Nhiệt trở suất phổ biến của đất và bê tông

Tải tài liệu PDF tại đây

1.     Tại sao lại sử dụng đất đắp cho cáp chôn ngầm?

• Đất đắp là vật liệu được sử dụng để lấp các rãnh sau khi cáp chôn ngầm được đặt vào. Vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo khả năng tải dòng điện, độ tin cậy và tuổi thọ của cáp. Các chức năng chính của đất đắp bao gồm khả năng tản nhiệt hiệu quả, bảo vệ cơ học và giữ ổn định cáp khi chịu tác động từ bên ngoài.
• Đất tự nhiên là loại vật liệu đất đắp phổ biến, bao gồm việc tái sử dụng đất đã đào lên từ quá trình thi công. Đây là lựa chọn duy nhất khi lắp đặt cáp ngoài khơi bằng thiết bị cày cáp. Ở những khu vực có quy định cho phép, đất tự nhiên được sử dụng để đắp cho cáp trên đất liền với mức độ ẩm và độ nén phù hợp để tối ưu hóa khả năng tản nhiệt và ngăn ngừa sự dịch chuyển hay lún.
• Các lựa chọn thay thế cho đất tự nhiên bao gồm các loại đất đắp kỹ thuật, như cát ổn định, hỗn hợp cát-vữa (thường theo tỷ lệ 14:1) và các loại đất đắp lỏng, là sự pha trộn giữa cát, vữa, nước và các tác nhân khác.
• Cần lưu ý rằng đất đắp lỏng đang ngày càng trở thành lựa chọn ưa chuộng trong các lắp đặt hiện đại nhờ vào tính linh hoạt và khả năng giảm thiểu rủi ro hư hỏng cáp. Khác với các loại đất đắp truyền thống yêu cầu nén chặt, đất đắp lỏng có khả năng chảy xung quanh cáp, giảm thiểu áp lực cơ học và hư hỏng trong quá trình lắp đặt.
• Mặc dù chi phí cho một hệ thống đất đắp kỹ thuật được lắp đặt đúng cách cao hơn so với việc sử dụng đất tự nhiên, nhưng những lợi ích mang lại rất đáng kể, bao gồm việc tăng khả năng tải dòng điện của cáp (thường là rất lớn) nhờ vào độ chống nhiệt thấp, giảm tổn thất điện năng và tiết kiệm chi phí trong suốt vòng đời của hệ thống cáp, đồng thời bảo vệ cáp khỏi sự di chuyển độ ẩm (khô đất) nhờ vào độ ổn định nhiệt tốt.

2.     Nhiệt trở suất của đất tự nhiên

• Nhiệt trở suất của đất rất nhạy cảm với độ ẩm của đất, điều này phụ thuộc vào lượng mưa và sự di chuyển độ ẩm (sự khô của đất) do nhiệt lượng từ cáp gây ra.
• Đất bao gồm các hạt đất rắn, không gian khí và nước. Bảng 1 cung cấp thông tin về nhiệt trở suất điển hình của các vật liệu khác nhau. Các hạt đất có nhiệt trở suất từ 0,11 đến 1,7 K.m/W. Nhiệt trở suất của nước tĩnh là 1,65 K.m/W, và của không khí khoảng 40 K·m/W.

Bảng 1 – Nhiệt trở suất của vật liệu
Vật liệu	Nhiệt trở suất (K.m/W)
Thạch anh	0.11
Đá hoa cương	0.25-0.58
Đá vôi	0.45
Đá cát	0.58
Nhựa mica	1.7
Nước	1.65
Vật liệu hữu cơ	4 (ướt) to 7 (khô)
Không khí	40

• Bảng 2 cung cấp nhiệt trở suất của đất tại chỗ dựa trên độ ẩm của đất và điều kiện thời tiết (mưa). Việc quyết định nhiệt trở suất của đất sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá dòng điện của cáp là một thách thức. Một trong các lựa chọn là sử dụng các giá trị chuẩn hóa, ví dụ từ IEC 60287-3-1, nhưng những giá trị này không tính đến điều kiện đất địa phương, dẫn đến nguy cơ đáng kể là trong suốt vòng đời của cáp, nó có thể bị quá nhiệt.
• Trong quá trình thiết kế và lắp đặt hệ thống cáp, việc xác định đúng nhiệt trở suất của đất là rất quan trọng để đảm bảo cáp có thể hoạt động an toàn và hiệu quả, đặc biệt là khi đất có độ ẩm thay đổi hoặc các điều kiện thời tiết không ổn định. Nếu không tính toán đúng, cáp có thể gặp phải vấn đề về quá nhiệt, ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất của hệ thống điện.

Bảng 2 – Nhiệt trở suất của đất
Nhiệt trở suất (K.m/W)	Điều kiện đất	Điều kiện thời tiết
0.7	Rất ẩm	Liên tục ẩm
1.0	Ẩm	Mưa đều đặn
2.0	Khô	Hiếm khi mưa
3.0	Rất khô	Ít mưa hoặc không mưa

3.     Nhiệt trở suất của bê tông

• Bê tông thường được sử dụng làm vật liệu đắp nhiệt cho cáp điện ngầm cao thế nhờ vào các đặc tính nhiệt lý ưu việt của nó. Khác với đất, bê tông không bị di chuyển độ ẩm hay khô đi, giúp duy trì hiệu suất nhiệt ổn định theo thời gian.
• Nhiệt trở suất của bê tông được sử dụng làm vật liệu đắp cho cáp thường dao động từ 0,5 đến 1,0 K·m/W. Một số giá trị cụ thể bao gồm:
• Bê tông tiêu chuẩn: 0,6-1,0 K.m/W
• Bê tông đặc: 0,5-0,7 K.m/W
• Bê tông nhẹ: 1,0-1,5 K.m/W
• Một số nhà sản xuất cung cấp các sản phẩm bê tông chuyên dụng cho đắp cáp có nhiệt trở suất thấp hơn:
• Thermocrete: Sản phẩm cát kết dính xi măng có nhiệt trở suất thấp tới 0,33 K.m/W.
• Powercrete: Bê tông dẫn nhiệt hiệu suất cao với nhiệt trở suất rất thấp.
• Với nhiệt trở suất thấp và ổn định, bê tông là lựa chọn tuyệt vời làm vật liệu đắp cho cáp điện ngầm cao thế, cho phép các dòng điện cao hơn và hiệu suất lâu dài đáng tin cậy hơn so với việc sử dụng đất tự nhiên.

