Трикутне (trefoil) проти плоского пучкування трифазних кабелів — магнітне поле, струми в оболонках і струмове навантаження

Посібник про поверхневий ефект та ефект близькості при великих перерізах кабелю розглядає, чому опір змінному струму провідника вищий за його опір постійному струму, і чому цей чинник посилюється в міру зближення провідників один з одним. Ця стаття розглядає пов'язаний, але окремий практичний вибір для трьох одножильних кабелів однієї фазної групи: прокладати їх у трикутній формації (trefoil) (три кабелі в рівносторонньому трикутнику, дотикаючись один до одного) чи в плоскій формації (три кабелі поряд один з одним в один ряд)?

Що дає трикутна формація: симетрія

У трикутній формації три фазні провідники розташовані в рівносторонньому трикутнику, кожен на рівній відстані від двох інших. Ця геометрична симетрія має два прямі наслідки:

• Магнітне поле за межами пучка: при збалансованому трифазному навантаженні три фазні струми рівні за амплітудою і зсунуті по фазі на 120°, тому їхня векторна сума дорівнює нулю. При симетричному, компактному трикутному розташуванні магнітні поля трьох фаз значною мірою взаємно гасяться за межами пучка, завдяки чому залишкове магнітне поле на деякій відстані від пучка кабелів значно нижче, ніж при менш компактному чи асиметричному розташуванні.
• Рівномірний розподіл струму між фазами: оскільки кожен фазний провідник у trefoil має однакове геометричне відношення до двох інших (кожен знаходиться на рівній відстані від двох інших), взаємний індуктивний зв'язок однаковий для всіх трьох фаз. Це утримує ефективний імпеданс змінного струму трьох фаз збалансованим, тож при збалансованому навантаженні струм дійсно розподіляється рівномірно по трьох фазних провідниках.

Що дає плоска формація: асиметричний недолік для крайніх кабелів

У плоскій формації три фазні провідники лежать поряд один з одним в один ряд. У результаті середній кабель оточений двома крайніми кабелями, тоді як кожен крайній кабель має сусідній провідник лише з одного боку, а з іншого боку вільний. Ця геометрична відмінність між середньою та крайніми позиціями має два наслідки, яких не виникає в trefoil:

• Нерівна взаємна індуктивність: середній кабель зазнає іншого (зазвичай вищого) взаємного індуктивного зв'язку, ніж крайні кабелі, просто тому що середній кабель розташований ближче до більшої кількості струмонесучих провідників. Результатом є те, що ефективний імпеданс змінного струму трьох фаз перестає бути рівним.
• Нерівний розподіл струму при рівному навантаженні: внаслідок цього нерівного імпедансу, навіть при в принципі збалансованому навантаженні з боку споживача, фактичний струм все ж може розподілятися помітно нерівномірно по трьох фазних провідниках — крайні кабелі можуть нести інший струм, ніж середній, навіть якщо саме навантаження ідеально симетричне. При проєкті, що припускає рівне струмове навантаження на кабель без урахування цього дисбалансу, схожого на відсутність транспозиції, один із трьох кабелів у результаті може виявитися термічно навантаженим сильніше, ніж передбачено розрахунком.
• Більше магнітне поле за межами пучка: менш компактне, лінійне розташування гасить магнітні поля трьох фаз менш ефективно, ніж симетричне трикутне розташування, через що залишкове магнітне поле на відстані від пучка при плоскій формації зазвичай вище, ніж при trefoil, за інших рівних струму та відстані між кабелями.

Зверніть увагу: при плоскій формації нерівний розподіл струму між крайнім і середнім кабелем можна обмежити, періодично міняючи положення кабелів по довжині траси (форма транспозиції) — захід, що застосовується особливо на довгих, сильно навантажених трасах, але ускладнює монтаж порівняно з простим застосуванням trefoil.

Коли яка формація є кращою

• Trefoil зазвичай є кращим вибором, коли магнітне поле за межами пучка кабелів має значення — наприклад, на трасі, що проходить через приміщення з чутливим електронним обладнанням, або там, де вплив магнітного поля на людей має бути обмежений — і коли бажаний рівний, передбачуваний розподіл струму між трьома фазами без додаткових заходів транспозиції.
• Плоска формація частіше застосовується там, де фізична ширина кабельного лотка чи драбини обмежена в іншому напрямку, або де кабелі мають бути укладені на вже наявні плоскі опорні конструкції, і де магнітне поле за межами пучка або взаємний баланс струму не є критичним чинником.

Практична значущість

Під час проєктування кабельної траси для значного трифазного електропостачання — особливо для довгих, паралельних ділянок кабелю поблизу чутливого обладнання, вимірювальної апаратури чи приміщень, де люди перебувають тривалий час — вибір між trefoil та плоскою формацією не є естетичним чи суто просторовим вибором, а має прямі наслідки як для магнітного поля за межами пучка, так і для фактичного розподілу струму, а отже, для термічного навантаження кожного окремого кабелю. При плоскій формації на довгій, сильно навантаженій трасі необхідно оцінити, чи потрібна транспозиція для обмеження нерівного розподілу струму між крайнім і середнім кабелем.

Типові помилки

1. Застосування плоскої формації без урахування нерівного розподілу струму між крайнім і середнім кабелем, через що фактично найбільш навантажений кабель термічно навантажується сильніше, ніж передбачає проєкт.
2. Неврахування магнітного поля за межами пучка на трасі, що проходить повз чутливе електронне обладнання чи займане людьми приміщення, тоді як trefoil міг би значно обмежити це поле.
3. Застосування trefoil без перевірки вимог до стійкості до короткого замикання для цієї формації — див. посібник про електродинамічні сили при короткому замиканні шин для пов'язаного принципу, згідно з яким механічні сили між провідниками при короткому замиканні сильно залежать від відстані та геометрії — trefoil і плоска формація дають різні сили короткого замикання, і кожна вимагає власного кріплення затискачів.
4. Незастосування транспозиції на довгій, сильно навантаженій плоскій трасі, тоді як нерівний розподіл струму при цій конкретній довжині та навантаженні дійсно значущий.

Пов'язані матеріали

• Поверхневий ефект та ефект близькості при великих перерізах кабелю
• Електродинамічні сили при короткому замиканні шин (IEC 60865-1)
• Кабельні затискачі (cable cleats) — стійкість до короткого замикання за IEC 61914