia ja työvälineillä Pikkalaa. Haluan kiittää projektia mukana olleita ja Prymian Cable and Sytem Oy:tä aamatani tueta. Kaapelitehtaaa työni ohjaajana toimi diplomi-ininööri Rito Kiviaari. Eitän hänelle parhaimmat kiitokeni hänen arvokkaita ohjeitaan ja työni vuoki käyttämätään ajata. Kiitän työni valvojaa lehtori Jarno Vartevaa Metropolia Ammattikorkeakouluta. Helingiä Mika Suomi

3 TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Mika Suomi Työn nimi: Koketuuojan poikkipinnan vaikutu kv uurjännitekaapelin kuormitettavuuteen Päivämäärä: Koulutuohjelma: Sähkötekniikka Sivumäärä: liitettä Suuntautumivaihtoehto: Sähkövoimatekniikka Työn valvoja: lehtori Jarno Varteva, Metropolia Ammattikorkeakoulu Työn ohjaaja: dipl. in. Rito Kiviaari, Prymian Cable and Sytem Oy Tää Ininöörityöä on tutkittu uurjännitekaapelin koketuuojan poikkipinta-alan vaikututa kaapelin kuormitettavuuteen eri jännitetaoilla maa-aennukea kolmio- ja taoaennukuvioilla. Työä on aluki tarkateltu uurjännitekaapelin yleitä rakennetta ekä eri rakenneoien ominaiuukia. Liäki on elvitetty maa-aennukia ympäritön ekä aennukuvion ja koketuuojan kytkentätavan vaikututa kaapelin kuormitettavuuteen. Työä on eitetty yhtälöt kaapelin tehohäviöiden lakemieki. Näiden avulla voidaan lakea kaapelin jatkuvan tilan kuormituvirta. Työä on tarkateltu mm. johtimia ja koketuuojia yntyvien tehohäviöiden, dielektriten häviöiden ekä kaapelin rakenteen ja ympäritön lämpöreitanin vaikututa kuormitettavuuteen. Kuormituvirran lakentayhtälöt perutuvat tandardiin IEC Työä on lakettu amanrakenteiten kaapeleiden kuormitettavuudet 60, 0, 0 ekä 400 kv:n jännitetaoilla eri koketuuojan poikkipinnoilla koketuuojapiirin ollea uljettu. Lakemieen on käytetty Prymian Oy:n SYSDES-nimitä tietokoneohjelmaa. Tulokita on lakettu kuormitettavuuden korjaukertoimet kupari- ja alumiinijohtimiille kaapeleille eri koketuuojien poikkipinnoilla. Lakelmita aatuja tulokia on analyoitu. Avainanat: uurjännitekaapeli, koketuuoja, kuormitettavuu, maa-aennu, kolmioaennu, taoaennu

4 ABSTRACT Name: Mika Suomi Title: Effect of Screen Cro-Section on Ampacity of kv High-Voltage Cable Date: 0 April 00 Number of page: 39 Department: Electrical Engineering Study Programme: Electrical Power Engineering Intructor: Jarno Varteva, Senior Lecturer, Metropolia Univerity of Applied Science Supervior: Rito Kiviaari, M.Sc. in Electrical Engineering, Prymian Cable and Sytem Ltd. The purpoe of thi thei i to examine how the different cro-ection of metallic creen affect the ampacity of the high-voltage cable at different voltage level when the cable are buried and laid in trefoil or flat formation. At firt the eential tructure and theory of the different component of high-voltage cable are introduced. Alo, the effect of the cable formation, ambient environment and the bonding method of the metallic creen to the cable current rating are examined. Calculation of the cable power loe are introduced. Thee loe are affecting on the ampacity of the cable. Power loe in conductor and creen, dielectric loe and thermal reitance in the cable and the cable ambient are examined. All thee calculation are baed on IEC Ampacity calculation are made for 60, 0, 0 and 400 kv voltage level with different metallic creen cro-ection bonded at both end. Current rating are calculated with the Prymian Ltd computer program, SYSDES. The reult of the current rating are utilized to make correction factor for copper and aluminium conductor with different creen ize. The calculation reult have been analyzed. Keyword: High voltage cable, creen, ampacity, load current, buried cable, trefoil formation, flat formation

5 SISÄLLYS ALKULAUSE TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS SYMBOLIT JOHDANTO SUURJÄNNITEKAAPELI. Suurjännitekaapelin määritelmä. Suurjännitekaapelin rakenne.. Johdin 3.. Johdinuoja ja johdinuojanauha 4..3 Erity 4..4 Hohtouoja 4..5 Koketuuoja 5..6 Ulkovaippa ja armeerau 6 3 KAAPELIASENNUKSET 6 3. Maahan aennetut kaapelit 7 3. Koketuuojan kytkentätavat Koketuuojaan induoituva jännite Suljettu koketuuojapiiri Avoin koketuuojapiiri Koketuuojien vuorottelu Kolmio- ja taoaennu 4 KAAPELIN KUORMITETTAVUUS 4. Kaapelin kuormitettavuuden lakeminen 4. Kaapelia yntyvät tehohäviöt Johdinhäviöt Pintavaikutuilmiö Lähivaikutuilmiö Dielektriet häviöt Koketuuojan häviöt Kiertävien virtojen häviökerroin Pyörrevirtahäviöiden kerroin Lämpöreitanit 0

6 5 TUTKITTAVAT KAAPELIT JA OLOSUHTEET 5. Kaapeleiden rakenteet Johtimen lähtötiedot Erityken lähtötiedot Nauhoituten ekä johdin- ja hohtouojan lähtötiedot Koketuuojan lähtötiedot Alumiinilaminaatin lähtötiedot Ulkovaipan lähtötiedot 4 5. Kolmioaennuken lähtötiedot Taoaennuken lähtötiedot Maaperän lähtötiedot 5 6 KUORMITETTAVUUDEN LASKENTAOHJELMA JA SEN KÄYTTÖ 5 7 TULOSTEN ARVIOINTI 7 7. Aennukuvion vaikutu kuormitettavuuteen 7 7. Koketuuojan poikkipinnan vaikutu kuormitettavuuteen Koketuuojan häviökerroin Kuormitettavuudet Kuormitettavuuden korjaukertoimet Kuormitettavuuden korjaukertoimien käyttäytyminen Kuormitettavuuden korjaukerrointaulukot 33 8 YHTEENVETO 37 LÄHTEET 38 LIITTEET LIITE LIITE LIITE 3 LASKENNASSA KÄYTETTYJEN KAAPELEIDEN RAKENNEMITAT KAAPELIN KUORMITETTAVUUS TASO- JA KOLMIOASENNUKSESSA KAAPELIN KUORMITETTAVUUDEN KORJAUSKERTOIMET TASO- JA KOLMIOASENNUKSESSA

7 SYMBOLIT U 0 U m U E r r r u r E ω ƒ I d θ W d R λ λ T T T 3 T 4 n P h johtimen ja maan potentiaalin välinen nimellijännite (V) ähköverkon uurin käyttöjännite (V) pääjännite (johtimien välinen jännite) (V) ähkökentän voimakkuu tietyä erityken kohdaa (V/mm) etäiyy johtimen kekipiteetä (mm) erityken ulkopinnan äde (mm) erityken iäpinnan äde (mm) koketuuojaan induoitunut jännite (V/m) kulmataajuu (rad/) (πƒ) vaihtojännitteen taajuu (Hz) johtimea kulkeva virta (A) johtimien kekipiteiden välinen etäiyy (mm) kekimääräinen koketuuojan tai metallivaipan halkaiija (mm) johtimen lämpenemä ympäritöön nähden (K) dielektriet häviöt (W/m) johtimen vaihtovirtareitani käyttölämpötilaa (Ω/m) koketuuojan häviöiden uhde johdinhäviöihin armeerauken häviöiden uhde johdinhäviöihin erityken lämpöreitani (Km/W) metallivaipan ja armeerauken välinen lämpöreitani (Km/W) ulkovaipan lämpöreitani (Km/W) kaapelin ulkoinen lämpöreitani (Km/W) kuormitettujen johtimien määrä kaapelia johtimen tehohäviöt (W/m)

8 y y p pintavaikutuilmiötä kuvaava tekijä (virranahto) lähivaikutuilmiötä kuvaava tekijä x apumuuttuja (yhtälötä ) x p apumuuttuja (yhtälötä 3) R ' R 0 α 0 θ k k p d c C johtimen taavirtareitani käyttölämpötilaa (Ω/m) johtimen taavirtareitani 0 C lämpötilaa (Ω/m) johdinmateriaalin reitiiviyyden lämpötilakerroin 0 C lämpötilaa johtimen käyttölämpötila ( C) pintavaikutuilmiön lakentaan käytettävä kerroin lähivaikutuilmiön lakentaan käytettävä kerroin johtimen ulkohalkaiija (mm) vaiheiden ja kekipiteiden välinen etäiyy (mm) vaiheiden ja 3 kekipiteiden välinen etäiyy (mm) johtimen kapaitani (F/m) tan δ eritymateriaalin häviökerroin ε r D i d c λ ' λ '' R X X eritymateriaalin uhteellinen permittiiviyy erityken ulkohalkaiija (mm) johdinuojan ulkohalkaiija (mm) koketuuojan kiertävien virtojen häviöiden uhde johdinhäviöihin koketuuojan pyörrevirtahäviöiden uhde johdinhäviöihin koketuuojan reitani käyttölämpötilaa (Ω/m) koketuuojan reaktani (kolmioaennukea) (Ω/m) koketuuojan reaktani (taoaennukea) (Ω/m) g apumuuttuja (yhtälötä 3)

