IPN - Økning i belastningsevnen til jordkabler

Dette prosjektet var et InnovasjonsProsjekt i Næringslivet (IPN) støttet av Forskningsrådet, som har etablert enkle og anvendbare metoder for å finne belastningsevnen til kabler.

Prosjektet var et samarbeid mellom norske nettselskap, kabelprodusenter og utstyrsleverandører, NTNU, SINTEF Energi og REN. Norske nettselskap fikk dekket sine utgifter gjennom NVEs finansieringsordning for FoU. Prosjektet fikk også støtte fra ENERGIX-programmet til Norges Forskningsråd.

 

Innhold:

1.1 Bakgrunn
1.2 Mål
1.3 Ansvarlig
1.4 Prosjektpartnere
2. Beskrivelsene av arbeidspakkene i prosjektet
3. Prosjektresultater og publiseringer
4. Avslutning

 

1.1 Bakgrunn

Bakgrunnen for prosjektet var et ønske om mer nøyaktig beregning av belastningsevnen til kraftkabler forlagt i bakken.

Tidligere har det vært anvendt tabeller fra normen NEN 62.75 for å finne ut belastningsevnen for kabler forlagt i grøft. Denne normen ble laget på slutten av 60-årene, og prosjektet skulle gi sikrere valg med hensyn både på økonomi og og termisk grenselast.

Belastningsevnen til jordkabler er blant annet sterkt avhengig av den termiske motstanden til omkringliggende masser. Nettselskapene manglet en pålitelig og enkel metodikk for å avdekke denne. Dette prosjektet brukte avanserte beregningsmetoder samt eksperimentelt arbeid for å gi et nytt og viktig beslutningsgrunnlag og verktøy for norske nettselskap. Skalerte laboratorieforsøk og fullskala felttesting ble brukt for å verifisere modeller og metoder.

Det gode samarbeidet mellom norsk kabelindustri, norske nettselskap, REN, systemansvarlig i det norske kraftsystemet og relevant forskningsinstitutt gjorde det mulig å etablere et teoretisk og eksperimentelt fundament for implementering av metodikken som vi tror vil bidra til økt og samtidig sikker utnyttelse av det norske kabelnettet.

 

1.2 Mål

Prosjektets målsetting var å bidra til økt utnyttelse av det norske kabelnettet, samt økt pålitelighet i strømforsyningen.

I den forbindelse skulle det utarbeides et beregningsprogram som kunne beregne tillatt belastningsevne for kabel i grøft avhengig av dybder, omfyllingsmasser, fuktighet, avstander til andre kabler, antall kabler, antall rader med kabler i dybden, bruk av rør, m.v.  Prosjektet skulle også lage en modell for å estimere termisk ledningsevne til omfyllingsmasser.

 

1.3 Ansvarlig

 

1.4 Prosjektpartnere

Institusjoner/bedrifter som deltok prosjektet:

  • Gudbrandsdal Energi AS
  • Hadeland Energinett AS
  • Hafslund Nett AS
  • Hallingdal Kraftnett AS
  • HelgelandsKraft AS
  • Istad Nett AS
  • Lyse Elnett AS
  • Mørenett AS
  • Nexans Norway AS
  • NTE Nett AS
  • Oslo Presstoff Industri AS
  • Orkdal Energi AS
  • REN AS
  • Skagerak Nett AS
  • Skjåk Energi KF
  • Stange Energi Nett AS
  • Sykkylven Energi AS
  • Statnett SF
  • SINTEF Energi AS
  • Vang Energiverk KF

 

2.  Beskrivelse av arbeidspakkene i prosjektet

Prosjektet var delt opp i totalt 6 arbeidspakker, som hadde følgende beskrivelser da prosjektet ble gjennomført:

AP 1: Etablering av numerisk modell for termisk ledningsevne

I denne arbeidspakken skal modelleringen gjøres i to trinn:

  1. Modellering av termisk ledningsevne og diffusivitet for masser i grøftebunn, lednings- og gjenfyllingssonen.
  2. Modellering av hele systemet med ulike typer masser i sonene, med for eksempel kabler forlagt i ulike typer rør, varierende overdekning og bruk av stedlige gjenfyllingsmasser.

COMSOL Multiphysics skal benyttes i dette arbeidet. Kommersielt tilgjengelige programvarer for beregning av både stasjonær temperatur og transiente temperaturforløp vil bli kartlagt og testet. Uttesting vil inngå som en del av aktiviteten i AP 3.

