长距离高压电缆在排管内敷设的可行性研究

0引言

目前,随着国内城市化的不断推进,城市中高压电力线路更多地采用了电缆方式进行建设,甚至为了城市建设,将大量原有架空线路改造为电缆线路,例如武汉地区根据“一流电网导则”的要求,城市三环内、个别行政区四环内电力线路都要求采用电缆方式建设。电缆通道形式分为直埋、电缆沟、排管及隧道,根据武汉供电公司运维要求,武汉地区基本不采用直埋方式,电缆沟受制于防火、载流量等因素,可敷设回路数较少且更受道路断面约束,电力隧道及综合管廊更为适合电缆敷设,同时兼顾了施工、运行等优势,但由于投资过大及地下空间受限等因素的影响,电力排管在110~220 kv线路上使用得更为普遍。因排管通道对载流量影响较大,220 kv线路受制于输送容量要求,宜采用隧道建设,但220 kv用户线路因负荷较小而更多考虑经济性因素,因此一般也采用排管通道进行敷设。

根据国网武汉供电公司电缆运检室反馈的运行经验,高压电缆的故障点更多出现在电缆附件上,电缆本体故障频率较低,主要原因是电缆中间接头为现场制作,现场的环境参数、人工误差等因素较易造成隐患点,更易发生故障。那么将设计的单段电缆长度增加,减少中间接头数量就成为控制电缆事故较为有效的手段。电缆在排管中敷设长度主要受电缆盘运输及电缆通道内敷设阻力因素影响,本文主要通过按规范值进行计算,结合不同情况的排管通道环境、实际电缆敷设方式等分析高压电力电缆在排管中敷设受制因素及最大理论长度,达到减少接头数量的目的,以此提高电网运行可靠性,降低电缆事故发生率。

1电缆容许拉力

110、220 kv高压电缆多数为交联电缆,大多采用电缆牵引机牵引电缆牵引头进行敷设,电缆牵引头是安装于电缆端头的一个密封连接件,用于牵引电缆时将牵引力传递到电缆本体上,牵引力作用于电缆铜芯^[1]。当电缆线路转弯时,电缆牵引力将作用在电缆弯曲部分的内侧电缆护层,形成侧压力,侧压力为牵引力与电缆转弯半径的比值,交联电缆护套一般为皱纹铝护套,最大允许侧压力为3 kN/m。

根据GB50217—2018《电力工程电缆设计标准》中H.0.4可知,采用牵引头方式的电缆允许拉力可按式(1)计算:

T_m=kσqS      (1)

式中:T_m为电缆允许拉力;k为校正系数,电力电缆k=1,控制电缆k=0.6;σ为导体允许拉抗强度,铜芯取68.6×106N/m²,铝芯取39.2×106N/m² ;q为电缆芯数;S为电缆导体截面积。

根据以上计算方式可知,常用电缆截面的允许拉力如表1所示。

2电缆在排管中敷设

2.1 直线段管群敷设

假设排管为一段足够长且完全为直线的管材,根据GB50217—2018《电力工程电缆设计标准》中H.0.2可知,电缆在直线段管群中连续敷设时拉力为式(2):

T=μCWL    (2)

式中:T为直线段入口牵拉力,起始拉力可按20 m左右长度电缆摩擦力计;μ为电缆与管道间的动摩擦系数;C为电缆重量校正系数,2根电缆时,C2=1.1;W为电缆单位长度的重量;L为直线段管长。

根据GB50217—2018《电力工程电缆设计标准》中H.0.6,电缆与管道间动摩擦系数如表2所示。

根据DL/T5221—2016《城市电力电缆线路设计技术规定》中表A—7,不同管材的摩擦系数如表3所示。

武汉市高压电缆排管工程中目前使用较多的管材为MPP管、MPP塑钢复合管、BWFRP管,其中MPP 塑钢复合管存在环保问题,BWFRP管单价过高,MPP 管则因其兼具较多的性能优势及更合理的性价比,更多地在工程中使用。表2中并无MPP管(材质为改性聚丙烯)的摩擦系数,本文根据管材厂家提供资料,取MPP管内壁摩擦系数为0.35。

因电缆质量无统一标准,经对比各电缆厂家资料,选择一家电缆重量较重(江苏普睿司曼科技有限公司)的作为本文重量依据,参数如表4所示。

经计算,当电缆按最大允许拉力展放时,连续直线段管群的可敷设电缆最大长度如表5所示。

根据武汉市一般设计习惯,110 kv电缆段长一般在400~700 m,220 kv电缆段长一般在300~600 m。根据表5计算结果可知,直线段管群光滑的管材对电缆敷设长度无较大影响。

2.2水平转弯段管群敷设

根据GB50217—2018《电力工程电缆设计标准》中H.0.2可知,电缆在转弯段牵引力为式(3):

T_j=T_ie^μθj     (3)

式中:Tj为第j段弯曲段拉出时电缆牵拉力;T_i为第i段弯曲段入口牵拉力;e为自然常数;μ为电缆与管道间 的动摩擦系数;θj为第j段弯曲管的夹角角度。

假设排管为一段水平弯曲且足够长的管材,当电缆按最大允许拉力展放时,水平转弯时的最大管群长度如表6所示。

根据武汉地区管群使用情况,针对管群中存在1~3处90°转弯井进行牵引力分析及最大管长计算。可按式(4)计算:

