城市管廊中電纜線路運行熱環境研究

李紅雷，俞瑾華，蔣曉娟，徐永銘，包海龍

（1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2.國網上海市電力公司市區供電公司，上海 200080；3.國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063；4.上海市電力工程建設監理有限公司，上海 200233）

城市管廊中電纜線路運行熱環境研究

李紅雷1，俞瑾華2，蔣曉娟3，徐永銘4，包海龍1

（1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437；2.國網上海市電力公司市區供電公司，上海 200080；3.國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063；4.上海市電力工程建設監理有限公司，上海 200233）

根據傳熱學對電纜溫度場進行分析，通過建立數值模型求解電纜溫度場載流量。文中建立電纜溫度場的幾何模型并給出相關電纜參數，通過計算電纜溫度場和載流量，分析不同因素對電纜載流量的影響。文中還介紹了隧道通風方式及其優缺點，闡述了電纜隧道的通風方式、風速、風量的選擇以及通風系統的運行控制方法。結果表明電纜的溫度場和載流量與電纜溝的結構和溝內電纜的布置方式有很大的關系。通過對電纜隧道和通風系統的合理設計有利于提高電纜的溫度場和載流量。

電纜；溫度場；載流量；隧道通風；散熱降溫

近年來，隨著我國城鎮化的發展，城市用電負荷逐年增長，由于電纜化供電的優點突出比較適合城市供電，電纜化供電模式已經在大型城市得到越來越廣泛的應用。與此同時，由于城市的地下空間資源較為緊缺，電纜與其他市政管線公用城市管廊已經成為必然的選擇。

電纜在運行的過程中會產生一定的熱量，這部分熱量如果不及時散失很容易在城市管廊中聚集，導致管廊內溫度過高，嚴重時可能會導致火災[1]。有些電纜隧道中還敷設有通信、燃氣、供熱等各種管線，隧道溫度的升高不利于各種管線的安全穩定運行，甚至會導致各個管線的運行癱瘓[2]。因此，對城市管廊中的電纜線路運行熱環境的研究有利于提高電纜線路及其他市政設施的安全運行能力。本文研究了城市管廊電纜溫度場的計算模型及計算方法，對電纜載流量進行計算，同時對電纜隧道的通風系統進行了介紹。

1 電纜溫度場計算模型的建立

載流量是用來衡量電纜負荷和溫升的重要參數，通過電纜溫度場的計算可以確定電纜線路的載流量，載流量的確定對電纜的安全穩定運行有重要的意義[3-6]。由于不同地方電纜的運行環境及工況差別極大，采用電纜載流量計算標準來解析計算溫度場已經不能滿足精度上的要求[7-8]，數值計算方法已經成為了必然選擇。

1.1 幾何模型的建立

本文以電纜溝敷設6回路電纜為例建立電纜溝幾何模型，通過傳熱學理論[9-10]中相關的知識可知，由于電纜溝的截面積相對于整個電纜溝而言可以認為是很小的，因此可以對截面積做溫度場分析（敷設截面積為1 m×1 m）。二維模型如圖1所示；其中電纜選取8.7／15 kV YJV 1×400 的XLPE 電力電纜，允許工作溫度為90℃。

圖1 電纜溝敷設幾何模型Fig.1 Geometric model of cable trench laying

1.2 電纜參數

電纜的各項參數如表1、表2所示。數值計算嚴格按照給定參數計算。

表1 電纜結構參數Tab.1 Cable structure parameters

表2 電纜敷設條件Tab.2 Cable laying conditions

1.3 溫度場數學模型的建立

1.3.1 散熱控制方程

1）對流微分方程：流體必定滿足質量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律。對應的控制方程如下：

式中：▽為矢量微分算子符號；ρ為流體密度，Kg/m3；u為流體的絕對速度矢量，m/s；F為單位體積流體受到的體積力矢量；p為流場的壓力，Pa；μ為流體動力黏度，Pa·s；Tf為流體溫度，K；λ為流體的導熱系數，W/（m·K）；cp為流體比熱容，J/（kg·K）。

