THERMAL RAT~NGS
OF HV CABLE
ACCESSOR~ES_
TAS[( FORCE 81.10
1.Summary
On request ofIEe TC 20 a Tasle Force
TF 21(BI)-10 was launched by SC 21 in
2001 with the scope to reviewwhether or
not existing HV cable test specifications
wotùd appropriately specify and verifythe
crucial thermal and thermo-mechanical
characteristics of accessories. TF Bl-lO
finished its work on schedule in 2003 with
to be taken into account for each individuCiI
case by the systems design engineering.
ronment.
More details on the work of TF Bl-IO
are published in the Final Technical
International standards as IEC spec-
Report available on our web site, e.g. tem-
ifications 60840 and 62067 have defined
perature calculations and thermal testing
the thermal ratmgs of extruded EV IEHV
of joints, international standardization
cables by their maximum cable conduc-
and installation recommendations.
tor temperatures for different insulations.
The thermal ratings of accessories are not
-explicitly mentioned as rlley were gener-
the following conclusions:
;.. Thermal fatings ofaccessones need
no! be specified separately fram cabres, as
they are cOl1sidered identical due to the presence of cable imide the accessory.
:> The successful completion of fEe
thermal tests at a complete cable system can
be considered as simultaneous verification
of the adequate thermal design of bath,
cables and accessories, provided that C01n~
parable or higher conductor temperatures
as rated for the cable are achieved inside
joints. These test conditions shall be reaUzed
by applying on1y cable condt/ctof current
heating.
.>- The thermal peiformance of tenninations in 110rmal operation is not considered critica~ therefore they do not have to
l'each the rated tem.perature for the cable
during test.
>- External thenno-mechanical forces
ean be reprodueed in the IEC prequaliftcation test onl)' for the specifie installation
conditions applied.
>- The thennallimits ofaccessories and
external thermo-mechanical forces in service operation cannat be reproduced eo11tprehensively by standardized tests, but have
cable, taking inta account the lasses in the
cable and the heat transfer ta its envi-
ally considered ta have equal or better lev-
2. Introduction
els than tho:5e of the cable.
It is cornmon practice to base the cal-
Questions have been raised, whether
culation of the current carrying capac-
and how the thermal and thermo-
ity of HV/EHV underground transmis-
mechanical ratings of accessories, i.e. terminations and joints, should be __ •
sion lines on the thermal ratings of the
MEASUREMENT OF THERMO-MECH .... NICAL FORCES.
~Io 212 - Februarv 2004 ELECTRA
W
r
5 U 1T E
120
1
. ~,
'"
'00
Û
0
';
~
•
~'"i"
k
~
K', ~
~".,
..
~ "ü
~
,,!
"
~
~"..,.,
...
~ ~'"
~ ~
N'_
•
~
0'
..
~'"
• • •,
••
'.....
" ., _ , ..., ., .. ,'., ., ._ ........ _ " .' ,
__ ,
r
"
•
"
~'M
"
~
"
",.' " ,- '"
60
,~
~
" •
~
~'.
,:
~
,_
.. ' ,
"
_
H
~,l~
,• •
·I~
•
-
-
",~
•
~
•
-
~
·f~
~
"('
~,"
~
.} _
~ ~
~,~
~
~
ç
,,
,.' ••' •
~
~
," "
~
"
A
~
•••
~
-
•.
~
~
~
~
~
,
,~
---joint
---cable
60
ê"
E=<
,
.,
.'=" "
~
i • ~ " " J ...' _ ,.
,
" •
t
~
~.
7'"
r
"~"I-
<
n
~
,-
"!~
,
, .•-
~
~r"
,
~
l
. " ,.
,
~( ... '-
"
"
"
Time (hours)
FIG.
