Mikko Matero NUOJUAN VESIVOIMALAITOKSEN 10 KV KISKOSTON KORVAAMINEN YKSIJOHDINKAAPELEILLA

Mikko Matero NUOJUAN VESIVOIMALAITOKSEN 10 KV KISKOSTON KORVAAMINEN YKSIJOHDINKAAPELEILLA Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Sähkötekniikan koulutusohjelma Huhtikuu 2009

TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Ylivieskan yksikkö Aika 10.4.2009 Tekijä/tekijät Mikko Matero Koulutusohjelma Sähkötekniikka Työn nimi Nuojuan vesivoimalaitoksen 10 kv kiskoston korvaaminen yksijohdinkaapeleilla Työn ohjaaja Kyösti Terentjeff ja Jari Halme Sivumäärä 27 + 3 liitettä Työelämäohjaaja Jarkko Happo ja Kimmo Pohjola Tämä Are Oy:lle tehty opinnäytetyö on Fortumin tilaama. Nuojuan vesivoimalaitoksessa vaihdetaan tulevan tehonnoston yhteydessä vanha 10 kv:n kojeistolta päämuuntajille menevä kiskosto kaapeliyhteydeksi. Opinnäytetyön tavoite on suunnitella ja mitoittaa kaapeliyhteys ja tehdä projektin kustannusarvio. Yksijohdinkaapeliasennus tulee halvemmaksi ja on turvallisempi kuin avokiskosto. Kaapeliasennus vaatii myös vähemmän huoltoa. Tiedonlähteitä opinnäytetyöhön olivat alan ammattilaisten haastattelut, kaapelinmitoitus oppaat, kirjallisuus ja kaapelivalmistajien internet-sivut. Kaapeliyhteys saadaan toteutettua AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu 10 kv yksijohdinkaapelilla. Kaapeleita tulee rinnankytkettynä yhtä vaihetta kohden neljä kappaletta. Asiasanat yksijohdinkaapeliasennukset

ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Degree programme Electrical engineering Name of thesis Date 10. April 2009 Author Mikko Matero Replacing the 10 kv busbars of Nuojua hydroelectric power plant with single conductor cabels Instructor Pages Kyösti Terentjeff and Jari Halme 27 + 3 Appendixes Supervisor Jarkko Happo and Kimmo Pohjola This thesis was made for Are Oy. In the near future Fortum is going to increase the power of Nuojua hydroelectric powerplant. They are going to replace the busbars leading from 10 kv switchgears to transformers with single conductor cables. The purpose of this thesis was to plan the cable connection and to make the cost estimate for the project. Single conductor cable connection is cheaper, safer and requires less maintenance than a busbar connection. Information sources for this thesis were interviews with professionals, literature and cable manufacturer s internet pages. The cable connection can be made with AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu 10 kv single conductor cables. There will be four cables connected in parallel per each phase. Key words single conductor cabel connection

ESIPUHE Tämä Are Oy:lle tehty opinnäytetyö on Fortum Oy:n tilaama. Haluaisin kiittää Are Oy:tä ja Fortum Oy:tä opinnäytetyön aiheesta ja työn aikana saamastani tuesta. Erityisesti haluaisin kiittää ohjaajiani Are:lta, insinöörejä Jarkko Happoa ja Kimmo Pohjolaa, sekä Keski- Pohjanmaan Ammattikorkeakoululta insinööri Kyösti Terentjeffiä. Fortumilta haluaisin kiittää suunnittelija Ilkka Mikkolaa, Prysmianilta diplomi-insinööri Risto Kivisaarta ja Kempeleen Kojeistotuotteelta teknikko Veikko Materoa saamastani suuresta avusta työn saattamisessa loppuun. Oulussa 1.4.2009

TIIVISTELMÄ ABSTRACT ESIPUHE SISÄLLYS 1 JOHDANTO 1 2 SUURTEN KUORMITUSVIRTOJEN SIIRTO 2 3 KAAPELIYHTEYDEN EDUT KISKOSTOON VERRATTUNA NUOJUALLA 3 4 YKSIJOHDINKAAPELIASENNUKSET 7 4.1 Yleistä 7 4.2 Suunnittelu 8 4.3 Kuormitettavuus 8 4.4 Oikosulkukestoisuus 9 4.4.1 Terminen oikosulkukestoisuus 9 4.4.2 Dynaaminen oikosulkukestoisuus 11 4.5 Kaapelipäätteet 13 4.6 Kaapelireitti 14 5 NUOJUAN 10 KV KAAPELIYHTEYDEN SUUNNITTELU 16 5.1 Kaapelin valinta 16 5.2 Kuormitettavuus 16 5.3 Terminen oikosulkukestoisuus 19 5.4 Dynaaminen oikosulkukestoisuus 19 5.5 Jännitteen alenema 20 5.6 Kaapelipäätteiden valinta 20 5.7 Kaapelireitti 21 5.8 Kustannusarvio 25 6 YHTEENVETO 26 7 POHDINTA 27 LÄHTEET LIITTEET