9 β apumuuttuja (yhtälötä 4) ρ D t koketuuojan reitiiviyy (Ω/m) koketuuojan ulkohalkaiija (mm) koketuuojan pakuu (mm) λ 0 apumuuttuja (yhtälöitä 5 ja 8) apumuuttuja (yhtälöitä6 ja 9) m apumuuttuja (yhtälötä 7) M,N, F apumuuttujat (yhtälöitä 30-35) X m ρ T t t 3 ρ Tu koketuuojan ja kahden johtimen välinen kekinäireaktani taoaennukea eritymateriaalin lämpöreitiiviyy (Km/W) erityken pakuu (mm) ulkovaipan pakuu (mm) ulkovaipan lämpöreitiiviyy (Km/W) D' a ρ Tm ulkovaipan alla olevan kerroken ulkohalkaiija (mm) maaperän lämpöreitiiviyy (Km/W) u apumuuttuja (yhtälötä 39) L D e kaapelin kekipiteen etäiyy maanpinnata (mm) kaapelin ulkohalkaiija (mm).

10 JOHDANTO Sähkölaitoket ja verkkoyhtiöt iirtävät tehoa ilmajohdoilla ja kaapeleilla. Maahan aennettavia kaapeleita käytetään reiteillä, joia ilmajohtojen käyttäminen on hankalaa tai ei muuten ole uoiteltavaa, kuten eimerkiki tiheään autuilla alueilla. Voimakaapelin tärkeä ominaiuu on kuormitettavuu, johon vaikuttaa en rakenneoia yntyvät tehohäviöt ekä aennuympäritön olouhteet. Tehohäviöiden lakeminen voi olla monimutkaita, illä niiden yntyyn vaikuttaa ueita eri tekijöitä. Tämän vuoki lakentaa helpottamaan on laadittu tandardoituja menetelmiä. Ykinkertaitettujen yhtälöiden avulla kaapelin kuormitettavuu pytytään lakemaan yleiillä aennumenetelmillä helpommin ja nopeammin. Jokainen muuto kaapelirakenteea tai aennukea aattaa muuttaa kuormitettavuutta. Suuremmilla jännitteillä muutoket voivat olla merkittäviä ja kaapelin kuormitettavuu onkin hyvä mitoittaa vataamaan todelliia olouhteita. Suurjännitekaapelin koketuuojan koko vaikuttaa tietyillä aennutavoilla merkittäväti kaapelin kuormitettavuuteen, mitä haluttiin aada tarkempaa tietoa. Tämä ininöörityö iältää kirjalliuututkimuken uurjännitekaapeleita ja niiden kuormitettavuuteen vaikuttavita tekijöitä ekä lakennallien tarkatelun koketuuojan poikkipinnan vaikutuketa kuormitettavuuteen. SUURJÄNNITEKAAPELI. Suurjännitekaapelin määritelmä Suurjännitekaapelilla tarkoitetaan yhden tai ueamman eritetyn johtimen muodotamaa johdinryhmää uojaukineen. Suurjännitteellä pääjännite on vähintään 45 kv. Kaapelin nimellijännite merkitään muodoa U 0 /U / U m, joa U 0 tarkoittaa johtimen ja maapotentiaalin välitä nimellijännitettä, U pääjännitettä eli johtimien välitä jännitettä ja U m ähköverkon uurinta käyttöjännitettä. [,. 3, 4.]

11 . Suurjännitekaapelin rakenne Suurjännitekaapelin rakenteeeen ja mitoitukeen vaikuttaa mm. tehoniirtotarve, käytetty jännitetao, iirroa yntyvät tehohäviöt, ympäritö- ja aennuolouhteet ekä ähköverkon vikavirtojen uuruu. Eri maia käytöä olevat tandardit ja käytännöt määrittelevät myö omat vaatimukena kaapelin rakenteelle ja mitoitukelle. Suurjännitekaapeli kootuu ueata rakenneoata. Johtimen ja erityken liäki kaapeli iältää myö johdin- ja hohtouojan, koketuuojan ekä ulkovaipan (kuva ). [,. 4-8.] Suuren tehon iirtäminen vaatii joko uurta virtaa tai uurta jännitettä. Suuri virranvoimakkuu vaatii uurta johdinpoikkipintaa ja uuri jännite puoletaan riittävän pakua ja hyvälaatuita eritytä. Johdinpoikkipinta ei aii kuitenkaan olla liian uuri, illä e liää kaapelin painoa ja ulkohalkaiijaa, jotka puoletaan hankaloittavat kaapelin valmituta, kuljetuta ja aentamita. [,. 4.] Kuva. Tyypillinen uurjännitekaapelin rakenne [lähdettä 3,. 6 mukaillen]

12 3.. Johdin Suurjännitekaapeleia johdinmateriaalina käytetään yleenä kuparia tai alumiinia. Kuparin ähkönjohtavuu on alumiinia parempi, minkä vuoki illä aavutetaan pienempi reitani ja johtimen koko. Kuparilla on myö parempi korrooionketo kuin alumiinilla. Kupari on kuitenkin alumiinia painavampaa ja noin 50 % kalliimpaa, minkä vuoki alumiinin käyttö johdinmateriaalina on yleitynyt. Suurjännitekaapeleilla johtimen koko on tyypillieti mm² kuormitettavuuvaatimuten mukaan. [,. 5; 4,. 0-5.] Johdin voi olla tehty yhdetä tai kerrattu ueammata langata. Ykilankaita johdinta nimitetään olidijohtimeki (kuva ). Pienen olidijohtimen valmitaminen on ykinkertaita, mutta uurilla poikkipinnoilla en valmitu hankaloituu ja iitä tulee turhan jäykkä aennuken kannalta. Pieniä (n mm²) olidijohtimia käytetään mm. veitökaapeleia johtimen veitiiviyden vuoki. Tilankäytön parantamieki langoita kerratut johtimet voidaan tiivitää valaamalla. Tätä yytä johtimen koolla ei tarkoiteta en geometrita, vaan ähköitä poikkipinta-alaa, joka määritetään allitun reitanin avulla. Suuret johdinpoikkipinnat voidaan valmitaa ektorin muotoiita lohkoita, jotka ovat toiitaan eritettyjä. Tällä n. Milliken-tekniikalla vaihtovirrata aiheutuva virranahto pienenee johtimea ja virta jakautuu johtimen poikkipinnalle taaiemmin pienentäen vaihtovirtareitania ja parantaen kaapelin kuormitettavuutta. Milliken-johtimia valmitetaan yleenä 000 mm² ja itä uuremmille kuparipoikkipinnoille (kuva ). [,. 4;,. 8-9; 5,. 6.] Kuva. Johdinrakenteet: a) Ykilankainen olidijohdin b) Ueammata langata kerrattu ja valaamalla tiivitetty johdin c) Sektorirakenteinen Milliken-johdin. [lähdettä,. 6 mukaillen.]

13 4.. Johdinuoja ja johdinuojanauha Johdinuoja on puolijohtavata muovita puritettu kerro johtimen ja erityken väliä. Sen tarkoitu on taoittaa johtimen ulkopinta ja pienentää johtimen aiheuttamia kentänvoimakkuuhuippuja erityken rajapinnalla. Suurilla johdinpoikkipinnoilla voidaan johdinuojan alla käyttää puolijohtavaa nauhakerrota, jonka tarkoitukena on etää johdinuojamuovin tunkeutuminen johtimen pintalankojen väliin. [,. 4; 6,. 49.]..3 Erity Erityken tarkoitu on eritää johdin ähköieti maapotentiaalita ja toiita johtimita. Ilmajohtoaennukia johtimen ympärillä oleva ilma toimii eritykenä, joten ilmajohdon rakenne on ykinkertaiempi kuin kaapeleilla. Suurjännitekaapeleiden eritymateriaaleina käytetään yleenä ritiilloitettua polyeteeniä (PEX). [,. 6; 5,. 6.] Erityken pakuu määrittyy kaapelin käyttöjänniteen peruteella. Eritymateriaalin tulii olla puhdata ja eritypintojen mahdolliimman taaiet, jotta kaapelin käyttöikä olii riittävän pitkä. Erityken nimellipakuudet on annettu 6-30 kv nimellijännitteiille kaapeleille tandardia IEC 6050-, mutta uuremmille jännitteille kanainväliiä tandardeia ei määritellä eritypakuukia. Yli 30 kv kaapeleille eritypakuuden määrittää kanalliet tandardit, aiaka tai kaapelivalmitaja. [5,. 8; 7,. 9; 8,. 4; 9.] Eritymateriaali vaikuttaa myö kaapelin kuormitettavuuteen. Termieti ajateltuna hyvällä eritymateriaalilla tulii olla hyvä lämmönketoiuu, matala lämpöreitiiviyy ja pienet dielektriet häviöt. PEX on hyvä eritymateriaali, illä e ketää 90 C jatkuvaa käyttölämpötilaa ja en lämpöreitiiviyy on vain 3,5 Km/W. [,. 7.]..4 Hohtouoja Suurjännitekaapeleia erityken päällä on puolijohtavata muovita puritettu hohtouoja, jonka tarkoitukena on taata eritykerroken ulkopinta. Hohto- ja johdinuojalla pidetään johtimea yntyvä ähkökenttä kahden ylinteripinnan väliä. [6,. 49.]

