33 kV tuulivoimamaakaapeloinnin tutkiminen

33 kV tuulivoimamaakaapeloinnin tutkiminen

Markus Kivisaari

Työn valvoja

Prof. Matti Lehtonen

Työn ohjaaja

DI Tuomo Kouti

Diplomityö Espoo 2021

Sähkötekniikan korkea- koulu

3 Tekijä Markus Kivisaari

Työn nimi 33 kV tuulivoimamaakaapeloinnin tutkiminen Koulutusohjelma Automation and Electrical Engineering

Pääaine Sähköenergiatekniikka Valvoja Prof. Matti Lehtonen Työn ohjaaja DI Tuomo Kouti

Yhteistyötaho Prysmian Group Finland Oy

Päivämäärä 22.4.2021 Sivumäärä 83+3 Kieli ^Suomi Tiivistelmä

Tässä diplomityössä tutkitaan 33 kV keskijännitekaapelien ominaisuuksia tuuli- voimala-asennuksissa. Ominaisuuksille esitetään standardien ja kirjallisuuden mukaisia laskentamenetelmiä ja näiden perusteella havainnollistetaan työssä kä- siteltyjen kaapelityyppien toimintaa tuulivoimakäytössä. Tutkittuja osa-alueita ovat kaapelin asennus, kuormitettavuus, tehohäviöt, lämpenemä käytön aikana, taloudellinen mitoitus ja kosketussuojan jännitteet sekä virrat. Kuormitettavuu- den havainnollistamisen tukena käytetään standardiin IEC 60287 perustuvaa las- kentaohjelmaa.

Jakeluverkoissa yleisesti käytettyjä keskijännitekaapelityyppejä käytetään myös tuulivoimaloissa. Tässä työssä valittiin tutkimuksen kohteeksi kaapelityypit AHXAMK-W, AHXAMK-WP ja AHXCHBMK-W.

Kaapelityyppi, asennustapa ja asennusympäristö vaikuttavat oleellisesti kaape- lin kuormitettavuuteen, tehohäviöihin ja kosketussuojan jännitteisiin sekä kiertä- viin virtoihin. Kaapelia mitoittaessa kannattaa kiinnittää huomiota käytönaikai- siin tehohäviöihin ja johtimen lämpötilaan, jotta tuulivoimalan sähkönsiirto olisi luotettavaa ja taloudellista.

Avainsanat Keskijännitekaapeli, tuulivoimala, kuormitettavuus, tehohäviöt, in- dusoituva virta, kapasitiivinen virta, johdinlämpötila, kaapelin asennus

4 Author Markus Kivisaari

Title of thesis 33 kV wind power underground cable research Programme Automation and Electrical Engineering Major Electrical power and energy Engineering Thesis supervisor Dr Matti Lehtonen

Thesis advisor MSc. Tuomo Kouti

Collaborative partner Prysmian Group Finland Oy

Date 22.4.2021 Pages 83+3 Language ^Finnish Abstract

This thesis studies the properties of medium voltage cables used in wind power park for power transmission. Calculation methods are presented for these proper- ties in accordance with cable standards and literature. Calculated results for cable types discussed in the work are presented. Examined topics include cable installa- tion, current carrying capacity, power losses, heating during operation, economi- cal sizing and both voltages and currents in metallic screens. A calculation soft- ware program based on the IEC 60287 standard is utilized to for presenting re- sults.

Medium voltage cable types commonly used in distribution networks are also used in wind power parks. In this thesis, cable types AHXAMK-W, AHXAMK-WP and AHXCHBMK-W were selected to be studied.

Cable type, installation method and installation environment have a significant effect on the current carrying capacity, power losses, voltages and circulating cur- rents in screens. When selecting cable cross-section, it is worth paying attention to the power losses and the temperature of the conductor during operation, so that the power transmission is reliable and economical for the wind park.

Keywords Medium voltage cable, wind power plant, current carrying capacity, power losses, induced current, capacitive current, conductor temperature, cable installation

5

6

Alkulause

Tämä työ on tehty Prysmian Group Finland Oy:ssä. Työni valvojana on toi- minut professori Matti Lehtonen, jolle esitän parhaimmat kiitokset saamis- tani neuvoista ja ohjeista.

Prysmian Finland Group Oy:ssä minua on neuvonut työni ohjaaja DI Tuomo Kouti, jolle esitän lämpimät kiitokseni.

Pikkalassa 22.04.2021

________________________

Markus Kivisaari

7

Sisältö

Tiivistelmä………. 3

Abstact………. 4

Alkulause……… 6

Sisältö……….. 7

Symbolit ja lyhenteet……….…… 10

1 Johdanto ... 13

2 Tuulivoimala ... 14

2.1 Tuulivoimalan yleiskuvaus... 14

2.2 Tuulivoimalan 30 kV:n kokoojaverkko ... 15

2.3 Liityntäkaapeli ja kytkentä alueverkkoon ... 15

2.4 Tuulivoimala- ja jakeluverkon vertailua ... 16

3 Keskijännitekaapeli ja varusteet ... 18

3.1 Kaapelin osat ...18

3.1.1 Vaihejohdin ...18

3.1.2 Eristys ja puolijohtavat kerrokset ... 19

3.1.3 Kosketussuoja ja ulkovaippa ... 19

3.2 Tuulivoimaloissa käytettyjä kaapelityyppejä ... 20

3.3 Kaapelistandardit ja käyttöjännite ... 21

3.4 Kaapelin ominaisuudet verkon vikatilanteissa ... 22

3.4.1 Mahdolliset vikatilanteet kaapelissa ... 22

3.4.2 Oikosulkuvirran vaikutukset ... 23

3.4.3 Kaapelin terminen oikosulkukestoisuus ... 23

3.5 Kaapelivarusteet: jatkokset ja päätteet ... 24

3.6 Kaapelin toimitus ... 25

3.7 Kaapelin asennus ... 25

4 Kaapeleiden asennuskuviot ja kosketussuojien kytkentätavat ... 27

4.1 Asennuskuviot ... 27

4.2 Kosketussuojien kytkentätavat ... 27

4.2.1 Avoin kosketussuojapiiri ... 28

4.2.2 Suljettu kosketussuojapiiri ... 28

4.2.3 Kosketussuojien vuorottelu ... 29

8

4.3 Yksijohdinkaapeleiden asennustapojen vertailua ... 29

5 Kosketussuojan virrat ja jännitteet ... 33

5.1 Kosketussuojaan indusoituva virta ja jännite ... 33

5.1.1 Indusoituva virta kolmio- ja tasoasennuksessa ... 35

5.1.2 Indusoituvien virtojen laskennallisia arvoja ... 41

5.2 Kapasitiivinen varausvirta ja jännite ... 43

5.2.1 Varausvirta ja -jännite kosketussuojassa ... 43

5.2.2 Virrat ja jännitteet kosketussuojan vuorottelussa ... 47

5.2.3 Varausvirran aiheuttama jännitteennousu johtimessa ... 49

6 Kaapelin lämpeneminen ja kuormitettavuus ... 50

6.1 Yleistä ... 50

6.2 Kaapelin lämpömallinnus ... 51

6.3 Kaapelin tehohäviöt ... 54

6.3.1 Vaihejohtimen resistiiviset tehohäviöt ... 54

6.3.2 Virranahto ... 54

6.3.3 Lähivaikutusilmiö ... 55

6.3.4 Kosketussuojan häviöt ... 56

6.3.5 Dielektriset häviöt ... 56

6.4 Kaapelin lämpeneminen ja kuormitettavuus ...57

6.4.1 Kaapelin kuormitettavuus standardin IEC 60287 mukaisesti .57 6.4.2 Kuormitettavuuden likimääräinen laskenta ...57

6.5 Lämpöaikavakio ... 59

6.6 Vierekkäisten kaapeliyhteyksien lämpövaikutus ... 60

6.7 Asennussyvyys ... 61

6.8 Maaperän lämpöresistiivisyys... 61

6.9 Maaperän lämpötila ... 62

6.10 Kuormitettavuuslaskelmat ... 62

6.11 Lämpötilat kaapelin eri osissa ... 66

6.12 Maaperän kuivuminen ... 67

7 Tuulivoimakäytössä huomioon otettavia asioita ... 71

7.1 Tuulivoimatuotannon vaihtelu ... 71

7.2 Kuormitusvaihtelun vaikutukset kaapeliin ja varusteisiin ... 71

7.2.1 Lämpölaajeneminen ... 71

9

7.2.2 Kaapelivarusteen kosketussuojan maadoitusliitokset ... 72

7.3 Asennuksen toteutus ... 72

7.4 Yliaaltojen vaikutukset ... 73

8 Kaapelin taloudellinen ja tekninen mitoitus ... 75

8.1.1 Yleistä ...75

8.1.2 Taloudellinen ja tekninen mitoitus tuulivoimalakäytössä ...75

9 Yhteenveto ...79

Viittaukset………... 81

Liite 1………. 84

Liite 2……….……… 85

Liite 3……….……… 86

10

Symbolit ja lyhenteet Symbolit

α₂₀ lämpötilakerroin johdinmateriaalille α johtimen lämmönsiirtymiskerroin a johtimen ulkopinnan ala

