綜合管廊內(nèi)高壓電纜蛇形敷設(shè)的研究

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司 惠 煒 許吉強(qiáng) 許 歡 胡曉青 魯玉普

1 引言

近些年，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加速，為了節(jié)省更多的土地資源，增強(qiáng)城市抵御自然災(zāi)害的能力，各地紛紛建設(shè)了綜合管廊，有效解決了過去超高壓電纜架空線路占地面積較大、后期維護(hù)困難高及影響市容等問題?，F(xiàn)如今，區(qū)域電力負(fù)荷持續(xù)增大，特別是超高壓電纜，導(dǎo)體截面積顯現(xiàn)出持續(xù)擴(kuò)增的態(tài)勢(shì)；當(dāng)外界環(huán)境溫度或負(fù)荷電流顯著改變時(shí)，由于線芯溫度隨之變化出現(xiàn)熱脹冷縮而產(chǎn)生了較大的軸向力，并且電纜導(dǎo)體截面越大時(shí)，其生成的軸向力越大，如果不能及時(shí)進(jìn)行規(guī)范化處理，將會(huì)直接威脅電力線路的運(yùn)行安全。

當(dāng)前常用的應(yīng)對(duì)辦法是蛇形敷設(shè)電纜以釋放其內(nèi)部的機(jī)械力，如果相毗鄰的兩個(gè)蛇形外形完全對(duì)稱，在導(dǎo)體溫度變化的工況下，兩個(gè)電纜生成的蛇形軸向力值大小一致、方向相逆，接點(diǎn)位置承受的合力是零。但現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)在多種因素的作用下難免產(chǎn)生誤差，以致鄰近的兩個(gè)蛇形電纜外形不對(duì)稱，在這樣的工況中節(jié)點(diǎn)位置會(huì)形成軸向力差，一旦軸向力差高于設(shè)計(jì)范圍最大值時(shí)，電纜支架就會(huì)出現(xiàn)不同程度的擺動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電纜局部出現(xiàn)嚴(yán)重破損問題或支架剝脫[1]。本文以電纜蛇形敷設(shè)作為論點(diǎn)，總結(jié)其相關(guān)指標(biāo)的運(yùn)算方法，解讀了由施工誤差導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)軸向力偏差的問題。

2 電纜蛇形敷設(shè)設(shè)計(jì)

2.1 水平蛇形敷設(shè)

采用這種敷設(shè)形式時(shí)，通常每間隔4～5個(gè)蛇形弧的拐點(diǎn)及電纜溝部署一個(gè)固定，其他的拐點(diǎn)用尼龍繩予以綁扎，使電纜在軸向滑動(dòng)。水平蛇形敷設(shè)的節(jié)距通?？刂圃?～9m 范圍內(nèi)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)定蛇形弧幅寬大小，通?！?d（d 表示的是電纜直徑）。

2.2 垂直蛇形敷設(shè)

這種形式敷設(shè)電纜時(shí)，常規(guī)做法是在蛇形弧的波峰處進(jìn)行固定，為了節(jié)約開支，建議將固定夾具組裝在8～10個(gè)蛇形弧的波峰、電纜溝轉(zhuǎn)彎及末端部位的波峰處，為了規(guī)避因電動(dòng)力作用引起電纜滑落的現(xiàn)象，可以嘗試在其他波峰處部署撓性固定或用尼龍繩綁扎。垂直蛇形敷設(shè)節(jié)距通常是4～5m，和水平蛇形敷設(shè)形式進(jìn)行對(duì)比，垂直敷設(shè)有助于減少現(xiàn)場(chǎng)電纜支架的數(shù)目。

3 高壓線纜參數(shù)

本文選擇YJLW02-Z1 × 2500mm2 127/220kV電纜作為研究對(duì)象，所有運(yùn)算均圍繞此進(jìn)行，該型電纜的截面(A)、導(dǎo)體直徑(dc)、絕緣外徑(di)、金屬護(hù)套外徑(dm)、護(hù)套厚度(th)、線纜外徑(d)、線纜質(zhì)量分別是2500mm2、61.2mm、85.2mm、91mm、2.9mm、151mm、37610kg/km。

用下式計(jì)算電纜的彎曲剛性[2]：

EC表示的是導(dǎo)體彈性，通常＞500N/mm2；Ei、Em分別是絕緣層、金屬套的彈性模量；IC、Ii、Im分別均是導(dǎo)體斷面持有的次力矩，計(jì)算式為：

