Elektrisk överföringskapacitet i Trafikverkets kablar för banmatning

Syfte

Examensarbetet syftar till att öka kunskapen kring hur kraftkablar värms upp i Trafikverkets kraftsystem (1-fas, 16 Hz) samt ta fram förslag på riktlinjer kring hur kablars nominella strömvärde ska korrigeras vid olika typer av förläggningssätt. 

Bakgrund

Trafikverkets banmatningssystem skiljer sig mot det generella kraftsystemet bland annat genom att det används en annan frekvens (16 Hz) samt att systemet inte är ett 3-fassystem. 

När en ström flyter genom en kabel ger detta en uppvärmning på grund av ledaren resistans. Denna uppvärmning leder till att hela kabeln värms upp. Om kabelns är felaktigt dimensionerad kan detta leda till att temperaturen i kabeln och dess isolering blir högre än vad kabeln är tänkt för. Detta kan leda till ett påskyndat åldrande som gör att kabeln inte håller så länge som beräknat eller att det i värsta fall leder till skador på kabeln. Omvänt så kostar det pengar att överdimensionera ett kabelförband genom att använda grövre eller fler kablar. 

Vid dimensionering av kraftkablage i Trafikverkets kraftsystem för banmatning (1-fas, 16 Hz) saknas idag bra riktlinjer kring vilken uppvärmning av kablaget som kan antas, vilket bland annat påverkas av: 

• Strömmens amplitud och variationer
• Kablagets förläggningssätt i mark, luft, kabelränna, etc.  

Kraftkablar har en angiven ström vilket leder till en viss temperatur i kabeln, ofta 65º C eller 90º C, vid ett angivet förläggningssätt. Om kablarna placeras på ett annat sätt än det angivna förläggningssättet behöver strömvärdena korrigeras. 

För 50 Hz, 3-fas, kraftsystem finns normdokument som beskriver hur en kabels nominella strömvärde ska räknas om med korrektionsfaktorer vid olika typer av förläggningssätt, bland annat SS 424 14 16. För de 1-fas 16 Hz kablar som används i Trafikverkets kraftsystem saknas idag sådana riktlinjer om hur kablars nominella strömvärde ska räknas om beroende på förläggningssätt. 

Nedan är några exempel på kablars förläggningssätt i Trafikverkets anläggning. 

• Kablar förlagda i kabelränna av betong (png-fil) 
• Kablar förlagda i kabelrör av plast placerade i mark (png-fil)
• Kablar förlagda på horisontell kabelstege inomhus (png-fil)

Frågeställning

Examensarbetet bör kunna vara på delar av nedanstående frågeställningar:

• Hur påverkar olika förläggningssätt kapaciteten i de enskilda kablarna? 
• Hur påverkar mängden samförlagda kablar den totala överföringskapaciteten för olika typer av förläggningssätt?
• Hur skiljer sig uppvärmningen av kablar i ett traditionellt kraftsystem mot situationen i Trafikverkets banmatningssystem.
• Hur påverkas överföringskapaciteten om kablaget är förlagt i ballast med dålig värmeledningsförmåga?
• Hur påverkas uppvärmningen av att strömmarna i Trafikverkets banmatningssystem oftast är mycket intermittenta och varierar snabbt över korta tidsperioder. 

Arbetets innehåll

• Ta fram en modell av kablar för användning i 50 Hz kraftsystem och jämföra denna mot standarder.
• Studera skillnaden mellan hur kablar används i ett traditionellt kraftsystem och Trafikverkets banmatningssystem (15 kV, 16 Hz). 
• Ta fram en modell för de kablar motsvarande situationen i Trafikverkets banmatningssystem. 
  
  • De kablar som anses är 1-fas PEX-isolerade kablar med 500 mm2 och 240 mm2 aluminiumledare. Samt har en märkspänning på 36 kV respektive 3 kV, som används i ett kraftsystem med frekvensen 16 Hz. 
• Beskriva några olika förläggningssätt som finns in Trafikverkets banmatningssystem.
• Beräkna korrektionsfaktorer för ovanstående typer av förläggningssätt.
  
  • Jämförelse mot 50 Hz standard.
  • Jämförelse mot genomfört belastningsprov.
• Identifiera svaga punkter relaterat till överföringskapacitet för Trafikverkets förläggningssätt av kablage. 
• Ge rekommendationer kring vilka korrektionsfaktorer som bör användas vid olika typer av förläggningssätt i Trafikverkets banmatningssystem. 

Genomförande

Ge rekommendationer kring vilka korrektionsfaktorer som bör användas vid olika typer av förläggningssätt i Trafikverkets banmatningssystem.

Trafikverket saknar relevant programvara för att genomföra termiska beräkningar för kablar. Examensarbetet måste därför genomföras i samarbete med ett lärosäte där sådan programvara finns samt kompetens i hur den används. 

Examensarbetet genomförs på lärosätet men i nära samarbete med handledare på Trafikverket. Alternativt på ett av Trafikverkets kontor efter överenskommelse. 

Examensarbetet kan genomföras enskilt eller i par om två studenter. 

Examensarbetet avser 30 hp. 

Kvalifikationer

För att genomföra

• Kunskaper i program som hanterar termiska beräkningar för kablage, typ FEM-analys.
• Genomfört en högskolekurs som omfattar beräkningsmetoder för beräkning av termisk uppvärmning i elektriska ledare. 
• Underlagen till examensarbetet är skrivna på svenska varför goda kunskaper i svenska är ett krav. Examensarbetet kan skrivas och redovisas på svenska eller engelska beroende på önskemål från studenten och lärosätet.

Placeringsort

Examensarbetet kommer att genomföras i ett nära samarbete med lärosätet men stöd kring frågeställningen från Trafikverkets handledare. Flera placeringsorter är möjligt. Handledarna är placerade i Sundsvall samt Göteborg.

Övrigt

Arbetet utförs med fördel under vårterminen år 2025.

Ansökan

Skicka in din ansökan till oss via e-post till: elkraft@trafikverket.se

Din ansökan ska innehålla:

• Ett personligt brev per med:
  • En presentation av dig själv.
  • En beskrivning av din utbildning och kompetenser.
• CV inklusive utdrag över relevanta kurser för examensarbetet.
• Information om på vilken ort du önskar genomföra examensarbetet på, samt när i tid det ska genomföras.

Kontakt

Vid frågor eller funderingar kring examensarbetet går det bra att kontakta Johan Höglund på Trafikverket.

Johan.hoglund@trafikverket.se