كيفية اختيار الكابلات للتركيب تحت الأرض: دليل عملي

يُعدّ تركيب الكابلات تحت الأرض من أكثر المهام شيوعًا وأهمية في توزيع الطاقة، ومشاريع الطاقة المتجددة، والمصانع، والبنية التحتية الحضرية. تُحمي الكابلات الأرضية من العوامل الجوية والتخريب والعوائق العلوية، لكنها تواجه تحديات فريدة، منها: الرطوبة، وتركيب التربة، والإجهاد الميكانيكي الناتج عن أعمال الردم وحركة المرور، وصعوبة تبديد الحرارة. يتطلب اختيار الكابل المناسب للتركيب تحت الأرض دراسة متأنية لبنية الكابل، وعزله، وتغليفه، وظروف تركيبه. يُقدّم هذا الدليل منهجًا مُفصّلًا لاختيار كابلات أرضية تُؤدّي وظيفتها بكفاءة عالية لعقود.

1. لماذا يختلف تركيب الكابلات تحت الأرض؟

بخلاف الكابلات المثبتة في الهواء الطلق، يجب على الكابلات الأرضية أن تواجه ما يلي:

• الرطوبة ودخول الماء - يمكن أن تدخل المياه الجوفية والأمطار والتكثيف إلى الكابل من خلال الأغلفة أو الوصلات التالفة.

• المواد الكيميائية في التربة - يمكن للتربة الحمضية أو القلوية أن تتسبب في تآكل الدروع والأغلفة المعدنية.

• الإجهاد الميكانيكي – يؤدي الردم والضغط وحركة المرور وحركة الأرض إلى الضغط على الكابل.

• تبديد الحرارة - التربة موصلة أضعف للحرارة من الهواء، والتربة الجافة لها مقاومة حرارية عالية جدًا.

• هجوم القوارض والجذور - يمكن للقوارض أن تقضم الأغلفة البلاستيكية، ويمكن لجذور الأشجار أن تسحق أو تخترق الكابلات.

• الحفر المستقبلي – الكابلات تحت الأرض معرضة للحفر العرضي.

لهذه الأسباب، يجب تصميم الكابلات الأرضية خصيصًا للدفن المباشر أو التركيب في القنوات، مع عزل قوي وطبقات مانعة لتسرب المياه وحماية ميكانيكية.

2. الخطوة 1: فهم بيئة التثبيت

قبل اختيار الكابل، يجب عليك جمع معلومات مفصلة حول موقع التركيب:

أ. نوع التربة والمقاومة الحرارية
تؤثر قدرة التربة على توصيل الحرارة بعيدًا عن الكابل بشكل مباشر على قدرته على حمل التيار (سعة التيار). وتختلف المقاومة الحرارية للتربة (المقاسة بوحدة °C·m/W) اختلافًا كبيرًا:

خطوة عملية: اختبر المقاومة الحرارية للتربة في الموقع، أو استشر البيانات الجيولوجية المحلية. إذا كانت التربة رملية جافة أو حصوية، فقد تحتاج إلى استخدام موصل حراري أكبر أو تحسين الردم برمل ذي مقاومة حرارية منخفضة.

ب. مستوى المياه الجوفية
إذا كان سيتم تركيب الكابل تحت مستوى المياه الجوفية، فيجب أن يكون مصمماً لتحمل الغمر المستمر. وتُعد طبقات منع تسرب الماء (أشرطة قابلة للتمدد، أو مواد هلامية، أو أغلفة رصاصية) ضرورية.

ج. الأحمال الميكانيكية
هل سيتم دفن الكابل تحت طريق أو سكة حديد أو منطقة ذات حركة مرور كثيفة؟ إذا كان الأمر كذلك، فإنه يتطلب درعًا قويًا (سلك فولاذي أو شريط فولاذي) لتحمل قوى السحق.

د. المواد الكيميائية البيئية
إذا كانت التربة تحتوي على مواد كيميائية صناعية أو ملح أو مياه صرف زراعي، فيجب أن يكون الغلاف الخارجي والدرع الخاص بالكابل مقاومًا للمواد الكيميائية.

هـ. عمق الدفن
يؤثر العمق على كل من الحماية الميكانيكية وتبديد الحرارة. يوفر الدفن على عمق أكبر حماية أكبر ولكنه يقلل من قدرة التيار الكهربائي بسبب زيادة المقاومة الحرارية.

3. الخطوة الثانية: اختيار مادة الموصل

إرشادات: يُفضّل استخدام الألومنيوم في شبكات التوزيع تحت الأرض والمغذيات الكبيرة لانخفاض تكلفته. أما في التطبيقات الحساسة (كالمستشفيات ومراكز البيانات) أو في الأماكن ذات المساحة المحدودة، فقد يكون النحاس الخيار الأمثل.