計(jì)算得電纜的彎曲剛性EI=9685368500N·mm2。

4 計(jì)算電纜伸長(zhǎng)量與軸向力

4.1 計(jì)算水平蛇形敷設(shè)節(jié)點(diǎn)

不論按材質(zhì)是鉛還是波紋鋁的金屬護(hù)套，特別是對(duì)于大截面的電纜，線纜導(dǎo)體是其熱膨脹狀態(tài)下生成軸向力的主要來源，其他部分占比十分微小，故而在設(shè)計(jì)蛇形敷設(shè)節(jié)距時(shí)可以忽略不計(jì)入，于金屬夾具之間安裝電纜，計(jì)算穩(wěn)定的臨界力FC及熱應(yīng)力FP：

線纜上FC與FP相等時(shí)，L值達(dá)到最小，據(jù)此能推算出蛇形弧半個(gè)節(jié)距長(zhǎng)L：

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范：

i 是通過線纜的短路電流（A）；D 是相鄰線纜的中心距離（m）；K 是安全系數(shù)，取2.5。結(jié)合以上內(nèi)容能夠推導(dǎo)出敷設(shè)節(jié)距：

由于在綜合管廊電艙內(nèi)安裝電纜時(shí)，其要和自用電纜橋架支架共用部分預(yù)埋件，相鄰預(yù)埋件的距離通常設(shè)定為1.5m，為了確?，F(xiàn)場(chǎng)施工中方便進(jìn)行綁扎、固定，蛇形敷設(shè)的節(jié)距理論上應(yīng)是1.5m 的整數(shù)倍，一般取4.5m、6m、7.5m、9m。

4.2 計(jì)算電纜伸長(zhǎng)量

結(jié)合《電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》內(nèi)熱伸縮量的運(yùn)算式：

t 是線纜導(dǎo)體的溫升值（℃），取65℃；A 即導(dǎo)體截面大?。╩m2）；E、a依次為電纜的彈性模量（N/mm）、線膨脹系數(shù)（1/℃），a取20×10-6/℃，E取3000N/mm；W是1m 電纜的自重（N/mm）；μ 是摩擦系數(shù)，取0.2；L 對(duì)應(yīng)半個(gè)蛇形弧的長(zhǎng)度；f是線纜本體的反作用力（N），取1000N。

基于（3.3）式運(yùn)算線纜的伸長(zhǎng)量，逐一帶入以上數(shù)據(jù)：

用下式計(jì)算電纜蛇形弧的橫向滑移量[3]：

4.3 計(jì)算電纜的軸向力

溫升時(shí)，有：

溫降時(shí)，則有：

在溫度（t）是65℃，當(dāng)初始節(jié)距（2L）、弧幅（B）有差異時(shí)，高壓電纜軸向力的運(yùn)算結(jié)果見表1[4]。分析表1內(nèi)，當(dāng)線纜初始節(jié)距等同時(shí)，伴隨初始弧幅的增大，軸向力呈衰減態(tài)勢(shì)；蛇形敷設(shè)占幅大小和弧幅之間存在著正相關(guān)性；在初始弧幅等同時(shí)，軸向力、蛇形敷設(shè)占幅大小均和節(jié)距之間成正比關(guān)系。

表1 電纜軸向力的運(yùn)算結(jié)果

4.4 幅向滑移量

蛇形敷設(shè)施工的電纜一般通過幅向滑移量的方式去消化掉電纜運(yùn)行過程中的熱脹冷縮，通過這種方式規(guī)避金屬護(hù)套局部發(fā)生危險(xiǎn)的疲勞應(yīng)力狀況，使護(hù)套運(yùn)行的安全性得到更大的保障。

可以用下式計(jì)算出蛇形弧的幅向滑移量：

因?yàn)楝F(xiàn)行規(guī)范內(nèi)針對(duì)式（2.11）中的系數(shù)“1.6”來源并沒有作出闡述說明，故而要對(duì)式（2.11）的系數(shù)進(jìn)行分解以闡明其存在的意義及應(yīng)用條件：

在內(nèi)，蛇形弧半個(gè)節(jié)距長(zhǎng)度L 與寬度B 的比值共同確定系數(shù)K，只有在L/B ＞10的工況下，系數(shù)K 取值大概是0.8。

4.5 占有幅

在確定有關(guān)參數(shù)后，就可以確定蛇形弧的占有幅尺寸Wt，為是設(shè)計(jì)蛇形弧的寬度B、高溫之下的幅向滑移量n、電線外徑D、兩端的預(yù)留安全距離ΔW 之和：