 

AP 2: Utvikling av feltmetodikk for estimering av termisk ledningsevne

Ulike kommersielle feltmetoder for måling av termisk ledningsevne skal testes ut. I tillegg skal massen siktes slik at størrelsesfordelingen finnes og deretter veies. Relativ fuktighet skal også måles ved bruk av digitale relativ fuktighetssensorer. Som kontroll skal tørrvekten finnes også ved å varmebehandle massen (siktet). Modellen som er utviklet i AP 1 skal brukes til å finne den endelige termiske ledningsevnen til massen, korrigert for fuktnivå. Dette er kritisk da den termiske ledningsevnen påvirkes betydelig av fuktnivået. Andre metoder for karakterisering av jordsmonnet som bruk av georadar (GPR14) skal også vurderes.

 

AP 3: Verifisering av modeller og metoder
Ulike typer masser fra ulike steder i Norge skal samles inn og sendes til laboratoriet. Massenes størrelsesfordeling (og vekt), termiske ledningsevne og diffusivitet skal systematisk karakteriseres med hensyn til temperatur, relativ fuktighet og komprimering ved bruk av kalibrerte klimaskap. Langtidsstabilitet skal også undersøkes. Ut fra dette skal en database etableres og benyttes som referanse ved feltmålinger. Det skal lages eksperimentelle oppsett i laboratoriet der ulike masser og kabelinstallasjoner skal inngå. De resulterende temperaturforholdene skal måles sammen med relativ fuktighet. Transiente forhold vil også studeres/analyseres. Fullskala feltforsøk der strømlast, temperaturer (ved ulike posisjoner mellom kabel og overflate, samt langs traseen), termisk ledningsevne og relativ fuktighet skal monitoreres. Dette skal gjøres over en lengre tid (år) for å undersøke effekten av frost samt massenes stabilitet med hensyn til termisk ledningsevne.

 

AP 4: Vurdering av kabelens sårbarhet for høye temperaturer

Det skal undersøkes om høye temperaturvariasjoner (høy strømlast) kombinert med enkelte typer fyllmasser kan skade kabelen. Knuste fyllmasser har gjerne skarpe kanter som kan skade ytre kappe og lage hull. Dette kan føre til vanninntrenging og redusert levetid til kablene. Effekten av lave temperaturer (tele) skal også studeres.

Høye temperaturer kan føre til oksidasjon av kabel- og skjøtematerialene, samt betydelig termisk ekspansjon med fare for skade. Typiske kabel- og skjøtedesign fra 70-, 80- og 90- tallet, samt fra 2000-2010 skal belastes med temperaturer over 90 °C og opp til 130 °C.

Effekten av steil og høy laststrøm skal også studeres. Oksidasjonen av materialene skal måles med kalorimetrimetoder eller IR, og eventuelle skader av fasene skal studeres i mikroskop (lys- og elektronmikroskop).

 

AP 5: Prosjektledelse, publisering og spredning av resultater

Nasjonalt vil resultatene presenteres for norske nettselskap gjennom kurs (hos REN og NTNU) og seminarer. Norsk industri og nettselskap vil i tillegg informeres gjennom publisering i informasjonsblad og norske nettselskapsfora (for eksempel ’Energiteknikk’).

Internasjonalt vil resultatene publiseres i internasjonale tidsskrift med referee-ordning (IEEE), og konferanser (for eksempel CIGRE og JiCable) der tema innen kabelteknologi er sentrale.

Det er også aktuelt å publisere innen populærvitenskapelige tidsskrift (’Insulation Magazine’) som distribueres over hele verden til energiverk og forsknings- /universitetsmiljøer. SINTEF Energi er representert i CIGRE komiteer og CENELEC grupper. I tillegg vil resultater fra prosjektet presenteres i foredrag på ICC møter (IEEE PES Insulated Conductors Committee).

Resultatene vil også implementeres i nye RENblader samt oppdatering av eksisterende retningslinjer. Det kan også bli aktuelt å lage en egen nettbasert tjeneste som nettselskapene kan benytte for å gjøre beregninger av belastbarhet basert på feltmålinger med bruk av metodikken utviklet i prosjektet.

