高壓電纜排管線路工程中工作井的結構優(yōu)化與間距布置

陳曦鳴，張曉萍，周 賀

(1.國網安徽電力工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230601；2.國網合肥供電公司，安徽 合肥 230061；3.中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 前言

隨著我國城市化進程的加快，高壓電纜線路工程日益普及。電纜排管以其施工周期短、對交通影響小、方便運行維護等優(yōu)點，成為高壓電纜線路建設中重要的建設方式。電纜排管路徑上每前進一定距離需布置電纜工作井以供施工、檢修和布置電纜接頭使用，由于工作井體積和開挖范圍較大，其結構型式的優(yōu)化和相鄰工作井間的距離安排是電力電纜排管設計中值得研究的重要問題。

1 工作井結構的優(yōu)化

工作井是電纜排管線路的重要組成部分，在電纜路徑的轉彎處和較長一段直線路徑每隔一定距離均需布置電纜工作井，工作井結構尺寸較大的特點和城市日益密集的地下管線、地上構筑物之間的矛盾，對工作井的結構提出了更高的要求。

1.1 工作井的尺寸

根據相關要求，工作井的凈高不宜小于1900mm，在部分受限制區(qū)域，不應小于1400mm[1]。工作井的凈長受到電纜轉彎半徑的控制，通常不宜過短，根據工程經驗110kV和220kV電纜直線工作井，凈長需取6m至8m為宜。

工作井的凈寬由其兩側支架間的凈距控制，以凈高1900mm兩壁均有電纜支架的工作井為例，根據相關要求，其兩壁支架間距離需取1000mm[1，2]，為減小工作井寬度，可采用充分利用工作井凈高較大的特點，將四回路以下電纜分兩列分別布置于工作井兩壁，并縮短電纜支架長度的方法。110kV和220kV電纜直徑約為90mm～150mm，其電纜固定金具寬度約為130mm～190mm，電纜支架長度亦可取130mm～190mm長度，相應工作井凈寬即為1260mm～1380mm。相比通常情況下2000mm～2500mm的工作井凈寬，其凈寬減小740mm～1120mm，既減少了開挖范圍，也降低了工程造價。

1.2 “S”型轉彎工作井

通常的轉彎工作井，采用10°的梯形轉彎模塊進行設計，通過增減模塊個數適應不同的轉角角度。如圖1(a)、(b)所示。該工作井通用性較好，施工方便。但在很短長度內連續(xù)轉彎避讓障礙物情況時，該工作井靈活性不強，亟需優(yōu)化?？蓪⒃撎菪无D彎模塊布置于直線工作井兩端，將其設計為“S”型轉彎工作井，即可方便地進行連續(xù)轉彎，如圖1(c)所示。

圖1 常規(guī)轉彎工作井和“S”型轉彎工作井示意圖

2 蛇形敷設工作井

在高壓電纜排管中通常電纜不能蛇形敷設，由于電纜受熱脹冷縮影響，軸向力變化較大，直線敷設的電纜在長期運行過程中會對電纜接頭產生損害。另外，由于高壓電纜轉彎半徑較大，通常電纜排管線路沒有足夠場地進行電纜盤井的開挖，導致電纜接頭處一旦發(fā)生故障，沒有經過盤繞的電纜余長供再次接頭，故需重新采購電纜進行敷設安裝和接頭，搶修時間較長，社會影響較大。

蛇形敷設工作井[3]能較好地解決以上問題，充分利用工作井1.9m的凈高，電纜在縱向蛇形敷設工作井內可做如圖2所示的大幅豎向蛇形敷設，不僅可吸收因溫差產生的電纜軸向力，且該工作井寬度與普通工作井相差不大，不需較大的開挖場地，不增加土建施工難度，必要時又可釋放電纜余長，供第二次接頭使用，大大縮短了搶修時間。

圖2 豎向蛇形敷設工作井縱向剖面示意圖

雙回路情況下，兩回路共六根電纜均可做平行蛇形敷設，兩回路間預留1000mm寬度通道，此時工作井凈寬在2.5m以下。四回路情況下，考慮電纜較多，如均進行蛇形敷設，工作井寬度勢必增加較大，故可考慮在路徑走向方向上，前后布置兩處該型工作井，在第一處工作井中兩回路蛇形敷設，另外兩回路貼壁敷設，在第二處工作井中反之。如圖3所示。

圖3 雙回路和四回路蛇形敷設工作井橫向剖面示意圖

3 相鄰工作井的距離安排

目前國內的高壓電纜線路，相鄰工作井間距的取值普遍缺乏計算依據，工作井間距通常根據經驗取50m～80m，由于工作井相對排管造價較高，過多的工作井數量將造成投資成本增加。如何合理地選擇相鄰工作井間距，降低工作井數量，對于控制工程造價，具有重要的意義。

3.1 電纜排管敷設中的計算模型和公式

由于高壓電纜的外徑和整備質量較大，其在排管中敷設，所受摩擦力較大，且電纜所受摩擦力會隨排管長度的增加而增大，故排管段每隔適當長度即需布置工作井，在其中放置電纜輸送機敷設電纜[4]。電纜敷設示意圖如圖4所示。