C kapasitanssi C_t lämpökapasiteetti d asennussyvyys

d_s kosketussuojan ulkohalkaisija d_c johtimen halkaisija

d_i eristyksen sisähalkaisija d_u eristyksen ulkohalkaisija d_e kaapelin ulkohalkaisija ϵ₀ tyhjiön permittiivisyys

ϵr materiaalin suhteellinen permittiivisyys

f taajuus

I vaihejohtimen virta

I_n vaihejohtimen virta n. yliaallolla

I_sekv ekvivalenttinen perustaajuinen kuormitusvirta I₁ perustaajuinen kuormitusvirta

I₁ vaiheen 1 johtimessa kulkeva virta I₂ vaiheen 2 johtimessa kulkeva virta I₃ vaiheen 3 johtimessa kulkeva virta

i_c kapasitiivinen varausvirta pituusyksikköä kohden I_C kapasitiivinen varausvirta

I_ks kosketussuojaan indusoitunut kiertävä virta k kaapelin kuormitettavuuden korjauskerroin k_p lähivaikutusilmiön laskennassa käytetty kerroin L vaihejohtimen induktanssi

L_ks kosketussuojan itseisinduktanssi l kaapelin pituus

λ₁^′ kosketussuojan induktiivisten kiertävien virtojen aiheuttama häviöker- roin

λ₁^′′ kosketussuojan pyörrevirtojen aiheuttama häviökerroin M keskinäisinduktanssi vaihejohtimen ja kosketussuojan välillä M_ij keskinäisinduktanssi johtimen i ja kosketussuojan j välillä μ₀ tyhjiön permeabiliteetti

μ_r materiaalin suhteellinen permeabiliteetti n kuormitettujen johtimien määrä kaapelissa n yliaallon luku

ω kulmataajuus

P₁ perustaajuiset tehohäviöt P_h häviöteho

11 P_j vaihejohtimen tehohäviö P_ks kosketussuojan tehohäviö

ΔP_in yliaaltojen kuormitushäviöiden lisäys r_s kosketussuojan säde

R vaihejohtimen vaihtovirtaresistanssi käyttölämpötilassa R^′ vaihejohtimen tasavirtaresistanssi käyttölämpötilassa R₀ vaihejohtimen tasavirtaresistanssi 20 °C lämpötilassa R_e maadoitusresistanssi

R_ks kosketussuojan vaihtovirtaresistanssi käyttölämpötilassa R_n vaihejohtimen resistanssi n. yliaallolla

R_t lämpöresistanssi

ρ₁ eristyksen lämpöresistiivisyys ρ₃ ulkovaipan lämpöresistiivisyys ρ₄ maaperän lämpöresistiivisyys

s vierekkäisten kaapelien välinen etäisyys Δθ johtimen lämpenemä ympäristöön nähden θ vaihejohtimen lämpötila

θ_e ympäristön lämpötila

Δθ_kp kaapelin k tehohäviön aiheuttama lämpenemä kaapelissa p θ_n^′ vaihejohtimen lopullinen lämpenemä ympäristöön nähden tan δ eristysmateriaalin häviökerroin

t₁ eristyksen paksuus t₃ ulkovaipan paksuus

T₁ vaihejohtimen ja eristyksen välinen lämpöresistanssi T3 ulkovaipan lämpöresistanssi

T₄ kaapelin ulkoinen lämpöresistanssi τ lämpöaikavakio

U₀ nimellinen käyttöjännite vaiheen ja maan välillä U nimellinen käyttöjännite vaiheiden välillä U_m suurin sallittu käyttöjännite

U_ks kosketussuojan jännite

ΔU varausvirran aiheuttama jännitteen nousu johtimessa W_d eristyksen dielektriset häviöt

X_ks vaihejohtimen ja kosketussuojan välinen keskinäisreaktanssi X kaapelin vaihereaktanssi

x kaapelin vaihereaktanssi pituusyksikköä kohden x_p lähivaikutuksen laskennassa käytetty apumuuttuja y_p lähivaikutusta kuvaava tekijä

y_s virranahtoa kuvaava tekijä

12

Lyhenteet

AC vaihtovirta Al alumiini

Cu kupari

DC tasavirta

HD Cenelec Harmonization Document

IEC International Electrotechnical commission SFS Suomen standardisoimisliitto

PE polyeteeni

PEX ristisilloittunut polyeteeni XLPE ristisilloittunut polyeteeni

13

1 Johdanto

Tuulivoiman rakentaminen on voimakkaassa kasvussa, mikä näkyy myös Suomeen suunniteltavien tuulivoimalojen määrässä. Myös yksittäisten tuu- liturbiinien koot ovat kasvaneet tuulivoimalateknologian kehittyessä. Tämä suuntaus asettaa erityisiä vaatimuksia tuulivoimaloiden sähkönsiirtojärjes- telmille.

Tuulivoimala tarvitsee sähkönsiirtoyhteyden turbiinien tuottaman säh- kön siirtämiseksi kantaverkkoon ja sitä kautta loppuasiakkaalle. Usein tuuli- puistoksi kutsutun tuulivoimalan sähköverkko koostuu kahdesta osuudesta:

puiston sisäisestä tuulimyllyjen välisestä kokoojaverkosta sekä tuulipuiston liityntäyhteydestä.

Tuulivoimaloiden yhteydet toteutetaan useimmiten kaapeleilla. Nämä yh- distävät voimalan muuntajan välityksellä 110 kV:n verkkoon. Kaapelit ovat useimmiten keskijännitekaapeleita (20-30 kV), kun taas kantaverkon puo- lella käytetään suurjänniteavojohtoja tai -kaapeleita.

Markkinoilla on tarjolla useita kaapelityyppejä, jotka soveltuvat käytettä- väksi tuulipuistoissa. Monet näistä ovat olleet pitkään käytössä 20 kV jake- luverkoissa, ja niiden mitoittamisesta sekä käytöstä on ehtinyt kertyä run- saasti kokemusta.

Kaapelin käyttö tuulivoimalassa kuitenkin poikkeaa monella tavalla jake- luverkkokäytöstä. Esimerkiksi puiston tuottama teho vaihtelee voimakkaam- min ja nopeammin kuin jakeluverkkojen tyypilliset kuormat. Tämän ja mui- den tuulivoimaloihin liittyvien erityisvaatimusten vuoksi keskijännitekaape- lin toimintaan vaikuttavat ilmiöt on tärkeää ottaa huomioon jo tuulipuistoa suunnitellessa.

Tuulivoimalan kaapeloinnin suunnittelussa kannattaa investointikustan- nusten lisäksi ottaa huomioon myös käytönaikaiset tehohäviöt sekä kaape- lien asennustapa ja asennusympäristön olosuhteet, sillä nämä vaikuttavat oleellisesti kaapelin kuormitettavuuteen. Näistä on kokemusta tavallisissa ja- keluverkoissa, mutta tuulivoimalakäytössä käytännön tietoa on ehtinyt ke- rääntyä vähemmän.

Tässä työssä tutkitaan keskijännitekaapelin ominaisuuksia ja mitoitusta tuulivoimalakäytössä. Ensimmäiseksi työssä esitellään tuulivoimalan kaape- loinnin toteutuksen taustat, yleisesti käytetyt kaapelirakenteet ja niiden asennustavat. Tämän jälkeen tarkastellaan kaapeleiden käytönaikaisia ilmi- öitä, lämpökäyttäytymistä ja näiden vaikutusta kuormitettavuuteen. Lopuksi tarkastellaan kaapelin taloudellista ja teknistä mitoitusta tuulivoimakäy- tössä.