1:
CYCI.E DE CHARGE TYPE~ CALCULÉ SUR UN CÂBLE ET UNE JONCTION
800
MM 2
CUJVRE 132 KV
FIG. 1 : TYPICAL CALCULATED LOADING CYCLE ON k132 KV BOO MM2 CU CABLE AND JOINT
3. Dimensionnement thermique
des accessoires
Le dimensionnement thermique d'un
accessoire est défini comme la tempéra~
ture maximale admissible en régime normal sur le conductem ou la connexion du
conductelJ-r inclus dans l'accessoire (la
température assignée correspond à la
valeur la plus élevée entre celle du conduc-
tallées dans des conditions identiques à
celles du câble peuvent développer en
régime permanent des températures sur
conducteur supérieures à celles rencontrées sur la partie éloignée du câble.
Dans les spécifications CEl, les caractéristiques thermiques sont vérifiées par
des essais de cycles thermiques sous tension et par des essais de pré qualification
sur systèmes de câble THT complets
incluant câble et accessoires.
En fonction des constantes de temps
et de la durée de la période de refroidissement, les jonctions peuvent ne pas
refroidir complètement jusqu'à la température ambiante. il en résulte alors une
augmentation progressive de la. tempéra:ture du conducteur au fur et à mesure des
cycles (figure 2).
L'ajout d'isolation thermique durant
l'essai p eut augmenter la constante de
temps thermique du câble.
teur et celle de la connexion).
Pour Je chauifuge du câble et des acces·
3.1 Principes fondamentaux
soires,la plupart des normes réclament un
chauffage par circulation de courant. Le
courant dans la boucle d'essai est défini
Les extrémités de câble HT et THT
installées en conditions normales, ne
SOnt pas considérées comme des points
par la température maximale dans le
conducteur du câble situé à une certaine
distance des accessoires.
chauds pour le câbl~ en raison de l'existence d'un transfert thermique efficace
vers l'environnement (par exemple circulation d'air pour les extrémités extérieures, transfert thermique longitudinal
via les conducteurs pour les extrémités
en poste sous enveloppe métallique et
transformateur) ,
En revanche, en raison de leurs plus
grandes dimensions, des jonctions ins-
-----so ELECTRA
W212· Février 2004
Pendant les essais de cycles thermiques, les constantes de tell~ps plus
importantes rencontrées au niveau des
jonctions pourraient conduire à des températures sur conducteur plus faibles au
cours de la première partie de la période
de chauffage, mais plus élevées à la fm de
la séquence de chauffage (figure 1), suivies
d'un retard du refroidissement après l'arrêt du courant.
3.2 Conclusions
Le dimensionnement thermique des
accessoires n'a pas besoin d'être décrit
séparément de celui des câbles puisqu'il est
considéré identique en raison de la présence du câble à l'intérieur de l'accessoire.
Les spécifications d'essais courantes
ne peuvent qu'évaluer les caractéristiques
thermiques principales des accessoires
mais pas la conformité avec les tempéra~
tures assignées sur conducteur des câbles.
La réalisation satisfaisante des essais
thermiques selon la CEl SUl" un système de
câble complet peut être considérée _. Il
"
"
"
---joint
"
"
---cabl.
"
"1· ... "i . ". "i ".. "~...... ;........ :....... :...... ; ....: ... -:.... '1
'
,
,
,
,:~_-.-.-.~:.-.-.-..•
l
,
"
"
2:
•
.;.:~-.-._.
-"-'.-';.:- '-.-"-.;.:
•• - . - . - . -•
"
Time (hours)
"
FIG. 2 : CYCLE DE CHAUFFAGE TYPE OBTENU PAR CALCUL (CHAUFFAGE:
FIG,
,
;.:'-'-'---'_:_'-'-'-'..;:~'
••_:_.-.-.-._:_._•• - '- '- '
"
,
'-'..!.
'"
a HEURES, REFROIDISSEMENT: 16 HEURES)
SUR UN CÂBLE ET UNE JONCTION 1600 MM~ CU 400 KV)
TYPICAL CALCULATED l.OADfNG CYCLES (8 HOURS ON, 16 HOURS OFF) ON A 400 KY 1600 MM 2 CU CABLE AND JOINT
defined and how these should be taken
mta account in the design of cable,systems.
