Кабели со СПЭ-изоляцией. расчет блочной канализации

Прокладка кабелей в блоках традиционно считается надежным, но недостаточно экономичным способом защиты линии от повреждения, поэтому для применения этой технологии требуются веские основания.

По мнению Вильдана Ренатовича Халитова, в современных условиях для прокладки кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена именно такое решение имеет больше преимуществ, чем недостатков, а невысокая востребованность блочных сооружений – следствие устарелых представлений об этой технологии.

Вильдан Халитов, начальник отдела управления проектами ООО «Таткабель», Республика Татарстан

Кабели со спэ-изоляцией расчет блочной канализации

В настоящее время прокладка в траншеях – наиболее распространенная технология сооружения кабельных линий. Кабели могут укладываться как непосредственно на дно траншеи, так и в железобетонных лотках и специальных кабельных блоках.

Согласно ПУЭ [1] кабельным блоком называется кабельное сооружение с трубами (каналами) для прокладки в них кабелей с относящимися к нему колодцами (рис. 1).

Область применения

Принято считать, что прокладка кабелей в блоках применяется в условиях большой стесненности трассы, в местах пересечения с железнодорожными путями и проездами, при вероятности разлива металла или агрессивных жидкостей в местах прохождения кабельных трасс, при прокладке КЛ в грунтах, агрессивных по отношению к оболочке кабелей, при необходимости защитить кабели от блуждающих токов. Кроме того, кабели в блоках могут прокладываться параллельно железным и автомобильным дорогам.

Если кабельная линия проходит рядом с электрифицированными дорогами на постоянном токе, блоки или трубы должны быть изолирующими (асбестоцементные, пропитанные гудроном или битумом и др.).

Однако на сегодня область применения блоков может быть гораздо шире, впрочем, как и материала труб, из которых выполнены сами блоки. Так, помимо привычных областей применения, блоки могут быть использованы:

• для защиты кабелей от возможных внешних механических воздействий по всей длине трассы кабельной линии с целью обеспечения их практически абсолютной защиты. Стандартные методы защиты кабелей, такие как прокладка в железобетонных лотках или в трубах, не способны в полной мере защитить кабели от воздействия механизированной техники (рис. 2) по сравнению с прокладкой кабелей в бетонных блоках;

• для увеличения длительно допустимой токовой нагрузки кабельной линии. За счет высокой теплопроводности бетона, окружающего трубы, длительно допустимый ток кабелей может быть выше, чем при стандартной прокладке кабелей в траншее с засыпкой песчано-гравийной смесью (ПГС);

• при прокладке кабелей в сейсмоопасных зонах.

Проблемы применения кабельных блоков

В настоящее время при строительстве кабельных линий блоки, или блочную канализацию, применяют достаточно редко для кабелей 6–20 кВ, а для прокладки кабелей 35–500 кВ практически не используют. Ошибочно низкая востребованность блоков связана, как правило, со следующими причинами:

• сооружение кабельной трассы блочного типа – технологически более сложное и дорогое решение по сравнению с траншейной прокладкой;

• при протяжке кабелей в блоках традиционной конструкции возникает высокая вероятность повреждения оболочки кабеля. Такие блоки в большинстве своем выполнены из ж/б плит с отверстиями без вложенных гладкостенных труб, или футляров;

• проектировщики не имеют достаточной нормативной базы или специализированных программ для расчета длительно допустимых токов кабелей.

Первый и второй пункт связаны прежде всего с устаревшим представлением о самих кабельных блоках. В России для их сооружения используется дорогое и трудозатратное решение: двух- и трехканальные железобетонные панели (рис. 3). За рубежом распространение получили современные кабельные блоки из полимерных труб, соединяемых специальными кластерами (рис. 1б) или бетонными перегородками и при необходимости засыпаемых специальной песчаной смесью или заливаемых бетонным раствором (рис. 4). Такой вариант не требует применения специальной грузоподъемной техники и позволяет выполнять блочную канализацию в короткие сроки, значительно сократив расходы на ее сооружение. В России подобные блочные сооружения стали приобретать популярность сравнительно недавно.

