核電廠電纜橋架超容問題的分析與處理

杜宗陽

(江蘇核電有限公司,江蘇 連云港 222000)

電纜橋架是用于敷設(shè)電纜的重要剛性結(jié)構(gòu)，由橋架、支吊架、連接片以及緊固螺栓等附件構(gòu)成，按照橋架的結(jié)構(gòu)類型差異，電纜橋架主要可以分為槽式橋架和梯式橋架兩類。核電廠電纜數(shù)量非常多，受電纜橋架設(shè)計及電纜敷設(shè)設(shè)計不合理、電纜施工管理不到位等因素影響，電纜橋架極其容易出現(xiàn)超容現(xiàn)象，因超容溢出電纜橋架的電纜不能得到較好的保護(hù)，控制電纜電磁屏蔽性能可能受到影響，在嚴(yán)重超容時可能導(dǎo)致地震條件下電纜橋架難以承受自身及所承載電纜的荷載，出現(xiàn)變形、彎折，甚至倒塌等嚴(yán)重問題[1]。

1 出現(xiàn)的電纜橋架超容問題

田灣核電3、4號機(jī)組采用俄羅斯VVER AES-91型壓水堆核電機(jī)組，兩臺機(jī)組電纜總數(shù)量約8.7萬根，電纜設(shè)計總長度約6000 km。由于此類型核電機(jī)組電纜量非常大，電纜序列多且空間緊張，易出現(xiàn)電纜橋架超容問題。在田灣核電3號機(jī)組建設(shè)階段，核島廠房部分電纜橋架曾出現(xiàn)超容現(xiàn)象，一部分電纜溢出電纜橋架，典型情況見圖1。

圖1 電纜橋架超容示例Fig.1 Example of overfilled cable tray

按照VVER核電機(jī)組電纜及電纜橋架設(shè)計規(guī)劃情況，1～4序列電纜橋架為1E級電纜橋架，用于敷設(shè)安全系統(tǒng)電力、控制及測量電纜；5、6序列電纜橋架為非1E級電纜橋架，用于敷設(shè)非安全系統(tǒng)電力、控制及測量電纜。這些電纜橋架在保證電廠電力供應(yīng)、控制信號傳輸及機(jī)組安全穩(wěn)定運行方面起到重要作用，對于出現(xiàn)超容現(xiàn)象的電纜橋架，需要進(jìn)行分析評估并進(jìn)行必要的處理，以免電纜橋架承載力出現(xiàn)問題。

2 電纜橋架超容原因分析

經(jīng)現(xiàn)場全面排查田灣核電3號機(jī)組電纜橋架布置電纜情況,發(fā)現(xiàn)梯式橋架基本不存在超容問題，存在超容現(xiàn)象的主要為核島廠房槽式電纜橋架。為了準(zhǔn)確判斷電纜橋架超容現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，從電纜橋架填充率要求、電纜橋架及電纜敷設(shè)設(shè)計、電纜施工、電纜制造等方面進(jìn)行了分析。

2.1 電纜橋架填充率要求分析

根據(jù)VVER核電機(jī)組電纜敷設(shè)技術(shù)要求，對于單層敷設(shè)電纜的電纜橋架，電纜橋架填充率為電纜橋架內(nèi)所有電纜外徑之和與電纜橋架寬度之比；對于多層敷設(shè)電纜的電纜橋架，電纜橋架填充率為電纜橋架內(nèi)所有電纜的總截面積(電纜截面積按照直徑的平方考慮)與電纜橋架橫截面積之比。根據(jù)俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求和電纜敷設(shè)工程經(jīng)驗，VVER核電機(jī)組電纜敷設(shè)技術(shù)要求規(guī)定：對于單層敷設(shè)且電纜間距不小于電纜外徑的電纜橋架，電纜橋架允許填充率Emax=50%；對于單層無間距敷設(shè)電纜的電纜橋架，Emax=95%；對于多層敷設(shè)電纜的電纜橋架，橋架允許填充率70%，按照電纜實際截面積進(jìn)行折算，Emax≈55%。以上VVER機(jī)型電纜橋架填充率設(shè)計要求與GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[2]等中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的電纜敷設(shè)要求基本一致。在不同的敷設(shè)形式下，VVER核電機(jī)組電纜橋架的實際填充率的計算方法見表1。