3. Thermal ratings
of accessories
>- ta speciijr the terms "thermal and
thermo-mechanical ratings" of accessories
requin~ .current
heating. The
current in the test loop is defi.ned by the
ma:x:imum temperature in the cable conductor remote from the accessories.
In 2001 a TaskForce 21-10was established with the following scope:
standards
The thermal rating of an accessory is
defined as "the maximum temperature of
During heating cycle tests, longer
the conductor or conductor connectaI
contained within the accessory (whichever
is the higher) allowed in normal operation':
result in lower conductor temperature in
thermal drue constants for joints may
the first part of aheating period than for
the cable, but higher temperatures at the
>- to review existing test specifications
with regard to appropriateverification of
thermal and thermo-mechanical performance of accessories
end of the heating period (figure 1), fol-
3.1 Basic considerations
lowed by delayed cooling after disconnecting the current. Depending on the
!-IV and EHV cable terminations
tirne constants and duration of the cool-
instaIIed in normal conditions are not con-
ing period, joints may fiot cool down
>- to consider, if applicable, irriproved
sidered as a hot spot for the cable due ta
, completely to the ambient temperature, .
or new test procedures for thermal and
a more effective heat transfer ta the envi-
resulting in a gradual increase of con-
thermo-mechanical verification of acces-
ronment (e.g. air circulation for outdoor
ductor temperatures in subsequent cycles
sories
terrninations, axial conductor heat trans-
(figure 2).
fer in GIS and transformer terminations).
).. ta prepare recommendations to
However, joints installed in the same con-
Additional thermal insulation applied
IEC, wh ether and how specifie thermal
ditions as the cable can develop higher
during test may extend the thermal time
and thermo-mechanical tests should be
conductor temperatures in steady state
conditions than the remote cable, due ta
constant for tIIe cable.
combined with and/or integrated iuto
existing test specifications for extruded
their higher dimensions.
3.2 Conclusions
HV and EIN cables (e.g. IEC 60840 and
IEC 62067)
Thermal aspects are verified in IEC
specifications by heating cycle voltage tests
Thermal ratings of accessories neednot
and by prequalification tests on complete
be spedfied separately from cables, as they
the findings ofbasic laboratorytests to the
EHV cable systems (cable and accessories).
multitude of practîcal configurations.
For heating cable and
are considered identical due to the presence
of cable inside the accessory.
>- ta prepare guidelines how to apply
accessories~
most
• ••
No 212· Februarv 20D4 ELECTRA
~
U 1T E
comme une vérification simultanée de la
conception thermique adéquate des câbles
et des accessoires. Ceci est vrai sous réserve
que des températures équivalentes ou
supérieures à celles requises pour le câble
soient atteintes au niveau des jonctions sur
le conducteur du câble.
Pendant les essais de type et de pré
qualification, le chauffage du conducteur
doit être réalisé par passage àe courant
Aucun moyen de chauffage e,,-'terne ou
de chauffage par passage de courant dans
l'écran métallique ne doit être utilisé. En
effet, ceci pourrait entraîner la diminution
de la température du conducteur à l'intérieur de la jonction par rapport à celle
du conducteur éloigné de la jonction.
Les jonctions peuvent présenter une
moins bOIDle dissipation thermique que
les câbles, développant en conséquence
4. Dimensionnement thermomécanique des accessoires
Le dimensionnement thernlomécanique d'un accessoire est défini comme
<d'aptitude de l'accessoire à supporter les
efforts mécaniques générés par le fonctionnement de l'accessoire et du câble
associé, à la température maximale adnùssible en régime normal. Les forces sont
internes et externes.
Seul, le niveau des forces externes que
peut supporter l'accessoire à la température maximale admissible en régime normal est spécifié. Ces _efforts peuvent être
symébiques ou asymétriques et sont générés par le conducteur (via les câbles
connectés) ».
durant les essais thermiques CEl des températures sur conducteur plus élevées que
celles des parties de câbles éloignées de la
4.1 Principes fondamentaux
jonction.