14 5 Erityken iällä vaikuttava radiaalinen kentänvoimakkuu E r, jonka voimakkuu tietyä erityken kohdaa voidaan lakea yhtälön mukaieti: E r U 0 (V/mm) () ru r ln r miä U 0 r r u r johtimen ja maapotentiaalin välinen jännite (V) etäiyy johtimen kekipiteetä (mm) erityken ulkopinnan äde (mm) erityken iäpinnan äde (mm). Yhtälötä nähdään, että kentänvoimakkuu on uurimmillaan erityken iäpinnalla. Suurjännitteellä on huomioitava, että kaapelin nimellijännitteen kavaea myö kentänvoimakkuu eritykeä nouee. Nimellijännitteen kavun myötä erityken pakuutta tai johtimen poikkipintaa on liättävä, jotta kentänvoimakkuuden arvot pyyvät kaapelitandardeia vaadittujen tyyppikokeiden allimien rajojen iäpuolella. [6,. 49, 36; 9;0.]..5 Koketuuoja Kaapelin koketuuojan tehtävänä on maadoittaa käytönaikaiet varau- ja vikavirrat ja e on turvalliuuyitä maadoitettava vähintään kaapelireitin yhdetä kohdata. Koketuuojana on uoiteltavaa käyttää epämagneettita ja korrooionketävää materiaalia. Koketuuojana voi toimia eimerkiki kaapelin metallinen vaippa, metalliet langat ja nauhat tai näiden yhditelmä. [,. 7-8;,. 46;,. 3.] Koketuuojan poikkipinta määräytyy -vaiheien oikoulkuvirran mukaan. Suurjänniteverkoa on uein käyttömaadoitettu tähtipite, jolloin verkoa yntyvä -vaiheinen oikoulkuvirta voi olla lähe 3-vaiheien oikoulkuvirran uuruinen. Koketuuoja tuleekin mitoittaa niin, että e vikatilanteea pytyy maadoittamaan oikoulun hallituti. Tarvittaea kaapelin koketuuojan poikkipintaa voidaan kavattaa eimerkiki liäämällä metallilankojen lukumäärää tai pakuntamalla metallivaippaa. [9; 3,. 4-5, 9 -.]

15 6 Metallilankoina käytetään yleenä kuparia tai muuta hyvin johtavaa materiaalia. Metallivaippa voidaan valmitaa alumiinita tai lyijytä, joka puritetaan yhtenäieki kerrokeki kaapelin ympärille. Vaihtoehtoieti yhtenäienä metallikerrokena voidaan käyttää myö kupari- tai alumiinilaminaattia. Laminaatin pinnalle on kiinnitetty ohut muovikalvo, jonka avulla e aadaan valmituvaiheea kiinnittymään tiukati ulkovaippaan. Näin laminaatti ketää paremmin aennuken aikaita taivututa ja vetoa. Sekä metallivaippa että -laminaatti muodotavat kaapelille veitiiviin kerroken. Keki- ja uurjännitekaapelille poikittainen veitiiviy on tärkeä ominaiuu, illä kaapelin eritykeen pääevä koteu heikentää erityken jänniteketoiuutta. Pelkän muovivaipan läpi vei etenee diffuuion avulla. [,. 7; 5,. 8; 8,. 7.]..6 Ulkovaippa ja armeerau Kaapelin ulkovaippa uojaa kaapelia mekaaniilta raitukilta aennuken ja käytön aikana. Ulkovaippa uojaa myö metallilaminaattia tai -vaippaa korrooiolta ekä erottaa en ähköieti maapotentiaalita etäen koketuuojan hallitemattomat maadoituket. Suurjännitekaapelin ulkovaippa valmitetaan ueimmiten äänketävätä polyeteeni- (PE) tai polyvinyylikloridi-muovita (PVC). PE ketää paremmin mekaanita raituta ja korkeampia lämpötiloja. PVC:llä puoletaan on paremmat palonketo-ominaiuudet, mutta uurempi lämpöreitiiviyy. Kaapelin mekaanita lujuutta voidaan parantaa armeeraukella, joka on valmitettu mekaanieti lujata materiaalita, kuten inkityitä teräpyörölangoita. Armeerauta käytetään eim. veitökaapeleia. [,. - 3; 8,. 7;,. 37.] 3 KAAPELIASENNUKSET Kaapelin aennutavan valintaan vaikuttaa eimerkiki kuormitettavuuvaatimu, aennuympäritö, käytettäviä oleva aennutila ja koketuuojan kytkentätapa. Kaapeleita voidaan aentaa eimerkiki maahan, rakennukiin tai veitöihin [,. 9-3]. Tää työä kekitytään maahan aennettuihin ykijohdinkaapeleihin.

16 7 3. Maahan aennetut kaapelit Maa-aennukia maaperän lämpötila ja lämpöreitiiviyy ekä aennuyvyy vaikuttavat kaapeleiden kuormitettavuuteen. Kaapelireitit voivat olla ueita kilometrejä pitkiä, jolloin aennuolouhteet reitillä voivat vaihdella huomattavati. Reitillä voi eimerkiki olla toiia kaapeleita tai lämminveiputkia, jotka lämmittävät kaapelia ja aattavat aiheuttaa en ylikuormittumien. Kaapelin kuormitettavuu on aina mitoitettava aennureitin vaativimman kohdan mukaan. Maaperän kuivuminen voi hankaloittaa kaapeliaennuken tämällitä mitoittamita, illä kuivan maaperän lämpöreitiiviyy on uurempi kuin kotean. Kaapeli voi lämpenemiellään aiheuttaa ympäröivän maaperän kuivumita. Lämpöreitiiviyyden kavaea kaapelin lämmön iirtyminen ympäritöön heikkenee ja kaapeli voi ylikuormittua. [, ] PEX-eriteiet kaapelit ketävät jatkuvaa 90 C käyttölämpötilaa. Maaaennukia kaapelin kuormitettavuu laketaan kuitenkin uein kaapelin rakenteellita lämpötilanketoa pienemmällä johdinlämpötilalla. Tällä tavalla voidaan ottaa huomioon kaapelia ympäröivän maan mahdollinen kuivuminen. [5,. 0.] Kun tavoitellaan parata mahdollita kuormitettavuutta, voidaan kaapelit ympäröidä erityiellä termieti tabiililla ja hyvin lämpöä johtavalla täytemateriaalilla (backfill) (kuva 3). Täytemateriaalilla voi olla jopa puolet pienempi lämpöreitiiviyy kuin maaperällä, eikä en lämpöreitiiviyy kava kuivanakaan oleellieti. Tämäntyyppiiä tapaukia voidaan kaapelia kuormittaa en rakenteellien lämmönketon mukaieti. [,. 0; 9.]

17 8 Kuva 3. Kaki kolmioon aennettua kaapeliyhteyttä, kaapeleiden ympärille on laitettu pienen lämpöreitiiviyyden omaava täytekerro. Kaapeleiden mekaanieki uojaki on aennettu betoniet laatat. [lähdettä 4 mukaillen.] 3. Koketuuojan kytkentätavat Ykijohdinkaapeleilla koketuuojan kytkentätapa vaikuttaa oleellieti kuormitettavuuteen. Koketuuojan maadoittaminen toteutetaan yleenä jollakin euraavita menetelmitä: uljettu koketuuojapiiri avoin koketuuojapiiri koketuuojien vuorottelu. (Kuva 4.) 3.. Koketuuojaan induoituva jännite Johtimea kulkeva virta aiheuttaa ympäritöön magneettikentän, jonka voimakkuu määräytyy virran uuruuden ja johtimien väliten etäiyykien peruteella. Tämä magneettikenttä induoi koketuuojiin jännitteen. Kyeinen jännite on verrannollinen kuormituvirtaan ja en taajuuteen ekä johdin- ja koketuuojapiirien väliiin kekinäiinduktaneihin. [5,. 93, 08.]

