Analys av för- och nackdelar vid användning av skärmade eller oskärmade kablar för strömförsörjning av flygplatsbelysning

Full text

(1)Examensarbete LITH-ITN-ED-EX--07/007--SE. Analys av för- och nackdelar vid användning av skärmade eller oskärmade kablar för strömförsörjning av flygplatsbelysning Antoinette Malki 2007-03-14. Department of Science and Technology Linköpings Universitet SE-601 74 Norrköping, Sweden. Institutionen för teknik och naturvetenskap Linköpings Universitet 601 74 Norrköping.

(2) LITH-ITN-ED-EX--07/007--SE. Analys av för- och nackdelar vid användning av skärmade eller oskärmade kablar för strömförsörjning av flygplatsbelysning Examensarbete utfört i Elektronikdesign vid Linköpings Tekniska Högskola, Campus Norrköping. Antoinette Malki Handledare Roland Burman Examinator Per-Johan Samuelsson Norrköping 2007-03-14.

(3) Datum Date. Avdelning, Institution Division, Department Institutionen för teknik och naturvetenskap. 2007-03-14. Department of Science and Technology. Språk Language. Rapporttyp Report category. x Svenska/Swedish Engelska/English. Examensarbete B-uppsats C-uppsats x D-uppsats. ISBN _____________________________________________________ ISRN LITH-ITN-ED-EX--07/007--SE _________________________________________________________________ Serietitel och serienummer ISSN Title of series, numbering ___________________________________. _ ________________ _ ________________. URL för elektronisk version. Titel Title. Författare Author. Analys av för- och nackdelar vid användning av skärmade eller oskärmade kablar för strömförsörjning av flygplatsbelysning. Antoinette Malki. Sammanfattning Abstract Sammanfattning. Under examensarbetet på Luftfartsverket i Norrköping har beräkningar, mätningar och teoretiska analyser gjorts på parallella seriesystem. Detta har givit kunskap om kablarnas uppbyggnad och användning samt induktiva kopplingen mellan de parallella kablarna. All nödvändiga fakta bygger på mina observationer och anteckningar från dessa beräkningar och teoretiska analyser. Utifrån teoretiska analyser och Maxwellsekvationer skall flera frågeställningar besvaras under förutsättningen att undersöka de för- och nackdelar som skärmade kablar ger gentemot oskärmade kablar i ett personsäkerhetsperspektiv och med avseende på störningskänslighet. Kalkyler har tagits ifrån olika litteratur, vilket har resulterat till olika uträkningar på skärmade kablar och oskärmade kablar. Sedan har de olika beräkningarna jämförts med praktiska mätningar som utfördes ute på två flygplatser, nämligen Norrköpings flygplats (med typen oskärmade kablar) och Jönköpings flygplats (med typen skärmade kablar). Personsäkerheten kunde sedan klarläggas utifrån resultaten av såväl beräkningar som mätningar. Resultaten och slutsatser har tagits fram enligt olika matematiska presentationer och teoretiska analyser, då jämförandet mellan skärmade och oskärmade kablar har gjords. Reduktionsfaktor ger en storlek på hur effektivt skärmen är, dvs. för en kabel utan metallmantel är reduktionsfaktorn k=1. Om kabel däremot omsluts av en metallskärm, är reduktionsfaktorn k&#601. Reduktionsfaktor: 0.9995 (Utan jordade brunnar). Nyckelord Keyword. Elektronik.

(4) Upphovsrätt Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare – under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga extraordinära omständigheter uppstår. Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner, skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten, säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ art. Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära eller konstnärliga anseende eller egenart. För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se förlagets hemsida http://www.ep.liu.se/ Copyright The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible replacement - for a considerable time from the date of publication barring exceptional circumstances. The online availability of the document implies a permanent permission for anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose. Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity, security and accessibility. According to intellectual property law the author has the right to be mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected against infringement. For additional information about the Linköping University Electronic Press and its procedures for publication and for assurance of document integrity, please refer to its WWW home page: http://www.ep.liu.se/. © Antoinette Malki.

(5) Analys av för- och nackdelar vid användning av skärmade eller oskärmade kablar för strömförsörjning av flygplatsbelysning. Examensarbete av: Antoinette Malki.

(6) Abstract During the thesis work at Luftfartsverket in Norrköping, calculations, measurements and theoretical analyses where made at the parallel serial circuit. This would give knowledge about the cables structure and usage and the inductive coupling between the parallel cables. All useful knowledge is built from my observation and notes from these calculations and theoretical analyses. On the basis of the theoretical analyses and Maxwell’s equations will several questions at issue be answered at the consideration of analyzing the advantage and disadvantage that screened cables give towards unscreened cables, on the basis of the safety of persons and at the sensitivity from noise. Calculations have been done from different literature which results in different computation methods for screened cables and unscreened cables. These calculations have then been compared to practical measurements. The measurements have been made at two different airports, namely Norrköping’s airport (unscreened cables) and Jonköping’s airport (screened cables). The safety of person could then be demonstrated on the base of the result from both the calculations and the measurements. The results and conclusions have been taken from different mathematical presentations and theoretical analyses, at the time where the comparison between screened and unscreened cables where made. The reduction factor gives a size at how effective the screen is i.e. for a cable without a screen is the reduction factor k=1. If the cable has an effective screen then the reduction factor k<1. Reduction factor (without earth). 0.9995. Reduction factor: (with earth). 0.91. Reduction factor: (measurements). 0.82. Considering the results one can observe that the reduction factor is less then 1 for all three mentioned cases above. At the same time you see that the reduction factor is fairly near 1, this indicates that the difference between screened and unscreened cables is not so great. This leads to that in practice one should not give any reflection to achieve a great reduction using screened cables. Calculations and measurements that have been made indicate that the inductive coupling between the parallel cables is low. The induced voltage is 14V and the current 156mA for unscreened cables and 12V and 80mA for screened cables..

(7) Sammanfattning Under examensarbetet på Luftfartsverket i Norrköping har beräkningar, mätningar och teoretiska analyser gjorts på parallella seriesystem. Detta har givit kunskap om kablarnas uppbyggnad och användning samt induktiva kopplingen mellan de parallella kablarna. All nödvändiga fakta bygger på mina observationer och anteckningar från dessa beräkningar och teoretiska analyser. Utifrån teoretiska analyser och Maxwellsekvationer skall flera frågeställningar besvaras under förutsättningen att undersöka de för- och nackdelar som skärmade kablar ger gentemot oskärmade kablar i ett personsäkerhetsperspektiv och med avseende på störningskänslighet. Kalkyler har tagits ifrån olika litteratur, vilket har resulterat till olika uträkningar på skärmade kablar och oskärmade kablar. Sedan har de olika beräkningarna jämförts med praktiska mätningar som utfördes ute på två flygplatser, nämligen Norrköpings flygplats (med typen oskärmade kablar) och Jönköpings flygplats (med typen skärmade kablar). Personsäkerheten kunde sedan klarläggas utifrån resultaten av såväl beräkningar som mätningar. Resultaten och slutsatser har tagits fram enligt olika matematiska presentationer och teoretiska analyser, då jämförandet mellan skärmade och oskärmade kablar har gjords. Reduktionsfaktor ger en storlek på hur effektivt skärmen är, dvs. för en kabel utan metallmantel är reduktionsfaktorn k=1. Om kabel däremot omsluts av en metallskärm, är reduktionsfaktorn k<1. Reduktionsfaktor: (Utan jordade brunnar). 0.9995. Reduktionsfaktor: (Med jordade brunnar). 0.91. Reduktionsfaktor: (Mätningar). 0.82. Med hänsyn till resultaten ser man att reduktionsfaktorn är mindre än 1 för alla tre ovan nämnda, vilket innebär att kabeln är en ganska bra skärm. Samtidigt är reduktionsfaktorn ganska nära 1, vilket indikerar att skillnaden mellan skärmade och oskärmade kablar inte är stort. Detta leder till att man i praktiken inte bör räkna med någon reduktion. Beräkningarna och mätningar som har gjords på inducerad spänning och inducerad ström indikerar att den induktiva kopplingen mellan de parallella kablarna är låg. Den inducerade spänningen blev 14V och inducerade strömmen 156mA för oskärmad kabel och 12V samt 80mA för skärmad kabel..

