土壤对特高压海上输电线路的影响 - 海洋电力输电线路

风亥 · 发表于海洋技术专业 2024-5-1 07:06:08

通过地下电缆传输电力，受这些电缆周围土壤的热特性的影响很大。简单地说，低热阻的土壤（粒状土壤）可以使热量迅速消散，并允许在没有电缆烧毁威胁的情况下承载相对高功率的负荷。然而，除了那些与热导率/电阻率直接相关的特性外，在评估土壤的潜在热行为方面具有更大的意义。当考虑到石英的热欧姆电阻率为11，水为165，空气为4000时，就需要对热导率进行评估。

这些土壤可能没有足够高的渗透性，无法以足够大的速度补充损失的水分，以防止管道周围的关键区域干燥。如果这发生在水位影响区之上，可能会导致电缆烧毁。另一方面，如果有自由水的来源，可能会出现干燥-收缩-开裂和补充的循环，从而防止这种故障。其他的考虑因素（如温度和电缆的埋藏深度）与上面讨论的同样重要，表明在试图评估土壤的热行为之前，必须彻底了解影响热电阻率的所有因素（及其相互关联的性质）。

在面对海洋环境时，必须考虑到上面所讨论的其他问题。近岸的海洋和河口的土壤往往在短距离内呈现出水平和垂直的变化，热特性也有相应的变化。此外，这些地区的水力系统是一个高活性的系统，因此，会造成潜在的冲刷问题。对文献的回顾表明，就海上核电站传输电缆所需的调查规模而言，最先进的技术还处于开拓阶段。传统的陆地方法并不直接适用于海洋环境。在确定电阻率值时，没有美国测试和材料协会的标准可以遵循。本文对影响土壤热电阻率的一般因素进行了回顾。它的贡献在于它以土壤力学的方法来介绍研究结果。

影响土壤热电阻率的一般因素的讨论

影响土壤热性能的最重要因素是土壤的类型、密度、含水量和饱和度、埋藏深度和温度。下面将讨论这些重要的参数，自由土壤是一种由固体物质、液体和气体组成的三相介质。随后将讨论水和气体成分。在固相中，颗粒大小和矿物学组成都很重要。此外，为了优化对所获数据的使用，需要一个土壤分类系统。为了上述研究的目的，我们选择了统一土壤分类系统。土壤是根据实验室机械分析和Atterberg极限测试进行分类的。还对现场遇到的每种土壤类型进行了矿物学分析。

除了确定土壤的类型，颗粒大小和矿物含量也是进一步的问题。其意义在于，它们影响了土壤所能吸附的水量。这反过来又影响了土壤的热电阻率。因此，力学和矿物学分析有助于确定土壤的吸水潜力。被吸附的水的数量取决于土壤颗粒表面的固体几何形状及其物理化学特性，以及温度。粘土颗粒的比表面积（颗粒总表面积与固体总体积之比）比沙子颗粒大两到三个数量级。存在的粘土矿物的类型构成了一个进一步的考虑。蒙脱石粘土具有最大的吸水潜力，而高岭土的吸水潜力最小。伊利石介于蒙脱石和高岭石之间。总之，一旦通过机械和矿物学分析确定了土壤的主要特性，就可以考虑影响热电阻率的其他因素。

土壤密度的影响研究

土壤的密度对土壤的热电阻率有重要影响。土壤的密度不仅可能因自然因素而改变，如固结、收缩或膨胀，还可能因人为因素而改变，如人对原地土壤的压缩或干扰（如在电缆安装期间）。最小的电阻率是在单位体积内固体物质数量最多的情况下实现的。因此，再次考虑到石英的电阻率为11，水的电阻率为165，空气的电阻率为4000热欧姆，可以很容易地理解为最理想的假设土壤是完全由固体材料组成，例如石英，而不是由固体颗粒和这些颗粒之间的空隙填充空气。

在现实世界中，增加每单位体积的固体材料的数量自然不是减少热阻系数的唯一考虑因素，因为增加土壤密度也会减少土壤中的空隙体积。这反过来又降低了土壤的渗透性，导致潜在的水分流动减慢。在陆上设施的情况下，存在一些完全饱和的条件问题，最好考虑最佳的热密度。这样的密度将有助于每单位体积的高固体状态，同时保持足够大的渗透性，以便在电缆安装后发生明显的水分迁移时能够恢复水分。可以注意到，增加密度往往会导致在土壤中保持水分的毛细力增加。

