高壓電纜蛇形布置的選擇_孟毓

1、高壓電纜蛇形布置的選擇孟毓(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司,上海200025摘要:在隧道或橋梁內(nèi)敷設(shè)高壓電纜時(shí),須考慮電纜受熱膨脹后產(chǎn)生的熱機(jī)械力。電纜蛇形布置是釋放電纜熱機(jī)械力的有效方法。文章介紹了國(guó)內(nèi)外采用電纜蛇形布置的實(shí)例,對(duì)水平和垂直這2種蛇形布置方案進(jìn)行了比較,分析了小洋山工程中電纜蛇形布置的試驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)電纜豎井內(nèi)的電纜敷設(shè)方案作了介紹。關(guān)鍵詞:電纜;蛇形布置;軸向力;豎井中圖分類號(hào):T M247文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B目前上海地區(qū)越來(lái)越多地考慮采用隧道(橋梁敷設(shè)高壓電纜,在這種條件下必須考慮電纜在受熱膨脹后產(chǎn)生的熱機(jī)械力。電纜蛇形布置是解決電纜熱機(jī)械力的一個(gè)很好的對(duì)策。本文根據(jù)筆者在小洋山工程電纜

2、過(guò)橋項(xiàng)目中積累的有關(guān)電纜蛇形布置的資料,對(duì)電纜蛇形布置的種類選擇、形狀的確定等做了分析,希望能對(duì)以后的工程起到借鑒作用。1電纜蛇形布置的實(shí)例和架空線類似,電纜在環(huán)境溫度改變時(shí)(或由于電纜負(fù)荷的變化引起的溫度變化,電纜本身的長(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。由于電纜本身具有一定的剛性,在受熱(冷時(shí),在電纜末端會(huì)累計(jì)產(chǎn)生一定的熱機(jī)械力,如果這種熱機(jī)械力得不到釋放,電纜會(huì)發(fā)生起拱、移位等現(xiàn)象,情況嚴(yán)重時(shí),電纜局部部位的彎曲會(huì)超過(guò)允許的最大彎曲半徑,長(zhǎng)期運(yùn)行,電纜金屬護(hù)套會(huì)被損壞,起不到阻水效果,威脅電纜壽命。釋放電纜熱機(jī)械力的比較成熟的方法就是電纜蛇形布置。電纜蛇形布置的概念雖然早已提出,但是在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的實(shí)

3、例并不多見(jiàn),一般直埋、排管敷設(shè)電纜時(shí),至多在電纜接頭處采用部分波浪形布置以吸收電纜熱機(jī)械力,在電纜長(zhǎng)路段,即使在電纜隧道內(nèi)一般也并不設(shè)電纜蛇形布置。但是在國(guó)外,特別是在日本,電纜蛇形布置卻應(yīng)用得較為普遍,表1是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用電纜蛇形布置的一些實(shí)例。2電纜蛇形布置方式的選擇電纜蛇形布置一般有兩種方式:水平蛇行布置和垂直蛇形布置。對(duì)于這兩種蛇形布置,蛇形形狀選擇的計(jì)算公式有一定的差別。表1電纜蛇形布置應(yīng)用實(shí)例國(guó)家應(yīng)用工程布置地點(diǎn)電纜特性中國(guó)天荒坪電廠豎井內(nèi)500kV 交聯(lián)電纜中國(guó)湘江大橋混凝土箱梁內(nèi)110kV400m m2交聯(lián)電纜日本大鳴門吊橋公路橋下方橋梁桁架結(jié)構(gòu)電纜槽盒內(nèi)187kV2000mm2交

4、聯(lián)電纜日本瀨戶大橋公路橋下方橋梁桁架結(jié)構(gòu)電纜槽盒內(nèi)500kV2500mm2充油電纜2.1電纜水平、垂直蛇形布置計(jì)算公式電纜蛇形布置的示意圖如圖1所示。水平、垂直蛇形布置的蛇行弧軸向力計(jì)算公式如表21所示。圖1電纜蛇形布置示意圖表2電纜水平、垂直蛇形布置的蛇行弧軸向力F a計(jì)算公式金屬護(hù)套原點(diǎn)修正敷設(shè)方式電纜溫度下降時(shí)電纜溫度上升時(shí)有水平蛇行+wL22B0.8-8EIB2t2-8EI(B+n2t2-wL22(B+n0.8垂直蛇行wL22B0.8-8EIB2t2-8EI(B+n2t2+wL22(B+n0.8無(wú)-8EIB2水平蛇行-8EIB2t2+wL22B0.8-8EI(B+n2t2+wL22(B

