模塊化變電站新型電纜通道應(yīng)用研究

李宗蔚，張景翯，薛炳磊，盧福木

（國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021）

0 引言

變電站電纜通道的合理應(yīng)用是電力系統(tǒng)安全可靠運行、人員和電氣設(shè)備安全的重要保障，電纜通道需要具備電纜敷設(shè)、通道防火、通風(fēng)及方便運維檢修等諸多功能［1］。

隨著土地資源的緊張，變電站向小型化、緊湊型變電站發(fā)展，導(dǎo)致電纜敷設(shè)空間日趨緊張，如果沒有合理的電纜通道設(shè)計方案將極大影響變電站工程的順利施工，甚至危及設(shè)備和人身安全［2-3］。

以110 kV 緊湊型模塊化變電站通用設(shè)計方案為研究對象，針對常規(guī)電纜通道應(yīng)用在文獻[4]的模塊化通用設(shè)計方案中遇到的問題，提出一種融合電纜隧道與電纜溝優(yōu)點的新型電纜通道構(gòu)造樣式，最終形成針對110 kV 緊湊型模塊化變電站通用設(shè)計方案的新型電纜通道設(shè)計方案。

1 模塊化通用設(shè)計方案中遇到的問題

調(diào)研模塊化通用設(shè)計方案中開關(guān)柜室室內(nèi)布置，發(fā)現(xiàn)兩列開關(guān)柜多采用“面對面”的布置方式，以文獻[4]模塊化通用設(shè)計110-A3-3 方案為例展開說明。

模塊化通用設(shè)計110-A3-3 方案中開關(guān)柜室內(nèi)布置3 條橫向電纜溝，其中1 200 mm×1 200 mm 一次電纜溝3 條，800 mm×800 mm 二次電纜溝1 條［4］，如圖1 所示。由圖1 可知，模塊化通用設(shè)計110-A3-3 方案10 kV 出線36 回，參照縱向出線電纜溝位置及電纜流向，考慮2 回電纜敷設(shè)裕量，橫向電纜通道中峰值一次電纜流量按12 回設(shè)計［5］，在開關(guān)柜室內(nèi)并行2 條橫向一次電纜溝方能滿足一次電纜敷設(shè)需求，開關(guān)柜室內(nèi)的地上巡視空間基本上全部被電纜通道所占用［4］。

根據(jù)文獻［4］，常用的幾個模塊化通用設(shè)計方案均采用獨立基礎(chǔ)設(shè)計，獨立基礎(chǔ)多為金字塔式外形，上小下大，很容易與電纜溝施工發(fā)生碰撞［4］，獨立基礎(chǔ)與電纜溝布置平斷面如圖2 和圖3所示。

圖1 10 kV 開關(guān)柜室平面布置

圖2 10 kV 開關(guān)柜室獨立基礎(chǔ)與電纜溝

圖3 獨立基礎(chǔ)與電纜溝斷面

由圖2 和圖3 可知，電纜溝已經(jīng)和獨立基礎(chǔ)發(fā)生碰撞，給施工造成困難。

2 常規(guī)解決方案

2.1 增大獨立基礎(chǔ)埋深

在不改變開關(guān)柜室電氣布置的前提下，為避免碰撞又不縮小電纜通道容量，可以加深獨立基礎(chǔ)深度，使碰撞部分置于電纜溝底以下，甚至整個獨立基礎(chǔ)置于電纜溝底以下，對工程施工造成了較大難度，增大了土建工作量，而且當(dāng)整個獨立基礎(chǔ)置于電纜溝底以下時，部分鋼支柱將埋于地下，容易造成銹蝕。

