高压电缆蛇形布置的选择_孟毓

1、高压电缆蛇形布置的选择孟毓(上海电力设计院有限公司,上海200025摘要:在隧道或桥梁内敷设高压电缆时,须考虑电缆受热膨胀后产生的热机械力。电缆蛇形布置是释放电缆热机械力的有效方法。文章介绍了国内外采用电缆蛇形布置的实例,对水平和垂直这2种蛇形布置方案进行了比较,分析了小洋山工程中电缆蛇形布置的试验结果,并对电缆竖井内的电缆敷设方案作了介绍。关键词:电缆;蛇形布置;轴向力;竖井中图分类号:T M247文献标识码:B目前上海地区越来越多地考虑采用隧道(桥梁敷设高压电缆,在这种条件下必须考虑电缆在受热膨胀后产生的热机械力。电缆蛇形布置是解决电缆热机械力的一个很好的对策。本文根据笔者在小洋山工程电缆

2、过桥项目中积累的有关电缆蛇形布置的资料,对电缆蛇形布置的种类选择、形状的确定等做了分析,希望能对以后的工程起到借鉴作用。1电缆蛇形布置的实例和架空线类似,电缆在环境温度改变时(或由于电缆负荷的变化引起的温度变化,电缆本身的长度会产生热胀冷缩的现象。由于电缆本身具有一定的刚性,在受热(冷时,在电缆末端会累计产生一定的热机械力,如果这种热机械力得不到释放,电缆会发生起拱、移位等现象,情况严重时,电缆局部部位的弯曲会超过允许的最大弯曲半径,长期运行,电缆金属护套会被损坏,起不到阻水效果,威胁电缆寿命。释放电缆热机械力的比较成熟的方法就是电缆蛇形布置。电缆蛇形布置的概念虽然早已提出,但是在国内应用的实

3、例并不多见,一般直埋、排管敷设电缆时,至多在电缆接头处采用部分波浪形布置以吸收电缆热机械力,在电缆长路段,即使在电缆隧道内一般也并不设电缆蛇形布置。但是在国外,特别是在日本,电缆蛇形布置却应用得较为普遍,表1是国内外应用电缆蛇形布置的一些实例。2电缆蛇形布置方式的选择电缆蛇形布置一般有两种方式:水平蛇行布置和垂直蛇形布置。对于这两种蛇形布置,蛇形形状选择的计算公式有一定的差别。表1电缆蛇形布置应用实例国家应用工程布置地点电缆特性中国天荒坪电厂竖井内500kV 交联电缆中国湘江大桥混凝土箱梁内110kV400m m2交联电缆日本大鸣门吊桥公路桥下方桥梁桁架结构电缆槽盒内187kV2000mm2交

4、联电缆日本濑户大桥公路桥下方桥梁桁架结构电缆槽盒内500kV2500mm2充油电缆2.1电缆水平、垂直蛇形布置计算公式电缆蛇形布置的示意图如图1所示。水平、垂直蛇形布置的蛇行弧轴向力计算公式如表21所示。图1电缆蛇形布置示意图表2电缆水平、垂直蛇形布置的蛇行弧轴向力F a计算公式金属护套原点修正敷设方式电缆温度下降时电缆温度上升时有水平蛇行+wL22B0.8-8EIB2t2-8EI(B+n2t2-wL22(B+n0.8垂直蛇行wL22B0.8-8EIB2t2-8EI(B+n2t2+wL22(B+n0.8无-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专题研讨上海电力2005年第2期式中符号“+”拉张力,符号“-”压缩力w 电缆单位重量,kg /mm;EI 电缆弯曲刚性,kg/mm 2;n 电缆横向滑移量,mm ;电缆线膨胀系数,1/C;B 蛇行弧幅,mm;L 蛇行弧节距半长度(半节距,mm;t 温升,C ;摩擦系数。2.2电缆水平蛇形布置水平蛇行布置的弧形设计需根据电缆占用空间、施工方便程度和轴向力等条件选择,蛇行节距一般取69m 、弧幅取1个电缆直径(1D以上,对于特殊敷设条件(如大桥,往往需要根据实际条件来选择。蛇行弧的选择与电缆截

6、面无关。电缆水平蛇形布置形式如图2 所示。图2电缆水平蛇形布置2.3电缆垂直蛇行布置垂直蛇行敷设的轴向力受两个支持点之间电缆自重影响,如图3 所示。图3垂直蛇行敷设侧视图垂直蛇行弧形设计与水平蛇行弧设计相似,需根据电缆占用空间、施工方便程度和轴向力等条件选择,但要在蛇行弧顶部设电缆支持金具。蛇行节距一般取35m 、弧幅取1.5D 以上。蛇行弧的选择与电缆截面无关。铜线屏蔽电缆在温度上升时,由于螺旋变形会使电缆向水平方向滑移,这现象已得到证实,因此在考虑电缆占用空间时要注意。日本新丰洲变电站电缆隧道内电缆垂直蛇形布置形式如图4所示。2.4两种电缆蛇形布置的比较在合理选择蛇形形状及夹具布置方式的条

