大截面電力電纜預埋管線敷設及質量控制

羅進圣，王 波

（杭州市電力局，杭州 310004）

大截面電力電纜預埋管線敷設及質量控制

羅進圣，王 波

（杭州市電力局，杭州 310004）

隨著電纜線路輸送容量和電壓等級的提高，電纜的截面不斷增大，單位長度重量也隨之增加。采用預埋管線敷設時，電纜敷設的技術要求及難度不斷提高。以220 kV大截面單芯交聯(lián)聚乙烯電纜敷設為例，分析總結大截面電纜預埋管線敷設時敷設質量控制的各種問題，以供工程實踐參考。

電力電纜；敷設；質量控制

交聯(lián)聚乙烯電纜以交聯(lián)聚乙烯（XLPE）作為絕緣介質，其電氣性能與制造工藝及敷設質量密切相關。大截面單芯XLPE電纜在敷設過程中，如側壓過大會導致電纜變形，當水分侵入、機械應力控制不合理、管孔相位布置不正確時，則會對電纜的壽命和安全穩(wěn)定運行產生不利影響[1-4]。本文以220 kV大截面單芯XLPE電纜敷設為例，介紹了大截面單芯電纜在使用預埋管線（排管和頂管）方式敷設時的質量控制問題，供工程實踐參考。

1 大截面電纜敷設過程中的受力控制

大截面單芯電纜一般采用電動機具敷設方式，敷設中電纜前行所需的力由同步牽引機（卷揚機）和輸送機提供。

敷設中如果機具布置不合理，易造成電纜受牽引力過大而導致牽引頭破損、電纜進水絕緣受潮，影響電纜的電氣性能；如果管道內有雜物或毛刺，則容易造成電纜外護套損傷，導致金屬護套多點接地，影響電纜穩(wěn)定運行；當電纜經過轉彎工井時會因側壓過大導致變形，改變電纜絕緣內部電場分布和產生應力，加速電纜老化。因此，電纜敷設前根據(jù)不同的電纜路徑和電纜型號，估算電纜敷設過程中各個操作工井所需前行力和側壓力的大小，合理布置輸送機、牽引機及電纜盤位置，使電纜牽引頭所受的牽引力和電纜過彎時所受的側壓力在合理范圍之內，是保證電纜敷設質量的關鍵。

1.1 電纜敷設前行力計算

目前大截面電纜敷設時所需的前行力可參考以下計算方法。

水平直線牽引：

傾斜直線牽引向下：

傾斜直線牽引向上：

水平彎曲牽引：

式中：T為牽引力；μ為摩擦系數(shù)；W為每米電纜的質量；L為電纜長度；T1為彎曲前的牽引力；T2為彎曲后的牽引力；θ為電纜彎曲部分平面的傾斜角；R為電纜的彎曲半徑；N為電纜過彎時所受的側壓力。

以YJLW03-127/220-1×2500型、長500 m的電纜敷設為例，電纜路徑如圖1所示。

圖 1 電纜敷設路徑示意圖

圖中1-13為13個操作工井，1-7號工井間均為直線排管，各相隔50 m，7-10號工井間為S型彎道，彎曲半徑4 m，直線距離80 m，彎道弧長10 m，彎道兩側設轉彎工井。11-12號工井間為直角彎道，彎曲半徑4 m。電纜重量37 kg/m，摩擦系數(shù)平均取0.4。分別計算電纜盤放置在1號工井及13號工井側時電纜敷設過程中各點所需的前行力和前行力完全由牽引機提供時電纜過彎受到的側壓力，結果如表1所示。其中T1－13為電纜盤放置在1號工井時電纜各處所需的前行力（電纜敷設從1號工井開始至13號工井處），T13－1為電纜放置在13號工井時電纜敷設過程中電纜各點所需的前行力。

從表1看出，電纜盤位置不同時，電纜敷設路徑上所需的牽引力及側壓力有明顯區(qū)別，電纜前行所需的力較大，電纜敷設過程中一般采用的3 T或5 T牽引機不可能提供如此大的牽引力，即使加大牽引機功率，在轉彎處電纜所受的側壓力已遠遠超出電纜能夠承受的范圍 （XLPE電纜允許的最大側壓力一般按500 kg/m考慮）。

