高壓電纜蛇形布置的選擇_孟毓

1、高壓電纜蛇形布置的選擇孟毓(上海電力設計院有限公司,上海200025摘要:在隧道或橋梁內敷設高壓電纜時,須考慮電纜受熱膨脹后產生的熱機械力。電纜蛇形布置是釋放電纜熱機械力的有效方法。文章介紹了國內外采用電纜蛇形布置的實例,對水平和垂直這2種蛇形布置方案進行了比較,分析了小洋山工程中電纜蛇形布置的試驗結果,并對電纜豎井內的電纜敷設方案作了介紹。關鍵詞:電纜;蛇形布置;軸向力;豎井中圖分類號:T M247文獻標識碼:B目前上海地區(qū)越來越多地考慮采用隧道(橋梁敷設高壓電纜,在這種條件下必須考慮電纜在受熱膨脹后產生的熱機械力。電纜蛇形布置是解決電纜熱機械力的一個很好的對策。本文根據筆者在小洋山工程電纜

2、過橋項目中積累的有關電纜蛇形布置的資料,對電纜蛇形布置的種類選擇、形狀的確定等做了分析,希望能對以后的工程起到借鑒作用。1電纜蛇形布置的實例和架空線類似,電纜在環(huán)境溫度改變時(或由于電纜負荷的變化引起的溫度變化,電纜本身的長度會產生熱脹冷縮的現象。由于電纜本身具有一定的剛性,在受熱(冷時,在電纜末端會累計產生一定的熱機械力,如果這種熱機械力得不到釋放,電纜會發(fā)生起拱、移位等現象,情況嚴重時,電纜局部部位的彎曲會超過允許的最大彎曲半徑,長期運行,電纜金屬護套會被損壞,起不到阻水效果,威脅電纜壽命。釋放電纜熱機械力的比較成熟的方法就是電纜蛇形布置。電纜蛇形布置的概念雖然早已提出,但是在國內應用的實

3、例并不多見,一般直埋、排管敷設電纜時,至多在電纜接頭處采用部分波浪形布置以吸收電纜熱機械力,在電纜長路段,即使在電纜隧道內一般也并不設電纜蛇形布置。但是在國外,特別是在日本,電纜蛇形布置卻應用得較為普遍,表1是國內外應用電纜蛇形布置的一些實例。2電纜蛇形布置方式的選擇電纜蛇形布置一般有兩種方式:水平蛇行布置和垂直蛇形布置。對于這兩種蛇形布置,蛇形形狀選擇的計算公式有一定的差別。表1電纜蛇形布置應用實例國家應用工程布置地點電纜特性中國天荒坪電廠豎井內500kV 交聯電纜中國湘江大橋混凝土箱梁內110kV400m m2交聯電纜日本大鳴門吊橋公路橋下方橋梁桁架結構電纜槽盒內187kV2000mm2交

4、聯電纜日本瀨戶大橋公路橋下方橋梁桁架結構電纜槽盒內500kV2500mm2充油電纜2.1電纜水平、垂直蛇形布置計算公式電纜蛇形布置的示意圖如圖1所示。水平、垂直蛇形布置的蛇行弧軸向力計算公式如表21所示。圖1電纜蛇形布置示意圖表2電纜水平、垂直蛇形布置的蛇行弧軸向力F a計算公式金屬護套原點修正敷設方式電纜溫度下降時電纜溫度上升時有水平蛇行+wL22B0.8-8EIB2t2-8EI(B+n2t2-wL22(B+n0.8垂直蛇行wL22B0.8-8EIB2t2-8EI(B+n2t2+wL22(B+n0.8無-8EIB2水平蛇行-8EIB2t2+wL22B0.8-8EI(B+n2t2+wL22(B

5、+n0.8垂直蛇行-8EIB2t2+wL22B0.8-8EI(B+n2t2+wL22(B+n0.8176專題研討上海電力2005年第2期式中符號“+”拉張力,符號“-”壓縮力w 電纜單位重量,kg /mm;EI 電纜彎曲剛性,kg/mm 2;n 電纜橫向滑移量,mm ;電纜線膨脹系數,1/C;B 蛇行弧幅,mm;L 蛇行弧節(jié)距半長度(半節(jié)距,mm;t 溫升,C ;摩擦系數。2.2電纜水平蛇形布置水平蛇行布置的弧形設計需根據電纜占用空間、施工方便程度和軸向力等條件選擇,蛇行節(jié)距一般取69m 、弧幅取1個電纜直徑(1D以上,對于特殊敷設條件(如大橋,往往需要根據實際條件來選擇。蛇行弧的選擇與電纜截

6、面無關。電纜水平蛇形布置形式如圖2 所示。圖2電纜水平蛇形布置2.3電纜垂直蛇行布置垂直蛇行敷設的軸向力受兩個支持點之間電纜自重影響,如圖3 所示。圖3垂直蛇行敷設側視圖垂直蛇行弧形設計與水平蛇行弧設計相似,需根據電纜占用空間、施工方便程度和軸向力等條件選擇,但要在蛇行弧頂部設電纜支持金具。蛇行節(jié)距一般取35m 、弧幅取1.5D 以上。蛇行弧的選擇與電纜截面無關。銅線屏蔽電纜在溫度上升時,由于螺旋變形會使電纜向水平方向滑移,這現象已得到證實,因此在考慮電纜占用空間時要注意。日本新豐洲變電站電纜隧道內電纜垂直蛇形布置形式如圖4所示。2.4兩種電纜蛇形布置的比較在合理選擇蛇形形狀及夾具布置方式的條

