DR. GAYLON S. CAMPBELL UND DR. KEITH L. BRISTOW
Wer hätte ahnen können, dass ein Ingenieur für elektrische Energie ein Experte für Bodenphysik sein muss? Diese Kenntnisse werden jedoch bei der Planung und Umsetzung von unterirdischen Stromübertragungs- und -verteilungssystemen immer wichtiger. Und warum? Die Gründe sind einfach. Elektrizität, die in einem Leiter fließt, erzeugt Wärme. Ein Widerstand gegen den Wärmefluss zwischen dem Kabel und der Umgebung lässt die Temperatur des Kabels ansteigen. Moderate Temperaturerhöhungen liegen innerhalb des Bereichs, für den das Kabel ausgelegt ist, aber Temperaturen oberhalb der Auslegungstemperatur verkürzen die Lebensdauer des Kabels. Zu katastrophalen Ausfällen kommt es, wenn die Kabeltemperaturen zu hoch werden, wie es 1998 in Auckland, Neuseeland, der Fall war. Da sich das Erdreich im Wärmestrompfad zwischen dem Kabel und der Umgebung befindet (und daher einen Teil des Wärmewiderstands bildet), sind die thermischen Eigenschaften des Erdreichs ein wichtiger Bestandteil der Gesamtkonstruktion.
Die detaillierten Berechnungen, die für die korrekte Planung eines Erdkabelsystems erforderlich sind, sind seit über 60 Jahren bekannt. Die üblicherweise verwendeten Verfahren werden in Neher und McGrath (1957) und in jüngerer Zeit von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (1982) beschrieben. Diese Berechnungen können von Hand durchgeführt werden, aber die meisten Ingenieure verwenden heute entweder kommerzielle oder selbst erstellte Computerprogramme. Die Berechnungen sind recht detailliert und beruhen im Allgemeinen auf solider Physik oder guter Empirie, bis man zum Boden kommt. Dann sind die gewählten Zahlen oft fast ein Schuss ins Blaue. Da das Erdreich selbst in einem gut konzipierten System die Hälfte oder mehr des gesamten Wärmewiderstands ausmachen kann, müssen die Ingenieure diesem Teil genauso viel Respekt entgegenbringen wie den Kabeln und Schächten.
Gute Theorien zur Beschreibung des Wärmewiderstands von Böden gibt es schon seit langem (de Vries, 1963; Campbell und Norman, 1998). Diese Modelle basieren auf dielektrischen Mischungsmodellen und behandeln den Gesamtwiderstand als gewichtete Parallelkombination der Widerstände der einzelnen Komponenten. Fünf Bestandteile sind für die Bestimmung des spezifischen Wärmewiderstands des Bodens wichtig. Dabei handelt es sich um Quarz, andere Bodenminerale, Wasser, organisches Material und Luft, und zwar in der Reihenfolge des zunehmenden Widerstandes. Die tatsächlichen Werte für diese Materialien sind 0,1, 0,4, 1,7, 4,0 und 40 m C/W. Ohne etwas über die Gewichtungsfaktoren für diese Materialien in einem tatsächlichen Boden oder Füllmaterial zu wissen, sollten vier Dinge klar sein:
Wir werden einige dieser Punkte mit Beispielen illustrieren.
Abbildung 1 zeigt, wie wichtig die Verdichtung ist, um einen akzeptabel niedrigen Wärmewiderstand im Verfüllmaterial zu erreichen. Bei Berechnungen von Erdkabeln wird häufig ein Wert von 0,9 m C/W für den Wärmewiderstand des Bodens angenommen. Keine der Kurven in Abbildung 1 erreicht jemals diesen Wert, selbst bei sehr hoher Dichte. Die typische Dichte eines Feldbodens, der Pflanzenwachstum zulässt, liegt bei etwa 1,5 Mg/m3. Bei dieser Dichte hat sogar der Quarzboden einen spezifischen Widerstand, der mehr als das Vierfache des angenommenen Wertes beträgt. Aus Abbildung 1 lassen sich drei wichtige Beobachtungen ableiten. Erstens ist organisches Material niemals geeignet, um die Wärme von erdverlegten Kabeln abzuleiten, ganz gleich wie dicht es ist.
Zweitens ist der Wärmewiderstand von trockenen, körnigen Materialien, selbst wenn sie extrem verdichtet sind, nicht ideal für die Kabelverfüllung. Drittens steuern die Lufträume den Wärmefluss. Obwohl Quarzmineralien einen viermal geringeren spezifischen Widerstand haben als Lehmmineralien, ist der Gesamtwiderstand der beiden bei gleicher Dichte ähnlich. Es ist erwähnenswert, dass willkürlich hohe Dichten nicht einfach durch Verdichtung erreicht werden können. Partikel einheitlicher Größe verdichten sich bis zu einer bestimmten maximalen Dichte. Um darüber hinausgehende Dichten zu erreichen, ohne die Partikel zu zerkleinern, werden kleinere Partikel in die Hohlräume zwischen den größeren Partikeln gegeben. Die höchsten Dichten werden daher durch die Verwendung von gut abgestuften Materialien erreicht.
