Termisk dimensjonering av ledere

__NUMBEREDHEADINGS__

Hensikt og omfang

I dette dokumentet er det utarbeidet en grunnleggende teoretsik beskrivelse termisk dimensjonering av ledere.

Grunnleggende krav

Generelt

Det grunnleggende kravet for termisk dimensjonering av en leder, er hvor høy temperatur det er akseptabelt å utsette lederen for. Det varierer med bruksområde og materialtype.

• For ledere innspent under mekanisk stress er det risiko for at høy temperatur varig svekker den mekaniske styrken. Dette begrenser maksimal temperatur som lederen får utsettes for.
• For fast innspente ledere vil høy temperatur føre til stor pilhøyde og dermed liten klaring mot omgivelsene.
• For bevegelig innspente ledere som kontaktledningen vil høy temperatur kunne føre til at loddene beveger seg for langt ned mot bakken. Ved dimensjonerende temperatur begrenser dette hvor lange ledningsparter som kan tillates benyttet.
• For kabler og isolerte ledere vil for høy temperatur skade isolasjonen.
• Uisolerte jord- og utjevningsledere er ofte ikke utsatt for mekanisk stress, og for slike ledere er det akseptabelt med en høyere ledertemperatur. Praktisk begrenses temperaturen av faren for brann i materialer som lederen er i dirkte kontakt med. Dersom lederen er utsatt for direkte berøring kan det også være nødvendig å høyde for fare for forbrenning.
• For uisolerte ledere er det fare for at langvarig overtemperatur kan føre til akselerert korrosjon.

Krav til maksimal temperatur for ledere

<figtable id="tab:Sammendrag">

Temperaturgrenser i henhold til standarder

Bruk	Standard	Materiale	Temperatur kontinuerlig [°C]	Temperatur inntil 30 minutter [°C]	Temperatur inntil 1 sekund (kortslutning) [°C]	Kommentar
Opphengt kontaktledning	EN 50119	Kobber med normal og høy styrke og med god ledningsevne	80	120	170	Høyeste tillate temperatur for mekanisk styrke til kontaktledningsanlegget.
		Kobberlegering med sølv	100	150	200
		Kobberlegering med tinn	100	130	170
		Kobberlegering med magnesium/bronse (0,2)	100	130	170
		Kobberlegering med magnesium/bronse (0,5)	100	150	200
		Aluminiumslegeringer	80	-	130
		ACSR/AACSR (Stålforsterket aluminium, Feral)	80	-	160
Ledere under mekanisk stress (fast innspenning)	IEC 60865-1	Kobber, aluminium og aluminiumslegeringer	-	-	200	Standarden angir at temperaturene vil kunne føre til en neglisjerbar reduksjon i mekanisk styrke som erfaringsmessig ikke er stor nok til å påvirke anleggets drift.
		Stål	-	-	300
Uisolerte ledere som ikke er utsatt for mekanisk stress	NEK 440 (EN 50522) NEK 445 (EN 50341-1)	alle materialer	-	-	300	Ledere for jording og utjevning (liten eller ingen belastning ved normal drift) Høyere temperaturer tillates benyttet etter en vurdering. Begrensningen for selve ledermaterialet ligger ved smeltepunktet på 1084,6 °C for kobber, 660,3 °C for aluminium, og 1538 °C for jern (legeringer vil avvike fra de angitte verdiene).
Kabler og isolerte ledere	IEC 60205-1	Ledere med PVC-isolasjon	70	-	160	Isolasjonen begrenser maksimal ledertemperatur
		Ledere med isolasjon i XLPE (tverrbundet polyetylen) eller EPR/HEPR (polyetylenpropylen-gummi)	90	-	250
	IEC 60205-2	Kabler mellom 1 og 36 kV med XLPE isolasjon	90	-	250

</figtable>

For uisolerte ledere som ikke er utsatt for mekanisk stress angir ikke standardene en maksimal temperatur for normal drift. I det videre er det antatt en tillatt maksimal kontinuerlig ledertemperatur på 100 °C for slike ledere. Konsekvensen ved overtemperatur er liten, slik at det her ikke er nødvendig å bruke gjennomgående konservative antakelser.

