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Pourquoi les installations de câbles électriques souterrains doivent-elles faire l'objet de mesures de la résistivité thermique du sol ?
La physique des sols joue un rôle de plus en plus important dans la conception et la mise en œuvre des réseaux souterrains de transport et de distribution d'électricité.
des systèmes souterrains de transmission et de distribution d'énergie.
Qui aurait pu prévoir qu'un ingénieur en électricité devrait être un expert en physique des sols ? Ces connaissances sont pourtant de plus en plus essentielles pour la conception et la mise en œuvre des réseaux souterrains de transport et de distribution d'électricité. Pourquoi ? Les enjeux sont simples. L'électricité circulant dans un conducteur génère de la chaleur. Une résistance au flux de chaleur entre le câble et l'environnement ambiant entraîne une augmentation de la température du câble. Les augmentations modérées de température se situent dans la plage pour laquelle le câble a été conçu, mais les températures supérieures à la température de conception réduisent la durée de vie du câble. Une défaillance catastrophique se produit lorsque la température du câble devient trop élevée, comme ce fut le cas à Auckland, en Nouvelle-Zélande, en 1998. Étant donné que le sol se trouve sur le trajet du flux de chaleur entre le câble et l'environnement ambiant (et qu'il constitue donc une partie de la résistance thermique), les propriétés thermiques du sol sont un élément important de la conception globale.
Les calculs détaillés nécessaires pour concevoir correctement un réseau de câbles souterrains sont connus depuis plus de 60 ans. Les procédures généralement utilisées sont décrites dans Neher et McGrath (1957) et, plus récemment, par la Commission électrotechnique internationale (1982). Ces calculs peuvent être effectués à la main, mais la plupart des ingénieurs utilisent aujourd'hui des programmes informatiques commerciaux ou maison. Les calculs sont très détaillés et reposent généralement sur des bases physiques solides ou sur un bon empirisme, jusqu'à ce que l'on arrive au sol. À ce moment-là, les chiffres choisis sont souvent un coup d'épée dans l'eau. Étant donné que, même dans un système bien conçu, le sol peut représenter la moitié ou plus de la résistance thermique totale, les ingénieurs doivent traiter cette partie avec autant de respect qu'ils le font pour les câbles et les conduits.
Résistivité thermique du sol
De bonnes théories décrivant la résistivité thermique du sol existent depuis longtemps (de Vries, 1963 ; Campbell et Norman, 1998). Ces modèles sont basés sur des modèles de mélange diélectrique et traitent la résistivité globale comme une combinaison parallèle pondérée des résistivités des constituants. Cinq constituants sont importants pour déterminer la résistivité thermique du sol. Il s'agit du quartz, des autres minéraux du sol, de l'eau, de la matière organique et de l'air, par ordre de résistivité croissante. Les valeurs réelles de ces matériaux sont 0,1, 0,4, 1,7, 4,0 et 40 m C/W. Sans connaître les facteurs de pondération de ces matériaux dans un sol ou un matériau de remblai réel, quatre choses doivent être claires :
L'air n'est pas bon. Le remplissage doit être serré pour minimiser l'espace d'air afin d'obtenir des résistances thermiques acceptables.
Remplacer l'air par de l'eau aide beaucoup, mais l'eau n'est pas encore un très bon conducteur.
Les matières organiques, aussi humides soient-elles, ont toujours une résistivité très élevée.
Les matériaux de remblai riches en quartz auront la résistivité la plus faible, toutes choses étant égales par ailleurs.
Nous illustrerons certains de ces points par des exemples.
Densité et résistivité thermique
La figure 1 montre l'importance du compactage pour obtenir une résistivité thermique acceptablement faible dans les matériaux de remblai. La valeur souvent retenue pour la résistivité thermique du sol dans les calculs de câbles enterrés est de 0,9 m C/W. Aucune des courbes de la figure 1 n'atteint cette valeur, même à une densité très élevée. La densité typique d'un sol de champ qui peut supporter la croissance des plantes est d'environ 1,5 Mg/m3. À cette densité, même le sol de quartz a une résistivité plus de 4 fois supérieure à la valeur supposée. La figure 1 permet de faire trois observations importantes. Premièrement, la matière organique n'est jamais adaptée à la dissipation de la chaleur d'un câble enterré, quelle que soit sa densité.
Figure 1. La résistivité thermique d'un matériau sec et poreux dépend fortement de sa densité.
