適用于公里級高溫超導電纜的電力工井設計

蔡龍晟

(上海電力設計院有限公司，上海 200025)

作為先進的電網(wǎng)技術之一，超導輸電技術利用超導材料處于超導態(tài)時的高密度(>104～107 A·cm-2)無阻載流能力，替代常規(guī)的銅、鋁等金屬材料作為載流導體，實現(xiàn)高密度的電能傳輸。在35 kV公里級長度超導電纜示范工程中，擬建設220 kV CC站和220 kV CX站之間1回電壓等級35 kV、額定電流2.2 kA的超導電纜，替代現(xiàn)有4回35 kV常規(guī)電纜，新建電纜線路路徑長度約1.15 km，全線設置有兩組中間接頭。由于該示范工程線路路徑較長，達到公里級指標，線路路徑中需設置超導電纜接頭2處，是目前國內(nèi)外已建成的示范工程中所未曾出現(xiàn)的情況。示范工程中根據(jù)路徑通道條件，擬定采用電力排管作為主要通道形式。

本文將對適用于公里級的超導電纜工井進行設計方案研究，目的是確保通道建成后能夠滿足超導電纜敷設條件，滿足投運后超導電纜安全穩(wěn)定運行的需求。

1 超導電纜工井及敷設設計

1.1 工井設計一般要求

超導電纜冷熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變造成的熱伸縮變化是超導電纜敷設的一個需要考慮重要的因素。從國內(nèi)外已有的超導電纜冷縮率數(shù)據(jù)來看，當超導電纜從室溫降溫至超導運行溫度時，其纜芯的收縮率在3.0‰～3.1‰，超導電纜所采用的絕熱管的整體收縮率在1.2‰～1.3‰。這些結(jié)果可視為電纜敷設的限制條件，因而需要設置伸縮弧以吸收電纜熱伸縮，保證電纜的安全運行。

盡管理論上有必要針對電纜在不同敷設方式條件下均采取冷縮應對措施，但因排管內(nèi)無法有效開展應對作業(yè)。因此，主要從工作井、接頭、終端處采取有效固定、合理設置伸縮弧等方法以應對電纜冷縮，并一定程度減少由此產(chǎn)生的機械力，避免終端等損壞。

電纜工井按用途可分為敷設工作井、接頭井。工井內(nèi)凈尺寸的確定，必須同時考慮電纜在工井中立面彎曲和平面彎曲時所必需的尺寸。

工井內(nèi)的金屬支架和預埋鐵件要可靠接地，接地電阻應不大于4 Ω。接地方式是在工井外對角處或4只邊角處埋設2～4根φ50 mm×2 m鋼管為接地極，深度應大于3.5 m。在工井內(nèi)壁以扁鋼組成接地網(wǎng)，與接地極用電焊連接。工井內(nèi)預埋鐵件和金屬支架也用電焊與接地扁鋼連接。

1.2 對超導電纜工井的改造

由于超導電纜的正常工作溫度為液氮溫區(qū)(77 K左右)，因此當制冷設備啟動運行后，超導電纜溫度將由敷設安裝時的室溫下降至液氮溫區(qū)，此時超導電纜本體將受冷收縮，且根據(jù)此次示范工程的電纜試驗及相應仿真計算結(jié)果可知，電纜本體收縮率約為2.6‰。為避免因冷縮應力造成超導電纜本體受損，擬定在工井內(nèi)設置蛇形弧幅來吸收超導電纜的冷縮，從而保障電纜的安全運行。

示范工程新建工井的寬度擬定為3.0 m。在常規(guī)電纜工井的基礎上適當增加寬度，使工井內(nèi)電纜在滿足超導電纜彎曲半徑最小限值的要求條件下具備敷設水平蛇形的空間。經(jīng)計算，在電纜蛇形曲線敷設以及直線敷設的轉(zhuǎn)換過程中，工井可釋放約0.6 m的電纜長度。以前述冷縮率進行折算，相當于可吸收約200 m長電纜所造成的冷縮長度。在此基礎上，當工井按平均百米的設計間距考慮，則可進一步保證降溫冷縮過程中電纜的形變可通過工井內(nèi)預設的水平蛇形弧幅進行吸收。

為了滿足工井內(nèi)電纜的蛇敷需求，建議針對超導電纜工井的支架按照單側(cè)布置考慮。與常規(guī)工井不同，工井人孔、檢修孔建議布置于支架安裝的對側(cè)。人員進出、機具吊裝過程中可避免對電纜本體造成影響。直線工井內(nèi)電纜布置俯視示意如圖1所示。

圖1 直線工井內(nèi)電纜布置俯視示意圖(單位：m)