7、件下,兩種蛇形布置方式均能滿足電纜熱伸縮的要求,但是相對水平蛇形來說,垂直蛇形布置的優(yōu)點是:能夠合理利用空間,在空間較有限區(qū)域,結合電纜三角布置,能夠最大限度地節(jié)省敷設空間。但是,垂直蛇形布置的施工難度較水平蛇形大,施工時較難準確地控制波幅。相反,水平蛇形布置占空間較多, 但施工相對容易。圖4日本新豐洲變電站電纜隧道垂直電纜蛇形另外,從蛇形的形狀來看,垂直蛇形的2個支持點(波峰間無法取第3個支持點,因此電纜支架的間距與蛇形形狀是相等的,支架間距一般較大(大于3m。為滿足電纜自重及短路動穩(wěn)定要求,必須加大支架本身的強度要求2;另外,在存在振動的場合,支架間距大可能會造成電纜與振動源諧振,加大了電

8、纜金屬護套破壞的可能性。在這樣的條件下,應盡量避免采用垂直蛇形布置。而水平蛇形布置則可將支架的間距控制在需要的范圍內。3小洋山工程中電纜蛇形布置方案的選擇及試驗結果在110kV 小洋山電纜過橋工程中,電纜需穿過長為25km 的東海大橋箱梁。在大橋箱梁內,空間較大,為避免大橋振動對電纜造成不利影響,我們考慮在大橋箱梁內對電纜采用水平蛇形布置。由于電纜敷設在大橋箱梁內及管線橋上,電纜敷設受大橋結構影響較大,因此,電纜蛇形形狀種類較多,蛇形波長從59m 均有應用。因此,根據現場實際條件,我們設計了不同的蛇形以滿足不同條件的需要(蛇形波長59m,并與電纜廠合作對電纜蛇形做了試驗,小洋山工程中蛇形177

9、2005年第2期上海電力專題研討波長為5m 和9m 的電纜蛇形試驗的結果如圖5、圖6 所示。圖5 電纜蛇形軸向力試驗結果圖6電纜蛇形移動量試驗結果我們將試驗結果與蛇形理論計算值做了比較(110kV 630mm 2鋁護套交聯電纜,電纜溫升t =65C,線膨脹系數 =2010-61/C,摩擦系數 =0.4,詳見表3。表3電纜蛇形試驗值與計算值比較參數波長5m 波長9m 理論值實際測量值理論值實際測量值半節(jié)距L /m2.5 2.5 4.5 4.5初始波幅B /mm122122170170移動量n /mm 44.935.596.4102.9高溫時軸力F a /N -329.11290.15-295.2

10、3-164. 64試驗結果顯示 :( 1試驗共經歷溫度上升、下降11個循環(huán),從圖5、圖6中可以看到,電纜蛇形移動量及軸向力呈現一逐漸穩(wěn)定的過程。(2蛇形移動量試驗值與計算值基本一致,軸向力實驗值與計算值存在一定誤差(計算值偏大,由于影響軸向力計算的因素較多,估計產生誤差的原因主要是支架的摩擦系數測量不夠精確造成的,但從試驗結果來看,公式計算值對工程設計來說是偏安全的。另外,采用蛇行敷設后,能把電纜金屬護套的畸變量分散到各個蛇行弧上,通過理論分析和試驗證實金屬護套的畸變量沒有超過允許值,且裕度很大,因此一般都不需驗算。4豎井內電纜蛇形布置的種類對于電纜豎井來說,電纜的主要固定方式有3種,如表4所

11、示。表4電纜豎井內電纜的主要敷設方式方式頂部一點夾具支持直線敷設夾具支持蛇行敷設夾具支持敷設示意圖適用場所適合豎井高差不大,電纜重量較輕的場合。電纜熱伸縮由底部彎曲處吸收。適用于電纜重量較重,但熱伸縮軸向力不大的情況,每隔數米設一夾具,能緊握電纜重量和熱伸縮軸向力。適合熱伸縮軸向力很大的場合,用蛇行敷設來降低熱伸縮軸向力。上海地區(qū)的電纜豎井大部分采用的是第2種固定方式,即在一定間隔內(小于等于1000mm 布置一處電纜夾具,以固定電纜,防止電纜熱伸縮而產生的形變(如楊樹浦電廠隧道豎井,而采用第1和第3種豎井內電纜蛇形布置的場合并不多見。根據了解,國內天荒坪電廠豎井內采用了電纜蛇形布置,但并沒有采用夾具角度固定,而是采用了可動夾具的形式(關于蛇形電纜夾具固定方式將另行討論。在小洋山工程中共有2座電纜豎井,根據所采用的電纜參數及電纜豎井不是太高的特點,我們采用的是第2種固定方式,每隔1m 即設置一處電纜夾具予以固定。5結語為了保證電纜在隧道、大橋上的安全運行,采用電纜蛇形布置來消除電纜內部的熱機械力是非常重要的。根據工程的不