Kabelhåndbogen. AC-kabelanlæg kv. Vi forbinder energi og mennesker

Transkript

1 Kabelhåndbogen AC-kabelanlæg kv Vi forbinder energi og mennesker

2

3 Kabelhåndbogen AC-kabelanlæg på kv Sat op af Simon Dalsgård Svendsen og Unnur Stella Guðmundsdóttir Energinet.dk Tonne Kjærsvej Fredericia December 2013

4 Kabelhåndbogen AC-kabelanlæg på kv Copyright Energinet.dk, 2013 Udskrevet i Danmark af Energinet.dk, Fredericia December 2013, 1. udgivelse ISBN Energinet.dk Eltransmission, Ledninger Tonne Kjærsvej Fredericia

5 Indledning I 2003 blev der udgivet en kabelhåndbog for transmissionskabler i Jylland og på Fyn. Kabelhåndbogen fra 2006 har titlen "150 kv og 400 kv PEX-kabelanlæg" og indeholder en beskrivelse af, hvordan et kabelanlæg etableres, drives og vedligeholdes, hvordan overføringsevnen for et kabelanlæg beregnes, samt en beskrivelse af impedanser for et kabelanlæg. Siden 2006 er der sket en række afgørende ændringer: Energinet.dk er blevet dannet og ejer i dag alle transmissionskabler. Derfor indeholder den nye kabelhåndbog alle kabler fra og med 132 kv til og med 400 kv. I 2009 besluttede Folketingets partier, at alle 132 kv- og 150 kv-transmissionslinjer i Danmark skulle kabellægges inden Energinet.dk blev bedt om at udarbejde en plan for dette, og derfor blev Kabelhandlingsplanen udarbejdet [1]. Ud over kabellægning af 132 kv- og 150 kv-transmissionsnettet blev det besluttet at forskønne 400 kv-transmissionsnettet, hvor seks forskellige 400 kv-strækninger skal kabellægges [2]. Generelt er det blevet mere besværligt at få lov hos myndighederne til at etablere luftledninger. Derfor er der et større behov for kabellægning, end der var før, og efter beslutningen med Kabelhandlingsplanen og Forskønnelsesprojekterne er der et større pres på, at nye transmissionsstrækninger kabellægges. På grund af den øgede fokus på kabler i forhold til luftledninger og på baggrund af beslutningen med, at hele 132 kv- og 150 kv-transmissionsnettet skal kabellægges, blev forskningsprojektet DANPAC (DANish Power system with Ac Cables) igangsat. DANPAC er opdelt i to dele: Systemdelen og Komponentdelen. I Systemdelen undersøges nettet som en helhed, og det analyseres, hvordan et netværk af kabelanlæg skal være, mens kablet og dets tilbehør er i fokus i Komponentdelen. Samtidigt har der været et stort behov for at beskrive og fastsætte ensartet forståelse for, hvad et kabelanlæg skal indeholde, definition af kabelanlægget, dimensionering, installation, drift og vedligehold, samt afvikling af sådan et anlæg. Derfor, som en del af DANPAC-komponentdelen, er Kabelhåndbogen blevet opdateret, hvor forskningsresultater og nye metoder ved nye kabelanlæg er blevet inkluderet. Gruppen, som har stået for den nye Kabelhåndbog, har haft følgende deltagere: Mogens Pedersen Per Berg Jacobsen Jonas Fabricius Nielsen Hans Jørgen Jørgensen Unnur Stella Gudmundsdóttir Simon Dalsgård Svendsen Jakob Kessel Súsanna Pétursdóttir Vestjyske Net FynsNet SEAS-NVE Dansk Energi Energinet.dk Energinet.dk Energinet.dk Energinet.dk Det blev besluttet at fokusere på PEX-kabler, eftersom oliekabler ikke anvendes til AC-nyanlæg længere. Derudover inkluderes søkabler, eftersom der etableres flere havmølleparker med lange PEX AC-kabelstrækninger. Det er valgt ikke at inkludere DC-kabelstrækninger, men disse strækninger er som regel i dag udført af enten PEX- eller MIND-kabler. Der er kun en mindre forskel på DC- og AC-kabler, og dimen-

