關(guān)于隧道供配電導(dǎo)體截面的選擇研究

張青俠 李 卓

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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關(guān)于隧道供配電導(dǎo)體截面的選擇研究

張青俠 李 卓

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

從母線、配電電纜、架空線三方面，介紹了隧道供配電導(dǎo)體截面的選擇方法，探討了溫度、土壤熱阻率、海拔高度等環(huán)境因素對(duì)載流量影響的校正系數(shù)，旨在降低公路隧道供配電線路的電能損耗。

隧道供配電，導(dǎo)體，電纜，母線

1 概述

基于綠色環(huán)保節(jié)能的大背景下，公路隧道供配電設(shè)施的導(dǎo)體材質(zhì)大多都是由有色金屬(銅、鋁、鋁合金等)組成。架空線、母線及低壓配電電纜的截面選擇是否合理，直接影響線路電能損耗，同時(shí)直接影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此，在進(jìn)行隧道供配電設(shè)計(jì)時(shí)，各種導(dǎo)體截面的合理選擇顯得尤為重要。

2 導(dǎo)體截面選擇

隧道供配電專業(yè)設(shè)計(jì)主要分為電氣設(shè)備選擇、線纜選擇和防雷接地設(shè)計(jì)等內(nèi)容。其中線纜選擇包括了材質(zhì)的選擇、截面的選擇、布置方法等方面內(nèi)容。而就供配電專業(yè)涉及到的線纜形式而言，包括中壓架空線、低壓母線及低壓電纜。本文重點(diǎn)介紹這些線纜截面的選擇方法。

2.1 母線選擇

在具體進(jìn)行母線選擇時(shí)，首先應(yīng)該按照負(fù)荷電流進(jìn)行選擇，并進(jìn)行母線的熱穩(wěn)定、動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)。

依托計(jì)算電流，對(duì)照母線載流量表選擇后，應(yīng)按可能出現(xiàn)的最大短路電流進(jìn)行穩(wěn)定校驗(yàn)。短路電流在母線中產(chǎn)生的熱效應(yīng)計(jì)算如下[1]：

(1)

其中，Qz為短路電流中交流分量引起的熱效應(yīng)；Qf為短路電流中直流分量引起的熱效應(yīng)。

母線熱穩(wěn)定允許的最小截面則按式(2)選擇[4]：

(2)

其中,Q為短路電流在母線中產(chǎn)生的熱效應(yīng)；C為熱穩(wěn)定系數(shù)，其選擇與短路前工作溫度和母線材質(zhì)有關(guān)，隧道供配電系統(tǒng)低壓母線一般選用硬銅材質(zhì)，常用最高工作溫度按照100 ℃考慮，則熱穩(wěn)定系數(shù)C一般按照157考慮。

不論是水平布置還是垂直布置的母線，短路電流通過(guò)在同一平面的三相導(dǎo)體時(shí)，中間相產(chǎn)生的作用力最大，大小為[1]：

(3)

其中，Kx為形狀系數(shù);L為平行導(dǎo)體的長(zhǎng)度；D為相間距。

相應(yīng)的產(chǎn)生應(yīng)力為：

(4)

所選母線的動(dòng)穩(wěn)定必須滿足[1]：

δ≤δy

(5)

其中，W為母線的截面系數(shù);δy為母線允許的最大應(yīng)力，與材質(zhì)有關(guān)，銅為120 MPa，硬銅為170 MPa。

2.2 配電電纜選擇

低壓配電電纜的選擇主要是根據(jù)溫升條件、經(jīng)濟(jì)條件、壓降條件、動(dòng)熱穩(wěn)定校驗(yàn)及滿足過(guò)載保護(hù)的要求等條件綜合選擇的。

電纜通過(guò)負(fù)載電流時(shí)，電纜發(fā)熱的溫度不能超過(guò)電纜絕緣層所能承受的長(zhǎng)期允許的最高工作溫度。隧道供配電中常用的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜長(zhǎng)期允許的最高的工作溫度是90 ℃，依據(jù)最熱月的日平均最高溫度再加5 ℃來(lái)確定電纜載流量的環(huán)境溫度。按照電纜實(shí)際通過(guò)的電流小于允許載流量來(lái)選擇電纜截面，同時(shí)與環(huán)境溫度關(guān)系密切，其關(guān)系系數(shù)如下[2]：

