DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91831-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40025291
تاريخ النشر: 2025-03-01
المؤلف: Shahbaz Ahmad وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الحراري في نقل الطاقة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في السلوك الحراري لكابلات الطاقة تحت الأرض ذات الجهد العالي، مع التركيز على تأثير ديناميات درجة حرارة العزل بسبب تسخين جول في ظروف التربة المتغيرة. من خلال تجارب مختبرية تحاكي كل من بيئات الرمل الجاف والمشبع تحت أحمال حرارية دورية وثابتة، تكشف الدراسة عن رؤى حاسمة حول آليات تبديد الحرارة. من الجدير بالذكر أن التحميل الحراري الدوري في الرمل الجاف يؤدي إلى تأثير شحن حراري يقلل من قدرة الرمل على تبديد الحرارة، بينما يعزز الرمل المشبع كفاءة التبريد من خلال الحمل الحراري المدفوع بالطفو بعد تسخين مطول. ومع ذلك، فإن تشكيل تركيزات حرارة محلية في الظروف المشبعة يشكل تحديات لأداء الكابل.
تؤكد النتائج على أهمية رطوبة التربة في الإدارة الحرارية لأنظمة الطاقة، مما يشير إلى أن استراتيجيات التصميم الفعالة يجب أن تأخذ في الاعتبار هذه الديناميات لمنع النقاط الساخنة وتحسين نقل الحرارة. تسلط الدراسة الضوء على التطبيقات المحتملة لهذه الرؤى في تحسين تصميم كابلات الطاقة تحت الأرض واستراتيجيات الإدارة الحرارية، لا سيما في شبكات الطاقة المستدامة. من خلال فهم آليات نقل الحرارة المميزة في ظروف التربة المختلفة، يمكن للمهندسين تعزيز موثوقية وكفاءة البنية التحتية للطاقة، مما يدعم في النهاية الانتقال إلى ممارسات الطاقة الأكثر نظافة.
طرق
تضمنت الإعدادات التجريبية صندوق اختبار مستطيل measuring 1800 mm in length, 1000 mm in width, and 1200 mm in height, مصمم لدراسة زمن الاسترخاء تحت ظروف مشبعة. كان الحاوية تحتوي على وجوه زجاجية أكريليكية واضحة للرؤية وكانت مرتفعة عن الأرض باستخدام ألواح خشبية وأوراق مطاطية لتقليل فقد الحرارة. تم تحضير الرمل الجاف عن طريق تجفيفه في الفرن عند 105 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لإزالة الرطوبة، وتم وضعه في الصندوق لضمان الضغط المناسب والحفاظ على مواضع الثيرموكوبل، محققًا كثافة قدرها 1.65 جرام/سم³ لمنع الاستقرار أثناء التشبع.
تم تنفيذ التشبع باستخدام نهج من الأسفل إلى الأعلى، مع استخدام أربعة أنابيب مطاطية مرنة لتسهيل تدفق الماء وإزالة الهواء المحبوس من مسام الرمل. تم تطبيق مادة مانعة للتسرب مائية متاحة تجاريًا لمنع التسرب، وتم تغطية الحاوية بأوراق ألومنيوم رقيقة لتقليل فقد الحرارة. تم تضمين مخرج تصريف أيضًا لإدارة المياه الزائدة. يسمح هذا الإعداد بالمراقبة الدقيقة وجمع البيانات، متماشيًا مع المنهجيات التي تم وضعها في الدراسات السابقة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة حول مواد العزل تحت ظروف حرارية متغيرة إلى أن العوامل البيئية، وخاصة التغيرات الموسمية، تؤثر بشكل كبير على أداء العزل. تسلط الدراسة الضوء على أنه خلال الصيف، تؤدي درجات الحرارة المحيطة المرتفعة إلى زيادة تراكم الحرارة، مما يقلل من كفاءة العزل. في المقابل، تؤدي ظروف الشتاء إلى إبطاء تبديد الحرارة، مما يؤثر على أوقات الاسترخاء الحراري وقد يزيد من الضغط الحراري على المواد.
بالإضافة إلى ذلك، كان تأثير محتوى رطوبة التربة على الموصلية الحرارية واضحًا في اختبارات التحميل الحراري الثابت. وُجد أن ظروف التربة المشبعة تعزز من تبديد الحرارة، بينما أدت الظروف الجافة إلى تراكم حرارة محلي. استخدمت الدراسة كل من اختبارات التحميل الحراري الديناميكي والثابت، حيث تضمنت الاختبارات الديناميكية عدة دورات تسخين-تبريد وأوقات استرخاء حرارية متغيرة، بينما كانت الاختبارات الثابتة تقيم السلوك على المدى الطويل تحت ظروف جافة ومشبعة. تم تنظيم النتائج في قسمين فرعيين، يركزان على التحميل الحراري الديناميكي مع الرمل الجاف والتحميل الحراري الثابت مع كل من الرمل الجاف والمشبع، مما يوفر فهمًا شاملاً للأداء الحراري لمواد العزل.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم لأنظمة كابلات الطاقة تحت الأرض (UGPS) في نقل الطاقة الحديثة، لا سيما في التخفيف من التحديات البيئية المرتبطة بالخطوط الهوائية. تؤكد الدراسة على أهمية فهم السلوك الحراري والميكانيكي لـ UGPS، حيث إن تبديد الحرارة الفعال ضروري للحفاظ على سلامة وأداء هذه الأنظمة. تحدد البحث العوامل الرئيسية التي تؤثر على الأداء الحراري، مثل خصائص التربة الحرارية، محتوى الرطوبة، والظروف البيئية، بينما تتناول قيود النماذج النظرية الحالية التي غالبًا ما تفترض التوازن الثابت. تشير النتائج إلى أن التحليل الحراري الديناميكي يمكن أن يعزز القدرة على حمل التيار (ampacity) لـ UGPS، لا سيما تحت ظروف تشغيل متغيرة.