Rasjonell Elektrisk Nettvirksomhet AS (REN) blir prosjekteier. REN eies av 65 nett- eller energiselskap. Eierene har pekt ut dette prosjektet som satsingsområde. Bidraget til hvert enkelt nettselskap bestemmes ut fra antall deltagende partnere (eiere). I tillegg ønsker Nexans Norway og Statnett ASA å delta.

 

 

3.  Prosjektresultater og publiseringer

Prosjektresultater og publiseringer er tilgjengelig for REN-brukere. Du må logge inn for å åpne filene.

Dato Dokument/publikasjon Type Beskrivelse
01.01.19

COMSOL-modul for beregning av temperatur og magnetfelt i kabelgrøfter

Program

Beregningsprogrammet regner ut temparaturprofil og magnetisk induksjon i kabelgrøfter.

Kabelgrøften kan fritt konfigureres for å skape en digital kopi av en virkelig kabelgrøft.

Lansert som web-verktøy på www.ren.no den 1. januar 2019, i første omgang i en utprøvingsfase med tilgang for prosjektdeltakende selskaper (og øvrige etter forespørsel). Blir tilgjengeliggjort på generell basis gjennom REN Verktøy i løpet av 2019.

07.07.18

termisk_motstand_kalk_v2.xlsx

Excel regneark

Regnearket beskriver metode for beregning av termisk motstand i masser.
Versjon 1.0 pr. 15.06.18, nåværende versjon er 2.0 fra 04.07.18.

29.06.18

AN 18.14.11 - Temperaturmåling av kabel med DTS Rev. 1.1.pdf

Prosjektnotat

Notat som beskriver installasjon og bruk at et DTS-system (distributed temperature sensing) i testgrøften på Tiller som prosjektet disponerte. Hensikten var å undersøke hvor godt DTS-systemer fungere til overvåking av termiske flaskehalser i praksis, samt skaffe ytterligere data for verifisering av beregning av belastningsevne.

28.06.18

AN 18.14.33 Brukerhåndbok Kabelsimulator Rev. 1.0.pdf

PDF-fil

Brukerhåndboken gir en innføring i hvordan belastningsverktøyet er bygget opp og hvordan det brukes. Eksempler på bruk av programmet er gitt i de to siste kapitlene.

29.06.18

R201800709 - Termiske egenskaper i materialer for kabelforlegning Rev. 1.0.pdf

PDF-fil

I denne rapporten presenteres empiriske modeller som kan benyttes til å estimere termisk motstand i ulike typer masser, samt laboratoriemålinger som viser at modellen utviklet at Côté og Konrad i 2005 gir gode resultater for masser som benyttes til kabelforlegning – sand og grus. En kalkulator som baserer seg på denne modellen, samt metodikken for finne alle nødvendige parametere er presentert.

28.06.18

AN 16.14.21 Forenklet verktøy for beregning av belastningsevne - Rev 1.0

Prosjektnotat

Notat med informasjon om beregningsverktøy; flaskehalser, grafisk brukergrensesnitt og beregningsmodul

10.02.17

AN 15.14.02 Modellering av termisk ledningsevne i naturlige og kunstige masser

Prosjektnotat

Notatet inneholder en oppsummering av forskjellige empiriske modeller for termisk ledningsevne i naturlige og knuste masser. En kort beskrivelse av fuktinnhold og fuktfordeling i jordsmonn blir også gitt

11.05.16

AN 16.14.28 Sammenheng mellom regn og termisk ledningsevne - Rev 1.0

Prosjektnotat

Notatet beskriver sammenhenger mellom nedbør og termisk ledningsevne i masser rundt elektriske kabler. Dette er vist i et case hvor sensorer har blitt installert i grøftesnitt rundt kabler i drift i Sandnes. Det er også laget matematiske sammenhenger mellom nedbør og termisk ledningsevne rundt kabler.

29.06.18 AN 18.14.40 Modellering av varmetransport kabler i rør - final.pdf Prosjektnotat

Notatet beskriver en forenklet modell for varmetransport for kabler i rør.

For kabler er belastningsevnen i stor grad bestemt av varmetransporten vekk fra kabelen. For kabler forlagt i rør eller luft, skjer varmetransporten gjennom varmeledning, konveksjon og stråling.

Numerisk modellering av konveksjon gjennom elementmetoden er beregningsmessig tungt, dette notatet beskriver en forenkling, hvor konveksjon erstattes med en varmekilde plassert på rørveggen. Denne forenklingen benyttes i RENgrøft.

 

 

4.  Avslutning

Prosjektet ble avsluttet i 2018