模塊化變電站新型電纜通道應用研究

李宗蔚，張景翯，薛炳磊，盧福木

（國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021）

0 引言

變電站電纜通道的合理應用是電力系統安全可靠運行、人員和電氣設備安全的重要保障，電纜通道需要具備電纜敷設、通道防火、通風及方便運維檢修等諸多功能［1］。

隨著土地資源的緊張，變電站向小型化、緊湊型變電站發展，導致電纜敷設空間日趨緊張，如果沒有合理的電纜通道設計方案將極大影響變電站工程的順利施工，甚至危及設備和人身安全［2-3］。

以110 kV 緊湊型模塊化變電站通用設計方案為研究對象，針對常規電纜通道應用在文獻[4]的模塊化通用設計方案中遇到的問題，提出一種融合電纜隧道與電纜溝優點的新型電纜通道構造樣式，最終形成針對110 kV 緊湊型模塊化變電站通用設計方案的新型電纜通道設計方案。

1 模塊化通用設計方案中遇到的問題

調研模塊化通用設計方案中開關柜室室內布置，發現兩列開關柜多采用“面對面”的布置方式，以文獻[4]模塊化通用設計110-A3-3 方案為例展開說明。

模塊化通用設計110-A3-3 方案中開關柜室內布置3 條橫向電纜溝，其中1 200 mm×1 200 mm 一次電纜溝3 條，800 mm×800 mm 二次電纜溝1 條［4］，如圖1 所示。由圖1 可知，模塊化通用設計110-A3-3 方案10 kV 出線36 回，參照縱向出線電纜溝位置及電纜流向，考慮2 回電纜敷設裕量，橫向電纜通道中峰值一次電纜流量按12 回設計［5］，在開關柜室內并行2 條橫向一次電纜溝方能滿足一次電纜敷設需求，開關柜室內的地上巡視空間基本上全部被電纜通道所占用［4］。

根據文獻［4］，常用的幾個模塊化通用設計方案均采用獨立基礎設計，獨立基礎多為金字塔式外形，上小下大，很容易與電纜溝施工發生碰撞［4］，獨立基礎與電纜溝布置平斷面如圖2 和圖3所示。

圖1 10 kV 開關柜室平面布置

圖2 10 kV 開關柜室獨立基礎與電纜溝

圖3 獨立基礎與電纜溝斷面

由圖2 和圖3 可知，電纜溝已經和獨立基礎發生碰撞，給施工造成困難。

2 常規解決方案

2.1 增大獨立基礎埋深

在不改變開關柜室電氣布置的前提下，為避免碰撞又不縮小電纜通道容量，可以加深獨立基礎深度，使碰撞部分置于電纜溝底以下，甚至整個獨立基礎置于電纜溝底以下，對工程施工造成了較大難度，增大了土建工作量，而且當整個獨立基礎置于電纜溝底以下時，部分鋼支柱將埋于地下，容易造成銹蝕。

2.2 采用電纜隧道方案

在開關柜下采用電纜隧道布置形式，如圖4 所示。

圖4 隧道方案斷面

圖4 中所示為電纜峰值流量時的電纜布置情況，根據GB 50217—2007 《電力工程電纜設計規范》要求，電纜隧道內通道凈高不宜小于1 900 mm，單側支架電纜隧道內檢修、巡視通道寬度不宜小于900 mm，10 kV 電纜支架層間距不小于200 mm。為節省空間并結合電纜下線孔位置，隧道內按單側支架設計，每層支架放置2 回電纜（電纜外徑按100 mm考慮），兩回電纜間留有1 倍外徑的空隙，因此支架長度取400 mm［6］。根據支架長度及檢修、巡視通道寬度，確定隧道寬度取1 300 mm，隧道高度取規范要求最小值1 900 mm，內部空間可放置8 層支架，但上方2 層電纜支架閑置，閑置率達到25%，造成較大浪費，同時電纜隧道施工復雜，與電纜溝比較還需要配置照明、防火、排水、通風等全套輔助設施，常規方案中的電纜隧道布置方式增大了工程投資，不利于基建工程資產經濟性管理。

綜上所述，常規電纜通道布置形式不能很好地適應目前模塊化變電站的發展，其空間占用情況也直接影響各配電裝置室空間布局。我國土地資源緊缺，目前變電站建設逐步向緊湊型變電站方向發展，一種適用于緊湊型模塊化變電站的新型電纜通道有待提出。

3 新型電纜通道的外形設計

研究比較電纜溝與電纜隧道優缺點，取長補短，確定新型電纜通道外形形式，并利用三維設計軟件制作新型電纜通道三維模型，如圖5 和圖6 所示。

圖5 新型縮口式電纜通道軸側（單側支架）

圖6 新型縮口式電纜通道軸側（雙側支架）

由圖5 和圖6 可知，新型電纜通道創新采用溝頂懸臂板結構，溝蓋板只覆蓋電纜溝檢修、巡視通道部分，而把支架上方設計成具有足夠承重能力的封閉結構，形成了一種介于電纜溝與電纜隧道之間的半封閉式電纜通道結構。新型電纜通道的懸臂板結構可以作為地面的一部分布置電氣設備，為獨立基礎讓出了足夠的地下空間，解決了碰撞問題，且能有效提高電纜溝上部地面部分的空間利用率，以半封閉電纜溝的形式實現電纜隧道的性能。