(8) Innehållsförteckning 1. Inledning .................................................................................................... 1 1.2. Syfte.......................................................................................................................... 2 1.3. Metod ....................................................................................................................... 2 1.4 Arbetsgång ................................................................................................................ 2. 2. Seriesystem för flygplatsljus .................................................................... 3 2.1 Bakgrundsteori av seriesystem ................................................................................. 3 2.2 Parallella seriesystem............................................................................................... 4. 3. Regulatorn ................................................................................................. 5 4. Serietransformatorn.................................................................................................... 6. 5. Personsäkerhet .......................................................................................... 7 5.1 Introduktion............................................................................................................... 7 5.2 Översiktlig beskrivning av ”Aeronautical ground lighting” konstant strömkretsinstallation ..................................................................................................... 7. 6. ”Aeronautical ground lighting” konstant strömkretsslingas säkerhet 8 6.1 Primär serieslinga .................................................................................................... 8 6.2 Sekundär serieslinga................................................................................................. 9. 7. Kretsanalyser .......................................................................................... 10 8. EMC ......................................................................................................... 11 8.1 Definition av störning ............................................................................................. 11 8.2 Störkällor ................................................................................................................ 11. 9. Kopplingsfaktorer................................................................................... 12 10. Kabelbundna störningar ...................................................................... 13 10.1 Lågfrekventa störningar........................................................................................ 13 10.2 Mellanfrekventa störningar .................................................................................. 13 10.3 Högfrekventa störningar....................................................................................... 14. 11. Kopplingsfaktorer för kabelbundna störningar................................ 15 12. Jordning och skärmning ...................................................................... 17 12.1 Jordning ................................................................................................................ 17 12.2 Skärmad kabel....................................................................................................... 17 12.3 Jordning av kabelskärmen .................................................................................... 19.

(9) 13. Atmosfäriska överspänningar ............................................................. 20 13.1 Åsknedslag i mark ................................................................................................. 20 13.2 Kablar med metallmantel eller skärm med isolerande hölje ................................ 20 13.3 Kablar utan metallmantel eller skärm .................................................................. 20. 14. Kraftkabel.............................................................................................. 21 14.1 Kabeltyper............................................................................................................. 21 14.2 Kabelns konstruktion och tillverkning .................................................................. 22. 15. Plaster..................................................................................................... 23 15.1 Polyvinylklorid (PVC), termiska egenskaper........................................................ 23 15.2 Polyvinylklorid (PVC), mekaniska egenskaper..................................................... 23 15.3 Polyvinylklorid (PVC), elektriska egenskaper...................................................... 24. 16. Elektriska begrepp................................................................................ 25 16.1 Resistans ............................................................................................................... 25 16.2 Induktans............................................................................................................... 26 16.3 Kapacitans ............................................................................................................ 27 16.4 Reaktans................................................................................................................ 28 16.5 Impedans ............................................................................................................... 28. 17. Elektromagnetiska modeller................................................................ 29 17.1 Modell med ömsesidig induktans .......................................................................... 29 17.1.1 Beräkning av ömsesidig induktans........................................................................................... 29 17.1.2 Bankantsljus för oskärmad kabel ............................................................................................. 30 17.1.3 Bankantsljus för skärmad kabel ............................................................................................... 32. 17.2 Det magnetiska fältet ............................................................................................ 35 17.2.1 Induktionslagen........................................................................................................................ 35 17.2.2 Induktans.................................................................................................................................. 37 17.2.3 Oskärmade kablar .................................................................................................................... 38 17.2.4 Skärmade kablar....................................................................................................................... 40. 17.3 Biot-Savarts lag .................................................................................................... 42 17.3.1 Beräkningar på den magnetiska fältstyrkan ............................................................................ 43 17.3.2 Beräkningar på fältstyrkan i en specifik punkt......................................................................... 45. 17.4. Transienta förlopp ............................................................................................... 47. 18. Mätning.................................................................................................. 49 18.1 Allmänt.................................................................................................................. 49 18.2 Avbrott i serieslinga.............................................................................................. 49 18.3 Sluten serieslinga .................................................................................................. 50 18.4 Mätningar på Jönköping flygplats ........................................................................ 51. 19. Diskussion/Slutsats................................................................................ 52.

(10) 20. Referenser.............................................................................................. 55 Manualer: ..................................................................................................................... 55 Rapporter:..................................................................................................................... 55 Litteratur:...................................................................................................................... 55. 21. Bilagor.................................................................................................... 57.

(11) Figurförteckning Figur 1: Serieslinga............................................................................................................. 3 Figur 2: Principritning på parallella seriesystem................................................................ 4 Figur 3: Förenklad principriktning av regulator Figur 4: CCR (Constant Current Regulator) ...................................................................... 5 Figur 5: Principritning på serietransformator Figur 6: Exempel på serietransformator............................................................................. 6 Figur 7: Ekvivalent krets över AGL konstant strömkrets .................................................. 7 Figur 8: Direkt eller indirekt kontakt – sekundära serieslinga ......................................... 10 Figur 9: Längspänning (Common mode) och tvärspänning (Differential mode) ............ 12 Figur 10: Typisk åsköverspänning ................................................................................... 13 Figur 11: Typisk transient vid brytförloppet .................................................................... 14 Figur 12: Typiskt förlopp vid brytning av strömmen till oavstörda elektromekaniska kontaktorer ........................................................................................................................ 14 Figur13: Normal mode spänning (tvärspänning) ............................................................. 15 Figur 14: Common mode spänning (längsspänning) ....................................................... 15 Figur15: Mekanismer vid störning................................................................................... 16 Figur 16: Signalkretsen bör jordas i en punkt .................................................................. 17 Figur 17: Skärmens impedans i längdriktning ................................................................. 18 Figur 18: Symboler för a) skyddsjord b) funktionsjord c) chassijord .............................. 19 Figur19: Kabeluppbyggnad.............................................................................................. 22 Figur 20: Diagrammet visar isoleringsresistansen som är beroende av tiden. ................. 24 Figur 21: Induktansen för en enledarkabel som löper parallellt med en återledare. ........ 26 Figur 22: En skiss av många olika skikt en 1- ledarkabel har.......................................... 27.

(12) Figur 23: Översiktligt skiss på skärmade kablar .............................................................. 33 Figur 24: Skiss över de tre olika resistanserna i parallellform......................................... 33 Figur 25: En sluten elektrisk krets.................................................................................... 35 Figur 26: Figuren visar en schematisk bild av elektriska fältlinjer i en krets bestående av en tråd kopplad till ett motstånd när det magnetiska flödet genom kretsen ut ur pappret ökar. .................................................................................................................................. 36 Figur 27: Strömmen i slinga 1 ger upphov till ett flöde genom slinga 2.......................... 37 Figur 28: En översiktlig skiss över bankantljusen för oskärmade kablar. ....................... 38 Figur 29: Figuren visar en översiktlig figur över Jönköpings flygplats bankantljusen.... 40. r Figur 30: Figuren visar att detta område är dB vinkel rätt mot planet............................. 42 Figur 31: En rektangulärslinga som visar en enkel bild på banan. .................................. 43 Figur 32: Figuren visar än en gång en skiss på landningsbanan. ..................................... 45 Figur 33: Två magnetiska kopplade el-kretsar. Den ena ansluts till en likspänning, när den andra är kortsluten...................................................................................................... 47 Figur 34: Exempel hur avbrott ser ut i serieslinga ........................................................... 49 Figur 35: Exempel på en sluten serieslinga...................................................................... 50 Figur 36: Harmoniska diagrammet för den inducerade spänning då slingan är öppen.... 77 Figur 37: Mätningen på den inducerade strömmen då slingan är sluten.......................... 77.

