Soil Thermal Resistivity Test คืออะไร วัดอะไรได้?
ค่าความต้านทานความร้อนของดิน (Soil Thermal Resistivity, ρth) คือคุณสมบัติที่บอกว่าดินขัดขวางการไหลของความร้อนมากน้อยเพียงใด หน่วยคือเมตร-เคลวินต่อวัตต์ (m·K/W) ส่วนกลับของค่านี้คือค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity, k) หน่วยวัตต์ต่อเมตร-เคลวิน (W/m·K) ค่าความต้านทานยิ่งต่ำ ดินยิ่งพาความร้อนออกจากสายไฟฟ้าได้เร็ว
ปัจจัยที่ควบคุมค่านี้คือปริมาณความชื้น ความหนาแน่น ชนิดและขนาดเม็ดดิน และองค์ประกอบแร่ น้ำนำความร้อนได้ดีกว่าอากาศประมาณ 25 เท่า ดินอิ่มน้ำจึงระบายความร้อนดีกว่าดินแห้งชนิดเดียวกันหลายเท่า ดินที่มีเม็ดแร่ควอตซ์มากก็นำความร้อนได้ดีกว่าดินเหนียวหรือดินอินทรีย์ การเดาค่าจากชนิดดินที่เห็นด้วยตาจึงคลาดเคลื่อนได้มาก
ออกแบบพิกัดกระแสของสายส่งและสายจำหน่ายไฟฟ้าใต้ดิน 22 kV / 115 kV ขึ้นไป · สายเคเบิลใต้ดินของสถานีไฟฟ้าย่อย โรงไฟฟ้า และโซลาร์ฟาร์ม · สายส่งออกจาก Data Center และนิคมอุตสาหกรรม · เลือกและตรวจรับวัสดุถมกลบร่องสาย (Thermal Backfill) · ท่อส่งความร้อนและระบบแลกเปลี่ยนความร้อนใต้ดิน (Ground Heat Exchanger) · ประเมินความเสี่ยงดินแห้งรอบสาย (Moisture Migration / Dry-out)
ทำไมสายไฟฟ้าใต้ดินต้องรู้ค่าความร้อนของดิน?
สายไฟฟ้าทุกเส้นมีความร้อนเกิดขึ้นขณะจ่ายกระแสตามกฎ I²R สายที่เดินในอากาศระบายความร้อนออกได้ง่าย แต่สายที่ฝังดินต้องพึ่งดินรอบ ๆ เป็นทางระบายความร้อนเพียงทางเดียว ถ้าดินระบายความร้อนได้ช้า อุณหภูมิตัวนำจะสูงขึ้นจนเกินขีดจำกัดของฉนวน (ทั่วไปคือ 90°C สำหรับฉนวน XLPE) ผู้ออกแบบจึงต้องลดกระแสที่ยอมให้ไหลลง หรือเปลี่ยนไปใช้สายขนาดใหญ่ขึ้น
มาตรฐานที่ใช้คำนวณพิกัดกระแสของสายเคเบิลคือ IEC 60287 ซึ่งใช้ตัวแปรสองตัวจากดินโดยตรง คือ ค่าความต้านทานความร้อนของดิน และอุณหภูมิดินตามธรรมชาติที่ระดับวางสาย (Ambient Ground Temperature) ค่าที่ใส่ในสูตรผิดไปเพียงเล็กน้อยก็ทำให้พิกัดกระแสคลาดเคลื่อนตามไปด้วย ตัวอย่างเช่น การใช้ค่าอ้างอิงทั่วไปประมาณ 1.0 m·K/W ทั้งที่ดินจริงมีค่า 1.7 m·K/W จะทำให้สายรับกระแสได้น้อยกว่าที่คำนวณไว้ และร้อนเกินกำหนดเมื่อจ่ายโหลดเต็ม
ความร้อนจากสายไฟฟ้าจะไล่ความชื้นในดินรอบสายออกไป ดินที่แห้งลงมีค่าความต้านทานความร้อนสูงขึ้น ทำให้สายร้อนขึ้นอีกและไล่ความชื้นออกมากขึ้นเป็นวงจร เป็นสาเหตุหนึ่งของความเสียหายของสายเคเบิลใต้ดินแรงสูง IEEE Std 442 จึงแนะนำให้ประเมินค่าความต้านทานความร้อนทั้งในสภาพความชื้นธรรมชาติและสภาพแห้ง เพื่อให้ผู้ออกแบบเผื่อกรณีวิกฤตได้
ภาพ 3 มิติด้านล่างแสดงว่าความร้อนจากสายต้องไหลผ่านวัสดุถมกลบและดินเดิมก่อนออกสู่ผิวดิน และชี้ว่าค่าจากการทดสอบในบทความนี้เข้าไปอยู่ตรงไหนของการคำนวณพิกัดกระแส
Ambient Temperature Test (ATT) คืออะไร ทำไมต้องวัดต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง?