Auch wenn der spezifische Widerstand von Wasser höher ist als der von Bodenmineralien, ist er immer noch viel niedriger als der von Luft. Wenn die Porenräume im Boden nicht mit Luft, sondern mit Wasser gefüllt sind, sinkt der spezifische Widerstand. Abbildung 2 zeigt die Wirkung von Wasser. Die Dichte liegt bei etwa 1,6 Mg/m3, also viel niedriger als die höchsten Werte in Abbildung 1, aber mit ein wenig Wasser liegen die Widerstände deutlich unter 1 m C/W. Je mehr Wasser sich in den Poren befindet, desto stärker ist die Wirkung des Quarzes ausgeprägt. Der Widerstand des organischen Bodens ist zwar besser als im trockenen Zustand, aber immer noch viel zu hoch, um eine vernünftige Wärmeableitung für vergrabene Kabel zu gewährleisten.
Da der Wärmewiderstand so stark vom Wassergehalt abhängt und der Wassergehalt im Boden so variabel ist, stellt sich die Frage, welche Wassergehalte in Feldböden zu erwarten sind. Unterhalb und sogar leicht oberhalb eines Grundwasserspiegels ist der Boden gesättigt (alle Poren sind mit Wasser gefüllt). In diesen Situationen kann man sicher sein, dass die Widerstände auf den niedrigsten Werten bleiben, die für diese Bodendichte möglich sind. Der minimale Wassergehalt in der Wurzelzone wachsender Pflanzen liegt typischerweise zwischen 0,05 m3/m3 in Sanden und 0,1 oder 0,15 m3/m3 bei Böden mit feinerer Textur. Diese Wassergehalte entsprechen in etwa den Wassergehalten in Abbildung 2, bei denen der Widerstand dramatisch anzusteigen beginnt. Dieser Wert wird manchmal als kritischer Wassergehalt bezeichnet und ist der Wassergehalt, unterhalb dessen der thermisch angetriebene Dampfstrom in einem Temperaturgefälle nicht durch den Rückfluss von Flüssigkeit durch die Bodenporen wieder aufgefüllt wird. Dieser Punkt ist für die Auslegung von Erdkabeln sehr wichtig, denn wenn der Boden um das Kabel herum so trocken wird, treibt die Wärme des Kabels die Feuchtigkeit weg, wodurch der Boden um das Kabel herum austrocknet und sein Widerstand steigt. Dies führt zu einer zusätzlichen Erwärmung, die weitere Feuchtigkeit abtransportiert. Dies kann zu einem thermischen Durchgehen führen.
Niedrigere Trockenwiderstände als die in Abbildung 1 gezeigten können mit speziell entwickelten Verfüllmaterialien erreicht werden. Ein Fluidized Thermal Backfill™ (FTB™) kann an Ort und Stelle geschüttet werden. Sie hat einen Trockenwiderstand von etwa 0,75 m C/W, der im feuchten Zustand auf unter 0,5 m C/W sinkt.
Es ist zwar möglich, die thermischen Eigenschaften des Bodens aus den physikalischen Eigenschaften zu berechnen, doch ist es in der Regel einfacher, sie direkt zu messen, als die Berechnungen durchzuführen. Methoden werden von ASTM (2000) und IEEE (1992) angegeben. Die anerkannte Methode verwendet eine lineare Wärmequelle. In der Regel werden ein Heizdraht und ein Temperatursensor im Inneren einer Injektionsnadel mit kleiner Bohrung und einer Länge, die etwa dem 30-fachen des Durchmessers entspricht, angebracht. Die Temperatur wird überwacht, während die Nadel erhitzt wird. In diesem radialen Wärmeflusssystem stellt sich schnell ein stabiler Zustand ein, und man kann die Temperatur gegen die logarithmische Zeit auftragen, um eine lineare Beziehung zu erhalten. Der Wärmewiderstand ist direkt proportional zur Steigung der Linie. Mehrere Unternehmen bieten Geräte an, die sich für Messungen des Wärmewiderstands vor Ort oder im Labor eignen. Die Sonden können an Ort und Stelle verbleiben, um die thermischen Eigenschaften zu überwachen, nachdem das Kabel installiert und in Betrieb ist.