(13) Tabellförteckning Tabell 1: 5 st. justerbara intensitetsnivåer .......................................................................... 5 Tabell 2: Genomslagsfältet med approximativt värde, kV/m........................................... 20 Tabell 3: Öppen slinga vid mätning av den inducerade spänning för oskärmad kabel. ... 50 Tabell 4: Kortsluter slingan vid mätning av den inducerade strömmen för oskärmad kabel.................................................................................................................................. 50 Tabell 5: Öppen slinga vid mätning av den inducerade spänning för skärmad kabel. ..... 51 Tabell 6: Kortsluter slingan vid mätning av den inducerade strömmen för skärmad kabel. ........................................................................................................................................... 51 Tabell 7: Sammanfattande resultat för inducerad spänning.............................................. 52 Tabell 8: Sammanfattande resultat för inducerad ström................................................... 52 Tabell 9: Sammanfattande resultat på reduktionsfaktorn ................................................. 54.

(14) 1. Inledning Luftfartsverket (LFV) är ett affärsdrivande statligt verk, vars uppgift är att driva flygplatser och flygtrafikledning. LFV ska också ansvara för att säkerheten inom flyget är hög. LFV teknik är en intern konsultorganisation inom LFV med flygplatskompetens med mer än 30 års erfarenhet och står för en i branschen unik helhetssyn som inbegriper människa, marknad och teknik. Luftverkets erfarenhet och helhetssyn omsätts i dag i kostnadseffektiva och miljöriktiga flygplatser med hög säkerhet och tillgänglighet. Som en del av Luftfartsverket är deras roll att utveckla det svenska flygplatssystemet och deras unika kompetens gör dem till kunskapspartner för flygplatskunder världen över. I dag består LFV teknik av cirka 40 personer som är verksamma inom tre produktområden: • Elteknik • Markanläggning & bygg • Flygplatssystem & utveckling Luftfartsverket har huvudkontoret i Norrköping och driver fjorton statliga flygplatser samt ansvarar för den civila trafiken på två militära flygplatser.. 1.

(15) 1.2. Syfte Syfte med examensarbete är att med hjälp av teoretiska studier, beräkningar, simuleringar och mätningar undersöka de för- och nackdelar som skärmade kablar ger gentemot oskärmade kablar i ett personsäkerhetsperspektiv och med avseende på störningskänslighet. Examensarbetets eltekniska omfattning sträcker sig från den matande strömkällan CCR (Constant Current Regulator) till flygplatsljusen. Vid analys av skillnader mellan skärmade och oskärmade kablar med avseende på personsäkerhet beaktas olika aspekter såsom underhåll, kontroll och service. Analys av skillnader i störningskänslighet utgår från en kartläggning av möjliga störkällor som kan påverka belysningssystemet och där inkluderas även fysisk påverkan på kablarna via mekaniska åverkan och avisningsmedel.. 1.3. Metod Den metod som användes för att analysera skillnader mellan skärmade och oskärmade kablar med avseende på personsäkerhet samt störningskänslighet är att utföra studium av seriesystemets uppbyggnad och ingående komponenter. Studium utfördes också på CCR och serietransformatorn samt litteraturstudier gjordes för att få en bra teoretisk bakgrund på högspänningskablar och Maxwells ekvationer. När ytterligare information behövdes togs kontakt med handledaren Roland Burman samt min examinator Per-Johan Samuelsson och handledare på institutionen Lars Backström. Dessa deltog i en dialog med mig, där de flesta av mina frågor besvarades.. 1.4 Arbetsgång I examensarbetet ingick följande arbetsmoment: • • • • • •. Studium av seriesystemets uppbyggnad och ingående komponenter. Studium om vilka krav som kan ställas på personsäkerhet i samband med arbete av belysningssystemet. Identifiering av möjliga störkällor och driftstörningsorsaker. Analys av skillnader mellan kabeltyperna med avseende på störningskänslighet. Mätningar i anslutning till gjorda analyser. Formulering av slutsatser utgående från teoretisk analys, mätningar och simuleringar.. 2.

(16) 2. Seriesystem för flygplatsljus Fram till 1987 har Sverige hållit sig till mer traditionella parallellsystem. Studier kring seriesystem har gjorts vilket indikerar att det är mycket mer uppskattad både ur ekonomisk och ur tekniks synvinkel än parallellsystemet. All material som används i seriesystem är standardiserad och det finns relativt stort antal leverantörer i världen. Material för parallellsystemet är konstruerat mera speciellt för respektive anläggning och finns inte att köpa direkt från ”hyllan”. Exempel på några av seriesystemets fördelar nämns nedan. • Samtliga lampor i en slinga lyser alltid med samma ljusstyrka, oberoende av inställd ljusintensitet, eftersom samtliga lamptransformatorer i seriesystemet genomflyts av samma ström. • I ett seriesystem förekommer det inga problem med varierade spänningsfall i kablarna p.g.a. lampbortfall eller olika inställning av ljusintensiteten. • Ett eventuell jordfel i seriekretsen förorsakar inte någon störning i ljussystem, eftersom seriekretsen är ojordad. Genom jordfelsövervakning signaleras jordfelet som då kan avhjälpas utan att flygsäkerheten påverkas. • Strömmen i seriekretsen är låg, max 6.6 A, vilket medför att kablar med klen area, 6mm2, kan användas utan att ledningsförlusterna blir nämnvärda. • Då man matar hela ljusanläggningen från endast en transformatorstation, följer en betydligt lägre investeringskostnad för ett seriesystem jämfört med ett parallellsystem.[5]. 2.1 Bakgrundsteori av seriesystem. Figur 1: Serieslinga. Konstant strömregulator (CCR) matar ett antal seriekopplade transformatorer med omsättning 1:1, vilket innebär att lika stor ström på primärsidan som på sekundärsidan. Vid varje serietransformator är en lampa ansluten, p.g.a. att serietransformatorernas omsättning är 1:1 blir strömmen i slingan och strömmen genom lamporna lika. Strömmen i kretsen regleras så att den är konstant, 0-6.6 A. Storleken på den utgående spänningen i kretsen kommer att bero på hur stor effekt som är ansluten i kretsen, dvs. hur spänningen beror på hur många lampor som kretsen matar. En vanligt förekommande effekt på lamporna är 200W/lampa. Kabel i kretsen består av enledarkabel.[5] 3.

