Kabelskjermer: hva er problemene og hvordan skal de løses?

Å finne gode løsninger for å unngå varmegang og havari er særdeles aktuelt i forbindelse med utbygging av vindturbiner og andre deler av strømnettet hvor det er høye og dynamiske laster. SINTEF har i flere år forsket på metallskjermer, hva som er problemene og hvordan de løses. Noe av arbeidet er oppsummert i denne artikkelen.

Havarert kraftkabel ved endeavslutning på grunn av mangelfull elektrisk kontakt mellom aluminiumslaminat og kobberskjerm.

Les mer:

• SINTEFs kompetanse innen elkraftkomponenter
• Strømføringsevnen til kabelanlegg – hva og hvordan
• Elektriske kontakter – en vanlig årsak til havari og branner
• Sensorer for å bestemme strømføringsevnen til kraftkabler
• Massene rundt kraftkablene: en viktig bidragsyter til strømføringsevnen

Kraftkabler – en introduksjon

En moderne høyspenningskabel er et høyteknologisk produkt hvor material-, konstruksjons- og produksjonsteknikk er med på å frembringe et produkt med god pålitelighet og lang levetid. De to delene som vies mest oppmerksomhet er lederen og isolasjonen som begge lages etter et sett med nasjonale og internasjonale retningslinjer og standarder.

Lederen sin hovedfunksjon er å føre den elektriske strømmen. Lederen til landkabler er vanligvis i aluminium, mens kobber brukes mest i sjøkabler. Isolasjonen er oftest laget av kryssbundet polyetylen (PEX/XLPE) og skal tåle den elektriske spenningen, som gjerne er på flere hundre tusen volt. Man ønsker høy spenning når energien skal fraktes over lange avstander for å minimere tapene.

Utenpå isolasjonen er det i norske strømkabler ofte to ulike metallskjermer: snodde kobbertråder og et aluminiumslaminat. Metallskjermenes hovedoppgaver er å:

• etablere et nullpotensial rundt isolasjonen,
• føre induktivt induserte strømmer,
• drenere kabelens ladestrømmer og
• sikre returvei for eventuelle feilstrømmer ved kortslutning (forhindre berøringsfare)

Tverrsnittet til kobberskjermen er vanligvis mellom 25 og 95 mm², avhengig av kabelstørrelse, og er fordelt på flere tråder med diameter ca. 1 mm. Selve aluminiumslaminatet er rundt 0,2 mm tykt og ble introdusert tidlig på 90-tallet for å gjøre kabelen vanntett. På den tiden var kvaliteten til isolasjonen betydelig dårligere enn i dag, der vannet trengte inn i isolasjonen og ødela denne over tid. Selv om isolasjonen er blitt mye bedre, sverger mange selskaper fremdeles til laminatet, også i innendørsinstallasjoner.

Ytterst på kabelen er det en polymerkappe (nå ofte i polyetylen) for mekanisk beskyttelse av skjermene, isolasjonen og lederen.

Induserte strømmer og spenninger i skjermen

Når det går en strøm i kabelens leder, vil det induseres strømmer og/eller spenninger i metallskjermene fra magnetfeltet i lederen. Størrelsen på strømmene eller spenningene avhenger av hvordan skjermene er koblet, strømstyrken i lederen, metallskjermenes tverrsnitt og avstand mellom kablene. Det er flere måter å koble skjermene, som «lukket skjerm», «åpen skjerm» og «krysskobling».

Lukket skjerm

Det vanligste, og også det forskriftsmessig «riktige», er å sammenkoble metallskjermene til jordingsanlegget i begge endene av kablene. Dette kalles lukket skjerm, eller tosidig jording, og medfører at en strøm induseres i skjermene. Det er viktig å være klar over at indusert strøm er uavhengig av kablenes lengde. Lukket skjerm er normalt anbefalt for lengre kabler ettersom spenningen på skjermen er tilnærmet null og kabelen er berøringssikker. Dersom kablene ligger i flat formasjon og ikke revolveres, vil det bygge seg opp en spenning selv om skjermene er lukket, men dette er i de fleste tilfeller ubetydelig.

Strømmene som ledes i skjermen er i all hovedsak avhengig av (og tilnærmet proporsjonal med) lederstrømmen og skjermenes tverrsnitt. For en typisk distribusjonskabel (240/35 mm²) vil rundt 45 A, eller 10 % av lederstrømmen, føres av skjermen dersom den er forlagt i trekantformasjon. I flat formasjon med 50 cm lysåpning, vil mer enn fire ganger så mye strøm (200 A) føres av skjermene. Dette gir 16 ganger høyere varmeutvikling! Større lederstrømmer og skjermtverrsnitt gir betydelig høyere skjermstrømmer. Ved veldig store lysåpninger mellom lederne vil strømmen i skjermen være lik strømmen i lederen. Dette er tilfelle for enkelte sjøkabler i transmisjonsnettet.

Tabell 1: Indusert skjermstrømmer dersom skjermene er lukket.

Når man vet hvor store strømmer som i normal drift føres av skjermene er det ikke tvil om at koblingsutstyret i skjøter og ved endeavslutninger er av stor betydning for påliteligheten til kabelen. Det ekstra varmetapet skjermstrømmene bidrar med, som også kan bli betydelig høyere enn varmetapet i selve lederen, reduserer overføringskapasiteten betydelig og må tas høyde for ved dimensjonering av anlegget.

Åpen skjerm

Dersom skjermene er forbundet med hverandre og jordet bare i ene enden av kabelanlegget har man en åpen skjerm, eller ensidig jording. I dette tilfellet induseres det en spenning mot jord i skjermene, men ingen strøm av betydning. Man må påse at spenningen ikke blir så høy at det er fare for liv og helse til dyr eller mennesker dersom man kommer i kontakt med kabelen.