1 1 JOHDANTO Nuojuan vesivoimala on yksi Oulujoen voimalaitoksista. Se sijaitsee Vaalassa ja tällä hetkellä voimalaitoksella on kolme 30 MVA:n generaattoria ja kolme päämuuntajaa. Lähitulevaisuudessa voimalassa suoritetaan tehonnosto, jonka jälkeen generaattoreista aletaan ottaa tehoa 40 MVA. Generaattoreista saadaan 10,5 kv jännite, joka viedään 10 kv kojeistoon. Kojeistolta lähtee virtakiskot päämuuntajille kiskotunnelia pitkin. Virtakiskot eivät ole kyseisessä tunnelissa enää teknisesti, eivätkä turvallisuudenkaan kannalta paras ratkaisu. Tulevan tehonnoston yhteydessä on tarkoitus vaihtaa kiskojärjestelmä kaapeliyhteyteen. Tämän opinnäytetyön tarkoitus on tehdä kaapeleiden mitoitus ja projektin kustannusarvio, sekä ratkaista mahdolliset vastaantulevat ongelmat. Tarkoituksena on myös pohtia kaapelijärjestelmän etuja kiskojärjestelmään nähden ja painottaa erityisesti turvallisuusnäkökohtia. Päämuuntajat ja kojeistot ovat uusittu jo tulevaa tehonnostoa silmälläpitäen. Tunnelin muuntajakentän päässä on jokaisen päämuuntajan nousukuilussa vanha kiskojännitemittaus joka pitää säilyttää. Kiskot päättyvät tähän jännitemittauspisteeseen ja erottimeen, jonka jälkeinen yhteys ulkona muuntajalle on toteutettu yksijohdinkaapeleilla. Tässä opinnäytetyössä on käytetty Prysmianin kaapeleilleen antamia arvoja sekä korjauskerrointaulukoita.

2 2 SUURTEN KUORMITUSVIRTOJEN SIIRTO Kuormitusvirtojen ollessa yli 1000 A tehon siirto edellyttää muista johdoista oleellisesti poikkeavia ratkaisuja. Vaatimukset voidaan toteuttaa rinnankytketyillä kaapeleilla, yksijohdinkaapelijärjestelmillä, avoimilla tai yhtenäiskoteloiduilla kiskoilla ja vaihe-erotetuilla kiskostoilla. Valintaan vaikuttavat nimellis- tai oikosulkuvirran suuruus, kohteen tärkeys tms. seikka. (ABB 2000, 525.) Rinnankytkettyjä kaapeleita voidaan käyttää, kun nimelliskuormitusvirta on 1000 1600 A, kunhan oikosulkuvirta ei ole suurempi kuin käytössä olevan kaapelin sallittu arvo. Käyttökohteina ovat yleensä vain laitosten väliset vähemmän tärkeät yhteydet. Yksijohdinkaapeleita voidaan käyttää useamman tuhannen ampeerin virroilla ja riittävästi tuettuna niillä saadaan myös vaadittu dynaaminen kestoisuus suurillakin oikosulkuvirroilla. Yksijohdinkaapelit ovat edullinen ja järkevä ratkaisu, kun yhdistetään kaukana toisistaan olevia laitoksen osia tai kulkureitin ollessa monimutkainen. (ABB 2000, 525.) Kiskostojen käyttökohteita ovat generaattoreiden, suurempien muuntajien ja suurten kojeistojen väliset yhteydet, joissa vaaditaan ehdotonta käyttövarmuutta. Avoimia ja yhtenäiskoteloituja kiskostoja käytetään vielä 8000 A:n kuormitusvirroilla ja jopa 300 ka:n oikosulkuvirroilla. Kiskoston nimellisvirran ylittäessä 8000 A käytetään vaihe-erotettuja kiskostoja. Niitä käytetään jopa 30000 A nimellisvirroilla. (ABB 2000, 525.)

3 3 KAAPELIYHTEYDEN EDUT KISKOSTOON VERRATTUNA NUOJUALLA Nuojualla kiskotunnelin vesivuodot ovat aiheuttaneet maasulkureleen (koneiston) laukaisuja verkosta, koska vesi on valunut tunneliin ja eristimen kautta maihin. Tästä on seurannut koneistoseisokki, hälytyskäynnistä ja korjauksesta johtuvat kustannukset sekä tuotannon menetys. Kiskotunnelissa olevien kosketussuojaverkkojen silmäkoko on nykyisten määräysten mukaan liian suuri, mikä merkitsee huomattavaa turvallisuusriskiä samoin kuin avonainen kiskojärjestelmä kaapelointiin nähden ylipäätään. Nuojualla kiskotunnelissa kulkiessa kiskot ovat hyvin lähellä ja yläpuolella olevien kiskojen edessä ei ole kosketussuojaverkkoa, joten kiskot ovat helposti kosketettavissa. Tunnelissa kiskostojen metallisiin suojarakenteisiin on jouduttu lisäämään maadoituksia indusoituneiden vuotovirtojen takia. Myös kiskojen tukieristimen väli oikosulkuvoimia vastaan pitäisi tarkistaa dynaamisen oikosulkukestoisuuden vuoksi. Jos kiskosto säilytettäisiin ja tukieristimien määrää pitäisi lisätä, siitä tulisi paljon lisätyötä ja kustannuksia. Avokiskojärjestelmille yleisenä ongelmana on likaantuminen. Jos kiskot ja tukieristimet likaantuvat tai saavat kosteutta, voi alkaa esiintymään vuotovirtoja tai läpilyöntejä. (Terentjeff 2009; Matero 2009.) Kiskostojen asennus on myös huomattavasti työläämpää kuin kaapeleiden asennus, erityisesti pitkillä ja mutkikkailla reiteillä.