6 sionering, installation, drift og vedligehold samt afvikling foregår i princippet identisk med det, som i Kabelhåndbogen er beskrevet for PEX AC-kabler. Denne kabelhåndbog har tre formål: Kabelhåndbogen er tænkt som undervisningsmateriale for nyansatte eller andre, som har behov for en dybere forståelse af kablet og dets tilbehør. Kabelhåndbogen skal anvendes ved modtagelse af nye medarbejdere inden for kabeldelen i Energinet.dk, eftersom den giver et overblik over, hvilke metoder der anvendes ved nye kabelanlæg. Kabelhåndbogen er et opslagsmateriale, hvor en kabelspecialist eller ingeniør kan finde oplysninger om forskellige afgrænsede emner angående kabelanlæg. For at opfylde ovenstående formål er Kabelhåndbogen opdelt i nedenstående afsnit: Komponentbeskrivelse. Her er kablet og alle de komponenter, der bruges i et kabelanlæg, beskrevet, samt test og prøver af kabler. Afsnittet indeholder endvidere beskrivelse af kablernes tilbehør, så som muffer, linkbokse, lysledere, spændingstransformere, jordtråde, jordingsanlæg, udstyr til temperaturovervågning m.m. Behovet for og udnyttelsen af udvalgte tilbehør beskrives ydereligere i afsnittene omkring Systemdesign og Drift. Myndighedsbehandling. Her er processen for myndighedsbehandling og arbejdsmiljø beskrevet. Den myndighedsproces, som skal opfyldes for hvert nyt kabelanlæg, er diskuteret, og det er forklaret, hvornår og hvorfor de rigtige tilladelser skal søges. Systemdesign. Her fokuseres der på de tekniske forudsætninger for et kabelanlæg. Hvordan et kabel dimensioneres, og hvilke beregninger der ligger bag hvert nyt kabelanlægsprojekt. Derudover forklares impedanser for et kabel, samt reaktiv effektkompensering og nærføring. Installation. Her forklares metoder og principper for installation af et kabel. Dette dækker både land- og søkabelinstallation. Drift. Her beskrives generel drift af transmissionsnettet. Vedligehold. Generelt vedligehold defineres i dette afsnit, samt at procedurer ved fejl i et kabelsystem diskuteres. Som det sidste i kablets livscyklus forklares ydereligere, hvordan et kabelanlæg skal afvikles. Bilag. Ud over bilagene til overstående afsnit inkluderer det sidste afsnit både normer for kabelanlæg og et eksempel for processen i et 400 kv-kabelanlægsprojekt. Kabelhåndbogen skal være et levende dokument, hvor forudsætninger og metoder skal opdateres. For at simplificere opdateringen af Kabelhåndbogen er det muligt at opdatere kun et af de ovenstående afsnit ad gangen. Hver gang, et afsnit opdateres, skal datoen øverst på siderne i det pågældende afsnit opdateres, og dokumentets historik skal opdateres. Historikken findes i Bilagssektionen bagerst i dokumentet. Kabelhåndbogen er et offentligt tilgængeligt dokument, dog kan der forekomme henvisninger til interne Energinet.dk dokumenter, som ikke er offentligt tilgængelige. Alle eksterne referencer er listet i referencelisten.

7 Indholdsfortegnelse 1 Komponentbeskrivelse Kabelkonstruktion Nominelle spændinger Kabelopbygning Leder Lederskærm og isolationsskærm Isolation Metallisk skærm Kabelkappe og kabelmærkning Kabelarmering (søkabler) Tilbehør Samlemuffer Linkbokse Linkkabler Endeafslutninger Spændingstransformere Parallel jordtråd Jordingsanlæg ved kabelanlæg Temperaturovervågning Kabelprøvning Prækvalifikationstest Typetest Sampletest Rutinetest Deltagelse i kabelafprøvninger Fejl under kabelafprøvning Myndighedsbehandling Projektmodel Overordnede godkendelser og tilladelser Godkendelse efter 4 i Lov om Energinet.dk Planlovens bestemmelser med tilhørende VVM-bekendtgørelse Tilladelse til etablering af et søkabel Rettighedserhvervelse Dispensationer og tilladelser Gravetilladelser LER Magnetfelter Arkæologiske interesser og undersøgelser Arbejdsmiljø Corporate Social Responsibility Politik Systemdesign Dimensioneringsgrundlag Belastningsanalyser Krav til overføringsevne Forudsætninger Ledertemperatur Kappetemperatur Belastningsfaktor Fejlstrømme 3-4

