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18.Jul.2022

熱傳導-TC 土壤含水率與熱傳導的關係

C文章-橫幅
 
土壤含水率與熱傳導的關係
 
電力通常通過離地式電線系統(比如電線杆、地面電塔)或地下電纜系統等進行傳輸和分配。最早設計的電力線屬於離地式類型,其為幾乎所有產業、企業與家庭等提供日常需電,尤其是在電網以外的偏遠地區。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。
 
技術人員探查地下電纜示意圖
▲(圖一) 技術人員探查地下電纜示意圖

地下電纜的熱能傳導,通過焦耳效應產生,這是電流通過導電體產生熱能的物理效應。焦耳加熱也稱為電阻,用以描述電流能量在流經電阻材料時轉化為熱量的過程。通常在電纜上安裝的安全措施,為確保在電流傳輸期間所產生的熱量能夠獲得有效的散熱,以防止因過熱而產生的暫停運行或是損壞。不過即便在現有先進的電纜散熱設計技術下,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。故土壤基質的五個主要特性已被公認為最重要參數,特性包括石英含量、礦物含量、水濃度、有機質百分比和孔隙大小及數量。
 
在深入研究傳熱機制的技術細節中,最為重要的是空氣的存在,其對熱導率有著最負面的影響。土壤和基板中存在孔隙或氣泡會增加其熱阻率,進而降低熱導率。隨著電阻的增加,在電纜周遭形成了更強的絕緣屏障,導致電纜過熱的速度提升。而其實要解決這一災難性問題,最直觀且簡單快速的方法,就是增加土壤的含水量,從而提高其導熱性。水,除了比空氣具有更高的熱導率,水分子還能夠取代與填補存在中的氣泡、孔隙。因此,了解在電纜周遭的土壤熱阻率和熱導率就顯得極為重要。
 

針對土壤的熱導率與熱阻率,Thermtest設計最佳化且便利的攜帶型檢測設備TLS-100。其採用瞬態熱線源法,遵循ASTM-D5334、IEEE442-2017國際標準測試方法。並可在-40℃至100℃的樣品環境中進行測試,可測得的熱導值範圍為0.1~5 W/m•K,熱阻值為0.2~10 m•K/W。
 
TLS-100 土壤測試
▲(圖三) TLS-100測試不同含水量的土壤

實驗人員在土壤測試中,採用兩種不同含水量的土壤樣品,並在室溫下進行實測。飽和度為0%的土壤樣品,所測得的熱導率讀數為0.364 W/m·K;飽和度100%的土壤樣品熱導值則有顯著提升,為1.59 W/m·K。經過反覆的測試,每次的結果亦完全符合對 TLS-100所預期的再現性值。通過測試土壤在不同飽和度下的熱導率,可以證明土壤的熱導率很大程度上取決於其含水量,當然同時亦須考量孔隙率、有機物含量和溫度等物理特性。
 
Saturation
(%)
Temperature
(°C)
Thermal Conductivity
(W/m-K)
Thermal Resistivity
(m-K/W)
0 25.8 0.364 2.75
100 21 1.59 0.632

▲(表一) 不同含水量的土壤在室溫下的熱導差異


 

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