DR. GAYLON S. 캠벨과 닥터. 키스 L. 브리스토우

전력 엔지니어가 토양 물리학의 전문가가 되어야 할 것이라고 누가 예측할 수 있었을까요? 그러나 지하 송배전 시스템의 설계 및 구현에서 이러한 지식은 점점 더 중요해지고 있습니다. 왜 그럴까요? 문제는 간단합니다. 도체에 흐르는 전기는 열을 발생시킵니다. 케이블과 주변 환경 사이의 열 흐름에 대한 저항으로 인해 케이블 온도가 상승합니다. 적당한 온도 상승은 케이블이 설계된 범위 내에 있지만, 설계 온도를 초과하는 온도는 케이블 수명을 단축시킵니다. 1998년 뉴질랜드 오클랜드의 경우처럼 케이블 온도가 너무 높아지면 치명적인 고장이 발생합니다. 토양은 케이블과 주변 환경 사이의 열 흐름 경로에 있으므로(따라서 열 저항의 일부를 형성하므로) 토양 열 특성은 전체 설계에서 중요한 부분입니다.

지하 케이블 시스템을 올바르게 설계하는 데 필요한 세부 계산은 60년 이상 알려져 왔습니다. 일반적으로 사용되는 절차는 Neher와 McGrath(1957)와 최근에는 국제전기기술위원회(1982)에 설명되어 있습니다. 이러한 계산은 수작업으로 할 수도 있지만 대부분의 엔지니어는 현재 상용 또는 가정용 컴퓨터 프로그램을 사용합니다. 계산은 매우 상세하며 일반적으로 건전한 물리학 또는 좋은 경험주의에 기반하여 토양에 도달할 때까지 이루어집니다. 그런 다음 선택한 숫자는 종종 거의 주먹구구식으로 결정됩니다. 잘 설계된 시스템에서도 토양이 전체 열 저항의 절반 이상을 차지할 수 있으므로 엔지니어는 케이블과 덕트만큼이나 이 부분을 중요하게 다루어야 합니다.

토양의 열 저항성

토양의 열 저항을 설명하는 좋은 이론은 오래 전부터 존재해 왔습니다(de Vries, 1963; Campbell and Norman, 1998). 이러한 모델은 유전체 혼합 모델을 기반으로 하며 전체 저항을 구성 성분 저항의 가중 평행 조합으로 취급합니다. 토양의 열 저항률을 결정하는 데 중요한 다섯 가지 성분이 있습니다. 석영, 기타 토양 광물, 물, 유기물, 공기 순으로 저항률이 높아집니다. 이러한 물질의 실제 값은 0.1, 0.4, 1.7, 4.0 및 40m C/W입니다. 실제 토양 또는 채움 재료의 가중치에 대해 아무것도 모르더라도 네 가지 사항을 명확히 해야 합니다:

1. 공기는 나쁩니다. 허용 가능한 낮은 열 저항을 달성하려면 공기 공간을 최소화하기 위해 충전재를 단단히 포장해야 합니다.
2. 공기를 물로 대체하는 것은 많은 도움이되지만 물은 여전히 좋은 전도체가 아닙니다.
3. 유기물은 아무리 젖어도 저항이 매우 높습니다.
4. 석영 함량이 높은 채우기 재료는 저항률이 가장 낮으며 다른 재료는 동일합니다.

이러한 몇 가지 사항을 예시를 통해 설명해 드리겠습니다.

밀도 및 열 저항

그림 1은 백필 재료에서 허용 가능한 낮은 열 저항을 달성하는 데 다짐이 얼마나 중요한지 보여줍니다. 매설 케이블 계산에서 토양의 열 저항률에 대해 흔히 가정하는 값은 0.9m C/W입니다. 그림 1의 곡선 중 어느 것도 매우 높은 밀도에서도 그렇게 낮아지지 않습니다. 식물의 성장을 유지할 수 있는 현장 토양의 일반적인 밀도는 약 1.^{5mg/m3입니다}. 이 밀도에서는 석영 토양조차도 가정된 값의 4배가 넘는 저항을 갖습니다. 그림 1에서 세 가지 중요한 관찰을 할 수 있습니다. 첫째, 유기물은 아무리 밀도가 높더라도 매설된 케이블의 열을 방출하는 데 적합하지 않습니다.