7、件下,两种蛇形布置方式均能满足电缆热伸缩的要求,但是相对水平蛇形来说,垂直蛇形布置的优点是:能够合理利用空间,在空间较有限区域,结合电缆三角布置,能够最大限度地节省敷设空间。但是,垂直蛇形布置的施工难度较水平蛇形大,施工时较难准确地控制波幅。相反,水平蛇形布置占空间较多, 但施工相对容易。图4日本新丰洲变电站电缆隧道垂直电缆蛇形另外,从蛇形的形状来看,垂直蛇形的2个支持点(波峰间无法取第3个支持点,因此电缆支架的间距与蛇形形状是相等的,支架间距一般较大(大于3m。为满足电缆自重及短路动稳定要求,必须加大支架本身的强度要求2;另外,在存在振动的场合,支架间距大可能会造成电缆与振动源谐振,加大了电

8、缆金属护套破坏的可能性。在这样的条件下,应尽量避免采用垂直蛇形布置。而水平蛇形布置则可将支架的间距控制在需要的范围内。3小洋山工程中电缆蛇形布置方案的选择及试验结果在110kV 小洋山电缆过桥工程中,电缆需穿过长为25km 的东海大桥箱梁。在大桥箱梁内,空间较大,为避免大桥振动对电缆造成不利影响,我们考虑在大桥箱梁内对电缆采用水平蛇形布置。由于电缆敷设在大桥箱梁内及管线桥上,电缆敷设受大桥结构影响较大,因此,电缆蛇形形状种类较多,蛇形波长从59m 均有应用。因此,根据现场实际条件,我们设计了不同的蛇形以满足不同条件的需要(蛇形波长59m,并与电缆厂合作对电缆蛇形做了试验,小洋山工程中蛇形177

9、2005年第2期上海电力专题研讨波长为5m 和9m 的电缆蛇形试验的结果如图5、图6 所示。图5 电缆蛇形轴向力试验结果图6电缆蛇形移动量试验结果我们将试验结果与蛇形理论计算值做了比较(110kV 630mm 2铝护套交联电缆,电缆温升t =65C,线膨胀系数 =2010-61/C,摩擦系数 =0.4,详见表3。表3电缆蛇形试验值与计算值比较参数波长5m 波长9m 理论值实际测量值理论值实际测量值半节距L /m2.5 2.5 4.5 4.5初始波幅B /mm122122170170移动量n /mm 44.935.596.4102.9高温时轴力F a /N -329.11290.15-295.2

10、3-164. 64试验结果显示 :( 1试验共经历温度上升、下降11个循环,从图5、图6中可以看到,电缆蛇形移动量及轴向力呈现一逐渐稳定的过程。(2蛇形移动量试验值与计算值基本一致,轴向力实验值与计算值存在一定误差(计算值偏大,由于影响轴向力计算的因素较多,估计产生误差的原因主要是支架的摩擦系数测量不够精确造成的,但从试验结果来看,公式计算值对工程设计来说是偏安全的。另外,采用蛇行敷设后,能把电缆金属护套的畸变量分散到各个蛇行弧上,通过理论分析和试验证实金属护套的畸变量没有超过允许值,且裕度很大,因此一般都不需验算。4竖井内电缆蛇形布置的种类对于电缆竖井来说,电缆的主要固定方式有3种,如表4所

11、示。表4电缆竖井内电缆的主要敷设方式方式顶部一点夹具支持直线敷设夹具支持蛇行敷设夹具支持敷设示意图适用场所适合竖井高差不大,电缆重量较轻的场合。电缆热伸缩由底部弯曲处吸收。适用于电缆重量较重,但热伸缩轴向力不大的情况,每隔数米设一夹具,能紧握电缆重量和热伸缩轴向力。适合热伸缩轴向力很大的场合,用蛇行敷设来降低热伸缩轴向力。上海地区的电缆竖井大部分采用的是第2种固定方式,即在一定间隔内(小于等于1000mm 布置一处电缆夹具,以固定电缆,防止电缆热伸缩而产生的形变(如杨树浦电厂隧道竖井,而采用第1和第3种竖井内电缆蛇形布置的场合并不多见。根据了解,国内天荒坪电厂竖井内采用了电缆蛇形布置,但并没有采用夹具角度固定,而是采用了可动夹具的形式(关于蛇形电缆夹具固定方式将另行讨论。在小洋山工程中共有2座电缆竖井,根据所采用的电缆参数及电缆竖井不是太高的特点,我们采用的是第2种固定方式,每隔1m 即设置一处电缆夹具予以固定。5结语为了保证电缆在隧道、大桥上的安全运行,采用电缆蛇形布置来消除电缆内部的热机械力是非常重要的。根据工程的不