關于隧道供配電導體截面的選擇研究

張青俠 李 卓

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

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關于隧道供配電導體截面的選擇研究

張青俠 李 卓

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

從母線、配電電纜、架空線三方面，介紹了隧道供配電導體截面的選擇方法，探討了溫度、土壤熱阻率、海拔高度等環境因素對載流量影響的校正系數，旨在降低公路隧道供配電線路的電能損耗。

隧道供配電，導體，電纜，母線

1 概述

基于綠色環保節能的大背景下，公路隧道供配電設施的導體材質大多都是由有色金屬(銅、鋁、鋁合金等)組成。架空線、母線及低壓配電電纜的截面選擇是否合理，直接影響線路電能損耗，同時直接影響經濟指標，因此，在進行隧道供配電設計時，各種導體截面的合理選擇顯得尤為重要。

2 導體截面選擇

隧道供配電專業設計主要分為電氣設備選擇、線纜選擇和防雷接地設計等內容。其中線纜選擇包括了材質的選擇、截面的選擇、布置方法等方面內容。而就供配電專業涉及到的線纜形式而言，包括中壓架空線、低壓母線及低壓電纜。本文重點介紹這些線纜截面的選擇方法。

2.1 母線選擇

在具體進行母線選擇時，首先應該按照負荷電流進行選擇，并進行母線的熱穩定、動穩定校驗。

依托計算電流，對照母線載流量表選擇后，應按可能出現的最大短路電流進行穩定校驗。短路電流在母線中產生的熱效應計算如下[1]：

(1)

其中，Qz為短路電流中交流分量引起的熱效應；Qf為短路電流中直流分量引起的熱效應。

母線熱穩定允許的最小截面則按式(2)選擇[4]：

(2)

其中,Q為短路電流在母線中產生的熱效應；C為熱穩定系數，其選擇與短路前工作溫度和母線材質有關，隧道供配電系統低壓母線一般選用硬銅材質，常用最高工作溫度按照100 ℃考慮，則熱穩定系數C一般按照157考慮。

不論是水平布置還是垂直布置的母線，短路電流通過在同一平面的三相導體時，中間相產生的作用力最大，大小為[1]：

(3)

其中，Kx為形狀系數;L為平行導體的長度；D為相間距。

相應的產生應力為：

(4)

所選母線的動穩定必須滿足[1]：

δ≤δy

(5)

其中，W為母線的截面系數;δy為母線允許的最大應力，與材質有關，銅為120 MPa，硬銅為170 MPa。

2.2 配電電纜選擇

低壓配電電纜的選擇主要是根據溫升條件、經濟條件、壓降條件、動熱穩定校驗及滿足過載保護的要求等條件綜合選擇的。

電纜通過負載電流時，電纜發熱的溫度不能超過電纜絕緣層所能承受的長期允許的最高工作溫度。隧道供配電中常用的交聯聚乙烯絕緣電力電纜長期允許的最高的工作溫度是90 ℃，依據最熱月的日平均最高溫度再加5 ℃來確定電纜載流量的環境溫度。按照電纜實際通過的電流小于允許載流量來選擇電纜截面，同時與環境溫度關系密切，其關系系數如下[2]：

(6)

其中，θn為最高工作溫度；θa為實際環境溫度；θc為載流量表中的溫度。

依托工程條件，結合電纜成本，電價和貼現率等因素，及總擁有費用的概念，國際電工委員會IEC給出了電纜經濟電流密度法來選擇電纜截面，經濟電流截面面積計算公式如下[3]：

(7)

其中，Imax為最大工作電流;J為經濟電流密度(可查表和查曲線)。

隧道供配電接地系統一般采用TN-S接地系統，中性導體截面的選擇合理，也直接影響安全可靠性及經濟指標。一般情況下，三相四線制的系統中，中性線的允許載流量應該不小于線路中最大的不平衡電流與諧波電流之和。對于銅導體相導體截面不大于16 mm2或者鋁導體相導體截面不大于25 mm2的電纜，相導體與中性線截面相等。對于銅導體相導體截面大于16 mm2或者鋁導體相導體截面大于25 mm2的電纜，中性線截面可選為相導體截面的一半相等。

隧道供配電系統特別是照明負荷分布三相平衡，諧波電流中以三次諧波電流為主。諧波電流含量大于15%時，在選擇電纜截面時計入其影響，校正系數如表1所示。

表1 含有諧波電流的計算電流校正系數

一般情況下，設備末端端子處的電壓偏差百分數有嚴格要求。射流風機回路、照明負荷回路均為±5%；三相平衡負荷線路的電壓降計算公式如下：

(8)

