Maakaapeli

maakaapeli5.jpg
Kuva 1. AHXAMK-W maakaapeli ja kaapelitikkaat.

Maakaapeli on nimensä mukaisesti kaapeli, joka on tarkoitettu vedettäväksi maateitse kohteesta määränpäähän. Maakaapelia voidaan käyttää joko maanpinnan alapuolella (maan sisässä), tilapäisesti pintavetona tai esimerkiksi rakennuksissa näkymättömästi erilaisia kuiluja ja tikasrakenteita hyödyntämällä huoltotiloissa. Tavallisesti maakaapeliksi mielletään kaapeli, joka kuljettaa mediassaan sähköä (vähintään 1x230 V), mutta myös heikompien signaalien kuljettamiseen sitä käytetään. Varsinaisena sähkökaapelina tarkastelteassa maakaapeli jaetaan vielä yksi- ja kolmivaiheisiin.

Sähkön siirtoverkoissa maakaapeli on vaihtoehto ilmaeristeiselle avojohdolle. Erityisesti sähkön kiristyneiden laatuvaatimusten vuoksi sähköverkkoyhtiöt ovat alkaneet suosia sääilmiöiltä suojaan saatavaa maakaapelia 20 kV keskijänniteverkossa sähkönsiirtomediana. Verkkoyhtiöille langetettujen velvollisuuksien vuoksi yli 12 tuntia kestävät sähkökatkokset joudutaan korvaamaan asiakkaille. Avojohtoa korkeammista rakentamiskustannuksista huolimatta maakaapeli on usein kannattavampi investointi. Toisinaan, esimerkiksi pienjännitepuolella maakaapeli on käyttöteknisistä syistä (ulkovalaistus) sähkön syöttöjohtona ainoa vaihtoehto.

Rakenne

Maakaapelin tulee kestää suuria tehoja ja rasituksia sekä sääilmiöitä, jonka vuoksi sen johtimien on oltava erityisen hyvin eristettyjä. Mahdollisia ongelmia ovat kaapelin muovieristeen läpi tapahtuvat läpilyönnit tai veden pääseminen kaapelin sisään.[1]

Kaapelit voidaan jakaa rakenteensa suhteen yksijohdinkaapeleihin, kolmijohdinkaapeleihin ja kerrattuihin kolmijohdinkaapeleihin. Yksijohdinkaapelia käytetään nimensä mukaisesti yksivaihejärjestelmissä ja kolmijohtimisia kolmivaihejärjestelmissä.[2] Alla olevassa kuvassa on esitelty hyvin yleinen keskijänniteverkon kaapeli AHXAMK-W lempinimeltään "Wiski", joka tulee kaapelin tyypin viimeisestä kirjaimesta. Koko paketin halkaisija on 7,1 cm.

maakaapeli1.jpg
Kuva 2. Rekan valmistama 3-vaiheinen maakaapeli AHXAMK-W, josta yksi vaihe on kuorittu kerroksittain.


Kyseinen kolmijohdinkaapeli on Suomessa hyvin suosittu ja se on ollut jo noin 25 vuotta käytössä 20 kV järjestelmissä. Tässä kaapelityypissä siis jokainen vaihejohdin on oman ulkovaippansa alla, eivätkä yhteisen vaipan alla, kuten kerratussa kolmivaiheisessa kaapelissa. Tämä rakenne helpottaa kaapelin huoltamista. [3] Kuparinvärinen ohuempi johto on maadoitusjohto.

Suurjännitekaapeli

Seuraavassa kuvassa on halkileikkaus 110 kV kuparikaapelista, jossa erilaiset kerrokset on nimetty havainnollisesti. Riippuen kaapelista ja jännitteestä voi kuvan kerroksista osa puuttua, mutta pääperiaate on sama johtimen eristämisessä. Kuvan 2 Rekan kaapelista voi myös näitä kerroksia tunnistaa.

maakaapeli3pieni3.jpg
Kuva 3. 1-vaiheinen suurjännitekaapeli kerroksittain.