18 9 SULJETTU KOSKETUSSUOJAPIIRI Koketuuoja Johdin Maadoitu AVOIN KOSKETUSSUOJAPIIRI KOSKETUSSUOJIEN VUOROTTELU Kuva 4. Eimerkkejä koketuuojan kytkentätavoita [lähdettä 4 mukaillen] 3.. Suljettu koketuuojapiiri Suljetulla koketuuojapiirikytkennällä (both end bonding tai olid bonding) kaapeleiden koketuuojat on kytketty yhteen ja yleenä myö maadoitettu kaapelien molemmita päitä. Piirin ollea uljettu induktiojännitteet kuitenkin ynnyttävät koketuuojiin kiertävän virran, joka aiheuttaa tehohäviöitä. Nämä tehohäviöt lämmittävät kaapelia ja pienentävät en kuormitettavuutta. Koketuuojaa tapahtuvia häviöitä voidaan pienentää aentamalla kaapelit kolmiomuodotelmaan (kuva 5) Avoin koketuuojapiiri Avoin koketuuojapiirikytkennällä (ingle point bonding) koketuuojat on kytketty yhteen ja maadoitettu vain yhdetä kohdata. Tää tapaukea

19 0 kaapelin koketuuojia ei kulje virtaa, joten tehohäviöt pienenevät ja kuormitettavuu kavaa. Avoin koketuuojapiirikytkentä ei ovellu pitkille kaapelipituukille, illä koketuuojaan induoituva jännite kavaa kaapelin pituuden ja johtimea kulkevan virran mukaan. Pitkillä kaapeliyhteykillä induoitunut jännite voi olla niin uuri, että e aattaa aiheuttaa läpilyönnin kaapelin ulkovaipaa. Uein avointa koketuuojapiirikytkentää voidaan käyttää alle 600 m kaapelipituukilla ilman, että induoituneet jännitteet nouevat oikoulunkaan aikana kohtuuttoman uuriki. [,. 6;,. - 3; 6,. 7.] Kaapelin koketuuojaan induoituva jännite avoimella koketuuojapiirikytkennällä voidaan lakea kolmio- ja taoaennukea yhtälöillä ja 3: Kolmioaennu: E 7 jω I 0 ln () d Taoaennu: E jω I 0 ln + j ln (3) d d miä E ω πƒ koketuuojaan induoitunut jännite (V/m) kulmataajuu (rad/) ƒ vaihtojännitteen taajuu (Hz) I d johtimea kulkeva virta (A) johtimien kekipiteiden välinen etäiyy (mm) kekimääräinen koketuuojan tai metallivaipan halkaiija (mm). [7,. 5.] 3..4 Koketuuojien vuorottelu Koketuuojien vuorottelukytkennällä (cro bonding) kaapeleiden koketuuojat on kytketty kolmella ouudella kekenään ritiin niin, että eri vaiheiden koketuuojia ei pääe yntymään merkittäviä induktiojännitteitä, illä ne kompenoituvat kekenään kytkentäpiteiä. Täydellinen induktiojännitteiden kompenoituminen aavutetaan vain, jo kytkentäpiteiden

20 väliet etäiyydet ovat amat. Tällöin koketuuojia ei myökään kulje virtaa, mikä vataa kuormitettavuudeltaan avoimen koketuuojapiirikytkennän tilannetta. Vuorottelukytkentää käytetään yleenä pitkillä kaapelipituukilla ja uurilla kuormituvirroilla, illä e mahdollitaa uurien tehojen iirron pienemmillä tehohäviöillä. Kytkentätavan kääntöpuolena on en kalli toteuttaminen. [,. - 3; 6,. 7.] 3.3 Kolmio- ja taoaennu Suurjännitekaapelit aennetaan maahan yleenä kolmio- tai taomuodotelmaan noin metrin yvyyteen maanpinnata (kuva 5 ja 6). Vaiheiden välitä etäiyyttä kavattamalla voidaan pienentää kaapeleiden lämpövaikututa toiiina, mutta ueimmiten on kuitenkin taloudelliempaa aentaa ne lähekkäin tai jopa kiinni toiiina. [,. 0.] Symmetrieä kolmioaennukea vaiheiden magneettikentät kompenoituvat kekenään paremmin kuin taoaennukea. Näin koketuuojiin induoituu myö pienempi jännite ja kiertävä virta, joka on yhtä uuri jokaiea koketuuojaa. Suljetulla koketuuojapiirillä kolmioaennu onkin kuormitettavuuden kannalta uein taoaennuta parempi vaihtoehto. [, ; 3,. 8-4;,. 3.] Kuva 5. Maahan aennetut kaapelit kolmioaennukea [lähdettä 4 mukaillen]

21 Kuva 6. Maahan aennetut kaapelit taoaennukea [lähdettä 4 mukaillen] 4 KAAPELIN KUORMITETTAVUUS Kaapelin johtimea ja koketuuojaa kulkeva virta aiheuttaa tehohäviöitä, jotka lämmittävät kaapelia. Mitä uuremmalla virralla kaapelia kuormitetaan, itä enemmän yntyy tehohäviöitä ja lämpöä. Kaapeli aavuttaa jatkuvaa kuormituvirtaa vataavan käyttölämpötilan, kun kaapelita ympäritöön poituva lämpöteho on yhtä uuri kuin iinä häviöiden vaikutuketa yntyvä lämpöteho. Jatkuva käyttölämpötila ei kuitenkaan aa ylittää kaapelin rakenteellita lämmönketoa, joka määräytyy yleenä erityken lämpöketoiuuden mukaan. [,. 55;,. 3-4, 3-5.] 4. Kaapelin kuormitettavuuden lakeminen Kaapelin kuormitettavuuden lakenta on määritetty tandardia IEC Standardia on eitetty eri kaapelirakenteille ja aennutavoille yhtälöt, joiden avulla voidaan lakea kaapelia yntyvät tehohäviöt. Nämä tehohäviöt yhdeä ympäritöolouhteiden kana määräävät kaapelin jatkuvan tilan kuormituvirran halutulla johtimen lämpötilalla. [8; 9.] Johtimen lämpenemä maahan aennetulle kaapelille voidaan lakea yhtälöllä 4: θ I R+ W T [ I R( + λ ) + W ] nt + I R( + λ + λ ) [ + W ] n( T T ) d + d d 3 + (4) 4

22 3 miä θ I R W d λ λ T johtimen lämpenemä ympäritöön nähden (K) johtimea kulkeva virta (A) johtimen vaihtovirtareitani käyttölämpötilaa (Ω/m) dielektriet häviöt (W/m) koketuuojan häviöiden uhde johdinhäviöihin armeerauken häviöiden uhde johdinhäviöihin erityken lämpöreitani (Km/W) T metallivaipan ja armeerauken välinen lämpöreitani (Km/W) T 3 T 4 n ulkovaipan lämpöreitani (Km/W) kaapelin ulkoinen lämpöreitani (Km/W) kuormitettujen johtimien määrä kaapelia. Kun kaapelia ei ole armeerauta, λ 0 ja T 0, jolloin yhtälö 4 voidaan ieventää yhtälön 5 mukaieki: I R+ W T [ I R( + λ ) + W ] n( T T ) θ d + d (K) (5) Kaapelin kuormitettavuu voidaan lakea yhtälötä 6: I θ Wd T RT + nr + n( T ( + λ )( T + T ) T 4 4 ) 0,5 (A) (6) [lähdettä 8,. 0, mukaillen.] 4. Kaapelia yntyvät tehohäviöt Kaapelia yntyviä tehohäviöitä on kahdenlaiia: virrata aiheutuvat häviöt ekä jännitteetä aiheutuvat häviöt. Enin mainittu yntyy virran kulkiea kaapelin metalliia oia ja jälkimmäinen on peräiin dielektrietä vaikutuketa ja varauvirrata. [,. 3-5.]

23 4 4.. Johdinhäviöt Johtimea yntyvät lämpöhäviöt riippuvat virran uuruudeta ja johtimen reitanita. Johtimen tehohäviöt voidaan lakea yhtälöllä 7: P h I R (W/m) (7) Johtimen vaihtovirtareitani on uurempi kuin taavirtareitani, mikä aiheutuu pintavaikutuilmiötä (kin effect) ja lähivaikutuilmiötä (proximity effect). [,. 5, 5.] Johtimen vaihtovirtareitani uurimmaa käyttölämpötilaa voidaan lakea yhtälöllä 8: R R' (+ y + y ) (Ω/m) (8) p miä R ' y johtimen taavirtareitani käyttölämpötilaa (Ω/m) pintavaikutuilmiötä (virranahtoa) kuvaava tekijä y p lähivaikutuilmiötä kuvaava tekijä. [8,. 7.] Johtimen taavirtareitani käyttölämpötilaa voidaan lakea yhtälöllä 9: [ + α ( 0) ] R R θ (Ω/m) (9) ' 0 0 miä R 0 α 0 johtimen taavirtareitani 0 C lämpötilaa (Ω/m) johdinmateriaalin reitiiviyyden lämpötilakerroin 0 C lämpötilaa (taulukko ) θ johtimen käyttölämpötila ( C). [8,. 3, 4.]