Kontinuerlig strømføringsevne

Den maksimalt kontinuerlige strømmen for en leder angis normalt av leverandøren av lederen for ulike forlegningsmetoder basert på beregningsmetode beskrevet i standarden IEC 60287. Ved anskaffelse bør det kreves at leverandøren oppgir kontinuerlig strømføringsevne ved aktuell forlegningsmetode. For returkretsen bør det velges stort nok totalt tverrsnitt slik at strømføringsevnen til returkretsen ikke begrenser den elektriske kapasiteten på strekningen.

For noen ledertyper og forlegningsmetoder er ikke strømføringsevne normalt oppgitt. I disse tilfellene bør leverandøren likevel forespørres om strømføringsevne for det aktuelle tilfellet.

I dette avsnittet er kontinuerlig strømføringsevne for uisolerte ledere beregnet ved noen vanlige forlegninger i jernbaneanlegg.

Den kontinuerlige strømmen en leder kan føre, er bestemt av lederens varmebalanse:

<equation id="eqn:Varmebalanse"> ${\frac {d\mathrm {E} }{d\mathrm {t} }}=(P_{el}+Q_{sol}-Q_{str}-Q_{konv}-Q_{kond})$

Varmebalanse for en leder </equation>
der dE/dt = 0 ved stasjonære forhold, og den elektrisk tilførte varmen P_el er gitt av:
<equation id="eqn:Elvarme"> $P_{el}=r_{T}\cdot I_{kont}^{2}$ </equation>
Kontinuerlig strøm I_kont kan da uttrykkes som:
<equation id="eqn:Konstrom"> $I_{kont}={\sqrt {{\frac {1}{r_{T}}}\cdot \left(Q_{kond}+Q_{konv}+Q_{str}-Q_{sol}\right)}}$ Kontinuerlig strømføringsevne </equation>
<figtable id="tab:Symbolforklaring Varmebalanse">

Symbolforklaring, varmebalanse per løpende meter for lederen

Symbol	Enhet	Forklaring
E	J/m	Netto termisk energi i ledermaterialet
t	s	Tid
Pel	W/m	Tilført elektrisk varme
Qsol	W/m	Tilført solvarme
Qstr	W/m	Avgitt strålingsvarme til omgivelsene
Qkonv	W/m	Avgitt konvektiv varme til omgivelsene (for leder i luft)
Qkond	W/m	Avgitt konduktiv varme til omgivelsene (for leder i jord)
rT	Ω/m	Lederresistans ved dimensjonerende ledertemperatur
Tleder	°C	Ledertemperatur i °C
Ikont	A	Strøm ved ledertemperaturen Tleder

</figtable>

For å finne den kontinuerlige strømføringsevnen for en leder, må man finne et uttrykk for hvert av disse leddene ved dimensjonerende forhold. Det er gjort for uisolerte ledere i Lenke: Vedlegg A. Det ligger flere forutsetninger til grunn, der de viktigste er:

• Maksimal kontinuerlig ledertemperatur er satt til 100 °C
• For leder i luft er vindhastigheten satt til 0,3 m/s og dimensjonerende omgivelsestemperatur er satt til 25 °C.
  • Standarden IEC 60287-3-1 angir 25 °C som dimensjonerende omgivelsestemperatur i luft for termisk dimensjonering av kabler i Norge. Faktisk omgivelsestemperatur vil sannsynligvis overstige dette noen dager i året. Konsekvensen av en kortvarig overtemperatur i lederen som følge av dette vurderes som akseptabel.
  • 0,3 m/s antas å være rimelig for ledere som er forlagt nær eller på bakken.
• For leder i jord er dimensjonerende omgivelsestemperatur og 17 °C, jordsmonnets termiske ledeevne er satt til 0,5 W/(m·K), og dybden er satt til 0,5 m (dypt er konservativt for stasjonære forhold).
  • Standarden IEC 60287-3-1 angir 17°C som dimensjonerende omgivelsestemperatur i jord for termisk dimensjonering av kabler i Norge.

