大段長(zhǎng)高壓電纜敷設(shè)固定方法研究

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司無(wú)錫供電公司 浦仕亮 卞 棟 齊金龍

高壓電纜接頭是電纜線路最薄弱的環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)電纜單段長(zhǎng)度有限，長(zhǎng)距離敷設(shè)中間接頭過(guò)多，導(dǎo)致電纜故障率很高。為減少電纜接頭數(shù)量過(guò)多帶來(lái)的安全隱患，近些年來(lái)大段長(zhǎng)電纜得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)電纜在敷設(shè)固定時(shí)主要依據(jù)電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的敷設(shè)跨距及固定部位來(lái)進(jìn)行，然而大段長(zhǎng)電纜敷設(shè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱膨脹力與短路電動(dòng)力。導(dǎo)體溫升會(huì)導(dǎo)致電纜線路熱膨脹，當(dāng)熱膨脹力足夠大時(shí)，電纜線路接頭、終端、金屬護(hù)層及電纜附屬設(shè)施可能被損壞，引發(fā)電纜線路運(yùn)行故障。大段長(zhǎng)高壓電纜線路熱膨脹現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。短路電動(dòng)力是指在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于短路電流的作用在電纜相間產(chǎn)生的電磁感應(yīng)力。當(dāng)短路電流過(guò)大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)力會(huì)對(duì)電路造成巨大沖擊。由于短路電動(dòng)力大小與電纜長(zhǎng)度呈正相關(guān)，電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)短路電動(dòng)力越大，大段長(zhǎng)電纜在短路情況下會(huì)產(chǎn)生較大的短路電動(dòng)力。因此針對(duì)大段長(zhǎng)電纜線路敷設(shè)固定，應(yīng)當(dāng)充分考慮熱膨脹力與短路電動(dòng)力的影響。

查傳忠等人提出了高壓電纜剛性固定和撓性固定的要求和方法，解析了高壓電纜固定敷設(shè)最小彎曲半徑、剛性固定距離、蛇形敷設(shè)間距及初始偏距的合理選取[1]；趙志棟等人提出了電力電纜在電力隧道內(nèi)采取蛇形敷設(shè)方式是解決其因負(fù)荷、隧道環(huán)境等因素引起溫度變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力的有效方式，而專用蛇形彎曲工具的研制使得電纜在進(jìn)行蛇形敷設(shè)施工過(guò)程中有單位面積受力小、受力情況實(shí)時(shí)可控[2]。目前國(guó)內(nèi)外尚缺乏針對(duì)大段長(zhǎng)高壓電纜因短路電動(dòng)力與熱膨脹力導(dǎo)致的電纜敷設(shè)與固定方法研究，有待進(jìn)一步深入探究。

1 大段長(zhǎng)高壓電纜熱膨脹力與短路電動(dòng)力研究

1.1 電纜敷設(shè)模型建立

仿真模型的建立。電纜采用蛇形敷設(shè)可顯著減小運(yùn)行過(guò)程中的熱膨脹力，有利于電纜線路安全運(yùn)行。本文電纜蛇形敷設(shè)模型如圖1示。其中L為半蛇形長(zhǎng)度，B為蛇形弧幅，n為受熱膨脹側(cè)向滑移量。本文220kV交聯(lián)聚乙烯電纜模型的仿真參數(shù)設(shè)置及外徑為：銅導(dǎo)體電阻率2.8×10-8Ω·m、60.4mm；XLPE絕緣相對(duì)介電常數(shù)2.3、128mm；金屬鋁護(hù)層電阻率2.1×10-8Ω·m、149mm；外護(hù)套相對(duì)介電常數(shù)3、159mm。

圖1 電纜蛇形敷設(shè)模型圖

1.2 電纜線路熱膨脹力

熱伸縮量的計(jì)算：電纜線路軸向熱膨脹量的工程計(jì)算為m=αtL，式中，m為電纜線路熱膨脹量，mm；t為電纜線路導(dǎo)體溫升，℃；L為蛇形長(zhǎng)度的1/2，mm；α為電纜線路熱膨脹系數(shù)，1/℃。熱伸縮量的詳細(xì)計(jì)算如下：當(dāng)時(shí)，熱伸縮量m的計(jì)算公式為時(shí)，m的計(jì)算公式為式中：t為導(dǎo)體的溫升，℃；α為電纜的熱膨脹系數(shù)，1/℃；L為電纜長(zhǎng)度，mm；μ為摩擦系數(shù)；W為電纜單位長(zhǎng)度的重量，N/mm；f為電纜的反作用力，N；A為導(dǎo)體截面，mm2；E為電纜的楊氏模量，N/mm2。

軸向伸縮推力的計(jì)算：針對(duì)水平敷設(shè)的電纜線路，當(dāng)導(dǎo)體溫度下降時(shí)其蛇形弧軸向力Fh1，按式理論計(jì)算；當(dāng)導(dǎo)體溫度上升時(shí)，其蛇形弧軸向力Fh2按式理論計(jì)算。針對(duì)垂直敷設(shè)的電纜線路，當(dāng)導(dǎo)體溫度下降時(shí)，其蛇形弧軸向力Fv1按式理論計(jì)算；當(dāng)導(dǎo)體溫度上升時(shí)，其蛇形弧軸向力Fv2按式理論計(jì)算。側(cè)向滑移量的計(jì)算：蛇形弧側(cè)向滑移量n按照式理論計(jì)算。