Yleensä kaapelin sisin osa eli johdin on alumiinia. Toisinaan saatetaan käyttää kuparia (kuvassa, A=630 mm2) esimerkiksi pienemmän resistanssin vuoksi. Alumiinin käyttöä puoltaa sen edullisuus, joka on merkittävää varsinkin silloin kun materiaalia tarvitaan paljon kuljettamaan suuria virtoja pitkiä matkoja. Paksuissa kaapeleissa johdin rakentuu useista langoista, sillä muuten kaapelia ei saataisi taivutettua riittävästi.[4] Monisäikeisyys parantaa myös virranahto-ominaisuuksia.[5] Johdinsuoja kasvattaa johtimen halkaisijaa ja siten lisää kaapelin jännitekestoisuutta.[6] Lisäksi sen toinen tärkeä tehtävä on muodostaa pääeristykselle mahdollisimman tasainen sisäpinta.[7] Kuvan merkintä XLPE tarkoittaa ristisilloitettua polyeteenimuovia (kutsutaan myös PEX).[8] Neljännen kerroksen pääeristyksen on oltava mahdollisimman homogeeninen. Mikäli tämä XLPE-muovi ei ole puhdas ja ontelovapaa, luo se mahdollisuudet osittaispurkauksille. Hohtosuoja ympäröi ulkopuolelta pääeristystä ja sillä on sama tarkoitus jännitekestoisuutta lisäävänä osatekijänä kuin johdinsuojallakin. Seitsemännen kerroksen kosketussuoja toimii turvallisuuselimenä. Se muodostaa vikatilanteessa kulkutien virralle maadoituksiin ja mahdollistaa suojauksien toiminnan. Tärkeä kerros on myös metallivaippa, joka estää kosteuden pääsyn kaapelin sisään radiaalisuunnassa. Kahdeksannen kerroksen pehmeää kumitäytettä käytetään osassa kaapeleista pehmentämään kontaktia kosketussuojan ja metallivaipan välillä. Ulommaisen kerroksen, eli polyeteenisen ulkovaipan tarkoituksena on suojata kaapelia mekaanisesti ja kemiallisesti. Erityisillä lisäaineilla parannetaan UV-säteilyn ja kosteuden sietoisuutta sekä palokestoisuutta.[9]

Pienjännitekaapeli

mcmk.jpg
Kuva 4. MCMK-pienjännitekaapelin periaatteellinen rakenne
Pienempää jännitettä varten tehdyn maakapelin eristeiden ei tarvitse olla yhtä massiivisia kuin edellä suurjännitekaapelissa. Talojen/kiinteistöjen pihoissa yleinen on MCMK-maakaapeli, jota käytetään esimerkiksi ulkovalaistuksen kaapeloinnissa. Sähkön siirtoon tarkoitetut johtimet ovat ohuissa kaapeleissa yksilankaista kuparia ja paksummissa useampilankaista. Suojamaa kulkee kierrettynä monilankaisena nauhana ulkovaipan alla. Tavallisesti musta eristyspinta on lyijytöntä PVC-muovia.

Oikealla olevassa kuvassa on esimerkki MCMK-kaapelista. Avatun kuoren alla näkyy ensimmäisenä suojamaa: kierretyt langat sisempien johtojen ympärillä. Lisäksi kuparin ja ulkokuoren välissä on suojaava muovikalvo. Asennettaessa yksittäiset kuparilangat kerätään yhteen ja lopuksi kuvassakin näkyvä leveämpi kuparikalvo rullataan tiukasti tämän vyyhden ympärille. Kyseessä on kohtuullisen paksu kaapeli; johtimien pinta-ala on 16mm2 ja näiden kuparit ovat useampilankaisia.

Käyttö

Maakaapelia käytetään 0,4 kV (pienjänniteverkko), 20 kV (keskijänniteverkko) sekä jonkin verran 110 kV (kantaverkko) sähkön syöttölinjoissa. Viimeisin kehitys on vienyt maakaapelia edelleen 420 kV:n asti.[10] Mitä korkeammalle jännitteelle tarkoitetusta kaapelista on kyse, sitä tärkeämmässä roolissa on eristys. Nämä lukemat koskevat käyttöä vaihtojännitteellä. Tasajännitteen kanssa tulee ongelmia hyvin voimakkaasta muovien polarisoitumisesta. Nykyaikainen tapa asentaa maakaapelia maan sisään tapahtuu auraamalla. Aurauksessa kaapeli asennetaan maahan enintään 20 cm syvyyteen vedettävällä auralla. Kivikkoalueita lukuunottamatta se on varsin suoraviivaista ja tapahtuu nopeasti.[11]

Johtimien paksuus vaihtelee pienjännitekaapelien 1,5mm2 aina suurjännitekaapelien useiden satojen millimetrien pinta-aloihin asti. Samoin kaapelin kokonaispaksuus eristeineen vaihtelee vajaasta sentistä useisiin senttimetreihin.