둘째, 건조하고 입상화된 재료의 열 저항성은 극도로 압축된 경우에도 케이블 백필에 이상적이지 않습니다. 셋째, 공기 공간이 열의 흐름을 제어하므로 석영 광물은 양토 광물보다 4배 낮은 저항률을 갖지만, 두 광물의 전체 저항률은 비슷한 밀도에서 비슷합니다. 압축만으로는 임의로 높은 밀도를 얻을 수 없다는 점을 언급할 필요가 있습니다. 균일한 크기의 입자는 주어진 최대 밀도까지 압축됩니다. 입자를 분쇄하지 않고 그 이상의 밀도를 달성하려면 큰 입자 사이의 빈 공간에 작은 입자를 추가합니다. 따라서 잘 등급이 매겨진 재료를 사용하면 최고 밀도를 달성할 수 있습니다.

수분 함량 및 열 저항

물 저항은 토양 미네랄보다 높지만 여전히 공기보다 훨씬 낮습니다. 토양의 기공 공간이 공기가 아닌 물로 채워지면 저항률이 감소합니다. 그림 2는 물의 영향을 보여줍니다. 밀도는 그림 1의 최고 값보다 훨씬 낮은 약 1.6 ^{Mg/m3이지만}, 물이 조금만 있으면 저항이 1m C/W보다 훨씬 낮아집니다. 이제 기공에 물이 더 많으면 석영의 효과가 더 두드러집니다. 유기 토양의 저항은 건조할 때보다 낫지만 여전히 너무 높아 매설 케이블에 적절한 열 방출을 제공하기에는 너무 높습니다.

현장의 수분 함량

열 저항은 수분 함량에 따라 크게 달라지고 토양의 수분 함량은 매우 가변적이므로, 현장 토양에서 예상되는 수분 함량을 묻는 것이 합리적입니다. 수면 아래나 약간 위에서는 토양이 포화 상태(모든 공극이 물로 채워진 상태)입니다. 이러한 상황에서는 저항이 해당 토양 밀도에 대해 가능한 가장 낮은 값으로 유지될 것이라고 확신할 수 있습니다. 식물이 자라는 뿌리 영역의 최소 수분 함량은 일반적으로 모래의 경우 0.^{05m3/m3에서} 미세한 질감의 토양의 경우 0.1m3/m3 또는 0.^{15m3/m3입니다}. 이러한 수분 함량은 대략 그림 2의 수분 함량과 일치하며, 저항이 급격히 증가하기 시작합니다. 이를 임계 수분 함량이라고도 하며, 온도 구배에서 열에 의해 구동되는 증기 흐름이 토양 기공을 통한 액체 환류에 의해 재공급되지 않는 수분 함량입니다. 이 지점은 매설 케이블 설계에서 매우 중요한데, 케이블 주변의 토양이 이 정도 건조해지면 케이블 열로 인해 수분이 빠져나가 케이블 주변의 토양이 건조해지고 저항이 증가하기 때문입니다. 이로 인해 추가적인 열이 발생하여 추가적인 수분이 날아가게 됩니다. 열 폭주 상태가 이어질 수 있습니다.

맞춤형 백필

특수 설계된 백필 재료를 사용하면 그림 1에 표시된 것보다 더 낮은 건조 저항을 달성할 수 있습니다. 유동화 열 백필(FTB™)을 제자리에 타설할 수 있습니다. 이 재료의 건식 저항률은 약 0.75m C/W이며, 젖었을 때 0.5m C/W 이하로 감소합니다.

측정

물리적 특성으로부터 토양의 열적 특성을 계산할 수도 있지만, 일반적으로는 계산하는 것보다 직접 측정하는 것이 더 쉽습니다. ASTM(2000) 및 IEEE(1992)에서 제공하는 방법이 있습니다. 허용되는 방법은 선 열원을 사용합니다. 일반적으로 열선과 온도 센서는 직경의 약 30배 길이의 작은 구멍이 있는 피하 주사바늘 튜브 안에 배치됩니다. 바늘이 가열되는 동안 온도가 모니터링됩니다. 이 방사형 열 흐름 시스템에서는 정상 상태가 빠르게 확립되고 온도 대 로그 시간을 그래프로 그려 직선 관계를 얻을 수 있습니다. 열 저항은 선의 기울기에 정비례합니다. 여러 회사에서 열 저항의 현장 또는 실험실 측정에 적합한 기기를 제공하며, 케이블을 설치하여 사용 중인 후에는 프로브를 제자리에 두고 열 특성을 모니터링할 수 있습니다.