4.     Nhiệt trở suất của vật liệu đắp kỹ thuật

• Để cải thiện hiệu suất nhiệt của cáp và sức chịu cơ học của rãnh, một vật liệu đắp kỹ thuật được sử dụng để bao quanh cáp. Một vật liệu đắp kỹ thuật tốt bao gồm các thành phần vật liệu được phân loại mịn (dựa trên phân tích sàng) và được nén chặt. Vật liệu này nên có nhiệt trở suất ướt từ 0,35 đến 0,45 K.m/W và nhiệt trở suất khô từ 0,9 đến 1,1 K.m/W.
• Đối với một loại vật liệu đắp nhất định, mật độ khô có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt trở suất trong điều kiện hoàn toàn khô. Nhiệt trở suất của vật liệu đắp phụ thuộc vào độ ẩm. Các đặc tính của các vật liệu được sử dụng cho đắp được cung cấp trong bảng 3 dưới đây.

Bảng 3 – Nhiệt trở suất của đất và vật liệu đắp
Các loại đất hoặc vật liệu đắp	Độ ẩm bão hòa (ướt) (%)	Mật độ khô (kg/m3)	Nhiệt trở suất (K.m/W) Ướt	Nhiệt trở suất  (K.m/W) Khô
Đá sỏi mịn-thô	3-5	2150	0.5	2.5
Cát sỏi	7-15	2050	0.5	2
Cát mịn-thô	12-18	1900	0.5	1.7
Cát đồng nhất	12-18	1700	0.55	3.5
Bùn cát	15-25	1800	0.65	2.5
Bùn	15-25	1750	0.7	2.5
Bùn sét	20-30	1750	0.65	2
Sét nghèo	20-30	1700	0.75	2.5
Sét béo	30-40	1600	0.9	3.0
Bụi đá	9-12	2050	0.45	1.1

• Thông thường, vật liệu đắp kỹ thuật sẽ có kèm theo một đường cong khô nhiệt. Đường cong điển hình dưới đây cho thấy khi độ ẩm giảm, nhiệt trở suất sẽ tăng lên.

Đường cong khô nhiệt ví dụ của vật liệu đắp kỹ thuật

• Nhiệt trở suất của vật liệu đắp phụ thuộc vào mức độ nén chặt, điều này ảnh hưởng đến hàm lượng nước. Mức nén chặt cao giúp vật liệu đắp có hiệu suất nhiệt tốt hơn. Vật liệu đắp không thể thiếu nước; trong quá trình lắp đặt và nén xung quanh cáp, vật liệu phải được làm ẩm và không được để khô.
• Có một mức độ ẩm tối ưu đạt được mật độ tối đa. Đường cong độ ẩm so với mật độ của một loại vật liệu đắp cụ thể (xác định qua bài kiểm tra Proctor trong phòng thí nghiệm) sẽ cho biết mật độ tại mức độ ẩm tối ưu. Theo [tham khảo 3], độ ẩm tối ưu đối với các loại đất rời, không kết dính (như cát) thường dao động từ 8 đến 12%, và đất sẽ có độ ẩm khá cao.
• Mật độ tối đa trong đường cong dưới đây là 2120 kg/m³ tại độ ẩm 7.6%.

5.     Kết luận

• Việc xác định nhiệt trở suất của đất hoặc vật liệu đắp để sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá dòng điện của cáp là một thách thức không nhỏ. Suốt nhiều thập kỷ qua, các kỹ sư đã phải đối mặt với vấn đề này.
• Giám sát hiện trường bằng các thiết bị đo đạc có thể cung cấp thông tin hữu ích (với chi phí tương đối thấp) thông qua việc thu thập dữ liệu thực tế về nhiệt trở suất của đất và lượng mưa theo thời gian.
• Các mẫu đất tự nhiên và vật liệu đắp kỹ thuật cần được lấy mẫu và kiểm tra trong phòng thí nghiệm để phục vụ cho thiết kế hệ thống cáp.
• Cần đặc biệt chú ý đến tác động của việc làm khô đất (khô hạn) đối với khả năng chịu tải dòng điện của cáp. Nếu nhiệt độ hoạt động tối đa của dây dẫn vượt quá 70 độ C, thì nhiệt trở suất của vật liệu đắp bao quanh dây dẫn, nếu nằm trong vùng đồng nhiệt 50 độ C, sẽ phải được tính toán dựa trên độ ẩm 0% (hoàn toàn khô).
• Vật liệu đắp cần phải đáp ứng đúng yêu cầu sử dụng và được lắp đặt đúng cách, tức là phải được nén chặt một cách hợp lý nhưng vẫn đảm bảo độ cẩn thận.
• Nhiệt độ hoạt động của cáp có thể được theo dõi thông qua các cảm biến nhiệt phân tán (DTS) để ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt trong quá trình sử dụng cáp.