Nguồn điện thường được truyền và phân phối thông qua một trong hai cơ chế, hoặc qua đường dây điện trên không hoặc hệ thống cáp ngầm. Đường dây điện trên không là một thành phần quan trọng của cuộc cách mạng công nghiệp khi chúng hỗ trợ nỗ lực cung cấp điện cho hầu hết mọi hộ gia đình, ngay cả những hộ gia đình ở xa lưới điện. Các đường dây điện đầu tiên thuộc loại trên cao và phải đến giữa những năm 1960, hệ thống cáp ngầm mới bắt đầu trở thành một lựa chọn phổ biến hơn để phân phối điện. Thiết kế mang tính cách mạng này được sử dụng để thay thế nhiều đường dây trên không đặt tại các khu vực thường xuyên chịu thời tiết khắc nghiệt hoặc các hiện tượng địa chất có thể làm hỏng hệ thống điện trên mặt đất dễ dàng hơn so với việc các dây cáp này được bảo vệ bên dưới mặt đất. Thiệt hại này thường xảy ra trong các trận cuồng phong và bão có thể gây ra một số nguy cơ nghiêm trọng cho cư dân trong khu vực, thường gây ra tình trạng mất điện trên diện rộng và kéo dài. Mặc dù hệ thống cáp ngầm dường như là một giải pháp hoàn hảo cho một vấn đề không thể tránh khỏi liên quan đến điện trên không, nhiều khu vực vẫn do dự trong việc lắp đặt các hệ thống ngầm này do chúng cực kỳ tốn kém để lắp đặt cũng như đòi hỏi một lượng nghiên cứu và thử nghiệm đáng kể tùy thuộc vào các điều kiện của điều kiện môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng như thế nào đến việc truyền điện.
Hình 1: Lưới điện trên không
Cáp ngầm là gì ?
Hệ thống cáp ngầm gồm một cụm có một hoặc nhiều dây dẫn điện được cách điện riêng lẻ, thường được bó lại với nhau bằng một lớp vỏ bọc tổng thể. Cáp ngầm có thể truyền tải điện năng qua các khu vực đông dân cư hoặc các khu vực có đất đai tốn kém hoặc được bảo vệ môi trường. Nhiều khu vực sử dụng hệ thống cáp ngầm để vượt qua các vùng nước lớn hoặc nếu khu vực đó trải qua các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt như mưa lớn, tuyết hoặc gió bão. Các quy trình liên quan đến việc di chuyển các cáp tiện ích hiện có từ vị trí hiện tại của chúng trên mặt đất đến một đường hầm được bảo vệ bên dưới mặt đất được gọi là hạ ngầm. Các hệ thống cáp ngầm cải tiến này có nhiều ưu điểm, một số ưu điểm bao gồm giảm nguy cơ hỏa hoạn, giảm phạm vi phát xạ trường điện từ, ít nguy hiểm hơn đối với động vật hoang dã và giảm nguy cơ thiệt hại do tác động của con người. Mặc dù có rất nhiều đặc quyền, nhưng cáp ngầm cũng đi kèm với những bất lợi của chúng, hầu hết trong số đó được nhiều công ty điện lực Mỹ coi là vượt trội hơn so với mặt tích cực. Một số nhược điểm nổi bật nhất bao gồm giá cao liên quan đến hệ thống cáp chôn, được ước tính có giá trung bình $ 750 USD cho mỗi foot, so với cáp trên cao trung bình $ 70 USD cho mỗi foot. Một nhược điểm khác của cáp ngầm là tốn nhiều thời gian và công sức để sửa đường dây điện bị hư hỏng. So với việc tìm ra điểm đứt đường dây điện trên không, thường chỉ mất vài giờ đồng hồ, việc xác định và sửa chữa một đường dây cáp ngầm bị đứt có thể cực kỳ khó khăn và các công ty sửa chữa điện cần từ vài ngày đến vài tuần để giải quyết vấn đề.