(17) 2.2 Parallella seriesystem. CCR A. CCR B. Figur 2: Principritning på parallella seriesystem. Figuren ovan illustrerar en principritning på parallella seriesystem på landningsbanor. Utifrån figuren ser man två parallella slingor, där varje slinga försörjer varannan lampa och man ser att varje slinga matas av en enskilt CCR, vilket betyder att dessa parallella slingor inte alls har någon koppling dem emellan. Skulle det dyka upp några problem på ena slingan medför det att alla lampor i denna slinga kommer att slockna men detta behöver inte vara något problem för den andra slingan som fortfarande är i drift. Den slingan som är i drift kommer fortfarande att försörja de lampor som finns på den slingan och utifrån att varje slinga försörjer varannan lampa kommer man att hålla kvar det mönster som efterfrågas på varje laddningsbanna. Att hålla kvar ett visst mönster på laddningsbanan eller på inflygningslinjen är väldigt viktigt för piloten som landar flygplanet. Mönstret som byggs från hur lamporna placeras ute på landningsbanorna talar om för piloten, att han kan börja förbereda sig för landning. Mönstret talar också om när landningsbanan börjar och hur stor bredden på landningsbanan är och var landningsbanan slutar så att piloten inte hamnar helt fel vid landningen. Vad händer om man tar och öppnar ena slingan och låter den andra slingan vara i full drift, alltså vad är den inducerade spänningen på den öppna slingan? Eller tvärtom om man kortslutar slingan och låter den andra slingan fortfarande vara i fulldrift, alltså vad är den inducerade strömmen på den kortslutna slingan? Dessa två frågor ställdes utifrån funderingar av personsäkerhet, eftersom det är väldigt vanligt med personer som arbetar på flygplatser kan komma i kontakt med den slinga som är öppen eller sluten i sammanhang då en lampa skall bytas ut. Utifrån teoretiska beräkningar kan kanske detta ge oss någon förståelse för hur stor skillnad det är på skärmade kablar och oskärmade kablar. Svar på dessa två frågor kan man läsa mer om senare i rapporten där olika teoretiska beräkningar redovisas, både för skärmade kablar och oskärmade kablar. [2] [3]. 4.

(18) 3. Regulatorn Regulatorn är en så kallad konstant ström regulator CCR (Constant Current Regulator), avsedd att försörja en seriell lampslinga med en konstant ström. Regulatorn skall producera en konstant ström oberoende av variationer i lasten och inom vissa begränsningar av variationer i matande nät. CCR:en har vanligtvis 5st justerbara nivåer mellan 2.8 och 6.6A. Tabell 1: 5 st. justerbara intensitetsnivåer. Nivåer 1 2 3 4 5. Utgående ström (true r.m.s) [A] 2.8 3.4 4.1 5.2 6.6. De vanligast förekommande standardstorlekarna på regulatorerna är 2.5kVA- 5kVA7.5kVA- 10kVA- 15kVA- 20kVA. Inmatningsspänningen är 230V± 10 % eller 400V± 10 %, 230V förekommer endast på de mindre regulatorerna. Regulatorn är försedd med utrustning för att känna av och kunna ge larm om någon lampa i kretsen faller ur. [5]. Figur 3: Förenklad principriktning av regulator. Figur 4: CCR (Constant Current Regulator). 5.

(19) 4. Serietransformatorn Serietransformatorn består av en järnkärna och två galvanisk skilda lindningar. Transformatorn är konstruerad för 6.6A ström med omsättning 1:1 (dvs. 6.6A på primärsidan ger 6.6A på sekundärsidan) se figurerna 5 och 6. Serietransformatorn är försedd med 2st. enpoliga kontakter (hane + hona) för anslutning på primärsidan. Anslutningen sker med hankontakt mot matande sida och honkontakten för vidare i slingan. Anslutning av armaturen sker med en 2-polig kontakt. [5]. Figur 5: Principritning på serietransformator. Figur 6: Exempel på serietransformator. 6.

(20) 5. Personsäkerhet 5.1 Introduktion Huvudmålet med denna information är att beskriva bakgrunden till utvecklingen av person- och jordningsäkerheten för AGL (Aeronautical ground light) konstant strömkretsinstallation för nominell 6.6 A RMS.. 5.2 Översiktlig beskrivning av ”Aeronautical ground lighting” konstant strömkretsinstallation AGL (aeronautical ground lighting) drivs normalt från en konstant strömregulator (CCR). Uppbyggnad av varje individuell elektrisk krets består av en enstaka kabelslinga med många påkopplade belastningar med hjälp av AGL serie transformator. Den enstaka kabelslingan, även kallad primärslinga, de påkopplade belastningarna, även kallade sekundärslinga. Med hjälp av en konstant strömregulator (CCR) som matar ett antal seriekopplade transformatorer med omsättning 1:1, vilket innebär att lika stor ström på primärsidan som på sekundärsidan. Om fler än ett jordfel uppstår i kretsen kan detta leda till allvarliga såväl säkerhets som operativa konsekvenser. Figur 7 ger en översiktlig beskrivning på hur den elektriska kretsen för ett serie system kan illustreras. [4]. Figur 7: Ekvivalent krets över AGL konstant strömkrets ZI= Ekvivalenta impedansen, refererar till primära seriekretsen. ZL= en del av impedansen ZI, den representerar seriekretsen vid olika jordfel. RL= Den ekvivalenta resistansen av lampan. RB= Människokroppens resistans. CPS= Kapacitansen mellan den sekundära och primära lindningen på AGL serietransformatorn. GS= Under normala förhållanden är GS en strömkälla och värdet av IS är lika med den ström som flyter genom den primära serieslingan (Is=IP för detta fall). CPG= Representerar kapacitansen till jord för den primära serieslingan. RJ= Representerar resistansen till jord i varje punkt där jordfel kan vara möjligt. Resistansen RJ som ligger i parallell med CPG representerar den totala krets isolationen. [4]. 7.

(21) 6. ”Aeronautical ground lighting” konstant strömkretsslingas säkerhet Fara kan existera när: • Den mänskliga kroppen är i direkt kontakt med en strömförande slinga. Denna situation kan förekomma när man kopplar ifrån en spänningsförande slinga (kan gälla både för primärsida eller sekundärsida). • Den mänskliga kroppen är i direkt kontakt med en slinga som är inducerad med indirekt ström från en strömförande slinga eller genom direkt kontakt med en ledande del av en strömförande slinga. De två nämnda punkterna ovan kan delas in i två grupper, i relation till det område som faran kan existera i, nämligen: • till primärslinga • till sekundärslinga För både fallen kan fara uppstå genom: • Dålig förbindelse • Försämring av kabelisolering på grund av mekanisk påfrestning, kemisk reaktion, gnagare etc. • Tillträdde av vatten • Ofullständig isoleringstransformator, läckage till jord eller till sekundärsidan • Överspänningar som har orsakas av åsknedslag Regulatorn är försedd med utrustning för att känna av och kunna ge larm om någon lampa i kretsen faller ur. [4]. 6.1 Primär serieslinga Den primära serieslingans installationer är avsedda för många års funktionell service utan behov av ingripande eller underhåll när slingan är strömförande. Det är därför den primära slingan inte i allmänhet är tillgänglig. Avsiktlig direktkontakt är inte heller möjlig. Proportionerna på isoleringen skall kontrolleras regelbundet, inte bara för att förlänga livslängden på kabel utan även minska risken för fara av högt strömläckage. Med spänning på ca: 2400V kommer troligen det elektriska fältet inte att vara helt isolerad inom en oskärmad kabels isolering. Störst risk är det för personen, då detta kan leda till potentialproblem, yturladdning och spårning av ytan vid kabels ändelse Att ladda ur och spåra ytan leder till att isoleringen försämras vilket resulterar i ett misslyckande av kabelfunktion. Dessa problem är mer vanliga inom våta områden eller inom områden där kabelytan förorenas. Följaktligen måste isolationsresistansen, R, vara så hög som möjligt.. 8.

(22) De lägre gränserna bedöms av denna approximation:. Rmin. S 30 I I Z = P L = P = 6.6 = 113.6kΩ I B 0.04 IB. S= nominell strömmen i kVA IP= RMS strömmen IB= den dödliga kroppsströmmen Rmin= är den absoluta minimala värdet på isoleringen. Den primära slingan kan vara upp till 10 km lång, således kommer de kapacitiva läckagen vara lika betydelsefulla som resistansen i den upplysta landningsbana.[3] [4]. 6.2 Sekundär serieslinga I motsatts till primärslingan, sker det mer arbete på den strömförande sekundära slingan. Detta sker på grund av att arbetet med den sekundära slingan är mer tillgängligt samt mer lämpligt då det är den som är i mest behov av service. Det är även av denna orsak som arbetet i direkt kontakt med slingan betraktas som icke säkert. Människosäkerheten kan beaktas genom att man tar hänsyn till de elsäkerhetsanvisningarna som följer med för varje arbete som sker på sekundärslingorna, t.ex. att bära lämpliga skyddshandskar. Även om den sekundära slingan har blivit bortkopplat (öppen krets) från sin spänningskälla, finns faran fortfarande där på grund av förbindelsen med andra kretsar, vilket kan leda till identifikation av fel kabel, vatten (kablarna kan vara översvämmade) och dåligt med kabelisolering (resulterar i strömläckage).[4]. 9.