Кроме того, ввиду применения для кабельных блоков полимерных труб, имеющих гладкую поверхность, повреждение оболочек кабелей полностью исключено, а сама процедура прокладки не требует кабельных роликов. Для снижения коэффициента трения при протяжке кабелей в трубах блоков рекомендуется использовать специальные смазки.

Таким образом, современные варианты кабельных блоков не только лишены ряда описанных недостатков, но и имеют следующие преимущества:

• низкая стоимость блоков ввиду применения полимерных труб;
• снижение стоимости сооружения блоков за счет сокращения затрат на использование грузоподъемной техники;
• исключение повреждения оболочки кабелей при их протяжке;
• возможность проведения ремонта труб в случаях их применения в немонолитных конфигурациях кабельных блоков.

Расчет длительно допустимого тока

Требующей внимания проблемой и, как следствие, причиной низкой востребованности кабельных блоков является отсутствие полноценных нормативных документов, описывающих методику расчета длительно допустимых токов для кабелей, проложенных в блоках. Так, международный стандарт МЭК 60287 не включает в себя раздел расчета сложных блоков, состоящих из нескольких рядов труб. Заводы-изготовители в своих каталогах также не предлагают поправочные коэффициенты для кабелей, проложенных в блоках. И только ПУЭ в главе 1.3 (пп. 1.3.20–1.3.21) описывают расчет допустимых токов, однако с учетом ряда существенных обстоятельств, а именно:

• для кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией (БПИ). Тогда как в настоящее время линии строятся с применением кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, имеющих большую температуру нагрева жилы по сравнению с кабелями с БПИ;
• для трехфазных кабелей среднего напряжения, тогда как в настоящее время кабели среднего напряжения в большинстве случаев применяются в однофазном исполнении;
• для определенных конфигураций блоков. Предполагается, что блок выполнен не из отдельных труб, а является монолитным бетонным, имеющим отверстия диаметром 100 мм, расстояние между осями которых составляет 150 мм (рис. 3).

Кроме того, согласно ПУЭ длительно допустимый ток для кабелей рассчитывают исходя из условия, что температура нагрева ТПЖ составляет не более 60 °С (п. 1.3.12 ПУЭ), тогда как общеизвестно, что длительно допустимая температура жилы кабелей с БПИ составляет 70 °С. Кроме того, следует иметь в виду, что согласно методике расчета, описанной в ПУЭ, рассматривается определенная глубина залегания блока: 0,7 м до верхнего кабеля в блоке на напряжение 10–20 кВ и 1 м для кабелей 35 кВ. Однако существуют кабельные линии, трассы которых, в том числе проложенные в блоках, проходят ниже установленной ПУЭ глубины, в связи с чем длительно допустимый ток уже не соответствует значениям, рассчитанным по методике ПУЭ, и имеет меньшую величину. Таким образом, при значительной глубине размещения блока в земле возможны существенные изменения длительно допустимого тока по сравнению со значениями, рассчитанными по методике ПУЭ (табл.1).

В итоге единственной возможностью рассчитать длительно допустимые токи для кабелей современных конструкций (с изоляцией из сшитого полиэтилена на разные классы напряжения и для различных условий прокладки) является применение специализированных программ. Обычно такие программы основаны на методе конечных элементов, а наиболее известными из них являются CYMCAP (программное обеспечение для расчета длительно допустимых токов кабелей, включающее в себя модуль метода конечных элементов), а также ANSYS, COMSOL, Elcut и др.

Однако основной целью этой статьи является не перечисление используемых для расчета программных продуктов, а попытка разобраться в системе расчетов, описанных в ПУЭ, и в возможности их адаптации и применении для современных конструкций кабелей с изоляцией из СПЭ.

