地下电力电缆安装为何需要土壤热阻测量

Why underground power cable installations need soil thermal resistivity measurements

土壤物理学在地下输配电系统的设计和实施中越来越重要。 在地下输配电系统的设计和实施中越来越重要。

博士GAYLON S.Campbelland Dr.凯斯-L-布里斯托博士

谁能预料到电力工程师需要精通土壤物理学?然而,在地下输配电系统的设计和实施过程中,这些知识正变得越来越重要。为什么?问题很简单。电流在导体中流动会产生热量。电缆与周围环境之间的热流阻力会导致电缆温度升高。适度的温度上升在电缆设计范围之内,但超过设计温度则会缩短电缆寿命。当电缆温度过高时,就会发生灾难性故障,1998 年新西兰奥克兰就发生了这种情况。由于土壤处于电缆与周围环境之间的热流路径上(因此构成热阻的一部分),土壤的热特性是整体设计的重要组成部分。

正确设计地下电缆系统所需的详细计算已有 60 多年的历史。Neher 和 McGrath(1957 年)以及最近的国际电工委员会(1982 年)概述了通常使用的程序。这些计算可以手工完成,但现在大多数工程师都使用商用或自制的计算机程序。计算相当详细,通常基于可靠的物理学或良好的经验主义,直到进入土壤。然后,所选择的数字往往几乎是凭空捏造的。即使在设计良好的系统中,土壤也可能占总热阻的一半或更多,因此工程师需要像对待电缆和管道一样尊重土壤。

土壤的热阻系数

描述土壤热阻率的良好理论由来已久(de Vries,1963 年;Campbell 和 Norman,1998 年)。这些模型以介电混合模型为基础,将整体电阻率视为各成分电阻率的加权平行组合。有五种成分对确定土壤的热阻系数非常重要。它们依次是石英、其他土壤矿物、水、有机物和空气,电阻率依次增大。这些物质的实际值分别为 0.1、0.4、1.7、4.0 和 40 m C/W。在对实际土壤或填料中这些材料的权重系数一无所知的情况下,有四点应该是清楚的:

  1. 空气不好。填充物必须紧密包装,尽量减少空气空间,以达到可接受的低热阻。
  2. 用水代替空气有很大帮助,但水仍然不是很好的导体
  3. 有机物无论多么潮湿,其电阻率都非常高
  4. 在其他条件相同的情况下,石英含量高的填充材料电阻率最低

我们将举例说明其中的一些要点。

密度和热阻

图 1 显示了压实对于实现可接受的低回填材料热阻率的重要性。在埋设电缆的计算中,通常假定土壤的热阻系数为 0.9 m C/W。图 1 中的曲线都没有达到这么低,即使在密度非常高的情况下也是如此。可维持植物生长的田间土壤的典型密度约为 1.5兆克/立方米。在这种密度下,即使是石英土壤,其电阻率也是假定值的 4 倍多。从图 1 中可以得出三个重要结论。首先,无论密度有多大,有机材料都不适合为埋地电缆散热。

图 1.干燥多孔材料的热阻系数与其密度密切相关。

其次,干燥、颗粒状材料的热阻率,即使被压实到极高的密度,也不是电缆回填的理想材料。第三,空气空间控制着热量的流动,因此,尽管石英矿物的电阻率比黄土矿物低四倍,但在密度相近的情况下,两者的整体电阻率也相差无几。值得一提的是,仅靠压实是无法达到任意高密度的。大小均匀的颗粒可以达到给定的最大密度。为了在不压碎颗粒的情况下达到更大的密度,需要在大颗粒之间的空隙中加入更小的颗粒。因此,要达到最高密度,必须使用分级良好的材料。

含水率和热阻系数

尽管水的电阻率比土壤矿物的电阻率高,但仍然比空气的电阻率低得多。如果土壤中的孔隙被水而不是空气填充,电阻率就会降低。图 2 显示了水的影响。密度约为 1.6 兆克/立方米,远低于图 1 中的最高值,但只要有少量水,电阻率就会远低于 1 m C/W。现在,孔隙中的水越多,石英的作用就越明显。有机土壤的电阻率虽然比干燥时要好,但仍然太高,无法为埋地电缆提供合理的散热。