在自然對流散熱過程中空氣流體只受到重力和浮力作用，其力矢量表示為

式中：g為重力加速度，m/s2；β為體積膨脹系數，K-1；T為流體參考溫度，K。

2）導熱微分方程：

式中：λ為介質導熱系數，W/（m·K）；Ts為介質溫度，K；Q為介質單位體積發熱率，J/m3。

3）輻射換熱計算：輻射換熱的控制方程如下：

式中：Q12為表面1和2之間的凈換熱量，W；σ0為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，W/（m2·K4）；ε1和ε2分別為表面1和2的發射率；X12為角系數；A1為表面1的面積，m2；T1和T2為表面1和2的絕對溫度值，K。

考慮的幾何模型中只包含電纜一個熱源。各種損耗參數可以根據IEC60287標準進行計算[11-14]。

1.3.2 邊界條件

1）流場邊界條件：在不考慮有通風系統的情況下，空氣自然對流邊界條件可考慮速度為0。

2）溫度場邊界條件：溫度場的邊界條件主要包括邊界溫度恒定的恒溫條件、邊界法向熱流密度恒定的法向熱流條件、已知流體溫度與流體對流散熱系數的對流換熱條件。各自邊界條件的控制方程如下：

式中：T（x，y）為位于邊界ω3上的點（x，y）的溫度，K；λ為導熱系數，W/（m·K）；n為邊界法向量；qn為熱流密度，W/m3；h為對流換熱系數，W/（m2·K）；Tf為流體溫度，K；ω1、ω2、ω3分別為第1、第2和第3類積分邊界。

由以上2種條件結合已建立的電纜溝敷設幾何模型可以確定計算模型的邊界條件如圖1所示。

電纜溝左右兩側取1.2 m為邊界條件，電纜溝上側取地表為邊界條件，下側取1.2 m為邊界條件。

2 電纜溫度場和載流量的計算分析

2.1 溫度場及載流量計算

根據已確定的幾何模型結合各個控制方程以及參數設置好求解域和相應的邊界條件，應用COMSOL Multiphysics軟件采用有限元三角單元自動網格劃分法對求解域進行剖分。剖分圖如圖2所示。

圖2 求解域剖分圖Fig.2 The split map of solution domain

設置通過電纜的電流為250 A，整個邊界條件內的溫度場分布如圖3所示。此時電纜的最高運行溫度為342.501 K，小于該型電纜的允許工作溫度。該型電纜的允許工作溫度為90℃（即363 K），在電纜纜芯溫度穩定在363 K時，采用雙點弦截法計算出電纜的載流量為319.7 A。

圖3 電纜溫度場分布Fig.3 Cable temperature field distribution

2.2 載流量的影響因素分析

2.2.1 電纜溝深度對電纜載流量的影響

在電纜層間距不變的情況下，增大電纜溝的深度，電纜的載流量隨電纜溝深度的變化如圖4所示。

圖4 電纜溝深度與電纜載流量的關系Fig.4 Relationship between cable trench depth and cable carrying capacity

由圖4可以看出，隨著電纜溝深度的增加，電纜的載流量逐漸增大。增加電纜溝的深度實際上是通過增大了電纜溝的截面積從而增加了溝內空氣的流動，增強了電纜溝的散熱。

2.2.2 電纜層間距對電纜載流量的影響

在電纜溝深度不變的情況下，增大電纜層的間距，電纜的載流量隨電纜層間距的變化如圖5所示。

圖5 電纜層間距與電纜載流量之間的關系Fig.5 The relationship between cable spacing and cable carrying capacity

由圖5可以看出，隨著電纜層間距的增大，電纜載流量逐漸增大。增加電纜層的間距主要是減少電纜層之間的熱交互，增強散熱效果。

綜上分析，增加電纜溝的深度和電纜層的間距都有利于電纜載流量的增長。因此在電纜敷設規劃初期，可以考慮設計合適的電纜溝深度和電纜層間距，以提高電纜的載流量。

以上分析只考慮了自然對流的情況下電纜溝敷設電纜的溫度場及載流量計算，在增加通風系統的情況下，電纜溝內的散熱能力會大大增強。通風系統在電力線路敷設中應用非常廣泛。接下來以綜合管廊為例，介紹電纜隧道的通風系統。

3 電纜隧道通風系統研究

由于隧道屬于半封閉場所，而電力電纜運行時都會散發一定的熱量，所以電纜隧道需要通風，以保證這些熱量能快速散失，從而保證電纜運行在合適的環境內，這不僅能保障電纜的安全運行，也可提高電纜的載流量[15]。

