在土壤干燥条件下对电缆额定值方法的批判性评估

《International Transactions on Electrical Energy Systems》：A Critical Assessment of Cable Rating Methods Under Soil Drying Out Conditions

针对南非干旱地区土壤热阻率变化对地下电缆电流评级的影响，基于IEC 60287标准开发了Excel计算工具，分析土壤热阻率（0.596-3.72 K·m/W）、埋深（750-1150mm）和环境温度（24-28℃）的交互作用，发现最坏工况下电流评级下降超45%，需采用本地土壤数据并假设极端条件进行设计，以防止土壤干燥导致的热降解。

　　地下电缆系统的规划与设计在许多国家，尤其是那些气候条件较为严苛的地区，面临着复杂的挑战。这些挑战不仅涉及电缆本身的技术性能，还包括其与周围环境之间的相互作用。土壤干燥是一个尤为关键的问题，因为电缆在运行过程中会通过热传导向周围土壤释放热量，从而影响土壤的物理和化学特性，进而对电缆的性能和使用寿命产生负面影响。尤其是在南非这样的干旱和半干旱地区，土壤的自然干燥特性可能对电缆系统造成严重的威胁。因此，研究如何在实际应用中有效应对土壤干燥，成为确保电力系统稳定运行和环境保护的重要课题。

本研究的核心目标是开发一种适用于南非本地条件的电缆评级方法，该方法以本地土壤为回填材料，而非传统上使用的工程回填物。这种做法不仅能够降低安装成本，还能减少对环境的影响。在南非，随着城市化进程的加快，越来越多的电力设施开始采用地下电缆系统，因此，如何在实际安装中准确评估电缆的热性能，成为电力公司和设计工程师关注的重点。本文通过引入IEC 60287标准，结合Excel计算工具，对电缆安装过程中的关键参数进行了系统分析，包括土壤热阻率、环境温度和电缆埋设深度。通过这一方法，研究团队能够对不同条件下的电缆电流承载能力进行评估，从而为实际工程提供科学依据。

在研究过程中，选取了南非Sandton地区的土壤样本进行热阻率测试，结果表明土壤热阻率随着含水量的变化而显著波动。例如，在含水量为14.5%时，土壤热阻率为0.596 K·m/W，而在含水量为0%时，土壤热阻率则高达3.72 K·m/W。这一发现表明，土壤的干燥程度直接影响其热传导能力，进而影响电缆的额定电流。为了验证这一结论，研究团队分别对三种不同的电缆型号进行了计算，并记录了在不同土壤热阻率下的电流承载能力。结果表明，当土壤热阻率较高时，电缆的额定电流会显著下降。例如，在土壤热阻率为3.72 K·m/W的情况下，电缆A的电流承载能力仅为208.70 A，而理想条件下（土壤热阻率为1.2 K·m/W）的额定电流为382.37 A，两者之间的差距达到了45.4%。这一结果凸显了在电缆设计过程中，充分考虑土壤热阻率变化的重要性，因为土壤干燥可能造成电缆性能的显著下降。

除了土壤热阻率，电缆埋设深度和环境温度也是影响电缆性能的关键因素。在理想条件下，电缆埋设深度为850 mm，土壤环境温度为25°C时，三种电缆的额定电流分别为382.37 A、382.87 A和381.14 A。然而，当环境温度上升至28°C时，电缆的额定电流则进一步下降至369.405 A，显示出土壤温度对电缆性能的负面影响。此外，研究还发现，随着电缆埋设深度的增加，土壤的热阻率也会随之上升。例如，当电缆埋设深度增加至1150 mm时，土壤热阻率上升至3.72 K·m/W，而电缆的额定电流则显著降低，进一步印证了土壤干燥对电缆热传导能力的抑制作用。