目前大截面單芯XLPE電纜敷設一般采用牽引頭牽引方式，常用電纜牽引頭結構如圖2所示。

由于牽引頭與電纜金屬護套連接處采用搪鉛密封，抗拉強度較低，主要起防水作用。牽引力通過連接件作用在電纜線芯上，在滿足側壓力的條件下，電纜允許的最大牽引力主要取決于電纜結構中受牽引力作用的材料的抗拉強度。通常取線芯材料最大抗拉強度的四分之一為電纜允許的最大牽引強度。因此，電纜以銅作為線芯時的允許最大牽引強度為7 kg/mm2。以YJLW03-127/ 220-1×2500型銅芯電纜為例，其線芯能承受的最大拉力為17 500 kg。理論上電纜能夠承受的最大牽引力能滿足電纜敷設的要求，但在實際工程施工中，由于各電纜廠家的牽引頭制作工藝不統(tǒng)一，牽引頭能夠承受的力遠小于理論計算值，為防止電纜牽引頭受力過大而破損，一般要求電纜敷設過程中將牽引力控制在3 T以下。因此，電纜前行過程中大部分前行力需由輸送機提供。

表1 從不同方向敷設時的前行力和側壓力計算

圖2 電纜牽引頭結構

1.2 設置輸送機后的前行力及側壓力

設電纜敷設時每臺輸送機輸出力為600 kg，在上例中，由于在轉彎工井電纜出彎處輸送機固定困難，一般在電纜敷設時只在電纜進彎側放置輸送機。當在2、3、4、5、6、7、11號工井中放置輸送機且電纜盤放置在1號工井和在2、3、4、5、6、10、12號工井中放置輸送機且電纜盤放置在13號工井時，電纜敷設過程中所受的牽引力及側壓力估算值如表2所示。

從計算結果可以看出，由于電纜敷設的方向不同，電纜敷設過程中所受的側壓力及牽引頭所受的力有較大差別。對于66 kV及以上單芯XLPE電纜，由于敷設過程中要求彎曲半徑較大（不得小于20倍電纜外徑）且電纜的重量較重，電纜敷設時電纜盤可以選擇的位置一般只能在路徑的兩側，為了減小電纜敷設過程中所受的牽引力及側壓力，電纜盤應放置在距離轉彎工井較近的一側。此外，由于上述計算中摩擦系數(shù)取值較大，導致電纜所受的側壓力及牽引力都較大，因此在施工過程中，當電纜經過排管或頂管時應使用潤滑劑（如肥皂水或滑石粉），將摩擦系數(shù)控制在0.3以下，以減小電纜在敷設過程中的受力，保證電纜敷設質量。

表2 設置輸送機后的前行力和側壓力計算

2 電纜敷設管位布置控制

在電纜金屬護套接地方式中，由于交叉互聯(lián)接地方式結構緊湊、正常運行時感應電壓較低，在發(fā)生單相短路故障時金屬護套上感應電壓僅為單端接地時的三分之一，能有效保護交叉互聯(lián)單元內護層保護器和外護套絕緣，因而在較長的電纜線路中得到廣泛應用。但由于交叉互聯(lián)接地方式的結構具有特殊性，要求電纜敷設時必須嚴格控制電纜的管位布置，使交叉互聯(lián)單元內三段電纜金屬護套的感應電壓之和為零（正三角形布置）或接近零（直角三角形和水平布置），從而減少金屬護套環(huán)流。

但在使用預埋管線敷設過程中，由于非開挖頂管的使用和人為因素，常常出現(xiàn)交叉互聯(lián)單元內三段電纜的管孔布置不一致的情況，導致電纜運行時產生較大環(huán)流。

設一個交叉互聯(lián)單元內三段電纜長度為L1＝L2＝L3＝500 m，相間距離S＝350 mm，電纜型號為YJLW03-127/220-1×2 500，根據(jù)單芯電纜金屬護套環(huán)流計算理論[2]，在不同負荷電流Iload下，圖3所示兩種布置方式A，B，C三相電纜護套感應電流ISA，ISB，ISC計算值如表3、表4所示。

從上述計算結果可以看出，交叉互聯(lián)單元內三段電纜管位布置不一致時對護套環(huán)流有明顯影響。特別是大截面單芯電纜，由于其運行過程中電纜線芯電流較大，如果三段電纜位置不對稱，易在金屬護套上產生較大的感應電流，影響電纜安全穩(wěn)定運行。因此，當大截面單芯電纜采用預埋管線敷設時，應保證三段電纜在排管內的布置方式一致。敷設過程中，不能在操作工井內隨意變更電纜在管道內的相位排列次序。

表3 直角三角形布置時環(huán)流計算值A

表4 水平布置時環(huán)流計算值A

圖3 排管內電纜布置圖

3 電纜機械力效應的控制

大截面電纜在負荷電流變化時，因導體溫度變化引起膨脹或收縮所產生的機械力十分巨大。這種膨脹或收縮力總稱為熱機械力，與電纜的熱機械力線膨脹系數(shù)、導體的截面和溫升成正比。與充油電纜相比，由于載流量的增大和電纜自重的減輕，XLPE電纜運行時熱機械力更大，受熱機械力影響更嚴重，電纜徑向有更大的膨脹。

