高電壓大截面電力電纜敷設(shè)方式對(duì)線路安全運(yùn)行的影響

陳斌，李帥，李子揚(yáng)

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南250013）

高電壓大截面電力電纜敷設(shè)方式對(duì)線路安全運(yùn)行的影響

陳斌，李帥，李子揚(yáng)

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南250013）

長距離高壓電纜采用蛇形敷設(shè)，能有效吸收導(dǎo)體溫升引起的熱脹冷縮變化量，防止電纜接頭和終端機(jī)械損傷。結(jié)合工程實(shí)例，分析和計(jì)算不同的導(dǎo)體溫度、蛇形弧幅值和蛇形節(jié)距對(duì)弧幅軸向推力大小的影響，提出蛇形節(jié)距、蛇形幅值合理取值范圍。即垂直敷設(shè)蛇形長度范圍可取3～8 m，蛇形弧幅值可取150～300 mm。根據(jù)電纜接地原理，計(jì)算增加回流線后，系統(tǒng)單相短路時(shí)電纜金屬層的感應(yīng)電勢(shì)?？蔀楦唠妷捍蠼孛骐娎|的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

電力電纜；蛇形敷設(shè)；熱膨脹；回流線；屏蔽層電壓

0 引言

近年來隨著城市的發(fā)展，城區(qū)負(fù)荷密度愈來愈大，在架空線路走廊緊張或無法與城市環(huán)境相協(xié)調(diào)時(shí)，城網(wǎng)線路大量采用地下電力電纜輸配電系統(tǒng)，以節(jié)約土地資源和提高電網(wǎng)抵抗冰雪、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的能力。電纜線路相對(duì)于架空線路，特別是長距離、高電壓等級(jí)的輸電線路，能夠有效解決線路走廊、供電半徑等城市建設(shè)中的資源配置問題，并在公共安全、電磁干擾等方面具有優(yōu)勢(shì)。高電壓、長距離、大截面電纜線路已經(jīng)在大、中城市的人口密集區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)的網(wǎng)架中占據(jù)相當(dāng)重要的地位，電纜線路的安全運(yùn)行和管理維護(hù)也越來越受到重視。

國內(nèi)高電壓大截面電纜敷設(shè)方式主要有隧道、排管、電纜溝，城區(qū)內(nèi)電纜主要采用隧道敷設(shè)。電纜在隧道內(nèi)運(yùn)行條件較好，環(huán)境溫度恒定，管理運(yùn)行方便。雖然電力隧道本身造價(jià)較高，但在城區(qū)主線路網(wǎng)上，有多條電纜線路敷設(shè)其中，在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面能體現(xiàn)合理性。國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)越來越多地采用電纜隧道方式敷設(shè)高壓電纜，并積累了豐富的施工及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。以濟(jì)南東部城區(qū)某架空線入地改造工程為例，對(duì)電壓等級(jí)220 kV、線路長度8.9 km、截面積2 500 mm2的XLPE電力電纜線路隧道敷設(shè)進(jìn)行研究，提出隧道空間布置、蛇形敷設(shè)、夾具選擇、減小電纜護(hù)層感應(yīng)電壓等保護(hù)措施，有利于電纜線路的安全運(yùn)行。

結(jié)合工程實(shí)際和施工運(yùn)行，對(duì)高電壓、長距離、大截面電纜線路的敷設(shè)方式進(jìn)行研究，著重探討電纜隧道敷設(shè)中遇到問題。1）電纜線路長度長、輸送電流大時(shí)，熱膨脹產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力不能有效釋放的情況下，會(huì)造成電纜金屬護(hù)套的損壞并對(duì)電纜附件和附屬設(shè)施產(chǎn)生危害。電纜在隧道內(nèi)采用蛇形敷設(shè)，能有效吸收熱脹冷縮的變化量，消除機(jī)械應(yīng)力，增加線路運(yùn)行的可靠性。2）高壓單芯電纜在發(fā)生單相短路故障時(shí)金屬護(hù)層上會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓，導(dǎo)致護(hù)層絕緣老化等安全隱患，敷設(shè)回流線是解決這一問題的有效措施。