14

2 Tuulivoimala

2.1 Tuulivoimalan yleiskuvaus

Tuulivoimala on sähköntuotantolaitos, joka muuttaa asennuspaikalla vallit- sevien tuuliolosuhteiden ja sopivien teknisten ratkaisujen avulla tuulen ki- neettistä energiaa sähköenergiaksi. Tuulivoimala koostuu sähkön tuottami- seen (turbiini ja generaattori), muokkaamiseen (muuntajat ja tehoelektro- niikka) sekä siirtoon (kaapelointi) tarkoitetuista komponenteista. Näiden li- säksi käytetään erilaisia mittaus-, ohjaus- ja suojalaitteita.

Yleisesti käytetyt tuulivoimalat ovat joko kiinteä- tai muuttuvanopeuksi- sia ja ne jaetaan useampaan alakategoriaan generaattorin tyypin perusteella.

Turbiinin tyyppi vaikuttaa käytettävyyteen, hintaan, huoltotarpeeseen, har- monisten komponenttien suuruuteen sekä vikasuojauksen vaatimuksiin [1].

Tuulivoimalan periaate on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1. Tuulivoimalan kokoojaverkon periaate, viitettä [2] mukaillen.

Tuulivoimaloita rakennetaan sekä maalle (onshore) että merelle (offshore).

Merellä tuuliolosuhteet voivat olla suotuisammat ja turbiinit eivät vie tilaa muuhun käyttöön sopivalta maa-alalta, mutta merelle rakentaminen on kal- liimpaa ja etenkin liittymiskustannukset alueverkkoon kasvavat rannikosta etäällä sijaitsevissa kohteissa. Suurin osa Suomeen suunnitelluista tuulivoi- maloista sijoittuu maalle rannikon tuntumaan [3]. Tuuliolosuhteet ovat riit- tävät sähkön tuotantoon myös sisämaassa, etenkin kun rakennetaan korke- ampia ja suurempia tuuliturbiineja.

Tuulivoimala kytketään valtakunnalliseen siirtoverkkoon, jotta sen tuot- tama sähkö saadaan toimitettua kuluttajille. Tuulivoimageneraattorit kytke- tään ensin omaan jakeluverkkoon puiston sisällä ja tämä verkko yhdistetään liityntäkaapelilla jakelu- tai siirtoverkkoyhtiön muuntoasemalle. Tarvittavan kaapeloinnin jännitetaso riippuu puiston tuottamasta tehosta, Suomessa käytetään tyypillisesti keskijännitettä [4]. Maalla sijaitsevan puiston sisäiset

15

yhteydet sekä usein myös liityntäyhteys toteutetaan maakaapelointina. Me- rellä sijaitseva tuulipuisto vaatii yleensä armeeratun vesistökaapelin.

2.2 Tuulivoimalan 30 kV:n kokoojaverkko

Tuulivoimalan kokoojaverkossa käytetään tyypillisesti maakaapeleita, sillä ilmajohdot ovat alttiimpia sääolosuhteista aiheutuville vikatilanteille ja nii- den asentaminen vaatii enemmän avointa tilaa. Maakaapeli on kalliimpi val- mistaa ja asentaa kuin avojohto, mutta vastineeksi sillä voidaan saavuttaa merkittäviä etuja maankäytössä, käyttövarmuudessa sekä ylläpitokustan- nuksissa. Esimerkiksi avojohtoreittien varrella olevan kasvusto vaatii sään- nöllistä raivaamista, jotta puiden kaatumiset myrskyllä, oksien putoamiset sekä tykkylumen taivuttamat puut eivät aiheuta keskeytyksiä sähkönsiirtoon.

Tuulivoimalan sisäinen kaapeliverkko toteutetaan säteittäin tai rengas- maisesti [5]. Rengasmainen toteutus tunnetaan myös termillä silmukoitu verkko. Säteittäisessä verkossa turbiinien välinen kaapelointi muodostaa joukon yksittäisiä haaroja, jotka yhdistyvät kokoojapisteessä. Suuret puistot voivat koostua useasta monen tuulimyllyn haarasta. Rengasmaisessa ver- kossa kaksi tai useammat haarat yhdistyvät kokoojapisteen lisäksi myös lop- pupäistään. Tämä mahdollistaa sähkönsyötön yksittäisestä turbiinista haa- ran molempiin suuntiin. Puistoissa käytetään useimmiten säteittäistä verk- koa kustannusten minimoimiseksi.

Optimaalinen reititys puiston sisäiselle kokoojaverkolle riippuu tuulitur- biinien sijoittelusta sekä asennuspaikan maastosta. Käytäntönä on sijoittaa turbiinit huoltoteiden varsille, jotta pystyttäminen olisi helpompaa ja kor- jaustoimenpiteet onnistuvat pienimmällä mahdollisella viiveellä. Tarvittavat tiet ja huoltoreitit rakennetaan puistohankkeen ohessa. Turbiinien väliset kaapeliyhteydet sijoitetaan pääsääntöisesti huoltoteiden vierustoille. Tämä helpottaa kaapelin asennusta, jossa voidaan tarvita raskaita työkoneita kaa- peliojan kaivamiseen sekä kaapelikelojen käsittelyyn.

2.3 Liityntäkaapeli ja kytkentä alueverkkoon

Tuulivoimalan keskijänniteverkko kytkee tuuliturbiinit yhdeksi kokonaisuu- deksi, joka yhdistetään liityntäkaapelilla sähköverkkoon. Liityntäkaapeli on yleensä puiston pisin yksittäinen kaapeliyhteys, tyypillisesti 5-20 km. Liityn- täkaapelin pituus riippuu tuulipuiston ja alueverkon liityntäpisteen sijain- nista sekä asennusreitistä. Pitkillä yhteyksillä liityntäkaapeli voi tarvita useita jatkoksia. Liityntäkaapelilla siirretään kaikkien tuuliturbiinien tuot- tama sähköenergia alueverkon muuntoasemalle, eli tuulivoimalan koolla on merkittävä vaikutus liityntäkaapelin valintaan.

Liityntäkaapelin johdinkoko on suurempi kuin tuulivoimaloiden välisessä kaapeloinnissa, koska sillä siirretään koko puiston tuottama sähköteho.

16

Kuormitettavuus on tärkein tekijä liityntäkaapelin rakennetta, kokoa ja asen- nustapaa päätettäessä.

Sähköntuotantolaitoksen liittämiselle kantaverkkoon on asetettu vaati- muksia verkon stabiiliuden takaamiseksi. Vaatimukset koskevat liittymista- paa 110 kV, 220 kV tai 400 kV siirtoverkkoihin sekä liitettävän laitoksen toi- mintaa normaalissa tilassa sekä vikatilanteissa. Suomen kantaverkkoyhtiö Fingrid esittää erilliset vaatimukset tuulivoimaloiden liittämiseksi verkkoon [6].

2.4 Tuulivoimala- ja jakeluverkon vertailua

Tuulivoimaverkon vaatimukset ovat verrattavissa monessa suhteessa keski- jännitejakeluverkkoihin. Molemmissa verkoissa käytetään samantyyppisiä kaapelirakenteita, mutta esimerkiksi verkkojen laajuudet sekä suunnitellut käyttöajat poikkeavat. Lisäksi tuulivoimalaverkossa esiintyy käytön aikana suurempia kuormituksen vaihteluita, mikä vaikuttaa sekä kaapelien että kaa- pelivarusteiden toimintaan. Tuulivoimalan ja jakeluverkon eroja on esitetty taulukossa 1.

17

Taulukko 1. Tuulivoimala- ja jakeluverkon vertailua viitettä [7] mukaillen.

Jakeluverkko Tuulivoimalaverkko

Käyttöaika vähintään 30-40 vuotta (jopa

yli 50-60 vuotta). Käyttöaika tyypillisesti 20-25 vuotta.

Kolmijohdinkaapelit 50-300 mm² 20 kV. Tuulivoimala-alueella kolmijohdin- kaapelit 50-300 mm² 20-30 kV, li- säksi tuulivoimalaitoksen liityntäkaa- pelina yksijohdinkaapelit 400-800 mm² 20-30 kV.

0,5-2 km etäisyydet 20/0,4 kV muuntajien välillä (= kaapeleiden kosketussuojien maadoituspisteiden välinen etäisyys), haja-asutusalueella etäisyys voi olla jopa useita kymmeniä kilometrejä.

0,5-2 km etäisyydet tuulivoima- generaattoreiden välillä, liityntäkaa- pelin pituus voi olla 5-20 km.

Suhteellisen tasainen ja pienehkö kuormi- tus, normaalisti noin 5-20 % kaapelin ni- mellisestä kuormitettavuudesta (= käytön- aikaiset teho- ja jännitehäviöt määräävin tekijä).