<figtable id="tab:Lederstrom">

Varmeflyt for uisolert leder i luft og i jord ved 100 °C ledertemperatur

	Varmestrøm [W/m]
Ledertverrsnitt [mm2]	Qkonv leder i luft	Qkond leder i jord	Qstr leder i luft	Qsol leder utsatt for sol
50	39,5928	47,2027	2,4487	5,0267
70	43,0210	48,6855	2,8973	5,9476
95	46,4276	50,1143	3,3753	6,9288
120	49,2437	50,2652	3,7935	7,7873

</figtable>

Maksimal kontinuerlig strøm i lederen ved høyeste tillatte ledertemperatur beregnes ved <xr id="eqn:Konstrom"/>. Med resistivitet og temperaturkoeffisient funnet i [2] for kopper, aluminium og stål, ved ledertemperatur på 100 °C, finner man følgende verdier for r_T:

<figtable id="tab:Lederresistans">

Lederresistans ved 100 °C (Beregnet fra tabeller oppgitt i [2])

Ledertverrsnitt [mm2]	Lederresistans [10 -4 Ω/m]
	Cu	Al	Stål
50	4,6979	7,4606	50,688
70	3,3556	5,3290	36,206
95	2,4726	3,9267	26,678
120	1,9575	3,1086	21,120

</figtable>

Man finner da kontinuerlig strømføringsevne for uisolerte ledere ved ulike forlegninger:

<figtable id="tab:Kont_stromforingsevne">

Beregnet kontinuerlig strømføringsevne for uisolerte ledere som ikke er utsatt for mekanisk stress.

Ledertverrsnitt [mm2]	Forlagt i jord [A]			Forlagt i luft* [A]
	Cu	Al	Fe	Cu	Al	Fe
50	317	**	97	281	223	85
70	381	**	116	345	274	105
95	450	**	137	416	330	127
120	512	**	156	481	381	146
* Verdiene er beregnet ved eksponering for sol. For ledere som forlegges beskyttet mot sol, økes strømføringsevnen økes med ca 7 %. ** Uisolert aluminium kan ikke forlegges direkte i jord på grunn av fare for korrosjon.

</figtable>

Minste tverrsnitt ved dimensjonerende kortslutningsstrøm

Generelt

NEK 440 og NEK 445 angir formel for beregning av minste tverrsnitt av ledere for jording og utjevning, som følge av kortslutningsstrøm. Formelen tar utgangspunkt i adiabatisk oppvarming av lederen under et kortslutningsforløp.(adiabatisk = ingen varmeavgivelse fra lederen til omgivelsene under forløpet) <equation id="eqn:MinsteTverrsnitt">

$A={\frac {I}{K}}\cdot {\sqrt {\frac {t_{f}}{\ln {\frac {\theta _{f}+\beta }{\theta _{i}+\beta }}}}}$ </equation> Uttrykket kan skrives om til: <equation id="eqn:MinsteTverrsnitt"> $I=A\cdot K\cdot {\sqrt {\frac {\ln {\frac {\theta _{f}+\beta }{\theta _{i}+\beta }}}{t_{f}}}}$ </equation> Symbolforklaring: <figtable id="tab:Symbolforklaring Kortslutningsstrom">

Symbolforklaring

Symbol	Enhet	Forklaring
A	mm2	Tverrsnittsareal for lederen
I	A	Største tillatte kortslutningsstrøm i lederen
tf	s	Kortslutningsstrømmens varighet
K	$\left[{\frac {A\cdot {\sqrt {s}}}{mm^{2}}}\right]$	Materialkonstant fra tabell [EN 50522]
β	°C	Materialkonstant fra tabell [EN 50522]
θi	°C	Ledertemperaturen før kortslutning
θf	°C	Største tillatte ledertemperatur

</figtable>

<figtable id="tab:Materialkonstanter">

Materialkonstanter som angitt i EN 50522

Materiale	$\beta$ [°C]	$K$ $\left[{\frac {A\cdot {\sqrt {s}}}{mm^{2}}}\right]$
Kobber	234,5	226
Aluminium	228	148
Stål	202	78

</figtable>

Beregningsforutsetninger

Kortslutningsstrømmens varighet

Kortslutningsstrømmens varighet er gitt av vern. I jernbaneanlegg benyttes hurtige vern som kopler ut kortslutningsstrøm fort. Generelt kan det legges til grunn en frakoplingstid for store kortslutningsstrømmer på 0,1 s. I noen tilfeller kan det gjenstå en kortslutningsstrøm i inntil 0,2 s etter dette, og for eldre anlegg enda noe lengre. Slike strømmer fører til svært liten oppvarming sammenliknet med strømmen som går de første 0,1 s. Ved utarbeidelse av kravene i Lenke: Teknisk regelverk, Felles Elektro, Generelle tekniske krav er det lagt til grunn at strømmen de siste 0,2 sekunder av et kortslutningsforløp er 1/3 av strømmen de første 0,1 sekunder. Dette er benyttet videre her.