表1 VVER核電廠電纜橋架填充率計算方法Table 1 Calculation method of the filling rate for cable trays of VVER NPP

注：d為電纜外徑，L為橋架寬度，S為槽式橋架截面積，E為橋架填充率。

2.2 電纜橋架超容的設(shè)計原因分析

在發(fā)現(xiàn)電纜橋架出現(xiàn)超容現(xiàn)象時，田灣核電3號機(jī)組正處于電纜敷設(shè)施工階段，仍有較多電纜尚未敷設(shè)。為了準(zhǔn)確判斷電纜橋架出現(xiàn)超容的原因，結(jié)合電纜敷設(shè)設(shè)計數(shù)據(jù)對電纜橋架設(shè)計填充率進(jìn)行了整體分析計算,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)核島廠房存在部分槽式電纜橋架的設(shè)計填充率超出了允許填充率55%，個別槽式電纜橋架的設(shè)計填充率達(dá)到了90%。以圖1中出現(xiàn)超容現(xiàn)象的電纜橋架31UJZ044B25為例，依據(jù)電纜敷設(shè)設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，第一層槽式電纜橋架橫截面積為40 000 mm2，而設(shè)計的電纜總截面積為27 458.1 mm2，電纜橋架的設(shè)計填充率為72.65%，超出了多層敷設(shè)電纜的橋架的允許填充率55%，而另外幾層橋架的設(shè)計填充率都滿足要求，分析情況與現(xiàn)場橋架超容情況基本相符，具體分析情況見表2。

表2 電纜橋架31UJZ044B25設(shè)計填充率分析Table 2 Analysis of the design filling rate for cables tray 31UJZ044B25

對于核島廠房部分電纜橋架設(shè)計填充率超出允許填充率事宜，電纜敷設(shè)設(shè)計人員進(jìn)行了澄清，認(rèn)為在VVER機(jī)型核電機(jī)組電纜橋架允許填充率Emax主要用于設(shè)計電纜路徑時在電纜敷設(shè)軟件中約束軟件自動選取電纜路徑，由于VVER機(jī)型核電機(jī)組電纜量非常大，在局部空間緊張的位置，電纜橋架的實際填充率允許并可能會超過上述規(guī)定的填充率。設(shè)計人員的解釋符合VVER核電機(jī)組電纜布置的實際情況，但根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況分析認(rèn)為在設(shè)計方面仍有一定優(yōu)化空間，可以通過增加電纜橋架層數(shù)、調(diào)整電纜敷設(shè)路徑等方式來減緩，甚至避免電纜橋架出現(xiàn)超容問題。此外，由于輸入數(shù)據(jù)錯誤、電纜設(shè)計錯誤等原因造成較多電纜設(shè)計文件變更，對現(xiàn)場電纜敷設(shè)施工管理也造成了一些困擾。分析認(rèn)為設(shè)計原因是部分電纜橋架出現(xiàn)超容現(xiàn)象的一個重要因素。

2.3 電纜施工原因分析

按照設(shè)計數(shù)據(jù)分析結(jié)果，電纜橋架31UJZ044B25第一層電纜橋架的設(shè)計填充率為72.65%，超過了槽式橋架允許填充率55%，理論上電纜會鋪滿電纜橋架并溢出一部分，但現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)實際電纜溢出電纜橋架的程度遠(yuǎn)大于電纜設(shè)計超容程度。通過檢查發(fā)現(xiàn)其他出現(xiàn)超容現(xiàn)象的電纜橋架也部分存在類似電纜溢出橋架的程度超過電纜設(shè)計填充程度的情況，分析認(rèn)為還存在其他因素導(dǎo)致電纜橋架出現(xiàn)超容情況。通過對出現(xiàn)超容的電纜橋架所敷設(shè)的電纜進(jìn)行現(xiàn)場檢查、查詢電纜敷設(shè)記錄，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1)施工單位將部分用于臨時供電的電纜布置在電纜橋架上，但在使用完畢后未抽出，額外占用了一部分電纜橋架空間；

