一種防水防盜型電纜工井系統的研制

嘉興市恒光電力建設有限責任公司 盧天白 張乾龍 于鵬浩 王德法 周詠檳 曹晨宇 國網嘉興供電公司 丁一岷 江 洪

1 引言

高壓電力電纜因其具有運行可靠、維護工作量小、受外界環境影響小且有助于提高功率因數等優點，越來越多應用于城市擴張和發展所需求的能源傳輸電力網架系統及用戶用電系統，成為了城市輸電的“大動脈”[1-2]。若電纜長期運行在水環境中，潮氣和水分侵入電纜內部后會對電纜的絕緣性能產生嚴重影響。由于交聯聚乙烯絕緣電纜正常運行時，導體溫度可以達到90℃，因此當潮氣或水分浸入電纜就會導致導體氧化，使導體電阻增加、純度不夠、含有雜質，而導體電阻的增加讓電纜線損增加，并且導體在含有雜質的地方容易發熱，發熱部分的絕緣會發生老化現象，形成“水樹”，當老化程度到一定程度時，進而演變成“電樹”，絕緣就會被擊穿，發生短路。

因此，電纜長期運行在水環境中，不僅存在重大安全隱患，也將大大縮短電纜壽命。由于目前電纜工井無法有效防水，致使電纜工井內積水嚴重，使電纜處于潮濕甚至水浸泡的運行環境中。此外，當需要進行電纜檢修或者帶電檢測工作時，電纜工井需要人工排水不僅費時費力，還會影響工作進度，增加停電時間，有可能進一步擴大故障范圍，這不利于電力系統供電的可靠性。同時，由于電力電纜價值較高，故經常發生電力電纜盜竊事件，給相關企業造成重大經濟損失的同時，嚴重破壞了電網安全穩定運行。當前，電纜工井的應用研究主要包括工井的結構強度、施工混凝土成分比例、工井除濕等方面，對于工井的防水、防盜應用研究還比較少[3-5]。

本文圍繞電纜工井的防水、防盜問題展開深入研究，設計一種防水防盜型電纜工井系統。從電纜工井蓋板和電纜井壁邊緣的結構優化方面減少地表水流入電纜工井。為防止不可抗因素導致電纜工井積水嚴重，設置抽水通風系統作為電纜工井防水的后備保護，旨在解決現存電纜工井積水問題，提高作業效率，改善高壓電纜運行環境，保障電纜安全穩定運行。該系統將以防水為主，排水為輔，兩方面共同作用，達到預期效果。在實現防水與排水的同時，在工井蓋板與工井本體之間裝設防盜電子鎖，實現防盜功能。

2 電纜工井積水來源

2.1 電纜工井表面水滲透

電纜工井表面滲水主要來自地表降雨及地表水流。浙江嘉興地處東亞季風區，雨水充沛。由于地處中緯度，夏季濕熱多雨的天氣較多，據統計近10年來，嘉興地區出現1269天雨天天氣，平均年降水量1168.6mm。傳統電纜工井的蓋板相鄰并排敷設蓋在電纜工井口，其相鄰兩塊蓋板之間的縫隙較大，密封效果一般，而嘉興常年雨天天氣較多，部分地區排水能力不夠，致使不僅直接落在井蓋上的雨水會沿著井蓋縫隙滲透進入電纜工井，其他地方的雨水也會沿著電纜工井表面滲透流進電纜工井。

2.2 電纜工井地下水蔓延

2.2.1 管道水滲透

高壓電力電纜在敷設過程中，通常采用排管和頂管兩種模式。排管即為在敷設過程中開挖基坑溝槽，敷設管道后在用水泥覆蓋回填，而頂管為直接地下用頂管機械進行開挖鉆孔，然后在進行管道敷設。頂管和排管的作用都是為了保護電纜不受損壞和為電纜敷設提供通道，減少電纜受應力過大。排管材質較頂管強度較弱，接頭處可能存在縫隙；頂管強度較強但施工過程損害管材概率較大，且焊接處容易留存縫隙。因此，兩種管道在制作過程中由于接口焊接工藝和敷設過程中導致管道產生細微裂紋，致使管道內會滲入水。電纜穿管敷設時，普通水泥封堵效果不好時，水流沿著管道流進電纜工井。

