DR.ゲイロン・S．キャンベル、Dr.キース・L・ブリストウ

電力エンジニアに土壌物理学の専門家が必要になるとは、誰が予想できただろうか。しかし、そのような知識は、地下送配電システムの設計と実施において、ますます重要になってきている。なぜか？問題は単純だ。導体を流れる電気は熱を発生する。ケーブルと周囲環境との間に熱流抵抗が生じると、ケーブルの温度が上昇する。中程度の温度上昇はケーブルが設計された範囲内ですが、設計温度を超える温度はケーブルの寿命を縮めます。1998年にニュージーランドのオークランドで起きたように、ケーブルの温度が高くなりすぎると致命的な故障が発生する。土壌は、ケーブルと周囲環境との間の熱流路にあるため（したがって、熱抵抗の一部を形成する）、土壌の熱特性は、全体的な設計の重要な部分である。

地下ケーブルシステムを正しく設計するために必要な詳細計算は、60年以上前から知られている。一般的に使用される手順は、Neher and McGrath (1957)に概説されており、最近では国際電気標準会議(1982)によって概説されている。これらの計算は手作業で行うこともできるが、現在ではほとんどのエンジニアが市販または自作のコンピュータプログラムを使用している。計算は非常に詳細で、土壌にたどり着くまでは、一般的に健全な物理学または優れた経験主義に基づいている。そうなると、選択された数値はほとんど当てずっぽうになることが多い。よく設計されたシステムであっても、土壌が熱抵抗全体の半分以上を占めることがあるため、エンジニアはケーブルやダクトと同様に、土壌の部分にも敬意を払う必要がある。

土壌の熱抵抗率

土壌の熱抵抗率を記述する優れた理論は、古くから存在している（de Vries, 1963; Campbell and Norman, 1998）。これらのモデルは誘電混合モデルに基づいており、全体的な比抵抗を各構成要素の比抵抗の加重平行結合として扱っている。土壌の熱抵抗率を決定する上で、5つの成分が重要である。これらは、石英、その他の土壌鉱物、水、有機物、空気で、比抵抗の大きい順に並んでいる。これらの物質の実際の値は、0.1、0.4、1.7、4.0、40 m C/Wである。実際の土壌や充填材におけるこれらの重み付け係数について何も知らなくても、4つのことは明らかであろう：

1. 空気は良くない。許容できるほど低い熱抵抗を達成するためには、充填物を密に詰め、空気空間を最小限にしなければならない。
2. 空気を水に置き換えることは大いに役立つが、それでも水はあまり良い導体ではない
3. どんなに湿っていても、有機物の抵抗率は非常に高い。
4. 石英を多く含む充填材は、他の条件が同じであれば、抵抗率が最も低くなる。

これらの点について、いくつか例を挙げて説明しよう。

密度と熱抵抗率

図1は、埋め戻し材の熱抵抗率を許容範囲内で低くするために、締め固めがいかに重要であるかを示している。埋設ケーブルの計算でよく想定される土壌の熱抵抗率の値は、0.9 m C/Wです。図1のどの曲線も、密度が非常に高くても、そこまで低くなることはありません。植物の生育を維持できる畑の土壌の典型的な密度は、1.5^Mg/m3程度である。この密度では、石英土でさえ、想定値の4倍以上の比抵抗を持つ。図1から3つの重要な観察ができる。第一に、有機物はどんなに密度が高くても、埋設ケーブルの放熱には決して適さない。

第二に、乾燥した粒状物質の熱抵抗率は、たとえ極限まで圧縮された密度であっても、ケーブルの埋め戻しには理想的ではありません。第三に、空隙が熱の流れを制御するため、石英鉱物の比抵抗がローム鉱物の4倍低くても、同程度の密度であれば、両者の全体的な比抵抗は同程度である。任意に高い密度は、圧縮だけでは達成できないことを述べておく。均一な大きさの粒子は、与えられた最大密度に詰め込まれる。粒子を破砕することなくそれ以上の密度を得るには、大きな粒子間の空隙に小さな粒子を加える。従って、最も高い密度は、よく等級分けされた材料を使用することによって達成される。

含水率と熱抵抗率

水の比抵抗は土壌鉱物の比抵抗よりも高いが、それでも空気よりははるかに低い。土壌の間隙が空気ではなく水で満たされると、比抵抗は低下する。図2に水の影響を示す。密度は1.6^Mg/m3程度で、図1の最高値よりはるかに低いが、わずかな水で比抵抗は1 m C/Wを大きく下回っている。細孔内の水分が多くなると、石英の影響がより顕著になる。有機土壌の比抵抗は、乾燥時よりは改善されたとはいえ、埋設ケーブルに妥当な放熱を提供するには、まだ高すぎる。

