橋載高壓電纜“品字形”敷設對鋼梁電磁影響研究

杜默 雷鳴 吳越文

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050）

0.引言

電纜過橋技術是當前電網規劃采用的重要手段，先后在楊浦大橋、東海大橋、東平大橋、上海長江大橋成功搭載了110kV、220kV 高壓電纜[1]。而針對高壓電纜—鋼橋梁體系（簡稱HSS）相關的分析與研究較少，已知有220kV 高壓電纜水平“一字形”敷設對已實施工程案例鋼桁梁橋體的研究，并結合有限元建模，綜合研究了磁滯、渦流等效應影響，最后基于仿真參數分析了HSS 系統的溫升及感應電流洛倫茲力對鋼結構橋梁及附屬的影響。本文從“品字形”[2]電纜敷設角度，補充研究對鋼桁混合梁的影響。

1.建立HSS 仿真模型

本文建立的HSS 仿真模型與現有研究有所區別，現有研究通常針對常規鋼桁梁，本實驗以鋼桁混合梁為研究對象。相比常規鋼桁梁，混合梁在上層橋面大型橫向連接鋼結構更多，由此帶來的磁滯、渦流等效應會更加顯著，因此有必要進一步研究。

在對高壓電纜—鋼桁混合梁體系（仍稱HSS）的有限元建模中，它仍為周期重復結構，故亦搭建標準單元模型來分析。

實 驗 中 采 用2500mm2的ZC-YJLW03-Z 127/220kV型電纜，空氣中的載流量為2249A。

2.鋼桁混合梁橋體的模型電磁場分析

根據Maxwell 方程組推導，在有電流密度的區域（包括渦流區域），可采用直接計算的方法：

該工程敷設的220kV 電纜采用銅芯鋁護套交聯聚乙烯電纜，當交流電流流過電纜時，電纜周圍變化的磁場會在外部導體內感應出電流。電纜接觸支架采用的不銹鋼，渦流損耗小；電纜吊架和鋼桁梁結構使用的Q370qd 鋼材為軟磁材料，其磁滯回線形狀細長、包圍面積較小，磁滯損耗相對較小。因此鋼桁和吊架的損耗以渦損為主[3]。

渦流損耗如下：

磁滯損耗為：

圖1 橋體斷面磁感應強度分布情況（I=2249A）

圖1 可看出，由于電纜支架材質為不銹鋼材質，其相對磁導率接近于1，故盡管其最靠近電纜，磁感應強度卻不高，相應地感應渦流不大，渦流損耗較低[4]。另外，該材質不具備磁滯效應，也避免了磁滯損耗的產生。而電纜吊架和鋼桁梁均為Q370qd 材質，且吊架和路面靠近吊架部分的桁架構成閉合磁路，感應磁場較為集中。

3.電纜不同相序排列方式的影響分析

不同的電纜布置方式（敷設方式、同回路相線的排列方式）產生磁場分布差異甚大。通過對差異進行分析，找到對外影響最大的情形，從而確定鋼梁的風險部位。另外，如圖2 所示，隨著電流的不斷增大，鐵磁材料上的磁感應強度和感應電流密度也隨之不斷增大。為了對極端情況進行分析，本節分析中電纜中的載流量均選取空氣中最大載流量2249A，上下層電纜各相排列方式如表1 所示。

表1 電纜相序排列布置示意

收稿日期：2020-10-08

作者簡介：杜默（1987—），男，湖北襄陽人，碩士，工程師（中級），研究方向：橋隧機電系統、防雷接地系統、照明系統等科研、設計。

在梁斷面上以路中心為X 軸零點，在向電纜所在側路邊延伸的線段上測量磁場的分布情況。

圖2 不同相序排列下HSS單元損耗

仿真“品字形”敷設的6 種相序排列方式下磁感應強度分布情況，單元模型的損耗對比如圖2。品字形敷設同回路電纜各相線在空間上分布對稱，各相線產生的磁場會相互抵消。布置方式1 由于上下兩回電纜的相序排列方式一致，因此對于外界來說是由兩個相同的電磁場源共同作用，而其他布置方式則當相于兩個有一定相角差的電磁場源共同作用，因此對外輻射的電磁場會相互抵消。體現在損耗上即為布置方式1 的損耗最大。

4.感應電流對HSS 影響

4.1 磁感應強度分布

圖3 鋼桁混合梁單元磁感應強度分布

如圖3 所示，由于鋼桁混合梁的結構特點，電纜產生的磁場更為聚集，從一側電纜吊桿進入鋼桁梁部分的磁場，大部分被底板和腹板的加勁肋聚集，從另一側吊桿回流回至吊架。

4.2 渦流、磁滯損耗及溫升影響

圖4 鋼桁混合梁渦流損耗分布

根據圖4 仿真結果，極端場景下鋼桁梁和電纜吊架的磁滯損耗分布情況如下：

表2 鋼桁梁和電纜吊架的平均損耗

利用ANSYS 的多物理耦合場仿真損耗引起的溫升分布情況如圖5 所示。

圖5 損耗引起的溫升分布情況

在滿足對流和輻射邊界條件下[5]，計算鋼結構外表面的模擬溫升情況，最大溫升值僅為0.088℃，該影響對于鋼結構而言基本可以忽略。

4.3 磁場力影響

根據電磁場在整個鋼桁混合梁體系的分布情況，可以得出電纜吊架所受電磁場影響最大，結合洛倫茲力定律，分別計算渦流場中電纜吊架所受的時間平均直流力FDC、交流力FAC 和瞬時力FINST，其表達式為：

表3 電纜橋架的感應受力情況

電纜吊架的平均感應受力情況如表3 所示，以《鋼制電纜橋架工程技術規程》[6]中對電纜支架的強度有相關規定為標準，電纜吊架荷載標準均遠大于感應力，因此感應力對吊架的影響亦可忽略。

5.結語

在鋼桁混合梁按“品字形”敷設大截面220kV 高壓電纜時，即便在極端場景下，電磁效應所產生的磁滯損耗、渦流損耗及其所帶來的溫升和受力影響均微乎其微，HSS 兼容性良好。與“一字形”敷設相比，盡管電磁環境更不利，卻得到更好的指標，也印證了“品字形”敷設的確實具備更好的優越性。

對橋梁工程意義而言，“品字形”敷設顯著優勢是縮小了橫向空間占用，節省寶貴的橋上空間。當然，選擇何種敷設型式實際還受限于綜合荷載、橋區環境乃至敷設難度等一系列控制因素，需要更加周全的綜合評價。