城市管廊中电缆线路运行热环境研究

李红雷，俞瑾华，蒋晓娟，徐永铭，包海龙

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.国网上海市电力公司市区供电公司，上海 200080；3.国网上海市电力公司检修公司，上海 200063；4.上海市电力工程建设监理有限公司，上海 200233）

城市管廊中电缆线路运行热环境研究

李红雷1，俞瑾华2，蒋晓娟3，徐永铭4，包海龙1

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.国网上海市电力公司市区供电公司，上海 200080；3.国网上海市电力公司检修公司，上海 200063；4.上海市电力工程建设监理有限公司，上海 200233）

根据传热学对电缆温度场进行分析，通过建立数值模型求解电缆温度场载流量。文中建立电缆温度场的几何模型并给出相关电缆参数，通过计算电缆温度场和载流量，分析不同因素对电缆载流量的影响。文中还介绍了隧道通风方式及其优缺点，阐述了电缆隧道的通风方式、风速、风量的选择以及通风系统的运行控制方法。结果表明电缆的温度场和载流量与电缆沟的结构和沟内电缆的布置方式有很大的关系。通过对电缆隧道和通风系统的合理设计有利于提高电缆的温度场和载流量。

电缆；温度场；载流量；隧道通风；散热降温

近年来，随着我国城镇化的发展，城市用电负荷逐年增长，由于电缆化供电的优点突出比较适合城市供电，电缆化供电模式已经在大型城市得到越来越广泛的应用。与此同时，由于城市的地下空间资源较为紧缺，电缆与其他市政管线公用城市管廊已经成为必然的选择。

电缆在运行的过程中会产生一定的热量，这部分热量如果不及时散失很容易在城市管廊中聚集，导致管廊内温度过高，严重时可能会导致火灾[1]。有些电缆隧道中还敷设有通信、燃气、供热等各种管线，隧道温度的升高不利于各种管线的安全稳定运行，甚至会导致各个管线的运行瘫痪[2]。因此，对城市管廊中的电缆线路运行热环境的研究有利于提高电缆线路及其他市政设施的安全运行能力。本文研究了城市管廊电缆温度场的计算模型及计算方法，对电缆载流量进行计算，同时对电缆隧道的通风系统进行了介绍。

1 电缆温度场计算模型的建立

载流量是用来衡量电缆负荷和温升的重要参数，通过电缆温度场的计算可以确定电缆线路的载流量，载流量的确定对电缆的安全稳定运行有重要的意义[3-6]。由于不同地方电缆的运行环境及工况差别极大，采用电缆载流量计算标准来解析计算温度场已经不能满足精度上的要求[7-8]，数值计算方法已经成为了必然选择。

1.1 几何模型的建立

本文以电缆沟敷设6回路电缆为例建立电缆沟几何模型，通过传热学理论[9-10]中相关的知识可知，由于电缆沟的截面积相对于整个电缆沟而言可以认为是很小的，因此可以对截面积做温度场分析（敷设截面积为1 m×1 m）。二维模型如图1所示；其中电缆选取8.7／15 kV YJV 1×400 的XLPE 电力电缆，允许工作温度为90℃。

图1 电缆沟敷设几何模型Fig.1 Geometric model of cable trench laying

1.2 电缆参数

电缆的各项参数如表1、表2所示。数值计算严格按照给定参数计算。

表1 电缆结构参数Tab.1 Cable structure parameters

表2 电缆敷设条件Tab.2 Cable laying conditions

1.3 温度场数学模型的建立

1.3.1 散热控制方程

1）对流微分方程：流体必定满足质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。对应的控制方程如下：

式中：▽为矢量微分算子符号；ρ为流体密度，Kg/m3；u为流体的绝对速度矢量，m/s；F为单位体积流体受到的体积力矢量；p为流场的压力，Pa；μ为流体动力黏度，Pa·s；Tf为流体温度，K；λ为流体的导热系数，W/（m·K）；cp为流体比热容，J/（kg·K）。