Ongelmat

Suurin ongelmien aiheuttaja maakaapeleissa on ikääntyminen. Sillä käsitetään yleisesti ympäristö- ja käyttöolosuhteista johtuvaa eristysrakenteen ominaisuuksien palautumatonta muuttumista ja siten jännitekestoisuuden heikkenemistä.[12] Tämän ilmeneminen tulee pahimmillaan osittaispurkauksena tai edelleen läpilyöntinä, jolloin virta pääsee kulkeutumaan johtimesta eristysten läpi. Muita mahdollisia ongelmia on veden kulkeutuminen kaapelin sisään.[13]

Osittaispurkaus voi aiheutua eristeen (kuva 3, kerros 4) materiaalissa olevista onteloista, joissa on ympäröivää eristettä alhaisempi jännitelujuus.[14] Tai kaapelin kerroksessa voi olla uloke, joka saa aikaan osittauspurkauksia muodostuneissa sähkökentän tihentymissä. Tällöin puhutaan sähköpuusta, johtuen puumaisista kanavista, jotka syntyvät voimakkaan sähkökentän vaikutuksesta eristeeseen. Jos rasituksen yhteydessä kaapeliin pääsee vettä, voi silloin syntyä vesipuu. Vettä voi joutua kaapeliin absorboitumalla esimerkiksi varastoinnin yhteydessä tai imeytymällä maaperästä.[15] Kun osittauspurkaukset jatkuvat tarpeeksi pitkään missä tahansa edellä olleista tapauksista, tapahtuu lopulta läpilyönti, jolloin elektrodit yhdistyvät ja kaapeli on vaurioitunut lopullisesti.[16]

Huolto ja testaus

Maakaapeleita koskevissa standardeissa määritellään kaapeleille tehtäviä testejä, joita ovat kappale-, erikois ja tyyppikokeet. Tyyppikokeet tehdään ennen kaapelin kaupallista valmistamista kun taas kaksi muuta edellä mainittua koskevat lähinnä käytönaikaisuutta. Kaapeleita testataan mm. johdinresistanssin ja osittaispurkauksen mittauksella, jännitekokein, jaksollisella kuormitusmittauksella, vesitiiviyskokeella, syöksyjännitekokeella ja taivutuskokeella pakkasessa.[17]

Merkintätavat

Suomessa käytetään lukuisten eri valmistajien tekemiä maakaapeleita. Valmistajia ovat mm. Reka, Draka NK, Prysmian, Nexans, Ericsson ja Tele-Fonika. Näistä Reka on suomalainen valmistaja, jonka päätoimipiste on Hyvinkäällä.[18] Maakaapeleiden merkinnät muodostuvat pitkistä merkkisarjoista. Niillä kuvataan kaapelin materiaaleja sekä ominaisuuksia, joten tyyppimerkinnät eivät ole valmistajasidonnaisia. Esimerkiksi kuvassa yksi esitelty kaapeli on tarkalleen ottaen AHXAMK-W 3x185/35Cu 12/20 kV. Alun lyhenne tarkoittaa alumiinijohtimellista halogeenitonta PEX-eristeistä kaapelia, joka on varustettu alumiininauhalla ja ulkovaippa on PE-muovia. 3x185 ilmoittaa, että kaapeli on kolmivaiheinen ja yhden vaiheen johtimien pinta-ala on 185 neliömillimetriä. 35Cu ilmoittaa, että kaapelin mukana on maadoitusjohto, jonka pinta-ala on 35mm2. (Kuva 2) Sen tehtävä on myös tukea kolmijohdinkaapelia ulkoisesti. Lopussa kerrotaan jännitetaso, jolle kaapeli on tarkoitettu.[19] Wiskin sähköisiä arvoja ovat esimerkiksi vaihejohtimien vaihtovirtaresistanssi 0,2ohm/km, induktanssi 0,34 mH/km ja käyttökapasitanssi 0,39 uF/km.[20]

Pienjännitekaapeleissa yleisimmät tyypit ovat MCMK ja AXMK. MCMK tarkoittaa PVC-muovivaippaista kuparimaakaapelia kun taas AXMK on PVC-vaippainen ja PEX-eristeinen alumiinijohtimellinen kaapeli. Esimerkkinä tarkastellaan tarkemmin yksivaiheisen MCMK 2x2,5/2,5 S 1kV merkintöjä. Siitä ilmenee kahden sisällä olevan johdon johdon, vaihe- (ruskea ulkokuori) ja nollajohtojen (sininen ulkokuori) 2,5 mm2 pinta-ala. Kenoviivan takana oleva S kuvaa kaapelin kolmatta johdinta, joka on suojajohdin/suojamaa, jossa on myös vastaava 2,5 mm2 pinta-ala. Käyttöjännitteenä käytetään yleisesti vain 230 V, vaikka jännitekestoisuus onkin ilmoitettu 1000 V asti.[21]

