綜合管廊內(nèi)高壓電纜蛇形敷設的研究

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

1 引言

近些年，我國城市化進程不斷加速，為了節(jié)省更多的土地資源，增強城市抵御自然災害的能力，各地紛紛建設了綜合管廊，有效解決了過去超高壓電纜架空線路占地面積較大、后期維護困難高及影響市容等問題。現(xiàn)如今，區(qū)域電力負荷持續(xù)增大，特別是超高壓電纜，導體截面積顯現(xiàn)出持續(xù)擴增的態(tài)勢；當外界環(huán)境溫度或負荷電流顯著改變時，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，并且電纜導體截面越大時，其生成的軸向力越大，如果不能及時進行規(guī)范化處理，將會直接威脅電力線路的運行安全。

當前常用的應對辦法是蛇形敷設電纜以釋放其內(nèi)部的機械力，如果相毗鄰的兩個蛇形外形完全對稱，在導體溫度變化的工況下，兩個電纜生成的蛇形軸向力值大小一致、方向相逆，接點位置承受的合力是零。但現(xiàn)場施工時在多種因素的作用下難免產(chǎn)生誤差，以致鄰近的兩個蛇形電纜外形不對稱，在這樣的工況中節(jié)點位置會形成軸向力差，一旦軸向力差高于設計范圍最大值時，電纜支架就會出現(xiàn)不同程度的擺動現(xiàn)象，嚴重時會使電纜局部出現(xiàn)嚴重破損問題或支架剝脫[1]。本文以電纜蛇形敷設作為論點，總結(jié)其相關指標的運算方法，解讀了由施工誤差導致的節(jié)點軸向力偏差的問題。

2 電纜蛇形敷設設計

2.1 水平蛇形敷設

采用這種敷設形式時，通常每間隔4～5個蛇形弧的拐點及電纜溝部署一個固定，其他的拐點用尼龍繩予以綁扎，使電纜在軸向滑動。水平蛇形敷設的節(jié)距通常控制在6～9m 范圍內(nèi)，結(jié)合經(jīng)驗設定蛇形弧幅寬大小，通常≥1d（d 表示的是電纜直徑）。

2.2 垂直蛇形敷設

這種形式敷設電纜時，常規(guī)做法是在蛇形弧的波峰處進行固定，為了節(jié)約開支，建議將固定夾具組裝在8～10個蛇形弧的波峰、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。垂直蛇形敷設節(jié)距通常是4～5m，和水平蛇形敷設形式進行對比，垂直敷設有助于減少現(xiàn)場電纜支架的數(shù)目。

3 高壓線纜參數(shù)

本文選擇YJLW02-Z1 × 2500mm2 127/220kV電纜作為研究對象，所有運算均圍繞此進行，該型電纜的截面(A)、導體直徑(dc)、絕緣外徑(di)、金屬護套外徑(dm)、護套厚度(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。

用下式計算電纜的彎曲剛性[2]：

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

計算得電纜的彎曲剛性EI=9685368500N·mm2。

4 計算電纜伸長量與軸向力

4.1 計算水平蛇形敷設節(jié)點

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

線纜上FC與FP相等時，L值達到最小，據(jù)此能推算出蛇形弧半個節(jié)距長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)容能夠推導出敷設節(jié)距：

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

4.2 計算電纜伸長量

結(jié)合《電纜設計規(guī)范》內(nèi)熱伸縮量的運算式：

t 是線纜導體的溫升值（℃），取65℃；A 即導體截面大小（mm2）；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 對應半個蛇形弧的長度；f是線纜本體的反作用力（N），取1000N。

基于（3.3）式運算線纜的伸長量，逐一帶入以上數(shù)據(jù)：

用下式計算電纜蛇形弧的橫向滑移量[3]：

4.3 計算電纜的軸向力

溫升時，有：

溫降時，則有：

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

表1 電纜軸向力的運算結(jié)果

4.4 幅向滑移量

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

可以用下式計算出蛇形弧的幅向滑移量：

因為現(xiàn)行規(guī)范內(nèi)針對式（2.11）中的系數(shù)“1.6”來源并沒有作出闡述說明，故而要對式（2.11）的系數(shù)進行分解以闡明其存在的意義及應用條件：

在內(nèi)，蛇形弧半個節(jié)距長度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

在確定有關參數(shù)后，就可以確定蛇形弧的占有幅尺寸Wt，為是設計蛇形弧的寬度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，一定要通過運算核實出有關的溫升與溫降工況下蛇形弧的軸向力、最大金屬護套的初始應變等指標（最大金屬鋁護套應變一般是允許值的10%～20%，通常不必驗算）是否符合要求，只有在有關技術(shù)性指標符合要求時才可以確認最后的占有幅。

5 施工給線纜夾具及支架受力狀態(tài)帶來的影響

現(xiàn)場施工中易引起誤差的參數(shù)主要有兩個，其一是線纜支架組裝間距，其主要影響電纜敷設節(jié)距（2L）的精準度；二是高壓電纜水平蛇形敷設施工時多選擇初始弧幅作為基準量。結(jié)合本文電纜軸向力（F）指標的運算內(nèi)容可以推導出如下結(jié)論：當2L 有正偏差時，F(xiàn) 增加；2L 有負偏差時，F(xiàn) 減小。對于配電系統(tǒng)固定位置的電纜支架及相關夾緊用裝置，如果一側(cè)2L 負偏差、B 正偏差均達到最大，而另一側(cè)2L 正偏差、B 負偏差均實現(xiàn)了最大化，則此時電纜本體承受的軸向力達到峰值，有La=L（1+δ）；Ba=B（1-δ），Lb=L（1+δ）；Bb=B（1-δ）時，F(xiàn)D=Fa-Fb最大。FD即電纜現(xiàn)場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，初始節(jié)距、弧幅有差異時電纜水平蛇形敷設方式，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)，可見施工誤差對支架軸向力變化產(chǎn)生較大的影響，電纜敷設時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現(xiàn)。但小弧幅會增加現(xiàn)場支架的安裝數(shù)目，弧幅加大時會使電纜在管廊內(nèi)的敷設長度顯著增加，故而現(xiàn)實中應綜合技術(shù)性、經(jīng)濟性兩大因素合理確定節(jié)距、弧幅。

表2 電纜支架受力的運算結(jié)果

6 結(jié)語

采用水平蛇形敷設方案施工高壓電纜時，應依照余弦曲線對余弦波鄰近人員通道的單側(cè)進行剛性固定，其他部位均可以采用撓性固定形式。現(xiàn)場敷設時盡可能將施工誤差降到最低，以防因誤差導致軸向力偏差超限，進而帶來局部支架擺動、電纜滑脫等問題。城市地下綜合管廊內(nèi)電纜敷設施工是一個復雜度高、系統(tǒng)性強的工程，經(jīng)常出現(xiàn)管廊、管線不是相同設計主體的情況，規(guī)劃管廊施工方案時可能沒有充足的實際電纜相關數(shù)據(jù)作為參考，對纜線施工方的技術(shù)水平缺乏全面認識等，以致現(xiàn)實工作中經(jīng)常加大設計余量，浪費了很多資源。為了規(guī)避以上狀況，管廊的主管部門應充分落實自身職責，加強設計單位資質(zhì)、技術(shù)實力等的考察力度，選擇綜合設計實力較強的設計單位實現(xiàn)對管廊、管線主體的一體化設計。