Струмове навантаження кабелів у бетонному блоці труб — чому це суворіше, ніж окремі підземні труби

Посібник про струмове навантаження підземних кабелів описує стандартні таблиці для кабелів, прокладених безпосередньо в ґрунті (метод D1), і кабелів в одиночній підземній трубі (метод D2), з поправковими коефіцієнтами на питомий тепловий опір ґрунту та групування. Ця стаття розглядає суворіший випадок: кілька кабельних труб, залитих разом у бетонну оболонку — блок труб (duct bank) — як зазвичай застосовується при перетинах доріг, кабельних трасах під будівлями або трасах високої щільності на промислових об'єктах.

Чому бетон змінює тепловідведення

Кабель в одиночній підземній трубі (метод D2 зі стандартних таблиць) віддає тепло навколишньому ґрунту за обмеженого теплового опору між трубою та ґрунтом. У блоці труб, однак, між трубою та навколишнім ґрунтом є додатковий шар: бетон засипки, що має власний тепловий опір, відмінний від навколишнього ґрунту. Крім того, труби в блоці розташовані близько одна до одної у фіксованій решітці (наприклад, 4×4 труби), а це означає, що тепло від центрально розташованих труб не може текти безпосередньо до навколишнього, холоднішого ґрунту, а повинно спершу пройти крізь тепло сусідніх труб — унаслідок чого внутрішні труби структурно нагріваються сильніше за зовнішні.

Принцип "гарячої точки": не всі труби однакові

Тепловий розрахунок блоку труб за IEC 60287-2-1 не передбачає єдиної середньої температури для всього блоку, а бере критичну, найбільш центральну трубу (або труби) як значення, що визначає допустимий струм для всіх кабелів у блоці:

• Труби біля зовнішнього краю блоку мають коротший тепловий шлях до навколишнього, холоднішого ґрунту та нагріваються менше.
• Труби в центрі блоку з усіх боків оточені іншими, так само теплогенеруючими трубами, і тому мають найдовший ефективний тепловий шлях до навколишнього ґрунту.
• Оскільки всім кабелям у блоці зазвичай призначають однакове струмове навантаження (практично неминуче, якщо блок утворює один спільний маршрут), температура найгарячішої, найбільш центральної труби визначає допустимий струм для всього блоку — просте підсумовування індивідуальних значень труб D2 ігнорувало б це взаємне нагрівання і призводило б до надто оптимістичного навантаження.

Увага: точний метод розрахунку (геометрична конфігурація труб, тепловий опір застосованого бетону засипки, кількість навантажених проти ненавантажених/резервних труб) значно складніший, ніж для одиночної труби, і потребує конкретного розрахунку за IEC 60287-2-1 або спеціалізованого програмного забезпечення — ця стаття подає базовий принцип, а не готовий поправковий коефіцієнт.

Резервні/порожні труби теж враховуються

Поширене хибне припущення полягає в тому, що порожня, ненавантажена резервна труба в блоці не впливає на розрахунок. Це невірно: порожня труба все одно займає місце в тепловій решітці й впливає на тепловий шлях сусідніх, навантажених труб — хоча сама порожня труба, звісно, не вносить тепла. Під час проєктування блоку труб із навмисно зарезервованими порожніми трубами для майбутнього розширення тепловий розрахунок тому має враховувати остаточну, повну конфігурацію блоку, а не лише труби, що фактично містять кабелі першого дня.

Бетон засипки: не всі суміші однакові

Стандартні бетонні суміші мають відносно високий тепловий опір порівняно з деякими спеціально розробленими, теплопровідними сумішами засипки ("thermal backfill" або матеріал контрольованої низької міцності зі зниженим тепловим опором), що пропонуються спеціально для блоків кабельних труб. Використання такої теплопровідної суміші замість стандартного бетону може підвищити допустимий струм блоку, але для цього потрібно, щоб у розрахунку використовувався фактично застосований тепловий опір суміші, а не припущення.

Практична значущість

Це особливо актуально для кабельних трас, що перетинають дорогу, залізницю чи фундамент будівлі, де пряме прокладання в ґрунт (метод D1) неможливе, а блок труб є єдиним практичним рішенням. Для траси з кількома колами, що мають спільно використовувати такий блок, недостатньо просто повторити навантаження одиночної підземної труби (метод D2) для кожної труби окремо — потрібен конкретний розрахунок для блоку в цілому, з увагою до центрально розташованих, найгарячіших труб, щоб запобігти перевантаженню кабелів у центрі блоку.

Часті помилки

1. Застосування стандартного табличного значення D2 для одиночної підземної труби до кожної труби блоку окремо, без урахування взаємного нагрівання між трубами в блоці.
2. Розгляд лише зовнішніх труб блоку як показових для допустимого струму всього блоку, тоді як внутрішні, найбільш центральні труби структурно нагріваються сильніше і тому є визначальним фактором.
3. Ігнорування порожніх резервних труб у тепловому розрахунку — порожня труба сама собою не вносить тепла, але впливає на тепловий шлях сусідніх навантажених труб.
4. Припущення теплового опору стандартного бетону без перевірки, тоді як фактично застосована суміш засипки може мати інший (вищий або, за спеціальної теплової суміші, нижчий) опір.

Пов'язане

• Струмове навантаження підземних кабелів — питомий тепловий опір ґрунту та групування
• Еталонні методи — визначення способу прокладання
• Коефіцієнт групування Cg — пучки кабелів
• Підземні кабелі — глибина прокладання та механічний захист