Deuxièmement, la résistivité thermique des matériaux secs et granuleux, même lorsqu'ils sont compactés à une densité extrême, n'est pas idéale pour le remblayage des câbles. Troisièmement, les espaces d'air contrôlent le flux de chaleur, de sorte que même si les minéraux de quartz ont une résistivité quatre fois inférieure à celle des minéraux de loam, la résistivité globale des deux est similaire à densité égale. Il convient de mentionner que des densités arbitrairement élevées ne peuvent pas être atteintes uniquement par compactage. Les particules de taille uniforme se tassent jusqu'à une densité maximale donnée. Pour atteindre des densités supérieures sans écraser les particules, des particules plus petites sont ajoutées aux vides entre les particules plus grandes. Les densités les plus élevées sont donc obtenues en utilisant des matériaux bien calibrés.
Teneur en eau et résistivité thermique
Même si la résistivité de l'eau est plus élevée que celle des minéraux du sol, elle reste très inférieure à celle de l'air. Si les pores du sol sont remplis d'eau plutôt que d'air, la résistivité diminue. La figure 2 illustre l'effet de l'eau. La densité est d'environ 1,6 Mg/m3, bien inférieure aux valeurs les plus élevées de la figure 1, mais avec un peu d'eau, les résistivités sont bien inférieures à 1 m C/W. Maintenant, avec plus d'eau dans les pores, l'effet du quartz est plus prononcé. La résistivité du sol organique, bien qu'elle soit meilleure que lorsqu'il est sec, est encore beaucoup trop élevée pour permettre une dissipation raisonnable de la chaleur pour un câble enterré.
Figure 2. L'ajout d'eau à un matériau poreux diminue considérablement sa résistance thermique.
Teneur en eau dans le champ
Étant donné que la résistivité thermique varie beaucoup en fonction de la teneur en eau et que la teneur en eau du sol est très variable, il est raisonnable de se demander à quelle teneur en eau on peut s'attendre dans les sols de terrain. En dessous et même légèrement au-dessus d'une nappe phréatique, le sol est saturé (tous les pores sont remplis d'eau). Dans ces situations, on peut être certain que les résistivités resteront aux valeurs les plus basses possibles pour cette densité de sol. La teneur en eau minimale dans la zone des racines des plantes en croissance varie généralement de 0,05 m3/m3 dans les sables à 0,1 ou 0,15 m3/m3 pour les sols à texture plus fine. Ces teneurs en eau correspondent, en gros, aux teneurs en eau de la figure 2 à partir desquelles la résistivité commence à augmenter de façon spectaculaire. Cette teneur en eau est parfois appelée teneur en eau critique et correspond à la teneur en eau en dessous de laquelle le flux de vapeur sous l'effet de la chaleur dans un gradient de température ne sera pas réalimenté par le flux de retour du liquide à travers les pores du sol. Ce point est très important pour la conception des câbles enterrés, car lorsque le sol autour du câble devient aussi sec, la chaleur du câble chasse l'humidité, assèche le sol autour du câble et augmente sa résistivité. Il en résulte un échauffement supplémentaire, qui chasse encore plus d'humidité. Un emballement thermique peut s'ensuivre.
Remblai personnalisé
Il est possible d'obtenir des résistivités sèches inférieures à celles indiquées dans la figure 1 en utilisant des matériaux de remblai spécialement conçus. Un remblai thermique fluidifié™ (FTB™) peut être coulé en place. Il présente une résistivité sèche d'environ 0,75 m C/W, diminuant à moins de 0,5 m C/W lorsqu'il est humide.
Mesures
Bien qu'il soit possible de calculer les propriétés thermiques du sol à partir des propriétés physiques, il est généralement plus facile de les mesurer directement que d'effectuer les calculs. Les méthodes sont données par l'ASTM (2000) et l'IEEE (1992). La méthode acceptée utilise une source de chaleur linéaire. En général, un fil chauffant et un capteur de température sont placés à l'intérieur d'un tube d'aiguille hypodermique de petit diamètre d'une longueur d'environ 30 fois son diamètre. La température est contrôlée pendant que l'aiguille est chauffée. Dans ce système de flux thermique radial, un état stable est rapidement établi et l'on peut tracer la température en fonction du temps logarithmique pour obtenir une relation linéaire. La résistivité thermique est directement proportionnelle à la pente de la ligne. Plusieurs sociétés proposent des instruments adaptés aux mesures de résistivité thermique sur le terrain ou en laboratoire, et les sondes peuvent être laissées en place pour surveiller les propriétés thermiques après l'installation et l'utilisation du câble.
