Por qué las instalaciones subterráneas de cables eléctricos necesitan mediciones de la resistividad térmica del suelo

Why underground power cable installations need soil thermal resistivity measurements

La física del suelo es cada vez más crítica en el diseño e implementación de los sistemas subterráneos de transmisión y distribución de energía.

DR. GAYLON S. CAMPBELL Y DR. KEITH L. BRISTOW

¿Quién podía prever que un ingeniero eléctrico necesitaría ser un experto en física del suelo? Sin embargo, esos conocimientos son cada vez más críticos en el diseño y la ejecución de sistemas subterráneos de transmisión y distribución de energía. ¿Por qué? La cuestión es sencilla. La electricidad que fluye por un conductor genera calor. La resistencia al flujo de calor entre el cable y el entorno hace que aumente la temperatura del cable. Los aumentos moderados de temperatura están dentro del rango para el que se diseñó el cable, pero las temperaturas por encima de la temperatura de diseño acortan la vida del cable. El fallo catastrófico se produce cuando la temperatura del cable es demasiado alta, como ocurrió en Auckland (Nueva Zelanda) en 1998. Dado que el suelo se encuentra en la trayectoria del flujo de calor entre el cable y el entorno (y, por tanto, forma parte de la resistencia térmica), las propiedades térmicas del suelo son una parte importante del diseño global.

Los cálculos detallados necesarios para diseñar correctamente un sistema de cables subterráneos se conocen desde hace más de 60 años. Los procedimientos utilizados habitualmente se describen en Neher y McGrath (1957) y, más recientemente, en la Comisión Electrotécnica Internacional (1982). Estos cálculos pueden hacerse a mano, pero la mayoría de los ingenieros utilizan ahora programas informáticos comerciales o caseros. Los cálculos son bastante detallados y suelen basarse en principios físicos sólidos o en un buen empirismo, hasta que se llega al suelo. Entonces, las cifras elegidas suelen ser casi un tiro en la oscuridad. Dado que, incluso en un sistema bien diseñado, el suelo puede representar la mitad o más de la resistencia térmica total, los ingenieros deben tratar esa parte con tanto respeto como los cables y conductos.

Resistividad térmica del suelo

Desde hace mucho tiempo existen buenas teorías que describen la resistividad térmica del suelo (de Vries, 1963; Campbell y Norman, 1998). Estos modelos se basan en modelos de mezcla dieléctrica y tratan la resistividad global como una combinación paralela ponderada de las resistividades constituyentes. Cinco componentes son importantes para determinar la resistividad térmica del suelo. Se trata del cuarzo, otros minerales del suelo, el agua, la materia orgánica y el aire, en orden creciente de resistividad. Los valores reales de estos materiales son 0,1, 0,4, 1,7, 4,0 y 40 m C/W. Sin saber nada sobre los factores de ponderación de estos en un suelo o material de relleno real, hay cuatro cosas que deben quedar claras:

  1. El aire es malo. El relleno debe estar bien apretado para minimizar el espacio de aire y conseguir resistencias térmicas aceptablemente bajas.
  2. Sustituir el aire por agua ayuda mucho, pero el agua sigue sin ser un buen conductor.
  3. La materia orgánica, por muy húmeda que esté, seguirá teniendo una resistividad muy alta
  4. Los materiales de relleno con alto contenido en cuarzo tendrán la resistividad más baja, en igualdad de condiciones.

Ilustraremos algunos de estos puntos con ejemplos.

Densidad y resistividad térmica

La figura 1 muestra la importancia de la compactación para conseguir una resistividad térmica aceptablemente baja en los materiales de relleno. Un valor que se suele asumir para la resistividad térmica del suelo en los cálculos de cables enterrados es de 0,9 m C/W. Ninguna de las curvas de la figura 1 llega nunca a ese valor, ni siquiera con una densidad muy alta. La densidad típica de un suelo de campo que puede soportar el crecimiento de las plantas es de alrededor de 1,5 Mg/m3. A esta densidad, incluso el suelo de cuarzo tiene una resistividad más de 4 veces superior al valor supuesto. De la figura 1 se desprenden tres observaciones importantes. En primer lugar, la materia orgánica nunca es adecuada para disipar el calor de un cable enterrado, por muy denso que sea.

Figura 1. Resistividad térmica de un material seco y poroso La resistividad térmica de un material seco y poroso depende en gran medida de su densidad.

