DR. GAYLON S. CAMPBELL I DR. KEITH L. BRISTOW
Kto mógł przewidzieć, że inżynier elektroenergetyk będzie musiał być ekspertem w dziedzinie fizyki gleby? Taka wiedza staje się jednak coraz bardziej krytyczna przy projektowaniu i wdrażaniu podziemnych systemów przesyłu i dystrybucji energii. Dlaczego? Sprawa jest prosta. Energia elektryczna płynąca w przewodniku generuje ciepło. Opór przepływu ciepła między kablem a otoczeniem powoduje wzrost temperatury kabla. Umiarkowane wzrosty temperatury mieszczą się w zakresie, dla którego kabel został zaprojektowany, ale temperatury powyżej temperatury projektowej skracają żywotność kabla. Katastrofalna awaria występuje, gdy temperatura kabla staje się zbyt wysoka, jak miało to miejsce w Auckland w Nowej Zelandii w 1998 roku. Ponieważ gleba znajduje się na ścieżce przepływu ciepła między kablem a otoczeniem (i dlatego stanowi część oporu cieplnego), właściwości termiczne gleby są ważną częścią ogólnego projektu.
Szczegółowe obliczenia potrzebne do prawidłowego zaprojektowania podziemnego systemu kablowego są znane od ponad 60 lat. Zazwyczaj stosowane procedury zostały opisane w Neher i McGrath (1957), a ostatnio przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (1982). Obliczenia te można wykonać ręcznie, ale większość inżynierów korzysta obecnie z komercyjnych lub domowych programów komputerowych. Obliczenia są dość szczegółowe i generalnie opierają się na solidnej fizyce lub dobrej empirii, dopóki nie dotrze się do gleby. Wtedy wybrane liczby są często niemal strzałem w ciemno. Ponieważ nawet w dobrze zaprojektowanym systemie gleba może stanowić połowę lub więcej całkowitego oporu cieplnego, inżynierowie muszą traktować tę część z takim samym szacunkiem, jak kable i kanały.
Dobre teorie opisujące rezystywność termiczną gleby istnieją już od dłuższego czasu (de Vries, 1963; Campbell i Norman, 1998). Modele te opierają się na modelach mieszania dielektrycznego i traktują całkowitą rezystywność jako ważoną równoległą kombinację rezystywności składowych. Pięć składników jest ważnych przy określaniu rezystywności termicznej gleby. Są to kwarc, inne minerały glebowe, woda, materia organiczna i powietrze, w kolejności rosnącej rezystywności. Rzeczywiste wartości dla tych materiałów wynoszą 0,1, 0,4, 1,7, 4,0 i 40 m C/W. Nie wiedząc nic o współczynnikach wagowych dla tych wartości w rzeczywistej glebie lub materiale wypełniającym, cztery rzeczy powinny być jasne:
Zilustrujemy niektóre z tych punktów przykładami.
Rysunek 1 pokazuje, jak ważne jest zagęszczenie dla osiągnięcia akceptowalnie niskiej rezystywności cieplnej materiałów zasypowych. Wartość często przyjmowana dla oporności cieplnej gleby w obliczeniach kabli podziemnych wynosi 0,9 m C/W. Żadna z krzywych na rysunku 1 nigdy nie osiąga tak niskiego poziomu, nawet przy bardzo dużej gęstości. Typowa gęstość dla gleby polowej, która może utrzymać wzrost roślin, wynosi około 1,5 Mg/m3. Przy takiej gęstości nawet gleba kwarcowa ma rezystywność ponad 4 razy większą od zakładanej wartości. Na podstawie rysunku 1 można poczynić trzy ważne obserwacje. Po pierwsze, materiał organiczny nigdy nie nadaje się do odprowadzania ciepła z zakopanego kabla, bez względu na jego gęstość.
Po drugie, oporność cieplna suchych, ziarnistych materiałów, nawet gdy są one zagęszczone do ekstremalnej gęstości, nie jest idealna do zasypywania kabli. Po trzecie, przestrzenie powietrzne kontrolują przepływ ciepła, więc nawet jeśli minerały kwarcowe mają czterokrotnie niższą rezystywność niż minerały ilaste, ogólna rezystywność obu jest podobna przy podobnej gęstości. Warto wspomnieć, że arbitralnie wysokie gęstości nie są osiągalne tylko przez zagęszczanie. Cząstki o jednolitym rozmiarze pakują się do określonej maksymalnej gęstości. Aby osiągnąć gęstość przekraczającą tę wartość bez kruszenia cząstek, mniejsze cząstki są dodawane do pustych przestrzeni między większymi cząstkami. Najwyższe gęstości uzyskuje się zatem przy użyciu dobrze rozdrobnionych materiałów.