4 KUVIO 1. Nuojuan 10 kv kojeistot. KUVIO 2. Yksi Nuojuan päämuuntajista.

KUVIO 3. 10 kv kojeistojen alapuolinen tila. 5

KUVIO 4. Nuojuan kiskotunneli. 6

7 4 YKSIJOHDINKAAPELIASENNUKSET 4.1 Yleistä Jos kaapeliyhteydeltä vaaditaan suurta kuormitettavuutta ja dynaamista kestoisuutta suositellaan käytettäväksi yksijohdinkaapeleita. Yksijohdinkaapeliasennukset koostuvat yhdestä tai useammasta sopivalla tavalla rinnankytketystä yksijohdinkaapelista. Nykyisin yksijohdinkaapeleita käytetään useasti virta-alueella n. 1000-6000 A. Yksijohdinkaapelit ovat useimmissa tapauksissa koteloitua kiskostoa taloudellisempi. Pitkissä tai mutkikkaissa yhteyksissä ja ahtaissa teollisuustiloissa kaapeleiden käyttäminen on monesti ainoa vaihtoehto. (Nokia Kaapeli 1984, 3; Kivisaari 2005, 6.) Kaapeleita rinnakkain kytkettäessä kannattaa käyttää samanlaisia ja saman poikkipintaisia kaapeleita. Kaapelit pitää ryhmitellä siten, että virta jakaantuu rinnankytketyille kaapeleille niin tasaisesti kuin mahdollista. (Kivisaari 2005, 11.) Yksittäisen kaapelin impedanssi suurilla poikkipinnoilla muodostuu pääasiassa reaktanssista. Saman vaiheen rinnankytketyt kaapelit pitää ryhmitellä sopivasti, jotta niiden impedanssit olisivat yhtä suuret ja virta jakaantuisi tasaisesti rinnankytketyille kaapeleille. Jos rinnankytkettyjen kaapeleiden impedanssit ovat erisuuria, siitä voi seurata jonkin kaapelin ylikuormittuminen. (Nokia Kaapeli 1984, 4.) Kaapeleiden kosketussuojapiiri voi olla joko avoin tai suljettu. Suljetussa kosketussuojapiirissä kaapeleiden kosketussuojat yhdistetään toisiinsa kaapeliyhteyden molemmissa päissä ja maadoitetaan ainakin toisesta päästä. Avoimessa kosketussuojapiirissä kaapeleiden kosketussuojat yhdistetään toisiinsa vain kaapeliyhteyden toisessa päässä ja maadoitetaan siitä. Suljettu kosketussuojapiiri on suositeltava asennustapa. Käytettäessä avointa kosketussuojapiiriä kaapeleita voidaan kuormittaa enemmän, mutta avoimeen kosketussuojan päähän indusoituva jännite rajoittaa kaapeliyhteyden pituutta. (Nokia Kaapeli 1984, 5.)

8 4.2 Suunnittelu Johtimen poikkipinnan ja kaapelityypin valintaan vaikuttaa useita eri tekijöitä. Pääpainotuksena on pidettävä kaapelin kuormitettavuutta ja taloudellisuutta. Lisäksi on kiinnitettävä huomiota asennuspaikan tuomiin mekaanisiin vaatimuksiin ja korroosiokestoisuuteen. On varmistettava, että kaapelia saa käyttää suunnitellussa paikassa ja niissä olosuhteissa. Kaapeleiden valinnassa on myös järkevää käyttää suosittuja ja yleisiä kaapelityyppejä, jolloin kaapeleiden ja tarvikkeiden saatavuus on hyvä. Yleensä suositellaan käytettäväksi vain A- ja B-ryhmän standardikaapeleita. A-ryhmän kaapeleita löytyy aina varastosta ja B-ryhmän kaapeleita on useasti varastossa sekä niiden toimitusaika on lyhyt. Näihin ryhmiin kuulumattomia kaapeleita tehdään vain tilauksesta. (Elovaara & Laiho 2001, 379.) Kaapeleiden valinnassa pitää ottaa huomioon taloudellisuus ja tekniset seikat. Taloudellisen mitoituksen perusasioita on, ettei kaapeliyhteyden sallittua kuormitettavuutta mitoiteta liian lähelle kuormitusvirtaa, vaan mieluummin pykälää suuremmaksi. Näin johdinlämpötilat pysyvät kurissa, eikä häviötehoja synny niin paljon, tehon lisäykselle jää varaa ja kaapelin ikä pitenee. Teknisessä tarkistuksessa otetaan huomioon kuormitettavuus, terminen ja dynaaminen oikosulkukestoisuus, jännitteen alenema ja turvallisuus. (Nokia Kaapeli 1984, 8-9.) 4.3 Kuormitettavuus Voimakaapeleiden kuormitettavuuteen vaikuttavat monet asiat, kuten kaapelin rakenne, ympäristön lämpötila, lähellä olevien muiden sähkö- ja lämpöjohtojen lämpötila, maan lämpöresistiivisyys (maa-asennuksissa), asennussyvyys ja asennustapa (Elovaara & Laiho 2001, 379). Näillä on vaikutusta kaapeleiden jäähtymiseen. Kaapelivalmistajat antavat kaapeleiden kuormitusvirrat ympäristön lämpötilassa 25 C, ja jos todellinen tilanne poikkeaa tästä, joudutaan kaapelin kuormitettavuus kertomaan korjauskertoimella. Eri asennustavoille ja lämpötiloille löytyy korjauskerrointaulukot ja ne saadaan esimerkiksi kaapelivalmistajalta.