24 5 Taulukko. Metallien reitiiviyydet ja reitiiviyyden lämpötilakertoimet [lähdettä 8,. 30 mukaillen] Metallin ominaiuu Reitiiviyy 0 C Ω m Reitiiviyyden lämpötilakertoimet 0 C Johdin ja koketuuoja Metallivaippa ja armeerau Kupari Alumiini Lyijy Alumiini,74 0-8, ,4 0-8, , , , , Pintavaikutuilmiö Pintavaikutukella kuvataan ilmiötä, joa vaihtovirta pyrkii kulkemaan johtimen pintaoia. Tätä ilmiötä kututaan myö virranahdoki. Tämä epätaainen virran jakautuminen johtimen poikkipinnalle kavattaa vaihtovirtareitania. Mitä uurempi on taajuu ja mitä pienempi on johtimen taavirtareitani R ', itä uurempi on pintavaikutuilmiö. Milliken-johtimilla pintavaikutuilmiö on pienempi kuin kerratulla tai olidijohtimella, koka johdin on jaettu pienempiin oajohtimiin (taulukko ). Pintavaikututa kuvaava tekijä y aadaan yhtälötä 0, muuttuja x yhtälötä ja kerroin k taulukota : y 4 x (0) ,8x x 8 f 7 0 k π () R' [,. 8-9; 9; 8,. 4.] Taulukko. Kertoimet k ja Kerroinarvo 4..3 Lähivaikutuilmiö k p eri johdintyypeille [lähdettä 8,. 3 mukaillen] Alumiini Johdintyyppi Kupari Kerrattu Milliken (5 ek.) Kerrattu Milliken (5 ek.) k,0 0,90,0 0,435 kp,0 0,370,0 0,370 Lähivaikutukella tarkoitetaan ilmiötä, joa virtaa kuljettavan johtimen virrantiheyden jakautuma muuttuu lähellä olevan toien virrallien johtimen aiheuttaman magneettikentän vuoki. Kaapelien väliet etäiyydet vaikuttavat

25 6 oleellieti lähivaikutuilmiöön, eim. taoaennukea lähivaikutuilmiö on pienempi kuin kolmioaennukea. Milliken-johtimella lähivaikutuilmiö on pienempi kuin kerratuilla johtimilla (taulukko ). Lähivaikututa kuvaava kerroin y p kolmelle ykijohtimiille kaapelille aadaan yhtälötä, muuttuja x p yhtälötä 3 ja kerroin k p taulukota : 4 xp dc dc,8 y p 0,3 + + () ,8x xp + 0, ,8xp x 8 f 7 p 0 k p π (3) R' miä d c johtimen halkaiija (mm) johtimien kekipiteiden välinen etäiyy (mm). Taoaennukea, joa kaapeleiden väliet kekinäiet etäiyydet ovat erilaiet, johtimien välinen etäiyy laketaan yhtälöllä 4: (4) miä vaiheiden ja kekipiteiden välinen etäiyy (mm) vaiheiden ja 3 kekipiteiden välinen etäiyy (mm). [,. 3; 8,. 5, 3.] 4..4 Dielektriet häviöt Vaihtojännitekentää olevaa eriteeä yntyy dielektriiä tehohäviöitä, joihin vaikuttavat kaapelin eritymateriaali, poikkipinta ja käyttöjännite. Dielektriet häviöt yntyvät vaihtoähkökentän uunnanmuutokita, jotka aiheuttavat molekyylikitkaa eriteeä. [,. 09; 6,. 50.] Dielektriet tehohäviöt voidaan lakea yhtälöllä 5: W ωcu d 0 tanδ (W/m) (5)

26 7 miä C kaapelin kapaitani (F/m) tan δ eritymateriaalin häviökerroin. Tavalliella PEX-eriteellä tanδ -arvo on 0,00. Pyöreän johtimen kapaitani voidaan lakea yhtälöllä 6: εr C Di 8ln dc 0 9 (F/m) (6) miä ε r D i d c eritymateriaalin uhteellinen permittiiviyy erityken ulkohalkaiija (mm) johdinuojan ulkohalkaiija (mm). [8,. 6, 3.] 4..5 Koketuuojan häviöt Johtimea kulkeva virta induoi koketuuojiin kiertäviä virtoja (circulating current) ja pyörrevirtoja (eddy current), jotka aiheuttavat tehohäviöitä. Kiertävien virtojen häviöt ovat pyörrevirtahäviöitä uuremmat, mutta niitä ei eiinny, jo koketuuojapiirin kytkentä on avoin tai toteutettu koketuuojien vuorottelulla. Suljetulla koketuuojapiirillä pyörrevirtahäviöitä ei oteta lakennaa huomioon, ellei kaapelia ole ektorirakenteita Milliken-johdinta. [,. 40, ] Häviökerroin ( λ ) on koketuuojan häviöiden uhde johtimen häviöihin. Häviökerroin koketuuojalle aadaan yhtälötä 7: λ λ' + λ' ' (7)

27 8 miä λ ' λ '' koketuuojan kiertävien virtojen häviöiden uhde johdinhäviöihin koketuuojan pyörrevirtahäviöiden uhde johdinhäviöihin Kiertävien virtojen häviökerroin Koketuuojaa kiertävien virtojen häviökerroin kolmelle ykijohdinkaapelille kolmioaennukea voidaan lakea yhtälöllä 8: R λ ' (8) R R + X miä R X koketuuojan reitani käyttölämpötilaa (Ω/m) koketuuojan reaktani (Ω/m). Kolmioaennukea koketuuojan reaktani voidaan lakea yhtälöllä 9: X 7 ω 0 ln (Ω/m) (9) d miä d kekimääräinen koketuuojan halkaiija. [8,. 6-8.] Koketuuojaa kiertävien virtojen häviökerroin kolmelle ykijohdinkaapelille taoaennukea voidaan lakea yhtälöllä 0: R λ ' (0) R R + X Taoaennukea koketuuojan reaktani voidaan lakea yhtälöllä : X 7 3 ω 0 ln (Ω/m) () d

28 Pyörrevirtahäviöiden kerroin Pyörrevirtahäviöt Milliken-johtimiille kaapeleille aadaan kertomalla koketuuojan pyörrevirtahäviöiden uhde johdinhäviöihin λ ' ' (yhtälö ) kertoimella F (yhtälö 9). Apumuuttujat yhtälöihin aadaan yhtälöitä '' R ( β t ) λ gλ0 (+ ) + () R 0 miä,74 t 3 g + ( β D 0,6) (3) D β 4πω 0 7 ρ (4) ρ koketuuojan reitiiviyy (Ω/m) (taulukota ) D t koketuuojan ulkohalkaiija (mm) koketuuojan pakuu (mm). Kolmioon aennetuille kaapeleille λ 0 ja aadaan yhtälöillä 5 ja 6 ekä apumuuttuja m yhtälötä 7: 3 m 0 d λ (5) + m ( 0,9+,66) m (6),45 (,4 + 0,33) d m ω 0 7 ( m 0, ) (7) R Taoon aennetuille kaapeleille kekimmäien kaapelin apumuuttujat λ 0 ja aadaan yhtälöillä 8 ja 9: 6 m 0 d λ (8) + m

29 0 0,86 (,4m+ 0,7) 3,08 m (9) d Kerroin F aadaan yhtälöllä 30: 4M N + ( M + N) F (30) 4( M + )( N + ) miä kolmioon aennetuille kaapeleille apumuuttujat N ja M aadaan yhtälötä 3 ja reaktani X yhtälötä 3: M N X R (3) 7 X ω 0 ln (Ω/m). (3) d taoon aennetuille kaapeleille apumuuttujat N ja M aadaan yhtälöitä 3 ja 33 ekä koketuuojan ja kahden johtimen välinen kekinäireaktani X m yhtälötä 35: M X R + X m (33) N X R X 3 m (34) 7 X ω 0 ln (35) m [lähdettä 8,. 8 - mukaillen.] 4.3 Lämpöreitanit Kaapelin nauhoituket, erity, ulkovaippa ja ympäritön lämpöreitanit vaikuttavat kuormitettavuuteen. Johtimea häviötehon vaikutuketa yntyvä lämpö on iirrettävä kaapelin rakennekerroten läpi ympäritöön. Kaapelimateriaalien liäki myö ympäritöllä tulii olla pieni lämpöreitiiviyy, jotta lämmönluovutu kaapelin pinnalta ympäritöön olii mahdolliimman tehokata. [,. 58;, ]

30 Ykijohtimien kaapelin erityken lämpöreitani aadaan yhtälötä 36: T ρ T t ln + π d c (36) miä ρ T t eritymateriaalin lämpöreitiiviyy (Km/W) erityken pakuu johtimen ja koketuuojan väliä (mm). Matemaattieti puolijohtavat kerroket laketaan oaki eritytä. Jo johtimen ja koketuuojan väliä on muita eri lämpöreitiiviyyden omaavia kerrokia (eim. nauhoituket), niiden lämpöreitanit laketaan erikeen. Kyeieä tapaukea t on kerroken pakuu ja dc on en alla olevan kerroken halkaiija. Tällöin T arvo on erilliten kerroten lämpöreitanien umma. Ulkovaipan lämpöreitani aadaan yhtälötä 37: T 3 ρtu t3 ln + π D' a (37) miä ρ Tu t 3 D' a ulkovaipan lämpöreitiiviyy (Km/W) ulkovaipan pakuu (mm) ulkovaipan alla olevan kerroken ulkohalkaiija (mm) Kolmioaennukea T 3:n arvo tulee kertoa,6:lla. Jo koketuuojan päällä on muita eri lämpöreitiiviyyden omaavia kerrokia (eim. nauhoituket), niiden lämpöreitanit laketaan erikeen ja liätään T 3 arvoon. Kaapelin ulkoinen lämpöreitani kolmioaennetulle ykijohdinkaapelille aadaan lakettua yhtälötä 38 ja apumuuttuja u yhtälötä 39:

31 T,5 ρtm u π [ ln( ) 0,630] 4 (38) miä ρ Tm u L D e maaperän lämpöreitiiviyy (Km/W) L D e kaapelin kekipiteen etäiyy maanpinnata (mm) kaapelin ulkohalkaiija (mm). (39) Kaapelin ulkoinen lämpöreitani taoaennukea aadaan lakettua yhtälötä 40: T 4 π ρtm ln ( u+ u ) L + ln + (40) miä kahden vierekkäien kaapelin kekipiteiden välinen etäiyy (mm). Yhtälö 40 pätee kun: kolme kaapelia on taoa (vaakataoa) kaapelit ovat erillään toiitaan kaapelien väliet etäiyydet ovat amat kaapeleilla on lähe amat häviötehot. Yhtälötä aadaan lakettua kekimmäien kaapelin kuormitettavuu, joka lämpenee eniten. [lähdettä 9,. 9, 7, 35, 39 mukaillen.] 5 TUTKITTAVAT KAAPELIT JA OLOSUHTEET Tää työä on tutkittu maahan aennettujen kv uurjännitekaapeleiden kuormitettavuukia tao- ja kolmioaennukia. Kaapeleiden koketuuojat on kytketty yhteen ja maadoitettu kaapelien molemmia päiä (uljettu koketuuojapiiri).