在自然对流散热过程中空气流体只受到重力和浮力作用，其力矢量表示为

式中：g为重力加速度，m/s2；β为体积膨胀系数，K-1；T为流体参考温度，K。

2）导热微分方程：

式中：λ为介质导热系数，W/（m·K）；Ts为介质温度，K；Q为介质单位体积发热率，J/m3。

3）辐射换热计算：辐射换热的控制方程如下：

式中：Q12为表面1和2之间的净换热量，W；σ0为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，W/（m2·K4）；ε1和ε2分别为表面1和2的发射率；X12为角系数；A1为表面1的面积，m2；T1和T2为表面1和2的绝对温度值，K。

考虑的几何模型中只包含电缆一个热源。各种损耗参数可以根据IEC60287标准进行计算[11-14]。

1.3.2 边界条件

1）流场边界条件：在不考虑有通风系统的情况下，空气自然对流边界条件可考虑速度为0。

2）温度场边界条件：温度场的边界条件主要包括边界温度恒定的恒温条件、边界法向热流密度恒定的法向热流条件、已知流体温度与流体对流散热系数的对流换热条件。各自边界条件的控制方程如下：

式中：T（x，y）为位于边界ω3上的点（x，y）的温度，K；λ为导热系数，W/（m·K）；n为边界法向量；qn为热流密度，W/m3；h为对流换热系数，W/（m2·K）；Tf为流体温度，K；ω1、ω2、ω3分别为第1、第2和第3类积分边界。

由以上2种条件结合已建立的电缆沟敷设几何模型可以确定计算模型的边界条件如图1所示。

电缆沟左右两侧取1.2 m为边界条件，电缆沟上侧取地表为边界条件，下侧取1.2 m为边界条件。

2 电缆温度场和载流量的计算分析

2.1 温度场及载流量计算

根据已确定的几何模型结合各个控制方程以及参数设置好求解域和相应的边界条件，应用COMSOL Multiphysics软件采用有限元三角单元自动网格划分法对求解域进行剖分。剖分图如图2所示。

图2 求解域剖分图Fig.2 The split map of solution domain

设置通过电缆的电流为250 A，整个边界条件内的温度场分布如图3所示。此时电缆的最高运行温度为342.501 K，小于该型电缆的允许工作温度。该型电缆的允许工作温度为90℃（即363 K），在电缆缆芯温度稳定在363 K时，采用双点弦截法计算出电缆的载流量为319.7 A。

图3 电缆温度场分布Fig.3 Cable temperature field distribution

2.2 载流量的影响因素分析

2.2.1 电缆沟深度对电缆载流量的影响

在电缆层间距不变的情况下，增大电缆沟的深度，电缆的载流量随电缆沟深度的变化如图4所示。

图4 电缆沟深度与电缆载流量的关系Fig.4 Relationship between cable trench depth and cable carrying capacity

由图4可以看出，随着电缆沟深度的增加，电缆的载流量逐渐增大。增加电缆沟的深度实际上是通过增大了电缆沟的截面积从而增加了沟内空气的流动，增强了电缆沟的散热。

2.2.2 电缆层间距对电缆载流量的影响

在电缆沟深度不变的情况下，增大电缆层的间距，电缆的载流量随电缆层间距的变化如图5所示。

图5 电缆层间距与电缆载流量之间的关系Fig.5 The relationship between cable spacing and cable carrying capacity

由图5可以看出，随着电缆层间距的增大，电缆载流量逐渐增大。增加电缆层的间距主要是减少电缆层之间的热交互，增强散热效果。

综上分析，增加电缆沟的深度和电缆层的间距都有利于电缆载流量的增长。因此在电缆敷设规划初期，可以考虑设计合适的电缆沟深度和电缆层间距，以提高电缆的载流量。

以上分析只考虑了自然对流的情况下电缆沟敷设电缆的温度场及载流量计算，在增加通风系统的情况下，电缆沟内的散热能力会大大增强。通风系统在电力线路敷设中应用非常广泛。接下来以综合管廊为例，介绍电缆隧道的通风系统。

3 电缆隧道通风系统研究

由于隧道属于半封闭场所，而电力电缆运行时都会散发一定的热量，所以电缆隧道需要通风，以保证这些热量能快速散失，从而保证电缆运行在合适的环境内，这不仅能保障电缆的安全运行，也可提高电缆的载流量[15]。

