Питомий тепловий опір ґрунту — чому кабель у землі може нести менше, ніж вказує таблиця

Гід про поверхневий ефект і ефект близькості при великих перерізах кабелю розглядає, чому опір провідника змінному струму вищий за опір постійному. Ця стаття розглядає іншу сторону теплового балансу підземного кабелю: не скільки тепла виділяється в провіднику, а наскільки добре це тепло може бути відведене через ґрунт — і чому це може суттєво відрізнятися залежно від місця.

Тепловий опір: величина, обернена до теплопровідності

Тепловий опір ґрунту (питомий тепловий опір, що виражається в К·м/Вт — кельвін-метр на ват) — це міра того, наскільки погано даний тип ґрунту проводить тепло: чим вище значення, тим більша різниця температур потрібна для відведення однакової кількості тепла на одиницю довжини кабелю через ґрунт до поверхні. IEC 60287-3-1 задає опорні умови (включно з опорним значенням теплового опору ґрунту), на яких базуються стандартні таблиці допустимого струмового навантаження для кабелів у землі — так само як і в IEC 60287-1-1 для розрахунку самого опору.

Чому реальний ґрунт часто відрізняється від опорного значення

Опубліковані таблиці допустимого струмового навантаження виходять із усередненого, достатньо вологого опорного ґрунту. На практиці, однак, типи та умови ґрунту суттєво варіюються:

• Волога глина або суглинок мають відносно низький тепловий опір (добре тепловідведення).
• Сухий пісок або гравій, і особливо погано ущільнена зворотна засипка траншеї, мають значно вищий тепловий опір, ніж опорне значення — повітря в порах слабо ущільненого ґрунту є чудовим тепловим ізолятором.
• Сезонне висихання (посушливе літо, ґрунт поблизу опалюваної стіни підвалу чи тераси) може суттєво підвищити тепловий опір того самого типу ґрунту порівняно з вологим зимовим періодом.

Якщо фактичний питомий опір ґрунту вищий за опорне значення, на якому базується таблиця допустимого струмового навантаження, то фактична, безпечна струмонесуча здатність кабелю на цій ділянці нижча за табличне значення — якщо тільки не застосовано поправковий коефіцієнт.

Самопідсилювальний ефект міграції вологи навколо сильно навантаженого кабелю

Для кабелю, структурно навантаженого близько до свого теплового ліміту, може виникнути особливий механізм: тепловиділення самого кабелю витісняє вологу з безпосередньо оточуючого ґрунту, що додатково підвищує тепловий опір цієї висохлої зони — що, своєю чергою, ще більше погіршує тепловідведення й ще сильніше піднімає температуру провідника. Цей ефект міграції вологи (moisture migration) являє собою самопідсилювальний механізм, який у найгіршому разі може призвести до локального, прогресуючого перегріву кабелю, навіть якщо початкове навантаження саме по собі залишалося в межах номінального струмового навантаження кабелю згідно з табличним значенням.

Увага: цей ефект висихання особливо актуальний для сильно та безперервно навантажених кабелів середньої напруги в чутливих до посухи ґрунтах; для більшості слабо та помірно навантажених низьковольтних кабелів у зазвичай вологому нідерландському ґрунті ризик обмежений, але не виключений за визначенням у період тривалої посухи.

Зниження ризику: більша глибина, рознесення чи термостабільна засипка

Декілька поширених заходів знижують ризик, пов'язаний із вищим, ніж передбачалося, фактичним тепловим опором ґрунту:

• Більша глибина прокладання чи більша відстань між паралельними кабельними трасами, щоб тепло від кожної траси могло поширюватися на більший обсяг ґрунту, перш ніж температури сусідніх трас суттєво вплинуть одна на одну.
• Термостабільна засипка (thermal backfill) — спеціально складена, ущільнена піщана чи цементно-в'яжуча суміш із гарантовано низьким і стабільним тепловим опором незалежно від вологості — застосована безпосередньо навколо кабелю на сильно навантажених трасах середньої напруги.
• Застосування поправкових коефіцієнтів до табличного значення допустимого струмового навантаження, коли фактичний питомий опір ґрунту заздалегідь виміряно або обґрунтовано оцінюється вищим за опорне значення таблиці.

Практичне значення

Під час проєктування сильно навантаженої підземної кабельної траси — наприклад, з'єднання середньої напруги до великого споживача чи зарядного майданчика — недостатньо обмежитися стандартною таблицею допустимого струмового навантаження без оцінки фактичного стану ґрунту на трасі: сухий, піщаний чи слабо ущільнений зворотний засипний ґрунт траншеї може помітно знизити ефективну струмонесучу здатність порівняно з табличним значенням, і ця різниця не проявляється в самій таблиці, якщо не застосовано правильний поправковий коефіцієнт.

Часті помилки

1. Застосування стандартної таблиці допустимого струмового навантаження без оцінки фактичного питомого опору ґрунту на трасі в припущенні, що опорне значення скрізь репрезентативне.
2. Засипка траншеї рихлим, неущільненим піском чи ґрунтом без урахування вищого теплового опору, спричиненого повітряними включеннями в погано ущільненій засипці.
3. Ігнорування ефекту висихання для структурно сильно навантаженого кабелю середньої напруги, тоді як саме така ситуація навантаження може запустити самопідсилювальний механізм.
4. Прокладання декількох кабельних трас занадто близько одна до одної без урахування їхнього взаємного теплового впливу (та відповідного групового коефіцієнта, аналогічного принципу з гіда про груповий коефіцієнт Cg) під час проєктування.

Пов'язані матеріали

• Поверхневий ефект і ефект близькості при великих перерізах кабелю (IEC 60287-1-1)
• Груповий коефіцієнт Cg — об'єднання кабелів у пучки та допустиме струмове навантаження
• Підземні кабелі — відстань до інших комунікацій при перетині та паралельній прокладці
• Опір (R) і реактивний опір (X) кабелю при розрахунку падіння напруги