(23) 7. Kretsanalyser Figur 8 nedan illustrerar en ekvivalent sekundär krets där det sker en direkt eller indirekt kontakt med den mänskliga kroppen (med indirekt eller direkt kontakt menas i detta sammanhang att man antingen är väldigt nära lampan eller att man rör vid lampan). RB, representerar den mänskliga kroppens impedans i avseende på kontakt med jord (≈ 1 kΩ) , ZSL är den resistiva sekundära belastningsimpedansen, IB är den ström som flyter genom kroppen (=IS, se figur 7), där den möjliga maximala IB är på 8.25A, och K är den förbindelse till den position som kontakten sker av sekundär serieslingan.. Figur 8: Direkt eller indirekt kontakt – sekundära serieslinga. Arbetet som sker med den sekundära slingan, t.ex. vid byte av en trasig lampa (öppen krets), kommer den mänskliga kroppen att inkluderas med den sekundära slingan eftersom den är i parallell med lampan. Spänningen VOC måste begränsas till 50 V. Den egentliga strömmen genom kroppen kommer att vara begränsad av den mättade AGL serie transformator. Genom att jämföra ZSL och RB, tas ZSL fram enligt följande beräkning:. Z SL =. VOC 50 = = 6.06Ω IB 8.25. Detta värde skall helst jämföras med kretsens impedans för ett falskt tillstånd. [4]. 10.

(24) 8. EMC EMC (Electromagnetic Compatibility) är en utrustning eller ett systems förmåga att fungera funktionsenligt utan att störas ut eller störa andra i sin elektromagnetiska omgivning. Utan minsta tvekan är det endast användningen av Maxwells teorier som kan leda till fullständiga EMC-lösningar. Det betyder att fullständig elektromagnetisk skärmning kompletterad med passande filter alltid ger det skydd mot det elektromagnetiska fältet, och därmed det resultat, som förväntas och beräknas fram. [12]. 8.1 Definition av störning Om man analyserar signalerna i ledningar till en elektronikapparat kommer man att finna spänningskomponenter av mer eller mindre transient natur som induceras i kretsen på oavsiktligt sätt. Dessa spänningar behöver inte märkas på någon funktion. Om störspänningarna är av sådan storlek att de påverkar den normala funktionen hos apparaten talar man om en funktionsstörning. En funktionsstörning kan vara direkt övergående eller kvarstående under en viss tid. Funktionsstörning i digitala kretsar yttrar sig i form av: • En falsk funktion, dvs. mottagarapparaten uppför sig som om den mottagit en verklig signal. • En utebliven funktion, dvs. mottagarapparaten vägrar fungera på rätt sätt trots att den tog emot en verklig signal. Funktionsstörningar i analoga signalkretsar yttrar sig i form av falska mätvärden, som t.ex. avvikelse i amplitud under viss tid. Om störspänningen överskrider apparatens tillåtna spänningsnivå kan detta medföra komponentförstörelse. [12]. 8.2 Störkällor Det finns flera störkällor inom industrin som man måste beakta för en störningsfri funktion. Deras indelning är följande: 1. Kabelbundna störningar Den här gruppen har ett mycket brett frekvensområde och kan indelas i följande tre grupper: a. lågfrekventa störningar (spänningsdipp och spänningsavbrott inkluderade) b. mellanfrekvensstörningar c. högfrekvensstörningar. 11.

(25) Utöver de kabelbundna störningarna kan elektroniken påverkas av elektromagnetiska fält i form av: 2. Elektrostatiska urladdningar som sker med höga frekvenser. 3. Radiostörningar i frekvensområdet 9kHz - 3000MHz. 4. Lågfrekventa magnetiska fält från kraftutrustningar tillförande det elektriska nätet. Att skydda en utrustning mot de tre sistnämnda grupperna är ofta en fråga om lämplig kapsling samt en lämpligt vald kabel (partvinnad skärmad kabel) och utlagd kabelförbindelse (separerade kablar). [12]. 9. Kopplingsfaktorer Det är mycket viktigt att förstå hur man får in störningar i elektroniken och hur man kan undvika, respektive minska deras inverkan. Koppling till elektroniken sker på alla tekniskt möjliga sätt, dvs. • induktiv • kapacitiv • konduktiv • genom strålning Man undviker olämplig påverkan på apparaten genom att minska kopplingen av störkällor till elektroniken. Detta är speciellt viktigt för högfrekventa signaler där störsignal och signal är i samma frekvensområde. Samtliga störningar kan uppträda som längsspänningar och tvärspänningar, se figur 9.. Figur 9: Längspänning (Common mode) och tvärspänning (Differential mode). I störningsavseende har en riktigt utformad jordning och skärmning en avgörande betydelse då de minskar kopplingsfaktorerna under förutsättning att de är riktigt utförda. [12]. 12.

(26) 10. Kabelbundna störningar 10.1 Lågfrekventa störningar Alla kretsar (omkring <10kHz) som har pulserade eller varierande spänning eller ström, är blivande störkällor även i normal drift. Huruvida en störspänning kan iakttages i en ”mottagande” krets, beror på kopplingsgraden samt den mottagande kretsens känslighet, dvs. signal/störfaktorn. Eftersom både störande och störda kretsar ofta är jordade, uppstår p.g.a. jordströmmar och obalans i starkströmsnätet potentialskillnader mellan jordningspunkterna. P.g.a. detta har vi också en galvanisk, eller åtminstone delvis galvanisk, jordpotentialkoppling. Svåra driftfrekventa störningar uppstår vid jordfel i direktjordade högspänningsnät. Även dubbla jordfel i icke direktjordade system måste tas hänsyn till. Jordspänningar kan, nära jordfelet, bli någon eller några volt per meter i jordlinenätet. I kraftledningar har man alltid ett utbrett jordlinenät, som hjälper till att förgrena jordfelsströmmar via låga impedanser till olika jordtag. [12]. 10.2 Mellanfrekventa störningar Kretsar med tyristorer kan t.ex. alstra störningar med ca 1MHz frekvens, men även lägre frekvenser förekommer (området är mellan 10kHz- 3MHz). De orsakas av de spänningsderivator som uppstår då tyristorerna tänder. Vid normala kopplingsförlopp i högspänningsställverk alstras höga störspänningar, likaså vid jordfel och åsknedslag. Åska medför transienta störspänningar i utbredda ledningsnät. Flertalet åsköverspänningar i ledningssystem för lägre spänningar orsakas av induktiv eller kapacitiv koppling till blixturladdningar och inte av direkt nedslag. Transienternas karaktär, spänningsamplitud och antal varierar kraftigt mellan olika ledningssystem. De typiska åsköverspänningarna är dock av 1.2/50µs (Figur 10 illustrerar att 1.2µs är där Tr är markerat i figuren och 50µs är där T’pw är markerat i figuren) form och kan vara några 10kV i amplitud.. Figur 10: Typisk åsköverspänning. 13.

