Rezystywność cieplna gruntu — dlaczego kabel w ziemi może przenosić mniej niż sugeruje tabela

Przewodnik o efekcie naskórkowości i efekcie zbliżenia przy dużych przekrojach kabli omawia, dlaczego rezystancja przewodnika prądowi zmiennemu jest wyższa niż rezystancja prądowi stałemu. Ten artykuł omawia drugą stronę bilansu cieplnego kabla ułożonego w ziemi: nie ile ciepła jest wytwarzane w przewodniku, lecz jak dobrze to ciepło może być odprowadzone przez grunt — i dlaczego może to znacznie różnić się w zależności od lokalizacji.

Rezystywność cieplna: odwrotność przewodności cieplnej

Rezystywność cieplna gruntu (wyrażana w K·m/W — kelwin-metr na wat) to miara tego, jak słabo dany typ gruntu przewodzi ciepło: im wyższa wartość, tym większa różnica temperatur jest potrzebna, aby odprowadzić tę samą ilość ciepła na jednostkę długości kabla przez grunt do powierzchni. IEC 60287-3-1 określa warunki odniesienia (w tym wartość odniesienia rezystywności cieplnej gruntu), na których opierają się standardowe tabele obciążalności prądowej kabli układanych w ziemi — podobnie jak w IEC 60287-1-1 w przypadku obliczania samej rezystancji.

Dlaczego rzeczywisty grunt często odbiega od wartości odniesienia

Opublikowane tabele obciążalności prądowej zakładają uśredniony, dostatecznie wilgotny grunt odniesienia. W praktyce jednak typy i warunki gruntu znacznie się różnią:

• Wilgota glina lub il mają stosunkowo niską rezystywność cieplną (dobre odprowadzanie ciepła).
• Suchy piasek lub żwir, a zwłaszcza słabo zagęszczona podsypka/obsypka rowu kablowego, mają znacznie wyższą rezystywność cieplną niż wartość odniesienia — powietrze w porach słabo zagęszczonego gruntu jest doskonałym izolatorem cieplnym.
• Sezonowe wysychanie (suche lato, grunt blisko ogrzewanej ściany piwnicy lub tarasu) może znacznie podnieść rezystywność cieplną tego samego typu gruntu w porównaniu z wilgotnym okresem zimowym.

Gdy rzeczywista rezystywność gruntu jest wyższa niż wartość odniesienia, na której opiera się tabela obciążalności prądowej, rzeczywista, bezpieczna obciążalność prądowa kabla w danym miejscu jest niższa niż wartość tabelaryczna — chyba że zastosowano współczynnik korekcyjny.

Samowzmacniający się efekt migracji wilgoci wokół mocno obciążonego kabla

Dla kabla obciążonego strukturalnie blisko swojej granicy cieplnej może wystąpić szczególny mechanizm: wytwarzanie ciepła przez sam kabel wypycha wilgoć z bezpośrednio otaczającego gruntu, co dodatkowo zwiększa rezystywność cieplną tej wysuszonej strefy — co z kolei jeszcze bardziej pogarsza odprowadzanie ciepła i jeszcze bardziej podnosi temperaturę przewodnika. Ten efekt migracji wilgoci (moisture migration) jest mechanizmem samowzmacniającym się, który w najgorszym przypadku może prowadzić do lokalnego, postępującego przegrzania kabla, nawet jeśli pierwotne obciążenie samo w sobie pozostawało w granicach znamionowej obciążalności prądowej kabla zgodnie z wartością tabelaryczną.

Uwaga: ten efekt wysychania jest szczególnie istotny dla mocno i ciągle obciążonych kabli średniego napięcia w gruntach wrażliwych na suszę; dla większości lekko i umiarkowanie obciążonych kabli niskiego napięcia w zwykle wilgotnym gruncie niderlandzkim ryzyko jest ograniczone, ale nie jest z definicji nieobecne w okresie długotrwałej suszy.

Ograniczanie ryzyka: większa głębokość, rozstaw lub termicznie stabilna obsypka

Kilka powszechnie stosowanych środków ogranicza ryzyko związane z wyższą niż zakładano rzeczywistą rezystywnością cieplną gruntu:

• Większa głębokość układania lub większy odstęp między równoległymi trasami kablowymi, aby ciepło z każdej trasy mogło rozprzestrzeniać się na większą objętość gruntu, zanim temperatury sąsiednich tras znacząco na siebie wpłyną.
• Termicznie stabilna obsypka (thermal backfill) — specjalnie skomponowana, zagęszczona mieszanka piaskowa lub cementowa o gwarantowanej niskiej i stabilnej rezystywności cieplnej niezależnie od wilgotności — stosowana bezpośrednio wokół kabla na mocno obciążonych trasach średniego napięcia.
• Stosowanie współczynników korekcyjnych do tabelarycznej wartości obciążalności prądowej, gdy rzeczywista rezystywność gruntu została zmierzona wcześniej lub jest zasadnie szacowana jako wyższa niż wartość odniesienia tabeli.

Znaczenie praktyczne

Przy wymiarowaniu mocno obciążonej trasy kablowej ułożonej w ziemi — na przykład połączenia średniego napięcia do dużego odbiorcy lub placu ładowania — nie wystarczy skorzystać wyłącznie ze standardowej tabeli obciążalności prądowej bez oceny rzeczywistego stanu gruntu na trasie: sucha, piaszczysta lub słabo zagęszczona obsypka rowu może zauważalnie obniżyć efektywną obciążalność prądową w porównaniu z wartością tabelaryczną, a ta różnica nie jest widoczna w samej tabeli, jeśli nie zastosowano właściwego współczynnika korekcyjnego.

Częste błędy

1. Stosowanie standardowej tabeli obciążalności prądowej bez oceny rzeczywistej rezystywności gruntu na trasie, zakładając, że wartość odniesienia jest wszędzie reprezentatywna.
2. Obsypywanie rowu luźnym, niezagęszczonym piaskiem lub gruntem bez uwzględnienia wyższej rezystywności cieplnej powodowanej przez kieszenie powietrzne w słabo zagęszczonej obsypce.
3. Ignorowanie efektu wysychania dla strukturalnie mocno obciążonego kabla średniego napięcia, podczas gdy właśnie taka sytuacja obciążenia może uruchomić mechanizm samowzmacniający się.
4. Układanie kilku tras kablowych zbyt blisko siebie bez uwzględnienia ich wzajemnego oddziaływania cieplnego (i odpowiedniego współczynnika grupowania, analogicznego do zasady z przewodnika o współczynniku grupowania Cg) w wymiarowaniu.

Powiązane

• Efekt naskórkowości i efekt zbliżenia przy dużych przekrojach kabli (IEC 60287-1-1)
• Współczynnik grupowania Cg — wiązki kabli i obciążalność prądowa
• Kable podziemne — odległość od innych sieci uzbrojenia terenu przy skrzyżowaniach i biegu równoległym
• Rezystancja (R) i reaktancja (X) kabla przy obliczaniu spadku napięcia