(6)

其中，θn為最高工作溫度；θa為實(shí)際環(huán)境溫度；θc為載流量表中的溫度。

依托工程條件，結(jié)合電纜成本，電價(jià)和貼現(xiàn)率等因素，及總擁有費(fèi)用的概念，國(guó)際電工委員會(huì)IEC給出了電纜經(jīng)濟(jì)電流密度法來(lái)選擇電纜截面，經(jīng)濟(jì)電流截面面積計(jì)算公式如下[3]：

(7)

其中，Imax為最大工作電流;J為經(jīng)濟(jì)電流密度(可查表和查曲線)。

隧道供配電接地系統(tǒng)一般采用TN-S接地系統(tǒng)，中性導(dǎo)體截面的選擇合理，也直接影響安全可靠性及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。一般情況下，三相四線制的系統(tǒng)中，中性線的允許載流量應(yīng)該不小于線路中最大的不平衡電流與諧波電流之和。對(duì)于銅導(dǎo)體相導(dǎo)體截面不大于16 mm2或者鋁導(dǎo)體相導(dǎo)體截面不大于25 mm2的電纜，相導(dǎo)體與中性線截面相等。對(duì)于銅導(dǎo)體相導(dǎo)體截面大于16 mm2或者鋁導(dǎo)體相導(dǎo)體截面大于25 mm2的電纜，中性線截面可選為相導(dǎo)體截面的一半相等。

隧道供配電系統(tǒng)特別是照明負(fù)荷分布三相平衡，諧波電流中以三次諧波電流為主。諧波電流含量大于15%時(shí)，在選擇電纜截面時(shí)計(jì)入其影響，校正系數(shù)如表1所示。

表1 含有諧波電流的計(jì)算電流校正系數(shù)

一般情況下，設(shè)備末端端子處的電壓偏差百分?jǐn)?shù)有嚴(yán)格要求。射流風(fēng)機(jī)回路、照明負(fù)荷回路均為±5%；三相平衡負(fù)荷線路的電壓降計(jì)算公式如下：

(8)

其中，Δu為線路電壓降,%;Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓;I為計(jì)算電流;L為電纜長(zhǎng)度;R′為電纜單位長(zhǎng)度的電阻；X′為電纜單位長(zhǎng)度的電抗；cosφ為負(fù)荷功率因數(shù)。

低壓電纜的動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定校驗(yàn)和母線方法一致。可參考式(1)～式(3)。

2.3 架空線選擇

隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外電電源來(lái)自當(dāng)?shù)仉娏W(wǎng)上級(jí)220 kV或者110 kV變電站。在項(xiàng)目開(kāi)展初期往往需要對(duì)外電線纜做一個(gè)預(yù)估，以免造成漏項(xiàng)。同樣，在進(jìn)行10 kV架空線線纜預(yù)估計(jì)算時(shí)，我們也要綜合技術(shù)條件和環(huán)境因素選擇。架空線的路由選擇，要盡量減少與其他設(shè)施交叉，避免跨越儲(chǔ)存易爆易燃危險(xiǎn)品的倉(cāng)庫(kù)區(qū)域。

架空線路的持續(xù)載流量也要按照空氣溫度(依據(jù)當(dāng)?shù)?0年或者10年以上最熱月的每天最高溫度的月平均值)進(jìn)行調(diào)整。一般規(guī)定10 kV架空線的最小截面如下：在居民區(qū)，鋁絞線和鋁合金絞線是35 mm2，鋼芯鋁絞線是25 mm2，銅絞線是16 mm2；在非居民區(qū)，鋁絞線和鋁合金絞線是25 mm2，鋼芯鋁絞線是16 mm2，銅絞線是16 mm2。

