Треугольное (trefoil) против плоского пучкования трёхфазных кабелей — магнитное поле, токи в оболочках и токовая нагрузка

Руководство о поверхностном эффекте и эффекте близости при больших сечениях кабеля рассматривает, почему сопротивление переменному току проводника выше, чем его сопротивление постоянному току, и почему этот фактор усиливается по мере сближения проводников друг с другом. Эта статья рассматривает связанный, но отдельный практический выбор для трёх одножильных кабелей одной фазной группы: прокладывать ли их в треугольной формации (trefoil) (три кабеля в равностороннем треугольнике, соприкасаясь друг с другом) или в плоской формации (три кабеля рядом друг с другом в один ряд)?

Что даёт треугольная формация: симметрия

В треугольной формации три фазных проводника расположены в равностороннем треугольнике, каждый на равном расстоянии от двух других. Эта геометрическая симметрия имеет два прямых следствия:

• Магнитное поле за пределами пучка: при сбалансированной трёхфазной нагрузке три фазных тока равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 120°, поэтому их векторная сумма равна нулю. При симметричном, компактном треугольном расположении магнитные поля трёх фаз в значительной степени взаимно гасятся за пределами пучка, благодаря чему остаточное магнитное поле на некотором расстоянии от пучка кабелей значительно ниже, чем при менее компактном или асимметричном расположении.
• Равномерное распределение тока между фазами: поскольку каждый фазный проводник в trefoil имеет одинаковое геометрическое отношение к двум другим (каждый находится на равном расстоянии от двух других), взаимная индуктивная связь одинакова для всех трёх фаз. Это удерживает эффективный импеданс переменного тока трёх фаз сбалансированным, так что при сбалансированной нагрузке ток действительно распределяется равномерно по трём фазным проводникам.

Что даёт плоская формация: асимметричный недостаток для крайних кабелей

В плоской формации три фазных проводника лежат рядом друг с другом в один ряд. В результате средний кабель окружён двумя крайними кабелями, тогда как каждый крайний кабель имеет соседний проводник только с одной стороны, а с другой стороны свободен. Это геометрическое различие между средней и крайними позициями имеет два следствия, которых не возникает в trefoil:

• Неравная взаимная индуктивность: средний кабель испытывает иную (обычно более высокую) взаимную индуктивную связь, чем крайние кабели, просто потому что средний кабель расположен ближе к большему числу токонесущих проводников. Результатом является то, что эффективный импеданс переменного тока трёх фаз перестаёт быть равным.
• Неравное распределение тока при равной нагрузке: вследствие этого неравного импеданса, даже при в принципе сбалансированной нагрузке со стороны потребителя, фактический ток всё же может распределяться заметно неравномерно по трём фазным проводникам — крайние кабели могут нести иной ток, чем средний, даже если сама нагрузка идеально симметрична. При проекте, предполагающем равную токовую нагрузку на кабель без учёта этого дисбаланса, схожего с отсутствием транспозиции, один из трёх кабелей в результате может оказаться термически нагружен сильнее, чем предусмотрено расчётом.
• Большее магнитное поле за пределами пучка: менее компактное, линейное расположение гасит магнитные поля трёх фаз менее эффективно, чем симметричное треугольное расположение, из-за чего остаточное магнитное поле на расстоянии от пучка при плоской формации обычно выше, чем при trefoil, при прочих равных токе и расстоянии между кабелями.

Обратите внимание: при плоской формации неравное распределение тока между крайним и средним кабелем можно ограничить, периодически меняя положение кабелей по длине трассы (форма транспозиции) — мера, применяемая особенно на длинных, сильно нагруженных трассах, но усложняющая монтаж по сравнению с простым применением trefoil.

Когда какая формация предпочтительнее

• Trefoil обычно является предпочтительным выбором, когда магнитное поле за пределами пучка кабелей имеет значение — например, на трассе, проходящей через помещение с чувствительным электронным оборудованием, или там, где воздействие магнитного поля на людей должно быть ограничено — и когда желательно равномерное, предсказуемое распределение тока между тремя фазами без дополнительных мер транспозиции.
• Плоская формация чаще применяется там, где физическая ширина кабельного лотка или лестницы ограничена в другом направлении, или где кабели должны быть уложены на уже существующие плоские опорные конструкции, и где магнитное поле за пределами пучка или взаимный баланс тока не являются критическим фактором.

Практическая значимость

При проектировании кабельной трассы для значительного трёхфазного электроснабжения — особенно для длинных, параллельных участков кабеля вблизи чувствительного оборудования, измерительной аппаратуры или помещений, где люди находятся длительное время, — выбор между trefoil и плоской формацией не является эстетическим или чисто пространственным выбором, а имеет прямые последствия как для магнитного поля за пределами пучка, так и для фактического распределения тока, а следовательно, для термической нагрузки каждого отдельного кабеля. При плоской формации на длинной, сильно нагруженной трассе необходимо оценить, требуется ли транспозиция для ограничения неравного распределения тока между крайним и средним кабелем.

Типичные ошибки

1. Применение плоской формации без учёта неравного распределения тока между крайним и средним кабелем, из-за чего фактически наиболее нагруженный кабель термически нагружается сильнее, чем предполагает проект.
2. Неучёт магнитного поля за пределами пучка на трассе, проходящей мимо чувствительного электронного оборудования или занимаемого людьми помещения, тогда как trefoil мог бы значительно ограничить это поле.
3. Применение trefoil без проверки требований к стойкости к короткому замыканию для этой формации — см. руководство об электродинамических силах при коротком замыкании шин для связанного принципа, согласно которому механические силы между проводниками при коротком замыкании сильно зависят от расстояния и геометрии — trefoil и плоская формация дают разные силы короткого замыкания и каждая требует собственного крепления зажимов.
4. Неприменение транспозиции на длинной, сильно нагруженной плоской трассе, тогда как неравное распределение тока при данной конкретной длине и нагрузке действительно значимо.

Связанные материалы

• Поверхностный эффект и эффект близости при больших сечениях кабеля
• Электродинамические силы при коротком замыкании шин (IEC 60865-1)
• Кабельные зажимы (cable cleats) — стойкость к короткому замыканию по IEC 61914