2.2 采用電纜隧道方案

在開關(guān)柜下采用電纜隧道布置形式，如圖4 所示。

圖4 隧道方案斷面

圖4 中所示為電纜峰值流量時的電纜布置情況，根據(jù)GB 50217—2007 《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》要求，電纜隧道內(nèi)通道凈高不宜小于1 900 mm，單側(cè)支架電纜隧道內(nèi)檢修、巡視通道寬度不宜小于900 mm，10 kV 電纜支架層間距不小于200 mm。為節(jié)省空間并結(jié)合電纜下線孔位置，隧道內(nèi)按單側(cè)支架設(shè)計，每層支架放置2 回電纜（電纜外徑按100 mm考慮），兩回電纜間留有1 倍外徑的空隙，因此支架長度取400 mm［6］。根據(jù)支架長度及檢修、巡視通道寬度，確定隧道寬度取1 300 mm，隧道高度取規(guī)范要求最小值1 900 mm，內(nèi)部空間可放置8 層支架，但上方2 層電纜支架閑置，閑置率達到25%，造成較大浪費，同時電纜隧道施工復(fù)雜，與電纜溝比較還需要配置照明、防火、排水、通風(fēng)等全套輔助設(shè)施，常規(guī)方案中的電纜隧道布置方式增大了工程投資，不利于基建工程資產(chǎn)經(jīng)濟性管理。

綜上所述，常規(guī)電纜通道布置形式不能很好地適應(yīng)目前模塊化變電站的發(fā)展，其空間占用情況也直接影響各配電裝置室空間布局。我國土地資源緊缺，目前變電站建設(shè)逐步向緊湊型變電站方向發(fā)展，一種適用于緊湊型模塊化變電站的新型電纜通道有待提出。

3 新型電纜通道的外形設(shè)計

研究比較電纜溝與電纜隧道優(yōu)缺點，取長補短，確定新型電纜通道外形形式，并利用三維設(shè)計軟件制作新型電纜通道三維模型，如圖5 和圖6 所示。

圖5 新型縮口式電纜通道軸側(cè)（單側(cè)支架）

圖6 新型縮口式電纜通道軸側(cè)（雙側(cè)支架）

由圖5 和圖6 可知，新型電纜通道創(chuàng)新采用溝頂懸臂板結(jié)構(gòu)，溝蓋板只覆蓋電纜溝檢修、巡視通道部分，而把支架上方設(shè)計成具有足夠承重能力的封閉結(jié)構(gòu)，形成了一種介于電纜溝與電纜隧道之間的半封閉式電纜通道結(jié)構(gòu)。新型電纜通道的懸臂板結(jié)構(gòu)可以作為地面的一部分布置電氣設(shè)備，為獨立基礎(chǔ)讓出了足夠的地下空間，解決了碰撞問題，且能有效提高電纜溝上部地面部分的空間利用率，以半封閉電纜溝的形式實現(xiàn)電纜隧道的性能。

新型電纜通道設(shè)計方案與常規(guī)電纜隧道設(shè)計方案相比，在電纜通流容量同樣滿足電氣設(shè)備需求的前提下，其內(nèi)部深度不會受1 900 mm 的限制，從而電纜構(gòu)筑物截面積得到大幅縮減，有效減少了電纜支架的閑置，節(jié)省了工程投資。新型電纜通道因上部開口，非全封閉式電纜通道結(jié)構(gòu)，因此無須配置照明、通風(fēng)、防火、排水等輔助設(shè)施，也大幅減少了電纜構(gòu)筑物建設(shè)投資。

綜合考慮新型電纜通道經(jīng)濟效益，相比常規(guī)電纜隧道方案，新型縮口式電纜通道將節(jié)省電纜構(gòu)筑物投資約30%。

4 新型電纜通道結(jié)構(gòu)方案

對于新型電纜通道存在的懸空結(jié)構(gòu)，需要考慮其結(jié)構(gòu)的安全，對于處于設(shè)備下方的部分，還要保證其能夠達到設(shè)備的承重標(biāo)準，并兼顧其經(jīng)濟性。

4.1 新型電纜通道結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定

參考以往工程實際，設(shè)定新型電纜通道凈寬×凈高為1 200 mm×1 200 mm，壁厚度為250 mm，采用有限元軟件ABAQUS 驗算結(jié)構(gòu)在上部控制柜荷載作用下的受力情況。模型選用4 m 長的電纜溝為計算單元，施加柜體荷載和蓋板上的檢修荷載。具體尺寸如圖7 和圖8 所示。

圖7 新型電纜通道結(jié)構(gòu)