Zusätzlich zu den oben erörterten Fragen gibt es mehrere standortspezifische Fragen, die bei der Planung und Umsetzung von unterirdischen Stromkabelanlagen berücksichtigt werden müssen. Dazu gehört die Abwägung zwischen der Verlegetiefe, den Kosten der Verlegung und der thermischen Stabilisierung. Je tiefer man die Kabel vergräbt, desto stabiler ist die thermische Umgebung. Dies gilt vor allem dann, wenn der niedrige Grundwasserspiegel und der Kapillaraufstieg zu relativ feuchten Bedingungen um die Kabel herum führen. Auch die Oberflächenbeschaffenheit wirkt sich auf den Wasser- und Energieaustausch zwischen dem Boden und der Atmosphäre und damit auf die thermische Umgebung der Kabel aus. In Städten wird die Oberfläche höchstwahrscheinlich von Straßen, Gebäuden, Parks oder Gärten bedeckt sein, während in ländlichen Gebieten nackter Boden oder eine Vegetationsdecke die Regel sind. Es ist wichtig, dass die Oberflächenbeschaffenheit und ihre Auswirkungen auf die darunter liegende thermische Umgebung berücksichtigt werden: insbesondere jede Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit, die zu unerwünschten Folgen führen könnte. Das Hinzufügen von Vegetation könnte zum Beispiel zu einer erheblichen Austrocknung des Bodens führen, mit den bereits erwähnten möglichen Folgen. Insbesondere Lehmböden können beim Austrocknen Risse bekommen, die zur Bildung von Luftspalten um die Kabel herum führen. Es müssen alle Anstrengungen unternommen werden, um dies zu vermeiden. Potenzielle 'Hot Spots' entlang der Kabeltrasse (z.B. Zonen mit gut entwässerten Sandböden oder bewachsene Bereiche, die zu einer erheblichen Austrocknung des Bodens führen könnten) sollten besonders beachtet werden, um den langfristigen Erfolg einer Installation zu gewährleisten.
Es gibt fünf wichtige Punkte, die der Ingenieur für elektrische Energie aus dieser kurzen Diskussion mitnehmen sollte. Erstens müssen die thermischen Eigenschaften des Bodens und des Verfüllmaterials bekannt sein, um eine sichere und erfolgreiche unterirdische Verlegung von Stromkabeln zu gewährleisten. Man kann nicht einfach von einem Wert von 0,9 m C/W ausgehen. Zweitens spielen die Dichte und der Wassergehalt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Wärmewiderstands. Legen Sie die Dichte eines Verfüllmaterials fest und stellen Sie durch die Planung und ein entsprechendes Management sicher, dass der Wassergehalt nicht unter den kritischen Wert fällt. Drittens werden natürliche Böden, die support Pflanzenwachstum aufweisen, aufgrund ihrer geringeren Dichte und ihres variablen, aber manchmal niedrigen Wassergehalts immer einen viel höheren Widerstand aufweisen als künstliche Materialien. Viertens gibt es technische Verfüllmaterialien, die unter allen Bedingungen eine angemessene Wärmeleistung gewährleisten können. Fünftens ist die Messung der Wärmeleitfähigkeit, sowohl vor Ort als auch im Labor, relativ einfach und sollte Teil jedes Kabelentwurfs und -verlegungsprojekts sein. Und schließlich gibt es eine Reihe von standortspezifischen Aspekten wie die Tiefe der Kabelverlegung, die Vegetation und das Bodenwassermanagement sowie die Vermeidung von übermäßigem Austrocknen und Bodenrissen, die zu Luftspalten führen könnten.
Unsere Wissenschaftler verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Unterstützung von Forschern und Landwirten bei der Messung des Kontinuums zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre.
Standard, A. S. T. M. "D 5334-92: Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure." ASTM Standards on DISC 4 (2000).
Campbell, Gaylon S., und John M. Norman. An Introduction to Environmental Biophysics. Springer Science & Business Media, 2012. Link zum Buch.
DeVries, D. A. "Thermische Eigenschaften von Böden. In 'Physics of Plant Environment'.(Ed. WR van Wijk) pp. 210-235." (1963).
IEEE (1992) Leitfaden für die Messung des Wärmewiderstands von Böden. Inst. of Electrical and Electronics Engineers, Inc. New York. Artikel-Link.
International Electrotechnical Commission (1982) Calculation of Continuous Current Ratings of Cables. Veröffentlichung 287, 2nd ed. Artikel-Link.
Neher, J. H. und M. H. McGrath. (1957) The Calculation of Temperature Rise and Load Capability of Cable Systems. AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Bd. 76. Artikel-Link.
Es gibt keine Möglichkeit, die Eigenschaften feuchter, poröser Materialien mit der Steady-State-Methode (bewachte Heizplatte) zu messen. Mit der Methode der instationären Wärmequelle können Sie jedoch die thermischen Eigenschaften feuchter, poröser Materialien messen und sogar die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmewiderstand von Flüssigkeiten messen.
Das Verständnis der thermischen Stabilität eines Bodens kann Energieingenieuren dabei helfen, Energieverteilungssysteme genauer zu entwerfen, um einen thermischen Durchschlag zu verhindern.
Unter den Tausenden von begutachteten Veröffentlichungen, in denen METER-Bodensensoren verwendet werden, kristallisiert sich kein Typ als Favorit heraus. Die Wahl des Sensors sollte daher von Ihren Bedürfnissen und Ihrer Anwendung abhängen. Nutzen Sie diese Überlegungen, um den perfekten Sensor für Ihre Forschung zu finden.
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