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

式中:T_总为电缆出口处总牵拉力;T₁为电缆直线段牵拉力;T₂为弯曲段拉出时电缆牵拉力;T_i为第i段弯曲段入口牵拉力;e为自然常数;μ为电缆与管道间的动摩擦系数;θj为第j段弯曲管的夹角角度;C为电缆重量校正系数,2根电缆时,C₂=1.1;W为电缆单位长度的重量;L为直线段管长。

2.3.1管群中存在一处90°转弯情况

依据式(4)可知,当直线管群线路中存在一处90°转弯且转弯点位于通道终点时管长最大,转弯点位于起点时管长最小,计算结果具体如表7所示。

当工程中出现两处90°转弯时,可能出现以下情况:1)两处转弯位于头尾;2)两处转弯位于中间部分(本文考虑均匀分布)。计算结果具体如表8所示。

2.3.3管群中存在三处90°转弯情况

当工程中出现三处90°转弯时,可能出现以下情况:1)三处转弯位于头尾及中间;2)三处转弯位于中间部分(本文考虑均匀分布)。计算结果具体如表9所示。

根据上述情况的分析可知,当排管通道中转弯井数量增加时,电缆最大可敷设排管长度减小。如一段电缆排管通道中仅有一个转弯井,单段电缆可敷设长度则可能不受敷设条件限制,而电缆盘大小及运输能力成为控制因素。当排管通道中出现2~3个转弯井后,电缆可敷设最大排管长度出现明显下降,这时则应考虑采用输送机及其他方式进行补偿。

以上分析中,电缆转弯角度均按90°考虑,当实际工程转弯角度减小时,最大可敷设排管长度会增加,则需根据实际工程进行具体计算。

3输送机及其他补偿

根据第2章节分析可知,当排管通道中转弯井数量增加后,电缆敷设时均可能出现牵引力不足的情况,因此需在中间工井处设置输送机补偿牵引力。

高压电缆在排管中敷设时, 目前主要采用高压电缆智能敷设系统,主要参与机械为电缆展放机—排缆机—输送机—敷设滑车/转向滑车—拉力检测装 置—收线机。通过电缆输送机及滑车可有效减小电缆所需牵引力及受到的侧压力^[2]。

电缆排管通道一般由排管、工井、接头井组成,其中电缆工井设置间距在40~70 m,工井从电缆敷设方向上可分为直线井及转弯井,可在直线井内设置输送机用于补偿牵引力,在转弯井内设置侧向转向滑车减少侧压力,通过输送机、转向滑车可有效减小电缆收线机所需拉力,将牵引力控制在电缆最大允许拉力范围内,防止电缆受损。

常用输送机参数如表10所示。

目前,110 kv单芯电缆1600 mm2截面及220 kv 单芯电缆2500 mm²截面的电缆外径一般均不大于160 mm,根据输送机参数DSJ-160型即可满足要求,输送机拉力可达600 kg,折合成直线段管群长度如表11所示。

不同工程可根据实际使用情况设置1~3台输送机进行补偿。另还可通过在管壁内或电缆表面涂刷水或润滑油等措施,降低摩擦系数,增加电缆可敷设长度。

4电缆盘长

电缆盘厂主要控制因素包括厂家生产电缆盘大小、运输情况、电缆接头井布置位置及根据通道摩擦力计算的单段最大敷设电缆长度等^[3]。目前,电缆盘大小在国内电缆厂家生产上基本不构成影响因素;运输情况主要受制于当地市区内限高政策,该因素变化存在不确定性,本文不予讨论,但一般不为影响因素;接头井位置设置受制于地下管线、道路口、建筑等因素,但主要还是受电缆可敷设最大长度限制。因此,电缆盘长的最重要影响因素即为电缆敷设时的受力影响,根据上述讨论,电缆排管通道中敷设主要受制于摩擦力与侧压力,按上述计算结果,只要电缆长度通道理论计算可行,即可按计算值进行电缆单段盘长的订货。

根据电缆护层接地方式,如采用多段电缆,电缆分段长度应尽量平均,如单段长度过大,应计算护层电缆及环流值是否满足相关规定。

5结论

电缆排管通道较电缆沟、隧道形式具有通道建设灵活、施工范围小的优势,同时能承载多路电缆,且具备电缆隔离的安全性, 目前武汉市内大量工程采用排管通道敷设电缆,经济指标性具备优势。

根据本文论述可以得出,长距离电缆在排管中敷设是可行的,能减少或取消电缆工程中电缆中间接头的使用,加快电缆工程施工进度,降低工程造价,改善工程质量,提高电力系统运行的可靠性,降低故障率。本文中计算出了单段电缆在不同排管通道中可供敷设最大长度,可供后续高压电缆设计项目参考借鉴。

本文计算中均采用90°水平转弯,但实际工程使用中转弯角度均会有减小,实际可敷设最大管长会较本文数据有所增加,在实际设计中应进行具体计算。

[参考文献]

[1]郑武军.长距离管道内电缆敷设工艺[J].广东土木与建筑,2007(7):47—48.

[2]金那仁满都拉,彭慧君.大直径长距离电缆的管内敷设工艺探讨[J].机电工程技术,2015,44(7):228—230.

[3]魏妍萍.110 kv电缆穿管的敷设[J].农村电气化,2006(3):21—24.

2024年第19期第13篇