Kuormitus voi vaihdella nopeasti 0- 100 % välillä. Suurin kuormitusvirta voi olla noin 50-90 % kaapelin nimel- lisestä kuormitettavuudesta.

Suurin kuormitustilanne (noin 30-70 % ni- mellisestä) syntyy talvella tammi-helmi- kuun pakkasilla, jolloin maaperä on vii- leimmillään, kuormitustilanne voi kestää useita viikkoja.

Suurin kuormitusvirta sopivalla tuu- lella (tyypillisesti >8-12 m/min), voi kestää vuorokausia, kuormitusvirta on riippumaton sähkön kokonaisku- lutuksesta.

Kaapeleiden kosketussuojapiiri on sul- jettu: kosketussuojissa kiertävä virta on noin 1-10 A.

Kosketussuojapiiri on suljettu: kier- tävä virta on noin 15-30 A, liityntä- kaapelissa jopa 50-100 A.

Kolmi- ja kaksivaiheiset vikavirrat ovat suurimmillaan 110/20 kV muuntoaseman lähellä 12-15 kA, kaksoismaasulkuvirta voi olla jopa 10-12 kA.

Kolmi- ja kaksivaiheiset oikosulkuvir- rat riippuvat generaattoreiden luku- määrästä ja tyypistä, mutta yleensä ne ovat alle 5-10 kA

Maasulusta voi tulla pelkkä hälytys, mikä mahdollistaa kytkentätoimenpiteet valvo- mosta (standardin SFS 6001 sallima me- nettely), oikosulut laukaistaan yleensä 0,3-0,5 sekunnissa.

Kaikki viat on laukaistava määrä- tyssä ajassa (Fingridin vaatimukset [6]).

18

3 Keskijännitekaapeli ja varusteet 3.1 Kaapelin osat

Keskijännitekaapeleilla voidaan siirtää sähkötehoa lyhyillä ja keskipitkillä etäisyyksillä. Keskijännitekaapelijärjestelmässä voidaan tarpeen mukaan käyttää kolmi- tai yksijohdinkaapeleita, joista ensin mainitut ovat yleisiä ko- koluokassa 50-300 mm² ja jälkimmäiset 500-1000 mm². Keskijännitekaa- pelin osat on esitetty kuvassa 2.

1 Vaihejohdin 5 Paisuva nauha

2 Johdinsuoja 6 Kosketussuoja (Al-laminaatti)

3 Eristys 7 Ulkovaippa

4 Hohtosuoja

Kuva 2. Yksijohtimisen keskijännitekaapelin rakenneperiaate [8].

3.1.1 Vaihejohdin

Vaihejohdin on kaapelin sisimmäinen osa ja se valmistetaan yleensä alumii- nista hyvän johtavuuden, keveyden ja edullisuuden vuoksi. Johtimen poikki- pinta-ala eli koko vaikuttaa oleellisesti resistanssiin ja kaapelin käytönaikai- siin tehohäviöihin.

Keskijännitekaapeleissa käytetään pyöreitä, kerrattuja ja tiivistettyjä joh- timia. Tällainen johdin valmistetaan kertaamalla useita alumiinilankoja päällekkäisiin kerroksiin keskilangan ympärille ja tiivistämällä kerrokset.

Johdinmateriaalien resistiivisyyksiä ja resistiivisyyden lämpötilakertoimia on taulukoitu liitteessä 3. Johtimen poikkileikkaus on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3: Pyöreä, kerrattu ja tiivistetty alumiinijohdin [8].

19

Johdin tehdään pituussuuntaan vesitiiviiksi lisäämällä johdinlankojen väliin veden vaikutuksesta paisuvaa materiaalia. Jos vesi pääsee johtimeen esimer- kiksi kaapelin katkeamisen vuoksi, paisuva materiaali sitoo sen eikä vesi pääse etenemään pitkittäissuuntaisesti pitkälle. Johtimen koko vaikuttaa kaapelin suurimpaan sallittuun kuormitusvirtaan. Johdinkokoa kasvatta- malla voidaan lisätä kaapelin kuormitettavuutta.

3.1.2 Eristys ja puolijohtavat kerrokset

Eristyksen tehtävänä on erottaa kaapelin jännitteinen osa (johdin) maapo- tentiaalista (kosketussuoja/metallivaippa). Keskijännitekaapeleissa yleisim- min käytetty eristysmateriaali on ristisilloitettu polyeteenimuovi PEX (eng- lanniksi XLPE). PEX-eristyksen valmistusprosessissa polyeteenimolekyyli- ketjut ristisilloittuvat katalyytin, esimerkiksi peroksidin avulla, mikä paran- taa eristyksen lämmönkestävyyttä. Eristyksen lämmönkestävyys rajoittaa kuinka suuressa lämpötilassa johdin saa olla käytön aikana.

Kaapelin luotettavan toiminnan kannalta eristyksen tasainen laatu on tär- keää. Eristysvika johtaa läpilyöntiin joko lyhyellä tai pitkällä aikavälillä riip- puen vian syntymekanismista ja vakavuudesta. Läpilyönnin tapahduttua kaapelia ei voi käyttää ennen kuin vikapaikka paikallistetaan ja korjataan.

Kaapelin eristyspaksuus riippuu käyttöjännitteestä ja kaapelin mitoitusstan- dardista.

Eristyksen sisä- ja ulkopinnassa käytetään puolijohtavaa materiaalia ta- saamaan sähkökenttää. Eristyksen ja johtimen välissä on johdinsuoja sekä eristyksen ja kosketussuojan välissä on hohtosuoja. Ilman puolijohtavia ker- roksia sähkökentän jakautuminen etenkin johtimen pinnassa olisi huomat- tavasti epätasaisempi, mikä nostaisi kentänvoimakkuutta ja siten rasittaisi eristystä enemmän.

3.1.3 Kosketussuoja ja ulkovaippa

Kosketussuoja muodostaa maadoitetun sähköisen suojan kaapelille ja se val- mistetaan metallista, tyypillisesti alumiinista. Sen ansiosta varaus- ja vika- virroille on hallittu kulkureitti ja se myös suojaa eristystä mekaanisesti asen- nuksen ja käytön aikana. Lisäksi sopivalla kosketussuojarakenteella, esimer- kiksi alumiinilaminaatilla voidaan muodostaa poikittaisesti vesitiivis kerros, joka estää maaperän kosteuden tunkeutumisen vaipan läpi eristykseen. Kos- ketussuoja tehdään pituussuuntaan vesitiiviiksi puolijohtavan paisuvan nau- han avulla. Kosketussuojassa voidaan käyttää myös kuparilankoja, jotka kierretään hohtosuojan päälle. Tällaisella kosketussuojarakenteella on pie- nempi resistanssi ja parempi vikavirtakestoisuus kuin pelkällä alumiinila- minaatilla.

20

Ulkovaippa valmistetaan säänkestävästä polyeteenimuovista (PE), ja se suo- jaa kaapelin sisäosia mekaanisesti asennuksen ja sähköisesti käytön aikana.

Käytön aikana muovivaippa altistuu monelle rasitukselle, kuten kaapelin ja ympäristön lämpötilan vaihteluille.

Kaapelin vesitiiveydellä on suuri merkitys pitkäaikaisessa käytössä. Kaa- peli voidaan suunnitella vesitiiviiksi sekä pituus- että poikittaissuunnassa.

Poikittaissuuntainen vesitiiveys estää ympäristön kosteuden pääsyn kaape- lin eristykseen. Pituussuuntainen tiiveys estää veden leviämisen johtimessa tai kosketussuojassa, jos kaapeli sattuisi vaurioitumaan asennuksen tai käy- tön aikana.

3.2 Tuulivoimaloissa käytettyjä kaapelityyppejä

Tuulivoimaloissa voidaan käyttää yleisiä jakeluverkon keskijännitekaapeli- tyyppejä AHXAMK-W ja AHXAMK-WP. Tarvittaessa kaapelin kosketussuo- jassa voidaan käyttää myös kuparilankojen ja alumiinilaminaatin yhdistel- mää, eli kaapelityyppiä AHXCHBMK-W. Näiden kaapeleiden perustietoja on taulukoitu liitteessä 1.

AHXAMK-W

Kuva 4: Keskusköydellä varustettu kolmijohdinkaapeli AHXAMK-W [9].

AHXAMK-W on Suomessa yleisesti käytössä oleva keskijännitekaapeli ja tätä kaapelityyppiä on käytetty jakeluverkkoasennuksissa jo vuodesta 1987.