Asentaminen

Paksun maakaapelin asentamisessa tarvitaan melko paljon voimaa. Esimerkiksi Prysmianin 120 mm^2 AHXAMK-W kaapeli painaa 2,85 kg/m.[22] Normaalin 20 kV keskijännitekaapelin asentamisessa tarvitaan useita miehiä sekä moottoriavusteisia laitteita. Paremmin asentamistyötä havainnollistaa allaoleva kuva, jossa kyseessä on juuri Prysmianin 120mm^2 maakaapeli.

maakaapeli4.jpg
Kuva 5. Wiskin vetämistä sisätiloissa.

Tällä rakennustyömaalla kaapelia kuljettivat seitsemän miestä ja mönkijä. Vetomatka muuntamoiden välillä oli puoli kilometria ja aikaa asentamiseen kokonaisuudessaan kului muutama tunti. Tällaisissa sisätiloissa kaapelin hyllyille asentamista hankaloittavat erityisesti käännökset ja läpiviennit.

Lähteet


  1. ^ Kuitunen, A. Sähkövoimalaitosten maakaapeliverkkojen optimaalinen elinikä, Lisensiaattityö, 1993, s.19
  2. ^ Oksanen, L. Suurjännitekaapeleiden käytön erot ja yhtäläisyydet eri Pohjoismaissa ja Baltian maissa, Projektityö, 2008, s.2
  3. ^ Oksanen, L. Suurjännitekaapeleiden käytön erot ja yhtäläisyydet eri Pohjoismaissa ja Baltian maissa, Projektityö, 2008, s.3
  4. ^ Kuitunen, A. Sähkövoimalaitosten maakaapeliverkkojen optimaalinen elinikä, Lisensiaattityö, 1993, s.12
  5. ^ Oksanen, L. Suurjännitekaapeleiden käytön erot ja yhtäläisyydet eri Pohjoismaissa ja Baltian maissa, Projektityö, 2008, s.3
  6. ^ Kuitunen, A. Sähkövoimalaitosten maakaapeliverkkojen optimaalinen elinikä, Lisensiaattityö, 1993, s.23
  7. ^ Kannus, K. Luentomateriaali, 2010
  8. ^ Oksanen, L. Suurjännitekaapeleiden käytön erot ja yhtäläisyydet eri Pohjoismaissa ja Baltian maissa, Projektityö, 2008, s.3
  9. ^ Kannus, K. Luentomateriaali, 2010
  10. ^ Kannus, K. Suurjännitetekniikka 2 luentomateriaali, 2010
  11. ^ Oksanen, L. Suurjännitekaapeleiden käytön erot ja yhtäläisyydet eri Pohjoismaissa ja Baltian maissa, Projektityö, 2008, s.11
  12. ^ Kuitunen, A. Sähkövoimalaitosten maakaapeliverkkojen optimaalinen elinikä, Lisensiaattityö, 1993
  13. ^ Nousiainen, K. Suurjännitetekniikka, 2003, s.126
  14. ^ Nousiainen, K. Suurjännitetekniikka, 2003, s.126
  15. ^ Kuitunen, A. Sähkövoimalaitosten maakaapeliverkkojen optimaalinen elinikä, Lisensiaattityö, 1993
  16. ^ Nousiainen, K. Suurjännitetekniikka, 2003, s.156
  17. ^ Oksanen, L. Suurjännitekaapeleiden käytön erot ja yhtäläisyydet eri Pohjoismaissa ja Baltian maissa, Projektityö, 2008, s.9-10
  18. ^ Oksanen, L. Suurjännitekaapeleiden käytön erot ja yhtäläisyydet eri Pohjoismaissa ja Baltian maissa, Projektityö, 2008, s.14-16
  19. ^ http://www.nexans-fi.com/eservice/Finland-fi_FI/navigate_21845/AHXAMK_W_24_kV.html#top - viitattu 5.2.2010
  20. ^ http://www.prysmian.fi/export/sites/prysmian-fiFI/attach/pdf/Powercables/ahxamkw10_fi.pdf - viitattu 5.2.2010
  21. ^ http://www.sahkobit.fi/verkkokauppa/maakaapeli-mcmk-2x2525-p-579.html - viitattu 5.2.2010
  22. ^ http://www.prysmian.fi/export/sites/prysmian-fiFI/attach/pdf/Powercables/ahxamkw10_fi.pdf - viitattu 5.2.2010