DR. GAYLON S. CAMPBELL E DR. KEITH L. BRISTOW
Quem poderia prever que um engenheiro de energia elétrica precisaria ser um especialista em física do solo? No entanto, esse conhecimento está se tornando cada vez mais crítico no projeto e na implementação de sistemas subterrâneos de transmissão e distribuição de energia. Por quê? As questões são simples. A eletricidade que flui em um condutor gera calor. Uma resistência ao fluxo de calor entre o cabo e o ambiente faz com que a temperatura do cabo aumente. Aumentos moderados de temperatura estão dentro da faixa para a qual o cabo foi projetado, mas temperaturas acima da temperatura de projeto reduzem a vida útil do cabo. A falha catastrófica ocorre quando as temperaturas do cabo ficam muito altas, como foi o caso em Auckland, Nova Zelândia, em 1998. Como o solo está no caminho do fluxo de calor entre o cabo e o ambiente (e, portanto, faz parte da resistência térmica), as propriedades térmicas do solo são uma parte importante do projeto geral.
Os cálculos detalhados necessários para projetar corretamente um sistema de cabos subterrâneos são conhecidos há mais de 60 anos. Os procedimentos normalmente usados são descritos em Neher e McGrath (1957) e, mais recentemente, pela International Electrotechnical Commission (1982). Esses cálculos podem ser feitos à mão, mas atualmente a maioria dos engenheiros usa programas de computador comerciais ou caseiros. Os cálculos são bastante detalhados e geralmente se baseiam em física sólida ou bom empirismo, até chegar ao solo. Nesse caso, os números escolhidos são quase um tiro no escuro. Como, mesmo em um sistema bem projetado, o solo pode ser responsável por metade ou mais da resistência térmica total, os engenheiros precisam tratar essa parte com tanto respeito quanto tratam os cabos e dutos.
Há muito tempo existem boas teorias que descrevem a resistividade térmica do solo (de Vries, 1963; Campbell e Norman, 1998). Esses modelos são baseados em modelos de mistura dielétrica e tratam a resistividade geral como uma combinação paralela ponderada das resistividades constituintes. Cinco constituintes são importantes para determinar a resistividade térmica do solo. São eles: quartzo, outros minerais do solo, água, matéria orgânica e ar, em ordem crescente de resistividade. Os valores reais para esses materiais são 0,1, 0,4, 1,7, 4,0 e 40 m C/W. Sem saber nada sobre os fatores de ponderação para esses materiais em um solo ou material de preenchimento real, quatro coisas devem ficar claras:
Ilustraremos alguns desses pontos com exemplos.
A Figura 1 mostra como a compactação é importante para obter uma resistividade térmica aceitavelmente baixa nos materiais de preenchimento. Um valor frequentemente assumido para a resistividade térmica do solo em cálculos de cabos enterrados é 0,9 m C/W. Nenhuma das curvas da Figura 1 chega a esse valor, mesmo com densidade muito alta. A densidade típica de um solo de campo que pode sustentar o crescimento de plantas é de cerca de 1,5 Mg/m3. Com essa densidade, até mesmo o solo de quartzo tem uma resistividade mais de quatro vezes maior que o valor presumido. Três observações importantes podem ser feitas a partir da Figura 1. Primeiro, o material orgânico nunca é adequado para dissipar o calor de um cabo enterrado, independentemente da densidade.
Em segundo lugar, a resistividade térmica de materiais secos e granulares, mesmo quando compactados em uma densidade extrema, não é ideal para o preenchimento de cabos. Em terceiro lugar, os espaços de ar controlam o fluxo de calor, portanto, embora os minerais de quartzo tenham uma resistividade quatro vezes menor do que os minerais de argila, a resistividade geral dos dois é semelhante em uma densidade similar. Vale a pena mencionar que densidades arbitrariamente altas não podem ser obtidas apenas por compactação. As partículas de tamanho uniforme são compactadas até uma determinada densidade máxima. Para atingir densidades além dessa sem esmagar as partículas, partículas menores são adicionadas aos espaços vazios entre as partículas maiores. Portanto, as densidades mais altas são obtidas com o uso de materiais bem classificados.
