Obciążalność prądowa kabli w betonowej wiązce rurociągów kablowych — dlaczego jest to bardziej rygorystyczne niż pojedyncze rury podziemne

Przewodnik o obciążalności prądowej kabli podziemnych opisuje standardowe tabele dla kabli układanych bezpośrednio w gruncie (metoda D1) oraz kabli w pojedynczej rurze podziemnej (metoda D2), wraz ze współczynnikami korekcyjnymi dla rezystywności gruntu i grupowania. Ten artykuł opisuje bardziej rygorystyczny przypadek: kilka rur kablowych zalanych razem w osłonie betonowej — wiązkę rurociągów kablowych (ang. "duct bank") — powszechnie stosowaną przy przejściach przez drogi, trasach kablowych pod budynkami lub trasach kablowych o dużej gęstości na terenach przemysłowych.

Dlaczego beton zmienia odprowadzanie ciepła

Kabel w pojedynczej rurze podziemnej (metoda D2 z tabel standardowych) odprowadza ciepło do otaczającego gruntu, przy ograniczonym oporze cieplnym między rurą a gruntem. W wiązce rurociągów między rurą a otaczającym gruntem znajduje się jednak dodatkowa warstwa: beton zasypowy, który ma własny opór cieplny, różniący się od otaczającego gruntu. Ponadto rury w wiązce leżą blisko siebie w stałej siatce (np. 4×4 rury), co oznacza, że ciepło z centralnie położonych rur nie może przepływać bezpośrednio do otaczającego, chłodniejszego gruntu, lecz musi najpierw przejść przez ciepło sąsiednich rur — w efekcie rury wewnętrzne z natury nagrzewają się bardziej niż zewnętrzne.

Zasada "hot-spot": nie wszystkie rury są równe

Obliczenie cieplne wiązki rurociągów według IEC 60287-2-1 nie zakłada jednej średniej temperatury dla całej wiązki, lecz przyjmuje krytyczną, najbardziej centralną rurę (lub rury) jako wartość decydującą o dopuszczalnym prądzie dla wszystkich kabli w wiązce:

• Rury na zewnętrznym brzegu wiązki mają krótszą drogę cieplną do otaczającego, chłodniejszego gruntu i nagrzewają się mniej.
• Rury w środku wiązki są ze wszystkich stron otoczone innymi, równie wytwarzającymi ciepło rurami, dlatego mają najdłuższą efektywną drogę cieplną do otaczającego gruntu.
• Ponieważ wszystkim kablom w wiązce zwykle przypisuje się takie samo obciążenie prądowe (praktycznie nieuniknione, jeśli wiązka tworzy jedną wspólną trasę), temperatura najgorętszej, najbardziej centralnej rury decyduje o dopuszczalnym prądzie dla całej wiązki — prosta suma indywidualnych wartości rur D2 pomijałaby to wzajemne nagrzewanie i prowadziła do zbyt optymistycznej obciążalności.

Uwaga: dokładna metoda obliczeniowa (konfiguracja geometryczna rur, opór cieplny zastosowanego betonu zasypowego, liczba rur obciążonych względem nieobciążonych/rezerwowych) jest znacznie bardziej złożona niż dla pojedynczej rury i wymaga konkretnego obliczenia według IEC 60287-2-1 lub specjalistycznego oprogramowania — ten artykuł przedstawia zasadę, a nie gotowy współczynnik korekcyjny.

Puste rury rezerwowe też się liczą

Częstym błędnym założeniem jest, że pusta, nieobciążona rura rezerwowa w wiązce nie wpływa na obliczenie. Jest to nieprawdziwe: pusta rura nadal zajmuje miejsce w siatce cieplnej i wpływa na drogę cieplną sąsiednich, obciążonych rur — chociaż sama pusta rura oczywiście nie wnosi ciepła. Przy projektowaniu wiązki rurociągów z celowo zarezerwowanymi pustymi rurami na przyszłą rozbudowę obliczenie cieplne musi zatem uwzględniać docelową, kompletną konfigurację wiązki, a nie tylko rury faktycznie zawierające kable pierwszego dnia.

Beton zasypowy: nie każda mieszanka jest taka sama

Standardowe mieszanki betonowe mają stosunkowo wysoki opór cieplny w porównaniu z niektórymi specjalnie opracowanymi, przewodzącymi cieplnie mieszankami zasypowymi ("thermal backfill" lub materiał o kontrolowanej niskiej wytrzymałości ze zredukowanym oporem cieplnym), oferowanymi specjalnie dla wiązek rurociągów kablowych. Zastosowanie takiej przewodzącej cieplnie mieszanki zamiast standardowego betonu może zwiększyć dopuszczalny prąd wiązki, ale wymaga to, aby w obliczeniu zastosowano rzeczywiście zastosowany opór cieplny mieszanki — a nie założenie.

Znaczenie praktyczne

Ma to szczególne znaczenie dla tras kablowych przecinających drogę, linię kolejową lub fundament budynku, gdzie bezpośrednie ułożenie w gruncie (metoda D1) nie jest możliwe, a wiązka rurociągów jest jedynym praktycznym rozwiązaniem. Dla trasy z kilkoma obwodami, które muszą dzielić taką wiązkę, nie wystarczy po prostu powtórzyć obciążalność pojedynczej rury podziemnej (metoda D2) dla każdej rury z osobna — potrzebne jest konkretne obliczenie dla całej wiązki, z uwzględnieniem centralnie położonych, najgorętszych rur, aby zapobiec przeciążeniu kabli w środku wiązki.

Częste błędy

1. Stosowanie standardowej wartości tabelarycznej D2 dla pojedynczej rury podziemnej do każdej rury w wiązce z osobna, bez uwzględnienia wzajemnego nagrzewania między rurami w wiązce.
2. Traktowanie tylko zewnętrznych rur wiązki jako reprezentatywnych dla dopuszczalnego prądu całej wiązki, podczas gdy rury wewnętrzne, najbardziej centralne, z natury nagrzewają się bardziej i to one są czynnikiem decydującym.
3. Ignorowanie pustych rur rezerwowych w obliczeniu cieplnym — pusta rura sama w sobie nie wnosi ciepła, ale wpływa na drogę cieplną sąsiednich, obciążonych rur.
4. Zakładanie oporu cieplnego standardowego betonu bez weryfikacji, podczas gdy rzeczywiście zastosowana mieszanka zasypowa może mieć inny (wyższy lub, przy specjalnej mieszance termicznej, niższy) opór.

Powiązane

• Obciążalność prądowa kabli podziemnych — rezystywność gruntu i grupowanie
• Metody referencyjne — określanie metody instalacji
• Współczynnik grupowania Cg — kable w wiązkach
• Kable podziemne — głębokość ułożenia i ochrona mechaniczna