De norm voorziet in berekening van alle mogelijke kabeltypen: kunststof, oliedruk, massa en pipe-type kabels. In de norm worden één-, twee- en drieaderige kabels behandeld. In Vision Cable Analysis zijn de één- en drieaderige kabels geïmplementeerd. Volgens de norm worden vieraderige laagspanningskabels op de zelfde wijze als drieaderige kabels berekend, uitgaande dat de nul-geleider onbelast is.
Kabelconstructie
De constructie beschrijft de opbouw van laag tot laag. Elke kabel wordt geconstrueerd rondom een geleider, isolatie, afscherming, bewapening en buitenmantel. De meeraderige kabel is opgebouwd door het samenslaan van meerdere aders. De constructie van enkele veelvoorkomende één- en drieaderige kabels wordt hier toegelicht.
Enkeladerige XLPE kabel
De opbouw van een enkeladerige kunststof kabel is als volgt:
•Geleider van koper of aluminium
•Geleiderscherm. Er kunnen zich oneffenheden voordoen in de geleideromtrek, waardoor het elektrische veld zich niet netjes rond de geleider verdeelt. Dit kan kleine ontladingen veroorzaken, waardoor de kabel snel veroudert. Om die oneffenheden op te heffen wordt een halfgeleidende laag om de geleider aangebracht, zodat het veld zich in de isolatie homogeen zal verdelen.
•Isolatiemateriaal van XLPE
•Isolatiescherm. Er kunnen zich eveneens oneffenheden voordoen in het binnenoppervlak van de afscherming, zodat ook tussen de afscherming en de isolatie een halfgeleidende laag is aangebracht.
•Afscherming. Deze sluit het elektrische veld binnen de kabel op en zorgt ervoor dat geen spanningen in de geleider kunnen worden geïnduceerd ten gevolge van naburige kabels. Bovendien heeft het koper scherm ook nog een tweede doel, namelijk voorkomen dat bij aanraking van een onder spanning staande kabel de mantel capacitieve stromen kunnen lopen.
•Optioneel: armering. Tussen de afscherming en de armering bevindt zich dan de bedding. De bedding geeft een scheiding tussen de afscherming en de armering. De armering zorgt voor stevigheid van de kabel en beschermt de kabel tegen mechanische invloeden.
•De buitenmantel beschermt de kabel tenslotte tegen invloeden van buitenaf, zoals vocht
Alle kabels met een isolatie anders dan van papier zijn leverbaar met een loodmantel ten behoeve van de waterdichtheid en het voorkomen van het mogelijk binnen dringen van bijvoorbeeld aromatische koolwaterstoffen die de isolatie kunnen aan tasten. Bij papier geïsoleerde kabels is de loodmantel noodzakelijk om de impregneermassa of de olie binnen te houden.
Drieaderige XLPE kabel
De drieaderige XLPE kabel heeft in principe eenzelfde opbouw als de enkeladerige.
•De kabel bevat drie kernen
•Elke kern heeft een eigen geleider, isolatie en scherm
•Deze drie kernen liggen in een vulling met daar omheen meestal een koperdraadscherm en de buitenmantel
De aders kunnen rond, sectorvormig en afgeplat sectorvormig (bij de gordelkabel) zijn. Laagspanningskabels hebben vaak een sectorvormige geleider. Kabels met sectorvormige aders hebben een kleinere buiten diameter, hetgeen materiaal bespaart. Er bestaan uitvoeringen van drieaderige kabels met één gemeenschappelijk scherm. Een stalen wapening, (staalband en of staaldraad), met uitzondering van zeer speciale gevallen om de toegestane trekkracht van de kabel te vergroten zoals bijvoorbeeld voor onderwaterkabels, dient alleen om een beperkte, mechanische bescherming, bijvoorbeeld graven met de hand, te bieden.
Drieaderige GPLK gordelkabel
De gordelkabel heeft een afwijkende opbouw ten opzichte van de drieaderige kunststofkabel:
•De geleiders zijn omgeven door een isolatie van geïmpregneerd papier
•Deze drie geïsoleerde kernen zijn omgeven door een gezamenlijke gordelisolatie van geïmpregneerd papier
•Om de gordel bevindt zich een gemeenschappelijke afscherming van lood
•De GPLK kabels kunnen zijn gearmeerd met een verzinkte staalband
Verliezen in de kabel
In de kabel treedt verlies op, hieronder een korte uiteenzetting van deze verliezen:
Ohmse verliezen in de geleider
De Ohmse verliezen ten gevolge van de weerstand van geleider zijn gelijk aan I2R. De weerstand is afhankelijk van het materiaal en de geleiderdikte.
Diëlektrische verliezen in de isolatie
In het isolatie materiaal treden diëlektrische verliezen op. Deze verliezen zijn afhankelijk van het isolatiemateriaal en de bedrijfsspanning. De diëlektrische verliezen zijn zeer klein ten opzichte van de verliezen in de ader en het scherm en kunnen daarom in LS- en MS-kabels worden verwaarloosd.
