3 Kabelinstallationsmethoden, die sich auf die Spannungsberechnung auswirken
Entdecken Sie, wie moderne Kabelinstallationsmethoden – HDD, Schieben und Schwimmen – sich auf Spannungsberechnungen auswirken und ein sicheres, effizientes Kabeldesign beeinflussen.
Die Verwendung von Kabelspannungsgleichungen ist ein wesentlicher Bestandteil der Planungsphase für die Kabelinstallation. Dabei wird das Kabelverhalten analysiert und prognostiziert, um die Durchführbarkeit der Installation zu ermitteln. Eine genaue Vorausberechnung der Kabelspannung ist wichtig, um die Kabelintegrität zu schützen, die Sicherheit der Arbeitnehmer zu verbessern, die Projektkosten zu senken und die optimale Leistung des Kabels über seine gesamte Lebensdauer zu gewährleisten. Darüber hinaus können genaue Berechnungen längere Installationsabstände ermöglichen, die zu einer verbesserten Arbeitseffizienz und weniger Verbindungen führen. Traditionelle Gleichungen bleiben der Industriestandard für Berechnungen, aber neuere Installationsmethoden führen Variablen ein, die eine Anpassung dieser Modelle erfordern. Wenn man versteht, wie sich die jeweilige Methode auf die Spannung auswirkt, wird eine zuverlässige Leistung gewährleistet und Risiken bei der Installation werden verringert.
„Die Kenntnis der Zugspannung ist nicht nur für die Planung der tatsächlichen Verlegung wichtig, sondern auch für die Beurteilung der Eignung von Kabeldesign/ Rohrführungsdesign/Installationsmethoden.“ (CIGRE TB 889)
Bewährte Kabelspannungsgleichungen, die bei der Modellierung der Installation verwendet werden
Die meisten Kabelinstallationsleitfäden und Softwareplanungswerkzeuge verwenden Gleichungen, die Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt wurden. Diese Gleichungen berechnen die Schwerkraft und die Physik, während das Kabel um eine Biegung gezogen wird. Dieser Berechnungsansatz ist in der Geschichte verwurzelt, gut etabliert und seit mehr als 75 Jahren ein wesentlicher Bestandteil des Kabel-in-Rohr-Designs. Die Gleichungen, die zuerst von F.H. Buller (1949) entwickelt und anschließend von R.C. Rifenburg (1953) erweitert wurden, beschreiben Kabel, die durch geneigte Rohre, horizontale Biegungen sowie vertikale konkave und konvexe Biegungen gezogen werden. Diese „Rifenburg“-Gleichungen messen die Kraft auf Grundlage des Eintrittswinkels des Kabels in die Biegung sowie das Vorhandensein (oder Fehlen) der Schwerkraft zwischen Kabel und Rohr. Die Polywater Pull-Planner®-Software basiert auf diesen Standardgleichungen.
Diese Gleichungen sind komplex, daher verwenden Ingenieure heute rechnerbasierte Software oder spezielle Tabellenkalkulationen, um ihre Spannungsberechnungen durchzuführen. Einige Unternehmen verwenden Näherungswerte anstelle der komplexen Formel. Dies stammt aus einer Ära, in der diese Arbeit von Hand durchgeführt wurde. Die Vorhersage der Kabelspannung ermöglicht sicherere Einzüge, die die maximale Spannung des Kabels nicht überschreiten. Gute Planungs- und Vorhersagemethoden schützen nicht nur Kabel vor übermäßiger Spannung, sondern erhöhen auch die Sicherheit der Arbeitnehmer und maximieren die Langlebigkeit des Kabels durch eine geringere Spannung und weniger Spleiße oder Verbindungen.
Die Rolle von Polywater beim Reibungs- und Spannungs-Management von Kabeln
Die von Polywater entwickelte Messung der Kabelreibung unterstützt eine genaue Vorhersage der Kabelspannung. Bereits seit mehr als 50 Jahren misst Polywater den Reibungskoeffizienten und arbeitet mit Kabelschmierungen vor Ort. Der Aufbau dieses Wissens hat ein besseres Verständnis jener Faktoren ermöglicht, die die Spannung beeinflussen, um sie besser zu planen. Da sich die Branche hinsichtlich Kabeldesign und Installationsmethoden verändert, müssen auch die Testmethoden diesen Veränderungen Rechnung tragen. Lange Kabelinstallationen, die das Markenzeichen der unterirdischen Verlegung sind, waren noch weit weniger üblich, als die Rifenberg-Gleichungen entwickelt wurden und als Polywater erstmals mit der Entwicklung von Reibungsmessungen begann. Heute arbeitet Polywater aktiv mit Kabelherstellern und Installateuren zusammen, um die Reibungs-Prüfmethoden anzupassen und die vor Ort herrschende Realität genauer widerzuspiegeln.