AHXAMK-W on saatavilla yksi- tai kolmijohdinkaapelina. Kolmivaihekaape- lissa on kuparinen keskusköysi, jonka ympärille vaiheet on kerrattu. Keskus- köysi on kaapelin rakenteellinen osa ja sen tehtävänä on parantaa vikavirta- kestoisuutta. Myös kaapelin kosketussuoja (alumiinilaminaatti) toimii vika- virran kulkutienä, mutta pääosa vikavirrasta kulkee keskusköydessä.

AHXAMK-WP

Kuva 5: Kolmijohdinkaapeli AHXAMK-WP [10].

21

AHXAMK-WP -kaapelissa ei ole kuparista keskusköyttä kuten AHXAMK- W:ssä, joten kaapeli on hankintakustannuksiltaan edullisempi. Toisaalta kaapelin vikavirtakestoisuus on pienempi, mikä on kuitenkin osoittautunut riittäväksi esimerkiksi haja-asutusalueen jakeluverkoissa.

AHXCHBMK-W

Kuva 6: Yksijohdinkaapeli AHXCHBMK-W [11].

AHXCHBMK-W-kaapelissa kosketussuoja muodostuu kuparilangoista ja alumiinilaminaatista. Tämän vuoksi kosketussuojan vikavirtakestoisuus on parempi kuin kahdella edellisellä kaapelityypillä.

3.3 Kaapelistandardit ja käyttöjännite

30 kV:n AHXAMK-W-, AHXAMK-WP- ja AHXCHBMK-W-kaapelit mitoite- taan, valmistetaan ja testataan standardien SFS 5636 [12], HD 620 10-F [13]

ja IEC 60502-2 [14] mukaisesti. 30 kV käyttöjännite on määritelty standar- dien mukaan seuraavasti:

U0/U (Um) = 18/30 (36) kV

jossa Uo = nimellinen jännite vaihejohtimen ja maan välillä U = nimellinen jännite vaiheiden välillä

Um = suurin sallittu jatkuva jännite vaiheiden välillä.

Kaapelin tyyppinimessä käytetään jännitteelle standardin mukaista merkin- tää 18/30 kV, mutta kaapelia voidaan käyttää myös 19/33 kV tai 21/36 kV käyttöjännitteellä. Suomessa on käytetty laajasti 20 kV käyttöjännitettä jake- luverkoissa sekä pienemmissä tuulivoimaloissa. Tuulivoimaloiden koon kasvu on lisännyt 33 kV jännitetason käyttöä. Joissakin eurooppalaisissa tuulivoimaloissa on alettu käyttää jo 66 kV jännitetasoa, jonka kannattavuus paranee turbiinikoon kasvaessa [15].

Jokaiselle kaapelipituudelle tehdään valmistuksen aikana rutiinikoestuk- sia (routine test) ja näytekokeita (sample test). Kaapeleille tehtävät koestuk- set jaetaan sähköisiin ja materiaalitesteihin sekä materiaalikerrosten

22

paksuusmittauksiin. Sähköisillä testeillä todetaan eristyksen tai muovivai- pan eheys sekä mitataan johtimen ja kosketussuojan resistanssit. Kerrospak- suuksien mittauksilla varmistetaan, että eristyksen ja muovivaipan minimi- paksuudet täyttävät standardien vaatimukset. Materiaalitesteillä mitataan muun muassa muovien lämpömekaanisia ominaisuuksia. [12]

3.4 Kaapelin ominaisuudet verkon vikatilanteissa

3.4.1 Mahdolliset vikatilanteet kaapelissa

Tuulivoimaverkossa voi esiintyä vikatilanteita, jotka voivat johtaa oiko- tai maasulkuun kaapelissa tai kaapelivarusteissa. Vikoja voi ilmetä useampi sa- maan aikaan tai peräkkäin, esimerkiksi useamman vaiheen oikosulku tai kaksoismaasulku. Oikosulussa vaiheiden virtapiirit sulkeutuvat vikaimpe- danssin tai valokaaren kautta, esimerkiksi eristysvian seurauksena [2]. Myös johdinkatkeama on mahdollinen vikatilanne, mutta se poikkeaa edellisistä vikatilanteista esimerkiksi vikavirran kulkureitin kannalta. AHXAMK-W- kaapelissa tapahtuvaa maasulkua on havainnollistettu kuvassa 7 ja kaksois- maasulkua kuvassa 8.

Kuva 7. Maasulku AHXAMK-W-kaapelissa, viitettä [16] mukaillen.

Kuva 8. Kaksoismaasulku AHXAMK-W-kaapelissa, viitettä [16] mukaillen.

23

Kaksoismaasulku voi syntyä esimerkiksi, kun yksivaiheisen maasulun ai- heuttama jännitteen nousu aiheuttaa toisen vaiheen kaapelipäätteessä uu- den läpilyönnin. Kaksoismaasulussa vikavirta kulkee kahdessa vaihejohti- messa ja kiertää maadoitettujen osien kautta, eli palaa pääosin keskusköyttä (AHXAMK-W) tai yhtä kosketussuojaa pitkin (AHAXMK-WP, AHXCHBMK- W). Vikavirta on suurimmillaan, kun molemmat viat sijaitsevat verkon syöt- töpään lähellä, koska tällöin vikavirtapiirin muodostama impedanssi on pie- nin.

Suuren vikavirran vuoksi kaksoismaasulku on kytkettävä nopeasti pois päältä, yleensä alle 1 sekunnissa. Standardi SFS 6001 [17] vaatii kaikkien mahdollisten vikatapausten suojaustarkastelut kaksoismaasulku mukaan lu- kien.

3.4.2 Oikosulkuvirran vaikutukset

Oikosulkuvirran vaikutuksesta kaapelin lämpötila nousee. Lisäksi vikavirran vaikutuksesta vaiheiden välille syntyy sähkömagneettisia voimia, jotka rasit- tavat kaapelia mekaanisesti. Kaapelille sallittuun oikosulkuvirtaan vaikutta- vat muun muassa seuraavat tekijät [16] [18]:

• johtimien eristyksen ja mahdollisten metallisuojien lämpeneminen

• sähködynaamisten voimien vaikutukset

• lämpölaajenemisen voimavaikutukset

• kaapelin ympäristön aiheuttamat rajoitukset eräissä tapauksissa

• jälleenkytkennän vaikutukset.

Koko kaapelijärjestelmän oikosulkukestoisuuden kannalta on myös tärkeää ottaa huomioon jatkosten ja päätteiden kestoisuudet, sillä nämä voivat poi- keta kaapelin arvosta. Usein kaapelivarusteet kestävät alhaisempaa oikosul- kuvirtaa kuin itse kaapeli [16] [18].

Tuulivoimageneraattorin syöttämän vikavirran suuruus riippuu tuulivoi- malan tyypistä ja vian luonteesta [2]. Vikavirta kulkee kaapelijärjestelmässä joko vaihejohtimessa, kosketussuojassa, keskusköydessä tai näissä kaikissa.

Virran jakautuminen riippuu vian tyypistä, sijainnista ja kaapelijärjestelmän rakenteesta.

3.4.3 Kaapelin terminen oikosulkukestoisuus

Oikosulun aikana johtimen lämpötila ei saa nousta niin suureksi, että eristys menettäisi olennaisesti mekaanista ja sähköistä lujuuttaan. Eristyksen lisäksi myöskään kosketussuoja ja muovivaippa eivät saa vaurioitua oikosulun seu- rauksena. Kaapeleille sallituilla oikosulkuvirralla tarkoitetaan yleensä sitä

24

virtaa, joka nostaa johtimen lämpötilan yhden sekunnin aikana normaalikäy- tön lämpötilasta suurimpaan sallittuun loppulämpötilaan [16]. Tässä työssä käsiteltyjen kaapelityyppien termiset oikosulkuvirrat on esitetty taulukoissa 2, 3 ja 4 [12] [9] [11] [10].

Taulukoiden 2, 3 ja 4 arvot perustuvat seuraaviin alkuoletuksiin:

• alkutilanne ennen oikosulkua: vaihejohdin 65 °C, kosketussuoja 60

°C, keskusköysi 55°C

• lopputilanne oikosulun jälkeen: vaihejohdin 250 °C, kosketussuoja 250 °C, keskusköysi 200 °C.

Taulukko 2. Terminen 1 s oikosulkukestoisuus AHXAMK-W 30 kV-kaapeleilla (kA).

Rakenneosa AHXAMK-W

3x95+35 3x150+35 3x240+35 1x630 1x800 1x1000

Vaihejohdin 8,9 14,1 22,6 59,5 75,6 94,5

Kosketussuoja 3,5 3,9 4,3 5,7 6,4 6,7

Keskusköysi 5,0 5,0 5,0 - - -

Taulukko 3. Terminen 1 s oikosulkukestoisuus 30 kV AHXAMK-WP-kaapeleilla (kA).