Ledertemperatur før kortslutning

Beregningene gjøres med en ledertemperatur før kortslutning på 25 °C for ledere som normalt er ubelastet, og 70-100 °C for ledere som normalt er belastet (høyeste tillatte ledertemperatur ved normal drift).

Resultater

I Lenke: Teknisk regelverk, Felles Elektro, Generelle tekniske krav er det angitt dimensjonerende kortslutningsstrømmer for hele landet for termisk dimensjonering av ledere for jording og utjevning:

<figtable id="tab:Dimensjonerende_kortslutningsstrommer">

Dimensjonerende kortslutningsstrøm for termisk dimensjonering

Område	Subtransient kortslutningsstrøm [A]	Dimensjonerende kortslutningsstrøm 0,1 sekund [A]	Dimensjonerende kortslutningsstrøm 0,3 sekunder Ith0,3 [A]
Koblingshuset Oslo S	31 500	37 800	23 400
Oslo-området	25 000	30 000	18 600
Ofotbanen	20 000	24 000	14 900
Resten av landet	12 500	15 000	9 300

</figtable>

Følgende maksimale termiske kortslutningsstrøm er beregnet for ulike ledere:

<figtable id="tab:Kortslutningsdimensjonering">

Maksimal kortslutningsstrøm for ledere

Ledertverrsnitt	Forhold som begrenser sluttemperatur	Sluttemperatur θf [°C]	Starttemperatur θi for belastet leder [°C]	Maksimal kortslutningsstrøm Starttemperatur θi = 25°C effektivverdi over 0,1 s [A]	Maksimal kortslutningsstrøm Starttemperatur θi for belastet leder effektivverdi over 0,1 s [A]	Maksimal kortslutningsstrøm Starttemperatur θi = 25°C effektivverdi over 0,3 s [A]	Maksimal kortslutningsstrøm Starttemperatur θi for belastet leder effektivverdi over 0,3 s [A]
Cu 50	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	30 375	24 464	17 537	14 124
	Isolert PVC	160	70	23 127	18 184	13 352	10 498
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	28 236	22 623	16 302	13 062
	Uisolert under mekanisk stress	200	80	25 655	20 315	14 812	11 729
Cu 70	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	42 525	34 249	24 552	19 774
	Isolert PVC	160	70	32 377	25 457	18 693	14 698
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	39 530	31 673	22 823	18 286
	Uisolert under mekanisk stress	200	80	35 917	28 441	20 736	16 421
Cu 95	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	57 713	46 481	33 321	26 836
	Isolert PVC	160	70	43 941	34 549	25 369	19 947
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	53 648	42 985	30 973	24 817
	Uisolert under mekanisk stress	200	80	48 744	38 599	28 142	22 285
Al 50	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	20 072	16 146	11 588	9 322
	Isolert PVC	160	70	15 302	12 022	8 835	6 941
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	18 665	14 939	10 776	8 625
	Uisolert under mekanisk stress	200	80	16 967	13 423	9 796	7 750
Al 70	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	28 100	22 605	16 224	13 051
	Isolert PVC	160	70	21 423	16 830	12 369	9 717
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	26 131	20 915	15 087	12 075
	Uisolert under mekanisk stress	200	80	23 754	18 792	13 715	10 850
Al 95	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	38 136	30 678	22 018	17 712
	Isolert PVC	160	70	29 074	22 841	16 786	13 187
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	35 464	28 384	20 475	16 388
	Uisolert under mekanisk stress	200	80	32 238	25 503	18 613	14 724
Fe 50	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	10 987	8 792	6 343	5 076
	Isolert PVC	160	70	8 425	6 594	4 864	3 807
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	10 235	8 152	5 909	4 707
	Uisolert under mekanisk stress	300	90	10 987	9 078	6 343	5 241
Fe 70	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	15 382	12 308	8 881	7 106
	Isolert PVC	160	70	11 795	9 231	6 810	5 330
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	14 329	11 413	8 273	6 589
	Uisolert under mekanisk stress	300	90	15 382	12 710	8 881	7 338
Fe 95	Uisolert uten mekanisk stress	300	100	20 875	16 704	12 052	9 644
	Isolert PVC	160	70	16 008	12 528	9 242	7 233
	Isolert XLPE (Polyetylen)	250	90	19 447	15 489	11 227	8 943
	Uisolert under mekanisk stress	300	90	20 875	17 249	12 052	9 959