新型電纜通道設計方案與常規電纜隧道設計方案相比，在電纜通流容量同樣滿足電氣設備需求的前提下，其內部深度不會受1 900 mm 的限制，從而電纜構筑物截面積得到大幅縮減，有效減少了電纜支架的閑置，節省了工程投資。新型電纜通道因上部開口，非全封閉式電纜通道結構，因此無須配置照明、通風、防火、排水等輔助設施，也大幅減少了電纜構筑物建設投資。

綜合考慮新型電纜通道經濟效益，相比常規電纜隧道方案，新型縮口式電纜通道將節省電纜構筑物投資約30%。

4 新型電纜通道結構方案

對于新型電纜通道存在的懸空結構，需要考慮其結構的安全，對于處于設備下方的部分，還要保證其能夠達到設備的承重標準，并兼顧其經濟性。

4.1 新型電纜通道結構尺寸設定

參考以往工程實際，設定新型電纜通道凈寬×凈高為1 200 mm×1 200 mm，壁厚度為250 mm，采用有限元軟件ABAQUS 驗算結構在上部控制柜荷載作用下的受力情況。模型選用4 m 長的電纜溝為計算單元，施加柜體荷載和蓋板上的檢修荷載。具體尺寸如圖7 和圖8 所示。

圖7 新型電纜通道結構

圖8 新型電纜通道懸挑部分開洞布置

4.2 有限元建模

4.2.1 材料屬性設定

所用材料屬性如表1 所示。

4.2.2 建立有限元模型

采用靜力分析算法，電纜溝底部采用固結的約束方法。經調研，開關柜單柜重量為0.8～1.2 t，因此將單個柜體荷載分擔到電纜溝的荷載簡化為0.6 t，檢修荷載為5 kN／m2。如圖9 和圖10 所示。

表1 材料屬性

圖9 無蓋板有限元建模

圖10 有蓋板有限元建模

4.2.3 受力結果分析

根據實際電纜數量確定電纜通道截面，考慮電纜溝運行工況、安裝工況、檢修工況等多工況的荷載組合，采用有限元計算軟件對電纜溝進行模擬計算。受力情況如圖11 所示，位移情況如圖12 所示。

混凝土的抗拉強度為1.43 N／mm2、抗壓強度為14.3 N／mm2，通過內力云圖可知，電纜溝在沒有配置鋼筋的情況下，各個方向的內力和最大最小主應力都沒有超過材料的強度限值，為保證結構的剛度可對電纜溝進行構造配筋；另外電纜溝在荷載作用下的豎向位移為0.132 8 mm，可知，在荷載作用下電纜溝的位移較小，可以滿足適用要求。

圖11 內力及主應力

圖12 最大位移

5 新型電纜通道設備電纜引接方案

在常規電纜敷設方案中，電纜主要從通道兩側進入通道，已進入通道的電纜對新入電纜幾乎不會構成遮擋［4］，如圖13 所示。

圖13 常規電纜通道設備電纜引接

而新型縮口式電纜通道的懸臂梁縮口結構位于設備正下方，設備電纜將由新型電纜通道正上方直接引入電纜支架，敷設在上層的電纜可能對設備引下電纜構成影響。

為驗證此問題，利用三維設計技術，開展新型電纜通道設備電纜引接方案的研究。

根據電力工程電纜設計規范的要求，三芯電力電纜的相互間宜有1 倍電纜外徑的空隙。在新型電纜通道內部空間及電纜支架長度設計時，已經預估了該空隙的占用空間，理論上，上層支架敷設的電力電纜之間的空隙是足以滿足設備電纜引下條件的，為了充分驗證該問題，對電纜通道內每一條電力電纜按實際比例建立三維模型，形成了電纜走徑三維設計方案，如圖14 和圖15 所示。

圖14 新型電纜通道電纜敷設三維軸側圖

圖15 新型電纜通道電纜敷設三維側視圖

通過建立三維模型驗證發現，設備電纜的引下及通道內電纜的敷設路徑得到了直觀的體現，設備電纜可以順利引接，通過三維設計軟件檢查，設備電纜引接過程全程無碰撞。新型電纜通道的設備電纜接入問題可以通過新型電纜通道設備電纜接入三維設計方案很好地解決，同時為工程施工時電纜敷設提供了便利，也確保了新型電纜通道的切實可行、可用。

6 結語

以110 kV 緊湊型模塊化變電站通用設計方案為研究對象，針對常規電纜通道應用在模塊化通用設計方案中遇到的問題，提出了一種融合電纜隧道與電纜溝優點的新型電纜通道構造樣式，并利用計算機仿真及三維建模技術，驗證了其受力與電纜引接方案的適用，保證了成果的可行性。

新型電纜通道的應用不僅有利于節省站內空間，且對節省工程投資成效顯著，該成果得以使用，將大幅提高電纜敷設設計水平。