2)部分電纜現(xiàn)場已敷設(shè)完成，但設(shè)計院發(fā)布了電纜設(shè)計變更，且部分電纜設(shè)計變更發(fā)布不及時，施工單位未能及時抽出作廢的電纜，導(dǎo)致作廢電纜被其他電纜覆蓋后難以抽出，占用了一部分電纜橋架空間；

3)部分電纜已發(fā)布設(shè)計變更，但施工單位仍按照作廢的設(shè)計文件進(jìn)行施工，且電纜被后敷設(shè)的電纜覆蓋后難以抽出，施工單位按照最新設(shè)計文件再次進(jìn)行了電纜敷設(shè)，未抽出的作廢電纜額外占用了一部分電纜橋架空間；

4)在敷設(shè)電纜時，施工單位未對電纜在橋架上的布置位置進(jìn)行規(guī)劃，電纜敷設(shè)施工時未及時進(jìn)行整理、綁扎，導(dǎo)致較多電纜出現(xiàn)交叉布置，電纜交叉布置和由于交叉布置引起的空隙區(qū)域額外占據(jù)較多空間，加劇了電纜橋架的超容現(xiàn)象。

此外，根據(jù)設(shè)計授權(quán)，為了便于電纜敷設(shè)施工工作，保證電纜在電纜橋架上的平滑過渡，在滿足電磁兼容、電纜橋架不過載不超容的情況下，允許施工單局部調(diào)整電纜路徑、或調(diào)整電纜在橋架上的層數(shù)，但施工單位在局部調(diào)整電纜路徑時未按照設(shè)計授權(quán)要求評估并避免增加電纜對電纜橋架的影響。經(jīng)分析評估認(rèn)為電纜施工及施工管理原因也是導(dǎo)致部分電纜橋架出現(xiàn)超容現(xiàn)象的一個重要因素。

2.4 電纜制造原因分析

設(shè)計人員在進(jìn)行電纜敷設(shè)設(shè)計時，采用的電纜外徑數(shù)據(jù)是電纜廠家在提交設(shè)備接口資料時提供的，如果電纜實際制造時的電纜外徑大于通過設(shè)備接口資料提交給設(shè)計院的電纜外徑，會導(dǎo)致實際電纜敷設(shè)施工時電纜占用橋架空間超過設(shè)計人員分配的空間，在一定程度上加劇電纜橋架的超容現(xiàn)象。經(jīng)核對電纜廠家最新資料，并在現(xiàn)場對不同廠家生產(chǎn)的各類型電纜的外徑進(jìn)行了抽檢，確認(rèn)電纜外徑實測值基本都小于設(shè)備接口數(shù)據(jù)中的電纜外徑數(shù)據(jù)，可以排除電纜設(shè)備接口資料提交及制造原因?qū)﹄娎|橋架超容的影響。

通過以上分析，可以確定電纜及電纜橋架設(shè)計、電纜敷設(shè)施工管理是造成田灣核電3、4號機(jī)組電纜橋架出現(xiàn)超容現(xiàn)象的主要原因。