9 Korkeilla johdinlämpötiloilla häviötehot kasvavat nopeasti, jolloin seuraavaksi suuremman järjestelmän valinta tulee edullisemmaksi pitkällä aikavälillä (Nokia Kaapeli 1984, 5). Kaapelivalmistaja ilmoittaa kaapeleiden kuormitettavuudet 65 C ja 90 C johdinlämpötiloille. Teollisuuden pitkäikäisissä asennuksissa mitoitusta ei kannata tehdä 90 C kuormitusarvoilla Erityisesti pidemmillä yhteyksillä tehohäviöt kasvavat niin suuriksi, että sillä alkaa olla jo huomattavia kustannusvaikutuksia. Myöskään mahdolliselle myöhemmälle tehon lisäykselle ei jää varaa, jos kaapeli on alun perin mitoitettu 90 C johdinlämpötilalle. (Kivisaari 2009.) Kuormitettavuuteen vaikuttaa myös se onko kaapeleiden kosketussuojapiiri avoin vai suljettu (Nokia Kaapeli 1984, 5). Kaapelivalmistajat ilmoittavat kaapeleilleen kuormitusvirrat molemmilla tapauksilla. 4.4 Oikosulkukestoisuus Kaapeliasennuksen oikosulkukestoisuuteen vaikuttavat mm. kaapelin rakenneosien lämmönkestoisuus, kaapelin lämpötila ennen oikosulkua, lämpölaajenemisen aiheuttamat voimat, sähködynaamiset voimavaikutukset, kaapelivarusteiden ja asennusympäristön rajoitukset sekä pika- ja aikajälleenkytkennän vaikutukset (Kivisaari 2005, 1). 4.4.1 Terminen oikosulkukestoisuus Kaapelin terminen oikosulkukestoisuus ilmoitetaan yhden sekunnin oikosulkuvirtana, joka nostaa kaapelin johtimen lämpötilan suurimmasta sallitusta normaalikäytön lämpötilasta asennukselle määriteltyyn loppulämpötilaan kaapelin ja sen rakenneosien vaurioitumatta. Suurimmat sallitut yhden sekunnin oikosukuvirrat kaapelivalmistaja ilmoittaa kullekin kaapelityypille. Yksijohdinkaapelijärjestelmässä jokaisen kaapelin on yksinäänkin kestettävä mitoituksen pohjana oleva terminen oikosulkuvirta. (Kivisaari 2005, 1-3; Nokia Kaapeli 1984, 6.)

10 Oikosulussa johdin ei saa lämmetä niin korkeaksi, että se heikentäisi oleellisesti eristyksen sähköistä ja mekaanista lujuutta. Keski- ja suurjännitekaapeleissa käytetään yleisesti eristeaineena silloitettua polyeteeniä eli PEX:iä, joka on erittäin muotokestoinen materiaali ja se säilyttää mekaaniset ominaisuudet korkeissakin lämpötiloissa. PEX-eristeisille kaapeleille voidaan sallia oikosulun loppulämpötilaksi jopa 250 C. (Kivisaari 2005, 1-3.) Kaapelin varusteiden on myös kestettävä samat lämpötilat ja normaalisti voimakaapelivarusteiden terminen oikosulkukestoisuus onkin riittävä. T2-luokan liittimet kestävät oikosulun loppulämpötilana 250 C. (Kivisaari 2005, 3.) Kaapelin kuormituksen muutokset ja ympäristön lämpötilan vaihdokset aiheuttavat kaapeliin lämpölaajenemista ja kutistumista. Kaapeliasennuksessa tämä on huomioitava estämällä kaapelin liikkuminen kokonaan, tai huolehtia kaapelin hallitusta liikkumatilasta. Kaapelireitit itsessään sisältävät yleensä mutkia, jolloin lämpölaajenemisen vaikutukset pääsevät purkautumaan. Pitkissä ja suorissa kaapeliasennuksissa kaapeleille saadaan liikkumatilaa asentamalla ne kaapelihyllylle aaltomaisesti ja kiinnittämällä harvakseltaan. (Kivisaari 2005, 5.) KUVIO 5. Kaapelin asennus hyllylle aaltomaisesti pitkillä suorilla matkoilla. (Kivisaari 2005, 5.) Kaapelin kosketussuojan kannalta mahdollisia vikatilanteita ovat lähinnä yksivaiheinen oikosulku nollapisteestä maadoitetussa verkossa ja kaksoismaasulku maasta eristetyssä tai sammutetussa verkossa.

11 KUVIO 6. Kaksoismaasulku maasta eristetyssä verkossa. (Kivisaari 2005, 4.) Maassa eristetyssä verkossa yksivaiheinen maasulku aiheuttaa maan ja muiden vaiheiden välisen jännitteen nousemisen, mikä voi johtaa maasulkuun toisessakin vaiheessa. Riippuen kosketussuojien kytkentätavasta vikavirta kulkee jonkin matkaa yhdessä tai useammassa kosketussuojassa ja kosketussuojan terminen kestoisuus voi ylittyä. (Kivisaari 2005, 4.) 4.4.2 Dynaaminen oikosulkukestoisuus Oikosulut rasittavat kaapeleita ja varusteita mekaanisesti. Kantaverkon ja suurten voimaasemien lähellä dynaaminen oikosulkuvirta on selkeästi suurempi kuin kauempana verkossa. (ABB 2000, 504.) Kaapelijärjestelmän dynaaminen oikosulkukestoisuus määräytyy suurimman mahdollisen sysäysoikosulkuvirran mukaan. Yleisenä sääntönä on, että asennuksen dynaamiseen oikosulkukestoisuuteen on kiinnitettävä erityistä huomiota, kun kaapeliyhteyden sysäysoikosulkuvirta ylittää 50 ka. Kaapeliasennuksen oikosulkukestoisuus ei ole pelkästään kaapelista kiinni, vaan joskus kaapelin varusteiden kestoisuus on huonompi. Kaapeliyhteyden dynaamisen oikosulkukestoisuuden määrittävät kaapeleiden sidontaväli, päätteet ja kaapelin

12 rakenne. Kaapeleiden kiinni sitomiseen on eri tapoja, mutta tässä opinnäytetyössä keskitytään vain kaapeleiden sitomiseen kolmioon Tespa-vanteilla, koska kokemus on osoittanut sen olevan edullinen ja nopea tapa saavuttaa riittävä dynaaminen oikosulkukestoisuus Nuojuan kaltaisessa kohteessa. Tespa-vanne on 19 mm leveä ruostumattomasta teräksestä tehty panta. Sen vetolujuus on noin 9,1 kn. (Nokia Kaapeli 1984, 6; Kivisaari 2005, 1-4; Happo 2008.) KUVIO 7. Kaapeleiden sitominen kolmioon Tespa-vanteella. 1)suojanauha 2)Tespa-vanne 3)Tespa-lukko. (Kivisaari 2005, 8.) KUVIO 8. Kolmioasennuksessa vaiheiden ryhmittely. (Kivisaari 2005, 11.)

