《电力电缆线路沿线土壤热阻系数测量方法》DL/T 1721—2017解读
《 电力电缆线路沿线土壤热阻系数测量方法》DL/T 1721—2017(书号:155198.576,定价:11.00)规定了采用热线法测量直埋电缆线路周围土壤热阻系数的现场测量方法;适用于各种埋地敷设电缆线路,包括直埋、穿管以及电缆沟回填敷设等方式下,电缆线路周围均匀回填材料的热阻系数测量。
对于埋地电缆线路,影响其载流量的最主要因素是周围媒质(土壤及回填材料)热阻,因此,要准确设计和控制电缆线路载流量,必须掌握埋地电缆线路周围媒质热特性。埋地电缆线路周围土壤媒质的热状态具有以下几个特点:
(1)我国地域辽阔,地质以及气象条件差别大,土壤热特性差别极大。
(2)整条线路周围的土壤为非匀质状态,往往呈现多种成分及变化,其材料、含水量往往差异较大,土壤容易发生局部干燥、过热而形成局部热效应点。
(3)在电缆线路运行过程中,季节变换以及气象条件的变化会造成电缆线路周围回填土壤的热阻系数以及温度随季节、气象变换而变化。
在电缆线路负荷越来越高的局面下,进行埋地电缆线路土壤热参数的测量和分析,充分发挥这些电缆线路的载流能力,对提升线路的运行维护水平具有重要的意义。
最早在1960年,在美国和欧洲敷设大量的埋地电缆系统,为客观准确的设计埋地电缆线路载流量,避免不合理的设计值,在美国最先开始了埋地电缆线路运行路径上热环境的调查与测量工作,期间不断有相关电缆路径上土壤热阻系数测量值存在有较大差异的报告。EPRI联合安大略水力发电公司,在1970年代中期开始进行土壤热环境参数测量以及相关热回填技术研究,并形成了一些实际成果及标准规范。目前,相关成果已经在北美获得广泛应用,在提升埋地电缆线路设计水平,提升电缆线路载流量以及提高电缆线路可靠性方面,起到了重要的作用,并取得了显著的经济效益。德国、英国以及法国等国家,对此也开展了大量实际测量研究工作。在这些国家,埋地电缆线路的热环境测量与设计,成为电缆线路设计、运维中的基础工作。
1999年,IEC总结了这些研究成果,在此基础上提出并制定了IEC 60287-3-1标准,该标准给出了典型国家以及地区土壤热阻系数以及温度基准,但并无规定中国地区的土壤热性能参数值。同时,各国在埋地电缆线路载流量设计上,均采用提前进行电缆路径热环境勘察,采用实测的土壤参数值进行载流量设计。
当前,国内电缆线路在载流量设计和负荷运行管理方面,有以下问题:
(1)没有可供电缆线路载流量设计、控制过程使用的埋地电缆线路运行热环境的基准参数值以及线路运行热环境测量的手段与工具。因此,在载流量计算、控制中,不得不采用假定的运行条件参数值,留取较大裕度,如将导体最高运行温度降低5~10℃,土壤热阻系数值取为1.5 K·m/W等。
(2)缺少对各种回填材料热特性的研究,对于因为土壤物理性状变化而导致的电缆线路局部热效应的形成、回填消除局部热效应措施缺少相关研究,没有科学的指导电缆线路回填的相关的研究成果、设计方法和规范。
(3)电缆线路运行时,实时天气变化往往会导致运行环境参数变化而带来载流量的变化,需要通过电缆路径上实际热性能变化来确定电缆载流量,而且现有的动态载流量系统均没有考虑到这种土壤热参数随天气的实时变化。
表1 典型YJLW02 127/220 1×2500 mm2电力电缆线路载流量控制数据
所属公司 |
运行条件与敷设方式 |
控制载流量数据 |
天津电力公司 |
采用电缆沟槽填沙、顶管敷设方式;穿越马路时,采用穿管+混凝土包封的形式 |
载流量控制数据依据具体敷设方式和条件计算获得;土壤热阻系数一般按照1.2 K·m/W取值;环境温度有冬季和夏季区别 |
杭州电力局 |
沟管顶管;品字形排列 |
长期允许载流量1192 A |
宁波电力局 |
沟管敷设;品字形排列 |
长期允许载流量1540 A |
表1中可以清楚的看出,即使是地质和气象条件相近的地区,各不同电力公司规定的电缆载流量数据存在有较大的差异,其主要原因在于设计时环境参数的取值以及安全裕度的选取。实际上,我国幅员辽阔,气象和地质条件差异差,比如上海和西安埋地电缆线路的外部运行参数在热阻系数、土壤温度上差异就很大,由于缺少相关研究结果作为支撑,因此在取值时往往会存在有程度不同的保守估计。
国内外关于电力电缆线路沿线土壤热阻系数测量方法尚未建立统一的标准,国内外相关标准较多,但是主要用途在于塑料、非金属固态物等,主要用于实验室分析,缺乏现场适用的测量标准。本标准制订过程中主要的参考文件包括:
(1) GB/T 10297-1998 非金属固体材料导热系数的测定 热线法
(2) ASTM D5334-2008 Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure
(3) IEEE 422土壤热阻测量导则
3.1 现有的测试技术与标准
(1)平板法