</figtable>

Vedlegg A: Mekanismer for oppvarming og avkjøling av ledere

Varmeenergi

Endring i termisk energi for en leder kan uttrykkes som:

<equation id="eqn:Varmeenergi"> ${\frac {d\mathrm {E} }{d\mathrm {t} }}=m\cdot c_{p}\cdot {\frac {d\mathrm {T_{leder}} }{d\mathrm {t} }}$

</equation>
<figtable id="tab:Symbolforklaring Varmeenergi">

Symbolforklaring

Symbol	Enhet	Forklaring
m	kg/m	Ledermaterialets masse
cp	J/(kg·K)	Varmekapasitet for ledermaterialet
Tleder	°C	Ledertemperatur

</figtable>

Dette leddet blir 0 ved beregning av kontinuerlig strømføringsevne fordi temperaturen og varmeenergien i lederen er konstant. Leddet er viktig ved angivelse av overbelastningsevne, fordi det angir hvor fort temperaturen i lederen øker.

Solinnstråling

Ledere som forlegges slik at de utsettes for direkte solinnstråling tilføres varme som følge av dette. Ledere som ikke utsettes for direkte solinnstråling må ikke dimensjoneres for denne effekten. Ulike materialer har ulik absorpsjonsevne for solstråling, dette hensyntas med absorpsjonskoeffisienten α_s.

<equation id="eqn:Sol"> $Q_{Sol}=S_{sol}\cdot D_{leder}\cdot \alpha _{s}$

</equation> <figtable id="tab:Symbolforklaring Sol">

Symbolforklaring

Symbol	Enhet	Forklaring
Ssol	W/m2	Dimensjonerende solvarme
αs	1	Absorpsjonskoeffisient for den aktuelle overflaten
Dleder	m	Ytre lederdiameter

</figtable>

Strålingsvarme fra solinnstråling beregnes med en fast effekt som er angitt i Lenke: Teknisk regelverk, Felles Elektro til å være:

$S_{sol}=1050{\frac {W}{m^{2}}}$

Typiske absorpsjonskoeffisienter for vanlige overflater er hentet fra referanse [2]:

<figtable id="tab:Absorpsjonskoeffisient">

Absorpsjonskoeffisient for vanlige overflater

Overflate	Kopper	Aluminium	Jern, stål
halvpolert	0,15	0,08	-
matt - blank	0,24	0,23	0,45 (støpejern)
oksidert, lett forurenset	0,6	0,5	-
sterkt oksidert	0,75	0,7	0,96 (støpejern)
sterkt oksidert, forurenset	0,85-0,95	0,88-0,93	-
valset	-	-	0,65
rustet	-	-	0,61-0,81

</figtable>

Ved S_sol = 1050 W/m² og α_s=0,6 finner man følgende verdier for varme som følge av solinnstråling.

<figtable id="tab:Sol_varme">

Solinnstråling

Lederverrsnitt [mm2]	Solinnstråling Qsol [W/m]
50	5,0267
70	5,9476
95	6,9288

</figtable>

Avkjøling ved stråling

Avgitt strålingsvarme fra lederen til omgivelsene beregnes ved hjelp av Stefan-Bolzmanns lov, der det antas at

<equation id="eqn:Str"> $Q_{str}=\pi \cdot D_{leder}\cdot \sigma \cdot (\epsilon _{s}\cdot T_{leder}^{4}-\alpha _{s}\cdot T_{omg}^{4})$

</equation> <figtable id="tab:Symbolforklaring Stråling">

Symbolforklaring

Symbol	Enhet	Forklaring
Dleder	m	Ytre diameter for lederen
σ	W/(m2 · K4)	Bolzmanns konstant, σ = 5,67 · 10-8 W/(m2 · K4)
αs	1	Absorpsjonskoeffisienten til overflaten.
εs	1	Emissiviteten til overflaten. Antas å være lik absorpsjonskoeffisienten. Dette er en vanlig antakelse for ledere utendørs i luft.
Tleder	K	Ledertemperaturen i K
Tomg	K	Omgivelsestemperaturen i K

</figtable>

Ved dimensjonerende ledertemperatur på 100 °C, omgivelsestemperatur på 25 °C og ε_s = α_s = 0,6, finner man:

<figtable id="tab:Str_varme">

Varmeavgivelse ved stråling>

Lederverrsnitt [mm2]	Varmeavgivelse ved stråling Qstr [W/m]
50	2,4487
70	2,8973
95	3,3753

</figtable>

Leder i jord: Konduktiv avkjøling

For en uisolert leder forlagt i jordsmonn med flat overflate og uniform termisk konduktivitet, angir [1] følgende likning for stasjonær konduktiv avkjøling:

<equation id="eqn:Konduktiv_kjoling"> $Q_{kond}={\frac {2\cdot \pi \cdot k_{jord}\cdot (T_{leder}-T_{omg})}{\cosh ^{-1}{(H_{leder}/R_{leder})}}}$

</equation> <figtable id="tab:Symbolforklaring kond">

Symbolforklaring

Symbol	Enhet	Forklaring
kjord	W/(m·K)	Termisk konduktivitet for jordsmonnet
Tleder	K	Ledertemperatur
Tomg	K	Omgivelsestemperatur
Hleder	m	Lederens dybde under overflaten
Rleder	m	Lederens ytre radius

</figtable>

Termisk konduktivitet for jordsmonn varierer ifølge [1] mellom 0,27 W/(m·K) for sand og over 2 W/(m·K) for ulike steinsorter. Det antas her at konduktiviteten for jernbanens underbygning vil ligge i nedre del av dette intervallet. 0,5 W/(m·K) legges til grunn.

Fordi jordsmonnet har stor varmekapasitet vil oppvarming av jordsmonnet som følge av temperaturendringer på overflaten ta lang tid, i mange tilfeller flere dager. Det kan legges derfor til grunn en gjennomsnittstemperatur over lengre tid for overflaten. IEC 60287-3-1 angir at temperatur som skal brukes i Sør-Norge er 17 °C.

<figtable id="tab:Konduktiv_kjoling">

Konduktiv kjøling for ulike ledertverrsnitt ved termisk konduktivitet på 0,5 W/(m·K) og dybde på 0,5 m

Ledertverrsnitt [mm2]	Kjøleeffekt [W/m]
50	47,2027
70	48,6855
95	50,1143

</figtable>

Leder i luft: Konvektiv avkjøling

For en leder i luft er konveksjon den viktigste mekanismen for avkjøling, og også den som er mest utfordrende å behandle. Metodikken er beskrevet i referanse [1] og [2].

<equation id="eqn:Konveksjon"> $Q_{konv}=\pi \cdot D_{leder}\cdot k_{luft}\cdot Nu\cdot (T_{leder}-T_{omg})$

</equation> <figtable id="tab:Symbolforklaring konv">

Symbolforklaring

Symbol	Enhet	Forklaring
Dleder	m	Ytre diameter for lederen
kluft	W/(m·K)	Termisk konduktivitet for luft
Nu	1	Nusselts tall - eksperimentelt bestemt dimensjonsløs størrelse
Tleder	K	Ledertemperatur
Tomg	K	Omgivelsestemperatur

</figtable>

Framgangsmåten beskrevet i referanse [1] og [2] er at man for den aktuelle fysiske geometrien og fysiske egenskaper for fluidet rundt (luft) ved aktuelt trykk og temperatur, finner Nusselts tall, Nu. Nusselts tall er en eksperimentelt bestemt funksjon av materialegenskaper og tilstand for den aktuelle geometrien. Nusselts tall har en fast sammenheng med varmeavgivelsen.

Med beregningene av Nusselts tall som er gjennomført i neste avsnitt er det funnet følgende tallverdier for konvektiv kjøling:

<figtable id="tab:Konv_Varme">

Konvektiv varmeavgivelse - vind 0,1 m/s

Ledertverrsnitt [mm2]	Konvektiv kjøling Qkonv [W/m]
50	26,2665
70	28,7805
95	31,3485

</figtable>

Beregning av Nusselts tall for rund leder i luft

I dette avsnittet er Nusselts tall beregnet for rund leder i luft med fri konveksjon, og med ekstern vind.