13 KUVIO 9. Esimerkki Tespa-vanteilla sitomisesta Utasen vesivoimalaitoksesta. (Mikkola, 2009) 4.5 Kaapelipäätteet Kaapelipäätteen tehtävänä on yhdistää johtimet näkyvissä oleviin liittimiin, suojata kaapelin päätä mekaanisesti, pitää öljy öljykyllästeisissä kaapeleissa ja pitää kosteus poissa kaapelista. Päätteen pitää kestää samat sähköiset rasitukset kuin kaapelinkin. Koestuksissa pääte ja kaapeli ovat yhtä kokonaisuutta. (Elovaara & Laiho 2001, 380-381.) Kaapelipäätteen rakentamisessa on huomioitava, että hohtosuojan tai metallivaipan reunassa sähkökentän voimakkuus kasvaa hyvin suureksi verrattuna homogeeniseen kaapelin sähkökenttään. Sähkökentän jakautuma on tämän takia keinotekoisesti tasattava. Mahdollisia keinoja tämän tekemiseen ovat - eristyspaksuuden suurentaminen ja muotoilu keilamaiseksi, - kapasitiivinen ohjaus jossa eristemassaan laitetaan sylinterimäisiä metallikalvoja,

14 - resistiivinen ohjaus jossa hohtosuojan katkaisukohdasta lähtien kierretään kaapelieristyksen päälle puolijohtavaa nauhaa, jolloin varaus- ja vuotovirrat aiheuttavat nauhassa jännitehäviön, joka tasaa kenttää. Resistiivistä ohjausta käytetään 10 20 kv jännitealueella, eristysrakenteen muokkaamista 10 45 kv jännitealueella ja kapasitiivista ohjausta 110 500 kv alueella. (Elovaara & Laiho 2001, 381.) Päätteen rakenne riippuu jännitetasosta, kaapelityypistä ja asennuspaikasta. Ulkoasennuksissa päätteiden pitää olla hermeettisesti tiiviitä ja mekaanisesti lujia. (Elovaara & Laiho 2001, 381.) 4.6 Kaapelireitti Yksijohdinkaapeleiden asennuksessa käytetään normaaleja muovikaapeleiden asennusohjeita, mutta suurilla johtimien poikkipinnoilla kaapelin suuresta massasta ja jäykkyydestä johtuen niiden asennuksessa on otettava huomioon tiettyjä erikoisvaatimuksia. Kaapelihyllyjen mitoituksessa pitää huomioida valmiin asennuksen kuormituksen lisäksi asennusrasitukset. Joskus voidaan asennuksen aikana käyttää väliaikaista lisätuentaa, mutta se ei ole aina mahdollista. Jokaiselle järjestelmälle pitää olla oma kaapelihylly, jolle ei asenneta muiden järjestelmien kaapeleita. Hyllyreitit on suunniteltava niin, että kaapeleiden asennuskuvion sisään ei tule teräsrakenteita kuten esimerkiksi kannattimia tai tukia. Kaapeleiden asennuskuviota ei saa hajottaa seinien tai kattojen läpivienneissäkään. Palonkestävissä läpivienneissä sulun paksuuden ollessa yli 15 cm voi kaapeli lämmetä paikallisesti ja järjestelmän kuormitettavuus voi alentua. (Nokia Kaapeli 1984, 10.) Kaapeleita ei mielellään sidota hyllyn laitaan kiinni, koska ilman kierto huonontuu hyllyn reunaa vasten olevan kaapelin osalta ja koko järjestelmän kuormitettavuus voi alentua (Kivisaari 2009).

15 Asennettaessa kaapelia se ei saa vaurioitua. Valmistajat ilmoittavat eri vetotavoille mm. suurimmat sallitut vetovoimat joita saa esiintyä sekä sallitut taivutussäteet. (Elovaara & Laiho 2001, 379.)

16 5 NUOJUAN 10 KV KAAPELIYHTEYDEN SUUNNITTELU 5.1 Kaapelin valinta Kaapeleiden tyypeissä suositaan yleisiä kaapeleita joita on helposti saatavilla. Tässä opinnäytetyössä kaapelinvalinta oli melko selkeä. Jo alussa lähdettiin tarkastelemaan yhteyden toteutusta AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu 10 kv yksijohdinkaapelilla. Nuojualla käytetään suljettua kosketussuojapiiriä (Mikkola 2009). Tyypin valintaan johti: - 10 kv jännite - kaapeliyhteyden suuri kuormitusvirta - terminen oikosulkukestoisuus, joka jokaisen yksittäisen rinnankytketyn kaapelin pitää kestää. Tutkittiin myös mahdollisuutta käyttää jotain pienemmällä poikkipinnalla olevaa kaapelia, mutta ajatuksesta luovuttiin hyvin pian. Ohuempia samantyyppisiä kaapeleita ei olisi ollut järkevää käyttää, koska suuren kuormitusvirran vuoksi rinnankytkettyjen kaapeleiden lukumäärä olisi kasvanut niin suureksi, että kaapelipäätteiden sovittaminen 10 kv kojeistoon olisi mennyt todella haastavaksi, ellei mahdottomaksi. Myös terminen oikosulkukestovaatimus rajaa kaapeleita pois, koska jokaisen rinnankytketyn kaapelin pitää yksistäänkin kestää mitoituksen pohjana oleva terminen oikosulkuvirta. 5.2 Kuormitettavuus Nuojuan yhden generaattorin mitoitusteho on 40 MVA ja jännitetasona 10,5 kv. Tästä saadaan laskettua kuormitusvirraksi 2200 A. Kaapeleiden kuormitettavuutta laskettaessa on huomioitava ympäristön lämpötila ja asennustapa, koska ne vaikuttavat kaapelin jäähtymiseen ja sitä kautta kuormitettavuuteen. Tässä opinnäytetyössä käytettiin kaapeleiden mitoitukseen

