基于某電纜工程的大盤長電纜技術(shù)研究

蘭 亮，馮 翔

（贛州宏遠電力勘測設(shè)計院有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

目前電纜工程施工中，對于大截面電纜供電回路距離較長時，均采用分段敷設(shè)，中間接頭接續(xù)的方案實現(xiàn)。中間接頭的存在加大了建設(shè)投資，增加了供電系統(tǒng)的故障率，降低了系統(tǒng)運行的可靠性，所以為了減少中間接頭，在金屬護套感應(yīng)電壓限值以及施工條件滿足的情況下，大盤長電纜敷設(shè)是一個較好的選擇。目前電纜敷設(shè)技術(shù)已日益成熟，但是對于特殊情況下的大盤長電纜機械敷設(shè)仍受同步問題、環(huán)境因素的限制，同時電纜盤長生產(chǎn)受目前制造工藝、運輸條件的制約，因此各種環(huán)境下大盤長電纜敷設(shè)仍是目前電纜敷設(shè)面臨的主要問題。

1 電纜接地方式及分盤的選擇

目前電纜敷設(shè)過程中，最難解決的還是大盤長電纜敷設(shè)問題，由于電纜盤長生產(chǎn)受目前制造工藝、運輸條件的限制，同時電纜盤長過長會帶來外護套感應(yīng)電壓過大的問題，所以對于普通高壓110 kV電纜，一般每盤最長也就在300～700 m左右。

本文依托某工程110 kV電纜線路工程，電纜路徑長度5.6 km，電纜采用110 kV單芯銅導(dǎo)體、交聯(lián)聚乙烯絕緣、波紋鋁護套、阻燃防蟻高密度聚乙烯外護套電力電纜，截面為800 mm2，根據(jù)現(xiàn)場實際，電纜可分為9盤，采用3個交叉互聯(lián)單元，每個單元電纜包含3段電纜，最大電纜盤長為700 m。

為了減少金屬護套的損耗，提高輸送容量，對于長線路一般采用交叉互聯(lián)接地。為了降低金屬護套的感應(yīng)電壓，工程上通常是將各盤電纜在連接時裝上絕緣接頭，絕緣接頭使金屬護套在電氣上分段，各段護套感應(yīng)電壓由分段長度確定。

單相電纜采用交叉互聯(lián)時，每相電纜分段數(shù)采用3的倍數(shù)，每3小段組成1個大段，在絕緣接頭處將每相電纜的護套絕緣，將不同的各小段護套相互交叉連接，并在兩端直接接地。

2 單盤大長度電纜的制造

2.1 電纜的制造

電力電纜的制造主要是通過拉制、絞制、包覆三種工藝來制作完成的，型號規(guī)格越復(fù)雜，重復(fù)性越高。電力電纜制造的基本工藝流程如圖1所示：

圖1 電纜制造基本流程示意圖

大盤長電纜生產(chǎn)是考驗高壓電纜制造廠綜合生產(chǎn)實力的指征，在生產(chǎn)過程中需要很高的制造工藝穩(wěn)定性，以及對大長度生產(chǎn)交貨的能力和可靠性的保證。

大盤長電力電纜的整個制造流程同一般電力電纜基本相同，但在電纜機械強度和防腐要求上有所特殊，要求電纜長度盡量延長。而大長度電纜的關(guān)鍵設(shè)備主要是由于單根電纜長度和重量所引起的，關(guān)鍵工序都將受到的收、放線設(shè)備的限制。如果要生產(chǎn)大長度電纜，就必須對絕緣、擠塑等工序進行收、放線設(shè)備改造，配備大承重轉(zhuǎn)盤式的收放系統(tǒng)。

2.2 盤長選擇及小結(jié)

本文工程中選用YJLW03-64/110kV-1×800 mm2型電纜，最大單盤盤長為700 m。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有廠家生產(chǎn)工藝，上述單盤盤長的電纜是能夠保證生產(chǎn)的。