| Mehr erfahren: Polywater Pull-Planner Planungssoftware für Kabelinstallationen |
Moderne Kabelinstallationstechniken und ihre Auswirkungen auf die Spannung
Die meisten Kabel werden mit einer Kabelspillwinde in das Rohr eingezogen. Typischerweise ist am Kabelende und an dessen Leiter eine Einzugöse befestigt. Zwischen dem vorderen Ende des Kabels und dem Zugseil ist ein Wirbel eingesetzt, um Torsionskräfte auf das Kabel zu vermeiden. Traditionelle Installationsmethoden und -designs wurden durch neuere Techniken ergänzt: in Längsrichtung gebohrte Rohrabschnitte, Schieben des Kabels und Schwimmen des Kabels in einem wassergefüllten Rohr sind drei Beispiele. Diese Technologien wirken sich auf die Gleichungen aus, die für die Vorhersage der Spannung verwendet werden. Für diese Arten von Design gibt es Kabelspannungen und physikalische Überlegungen, die sich von historischen Praktiken unterscheiden.
Spannungsüberlegungen für lange gebogene Abschnitte (Biegungen mit großem Radius)
Die Rifenburg-Biegungsgleichungen gehen davon aus, dass das Kabel an die Innenseite der Biegung „gezogen“ wird. Wenn ein Kabel in lange, gebogene Rohre gezogen wird, wie sie typischerweise bei HDD-Installationen (Horizontal Directed Drilling, Horizontal-Richtbohrung) vorkommen, erhöht sich auch das Gewicht des Kabels in der Biegung. In diesem Fall überwindet die Schwerkraft die vertikale Komponente der Zugkraft. Das Kabel läuft nicht mehr entlang der Innenseite der Biegung, sondern fällt zum Boden des Rohres. Die herkömmlichen Gleichungen gelten nicht mehr. Die Biegung mit großem Radius verhält sich eher wie ein geneigte gerader Abschnitt des Rohres.
Im Polywater Pull-Planner werden gerade Abschnitte der Kabelführung von den bevorstehenden Biegungen getrennt, da der Reibungskoeffizient für gerade Abschnitte als Hinzufügung wirkt, aber in den Biegungen zu einem Multiplikator wird. Die aktualisierte Planungsempfehlung besteht darin, diesen Abschnitt als geraden, geneigten Abschnitt mit einer kleinen horizontalen Biegung zu behandeln, um die etwas längere Rohrlänge zu berücksichtigen. In diesem Fall ist die Seitenwandspannung minimal und kann vernachlässigt werden. Mit diesem Ansatz erhält man eine bessere Annäherung an die Gegebenheiten vor Ort und damit an die erwartete Kabelspannung.
Lange, gebogene Abschnitte erfordern modifizierte Neigungsgleichungen, um die Kabelspannung während der Installation besser anzunähern.
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Schieben von Kabeln: Spannungs- und Knickrisiken
Kabelschubgeräte wurden in den 1990er-Jahren entwickelt, um längere Installationswege zu erzielen. Bei höheren Übertragungsspannungen ist die Systemzuverlässigkeit kritisch.Die Verringerung der Anzahl von Verbindungen ist wertvoll. Darüber hinaus haben Übertragungskabel typischerweise Leiter mit großem Durchmesser und sind durch dieses Design steifer. Die Verwendung von Kabelschubgeräten kann für diese Art der Installation sinnvoll sein und hat als Installationsverfahren weiterhin an Popularität gewonnen.
Die Standardgleichungen für die Kabelspannung gelten auch beim Schieben von Kabeln. In diesem Fall ist die bei der Berechnung verwendete Eingangsspannung negativ. Die negative Spannung wird auf jedes Segment übertragen. Bei Tests des EPRI (Electric Power Research Institute) wurden getestete Kabel durch den Schubvorgang nicht beschädigt. Die Hauptbegrenzung dieses Installationsverfahrens ist das Knicken der Kabel.
Wenn die Kabel eine zu hohe Schubspannung erfahren, biegen oder knicken sie im Rohrsystem. Sie erzeugen entweder eine gewellte Form, winden sich spiralförmig an der Rohrwand entlang oder knittern zu einem Haufen. In diesem Fall wird die Schubkraft nicht mehr auf das andere Ende des Kabels übertragen. Stattdessen drückt die Kraft das Kabel weiter zusammen, wodurch effektiv ein Stopfen im Rohr entsteht. Die Schubkräfte des Kabels sollten die Knickkraft des Kabels nicht überschreiten. Das Verständnis der Physik von Kabelknicken ist für eine erfolgreiche Installation entscheidend.
Kritische Knickkraft
Die kritische Knickkraft basiert auf der Eulerschen Formel und dem Elastizitätsmodul des Kabels. Mit anderen Worten: Es ist wichtig, den Faktor „Steifheit“ des Kabels zu kennen. Im Allgemeinen wird dieser Faktor von der Art des Leitermetalls, dem Verseilungsdesign und der Kabelgröße beeinflusst. Es gibt prädiktive Formeln, die sowohl auf der Berechnung als auch auf dem experimentellen Design basieren.