4. الخطوة 3: اختيار مادة العزل

يجب أن تتحمل العازلات الرطوبة والحرارة والإجهاد الكهربائي. أكثر المواد شيوعًا للكابلات الأرضية هي:

التوصية: يعتبر XLPE هو العازل المفضل لكابلات الطاقة تحت الأرض حتى أعلى فئات الجهد.

5. الخطوة الرابعة: اختيار الغمد الخارجي والدرع

يوفر الغلاف الخارجي حماية من الرطوبة والمواد الكيميائية والتلف الميكانيكي. أما الدرع فيوفر قوة ميكانيكية إضافية.

أ. مادة الغلاف الخارجي

ب. نوع الدرع

Guidance:

• For multi-core cables in direct burial, SWA is the standard choice.

• For single-core cables (e.g., large feeders), use AWA to avoid magnetic losses.

• For submarine cables, double armour (steel wire) is often used.

6. Step 5: Check Water-Blocking Requirements

Underground cables must prevent water from migrating along the conductor or between the insulation and the sheath. Water-blocking features include:

• Water-swellable tapes – Swell when wet, blocking water flow.

• Water-blocking powders – Similar to tapes, but in powder form.

• Filled cores – The interstices between conductors are filled with a water-blocking compound (e.g., petroleum jelly, gel).

• Lead sheath – A seamless lead layer provides a complete water barrier (used for high-voltage submarine cables).

Guidance: For direct burial in wet ground, choose a cable with water-blocking tapes and a robust outer sheath. For critical applications, consider a lead-sheathed cable.

7. Step 6: Determine the Cable Size (Ampacity and Voltage Drop)

The conductor size must meet both ampacity (current-carrying capacity) and voltage drop requirements, considering the derating factors for underground installation.

A. Ampacity Derating
The base ampacity of the cable is derated for:

• Ambient temperature – Soil temperature (typically 20°C reference).

• Soil thermal resistivity – Higher resistivity reduces ampacity.

• Depth of burial – Deeper burial reduces ampacity.

• Grouping – Multiple cables in the same trench heat each other.

Example: A 95 mm² XLPE copper cable may have a base ampacity of 240 A in air. Buried in dry sand at 1 m depth with a group of 3 cables, the derated ampacity may be 160 A.

B. Voltage Drop
For long underground runs, voltage drop often governs the cable size. Calculate the voltage drop using the formula:

• Single-phase: Vd = 2 × I × ρ × L / A

• Three-phase: Vd = √3 × I × ρ × L / A

Where ρ is the resistivity of the conductor material (copper: 0.0175 Ω·mm²/m; aluminium: 0.0282 Ω·mm²/m at 20°C).

Guidance: Always check both ampacity and voltage drop; the larger size governs.

8. Step 7: Consider Installation Method and Standards

A. Direct Burial vs. Duct Installation

• Direct burial: The cable is laid directly in a trench and covered with sand or selected backfill. This is the most common method for utility distribution. Requires SWA or AWA armour and a robust outer sheath.

• In duct: The cable is pulled through a protective duct (PVC, steel, or concrete). This allows easier replacement but reduces ampacity due to the duct's thermal insulation. Suitable for city networks and where future upgrades are anticipated.

B. Backfill Material
The material used to cover the cable affects heat dissipation and mechanical protection:

• Selected sand or screened soil: Low thermal resistivity, good heat dissipation.

• Imported sand with low moisture content: May have high thermal resistivity; consider adding moisture-retaining materials.

• Concrete or gravel: High thermal resistivity; avoid unless necessary.

C. Standards Compliance
Underground cables must comply with relevant standards:

• IEC 60502 – Power cables with extruded insulation (low and medium voltage).

• IEC 60840 – High-voltage cables (above 30 kV).

• IEC 60287 – Calculation of ampacity for underground cables.

• NEC (US) – National Electrical Code, article 300 (underground installations).

• BS 7671 (UK) – IET Wiring Regulations.

9. Step 8: Marking and Protection

A. Cable Marking
Buried cables should be marked with a warning tape or mesh above the cable to indicate its presence. This helps prevent accidental digging.

B. Cable Protection

• Concrete slabs or tiles: Protect cables in areas with high traffic or shallow burial.

• Sand bedding: Provides a cushioning layer.

• Cable trenches with backfill: Use selected backfill to protect the cable from sharp objects.

10. Common Mistakes and How to Avoid Them

11. Summary Checklist for Selecting Underground Cables

Selecting the right cable for underground installation is not a routine task—it is a long-term investment in reliability, safety, and performance. A cable that is incorrectly selected for the soil type, lacks proper armouring, or is undersized for the load will fail prematurely, leading to costly excavation, repairs, and outages. By following a systematic approach—assessing the environment, choosing the right materials, sizing correctly for derating and voltage drop, and complying with standards—you can select an underground cable that will serve for decades. In the world of buried power, the right choice today prevents a lot of digging tomorrow.