Hình 2: Công nhân sửa chữa dây điện trên cao
Ảnh hưởng của đất đến cáp ngầm
Mặc dù có nhiều nhược điểm, nhiều khu vực và công ty điện lực đã đạt được thành công đáng kể và giảm chi phí điện năng tổng thể sau khi lắp đặt cáp ngầm. Trong hầu hết các trường hợp, mức độ thành công không được xác định bởi cấu trúc và thiết kế của chính cáp điện mà bởi chất nền mà chúng được lắp đặt. Kiến thức liên quan đến đặc tính nhiệt của đất xung quanh được nhiều người gọi là “vật lý đất” là trở nên vô cùng quan trọng đối với một kỹ sư điện vì đất là một trong những biến số gây nhiễu nhất có thể có tác động đáng kể đến hiệu suất tổng thể của hệ thống cáp ngầm. Độ dẫn nhiệt của đất có ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ truyền nhiệt xảy ra giữa dây cáp điện và môi trường xung quanh chúng, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và tuổi thọ của chính dây cáp điện. Nếu cáp được lắp đặt trong chất nền có đặc tính nhiệt không mong muốn, cáp và hệ thống truyền tải điện có thể nhanh chóng bị hỏng, thậm chí dễ bị hư hỏng khi sử dụng lâu và có khả năng không thể phục hồi.
Hình 3: Kỹ thuật viên sửa chữa cáp ngầm qua nắp hố ga
Truyền nhiệt trong cáp ngầm
Nhiệt được tạo ra trong cáp điện thông qua một cơ chế được gọi là hiệu ứng Joule. Đây là hiệu ứng vật lý khi dòng điện đi qua vật dẫn điện tạo ra năng lượng nhiệt. Nhiệt năng được tạo ra sau đó được truyền qua vật liệu dẫn điện gây ra sự gia tăng nhiệt độ và sản lượng điện. Gia nhiệt joule còn được gọi là gia nhiệt điện trở hoặc nhiệt điện trở, mô tả quá trình mà năng lượng của dòng điện được chuyển đổi thành nhiệt khi nó chạy qua vật liệu điện trở. Gia nhiệt Joule, cùng với các biện pháp an toàn khác khi lắp đặt cáp, nêu rõ lý do tại sao khảo sát nhiệt trở kháng và độ dẫn điện của đất xung quanh dây dẫn là rất quan trọng để xác định xem nó sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sự tản nhiệt từ cáp trong quá trình truyền dòng điện.
Tính chất nhiệt của đất
Không cần nhiều kiến thức chuyên môn về chủ đề kỹ thuật nhiệt để hiểu rằng khi dòng điện chạy qua vật dẫn, nó sẽ tạo ra nhiệt. Khi cáp điện tạo ra nhiệt, nó cần phải truyền nhiệt này đi khắp môi trường xung quanh mát hơn, nếu không, nó có thể có nguy cơ trở nên quá nóng và không còn truyền điện hiệu quả. Nhiệt độ cáp tăng vừa phải thường được đưa vào thiết kế của cáp nhưng nhiệt độ cao hơn dải này có thể dẫn đến các sự kiện thảm khốc. Phần lớn các tính toán chi tiết liên quan đến việc thiết kế chính xác một hệ thống cáp ngầm đã được biết đến trong hơn 60 năm và hầu hết các tính toán này có thể được thực hiện bằng tay. Ngày nay, hầu hết các kỹ sư sử dụng các hệ thống mô hình máy tính phức tạp thông số vật lý và định hướng chi tiết hơn để đảm bảo tính đồng nhất của hệ thống tổng thể cao hơn. Ngay cả trong những hệ thống được thiết kế phức tạp nhất, nhiệt trở suất của đất có thể chiếm hơn một nửa tổng số điện trở nhiệt được xem xét trong quá trình thiết kế cáp ngầm. Năm đặc tính chính của nền đất đã được các trường đại học chấp nhận là các thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hệ thống cáp ngầm. Các đặc tính của đất này là hàm lượng thạch anh, sự hiện diện của các khoáng chất trong đất, nồng độ nước, tỷ lệ chất hữu cơ và lượng không gian lỗ rỗng có sẵn.