3.1 通風方式的選擇

綜合管廊，即共同溝；這種隧道敷設方式的通風選擇較為靈活，以下介紹常用的幾種通風方式：

自然通風的投資成本低，但是通風效果有限，因此對通風區及豎井的設置要求嚴格。自然通風的通風區長度較短，因此需要修建的進排風豎井較多，布置難度較大。

自然通風輔以無風管的誘導式通風方式對通風區的長度和豎井數量及位置的設置沒有很大的限制，并且這種方式通風效果良好，但是初始投資的成本較高。

機械排風的通風效果好，排風區的距離長，豎井的數量少，但是需要安裝的機械設備較多，投資成本較高。

綜合考慮各種通風方式，選用自然進風和機械通風的方式，這種方式設備投資不高且通風效果較好。

3.2 通風系統的設計

3.2.1 通風區和防火區的劃分

由于通風系統和防火系統配合聯動，因此一般情況下防火區和通風區設置的位置相同。通風區長度一般不大于200 m，在每個通風區的一端會設置進風口。

3.2.2 通風量的確定

通風量須同時滿足：①消除余熱所需的風量；②消除余濕所需的風量；③最小換氣次數所需的風量；④事故通風量。管廊內部斷面風速小于1.5 m/s[16]。各類管道換氣次數規定如表3所示。

表3 換氣次數規定Tab.3 Ventilation requirements

3.2.3 通風系統設備及控制

綜合管廊采用自然通風和機械排風的方式，常用的設備主要有：全自動防煙百葉窗、雙速排風機、全自動排煙防火閥和止回閥等[17]。

由于綜合管廊內各類公用類管線集中容納于一體，因此整個通風系統需要和監控系統及消防系統配合聯動[18]。監控系統檢測各種數據信息是否正常，并實時調控通風系統，保證整個綜合管廊內的環境處于正常水平[19]。

4 結語

本文以電纜為熱源，以電纜溝敷設電纜為例對電纜的溫度場和載流量進行計算分析。分析結果表明：正常情況下，電纜的纜芯溫度是低于允許工作溫度的，并且隨著電纜溝溝深和電纜層距離的增大，電纜溝的散熱能力增強，電纜的載流量增大，因此需要在考慮經濟性的條件下，合理設計電纜溝的大小及電纜布置方式。以綜合管廊為例，對電纜隧道的通風系統進行介紹，通風系統在設計過程中需要綜合考慮隧道的實際散熱需求、通風量、風速、通風設備等一系列因素，在滿足要求的情況下，做到經濟設計并能留有裕量；電纜的溫度場、載流量以及通風系統等等一系列問題的研究，目的都是為了使電纜有一個良好的運行環境，在保障城市可靠供電的同時充分發揮電纜的輸電能力提高電纜載流量，提高運行效益。

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Study on the Thermal Environment of Cable Operation in Urban Corridors

LI Honglei1，YU Jinhua2，JIANG Xiaojuan3，XU Yongming4，BAO Hailong1
（1.The Electric Power Research Institute of State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200437，China;2.The Urban Power Supply Company of State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200080，China；3.State Grid Shanghai Electric Power Maintenance Company，Shanghai 200063，China；4.Shanghai Electric Power Engineering Construction Supervision Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

The temperature field of the power cable is analyzed according to heat transfer，and the numerical model is established to solve the current-carrying capacity.In this paper，the geometric model of the cable temperature field is established and the relevant cable parameters are given.The influence of different factors on the cable carrying capacity is analyzed by calculating the temperature field and the carrying capacity of the cable.In addition，the paper also introduces the tunnel ventilation and its advantages and disadvantages，expounds the cable tunnel ventilation，wind speed，air volume selection and ventilation system operation control method.The results show that the temperature field and the carrying capacity of the cable are related to the structure of the cable trench and the arrangement of the cable in the groove.Through the cable tunnel and ventilation system reasonable design is conducive to improving the cable temperature field and current carrying capacity.

cable;temperature field;carrying capacity;tunnel ventilation;cooling

1674-3814（2017）07-0085-05

TM715

A

國家自然科學基金資助項目（51307104）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51307104）.

2017-01-25。

李紅雷（1970—），男，博士，高工，主要研究方向為電纜運行及計算分析；

俞瑾華（1973—），女，碩士，高工，主要研究方向為電纜運維及檢測技術；

蔣曉娟（1978—），女，高工，主要從事電網設備運維管理工作。

（編輯 張曉娟）