3 導(dǎo)體載流量的校正

在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算以后，在實(shí)際選擇電纜時(shí)，除了滿足技術(shù)條件外，還要考慮環(huán)境條件(溫度、土壤熱阻率、海拔高度)對(duì)導(dǎo)體選擇的影響。實(shí)際溫度，載流量表中的標(biāo)準(zhǔn)溫度，最高工作溫度代入式(6)中，求出校正系數(shù)K，對(duì)載流量進(jìn)行校正。在相關(guān)的載流量中，土壤熱阻率系數(shù)有的是1.2 K·m/W，有的是2.0 K·m/W。而實(shí)際的載流量表中，土壤熱阻系數(shù)[1]與標(biāo)準(zhǔn)不同，需要進(jìn)行二次校正(見(jiàn)表2)。

表2 不同土壤熱阻系數(shù)的載流量校正系數(shù)

海拔高度主要影響的是架空線直線桿塔的絕緣子數(shù)量。一般情況下，海拔大于3 500的地區(qū)，絕緣子數(shù)量要在校正的基礎(chǔ)上再結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)?shù)脑黾?。而在海拔高度居? 000 m～3 500 m之間的地區(qū)，絕緣子數(shù)量要根據(jù)式(9)進(jìn)行校正[1]：

n1=n[1+0.1(H-1)]

(9)

其中，n1為實(shí)際海拔高度的絕緣子數(shù)量;n為1 000 m以下地區(qū)絕緣子的數(shù)量;H為海拔高度,km。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)高速公路的正常運(yùn)營(yíng)和安全保障起著不可替代的作用。而隧道供配電中線纜的選擇和電器的選擇起著同樣重要的作用。本文系統(tǒng)的總結(jié)分析了隧道供配電系統(tǒng)所涉及到的大部分線纜(包括10 kV架空線、低壓母線、低壓電纜)的截面選擇方法(載流量法、電壓降法、經(jīng)濟(jì)電流密度法、動(dòng)熱穩(wěn)定校驗(yàn))，同時(shí)也給出了各種環(huán)境因素(溫度、土壤熱阻系數(shù)和海拔)對(duì)載流量影響的校正系數(shù)，為隧道供配電專業(yè)設(shè)計(jì)階段選擇線纜提供了一定的參考和借鑒。

[1] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第4版.北京：中國(guó)電力出版社，2016.

[2] 趙 喆.低壓配電支線動(dòng)力電纜截面的選擇[J].產(chǎn)品與技術(shù)(供配用電)，2014(9)：36.

[3] 覃旭偉．淺談電纜截面選擇的幾種依據(jù)[J]．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2014(4)：42.

[4] 王永康．電纜截面選擇的原則與依據(jù)探析[J]．電力訊息，2014(12)：77.

Abstract: From busbar, distribution cable and overhead line, the paper introduces the selection methods for the power supply and distribution conductor section of tunnels, explores the influence of the environmental factors including temperature, soil thermal resistivity, elevation on the correction coefficient of the carrying capacity, so as to lower the power consumption of the power supply and distribution line of roads and tunnels.

Key words: tunnel power supply and distribution, conductor, cable, busbar

The numerical simulation analysis of inner air pipes and water-filled pipes on the basis of explosive blast

Fang Chong

(PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Using the finite element software ANSYS/LS-DYNA, build the calculation model according to the purpose of the experiment, choose proper constitutive relation and materials, the numerical simulation analysis was applied to the dynamic response rules of water-filled pipes and inner air pipelines under the TNT explosion shock loading， point out under blast loading, with the same amount of TNT, these parameters, the deformation of the water-filled pipe, the displacement of pipe’s element and peak pressure, are lower than the inner air pipeline. And with the increase of explosion, the increase rate of these parameters is not higher than inner air pipeline. And it’s destruction resistant ability is stronger, stable is higher.

explosion shock, liquid-filled pipes, dynamic response， calculation model

On selection for power supply and distribution conductor section of tunnels

Zhang Qingxia Li Zhuo

(No.1RoadSurvey,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd,CCCC,Xi’an710075,China)

1009-6825(2017)11-0132-02

2017-02-08

張青俠(1982- )，女，碩士，工程師； 李 卓(1983- ),男，碩士，工程師

U453.7

A