5、+n0.8垂直蛇行-8EIB2t2+wL22B0.8-8EI(B+n2t2+wL22(B+n0.8176專題研討上海電力2005年第2期式中符號(hào)“+”拉張力,符號(hào)“-”壓縮力w 電纜單位重量,kg /mm;EI 電纜彎曲剛性,kg/mm 2;n 電纜橫向滑移量,mm ;電纜線膨脹系數(shù),1/C;B 蛇行弧幅,mm;L 蛇行弧節(jié)距半長(zhǎng)度(半節(jié)距,mm;t 溫升,C ;摩擦系數(shù)。2.2電纜水平蛇形布置水平蛇行布置的弧形設(shè)計(jì)需根據(jù)電纜占用空間、施工方便程度和軸向力等條件選擇,蛇行節(jié)距一般取69m 、弧幅取1個(gè)電纜直徑(1D以上,對(duì)于特殊敷設(shè)條件(如大橋,往往需要根據(jù)實(shí)際條件來(lái)選擇。蛇行弧的選擇與電纜截

6、面無(wú)關(guān)。電纜水平蛇形布置形式如圖2 所示。圖2電纜水平蛇形布置2.3電纜垂直蛇行布置垂直蛇行敷設(shè)的軸向力受兩個(gè)支持點(diǎn)之間電纜自重影響,如圖3 所示。圖3垂直蛇行敷設(shè)側(cè)視圖垂直蛇行弧形設(shè)計(jì)與水平蛇行弧設(shè)計(jì)相似,需根據(jù)電纜占用空間、施工方便程度和軸向力等條件選擇,但要在蛇行弧頂部設(shè)電纜支持金具。蛇行節(jié)距一般取35m 、弧幅取1.5D 以上。蛇行弧的選擇與電纜截面無(wú)關(guān)。銅線屏蔽電纜在溫度上升時(shí),由于螺旋變形會(huì)使電纜向水平方向滑移,這現(xiàn)象已得到證實(shí),因此在考慮電纜占用空間時(shí)要注意。日本新豐洲變電站電纜隧道內(nèi)電纜垂直蛇形布置形式如圖4所示。2.4兩種電纜蛇形布置的比較在合理選擇蛇形形狀及夾具布置方式的條

7、件下,兩種蛇形布置方式均能滿足電纜熱伸縮的要求,但是相對(duì)水平蛇形來(lái)說(shuō),垂直蛇形布置的優(yōu)點(diǎn)是:能夠合理利用空間,在空間較有限區(qū)域,結(jié)合電纜三角布置,能夠最大限度地節(jié)省敷設(shè)空間。但是,垂直蛇形布置的施工難度較水平蛇形大,施工時(shí)較難準(zhǔn)確地控制波幅。相反,水平蛇形布置占空間較多, 但施工相對(duì)容易。圖4日本新豐洲變電站電纜隧道垂直電纜蛇形另外,從蛇形的形狀來(lái)看,垂直蛇形的2個(gè)支持點(diǎn)(波峰間無(wú)法取第3個(gè)支持點(diǎn),因此電纜支架的間距與蛇形形狀是相等的,支架間距一般較大(大于3m。為滿足電纜自重及短路動(dòng)穩(wěn)定要求,必須加大支架本身的強(qiáng)度要求2;另外,在存在振動(dòng)的場(chǎng)合,支架間距大可能會(huì)造成電纜與振動(dòng)源諧振,加大了電

8、纜金屬護(hù)套破壞的可能性。在這樣的條件下,應(yīng)盡量避免采用垂直蛇形布置。而水平蛇形布置則可將支架的間距控制在需要的范圍內(nèi)。3小洋山工程中電纜蛇形布置方案的選擇及試驗(yàn)結(jié)果在110kV 小洋山電纜過(guò)橋工程中,電纜需穿過(guò)長(zhǎng)為25km 的東海大橋箱梁。在大橋箱梁內(nèi),空間較大,為避免大橋振動(dòng)對(duì)電纜造成不利影響,我們考慮在大橋箱梁內(nèi)對(duì)電纜采用水平蛇形布置。由于電纜敷設(shè)在大橋箱梁內(nèi)及管線橋上,電纜敷設(shè)受大橋結(jié)構(gòu)影響較大,因此,電纜蛇形形狀種類較多,蛇形波長(zhǎng)從59m 均有應(yīng)用。因此,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,我們?cè)O(shè)計(jì)了不同的蛇形以滿足不同條件的需要(蛇形波長(zhǎng)59m,并與電纜廠合作對(duì)電纜蛇形做了試驗(yàn),小洋山工程中蛇形177

