Удельное тепловое сопротивление грунта — почему кабель в земле может нести меньше, чем указывает таблица

Руководство о поверхностном эффекте и эффекте близости при больших сечениях кабеля рассматривает, почему сопротивление проводника переменному току выше, чем постоянному. Эта статья рассматривает другую сторону теплового баланса подземного кабеля: не сколько тепла выделяется в проводнике, а насколько хорошо это тепло может быть отведено через грунт — и почему это может существенно различаться в зависимости от места.

Тепловое сопротивление: величина, обратная теплопроводности

Тепловое сопротивление грунта (удельное тепловое сопротивление, выражаемое в К·м/Вт — кельвин-метр на ватт) — это мера того, насколько плохо данный тип грунта проводит тепло: чем выше значение, тем большая разность температур требуется для отвода одного и того же количества тепла на единицу длины кабеля через грунт к поверхности. IEC 60287-3-1 задаёт опорные условия (включая опорное значение теплового сопротивления грунта), на которых основаны стандартные таблицы допустимой токовой нагрузки для кабелей в земле — как и используемые в IEC 60287-1-1 для расчёта самого сопротивления.

Почему реальный грунт часто отличается от опорного значения

Опубликованные таблицы допустимой токовой нагрузки исходят из усреднённого, достаточно влажного опорного грунта. На практике, однако, типы и условия грунта существенно варьируются:

• Влажная глина или суглинок имеют относительно низкое тепловое сопротивление (хороший теплоотвод).
• Сухой песок или гравий, и особенно плохо уплотнённая обратная засыпка траншеи, имеют значительно более высокое тепловое сопротивление, чем опорное значение — воздух в порах слабо уплотнённого грунта является отличным тепловым изолятором.
• Сезонное высыхание (засушливое лето, грунт вблизи отапливаемой стены подвала или террасы) может существенно повысить тепловое сопротивление того же типа грунта по сравнению с влажным зимним периодом.

Если фактическое удельное сопротивление грунта выше опорного значения, на котором основана таблица допустимой токовой нагрузки, то фактическая, безопасная токонесущая способность кабеля на этом участке ниже табличного значения — если только не применён поправочный коэффициент.

Самоусиливающийся эффект миграции влаги вокруг сильно нагруженного кабеля

Для кабеля, структурно нагруженного близко к своему тепловому пределу, может возникнуть особый механизм: тепловыделение самого кабеля вытесняет влагу из непосредственно окружающего грунта, что дополнительно повышает тепловое сопротивление этой высохшей зоны — что, в свою очередь, ещё больше ухудшает теплоотвод и ещё сильнее поднимает температуру проводника. Этот эффект миграции влаги (moisture migration) представляет собой самоусиливающийся механизм, который в худшем случае может привести к локальному, прогрессирующему перегреву кабеля, даже если исходная нагрузка сама по себе оставалась в пределах номинальной токовой нагрузки кабеля согласно табличному значению.

Внимание: этот эффект высыхания особенно актуален для сильно и непрерывно нагруженных кабелей среднего напряжения в чувствительных к засухе грунтах; для большинства слабо и умеренно нагруженных низковольтных кабелей в обычно влажном нидерландском грунте риск ограничен, но не исключён по определению в период длительной засухи.

Снижение риска: большая глубина, разнесение или термостабильная засыпка

Несколько распространённых мер снижают риск, связанный с более высоким, чем предполагалось, фактическим тепловым сопротивлением грунта:

• Большая глубина прокладки или большее расстояние между параллельными кабельными трассами, чтобы тепло от каждой трассы могло распространяться на больший объём грунта до того, как температуры соседних трасс существенно повлияют друг на друга.
• Термостабильная засыпка (thermal backfill) — специально составленная, уплотнённая песчаная или цементно-связующая смесь с гарантированно низким и стабильным тепловым сопротивлением независимо от влажности — применяемая непосредственно вокруг кабеля на сильно нагруженных трассах среднего напряжения.
• Применение поправочных коэффициентов к табличному значению допустимой токовой нагрузки, когда фактическое удельное сопротивление грунта заранее измерено или обоснованно оценивается выше опорного значения таблицы.

Практическое значение

При проектировании сильно нагруженной подземной кабельной трассы — например, соединения среднего напряжения к крупному потребителю или зарядной площадке — недостаточно ограничиться стандартной таблицей допустимой токовой нагрузки без оценки фактического состояния грунта на трассе: сухая, песчаная или слабо уплотнённая обратная засыпка траншеи может заметно снизить эффективную токонесущую способность по сравнению с табличным значением, и эта разница не проявляется в самой таблице, если не применён правильный поправочный коэффициент.

Частые ошибки

1. Применение стандартной таблицы допустимой токовой нагрузки без оценки фактического удельного сопротивления грунта на трассе в предположении, что опорное значение везде репрезентативно.
2. Засыпка траншеи рыхлым, неуплотнённым песком или грунтом без учёта более высокого теплового сопротивления, вызываемого воздушными включениями в плохо уплотнённой засыпке.
3. Игнорирование эффекта высыхания для структурно сильно нагруженного кабеля среднего напряжения, тогда как именно такая ситуация нагрузки может запустить самоусиливающийся механизм.
4. Прокладка нескольких кабельных трасс слишком близко друг к другу без учёта их взаимного теплового влияния (и соответствующего группового коэффициента, аналогичного принципу из руководства о групповом коэффициенте Cg) при проектировании.

Связанные материалы

• Поверхностный эффект и эффект близости при больших сечениях кабеля (IEC 60287-1-1)
• Групповой коэффициент Cg — объединение кабелей в пучки и допустимая токовая нагрузка
• Подземные кабели — расстояние до других коммуникаций при пересечении и параллельной прокладке
• Сопротивление (R) и реактивное сопротивление (X) кабеля при расчёте падения напряжения