3 單盤大長度電纜的運輸和吊裝

3.1 電纜的運輸和吊裝

常規(guī)高壓電纜在生產(chǎn)、裝盤、廠試完成后即運至客戶指定的工地現(xiàn)場。一般主要采用的運輸方式有公路運輸、鐵路運輸、水運。本節(jié)將探討目前采用常規(guī)運輸工具、方案時，高壓電纜運輸環(huán)節(jié)對電纜單盤長度的限制。

目前采用的運輸方式主要為公路平板車運輸方式，一般采用平板車，一般平板車平板高度為離地600 mm左右，電纜盤在平板車上一般順車向布置。

常規(guī)電纜盤最大盤外徑的確定

根據(jù)《公路工程技術(shù)標準》，各類等級公路在設(shè)計時，都有一個公路建筑限界的指標，有比較詳細的分類。但其數(shù)值在不同等級的公路上。

一般在高速公路上的限高標準為5.0 m，這一般是以沿線經(jīng)過的隧道限高標準來限制高度。以此高度來推算，則電纜盤的高度不應(yīng)大于H＝5 000 mm－600mm＝4400mm，為留有一定裕度，一般取4200mm為常規(guī)鐵質(zhì)電纜盤的最大盤徑。

常規(guī)電纜盤最大寬度的確定

根據(jù)超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定（交通運輸部令2016年第62號）第三條規(guī)定，如下：

“第三條本規(guī)定所稱超限運輸車輛，是指有下列情形之一的貨物運輸車輛：

1）車貨總高度從地面算起超過4 m；

2）車貨總寬度超過2.55 m；

3）車貨總長度超過18.1m；

4）二軸貨車，其車貨總質(zhì)量超過18 000 kg；

5）三軸貨車，其車貨總質(zhì)量超過25 000 kg；三軸汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過27 000 kg；

6）四軸貨車，其車貨總質(zhì)量超過31 000 kg；四軸汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過36 000 kg；

7）五軸汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過43 000 kg；

8）六軸及六軸以上汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過49 000 kg，其中牽引車驅(qū)動軸為單軸的，其車貨總質(zhì)量超過46 000 kg。”

綜上，我們可以得到常規(guī)高壓電纜盤的高度限制3.2 m（4.0 m-0.6 m=3.4 m，考慮裕度）與寬度限制2.2 m（因為一般電纜盤運輸車的寬度須比電纜盤本身寬些），車貨總長度超過18.1 m，以此條件來計算常規(guī)電纜盤允許的最大電纜盤長。

在電纜盤高、寬確定的條件下，電纜盤允許的最大電纜長度和電纜的直徑有著密切的關(guān)系，主要原因是，電纜直徑越大，則對電纜盤的內(nèi)徑要求越高，且電纜直徑與電纜盤上的層數(shù)有著直接的關(guān)系[1]。

電纜盤上允許的電纜盤長一般可以用以下公式來計算：

L：允許盤長，m；

D0：電纜盤內(nèi)徑，mm；

D1：電纜盤外徑，mm；

D：電纜外徑，mm；

p：電纜層數(shù)（取整數(shù)）；

n：圈數(shù)（取整數(shù)）；

B：電纜盤內(nèi)寬，mm。

3.2 電纜盤尺寸研究

根據(jù)目前常規(guī)110kV電纜的外徑尺寸，我們可以計算得到不同電纜盤允許的最大電纜盤長，詳見表1、表2。

表1 Φ3200電纜盤允許裝盤量及重量表

表2 Φ4000電纜盤允許裝盤量及重量表

3.3 電纜盤長尺寸選擇及小結(jié)

從表1、表2中可以看出，3.2 m～4.0 m外徑的電纜盤允許電纜長度逐漸增加，且由于電纜外徑的關(guān)系，不同截面電纜最大長度均不一致。李交白I、II線雙回破口至青云譜變110 kV線路工程中選用YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2型電纜，最大單盤盤長為700 m。根據(jù)計算，選用3 200 mm電纜盤即能滿足吊裝及運輸要求。國內(nèi)常規(guī)公路能滿足運輸條件，無需采用特殊運輸條件。