Ambient Temperature Test คือการวัดอุณหภูมิดินตามสภาพแวดล้อมธรรมชาติ ณ ระดับที่จะวางสาย โดยติดตั้งหัววัดอุณหภูมิต่อกับเครื่องบันทึกข้อมูล (Data Logger) แล้วบันทึกต่อเนื่องไม่น้อยกว่า 24 ชั่วโมง ทุก 10 นาที ผลที่ได้คือกราฟอุณหภูมิเทียบกับเวลา และค่าสรุปสี่ตัวคือ อุณหภูมิต่ำสุด (Tmin) สูงสุด (Tmax) เฉลี่ย (Tavg) และช่วงการเปลี่ยนแปลง (ΔT = Tmax − Tmin)
เหตุผลที่ต้องวัดจริงแทนการใช้อุณหภูมิอากาศคือ อุณหภูมิดินที่ระดับ 1–3 เมตรไม่ได้แกว่งตามอากาศแบบวันต่อวัน แต่มีค่าใกล้เคียงอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นที่และเปลี่ยนช้าตามฤดูกาล IEC 60287-3-1 กำหนดให้ใช้อุณหภูมิดินที่ระดับวางสายเป็นเงื่อนไขอ้างอิง เพราะเป็นอุณหภูมิพื้นฐานที่สายต้องระบายความร้อนออกไปสู่ดินรอบข้าง ดินร้อนกว่าที่สมมติไว้ 5°C หมายถึงระยะห่างระหว่างอุณหภูมิดินกับขีดจำกัดของฉนวนหดลง 5°C โดยตรง
ขั้นตอนทดสอบหน้างานทำอย่างไร?
งานสนามหนึ่งจุดใช้เวลาประมาณ 2 วัน เพราะต้องรอเก็บข้อมูลอุณหภูมิให้ครบ 24 ชั่วโมง ลำดับงานที่ SPN ใช้เป็นดังนี้
1. กำหนดตำแหน่งและขุดเปิดหลุมถึงระดับวางสาย
ตำแหน่งทดสอบกำหนดตามแนววางสายในแบบ ก่อนขุดต้องตรวจสอบสาธารณูปโภคใต้ดินเดิม เช่น ท่อ สายไฟ และฐานรากเสาไฟฟ้า จากนั้นขุดเปิดหลุมด้วยรถขุดขนาดเล็กหรือแรงคนจนถึงระดับที่กำหนด โครงการที่ยกตัวอย่างในบทความนี้ใช้ระดับ 3.0 เมตรจากผิวดินเดิม เพราะเป็นระดับใกล้เคียงแนววางสายส่ง 115 kV
2. ติดตั้ง Thermal Needle Probe และวัดค่า STR