電纜以直線敷設時，在沒有橫向氣流或強迫冷卻時，巨大的機械力會使電纜線路集中在某一部位發(fā)生局部橫向位移。因而，大截面XLPE電纜施工中常將電纜人為布置成圖4所示形狀，以吸收電纜的熱膨脹[1]。

式中：L為電纜彎曲的節(jié)距；X為曲折幅度。

圖4 人為處理的電纜形狀

對給定的電纜而言，縮短彎曲的節(jié)距長度L和增加曲折幅度X都可獲得更好的吸收熱膨脹的效果，又能避免過度彎曲損害絕緣層。敷設時可通過計算來嚴格控制三者間的關系。當電纜采用預埋管線敷設時，布置彎曲形狀的位置有限，一般在操作工井和中間接頭工井內根據(jù)上式將電纜設置為彎曲形狀。

4 電纜敷設防潮措施

XLPE電纜進水后，短時間內一般不會發(fā)現(xiàn)問題，即使線芯進水，耐壓和泄漏試驗時也不會發(fā)現(xiàn)電纜參數(shù)的改變。但經過長期運行會出現(xiàn)“水樹枝”現(xiàn)象，從而使交聯(lián)聚乙烯絕緣性能下降，最終導致電纜絕緣擊穿[3－4]。單芯大截面XLPE電纜一般帶有金屬護套（鋁或鉛），電纜敷設過程中因金屬護套損壞導致電纜絕緣受潮的可能性較小，現(xiàn)場施工中電纜進水主要是由于牽引頭搪鉛位置密封性不好，主要表現(xiàn)為：搪鉛工藝控制不好，搪鉛密度不高，鉛封處有沙眼、微孔和裂紋，電纜敷設過程中牽引頭部位受力過大而使封鉛部位開裂，管孔內有異物，牽引頭在較大摩擦力下破損，導致電纜進水，等等。因此，在 電纜敷設前應仔細檢查牽引頭、搪鉛密封是否良好，并作相應的防水處理，在電纜敷設過程中控制牽引頭的受力在合理范圍內。

根據(jù)以往大截面電纜敷設經驗，電纜敷設前在牽引頭上加裝熱縮套，并做相應的防破損處理，能夠有效減小牽引頭進水的可能性。

5 結語

（1）單芯大截面電纜敷設前，根據(jù)電纜路徑、型號估算電纜所需的前行力，合理布置電纜輸送機，將電纜敷設過程中牽引頭受力及側壓力控制在合理范圍內，是保證電纜敷設質量的前提。

（2）在敷設含有交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)的電纜時，應保證三段電纜管孔相位布置一致。

（3）南方地區(qū)由于地下水位較高，管線內往往有水份，對單芯大截面電纜而言，敷設前對牽引頭做相應的防水處理是防止電纜進水、絕緣受潮的有效手段。

[1]鄭肇驥，王琨明，等．高壓電纜線路[M]．北京∶水利電力出版社，1981．

[2]王波，羅進圣，黃宏新，等．220 kV高壓單芯電力電纜金屬護套環(huán)流分析[J]．高壓電器，2009，45（5）∶141－145．

[3]豆朋，文習山，龔瑛．幾種因素對水樹生長影響的研究[J]．絕緣材料，2005，（1）∶33－36．

[4]何軍，屠德民．XLPE電纜絕緣中水樹的形成機理和抑制方法分析[J]．絕緣材料．2008，41（6）∶54－58．

（本文編輯：龔 皓）

Layout and Quality Control of Carcass Work for Large-section Power Cable

LUO Jin-sheng，WANG Bo
（Hangzhou Electric Power Bureau，Hangzhou 310004，China）

Along with the improvement of transmission capacity and voltage grade of cable line,the section area,unit length and weight of XLPE cable keep increasing.As for the carcass work,the technical requirements of cable layout become increasingly strict and difficult.Taking the 220 kV large-section single-core XLPE cable as an example,this paper analyzes and summarizes various problems oflayoutand quality control ofcarcass work for large-section cable and offers a reference for engineering practice.

power cable；layout；quality control

TM757.1

B

1007-1881（2010）10-0061-04

2010-08-31

羅進圣（1973－），男，浙江建德人，高級工程師，華北電力大學在職電氣工程碩士研究生，主要從事高壓電纜安裝、檢修管理工作。