4 單盤大長度電纜的設(shè)計

4.1 概述

大盤長電纜在設(shè)計時，必須要考慮的一個問題就是護套感應(yīng)電壓的限制。根據(jù)電力工程電纜設(shè)計規(guī)范（GB50217—2007），未能采取有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時，不得大于50 V；當采取能防止人員任意觸及的安全措施時，不得大于300 V。

4.2 模型的計算和分析

正常運行時，根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計標準》GB 50217—2018附錄F交流系統(tǒng)單芯電纜金屬層正常感應(yīng)電勢算式:

交流系統(tǒng)中單芯電纜線路一回或兩回的各相按通常配置排列情況下，在電纜金屬層上任一點非直接接地處的正常感應(yīng)電勢值，可按下式計算：

按正常輸送容量120 MVA，I=630 A，計算見表3：

表3 電纜金屬層非直接接地處正常感應(yīng)電壓值

本節(jié)通過理論和110 kV輸變電工程實例計算電纜的護套感應(yīng)電壓，本工程電纜在最大盤長700 m以下，感應(yīng)電壓均滿足規(guī)劃要求。

4.3 電纜感應(yīng)電壓計算及小結(jié)

本文工程中選用YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2型電纜，最大單盤盤長為700 m，采用單端接地型式。根據(jù)計算，選用該長度下，電纜感應(yīng)電壓在300 V之下，能滿足規(guī)程規(guī)范要求。

5 單盤大長度電纜的敷設(shè)

大盤長電纜在敷設(shè)時，由于電纜總重量大，在敷設(shè)時需要較大的牽引力，故在設(shè)計該類線路時需要計算電纜的牽引力是否超過允許值。故課題對大盤長電纜敷設(shè)進行分析，通過軟件計算，選取合理的牽引方式、位置，來滿足大盤長電纜的敷設(shè)需要。

5.1 模型建立

本報告采用道亨電纜牽引力計算程序進行計算。計算原理采用《城市電力電纜線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中附錄A 牽引力和側(cè)壓力的計算中的計算公式進行計算。模擬現(xiàn)場環(huán)境計算電纜側(cè)壓力和牽引力。

計算公式1~12中的各參數(shù)含義如下

T—牽引力，N；

T1—彎曲前牽引力，N；

T2—彎曲后牽引力，N；

μ—摩擦因數(shù)；

W—電纜單位重量，N/m；

L—電纜長度，m；

R—電纜的彎曲半徑，m；

θ—彎曲部分的圓心角，rad；

θ1—電纜作直線傾斜牽引時的圓心角，rad；

α—電纜彎曲部分的傾斜角，rad；

P—側(cè)壓力，N或N/m；

D—管道內(nèi)徑，mm；

d—電纜外徑，mm；

在實際工程中，根據(jù)電纜的敷設(shè)型式，常見的敷設(shè)又可歸類為直埋、排管、頂管等數(shù)種型式，它們各自具有相似的路徑和摩擦系數(shù)。

5.2 模型的計算和分析

本文電纜線路工程中選用YJLW03-64/110 kV-1×800 mm2型電纜，共分9段。本文針對工程敷設(shè)條件最惡劣段進行分析。

最大單盤盤長為700 m，在排管中電纜長度約620 m、拉管中長度約80 m。電纜盤放置位置分別考慮設(shè)在終端登桿處和220 kV姚北站口，計算電纜最大牽引力和側(cè)壓力。

