長距離高壓電纜在排管內敷設的可行性研究

0引言

目前,隨著國內城市化的不斷推進,城市中高壓電力線路更多地采用了電纜方式進行建設,甚至為了城市建設,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)導則”的要求,城市三環(huán)內、個別行政區(qū)四環(huán)內電力線路都要求采用電纜方式建設。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,同時兼顧了施工、運行等優(yōu)勢,但由于投資過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,但220 kv用戶線路因負荷較小而更多考慮經(jīng)濟性因素,因此一般也采用排管通道進行敷設。

根據(jù)國網(wǎng)武漢供電公司電纜運檢室反饋的運行經(jīng)驗,高壓電纜的故障點更多出現(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)場制作,現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)、人工誤差等因素較易造成隱患點,更易發(fā)生故障。那么將設計的單段電纜長度增加,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。電纜在排管中敷設長度主要受電纜盤運輸及電纜通道內敷設阻力因素影響,本文主要通過按規(guī)范值進行計算,結合不同情況的排管通道環(huán)境、實際電纜敷設方式等分析高壓電力電纜在排管中敷設受制因素及最大理論長度,達到減少接頭數(shù)量的目的,以此提高電網(wǎng)運行可靠性,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牽引電纜牽引頭進行敷設,電纜牽引頭是安裝于電纜端頭的一個密封連接件,用于牽引電纜時將牽引力傳遞到電纜本體上,牽引力作用于電纜銅芯^[1]。當電纜線路轉彎時,電纜牽引力將作用在電纜彎曲部分的內側電纜護層,形成側壓力,側壓力為牽引力與電纜轉彎半徑的比值,交聯(lián)電纜護套一般為皺紋鋁護套,最大允許側壓力為3 kN/m。

根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設計標準》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為導體允許拉抗強度,銅芯取68.6×106N/m²,鋁芯取39.2×106N/m² ;q為電纜芯數(shù);S為電纜導體截面積。

根據(jù)以上計算方式可知,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

2.1 直線段管群敷設

假設排管為一段足夠長且完全為直線的管材,根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設計標準》中H.0.2可知,電纜在直線段管群中連續(xù)敷設時拉力為式(2):

T=μCWL    (2)

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

根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設計標準》中H.0.6,電纜與管道間動摩擦系數(shù)如表2所示。

根據(jù)DL/T5221—2016《城市電力電纜線路設計技術規(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塑鋼復合管、BWFRP管,其中MPP 塑鋼復合管存在環(huán)保問題,BWFRP管單價過高,MPP 管則因其兼具較多的性能優(yōu)勢及更合理的性價比,更多地在工程中使用。表2中并無MPP管(材質為改性聚丙烯)的摩擦系數(shù),本文根據(jù)管材廠家提供資料,取MPP管內壁摩擦系數(shù)為0.35。

因電纜質量無統(tǒng)一標準,經(jīng)對比各電纜廠家資料,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)計算,當電纜按最大允許拉力展放時,連續(xù)直線段管群的可敷設電纜最大長度如表5所示。

根據(jù)武漢市一般設計習慣,110 kv電纜段長一般在400~700 m,220 kv電纜段長一般在300~600 m。根據(jù)表5計算結果可知,直線段管群光滑的管材對電纜敷設長度無較大影響。

2.2水平轉彎段管群敷設

根據(jù)GB50217—2018《電力工程電纜設計標準》中H.0.2可知,電纜在轉彎段牽引力為式(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 的動摩擦系數(shù);θj為第j段彎曲管的夾角角度。

假設排管為一段水平彎曲且足夠長的管材,當電纜按最大允許拉力展放時,水平轉彎時的最大管群長度如表6所示。

根據(jù)武漢地區(qū)管群使用情況,針對管群中存在1~3處90°轉彎井進行牽引力分析及最大管長計算?？砂词?4)計算:

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,C₂=1.1;W為電纜單位長度的重量;L為直線段管長。