其中，Δu為線路電壓降,%;Un為系統標稱電壓;I為計算電流;L為電纜長度;R′為電纜單位長度的電阻；X′為電纜單位長度的電抗；cosφ為負荷功率因數。

低壓電纜的動穩定、熱穩定校驗和母線方法一致?？蓞⒖际?1)～式(3)。

2.3 架空線選擇

隧道供配電系統設計的外電電源來自當地電力網上級220 kV或者110 kV變電站。在項目開展初期往往需要對外電線纜做一個預估，以免造成漏項。同樣，在進行10 kV架空線線纜預估計算時，我們也要綜合技術條件和環境因素選擇。架空線的路由選擇，要盡量減少與其他設施交叉，避免跨越儲存易爆易燃危險品的倉庫區域。

架空線路的持續載流量也要按照空氣溫度(依據當地10年或者10年以上最熱月的每天最高溫度的月平均值)進行調整。一般規定10 kV架空線的最小截面如下：在居民區，鋁絞線和鋁合金絞線是35 mm2，鋼芯鋁絞線是25 mm2，銅絞線是16 mm2；在非居民區，鋁絞線和鋁合金絞線是25 mm2，鋼芯鋁絞線是16 mm2，銅絞線是16 mm2。

3 導體載流量的校正

在進行負荷計算以后，在實際選擇電纜時，除了滿足技術條件外，還要考慮環境條件(溫度、土壤熱阻率、海拔高度)對導體選擇的影響。實際溫度，載流量表中的標準溫度，最高工作溫度代入式(6)中，求出校正系數K，對載流量進行校正。在相關的載流量中，土壤熱阻率系數有的是1.2 K·m/W，有的是2.0 K·m/W。而實際的載流量表中，土壤熱阻系數[1]與標準不同，需要進行二次校正(見表2)。

表2 不同土壤熱阻系數的載流量校正系數

海拔高度主要影響的是架空線直線桿塔的絕緣子數量。一般情況下，海拔大于3 500的地區，絕緣子數量要在校正的基礎上再結合運行經驗適當的增加。而在海拔高度居于1 000 m～3 500 m之間的地區，絕緣子數量要根據式(9)進行校正[1]：

n1=n[1+0.1(H-1)]

(9)

其中，n1為實際海拔高度的絕緣子數量;n為1 000 m以下地區絕緣子的數量;H為海拔高度,km。

4 結語

隧道供配電系統設計對高速公路的正常運營和安全保障起著不可替代的作用。而隧道供配電中線纜的選擇和電器的選擇起著同樣重要的作用。本文系統的總結分析了隧道供配電系統所涉及到的大部分線纜(包括10 kV架空線、低壓母線、低壓電纜)的截面選擇方法(載流量法、電壓降法、經濟電流密度法、動熱穩定校驗)，同時也給出了各種環境因素(溫度、土壤熱阻系數和海拔)對載流量影響的校正系數，為隧道供配電專業設計階段選擇線纜提供了一定的參考和借鑒。

[1] 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].第4版.北京：中國電力出版社，2016.

[2] 趙 喆.低壓配電支線動力電纜截面的選擇[J].產品與技術(供配用電)，2014(9)：36.

[3] 覃旭偉．淺談電纜截面選擇的幾種依據[J]．中國新技術新產品，2014(4)：42.

[4] 王永康．電纜截面選擇的原則與依據探析[J]．電力訊息，2014(12)：77.

Abstract: From busbar, distribution cable and overhead line, the paper introduces the selection methods for the power supply and distribution conductor section of tunnels, explores the influence of the environmental factors including temperature, soil thermal resistivity, elevation on the correction coefficient of the carrying capacity, so as to lower the power consumption of the power supply and distribution line of roads and tunnels.

Key words: tunnel power supply and distribution, conductor, cable, busbar

The numerical simulation analysis of inner air pipes and water-filled pipes on the basis of explosive blast

Fang Chong

(PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

Using the finite element software ANSYS/LS-DYNA, build the calculation model according to the purpose of the experiment, choose proper constitutive relation and materials, the numerical simulation analysis was applied to the dynamic response rules of water-filled pipes and inner air pipelines under the TNT explosion shock loading， point out under blast loading, with the same amount of TNT, these parameters, the deformation of the water-filled pipe, the displacement of pipe’s element and peak pressure, are lower than the inner air pipeline. And with the increase of explosion, the increase rate of these parameters is not higher than inner air pipeline. And it’s destruction resistant ability is stronger, stable is higher.

explosion shock, liquid-filled pipes, dynamic response， calculation model

On selection for power supply and distribution conductor section of tunnels

Zhang Qingxia Li Zhuo

(No.1RoadSurvey,DesignandResearchInstituteCo.,Ltd,CCCC,Xi’an710075,China)

1009-6825(2017)11-0132-02

2017-02-08

張青俠(1982- )，女，碩士，工程師； 李 卓(1983- ),男，碩士，工程師

U453.7

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