热传导-TC 土壤含水率与热传导的关系
土壤含水率与热传导的关系
电力通常通过离地式电线系统(比如电线杆、地面电塔)或地下电缆系统等进行传输和分配。早期设计的电力线属于离地式类型，其为几乎所有产业、企业与家庭等提供日常需电，尤其是在电网以外的偏远地区。直到1960年代中期，地下电缆系统才开始成为更受欢迎的配电选择。
▲(图一) 技术人员探查地下电缆示意图
地下电缆的热能传导，通过焦耳效应产生，这是电流通过导电体产生热能的物理效应。焦耳加热也称为电阻，用以描述电流能量在流经电阻材料时转化为热量的过程。通常在电缆上安装的安全措施，为确保在电流传输期间所产生的热量能够获得有效的散热，以防止因过热而产生的暂停运行甚或是损坏。不过即便在现有先进的电缆散热设计技术下，土壤热阻率也可能占地下电缆设计总热阻因素的一半以上。故土壤基质的五个主要特性已被公认为重要参数，特性包括石英含量、矿物含量、水浓度、有机质百分比和孔隙大小及数量。
针对土壤的热导率与热阻率，Thermtest设计优化且便利的携带型检测设备TLS-100。其采用瞬态热线源法，遵循ASTM-D5334、IEEE442-2017国际标准测试方法。并可在-40℃至100℃的样品环境中进行测试，可测得的热导值范围为0.1~5 W/m•K，热阻值为0.2~10 m•K/W。
▲(图三) TLS-100测试不同含水量的土壤
实验人员在土壤测试中，采用两种不同含水量的土壤样品，并在室温下进行实测。饱和度为0%的土壤样品，所测得的热导率读数为0.364 W/m·K；饱和度100%的土壤样品热导值则有显著提升，为1.59 W/m·K。经过反复的测试，每次的结果亦完全符合对 TLS-100所预期的再现性值。通过测试土壤在不同饱和度下的热导率，可以证明土壤的热导率很大程度上取决于其含水量，当然同时亦须考虑孔隙率、有机物含量和温度等物理特性。
▲(图一) 技术人员探查地下电缆示意图
地下电缆的热能传导，通过焦耳效应产生，这是电流通过导电体产生热能的物理效应。焦耳加热也称为电阻，用以描述电流能量在流经电阻材料时转化为热量的过程。通常在电缆上安装的安全措施，为确保在电流传输期间所产生的热量能够获得有效的散热，以防止因过热而产生的暂停运行甚或是损坏。不过即便在现有先进的电缆散热设计技术下，土壤热阻率也可能占地下电缆设计总热阻因素的一半以上。故土壤基质的五个主要特性已被公认为重要参数，特性包括石英含量、矿物含量、水浓度、有机质百分比和孔隙大小及数量。
在深入研究传热机制的技术细节中，重要的是空气的存在，其对热导率有着负面的影响。土壤和基板中存在孔隙或气泡会增加其热阻率，进而降低热导率。随着电阻的增加，在电缆周遭形成了更强的绝缘屏障，导致电缆过热的速度提升。而其实要解决这一灾难性问题，直观且简单快速的方法，就是增加土壤的含水量，从而提高其导热性。水，除了比空气具有更高的热导率，水分子还能够取代与填补存在中的气泡、孔隙。因此，了解在电缆周遭的土壤热阻率和热导率就显得极为重要。
针对土壤的热导率与热阻率，Thermtest设计优化且便利的携带型检测设备TLS-100。其采用瞬态热线源法，遵循ASTM-D5334、IEEE442-2017国际标准测试方法。并可在-40℃至100℃的样品环境中进行测试，可测得的热导值范围为0.1~5 W/m•K，热阻值为0.2~10 m•K/W。
▲(图三) TLS-100测试不同含水量的土壤
实验人员在土壤测试中，采用两种不同含水量的土壤样品，并在室温下进行实测。饱和度为0%的土壤样品，所测得的热导率读数为0.364 W/m·K；饱和度100%的土壤样品热导值则有显著提升，为1.59 W/m·K。经过反复的测试，每次的结果亦完全符合对 TLS-100所预期的再现性值。通过测试土壤在不同饱和度下的热导率，可以证明土壤的热导率很大程度上取决于其含水量，当然同时亦须考虑孔隙率、有机物含量和温度等物理特性。
| 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温下的热导差异
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