<figtable id="tab:Nu forutsetninger">

Nu - beregningsforutsetninger

Symbol	Enhet	Verdi	Tekst	Kommentar
v	m/s	0,1	Vindstyrke	Brukes ved forsert konveksjon.
Tomg	°C	25	Omgivelsestemperatur	Valgt på bakgrunn av angivelse i IEC 60287-3-1 for dimensjonering av kabler i luft i Norge.
Tleder	°C	100	Ledertemperatur	Høyeste tillatte kontinuerlige ledertemperatur

</figtable>

<figtable id="tab:Nu luft">

Nu - Data for beregning av luftstrøm

Symbol	Enhet	Verdi	Tekst	Kommentar
g	m/s2	9,81	Tyngdens akselerasjon	-
Tf	K	335,65	Filmtemperatur	Gjennomsnittstemperaturen i luftfilmen tett inntil lederen. Tf = 0,5·(Tleder+Tomg)
βomg(Tf)	K-1	0,002979	Termisk ekspansjonskoeffisient ved filmtemperatur	Ved antakelse av ideell gass er dette den inverse filmtemperaturen.
k(Tf)	W/(m·K)	0,02894	Termisk konduktivitet ved filmtemperatur	Interpolert verdi fra tabell for materialegenskaper for luft i [1]
ν(Tf)	m2/s	19,47·10-6	Kinematisk viskositet ved filmtemperatur	Interpolert verdi fra tabell for materialegenskaper for luft i [1]
α (Tf)	m2/s	27,78·10-6	Termisk diffusivitet ved filmtemperatur	Interpolert verdi fra tabell for materialegenskaper for luft i [1]
Pr (Tf)	1	0,7020	Prandtls tall ved filmtemperatur	Interpolert verdi fra tabell for materialegenskaper for luft i [1]

</figtable>

<figtable id="tab:Nu leder">

Nu beregninger for leder i luft

Symbol	Enhet	Verdi 50 mm2	Verdi 70 mm2	Verdi 95 mm2	Tekst	Kommentar
A	mm2	50	70	95	Tverrsnittsareal for leder	-
D	m	7,9788·10-3	9,4407·10-3	10,998·10-3	Ytre diameter for leder	-
Ra	1	2058,18	3409,37	5390,30	Rayleighs tall (oppdrift)	Beregnet etter formel angitt i [1]
Nuoppdrift	1	3,0445	3,4052	3,7795	Nusselts tall (oppdrift)	Beregnet etter formel angitt i [1]
Re	1	40,967	48,473	56,469	Reynolds tall (vind).	Beregnet etter formel i [1]
Nuvind	1	3,4044	3,6780	3,9473	Nusselts tall (vind)	Beregnet etter formel angitt i [1]
Nukomb	1	3,8523	4,2210	4,5976	Nusselts tall (kombinert vind og oppdrift)	-
Qkonv	W/m	26,2665	28,7805	31,3485	Konvektiv varmeavgivelse	Forutsetning: Vindhastighet på 0,1 m/s

</figtable>

Formler benyttet i tabellen: <equation id="eqn:Rayleighs tall fri konveksjon [1]"> $Ra={\frac {g\cdot \beta \cdot (T_{leder}-T_{omg})\cdot D^{3}}{\nu \cdot \alpha }}$

Rayleighs tall for rund leder i fri konveksjon [1] </equation> <equation id="eqn:Nusselts tall fri konveksjon[1]"> $Nu_{oppdrift}=\left[0,60+{\frac {0,387\cdot Ra^{\frac {1}{6}}}{\left[1+(0,559/Pr)^{\frac {9}{16}}\right]^{\frac {8}{27}}}}\right]$ Nusselts tall for rund leder i fri konveksjon. Gyldig for Ra < 10¹² [1] </equation> <equation id="eqn:Reynolds tall [1]"> $Re={\frac {v\cdot D}{\nu }}$ Reynolds tall for rund leder i luft [1] </equation> <equation id="eqn:Nusselts tall strømning-1"> $Nu_{vind}=0,3+\left[{\frac {0,62\cdot Re^{\frac {1}{2}}\cdot Pr^{\frac {1}{3}}}{(1+(0,4/Pr)^{\frac {2}{3}})^{\frac {1}{4}}}}\right]\cdot \left[1+\left({\frac {Re}{282000}}\right)^{\frac {5}{8}}\right]^{\frac {4}{5}}$ Nusselts tall for rund leder i ekstern strømning. Churchill and Bernsteins likning, hentet fra [1] </equation> Både termisk oppdriftseffekt og vindstyrke påvirker kjølingen. Referanse [1] beskriver at det skal beregnes et Nusselts tall for hver av disse effektene, og at de to tallene som en tilnærming kan kombineres til et felles Nusselts tall med sammenhengen: <equation id="eqn:Nusselts tall - kombinasjon"> $Nu_{kombinert}=\left(Nu_{oppdrift}^{4}+Nu_{vind}^{4}\right)^{\frac {1}{4}}$ Nusselts tall for kombinert kjøling fra oppdrift og vind </equation> Referanse [1] angir at formler for Nusselts tall angitt i lærebøker kan forventes å ha en unøyaktighet på opp mot 20%. For mer nøyaktig angivelse av konvektiv kjøling må den aktuelle lederen og omgivelsene beregnes direkte med en FEM-beregning, eller så må det gjennomføres eksperimenter.