Le dimensionnement thermoméca-
Bien que des températures plus élevées
nique des accessoires n'est pas mentionné
que les températures assignées du conduc-
ni explicitement précisé dans les spécifi-
teur du câble (isolation) doivent être évi-
cations CEL Les contraintes thermomé-
tées en fonctionnement normal, ceci est
caniques peuvent résulter:
acceptable pendant les courtes périodes
d'un essai de type ou de pré qualification.
>- Des composants internes des accessaires: contraintes internes
~ De
Les performances thermiques des
moins représentatifs de l'ensemble des
configurations d'installation pouvant être
rencontrées en service.
sources externes, émanant prin-
cipalement du câble: contraintes externes
e"-'trémités en régime n01111al ne sont pas
La définition de la tenue de chaque
accessoire aux effOlts mécanigues e},.'ternes
jugées critiques. En conséquence, il n'est
Les contraintes thermomécaniques
est à la charge du fabricant. Cette tenue est
pas nécessaire pour les extrémités d'at-
internes (e"-1'ansion, rétraction, pression,
déterminée par les composants« méca-
teindre la température assignée du câble
etc.) sont reproduites dans les essais ther-
niques» tels que les isolateurs, les dispo-
durant les essais.
nriques CEl réels, sous réserve que les tem-
sitifs d'ancrage des jonctions, etc. On
pér~tures
considère suffisant de vérifier]a résistance
Certains systèmes de câble avec isolation thermique additionnelle peuvent
nécessiter l'allongement de 1a durée des
cycles de chauffage. Si une isolation th ermique est utilisée, le temps nécessaire au
maximales (admiSsibles) du
conducteur (cycles) soient atteintes de
mécanique adaptée de tels composants par
manière appropriée.
des certificats séparés plutôt que par l1l1
test des accessoires complets.
Les contraintes thermomécaniques
refToidissement pour revenir à la tempé-
externes sur les accessoires sont générées
par des composants e,,-1:ernes et leur ins-
rature spécifiée sera également plus long.
tallation. En fonction de la configuration
d'essais choisie, des contraintes thenno-
Les conceptions theImiques des accessoires sont très diverses et Sont de la responsabilité de cha.que fabricant.
52 ELECTRA W212 - février 2004
4.2 Conclusions
Le dimensionnement thennoméca-
mécaniques spécifiques peuvent être
nique des accessoires ne nécessite
reproduites par les essais de pré-qualifica-
d'étre explicitement précisé dans les spé-
tion CEL Ceux-ci ne peuvent être néan-
cifications CEl mais il peut faire - ••
1'[1$
Thermal designs of accessories are
extremely diyerse and within the responsibility of each manufacturer.
4. Thermo-mechanical ra.tings of
accessones
·The thermo-mechanical rating of an
accessory is defined as «the ability of the
accessory to withstand mechanical forces
whidl are developed due ta operation of
the accessory and associated cable at the
maximum temperature allowed in normal
operation. The forces are internaI and
external. Only the level of external forces
15 specified, t11is being s)rmmetrical and
asymmetrical conductor forces (arising
from the connected cables) which the
accessoryis able ta withstand at maximum
temperature in normal operation'~
4.1 Basic considerations
@PirE/1I
JOINTS IN MANHOLE, INSTALLED WITH W1DER SPACING.
Common test specifications can only
assess the basic thermal performance of
accessories rather than compliance with
rated cable conductor temperatures.
The successful completion of IEC
thermal tests on a complete cable system
can be considered as simultaneous verification of the adequate thermal design of
both cables and nccessanes, provided that
comparable or lùgher conductor temperatures as rated for the cable are nchieved
inside joints.
Conductor heating by means of current should be applied during type and
prequalification tests. No exter-nal means
of heating or sheath current heating
should be applied, as this will tend to
reduce the conductor temperature within
a joint in camparison to the temperature
of the remate cable condllctor.
Joints can haveworse heat dissipation
characteristics than cables, thus developmg during thermal IEe t~sts higher internaI conductor temperatures than the
remote cables.