2.3.1管群中存在一處90°轉彎情況

依據(jù)式(4)可知,當直線管群線路中存在一處90°轉彎且轉彎點位于通道終點時管長最大,轉彎點位于起點時管長最小,計算結果具體如表7所示。

當工程中出現(xiàn)兩處90°轉彎時,可能出現(xiàn)以下情況:1)兩處轉彎位于頭尾;2)兩處轉彎位于中間部分(本文考慮均勻分布)。計算結果具體如表8所示。

2.3.3管群中存在三處90°轉彎情況

當工程中出現(xiàn)三處90°轉彎時,可能出現(xiàn)以下情況:1)三處轉彎位于頭尾及中間;2)三處轉彎位于中間部分(本文考慮均勻分布)。計算結果具體如表9所示。

根據(jù)上述情況的分析可知,當排管通道中轉彎井數(shù)量增加時,電纜最大可敷設排管長度減小。如一段電纜排管通道中僅有一個轉彎井,單段電纜可敷設長度則可能不受敷設條件限制,而電纜盤大小及運輸能力成為控制因素。當排管通道中出現(xiàn)2~3個轉彎井后,電纜可敷設最大排管長度出現(xiàn)明顯下降,這時則應考慮采用輸送機及其他方式進行補償。

以上分析中,電纜轉彎角度均按90°考慮,當實際工程轉彎角度減小時,最大可敷設排管長度會增加,則需根據(jù)實際工程進行具體計算。

3輸送機及其他補償

根據(jù)第2章節(jié)分析可知,當排管通道中轉彎井數(shù)量增加后,電纜敷設時均可能出現(xiàn)牽引力不足的情況,因此需在中間工井處設置輸送機補償牽引力。

高壓電纜在排管中敷設時, 目前主要采用高壓電纜智能敷設系統(tǒng),主要參與機械為電纜展放機—排纜機—輸送機—敷設滑車/轉向滑車—拉力檢測裝 置—收線機。通過電纜輸送機及滑車可有效減小電纜所需牽引力及受到的側壓力^[2]。

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

常用輸送機參數(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)輸送機參數(shù)DSJ-160型即可滿足要求,輸送機拉力可達600 kg,折合成直線段管群長度如表11所示。

不同工程可根據(jù)實際使用情況設置1~3臺輸送機進行補償。另還可通過在管壁內或電纜表面涂刷水或潤滑油等措施,降低摩擦系數(shù),增加電纜可敷設長度。

4電纜盤長

電纜盤廠主要控制因素包括廠家生產(chǎn)電纜盤大小、運輸情況、電纜接頭井布置位置及根據(jù)通道摩擦力計算的單段最大敷設電纜長度等^[3]。目前,電纜盤大小在國內電纜廠家生產(chǎn)上基本不構成影響因素;運輸情況主要受制于當?shù)厥袇^(qū)內限高政策,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最大長度限制。因此,電纜盤長的最重要影響因素即為電纜敷設時的受力影響,根據(jù)上述討論,電纜排管通道中敷設主要受制于摩擦力與側壓力,按上述計算結果,只要電纜長度通道理論計算可行,即可按計算值進行電纜單段盤長的訂貨。

根據(jù)電纜護層接地方式,如采用多段電纜,電纜分段長度應盡量平均,如單段長度過大,應計算護層電纜及環(huán)流值是否滿足相關規(guī)定。

5結論

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

根據(jù)本文論述可以得出,長距離電纜在排管中敷設是可行的,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度,降低工程造價,改善工程質量,提高電力系統(tǒng)運行的可靠性,降低故障率。本文中計算出了單段電纜在不同排管通道中可供敷設最大長度,可供后續(xù)高壓電纜設計項目參考借鑒。

本文計算中均采用90°水平轉彎,但實際工程使用中轉彎角度均會有減小,實際可敷設最大管長會較本文數(shù)據(jù)有所增加,在實際設計中應進行具體計算。

[參考文獻]

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2024年第19期第13篇