Kontinuerlig strømføringsevne 2 [Under arbeid]

Den maksimalt kontinuerlige strømmen for en leder angis normalt av leverandøren av lederen for ulike forlegningsmetoder basert på beregningsmetode beskrevet i standarden IEC 60287. Ved anskaffelse bør det kreves at leverandøren oppgir kontinuerlig strømføringsevne ved aktuell forlegningsmetode. For returkretsen bør det velges stort nok totalt tverrsnitt slik at strømføringsevnen til returkretsen ikke begrenser den elektriske kapasiteten på strekningen.

For noen ledertyper og forlegningsmetoder er ikke strømføringsevne normalt oppgitt. I disse tilfellene bør leverandøren likevel forespørres om strømføringsevne for det aktuelle tilfellet.

I dette avsnittet er kontinuerlig strømføringsevne for uisolerte ledere er beregnet i henhold til IEC 60287 for noen vanlige forlegninger i jernbaneanlegg. Det er angitt at temperaturstigningen kan angis med følgende formel

<equation id="eqn:tempstigning"> $\Delta \theta =(I^{2}R+{\frac {1}{2}}W_{d})T_{1}+[I^{2}R(1+\lambda _{1})+W_{d}]nT_{2}+[I^{2}R(1+\lambda _{1}+\lambda _{2})+W_{d}]n(T_{3}+T_{4})$

Temperaturstigning i en leder ved kontinuerlig strøm, i henhold til IEC 60287 </equation>
<figtable id="tab:Symbolforklaring Varmebalanse">

Symbolforklaring

Symbol	Enhet	Forklaring
I	A	Strøm som går i lederen
Δθ	K	Temperaturstigning i lederen over omgivelsestemperatur
R	Ω/m	Lederrestistans ved driftstemperatur
Wd	W/m	Dielektriske tap i isolasjonen rundt lederen
T1	K.m/W	Termisk resistans mellom lederen og skjermen
T2	K.m/W	Termisk resistans mellom mellom skjermen og armeringen

</figtable>

For å finne den kontinuerlige strømføringsevnen for en leder, må man finne et uttrykk for hvert av disse leddene ved dimensjonerende forhold. Det er gjort for uisolerte ledere i Lenke: Vedlegg A. Det ligger flere forutsetninger til grunn, der de viktigste er:

• Maksimal kontinuerlig ledertemperatur er satt til 100 °C
• For leder i luft er vindhastigheten satt til 0,1 m/s og dimensjonerende omgivelsestemperatur er satt til 25 °C.
  • Standarden IEC 60287-3-1 angir 25 °C som dimensjonerende omgivelsestemperatur i luft for termisk dimensjonering av kabler i Norge. Faktisk omgivelsestemperatur vil sannsynligvis overstige dette noen dager i året. Konsekvensen av en kortvarig overtemperatur i lederen som følge av dette vurderes som akseptabel.
• For leder i jord er dimensjonerende omgivelsestemperatur og 17 °C, jordsmonnets termiske ledeevne er satt til 0,5 W/(m·K), og dybden er satt til 0,5 m (dypt er konservativt for stasjonære forhold).
  • Standarden IEC 60287-3-1 angir 17°C som dimensjonerende omgivelsestemperatur i jord for termisk dimensjonering av kabler i Norge.

Referanser

[1] - Incorpera og DeWitt: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fifth edition, Wiley, 2002. ISBN 0-471-38650-2
[2] - Kießling, Puschmann, Schmieder: Fahrleitungen elektrischer Bahnen - Planung, Berechnung, Ausführung, Betrieb, 3. Auflage, Publicis Publishing, 2014. ISBN 978-3-89578-407-1