因此，水分从电缆迁移出去的机会就会减少。另外，如前所述，如果土壤中存在蒙脱石，它将把水吸附在其相当松散的晶格结构中，任何试图增加由蒙脱石粘土和沙子组成的土壤混合物的密度的做法都会导致沙子颗粒因膨胀作用而被进一步分开，从而增加整个土壤的热阻系数。因此，在影响热阻值时，必须在增加单位体积的固体材料和减少土壤的可塑性之间做出妥协。

土壤水分含量和饱和度对电阻率的影响

总含水量是指在一定体积的土壤中，以干重的百分比表示的水的重量。饱和度被定义为水的体积占空隙体积的百分比。土壤湿度和饱和度的重要性与它们对热电阻率的直接和间接影响有关。直接的影响是，土壤中的水填补了土壤中固体颗粒之间可能存在的空气间隙。当我们再次比较水和空气的热电阻率时，空隙被水填满的优势马上就会显现。电阻率的最大降幅是在干燥状态到空隙饱和体积之间，而在干燥状态以上则变化很小。因此，可以看出，随着地下水位的接近，土壤电阻率几乎变得恒定。

土壤水分的一个间接影响是，它有助于通过增加土壤的压实度来提高密度。热梯度的存在导致了土壤水分的重新分配。这导致了水分含量的变化和热电阻率的相应变化。水分迁移的概念取决于水分在土壤空隙中以各种状态出现的事实。这些可以方便地分为：重力水，在重力的影响下，可以自由地通过土壤向下排到地下水位；毛细水，通过表面张力保持在土壤孔隙中；吸湿水，被吸附并紧紧地结合在土壤颗粒表面。在考虑水分重新分布或水分迁移时，应该强调两个要点：第一，处于上述任何一种状态的水都可能迁移；第二，迁移是水分的瞬时重新分布，而不是连续流动。迁移发生在一个含水量的范围内，下端以吸湿系数（吸湿范围的上限）为界，上端以现场容量（在重力作用下可容纳的最大水量）为界。

对许多土壤来说，吸湿系数约为0.37，枯萎系数约为0.54倍的水分当量。除了最粗的和一些更细的土壤，水分当量大约等于现场容量。当土壤的初始均匀含水量在这两个极限之间时，就会达到最大的水分迁移量。这个最大值大约发生在枯萎系数（水分含量低到足以导致植物枯萎）。由于人们认识到水分迁移的大小和数量受到土壤孔隙度和比表面积的极大影响，因此，这些参数也会影响迁移的方式。

这一假设得到了以下事实的支持：在水分含量接近塑性极限或最佳水分含量的情况下，薄膜移动在压实的粉砂粘土中更为典型，而气相移动似乎在潮湿的沙地中占主导地位。土壤含水量不可能在短时间内超过田间容量，但可以预计在一年中的相当长一段时间内保持在这一水平。对于放置在沙子中的海上电缆，渗透性应该足够大，并且会有足够的自由水来确保饱和条件。然而，对于陆上电缆来说，这不一定是真的，其他因素将在下一节讨论。由在饱和条件下，热电阻率的下限可能是通过确定饱和条件下土壤的热电阻率来确定。同样的，对于有可能出现水分迁移的地区，最糟糕的情况是土壤完全干涸。因此，热电阻率的上限是通过评估土壤在湿状态下的热电阻率来确定的。

输电线路的埋藏深度设计

与埋藏深度有关的最重要的热考虑因素是粒状土壤的地层可用性和地下水位的位置。沙子的高渗透性允许失去的水分被可用的自由水所恢复。当土壤的含水量达到现场容量时，水分迁移就不再是一个问题，可以使用低电阻率的设计值。地下水位的位置对输电线路的陆上延伸特别重要，因为如果可行的话，埋在地下的电缆应该放在地下水位的影响范围内，以确保损失的水分得到恢复。非热性考虑。自然的非热因素，如冲刷的可能性，使埋在地下的电缆暴露在强流或船锚的破坏性作用下，必须在为传输系统选择适当的设计深度时发挥重要作用。