En segundo lugar, la resistividad térmica de los materiales granulares secos, incluso cuando se compactan hasta alcanzar una densidad extrema, no es ideal para el relleno de cables. En tercer lugar, los espacios de aire controlan el flujo de calor, por lo que, aunque los minerales de cuarzo tienen una resistividad cuatro veces menor que los minerales de marga, la resistividad global de ambos es similar con una densidad parecida. Cabe mencionar que no se pueden alcanzar densidades arbitrariamente altas sólo por compactación. Las partículas de tamaño uniforme se compactan hasta una densidad máxima determinada. Para alcanzar densidades superiores sin aplastar las partículas, se añaden partículas más pequeñas a los huecos entre las partículas más grandes. Por tanto, las densidades más altas se consiguen utilizando materiales bien clasificados.

Contenido de agua y resistividad térmica

Aunque la resistividad del agua es mayor que la de los minerales del suelo, sigue siendo mucho menor que la del aire. Si los espacios porosos del suelo se llenan de agua en lugar de aire, la resistividad disminuye. La figura 2 muestra el efecto del agua. La densidad es de alrededor de 1,6 Mg/m3, muy inferior a los valores más altos de la figura 1, pero con un poco de agua las resistividades están muy por debajo de 1 m C/W. Ahora bien, con más agua en los poros, el efecto del cuarzo es más pronunciado. La resistividad del suelo orgánico, aunque mejor que cuando está seco, sigue siendo demasiado alta para proporcionar una disipación de calor razonable para un cable enterrado.

Figura 2. La adición de agua a un material poroso disminuye drásticamente su resistencia térmica.

Contenido de agua en el campo

Dado que la resistividad térmica varía tanto con el contenido de agua y que el contenido de agua en el suelo es tan variable, es razonable preguntarse qué contenido de agua cabe esperar en los suelos del campo. Por debajo e incluso ligeramente por encima de un nivel freático, el suelo está saturado (todos los poros están llenos de agua). En estas situaciones, se puede estar seguro de que las resistividades se mantendrán en los valores más bajos posibles para esa densidad de suelo. El contenido mínimo de agua en la zona radicular de las plantas en crecimiento suele oscilar entre 0,05 m3/m3 en arenas y 0,1 o 0,15 m3/m3 en suelos de textura más fina. Estos contenidos de agua corresponden, aproximadamente, a los contenidos de agua de la figura 2 a partir de los cuales la resistividad empieza a aumentar drásticamente. A veces se denomina contenido crítico de agua y es el contenido de agua por debajo del cual el flujo de vapor impulsado térmicamente en un gradiente de temperatura no se reabastece mediante el flujo de retorno de líquido a través de los poros del suelo. Este punto es muy importante en el diseño de cables enterrados porque cuando el suelo alrededor del cable se seca tanto, el calor del cable expulsará la humedad, secando el suelo alrededor del cable y aumentando su resistividad. El resultado es un calentamiento adicional, que expulsa más humedad. Puede producirse una situación de fuga térmica.

Relleno a medida

Se pueden conseguir resistividades en seco inferiores a las mostradas en la Figura 1 utilizando materiales de relleno especialmente diseñados. Puede verterse un relleno térmico fluidizado (FTB™). Tiene una resistividad en seco de alrededor de 0,75 m C/W, que disminuye por debajo de 0,5 m C/W cuando está húmedo.

Medición

Aunque es posible calcular las propiedades térmicas del suelo a partir de sus propiedades físicas, suele ser más fácil medirlas directamente que hacer los cálculos. La ASTM (2000) y el IEEE (1992) ofrecen algunos métodos. El método aceptado utiliza una fuente de calor lineal. Normalmente, se colocan un cable calefactor y un sensor de temperatura dentro de un tubo de aguja hipodérmica de pequeño calibre con una longitud de unas 30 veces su diámetro. La temperatura se controla mientras se calienta la aguja. En este sistema de flujo de calor radial, se establece rápidamente un estado estacionario, y se puede trazar la temperatura frente al tiempo de registro para obtener una relación de línea recta. La resistividad térmica es directamente proporcional a la pendiente de la línea. Varias empresas ofrecen instrumentos adecuados para realizar mediciones de la resistividad térmica sobre el terreno o en laboratorio, y las sondas pueden dejarse en su lugar para controlar las propiedades térmicas una vez que el cable está instalado y en uso.