考慮到超導電纜在降溫過程中會伴隨發(fā)生滑移形變，工井內(nèi)的電纜在冷縮完成前建議不進行剛性固定，待冷縮完成，電纜軌跡穩(wěn)定后再進行固定。除固定方式外，也可考慮采用伸縮弧處電纜固定的形式進行固定，見圖2。在該固定方式中，水平導軌設置于支撐支架上方，可滑動抱箍設置于水平導軌之上，沿水平導軌方向移動。此時，常溫狀態(tài)下超導電纜敷設狀態(tài)如圖2中下方曲線所示，抱箍固定于點狀位置；當降溫后，電纜逐漸縮短至虛線狀態(tài)，抱箍固定于星狀位置。該方式可控制電纜彎曲曲線，限制電纜收縮軌跡，避免電纜在收縮過程中出現(xiàn)局部彎折過度的情況。

圖2 伸縮弧處電纜固定方式

1.3 對轉(zhuǎn)角工井的改造

對于轉(zhuǎn)角工井而言，一般分為長邊與短邊，長邊長度較長，滿足輸送機布置的需求，而常規(guī)轉(zhuǎn)角工井的短邊長度一般較短，無法布置輸送機。當電纜敷設于轉(zhuǎn)角工井時，為減少超導電纜敷設時所承受的牽引力以及側(cè)壓力，在電纜途經(jīng)的各座工井內(nèi)均建議布置履帶式輸送機。根據(jù)牽引力以及側(cè)壓力的計算原理，順電纜敷設輸送方向，履帶式輸送機布置于轉(zhuǎn)角前有利于減小電纜所承受的牽引力及側(cè)壓力。由于超導電纜外徑大、自重大，但同時所能夠承受的牽引力及側(cè)壓力相對較小，因此根據(jù)牽引力、側(cè)壓力來選擇合理的敷設方向較為重要。相應地，敷設轉(zhuǎn)角工井短邊側(cè)有必要預留足夠長的直線段，用以預留電纜敷設時輸送機的設置空間。

根據(jù)示范工程中所使用的履帶式輸送機尺寸(見圖3)，履帶式輸送機的長度約1.2 m，因此，在考慮一定施工安裝空間的條件下，建議超導電纜所利用的轉(zhuǎn)角工井直線段需大于2 m，即圖4中L標注的長度建議大于2 m。

圖3 履帶式輸送機外形尺寸

圖4 轉(zhuǎn)角工井內(nèi)電纜布置俯視示意圖(單位：m)

1.4 對接頭工井的改造

電纜的冷縮會使得電纜附件受到拉伸，嚴重時將損壞電纜接頭的絕緣性能，造成超導電纜損壞。參考常規(guī)電纜接頭，其敷設時需通過接頭抱箍將接頭固定于電纜支架，接頭兩端電纜均采用剛性固定形式，隨后設置弧形以吸收電纜熱伸縮，防止接頭損壞。超導電纜也可采用與之類似的固定方案：采用抱箍或托架形式支撐固定中間接頭，接頭兩側(cè)采用1～2個夾具進行剛性固定。

接頭兩側(cè)電纜使用夾具固定，夾具后側(cè)設置一定的伸縮弧，用以吸收電纜一部分的熱伸縮量。伸縮弧彎曲半徑為4.2 m時的一種布置方案(見圖5)，伸縮弧節(jié)點長約6.2 m，可通過加大接頭區(qū)域尺寸來增加伸縮弧尺寸，從而進一步增加可吸收的熱伸縮量。

圖5 超導電纜接頭布置俯視示意圖(單位：m)

施工實施階段，電纜接頭井應充分考慮電纜接頭組裝用機具的尺寸，以及電纜接頭施工安裝空間等要素。因此，為保證安裝的作業(yè)空間，示范工程新建接頭工井的尺寸擬定為3.0 m×1.9 m×20 m，在頂板開設人孔，底板設置集水坑。此外，為保證超導電纜鋼管形接頭能夠吊裝至接頭井內(nèi)，相較于常規(guī)工井，額外增設可開啟吊物孔，吊物孔采用電纜溝蓋板形式。超導電纜中間接頭工井吊物孔設置示意如圖6所示。

圖6 超導電纜中間接頭工井吊物孔設置俯視示意圖

2 超導電纜工井支架材料選擇

電纜橫擔主要用于支撐超導電纜，是支架系統(tǒng)中唯一與電纜直接接觸的部件。一般而言，電纜橫擔所選用的材料必須能克服以下3個主要不利因素。

2.1 電纜支架感應渦流

電纜支架感應渦流是指在電纜工程中若采用普通鋼材電纜支架，對于交流單芯電纜，電纜中的大電流會在支撐電纜的金屬橫擔上產(chǎn)生感應渦流，從而使金屬橫擔升溫，間接導致電纜外護套表面溫度升高，周圍媒質(zhì)熱阻增大，影響電纜的輸送容量。

