Токовая нагрузочная способность кабелей в бетонном блоке труб — почему это строже, чем отдельные подземные трубы

Руководство о токовой нагрузочной способности подземных кабелей описывает стандартные таблицы для кабелей, проложенных непосредственно в грунте (метод D1), и кабелей в одиночной подземной трубе (метод D2), с поправочными коэффициентами на удельное тепловое сопротивление грунта и группировку. Эта статья рассматривает более строгий случай: несколько кабельных труб, залитых вместе в бетонную оболочку — блок труб (duct bank) — как обычно применяется при пересечениях дорог, кабельных трассах под зданиями или трассах высокой плотности на промышленных объектах.

Почему бетон меняет теплоотвод

Кабель в одиночной подземной трубе (метод D2 из стандартных таблиц) отдаёт тепло окружающему грунту при ограниченном тепловом сопротивлении между трубой и грунтом. В блоке труб, однако, между трубой и окружающим грунтом есть дополнительный слой: бетон засыпки, у которого своё тепловое сопротивление, отличающееся от окружающего грунта. Кроме того, трубы в блоке расположены близко друг к другу в фиксированной решётке (например, 4×4 трубы), а это означает, что тепло от центрально расположенных труб не может течь напрямую к окружающему, более холодному грунту, а должно сначала пройти через тепло соседних труб — в результате внутренние трубы структурно нагреваются сильнее, чем наружные.

Принцип "горячей точки": не все трубы равны

Тепловой расчёт блока труб по IEC 60287-2-1 не предполагает одну среднюю температуру для всего блока, а принимает критическую, наиболее центральную трубу (или трубы) как значение, определяющее допустимый ток для всех кабелей в блоке:

• Трубы у внешнего края блока имеют более короткий тепловой путь к окружающему, более холодному грунту и нагреваются меньше.
• Трубы в центре блока со всех сторон окружены другими, также выделяющими тепло трубами, и поэтому имеют самый длинный эффективный тепловой путь к окружающему грунту.
• Поскольку всем кабелям в блоке обычно назначают одинаковую токовую нагрузку (практически неизбежно, если блок образует один общий маршрут), температура самой горячей, наиболее центральной трубы определяет допустимый ток для всего блока — простое суммирование индивидуальных значений труб D2 игнорировало бы этот взаимный нагрев и приводило бы к чрезмерно оптимистичной нагрузочной способности.

Внимание: точный метод расчёта (геометрическая конфигурация труб, тепловое сопротивление используемого бетона засыпки, число нагруженных против ненагруженных/резервных труб) значительно сложнее, чем для одиночной трубы, и требует конкретного расчёта по IEC 60287-2-1 или специализированного программного обеспечения — эта статья даёт лежащий в основе принцип, а не готовый поправочный коэффициент.

Резервные/пустые трубы тоже учитываются

Распространённое ошибочное предположение состоит в том, что пустая, ненагруженная резервная труба в блоке не влияет на расчёт. Это неверно: пустая труба всё равно занимает место в тепловой решётке и влияет на тепловой путь соседних, нагруженных труб — хотя сама пустая труба, разумеется, не вносит тепла. При проектировании блока труб с намеренно зарезервированными пустыми трубами для будущего расширения тепловой расчёт поэтому должен учитывать окончательную, полную конфигурацию блока, а не только трубы, фактически содержащие кабели в первый день.

Бетон засыпки: не все смеси одинаковы

Стандартные бетонные смеси имеют относительно высокое тепловое сопротивление по сравнению с некоторыми специально разработанными, теплопроводными смесями засыпки ("thermal backfill" или материал контролируемой низкой прочности со сниженным тепловым сопротивлением), которые предлагаются специально для блоков кабельных труб. Использование такой теплопроводной смеси вместо стандартного бетона может повысить допустимый ток блока, но для этого требуется, чтобы в расчёте использовалось фактически применяемое тепловое сопротивление смеси, а не предположение.

Практическая значимость

Это особенно актуально для кабельных трасс, пересекающих дорогу, железную дорогу или фундамент здания, где прямая укладка в грунт (метод D1) невозможна, а блок труб является единственным практичным решением. Для трассы с несколькими цепями, которые должны разделять такой блок, недостаточно просто повторить нагрузочную способность одиночной подземной трубы (метод D2) для каждой трубы отдельно — необходим конкретный расчёт для блока в целом, с учётом центрально расположенных, самых горячих труб, чтобы предотвратить перегрузку кабелей в центре блока.

Частые ошибки

1. Применение стандартного табличного значения D2 для одиночной подземной трубы к каждой трубе блока отдельно, без учёта взаимного нагрева между трубами в блоке.
2. Рассмотрение только наружных труб блока как показательных для допустимого тока всего блока, тогда как внутренние, наиболее центральные трубы структурно нагреваются сильнее и потому являются определяющим фактором.
3. Игнорирование пустых резервных труб в тепловом расчёте — пустая труба сама по себе не вносит тепла, но влияет на тепловой путь соседних нагруженных труб.
4. Предположение теплового сопротивления стандартного бетона без проверки, тогда как фактически применяемая смесь засыпки может иметь иное (более высокое или, при специальной тепловой смеси, более низкое) сопротивление.

См. также

• Токовая нагрузочная способность подземных кабелей — удельное тепловое сопротивление грунта и группировка
• Эталонные методы — определение способа прокладки
• Коэффициент группировки Cg — пучки кабелей
• Подземные кабели — глубина прокладки и механическая защита