(27) Vid manöver av strömbrytare och frånskiljare uppstår ljusbågar. Brytförloppet ger därvid långsammare transienter än i t.ex. relä- kretsar, men är mycket energirikt. Denna typ av störspänning påverkar främst elektronikutrustningens jordningssystem och kraftmatning men kopplas även till signalkablarna. Typisk kurvform visas i figur 11. [12]. Halv amplitud efter 3-6 perioder Figur 11: Typisk transient vid brytförloppet. 10.3 Högfrekventa störningar Mekaniska eller elektromekaniska kopplingselement som bryter strömmar ger gniststörningar, vilka innehåller frekvenser i storlek 10-100MHz. Det värsta fenomenet uppstår vid brytningen av oavstörda induktiva laster. Brytförloppet blir också utdraget (1-10ms) om kretsarna är induktiva. Kontaktorer ger ofta amplituder på 4-8kV, kopplingselement kan ge från några 100V till några kV. De låga amplituderna kommer från avstörda kontakter som studsar vid tillslaget. De högfrekventa gniststörningarna är i regel de värsta störkällorna. Med sina höga spänningsderivator gör de att det behövs relativt små överhörningskapacitanser för du att ge störande strömmar i en känslig krets ( i = C eller I = ωCU ) dt Två parallella tätt hopbundna ledare har kapacitans 100pF/m, vilket betyder för 100MHz 1 Z0 = = 15Ω / m [12] ωC. De låga amplituderna som studsar vid tillslaget Figur 12: Typiskt förlopp vid brytning av strömmen till oavstörda elektromekaniska kontaktorer. 14.

(28) 11. Kopplingsfaktorer för kabelbundna störningar För att störning skall uppstå i en mottagande krets, krävs en viss närhet, koppling till störkällan. Störningar i de lägre frekvensområdena är ledningsbundna, och då blir självfallet kopplingen mellan störande och störd ledning proportionell mot den gemensamma längden och närheten mellan ledarna. Alla störningar uppträder på följande sätt: • I normal (serie) där störsignal är direkt överlagrad signalspänningen. Orsaken är obalansen i kabeln (kretsen). Fenomenet dämpas mycket snabbt beroende på förluster i kabeln, se figur 13.. Figur13: Normal mode spänning (tvärspänning). •. I common (gemensam) mode som längsspänning, den kan inte dämpas och är därför mycket farligare, se figur 14.. Figur 14: Common mode spänning (längsspänning). 15.

(29) Figur 15 åskådliggör schematiskt fyra olika typer av störningskoppling. Figur15: Mekanismer vid störning 1 Störkälla 2 Stört objekt 2a Signalkälla 2b Dator. C1-C3 Strökapacitans Kopplingskapacitans CS ESD Elektrostatisk urladdning Ström IS. MS Ömsesidig induktans US Spänningsfall i jordlina ZJ Impedans av jordlina. Den störande ledningen med sina störande storheter VS och IS kan påverka signalkretsen på tre olika sätt, via den ömsesidiga induktansen MS via kopplingskapacitanser CS och via gemensamma jordimpedansen ZJ (via apparatkapacitanserna C1 och C2). Dessutom finns det koppling genom strålning. [12]. 16.

(30) 12. Jordning och skärmning 12.1 Jordning I figur 16 har vi en signalkrets som utsätts för magnetiska och kapacitiva störningar från en ledning. Därtill har vi jordpotentialskillnader ES. Alla tre störkopplingarna ger upphov till längsgående strömmar IS som kopplas via apparat- och ledningskapacitansen C1 och C2 och jord. Hela kretsen skulle flyta på okontrollerad störnivå om den inte jordades på något ställe. [12]. Figur 16: Signalkretsen bör jordas i en punkt. 12.2 Skärmad kabel En betydande del av de problem som förekommer i praktiken orsakas av instrålning från kraftiga HF - källor eller av utstrålning från elektroniska apparater. Dessa störningskällor fortplantar sig huvudsakligen på anslutningskablar, vilka uppträder som effektiva antenner. Detta gäller upp till de frekvenser där de fysikaliska dimensionerna av apparaten och dess kablar har lämplig längd med hänsyn till våglängden λ av störsignalen. Ett speciellt problem är koppling från en kabel med en kraftig signal till en kabel med en svag signal eller överkoppling av en störning på en nätansluten kraftkabel till en signalkabel. Detta problem brukar förstärkas genom att kablar ligger hopbuntade på kabelstegar. Detta är orsaken till att man måste intressera sig för skärmning av kablar. Liksom för övriga skärmobjekt bestäms kabelskärmens verkningsgrad av fältets intensitet och skärmmaterialets absorption och reflektionsegenskaper.. 17.

(31) Skärmen har speciell utformning som ett långt rör, vilket betyder att de strömmar som går genom skärmen i längdriktningen skall inducera en längsspänning i kabelns interna ledare i förhållande till skärmen. Skärmens förmåga att hindra den här spänningen att uppstå definieras med så kallad kopplingsimpedansen ZK (även transferimpedans ZT) U Z K = Z T = i (Ω) I Där I är den ström som störfält injicerar (trycker) genom skärmen. Ju mindre värdet är för ZK desto mer effektiv är skärmen. ZK anges mycket ofta i mΩ/m och uppfattas som skärmens impedans i längdriktningen.. Figur 17: Skärmens impedans i längdriktning. Kopplingsimpedansen ZK är därför en funktion av: • skärmmaterialets ledningsförmåga och flätans utförande • kontaktresistans mellan de enskilda trådarna • trådarnas tjocklek • flätans täthet i % • skärmens geometriska mönster (stigning) Av dessa parametrar är det geometriska mönstret som är viktigast. Exempel på kabeltyper där det finns skärmar: • 2-, 3-, 4- eller 5-ledar slutna kraftkablar (inklusive bly -kabel) • partvinnade kablar • multiledarkablar • koaxialkablar, där skärmen är returledare • kablar med flera koaxialkablar • twinax kabel Utformning av kabelskärm • omlindning med metalltråd • flätad strumpa i många utformningar • speciella skärmar för dämpning av LF magnetiska fält • kablar med blymantel Vid låga frekvenser representerar ZK skärmens resistivmotstånd, medan vid höga frekvenser representerar alla ofullkomliga skärmar induktiv impedans LS som stiger 20dB/dekad ( Z K = jωLS ). Omlindningen med Cu-trådar orsakar redan vid låga frekvenser en egeninduktans. [12]. 18.

(32) 12.3 Jordning av kabelskärmen Det är chassijordningen som har en avgörande betydelse för EMC- egenskaper. Alla andra anslutningar av skärmar ger ofullständiga lösningar. Genom att de flesta industriella utrustningar matas med en spänning som är större än 50 VAC/120 VDC är alla metalliska chassier skyddsjordade. Där kan skärmen chassijordas i bägge ändarna, utan att den behöver vara kopplad till ”moder jord”. Därför är det av avgörande betydelse att använda de rätta symbolerna för skyddsjord, funktionsjord och chassijord, se figur 18.. Figur 18: Symboler för a) skyddsjord b) funktionsjord c) chassijord. Jordning av kabelskärmar är beroende av: • signalens frekvensområde och amplitud • inre utbyggnader av elektroniken • frekvensområde och amplitud av LF störsignal t.ex. spänningsfall i jordningssystemet • frekvensområde och amplitud av HF störsignal • matningssystem Huvudregeln är att skärmen skall jordas i bägge ändarna för att vara verksam. Detta är dock absolut omöjligt om de två jordpunkterna är överlagrade med en kraftigt LF nätfrekvens störspänning (t.ex. 50, 60 Hz) eller med andra LF signaler. Om en skärm skulle jordas till dessa två punkter med en överlagrad lågfrekvent störspänning skulle resultaten bli en störström via skärmen och till jord, som bildar ett magnetiskt fält och kopplas till signalkretsarna. I vissa situationer är den uppkomma strömmen så kraftigt att skärmen kan brinna sönder. [12]. 19.