3 電纜橋架承載能力分析

存在超容的電纜橋架主要分布在核島廠房，這些電纜橋架采用加強型電纜橋架，按照抗震I類設(shè)計，力學(xué)性能良好。根據(jù)電纜橋架抗震性能分析及試驗報告，電纜橋架按照承載電纜1500 N/m(約153 kg/m)并考慮短時上人的臨時集中荷載900N進(jìn)行抗震分析及試驗，在支架間距為1.5 m即可滿足抗震要求。田灣核電3、4號機(jī)組核島電纜橋架支架設(shè)計間距為1 m，遠(yuǎn)小于電纜橋架抗震性能分析及試驗報告要求的1.5 m間距，大幅提升了電纜橋架的承重能力，電纜橋架承載電纜的能力遠(yuǎn)大于153 kg/m。此外，按照圖2電纜橋架廠家提供的電纜橋架允許均布載荷及變形量曲線，以核島廠房大量使用的主要槽式橋架(幫高H為100 mm,板厚2.5 mm)為例，在電纜橋架支架間距為1.5 m的情況下，橋架的承重能力約為205 kg/m，而在支架間距為1 m的情況下，橋架的承重能力可以達(dá)到約270 kg/m。

圖2 電纜橋架允許均布載荷及變形量曲線Fig.2 Allowable distributed load and deflection curve of cable trays

根據(jù)電纜橋架抗震性能分析及試驗、電纜橋架允許均布載荷及變形量曲線以及電纜敷設(shè)設(shè)計數(shù)據(jù)分析情況，即使在橋架滿載，電纜的重量遠(yuǎn)低于電纜橋架抗震性能分析及試驗時考慮的電纜負(fù)載重量，也遠(yuǎn)低于電纜橋架允許均布載荷及變形量曲線中支架間距為1 m時的電纜橋架承重能力。以圖1中出現(xiàn)超容的槽式橋架(寬度400 mm，側(cè)幫高100 mm，板厚2.5 mm)為例：按照設(shè)計數(shù)據(jù)，電纜橋架設(shè)計填充率已達(dá)到72.65%，超過允許填充率55%，而實際設(shè)計的電纜總重量約為52 kg/m，遠(yuǎn)低于電纜橋架抗震性能分析及試驗時使用的負(fù)載重量153 kg/m，也遠(yuǎn)低于電纜橋架允許均布載荷及變形量曲線中支架間距為1 m時的電纜橋架允許承重能力270 kg/m。

根據(jù)分析結(jié)果，對于常用的寬度為400 mm、500 mm，側(cè)幫高度為100 mm、150 mm、200 mm槽式橋架設(shè)計填充率即使超過允許填充率兩倍，電纜橋架也不會出現(xiàn)承重方面的問題，對于小截面的電纜橋架更不存在承重方面的問題。經(jīng)全面核查設(shè)計數(shù)據(jù)，出現(xiàn)超容的電纜橋架設(shè)計填充率一般介于55%至80%之間，最嚴(yán)重的約為90%，也就是說，雖然電纜橋架出現(xiàn)超容情況，但是實際電纜橋架承載電纜的重量的遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電纜橋架的承重能力，電纜橋架不存在承重方面的問題。

4 超容電纜橋架的處理

對于通過設(shè)計數(shù)據(jù)排查發(fā)現(xiàn)的電纜橋架設(shè)計超容問題，通過協(xié)調(diào)設(shè)計院發(fā)布設(shè)計變更來增加電纜橋架層數(shù)、更換大尺寸的電纜橋架或調(diào)整電纜路徑等方式來解決，優(yōu)先從設(shè)計角度減少電纜橋架超容問題。然而，在電纜廊道、電纜夾層等電纜和電纜橋架密集的地方，受現(xiàn)場條件制約，難以通過增加電纜橋架、更換大尺寸電纜橋架、調(diào)整電纜路徑等方式來避免電纜橋架超容。此外，現(xiàn)場部分電纜橋架已敷設(shè)了較多電纜，已出現(xiàn)超容情況，也難以對電纜橋架及電纜路徑進(jìn)行調(diào)整。

對于難以通過增加或更換電纜橋架、調(diào)整電纜路徑等方式來避免超容的電纜橋架，在分析確認(rèn)承載能力不存在問題的前提下，為了對電纜實體進(jìn)行保護(hù)，并降低對已敷設(shè)電纜及電纜橋架的影響，采用增加電纜橋架側(cè)幫幫高來解決超容問題，具體增加電纜橋架幫高的方案詳見圖3。