Mimo że rezystywność wody jest wyższa niż minerałów gleby, jest ona nadal znacznie niższa niż powietrza. Jeśli pory w glebie są wypełnione wodą, a nie powietrzem, rezystywność spada. Rysunek 2 pokazuje wpływ wody. Gęstość wynosi około 1,6 Mg/m3, znacznie mniej niż najwyższe wartości na rysunku 1, ale przy niewielkiej ilości wody rezystywność jest znacznie poniżej 1 m C/W. Teraz, przy większej ilości wody w porach, efekt kwarcu jest bardziej wyraźny. Rezystywność gleby organicznej, choć lepsza niż w stanie suchym, jest nadal zbyt wysoka, aby zapewnić rozsądne rozpraszanie ciepła dla zakopanego kabla.
Ponieważ oporność cieplna zmienia się tak bardzo w zależności od zawartości wody, a zawartość wody w glebie jest tak zmienna, uzasadnione jest pytanie, jakiej zawartości wody można oczekiwać w glebach polowych. Poniżej, a nawet nieco powyżej lustra wody, gleba jest nasycona (wszystkie pory wypełnione wodą). W takich sytuacjach można mieć pewność, że rezystywności pozostaną na najniższych możliwych wartościach dla danej gęstości gleby. Minimalna zawartość wody w strefie korzeniowej rosnących roślin zazwyczaj waha się od 0,05m3/m3 w piaskach do 0,1 lub 0,15 m3/m3 dla gleb o drobniejszej teksturze. Te zawartości wody odpowiadają w przybliżeniu zawartości wody na rysunku 2, przy której rezystywność zaczyna gwałtownie wzrastać. Jest to czasami nazywane krytyczną zawartością wody i jest to zawartość wody, poniżej której napędzany termicznie przepływ pary w gradiencie temperatury nie będzie uzupełniany przez przepływ powrotny cieczy przez pory gleby. Punkt ten jest bardzo istotny przy projektowaniu kabli podziemnych, ponieważ gdy gleba wokół kabla staje się tak sucha, ciepło kabla wypiera wilgoć, wysuszając glebę wokół kabla i zwiększając jej rezystywność. Powoduje to dodatkowe nagrzewanie, które wypiera dodatkową wilgoć. Może dojść do niekontrolowanego wzrostu temperatury.
Niższe rezystywności na sucho niż te pokazane na rysunku 1 można osiągnąć przy użyciu specjalnie zaprojektowanych materiałów zasypowych. Fluidized Thermal Backfill™ (FTB™) może być wylewany na miejsce. Jego rezystywność w stanie suchym wynosi około 0,75 m C/W, a w stanie mokrym spada poniżej 0,5 m C/W.
Chociaż możliwe jest obliczenie właściwości termicznych gleby na podstawie właściwości fizycznych, zwykle łatwiej jest zmierzyć je bezpośrednio niż wykonać obliczenia. Metody są podane przez ASTM (2000) i IEEE (1992). Przyjęta metoda wykorzystuje liniowe źródło ciepła. Zazwyczaj drut grzejny i czujnik temperatury są umieszczane wewnątrz rurki igły podskórnej o małym otworze i długości około 30 razy większej od jej średnicy. Temperatura jest monitorowana podczas podgrzewania igły. W tym systemie promieniowego przepływu ciepła szybko ustala się stan ustalony i można wykreślić temperaturę w funkcji czasu, aby uzyskać zależność prostoliniową. Rezystywność cieplna jest wprost proporcjonalna do nachylenia linii. Kilka firm oferuje przyrządy odpowiednie do pomiarów rezystywności termicznej w terenie lub w laboratorium, a sondy można pozostawić na miejscu w celu monitorowania właściwości termicznych po zainstalowaniu i użyciu kabla.
