一種可帶電運(yùn)行用電纜盤(pán)技術(shù)研究及應(yīng)用

李紹斌，彭勇，劉勇，葉波，劉鋼

(長(zhǎng)纜電工科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410205)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市的不斷擴(kuò)張，城市群的飛速發(fā)展，城市供電系統(tǒng)的電力電纜系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，電力電纜線路中某段出現(xiàn)故障的概率也隨之升高。在故障不明或無(wú)法短時(shí)恢復(fù)的情況下，為避免電力設(shè)備設(shè)施受損引發(fā)大面積停電事故，在原有故障電纜的路徑旁臨時(shí)敷設(shè)一條電纜，用旁路轉(zhuǎn)電的方式取代原電纜線路中的故障電纜。通過(guò)接入快速接頭，現(xiàn)場(chǎng)可快速實(shí)現(xiàn)電纜頭對(duì)接，便利地延長(zhǎng)電力電纜長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)跨接故障線路段，達(dá)到最短時(shí)間內(nèi)臨時(shí)恢復(fù)電纜線路的目的，最大限度保證電纜線路的運(yùn)行穩(wěn)定性及搶修迅速性。特別適合直埋電纜、排管敷設(shè)電纜線路及隧道自然災(zāi)害等臨時(shí)敷設(shè)的線路。待故障查明或修復(fù)原線路后，拆除中間接頭，將臨時(shí)敷設(shè)的電纜回收至應(yīng)急搶修設(shè)備的電纜盤(pán)上[1]。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電纜線路的應(yīng)急搶修，均采用成盤(pán)的電纜，將電纜盤(pán)上的電纜全部展放來(lái)進(jìn)行此方式對(duì)操作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)由于電纜線路出現(xiàn)故障時(shí)其位置可能無(wú)法準(zhǔn)確把握以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素，需要滿(mǎn)足不同長(zhǎng)度電纜的需求，電纜盤(pán)上的電纜可能不便于完全展放下來(lái)，需要留一部分在電纜盤(pán)上。因此如何確保剩余電纜在電纜盤(pán)上帶電運(yùn)行是本文研究的關(guān)鍵[2]。

1 研究背景

目前，市場(chǎng)上高壓電纜的電纜盤(pán)一般采用木制或全普通鋼制的材料及結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示。普通鋼制電纜盤(pán)一般采用有磁材料進(jìn)行制作，其優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)使用、強(qiáng)度好，但剩余電纜在電纜盤(pán)上的通電運(yùn)行存在發(fā)熱的情況。木制電纜盤(pán)目前普遍采用木板＋鋼制嵌件作為筒體，結(jié)構(gòu)采用帶磁鋼制輪輻的方式。木制電纜盤(pán)由于防潮性差、強(qiáng)度差、不耐用等缺點(diǎn)，同時(shí)成本相對(duì)較低，因此木制電纜盤(pán)一般為一次性使用，且電纜盤(pán)輪輻以及金屬連接處也存在發(fā)熱。針對(duì)上述情況，同時(shí)考慮電纜的成盤(pán)以及剩余電纜在電纜盤(pán)上的通電運(yùn)行，研發(fā)一種可重復(fù)使用并可帶電運(yùn)行的電纜盤(pán)具有非常重要的意義[3]。

圖1木制電纜盤(pán)

圖2鋼制電纜盤(pán)

2 不銹鋼電纜盤(pán)的研究和測(cè)試

根據(jù)電纜盤(pán)的適用場(chǎng)合及強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)常規(guī)電纜盤(pán)的研究，考慮采用不銹鋼(無(wú)磁)材質(zhì)的電纜盤(pán)，電纜盤(pán)上電纜中間段呈U型布置在電纜盤(pán)表面U型槽內(nèi)，并對(duì)繞于電纜盤(pán)上的電纜進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，測(cè)試電纜盤(pán)帶電運(yùn)行的情況。