Although higher than rated conductor (insulation) temperatures should be
Thermo-mechanical raOOgs of acces~
sories are neither mentioned nor explicitly specified in IEC specifications.
Thermo-mechanical forces in accessories
can originate from:
'.> components inside the accessories:
internal [urees.
'.> external sources, mainly cable:
external forces.
avoided inside accessories during service
operation, it is acceptable for the short duration of a type and prequalification tests.
InternaI thermo-mechanical forces
(expansion, retraction, pressure etc.) are
The thermal performance of terminations in normal operation is not con-
reproduced in actual thermal IEe tests)
pravided that maximum (rated) conductor temperatures (cycles) are adequately
sidered criticaI. Therefore dley do not have
ta reach the rated temperature for the
cable dUl'ing test.
Some cable systems with additional
thermal insulation might require extended
heating cycles. If thermal însulation is
applied, the time to cool to the specified
temperature will also be longer.
achieved.
External thermo-mechanical forces on
accessories are induced by external COIDponents and their installation. Depending
on the test arrangements used, specifie
external Ù1ermo-mechanical forces can be
reproduced by TEe prequalification tests.
These) however, cannat be repre- • l1li •
No 212." Februarv 2004 ELECTRA 53
• • • • • •II!§1!i1i;{{j.!lllIIC:.Ji!i.~.!lV"~:.l'~.111J11]1!llili
.
•••Oj'U"rwlllll_L_ SUI
T E
>- Les installations nécessaires telles
Les performances thermiques des
fabricant.
qu'un écartement suffisant entre phases,
e>..'trémités en régime normal ne sont pas
Les forces thermomécaniques internes
peuvent être vérifiées de manière satis-
un remblai spécifique, la ventilation des
jugées critiques. En conséquence, il n'est
chambres. de jonction, etc.,
pas nécessaire pour les extrémités d'at_
faisante par les essais thermiques de la CEl,
).- Les conditions d'environnement
sous réserve que les températures maxi-
sévères pour les extrémités (climats
males sur conducteur soient cortectement
chauds, extrémités de transformateurs
obtenues.
dans l'huile chaude).
l'objet d'un accord entre le client et le
Dans des conditions d'installation spécifiques) les forces {thermo)-mécaniques
ô..1:ernes ne peuvent être totalement reproduites par des essais normalisés.
Les efforts maximum admissibles
teindre la température assignée du câble
durant les essais.
La réalisation satisfaisante des essais
thermiques CEl sur un système de câble
complet peut être considérée comme une
5.2 Dimensionnement therdes accessoires
momécanique
symétriques ou asymétriques sont indi-
vérification simultanée de la conception
thermique adéquate des câbles et accessoires. Ceci est vrai sous réserve que des
températures équivalentes ou supérieures
qués par les fabricants d'accessoires et
Les contraintes mécaniques et ther-
à celles requises pour le câble soient atteintes
attestés par des certificats plutôt que vérifiés sur des accessoires complets.
momécaniques eJ..'ternes sur les accessoires
au niveau des jonctions sur le conducteur
doivent être étudiées par les concepteurs
du câble. Ces conditions d'essais ne doivent
de systèmes en prenant en compte:
être obtenues que par circulation de courant dans le conducteur du câble.
).- La valeur admissible des efforts
5. Aspects relatifs
à la conception des
systèmes
5.1 Dimensionnement thermique des accessoires
mécaniques agissant sur l'accessoire, qui.
doit être fourni par le fournisseur d'accessoires,
Les contraintes (thermo)-mécaniques
eJ..'ternes en condition d'installation normale peuvent être reproduites au cours de
).- Les caractéristiques thermomé-
l'essai de pré-qualification des systèmes
caniques des câbles concernés (effort de
TIlT. Cependant, dans des conditions d'installation spécifiques, les contraintes
(thelmo)-mécaniques externes (ou d'autres
efforts mécaniques) ne peuvent être repro-
flexion, poussée admissible), à fournir par
le fournisseur de câble,
).- Les conditions d'installation réelles.