除了热能方面的考虑外，输电电缆的安装设计应以沿海过程研究的综合方案为基础。在最后的设计中，如果不能实际实现埋设在抗冲刷层以下或最大估计冲刷极限以下，则应考虑其他办法，如将电缆远离最活跃的地区，或可能的话，稳定一个入口系统。温度电缆的工作温度是与安装在粘土中有关的一个重要考虑因素。如前所述，某些粘土材料具有吸附水的特性。这导致材料随着含水量的增加而膨胀。

相反，随着电缆周围温度的升高，在某些条件下，粘土材料会出现干燥，导致收缩和开裂。这反过来又会导致空气阻隔，抑制热流，大大增加这些土壤的热阻系数。在无法避免粘土（和淤泥）的情况下，最好是在电缆周围有一个有利于热的材料。如果电缆周围的土壤中存在粘土，则更有利于高岭土类型（因为这种矿物有一个刚性的非膨胀晶格结构，也有一个低基质交换能力，导致非膨胀材料）。

应该指出的是，上述粘土矿物的水亲和力受到温度的影响。水亲和力随着温度的升高而降低。就所分类的水的形式的水分迁移而言，毛细管水在土壤中最容易受到水分迁移的影响。吸湿水和毛细管水之间的分界线以吸湿系数为标志。吸湿系数又受电缆附近温度升高的影响。较高的温度可能导致吸湿水的含水量比实验室测试温度下的含水量小得多。因此，这可能会导致更高的热阻值，因为吸湿系数所设定的毛细水的下限现在比当时的温度低。电缆的设计温度很重要，因为一旦水分含量下降到现场容量以下，它就会建立起与周围土壤的热梯度。这时，水分迁移的速度是由温度梯度的大小控制。如果研究温度对热阻系数的影响而不考虑含水量等土壤特性的影响，就可以看出电缆的温度对周围土壤的影响。

研究项目的程序与运行

程序定向和数据收集促使本研究的项目涉及对拟议中的大西洋发电站的替代海底输电线路的调查，该发电站距离新泽西海岸约4.5公里。拟议的发电站将由两个独立的1150兆瓦机组组成，被封闭在一个保护性防波堤内。淹没的输电线路将延伸到现场和开关站之间，距离约为18公里。为可靠地确定划定的土壤地层的热特性而制定的程序必须考虑到（1）收集数据的技术，（2）将数据减少到有意义的数值，（3）选择有代表性的样本，（4）土壤的热测试，以及（5）将制定的结果处理成有意义的表述。

本文讨论的程序仅限于那些直接影响土壤热阻值的发展。工程土壤模型程序在确定了影响土壤热阻系数的一般变量后，研究中引入了一个工程土壤模型程序，以协调土壤热特性的整体评估。最初，这个概念提供了一个土壤类型和适当的工程参数的框架，以促进最经济地选择热测试的样本。通过将所有现有的取样和地震反射数据减少到一个方便的形式（即地下断面）来构建岩土模型。然后，通过参考关键位置的对照钻井（从这些钻井中提取未受干扰的样品）来量化定性数据。最后，数据被用于Kersten方程，以制定预期的热电阻率值范围。

这项研究的结果有助于监测正在进行的实验室计划。随着更多的实验室数据的出现，土壤的建模方法被逐步完善。使用的方法取决于物质的热电阻率和该物质内的线状热源的温度上升之间存在的关系。然后观察由特定的热输入所产生的温度-时间特性。如上所述，土壤的热电阻率取决于土壤的类型、密度、含水量、饱和度和埋藏深度等基本因素，所以每个样品都在不同的密度和含水量下进行测试。每个样品也都用粒度分析法进行了分类。实验室矿物学研究一个主要基于各种土壤成分的物理和已知热属性的分析计划已经展开。

同时，进行了机械和矿物学分析，以确定所选土壤样品的所有重要属性。利用这些数据，通过经验和理论程序，对每个土壤样本进行了热阻值分配。结果的展示和分析在热学研究的初始阶段，通过使用分析方法获得预期的热电阻率值范围。电阻率值是通过使用多达8种不同的方法从最初的一组样品中得出的。这项研究隔离了三种方法，一般来说，这三种方法都是基于经验方程的。基于经验的技术的优越性是可以预期的，因为理论方程是基于简化的，而且往往是不精确的关于土壤成分的大小、形状、排列和热流路径的假设。