หัววัดความร้อนแบบเข็ม (Thermal Needle Probe) เป็นเข็มโลหะที่มีลวดให้ความร้อนและตัวตรวจวัดอุณหภูมิอยู่ภายใน ช่างจะเสียบเข็มลงในดินก้นหลุมให้แนบสนิท ไม่มีช่องว่างอากาศ แล้วจ่ายพลังงานความร้อนคงที่เข้าสู่ดิน พร้อมบันทึกอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตามเวลาจนได้ช่วงข้อมูลที่เหมาะสมสำหรับวิเคราะห์ วิธีนี้เรียกว่า Transient Line Heat Source ตาม ASTM D5334 และ IEEE Std 442
3. คำนวณค่าการนำความร้อนจาก Line-Source Theory
เมื่อจ่ายความร้อนคงที่ q (W/m) เข้าสู่แหล่งกำเนิดเชิงเส้น อุณหภูมิของเข็มจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเมื่อพล็อตเทียบกับ ln(เวลา) ความชันของเส้นนี้ให้ค่าการนำความร้อนของดินโดยตรง
k = (q / 4π) × [ln(t2/t1) / (T2 − T1)] และ ρth = 1 / k
เมื่อ k = ค่าการนำความร้อน (W/m·K) · q = อัตราการให้ความร้อนต่อความยาวเข็ม (W/m) · T1, T2 = อุณหภูมิที่เวลา t1, t2 · ρth = ค่าความต้านทานความร้อน (m·K/W)
ตัวอย่างจากงานจริง: จุดที่ 1 ได้ k = 0.725 W/m·K → ρth = 1 / 0.725 = 1.381 m·K/W
4. ติดตั้งหัววัดอุณหภูมิและกลบหลุม บันทึกต่อเนื่อง 24 ชั่วโมง
หลังวัด STR เสร็จ ช่างจะติดตั้งหัววัดอุณหภูมิพร้อมเครื่องบันทึกข้อมูลไว้ที่ระดับเดียวกัน กลบดินคืนเพื่อให้หัววัดอยู่ในสภาพแวดล้อมใกล้เคียงสภาพจริง แล้วปล่อยให้บันทึกทุก 10 นาทีเป็นเวลาไม่น้อยกว่า 24 ชั่วโมง เครื่องบันทึกต้องตรวจสอบเวลาให้ตรงกัน หากนาฬิกาของเครื่องคลาดเคลื่อนต้องปรับแก้ก่อนนำข้อมูลมาวิเคราะห์ เช่น โครงการตัวอย่างพบเครื่องบันทึกจุดที่ 2 มีเวลาคลาดเคลื่อนประมาณ 30 นาที ซึ่งต้องบันทึกและปรับแก้ไว้ในรายงาน
ภาพด้านล่างสรุปขั้นตอนที่ 2–4 ไว้ในรูปเดียว ตั้งแต่ตำแหน่งเข็มวัดที่ก้นหลุม การกลบคืนเพื่อทำ ATT ไปจนถึงวิธีอ่านความชันจากกราฟ ΔT–ln(t) ที่ใช้คำนวณ k และ ρth
ค่าความต้านทานความร้อนของดินแต่ละชนิดอยู่ในช่วงไหน?