Considérations spécifiques au site
Outre les questions abordées ci-dessus, il existe plusieurs questions spécifiques au site qui doivent être prises en compte lors de la conception et de la mise en œuvre des installations de câbles électriques souterrains. Il s'agit notamment de l'analyse des compromis entre la profondeur de l'installation, le coût de l'installation et la stabilisation thermique. Plus les câbles sont enfouis profondément, plus l'environnement thermique est stable. Cela est particulièrement vrai si les nappes phréatiques peu profondes et les remontées capillaires créent des conditions relativement humides autour des câbles. Les conditions de surface auront également un impact sur les échanges d'eau et d'énergie entre le sol et l'atmosphère et, par conséquent, sur l'environnement thermique autour des câbles. Dans les villes, la surface sera très probablement recouverte de routes, de bâtiments, de parcs ou de jardins, tandis que dans les zones rurales, le sol nu ou la couverture végétale seront les plus courants. Il est important de tenir compte de l'état de la surface et de son impact sur l'environnement thermique sous-jacent, en particulier de tout changement de l'état de la surface qui pourrait avoir des conséquences indésirables. L'ajout de végétation, par exemple, pourrait entraîner un assèchement important du sol, avec les conséquences potentielles évoquées plus haut. Les sols argileux, en particulier, peuvent se fissurer en séchant, ce qui entraîne l'apparition de vides d'air autour des câbles. Tout doit être mis en œuvre pour éviter que cela ne se produise. Les "points chauds" potentiels le long du tracé du câble (tels que les zones de sols sablonneux bien drainés ou les zones de végétation qui pourraient entraîner un assèchement important du sol) doivent faire l'objet d'une attention particulière afin de garantir le succès à long terme de toute installation.
Conclusion
L'ingénieur en électricité doit retenir cinq points importants de cette brève discussion. Premièrement, les propriétés thermiques du sol et du remblai doivent être connues pour que l'installation d'un câble électrique souterrain soit sûre et réussie. On ne peut pas supposer en toute sécurité une valeur de 0,9 m C/W. Deuxièmement, la densité et la teneur en eau jouent un rôle important dans la détermination de la résistivité thermique. Spécifiez la densité d'un matériau de remblai et assurez-vous, par la conception et une gestion appropriée, que la teneur en eau ne peut pas descendre en dessous du niveau critique. Troisièmement, les sols naturels qui supportent la croissance des plantes auront toujours des résistivités beaucoup plus élevées que les matériaux d'ingénierie en raison de leur densité plus faible et de leur teneur en eau variable, mais parfois faible. Quatrièmement, il existe des matériaux de remblai techniques capables de garantir des performances thermiques adéquates dans toutes les conditions. Cinquièmement, la mesure de la conductivité thermique, tant sur le terrain qu'en laboratoire, est relativement simple et devrait faire partie de tout projet de conception et d'installation de câbles. Enfin, plusieurs questions spécifiques au site, telles que la profondeur de placement du câble, la gestion de la végétation et de l'eau du sol, et la prévention d'un séchage excessif et d'une fissuration du sol qui pourrait entraîner des trous d'air, doivent être prises en compte lors de la conception et de la mise en œuvre des installations de câbles d'énergie souterrains.
Des questions ?
Nos scientifiques ont des dizaines d'années d'expérience pour aider les chercheurs et les cultivateurs à mesurer le continuum sol-plante-atmosphère.
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., et John M. Norman. Introduction à la biophysique environnementale. Springer Science & Business Media, 2012. Lien vers le livre.
DeVries, D. A. "Propriétés thermiques des sols. In 'Physics of Plant Environment'.(Ed. WR van Wijk) pp. 210-235." (1963).
IEEE (1992) Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements (Guide pour les mesures de résistivité thermique du sol). Inst. of Electrical and Electronics Engineers, Inc. New York. Lien vers l'article.
Commission électrotechnique internationale (1982) Calcul du courant nominal continu des câbles. Publication 287, 2e éd. Lien vers l'article.
Neher, J. H. et M. H. McGrath. (1957) The Calculation of Temperature Rise and Load Capability of Cable Systems. AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. 76. Lien vers l'article.
Il n'existe aucun moyen de mesurer les propriétés des matériaux humides et poreux avec la méthode de l'état stable (plaque chauffante surveillée). En revanche, la méthode de la source de chaleur linéaire transitoire permet de mesurer les propriétés thermiques des matériaux humides et poreux, et même de mesurer la conductivité et la résistivité thermiques des fluides.
La compréhension de la stabilité thermique d'un sol peut aider les ingénieurs en électricité à concevoir avec plus de précision les systèmes de distribution d'énergie afin d'éviter l'emballement thermique.
Parmi les milliers de publications évaluées par des pairs et utilisant les capteurs de sol METER, aucun type n'émerge comme étant le préféré. Le choix du capteur doit donc être basé sur vos besoins et votre application. Les considérations suivantes vous aideront à identifier le capteur idéal pour votre recherche.
