長(zhǎng)距離高壓電纜在排管內(nèi)敷設(shè)的可行性研究

0引言

目前,隨著國(guó)內(nèi)城市化的不斷推進(jìn),城市中高壓電力線路更多地采用了電纜方式進(jìn)行建設(shè),甚至為了城市建設(shè),將大量原有架空線路改造為電纜線路,例如武漢地區(qū)根據(jù)“一流電網(wǎng)導(dǎo)則”的要求,城市三環(huán)內(nèi)、個(gè)別行政區(qū)四環(huán)內(nèi)電力線路都要求采用電纜方式建設(shè)。電纜通道形式分為直埋、電纜溝、排管及隧道,根據(jù)武漢供電公司運(yùn)維要求,武漢地區(qū)基本不采用直埋方式,電纜溝受制于防火、載流量等因素,可敷設(shè)回路數(shù)較少且更受道路斷面約束,電力隧道及綜合管廊更為適合電纜敷設(shè),同時(shí)兼顧了施工、運(yùn)行等優(yōu)勢(shì),但由于投資過(guò)大及地下空間受限等因素的影響,電力排管在110~220 kv線路上使用得更為普遍。因排管通道對(duì)載流量影響較大,220 kv線路受制于輸送容量要求,宜采用隧道建設(shè),但220 kv用戶線路因負(fù)荷較小而更多考慮經(jīng)濟(jì)性因素,因此一般也采用排管通道進(jìn)行敷設(shè)。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)武漢供電公司電纜運(yùn)檢室反饋的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),高壓電纜的故障點(diǎn)更多出現(xiàn)在電纜附件上,電纜本體故障頻率較低,主要原因是電纜中間接頭為現(xiàn)場(chǎng)制作,現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)、人工誤差等因素較易造成隱患點(diǎn),更易發(fā)生故障。那么將設(shè)計(jì)的單段電纜長(zhǎng)度增加,減少中間接頭數(shù)量就成為控制電纜事故較為有效的手段。電纜在排管中敷設(shè)長(zhǎng)度主要受電纜盤運(yùn)輸及電纜通道內(nèi)敷設(shè)阻力因素影響,本文主要通過(guò)按規(guī)范值進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合不同情況的排管通道環(huán)境、實(shí)際電纜敷設(shè)方式等分析高壓電力電纜在排管中敷設(shè)受制因素及最大理論長(zhǎng)度,達(dá)到減少接頭數(shù)量的目的,以此提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性,降低電纜事故發(fā)生率。

1電纜容許拉力

110、220 kv高壓電纜多數(shù)為交聯(lián)電纜,大多采用電纜牽引機(jī)牽引電纜牽引頭進(jìn)行敷設(shè),電纜牽引頭是安裝于電纜端頭的一個(gè)密封連接件,用于牽引電纜時(shí)將牽引力傳遞到電纜本體上,牽引力作用于電纜銅芯^[1]。當(dāng)電纜線路轉(zhuǎn)彎時(shí),電纜牽引力將作用在電纜彎曲部分的內(nèi)側(cè)電纜護(hù)層,形成側(cè)壓力,側(cè)壓力為牽引力與電纜轉(zhuǎn)彎半徑的比值,交聯(lián)電纜護(hù)套一般為皺紋鋁護(hù)套,最大允許側(cè)壓力為3 kN/m。

根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中H.0.4可知,采用牽引頭方式的電纜允許拉力可按式(1)計(jì)算:

T_m=kσqS      (1)

式中:T_m為電纜允許拉力;k為校正系數(shù),電力電纜k=1,控制電纜k=0.6;σ為導(dǎo)體允許拉抗強(qiáng)度,銅芯取68.6×106N/m²,鋁芯取39.2×106N/m² ;q為電纜芯數(shù);S為電纜導(dǎo)體截面積。

根據(jù)以上計(jì)算方式可知,常用電纜截面的允許拉力如表1所示。

2電纜在排管中敷設(shè)

2.1 直線段管群敷設(shè)

假設(shè)排管為一段足夠長(zhǎng)且完全為直線的管材,根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中H.0.2可知,電纜在直線段管群中連續(xù)敷設(shè)時(shí)拉力為式(2):

T=μCWL    (2)

式中:T為直線段入口牽拉力,起始拉力可按20 m左右長(zhǎng)度電纜摩擦力計(jì);μ為電纜與管道間的動(dòng)摩擦系數(shù);C為電纜重量校正系數(shù),2根電纜時(shí),C2=1.1;W為電纜單位長(zhǎng)度的重量;L為直線段管長(zhǎng)。

根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中H.0.6,電纜與管道間動(dòng)摩擦系數(shù)如表2所示。

根據(jù)DL/T5221—2016《城市電力電纜線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中表A—7,不同管材的摩擦系數(shù)如表3所示。