9、2005年第2期上海電力專題研討波長(zhǎng)為5m 和9m 的電纜蛇形試驗(yàn)的結(jié)果如圖5、圖6 所示。圖5 電纜蛇形軸向力試驗(yàn)結(jié)果圖6電纜蛇形移動(dòng)量試驗(yàn)結(jié)果我們將試驗(yàn)結(jié)果與蛇形理論計(jì)算值做了比較(110kV 630mm 2鋁護(hù)套交聯(lián)電纜,電纜溫升t =65C,線膨脹系數(shù) =2010-61/C,摩擦系數(shù) =0.4,詳見(jiàn)表3。表3電纜蛇形試驗(yàn)值與計(jì)算值比較參數(shù)波長(zhǎng)5m 波長(zhǎng)9m 理論值實(shí)際測(cè)量值理論值實(shí)際測(cè)量值半節(jié)距L /m2.5 2.5 4.5 4.5初始波幅B /mm122122170170移動(dòng)量n /mm 44.935.596.4102.9高溫時(shí)軸力F a /N -329.11290.15-295.2

10、3-164. 64試驗(yàn)結(jié)果顯示 :( 1試驗(yàn)共經(jīng)歷溫度上升、下降11個(gè)循環(huán),從圖5、圖6中可以看到,電纜蛇形移動(dòng)量及軸向力呈現(xiàn)一逐漸穩(wěn)定的過(guò)程。(2蛇形移動(dòng)量試驗(yàn)值與計(jì)算值基本一致,軸向力實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值存在一定誤差(計(jì)算值偏大,由于影響軸向力計(jì)算的因素較多,估計(jì)產(chǎn)生誤差的原因主要是支架的摩擦系數(shù)測(cè)量不夠精確造成的,但從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,公式計(jì)算值對(duì)工程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是偏安全的。另外,采用蛇行敷設(shè)后,能把電纜金屬護(hù)套的畸變量分散到各個(gè)蛇行弧上,通過(guò)理論分析和試驗(yàn)證實(shí)金屬護(hù)套的畸變量沒(méi)有超過(guò)允許值,且裕度很大,因此一般都不需驗(yàn)算。4豎井內(nèi)電纜蛇形布置的種類對(duì)于電纜豎井來(lái)說(shuō),電纜的主要固定方式有3種,如表4所

11、示。表4電纜豎井內(nèi)電纜的主要敷設(shè)方式方式頂部一點(diǎn)夾具支持直線敷設(shè)夾具支持蛇行敷設(shè)夾具支持敷設(shè)示意圖適用場(chǎng)所適合豎井高差不大,電纜重量較輕的場(chǎng)合。電纜熱伸縮由底部彎曲處吸收。適用于電纜重量較重,但熱伸縮軸向力不大的情況,每隔數(shù)米設(shè)一夾具,能緊握電纜重量和熱伸縮軸向力。適合熱伸縮軸向力很大的場(chǎng)合,用蛇行敷設(shè)來(lái)降低熱伸縮軸向力。上海地區(qū)的電纜豎井大部分采用的是第2種固定方式,即在一定間隔內(nèi)(小于等于1000mm 布置一處電纜夾具,以固定電纜,防止電纜熱伸縮而產(chǎn)生的形變(如楊樹(shù)浦電廠隧道豎井,而采用第1和第3種豎井內(nèi)電纜蛇形布置的場(chǎng)合并不多見(jiàn)。根據(jù)了解,國(guó)內(nèi)天荒坪電廠豎井內(nèi)采用了電纜蛇形布置,但并沒(méi)有采用夾具角度固定,而是采用了可動(dòng)夾具的形式(關(guān)于蛇形電纜夾具固定方式將另行討論。在小洋山工程中共有2座電纜豎井,根據(jù)所采用的電纜參數(shù)及電纜豎井不是太高的特點(diǎn),我們采用的是第2種固定方式,每隔1m 即設(shè)置一處電纜夾具予以固定。5結(jié)語(yǔ)為了保證電纜在隧道、大橋上的安全運(yùn)行,采用電纜蛇形布置來(lái)消除電纜內(nèi)部的熱機(jī)械力是非常重要的。根據(jù)工程的不