Thermosand für Kabel und spezifischer Wärmewiderstand — Leitfaden
Warum ist Thermosand bei unterirdischen Stromkabeln wichtig? Wir erklären den spezifischen Wärmewiderstand, die Eignung von Silika/Quarz, den kritischen Feuchtefaktor, das Dry-out-Risiko und den IEEE-442-Test.
Der sichere und effiziente Betrieb unterirdischer Stromkabel hängt davon ab, wie gut das umgebende Verfüllmaterial die Wärme ableitet. Kabel erwärmen sich beim Stromtransport; wird diese Wärme nicht schnell abgeführt, überhitzt das Kabel, seine Belastbarkeit (Ampazität) sinkt, und seine Lebensdauer verkürzt sich. Genau hier kommen der Thermosand und seine wichtigste Eigenschaft ins Spiel: der spezifische Wärmewiderstand. In diesem Beitrag erklären wir, was der spezifische Wärmewiderstand ist, warum Silika-/Quarzsand für diese Aufgabe geeignet ist und welche Rolle der kritische Feuchtefaktor spielt.
Was ist der spezifische Wärmewiderstand?
Der spezifische Wärmewiderstand (thermal resistivity) ist das Maß für den Widerstand, den ein Material dem Wärmefluss entgegensetzt, und wird in K·m/W (oder °C·m/W) angegeben. Je niedriger der Wert, desto besser leitet das Material die Wärme — desto schneller führt es die Wärme vom Kabel ab. Für Kabelverfüllungen wird daher ein niedriger Wärmewiderstand verlangt.
Der Wärmewiderstand ist der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit (λ, W/m·K). Ein Widerstand von 0,5 K·m/W entspricht beispielsweise einer Leitfähigkeit von 2,0 W/m·K. Zur Referenz: Der Wärmewiderstand von ruhendem Wasser liegt bei etwa 1,65 K·m/W, der von Luft bei etwa 40 K·m/W; dieser große Unterschied erklärt, warum das Thema Feuchte, auf das wir gleich eingehen, so wichtig ist.
Warum ist Silika-/Quarzsand geeignet?
Das Mineral Quarz hat unter den natürlichen Materialien eine hohe Wärmeleitfähigkeit; verglichen mit Feldspat oder Ton leitet es Wärme deutlich besser. Deshalb ist Silika- und Quarzsand mit hohem SiO₂-Gehalt physikalisch ein geeignetes Material für thermische Kabelverfüllungen. Außerdem sitzt gut abgestufter Sand (mit breiter Kornverteilung) beim Verdichten dichter aufeinander; die Hohlräume schrumpfen und die Wärmeleitung steigt.
Hier gibt es jedoch ein kritisches Detail: Die thermische Leistung des Sandes zeigt sich nicht im trockenen oder lockeren, sondern im feuchten und verdichteten Zustand.
Der kritische Faktor: Feuchte und Verdichtung
Die Leistung trockenen Sandes ist trügerisch. Die Zwischenräume der Körner sind im trockenen Zustand mit Luft gefüllt — und der Wärmewiderstand von Luft ist sehr hoch. Trockener Sand leitet Wärme daher schlecht; sein Wärmewiderstand steigt. Wird der Sand feucht, füllt das Wasser die Zwischenräume, bildet Wärmebrücken, und der Widerstand sinkt deutlich. Die Verdichtung verstärkt denselben Effekt, indem sie die Hohlräume verringert; tatsächlich sinkt der Widerstand, je stärker der Sand verdichtet wird.
Hier besteht ein wichtiges Risiko namens „thermisches Austrocknen“ (thermal dry-out): Ein erwärmtes Kabel kann dem umgebenden Sand die Feuchte entziehen. Beim Austrocknen steigt der Widerstand des Sandes, was zu weiterer Erwärmung und weiterem Austrocknen führt; unkontrolliert kann daraus ein Teufelskreis entstehen, der „thermisches Durchgehen“ (thermal runaway) genannt wird. Seriöse Projekte bewerten deshalb den Widerstand der Verfüllung im trockenen und im feuchten Zustand zusammen mit einer Referenzdichte.
Wie wird getestet?
Um zuzusichern, dass ein Sand einen bestimmten Wärmewiderstand (z. B. 0,5 K·m/W) erreicht, ist eine Messung erforderlich. Das Standardverfahren ist der Thermonadelsonden-Test (thermal needle probe) nach IEEE 442 und ASTM D5334. Der Test erfolgt bei kontrollierter Feuchte und Dichte, und meist wird eine „thermische Austrocknungskurve“ (Feuchte-Widerstands-Beziehung) aufgenommen. Damit ein Sand also „0,5 erreicht“, muss angegeben werden, bei welcher Feuchte und Verdichtung dieser Wert erzielt wurde.
Wenn eine Garantie im Trockenzustand nötig ist: stabilisierte Verfüllung
Bei kritischen Projekten, bei denen der Wert unabhängig von der Feuchte auch im Trockenzustand garantiert werden muss, kommt die stabilisierte (zementgebundene) thermische Verfüllung ins Spiel. Diese als fließfähige thermische Verfüllung (FTB) bekannte Lösung ist eine gießbare Mischung aus Zuschlag, Sand, wenig Zement, Wasser und Fließmittel — ähnlich wie Beton. Sie setzt sich ohne Verdichtung an ihren Platz und liefert einen niedrigen, stabilen Wärmewiderstand. Das Basismaterial einer solchen Verfüllung ist wiederum Silika-/Quarzsand.
Die allgemeinen Eigenschaften von Silika- und Quarzsand finden Sie in unseren Beiträgen Quarzsand und Quarz.
Fazit
Zusammengefasst ist das Ziel beim Thermosand, die Wärme schnell vom Kabel abzuführen — und das Maß dafür ist ein niedriger spezifischer Wärmewiderstand. Gut abgestufter Silika-/Quarzsand mit hohem SiO₂-Gehalt ist dafür ein geeignetes Material; der Zielwiderstand lässt sich jedoch nur unter den richtigen Feuchte- und Verdichtungsbedingungen und mit Messung zusichern. Um die passende thermische Verfüllungslösung für Ihr Projekt zu bestimmen, nehmen Sie bitte Kontakt mit uns auf.