地下電纜系統和土壤熱導率對其能量傳遞的影響

地下電纜傳輸系統的優點和缺點,環境又是如何將系統效益極大化?

電力通常通過架空電力線(比如電線杆、地面電塔等)或地下電纜系統進行傳輸和分配。架空電力線是世界各地天際線的共同地標,也是工業革命的關鍵組成,因為它們為幾乎所有產業、企業與家庭等解決日常需電,尤其是在電網以外的地區。最早設計的電力線屬於架空類型,直到1960年代中期,地下電纜系統才開始成為更受歡迎的配電選擇。作為革命性的設計,經常被用於替換因暴露在極端天氣或地理條件中而時常損壞的架空線路,比如颶風、颱風等,經常會導致長時間的大面積停電,導致許多產業與人民的財物損失,甚至危害與傷亡。不過,儘管地下電纜似乎可以解決許多問題,但許多地區仍然不願安裝地下電力系統,因為地下系統往往受周遭環境的影響,所以必須對此投入大量研究並了解其對電力傳輸的影響,更需經過大量測試才能實現,不論是經費或時間,成本極高。

地面电塔
圖一:地面電塔

什麼是地下電纜?

地下電纜系統是由一個或多個單獨絕緣的電導體組成,這些電導體通常會用一個整體護套捆綁在一起。地下電纜可以在人口稠密的地區,或土地成本高昂,或環境保護地中傳輸電力。許多地區採用地下電纜穿越大型水體,或者在該地區遭遇暴雨、降雪或風暴等極端天氣時,將現有公用電纜設施從地面位置移動到地下防護隧道的過程,稱為地下舖設。

這些創新的地下電纜系統具有許多優點,包括降低火災風險、減少電磁場輻射範圍、減少對野生動物的危害、以及降低人類對環境損壞的風險。儘管地下電纜有很多優點,但也有不少缺點,許多美國電氣公司認為其大部分缺點甚至都超過了正面誘因。其中最突出的缺點包括,與平均每英尺70美元的架空電纜相比,埋入電纜系統平均每英尺約750美元,甚或更高。且據估計。地下電纜損壞的定位和修復可能需要花費幾天甚至幾週的時間,與架空電力線的損壞修復相比相差甚遠(通常只需數小時)。

正在维修地面电缆的工人
圖二:正在維修地面電纜的工人

土壤的熱導率對地下電纜的影響

儘管在許多人看來,地下電纜有著很大的劣勢,但仍有許多轄區和電力公司在安裝後依然能取得巨大的益處,同時降低了電力總成本。在大多數情況下,益處大多不是來自電力電纜本身的結構和設計,而是來自安裝在其中的基板。所以對電力工程師來說,擁有對周圍土壤的熱特性相關知識(亦為“土壤物理學”)變得至關重要。因為土壤是複雜的變因之一,可能會對地下電纜系統的整體性能產生重大影響。土壤熱導率,直接影響電力電纜與其周圍環境之間發生的熱傳遞強度,進而影響電力電纜本身的有效性和使用壽命。如果電纜安裝在熱性能不理想的基板上,電纜和電力傳輸可能會很快失效,甚至容易受到長期和潛在的不可逆損壞。

技术人员通过电井维修地下电缆
圖三:技術人員通過電井維修地下電纜

地下電纜的熱能傳導

熱能通過一種稱為焦耳效應的機制在電纜中產生。這是電流通過導電體產生熱能的物理效應。產生的熱能然後通過導電材料傳遞,導致溫度和電輸出增加。焦耳加熱也稱為電阻或歐姆加熱,它描述了電流能量在流經電阻材料時轉化為熱量的過程。焦耳加熱以及電纜安裝的其他安全措施,強調了為什麼研究導體周圍土壤的熱阻率和導電率非常重要,以確定其在電流傳輸期間如何影響電纜的散熱。

土壤熱性能

不需要太多熱工程方面的專業知識,就可以理解當電流流過導體時,它會產生熱量。當電纜產生熱量時,它需要將熱量轉移到周圍較冷的環境中,否則它可能會變得太熱而不再有效地傳輸電力。電纜溫度的適度升高通常被納入電纜的設計中,但高於此範圍的溫度可能會導致災難性事件。有關正確設計地下電纜系統的大部分詳細計算,都已為人所知60多年,並且這些計算中的大部分都可以手動完成。如今,大多數工程師使用複雜的電子建模系統,更注重細節和物理特性,以確保更高的整體系統完整性。即使在設計最複雜的系統中,土壤熱阻率也可能佔地下電纜設計總熱阻因素的一半以上。土壤基質的五個主要特性已被公認為影響地下電纜系統的最重要參數。這些土壤特徵包括石英含量、土壤礦物含量、水濃度、有機質百分比和可用孔隙空間的數量。

地下高压电线
圖四:地下高壓電線

在深入研究傳熱機制的技術細節中,更重要的是注意空氣的存在,其對系統的熱導率有著最負面的影響。熱導率描述了材料有效傳遞熱量的能力。如果這種材料比周圍環境更熱,並且具有很高的導熱性,它會迅速將熱量散發到周圍環境中。土壤中存在氣泡或孔隙會增加其熱阻率,進而降低土壤的熱導率。周圍環境中電阻的增加為從熱電線中排出的熱量提供了更強的絕緣屏障。基板中存在的氣泡越多,屏障越強,電纜過熱的速度越快。

解決這一災難性問題的一個快速方法是增加土壤的含水量,從而提高導熱性。水具有比空氣更高的熱導率,因此用水分子代替氣泡被視為阻止地下電纜散發更多熱量的最方便的解決方案。不過,在多種土壤類型中,水分滲透對土壤的整體導熱性幾乎沒有影響。舉例來說: 飽和的有機物,隨著含水量的增加,其傳熱效果也幾乎沒有增加;黏土含量高的土壤,因為它們在乾燥時會迅速裂開,從而大大增加了空氣的空間。另一方面,當土壤富含石英,則可表現出更高的導熱性。故石英也經常被作為熱傳遞的促進劑,尤其受限於土壤條件,導致電纜經常過熱的區域。

干燥的黏土存在大量的裂缝
圖五:乾燥的黏土土壤存在大量的裂縫

毫無疑問,土壤的熱特性幾乎決定了地下電纜系統的整體效益。在安裝任何電氣系統之前,工程師皆需要考慮如何散發電導體產生的熱量,以確保系統不會出現故障或完全停止工作。如果在安裝電纜之前,對土壤材料的導熱性進行額外的研究,將為當地轄區在維修地下電纜方面節約大量的人工成本。而這些正反饋,也會推動更多地區去鋪設地下電纜以取代危險的架空電力線。

作者:Kallista Wilson

文獻參考:

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