Embora a resistividade da água seja maior do que a dos minerais do solo, ela ainda é muito menor do que a do ar. Se os espaços porosos do solo forem preenchidos com água em vez de ar, a resistividade diminuirá. A Figura 2 mostra o efeito da água. A densidade é de cerca de 1,6 Mg/m3, muito menor do que os valores mais altos da Figura 1, mas com um pouco de água as resistividades ficam bem abaixo de 1 m C/W. Agora, com mais água nos poros, o efeito do quartzo é mais pronunciado. A resistividade do solo orgânico, embora melhor do que quando seco, ainda é muito alta para proporcionar uma dissipação de calor razoável para o cabo enterrado.
Como a resistividade térmica varia muito com o teor de água e o teor de água no solo é tão variável, é razoável perguntar qual o teor de água esperado em solos de campo. Abaixo e até um pouco acima de um lençol freático, o solo está saturado (todos os poros estão cheios de água). Nessas situações, pode-se ter certeza de que as resistividades permanecerão nos valores mais baixos possíveis para a densidade do solo. O conteúdo mínimo de água na zona da raiz de plantas em crescimento normalmente varia de 0,05 m3/m3 em areias a 0,1 ou 0,15 m3/m3 para solos de textura mais fina. Esses teores de água correspondem, grosso modo, aos teores de água na Figura 2, nos quais a resistividade começa a aumentar drasticamente. Isso às vezes é chamado de teor de água crítico e é o teor de água abaixo do qual o fluxo de vapor termicamente impulsionado em um gradiente de temperatura não será reabastecido pelo fluxo de retorno de líquido através dos poros do solo. Esse ponto é muito importante no projeto de cabos enterrados porque, quando o solo ao redor do cabo fica tão seco, o calor do cabo afasta a umidade, secando o solo ao redor do cabo e aumentando sua resistividade. Isso resulta em aquecimento adicional, o que afasta mais umidade. Pode ocorrer uma condição de fuga térmica.
Resistividades secas mais baixas do que as mostradas na Figura 1 podem ser obtidas com o uso de materiais de preenchimento especialmente projetados. Um Fluidized Thermal Backfill™ (FTB™) pode ser derramado no local. Ele tem uma resistividade seca de cerca de 0,75 m C/W, diminuindo para menos de 0,5 m C/W quando úmido.
Embora seja possível calcular as propriedades térmicas do solo a partir das propriedades físicas, geralmente é mais fácil medi-las diretamente do que fazer os cálculos. Os métodos são fornecidos pela ASTM (2000) e pelo IEEE (1992). O método aceito usa uma fonte de calor em linha. Normalmente, um fio de aquecimento e um sensor de temperatura são colocados dentro de um tubo de agulha hipodérmica de pequeno diâmetro com um comprimento de cerca de 30 vezes o seu diâmetro. A temperatura é monitorada enquanto a agulha é aquecida. Nesse sistema de fluxo de calor radial, um estado estável é rapidamente estabelecido, e é possível traçar um gráfico da temperatura versus o tempo de registro para obter uma relação de linha reta. A resistividade térmica é diretamente proporcional à inclinação da linha. Várias empresas oferecem instrumentos adequados para medições de campo ou de laboratório da resistividade térmica, e as sondas podem ser deixadas no local para monitorar as propriedades térmicas depois que o cabo estiver instalado e em uso.