Les limites thermiques des accessoires
duites dans leur intégralité par les essais
en exploitation (c'est à dire répondant éga-
normalisés, aussi, elles doivent-elles être
lement aux températures maximales sur
conducteur du câble dans les accessoires)
6. Conclusions
étudiées pour chaque cas particulier par les
concepteurs de systèmes de câbles.
doivent être garanties par les services d'ingénierie concevant le système en prenant
en compte:
Le dimensionnement thermique des
De nouvelles générations d'accessoires
accessoi.l"es n'a pas lieu d'être décrit sépa-
(extrémités ~>..'térieures sèches) pourraient
>- Les caractéristiques thermiques
rément de celui des câbles puisqu'il est
nécessiter de plus amples considérations
générales de l'accessoire fournies par le
considéré identique en raison de la pré-
pour ce qui concernent leurs aspects ther-
fabricant,
senee du câble à l'intérieur de l'accessoire.
miques et thermomécaniques.
=
sentative for the complete variety of possible service installations.
5. Systems design 6. Conclusions
aspects
Thermal ratings of accessories need
The definition of the mechanical withstand strength of each individual accessory
against external forces is with the manu-
5.1 Thermal ratings of accessories
not be spedfied separately from cables, as
theyare considered identical due to the
presence of c.able inside the accessory.
facturer. This strength is determined by
cCmechanicar' compOnents such as insula-
The thermallirnits of accessories in
The thermal performance of termi-
tors, anchor jointcasings, etc. It is consid-
service operation (i.e. obeying maximum
nations in normal operation is not con-
ered sufficient ta verify the adequate
rated cable conductor temperatures in
sideredcritical. Therefore they do nothave
mechanical strength of such components
accessories too) have ta be secured bysys-
ta reach the rated temperature for the
by separate :ertificates rather than testing
tems design engineering taking into
:lccount:
cable during test
The successfttl completion of IEC
of complete accessories.
4.2 Conclusions
Thermo-mechanical ratings of acces-
>- the accessory's basic thermal char-
thermal tests at the complete cable system
acteristics provided by the manufacturer.
can be considered as simultarieous veri-
>- appropriate installations such as
ficarion of the adequate thermal design of
wider phase spacing, special baclcfill, ven-
both, cables and accessories, provided that
comparable or higher conductor temper-
tilation of manholes, etc.
sories need not be specified explicitly in
>- severe environmental conditions
atures as rated for the cable are achieved
IEC specifications, but left as a subject of
for terminations (e.g. hot climates, trans-
inside joints. These test conditions shall be
agreement between customer and manufacturer.
former terminations in hot oil).
achieved by applying only cable conduc-
InternaI thermo-mechanical forces
can adequately be verified by thermal
tor current heating.
5.2 Thermo-mechanical ratings
of accessories
IEC tests, provided that maximum conductor temperatures are adequately
achieved.
External
(thermo-)
mechanical
forces, in special installation conditions,
External (thermo-)mechanical forces
in normal installation condition may be
reproduced in the prequalification test far
>
The external thermo-mechanical
BHV systems. However, extemal (thermo)
(and other mechanical) forces on accessories have ta be considered by systems
mechanical (and ather mechanical) forces,
design engineering taking into account:
>- the value of admissible mechanical
cannat be reproduced comprehensively
forces acting on the accessory, to be pro-
in standardized tests. Maximum admissible symmetrical and/or asymmetrical
forces are indicated by accessories manufacturers and attested by certificates
rather than verified at complete individual accessories.
vided by the accessory's supplier.
>
in special installation conditions, cannat
be reproduced comprehensively in standardized tests and should therefore be C011sidered by systems design engineering.
the thermo-mechanicalcharacter-
Completely new generations of acces-
istics (e.g. bending moments, allowable
sories Ce.g. dry outdoor terminations)
thrust) of the cables involved, to be pro-
rnight need further considerations, regard-
vided by the cable's supplier.
ing thermal and thermo-mechanical
>
the actual installation conditions.
aspects.
•
No. 212 - Februarv 2004 ELECTRA
ss-----