Rakenneosa AHXAMK-WP

3x95 3x150 3x240

Vaihejohdin 8,9 14,1 22,6

Kosketussuoja 3,5 3,9 4,3

Taulukko 4. Terminen 1 s oikosulkukestoisuus 30 kV AHXCHBMK-W-kaapeleilla (kA). Kosketussuojan arvot on laskettu standardin IEC 60949 mukaisesti [19].

Rakenneosa AHXCHBMK-W

1x630/35 1x800/35 1x1000/35

Vaihejohdin 59,5 75,6 94,5

Kosketussuoja 10,0 10,4 10,8

AHXCHBMK-W:n kosketussuojan terminen oikosulkukestoisuus on suurin kuparilankakerroksen ansiosta.

3.5 Kaapelivarusteet: jatkokset ja päätteet

Kaapelijatkoksella liitetään kaksi kaapelia yhteen ja yhteyden päissä käyte- tään päätteitä kaapelin liittämiseksi keskijännitekoneistoon. Pitkillä yhteyk- sillä voidaan tarvita monta jatkosta, sillä kaapeleiden toimituspituudet ovat rajoitettu asennuspaikalla käsiteltävissä olevan kelakoon mukaan.

Käytön aikana kaapelijatkokset ja -päätteet altistuvat samalle kuormituk- selle kuin itse kaapelikin. Jatkokset ja päätteet asennetaan käsityönä, johon kuuluu esimerkiksi liitettävien kaapelien kerrosten purkamista ja mekaa- nista käsittelyä. Kaapelivarusteiden asentaminen vaatii ammattitaitoa ja huolellisuutta, jotta ne kestävät käytön aikana.

25

3.6 Kaapelin toimitus

Maakaapelit toimitetaan asennuspaikalle keloilla. Kaapelin ja kelan koko vai- kuttavat toimituspituuteen. Toimituskelan koko ja paino puolestaan vaikut- tavat sekä kuljetuksen että asennuksen toteutukseen. Keskijännitekaapelit toimitetaan tyypillisesti vakiokokoisilla puukeloilla ja erikoispituudet tarvit- taessa myös teräskeloilla. Kaapelit voidaan toimittaa kolmi- tai yksivaihei- sina. Niiden asennus ja jatkosten määrä poikkeavat jonkin verran toisistaan.

Yksivaihekaapeleita voidaan toimittaa hyvinkin suurina pituuksina, jolloin tarvitaan vähemmän kaapelijatkoksia.

3.7 Kaapelin asennus

Keskijännitekaapelit asennetaan kaapeliojaan, yleensä noin 0,7-1 metrin sy- vyyteen. Asennus voidaan toteuttaa auraamalla tai kaivamalla. Aurauksessa kaapeli asennetaan yhtenä työvaiheena, eli aura tekee ojan, kaapeli ohjautuu ojaan ja peittyy täyttömaan alle samanaikaisesti. Kaivaminen toteutetaan useammassa työvaiheessa: Ensin kaivetaan oja, alle laitetaan pohjahiekka, lasketaan kaapeli(t), laitetaan suojatäyttö päälle ja lopuksi oja täytetään kai- vuumaalla. Auraaminen on kaivamista edullisempi ja nopeampi vaihtoehto tasaisissa asennusolosuhteissa, kuten pelloilla. Kaapeliojat on havainnollis- tettu kuvassa 9.

Kuva 9. Aurattu ja kaivettu kaapelioja [20].

Yhteen kaapeliojaan voidaan asentaa useampi kaapeliyhteys. Yksivaihekaa- pelit asennetaan ojaan joko kolmioon tai tasoon, jossa vaiheiden väliset etäi- syydet voidaan valita käyttötarkoitukseen sopivaksi. Asennussyvyyttä suun- nitellessa on huomioitava muu toiminta kaapelireitin pinnalla tai sen

26

läheisyydessä. Esimerkiksi peltojen läpi kulkevat kaapelireitit on asennettava tarpeeksi syvälle, jotta maanmuokkaus ei aiheuta vahinkoa.

Kaapelioja voidaan pohjustaa tarkoitukseen sopivalla maa-aineksella, jos suunnitellun reitin maaperä ei ole tarpeeksi hienojakoista tai tasalaatuista.

Ojan pohjaa ympäröivä maa-aines ei saa sisältää kiviä, jotta kaapelin ulko- vaippa ei vaurioidu käytön aikana. Kaapelin ympäristöstä johtuvien lämpö- tilamuutosten seurauksena suojatäyttömaassa tai pohjustuksessa olevat ki- vet pääsevät liikkumaan ja voivat siten hankautua vaippaa vasten. Kaape- liojan suojatäyttömaa ja pohjustus vaikuttavat myös siihen, kuinka tehok- kaasti kaapelin tuottama lämpö siirtyy ympäristöön [21].

Kaapelin asentaminen vaatii taivuttamista kaapelireitillä ja liitospai- koissa. Pienin sallittu taivutussäde on rajoitettu kaapelityypin mukaan. Kaa- pelin valmistaja ilmoittaa taivutussäteen tuoteluettelossa. Jos kaapeliraken- teelle ei ole ilmoitettu asennuksen aikaista taivutussädettä erikseen, stan- dardi SFS 5636 esittää ne seuraavasti [12]:

• yksijohtimiset kaapelit: 15 x 𝑑_𝑒

• monijohtimiset kaapelit: 12 x 𝑑_𝑒

kun kaapelin halkaisija on 𝑑_𝑒. Kaapelia on mahdollista taivuttaa pienem- mälle säteelle lopullisen asennuksen kertaluontoisessa taivutuksessa esimer- kiksi päätealueella, jonka jälkeen kaapelia ei enää liikuteta. Liiallinen taivut- taminen voi johtaa kaapelin vaurioitumiseen tai käyttöiän lyhentymiseen.

Kaapelivalmistaja ilmoittaa alimman käsittelylämpötilan tuotteen tuotetie- doissa. Standardin SFS 5636 mukaan PE-vaippaisen kaapelin alin käsittely- lämpötila on -20 °C.

27

4 Kaapeleiden asennuskuviot ja kosketussuojien kytkentätavat

4.1 Asennuskuviot

Kaapelien asennuskuviolla eli vaihekaapeleiden keskinäisellä sijainnilla toi- siinsa nähden on suuri vaikutus kuormitettavuuteen ja käytön aikaisiin teho- häviöihin. Asennuskuvio ja kosketussuojan kytkentätapa vaikuttavat myös muihin käytönaikaisiin ilmiöihin, kuten kosketussuojaan indusoituviin jän- nitteisiin ja kiertäviin virtoihin. Asennuskuvio vaikuttaa myös kaapelin ym- pärille syntyviin magneettikenttiin.

Yksijohdinkaapelit asennetaan joko kolmioon tai tasoon. Kolmivaihekaa- pelit ovat kerrattu yhteen jo valmistustehtaalla, mikä vastaa teknisesti kol- mioasennusta. Kolmio- ja tasoasennus on esitetty kuvassa 10.

Kuva 10: Kolmioasennus, tiivis tasoasennus ja tasoasennus vaihevälillä s.

Tasoasennuksessa vaiheet ovat samalla tasalla kaapeliojan pohjalla, joko kiinni yhdessä tai etäisyydellä s toisiinsa nähden. Jälkimmäisessä tapauk- sessa väljemmin asennetut kaapelit jäähtyvät tehokkaammin. Tärkeät erot kolmio- ja tasoasennuksen välillä liittyvät kuormitettavuuteen, magneetti- kenttien suuruuteen sekä asennusjärjestelyihin.

4.2 Kosketussuojien kytkentätavat

Kaapelin kosketussuoja voidaan maadoittaa yhdestä tai useammasta pis- teestä kaapelireitin varrella. Maadoitus tehdään, jotta kosketussuojan jän- nite käytön aikana ei kasva liian suureksi ja että vikatilanteessa syntyvälle vikavirralle on hallittu kulkureitti. Kosketussuoja maadoitetaan useimmiten molemmissa päissä, mutta periaatteessa maadoituksia voidaan tehdä myös kaapelijatkoksissa.