Além das questões discutidas acima, há várias questões específicas do local que precisam ser levadas em conta ao projetar e implementar instalações de cabos de energia subterrâneos. Essas questões incluem a análise de compensação entre a profundidade da instalação, o custo da instalação e a estabilização térmica. Quanto mais fundo forem enterrados os cabos, mais estável será o ambiente térmico. Isso é especialmente verdadeiro se os lençóis freáticos rasos e o fluxo capilar ascendente resultarem em condições relativamente úmidas ao redor dos cabos. As condições da superfície também afetarão a troca de água e energia entre o solo e a atmosfera e, como resultado, o ambiente térmico ao redor dos cabos. Nas cidades, a superfície provavelmente será coberta por estradas, prédios, parques ou jardins, enquanto nas áreas rurais, o solo nu ou a cobertura vegetal serão mais comuns. É importante que a condição da superfície e seu impacto no ambiente térmico subjacente sejam levados em consideração: especialmente qualquer alteração na condição da superfície que possa resultar em consequências indesejadas. A adição de vegetação, por exemplo, pode resultar em um ressecamento significativo do solo, com possíveis consequências, conforme discutido anteriormente. Os solos argilosos, em particular, podem rachar com a secagem, resultando no desenvolvimento de lacunas de ar ao redor dos cabos. Todos os esforços devem ser feitos para evitar que isso aconteça. Os possíveis "pontos quentes" ao longo da rota do cabo (como zonas de solos arenosos bem drenados ou áreas com vegetação que podem levar a uma secagem significativa do solo) devem receber atenção especial para garantir o sucesso a longo prazo de qualquer instalação.
Há cinco pontos importantes que o engenheiro de energia elétrica deve levar em conta nessa breve discussão. Primeiro, as propriedades térmicas do solo e do aterro devem ser conhecidas para uma instalação segura e bem-sucedida de cabos de energia subterrâneos. Não se pode presumir com segurança um valor de 0,9 m C/W. Em segundo lugar, a densidade e o teor de água desempenham papéis importantes na determinação da resistividade térmica. Especifique a densidade de um material de preenchimento e garanta, por meio de projeto e gerenciamento adequado, que o conteúdo de água não fique abaixo do nível crítico. Em terceiro lugar, os solos naturais que suportam o crescimento das plantas sempre terão resistividades muito mais altas do que os materiais projetados devido à sua densidade mais baixa e ao conteúdo de água variável, mas às vezes baixo. Quarto, estão disponíveis materiais de aterro projetados que podem garantir o desempenho térmico adequado em todas as condições. Em quinto lugar, a medição da condutividade térmica, tanto em campo quanto em laboratório, é relativamente simples e deve fazer parte de qualquer projeto de design e instalação de cabos. Por fim, há várias questões específicas do local, como a profundidade da colocação do cabo, a vegetação e o gerenciamento da água do solo, além de evitar a secagem excessiva e a rachadura do solo, o que poderia levar a lacunas de ar, e tudo isso precisa ser levado em consideração ao projetar e implementar instalações de cabos de energia subterrâneos.
Nossos cientistas têm décadas de experiência em ajudar pesquisadores e produtores a medir o contínuo solo-planta-atmosfera.
Standard, A. S. T. M. "D 5334-92: Método de Teste para Determinação da Condutividade Térmica de Solo e Rocha Macia pelo Procedimento de Sonda de Agulha Térmica". Normas ASTM sobre DISC 4 (2000).
Campbell, Gaylon S., e John M. Norman. An Introduction to Environmental Biophysics [Introdução à biofísica ambiental]. Springer Science & Business Media, 2012. Link do livro.
DeVries, D. A. "Thermal Properties of Soils. Em 'Physics of Plant Environment' (Ed. WR van Wijk), pp. 210-235." (1963).
IEEE (1992) Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements (Guia para medições de resistividade térmica do solo). Inst. of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Nova York. Link do artigo.
International Electrotechnical Commission (1982) Calculation of Continuous Current Ratings of Cables. Publicação 287, 2ª edição. Link do artigo.
Neher, J. H. e 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 artigo.
Não há como medir as propriedades de materiais úmidos e porosos com o método de estado estável (placa de aquecimento protegida). No entanto, o método de fonte de calor de linha transiente é capaz de medir as propriedades térmicas de materiais úmidos e porosos, e pode até mesmo medir a condutividade térmica e a resistividade térmica em fluidos.
Compreender a estabilidade térmica de um solo pode ajudar os engenheiros de energia a projetar com mais precisão os sistemas de distribuição de energia para evitar o descontrole térmico.
Entre as milhares de publicações revisadas por pares que utilizam os sensores de solo da METER, nenhum tipo emerge como o favorito. Portanto, a escolha do sensor deve se basear em suas necessidades e na aplicação. Use essas considerações para ajudar a identificar o sensor perfeito para sua pesquisa.
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