Massene rundt kraftkablene: en viktig bidragsyter til strømføringsevnen

Bortsett fra kraftkablenes ledertverrsnitt, er den termiske resistiviteten i sand, pukk og andre jordarter nærmest kraftkabler den faktoren som har størst betydning for strømføringsevnen. Samtidig er det knyttet stor usikkerhet til denne verdien. Å vite den termiske resistiviteten er helt nødvendig for å dimensjonere nye kabelanlegg og verifisere eksisterende anlegg.

Denne artikkelen tar for seg noen målemetoder som kan brukes i felt og på laboratorium for å bestemme massenes termiske resistivitet, tetthet og fuktinnhold.

Les mer:

• SINTEFs kompetanse innen elkraftkomponenter
• Sensorer for å bestemme strømføringsevnen til kraftkabler
• Kabelskjermer: hva er problemene og hvordan skal de løses?
• Elektriske kontakter – en vanlig årsak til havari og branner
• Strømføringsevnen til kabelanlegg – hva og hvordan

Termiske egenskaper til masser

Den termiske resistiviteten sier noe om materialers evne til å lede varme. Nær kraftkabler ønskes materialer med lav termisk resistivitet, altså materialer som leder varme godt. Massers termiske resistivitet avhenger av mange faktorer, men de to viktigste er fuktinnhold og hvor tette eller porøse massene er. Andre viktige, men sekundære faktorer er mineralsammensetning og kornfordeling. For stedlige masser er også organisk innhold viktig.

Generelle tabellverdier for massers termiske resistivitet vil kunne fungere som anslag i beregninger, men de vil ha begrenset nøyaktighet. Ved termisk dimensjonering av kabler brukes ofte 1 m∙K/W, i henhold til IEC 60287, som er en representativ verdi for fuktige masser, og 2,5 m∙K/W for tørre masser. Kabler som ligger i tørre masser kan overføre rundt 20 % mindre energi enn kabler i fuktige masser, for en standard forlegning.

Målinger av termisk resistivitet

Det er vanlig å bruke en transient probemetode (EN:Non-steady state Probe, NSSP) for å måle termisk resistivitet til masser. Det anbefales å gjøre målingene i felt eller laboratorium på uforstyrrede prøver ettersom man ønsker resistiviteten til de faktiske massene. Det er også mulig å gjøre målinger på forstyrrede prøver i laboratorium, men da er ofte tetthet og/eller fuktinnholdet ukjent. Slike målinger har derfor ofte mindre bruksverdi.

Proben for å måle termisk resistivitet inneholder en varmetråd og to temperatursensorer. Proben settes i massene som skal måles. En kjent effekt påtrykkes varmeelementet, og fra temperaturresponsen beregnes massenes termiske resistivitet. Målingen bør gjøres på dybden hvor kablene skal legges, eventuelt i flere dybder for å se hvorvidt det er forskjeller. Det er den termiske resistiviteten til massene nærmest kablene som har mest å si for strømføringsevnen. Målingene utføres gjerne basert IEEE 442 og/eller ASTM D5334.

Høsten 2022 ble det gjort et sett med punktmålinger på bentonitt, asfalt, leire og dyrket mark i Trondheimsområdet. Asfalt er aktuelt i veikrysninger og bentonitt benyttes i flere kabelanlegg som er forlagt i rør. De to siste er stedlige masser. Målingene viser at massene har betydelig lavere (bedre) termisk resistivitet enn standardverdien på 1 (m∙K)/W som ofte benyttes. Dette betyr at kraftkablene i all hovedsak kan belastes høyere enn prosjektert, forutsatt at egenskapene beholdes over tid. Man må allikevel være oppmerksom på seksjoner eller tidsrom hvor massene kan ha tørket inn, som gir en betydelig høyere termisk resistivitet.

Tabell 1: Måling av termisk resistivitet i bentonitt, asfalt, leire og dyrket mark.

Målinger av tetthet

Tettheten i felt måles gjerne med en «sand cone test» etter ASTM D1556 eller en sylindertest etter ASTM D2937. Sand cone-testen er oftest mer nøyaktig, men krever spesialutstyr og kalibrert sand. Sylinderen i sylindertesten skal bankes ned i de naturlige massene og tettheten er vekten av massene dividert på volumet. Sylindertesten er i de fleste tilfeller enklere utenom i områder med mye stein. For begge testene må volumet av prøven være mange størrelsesordener større enn den største kornet/steinen for å gi en representativ verdi.

For høyest mulig tetthet i en masse må størrelsesfordelingen til kornene være jevnt fordelt slik at mindre korn fyller hulrommene mellom de større kornene, gjerne 10% finstoff. Knuste massene har finstoff-nivå svært tett opp til optimale verdier, mens de naturlige massene har tilnærmet ingen finstoff. Heller ikke 4/8 mm knust masse har finstoff, og den uniforme kornfordelingen vil gi lav tetthet. Den ideelle kornfordelingen er gitt av «Fuller-kurver».

Måling av fuktinnhold

Fuktinnholdet måles ved at massene veies, tørkes og veies igjen i laboratorium. Fuktinnholdet er definert som vektforholdet mellom fuktige prøver og tørre prøver, iht. ASTM D2216. Ved bruk av sylindertest måles gjerne tetthet og fuktinnhold med de samme prøvene.

Proctor-test

En Proctor komprimeringstest brukes for å vurdere om masser er egnet til bruk – altså om de får høy nok tetthet, og ved hvilke fuktinnhold som gir denne. Testen gir optimale forholdet mellom fuktinnhold og komprimering. Proctor-betegnelsen kommer R.R. Proctor som i 1933 viste at tettheten til en masse ved en gitt mengde komprimering er avhengig av fuktinnholdet til massen under komprimeringen. Tørre masser krever mye energi for å komprimeres på grunn av friksjonen mellom kornene. Vann vil senke friksjonen mellom kornene, men ved for store mengder vann vil hulrommene mellom kornene være fylte av vann og komprimering til en bestemt tetthet vil kreve et større arbeid/energimengde siden vann nå må presses ut av hulrommene. En slik test kan utføres i henhold til ASTM D698 metode A.

Oppsummering

Den termiske resistiviteten i massene nærmest kraftkabler er en av faktorene som har størst betydning for strømføringsevnen. Denne, sammen med fuktighet og tetthet kan måles i felt eller i laboratorium. SINTEF har utstyr og kompetanse til å foreta slike målinger i henhold til gjeldende standarder.