3.1 通风方式的选择

综合管廊，即共同沟；这种隧道敷设方式的通风选择较为灵活，以下介绍常用的几种通风方式：

自然通风的投资成本低，但是通风效果有限，因此对通风区及竖井的设置要求严格。自然通风的通风区长度较短，因此需要修建的进排风竖井较多，布置难度较大。

自然通风辅以无风管的诱导式通风方式对通风区的长度和竖井数量及位置的设置没有很大的限制，并且这种方式通风效果良好，但是初始投资的成本较高。

机械排风的通风效果好，排风区的距离长，竖井的数量少，但是需要安装的机械设备较多，投资成本较高。

综合考虑各种通风方式，选用自然进风和机械通风的方式，这种方式设备投资不高且通风效果较好。

3.2 通风系统的设计

3.2.1 通风区和防火区的划分

由于通风系统和防火系统配合联动，因此一般情况下防火区和通风区设置的位置相同。通风区长度一般不大于200 m，在每个通风区的一端会设置进风口。

3.2.2 通风量的确定

通风量须同时满足：①消除余热所需的风量；②消除余湿所需的风量；③最小换气次数所需的风量；④事故通风量。管廊内部断面风速小于1.5 m/s[16]。各类管道换气次数规定如表3所示。

表3 换气次数规定Tab.3 Ventilation requirements

3.2.3 通风系统设备及控制

综合管廊采用自然通风和机械排风的方式，常用的设备主要有：全自动防烟百叶窗、双速排风机、全自动排烟防火阀和止回阀等[17]。

由于综合管廊内各类公用类管线集中容纳于一体，因此整个通风系统需要和监控系统及消防系统配合联动[18]。监控系统检测各种数据信息是否正常，并实时调控通风系统，保证整个综合管廊内的环境处于正常水平[19]。

4 结语

本文以电缆为热源，以电缆沟敷设电缆为例对电缆的温度场和载流量进行计算分析。分析结果表明：正常情况下，电缆的缆芯温度是低于允许工作温度的，并且随着电缆沟沟深和电缆层距离的增大，电缆沟的散热能力增强，电缆的载流量增大，因此需要在考虑经济性的条件下，合理设计电缆沟的大小及电缆布置方式。以综合管廊为例，对电缆隧道的通风系统进行介绍，通风系统在设计过程中需要综合考虑隧道的实际散热需求、通风量、风速、通风设备等一系列因素，在满足要求的情况下，做到经济设计并能留有裕量；电缆的温度场、载流量以及通风系统等等一系列问题的研究，目的都是为了使电缆有一个良好的运行环境，在保障城市可靠供电的同时充分发挥电缆的输电能力提高电缆载流量，提高运行效益。

[1]张丽，鲁斌，夏凉.高压电缆线路与城市地下空间资源协调规划[J].华东电力，2011.39（8）：1304-1307.ZHANG Li，LU Bin，XIA Liang.High-voltage cable lines and urban underground space resources coordination planning[J].East China Electric Power，2011.39（8）：1304-1307（in Chinese）.

[2]李德强．综合管沟设计与施工[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009．

[3]张洪麟，唐军，陈伟根，等.基于有限元法的地下电缆群温度场及载流量的仿真计算[J]．高压电器，2010，46（2）：42-46．ZHANG Honglin，TANG Jun，CHEN Weigen，et al.A simulation oftemperature field and currentcarrying capacity of underground cable group based on finite element method[J].High Voltage Apparatus，2010，46（2）：42-46（in Chinese）.

[4]王有元，陈仁刚，陈伟根，等．电缆沟敷设方式下电缆载流量计算及其影响因素分析[J]．电力自动化设备，2010，30（11）：24-29．WANG Youyuan，CHEN Rengang，CHEN Weigen，et al.Calculation of cable carrying capacity under cable trench laying mode and its influencing factors[J].Electric Power Automation Equipment，2010，30（11）：24-29（in Chinese）.

[5]刘英，曹晓珑．电力电缆在线测温及载流量监测的研究进展与应用[J]．输配电技术，2007，4（11）：11-14．LIU Ying，CAO Xiaolong.Research progress and application of on-line temperature measurement and carrying capacity monitoring of power cable[J].Transmission and Distribution Technology，2007，4（11）：11-14（in Chinese）.

