國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電公司 浦仕亮 卞 棟 齊金龍

高壓電纜接頭是電纜線路最薄弱的環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)電纜單段長度有限，長距離敷設(shè)中間接頭過多，導(dǎo)致電纜故障率很高。為減少電纜接頭數(shù)量過多帶來的安全隱患，近些年來大段長電纜得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)電纜在敷設(shè)固定時主要依據(jù)電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的敷設(shè)跨距及固定部位來進行，然而大段長電纜敷設(shè)過程中會產(chǎn)生較大的熱膨脹力與短路電動力。導(dǎo)體溫升會導(dǎo)致電纜線路熱膨脹，當(dāng)熱膨脹力足夠大時，電纜線路接頭、終端、金屬護層及電纜附屬設(shè)施可能被損壞，引發(fā)電纜線路運行故障。大段長高壓電纜線路熱膨脹現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。短路電動力是指在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，由于短路電流的作用在電纜相間產(chǎn)生的電磁感應(yīng)力。當(dāng)短路電流過大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動力會對電路造成巨大沖擊。由于短路電動力大小與電纜長度呈正相關(guān)，電纜長度越長短路電動力越大，大段長電纜在短路情況下會產(chǎn)生較大的短路電動力。因此針對大段長電纜線路敷設(shè)固定，應(yīng)當(dāng)充分考慮熱膨脹力與短路電動力的影響。

查傳忠等人提出了高壓電纜剛性固定和撓性固定的要求和方法，解析了高壓電纜固定敷設(shè)最小彎曲半徑、剛性固定距離、蛇形敷設(shè)間距及初始偏距的合理選取[1]；趙志棟等人提出了電力電纜在電力隧道內(nèi)采取蛇形敷設(shè)方式是解決其因負荷、隧道環(huán)境等因素引起溫度變化而產(chǎn)生熱應(yīng)力的有效方式，而專用蛇形彎曲工具的研制使得電纜在進行蛇形敷設(shè)施工過程中有單位面積受力小、受力情況實時可控[2]。目前國內(nèi)外尚缺乏針對大段長高壓電纜因短路電動力與熱膨脹力導(dǎo)致的電纜敷設(shè)與固定方法研究，有待進一步深入探究。

1 大段長高壓電纜熱膨脹力與短路電動力研究

1.1 電纜敷設(shè)模型建立

仿真模型的建立。電纜采用蛇形敷設(shè)可顯著減小運行過程中的熱膨脹力，有利于電纜線路安全運行。本文電纜蛇形敷設(shè)模型如圖1示。其中L為半蛇形長度，B為蛇形弧幅，n為受熱膨脹側(cè)向滑移量。本文220kV交聯(lián)聚乙烯電纜模型的仿真參數(shù)設(shè)置及外徑為：銅導(dǎo)體電阻率2.8×10-8Ω·m、60.4mm；XLPE絕緣相對介電常數(shù)2.3、128mm；金屬鋁護層電阻率2.1×10-8Ω·m、149mm；外護套相對介電常數(shù)3、159mm。

圖1 電纜蛇形敷設(shè)模型圖

1.2 電纜線路熱膨脹力

熱伸縮量的計算：電纜線路軸向熱膨脹量的工程計算為m=αtL，式中，m為電纜線路熱膨脹量，mm；t為電纜線路導(dǎo)體溫升，℃；L為蛇形長度的1/2，mm；α為電纜線路熱膨脹系數(shù)，1/℃。熱伸縮量的詳細計算如下：當(dāng)時，熱伸縮量m的計算公式為時，m的計算公式為式中：t為導(dǎo)體的溫升，℃；α為電纜的熱膨脹系數(shù)，1/℃；L為電纜長度，mm；μ為摩擦系數(shù)；W為電纜單位長度的重量，N/mm；f為電纜的反作用力，N；A為導(dǎo)體截面，mm2；E為電纜的楊氏模量，N/mm2。

軸向伸縮推力的計算：針對水平敷設(shè)的電纜線路，當(dāng)導(dǎo)體溫度下降時其蛇形弧軸向力Fh1，按式理論計算；當(dāng)導(dǎo)體溫度上升時，其蛇形弧軸向力Fh2按式理論計算。針對垂直敷設(shè)的電纜線路，當(dāng)導(dǎo)體溫度下降時，其蛇形弧軸向力Fv1按式理論計算；當(dāng)導(dǎo)體溫度上升時，其蛇形弧軸向力Fv2按式理論計算。側(cè)向滑移量的計算：蛇形弧側(cè)向滑移量n按照式理論計算。