畑の水分量

熱抵抗率は含水量によって大きく変化し、土壌中の含水量は非常に変化しやすいため、現場の土壌でどの程度の含水量を想定するのが妥当であろう。水位以下や水位より少し上でも、土壌は飽和状態（すべての孔が水で満たされている）である。このような状況では、比抵抗がその土壌密度で可能な限り 低い値に保たれることは確実である。生育中の植物の根域における最低含水量は、通常、砂地では0.05 m3^/m3から、よりきめの細かい土壌では0.1または0.15 m3^/m3の範囲である。これらの含水比は、おおよそ、比抵抗が劇的に増加し始める図2の含水比に対応している。これは臨界含水率と呼ばれることもあり、温度勾配の中で熱的に駆動される水蒸気流が、土壌の間隙を通る液体の還流によって補給されなくなる含水率である。ケーブル周辺の土壌がこのように乾燥すると、ケーブルの熱によって水分が奪われ、ケーブル周辺の土壌が乾燥し、比抵抗が増加するため、この点は埋設ケーブルの設計において非常に重要である。その結果、さらに加熱が進み、さらに水分が逃げます。熱暴走が起こる可能性があります。

カスタマイズされた埋め戻し

特別に設計された埋め戻し材を使用することで、図1に示されたものより低い乾燥抵抗率を達成することができます。流動化サーマル・バックフィル™（FTB™）を所定の位置に流し込むことができます。乾燥比抵抗は約0.75 m C/Wで、湿潤時には0.5 m C/W以下に低下します。

測定

物理的性質から土の熱的性質を計算することは可能で あるが、通常は、計算を行うよりも直接測定する 方が簡単である。ASTM(2000)やIEEE(1992)に方法が示されている。採用されている方法は、線状の熱源を使用するものである。一般的には、直径の30倍程度の長さの小口径皮下注射針管内に発熱線と温度センサーを設置する。針が加熱されている間、温度がモニターされる。この放射状熱流システムでは、定常状態はすぐに確立され、温度対対ログ時間をプロットして直線関係を得ることができる。熱抵抗率は直線の傾きに正比例する。数社から、熱抵抗率の現場測定または実験室測定に適した測定器が提供されており、ケーブルが設置され使用された後も、熱特性をモニターするためにプローブを設置したままにしておくことができます。

サイト特有の考慮事項

上述の問題に加え、地下電力ケーブルの敷設を設計・実施する際に考慮する必要があるサイト特有の問題がいくつかある。これには、設置の深さ、設置のコスト、熱的安定性のトレードオフ分析が含まれる。ケーブルを深く埋設すればするほど、熱環境は安定する。これは、浅い水位と毛細管上昇流によってケーブルの周囲が比較的湿った状態になる場合に特に当てはまります。地表の状態も、土壌と大気との間の水とエネルギーの交換に影響を与え、その結果、ケーブル周辺の熱環境に影響を与える。都市部では、地表は道路、建物、公園、庭などで覆われていることが多いが、農村部では裸地や植生に覆われていることがほとんどである。特に、望ましくない結果をもたらす可能性のある地表の状態の変化を考慮することが重要です。例えば、植生を追加すると、土壌が著しく乾燥し、前述したような結果を招く可能性がある。特に粘土質の土壌は、乾燥によってひび割れが生じ、ケーブルの周囲に空隙が生じる可能性がある。このような事態を避けるために、あらゆる努力を払わなければならない。ケーブルルートに沿った潜在的な「ホットスポット」（水はけのよい砂質土壌のゾーンや、土壌の著しい乾燥につながる可能性のある植生エリアなど）は、設置の長期的な成功を確実にするために、特に注意を払う必要がある。

結論

この短い議論から、電力技術者が学ぶべき重要なポイントが5つある。第一に、地中電力ケーブル敷設を安全かつ成功させるためには、土壌と埋め戻しの熱特性を把握しておく必要がある。0.9mC/Wという値を安全に想定することはできない。第二に、密度と含水率は熱抵抗率を決定する上で重要な役割を果たします。埋め戻し材の密度を指定し、設計と適切な管理によって、含水率が臨界レベルを下回らないようにする。第三に、植物の生育を支える自然の土壌は、密度が低く、含水率にばらつきがあるが低い場合もあるため、人工材料よりも常にはるかに高い比抵抗を持つ。第四に、あらゆる条件下で適切な熱性能を保証できる人工裏込め材が利用可能である。第五に、熱伝導率の測定は、現場でも実験室でも比較的簡単であり、ケーブルの設計と敷設プロジェクトの一部であるべきである。最後に、ケーブル敷設の深さ、植生と土壌水の管理、空隙につながる可能性のある過度の乾燥や土壌のひび割れの回避など、現場特有の問題がいくつかあるが、これらはすべて、地下電力ケーブル敷設を設計・実施する際に考慮する必要がある。

質問は？

当社の科学者は、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験がある。

• 専門家に相談する
• 見積依頼

参考文献

規格、A. S. T. M. "D 5334-92：熱針プローブ手順による土壌および軟岩の熱伝導率の測定に関する試験方法".ASTM Standards on DISC4 (2000).

Campbell, Gaylon S., and John M. Norman.環境生物物理学入門.Springer Science & Business Media, 2012.本のリンク

DeVries, D. A. "土壌の熱的性質。In 'Physics of Plant Environment'.(Ed. WR van Wijk) pp.210-235.".(1963).

IEEE (1992) 土壌熱抵抗測定の手引き。電気電子学会（Inst.ニューヨーク。記事のリンク

International Electrotechnical Commission (1982) Calculation of Continuous Current Ratings of Cables.第2版第287号記事のリンク

Neher, J. H. and M. H. McGrath.(1957) The Calculation of Temperature Rise and Load Capability of Cable Systems.AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems.第 76 巻。記事のリンク