5.2.1 電纜參數(shù)詳見表4：

表4 電纜參數(shù)表

5.2.2 計算

敷設(shè)種類：一孔一條

電纜每米重力:135.3 N/m電纜盤的摩擦力按多長的電纜重量計：10 m

整個線路分為13段

1）第1段：

彎曲類型：水平直線牽引

求得：T=6 497.11 N

不產(chǎn)生側(cè)壓力。

2）第2段：

彎曲類型：水平彎曲牽引

132.594 N/m，R=2.1 m，μ=0.3，θ=0.7 rad

求得：T=8015.34 N

產(chǎn)生側(cè)壓力，公式：

（1孔1根）已知：D=0，d=0

求得：P=3816.83 N/m。

3）第3段：

彎曲類型：水平直線牽引

求得：T=11 993.2 N

不產(chǎn)生側(cè)壓力。

4）第4段：

彎曲類型：水平彎曲牽引

求得：T=13 892.3 N

產(chǎn)生側(cè)壓力，公式：

（1孔1根）已知：D=0，d=0

求得：P=6 615.39 N/m。

5）第5段：

求得：T=21 848 N

不產(chǎn)生側(cè)壓力。

6）第6段：

彎曲類型：水平彎曲牽引

132.594 N/m，R=2.1 m，μ=0.3，θ=0.37 rad

求得：T=24 412.8N

產(chǎn)生側(cè)壓力，公式：

（1孔1根）已知：D=0，d=0

求得：P=11 625.1N/m。

7）第7段：

彎曲類型：凹曲面上的垂直牽引上

公式：（垂直牽引.凹曲面.上）已知：W=132.594N/m，R=2.1 m，μ=0.3，θ=0.31 rad，α=0 rad

求得：T=26 792.1 N

產(chǎn)生側(cè)壓力，公式：

（1孔1根）已知：D=0（mm），d=0（mm）

求得：P=12 758.1N/m。

8）第8段：

彎曲類型：水平直線牽引

求得：T=30 372.1 N

不產(chǎn)生側(cè)壓力。

9）第9段：

彎曲類型：凹曲面上的垂直牽引下

（垂直牽引.凹曲面.下）已知：W=132.594 N/m，R=2.1 m，μ=0.3，θ=0.31 rad，α=0 rad

求得：T=33 332.3 N

產(chǎn)生側(cè)壓力，公式：

（1孔1根）已知：D=0mm，d=0mm

求得：P=15 872.5 N/m。

10）第10段：

彎曲類型：水平彎曲牽引

求得：T=38 035.7 N

產(chǎn)生側(cè)壓力，公式：

（1孔1根）已知：D=0，d=0

求得：P=18 112.2 N/m。

11）第11段：

彎曲類型：水平直線牽引

不產(chǎn)生側(cè)壓力。

12）第12段：

彎曲類型：水平彎曲牽引

求得：T=45 946.6 N

產(chǎn)生側(cè)壓力，公式：

（1孔1根）已知：D=0，d=0

求得：P=21 879.3 N/m。

13）第13段：

彎曲類型：水平直線牽引

公式：水平直線牽引）已知：L=90 m，W=135.3 N/m，μ=0.3

求得：T=49 526.6 N

不產(chǎn)生側(cè)壓力。

5.2.3 結(jié)論

綜上，本工程大盤長電纜在敷設(shè)時，牽引力和側(cè)壓力即能滿足敷設(shè)需求。

6 結(jié)語

隨著城市輸電線路工程中電纜工程的比例越來越高，電壓等級也在不斷提高，高壓長距離電纜項目也已經(jīng)出現(xiàn)。電纜線路在電網(wǎng)中的數(shù)量及重要性將越來越高。因此，在現(xiàn)階段，合理降低電纜工程造價、提高電纜工程的設(shè)計、施工質(zhì)量對提高資金使用效率，提高電網(wǎng)可靠性具有重要意義。

本文工程采用大長度電纜盤長技術(shù)，700 m段電纜可采用交叉互聯(lián)接地型式，感應(yīng)電壓及牽引力能滿足規(guī)程規(guī)范要求[2]。大長度電纜盤長技術(shù)能取消或減少電纜工程中電纜中間接頭的使用，加快電纜工程施工進度，降低工程造價，改善工程質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)運行的可靠性，降低故障率，提高供電質(zhì)量，其經(jīng)濟效益和社會效益顯著，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。