护热平板法基于单向稳定导热原理。当试样上、下两表面处于不同的稳定温度时,测量通过试样有效传热面积的热流及试样两表面间的温差和厚度,即可计算出导热系数。按GB 3399-82的要求,测量仪器通常由加热板(包括主加热板和护加热板)、冷板、测温仪表、量热仪表组成,试样形状为圆形或正方形,其直径或边长与护加热板相等,厚度不小于5 mm。
(2)热线法
热线法的基本原理是在均质均温的试样中放置一根电阻丝,即所谓的“热线”,当热线在恒定功率的作用下放热,则热线和热线附近试样的温度将会升高。根据温度随时间的变化关系,即可确定试样的热阻系数。这种方法不仅适用于干燥材料,而且还适用于含湿材料如土壤的热阻系数测量。
(3)现场测量热探针
探针法是由热线法发展出的一种测试方法,具体方式是在待测材料中插入一根金属探针,通过热探针对周围的材料加热。当金属探针的直径远小于探针的长度时,可以按照热线法对其导热过程进行分析,得出待测材料热阻系数与热探针表面温升的近似关系,便可计算出待测材料的热阻系数。探针法属于暂态法,不需要等待探针表面温度达到稳定,测试时间较短,通常可在几分钟到十几分钟内完成测试。
3.2 电缆线路周围土壤的材质与热特性
图1和图2是美国EPRI报道的电缆回填所用材料以及回填材料的特性。
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图1 回填材料种类 |
图2 材料含水量与热阻特性 |
在国内目前的实际适用中,一般施工单位采用的恢复性的回填,也就是用施工地点附近开挖出的土壤进行回填,还有的采用石粉、细沙等进行回填。其中在一些城市马路旁边,可能会夹杂有大小石块、建筑垃圾等,同时随着电缆运行时间以及回填时间的变化,这些回填材料可能在密实度、含水率发生变化,从而导致电缆线路周围回填土壤的热阻特性发生变化。
3.3 探针的设计
对于尺寸确定的探针,设计过程应主要考虑的因素包括填充材料的热物性参数、加热功率和测量点位置。
编写组采用有限元仿真计算的方法分析了上述因素对测量结果的影响,计算结果表明:
(1)填充材料热阻系数小于0.2 W/(m·K)时,计算结果与设定值趋于一致。对大多数应用场合[土壤热阻系数取值为0.2~5m·K/W时],填充材料的比热容与土壤比热容之比为取值在0.5~2范围时,其计算误差在±5%之内。
(2)加热功率过大时,探针附近土壤温度可能超过50℃,土壤中水分向远处扩散变得干燥,引起导热系数下降;加热功率过小时,测量时间内温升过小,温度测量误差影响较大。因此,根据对干沙以及对潮湿细沙的试验结果,建议加热功率应控制在10W/m~80W/m,在实际操作上应该有合适的档位,供现场选择,以适应现场环境温度变化、被测量土壤形状的变化和设备精度来选择。
(3)对外径为10 mm,长度在1.0 m-2.0 m范围内的探针,由于轴向散热的影响,其前端0.15 m范围内误差较大,不宜设置测量点。
3.4 误差来源及分析
(1)探针长径比
J. H. Blackwell分析了轴向传热对探针测量结果的影响,结论是如果探针为中空的黄铜管,当长径比为25时,误差约为0.7%,当长径比为30时,误差约为0.05%;如果探针为实心结构,当长径比为25时,误差约为1.7%,当长径比为30时,误差约为0.12%。
(2)土壤热物性不均匀
在地下不同深度,土壤的含水量的变化可能引起土壤热阻系数沿探针轴向分布不均匀。Joshua E. Daw等通过差分法分析,认为土壤导热系数沿探针轴向不均匀造成升温过程的偏差随傅里叶数Fo的变化不大,大致与导热系数沿轴向的变化率成正比。当探针半径为5 mm时,即使导热系数在轴向变化率为40%/m,温升的相对偏差也仅仅为1%。因此,实际测试时可不考虑土壤热阻系数轴向不均匀的影响。
(3)土壤初始温度不均匀
由于外部热源的影响,土壤初始温度沿探针轴向或径向存在梯度。王补宣、刘中良等认为,轴向存在初始温度梯度时,探针温升的相对误差随傅立叶数Fo增大而上升,但偏差幅值很小,可以忽略。径向存在初始温度梯度时,探针温升的相对误差随Fo增大会出现严重的原理性误差。因此,实际测试时选择的测试点应避免外部热源的干扰,测量前应等待足够长的时间以确认土壤温度分布恢复均匀。
(4)探针填充材料热物性参数
编写组研究认为,填充材料热阻系数小于0.2 W/m·K,比热容与土壤比热容之比为取值在0.5-2范围时,对大多数应用场合(土壤热阻系数取值为0.2~5m·K/W时),计算误差在±5%之内。
王补宣、J. Nicolas等对影响因素如探针尺寸、被测材料、数据处理方法进行了综合分析,认为探针法测量土壤热阻系数的原理性约为±10%。
前言
1 范围
2 规范性引用文件
3 名词和术语
4 测量设备
5 现场测量
6 结果计算
7 测量报告
附录A(资料性附录)热线法热阻系数测量原理
附录B(规范性附录)土壤热阻系数测量探针校准方法
附录C(资料性附录)电缆线路沿线土壤热阻系数测量报告
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