抽蓄電站超深豎井500kV高壓電纜敷設(shè)方案研究

王樹生 陳 凱 張志翔

(1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130021；3.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024；4.中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

目前國內(nèi)抽水蓄能電站項目密集開工，地下工程施工規(guī)模較大、難度高，樞紐建筑物及地下洞室較為復(fù)雜，一般情況下蓄能電站包含以下幾個重要系統(tǒng)：上水庫、下水庫輸水系統(tǒng)，地下廠房系統(tǒng)，地面綜合樓，500kV地面開關(guān)站。而為滿足電站送出要求，往往采用高壓電纜連接500kV地面開關(guān)站和地下主變設(shè)備，國內(nèi)目前基本采用以下兩種方式，一種為電纜斜井出線方式與地面開關(guān)站連接；另一種采用電纜豎井方式與地面開關(guān)站連接。超高壓電纜通常具有單根距離長、直徑和截面較大、自重大等特點，500kV擠包絕緣電力電纜在“平洞+豎井”中施工敷設(shè)尤為困難和復(fù)雜。

1 工程簡介

1.1 工程概況

黑龍江荒溝抽水蓄能電站開關(guān)站與地下廠房采用豎井連接，豎井設(shè)計總高度344.8m，電纜通道的有效高程334m，為緩解電纜自身重力問題，在高程332.95m處設(shè)置有耳洞，經(jīng)高壓電纜平洞與地下GIS室連接。其中直徑11m的圓形斷面共計323.9m，襯砌厚度55cm，耳洞高度11.4m，長度16.48m，分為三層，中間層為消防設(shè)備層，上、下兩層為高壓電纜緩沖層。整個電纜兼排風豎井由高低壓電纜井、電梯井、電梯前室、樓梯間、電梯泄風井、事故排風井及三個排風井等11個小井組成。豎井耳洞上部高度165m，豎井下部高度162m。其中高壓電纜井每5.4m設(shè)置一層平臺，布置兩個2.25m×0.78m方形井孔。本文在施工前針對電纜豎井及廊道內(nèi)施工空間狹小、工器具布置困難、安全控制等問題，通過三維建模進行電纜受力分析，為后續(xù)施工提供理論依據(jù)。

1.2 電纜參數(shù)

電纜的技術(shù)特性見表1。

表1 電纜的技術(shù)特性

2 電纜受力計算

根據(jù)現(xiàn)場電纜路徑實際情況及已有電纜數(shù)據(jù)信息，利用公式計算出各種敷設(shè)情況下的牽引力，然后選擇合適的敷設(shè)工器具及方案，開關(guān)站及豎井內(nèi)電纜敷設(shè)示意見圖1。

圖1 電纜敷設(shè)示意

2.1 基本計算公式

本文所用的基本計算公式如下：

側(cè)壓力

P=T/R

(1)

水平直線段牽引力T1=9.8μWL

(2)

水平轉(zhuǎn)彎敷設(shè)牽引力T2=T1eμθ

(3)

上行斜坡直線敷設(shè)牽引力

T1=9.8WL(μcosθ+sinθ)

(4)

下行斜坡直線敷設(shè)牽引力

T2=9.8WL(μcosθ-sinθ)

(5)

摩擦力

f=μFN

(6)

式中，P為側(cè)壓力，N/m；T為牽引力，N；R為彎曲半徑，m；μ為摩擦系數(shù)；W為電纜每米重量，kg/m，為25kg/m；T1為彎曲前牽引力，N；L為電纜長度，m；θ為彎曲圓心角,(°)；T2為彎曲后牽引力，N；FN為物體所受的正壓力。

2.2 牽引力、夾緊力、摩擦力的分析和計算

電纜敷設(shè)分為豎井段電纜敷設(shè)和水平段電纜敷設(shè)兩部分。在電纜盤展放、電纜路徑直線段和轉(zhuǎn)彎較緩的部分，考慮采用輸送機進行電纜展放和敷設(shè)，并配置鋼絲繩進行保護。

2.2.1 豎井段電纜敷設(shè)的布置

電纜廊道至電纜豎井連接處敷設(shè)見圖2。

圖2 電纜廊道至電纜豎井連接處敷設(shè)示意圖

為避免電纜敷設(shè)過程中的損傷，擬按照圖2所示布置輸送機及大型落水架，利用滾輪組分散電纜由于自重導(dǎo)致的側(cè)壓力，通過輸送機對電纜進行敷設(shè)。豎井段輸送機在進行電纜輸送時，工裝處于垂直向下受力，考慮到電纜輸送機的穩(wěn)固性，輸送機上端增加三角架及兩根鋼絲繩用于拉緊輸送機，防止輸送設(shè)備傾斜或墜落。

2.2.2 水平段電纜敷設(shè)的布置

電纜下平洞及主變室電纜長約198m,此處電纜通道基本為直線，只有兩個直角轉(zhuǎn)角，但轉(zhuǎn)彎半徑較大，并有13.38%的傾斜率，如圖3所示，高壓電纜在斜坡段匯聚后以蛇形布置由豎井分開敷設(shè)至地面開關(guān)站與GIS套管相連，基本可忽略側(cè)壓力。