17 johdinlämpötilaa 65 C ja ympäristön lämpötilaa 35 C. Kaapelivalmistajan taulukoista saadaan kaapelin kuormitettavuuden korjauskertoimeksi 0,85 (TAULUKKO 1). TAULUKKO 1. Ympäristön lämpötilan vaikutus kuormitettavuuteen. (Prysmian 2009.) Johdinlämpötila C 10 15 20 25 30 35 40 45 +90 1,12 1,08 1,04 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 +80 1,14 1,09 1,05 1,00 0,95 0,89 0,84 0,77 +70 1,18 1,12 1,06 1,00 0,93 0,86 0,79 0,71 +65 1,20 1,14 1,07 1,00 0,93 0,85 0,77 0,68 Kaapelivalmistajan internet-sivuilla olevista taulukoista saadaan myös asennuskerroin. Kertoimeen vaikuttaa mm. asennetaanko kaapelit maahan vai hyllylle, kuinka monta kaapelia on hyllyllä, kuinka ne sijoittuvat toisiinsa nähden, ovatko ne sidottu kolmioon vai kulkevatko ne yksittäin ja kuinka paljon hyllyjä tulee lähekkäin. Nuojuan tapauksessa yksijohdinkaapelit sidotaan kolmioon, vaihenippuja tulee yhdelle hyllylle kaksi kappaletta ja kaapelitunneliin tulee yhteensä kuusi hyllyä. Asennuskertoimeksi taulukosta saadaan 0,93 (TAULUKKO 2). Kun nämä kertoimet kerrotaan yhteen, saadaan kokonaiskorjauskertoimeksi 0,79.

18 TAULUKKO 2. Asennustavan vaikutus kuormitettavuuteen. (Prysmian 2009.) Kaapelien järjestys Vierekkäisten kaapelien lukumäärä Kolmioasennus, Vapaa välimatka = 2d; etäisyys seinästä >= 20 mm 1 2 3 Piirros Lattian tai katon pinnalla 0,95 0,90 0,88 Levyhyllyillä (ilman kierto vaikeutunut) Hyllyjen lukumäärä 1 0,95 0,90 0,88 2 0,90 0,85 0,83 3 0,88 0,83 0,81 6 0,86 0,81 0,79 Kaapelihyllyillä (ritilällä, arinalla) Hyllyjen lukumäärä 1 1,00 0,98 0,96 2 1,00 0,95 0,93 3 1,00 0,94 0,92 6 1,00 0,93 0,90 Perus periaate kaapeleiden kuormitettavuuden laskemiseen on se, että kuormitusvirta on pienempi kuin kaapeliyhteyden kuormitettavuus huomioon ottaen ympäristötekijät. AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu kaapelin kuormitettavuus suljetulla kosketussuojapiirillä, 65 C johdinlämpötilalla, kun kolme kaapelia on sidottu kolmioon hyllylle, on 825 A (LIITE 1/3). Kun tämä kerrotaan korjauskertoimella 0,79 ja kaapeleiden lukumäärällä saadaan järjestelmän kuormitettavuus. Nuojualla 2200 A:n kuormitusvirralla tarvitaan neljä kaapelia yhtä vaihetta

19 kohti eli yhteensä kaksitoista kaapelia muuntajan ja 10 kv:n kojeiston välille. Neljän rinnankytketyn AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu kaapelin kuormitettavuus korjauskertoimella 0,79 on 2607 A (LIITE 2). 5.3 Terminen oikosulkukestoisuus Tässä työssä termisenä oikosulkuvirtana käytetään Fortumin vuonna 2007 tehdyissä laskelmissa saatua alkuoikosulkuvirtaa 30,5 ka (Mikkola 2009; Mikkola 2007, 14). AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu 10 kv kaapelille ilmoitetaan termiseksi oikosulkukestoisuudeksi 75,6 ka (LIITE 1/3). 5.4 Dynaaminen oikosulkukestoisuus Kaapeliyhteyden vaadittava dynaaminen oikosulkukestoisuus on 53,3 ka. Arvo on saatu Fortumin vuoden 2007 laskelmista. Laskelmissa oleva 86,3 ka sisältää kahdesta suunnasta tulevat oikosulkutehot, kantaverkosta 53,3 ka ja generaattorilta 33 ka. Mitoituksessa käytetään suurempaa eli kantaverkolta tulevaa dynaamista oikosulkuvirtaa. (Mikkola 2009; Mikkola 2007, 14.) Yksijohdinkaapeleiden asentaminen kaapelihyllylle ja sidonta Tespa-vanteilla kolmioon on osoittautunut käytännössä edulliseksi ja nopeaksi tavaksi saada riittävä dynaaminen oikosulkukestoisuus (Happo 2008). Kaapelivalmistajan taulukosta (KUVIO 10) näkee kuinka tiheään kaapelit on sidottava toisiinsa eri sysäysoikosulkuvirroilla, kun ne sidotaan kolmioon Tespa-vanteilla. Sidontaväli valitaan 60 ka:n sysäysvirralla, jolloin sidontaväliksi tulee 0,59 m. Kolmioon sitomisen lisäksi kaapelit on sidottava alustaansa. Kaava tälle välimatkalle on 50 100 x D (LIITE 3), jossa D on kaapelin halkaisija. AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu kaapelin halkaisija on 51 mm, joten kaapelit pitää sitoa hyllyyn kiinni 2,55 5,1 m välein.

