IEC/TR 62095-ed.1.0

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Designation: IEC/TR 62095-ed.1.0

Publication date: 13/06/2003

Pages: 69

Country: International technical standard

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Anotation

The most important tasks in cable current rating calculations are the determination of the conductor temperature for a given current loading or, conversely, the determination of the tolerable load current for a given conductor temperature. In order to perform these tasks the heat generated within the cable and the rate of its dissipation away from the conductor, for a given conductor material and given load, must be calculated. The ability of the surrounding medium to dissipate heat plays a very important role in these determinations and varies widely because of factors such as soil composition, moisture content, ambient temperature and wind conditions. The heat is transferred through the cable and its surroundings in several ways. For underground installations the heat is transferred by conduction from the conductor, insulation, screens and other metallic parts. It is possible to quantify the heat transfer processes in terms of the appropriate heat transfer equation as shown in Annex A (equation A.1). Current rating calculations for power cables require a solution of the heat transfer equations which define a functional relationship between the conductor current and the temperature within the cable and its surroundings. The challenge in solving these equations analytically often stems from the difficulty of computing the temperature distribution in the soil surrounding the cable. An analytical solution can be obtained when a cable is represented as a line source placed in an infinite homogenous surrounding medium. Since this is not a practical assumption for cable installations, another assumption is often used; namely, that the earth surface is an isotherm. In practical cases, the depth of burial of the cables is in the order of ten times their external diameter, and for the usual temperature range reached by such cables, the assumption of an isothermal earth surface is a reasonable one. In cases where this hypothesis does not hold; namely, for large cable diameters and cables located close to the ground surface, a correction to the solution has to be used or numerical methods should be applied. With the isothermal surface boundary, the steady-state heat conduction equations can be solved assuming that the cable is located in a uniform semi-infinite medium. Methods of solving the heat conduction equations are described in IEC 60287 (steady-state conditions) and IEC 60853 (cyclic conditions), for most practical applications. When these methods cannot be applied, the heat conduction equations can be solved using numerical approaches. One such approach, particularly suitable for the analysis of underground cables, is the finite element method presented in this document. Dans les calculs de capacite de transport des cables, les aspects les plus importants sont la determination de la temperature de lame du cable lorsquil est soumis a une charge donnee ou, inversement, levaluation de lintensite du courant admissible pour une temperature dame donnee. Il faut donc determiner la chaleur produite a linterieur du cable et sa dissipation a lexterieur, pour un materiau dame et un courant de charge donne. La capacite du milieu environnant le cable a dissiper la chaleur est un element de toute premiere importance pour ces calculs; elle est susceptible de varier largement en raison de differents facteurs tels que la composition et le taux dhumidite du sol ou la temperature ambiante et les conditions de vent. Les modes de transfert de chaleur du cable vers son environnement sont multiples. Pour les liaisons souterraines, le transfert de chaleur a partir de lame, lisolation, les ecrans et autres parties metalliques, se fait par conduction. Les modalites de dissipation de la chaleur sont quantifiables grace a lequation de transmission de la chaleur decrite a lAnnexe A (equation A.1). Les calculs de capacite de transport des cables de puissance demandent la resolution des equations de transmission de la chaleur, qui constituent une relation fonctionnelle entre lintensite du courant ecoule par le cable et la temperature a linterieur du cable et dans son environnement. La resolution analytique de ces equations se heurte souvent a la difficulte du calcul de la distribution des temperatures dans le sol entourant le cable. Une resolution satisfaisante est possible analytiquement lorsque le cable est assimile a une source a section nulle placee dans un milieu homogene et infini. Cette hypothese netant pas verifiee dans les configurations dinstallation reelles, une hypothese alternative est souvent soulevee, a savoir celle de lisothermie de la surface du sol. En pratique, la profondeur de pose est de lordre dune dizaine de fois le diametre des cables, et, dans la plage habituelle de temperatures atteintes par les cables, lhypothese de lisothermie de la surface du sol est acceptable. Pour les cas ou cette hypothese nest pas realisee, notamment pour les cables a fort diametre ou les cables enterres a faible profondeur, il est necessaire dappliquer des coefficients correctifs ou dutiliser les methodes de calcul numerique. Lorsque la surface du sol est supposee isotherme, les equations de conduction de la chaleur en regime permanent peuvent etre resolues en admettant que le cable est pose dans un milieu homogene semi-infini. Les methodes de resolution des equations de conduction de la chaleur sont decrites dans la CEI 60287 (regime permanent) et la CEI 60853 (regime cyclique), et permettent de resoudre la plupart des problemes poses dans la pratique. Lorsque ces methodes sont inapplicables, les equations de conduction de la chaleur peuvent etre resolues par des approches numeriques. Parmi ces approches, la methode des elements finis presentee dans ce document, se prete particulierement bien a lanalyse des cables souterrains.