Jokaisella kosketussuojan kytkentätavalla on omat etunsa ja haittansa, jotka vaikuttavat kosketussuojan kiertäviin virtoihin, kaapelin kuormitetta- vuuteen, vikavirran kulkureittiin sekä kaapelin asentamiseen. Koska

s s

28

kosketussuojapiirin kytkentä vaikuttaa merkittävästi kaapeliyhteyden tekni- siin ominaisuuksiin, sen toteutukseen kannattaa kiinnittää huomiota.

4.2.1 Avoin kosketussuojapiiri

Avoimessa kosketussuojapiirissä (single point bonding) kaapelin kosketus- suoja maadoitetaan ainoastaan yhdestä päästä. Tämä on havainnollistettu kuvassa 11.

Kuva 11: Avoin kosketussuojapiiri.

Tällä maadoitustavalla kosketussuojassa ei kierrä indusoituvia virtoja. Sen sijaan indusoituvat jännitteet voivat muodostua merkittäväksi ongelmaksi pitkillä kaapeliyhteyksillä. Kosketussuojan avoimessa päässä oleva jännite U_ks voi kasvaa jopa niin suureksi, että ulkovaipan kestoisuus ylittyy. Avoi- messa kosketussuojapiirissä kosketussuojan jännite kasvaa pituuden ja vai- hejohtimen virran mukaan, minkä seurauksena käyttö rajoittuu enintään noin parin sadan metrin pituisiin asennuksiin.

4.2.2 Suljettu kosketussuojapiiri

Suljetussa kosketussuojapiirissä (solid bonding, both end bonding) koske- tussuoja maadoitetaan kaapeliyhteyden molemmista päistä. Tämä on esi- tetty kuvassa 12.

Kuva 12: Suljettu kosketussuojapiiri.

Toisin kuin avoimessa kosketussuojapiirissä suljettuun piiriin indusoituu kiertäviä virtoja I_ks, jotka aiheuttavat kaapelissa tehohäviöitä.

29 4.2.3 Kosketussuojien vuorottelu

Kosketussuojien vuorottelussa (cross-bonding) vaiheet jaetaan osapituuk- siin, joissa kosketussuojat kytketään toisiinsa siten, että edellinen ja seuraava osapituus eivät ole samassa vaiheessa. Tämä on esitetty kuvassa 13.

Kuva 13: Kosketussuojien vuorottelu.

Kosketussuojien vuorottelulla voidaan pienentää kiertäviä virtoja. Kosketus- suojien vuorottelulla saavutetaan suurin etu silloin, kun jatkosten väliset osa- pituudet ovat keskenään yhtä pitkät ja kun osapituuksien määrä on kolmella jaollinen.

4.3 Yksijohdinkaapeleiden asennustapojen vertailua

Yksijohdinkaapeleiden asennustavoilla on erilaisia teknisiä ja asentamiseen liittyviä ominaisuuksia, joita on esitelty seuraavissa kohdissa. [8]

a) Kolmioasennus, suljettu kosketussuojapiiri Edut

• perinteinen asennustapa, yleisesti käytössä

• symmetrinen vaiheinduktanssi ja -reaktanssi

• hyvä kuormitettavuus ja pienehköt tehohäviöt

• pienin mahdollinen magneettikenttä maan pinnalla (symmetrinen asennuskuvio sekä kosketussuojiin indusoituvat vastakkaissuuntaiset kiertävät virrat)

• kapea kaapelioja Haitat

• mikäli kolmivaiheinen kaapeli ei ole valmiiksi kerrattu, niin kaapelit on sidottava kolmioon ennen kaapeliojan peittämistä tai aurattaessa on oltava käytössä kolme lähtökelaa kaapeleille ja vaiheiden sidonta- laite kaapelin laskun aikana

• kiertävä virrat kosketussuojissa (Iks) lisäävät käytönaikaisia tehohävi- öitä, jotka riippuvat kosketussuojan koosta (resistanssista).

I

U^ks

30 b) Kolmioasennus, avoin kosketussuojapiiri

Edut

• kuten kohdassa a), mutta kosketussuojiin ei synny kiertäviä virtoja, jolloin kuormitettavuus on parempi ja tehohäviöt ovat pienemmät Haitat

• kuten kohdassa a), mutta kosketussuojan avoimeen päähän indusoi- tuu vaihejohtimien virrasta riippuva jännite (Uks), joka pitkällä yhtey- dellä voi muodostua liian suureksi jo normaalikäytön aikana. Asen- nustapa voi vaatia kosketussuojan avoimeen päähän ylijännitesuojan.

• vaatii yleensä erillisen saattomaadoitusjohtimen kaapeliyhteyden rin- nalle, jotta kaapeliyhteyden syöttämässä järjestelmässä tapahtuvan vian aiheuttama vikavirta palaisi hallitusti syöttöpisteeseen.

c) Tasoasennus, vaiheet kiinni toisissaan, suljettu kosketussuojapiiri Edut

• kohtuullisen hyvä kuormitettavuus

• kohtuullisen pieni magneettikenttä maan pinnalla

• kapea kaapelioja Haitat

• kaapelit on kiinnitettävä toisiinsa ennen kaapeliojan peittämistä, jotta vaihe-etäisyydet pysyvät hallittuina

• lievästi epäsymmetrinen vaiheinduktanssi ja -reaktanssi

• kiertävät virrat kosketussuojissa ovat suuremmat kuin kolmioasen- nuksessa ja lisäävät käytönaikaisia tehohäviöitä (riippuvat kosketus- suojan resistanssista).

d) Tasoasennus, vaiheet kiinni toisissaan, avoin kosketussuojapiiri Edut

• kuten kohdassa c), mutta kuormitettavuus on parempi ja tehohäviöt ovat pienemmät

Haitat

• kuten kohdassa c), mutta kosketussuojan avoimeen päähän indusoi- tuu jännite, joka pitkällä yhteydellä voi muodostua hyvin suureksi jo normaalikäytön aikana. Asennustapa voi vaatia kosketussuojan avoi- meen päähän ylijännitesuojan.

31

• vaatii yleensä erillisen saattomaadoitusjohtimen kaapeliyhteyden rin- nalle.

e) Tasoasennus, vaiheet 100-500 mm välein, suljettu kosketussuojapiiri Edut

• kohtuullisen hyvä kuormitettavuus (kosketussuojan resistanssilla on suuri merkitys)

Haitat

• leveähkö kaapelioja

• epäsymmetrinen vaiheinduktanssi ja -reaktanssi

• suurehko magneettikenttä maan pinnalla

• suuret kiertävät virrat kosketussuojissa lisäävät käytönaikaisia teho- häviöitä.

f) Tasoasennus, vaiheet 100-500 mm välein, avoin kosketussuojapiiri Edut

• erittäin hyvä kuormitettavuus ja pienet tehohäviöt Haitat

• kuten kohdassa e), mutta kosketussuojan avoimeen päähän indusoi- tuu jännite, joka pitkällä yhteydellä voi muodostua hyvin suureksi jo normaalikäytön aikana. Asennustapa voi vaatia kosketussuojan avoi- meen päähän ylijännitesuojan.

• vaatii yleensä erillisen saattomaadoitusjohtimen kaapeliyhteyden rin- nalle.

g) Tasoasennus, vaiheet 100-500 mm välein, kosketussuojien vuorottelu (cross-bonding)

Edut

• erittäin hyvä kuormitettavuus ja pienet tehohäviöt Haitat

• leveähkö kaapelioja

• suurehko magneettikenttä maan pinnalla

• järjestelmä on suunniteltava ja asennettava huolellisesti (vuorottelu- jaksojen osapituudet vaikuttavat kosketussuojan jännitteisiin sekä normaalikäytön aikana että vikatilanteissa)

32

• optimaalisen tuloksen saavuttamiseksi kullakin vuorottelujaksolla osapituuksien lukumäärän on oltava kolmella jaollinen ja niiden pi- täisi olla keskenään suunnilleen samat

• kaapeliyhteys voi vaatia ylijännitesuojat jatkoksiin ja saattomaadoi- tuksen, joka on transponoitava symmetrisesti vaiheiden välissä

• sopivien jatkosten saatavuudessa voi olla ongelmia.

33

5 Kosketussuojan virrat ja jännitteet

5.1 Kosketussuojaan indusoituva virta ja jännite

Kaapelin johtimessa kulkeva vaihtovirta luo ympärilleen muuttuvan mag- neettikentän, joka indusoi suljettuun kosketussuojaan kiertävän virran. Kier- tävä virta aiheuttaa tehohäviöitä, jotka lämmittävät kaapelia ja pienentävät kaapelin kuormitettavuutta.