8 3.2.5 Jordtemperatur Nedgravningsdybde Termisk jordresistivitet Layout for kabelsystem Forlægning Skærmkobling Sluttet skærm Åben skærm Krydskobling Blandet skærmkobling Transponering Beregninger af kabeloverføringsevne Nominel belastning Korttidsbelastning Overbelastning/nødbelastning Teknisk optimal løsning Teknisk-økonomisk optimal Dimensionering af havmølleparker Impedanser for kv-ac-kabelanlæg Synkronimpedansen Nulimpedansen Bølgeimpedansen Isolationskoordination Isolationskoordinationsprocessen Reaktiv effektkompensering Behov for reaktiv effektkompensering Spændingsstigning for kabler i tomgang Effektoverføringsforhold for kabler Systemmæssig behov Reaktorer Fasttilkoblet reaktor Kobbelbare reaktorer Variable reaktorer Zero-miss Spændingsspring ved kobling Maksimal størrelse for fasttilkoblede reaktorer Maksimal størrelse for kobbelbare reaktorer Maksimal størrelse for variable reaktorer Reguleringsområde for variable reaktorer Maksimal kabellængde Økonomi og tab Tab i reaktorer Kabeltab Systemtab Nærføring med parallelle kabelsystemer Nærføringsproblematikken Håndtering af nærførte kabelsystemer Nærføring med andre ledende materialer Beregning af inducerede spændinger Hængekøjekurve Foranstaltninger mod for høje inducerede spændinger 3-39

9 4 Installation Landkabelinstallation Arbejdsareal Oplagspladser Åben grav Gravekasse Kontrolleret genopfyldning Kabelgrav Rørlægning Kabeludlægning Udtrækningsudstyr Tromler/dellængder Tromler og tromlevogne Lyslederrør Forlægning af lysleder til temperaturovervågning Placering af parallel jordtråd Muffegrav Grundvand Bortskaffelse af (forurenet) jord Beplantning langs tracé Afdækning og beskyttelse Ledningsregistrering og markering Søkabelinstallation Fastlæggelse af tracé Surveys Forgravning Udlægning og ilandføring Muffearbejde Nedspuling Idriftsættelsesprøvning Kappeprøvning før idriftsættelse Spændingsprøve timers prøve AC spændingsprøve PD-måling Impedansmålinger TDR virgin print Målinger af bølgehastighed Validering af overføringsevne Andre prøver Drift Overføringsevnen i driftsmæssig sammenhæng Kendskab til kablet og dets omgivelser Beregning af referenceoverføringsevne for kabelanlæg Fastlæggelse af forudgående belastning Anvendelse af korttidsbelastningsevnen i driftsmæssig sammenhæng Drive kabler baseret på temperatur Vedligehold Eftersyn af kabeltracé Eftersyn af jordingsanlæg Kappeprøvning af idriftsatte kabelanlæg 6-2

10 6.4 Eftersyn af endemuffer Påfyldning af gasendemuffer i drift Eftersyn af linkbokse Kabelfejltyper og reparationsprocedurer Fejltyper i kabelanlæg Reparationsprocedure for landkabler Reparationsprocedure for søkabler Reparationsprocedurer for nærførte anlæg Reservedele Utilgængelighed og beredskab for transmissionskabelanlæg Utilgængelighed Beredskab for kabelanlæg i transmissionsnettet Afvikling af et kabelanlæg Oliekabler PEX-kabler Kabler i sand Kabler i underboringer Kabler i weakmix Søkabler Skrotning af kabelanlæg Bilag 7-1 A Dokumentets opdatering og historik 7-1 B Normer 7-3 C Anvendte kabelkonstanter 7-5 D Tilladte træer over et højspændingskabel 7-7 D.1 Løvtræarter 7-7 D.2 Nåletræarter 7-8 D.3 Buskarter 7-8 E Kabelkøb 7-9 E.1 Et eksempel på processen i et kabelkøb 400 kv 7-9 E.2 Forprojekt/udviklingsprojekt 7-10 E.3 Gennemførelse af kabeludbud 7-14 E.4 Drift af kabelprojekt 7-15 E.5 Installation land/sø 7-15 E.6 Overdragelse af anlæg til Vedligehold 7-16 E.7 Evaluering og opfølgning 7-16

11 1 Komponentbeskrivelse Afsnittet komponentbeskrivelser giver en grundig beskrivelse af højspændingskablet, som bruges i et AC-kabelanlæg, samt beskrivelse af alle de tilbehørs komponenter, som er en del af det samlede kabelanlæg. Afsnittet omhandler også krav til test og prøver af et kabel og dets tilbehør.