Oprócz kwestii omówionych powyżej, istnieje kilka kwestii specyficznych dla danej lokalizacji, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu i wdrażaniu podziemnych instalacji kablowych. Obejmują one analizę kompromisów między głębokością instalacji, kosztem instalacji i stabilizacją termiczną. Im głębiej zakopane są kable, tym bardziej stabilne jest środowisko termiczne. Jest to szczególnie prawdziwe, jeśli płytkie zwierciadło wody i przepływ kapilarny powodują stosunkowo wilgotne warunki wokół kabli. Warunki powierzchniowe będą miały również wpływ na wymianę wody i energii między glebą a atmosferą, a w rezultacie na środowisko termiczne wokół kabli. W miastach powierzchnia będzie najprawdopodobniej pokryta drogami, budynkami, parkami lub ogrodami, podczas gdy na obszarach wiejskich najczęściej występuje goła gleba lub pokrywa roślinna. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę stan powierzchni i jej wpływ na podstawowe środowisko termiczne: zwłaszcza wszelkie zmiany stanu powierzchni, które mogą powodować niepożądane konsekwencje. Na przykład dodanie roślinności może spowodować znaczne wysuszenie gleby z potencjalnymi konsekwencjami omówionymi wcześniej. W szczególności gleby gliniaste mogą pękać podczas suszenia, powodując powstawanie szczelin powietrznych wokół kabli. Należy dołożyć wszelkich starań, aby tego uniknąć. Potencjalne "gorące punkty" wzdłuż trasy kablowej (takie jak strefy dobrze przepuszczalnej gleby piaszczystej lub obszary porośnięte roślinnością, które mogą prowadzić do znacznego wysuszenia gleby) powinny być przedmiotem szczególnej uwagi, aby zapewnić długoterminowe powodzenie każdej instalacji.
Z tej krótkiej dyskusji inżynier elektroenergetyk powinien wyciągnąć pięć ważnych wniosków. Po pierwsze, właściwości termiczne gleby i zasypki muszą być znane, aby zapewnić bezpieczną i udaną podziemną instalację kablową. Nie można bezpiecznie przyjąć wartości 0,9 m C/W. Po drugie, gęstość i zawartość wody odgrywają ważną rolę w określaniu rezystywności termicznej. Należy określić gęstość materiału zasypowego i zapewnić poprzez projekt i odpowiednie zarządzanie, że zawartość wody nie może spaść poniżej poziomu krytycznego. Po trzecie, naturalne gleby, które wspierają wzrost roślin, zawsze będą miały znacznie wyższą rezystywność niż materiały inżynieryjne ze względu na ich niższą gęstość i zmienną, ale czasami niską zawartość wody. Po czwarte, dostępne są inżynieryjne materiały wypełniające, które mogą zapewnić odpowiednią wydajność termiczną w każdych warunkach. Po piąte, pomiar przewodności cieplnej, zarówno w terenie, jak i w laboratorium, jest stosunkowo prosty i powinien być częścią każdego projektu projektowania i instalacji kabli. Wreszcie, istnieje kilka kwestii specyficznych dla danego miejsca, takich jak głębokość umieszczenia kabla, zarządzanie roślinnością i wodą w glebie oraz unikanie nadmiernego wysychania i pękania gleby, które mogą prowadzić do powstawania szczelin powietrznych, z których wszystkie należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu i wdrażaniu podziemnych instalacji kablowych.
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Standard, A. S. T. M. "D 5334-92: Metoda testowa oznaczania przewodności cieplnej gleby i miękkich skał za pomocą termicznej sondy igłowej". ASTM Standards on DISC 4 (2000).
Campbell, Gaylon S. i John M. Norman. Wprowadzenie do biofizyki środowiska. Springer Science & Business Media, 2012. Link do książki.
DeVries, D. A. "Thermal Properties of Soils. In 'Physics of Plant Environment'.(Ed. WR van Wijk) pp. 210-235." (1963).
IEEE (1992) Przewodnik po pomiarach oporności cieplnej gleby. Inst. of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Nowy Jork. Link do artykułu.
Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (1982) Obliczanie obciążalności prądowej kabli. Publikacja 287, wydanie 2. Link do artykułu.
Neher, J. H. i M. H. McGrath. (1957) The Calculation of Temperature Rise and Load Capability of Cable Systems. AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. 76. Link do artykułu.
Nie ma możliwości pomiaru właściwości wilgotnych, porowatych materiałów za pomocą metody stanu ustalonego (strzeżona płyta grzejna). Metoda nieustalonego liniowego źródła ciepła jest jednak w stanie mierzyć właściwości termiczne wilgotnych, porowatych materiałów, a nawet może mierzyć przewodność cieplną i rezystywność cieplną płynów.
Zrozumienie stabilności termicznej gleby może pomóc inżynierom energetyki w dokładniejszym projektowaniu systemów dystrybucji energii, aby zapobiec niekontrolowanemu wzrostowi temperatury.
Wśród tysięcy recenzowanych publikacji wykorzystujących czujniki gleby METER, żaden typ nie jest faworytem. Dlatego wybór czujnika powinien opierać się na potrzebach i zastosowaniu. Skorzystaj z poniższych wskazówek, aby wybrać idealny czujnik do swoich badań.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.