ตารางนี้เป็นช่วงค่าอ้างอิงจาก IEEE Std 442-2017 และงานวิจัยของ Farouki (1986) ใช้เพื่อตรวจทานว่าค่าที่วัดได้สมเหตุสมผลกับสภาพดินที่เห็นหรือไม่ ไม่ใช่ค่าที่นำไปใช้ออกแบบแทนผลทดสอบจริง
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| ชนิดดิน / สภาพ | ค่าการนำความร้อน k (W/m·K) | ค่าความต้านทานความร้อน ρth (m·K/W) |
|---|---|---|
| ทราย แห้ง | 0.15–0.50 | 2.0–6.7 |
| ทราย อิ่มน้ำ | 1.50–3.00 | 0.33–0.67 |
| ทรายแป้ง แห้ง | 0.20–0.40 | 2.5–5.0 |
| ทรายแป้ง อิ่มน้ำ | 1.30–2.50 | 0.40–0.77 |
| ดินเหนียว แห้ง | 0.25–0.40 | 2.5–4.0 |
| ดินเหนียว อิ่มน้ำ | 1.00–1.50 | 0.67–1.0 |
| ดินลูกรัง แห้งถึงชื้นธรรมชาติ | 0.30–0.80 | 1.25–3.33 |
| ดินลูกรัง เปียกถึงอิ่มน้ำ | 0.80–1.80 | 0.56–1.25 |
| ดินอินทรีย์ / พีท เปียก | 0.20–0.40 | 2.5–5.0 |
| กรวด อิ่มน้ำ | 1.50–3.50 | 0.29–0.67 |
| หิน (แกรนิต หินปูน) | 2.5–4.0 | 0.25–0.40 |
สิ่งที่ตารางบอกชัดคือดินชนิดเดียวกันมีค่าต่างกันได้ถึง 5–10 เท่าเมื่อความชื้นต่างกัน ดินแห้งคือกรณีวิกฤตของสายไฟฟ้าใต้ดินเสมอ ผู้ออกแบบจึงมักขอค่าทั้งสภาพชื้นธรรมชาติและสภาพแห้ง หรือกำหนดให้ถมกลบร่องสายด้วยวัสดุควบคุมค่าความต้านทานความร้อน (Thermal Backfill) แทนดินเดิมเมื่อค่าที่วัดได้สูงเกินเกณฑ์ที่โครงการยอมรับ (ที่มา: IEEE Std 442-2017; Farouki, O.T. (1986) Thermal Properties of Soils; Clauser & Huenges (1995))
ตัวอย่างผลทดสอบจริง โครงการสายส่ง 115 kV จังหวัดปราจีนบุรี
ข้อมูลชุดนี้มาจากงานทดสอบของ SPN ในโครงการก่อสร้างขยายเขตสายส่งระบบ 115 kV ภายในโรงงานแห่งหนึ่งที่อำเภอกบินทร์บุรี จังหวัดปราจีนบุรี ทดสอบ 2 จุดที่ระดับความลึก 3.0 เมตร ในเดือนกันยายน 2026 พื้นที่ตั้งอยู่บนตะกอนที่ราบน้ำท่วมถึงยุคควอเทอร์นารี (หน่วย Qff ตามแผนที่ธรณีวิทยาจังหวัดปราจีนบุรี กรมทรัพยากรธรณี 2551) ดินที่ระดับทดสอบเป็นดินลูกรัง (Laterite, USCS: GP) ในสภาพความชื้นธรรมชาติ
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| รายการ | จุดทดสอบที่ 1 | จุดทดสอบที่ 2 |
|---|---|---|
| ระดับความลึกทดสอบ | 3.0 ม. | 3.0 ม. |
| ชนิดดิน (USCS) | Laterite (GP) | Laterite (GP) |
| ค่าการนำความร้อน k (W/m·K) | 0.725 | 0.578 |
| ค่าความต้านทานความร้อน ρth (m·K/W) | 1.381 | 1.733 |
| ระยะเวลา ATT / ช่วงบันทึก | 24 ชม. / ทุก 10 นาที (145 ค่า) | 24 ชม. / ทุก 10 นาที (145 ค่า) |