12 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) 1.1 Kabelkonstruktion Dette afsnit handler om kablets opbygning, hvilke materialer der anvendes, samt de vigtigste normer, rekommandationer og afprøvningsstandarder for kabler på 132 kv og op til 400 kv i det danske transmissionsnet Nominelle spændinger Kabler og andre vekselstrømssystemer er opdelt i forskellige spændingsklasser, og for hver klasse er der specificeret forskellige testniveauer, som er de samme for alle kabler i den spændingsklasse. Spændingsniveauerne, der anvendes i det danske transmissionsnet, er listet i Tabel 1-1, og er omhandlet i IEC og IEC Nominel spænding for kabler og tilbehør U 0 [kv] Nominel systemspænding U [kv] Maksimal tilladelig spænding for materiel U m [kv] Tabel 1-1 Nominelle spændingsforhold for elektriske systemer. Disse spændingsniveauer er tilsvarende defineret i netdimensioneringsreglerne, som udgives af Energinet.dk [1-1]. I samme publikation findes også øvre og nedre grænser for driftsspændinger for de forskellige spændinger i det danske transmissionsnet. I de tilfælde, hvor kabler drives ved højere spænding end nominel systemspænding, skal leverandøren informeres allerede i udbuddet, eftersom kablerne ikke bør, ifølge standarderne, drives kontinuert ved maksimalspænding. Transmissionskabler i Danmark er ofte drevet ved, eller tæt ved, maksimalspænding (Um), og i disse tilfælde designes kablet til dette formål Kabelopbygning I Tabel 1-2 listes generelle fysiske egenskaber for forskellige dele af højspændingskabler. Landkablerne deles i tre kolonner efter de overordnede spændingsniveauer i det danske transmissionsnet. For søkabler listes egenskaber kun i tilfælde af, at der er nogen specielle krav ud over dem for landkabler ved samme spænding. Det vil sige, at hvor intet listes for søkabler, gælder det samme som for landkabler ved tilsvarende spænding. 1-2

13 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) Spænding i kv U (U m ) Ledermateriale Ledertype 132/150 kv (145/170) Landkabel 220 kv (245) Aluminium (Al) Kobber (Cu) Massiv Runde tråde/komprimeret Profiltråde Segmenteret/Milliken 400 kv (420) Søkabel Lederskærm Ekstruderet lag af halvledende materiale - Isolation Ekstruderet PEX - Isolationsskærm Ekstruderet lag af halvledende materiale - Metallisk skærm Langsgående vandtætning Kappe Fyld (3-faset søkabel) Al-/Cu-tråde i modspiral mod lederens tråde Foldet Al-laminat til radial vandtæthed (Svejset eller limet, kan erstatte tråde) Kvældbånd under og eller over skærmtrådende Ekstruderet PE, som regel med et ydre halvledende lag, med markering (tekst) Armering (sø) - Yderkappe (sø) - Tabel 1-2 Oversigt af kabelopbygning Oftest: Ekstruderet bly Sjældent: Korrugeret Al eller Cu - - Polypropylene garn, plastprofiler Ståltråde evt. rustfri Cu-tråde Plastiktråde Polypropylene garn, sort med farvet stribe 1-3

14 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) Landkabel Et typisk PEX-højspændingskabel er opbygget af følgende lag: Leder Lederskærm Isolation Isolationsskærm Metalliskskærm Yderkappe Materialerne, der anvendes til de forskellige dele af kablet listes i Tabel 1-2 og er beskrevet i afsnittene Figur kv-landkabel med komprimeret Al-leder og skærm af både Cu-tråde og Al-folie Søkabel Anvendelsen af søkabler i det danske transmissionsnet er steget i forbindelse med øget tilslutning af havmølleparker i de danske farvande. Figur 1-2 (a) 1-faset (a) og 3-faset (b) søkabler. (b) Søkabler er i princippet (for den elektriske del) udført som et landkabel, men hvor metalskærmen uden om kablet oftest er en blykappe, som også fungerer som radial vandtætning og sikrer, at kablet holdes tørt inden for skærmen. Ekstruderet bly er mere korrosionsresistent end aluminium, men kan have en negativ påvirkning på miljøet hvis det ikke håndteres korrekt. Med bare 20-års forventet driftstid kan en radial vandtætning af aluminium og kobbertråd skærm være et billigere alternativ. Dette giver dog et lettere kabel, hvilket kan være en udfordring i forbindelse med nedspuling af kablerne. For søkabler kræves der en armering som mekanisk beskyttelse af kablet under håndteringen ved udlægning samt under drift som beskyttelse mod mindre ankre og fiskeudrustning, på dybere vand 1-4