Hình 4: Hình ảnh mô tả dây điện cao thế chạy ngầm
Không đi quá sâu vào các kỹ thuật của các cơ chế truyền nhiệt đang diễn ra bên dưới chân chúng ta, điều quan trọng cần lưu ý là sự hiện diện của không khí có một trong những tác động tiêu cực nhất đến độ dẫn nhiệt của hệ thống. Độ dẫn nhiệt mô tả khả năng truyền nhiệt hiệu quả của một vật chất. Nếu vật liệu này nóng hơn môi trường xung quanh và có tính dẫn nhiệt cao, nó sẽ nhanh chóng tản nhiệt ra xung quanh. Sự hiện diện của bọt khí hoặc lỗ rỗng trong đất sẽ làm tăng nhiệt trở kháng của đất, do đó làm giảm độ dẫn nhiệt của đất. Sự gia tăng điện trở này do môi trường xung quanh tạo ra sẽ tạo ra một rào cản cách điện mạnh hơn cho nhiệt thoát ra khỏi dây dẫn điện nóng. Càng có nhiều bọt khí trong chất nền, rào cản càng mạnh và dây cáp sẽ quá nhiệt nhanh hơn.
Một giải pháp nhanh chóng cho vấn đề tai hại này là tăng hàm lượng nước trong đất, dẫn đến tăng hệ số dẫn nhiệt. Nước tự nhiên có độ dẫn nhiệt cao hơn không khí, vì vậy việc thay thế bọt khí bằng các phân tử nước được xem là giải pháp thuận tiện để tản nhiệt nhiều hơn từ cáp ngầm. Ở nhiều vùng, điều này nói dễ hơn làm. Tùy thuộc vào loại đất, sự thấm nước có thể ảnh hưởng ít hoặc không ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt tổng thể của đất. Chất hữu cơ chỉ là một ví dụ về vật liệu không muốn tăng độ dẫn nhiệt vì ngay cả những chất hữu cơ bão hòa nhất cũng ít làm tăng khả năng truyền nhiệt khi hàm lượng nước tăng lên. Đất có hàm lượng sét cao đặt ra một thách thức khác đối với việc tản nhiệt vì chúng nhanh chóng nứt ra khi khô, làm tăng đáng kể lượng khoảng trống. Mặt khác, nếu đất có nhiều thạch anh, nó sẽ hiển thị khả năng dẫn nhiệt cao hơn đáng kể. Thạch anh hoạt động như một chất hỗ trợ truyền nhiệt và có thể được kết hợp vào các khu vực có thể phải vật lộn với tình trạng quá nhiệt của cáp thường xuyên do một số điều kiện đất đã đề cập trước đó.
Hình 5: Đất sét khô với nhiều vết nứt và có không khí
Kết luận
Đặc tính nhiệt của đất chắc chắn đóng một vai trò quan trọng trong việc quyết định sự thành công chung của một hệ thống cáp ngầm. Trước khi lắp đặt bất kỳ hệ thống điện nào, các kỹ sư cần phải xem xét nhiệt lượng tạo ra bởi một dây dẫn điện sẽ được tiêu tán như thế nào để đảm bảo rằng hệ thống không bị hỏng hoặc ngừng hoạt động hoàn toàn. Nếu các nghiên cứu bổ sung được tiến hành liên quan đến tính dẫn nhiệt của vật liệu đất trước khi lắp đặt cáp, thì ngược lại, nó sẽ tiết kiệm cho cơ quan quản lý địa phương một khoản tiền và thời gian đáng kể về sửa chữa và chi phí lao động thủ công thường liên quan đến hệ thống điện ngầm các hệ thống. Việc lắp đặt các hệ thống này theo khu vực cụ thể và phù hợp hơn sẽ giúp các nhà cung cấp tối ưu hóa chi phí và dẫn đến nhiều khu vực triển khai mạng lưới cáp rộng lớn này để thay thế các đường dây điện nguy hiểm trên không.
Tổng hợp