Ohmse verliezen in de afscherming
In de afscherming en in de armering treden Ohmse verliezen op ten gevolge van wervelstromen en eventuele vereffeningsstromen.
Wervelstromen zijn zeer kleine plaatselijk stroompjes en vereffeningstromen zijn het gevolg van geïnduceerde spanningen. De grootte van de vereffeningstromen is afhankelijk van de manier waarop de afscherming met elkaar verbonden is en geaard is.
Ohmse verliezen in de armering
De Ohmse verliezen in de armering bestaan overwegend uit wervelstroomverliezen, maar ook verliezen ten gevolge van vereffeningstromen. De Ohmse verliezen in de bewapening kunnen vaak worden verwaarloost. Uitzonderingen daargelaten, zijn driefase circuits meestal in balans.
Thermische weerstanden
De geleider, de mantel en de armering zijn van een metaalsoort waardoor ze een te verwaarlozen thermische weerstand hebben. Dit geldt niet voor de isolatie, bedding, buitenmantel en het omringende medium. De methode volgens IEC gaat uit van vier thermische weerstanden:
T1 Isolatie tussen geleider en afscherming
Voor de berekening van T1 telt naast de isolatie ook de halfgeleidende laag mee van het geleiderscherm en het aderscherm.
T2 Beddingslaag tussen afscherming en armering
Voor de berekening van T2 tellen de thermische weerstanden mee van de vulling en de beddingslaag tussen afscherming en bewapening. Bij afwezigheid van bewapening is T2 gelijk aan nul.
T3 Buitenmantel van de kabel
De buitenmantel van de kabel.
T4 Externe thermische weerstand
De externe thermische weerstand vertegenwoordigt de warmteafgifte van de kabel naar zijn omgeving. Bij een begraven kabel verloopt de warmteafgifte voor het grootste deel door geleiding. Naastgelegen kabels hebben invloed op de temperatuur. Bij een bovengrondse kabel verloopt de warmteafgifte door straling en convectie. Naast de luchttemperatuur speelt ook de zoninstraling een grote rol.
Rekentechnisch model
Onderstaand figuur geeft voor een drieaderige kabel aan waar de verliezen ontstaan en door welke thermische weerstanden deze verliesenergie wordt getransporteerd.
Bronnen van verliezen:
•De geleider is een warmtebron ten gevolge van de ohmse verliezen (I2R). De geleiderverliezen worden door de isolatie, de bedding, de buitenmantel en de omgeving afgevoerd.
•De geleider en de afscherming vormen een capaciteit. In de isolatie treden daarom capacitieve verliezen op. Door integratie van het isolatieoppervlak vanaf de geleider naar het scherm wordt het diëlektrische verlies in de isolatie gemiddeld (½ Wd). De diëlektrische verliezen worden door de isolatie, de bedding, de buitenmantel en de omgeving afgevoerd.
•Door invloed van naburige geleiders wordt er een spanning geïnduceerd in de afscherming van de kabel. Ten gevolge van deze spanning gaat er een stroom vloeien in de afscherming, deze stroom zorgt op zijn beurt weer voor verliezen in het scherm. De schermverliezen worden door de bedding, de buitenmantel en de omgeving afgevoerd.
•Evenzo ontstaan er verliezen in de armering. De armeringverliezen worden door de buitenmantel en de omgeving afgevoerd.
De berekening van de temperatuur in een kabel verloopt via een elektrotechnisch analoog model:
Het elektrotechnisch analogon is gebaseerd op warmtestroom, thermische weerstand en temperaturen:
•In bovenstaand model is de warmtestroom vanuit de geleider gelijk aan de I2R verliezen plus de helft van de diëlektrische verliezen.
•De verliezen in de afscherming zijn uitgedrukt als een factor λ1 maal het geleiderverlies I2R. Deze warmtestroom, plus de warmtestroom van het geleiderverlies en het diëlektrische verlies, gaat door de thermische weerstand van de beddingslaag (T2). De variabele n staat voor het aantal aders (1 of 3).
•De verliezen in de armering zijn uitgedrukt als een factor λ2 maal het geleiderverlies I2R. Deze warmtestroom, plus de warmtestroom van het geleiderverlies, het diëlektrische verlies en het schermverlies, gaat door de thermische weerstand van de buitenmantel (T3) en de omgeving (T4). De variabele n staat voor het aantal aders (1 of 3).
•De omgevingstemperatuur is vertegenwoordigd door een analoge spanningsbron.
Elektriciteitsleer |
Warmteleer |
||
Spanning, U |
[V] |
Temperatuurverschil, Dθ |
[K] |
Stroom, I |
[A] |
Warmtestroom, φ |
[W/m] |
Weerstand, R |
[Ω] |
Thermische weerstand, T |
[Km/W] |
Temperatuurverloop
Het temperatuurverloop in de kabel van geleider tot omgeving is weergegeven in onderstaande figuur. In deze figuur is ook te zien dat de temperatuur in de geleider, de mantel en de armering constant blijft. De afstanden zijn niet in verhouding met de reële waarden voor de diktes van de diverse lagen. Het figuur is afgebeeld om een globale indruk te krijgen van het temperatuurverloop.