15 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) end der forekommer i indre danske farvande er den også nødvendig som trækarmering under udlægning. Derudover bør der også anvendes såkaldt marine grade kvældbånd til langsgående vandtætning, da det skal kunne modstå større tryk, samt saltvand. Søkabler, der bliver lagt i stor dybde, udstyres med en beskyttelsesarmering af f.eks. ståltråde og vikling af blandt andet garn og tjære yderst. For 132/150 kv-søkabler på lav dybde kan der nøjes med en ekstra tyk PE-kappe uden om kablet, hvor den mekaniske belastning ikke nødvendigvis er så høj. På grund af normalt forholdsvis lange søkabler (og at kappen normalt holdes våd i saltvand), vil der altid anvendes sluttet skærm. Åben skærm er for lange kabler ikke en reel mulighed på grund af størrelsen på inducerede spændinger i skærmen, som er proportional med længden af kablerne. Søkabler laves enten som 1-lederkabler ligesom landkabler, eller som 3-lederkabler. 3-lederkabler kan i dag leveres på spændinger helt op til 400 kv (Lillebæltskablerne). På grund af begrænsninger i udlægningsfartøjernes lasteevne (vægt/volumen) kan 1-lederkablerne installeres over længere afstande end 3-lederkabler uden brug af offshore samlemuffer, men kræver samtidig tre udlægninger og efterfølgende beskyttelse i havbunden. 1-faset søkabler Ved denne opstilling bruges der tre 1-ledersøkabler i flad forlægning, der danner et 3-faset kabelsystem. De tre kabler har en afstand på minimum ca m for at undgå, at eventuelle skader forårsaget af ankre rammer så få kabler som muligt. En betydelig afstand mellem de enkelte kabler gør også, at risikoen for skade på et kabel minimeres ved beskyttelse af et andet kabel. Disse kabler kan også bruges som strandkabler, det vil sige i områder på land med meget våd jord og som en overgang fra søkabel til landkabel. I enkelte tilfælde kan 1-fasede søkabler uden armering også bruges som strandkabel. Særligt for 1-fasede søkabler er, at for at de skal have rimelig overføringsevne og overkommelige tab, så skal de have en samlet resistans af skærm og armering på ca. samme størrelse som lederen. Derfor anvendes oftest kobberarmering med samme tværsnit som lederen (som grov tommelfingerregel), hvilket dog også bevirker, at dette er en relativt dyr løsning i forhold til 3-fasede søkabler hvilket yderligere fordyres af en mere omfangsrig installationsindsats. En 1-leder løsning vil trods kobberarmering stadig have højere tab end en 3-leder løsning. 3-fasede kabler På grund af blandt andet højere omkostninger for udlægning/nedgravning af søkabler end for landkabler udføres søkabler ofte som et enkelt 3-fasekabel i stedet for tre 1-fasekabler. Figur 1-3 Billede af 3-fasede søkabler. Til venstre: fyldmateriale af plastik, til højre: fyldmateriale af garn. 1-5