Для этого в первую очередь были проведены проверочные расчеты с использованием ПО CYMCAP с целью определения точности описанной в ПУЭ методики расчетов длительно допустимых токов кабелей, проложенных в блоках. Так, были просчитаны все возможные модификации блоков, которые рассмотрены в ПУЭ, для тех же условий прокладки и тех же конструкций кабелей, а именно:

• трехжильный кабель напряжением 10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией сечением 3х95 мм2; • глубина залегания блока 0,7 м (до верхнего кабеля, расположенного в блоке);

• температура окружающего грунта составляет 15 °С;

• удельное термическое сопротивление окружающего грунта 1,2 К·м/Вт (удельное термическое сопротивление блока не уточняется);

• температура нагрева токопроводящей жилы (ТПЖ) 60 °С.

Результаты расчетов сведены в табл. 2. В графе «Ток по ПУЭ» указаны длительно допустимые токи для определенных номеров каналов, расположенных в блоке, при условии что температура ТПЖ каждого кабеля одинакова и равна 60 °С, а также диапазон токов для кабелей в положениях 1, 2, 3, 4 в блоке.

В графе «Ток по CYMCAP» указан длительно допустимый ток, рассчитанный в программе CYMCAP для случая, когда температура ТПЖ каждого кабеля одинакова и равна 60 °С (рис. 5а), и для случая, когда токи всех токопроводящих жил равны друг другу, но температура ТПЖ при этом различна и достигает предельных 60 °С лишь у некоторых кабелей блока (рис. 5б).

Анализ данных в таблице показывает, что результаты расчетов длительно допустимых токов согласно методике ПУЭ и результаты, полученные с использованием программы CYMCAP, заметно отличаются. В зависимости от расположения кабелей и конфигурации блоков эта разница достаточно существенна и может достигать 30%.

Кроме того, как известно, с увеличением глубины залегания кабелей увеличивается и полное термическое сопротивление грунта (T4), окружающего кабели. Отвод тепла и, как следствие, охлаждение грунта происходит с поверхности земли, и чем глубже залегание кабелей, тем менее эффективно от них отводится тепло (при условии, что удельное термическое сопротивление земли постоянно).

Эта зависимость хорошо прослеживается в формуле (1) расчета термического сопротивления земли по ГОСТ Р МЭК 60287-2-1-2009 [2]:

где T4 – полное термическое сопротивление земли, К · м/Вт; ρT – удельное термическое сопротивление земли, К · м/Вт; u=2L/De , где L – расстояние от поверхности земли до оси кабеля, мм; De – наружный диаметр кабеля.

Из значений длительно допустимых токов кабелей, приведенных в табл. 1, следует, что разработчики ПУЭ не учитывали фактор снижения длительно допустимого тока в зависимости от глубины расположения кабелей в блоке. Надо понимать, что изменением полного термического сопротивления грунта (T4) за счет увеличения глубины прокладки кабелей пренебрегать недопустимо, особенно в случаях, когда расстояние между кабелями, проложенными в верхних ячейках блока, и кабелями в нижних ячейках достигает 1 м. В действительности такая разница в расположении кабелей может привести к значительному снижению длительно допустимого тока. Так, для кабелей, проложенных в блоках по конфигурации X, разница в допустимых токах для верхних и нижних кабелей достигает 25% (рис. 6).

Следовательно, значения длительно допустимых токов, указанные в ПУЭ для проложенных в блоках кабелей, ошибочны и их не следует применять не только для кабелей современных конструкций с изоляцией из СПЭ, но и для самих рассмотренных в ПУЭ кабелей с бумажно-пропитанной изоляцией. При этом возникает вопрос: каким же образом кабели, рассчитанные по ПУЭ и проложенные в блоках десятки лет назад, не выходили повсеместно из строя и в некоторых случаях до сих пор надежно работают?