在本研究中，Korsten和VanRooyen的经验方程所预测的热阻值与类似土壤类型、类似湿度和密度条件下的实验室测试结果最为一致。实验室热探计划包括对37个地点的样品进行216次测试。从热探针测试中得到的热电阻率值符合预期趋势。粒状土的热阻值比粘性土低，而有机土和泥炭土的热阻值最高。热电阻率值。表中列出了海上电缆沿线划定的土壤层的热电阻率值范围。应该强调的是，陆上电缆线路使用的数值略高，因为电缆可能位于地下水位的影响区之外。一般来说，所给范围的上限代表了土壤层可能达到的最差状态，而下限则是由自然状态下的土壤设定的。

所提供的数值范围提供了现实的指导方针，但要强调的是，在指定设计值之前，必须了解影响土壤热阻的因素。热探针测试的结果通过构建图表进行了关联。在密度不变的情况下，热电阻率与含水量的关系图显示了含水量和干密度对热电阻率的影响。

根据Kersten公式得出的数值，对实验室结果进行了检验。这是通过比较各种土壤类型的计算热电阻率和实际测量的热电阻率的比率来实现的。结果包括广泛的分散，但显示了一个明确的趋势。随着通过200号筛子的材料百分比的增加，Kersten的公式倾向于产生更准确的结果。一般来说，Kersten的粘土公式给出的电阻率值要比实验室的值高。从沙子的公式中得出的数值，对于松散的沙子来说，比实验室的数值要低，但是对于稠密的沙子来说，同样也会有较高的电阻率。为了尝试模拟回填条件，三个混合样本被用于准备和测试。

在这些测试中得到的电阻率值属于形成的土壤类型的预期值范围。简而言之，电阻率小于电阻率最高的成分的电阻率，但大于电阻率最低的成分的电阻率。关于从陆上电缆沿线的颗粒填料中提取的样品的热电阻率测定。但在现场测试中，其热电阻率值低于对类似材料的实验室测试。

造成这种差异的因素有以下几点：1、探头的直径与接触土壤颗粒的直径之比；这个比值越小，永恒土壤与探头理论中假设的均匀各向同性介质的偏差就越大。2、在这种情况下，较大的内表面和土壤体积的整合效应的现场探头。3、在自然土体中出现对流现象的机会更大，这将导致比相对缓慢的分子传导和扩散现象更有效的热传输。

研究收获

所描述的研究以评估拟议的（海上和陆上）电缆线路沿线遇到的土壤的热特性。该方法是在考虑了影响土壤热性能的变量后制定的。这个方法包括：（1）构建一个岩土模型（使用现有的取样和地震反射数据），以设计和监测实验室研究；（2）在实验室中确定土壤的热性能。(3)利用机械和矿物学分析的结果分析确定土壤的热特性。

沿着大西洋发电站可能的电缆线路发现的土壤包括：（1）干净的颗粒状沉积物（等级不高的石英砂）和（2）粘性材料（软至硬的粘土，含不同的沙子、淤泥和有机物含量，软粘土、淤泥和软有机物）。类似的材料存在于相对复杂的层间序列中，被认为是东海岸和海湾许多地区相当典型的情况，这两类土壤的热特性和行为差异很大，石英岩砂具有良好的热性能。此外，沙子有相对较高的渗透性，这有助于保持饱和状态。

另一方面，粘性材料显示出较高的热阻值。然而，更重要的是，它们在一段时间内有干燥的趋势（由于材料的渗透性不足以对抗水分的迁移），因此增加了电缆周围关键区域的热电阻率。因此，粘性材料（淤泥和粘土）和任何有机材料（泥炭）应尽可能地避免使用。在无法避免这些材料的地方，建议进一步开展工作，建立模拟埋地电缆热流的数学模型，以研究热对粘性土壤热特性的时间影响。

在电缆的陆上延伸中，如果存在有机材料（如穿过盐沼地区的线路），建议使用热设计回填。在地势较高的地区，在地下水位的影响区域，设计热值明显更有利。在电缆埋设方面，非热的考虑与预期冲刷的深度有关。要解决这个问题，对海岸进程的全面研究是至关重要的。理想的做法是将电缆埋在抗冲刷的粘性层下面的颗粒材料中。

最后，本研究表明（一旦沿着建议的路线建立了详细的岩土工程的土壤剖面），可以通过经济地从关键位置收集样品并通过实验室热探针进行测试来进行有意义的热评估项目。在测试的同时，通过比较实验室确定的数值和应用现有的技术所产生的数值，建立一个参考框架。