[6]冯海翔，淡淑恒．架空输电线路载流量计算方法的比较[J].电力与能源，2013，4（6）：571-574．FENG Haixiang，DAN Shuheng.Comparison of calculation methods for current carrying capacity of overhead transmission lines[J].Electricity Power and Energy，2013，4（6）：571-574（in Chinese）.

[7]冯伟．电力设备故障检测中的电场和热场计算[D].北京：华北电力大学，2015．

[8]杨永明．考虑空气流场影响的电缆散热研究及其影响因素与经济性分析[J].电力自动化设备，2013，10（1）：53-54．YANG Yongming.Study on the heat dissipation of the cable considering the influence of the air flow field and its influencing factorsand economic analysis[J].Electric Power Automation Equipment，2013，10 （1）：53-54（in Chinese）.

[9]陶文铨．数值传热学[M]．西安：西安交通大学出版社，2001.[10]杨世铭，陶文铨．传热学[M]．4版．北京：高等教育出版社，1998.

[11]IEC 60287-1电流额定值的计算，第1部分：电流额定方程（100%负载系数）和损耗计算[S].2006.

[12]IEC 60287-2电流额定值的计算，第2部分：热阻[S].2001.

[13]IEC 60287-3电流额定值的计算，第3部分：工作条件部分[S]，1999.

[14]李海新，张琪．综合管廊通风系统设计探讨 [J]．山西建筑，2015，41（34）：137-138.LI Haixin，ZHANG Qi.Discussion on design of ventilation system of integrated corridor[J].Shanxi Architecture，2015，41（34）：137-138（in Chinese）.

[15]李颖，王筝.电力隧道通风方案研究[J].华东电力.2011，39（12）：2117-2120.LI Ying，WANG Zheng.Study on Ventilation Scheme of Power Tunnel[J].East China Electric Power.2011，39（12）:2117-2120（in Chinese）.

[16]王建.GB 50838—2015城市综合管廊工程技术规范[S].上海：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，2015.

[17]陈只兵．综合管沟消防设计分析 [D]．广州:华南理工大学，2013．

[18]李坤，熊杨恒．直接空冷散热器出口热空气利用的可行性研究[J]．热力发电，2007（1）：8-11．LI Kun，XIONG Yangheng.Feasibility study on hot air utilization at direct outlet air radiator[J].Thermal Power Generation，2007（1）：8-11（in Chinese）.

[19]王恒栋，薛伟辰．综合管廊工程理论与实践[M]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

Study on the Thermal Environment of Cable Operation in Urban Corridors

LI Honglei1，YU Jinhua2，JIANG Xiaojuan3，XU Yongming4，BAO Hailong1
（1.The Electric Power Research Institute of State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200437，China;2.The Urban Power Supply Company of State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 200080，China；3.State Grid Shanghai Electric Power Maintenance Company，Shanghai 200063，China；4.Shanghai Electric Power Engineering Construction Supervision Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China）

The temperature field of the power cable is analyzed according to heat transfer，and the numerical model is established to solve the current-carrying capacity.In this paper，the geometric model of the cable temperature field is established and the relevant cable parameters are given.The influence of different factors on the cable carrying capacity is analyzed by calculating the temperature field and the carrying capacity of the cable.In addition，the paper also introduces the tunnel ventilation and its advantages and disadvantages，expounds the cable tunnel ventilation，wind speed，air volume selection and ventilation system operation control method.The results show that the temperature field and the carrying capacity of the cable are related to the structure of the cable trench and the arrangement of the cable in the groove.Through the cable tunnel and ventilation system reasonable design is conducive to improving the cable temperature field and current carrying capacity.

cable;temperature field;carrying capacity;tunnel ventilation;cooling

1674-3814（2017）07-0085-05

TM715

A

国家自然科学基金资助项目（51307104）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51307104）.

2017-01-25。

李红雷（1970—），男，博士，高工，主要研究方向为电缆运行及计算分析；

俞瑾华（1973—），女，硕士，高工，主要研究方向为电缆运维及检测技术；

蒋晓娟（1978—），女，高工，主要从事电网设备运维管理工作。

（编辑 张晓娟）