圖3 增加槽式電纜橋架側(cè)幫高度方案Fig.3 Increasing the height of the side wall of the cable tray

5 提出的管理措施

為了減少電纜橋架超容情況的出現(xiàn)，避免因超容問題造成電纜敷設(shè)困難、電纜橋架出現(xiàn)變形、彎折等問題，結(jié)合電纜橋架超容的原因，需要加強對電纜橋架、電纜敷設(shè)設(shè)計及施工的管理。在田灣核電3、4號機(jī)組建設(shè)工程中創(chuàng)新實施了以下幾點管理措施：

(1)加強對外部輸入電纜設(shè)計數(shù)據(jù)、設(shè)備接口數(shù)據(jù)質(zhì)量、提交進(jìn)度的監(jiān)督和審查，避免因設(shè)計輸入數(shù)據(jù)提交不及時影響設(shè)計人員對電纜橋架及電纜路徑的設(shè)計規(guī)劃，減少因電纜設(shè)計數(shù)據(jù)質(zhì)量問題造成電纜頻繁設(shè)計變更及重復(fù)施工問題。

(2)監(jiān)督電纜敷設(shè)設(shè)計人員合理規(guī)劃電纜橋架分配及電纜路徑設(shè)計，在電纜量較大的位置適當(dāng)多設(shè)置幾層電纜橋架并優(yōu)先選用大規(guī)格尺寸的電纜橋架；嚴(yán)格控制電纜橋架設(shè)計填充率，在設(shè)計填充率超過允許填充率時，應(yīng)采取調(diào)整電纜路徑或增加電纜橋架等改進(jìn)措施，減少設(shè)計原因?qū)е码娎|橋架出現(xiàn)超容情況。

(3)協(xié)調(diào)電纜敷設(shè)設(shè)計人員在電纜設(shè)計調(diào)整后及時發(fā)布設(shè)計變更，并在第一時間將電纜變化情況反饋給施工部門執(zhí)行，避免設(shè)計變更發(fā)布不及時對電纜施工及電纜橋架造成影響；每周將電纜施工數(shù)據(jù)反饋給設(shè)計院，協(xié)調(diào)設(shè)計人員盡可能不對已施工的電纜進(jìn)行設(shè)計變更，避免作廢電纜難以抽出占用電纜橋架空間。

(4)組織施工單位在進(jìn)行電纜敷設(shè)施工前結(jié)合電纜走向、電纜橋架布置情況對電纜在電纜橋架上的敷設(shè)位置進(jìn)行規(guī)劃，減少電纜在橋架上的交叉布置，對敷設(shè)的電纜進(jìn)行綁扎、整理，避免由于電纜現(xiàn)場施工布置問題造成橋架超容。

(5)組織施工單位加強對臨時電纜和作廢電纜的管理，避免臨時電纜和作廢電纜占用電纜橋架空間。對于占用電纜橋架進(jìn)行敷設(shè)的臨時電纜，宜選用電纜設(shè)計量少且易于回收的電纜橋架進(jìn)行臨時布置，在不使用時應(yīng)及時回收；對于已敷設(shè)但存在設(shè)計變更的電纜，如果不能繼續(xù)使用，應(yīng)判定為作廢電纜并及時抽出回收。

6 結(jié)束語

由于核電廠電纜數(shù)量較多、電纜路徑復(fù)雜，受設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)多種因素影響，容易出現(xiàn)電纜橋架超容問題，可能影響電纜橋架的承載能力。本文對田灣核電3、4號機(jī)組建設(shè)階段出現(xiàn)的電纜橋架超容問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，查找出電纜橋架出現(xiàn)超容現(xiàn)象的原因，制定了解決方案，并提出了一些適當(dāng)?shù)墓芾泶胧?，對于電纜橋架超容問題的具體分析方法和處理措施可為同行電廠類似問題的分析和處理提供參考。