以上幾個(gè)公式中，θ為電纜導(dǎo)體溫升，℃；B為蛇形弧幅，mm；m為電纜熱伸縮量，mm；L為蛇形長(zhǎng)度的1/2，mm；α為電纜線路線性膨脹系數(shù)，1/℃；μ為電纜摩擦系數(shù)；W為電纜線路單位重量，N/mm；N為電纜幅向滑移量，mm；E1為電纜抗彎剛性，N/mm2。

1.3 電纜線路短路電動(dòng)力

電力系統(tǒng)最大短路電動(dòng)力應(yīng)采用短路電流最大瞬時(shí)值進(jìn)行計(jì)算，即短路沖擊電流。短路電流的最大瞬時(shí)值出現(xiàn)在短路發(fā)生后半個(gè)周期時(shí)，即t=0.01s時(shí)，最大短路沖擊電流ish為：

其中Ipm為短路電流周期分量幅值，Ksh為短路電流沖擊系數(shù)。此時(shí)相短路電動(dòng)力也達(dá)到最大值，短路電動(dòng)力為，式中，l為平行導(dǎo)線之間的距離，m；a為兩導(dǎo)體中心距，m；Kf為導(dǎo)體截面形狀系數(shù)[3]。

2 大段長(zhǎng)高壓電纜敷設(shè)影響因素與固定方法

大段長(zhǎng)電纜運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到更大的熱膨脹力與短路電動(dòng)力，這對(duì)電纜固定方式提出了更高要求，傳統(tǒng)固定方法難以滿足大段長(zhǎng)電纜安全固定需要。因此需結(jié)合短路電動(dòng)力與熱膨脹力提出適用于大段長(zhǎng)高壓電纜的敷設(shè)固定方法[4]。首先通過(guò)熱膨脹計(jì)算確定電纜熱膨脹量、軸向伸縮推力和橫向滑移量，然后通過(guò)計(jì)算確定最大短路電動(dòng)力，最后確定電纜敷設(shè)固定方法。

2.1 電纜熱膨脹因素對(duì)電纜敷設(shè)的影響

研究電纜熱膨脹因素對(duì)電纜敷設(shè)的影響，對(duì)合理進(jìn)行電纜線路敷設(shè)固定有著重要的意義。下面以截面為2500mm2的220kV的電纜蛇形敷設(shè)為例，分別計(jì)算分析各個(gè)因素的影響。

蛇形弧幅與軸向力和橫向滑移量的關(guān)系分別如圖2、圖3。隨著蛇形弧幅B的增加，電纜橫向滑移量和蛇形軸向力越來(lái)越小。因此在蛇形敷設(shè)時(shí)，提高蛇形弧幅可有效降低電纜因熱膨脹引起的軸向力，保護(hù)電纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行；蛇形長(zhǎng)度與軸向力和橫向滑移量的關(guān)系分別如圖4、圖5，隨著蛇形長(zhǎng)度L的增加其橫向滑移量增大、蛇形軸向力變小。因此在設(shè)計(jì)隧道蛇形敷設(shè)時(shí)，應(yīng)綜合考慮橫向滑移量和蛇形軸向力，選擇合適的蛇形長(zhǎng)度。

圖2 不同L時(shí)蛇形弧幅B和軸向力F關(guān)系

圖3 蛇形弧幅與橫向滑移量的關(guān)系

圖4 蛇形長(zhǎng)度對(duì)電纜蛇形軸向力的影響

圖5 蛇形長(zhǎng)度與橫向滑移量的關(guān)系

2.2 電纜敷設(shè)裝置參數(shù)與固定方法

蛇形敷設(shè)電纜采用撓性固定，由以上分析得到電纜熱膨脹量m、軸向伸縮力F1～F4、橫向滑移量n、短路電動(dòng)力Fsh，設(shè)固定夾具強(qiáng)度為FN、半蛇形為L(zhǎng)，以下將由上述參數(shù)確定大段長(zhǎng)電纜固定方法：

（熱機(jī)械力釋放裝置參數(shù)設(shè)置（考慮10%安全裕度）：伸縮裝置。伸縮節(jié)伸縮量L1≥1.1m；橫向滑移裝置。橫向允許滑移范圍L2≥1.1n。

3 結(jié)語(yǔ)

大段長(zhǎng)電纜運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到更大的熱膨脹力與短路電動(dòng)力，這對(duì)電纜固定方式提出了更高要求，大段長(zhǎng)高壓電纜的敷設(shè)固定方法需同時(shí)結(jié)合短路電動(dòng)力與熱膨脹力進(jìn)行考慮；對(duì)于蛇形敷設(shè)時(shí)，增大蛇形弧幅其軸向力可大幅降低。蛇形長(zhǎng)度增加時(shí)電纜的軸向力減小，但橫向滑移量增大，因此蛇形長(zhǎng)度選取時(shí)應(yīng)綜合考慮這兩個(gè)因素；通過(guò)對(duì)短路電動(dòng)力及熱膨脹力的計(jì)算，得到了大段長(zhǎng)高壓電纜敷設(shè)固定方法，確定了熱機(jī)械力釋放裝置參數(shù)設(shè)置與夾具數(shù)量位置。對(duì)大段長(zhǎng)電纜敷設(shè)提供理論指導(dǎo)。