Current Carrying Capacity Calculations for High and Medium Voltage Cables

Abstract

When sizing cables for a particular installation it is essential to find the current rating of those cables in their thermal environment. Cables will heat up as a result of the imposed current in the system. The cables can only withstand a certain temperature without sustaining damage. Their current rating will depend on the amount of current that will cause the maximum allowable temperature rise.

The calculation of the current carrying capacity of power cables is a critical part of the design of an electrical power system. Optimally sized cables grant high reliability at minimum cost. These calculations are quite excessive and include a lot of steps. Having a software tool to quickly calculate this saves a lot of time and minimizes the chances of a calculation error.

The purpose of this thesis was to develop such a tool using Microsoft Excel and formulae from IEC60287 for Hitachi Energy Finland Oy. There are a handful of common methods presented in this thesis that will increase the current rating. Engineers can use the tool developed in this thesis to determine which methods to apply. There was also research conducted in the area, in particular the current distribution between adjacent cables and a comparison of calculation methods. The result of this thesis was a working calculation tool.

Vid dimensionering av kablar för en viss applikation är det centralt att finna märkströmmen hos kablarna under de gällande termiska omständigheterna. Kablar hettas upp till följd av den ström som passerar genom dem. Kablar kan endast utstå en viss strömstyrka utan att ta skada. Deras märkstöm kommer att bero av den strömstyrka som orsakar den maximala godtagbara temperaturökningen.

Beräkningen av belastningskapaciteten för elkraftskablar är en känslig del i planeringen av ett elkraftssystem. Optimalt dimensionerade kablar garanterar en hög driftsäkerhet till lägsta möjliga kostnad. Beräkningarna är omfattande och inkluderar många steg. Ett beräkningsverktyg som snabbt beräknar belastningsbarheten sparar mycket tid och minimerar risken för beräkningsfel.

Syftet med detta examensarbete var att utveckla ett sådant verktyg åt Hitachi Energy Finland Oy med hjälp av Microsoft Excel och formler hämtade från IEC60287. Det finns ett antal välkända metoder för att förbättra märkspänningen hos elkraftskablar. Detta verktyg ska kunna användas av ingenjörer för att avgöra vilka metoder som behöver tillämpas. Efterforskningar inom området utfördes också som en del i arbetet, i synnerhet vad gäller strömfördelningen mellan parallella kablar och jämförelser av beräkningsmetoder. Resultatet av examensarbetet blev ett fungerande beräkningsverktyg.

Kun mitoitetaan kaapeleita tiettyä sovellusta varten, on keskeistä löytää kyseisten kaapeleiden nimellisvirta soveltuvissa lämpöolosuhteissa. Kaapelit lämpenevät niiden läpi kulkevan virran seurauksena. Kaapelit kestävät vain tietyn määrän virtaa vahingoittumatta. Niiden nimellisvirta riippuu virrasta, joka aiheuttaa suurimman hyväksyttävän lämpötilan nousun.

Sähkökaapeleiden kantavuuden laskeminen on herkkä osa sähköjärjestelmän suunnittelussa. Optimaalisesti mitoitetut kaapelit takaavat korkean käyttövarmuuden mahdollisimman alhaisin kustannuksin. Laskelmat ovat laajoja ja sisältävät monia vaiheita. Nopeasti kantavuuden laskeva laskentatyökalu säästää paljon aikaa ja minimoi laskentavirheen riskin.

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli kehittää tällainen työkalu Hitachi Energy Finland Oy:lle, Microsoft Excelin avulla ja IEC60287:n kaavoilla. Sähkökaapeleiden kantokyvyn parantamiseksi on olemassa useita tunnettuja menetelmiä. Tässä opinnäytetyössä kehitetyn työkalun avulla insinöörit voivat määrittää, mitä menetelmiä on sovellettava. Kaapeleiden kuormitettavuudesta tehtiin myöstutkimusta osana opinnäytetyötä erityisesti koskien rinnakkaisten kaapeleiden sähkönjakelua ja vertailuja eri laskentamenetelmien välillä. Opinnäytetyön tuloksena on toimiva laskentatyökalu.