Den induserte spenningen er proporsjonal med kabelens lengde og lederstrøm. For korte kabellengder (noen titalls til noen få hundretalls meter) er åpen skjerm en kurant løsning ettersom det ikke vil bygge seg opp nok spenning til å være farlig. Vanligvis aksepteres inntil 75-80 V i normal drift. For slike anlegg bør det monteres spenningsavledere eller andre sikkerhetsmekanismer. I alle tilfeller må anlegg med åpne skjermer merkes tydelig.

Tabell 2: Indusert skjermspenninger dersom skjermene er åpne.

Krysskobling

Det er mulig å krysskoble ved at skjermene fra de forskjellige fasene ved jevne mellomrom kobles sammen. Da utlignes magnetfeltet i skjermene noe som fører til at strømmene i metallskjermene blir veldig små samtidig som spenningsnivået blir akseptabelt. Den store ulempen er ekstra kompleksitet og kostnader. Krysskobling er vanlig på kablene med størst ledertverrsnitt ettersom utfordringen med store skjermstrømmer og/eller skjermspenninger er størst for disse. I tillegg til å krysskoble skjermene kan også kablene revolveres. Da vil eventuell spenningsoppbygging fra ladestrømmer reduseres.

Kabler med aluminiumslaminat

Kabler hvor deler av skjermen består av aluminiumslaminat, ofte kalt laminatkabler eller TSLF-kabler, fikk mye oppmerksomhet rundt årsskiftet 2022/2023 pga. gjentatte havari på Follobanen. Tilsvarende havarier er, beklagelig nok, en kjent problemstilling for mange nettselskaper.

En misforståelse er at aluminiumslaminatet som er i (tilsynelatende) kontakt med skjermtrådene langs hele kabelen ikke trenger å videreføres (skjøtes) separat i skjøter og endeavslutninger. Dette har vist seg å være en kostbar tilnærming. Realiteten er at dersom bare skjermtrådene videreføres vil strømmen overføres fra skjermtrådene til laminatet i tilfeldige kontaktpunkter langs kabelen. Dette fører til høy lokal varmeutvikling med påfølgende havari. Laminatet og skjermtrådene har ikke god elektrisk kontakt: det er begrenset kontaktkraft, det er ingen overflatebehandling, det vil være forurensninger fra produksjonsprosessen og kontakten består av to ulike metaller (kobber og aluminium). Laminatet bør alltid videreføres, på lik linje med skjermtrådene, for kabler med lukkede skjermer. Eventuelt må det være tilstrekkelig elektrisk isolasjon mellom skjermtrådene og laminatet, og skjermene må betraktes som åpne med tilhørende restriksjoner som nevnt tidligere.

Å videreføre laminatet er enklere sagt enn gjort. Aluminiumslaminatet er så tynt og skjørt at det er utfordrende å lage og montere tilstrekkelige tilkoblinger. Det finnes mange forskjellige typer skjøteutstyr, som en rasp, bendslingstråd, netting, slangeklemme, klemfjærer eller en kombinasjon av disse. Felles for disse er at utstyret i mange anlegg ofte ikke klarer å opprettholde god kontakt over tid.

For å sikre at utstyret er egnet må det ha vært gjennom tilstrekkelig testing. Skjermtilkoblingene er en av veldig få deler i kraftnettet det vanligvis ikke settes krav til ytelse og som heller ikke har vært igjennom noen form for testing. Dette skyldes i hovedsak mangel på forståelse av problemet blant aktørene i bransjen, samt at det ikke har eksistert noen normerte tester man kan henvise til. Som del av et forskningsprosjekt i 2016-2020 utviklet SINTEF sammen med andre internasjonale eksperter en testprosedyre for metallskjermer: «CIRED WG 2017-1 Test Recommendations for Ground Screen Power Cable Connections«. Ved innkjøp av skjøter bør tilkoblingene testes i henhold til anbefalingene i brosjyren. Brosjyren ble utgitt i 2021 og inneholder, i tillegg til testprosedyre, erfaringer fra flere havari knyttet til skjermene.

Generelle anbefalinger for kraftkabler med aluminiumslaminat er:

• Viderefør (koble, skjøte) alltid alle metallskjermene i alle skjøter og endeavslutninger. Dette gjelder både kobbertrådene og aluminiumslaminatet, der hvor disse finnes.
• Unngå laminat i kabler som skal ligge i tørre omgivelser, som tunneler, og gjør en grundig vurdering av behovet for laminatet i andre installasjoner. Nyere isolasjon fra anerkjente leverandører har lang levetid i vått miljø selv uten laminat.
• Vit alltid hvor store strømmer som føres av metallskjermene. Er det 10 eller 200 ampere?
• Anskaff koblingsmateriell som er tilpasset strømmen i metallskjermene og kabel- og metallskjermstørrelser. Materiellet må være grundig testet. Testanbefalingene i CIRED WG2017-1 er laget spesifikt for metallskjermer og kan brukes som referanse i innkjøpsspesifikasjonen.
• Gi montører opplæring og forståelse. Følg brukerveiledningen til punkt og prikke under montasjen.
• Ta hensyn til varmetapene i skjermene når kraftkabelen dimensjoneres.

Oppsummering

Metallskjermene i strømkabler har vært rotårsaken til flere havari. Spesielt kabler med aluminiumslaminat har vist seg å være utfordrende.  Årsaken er ofte en kombinasjon av store strømmer i skjermen og høy kontaktmotstand. I 2021 ble det utviklet en testprosedyre spesifikt for kabelskjermer. SINTEF kan bistå med beregninger, vurderinger og feilanalyse.