1 電纜熱膨脹對(duì)蛇形布置的影響

長距離高壓電纜線路在設(shè)計(jì)時(shí)，電纜熱膨脹問題與電纜載流量［1-2］、導(dǎo)體排列、支架長度，乃至隧道尺寸密切相關(guān)。熱脹冷縮是自然界的基本規(guī)律，2 500 mm2的XLPE電力電纜輸送容量較大時(shí)，熱膨脹量產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力較大，需考慮選取電纜支架形式、電纜排列與固定優(yōu)化方案，以最大限度地合理利用隧道內(nèi)有限的空間資源。根據(jù)規(guī)程［3-4］要求以及施工和運(yùn)行中積累的經(jīng)驗(yàn)，電纜隧道內(nèi)采用蛇形敷設(shè)可以有效吸收因負(fù)荷變化引起的電纜長度熱脹冷縮的變化量，釋放機(jī)械應(yīng)力。根據(jù)隧道內(nèi)部空間的實(shí)際情況，一般可以選擇水平蛇形和垂直蛇形兩種方式，在電纜蛇形彎曲部位對(duì)其進(jìn)行固定，固定方式可采用剛性和撓性，支架長度、間距和支架數(shù)量取決與蛇形幾何尺寸的選取。

電纜的熱膨脹計(jì)算分析是蛇形敷設(shè)幾何尺寸確定的重要理論依據(jù)。根據(jù)工程特點(diǎn)，合理選擇水平或垂直的蛇形敷設(shè)方式，準(zhǔn)確計(jì)算蛇形敷設(shè)的幅值和蛇形長度，不僅能夠優(yōu)化電纜隧道尺寸和支架數(shù)量，降低工程造價(jià)，也關(guān)乎電纜的安全運(yùn)行。

1.1 熱膨脹計(jì)算

假定長度為L的電纜在溫度變化時(shí)可以自由移動(dòng)，當(dāng)受外力作用且溫升為時(shí)，長度變化量為

式中：α為電纜的線膨脹系數(shù)，1／℃；E為電纜的楊氏模量，N／mm2；σ為電纜截面上的應(yīng)力，N／mm2。

電纜線路運(yùn)行過程中，作用在電纜上的變形力即為線芯發(fā)熱時(shí)的膨脹推力或軸向力。溫升導(dǎo)致電纜線芯產(chǎn)生的軸向力為

如圖1所示，當(dāng)溫升Δt超過一定量時(shí)，電纜熱伸縮量m，電纜蛇形弧側(cè)向滑移量n為

圖1 熱膨脹分析計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［4］蛇形敷設(shè)軸向力公式，水平敷設(shè)電纜溫度下降時(shí)，蛇形弧軸向力Fhj

水平敷設(shè)電纜溫度上升時(shí)，蛇形弧軸向力Fhs

垂直敷設(shè)電纜溫度下降時(shí)，蛇形弧軸向力Fvj

垂直敷設(shè)電纜溫度上升時(shí)，蛇形弧軸向力Fvs

式（2）～（8）中：A為導(dǎo)體截面積，mm2；f為電纜的反作用力，N；B為電纜蛇形幅值，mm；μ為摩擦系數(shù)；W為電纜單位長度重量，N／mm；EI為電纜抗彎剛性，N·mm2。

根據(jù)蛇形弧滑移量、伸縮量、軸向力計(jì)算公式，先選定半節(jié)距L，給定一個(gè)初始弧幅值B，按運(yùn)行時(shí)最高溫度決定的溫差Δt，計(jì)算熱伸縮量m和滑移量n，然后根據(jù)電纜固定方式確定支架長度，根據(jù)支架長度允許的滑移量n計(jì)算軸向力，校核電纜護(hù)套強(qiáng)度值。

1.2 蛇形布置

為及時(shí)有效地吸收電纜溫升產(chǎn)生的熱膨脹量，電纜通常采用水平蛇形敷設(shè)和垂直蛇形敷設(shè)兩種形式。水平蛇形敷設(shè)如圖2所示，垂直蛇形敷設(shè)如圖3所示。

垂直蛇行敷設(shè)利用的是隧道的高度，水平蛇行敷設(shè)利用的是隧道的寬度［5］。在城市建設(shè)中隧道斷面受到限制的通常是其經(jīng)過路徑占地寬度，因此垂直蛇行敷設(shè)往往能更合理地利用隧道內(nèi)的空間。在合理選擇蛇形形狀及夾具布置的條件下，水平蛇形敷設(shè)和垂直蛇形敷設(shè)均能滿足電纜熱伸縮量的要求。但相對(duì)水平敷設(shè)來講，垂直蛇形的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)合電纜排列布置，合理利用電纜隧道空間，減少電纜支架長度和數(shù)量。

圖2 水平蛇形敷設(shè)

圖3 垂直蛇形敷設(shè)