其試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備及參數(shù):應(yīng)急搶修設(shè)備上的電纜盤(pán)，材質(zhì)為不銹鋼304(奧氏體)；電纜為110 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，截面630 mm2，長(zhǎng)度120 m；試驗(yàn)場(chǎng)地為長(zhǎng)纜500 kV試驗(yàn)大廳；環(huán)境溫度8～10℃，相對(duì)濕度85%～95%。熱電偶布置:2個(gè)位于電纜盤(pán)表面，1個(gè)位于電纜盤(pán)盤(pán)外電纜外護(hù)套表面。

試驗(yàn)方案:電纜盤(pán)兩端繞線長(zhǎng)度相同(各5圈，有效長(zhǎng)度約100 m)，將兩端電纜展放出來(lái)各10 m，并在一端電纜處安裝5臺(tái)電纜試驗(yàn)變壓器，加載電流500 A。試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)備相關(guān)型號(hào)及參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果:持續(xù)40 min時(shí)，采用測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)其溫度變化情況，電纜盤(pán)表面溫升至60℃，并持續(xù)上升，盤(pán)外電纜護(hù)套表面無(wú)溫升變化。電纜盤(pán)發(fā)熱點(diǎn)采用紅外熱像儀進(jìn)行查看，發(fā)熱部位主要集中在被電纜盤(pán)繞的區(qū)域。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖3 不銹鋼電纜盤(pán)測(cè)試圖

表2 不銹鋼電纜盤(pán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，電纜盤(pán)圓筒體表面發(fā)熱較嚴(yán)重，無(wú)法滿(mǎn)足剩余電纜在電纜盤(pán)上通電運(yùn)行的要求，遂需調(diào)整設(shè)計(jì)方案和思路進(jìn)行相關(guān)研究分析和驗(yàn)證[4]。

3 可通電運(yùn)行電纜盤(pán)的研究和測(cè)試

3.1 理論分析

電纜盤(pán)上電纜中間段呈U型布置在電纜盤(pán)內(nèi)部，電纜從電纜盤(pán)兩端往中間繞，電纜中間段盤(pán)繞如圖4所示，電纜盤(pán)機(jī)構(gòu)及電纜成盤(pán)如圖5所示，電纜盤(pán)左視圖如圖6所示。電纜同向從兩端往中間盤(pán)繞在電纜盤(pán)上，從而達(dá)到同向或不同向、同時(shí)或不同時(shí)展放的目的，從理論研究分析，兩段等長(zhǎng)時(shí)可抵消其磁場(chǎng)的影響[5]。

圖4 電纜中間段盤(pán)繞示意圖

圖5 電纜盤(pán)結(jié)構(gòu)及電纜成盤(pán)圖

圖6 電纜盤(pán)左視圖

電纜盤(pán)筒部為非金屬材料，所以電纜盤(pán)圈運(yùn)行對(duì)其無(wú)影響。但是電纜盤(pán)內(nèi)外圓盤(pán)為金屬材料，所以電纜盤(pán)繞在電纜盤(pán)上運(yùn)行時(shí)，即可看作導(dǎo)線(電纜)繞導(dǎo)體(電纜盤(pán))通流運(yùn)行，如圖7所示。通流后，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，相當(dāng)于導(dǎo)體處于隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生渦流損耗[6]。

圖7 電纜繞在電纜盤(pán)上運(yùn)行等效圖

假設(shè)筒體材質(zhì)為鐵，并且視其中一段為多個(gè)鐵片疊加而成，現(xiàn)考慮其中最大直徑的鐵片，看作一薄導(dǎo)電平板[7]，如圖8所示。

圖8 筒體表面的等效圖

為了分析薄導(dǎo)電板中電磁場(chǎng)的分布，假設(shè):

1)由于I和h＞＞a，所以場(chǎng)量E和H等近似為x的函數(shù)，與y和z無(wú)關(guān)。

2)由于外磁場(chǎng)B沿z方向，故板中的渦流無(wú)z分量，在xoy平面內(nèi)呈閉合路徑。又a＜＜h，所以可忽略y方向兩端的邊緣效應(yīng)，認(rèn)為E和J僅有y分量Ey和Jy。顯然，H也只有z分量Hz。