20 KUVIO 10. Tespa-vanteiden sidontavälit eräille AHXCMK(-WTC) ja HXCMK-kaapeleille kolmioasennuksessa. (Kivisaari 2005, 9.) 5.5 Jännitteen alenema Jännitteen alenema ei tule tässä opinnäytetyössä ongelmaksi lyhyen matkan vuoksi. IEC- 60909-standardin mukaan 10,0 kv järjestelmän jännite tulee olla 10,0-11,0 kv. (Mikkola 2009.) 5.6 Kaapelipäätteiden valinta Kaapelipäätteiden kriittisin kohta on johtimien kaapelikenkäliitos ja vaiheiden haarautumiskohta (Kivisaari 2005, 6). Päätteet kestävät normaalilla tuennalla noin 150kA dynaamisen oikosulkuvirran (Kivisaari 2005, 12). Kaapelipäätteiden ja kaapelikenkien tyypit saadaan esimerkiksi SLO:n internet-sivuilta. Siellä on kaapelitarvikehaku, johon määritellään jännitetaso, kaapelin tyyppi ja poikkipinta.

21 Kaapelipäätteeksi valittiin ulkokäyttöön soveltuva kutistepääte XVKUP 39800. Kaapelikengäksi 800 mm 2 :n johtimelle tulee Al/Cu-kaapelikenkä XMAR 14800, koska siirrytään alumiinikaapelista kuparikiskoon, eikä niitä saa suoraan yhdistää. 35 mm 2 :n kosketussuojakuparille tulee XMAR 1035-12 kaapelikenkä. 5.7 Kaapelireitti Yhdelle muuntajalle menee 4 kpl AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu 10 kv kaapelia yhtä vaihetta kohti, eli 12 kaapelia muuntajaa kohden. Kaapelit sidotaan Tespa-vanteilla kolmioon. Kiskotunnelin muuntajan päässä on nyt vanha kiskojännitemittaus ja erotin, jotka täytyy säilyttää. Tästä johtuen tunnelin loppuun jätetään kiskonpätkät, joihin kaapelit tuodaan 10 kv kojeistolta ja n. 20 m pätkät kaapelia jatkuvat ulkona kaapelihyllyllä muuntajalle. Jokaisen muuntajan kohdalla tilanne on sama. Kaapeliyhteyden kokonaispituus on päämuuntaja 3:lle 220 m sisällä, jonka lisäksi n. 20 m ulkona. Kaapeliyhteyden kokonaispituus päämuuntaja 2:lle on 220 m ja päämuuntaja 1:lle 200 m. Yhtä muuntajaa kohden tulee kaksi hyllyä 10 kv kojeistolta. Toiselle kaapelihyllylle tulee kaksi kolmioon sidottua vaihenippua ja toiselle hyllylle myös kaksi vaihenippua. Kahden hyllyn ratkaisuun päädyttiin kaapeleiden suuren halkaisijan ja massan takia. Jos olisi käyttänyt yhtä hyllyä muuntajaa kohden, hyllyksi olisi pitänyt laittaa 1000 mm leveä hylly ja sillä olisi ollut niin suuri fyysinen rasitus, että hyllyn tuenta olisi ollut erittäin haastavaa. Toisekseen niin leveiden hyllyjen asennus veisi tilaa liian paljon vain 2,4 m leveästä kiskokuilusta. Hyllynä käytetään MEKA:n KS80-500 tikashyllyä. Hyllyjen sallitulle taipumalle ei ollut tässä työssä asetettu Fortumilta mitään ohjearvoa, joten hyllykannakkeiden tiheys katsottiin hyllyvalmistajan kuormituskäyristä Aren käytännön kokemuksen mukaisesti. AHXCMK-WTC 1x800Al/35Cu kaapelin massa on 3,7 kg/m ja yhdelle hyllylle tulee Nuojuan tapauksessa kuusi kaapelia. Tästä saadaan yhteensä kuormitukseksi 22,2 kg/m ja hyllyvalmistajan kuormituskäyrästä nähdään, että kolmen metrin ripustusvälillä saadaan hyväksyttävä taipuma joka on noin 6 mm (KUVIO 12).

22 KUVIO 11. Kaapelihyllyn ripustus tasavälein. (Mekajohtotiet Oy 2006, 75.) KUVIO 12. KS80 kaapelihyllyn taipuma tasavälein ripustettaessa. (Mekajohtotiet Oy 2006, 75.)

23 Kaapelihyllyt pitää maadoittaa toisesta päästä kojeiston maahan ja toisesta päästä muuntajan maahan. Tämä toteutetaan viemällä hyllyllä MK 120 KEVI kaapeli, josta otetaan haarat jokaiseen hyllyn pätkään C-liittimellä ja ne kiinnitetään hyllyihin kaapelikengällä. Kaapeleiden reitille tulee kolmet palosulut, kun hyllyt menevät tilasta toiseen. Palosulkuja tulee kojeistojen alapuolelle ja kojeistojen alapuolisesta tilasta siirryttäessä kaapelitunneliin sekä tunnelin lopussa mentäessä nousukuiluun, joka johtaa muuntajakentälle.