圖4 電纜排管敷設示意圖

注：1—電纜盤；2—高壓電纜；3—電纜輸送機；4—直線或轉彎工作井；5—排管；6—接頭工作井。

在電纜敷設全過程，所有已投入運行的電纜輸送機和電纜牽引頭處的牽引機出力之和均需超過電纜所受摩擦力之和，電纜敷設方可完成。

通常，電纜在敷設過程中所受的摩擦力主要有：初始摩擦力、各排管段摩擦力、轉彎工作井內滾輪與電纜之間的摩擦力。其具體計算公式[2]如下：

T0=20Wμ

(1)

Ti=WL(μcosθ1+sinθ1)

(2)

其中：T0—初始摩擦力，按20m左右電纜摩擦力計，單位N；Ti—電纜在排管中的摩擦力，單位N；W—電纜單位重量，單位：N/m；L—排管長度，單位：m；θ1—排管傾斜角度，單位：°；μ——排管或轉彎工作井內滾輪與電纜摩擦系數。

此外，如果在敷設中，采用電纜輸送機和牽引機聯合敷設的方式，且牽引機對電纜牽引頭進行較大力量的牽引，則在轉彎工作井中，若該工作井后側的電纜輸送機出力之和不能克服其后側電纜所受的摩擦力之和，該工作井前側的牽引機和輸送機將會對電纜產生牽拉力，由此電纜對轉彎工作井內滾輪將產生側壓力，從而滾輪對電纜產生摩擦力，但由于施工過程中，通常對電纜牽引頭的牽引力較小，僅為導向性質，上述情況一般不會發(fā)生，故本文對牽引機出力和轉彎工作井內滾輪與電纜之間的摩擦力均不予考慮。也即電纜排管線路中，轉彎工作井存在與否不影響工作井距離的安排。

3.2 相鄰工作井的間距安排

3.2.1 電纜、保護管和電纜輸送機型號的選擇

本文選取最大出力為8kN的電纜輸送機，電纜輸送機布置方式按照電纜盤初始位置放置1臺、各工作井內放置2臺考慮。電纜排管選取PVC-C實壁電纜保護管，電纜與排管的摩擦系數取0.45，電纜為PVC護套交聯聚乙烯絕緣電力電纜，電纜的相關參數見表1。

表1 電纜與排管計算參數

3.2.2 相鄰工作井間距的計算

(1)在整盤電纜均沿直線敷設，且電纜排管為水平布置的理想狀態(tài)下，工作井最大中心間距見表2。

注：工作井長度均按8m計算。

由表2可見，在整盤電纜沿直線敷設情況下，相鄰工作井間距隨電纜外徑或電纜重量的增加而減小。以導體截面為2000mm2的220kV大截面電纜為例，其#1與#2工作井中心間距可達160.3m，其余相鄰工作井中心間距也可達122.9m；導體截面為400mm2的110kV電纜其工作井間距最大甚至可達543.7m。

(2)假定電纜在敷設過程中，某工作井后側的電纜輸送機出力之和剛好克服其后側電纜所受的摩擦力之和，則在該工作井內放置的兩臺電纜輸送機所能克服的其前側電纜排管對電纜的摩擦力與該電纜排管的長度和俯仰傾角有關，在電纜排管傾角變化的情況下，工作井最大中心間距見表3、表4。

表3 電纜排管有俯仰角情況下#1與#2工作井中心間距 (單位：m)

注：①工作井長度均按8m計算；②排管傾角負(正)值代表電纜自高(低)處向低(高)處敷設。

表4 電纜排管有俯仰角情況下其余工作井中心間距 (單位：m)

注：①工作井長度均按8m計算； ②排管傾角負(正)值代表電纜自高(低)處向低(高)處敷設。

由表3、表4可見：(1)隨著工作井俯仰角度的下降，工作井間距將大大增加，故在電纜路徑有高差情況下，電纜自高處向低處敷設，將有利于增加工作井間距。(2)相較目前國內流行的50m～80m的相鄰工作井間距，考慮到運行維護的方便和運輸對電纜盤長的限制等因素，以1000mm2截面的220kV電纜為例，在電纜排管有-2°傾角的情況下，其#1至#2工作井間距選擇250m，其余相鄰工作井間距選擇200m是可行的。(3)電纜排管線路中，轉彎工作井存在與否不影響工作井距離的安排。

3.2.3 相鄰工作井間距的計算

上述計算方法的正確性在安徽地區(qū)220kV排管線路中已得到檢驗。在合肥永青-杏花220kV電纜線路工程中，電纜為1600mm2截面，其中一段2°傾角的電纜排管全長150m，穿纜不受影響。在合肥撮鎮(zhèn)-冷板110kV電纜線路工程中，電纜為630mm2截面，電纜排管傾角均在3°以內，1.3km電纜排管間距均為120m，穿纜不受影響。

4 結論

本文對工作井尺寸進行了優(yōu)化，將其寬度減小約1m，提出了“S”型轉彎工作井應對連續(xù)轉彎等復雜情況，設計了一種新穎的蛇形敷設工作井型式，提高了電纜線路的運行可靠性和搶修速度。對相鄰工作井間距進行了詳細計算和論證分析，得出各種不同型號電纜在排管中敷設時的工作井間距的最大值供參考使用，以上研究和計算，對方便電纜線路的施工、控制電纜工程造價、提高電纜線路運行可靠性均具有較大的指導意義。