Formacja trójlistna (trefoil) a płaska wiązka kabli trójfazowych — pole magnetyczne, prądy w powłokach i obciążalność prądowa

Przewodnik o efekcie naskórkowości i efekcie zbliżenia przy dużych przekrojach kabli omawia, dlaczego rezystancja przemienna przewodnika jest wyższa niż jego rezystancja stała, oraz dlaczego ten czynnik staje się silniejszy w miarę zbliżania się przewodników do siebie. Ten artykuł omawia powiązany, lecz odrębny wybór praktyczny dla trzech kabli jednożyłowych tej samej grupy fazowej: ułożyć je w formacji trójlistnej (trefoil) (trzy kable w trójkącie równobocznym stykającym się ze sobą) czy w formacji płaskiej (trzy kable obok siebie w jednym rzędzie)?

Co daje formacja trójlistna: symetria

W formacji trójlistnej trzy przewodniki fazowe leżą w trójkącie równobocznym, każdy w równej odległości od pozostałych dwóch. Ta symetria geometryczna ma dwie bezpośrednie konsekwencje:

• Pole magnetyczne poza wiązką: przy zrównoważonym obciążeniu trójfazowym trzy prądy fazowe są równe co do wartości i przesunięte fazowo o 120°, więc ich suma wektorowa wynosi zero. W symetrycznym, zwartym układzie trójlistnym pola magnetyczne trzech faz w dużej mierze się znoszą poza wiązką, dzięki czemu resztkowe pole magnetyczne w pewnej odległości od wiązki kabli jest znacznie niższe niż przy mniej zwartym lub asymetrycznym układzie.
• Równy rozkład prądu między fazami: ponieważ każdy przewodnik fazowy w trefoil ma taką samą relację geometryczną do pozostałych dwóch (każdy leży w równej odległości od pozostałych dwóch), wzajemne sprzężenie indukcyjne jest równe dla wszystkich trzech faz. Utrzymuje to zrównoważoną efektywną impedancję przemienną trzech faz, dzięki czemu przy zrównoważonym obciążeniu prąd faktycznie rozkłada się równo na trzy przewodniki fazowe.

Co daje formacja płaska: asymetryczna niekorzyść dla kabli skrajnych

W formacji płaskiej trzy przewodniki fazowe leżą obok siebie w jednym rzędzie. W rezultacie kabel środkowy jest otoczony przez dwa kable skrajne, podczas gdy każdy kabel skrajny ma sąsiedni przewodnik tylko z jednej strony, a z drugiej strony jest wolny. To geometryczne rozróżnienie między pozycją środkową a skrajnymi ma dwie konsekwencje, które nie występują w trefoil:

• Nierówna indukcyjność wzajemna: kabel środkowy doświadcza innego (zwykle wyższego) wzajemnego sprzężenia indukcyjnego niż kable skrajne, po prostu dlatego, że kabel środkowy leży bliżej większej liczby przewodników przewodzących prąd. Skutkiem jest to, że efektywna impedancja przemienna trzech faz przestaje być równa.
• Nierówny rozkład prądu przy równym obciążeniu: w wyniku tej nierównej impedancji, nawet przy obciążeniu zasadniczo zrównoważonym po stronie odbioru, rzeczywisty prąd może rozkładać się zauważalnie nierówno na trzy przewodniki fazowe — kable skrajne mogą przenosić inny prąd niż środkowy, mimo że samo obciążenie jest doskonale symetryczne. Przy projekcie zakładającym równą obciążalność prądową na kabel bez uwzględnienia tej nierównowagi przypominającej brak transpozycji, jeden z trzech kabli może w rezultacie zostać obciążony termicznie mocniej, niż wynika to z obliczeń.
• Większe pole magnetyczne poza wiązką: mniej zwarty, liniowy układ znosi pola magnetyczne trzech faz mniej skutecznie niż symetryczny układ trójlistny, przez co resztkowe pole magnetyczne w pewnej odległości od wiązki przy formacji płaskiej jest zazwyczaj wyższe niż przy trefoil, przy skądinąd równym prądzie i odstępie kabli.

Uwaga: przy formacji płaskiej nierówny rozkład prądu między kablem skrajnym a środkowym można ograniczyć poprzez okresową zamianę pozycji kabli wzdłuż trasy (forma transpozycji) — środek stosowany zwłaszcza na długich, silnie obciążonych trasach, lecz czyniący instalację bardziej złożoną niż samo zastosowanie trefoil.

Kiedy która formacja jest preferowana

• Trefoil jest zazwyczaj preferowanym wyborem, gdy pole magnetyczne poza wiązką kabli ma znaczenie — na przykład na trasie przechodzącej przez pomieszczenie z wrażliwym sprzętem elektronicznym lub tam, gdzie narażenie ludzi na pole magnetyczne musi pozostać ograniczone — oraz gdy pożądany jest równy, przewidywalny rozkład prądu między trzema fazami bez dodatkowych środków transpozycyjnych.
• Formacja płaska jest częściej stosowana tam, gdzie fizyczna szerokość koryta lub drabinki kablowej jest ograniczona w innym kierunku, lub gdzie kable muszą być ułożone na już istniejących, płaskich konstrukcjach wsporczych, a pole magnetyczne poza wiązką lub wzajemna równowaga prądowa nie są czynnikiem krytycznym.

Znaczenie praktyczne

Przy projektowaniu trasy kablowej dla znaczącego zasilania trójfazowego — zwłaszcza dla długich, równoległych odcinków kabli blisko wrażliwego sprzętu, instrumentacji pomiarowej lub pomieszczeń, w których ludzie przebywają przez dłuższy czas — wybór między trefoil a formacją płaską nie jest wyborem estetycznym ani wyłącznie przestrzennym, lecz ma bezpośrednie konsekwencje zarówno dla pola magnetycznego poza wiązką, jak i rzeczywistego rozkładu prądu, a tym samym obciążenia termicznego każdego pojedynczego kabla. Przy formacji płaskiej na długiej, silnie obciążonej trasie należy ocenić, czy potrzebna jest transpozycja w celu ograniczenia nierównego rozkładu prądu między kablem skrajnym a środkowym.

Najczęstsze błędy

1. Stosowanie formacji płaskiej bez uwzględnienia nierównego rozkładu prądu między kablem skrajnym a środkowym, przez co faktycznie najbardziej obciążony kabel jest obciążony termicznie mocniej, niż zakłada projekt.
2. Nieuwzględnianie pola magnetycznego poza wiązką na trasie przechodzącej obok wrażliwego sprzętu elektronicznego lub pomieszczenia zajmowanego przez ludzi, podczas gdy trefoil mógłby znacząco ograniczyć to pole.
3. Stosowanie trefoil bez sprawdzenia wymagań kortsluitvastheid (wytrzymałości zwarciowej) dla tej formacji — zobacz przewodnik o siłach elektrodynamicznych przy zwarciu szyn dla powiązanej zasady, że siły mechaniczne między przewodnikami przy zwarciu silnie zależą od odstępu i geometrii — trefoil i formacja płaska dają inne siły zwarciowe i każda wymaga własnego mocowania uchwytów.
4. Niestosowanie transpozycji na długiej, silnie obciążonej trasie płaskiej, podczas gdy nierówny rozkład prądu przy tej konkretnej długości i obciążeniu jest rzeczywiście istotny.

Powiązane

• Efekt naskórkowości i efekt zbliżenia przy dużych przekrojach kabli
• Siły elektrodynamiczne przy zwarciu szyn (IEC 60865-1)
• Uchwyty kablowe (cable cleats) — wytrzymałość zwarciowa według IEC 61914