تستخدم الطريقة التجريبية المعتمدة في هذه الدراسة اختبارات على نطاق واسع للتحقيق في السلوك الحراري لـ UGPS في كل من ظروف التربة الجافة والمشبعة. تكشف النتائج عن رؤى هامة حول آليات تبديد الحرارة، بما في ذلك تشكيل خلايا الحمل في التربة المشبعة، والتي يمكن أن تؤثر على الأداء الحراري للكابلات. تنتقد الدراسة أيضًا قيود الأبحاث السابقة، التي غالبًا ما اعتمدت على افتراضات ثابتة، وتدعو إلى منظور ديناميكي يأخذ في الاعتبار الظروف الواقعية. بشكل عام، تسهم النتائج في تحسين أداء UGPS وتوفر أساسًا للتحقيقات المستقبلية في سلوك التربة غير المشبعة، مما يعزز كفاءة واستدامة أنظمة نقل الطاقة تحت الأرض.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91831-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40025291
Publication Date: 2025-03-01
Author(s): Shahbaz Ahmad et al.
Primary Topic: Thermal Analysis in Power Transmission
Overview
The research investigates the thermal behavior of high-voltage underground power cables, focusing on the influence of insulation temperature dynamics due to joule heating in varying soil conditions. Through laboratory experiments simulating both dry and saturated sand environments under cyclic and static thermal loads, the study reveals critical insights into heat dissipation mechanisms. Notably, cyclic thermal loading in dry sand leads to a thermal charging effect that diminishes the sand’s heat dissipation capacity, while saturated sand enhances cooling efficiency through buoyancy-driven convection after prolonged heating. However, the formation of localized heat concentrations in saturated conditions poses challenges for cable performance.
The findings underscore the importance of soil moisture in thermal management for energy systems, suggesting that effective design strategies must account for these dynamics to prevent hot spots and optimize heat transfer. The study highlights the potential applications of these insights in improving underground power cable design and thermal management strategies, particularly in sustainable energy networks. By understanding the distinct heat transfer mechanisms in different soil conditions, engineers can enhance the reliability and efficiency of energy infrastructure, ultimately supporting the transition to cleaner energy practices.
Methods
The experimental setup involved a rectangular test box measuring 1800 mm in length, 1000 mm in width, and 1200 mm in height, designed for studying relaxation time under saturated conditions. The container featured clear acrylic glass faces for visibility and was elevated from the ground using wooden planks and rubber sheets to minimize heat loss. Dry sand, prepared by oven-drying at 105°C for 24 hours to eliminate moisture, was layered in the box to ensure proper compaction and maintain thermocouple positions, achieving a density of 1.65 g/cm³ to prevent settlement during saturation.
Saturation was implemented using a bottom-to-top approach, employing four flexible rubber pipes to facilitate water flow and remove trapped air from the sand’s intergranular pores. A commercially available water sealant was applied to prevent leakage, and the container was covered with thin aluminum sheets to reduce heat loss. A drainage outlet was also included to manage excess water. This setup allows for precise observation and data acquisition, aligning with methodologies established in previous studies.
Results
The results of the study on insulation materials under varying thermal conditions indicate that environmental factors, particularly seasonal variations, significantly influence insulation performance. The research highlights that during summer, higher ambient temperatures lead to increased heat accumulation, thereby diminishing insulation efficiency. In contrast, winter conditions slow heat dissipation, affecting thermal relaxation times and potentially increasing thermal stress on the materials.
Additionally, the impact of soil moisture content on thermal conductivity was evident in the static thermal loading tests. Saturated soil conditions were found to enhance heat dissipation, while dry conditions resulted in localized heat buildup. The study employed both dynamic and static thermal loading tests, with the dynamic tests involving multiple heating-cooling cycles and varying thermal relaxation times, and the static tests assessing long-term behavior under dry and saturated conditions. The findings are organized into two subsections, focusing on dynamic thermal loading with dry sand and static thermal loading with both dry and saturated sand, providing a comprehensive understanding of the thermal performance of insulation materials.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the critical role of underground power cable systems (UGPS) in modern energy transmission, particularly in mitigating environmental challenges associated with overhead lines. The study emphasizes the importance of understanding the thermal and mechanical behavior of UGPS, as efficient heat dissipation is essential for maintaining the integrity and performance of these systems. The research identifies key factors influencing thermal performance, such as soil thermal properties, moisture content, and environmental conditions, while addressing the limitations of existing theoretical models that often assume static equilibrium. The findings suggest that dynamic thermal analysis could enhance the current-carrying capacity (ampacity) of UGPS, particularly under varying operational conditions.
The experimental approach employed in this study utilizes large-scale testing to investigate the thermal behavior of UGPS in both dry and saturated soil conditions. The results reveal significant insights into heat dissipation mechanisms, including the formation of convection cells in saturated soils, which can impact the thermal performance of cables. The study also critiques the limitations of previous research, which often relied on static assumptions, and advocates for a dynamic perspective that considers real-world conditions. Overall, the findings contribute to optimizing UGPS performance and provide a foundation for future investigations into the behavior of unsaturated soils, thereby enhancing the efficiency and sustainability of underground energy transmission systems.