根據(jù)本工程電纜參數(shù)，2 500 mm2的XLPE單芯電力電纜三相水平排列，隧道內(nèi)溫度為20℃，導(dǎo)體最高工作溫度為90℃，短路時(shí)導(dǎo)體溫度為250℃，不同工況下垂直蛇形熱膨脹計(jì)算如圖4～6所示。

圖4 電纜正常運(yùn)行Δt=70℃，不同L時(shí)，垂直蛇形幅值B與軸向伸縮力F的關(guān)系

圖5 電纜正常運(yùn)行Δt=70℃，不同B時(shí)，垂直蛇形節(jié)距L與滑移量n的關(guān)系

圖6 電纜夾具緊固力取300 kg，不同L時(shí)，垂直蛇形幅值B與電纜末端夾具數(shù)量的關(guān)系

由圖4～6分析得出以下結(jié)論。1）當(dāng)蛇形波長越長、蛇形幅值越小時(shí)，熱膨脹產(chǎn)生的軸向力也越大，反之越小。電纜導(dǎo)體短路時(shí)通過短路電流最高允許溫度為250℃時(shí)，軸向力可達(dá)18 kN。優(yōu)化蛇形節(jié)距、蛇形幅值后，電纜正常運(yùn)行情況，熱膨脹軸向力可限制在4～8 kN范圍內(nèi)，滿足電纜安全運(yùn)行要求。2）蛇形節(jié)距確定后，蛇形幅值取值越小，電纜滑移量越大，蛇形敷設(shè)時(shí)所要求的電纜支架長度越長。3）垂直敷設(shè)蛇形長度范圍可取3～8 m，蛇形幅值一般大于1.5倍電纜直徑。當(dāng)波長越長，波幅越小時(shí)，產(chǎn)生的推力越大。為控制電纜軸向伸縮力，電纜末端夾具數(shù)量隨垂直蛇形幅值的增加而減少。4）電纜支架間距取決于蛇形敷設(shè)的長度，電纜蛇形越長，電纜支架的使用量越少，但電纜隧道空間相應(yīng)增加；另一方面，固定夾具數(shù)量的增加給施工安裝增加難度［7］。

2 敷設(shè)回流線對(duì)電纜護(hù)層感應(yīng)電壓的影響

2.1 電纜接地原理

單芯電纜的導(dǎo)線與金屬屏蔽層，可等效成一個(gè)變壓器的初級(jí)繞組。當(dāng)電纜的導(dǎo)體通過交流電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生的一部分磁力線將與屏蔽層鉸鏈，使屏蔽層產(chǎn)生感應(yīng)電壓［6］，感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長度和流過導(dǎo)體的電流成正比。電纜很長時(shí)，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達(dá)到危及人身安全的程度，在線路發(fā)生短路故障、遭受操作過電壓或雷電沖擊時(shí)，屏蔽層上會(huì)形成很高的感應(yīng)電壓，甚至可能擊穿護(hù)套絕緣。如果屏蔽層兩端同時(shí)接地使屏蔽線路形成閉合通路，屏蔽層中將產(chǎn)生環(huán)形電流。電纜正常運(yùn)行時(shí)，屏蔽層上的環(huán)流與導(dǎo)體的負(fù)荷電流基本上為同一數(shù)量級(jí)，將產(chǎn)生很大的環(huán)流損耗，使電纜發(fā)熱，影響電纜的載流量，減短電纜的使用壽命。因此，電纜屏蔽應(yīng)可靠合理的接地，電線外護(hù)套應(yīng)有良好的絕緣。對(duì)于高壓單芯電纜線路，規(guī)程［3］中給出常用的3種接地方式：一端直接接地、線路屏蔽中點(diǎn)接地、交叉互聯(lián)接地。

2.2 回流線敷設(shè)

以變電站出口處一段長度L=535 m單端接地電纜為例，計(jì)算單相接地故障時(shí)的感應(yīng)電壓。三相電纜水平排列，間距S=300 mm，短路電流Ik=50 kA，接地電阻R=0.4 Ω。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路時(shí)（假設(shè)A相短路），在金屬層單點(diǎn)接地的電纜線路，無并行回流線時(shí)沿金屬層產(chǎn)生的電勢(shì)

有并行回流線時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)

式中：D′為地中電流穿透深度常數(shù)；Rp為回流線電阻，Ω／km；Rg為大地漏電電阻，Ω／km；rp、rs為回流線導(dǎo)體、電纜金屬層的平均半徑，m；s為回流線至相鄰最近相電纜的距離，m。