根據(jù)以上分析，磁場(chǎng)H方程簡(jiǎn)化后的復(fù)數(shù)形式是:

這個(gè)方程的一般解為:

顯然，磁場(chǎng)沿x軸的方向應(yīng)是對(duì)稱(chēng)的:

故取C1＝C2＝C/2，因此，式(2)可改寫(xiě)為:

設(shè)x＝0處，Bz(0)＝B0，則Cμ＝B0。因此可得薄板內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為:

由?×H＝J和J＝γE可得，電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度分別是:

圖9給出磁感應(yīng)強(qiáng)度的模Bz和電流密度的模Jz的分布曲線，圖中可以看出磁場(chǎng)在薄板中心處值最小，這是由渦流的去磁效應(yīng)形成的。渦流電流密度反對(duì)稱(chēng)于中心處，中心處為零，在表面處值最大。在薄板內(nèi)部，電場(chǎng)及磁場(chǎng)的分布并不均勻，越深入內(nèi)部，場(chǎng)量越小。場(chǎng)的分布集中在薄板表面附近，也呈現(xiàn)出集膚效應(yīng)現(xiàn)象。

圖9 模值分布曲線圖

對(duì)鐵片來(lái)說(shuō)，一般μ＝400μ0，μ0＝4π×10－7H/m，γ＝1·03×10－7s/m，厚度a＝1 mm。分析結(jié) 果 表 明，當(dāng) 工 作 頻 率 為501Hz時(shí)，d＝即a/d＝0·91，集膚效應(yīng)不顯著，可以認(rèn)為B是沿截面均勻分布的[8－9]。此時(shí)，可認(rèn)為磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng)不計(jì)集膚效應(yīng)。所以，渦流損耗P(在體積V中消耗的平均功率)[10]為:

由于電流繞圈運(yùn)行，可視作一個(gè)載流圓弧導(dǎo)線，且圓心角θ＝2π，其圓心處磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度以萬(wàn)馬110 kV截面為400 mm2的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜為例，根據(jù)《電線電纜手冊(cè)》關(guān)于電纜允許載流量的計(jì)算，其載流量I＝870 A[11－12]，即B0≈0·2T。為方便計(jì)算，現(xiàn)將圓心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與平均磁場(chǎng)強(qiáng)度視作相等，即B0＝Bzav＝0·2T，V＝1ha＝2·2×10－4m3。根據(jù)式(8)，有Pe＝0·72。

計(jì)算可知，兩端的外圓盤(pán)單個(gè)體積為4·3×10－2m3，約為導(dǎo)電薄板的195倍，所以?xún)啥藵L輪單個(gè)的渦流損耗為Pe1＝195×0·72＝140·4 W。

中間的圓盤(pán)單個(gè)體積為2·2×10－2m3，約為導(dǎo)電薄板的100倍，所以?xún)啥藵L輪單個(gè)的渦流損耗為Pe2＝100×0·72＝72 W。由此，在忽略筒體連接桿的情況下，整個(gè)電纜盤(pán)的渦流損耗為P總≈2×通過(guò)本理論分析得出電纜盤(pán)兩端金屬圓盤(pán)可能會(huì)有發(fā)熱產(chǎn)生，需以此研究為基礎(chǔ)進(jìn)行下一步試制驗(yàn)證[13－14]。

3.2 采用非金屬筒體與不銹鋼內(nèi)外圓盤(pán)的測(cè)試驗(yàn)證

設(shè)計(jì)采用非金屬筒體與不銹鋼內(nèi)外圓盤(pán)的電纜盤(pán)進(jìn)行本次驗(yàn)證[15]，其測(cè)試情況:電纜長(zhǎng)度150 m，電纜盤(pán)上電纜140 m，兩端分別放出5 m進(jìn)行通流試驗(yàn)測(cè)試。電纜為110 kV－1×630 mm2銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護(hù)套電力電纜，額定載流量在1 300 A左右，通流500 A進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。07:50開(kāi)始試驗(yàn)，各點(diǎn)初始溫度均約為30℃。其電纜盤(pán)各監(jiān)測(cè)分布如圖10—11所示。