32 3 5. Kaapeleiden rakenteet Tutkitut kaapelit edutavat Prymian Cable Oy:n yleiimpiä perurakenteita (k. kaapeleiden rakenne, kuva ja rakennemitat, liite ). 5.. Johtimen lähtötiedot Tutkittujen alumiini- ja kuparijohtimien poikkipinnat vaihtelevat mm² jännitetaon mukaan. Johtimien taavirtareitanit on eitetty taulukoa 3. Pienet johtimet ovat kerrattuja ja uuret Milliken-johtimia (liite ). Milliken-johtimilla on otettu huomioon koketuuojan pyörrevirtahäviöt. Taulukko 3. Alumiini- ja kuparijohtimien taavirtareitanit 0 C lämpötilaa [lähdettä 0,. 9 mukaillen] Johdin mm² 5.. Erityken lähtötiedot Taavirtareitani 0 C Ω/km Al Cu 50 0,06 0, ,00 0, ,0605 0, ,0367 0,0 00 0,047 0, ,086 0, ,049 0, ,07 0,007 Kaapeleia on PEX-erity, jonka terminen reitiiviyy on 3,5 Km/W ja uhteellinen permittiiviyy,5. Erityken pakuu vaihtelee jännitetaon ja johtimen poikkipinnan mukaan (taulukko 4). Taulukko 4. Tutkittujen kaapeleiden eritypakuudet eri jännitetaoilla ja johdinpoikkipinnoilla Johdin Eritypakuudet (mm) eri jännitetaoilla (U) mm² 60 kv 0 kv 0 kv 400 kv

33 Nauhoituten ekä johdin- ja hohtouojan lähtötiedot Johdinuojanauhoituken pakuudelle on lakelmia käytetty arvoa 0,5 mm. Johdinuojanauhoituta ei ole käytetty kaapeleilla, joilla johtimen poikkipinta on alle 800 mm². Koketuuojanauhoituket ijaitevat koketuuojalankojen molemmin puolin ja kerroken pakuu on 0,5 mm. Puolijohtavien johdinuoja- ja koketuuojanauhoituten lämpöreitiiviyy on 6 Km/W. Johdin- ja hohtouojan pakuu on 60-0 kv:lla, mm ja kv:lla,5 mm. Milliken-johtimilla johdinuojan pakuu on mm jännitetaota riippumatta Koketuuojan lähtötiedot Koketuuojana on kerro kuparilankoja, joiden halkaiija on mm. Koketuuojan reitanit eri poikkipinnoille perutuvat johdintandardiin IEC 608 (taulukko 5). Taulukko 5. Koketuuojan (Cu-langat) taavirtareitanit 0 C lämpötilaa [lähdettä 0,. 9 mukaillen] Koketuuoja (Cu) mm² Taavirtareitani 0 C, Ω/km 35 0, , , ,4 40 0, , , Alumiinilaminaatin lähtötiedot Alumiinilaminaatin metallioan pakuu on 0, mm. Alumiinilaminaatin vaikutu kuormitettavuuarvoihin on tutkituia kaapelirakenteia vähäinen, mutta e on kuitenkin otettu huomioon lakelmia Ulkovaipan lähtötiedot Ulkovaipan pakuu vaihtelee 3,5-6 mm jänniteluokan mukaan. Materiaalina on PE, jonka lämpöreitiiviyy on 3,5 Km/W.

34 5 5. Kolmioaennuken lähtötiedot Kolmioaennukea kaapelit ovat nipua kiinni toiiaan. Aennuyvyy maanpinnata on metri kolmion ylimmän kaapelin ulkopintaan. (Kuva 5.) 5.3 Taoaennuken lähtötiedot Taoaennukea kaapeleiden välinen vapaa etäiyy on ama kuin kaapelin ulkohalkaiija. Aennu yvyy maanpinnata on metri kaapelin ulkopintaan. (Kuva 6.) 5.4 Maaperän lähtötiedot Maaperän lämpötila on 5 C ja lämpöreitiiviyy on,0 Km/W. Nämä olouhteet vataavat Etelä-Suomea heinä- ja elokuua 0,7 m yvyydeä maaperää vallitevia arvoja. Suurimpana allittuna johdinlämpötilana on käytetty arvoa 65 C, joka on Prymian Cable Oy:n maa-aennukia uoittelema ohjearvo. [,. 58; 5,.0.] 6 KUORMITETTAVUUDEN LASKENTAOHJELMA JA SEN KÄYTTÖ Kuormitettavuuden lakemieen on käytetty Prymian Cable Oy:n omaa SYSDES-ohjelmaa, jonka lakenta perutuu tandardiin IEC Lakentaohjelma käyttää hyväkeen mm. luvua 4 eitettyjä yhtälöitä. [,. - 3.] Enimmäieki lakentaohjelmalla luodaan haluttu kaapelirakenne ja annetaan tiedot kaapelikerroten rakenteelliita mitoita, materiaaleita ja muita ominaiuukita. Eimerkiki johdintietoihin yötetään johtimen halkaiija, poikkipinta, johdinmateriaali ja johtimen rakenne (kuva 7).

35 6 Kuva 7. SYSDES-lakentaohjelma, johdintietojen yöttöruutu Seuraavaki ohjelmaa määritellään aennutapa, ympäritön lämpötila, aennukuvio, aennuyvyy ja kaapeleiden väliet etäiyydet toiitaan. Tämän jälkeen määritellään kaapelin nimellijännite ja vaihtovirran taajuu ekä valitaan koketuuojan kytkentätapa. Syötettyjen tietojen peruteella lakentaohjelma lakee kaapelille jatkuvan tilan kuormituvirran halutulla johtimen lämpötilalla (kuva 8). Ohjelma antaa kaapelin kuormituvirran liäki mm. euraavia tietoja: johdinhäviöt (W/m) koketuuojan häviöt (W/m) kaapeliyhteyden kokonaihäviöt (W/m) kaapelin ulkovaipan lämpötilan ( C) koketuuojaan induoituneen jännitteen (V/m).

36 7 Kuva 8. SYSDES- lakentaohjelma, ykinkertaitettu tuloruutu 7 TULOSTEN ARVIOINTI Lakentaohjelmalla lakettiin kuormituvirrat 60, 0, 0 ja 400 kv:n kaapeleille kolmio- ja taoaennukia, kun koketuuojan poikkipinta vaihteli mm². (Liite.) 7. Aennukuvion vaikutu kuormitettavuuteen Aennukuviolla on uuri vaikutu kaapelin kuormitettavuuteen. Kolmioaennukella aavutetaan taoaennuta parempi kuormitettavuu lähe kaikilla tutkituilla kaapeleilla. Mitä uurempia johdinpoikkipinnat ovat, itä uurempia ovat kuormitettavuuerot aennukuvioiden välillä. Taoaennukea aavutetaan kolmioaennuta parempi kuormitettavuu ainoataan pienimmällä alumiinijohtimella (50 mm²). Pienillä johdinpoikkipinnoilla tao- ja kolmioaennuken väliet kuormitettavuuerot ovat vähäiet. Pienen johtimen reitani on uuri, mikä aiheuttaa johtimea uhteea uuremmat tehohäviöt kuin koketuuojaa. Pienillä johtimilla kaapeleiden kekinäinen lämpövaikutu korotuu, jolloin väljempi taoaennu voi olla kuormitettavuuden kannalta parempi vaihtoehto. Suurilla johtimilla ja varinkin kuparijohtimilla johdinreitani on pieni, joten koketuuojan tehohäviöt ovat uuremmat uhteea johdinhäviöihin. Koketuuojaa yntyviä häviöitä voidaan vähentää kolmioaennukella, jonka avulla aavutetaan parempi kuormitettavuu. (Kuvat 9 ja 0, liite.)