武漢市高壓電纜排管工程中目前使用較多的管材為MPP管、MPP塑鋼復(fù)合管、BWFRP管,其中MPP 塑鋼復(fù)合管存在環(huán)保問(wèn)題,BWFRP管單價(jià)過(guò)高,MPP 管則因其兼具較多的性能優(yōu)勢(shì)及更合理的性價(jià)比,更多地在工程中使用。表2中并無(wú)MPP管(材質(zhì)為改性聚丙烯)的摩擦系數(shù),本文根據(jù)管材廠家提供資料,取MPP管內(nèi)壁摩擦系數(shù)為0.35。

因電纜質(zhì)量無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)對(duì)比各電纜廠家資料,選擇一家電纜重量較重(江蘇普睿司曼科技有限公司)的作為本文重量依據(jù),參數(shù)如表4所示。

經(jīng)計(jì)算,當(dāng)電纜按最大允許拉力展放時(shí),連續(xù)直線段管群的可敷設(shè)電纜最大長(zhǎng)度如表5所示。

根據(jù)武漢市一般設(shè)計(jì)習(xí)慣,110 kv電纜段長(zhǎng)一般在400~700 m,220 kv電纜段長(zhǎng)一般在300~600 m。根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果可知,直線段管群光滑的管材對(duì)電纜敷設(shè)長(zhǎng)度無(wú)較大影響。

2.2水平轉(zhuǎn)彎段管群敷設(shè)

根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中H.0.2可知,電纜在轉(zhuǎn)彎段牽引力為式(3):

T_j=T_ie^μθj     (3)

式中:Tj為第j段彎曲段拉出時(shí)電纜牽拉力;T_i為第i段彎曲段入口牽拉力;e為自然常數(shù);μ為電纜與管道間 的動(dòng)摩擦系數(shù);θj為第j段彎曲管的夾角角度。

假設(shè)排管為一段水平彎曲且足夠長(zhǎng)的管材,當(dāng)電纜按最大允許拉力展放時(shí),水平轉(zhuǎn)彎時(shí)的最大管群長(zhǎng)度如表6所示。

根據(jù)武漢地區(qū)管群使用情況,針對(duì)管群中存在1~3處90°轉(zhuǎn)彎井進(jìn)行牽引力分析及最大管長(zhǎng)計(jì)算。可按式(4)計(jì)算:

T_總=T₁十T₂=T₁十T_ie^μθj=T₁(1十e^μθj)=μCWL(1十e^μθj)      (4)

式中:T_總為電纜出口處總牽拉力;T₁為電纜直線段牽拉力;T₂為彎曲段拉出時(shí)電纜牽拉力;T_i為第i段彎曲段入口牽拉力;e為自然常數(shù);μ為電纜與管道間的動(dòng)摩擦系數(shù);θj為第j段彎曲管的夾角角度;C為電纜重量校正系數(shù),2根電纜時(shí),C₂=1.1;W為電纜單位長(zhǎng)度的重量;L為直線段管長(zhǎng)。

2.3.1管群中存在一處90°轉(zhuǎn)彎情況

依據(jù)式(4)可知,當(dāng)直線管群線路中存在一處90°轉(zhuǎn)彎且轉(zhuǎn)彎點(diǎn)位于通道終點(diǎn)時(shí)管長(zhǎng)最大,轉(zhuǎn)彎點(diǎn)位于起點(diǎn)時(shí)管長(zhǎng)最小,計(jì)算結(jié)果具體如表7所示。

當(dāng)工程中出現(xiàn)兩處90°轉(zhuǎn)彎時(shí),可能出現(xiàn)以下情況:1)兩處轉(zhuǎn)彎位于頭尾;2)兩處轉(zhuǎn)彎位于中間部分(本文考慮均勻分布)。計(jì)算結(jié)果具體如表8所示。

2.3.3管群中存在三處90°轉(zhuǎn)彎情況

當(dāng)工程中出現(xiàn)三處90°轉(zhuǎn)彎時(shí),可能出現(xiàn)以下情況:1)三處轉(zhuǎn)彎位于頭尾及中間;2)三處轉(zhuǎn)彎位于中間部分(本文考慮均勻分布)。計(jì)算結(jié)果具體如表9所示。

根據(jù)上述情況的分析可知,當(dāng)排管通道中轉(zhuǎn)彎井?dāng)?shù)量增加時(shí),電纜最大可敷設(shè)排管長(zhǎng)度減小。如一段電纜排管通道中僅有一個(gè)轉(zhuǎn)彎井,單段電纜可敷設(shè)長(zhǎng)度則可能不受敷設(shè)條件限制,而電纜盤大小及運(yùn)輸能力成為控制因素。當(dāng)排管通道中出現(xiàn)2~3個(gè)轉(zhuǎn)彎井后,電纜可敷設(shè)最大排管長(zhǎng)度出現(xiàn)明顯下降,這時(shí)則應(yīng)考慮采用輸送機(jī)及其他方式進(jìn)行補(bǔ)償。

以上分析中,電纜轉(zhuǎn)彎角度均按90°考慮,當(dāng)實(shí)際工程轉(zhuǎn)彎角度減小時(shí),最大可敷設(shè)排管長(zhǎng)度會(huì)增加,則需根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行具體計(jì)算。