圖10 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布圖

圖11 各有溫度上升較快監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖

通流4 h后，氣溫34℃；通流6 h后，氣溫36·5℃；通流8 h后，氣溫35·5℃，氣溫有一定變化。測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 金屬部位溫度數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)表明，金屬內(nèi)外圓盤(pán)在運(yùn)行6～8 h后溫升較快；筒體為非金屬材料，其溫度未見(jiàn)明顯上升。通過(guò)此次試驗(yàn)對(duì)電纜盤(pán)的結(jié)構(gòu)有了更深地認(rèn)識(shí)，筒體發(fā)熱部位主要為內(nèi)外金屬圓盤(pán)，為帶電運(yùn)行用電纜盤(pán)的進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)奠定了較好的基礎(chǔ)。

3.3 進(jìn)一步的研究設(shè)計(jì)及分析

采用金屬與非金屬相連接的方式，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的情況下，盡可能地采用非金屬部件進(jìn)行連接。前期試驗(yàn)表明，發(fā)熱部位主要為左右圓盤(pán)，針對(duì)電纜在大電流情況下對(duì)金屬連接件產(chǎn)生的渦流的問(wèn)題，通過(guò)切斷左右圓盤(pán)的封閉環(huán)形式，采用支架式＋非金屬圓盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式[15]，解決圓盤(pán)以及電纜渦流對(duì)其他金屬件的發(fā)熱問(wèn)題。

因?yàn)殡娎|盤(pán)筒身上僅纏繞一層電纜，電纜盤(pán)的受力計(jì)算根據(jù)參考文獻(xiàn)[16－17]得:

筒身在r＝b處的徑向位移是:

式中，Pr1為筒身受到第一層電纜的壓力，N/m2；T為電纜受到的拉力，電纜總長(zhǎng)度200 m，電纜質(zhì)量12·37 kg，電纜盤(pán)每邊每盤(pán)100 m電纜，T＝200/2·12·37·10＝12 370 N；b為筒身的外半徑，b＝0·95 m；a為筒身的內(nèi)半徑，a＝0·91 m；E1為筒身材料的彈性模量，E1＝70 GPa；d為電纜的直徑，d＝0·1 m；μ1為筒身半徑變小量，m；μ為非金屬材料的泊松比，μ＝0·25；L1為電纜圓環(huán)周長(zhǎng)，L1＝5·97 m；ΔL1為電纜圓環(huán)周長(zhǎng)增加量；A為電纜的截面積，電纜的彈性模量，E2≈200 GPa。

通過(guò)上述計(jì)算可得:

電纜盤(pán)卷盤(pán)由6塊相同的弧形板組成，電纜拉力對(duì)弧形板的力為徑向朝內(nèi)，電纜拉力對(duì)弧形板的力以均布載荷的型式沿著卷筒外表面分布。根據(jù)P＝0·13 MPa，弧形板寬度1 600 mm，得弧形板在寬度方向的載荷強(qiáng)度q＝2·1×104N/m。因?yàn)榛⌒伟遄笥覍?duì)稱(chēng)，所以弧形板中心面受到的應(yīng)力最大。通過(guò)積分運(yùn)算，將電纜拉力對(duì)弧形板的力等效至弧形板的中心面的力矩M，校核弧形板的彎曲強(qiáng)度。

式中，M為弧形板中心面受到的等效力，N；ρ為弧形板外徑，m；q為電纜拉力對(duì)非金屬弧形板產(chǎn)生的均布載荷，N/m。σ為電纜對(duì)弧形板的最大彎曲強(qiáng)度；弧形板中心截面為1 600 mm×40 mm的長(zhǎng)方形，由上述計(jì)算得:

式中，W為抗彎截面系數(shù)，m3；b為弧形板中心面矩形截面寬度，m；h為弧形板中心面矩形截面高度，m。查 得 其 復(fù) 合 材 料 彎 曲 強(qiáng) 度[σ]＝124 MPa[18]，通過(guò)計(jì)算可得:

計(jì)算結(jié)果表明，電纜對(duì)電纜盤(pán)筒體的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于電纜盤(pán)的許用彎曲強(qiáng)度，因此電纜盤(pán)在使用過(guò)程中不會(huì)造成破壞[19]。其電纜盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖12所示，可帶電運(yùn)行用電纜盤(pán)電纜成盤(pán)圖如圖13所示，其電纜盤(pán)筒體單元受力分平衡如圖14所示，電纜盤(pán)非金屬弧形板受力如圖15所示。

圖12 可帶電運(yùn)行用電纜盤(pán)圖

圖13 可帶電運(yùn)行用電纜盤(pán)電纜成盤(pán)圖

圖14 可帶電運(yùn)行用電纜盤(pán)筒體單元受力分平衡圖

圖15 非金屬弧形板受力示意圖

3.4 改進(jìn)后電纜盤(pán)的測(cè)試驗(yàn)證

采用的電纜長(zhǎng)度為150 m，電盤(pán)上剩余電纜90 m，兩端分別放出30 m進(jìn)行通流試驗(yàn)測(cè)試。電纜為110 kV－1×630 mm2銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護(hù)套電力電纜，額定載流量在1 300 A左右，通流500 A進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。08:10開(kāi)始試驗(yàn)，各點(diǎn)初始溫度均為6～8℃，試驗(yàn)13:10結(jié)束，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)5 h。圖16中1為左支架位置，2為右支架位置，3為橫梁位置，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖16 新型專(zhuān)用線盤(pán)布點(diǎn)圖

表4 電纜盤(pán)金屬部位試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該設(shè)計(jì)更好地解決了電纜盤(pán)上電纜通電運(yùn)行引起的渦流發(fā)熱情況，試驗(yàn)證明此結(jié)構(gòu)和形式下各部位溫升并不明顯，因此本形式電纜盤(pán)可滿(mǎn)足應(yīng)急搶修用可帶電運(yùn)行要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用全不銹鋼材質(zhì)筒體和內(nèi)外圓盤(pán)形式的電纜盤(pán)，在筒體和外圓盤(pán)處均存在發(fā)熱現(xiàn)象，尤其在被電纜盤(pán)繞處發(fā)熱最明顯。

2)采用非金屬材質(zhì)筒體和不銹鋼材質(zhì)內(nèi)外圓盤(pán)形式的電纜盤(pán)，被電纜盤(pán)繞的筒體不發(fā)熱，其內(nèi)外圓盤(pán)存在發(fā)熱，且發(fā)熱很明顯。

3)采用非金屬材質(zhì)筒體和非金屬材質(zhì)內(nèi)外圓盤(pán)形式的電纜盤(pán)，在各部位監(jiān)測(cè)其溫度均無(wú)明顯變化。

針對(duì)電纜盤(pán)上剩余電纜通電運(yùn)行的情況，從多個(gè)角度介紹了一種可帶電運(yùn)行用電纜盤(pán)的技術(shù)，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證徹底分析了電纜盤(pán)結(jié)構(gòu)以及電纜盤(pán)上電纜通電運(yùn)行的情況，解決了剩余電纜在電纜盤(pán)上運(yùn)行引起的發(fā)熱問(wèn)題，為電纜線路的應(yīng)急搶修創(chuàng)造了良好的條件，更好地匹配現(xiàn)場(chǎng)需要的電纜長(zhǎng)度和環(huán)境條件，無(wú)需將電纜盤(pán)上剩余電纜全部展放下來(lái)，大大提高了施工效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于降低產(chǎn)品的運(yùn)行成本。