16 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) 3-fasekablerne består af tre 1-kabelkorer, hver med ekstruderet blykappe. Imellem kablerne er et fyldmateriale af PP-garn eller af plastprofiler, der sikrer, at kablet bliver rundt, så den fælles armering rundt om hele kablet lægger sig pænt, og så punkttrykket på de enkelt faser jævnes ud. Fordi kablerne ligger i tæt trækant, reduceres skærm- og armeringstabene væsentligt i forhold til tre kabler i flad forlægning. Både søkablerne for Rødsand 1-2 (132 kv), Horns Rev 1-2 (150 kv) Anholt Havmøllepark (220 kv) og Lillebæltskablerne (400 kv) er af denne type. De væsentligste fordele og ulemper ved både 1-fase- og 3-fasesøkabler listes i Tabel leder 3-leder Fordele Større nominel strøm Længere leverancelængder (afhængigt af kabelskib) Færre on site-samlinger Lavere reparationsomkostninger Øget sikkerhed - et fjerde kabel kan senere tilføjes Flere leverandører med erfaring Fordele Øget tyngde Kun en udlægningsomgang Én "trench" i havbunden og dermed billigere installation Balanceret magnetisk felt Lave skærmstrømme Lavere tab Lavere beskyttelsesomkostninger Muligt at integrere fiberkabel Ulemper Ulemper Højere kabel pris Lavere nominel strøm Lettere kabel Kortere leverance længder Tre udlægningsomgange) Flere on site-samlinger Kræver tre "trench" i havbunden Større reparationsomkostninger Højere magnetisk felt Sikkerhed af kabelsystem formindskes Højere skærmstrømme alle tre faser skal repareres efter fejl Højere tab Færre leverandører med erfaring Højere beskyttelsesomkostninger Ikke muligt at integrere fiberkabel Tabel fase- vs. 3-fasesøkabler. Baseret på tabel på side 12 i [1-3] Leder Selve lederen i en kabelkore kan være af forskellig opbygning og materialer. Hver type har forskellige egenskaber som f.eks. vægt, bøjningsradius og overføringsevne, der alle indgår i det endelige valg af leder Materiale Ledermaterialet er altid kobber eller aluminium. Valg af ledermateriale er baseret på flere faktorer, blandt andet behov for overføringsevne, ledermaterialets pris, tab på grund af AC-resistivitet, materialets styrke og vægt osv. Der findes derfor ikke et ensidigt svar på, om kobber eller aluminium altid skal bruges under visse forhold, men det er altid en vurdering ud fra flere parametre og for hvert enkelt kabelprojekt. Kobber er et forholdsvis tungt metal med en massefylde på 8,94 g/cm 3. Dette gør, at for kabler med leder af kobber kan det være vægten, som er begrænsende for leverancelængder. Kobber har også en lav elektrisk resistivitet (0,0175 µω m), hvilket enten resulterer i en større overføringsevne på grund af mindre tab i lederen end i en aluminiumleder af samme størrelse, eller at der anvendes et mindre ledertværsnit med samme tabsgrad end ved brug af en aluminiumleder. 1-6

17 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) En kobberleder anvendes som massiv leder kun op til mm². Prisen på kobber er steget meget de seneste 7-8 år (ref. 2013), og den svinger meget, hvilket gør, at der kan forekomme store ændringer i priser, fra kabeludbud udsendes, og indtil en eventuel aftale indgås. Aluminium har en højere resistivitet end kobber (0,0282 µω m) og derved højere elektrisk tab. På grund af prisforskellen mellem kobber og aluminium er de fleste nye kabler pr installeret med aluminiumleder. Aluminium har endvidere den fordel, at det er meget lettere end kobber med en massefylde på kun 2,70 g/cm 3, og kan derfor bidrage til længere maksimal kabellængde pr. kabeltromle, hvor det er produktionslængden, der er den begrænsende faktor for leverancelængder. En aluminiumleder kan fås som massiv, som i sig selv er langsgående vandtæt op til i hvert tilfælde mm², det er dog ikke alle leverandører, der har massive ledere i deres sortiment Design Kabelledere er i princippet alle opbygget af aluminium- eller kobbertråde, hvor antal, størrelse og form kan variere fra kabel til kabel. Lederne kan inddeles i følgende fire hovedkategorier: Massiv leder, trådleder, profiltrådsleder og segmenteret leder. Massiv leder Oval leder Hul leder Tråd- eller kompakteret leder Profiltrådsleder Hul profiltrådsleder Segmenteret, hul segmenteret eller milliken leder Figur 1-4 Forskellige lederdesigns. Massiv leder er, som navnet antyder, lavet af en enkelt massiv, rund metaltråd. Dette er en enkelt opbygning og er forholdsvis nem at lave. Ulemper ved brug af en massiv leder er, at de er meget stive, især ved tværsnit over mm² for aluminium og 240 mm² for kobber. Desuden er de udsatte for en strømfortrængning (skineffekt), der formindsker kablets overføringsevne og fra magnetfelter fra nærliggende ledere (næreffekt), herunder de andre faser af samme AC-system. 1-7