Yksivaihekaapeleilla kosketussuojaan indusoituvaan virtaan vaikuttaa erityisesti kaapelin itseisreaktanssi ja usean kaapelin ryhmässä keskinäis- reaktanssit [22]. Reaktanssien suuruuteen vaikuttaa kaapelin rakenne, asen- nusetäisyydet sekä asennuskuvio.

Kosketussuojan ollessa maadoitettu molemmista päistä vaihejohdin ja kosketussuoja muodostavat piirin, joka on verrattavissa yksivaiheiseen vir- tamuuntajaan, jossa vaihejohdin vastaa muuntajan ensiöpiiriä ja kosketus- suoja toisiopiiriä. Tätä vastaava sijaiskytkentä on esitetty kuvassa 14. Johti- messa kulkeva virta indusoi kosketussuojaan vastakkaissuuntaisen virran, jonka suuruus määräytyy keskinäisinduktanssin, vaihevirran ja taajuuden mukaan [22].

Kuva 14. Kaapelin johtimen ja kosketussuojan muodostama piiri, kun kosketus- suoja on maadoitettu molemmista päistä (suljettu kosketussuojapiiri). Viitettä [22]

mukaillen.

I = vaihejohtimen virta (A)

I_ks = kosketussuojaan indusoituva virta (A) R = johtimen resistanssi (Ω/m)

R_ks = kosketussuojan resistanssi (Ω/m) L = vaihejohtimen itseisinduktanssi (H/m) L_ks = kosketussuojan itseisinduktanssi (H/m)

M = vaihejohtimen ja kosketussuojan välinen keskinäisinduktanssi (H/m) Kuvan 14 mukaisessa piirissä vaihevirta 𝐼 indusoi kosketussuojaan kiertävän virran I_𝑘𝑠. Kaapelin vaihejohtimen ja kosketussuojan välinen keskinäisin- duktanssi 𝑀 ≈ 𝐿_𝑘𝑠 [22].

34

Keskinäisinduktanssi eri vaiheiden välillä

Vaihejohtimen ja toisen kaapelin kosketussuojan välinen keskinäisinduk- tanssi ja -reaktanssi pituusyksikköä kohti on esitetty yhtälössä (1)

M =μ₀μ_r

2π ln (s − r_s r_𝑠 ) X_ks= ωM

( 1 )

missä

μ₀ = tyhjiön permeabiliteetti

μ_r = eristysmateriaalin suhteellinen permeabiliteetti s = kaapelien välinen etäisyys (mm)

r_𝑠 = kosketussuojan säde (mm)

X_ks = vaihejohtimen ja kosketussuojan välinen keskinäisreaktanssi (H/m) ω = kulmataajuus (rad/s)

Tyhjiön permeabiliteetti μ₀ = 4π10⁻⁷ H/m ja epämagneettisille aineille, ku- ten ilmalle, eristykselle, alumiinille ja kuparille μ_r = 1 [22]. Olettamalla, että kaapelien johtimien välinen etäisyys s on huomattavasti suurempi kuin kos- ketussuojan etäisyys johtimesta 𝑟_𝑠, yhtälö (1) voidaan yksinkertaistaa muo- toon

M =μ₀μ_r 2π ln (s

r_𝑠) ( 2 )

Indusoituva virta ja -jännite

Kosketussuojaan indusoituva virta voidaan laskea yhtälöllä [22]

I_𝑘𝑠  = IωM

√(R_𝑘𝑠² + ω² M²)

( 3 )

Kosketussuojaan indusoituva jännite lasketaan yhtälöllä

U_ks= I ∙ X_ks= IωM ( 4 )

Kosketussuojan tehohäviöt P_𝑘𝑠 ja vaihejohtimen tehohäviöt P pituusyksik- köä kohti ovat siten

35 P_ks = I_ks² R_ks= I²ω²M²

R²+ ω²M²R_ks ( 5 )

P = I²R ( 6 )

Kosketussuojan häviöiden suhde johdinhäviöihin lasketaan yhtälöllä

λ₁^′ =P_𝑘𝑠 P =R_𝑘s

R ∙ ( ω²M²

R²_𝑘s+ ω²M²) ( 7 )

Kosketussuojaan indusoituvien virtojen häviökerroin λ₁^′ kuvaa kosketussuo- jassa tehohäviöiden P_𝑘𝑠 suhdetta johtimen tehohäviöön P. Yhtälöstä (7) näh- dään, että λ₁^′ kasvaa johtimen resistanssin R pienentyessä tai kosketussuojan resistanssin R_𝑘s kasvaessa tiettyyn pisteeseen asti. Myös kosketussuojan ja johtimen välisen keskinäisinduktanssin M sekä kulmataajuuden ω suhde kosketussuojan resistanssiin R_𝑘svaikuttavat λ₁^′ :n suuruuteen. Avoimessa kosketussuojapiirissä R_𝑘s on ääretön, kiertävää virtaa ei synny ja λ₁^′ on nolla.

Indusoituvat kiertävät virrat eivät riipu kaapeliyhteyden pituudesta. Nii- den suuruuteen vaikuttaa yhtälön (3) mukaisesti vaihejohtimen virta I, vai- hejohtimen ja kosketussuojan välinen keskinäisinduktanssi M sekä koske- tussuojan resistanssi R_ks. Kun useampi kaapeli on asennettu lähekkäin, jo- kaisen vaihejohtimen ja kosketussuojan välille on laskettavissa oma keski- näisinduktanssi yhtälön (2) mukaisesti.

5.1.1 Indusoituva virta kolmio- ja tasoasennuksessa

Kolmio- ja tasoasennuksessa kosketussuojiin indusoituvat kiertävät virrat ja jännitteet ovat erisuuruiset. Kun vaihekaapeleita on useampi lähekkäin, yk- sittäisen vaihejohtimen virran luoma magneettikenttä indusoi jännitteen sekä oman että muiden vaiheiden kosketussuojiin. Kolmioasennuksessa vai- hevirtojen synnyttämät magneettikentät kompensoivat osittain toisiansa, mikä on havainnollistettu kuvassa 15.

Kuva 15. Periaatekuva vaihevirran aiheuttamista magneettikentistä kolmio- ja tasoasennuksessa. Viitettä [7] mukaillen.

36

Eri vaiheiden ja eri kosketussuojien välille on määriteltävissä omat keski- näisinduktanssit seuraavasti:

M₁₂ = vaiheen 1 johtimen ja vaiheen 2 kosketussuojan välinen keskinäisinduk- tanssi

M₂₃ = vaiheen 2 johtimen ja vaiheen 3 kosketussuojan välinen keskinäisinduk- tanssi

M₁₃ = vaiheen 1 johtimen ja vaiheen 3 kosketussuojan välinen keskinäisinduk- tanssi

Näiden suuruus määräytyy kaapelin rakenteen ja vaihe-etäisyyksien perus- teella yhtälön (2) mukaisesti. Lisäksi keskinäisinduktanssit kahden eri kaa- pelin johtimen ja kosketussuojan välillä ovat symmetriset eli 𝑀₁₂ = 𝑀₂₁, jne.

Kolmivaihejärjestelmässä vaihevirtojen summa on nolla jokaisessa poik- kileikkauksessa. Tällöin pätee

I₁= −(I₂+ I₃) I₂ = −(I₂+ I₃) I₃= −(I₁+ I₂)

( 8 )

Vaiheiden 2 ja 3 kosketussuojat ovat vaiheen 1 kosketussuojan virran paluu- reitti, jolloin kaikille kosketussuojan virroille pätee [22]

I_ks1= −(I_ks2+ I_ks3) I_ks2= −(I_ks2+ I_ks3) Iks3= −(Iks1+ Iks2)

( 9 )

Sekä kolmio- että tasoasennuksessa kaapelien kosketussuojiin indusoituneet jännitteet voidaan laskea yleisesti yhtälöillä [22]

U_ks1= I_ks1R_ks− jωM₁₂(I₂+ I_ks2) − jωM₁₃(I₃+ I_ks3)

U_ks2= I_ks2R_ks− jωM₁₂(I₁+ I_ks1) − jωM₂₃(I₃+ I_ks3) ( 10 ) U_ks3= I_ks3R_ks− jωM₁₃(I₁+ I_ks1) − jωM₂₃(I₂+ I_ks2)

Kolmioasennus

Kolmioasennuksessa kaapelit ovat symmetrisesti toisiinsa nähden, eli keski- näisinduktanssit ovat M₁₂= M₁₃= M₂₃= M. Yhtälöiden (8), (9) ja (10) avulla vaiheen 1 kosketussuojaan indusoituva jännite voidaan yksinkertais- taa muotoon