Ampacity of high voltage cables and analysis of selection of optimal sheath bonding arrangement
Kohtamäki, Markus (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024052436336
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024052436336
Tiivistelmä
High voltage power cable usage has been common practise in transmission and distribution networks for several decades, but its significance has been emphasized in recent years due to the increase in load levels, especially in densely populated areas such as cities, where there is limited space for large overhead lines and visual obstructions need to be minimized.
The thesis delved into the continuous load capacity of high-voltage cables, based on the IEC 60287 series of standards. In addition, the thesis presented special metallic sheath bonding systems and their impact on the load capacity of high voltage power cables and modeled the ampacity rating calculation according to IEC 60287 in Microsoft Excel software.
The manufacturing technology of high voltage power cables has advanced to a point where it is difficult to further increase the ampacity rating with cable structure. Therefore, special attention should be paid to the backfilling materials of cable trenches in order to maintain the soil thermal resistance as low as possible. The use of special filling materials, such as Weak Mix, is recommended in situations where the inherent thermal resistance of the soil is high, or where there are external heat sources near the cable connection that reduce the cable's load capacity.
The thesis questions the current dimensioning calculation methods for high voltage power cables, which are based on 100 % steady-state ampacity rating. The cost-effectiveness of cable connections could potentially be improved by transitioning to dynamic sizing calculations based on the emergency and cyclic ampacity ratings of the high voltage power cable. Suurjännitekaapeleiden käyttö on ollut arkipäivää jo useampien vuosikymmenien ajan siirto- ja jakeluverkoissa, mutta sen merkitys korostuu nykyvuosina kuormitustason nousun takia erityisesti tiheästi asutuilla alueilla, kuten kaupungeissa, koska suurille avojohdoille ei ole tilaa ja mahdolliset visuaaliset haitat halutaan pitää poissa kaupunkiympäristöistä.
Opinnäytetyössä perehdyttiin suurjännitekaapeleiden jatkuvaan kuormitettavuuteen, joka perustuu IEC 60287 standardisarjaan. Tämän lisäksi työssä esitetään kosketussuojan spesiaaleja maadoitusjärjestelmiä ja niiden vaikutusta suurjännitekaapelien kuormitettavuuteen ja mallinnettiin IEC 60287:n mukaisesti kuormitettavuuden laskenta Microsoft Excel ohjelmistoon.
Suurjännitekaapeleiden valmisteknologia on jo kehitetty niin pitkälle, että sillä ei juuri voida enää kasvattaa kaapeleiden kuormitettavuutta. Tästä syystä huomiota tulee erityisestä kiinnittää kaapeliojien täyttömateriaaleihin, jotta maaperän lämpöresistanssi saadaan pidettyä mahdollisimman alhaisena. Spesiaalien täyttömateriaalien, kuten Weak Mixin, käyttö suositellaan tilanteissa, joissa maaperän ominainen lämpöresistanssi on korkea, tai kaapeliyhteyden lähellä on ulkoisia lämmönlähteitä, jotka heikentävät kaapelin kuormitettavuutta.
Diplomityössä kyseenalaistetaan nykyistä suurjännitekaapeleiden mitoituslaskentaa, joka perustuu jatkuvaan kuormitettavuuteen. Kaapeliyhteyksien investointitehokkuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa siirtymällä dynaamiseen mitoituslaskentaan, joka perustuu kaapelin sykliseen kuormitukseen.
The thesis delved into the continuous load capacity of high-voltage cables, based on the IEC 60287 series of standards. In addition, the thesis presented special metallic sheath bonding systems and their impact on the load capacity of high voltage power cables and modeled the ampacity rating calculation according to IEC 60287 in Microsoft Excel software.
The manufacturing technology of high voltage power cables has advanced to a point where it is difficult to further increase the ampacity rating with cable structure. Therefore, special attention should be paid to the backfilling materials of cable trenches in order to maintain the soil thermal resistance as low as possible. The use of special filling materials, such as Weak Mix, is recommended in situations where the inherent thermal resistance of the soil is high, or where there are external heat sources near the cable connection that reduce the cable's load capacity.
The thesis questions the current dimensioning calculation methods for high voltage power cables, which are based on 100 % steady-state ampacity rating. The cost-effectiveness of cable connections could potentially be improved by transitioning to dynamic sizing calculations based on the emergency and cyclic ampacity ratings of the high voltage power cable.
Opinnäytetyössä perehdyttiin suurjännitekaapeleiden jatkuvaan kuormitettavuuteen, joka perustuu IEC 60287 standardisarjaan. Tämän lisäksi työssä esitetään kosketussuojan spesiaaleja maadoitusjärjestelmiä ja niiden vaikutusta suurjännitekaapelien kuormitettavuuteen ja mallinnettiin IEC 60287:n mukaisesti kuormitettavuuden laskenta Microsoft Excel ohjelmistoon.
Suurjännitekaapeleiden valmisteknologia on jo kehitetty niin pitkälle, että sillä ei juuri voida enää kasvattaa kaapeleiden kuormitettavuutta. Tästä syystä huomiota tulee erityisestä kiinnittää kaapeliojien täyttömateriaaleihin, jotta maaperän lämpöresistanssi saadaan pidettyä mahdollisimman alhaisena. Spesiaalien täyttömateriaalien, kuten Weak Mixin, käyttö suositellaan tilanteissa, joissa maaperän ominainen lämpöresistanssi on korkea, tai kaapeliyhteyden lähellä on ulkoisia lämmönlähteitä, jotka heikentävät kaapelin kuormitettavuutta.
Diplomityössä kyseenalaistetaan nykyistä suurjännitekaapeleiden mitoituslaskentaa, joka perustuu jatkuvaan kuormitettavuuteen. Kaapeliyhteyksien investointitehokkuutta voitaisiin mahdollisesti parantaa siirtymällä dynaamiseen mitoituslaskentaan, joka perustuu kaapelin sykliseen kuormitukseen.