18 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) Trådleder er lavet af koncentriske lag, af runde tråde, der bliver snoet helisk sammen. Denne konfiguration giver en mere fleksibel leder, der er nemmere at bøje. Da trådene er runde, vil der være hulrum imellem trådene, der formindsker lederens fyldfaktor og gør, at kabellederens yderdiameter for fastholdt kvadrat bliver større, hvilket gør det sværere at gøre kablet vandtæt, da vand vil kunne sive langt ind i kablet via disse hulrum. For at minimere disse hulrum bliver lederen trykket sammen undervejs i produktionsprocessen, og så kaldes det en komprimeret trådleder. En komprimeret trådleder er som massiv leder udsat for strømfortrængning. En trådleder er dyrere at producere end en massiv leder. Profiltrådsleder er en ledertype, hvor trådene ikke er runde, men formet således, at rummet mellem nærtliggende tråde minimeres, derved opnås øget effektivt ledertværsnit. Ved denne type bliver hule ledere til tyndolie kabler mere stabile, da profiltrådene støtter op ad hinanden, og der er mindre risiko for kollaps med isolationen. Denne type er ganske dyr og anvendes hovedsageligt på oliekabler, hvor man vil begrænse oliemængden mest muligt, eller for DC-kabler, hvor kablets diameter er af stor betydning for dets produktionspris. Også produktionsmæssige begrænsninger hos leverandørerne kan gøre, at de foretrækker denne leder. Segmenteret leder (milliken) er en trådleder, hvor lederens tråde er delt op i segmenter (normalt 4-6 segmenter), der isoleres fra hinanden med bånd eller papirvikling. Desuden er hvert segment snoet rundt, og de enkelte lag kan på specielt kobberledere også isoleres med bånd eller papir. Denne konstruktion sikrer, at lederens strømfortrængning og næreffekt minimeres, og overføringsevnen øges for større tværsnit. Disse ledere er selv ved store tværsnit fleksible. Den største ulempe er, at produktionen af disse ledere er en lidt mere kompliceret proces, og de er dermed dyrere at producere end andre ledertyper, hvilket gør, at de ikke anvendes så ofte. Figur 1-5 Segmenteret leder (Milliken). Massiv leder Kompakteret trådleder Profiltrådsleder Fyldfaktor 100 % Ca. 95 % Ca. 98 % <90 % Langsgående vandtæthed 100 % Skal have kvældbånd/ kvældpulver/ tråde Normalt kun i oliekabler Relativ omkostning Lav Middel Høj Høj Segmenteret leder (Milliken) Skal have kvældbånd/ kvældpulver/tråde Strømfortrængning Betydelig Cu:>1000 Betydelig Cu:>1000 Betydelig Cu:>1000 Reduceret for store tværsnit Al: >1600 Al: >1600 Al: >1600 Konstruktion Enkelt Enkelt Kompliceret Meget kompliceret Tabel 1-4 Egenskaber for forskellige ledertyper, baseret på [1-4]. 1-8

19 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) Lederskærm og isolationsskærm Inderst ved selve lederen ligger lederskærmen, et tyndt lag af halvledende polymer, der sørger for at udglatte eventuelle ujævnheder af lederens overflade. Derved opnås en homogen fordeling af det elektriske felt i overgangen mellem leder og PEX-isolation. Yderst, over selve isolationen, ligger isolationsskærmen som et tyndt lag udenom PEX-isolationen. Isolationsskærmen er ligesom lederskærmen lavet af halvledende polymer, som ekstruderes og krydsbindes sammen med isolationen for at sikre en jævn feltfordeling mellem isolation og skærm. Til forskel fra kabler ved lavere spændinger er isolationsskærmen på højspændingskabler altså fast bundet til isolationen og ikke stripbar Isolation HVAC-kabler fremstilles i dag næsten udelukkende med krydsbundet polyethylen (PEX) isolation. På engelsk kaldes denne isolation for XLPE (Cross Linked Polyethylene). Denne type isolation har været brugt i Danmark til elektriske kabler siden slutningen af 1970'erne. Oprindeligt blev PEXkabler kun brugt til 10 kv og 20 kv, men i dag findes PEX-kabler op til 500 kv [1-4]. Fordelen ved brug af PEX-isolation er de lave dielektriske tab i isolationen samt, at omfanget af vedligehold er mindre end f.eks. for olieisolerede kabler. Desuden er PEX-kabler oliefrie, hvilket gør dem mere attraktive ud fra et miljømæssigt synspunkt. HVDC- og søkabler fremstilles stadig med MI-isolation (Mass Impregnated paper), men også på disse områder er PEX blevet brugt på spændinger op til 320 kv. Derfor er der valgt kun at behandle PEX-isolation i dette afsnit PEX-isolation Figur 1-6 PEX-isolerede kabler [1-2]. Isolationen i PEX-kabler ekstruderes på lederen med leder- og isolationsskærmene i én proces kaldet triple ekstrudering. Rundt om lederskærmen findes selve PEX-isoleringen. Krydsbindingen af polyethylen-materialet gør, at det ikke er termoplastisk, hvilket bevirker, at materialet ikke bliver flydende ved opvarmning, og derved kan der tillades en ledertemperatur på 90 C for PEX-kabler ved varig drift og 250 C ved kortslutning. 1-9