在確定最終的占有幅之前，一定要通過運(yùn)算核實(shí)出有關(guān)的溫升與溫降工況下蛇形弧的軸向力、最大金屬護(hù)套的初始應(yīng)變等指標(biāo)（最大金屬鋁護(hù)套應(yīng)變一般是允許值的10%～20%，通常不必驗(yàn)算）是否符合要求，只有在有關(guān)技術(shù)性指標(biāo)符合要求時(shí)才可以確認(rèn)最后的占有幅。

5 施工給線纜夾具及支架受力狀態(tài)帶來的影響

現(xiàn)場(chǎng)施工中易引起誤差的參數(shù)主要有兩個(gè)，其一是線纜支架組裝間距，其主要影響電纜敷設(shè)節(jié)距（2L）的精準(zhǔn)度；二是高壓電纜水平蛇形敷設(shè)施工時(shí)多選擇初始弧幅作為基準(zhǔn)量。結(jié)合本文電纜軸向力（F）指標(biāo)的運(yùn)算內(nèi)容可以推導(dǎo)出如下結(jié)論：當(dāng)2L 有正偏差時(shí)，F(xiàn) 增加；2L 有負(fù)偏差時(shí)，F(xiàn) 減小。對(duì)于配電系統(tǒng)固定位置的電纜支架及相關(guān)夾緊用裝置，如果一側(cè)2L 負(fù)偏差、B 正偏差均達(dá)到最大，而另一側(cè)2L 正偏差、B 負(fù)偏差均實(shí)現(xiàn)了最大化，則此時(shí)電纜本體承受的軸向力達(dá)到峰值，有La=L（1+δ）；Ba=B（1-δ），Lb=L（1+δ）；Bb=B（1-δ）時(shí)，F(xiàn)D=Fa-Fb最大。FD即電纜現(xiàn)場(chǎng)施工誤差造成的軸向力偏差；Fa、Fb均是高壓電纜單側(cè)軸向力；δ是施工誤差的極限值。

65℃時(shí)，初始節(jié)距、弧幅有差異時(shí)電纜水平蛇形敷設(shè)方式，于不同施工誤差極限值工況下支架及夾緊裝置的受力情況見表2。綜合分析表內(nèi)數(shù)據(jù)，可見施工誤差對(duì)支架軸向力變化產(chǎn)生較大的影響，電纜敷設(shè)時(shí)也盡可能地將施工誤差值降到最低，可以通過選擇較小的初始節(jié)距與較大的弧幅去實(shí)現(xiàn)。但小弧幅會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)支架的安裝數(shù)目，弧幅加大時(shí)會(huì)使電纜在管廊內(nèi)的敷設(shè)長(zhǎng)度顯著增加，故而現(xiàn)實(shí)中應(yīng)綜合技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性兩大因素合理確定節(jié)距、弧幅。

表2 電纜支架受力的運(yùn)算結(jié)果

6 結(jié)語

采用水平蛇形敷設(shè)方案施工高壓電纜時(shí)，應(yīng)依照余弦曲線對(duì)余弦波鄰近人員通道的單側(cè)進(jìn)行剛性固定，其他部位均可以采用撓性固定形式?，F(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)時(shí)盡可能將施工誤差降到最低，以防因誤差導(dǎo)致軸向力偏差超限，進(jìn)而帶來局部支架擺動(dòng)、電纜滑脫等問題。城市地下綜合管廊內(nèi)電纜敷設(shè)施工是一個(gè)復(fù)雜度高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程，經(jīng)常出現(xiàn)管廊、管線不是相同設(shè)計(jì)主體的情況，規(guī)劃管廊施工方案時(shí)可能沒有充足的實(shí)際電纜相關(guān)數(shù)據(jù)作為參考，對(duì)纜線施工方的技術(shù)水平缺乏全面認(rèn)識(shí)等，以致現(xiàn)實(shí)工作中經(jīng)常加大設(shè)計(jì)余量，浪費(fèi)了很多資源。為了規(guī)避以上狀況，管廊的主管部門應(yīng)充分落實(shí)自身職責(zé)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)單位資質(zhì)、技術(shù)實(shí)力等的考察力度，選擇綜合設(shè)計(jì)實(shí)力較強(qiáng)的設(shè)計(jì)單位實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊、管線主體的一體化設(shè)計(jì)。