详谈地下电缆系统和土壤热导率对其能量传递的影响

地下电缆传输系统的优点和缺点,环境如何促成系统的整体成功。

电力通常通过架空电力线或地下电缆系统进行传输和分配。架空电力线是世界各地天际线的共同地标,也是工业革命的关键组成部分,因为它们几乎可以帮助每个家庭,特别是那些远离电网的家庭都能获得电力。最早设计的电力线属于架空类型,直到20世纪60年代中期,地下电缆系统才开始成为更受欢迎的配电选择。地下电缆系统这种革命性的设计,被用于替换经常暴露在极端天气或地质事件中的架空线路,因为极端天气或地质事件容易让架空电力线收到损坏。而这些情况下的损坏,通常发生在飓风或风暴期间,通常会导致长期和大面积的停电,这可能会对该地区的居民造成一些严重的后果。尽管地下电缆似乎可以解决上述问题带来的危害,但许多辖区仍不愿安装这些地下电力系统,因为安装这些系统,需要大量研究和对周遭环境的了解,及其环境对电力传输的影响,并且还需要经过大量测试才能实现,成本极高。

地面电塔
图一:地面电塔

什么是地下电缆?

地下电缆系统由一个或多个单独绝缘的电导体组成,这些电导体通常用一个整体护套覆盖层捆绑在一起。地下电缆可以在人口稠密的地区,或土地成本高昂,或环境保护地传输电力。许多地区采用地下电缆穿越大型水体,或者在该地区遭遇暴雨、降雪或风暴等极端天气事件时,将现有公用电缆设施从当前地面位置移动到地下受保护隧道的过程,称为地下铺设。

这些创新的地下电缆系统具有许多优点,包括降低火灾风险、减少电磁场辐射范围、减少对野生动物的危害、以及降低人类对环境损坏的风险。尽管地下电缆有很多优点,但也有不少缺点,许多美国电气公司认为其大部分缺点甚至都超过了积极因素。其中最突出的缺点包括,与平均每英尺70美元的架空电缆相比,埋入电缆系统平均每英尺约750美元,成本更高。据估计。地下电缆的另一个缺点是,修复损坏的电力线所需的时间和精力。与发现架空电力线断裂(通常只需数小时)相比,定位和修复断裂的地下电缆线,可能需要电力维修公司花费几天甚至几周的时间去定位和解决问题,非常具有挑战性。

正在维修地面电缆的工人
图二:正在维修地面电缆的工人

土壤的热导率对地下电缆的影响

尽管在许多人看来,地下电缆有着被压倒性的劣势,但在地下安装电缆后,许多辖区和电力公司取得了巨大的成功,同时降低了电力总成本。在大多数情况下,这个成功的程度不是由电力电缆本身的结构和设计决定的,而是由安装在其中的基板决定的。对于电力工程师来说,与周围土壤的热特性相关的知识(许多人称之为“土壤物理学”)正变得至关重要,因为土壤是最复杂的变量之一,可能会对地下电缆系统的整体性能产生重大影响。土壤热导率,直接影响电力电缆与其周围环境之间发生的热传递强度,进而影响电力电缆本身的有效性和使用寿命。如果电缆安装在热性能不理想的基板上,电缆和电力传输可能会很快失效,甚至容易受到长期和潜在的不可逆损坏。

技术人员通过电井维修地下电缆
图三:技术人员通过电井维修地下电缆

地下电缆的热能传导

热能通过一种称为焦耳效应的机制在电缆中产生。这是电流通过导电体产生热能的物理效应。产生的热能然后通过导电材料传递,导致温度和电输出增加。焦耳加热也称为电阻或欧姆加热,它描述了电流能量在流经电阻材料时转化为热量的过程。焦耳加热以及电缆安装的其他安全措施,强调了为什么研究导体周围土壤的热阻率和导电率非常重要,以确定其在电流传输期间如何影响电缆的散热。

土壤热性能

不需要太多热工程方面的专业知识,就可以理解当电流流过导体时,它会产生热量。当电缆产生热量时,它需要将热量转移到周围较冷的环境中,否则它可能会变得太热而不再有效地传输电力。电缆温度的适度升高通常被纳入电缆的设计中,但高于此范围的温度可能会导致灾难性事件。有关正确设计地下电缆系统的大部分详细计算,都已为人所知60多年,并且这些计算中的大部分都可以手动完成。如今,大多数工程师使用复杂的计算机建模系统,这些系统更注重细节和物理特性,以确保更高的整体系统完整性。即使在设计最复杂的系统中,土壤热阻率也可能占地下电缆设计总热阻因素的一半以上。土壤基质的五个主要特性已被公认为影响地下电缆系统的最重要参数。这些土壤特征包括石英含量、土壤矿物含量、水浓度、有机质百分比和可用孔隙空间的数量。

地下高压电线
图四:地下高压电线

在深入研究传热机制的技术细节中,更重要的是注意空气的存在对系统的热导率有着最负面的影响。热导率描述了材料有效传递热量的能力。如果这种材料比周围环境更热,并且具有很高的导热性,它将迅速将热量散发到周围环境中。土壤中存在气泡或孔隙会增加其热阻率,进而降低土壤的热导率。周围环境中电阻的增加为从热电线中排出的热量提供了更强的绝缘屏障。基板中存在的气泡越多,屏障越强,电缆过热的速度越快。

解决这一灾难性问题的一个快速方法是增加土壤的含水量,从而提高导热性。水具有比空气更高的热导率,因此用水分子代替气泡被视为阻止地下电缆散发更多热量的便捷解决方案。在许多地区实施难度却很大。在很多种土壤类型中,水分渗透对土壤的整体导热性几乎没有影响。有机物只是不增加热导率的材料的一个例子,因为即使是最饱和的有机物,随着含水量的增加,其无效传热也几乎没有增加。粘土含量高的土壤对散热提出了另一个挑战,因为它们在干燥时会迅速开裂,从而大大增加了可用空气空间的数量。另一方面,如果土壤富含石英,它将表现出更高的导热性。石英作为热传递的促进剂,可用于因上述土壤条件导致电缆经常过热的区域。

干燥的黏土存在大量的裂缝
图五:干燥的黏土存在大量的裂缝

毫无疑问,土壤的热特性在决定地下电缆系统的整体成功方面起着重要作用。在安装任何电气系统之前,工程师需要考虑如何散发电导体产生的热量,以确保系统不会出现故障或完全停止工作。如果在安装电缆之前,对土壤材料的导热性进行额外的研究,将为当地辖区在维修地下电缆方面节约大量的人工成本。而这些正反馈,也会推动更多地区去铺设地下电缆以取代危险的架空电力线。

作者:Kallista Wilson

文献参考:

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