圖3 豎井及下平洞的電纜三維布置圖

2.2.3 電纜重力計算

豎井口到耳洞上方垂直距離約165m，耳洞至豎井底部垂直距離約162m。根據(jù)現(xiàn)有電纜參數(shù)及公式，可算得電纜在豎井段最大自重為40425N。

根據(jù)豎井內(nèi)電纜總重力，以及電纜廠家提供的輸送機基本配置和日常操作檢驗選擇的輸送機型號見表2。

表2 輸送機產(chǎn)品名稱、型號及參數(shù)

JSD型號輸送機對電纜徑向夾緊力可自行調(diào)整。根據(jù)實踐運用效果本次電纜敷設(shè)采用JSD-8型號的電纜輸送機。

2.2.4 輸送機力學(xué)計算

a.當豎井段內(nèi)電纜保持夾緊狀態(tài)時，可看作電纜與輸送機之間處于相對靜止狀態(tài)，水平時牽引，此時電纜所需牽引力(即輸送力)為電纜自重，即T1=40425N。

而JSD-8輸送機每臺額定輸送力為8kN，考慮2倍安全系數(shù)的情況下，每段豎井段采用的輸送機數(shù)量為10.106臺。

耳洞上部至少需要10臺輸送機，在豎井轉(zhuǎn)彎處增加1臺，在耳洞處上、下層各設(shè)置2臺輸送機，合計共需25臺輸送機，豎井內(nèi)電纜輸送機安裝見圖4，在未安裝輸送機的檢修平臺處安裝導(dǎo)向滑輪，見圖5。

圖4 輸送機安裝示意圖

圖5 導(dǎo)向滑輪安裝示意圖

b.電纜下平洞及主變室內(nèi)敷設(shè)路徑設(shè)置電纜輸送機10臺，直滑輪每4m設(shè)置1個，在電纜敷設(shè)路徑轉(zhuǎn)彎處搭建導(dǎo)向滑輪。經(jīng)計算高壓電纜平洞及下平洞的水平段牽引力為4.95kN，可滿足敷設(shè)要求。

2.3 側(cè)壓力的計算

垂直作用在電纜表面方向上的壓力稱為側(cè)壓力，其主要發(fā)生在牽引電纜時的彎曲部位。最大允許側(cè)壓力的計算式為

(7)

式中Pm——最大允許側(cè)壓力，N/m；

T——轉(zhuǎn)彎后的牽引力，N；

R——轉(zhuǎn)彎半徑，m。

一般而言，外護套為聚氯乙烯或聚乙烯的電纜在沿圓弧面滑動時允許側(cè)壓力為3kN/m；若沿圓弧面設(shè)置導(dǎo)向滑輪，則每個滑輪所受側(cè)壓力的允許值為1.8kN。

根據(jù)計算出的側(cè)壓力可調(diào)整轉(zhuǎn)彎處導(dǎo)向支架上滑輪設(shè)置的數(shù)量。按照電纜敷設(shè)路徑圖計算直角彎處的側(cè)壓力，可求得側(cè)壓力為23.38kN，根據(jù)每個滑輪的允許側(cè)壓力值為1.8kN算出在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置13個滑輪即可滿足不超過允許側(cè)壓力的要求。在工程實際應(yīng)用中，在水平直角彎的入彎、出彎及半彎處應(yīng)最少設(shè)置3個導(dǎo)向滑輪，并根據(jù)實際情況調(diào)整合適位置后進行固定。此外，在不超過滑輪所受側(cè)壓力的允許值和電纜最小彎曲半徑要求的前提下，也可根據(jù)實際情況通過增加滑輪的數(shù)量來減小側(cè)壓力、縮小或增大轉(zhuǎn)彎處的彎曲半徑。

2.4 牽引力的校核

計算出敷設(shè)電纜所需的牽引力后還需計算電纜允許的最大牽引力。若實際所需牽引力大于電纜能承受的最大牽引力，則不能僅用單臺卷揚機進行牽引，否則將造成電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷。這種情況下，采用人工敷設(shè)或增加電纜輸送機來降低電纜的牽引力。

電纜最大允許牽引力的計算如下：按受力材料抗張強度的1/4考慮，以此乘以材料的截面面積為最大牽引力。通常電纜最大允許牽引力的計算式為

Tm=KδqS

(8)