37 8 0 kv Al-johtimien kaapelin kuormitettavuu Kuormitettavuu (A) Kolmioaennu Taoaennu Johtimen poikkipinta (mm ) Kuva 9. 0 kv alumiinijohtimien kaapelin kuormitettavuu, koketuuojan poikkipinta 95 mm² ja johdinlämpötila 65 C 0 kv Cu-johtimien kaapelin kuormitettavuu Kuormitettavuu (A) Kolmioaennu Taoaennu Johtimen poikkipinta (mm ) Kuva 0. 0 kv kuparijohtimien kaapelin kuormitettavuu, koketuuojan poikkipinta 95 mm² ja johdinlämpötila 65 C

38 9 7. Koketuuojan poikkipinnan vaikutu kuormitettavuuteen 7.. Koketuuojan häviökerroin Kuvaa on eitetty häviökertoimen käyttäytyminen, kun koketuuojan koko ja reitani muuttuvat. Kuvata voidaan huomata, että häviökerroin pienenee koketuuojan reitanin lähetyeä hyvin pieniä tai hyvin uuria arvoja. Häviökerroin aa taoaennukea huippuarvona koketuuojan ollea 50 mm². Kolmioaennukea häviökerroin on uurimmillaan 400 mm² koketuuojan poikkipinnalla. Häviökertoimen käyttäytymien peruteella voidaan anoa, että koketuuojan poikkipinta vaikuttaa kaapelin kuormitettavuuteen. Taoaennukea häviökerroin on huomattavati uurempi kuin kolmioaennukea. 6,0 Häviökerroin λ 600 mm² Cu-johtimiella Milliken-kaapelilla 5,0 Häviökerroin λ 4,0 3,0,0,0 0, Koketuuojan poikkipinta (mm ) Kolmioaennu Cu-johdin Taoaennu Cu-johdin Kuva. Häviökertoimen λ käyttäytyminen eri koketuuojan poikkipinnoilla 0 kv:lla 600 mm² kuparijohtimiella Milliken-kaapelilla

39 Kuormitettavuudet Taoaennukea kuormitettavuu on pienimmillään koketuuojan ollea 50 mm² (kuva ). Koketuuojan pienimmillä ja uurimmilla poikkipinnoilla taoaennuken kuormituarvot kavavat, koka koketuuojan häviökerroin pienenee. 0 kv Cu-johtimien kaapelin kuormitettavuu taoaennukea Kuormitettavuu (A) mm² 500 mm² 800 mm² 00 mm² 600 mm² 000 mm² Koketuuojan poikkipinta (mm ) Kuva. 0 kv kaapelin kuormitettavuu taoaennukea eri johdinpoikkipinnoilla ja koketuuojan poikkipinnoilla, johdinlämpötila 65 C Kolmioaennukea kuormitettavuu pienenee koketuuojan poikkipinnan kavaea mm² (kuva 3). Häviökertoimen käyttäytymietä voidaan kuitenkin päätellä, että kavattamalla koketuuojan poikkipintaa riittäväti myö kolmioaennukella kuormitettavuu alkaa aada uurempia arvoja. Suurin kuormitettavuu, 9 A aavutetaan kolmioaennukea 0 kv:n 500 mm² kuparijohtimiella Milliken-kaapelilla, kun koketuuoja on 50 mm². Kun kyeien kaapelin koketuuojaa kavatetaan arvoon 300 mm², kuormitettavuudeki aadaan 94 A, joten pelkkä koketuuojan poikkipinnan muuto pienentää kuormitettavuutta 5 A (n. 9 %) (kuva 4). (Liite.)

40 3 0 kv Cu-johtimien kaapelin kuormitettavuu kolmioaennukea Kuormitettavuu (A) mm² 500 mm² 800 mm² 00 mm² 600 mm² 000 mm² Koketuuojan poikkipinta (mm ) Kuva 3. 0 kv kaapelin kuormitettavuu kolmioaennukea eri johdinpoikkipinnoilla ja koketuuojan poikkipinnoilla, johdinlämpötila 65 C 0 kv Cu-johtimien kaapelin kuormitettavuu kolmioaennukea Kuormitettavuu (A ) Koketuuojan poikkipinta (mm²) 500 mm² kuparijohtiminen Milliken-kaapeli Kuva 4. 0 kv, 500 mm² kuparijohtimien Milliken-kaapelin kuormitettavuu kolmioaennukea eri koketuuojan poikkipinnoilla, johdinlämpötila 65 C

41 3 7.3 Kuormitettavuuden korjaukertoimet Tulokita tehtiin kuormitettavuukien vertailu eri koketuuojan poikkipinnoilla. Vertailukohteeki valittiin 95 mm² koketuuojan poikkipinnalla aatu kuormituvirran arvo. Kuormitettavuuden korjaukertoimet muille koketuuojien poikkipinnoille aatiin jakamalla niiden kuormituvirta-arvot vertailuarvon kana Kuormitettavuuden korjaukertoimien käyttäytyminen Kolmioaennukea kuormitettavuuden korjaukertoimet pienenevät koketuuojan poikkipinnan kavaea (kuva 5). Suurimmilla johtimilla korjaukertoimet ovat jopa yli 0 % vertailuarvoa pienemmät.,5 600 mm Cu-johtimien kaapelin kuormitettavuuden korjaukertoimet, kolmioaennu,0 Korjaukerroin,05,00 0,95 60 kv 0 kv 0 kv 400 kv 0,90 0, Koketuuojan poikkipinta (mm ) Kuva 5. Kolmioaennetun 600 mm² kuparijohtimien kaapelin kuormitettavuuden korjaukertoimet eri koketuuojan poikkipinnoilla ja jännitetaoilla, johdinlämpötila 65 C Taoaennukea uurimmat koketuuojan poikkipinnat puoletaan kavattavat korjaukerrointa jopa 0 %. (Liite 3). Jo kaapelien rakenne pyyy amantyyppienä, jännitetaolla ei ole kovin uurta vaikututa kuormitettavuuden korjaukertoimiin (kuvat 5 ja 6). Pienet erot korjaukertoimia eri

42 33 jännitetaojen välillä aiheutuvat erilaiita eritypakuukita, jotka muuttavat koketuuojan reaktania X.,5 600 mm Cu-johtimien kaapelin kuormitettavuuden korjaukertoimet, taoaennu,0 Korjaukerroin,05 60 kv 0 kv 0 kv 400 kv,00 0, Koketuuojan poikkipinta (mm ) Kuva 6. Taoaennetun 600 mm² kuparijohtimien kaapelin kuormitettavuuden korjaukertoimet eri koketuuojan poikkipinnoilla ja jännitetaoilla, johdinlämpötila 65 C 7.3. Kuormitettavuuden korjaukerrointaulukot Molemmille johdnmateriaaleille on laadittu tutkituilla jännitetaoilla kuormitettavuuden korjaukerrointaulukot tao- ja kolmioaennukea (liite 3). Eri jännitetaojen korjaukertoimia ei kuitenkaan todettu olevan uuria eroja, joten ne yhditettiin yhdeki kerrointaulukoki. Näin aatiin neljä eri kerrointaulukkoa: Al- johtimiille kaapeleille taoaennukea (taulukko 6) Cu- johtimiille kaapeleille taoaennukea (taulukko 7) Al- johtimiille kaapeleille kolmioaennukea (taulukko 8) Cu- johtimiille kaapeleille kolmioaennukea (taulukko 9).

43 34 Korjaukerrointaulukoiden yhditäminen on toteutettu niin, että taulukkoon on valittu aina pienin kerroinarvo. Kertoimien eroita aiheutuva uurin virhe taulukoia 6, 7, 8 ja 9 on -,5 %. Taulukoiden 6, 7, 8, 9, 0 ja korjaukertoimet on annettu adaoien tarkkuudella, joten mahdolliet pyörityvirheet kertoimia ovat uurimmillaan ± 0,005 eli ± 0,5 proenttiykikköä. Kertoimien tarkat arvot on eitetty liitteeä. Taulukko kv taoaennettujen Al-johdinkaapelien kuormitettavuuden korjaukertoimet koketuuojien erilaiilla poikkipinnoilla Kuormitettavuuden korjaukerroin taoaennukea, Al-johdin Al-johdin Koketuuojan poikkipinta (mm²) (mm²) ,03,0,00 0,99,00 300,04,03,00 0,99,00,0 500,06,03,00 0,98 0,99,0 800,08,05,00 0,98 0,99,0,05 00,09,05,00 0,98 0,99,0,06 600,0,06,00 0,98 0,99,0,07 000,0,06,00 0,98,00,0,08 500,06,00 0,99,0,04,09 Taulukko kv taoaennettujen Cu-johdinkaapelien kuormitettavuuden korjaukertoimet koketuuojien erilaiilla poikkipinnoilla Kuormitettavuuden korjaukerroin taoaennukea, Cu-johdin Cu-johdin Koketuuojan poikkipinta (mm²) (mm²) ,04,03,00 0,99,00 300,06,04,00 0,98 0,99,0 500,08,05,00 0,98 0,99,0 800,08,06,00 0,98 0,99,0,06 00,0,07,00 0,98 0,99,0,08 600,,07,00 0,98 0,99,03,09 000,,07,00 0,98,0,04,09 500,07,00 0,99,0,05,0