Трудно сказать, по какой методике рассчитывались длительно допустимые токи, описанные в п. 1.3.20 ПУЭ, но вполне вероятно, что токи кабелей рассчитаны исходя из условия, описанного в п. 1.3.12 ПУЭ, согласно которому температура жилы составляет 60 °С, тогда как фактическая рабочая температура жил кабелей с БПИ – 70 °С. Данная разница в температурах (10 °С) и спасает кабели от возможного перегрева из-за неточных расчетов по методике ПУЭ.

Поправочные коэффициенты для кабелей с изоляцией из спэ

Поскольку расчеты по ПУЭ не точны, а использование специализированных программ не всегда представляется возможным ввиду их высокой стоимости, была разработана таблица поправочных коэффициентов (табл. 3) для наиболее распространенных конфигураций блоков. В таблице представлены конфигурации блоков, для каждой ячейки которых указан поправочный коэффициент (пустые ячейки представляют собой резервные, незаполненные кабелями трубы). Поправочные коэффициенты следует применять для расчета длительно допустимых токов трехфазных кабелей, а также однофазных, проложенных сомкнутым треугольником в одной ячейке/трубе блока.

Данные поправочные коэффициенты были получены на основе каталожных значений длительно допустимых токов, указанных в «Инструкции по выбору, эксплуатации и техническому обслуживанию кабелей со СПЭ-изоляцией на напряжение 6–35 кВ» завода «Таткабель» [3], а также рассчитанных величин токов с использованием специализированного программного обеспечения CYMCAP.

Кроме того, стоит отметить, что для расчета поправочных коэффициентов были изменены габариты блоков по сравнению с ПУЭ и приняты конфигурации, наиболее подходящие для применения. Например, в качестве труб для блоков выбраны термостойкие полимерные трубы «Протекторфлекс» с удельным тепловым сопротивлением 2 К · м/Вт, расстояние между трубами в свету составляет 50 мм, а диаметр труб – 200 мм для обеспечения возможности расположения в них одножильных кабелей большего сечения или трехжильных кабелей (рис. 4).

Таким образом, для расчета длительно допустимых токов кабелей, проложенных в блоках, с использованием поправочных коэффициентов необходимо умножить длительно допустимый ток кабеля конкретной конфигурации, сечения и напряжения, указанный в инструкции [3] завода «Таткабель», на поправочный коэффициент из табл. 3.

Следует учитывать, что данные поправочные коэффициенты усредненные и рассчитаны для одножильных кабелей 10 кВ с медной жилой сечением 240 мм2. Для кабелей других классов напряжения и с другим сечением жил данные поправочные коэффициенты можно использовать, но их значения в действительности могут отличаться от указанных в таблице на ± 4%.

Резервные трубы и их расположение в блоке

Согласно ПУЭ каждый кабельный блок должен иметь до 15% резервных каналов, но не менее одного канала. Резервные трубы должны быть задействованы в случае невозможности использования основных, например при повреждении или замятии основной трубы или при выходе из строя кабеля, проложенного в ней. Однако на практике резервные трубы могут использоваться не только в качестве запасных, но и для размещения в них вновь прокладываемых силовых кабельных линий, кабелей связи и др.

В зависимости от того, как будут использоваться резервные трубы, должен быть выполнен тепловой расчет, определяющий необходимое сечение проектируемых кабельных линий и их длительно допустимый ток.

Например, для резервных труб, которые планируется заполнить силовыми кабелями, расчет длительно допустимого тока и выбор сечения кабелей необходимо выполнять исходя из условия, что блок заполнен полностью. Иначе в случае заполнения резервных труб кабелями, не учтенными при проектировании блока, возможен перегрев кабелей, ранее проложенных в основных ячейках блока.

Для блоков, в которых резервные трубы планируется заполнить кабелями связи, контрольными или другими подобными кабелями, расчет допустимых токов проводят с учетом того, что резервные трубы не заполнены.