基于这些发现，研究团队提出了一种针对南非本土土壤的电缆评级方法。该方法通过结合实际土壤测试数据，以及电缆埋设深度和环境温度的变化，提供了一种更为精确的电缆性能评估工具。这种方法不仅考虑了土壤热阻率对电缆电流承载能力的影响，还结合了土壤干燥这一现实问题，为电力公司和相关机构提供了一种更加贴近本地实际的电缆设计策略。通过这种方式，电缆系统的设计能够更好地适应当地的土壤条件，从而避免因土壤干燥而导致的电缆性能下降和热损增加。

研究团队还强调，电缆埋设深度的选择需要综合考虑多种因素，包括环境安全和电缆性能。虽然浅埋设可能在某些情况下提高电缆的热传导效率，但这也可能带来安全风险，如土壤侵蚀或电缆暴露于地面，对公众和环境构成潜在威胁。因此，在实际工程中，电缆的埋设深度需要在合理范围内进行优化，以确保电缆性能和安全性的平衡。此外，电缆埋设深度的变化也会对土壤热阻率产生影响，特别是在较深的土壤层中，由于土壤更加紧密和干燥，热阻率显著上升，从而进一步降低电缆的额定电流。

为了应对这些挑战，研究团队还提出了一个完整的电缆评级流程。该流程包括以下几个关键步骤：首先，根据负载需求和制造商数据选择合适的电缆型号；其次，对选定的电缆路径进行土壤热阻率测试，以获取准确的热传导数据；第三，根据土壤热阻率和环境温度的变化，确定电缆埋设深度；最后，利用开发的Excel计算工具，对电缆的电流承载能力进行计算，确保所选电缆能够满足实际运行需求。这一流程为电力公司提供了一种系统化的电缆设计方法，有助于提高电缆系统的可靠性，并减少因土壤干燥导致的性能损失。

研究还探讨了电缆性能与土壤干燥之间的复杂关系。土壤干燥不仅会增加热阻率，还会改变土壤的物理结构，例如降低土壤的含水量，从而影响其热传导能力。这种变化可能导致电缆表面温度升高，进一步加剧土壤干燥的程度，形成一个恶性循环。因此，电缆设计必须充分考虑土壤干燥的长期影响，特别是在干旱和半干旱地区。通过使用本地土壤作为回填材料，可以有效减少电缆运行过程中对环境的干扰，同时降低工程成本，提高电缆系统的经济性和可持续性。

在实际应用中，电缆的热性能不仅受到土壤干燥的影响，还可能受到其他因素的制约，例如土壤类型、季节性降雨模式和人为热源。这些因素可能会在不同时间和地点对电缆的运行条件产生不同的影响，因此，电缆设计需要具备一定的灵活性和适应性。为了实现这一目标，研究团队建议采用实时监测系统，如分布式温度传感（DTS）技术，以动态评估电缆运行时的温度变化，并根据实际情况调整电缆的负载和运行策略。这种做法不仅能够提高电缆系统的安全性，还能延长其使用寿命，减少因土壤干燥而导致的维护成本。

此外，研究还指出，尽管存在多种先进的电缆技术，如超导电缆和光纤监测技术，但在南非等资源有限的国家，这些技术的成本和技术门槛可能使得其难以大规模应用。因此，研究团队更倾向于采用本地化的方法，即利用本地土壤进行电缆回填，并结合实际条件进行电缆评级计算。这种方法不仅符合当地环境和经济条件，还能有效应对土壤干燥问题，提高电缆系统的运行效率。

综上所述，本研究为南非及其他类似环境下的地下电缆系统设计提供了一种切实可行的解决方案。通过结合IEC 60287标准和本地土壤测试数据，研究团队开发了一种电缆评级方法，能够有效应对土壤干燥带来的挑战。这一方法不仅提高了电缆系统的性能和安全性，还为电力公司提供了一种经济高效的电缆设计策略。未来的研究可以进一步探索土壤热动态在更长时间尺度上的变化，以及不同土壤类型和气候条件对电缆性能的影响，以完善现有的电缆评级方法，提高其适用性和准确性。