2.2.2 電纜工井壁滲入

當電纜工井壁結構墻體由于重型車輛重壓或者其他原因致使地基下沉，周圍土基會對工井壁產生應力。當工井壁因強度設計裕度、土建施工工藝甚至土建材料質量等原因不能承受工井壁受到的應力要求時，工井壁就會開裂出現裂紋，周圍土壤中的水會沿著裂紋進入電纜工井。

2.2.3 集水井涌入

現常用的集水井通常與地下排水管道或者水源連通，當電纜井中積水較少時，積水會匯集到集水井并流出。若電纜工井處于低水位，常常會出現周圍地下水從集水井中倒灌涌入電纜工井，致使電纜工井積水嚴重。

2.3 電纜工井的積水統計

對嘉興市區多條高壓電纜中間接頭井打開井蓋進行檢查，其積水量統計見表1。從表1可以看出，工井內積水現象較為普遍，且積水量占電纜工井總體積44.0%，不利于高壓電纜正常穩定運行。此外，若需進行井內電纜檢修及帶電檢測工作，需進行抽水工作，所增加作業時間平均為40min，增加了作業成本。

表1 電纜工井積水量統計表

3 電纜工井的設計

3.1 工井蓋板的設計

針對電纜工井蓋板拼接處縫隙較大，密封性不好，對電纜工井蓋板進行優化改進。新型工井蓋板的截面圖如圖1所示。新型工井蓋板借鑒船舶上甲板拼接防水功能。將原有電纜工井蓋的兩側進行改進，一側加裝由防滑角鐵制作的溝槽，以供地表水疏通，流向預制的疏水溝槽。另一側加設蓋沿并設計倒角，防止地表水沿井蓋下壁流入電纜工井。井蓋包含若干個拼接配合的蓋板，相鄰兩個蓋板上兩個卡扣上下錯位搭接，即將原有電纜工井平面拼合蓋板設計成字母搭扣拼接型式，減少蓋板間隙。新型電纜工井蓋板敷設圖如圖2所示。

圖1 單塊蓋板的截面圖

圖2 電纜井蓋敷設

3.2 電纜工井壁及其周圍環境的設計

由于新型電纜工井蓋板的密封性，電纜蓋板上的地表流水會沿著蓋板上的疏水凹槽流向工井邊緣，為防止地表水滲透進電纜工井，對電纜工井壁進行結構優化，即在電纜工井的邊緣設計積水凹槽，同時在積水凹槽的底部增加疏水孔，如圖3所示。為疏導儲存流經井蓋的地表水，對工井壁周圍的土建環境進行優化，即設計碎石儲水層。碎石儲水層與積水凹槽通過疏水孔洞連通，碎石儲水層底部與雨水井相連。

圖3 電纜井壁邊緣結構圖

在工井土建施工時，加強過程管控，用合適的混凝土配比，增加混凝土振搗時間，杜絕井壁出現滲水裂紋，必要時在井壁墻面加裝止水螺栓。當流經電纜井蓋上的地表水量較小時，水會沿著新型井蓋的疏水溝槽流進井壁邊緣的積水凹槽。地表水流會短暫滯留在積水凹槽中，由于積水凹槽底部的疏水孔與周圍的碎石儲水層連通，因此積水會緩慢流進碎石儲水層，此時碎石儲水層起到海綿吸水的作用，防止地表水流進電纜工井。結合高壓電力電纜的日常維護和檢修，開井對積水凹槽及其周圍進行清理，防止異物積累，降低使用效果。

3.3 集水井的優化及抽水通風系統的設計

3.3.1 集水井的優化

由于集水井與周圍地下水源連通，若工井處于低水位，常常會出現地下水從集水井中涌入，將集水井設計為可密封集水井，在集水井底部預埋不銹鋼箱體，并在集水井口設置蓋板，防止地下水從集水井中涌入倒灌。

3.3.2 抽水通風系統的設計

考慮到暴雨、連續降雨等天氣影響，增設智能排水系統，作為防水功能后備措施。此外，井內工作屬于有限空間作業，作業前需保證井內通風至少15min，為在保證安全前提下提高作業效率，在電纜接地箱內設置風扇，確保自動通風。將抽水通風系統集成于現有智能接地箱模塊內，智能接地箱是現有高壓電纜接頭處實現遠程測量、監視電纜環流的裝置。目前，電網中的輸變電設備在線監測裝置，其常用的取電方式有沿線路敷設低壓配纜取電、太陽能、風能、電流互感器感應取電等，各有其優缺點。該系統采用太陽能取電及CT 電纜本體取電混合供電方式，避免因天氣原因造成供電不足的情況，提高水泵的供電可靠性以及智能排水系統的可持續性，抽水通風系統如圖4所示。