| อุณหภูมิต่ำสุด Tmin | 30.3°C | 29.8°C |
| อุณหภูมิสูงสุด Tmax | 34.8°C | 33.8°C |
| อุณหภูมิเฉลี่ย Tavg | 31.32°C | 30.75°C |
| ช่วงการเปลี่ยนแปลง ΔT | 4.5°C | 4.0°C |
อ่านผลอย่างไร ค่าความต้านทานความร้อน 1.38–1.73 m·K/W อยู่ในช่วงของดินลูกรังสภาพชื้นธรรมชาติ (1.25–3.33 m·K/W) แสดงว่าดินยังไม่อิ่มตัวด้วยน้ำ ระบายความร้อนได้ระดับปานกลาง และสูงกว่าค่าอ้างอิงประมาณ 1.0 m·K/W ที่ผู้ออกแบบมักใช้เมื่อไม่มีผลทดสอบ ความต่างระหว่างสองจุดราว 25% มาจากความแน่นและความชื้นของดินที่ต่างกัน ส่วนอุณหภูมิดินเฉลี่ยของทั้งสองจุดต่างกันเพียง 0.57°C และช่วงแกว่งใกล้เคียงกันที่ 4.0–4.5°C จึงใช้เป็นค่าตัวแทนของพื้นที่ในช่วงเวลาที่วัดได้
บทความนี้อธิบายวิธีทดสอบและวิธีอ่านค่า ไม่ได้กำหนดว่าค่าใดผ่านหรือไม่ผ่าน ค่าความต้านทานความร้อนและอุณหภูมิดินที่วัดได้ต้องนำไปคำนวณพิกัดกระแสร่วมกับขนาดสาย ระยะห่างระหว่างสาย ความลึกฝัง และวัสดุถมกลบ โดยวิศวกรไฟฟ้าผู้ออกแบบของโครงการตามแนวทาง IEC 60287 นอกจากนี้ผล ATT 24 ชั่วโมงสะท้อนเฉพาะช่วงเวลาที่วัด หากต้องการค่าวิกฤตในรอบปีควรพิจารณาข้อมูลตามฤดูกาลเพิ่มเติม
ทดสอบนี้อ้างอิงมาตรฐานอะไรบ้าง?
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| มาตรฐาน | ครอบคลุมเรื่อง |
|---|---|
| ASTM D5334-22ae1 | วิธีทดสอบหาค่าการนำความร้อนของดินและหินด้วย Thermal Needle Probe (Transient Line Heat Source) เป็นมาตรฐานหลักของวิธีวัดและสูตรคำนวณ ใช้ได้ทั้งในสนามและห้องปฏิบัติการ |
| IEEE Std 442-2017 | Guide for Thermal Resistivity Measurements of Soils and Backfill Materials แนวทางการวัดค่าความต้านทานความร้อนของดินและวัสดุถมกลบสำหรับงานสายไฟฟ้าใต้ดิน ครอบคลุมทั้งการวัดในสนาม ในห้องปฏิบัติการ และการประเมินสภาพดินแห้ง |
| IEC 60287-1-1 | สูตรคำนวณพิกัดกระแสของสายเคเบิลไฟฟ้า (Current Rating) ที่ใช้ค่าความต้านทานความร้อนของดินและอุณหภูมิดินเป็นตัวแปรนำเข้า |
| IEC 60287-3-1:2017 | เงื่อนไขอ้างอิงของสถานที่ติดตั้ง (Site Reference Conditions) รวมถึงอุณหภูมิดินและค่าความต้านทานความร้อนของดินที่ใช้ในการคำนวณพิกัดกระแส ใช้อ้างอิงสำหรับการทำ Ambient Temperature Test |
| ASTM D2487 | การจำแนกชนิดดินตามระบบ USCS ใช้ระบุชนิดดินที่ระดับทดสอบในรายงาน เช่น Laterite (GP) |
ข้อผิดพลาดอะไรที่ทำให้ผลทดสอบใช้งานไม่ได้?