在高溫超導電纜屏蔽層兩端互聯(lián)的情況下，屏蔽通過電流與導體電流量值相同，相位相反，超導電纜的屏蔽層外部無磁場。因此電纜周邊不產(chǎn)生渦流。

2.2 環(huán)境腐蝕

電力工井本體結(jié)構處于地下，而示范工程所在的上海地區(qū)地質(zhì)條件普遍較差，地下水位常年處于較高水平；加之工井本體裂縫情況目前尚無有效辦法完全杜絕。上海已建電力工井電纜工作環(huán)境普遍較為潮濕，部分線路段甚至常年處于積水狀態(tài)。電纜支架需要具有較高的耐久性要求。經(jīng)熱浸鍍鋅處理的鍍鋅鋼材、復合材料、工程塑料及0Cr18Ni9不銹鋼均具有較好的耐腐蝕性能。

2.3 電纜自重荷載及熱機械力荷載

本工程所敷設超導電纜單位質(zhì)量約40 kg·m-1，因而每根支架承受的電纜自重荷載較大。

同時，由于隨著負荷電流變化及環(huán)境溫度變化，電力電纜會發(fā)生熱脹冷縮，產(chǎn)生電纜內(nèi)部的熱機械力，超導電纜輸送電流越大，所產(chǎn)生的熱機械力也越大。

為抵抗超導電纜冷縮期間較大的自重荷載及熱機械力荷載所產(chǎn)生的彎矩效應，同時防止橫擔撓度超出限值，電纜橫擔材質(zhì)需要具有極高的強度和剛度。復合材料雖然具有較高的抗拉強度，但其剛度性能較弱，根據(jù)以往工程實例，復合材料在較大彎矩作用下將出現(xiàn)較大變形現(xiàn)象，從而不滿足正常使用條件，因此認為在超導電纜工程中，復合材料不適用于電纜橫擔的制作。鍍鋅鋼材以及0Cr18Ni9不銹鋼同時具有較高的強度和極高的剛度性能，可以適用于電纜橫擔的制作。

綜上所述，鍍鋅鋼材以及0Cr18Ni9不銹鋼能同時克服環(huán)境腐蝕及電纜荷載作用等不利因素的影響，相比較而言，鍍鋅鋼材耐腐蝕性能相對較差，但具有造價優(yōu)勢，0Cr18Ni9不銹鋼耐腐蝕性能最佳，但造價較高。綜合比較后，最終確定選用鍍鋅鋼材。

3 超導電纜工井內(nèi)在線監(jiān)測裝置

地下電纜在使用中若受到外力破壞，將嚴重影響供電安全可靠性。因此，電纜通道是安全隱患排查治理的重點領域，是保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行、消防防范、運維安全的重點。超導電纜一旦發(fā)生液氮泄漏，易引發(fā)異常及事故并迅速擴展，嚴重威脅人身及電網(wǎng)設備安全。因此，有必要配置在線監(jiān)測系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)超導電纜內(nèi)部液氮泄漏等故障情況，為超導電纜可靠運行提供保障。特別是針對接頭工井，建議通過監(jiān)測工井溫度、濕度、液位、氧氣、煙感、視頻等信息，保證環(huán)境的安全可控。智能接頭工井內(nèi)在線監(jiān)測設備布置如圖 7所示。

圖7 工井內(nèi)在線監(jiān)測設置布置圖

此外，建議配置智能井蓋系統(tǒng)，選用帶遠程通信功能的井蓋控制器，整個監(jiān)控系統(tǒng)可以通過遠程通信方式實現(xiàn)監(jiān)控中心對各井口狀態(tài)的實時監(jiān)控，各井口控制器實時監(jiān)控井口狀態(tài)，對非法開蓋狀況實時報警傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接警后立即將相關資料顯示于監(jiān)控計算機顯示屏，并提醒值班人員接警，用戶還可以在監(jiān)控中心實現(xiàn)對各井口的布防、撤防，方便維護、檢修。

4 結(jié)語

本文針對超導電纜工井進行了探討與研究，對于超導電纜工井，為滿足電纜冷縮需求，建議采用單邊支架布置，工井內(nèi)預留足夠的電纜弧幅敷設寬度。固定時，建議可采用可滑動導軌進行支撐，確保超導電纜在冷縮過程中的軌跡可控。對于接頭工井，根據(jù)接頭制作、吊裝空間的需求，在常規(guī)電纜工井的基礎上，建議加設接頭吊裝孔。工井內(nèi)支架材料建議采用鍍鋅鋼材，滿足環(huán)境防腐及電纜荷載的要求。最后，為了提高超導電纜通道的可靠性，建議配置智能井蓋系統(tǒng)、智能接頭工井系統(tǒng)。