44 35 Taulukko kv kolmioaennettujen Al-johdinkaapelien kuormitettavuuden korjaukertoimet koketuuojien erilaiilla poikkipinnoilla Kuormitettavuuden korjaukerroin kolmioaennukea, Al-johdin Al-johdin Koketuuojan poikkipinta (mm²) (mm²) ,0,0,00 0,99 0,99 300,0,0,00 0,99 0,97 0,97 500,03,03,00 0,98 0,96 0,95 800,05,04,00 0,97 0,94 0,93 0,95 00,06,05,00 0,96 0,93 0,9 0,93 600,07,05,00 0,96 0,9 0,9 0,9 000,08,06,00 0,96 0,9 0,90 0,9 500,07,00 0,95 0,9 0,89 0,90 Taulukko kv kolmioaennettujen Cu-johdinkaapelien kuormitettavuuden korjaukertoimet koketuuojien erilaiilla poikkipinnoilla Kuormitettavuuden korjaukerroin kolmioaennukea, Cu-johdin Cu-johdin Koketuuojan poikkipinta (mm²) (mm²) ,0,0,00 0,99 0,98 300,03,03,00 0,98 0,96 0,95 500,05,03,00 0,97 0,94 0,93 800,07,05,00 0,96 0,9 0,9 0,93 00,09,06,00 0,95 0,90 0,89 0,9 600,0,07,00 0,94 0,89 0,88 0,89 000,,08,00 0,94 0,89 0,87 0,89 500,08,00 0,94 0,89 0,87 0,88 Alumiini- ja kuparijohdinkaapeleiden kuormitettavuuden korjaukertoimet ovat yhteneväiet molemmilla aennutavoilla, kun alumiinijohtimilla otetaan tarkateltavaki kuparijohtimia uuremmat johdinpoikkipinnat. Seuraavilla alumiinijohtimien ja kuparijohtimien poikkipinnoilla kerroinarvot ovat lähe amat: Al 50 mm² ja Cu 50 mm² Al 500 mm² ja Cu 300 mm² Al 800 mm² ja Cu 500 mm² Al 600 mm² ja Cu 800 mm² Al 000 mm² ja Cu 00 mm² Al 500 mm² ja Cu 600 mm².

45 36 Edellä mainittujen yhteneväiyykien peruteella tao- ja kolmioaennukelle on tehty omat yhditetyt taulukot, jotka iältävät korjaukertoimet molemmille johdinmateriaaleille. Kertoimet on valittu taulukoihin pienimmän arvon mukaan. Alumiini- ja kuparijohtimiilla kaapeleilla kuormitukertoimien eroita aiheutuva uurin virhe taulukoia 0 ja on -,43 %. (Taulukot 0 ja.) Taulukoita voidaan käyttää alutavaan kuormitettavuuden arviointiin, kun koketuuojan poikkipintaa muutetaan. Kaapelin todellinen kuormitettavuu on lakettava tapaukohtaieti. Taulukko kv taoaennettujen Al- ja Cu-johdinkaapelien kuormitettavuuden korjaukertoimet koketuuojien erilaiilla poikkipinnoilla Kuormitettavuuden korjaukerroin taoaennukea, Al- ja Cu-johdin Johdin (mm²) Koketuuojan poikkipinta (mm²) Al Cu ,03,0,00 0,99,00 300,04,03,00 0,99,00, ,06,03,00 0,98 0,99, ,08,05,00 0,98 0,99,0,05 00,09,05,00 0,98 0,99,0, ,08,06,00 0,98 0,99,0, ,0,06,00 0,98 0,99,0, ,,06,00 0,98 0,99,03,09 000,,07,00 0,98,0,04,09 500,07,00 0,99,0,05,0 Taulukko kv kolmioaennettujen Al- ja Cu-johdinkaapelien kuormitettavuuden korjaukertoimet koketuuojien erilaiilla poikkipinnoilla Kuormitettavuuden korjaukerroin kolmioaennukea, Al- ja Cu-johdin Johdin (mm²) Koketuuojan poikkipinta (mm²) Al Cu ,0,0,00 0,99 0,98 300,0,0,00 0,99 0,97 0, ,03,0,00 0,98 0,96 0, ,05,03,00 0,97 0,94 0,93 0,95 00,06,04,00 0,96 0,93 0,9 0, ,07,05,00 0,96 0,9 0,9 0, ,08,06,00 0,95 0,90 0,89 0, ,0,07,00 0,94 0,89 0,88 0,89 000,,08,00 0,94 0,89 0,87 0,89 500,08,00 0,94 0,89 0,87 0,88

46 37 8 YHTEENVETO Ininöörityöä on tutkittu kv:n kaapeleiden kuormitettavuukia. Työä on käitelty myö kaapelin rakenteen, aennuympäritön, aennukuvion ja koketuuojan kytkentätapojen vaikututa kaapelin kuormitettavuuteen. Liäki työä on eitelty tandardin IEC 6087 lakentaan perutuvat yhtälöt, joilla voidaan lakea kaapelin kuormitettavuu. Tutkittavien kaapeleiden rakenne ja aennutavat on eitelty ja niille on lakettu kuormitettavuudet SYSDES-lakentaohjelmalla. Kaapeleiden kuormitettavuudet käyttäytyivät eri tavoin tao- ja kolmioaennukia koketuuojan poikkipinnan muuttuea. Molemmilla aennutavoilla koketuuojan poikkipinnalla todettiin olevan merkittävä vaikutu kaapelin kuormitettavuuteen. Kuormitettavuuden kannalta kolmioaennuken todettiin olevan taoaennuta parempi vaihtoehto. Kuormitettavuuden korjaukertoimien uurimmat ja pienimmät arvot aatiin kuparijohtimiilla kaapeleilla, joilla olivat uurimmat koketuuojan häviöt uhteea johdinhäviöihin. Eri jännitetaoilla ei ollut merkittävää vaikututa korjaukertoimiin. Tulokita laadittiin kuormitettavuuden korjaukerrointaulukot kolmio- ja taoaennukea. Näitä taulukoita voidaan käyttää kuormitettavuuden arviointiin tapaukia, joia kaapelin rakenne, aennutapa ja aennuolouhteet pyyvät amana, mutta koketuuojan poikkipintaa muutetaan.

47 38 LÄHTEET [] Alatalo Pentti, Voimakaapelit ja aennujohdot. Oy Nokia Ab Kaapelitehda. Epoo: Oy Kodaprint Ab [] Ander George J. Rating of electric power cable. Intitute of Electrical and Electronic Engineer, Inc: New York [3] High Voltage Cable -eite. Oy Prymian Cable and Sytem Ab: /006. [4] High Voltage Reference -eite. Oy Prymian Cable and Sytem Ab: 0/007. [5] Energiakaapelit 009 -eite. Oy Prymian Cable and Sytem Ab: /009. [6] Aro Martti ym. Suurjännitetekniikka. Tekijät ja Otatieto Oy: Gummeru Kirjapaino Oy Jyväkylä, 996. [7] International tandard, Cable for rated voltage from 6 kv (Um 7, kv) up to 30 kv (Um 36 kv) , IEC: , econd edition. [8] Aarela K, Torikka M, Kouti T, Voimakaapelit-luento. Oy Nokia Ab Kaapelitehda: joulukuu 99. [9] Dipl. in. Rito Kiviaaren haatattelu talvella 00. Oy Prymian Cable and Sytem Ab. [0] International Standard, Power cable with extruded inulation and their acceorie for rated voltage above 50 kv up to 500 kv. IEC: , edition.. [] Heinhold Lothar, Power Cable and their Application Part. Siemen, Aktiengeellchaft 987. [] Suomen tandardioimiliitto, PEX-eriteiet 64/0 kv voimakaapelit. Rakenne ja koetu. SFS [3] Paavola Martti, Halme Heikki, Sähkölaitoten uojareleet. Porvoo: WSOY. 979, neljä paino.

48 39 [4] Oy Prymian Cable and Sytem Ab. Kuormitettavuulakelmia käytettyjä kuvia. [5] Voipio Erkki, Sähkö- ja magneettikentät. Teknillien korkeakoulun ylioppilakunta. Otaniemi: 970. [6] ABB rev3.pdf, XLPE Underground Cable Sytem uer guide: Elander, Väterå [7] Pirelli Cable, Bonding and earthing. Energy Cable Deign Manual: E\E\903\4, 4 March 994. [8] International Standard, Electric Cable - Calculation of the current rating. IEC: : 006-, edition.0. [9] International Standard, Electric Cable - Calculation of the current rating. IEC: : 006-5, edition.. [0] International Standard, Conductor of inulated cable. IEC: 608--: [] SYSDES manual: releaed on April 30th 006.

49 LASKENNASSA KÄYTETTYJEN KAAPELEIDEN RAKENNEMITAT LIITE ()

50 LIITE ()

51 LIITE () KAAPELIN KUORMITETTAVUUS TASO- JA KOLMIOASENNUKSESSA Taoaennu:

52 Kolmioaennu: LIITE ()

53 LIITE 3 () KAAPELIN KUORMITETTAVUUDEN KORJAUSKERTOIMET TASO- JA KOLMIOASENNUKSESSA Taoaennu:

54 Kolmioaennu: LIITE 3 ()