3輸送機(jī)及其他補(bǔ)償

根據(jù)第2章節(jié)分析可知,當(dāng)排管通道中轉(zhuǎn)彎井?dāng)?shù)量增加后,電纜敷設(shè)時(shí)均可能出現(xiàn)牽引力不足的情況,因此需在中間工井處設(shè)置輸送機(jī)補(bǔ)償牽引力。

高壓電纜在排管中敷設(shè)時(shí), 目前主要采用高壓電纜智能敷設(shè)系統(tǒng),主要參與機(jī)械為電纜展放機(jī)—排纜機(jī)—輸送機(jī)—敷設(shè)滑車/轉(zhuǎn)向滑車—拉力檢測(cè)裝 置—收線機(jī)。通過(guò)電纜輸送機(jī)及滑車可有效減小電纜所需牽引力及受到的側(cè)壓力^[2]。

電纜排管通道一般由排管、工井、接頭井組成,其中電纜工井設(shè)置間距在40~70 m,工井從電纜敷設(shè)方向上可分為直線井及轉(zhuǎn)彎井,可在直線井內(nèi)設(shè)置輸送機(jī)用于補(bǔ)償牽引力,在轉(zhuǎn)彎井內(nèi)設(shè)置側(cè)向轉(zhuǎn)向滑車減少側(cè)壓力,通過(guò)輸送機(jī)、轉(zhuǎn)向滑車可有效減小電纜收線機(jī)所需拉力,將牽引力控制在電纜最大允許拉力范圍內(nèi),防止電纜受損。

常用輸送機(jī)參數(shù)如表10所示。

目前,110 kv單芯電纜1600 mm2截面及220 kv 單芯電纜2500 mm²截面的電纜外徑一般均不大于160 mm,根據(jù)輸送機(jī)參數(shù)DSJ-160型即可滿足要求,輸送機(jī)拉力可達(dá)600 kg,折合成直線段管群長(zhǎng)度如表11所示。

不同工程可根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)置1~3臺(tái)輸送機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償。另還可通過(guò)在管壁內(nèi)或電纜表面涂刷水或潤(rùn)滑油等措施,降低摩擦系數(shù),增加電纜可敷設(shè)長(zhǎng)度。

4電纜盤長(zhǎng)

電纜盤廠主要控制因素包括廠家生產(chǎn)電纜盤大小、運(yùn)輸情況、電纜接頭井布置位置及根據(jù)通道摩擦力計(jì)算的單段最大敷設(shè)電纜長(zhǎng)度等^[3]。目前,電纜盤大小在國(guó)內(nèi)電纜廠家生產(chǎn)上基本不構(gòu)成影響因素;運(yùn)輸情況主要受制于當(dāng)?shù)厥袇^(qū)內(nèi)限高政策,該因素變化存在不確定性,本文不予討論,但一般不為影響因素;接頭井位置設(shè)置受制于地下管線、道路口、建筑等因素,但主要還是受電纜可敷設(shè)最大長(zhǎng)度限制。因此,電纜盤長(zhǎng)的最重要影響因素即為電纜敷設(shè)時(shí)的受力影響,根據(jù)上述討論,電纜排管通道中敷設(shè)主要受制于摩擦力與側(cè)壓力,按上述計(jì)算結(jié)果,只要電纜長(zhǎng)度通道理論計(jì)算可行,即可按計(jì)算值進(jìn)行電纜單段盤長(zhǎng)的訂貨。

根據(jù)電纜護(hù)層接地方式,如采用多段電纜,電纜分段長(zhǎng)度應(yīng)盡量平均,如單段長(zhǎng)度過(guò)大,應(yīng)計(jì)算護(hù)層電纜及環(huán)流值是否滿足相關(guān)規(guī)定。

5結(jié)論

電纜排管通道較電纜溝、隧道形式具有通道建設(shè)靈活、施工范圍小的優(yōu)勢(shì),同時(shí)能承載多路電纜,且具備電纜隔離的安全性, 目前武漢市內(nèi)大量工程采用排管通道敷設(shè)電纜,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)性具備優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)本文論述可以得出,長(zhǎng)距離電纜在排管中敷設(shè)是可行的,能減少或取消電纜工程中電纜中間接頭的使用,加快電纜工程施工進(jìn)度,降低工程造價(jià),改善工程質(zhì)量,提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,降低故障率。本文中計(jì)算出了單段電纜在不同排管通道中可供敷設(shè)最大長(zhǎng)度,可供后續(xù)高壓電纜設(shè)計(jì)項(xiàng)目參考借鑒。

本文計(jì)算中均采用90°水平轉(zhuǎn)彎,但實(shí)際工程使用中轉(zhuǎn)彎角度均會(huì)有減小,實(shí)際可敷設(shè)最大管長(zhǎng)會(huì)較本文數(shù)據(jù)有所增加,在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行具體計(jì)算。

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2024年第19期第13篇