图 2.在多孔材料中加水会大大降低其热阻。

田间含水量

由于热阻系数随含水量变化很大,而土壤中的含水量又千变万化,因此我们有理由问一问野外土壤中的含水量是多少。在地下水位以下甚至略高于地下水位时,土壤是饱和的(所有孔隙都充满了水)。在这种情况下,可以肯定电阻率将保持在该土壤密度可能达到的最低值。生长植物根区的最低含水量通常在 0.05 立方米/立方米(沙土)到 0.1 或 0.15立方米/立方米(质地较细的土壤)之间。这些含水量大致相当于图 2 中电阻率开始急剧增加的含水量。这有时被称为临界含水量,在此含水量以下,温度梯度中的热驱动水汽流将不会通过土壤孔隙中的液体回流得到补给。这一点对于埋设电缆的设计非常重要,因为当电缆周围的土壤变得如此干燥时,电缆的热量会带走水分,使电缆周围的土壤变干,并增加其电阻率。这会导致额外的加热,从而带走更多的水分。随之而来的就是热失控。

定制回填

使用专门设计的回填材料可以获得比图 1 所示更低的干电阻率。流化热回填™ (FTB™) 可以浇筑到位。其干电阻率约为 0.75 m C/W,湿电阻率降至 0.5 m C/W 以下。

测量

虽然可以根据物理特性计算土壤的热特性,但直接测量通常比计算更容易。ASTM(2000) 和 IEEE(1992) 提供了相关方法。公认的方法是使用线热源。通常情况下,将加热丝和温度传感器置于长度约为直径 30 倍的小口径皮下注射针管内。在针头加热的同时对温度进行监测。在这种径向热流系统中,很快就能建立稳定状态,人们可以绘制温度与对数时间的关系曲线,从而获得直线关系。热阻与直线的斜率成正比。有几家公司提供适用于现场或实验室热阻率测量的仪器,在电缆安装和使用后,探头可留在原处监测热特性。

针对具体地点的考虑因素

除了上文讨论的问题外,在设计和实施地下电力电缆安装时,还需要考虑几个特定地点的问题。其中包括安装深度、安装成本和热稳定之间的权衡分析。电缆埋得越深,热环境就越稳定。如果浅水层和毛细上升流导致电缆周围相对潮湿,情况就更是如此。地表条件也会影响土壤与大气之间的水和能量交换,从而影响电缆周围的热环境。在城市中,地表很可能被道路、建筑物、公园或花园覆盖,而在农村地区,裸露的土壤或植被覆盖最为常见。必须考虑地表状况及其对底层热环境的影响:尤其是可能导致不必要后果的地表状况变化。例如,增加植被可能会导致土壤严重干燥,从而造成前面讨论过的潜在后果。特别是粘土,在干燥时会开裂,导致电缆周围出现气隙。必须尽一切努力避免这种情况发生。电缆线路沿线的潜在 "热点"(如排水良好的沙质土壤区或可能导致土壤严重干燥的植被区)应受到特别关注,以确保任何安装的长期成功。

结论

电力工程师应从这个简短的讨论中掌握五个要点。首先,要安全、成功地安装地下电力电缆,必须了解土壤和回填土的热特性。不能安全地假定其值为 0.9 m C/W。其次,密度和含水量在确定热阻系数方面起着重要作用。指定回填材料的密度,并通过设计和适当的管理确保含水量不会低于临界值。第三,支持植物生长的天然土壤的电阻率总是比工程材料高得多,因为它们的密度较低,含水量可变,但有时较低。第四,工程回填材料可以确保在任何条件下都具有足够的热性能。第五,无论是在现场还是在实验室,导热系数的测量都相对简单,应该成为任何电缆设计和安装项目的一部分。最后,在设计和实施地下电力电缆安装时,还需要考虑一些针对具体地点的问题,如电缆铺设深度、植被和土壤水分管理,以及避免过度干燥和土壤开裂导致空气间隙等。

有问题吗?

我们的科学家拥有数十年帮助研究人员和种植者测量土壤-植物-大气连续体的经验。

参考资料

标准,A.S.T.M. "D 5334-92:通过热针探针程序测定土壤和软岩导热性的测试方法"。ASTM 关于 DISC 的标准4(2000 年)。

Campbell, Gaylon S., and John M. Norman.环境生物物理学导论》。Springer Science & Business Media, 2012.图书链接

DeVries, D. A. "Thermal Properties of Soils.In 'Physics of Plant Environment'.(Ed. WR van Wijk) pp.(1963).

IEEE (1992) 《土壤热阻系数测量指南》。电气与电子工程师学会,纽约。纽约。文章链接

国际电工委员会(1982 年)《电缆连续额定电流计算》。第 287 号出版物,第 2 版。文章链接

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 卷。文章链接

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