Consideraciones específicas

Además de las cuestiones mencionadas anteriormente, hay varios aspectos específicos del emplazamiento que deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar e implantar instalaciones subterráneas de cables eléctricos. Entre ellas se encuentra el análisis de compromiso entre la profundidad de la instalación, el coste de la misma y la estabilización térmica. Cuanto más profundo se entierren los cables, más estable será el entorno térmico. Esto es especialmente cierto si las capas freáticas poco profundas y el flujo capilar ascendente dan lugar a condiciones relativamente húmedas alrededor de los cables. Las condiciones de la superficie también influirán en el intercambio de agua y energía entre el suelo y la atmósfera y, en consecuencia, en el entorno térmico alrededor de los cables. En las ciudades, lo más probable es que la superficie esté cubierta por carreteras, edificios, parques o jardines, mientras que en las zonas rurales lo más habitual es que el suelo esté desnudo o cubierto de vegetación. Es importante tener en cuenta el estado de la superficie y su impacto en el entorno térmico subyacente: especialmente cualquier cambio en el estado de la superficie que pudiera tener consecuencias no deseadas. La adición de vegetación, por ejemplo, podría provocar un secado significativo del suelo, con las consecuencias potenciales ya comentadas. Los suelos arcillosos, en particular, pueden agrietarse al secarse, lo que provoca la aparición de espacios de aire alrededor de los cables. Hay que hacer todo lo posible para evitarlo. Para garantizar el éxito a largo plazo de cualquier instalación, debe prestarse especial atención a los posibles "puntos calientes" a lo largo del trazado del cable (como zonas de suelos arenosos bien drenados o zonas con vegetación que podrían provocar un secado importante del suelo).

Conclusión

Hay cinco puntos importantes que el ingeniero eléctrico debe extraer de este breve análisis. En primer lugar, deben conocerse las propiedades térmicas del suelo y del relleno para que la instalación de cables eléctricos subterráneos sea segura y satisfactoria. No se puede asumir con seguridad un valor de 0,9 m C/W. En segundo lugar, la densidad y el contenido de agua desempeñan un papel importante a la hora de determinar la resistividad térmica. Especifique la densidad del material de relleno y asegúrese, mediante el diseño y una gestión adecuada, de que el contenido de agua no desciende por debajo del nivel crítico. En tercer lugar, los suelos naturales que soportan el crecimiento de las plantas siempre tendrán una resistividad mucho mayor que los materiales artificiales debido a su menor densidad y a su contenido variable, aunque a veces bajo, de agua. En cuarto lugar, existen materiales de relleno que garantizan un rendimiento térmico adecuado en todas las condiciones. En quinto lugar, la medición de la conductividad térmica, tanto sobre el terreno como en el laboratorio, es relativamente sencilla y debería formar parte de cualquier proyecto de diseño e instalación de cables. Por último, a la hora de diseñar y ejecutar instalaciones subterráneas de cables eléctricos, hay que tener en cuenta varias cuestiones específicas del emplazamiento, como la profundidad de colocación de los cables, la gestión de la vegetación y del agua del suelo, y la prevención de un secado excesivo y de la formación de grietas en el suelo, que podrían dar lugar a entrehierros.

¿Preguntas?

Nuestros científicos cuentan con décadas de experiencia ayudando a investigadores y cultivadores a medir el continuo suelo-planta-atmósfera.

Referencias

Norma, A. S. T. M. "D 5334-92: Método de prueba para la determinación de la conductividad térmica de suelos y rocas blandas mediante el procedimiento de sonda de aguja térmica". ASTM Standards on DISC 4 (2000).

Campbell, Gaylon S., y John M. Norman. Una introducción a la biofísica ambiental. Springer Science & Business Media, 2012. Enlace al libro.

DeVries, D. A. "Propiedades térmicas de los suelos. En 'Physics of Plant Environment'.(Ed. WR van Wijk) pp. 210-235". (1963).

IEEE (1992) Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements. Inst. de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc. Nueva York. Enlace al artículo.

Comisión Electrotécnica Internacional (1982) Calculation of Continuous Current Ratings of Cables. Publicación 287, 2ª ed. Enlace al artículo.

Neher, J. H. y M. H. McGrath. (1957) The Calculation of Temperature Rise and Load Capability of Cable Systems. AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. 76. Enlace al artículo.

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