(33) 13. Atmosfäriska överspänningar 13.1 Åsknedslag i mark Vid åsknedslag i mark får man i allmänhet genomslag i närheten av nedslagspunkten. Om jordningen är homogen bildas halvsfär runt nedslagspunkten med radien r0, där r0 kan beräknas enligt formeln: Iρ r0 = där 2(πE0 ) r0 = radien, m I = blixtstömmen, kA ρ = jordresistiviteten E 0 = genomslagsfältstyrkan med approximativt värde enligt följande tabell , kV / m Tabell 2: Genomslagsfältet med approximativt värde, kV/m. ρ , Ωm < 100 <1000. E 0 , kV / m 250 500. Om jorden inte är homogen kring nedslagspunkten kan genomslag inträffa på betydande längre avstånd. [12]. 13.2 Kablar med metallmantel eller skärm med isolerande hölje Om ett åsknedslag inträffar i närheten av en kabel, som har ett yttre isolerande hölje, av t.ex. PVC eller polyeten, får man hela markens potential över detta hölje. Genomslagshållfastheten för detta hölje kan uppskattas till 100kV. Om genomslagshållfastheten överskrids får man i allmänhet punkteringar i det isolerande höljet, och endast mindre del av blixtströmmen flyter i kabelmanteln eller – skärmen. Punkteringarna kommer i alla fall att släppa igenom fuktighet, vilket kan medföra korrosionsskador på kabeln och försämrade elektriska egenskaper hos denna. Vid nedslag i kabelns omedelbara närhet och vid stora och relativa långvariga blixtströmmar uppstår, liksom för kabel utan isolerande hölje, smältskador på manteln och ofta tryckskador från förångat material i marken eller mellan plasthölje och mantel. [12]. 13.3 Kablar utan metallmantel eller skärm Vid åsknedslag i närheten av en plastmantlad kabel utan skärm får man markens potential över manteln. Om genomslagshållfastheten överskrids, skadas plastmanteln och ledarisolationen samt eventuellt även ledarna. [12]. 20.

(34) 14. Kraftkabel Kabel är en viktig komponent i det kraftförsörjningsnät som förser samhället med elektrisk energi. Om kabeln inte fanns så skulle vi inte kunna utnyttja våra kraftverk. Maskiner och processer skulle stanna, varningssystem sättas ur funktion och elektrisk belysning och skyltar slockna och TV-bilden försvinna. Kablar skall klara av kraftigt regn, köldrekord och värmetoppar liksom mekaniska och elektriska påfrestningar och ändå fungera problemfritt år efter år. Därför ställs det stora krav på kablar. [13]. 14.1 Kabeltyper Kraftkabel är avsedd för fast förläggning och har en märkspänning på minst 1kV. Installationskabel är också avsedd för fast förläggning men har en märkspänning som är lägre än 1 kV. Anslutningskabel är avsedd för rörlig förläggning. Styrkabel är avsedd för styr- och signaländamål och har en märkspänning lägre än 1kV. [13]. 21.

(35) 14.2 Kabelns konstruktion och tillverkning En kabels uppbyggnad omfattas av ett antal skikt av olika material. Dessa skikt har standardiserade benämningar. Figur 19 visar hur en kraftkabel kan vara uppbyggd.. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.. Figur19: Kabeluppbyggnad 1. Ledare 2. Inre ledande skikt 3. Yttre ledande skikt 4. Skärm. 5. Ledande skikt med inbäddade skärmtrådar 6. Band 7. Mantel. Ledaren består av koppar eller aluminium. Ledaren kan vara rund eller sektorformad och vara en-, få- eller mångtrådig beroende på flexibilitetskravet. Vid tillverkningen används metall med hög renhetsgrad som dras ner till önskad diameter. Skall ledaren vara flertrådig tvinnas ett antal trådar till en ledare. Som ledarisolering används plast, gummi och impregnerat papper. Gummi och plast är samlingstermer för ett stort antal material inom respektive grupp. PVC dominerar som ledarisolering för kablar med en märkspänning ≤ 1 kV. För 1kV kraftkabel har PEXisolering fått en ökad användning. Ledande skikt används i kablar för spänningar över 3kV och används för att utjämna ytan mellan ledare och isolering respektive isolering och skärm. Detta för att få en så jämn fältfördelning som möjligt och därigenom förhindra glimning mellan ledare/skärm och isolering. Utfyllnad används för att kabeln skall få ett rund tvärsnitt och den bildar på så sätt underlag för skärm och mantel. Vid tillverkning av fler ledarkabel kablas ledningsparterna, dvs. vrids samman, innan utfyllnaden sprutas på. Utfyllnaden kan också bestå av strängar kablade tillsammans med ledaren.. 22.

(36) Blandning runt de kablade parterna kan ibland ersätta utfyllnaden. De vanligaste bandmaterialen är PVC- eller polyesterfolie som lindas runt de kablade parterna. Skärmen och den koncentriska ledaren, kan bestå av koppartrådar, längsgående aluminiumband eller blymantel. För styrkabel är huvuduppgiften att skydda kabeln mot yttre elektriska störningar och även fungera som personskydd. För kraftkabel ska den vara personskyddar och för 1kV kabel även fungera som PEN- eller PE- ledare (nolloch/eller skyddsledare). Armerad kabel används där risken för mekanisk åverkan är stor. Vanligast är stålbandseller ståltrådsarmering. Manteln är det yttre lagret på kabel som skall skydda mot mekanisk och kemisk åverkan. Den kan bestå av PVC, PE eller gummi som sprutas på kabelkroppen så ett jämntjock hölje bildas. [13]. 15. Plaster Olika typer av plaster kan förekomma i avseende för olika kraftförsörjningsnät, men i denna rapport tas bara polyvinylklorid (PVC) upp, eftersom det är av denna typ av plast som luftfartsverket använder sig av.. 15.1 Polyvinylklorid (PVC), termiska egenskaper PVC, är ett mjuk termoplastiskt material, dvs. det mjuknar vid uppvärmning och styvnar vid nedkylning. Mjukheten vid olika temperaturer beror till del på typen och mängden av mjukningsmedel. På grund av PVC- materialets styvhet vid låga temperaturer rekommenderas att kabeltemperaturen vid förläggning inte understiger -10oC. PVCisolerade kablar används med en ledartemperatur upp till +70oC, om inget annat anges. I installationer där ledningarna utsätts för hög drifttemperatur bör försiktighet iakttas, så att ledningarna vid förläggning över skarpa hörn inte kommer att utsättas för konstant stort tryck. När temperaturen är omkring +100oC under längre tid hårdnar PVC av standardkvalitet på grund av mjukningsmedlets avdunstning. PVC 105oC som är godkänd av SEMKO för kontinuerlig användning vid en ledartemperatur av 105oC innehåller mindre flyktiga mjukningsmedel och bibehåller därför sin mjukhet längre tid. [13]. 15.2 Polyvinylklorid (PVC), mekaniska egenskaper PVC har mycket god drag- och drivhållfasthet. Hårdheten kan anpassas efter användningsområdet, genom olika typer av mängt mjukningsmedel. [13]. 23.

(37) 15.3 Polyvinylklorid (PVC), elektriska egenskaper På grund av PVC- materialets uppbyggnad och klorinnehåll är dielektrisk och förlustfaktor högt vilket gör att PVC- isoleringen inte är lämplig i högspänningskabel (> 1kV) eller som telekabelisolering för högre frekvens. Dess dielektriska egenskaper är också temperaturberoende. Isolationsresistansen varierar så som andra isolermaterial med temperatur. Och är vid +60oC ca 100ggr lägre än vid +20oC. En god isolerblandning har kvar sina elektriska egenskaper under långvarig förvaring i vatten. [13]. Figur 20: Diagrammet visar isoleringsresistansen som är beroende av tiden.. 24.