經(jīng)計(jì)算，無并行回流線情況在單相接地故障下，過電壓值將達(dá)到23 kV，會(huì)導(dǎo)致電纜護(hù)層絕緣及保護(hù)器損壞。而其中地電位電壓RIk在計(jì)算值中所占比例較大，當(dāng)接地電阻值不能有效降低時(shí)必須采取相應(yīng)措施［7］。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］規(guī)定，交流系統(tǒng)110 kV及以上單芯電纜金屬層單點(diǎn)直接接地，下列任一情況下，應(yīng)沿電纜鄰近設(shè)置平行回流線：1）系統(tǒng)短路時(shí)電纜金屬層產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電壓超過電纜護(hù)層絕緣耐受強(qiáng)度或護(hù)層電壓限制器的工頻耐壓；2）需抑制電纜鄰近弱電線路的電氣干擾強(qiáng)度。敷設(shè)回流線可使單相接地時(shí)外護(hù)層絕緣及過電壓限制器所受工頻過電壓與地網(wǎng)無關(guān)，且通過回流線的磁通抵消部分電纜線芯接地電流產(chǎn)生的磁通，從而有效降低護(hù)層感應(yīng)電壓。

在電纜正常運(yùn)行時(shí)，要求回流線中不產(chǎn)生感應(yīng)電流及電阻損耗，根據(jù)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)一般采用“三七開”的方式布置三相電纜線路回流線，即回流線與中間一相電纜的間距為0.7s，并在線路一半處換位，如圖7所示。

由計(jì)算可知，敷設(shè)回流線后，電流全部以回流線為回路，因其電阻很小，本段電纜護(hù)層感應(yīng)電壓降至約7 kV，在電纜絕緣耐受范圍內(nèi)。并且回流線的布置方式對(duì)護(hù)套感應(yīng)電壓也有影響，采用“三七開”的方式布置，回流線距電纜更近，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓更小，有效地保護(hù)了電纜外護(hù)層的絕緣。

圖7 回流線布置方式

3 結(jié)語

通過深入分析電纜熱膨脹問題與導(dǎo)體排列、軸向力，以及蛇形布置和固定夾具數(shù)量的關(guān)系，提出蛇形節(jié)距、蛇形幅值合理取值范圍，以吸收電纜熱脹冷縮變化量，增加電纜運(yùn)行可靠性。

根據(jù)電纜接地原理，計(jì)算增加回流線后，系統(tǒng)單相短路時(shí)電纜金屬層的感應(yīng)電勢(shì)。建議電纜線路的一側(cè)終端布置在發(fā)電廠或變電所時(shí)，敷設(shè)的回流線應(yīng)與電源中性點(diǎn)接地的接地網(wǎng)連通。

［1］馬國棟.電線電纜載流量［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］IEC 602872—2001 Calculation of the current rating of electric cables［S］.

［3］GB 50217—2007電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］DL/T 5221—2005城市電力電纜線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［5］徐霞，王斌.電力電纜隧道內(nèi)長距離500 kV電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)［J］.華東電力，2010，38（4）：529-532.

［6］羅俊華，周作春，李華春，等．單芯電力電纜金屬護(hù)層過電壓保護(hù)器參數(shù)設(shè)計(jì)［J］.高電壓技術(shù)，2008，34（2）：355-372.

［7］GB 50168—2006電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］．

Laying Modes and the Effect on Safe Operation of High Voltage Cable Line with Large Size Conductor

CHEN Bin，LI Shuai，LI Ziyang
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.LTD，Jinan 250013，China）

Snake-shaped laying of high voltage cable line can absorb thermal expansion and prevent mechanical damage on accessories.With a kind of high voltage cable line taken as an analytical example，axial push forces are calculated based on different temperature of conductor as well as different amplitude and pitch.Reasonable span is analyzed and recommended.In other words，when power cables are snake-shaped laying in vertical，it is recommended that the amplitude range from 150 to 300 mm and pitch range form 3 000 to 8 000 mm.On the basis of grounding principles，the induced EMF will be reduced by auxiliary ground wire.This is hopefully to be of practical significance for design and construction of high voltage cables with large size conductor.

power cables；snake-shaped laying；thermal expansion；auxiliary ground wire；shield voltage

TM247

A

1007－9904（2015）03－0039－04

2014-10-23

陳斌（1983），男，工程師，主要研究方向?yàn)樘馗邏褐绷骱透邏弘娎|線路的設(shè)計(jì)；

李帥（1984），男，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏狠旊娋€路的設(shè)計(jì)；李子揚(yáng)（1984），男，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏狠旊娋€路的設(shè)計(jì)。