KUVIO 13. Nuojuan kisko- ja kaapelitunneli. (Oulujoki osakeyhtiö 1952.) 24

25 5.8 Kustannusarvio Koska hinta-arvioiden laskenta on yrityskohtaista ja salassa pidettävää asiaa, käyn tässä opinnäytetyössä kustannusarvion tekemiseen vaikuttavat asiat läpi hyvin suurpiirteisesti ja yksityiskohtiin menemättä. Projektin kustannusarviossa on otettava huomioon tarvikkeet rahteineen ja työn aiheuttamat kustannukset. Asentajien palkoissa on huomioitava varsinaisen asennustyön lisäksi mm. matka-ajat, mahdolliset erilaiset lisät ja lopullisen asennuksen koestukseen kuluva aika. Asentajien palkkojen lisäksi on huomioitava projektinhoitajan työ. Sosiaaliturvamaksuihin kuuluvat päivä- ja ruokarahat, matkakorvaukset ja majoitus on laskettava arvioon mukaan. Työmaalla tarvittavat telineet ja laitevuokrat on myös arvioitava. Tämän työn osalta asentajien työpäiviä arvioitiin olevan 600. Aren budjettihinnaksi tälle työlle saatiin 550 420 euroa. Tämä summa on vain hinta-arvio, ja kun työ tulee ajankohtaiseksi Nuojuan tehonnoston yhteydessä, urakan tarjoushinta lasketaan tarkemmin uudelleen sen hetken tarvikkeiden ja työn hinnoilla. Aren hinta-arviossa on laskettu mukaan vanhan kiskoston purkutyöt, mutta kiskosto on Fortumin ja Fortum voi myydä vanhan kiskoston. Kuparin hinta vaihtelee paljon ja nopeasti ja tässä työssä vanhan kiskoston arvo on arvioitu 18.3.2009 maailman markkinahinnan mukaan, joka oli romukuparikiskolle 2,5 /kg (Kantojärvi 2009). Kuparin määräksi arvioitiin 2,28 m 3. Tämä saatiin mittaamalla kiskostojen pituudet ja laskemalla tilavuus, kun kiskojen leveys ja paksuus tiedettiin. Kuparikiskon tiheys on noin 8940 kg/m 3. Kiskoston massaksi saadaan 20415,81 kg. 18.3.2009 Fortum olisi siis saanut vanhan kiskoston myymisestä 51039,53.

26 6 YHTEENVETO Nuojualla tulevan tehonnoston yhteydessä halutaan päästä eroon vanhan 10 kv:n kiskoston teknisistä ongelmista sekä parantaa voimalaitoksen turvallisuutta. Kun pitkillä ja mutkaisilla reiteillä tarvitaan suurta kuormitettavuutta ja dynaamista oikosulkukestoisuutta, yksijohdinkaapelit ovat edullinen ratkaisu. Yksijohdinkaapeliyhteyden suunnittelussa on huomioitava tekniset seikat sekä taloudellisuus. Teknisiä seikkoja ovat kuormitettavuus, terminen ja dynaaminen oikosulkukestoisuus, jännitteen alenema ja turvallisuus. Kuormitettavuuteen vaikuttavat asennustapa ja ympäristön lämpötila. Kaapeliyhteyden termiseen oikosulkukestoisuuteen vaikuttavat kaapelin ja sen rakenteiden kestävyys. Dynaamiseen oikosulkukestoisuuteen vaikuttavat kaapeleiden sidontavälit ja kaapelipäätteet.

27 7 POHDINTA Tämän opinnäytetyön tekeminen opetti minulle paljon 10 kv jännitteellä tapahtuvasta suurten virtojen siirrosta. Työn aikana ongelmaksi muodostui tiedon hankinta. 10 kv yksijohdinkaapeliyhteyden suunnittelu oli minulle uutta asiaa. 10 kv:n yksijohdinkaapelijärjestelmistä ja kiskostoista ei löytynyt paljoa kirjallisuutta, varsinkaan sellaista josta olisi ollut apua opinnäytetyön ongelmien ratkaisussa. Tiedon hankinta olikin paljon sähköpostin ja puhelinkeskustelujen varassa alan ammattilaisten kanssa.

28 LÄHTEET ABB. 2000. Teknisiä tietoja ja taulukoita. Yhdeksäs painos. Vaasa: ABB. Elovaara Jarmo & Laiho Yrjö. 2001. Sähkölaitostekniikan perusteet. Neljäs jatkopainos. Helsinki: Tekijä ja Oy Yliopistokustannus/Otatieto. Happo Jarkko. 2009. Puhelinkeskustelut. Are Oy Kantojärvi Sakari. 2009. Puhelinkeskustelu. Utacon. Kivisaari Risto. 2005. Kaapelien oikosulkukestoisuus. Prysmian Cables and Systems Oy. Kivisaari Risto. 2009. Sähköpostikeskustelut. Prysmian. Matero Veikko. 2009. Puhelinkeskustelut. Kempeleen Kojeistotuote Oy. Mekajohtotiet Oy. Tuoteluettelo 2006 2007. Mekajohtotiet Oy. Mikkola Ilkka. 2007. Oulujoen, Emäjoen ja Myllykosken voimalaitosten mallinnus ja oikosulkulaskelmat. Fortum. Mikkola Ilkka. 2009. Puhelin- ja sähköpostikeskustelut. Fortum. Nokia Kaapeli. 1984. 10 ja 20 kv yksijohdinkaapelijärjestelmät. Nokia Kaapeli. Terentjeff Kyösti. 2009. Puhelin- ja sähköpostikeskustelut. Keski-Pohjanmaan Ammattikorkeakoulu.

29 Www-dokumentti. Saatavissa: http://www.fi.prysmian.com/energy/product_info/capacity_aerial.html. Luettu 11.2.2009. Www-dokumentti. Saatavissa: http://www.fi.prysmian.com/export/sites/prysmianfifi/attach/pdf/powercables/ahxcmkwtc1_10_fi.pdf. Luettu 11.2.2009. Www-dokumentti. Saatavissa: http://www.slo.fi/cablesearch.do.

LIITE 1/1

LIITE 1/2

LIITE 1/3

LIITE 2 NUOJUA Jännite (V) Virraksi Siirrettävä muutettuna teho (kva) (A) Kaapeleiden kuormitettav uus (A) Asennus kpl / Max. kerroin vaihe Kaapeli kuormitus (A) 10 500 40000 2199,43 <- OK -> 2607 0,79 4 AHXCMK-WTC 1x800Al / 35Cu 825 ilmassa 65 o C 75,6 Terminen oikosulkuk estoisuus (ka)

LIITE 3