(38) 16. Elektriska begrepp De elektriska begreppen ligger till grund för beräkningar av inducerade spänning och ström.. 16.1 Resistans Ledarresistansen är beroende av ledarens area och ledarmaterialets resistivitet per längdenhet. Ledarresistansen kan beräknas med formeln. ρ. Ω km A R= resistansen vid 20oC, Ω km ρ = resistivitet vid 20oC, Ω km för koppar är ρ = 17,241 Ω ⋅ mm 2 / km för aluminium ρ = 28,264 Ω ⋅ mm 2 / km R=. A= ledarens tvärsnittsarea, mm2 Resistansen ökar med stigande temperatur. [13]. 25.

(39) 16.2 Induktans Induktansen verkar som en tillsatsresistans för en ledare som befinner sig i närheten av en annan ledare. Induktansen för en enledarkabel som löper parallellt med en återledare kan beräknas enligt formeln a mH km r L= induktansen i mH km a= axelavståndet mellan ledarna i mm r= ledarradien i mm L = 0.05 + 0.2 ⋅ ln. 2r. a Figur 21: Induktansen för en enledarkabel som löper parallellt med en återledare.. Formeln gäller för induktansen i en kabel i ett enfassystem där de två ledarna fungerar som fram- och återledare. Av formeln framgår att L enbart beror på avståndet mellan ledarna och den aktuella ledarens radie. Induktansen ökar med a och minskar med r. [13]. 26.

(40) 16.3 Kapacitans En kabel kan elektriskt sett betraktas som en kondensator. Ledaren är den ena elektroden och skärmen, det yttre ledande skiktet, är den andra. Isoleringen motsvarar kondensatorns dielektrikum. Beroende på om varje fas är skärmad för sig eller om det är en 3-ledare med gemensam skärm används olika metoder för att beräkna kapacitansen. För en enledarkabel eller en flerledarkabel med skärm runt varje part blir kapacitansen. C =k⋅. ε D ln d. µF / km. ε = isolermaterialets dielektriska konstant D= diametern över isoleringen, mm d= diametern över ledare (inklusive ledande skikt), mm k= 0.0556 ε PE = 2.3. ε PEX = 2.3 ε PVC = 5.0 Skärm (ev. yttre ledande skikt). Isolering Ev. inre ledande skikt. Ledare. d D. Figur 22: En skiss av många olika skikt en 1- ledarkabel har.. C är i det här fallet lika med driftkapacitansen Cd. Av formeln framgår att C beror av ε och förhållandet D/d. Kapacitansen för PVC- kabeln är dubbelt så stor som i en PEX- kabel med samma dimensioner. [13]. 27.

(41) 16.4 Reaktans En kabel har både induktiv och kapacitiv reaktans. Den induktiva reaktansen verkar i serie med ledaren medan den kapacitiva verkar mellan ledare och jord. Den induktiva reaktansen XL beräknas enligt formeln X L= ω ⋅ L ⋅ 10 −3 Ω / km. ω = 2 ⋅π ⋅ f f= frekvens i Hz L= induktansen i mH/km Den kapacitiva reaktansen Xc blir 10 6 Ω ⋅ km ω ⋅ Cd Cd= driftkapacitansen i µF / km [13] Xc =. 16.5 Impedans Impedansen är växelströmsmotståndet och är sammansatt av resistans, induktans och kapacitans. Impedansen för en kabel beräknas enligt formeln Z = R 2 + X L2 Ω / km R= ledarresistansen i Ω / km XL= induktiva reaktansen i Ω / km Z= impedansen för en fas i Ω / km. I formeln ingår endast resistansen och den induktiva reaktansen. Den kapacitiva reaktansen är så låg att den kan försummas. För mer information om kabeln se bilaga 11 för data blad på oskärmade kablar och bilaga 12 för skärmade kablar. [13]. 28.

(42) 17. Elektromagnetiska modeller Utifrån olika litteratur samt olika tekniska rapporter togs olika metoder fram för beräkningarna av både inducerad spänning och ström.. 17.1 Modell med ömsesidig induktans 17.1.1 Beräkning av ömsesidig induktans Formler för beräkning av ömsesidigt impedans mellan störande och störd ledning, parallellföring.1 [8] Generellt gäller j 4 ⋅ 10 −1 (kei ′ − j ker ′ x − ) µH / m x x 20 f x = a 2π 10 − 4. m=. ϕ. Här är a= avstånd mellan störande och störd ledning, m f= frekvensen, Hz ϕ = ekvivalent markresistivitet, Ωm Den ömsesidiga induktansen innehåller en reell och en imaginär del. För x<0.1 kan formel omformas till π ϕ m = (− j + 12.98 + ln 2 )10 −1 µH / m 2 fa medan för x>0.5 t.ex. för stora avstånd, gäller 4 ⋅ 10 −1 m=−j µH / m x2 I detta sammanhang gäller den ömsesidiga induktansen för x<0.1, ty då kablarna ligger med väldig korta avstånd från varandra.. 1. Störningsbok. 29.

(43) 17.1.2 Bankantsljus för oskärmad kabel Längden på hela slingan runt om landningsbanan för oskärmad kabel är på 6315m alltså 6.3km, vilket ger oss att halva banan är på 3.1575 km. Formel för inducerade spänningen för oskärmad kabel:. U = ω ⋅ m ⋅ l ⋅ I (Volt ). ω = 2πf. ϕ. π. − j ) µH / m 2 fa U= inducerad spänning ω = vinkelhastighet f= frekvens, (Hz) m= ömsesidig induktans, (H/m) m = 0.1(12.98 + ln. 2. ϕ = markresistiviteten (Ωm) (Markresistivitet för högspänningskablar som ligger tätt intill varandra samt under marken har en resistivitet på 50 Ωm ). 2 Jord med bra elektrisk ledningsförmåga har en låg resistivitet mellan 10-100 Ωm [14] a= räta avståndet mellan störande- och störd ledning (m), där det har tagits hänsyn till två olika avstånd beroende hur kablarna ligger ute på flygplatsen, alltså nedgrävd i marken eller i långa plaströr l= beräkningsavsnitts längd på kraftledningen (m) I= Ström, (A) Se bilaga 1 för mer detaljerat beräkning för den inducerade spänningen Slutligen blev den inducerade spänningen och den inducerade strömmen för olika värde på a, enligt nedan:. U = ω ⋅ m ⋅ l ⋅ I (Volt ) a = 0.1m U = 23.06V U eff = 16.69V. 2. a = 0.01m U = 29.1V U eff = 20.6V. Ohlin 2007. 30.

(44) I=. U Z. a = 0.1m U = 23.06V Z = 3.089Ω / km I = 7.5mA I eff = 5.4mA. a = 0.01m U = 29.1V Z = 3.089Ω / km I = 9.42mA I eff = 6.67mA. Beräkningar gjordes också på inflygningslinjen RWY 27. Luftfartsverket var intresserad av att veta den inducerade spänningen och strömmen på dessa oskärmade kablar. [8] Se bilaga 2 för detaljerat beräkning av inflygningslinje RWY 27 för oskärmad kabel. Slutliga beräkningen av inducerad spänning i avseende att kablarna kan ligga på två olika avstånd från varandra.. U = ω ⋅ m ⋅ l ⋅ I (Volt ) a = 0.1m U = 9.52V U eff = 6.73V a = 0.01m U = 11.995V U eff = 8.48V. Slutliga beräkningen av den inducerade strömmen för inflygningsljusen: U I= Z a = 0.1m U = 9.52V Z = 3.089Ω / km I = 3.08mA I eff = 2.2mA. a = 0.01m U = 11.995V Z = 3.089Ω / km I = 3.88mA I eff = 2.75mA. 31.

No results found