以上幾個公式中，θ為電纜導(dǎo)體溫升，℃；B為蛇形弧幅，mm；m為電纜熱伸縮量，mm；L為蛇形長度的1/2，mm；α為電纜線路線性膨脹系數(shù)，1/℃；μ為電纜摩擦系數(shù)；W為電纜線路單位重量，N/mm；N為電纜幅向滑移量，mm；E1為電纜抗彎剛性，N/mm2。

1.3 電纜線路短路電動力

電力系統(tǒng)最大短路電動力應(yīng)采用短路電流最大瞬時值進行計算，即短路沖擊電流。短路電流的最大瞬時值出現(xiàn)在短路發(fā)生后半個周期時，即t=0.01s時，最大短路沖擊電流ish為：

其中Ipm為短路電流周期分量幅值，Ksh為短路電流沖擊系數(shù)。此時相短路電動力也達到最大值，短路電動力為，式中，l為平行導(dǎo)線之間的距離，m；a為兩導(dǎo)體中心距，m；Kf為導(dǎo)體截面形狀系數(shù)[3]。

2 大段長高壓電纜敷設(shè)影響因素與固定方法

大段長電纜運行過程中會受到更大的熱膨脹力與短路電動力，這對電纜固定方式提出了更高要求，傳統(tǒng)固定方法難以滿足大段長電纜安全固定需要。因此需結(jié)合短路電動力與熱膨脹力提出適用于大段長高壓電纜的敷設(shè)固定方法[4]。首先通過熱膨脹計算確定電纜熱膨脹量、軸向伸縮推力和橫向滑移量，然后通過計算確定最大短路電動力，最后確定電纜敷設(shè)固定方法。

2.1 電纜熱膨脹因素對電纜敷設(shè)的影響

研究電纜熱膨脹因素對電纜敷設(shè)的影響，對合理進行電纜線路敷設(shè)固定有著重要的意義。下面以截面為2500mm2的220kV的電纜蛇形敷設(shè)為例，分別計算分析各個因素的影響。

蛇形弧幅與軸向力和橫向滑移量的關(guān)系分別如圖2、圖3。隨著蛇形弧幅B的增加，電纜橫向滑移量和蛇形軸向力越來越小。因此在蛇形敷設(shè)時，提高蛇形弧幅可有效降低電纜因熱膨脹引起的軸向力，保護電纜線路安全穩(wěn)定運行；蛇形長度與軸向力和橫向滑移量的關(guān)系分別如圖4、圖5，隨著蛇形長度L的增加其橫向滑移量增大、蛇形軸向力變小。因此在設(shè)計隧道蛇形敷設(shè)時，應(yīng)綜合考慮橫向滑移量和蛇形軸向力，選擇合適的蛇形長度。

圖2 不同L時蛇形弧幅B和軸向力F關(guān)系

圖3 蛇形弧幅與橫向滑移量的關(guān)系

圖4 蛇形長度對電纜蛇形軸向力的影響

圖5 蛇形長度與橫向滑移量的關(guān)系

2.2 電纜敷設(shè)裝置參數(shù)與固定方法

蛇形敷設(shè)電纜采用撓性固定，由以上分析得到電纜熱膨脹量m、軸向伸縮力F1～F4、橫向滑移量n、短路電動力Fsh，設(shè)固定夾具強度為FN、半蛇形為L，以下將由上述參數(shù)確定大段長電纜固定方法：

（熱機械力釋放裝置參數(shù)設(shè)置（考慮10%安全裕度）：伸縮裝置。伸縮節(jié)伸縮量L1≥1.1m；橫向滑移裝置。橫向允許滑移范圍L2≥1.1n。

3 結(jié)語

大段長電纜運行過程中會受到更大的熱膨脹力與短路電動力，這對電纜固定方式提出了更高要求，大段長高壓電纜的敷設(shè)固定方法需同時結(jié)合短路電動力與熱膨脹力進行考慮；對于蛇形敷設(shè)時，增大蛇形弧幅其軸向力可大幅降低。蛇形長度增加時電纜的軸向力減小，但橫向滑移量增大，因此蛇形長度選取時應(yīng)綜合考慮這兩個因素；通過對短路電動力及熱膨脹力的計算，得到了大段長高壓電纜敷設(shè)固定方法，確定了熱機械力釋放裝置參數(shù)設(shè)置與夾具數(shù)量位置。對大段長電纜敷設(shè)提供理論指導(dǎo)。