圖4 抽水通風系統

在可密封集水井內放置抽水泵及水位控制系統，選擇恒浮力式液位傳感器放置于集水井中，當集水井內水位高于設定閾值時，將信號通過智能接地箱傳輸系統傳至遠端。并觸發控制回路，啟動抽水泵將水排至雨水井或周圍土壤中。

3.4 防盜系統的設計

電力電纜的基本結構由線芯、絕緣層、屏蔽層和保護層四部分組成，其中絕大部分電纜的線芯材料是銅，由于銅的回收價值高，所以一些不法分子打起了電力電纜的主意，電力電纜盜竊事件也時有發生。由于電力電纜在運行時其中流過的電流大，故盜竊電力電纜的危險性高，但在電纜線路中，往往在高壓電纜旁會平行敷設一根阻抗較低的回流纜，并兩端接地，其作用是當電纜線路發生接地故障時，短路接地電流可以通過回流纜流回系統的中性點，進行故障電流的分流，同時抵消大部分故障電流所形成的磁場對鄰近通信和信號電纜產生的影響。

在電纜線路正常運行的情況下，回流纜上流經的零序電流較小，對人體不至于構成生命威脅，給不法分子帶來了可乘之機，現實中被盜的也大多是回流纜。傳統工井蓋板結構簡單，沒有防盜設計，打開時只需用工具將其撬起即可打開。針對傳統蓋板的不足，本文中的新型工井蓋板在結構上進行改進，相鄰兩個蓋板上兩個卡扣上下錯位搭接，前后存在限位關系，只能按順序開啟，故只需將第一塊蓋板與工井本體鎖住，即可實現工井整體防盜功能。

鑒于明鎖結構會造成工井蓋板面上有凸起，且防盜效果不佳，故采用暗鎖結構。將一遙控式電子鎖固定于第一塊蓋板下方，同時在工井本體對應位置開孔作為鎖槽。用遙控器控制電子鎖向前移動插入鎖槽時，即為關閉狀態，向后縮回時即為開啟狀態。此外，采用柱塞式行程限位開關監測蓋板狀態。將行程開關固定于工井邊沿，當蓋板蓋上之后行程開關觸頭被壓縮，蓋板打開后行程開關自動復位。將行程開關的常閉觸點串入蓋板狀態監測回路，當蓋板蓋上后，常閉觸點斷開，當蓋板打開時，行程開關復位，常閉觸點閉合。防盜系統示意圖如圖5所示。

圖5 防盜系統示意圖

該狀態監測電路集成于現有電纜智能接地箱功能模塊。通過智能接地箱傳輸系統將信號傳輸至遠端，當行程開關常閉觸點閉合時，遠方監測終端發出“蓋板打開”報警信號，實現防盜性能的遠程監控。大大提高了電纜工井防盜性能，保障電纜設備及其附屬設施安全穩定運行。

3.5 實際應用

該防水防盜型電纜工井系統于2020年10月施工完成投入使用至今，在實際電纜工井應用后抽檢發現，可以將電纜工井內的積水由原來的25m3降低至2m3，占工井總體積從44.0%下降至3.5%，因此該防水電纜工井具有有效的防水效果。

4 結論

通過對電纜工井積水來源的研究，獲得電纜工井防水設計的思路，設計了一種防水型電纜工井系統，具體如下：

一是設計新型電纜工井蓋板，蓋板一側蓋沿和一次疏水凹槽的設計有效防止了地表水從井蓋縫隙流入電纜工井。

二是電纜工井壁周圍環境碎石儲水層和井壁邊緣的積水凹槽和疏水孔的設計可以疏導地表水排向雨水井，且可以有效滯留少量地表水。集水井蓋的增設防止了地下水倒灌。

三是設計抽水通風系統對電纜工井進行排水和通風，作為防水功能后備措施。

四是設計防盜電子鎖，并將監測回路接入智能接地箱，通過智能接地箱將信號傳至遠端監測終端，實現電纜工井防盜功能。

五是該防水防盜型電纜工井系統使電纜工井的平均積水量從25.0m3下降至2.0m3，占電纜工井總體積從44.0%下降至3.5%，該電纜工井系統起到了防水作用。