На рис. 7–9 представлены варианты расположения резервных труб: по центру, в углах и по бокам блока. Наиболее эффективным с точки зрения величины длительно допустимых токов будет вариант расположения резервных труб в центре блока, а наименее эффективным – расположение резервных труб в углах блока. Это объясняется тем, что благодаря отсутствию источников тепла в виде других кабелей, от кабелей, размещенных по краям блока (рис. 7), тепло отводится лучше, нежели от кабелей, расположенных в центре кабельного блока.

Таком образом, при заполнении резервных труб кабелями из основных ячеек блока необходимо учитывать, что резервные трубы размещаются в наихудшем с точки зрения теплоотвода месте (в центре блока) и при заполнении резервных труб вновь прокладываемые кабели будут иметь длительно допустимые токи меньше, чем при их прокладке в основных ячейках блока.

Выбор труб для сооружения блочной канализации

В ПУЭ для сооружения блоков рассмотрены следующие типы труб: стальные, чугунные, асбестоцементные, бетонные, керамические и т. п. Сегодня, кроме этих типов труб, для блоков могут быть использованы полимерные трубы. Такие трубы отличаются длительным сроком эксплуатации, коррозионной и химической стойкостью, гладкой внутренней поверхностью, простотой монтажа и др.

Так как типы труб, перечисленные в ПУЭ, являются термостойкими, не теряющими своих свойств при длительном воздействии высоких температур, то полимерные трубы, используемые для сооружения кабельных блоков, также должны быть термостойкими и иметь длительно допустимую рабочую температуру не ниже 85 °С. К таким изделиям можно отнести термостойкие трубы, выпускаемые под маркой «Протекторфлекс».

Применение термостойких труб особенно актуально при строительстве кабельных блоков, засыпаемых песчано-гравийной смесью, где важно учитывать давление грунта на трубы. В случае применения для сооружения кабельных блоков обычных полиэтиленовых труб, воздействие высокой температуры нагрева кабелей вместе с нагрузкой от грунта может привести к сокращению срока службы труб и возможному их разрушению в процессе эксплуатации [4].

Проблема блочной канализации заключается в том, что из-за отсутствия должной герметизации торцов труб, с поворотных или промежуточных камер в блоки может проникать воздух, создавая благоприятную среду для распространения пламени. Поэтому полимерные трубы, так же как и трубы, перечисленные в ПУЭ, должны быть негорючими или иметь внутренний негорючий слой для предотвращения распространения пламени при горении кабелей во время короткого замыкания.

Выводы

Блоки – это надежный вариант кабельного сооружения, в котором кабели защищены от возможных повреждений, вызванных работой землеройной и строительной техники вблизи кабельной линии. Кроме того, блоки необходимы при прокладке большого количества кабельных линий в стесненных условиях.

На сегодня нет нормативных документов, описывающих актуальную методику расчета длительно допустимых токов кабелей в блоках. В ПУЭ не рассматриваются современные конструкции кабелей, предусматриваются значительные ограничения по условиям прокладки и содержатся неточные результаты.

Для расчета длительно допустимых токов для кабелей в блоках рекомендуется использовать предложенные в данной статье таблицы с поправочными коэффициентами, а для сложных или иных конфигураций блоков – специальные программные продукты.

Размещение резервных труб рекомендуется проводить в центре блока, а тепловой расчет следует производить, учитывая возможное заполнение резервных труб силовыми кабелями в процессе эксплуатации блока.

При сооружении кабельных блоков следует использовать специальные термостойкие трубы с внутренним негорючим слоем.

Литература

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 6-е изд.

2. ГОСТ Р МЭК 60287-2-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки. Часть 2-1. Тепловое сопротивление. Расчет теплового сопротивления.

3. ООО «Таткабель». Инструкция по выбору, эксплуатации и техническому обслуживанию кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена на напряжение 6–35 кВ. 2013.

4. ООО «ЭнергоТэк». Альбом проектных решений ТР-101-2016. СПб, 2016.