圖8 新型電纜通道懸挑部分開洞布置

4.2 有限元建模

4.2.1 材料屬性設(shè)定

所用材料屬性如表1 所示。

4.2.2 建立有限元模型

采用靜力分析算法，電纜溝底部采用固結(jié)的約束方法。經(jīng)調(diào)研，開關(guān)柜單柜重量為0.8～1.2 t，因此將單個柜體荷載分擔(dān)到電纜溝的荷載簡化為0.6 t，檢修荷載為5 kN／m2。如圖9 和圖10 所示。

表1 材料屬性

圖9 無蓋板有限元建模

圖10 有蓋板有限元建模

4.2.3 受力結(jié)果分析

根據(jù)實際電纜數(shù)量確定電纜通道截面，考慮電纜溝運行工況、安裝工況、檢修工況等多工況的荷載組合，采用有限元計算軟件對電纜溝進行模擬計算。受力情況如圖11 所示，位移情況如圖12 所示。

混凝土的抗拉強度為1.43 N／mm2、抗壓強度為14.3 N／mm2，通過內(nèi)力云圖可知，電纜溝在沒有配置鋼筋的情況下，各個方向的內(nèi)力和最大最小主應(yīng)力都沒有超過材料的強度限值，為保證結(jié)構(gòu)的剛度可對電纜溝進行構(gòu)造配筋；另外電纜溝在荷載作用下的豎向位移為0.132 8 mm，可知，在荷載作用下電纜溝的位移較小，可以滿足適用要求。

圖11 內(nèi)力及主應(yīng)力

圖12 最大位移

5 新型電纜通道設(shè)備電纜引接方案

在常規(guī)電纜敷設(shè)方案中，電纜主要從通道兩側(cè)進入通道，已進入通道的電纜對新入電纜幾乎不會構(gòu)成遮擋［4］，如圖13 所示。

圖13 常規(guī)電纜通道設(shè)備電纜引接

而新型縮口式電纜通道的懸臂梁縮口結(jié)構(gòu)位于設(shè)備正下方，設(shè)備電纜將由新型電纜通道正上方直接引入電纜支架，敷設(shè)在上層的電纜可能對設(shè)備引下電纜構(gòu)成影響。

為驗證此問題，利用三維設(shè)計技術(shù)，開展新型電纜通道設(shè)備電纜引接方案的研究。

根據(jù)電力工程電纜設(shè)計規(guī)范的要求，三芯電力電纜的相互間宜有1 倍電纜外徑的空隙。在新型電纜通道內(nèi)部空間及電纜支架長度設(shè)計時，已經(jīng)預(yù)估了該空隙的占用空間，理論上，上層支架敷設(shè)的電力電纜之間的空隙是足以滿足設(shè)備電纜引下條件的，為了充分驗證該問題，對電纜通道內(nèi)每一條電力電纜按實際比例建立三維模型，形成了電纜走徑三維設(shè)計方案，如圖14 和圖15 所示。

圖14 新型電纜通道電纜敷設(shè)三維軸側(cè)圖

圖15 新型電纜通道電纜敷設(shè)三維側(cè)視圖

通過建立三維模型驗證發(fā)現(xiàn)，設(shè)備電纜的引下及通道內(nèi)電纜的敷設(shè)路徑得到了直觀的體現(xiàn)，設(shè)備電纜可以順利引接，通過三維設(shè)計軟件檢查，設(shè)備電纜引接過程全程無碰撞。新型電纜通道的設(shè)備電纜接入問題可以通過新型電纜通道設(shè)備電纜接入三維設(shè)計方案很好地解決，同時為工程施工時電纜敷設(shè)提供了便利，也確保了新型電纜通道的切實可行、可用。

6 結(jié)語

以110 kV 緊湊型模塊化變電站通用設(shè)計方案為研究對象，針對常規(guī)電纜通道應(yīng)用在模塊化通用設(shè)計方案中遇到的問題，提出了一種融合電纜隧道與電纜溝優(yōu)點的新型電纜通道構(gòu)造樣式，并利用計算機仿真及三維建模技術(shù)，驗證了其受力與電纜引接方案的適用，保證了成果的可行性。

新型電纜通道的應(yīng)用不僅有利于節(jié)省站內(nèi)空間，且對節(jié)省工程投資成效顯著，該成果得以使用，將大幅提高電纜敷設(shè)設(shè)計水平。