20 Komponentbeskrivelse (opdateret september 2013) Under produktionen af PEX-kabler påføres kablet et eksternt tryk, der opretholdes, indtil kablet er tilstrækkeligt afkølet. Dette sikrer, at der ikke dannes hulrum i isolationen, men gør også, at alle biprodukter fra krydsbindingen, f.eks. metangas, fordeles uniformt i isolationen. For at komme af med disse biprodukter skal kablet igennem en afgasningsproces. Dette gøres ved at afgasse kablet, før en eventuel metallisk skærm påføres, i et rum ved høj temperatur, 50 C til 80 C, i nogle dage [1-5]. Selve isolationsmaterialet findes i forskellige kategorier, der beskriver renhedsgraden af materialet. For PEX-producenten Borealis benævnes disse kategorier "superclean standard-grade compound" og "superclean EHV-grade compound" [1-6]. Andre fabrikanter benytter andre kategorier og benævnelser. I grunden er begge materialer af samme sammensætning, men kvalitetssikringen er noget højere ved EHV-materialet. Under produktionen af PEX-materiale sker der en screening hos producenten, der udelukker urenheder større end 100 µm. Når standardmaterialet screenes, tages 0,5 pct. af det færdiglavede materiale ud til inspektion. Ved screening af EHV-materialet tages 2 pct. af det færdiglavede materiale ud til inspektion. Forskellen mellem de to typer er altså ikke nødvendigvis væsentligt, idet f.eks. filtrering af PEX-materialet i forbindelse med ekstruderingen faktisk kan være et mere væsentligt kvalitetssikringstrin. Derudover tilføjes EHV-materialet et tilsætningsstof, der øger gasningen under selve produktionen. PEX-materialet afgasses dog altid efter produktion. Dermed er der ikke stor forskel på gasindholdet i det endelige resultat af forskellige materialer. Der findes ingen regel for, hvilke materialer der skal vælges for bestemte spændinger, men dette er ofte afhængigt af prisforskellen mellem de to materialer og producentens anbefalinger. En forudsætning for at vælge et lavere subjektivt kvalitetsniveau er dog, at alle langtidstests er udført med samme materiale Metallisk skærm Skærmen fungerer både som en mekanisk og en elektrisk beskyttelse af kablet. Skærmens funktioner er: At returnere kablets kapacitive ladestrøm under driftsforhold uden at overstige det tilladelige spændingsfald langs skærmen. At lede fejlstrøm i tilfælde af jordfejl på kablet, indtil kablet frakobles, uden at overstige den maks. tilladelige kortslutningstemperatur for den pågældende kabeltype. At reducere den elektriske indflydelse af kablets omgivelser i tilfælde af f.eks. jordfejl. Mekanisk beskyttelse af isolationen. Skærmen, sammen med kvældbånd/kvældpulver, fungerer også som radial og langsgående vandtæthed af kablet. De første tre punkter, især kablets egenskaber i fejltilfælde, kræver et bestemt minimumstværsnit af skærmen. Her designes skærmen som regel ud fra kortslutningsstrømmen 40 ka i 500 ms. Der anvendes forskellige skærmtyper i højspændingskabler, og disse listes nedenfor. Trådskærm, af aluminium eller kobber, er snoet langs kablet, men yder en begrænset beskyttelse mod mekanisk skade. Trådskærmen bruges som regel sammen med et sammenlimet laminat, normalt af aluminium og PE, der sikrer radial vandtæthed af kablet. 1-10