Der Schlüssel zum effektiven Schieben von Kabeln besteht darin, die Kraft unter der kritischen Knickkraft zu halten. Die Schubkraft erhöht sich mit höherer Reibung zwischen Kabel und Rohrwand. Die Verwendung von Kabelschmiermitteln erhöht die Wirksamkeit des Kabelschiebens, da sie die Wahrscheinlichkeit des Knickens von Kabeln verringern.
Bei der Planung einer Strecke mit Kabelschieben sollte die Knickkraft des Kabels berechnet werden.
Schwimmendes Kabel in einem wassergefüllten Rohr: Auftriebskraft vs. Widerstandskraft
Manchmal wird dem Rohr entweder Frischwasser oder Salzwasser (Meerwasser) hinzugefügt, um den Auftrieb zu erhöhen und das Gewicht des Kabels effektiv zu senken. Eine Reduktion des Kabelgewichts ist eine gute Möglichkeit, die Zugspannung zu senken, da sie die Normalkraft auf das Kabel verringert. Es ist wichtig, das Rohrsystem ordnungsgemäß abzudichten, damit kein Wasser austritt. Es ist auch möglich, nur einen Teil des Rohrsystems zu füllen, um das Kabel durch die schwierigeren Abschnitte des Einzugs zu führen.
Bei dieser Art der Installation gibt es immer noch die Reibung zu berücksichtigen. Kabelschmiermittel können die Leistung erhöhen, da das Kabel weiterhin die Rohroberfläche berührt.Bei der Planung dieser Art von Installationen ist der Widerstand gegen Wasser (Reibungswiderstand) zu berücksichtigen. Eine weitere Unbekannte ist die Kraft der Wasserverdrängung. Die Berechnung der Auswirkungen von Wasserzug und Wasserverdrängung sind komplex. Bei diesen Installationen wird oft ein konservativer Reibungskoeffizient als Sicherheitsfaktor verwendet. Die praktische Erfahrung hat gezeigt, dass dies eine effektive Art der Installation ist, insbesondere für lange, schwierige Kabelzüge.
Das Einziehen durch Wasser kann das Kabelgewicht durch den Auftriebsfaktor senken. Wasserwiderstand und Verdrängungskraft sind negative Faktoren, die bei der Spannungsplanung für diese Art von Installation berücksichtigt werden müssen.
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Anpassung von Spannungsmodellen für moderne Installationen
Ein gutes Verständnis des Reibungskoeffizienten sowie der Physik des Designs sind wichtige Aspekte für die Planung von Kabelinstallationen. In Anbetracht der Tatsache, dass moderne Installationsmethoden wie Biegungen mit großem Radius, Kabelschub und Wasserfluss jeweils einzigartige Variablen mit sich bringen, die in Spannungsberechnungen berücksichtigt werden müssen, sucht Polywater weiterhin Möglichkeiten zur Verringerung der Reibung in diesen Bereichen und lässt diese Daten in Aktualisierungen der Pull-Planner-Software einfließen. Darüber hinaus können Benutzer die Endspannung von Kabelinstallationen vor Ort messen und aufzeichnen, sie in die Polywater Pull-Planner-Software eingeben und den Reibungskoeffizienten vor Ort zurückrechnen. Dies kann praktischere Spannungsdaten für zukünftige Installationen liefern, bei denen ähnliche Methoden und Materialien verwendet werden. Die Rückrechnung des Reibungskoeffizienten kann auch eine effiziente Möglichkeit sein, diese Variablen zu berücksichtigen, ohne sie einzeln berechnen zu müssen, um so zukünftig genauere Berechnungen der Kabelspannung zu ermöglichen.
Ausgewähltes Quellenverzeichnis und Zeitleiste
1943 Pulling Tension During Cable Installation in Ducts or Pipes, F. H. Buller
1953 Pipe-Line Design for Pipe-Type Feeders, R. C. Rifenburg, Präsentation vor dem AIEE Insulated Conductor Committee
1983 EL-3333 Maximum Safe Pulling Lengths for Solid Dielectric Insulated Cables, veröffentlicht von EPRI
1984 Coefficient of Friction Measurement Between Cable and Conduit Surfaces Under Varying Normal Loads, G Weitz Polywater, Präsentation vor der Transmission & Distribution Conference.
1991 A New Cable Pulling Friction Measurement Method and Results, J.M. Fee
1996 TR-106500 Cable Pushing and Calculation of Pulling Tensions for Distribution and Transmission Cables, veröffentlicht von EPRI
1999 A Study of Tension and Jamming When Puling Cable Around Bends, J.M. Fee
2001 CIGRE TB 194 Construction, Laying and Installation Techniques for Extruded and Self Contained Fluid Filled Cable SYstems
2022 CIGRE TB 889 Installation of Underground HV Cable Systems