วัดที่ผิวดินแทนระดับวางสาย ดินผิวแห้งเร็วและร้อนตามอากาศ ค่าที่ได้จึงไม่ใช่ค่าของดินที่สายจะสัมผัสจริง ต้องขุดถึงระดับวางสายหรือใช้หลุมเจาะแล้ววัดที่ระดับนั้น
เข็มวัดไม่แนบกับดิน ช่องว่างอากาศรอบเข็มทำหน้าที่เป็นฉนวน ทำให้ค่าความต้านทานความร้อนสูงผิดจริง ในดินแข็งหรือดินลูกรังที่มีก้อนกรวด ควรเจาะนำด้วยแท่งขนาดเท่าเข็มก่อนเสียบ
ทดสอบบนดินที่ถูกรบกวน ดินก้นหลุมที่ถูกรถขุดบดหรือคลายตัวจากการขุดมีความแน่นต่างจากดินเดิม ต้องปาดดินที่ถูกรบกวนออกแล้ววัดในดินเดิมที่อยู่ลึกลงไป
ไม่บันทึกความชื้นและสภาพอากาศ ค่าเดียวกันมีความหมายต่างกันเมื่อวัดปลายฤดูแล้งกับกลางฤดูฝน รายงานต้องระบุวันที่ สภาพอากาศ และหากทำได้ควรเก็บตัวอย่างดินไปหาปริมาณความชื้นและความหนาแน่นเพื่อให้ผู้ออกแบบเผื่อกรณีดินแห้งได้
ตรวจวัดอุณหภูมิไม่ครบ 24 ชั่วโมงหรือเวลาเครื่องคลาดเคลื่อน ข้อมูลไม่ครบรอบวันจะหาค่า Tmax และ Tmin ที่แท้จริงไม่ได้ และเครื่องบันทึกที่นาฬิกาไม่ตรงทำให้เทียบข้อมูลสองจุดกันไม่ได้ ต้องตรวจเวลาเครื่องก่อนติดตั้งและระบุการปรับแก้ไว้ในรายงาน
ทำงานร่วมกับการทดสอบอื่นอย่างไร?
Soil Resistivity Test วัดความต้านทานไฟฟ้าของดิน (Ω·m) สำหรับออกแบบระบบรากสายดินของสถานีไฟฟ้าและโซลาร์ฟาร์ม เป็นการทดสอบคนละคุณสมบัติกับความร้อน แต่โครงการสายส่งใต้ดินมักทำทั้งสองอย่างในทริปเดียวกันเพื่อประหยัดค่าเดินทาง
การเจาะสำรวจดิน (Soil Boring) ให้ข้อมูลชั้นดิน ระดับน้ำใต้ดิน และตัวอย่างดินสำหรับหาปริมาณความชื้นและความหนาแน่นในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นตัวแปรที่ควบคุมค่าความร้อนโดยตรง ระดับน้ำใต้ดินยังบอกได้ว่าดินที่ระดับวางสายมีโอกาสแห้งในฤดูแล้งหรือไม่ ดูรายละเอียดได้ที่ ระดับน้ำใต้ดินมีผลอย่างไร และ การทดสอบดินในห้องปฏิบัติการ
Field Density Test ใช้ตรวจรับความแน่นของวัสดุถมกลบร่องสาย เพราะวัสดุ Thermal Backfill ที่บดอัดไม่ถึงเกณฑ์จะมีช่องว่างอากาศมากและค่าความต้านทานความร้อนสูงกว่าที่ออกแบบไว้ ส่วนงานฐานรากเสาไฟฟ้าและสถานีไฟฟ้าใช้ Plate Bearing Test และการทดสอบเสาเข็มตามปกติ
ค่าใช้จ่ายและระยะเวลาเท่าไร?
ค่าใช้จ่ายประเมินเป็นรายโครงการ ตัวแปรที่มีผลมากที่สุดคือจำนวนจุดทดสอบ ระดับความลึกและวิธีเปิดหลุม (ขุดด้วยรถขุดหรือใช้หลุมเจาะ) จำนวนสภาพที่ต้องการวัด (ชื้นธรรมชาติอย่างเดียวหรือรวมสภาพแห้ง) และระยะทางเดินทาง ด้านเวลา งานสนามหนึ่งจุดใช้ประมาณ 2 วันรวมการเก็บข้อมูลอุณหภูมิ 24 ชั่วโมง และรายงานพร้อมส่งภายในประมาณ 1 สัปดาห์หลังงานสนามเสร็จ ผู้ที่ต้องการประเมินราคาควรเตรียมแบบแนววางสาย ระดับความลึกฝังสาย และจำนวนจุดที่ผู้ออกแบบกำหนด ทั้งนี้ราคายังไม่รวมค่าเดินทางและค่าขนย้ายเครื่องมือ ซึ่งคิดเพิ่มตามระยะทางของหน้างาน — ติดต่อรับใบเสนอราคาฟรีภายใน 24 ชม.