式中Tm——最大允許牽引力，N；

K——校正系數(shù)，電力電纜取1，控制電纜取0.6；

δ——材料允許抗拉強度，N/mm2，銅芯時取68.6N/mm2，鋁芯時取39.2N/mm2；

q——電纜導(dǎo)電芯數(shù)，單芯電纜取1，三芯電纜取3；

S——材料截面積，mm2。

以圖1所示的電纜敷設(shè)為例，計算出的電纜允許最大牽引力為54880N。由計算可知，電纜輸送機牽引力遠遠小于電纜最大允許牽引力。

3 電纜敷設(shè)選擇

本工程的難點在于334m豎井內(nèi)如何進行敷設(shè)，在豎井敷設(shè)過程中，必須防止電纜因自身重力造成的自由下落問題。根據(jù)計算結(jié)果擬采用電纜輸送機進行敷設(shè)，電纜盤架設(shè)時要考慮電纜盤重及高度，由于電纜盤較高，架起高度一般在3m以上，為使放線滑輪的用力方向與電纜平行，放線滑輪必須固定在專門搭設(shè)的坡形架子上，另外電纜盤兩側(cè)盤沿應(yīng)用厚木板設(shè)置“剎車”裝置，電纜盤架設(shè)見圖6。

圖6 電纜盤架設(shè)示意圖

在豎井旁邊的平臺上放置一定數(shù)量的電纜輸送機，電纜輸送機垂直放置，并與平臺地面固定，電纜輸送機在向下輸送的同時將電纜夾緊，防止電纜的突然墜落。

a.豎井內(nèi)安全平臺安全網(wǎng)的搭建。電纜豎井高334m，工作時必須設(shè)置安全圍欄和佩戴安全帶。在電纜敷設(shè)前，在豎井中每一層搭建臨時工作平臺，以便有足夠的工作空間。在豎井中搭建安全網(wǎng)，防止在施工過程中工具從高空跌落危及人身和電纜安全。

b.敷設(shè)機具的布置。本工程采用輸送機敷設(shè)的方式，500kV電纜的質(zhì)量較大(約25kg/m)，沿線必須合理安排敷設(shè)機具，避免牽引力過大硬性損傷電纜。根據(jù)電纜可承受的最大牽引力為54880N，在出線平臺配備2臺輸送機，在334m豎井段配備20臺輸送機，耳洞位置及轉(zhuǎn)彎處布置5臺輸送機，在198m平洞段配備10臺輸送機，布置位置根據(jù)現(xiàn)實際情況調(diào)整。

c.導(dǎo)向架的設(shè)計與布置。電纜在出線平臺上下位置和豎井進出位置必須配備電纜導(dǎo)向架。導(dǎo)向架的拐彎半徑要滿足電纜最小的動態(tài)彎曲半徑大于20倍直徑，即大于3m的要求。豎井口是敷設(shè)的關(guān)鍵位置，此處的導(dǎo)向架必須經(jīng)過特殊處理。電纜進入豎井后，該位置的受力隨著進入豎直部分的電纜增多而迅速增大。當電纜完成進入豎井后，受力將全部施加在金屬護套上，這個數(shù)值遠遠大于電纜的側(cè)壓力允許值。豎井內(nèi)的電纜自重由20臺輸送機平均分攤，導(dǎo)向架實際受力為豎井段最后一臺輸送機到平洞地面的電纜自重；導(dǎo)向架由多個滑輪組成，形成多點受力，進一步降低了電纜受到的側(cè)壓力。

d.電纜預(yù)留段的敷設(shè)。設(shè)計在敷設(shè)中考慮了預(yù)留電纜，以備日后檢修之用。要求在開關(guān)樓地下一層和地下平洞、主變出線支洞預(yù)留電纜。電纜敷設(shè)到位后，主變出線支洞→地下平洞→開關(guān)樓地下一層，利用輸送機、電纜葫蘆及人工配合逐步進行固定，并形成弧形預(yù)留段。

e.電纜擺設(shè)前，根據(jù)圖紙再次確認電纜相序后方可進行電纜固定工作。根據(jù)設(shè)計要求，全線電纜均安裝固定在支架上，每相電纜敷設(shè)完畢后，即進行擺線及電纜固定工作，并在電纜兩側(cè)終端安裝位置分別預(yù)留5m。

f.電纜敷設(shè)后的蛇形固定。荒溝抽水蓄能電站敷設(shè)的高壓電纜是500kV水電站的出線，電纜在一日的工作周期內(nèi)有可能出現(xiàn)數(shù)次滿載和空載運行，負荷的變化會使電纜產(chǎn)生熱伸縮，當電纜截面積較大時，伸長量也較大。如果不能消除由此產(chǎn)生的機械應(yīng)力，將對電纜的主絕緣和鋁護套造成不良影響。因此，電纜采用蛇形固定方式，在水平位置，每間隔4.5m設(shè)固定支架，制作電纜豎直波谷量為220mm的蛇形；在豎井位置，每間隔2.7m制作電纜水平波谷量為200mm的蛇形，用以消除電纜的機械應(yīng)力。

4 結(jié) 語

在施工前期通過電纜受力分析，通過BIM三維建模和云計算相結(jié)合，在設(shè)計階段和施工前期與施工單位配合，提前查找施工中會出現(xiàn)的問題并及時協(xié)調(diào)解決。希望此次研究對電纜每個部位在電纜敷設(shè)過程中受到牽引力和壓力的測算，可為后續(xù)施工提供理論依據(jù)。