사이트별 고려 사항

위에서 논의한 문제 외에도 지중 전력 케이블 설치를 설계하고 구현할 때 고려해야 할 몇 가지 현장별 문제가 있습니다. 여기에는 설치 깊이, 설치 비용, 열 안정화 간의 트레이드오프 분석이 포함됩니다. 케이블을 더 깊게 매설할수록 열 환경이 더 안정적입니다. 얕은 수위와 모세관 상승으로 인해 케이블 주변에 상대적으로 습한 환경이 조성되는 경우 특히 그렇습니다. 표면 조건은 토양과 대기 사이의 물과 에너지 교환에도 영향을 미치며, 결과적으로 케이블 주변의 열 환경에도 영향을 미칩니다. 도시에서는 표면이 도로, 건물, 공원 또는 정원으로 덮여 있을 가능성이 높지만, 시골 지역에서는 맨땅이나 초목으로 덮여 있는 경우가 대부분입니다. 특히 표면 상태의 변화가 원치 않는 결과를 초래할 수 있으므로 표면 상태와 표면이 근본적인 열 환경에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어 식물을 추가하면 앞서 설명한 것처럼 토양이 크게 건조되어 잠재적인 결과를 초래할 수 있습니다. 특히 점토 토양은 건조 시 균열이 발생하여 케이블 주변에 에어 갭이 생길 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 모든 노력을 기울여야 합니다. 케이블 경로를 따라 잠재적인 '핫스팟'(배수가 잘 되는 모래 토양이나 토양 건조를 초래할 수 있는 식생 지역 등)은 설치의 장기적인 성공을 보장하기 위해 각별한 주의를 기울여야 합니다.

결론

전력 엔지니어가 이 짧은 논의에서 취해야 할 5가지 중요한 사항이 있습니다. 첫째, 안전하고 성공적인 지하 전력 케이블 설치를 위해서는 토양 및 백필 열 특성을 알아야 합니다. 0.9 m C/W의 값을 안전하게 가정할 수는 없습니다. 둘째, 밀도와 수분 함량은 열 저항을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 백필 재료의 밀도를 지정하고 설계 및 적절한 관리를 통해 수분 함량이 임계 수준 이하로 떨어지지 않도록 해야 합니다. 셋째, 식물 성장을 지원하는 자연 토양은 밀도가 낮고 수분 함량이 가변적이지만 때로는 낮기 때문에 항상 공학 재료보다 훨씬 높은 저항률을 갖습니다. 넷째, 모든 조건에서 적절한 열 성능을 보장할 수 있는 엔지니어링 백필 재료를 사용할 수 있습니다. 다섯째, 현장과 실험실 모두에서 열전도율 측정은 비교적 간단하며 모든 케이블 설계 및 설치 프로젝트의 일부가 되어야 합니다. 마지막으로, 케이블 배치 깊이, 초목 및 토양 수분 관리, 공극을 유발할 수 있는 과도한 건조 및 토양 균열 방지 등 여러 가지 현장별 문제가 있으며, 지하 전력 케이블 설치를 설계하고 구현할 때 모두 고려해야 합니다.

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참조

표준, ASTM "D 5334-92: 열침 프로브 절차에 의한 토양 및 연암의 열전도도 측정 시험 방법." DISC 4에 대한 ASTM 표준 (2000).

캠벨, 게일론 S. 및 존 M. 노먼. 환경 생물 물리학 입문. 스프링거 과학 및 비즈니스 미디어, 2012. 도서 링크.

DeVries, D.A. "토양의 열적 특성. '식물 환경의 물리학'에서. (Ed. WR van Wijk) 210-235 쪽." (1963).

IEEE (1992) 토양 열 저항 측정 가이드. Inst. of Electrical and Electronics Engineers, Inc. New York. 기사 링크.

국제 전기 기술 위원회 (1982) 케이블의 연속 전류 정격 계산. 간행물 287, 2nd ed. 기사 링크.

Neher, J. H. and M. H. McGrath. (1957) 케이블 시스템의 온도 상승 및 부하 용량 계산. 전력 장치 및 시스템에 대한 AIEE 트랜잭션. 76. 기사 링크.