桥载高压电缆“品字形”敷设对钢梁电磁影响研究

杜默 雷鸣 吴越文

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050）

0.引言

电缆过桥技术是当前电网规划采用的重要手段，先后在杨浦大桥、东海大桥、东平大桥、上海长江大桥成功搭载了110kV、220kV 高压电缆[1]。而针对高压电缆—钢桥梁体系（简称HSS）相关的分析与研究较少，已知有220kV 高压电缆水平“一字形”敷设对已实施工程案例钢桁梁桥体的研究，并结合有限元建模，综合研究了磁滞、涡流等效应影响，最后基于仿真参数分析了HSS 系统的温升及感应电流洛伦兹力对钢结构桥梁及附属的影响。本文从“品字形”[2]电缆敷设角度，补充研究对钢桁混合梁的影响。

1.建立HSS 仿真模型

本文建立的HSS 仿真模型与现有研究有所区别，现有研究通常针对常规钢桁梁，本实验以钢桁混合梁为研究对象。相比常规钢桁梁，混合梁在上层桥面大型横向连接钢结构更多，由此带来的磁滞、涡流等效应会更加显著，因此有必要进一步研究。

在对高压电缆—钢桁混合梁体系（仍称HSS）的有限元建模中，它仍为周期重复结构，故亦搭建标准单元模型来分析。

实 验 中 采 用2500mm2的ZC-YJLW03-Z 127/220kV型电缆，空气中的载流量为2249A。

2.钢桁混合梁桥体的模型电磁场分析

根据Maxwell 方程组推导，在有电流密度的区域（包括涡流区域），可采用直接计算的方法：

该工程敷设的220kV 电缆采用铜芯铝护套交联聚乙烯电缆，当交流电流流过电缆时，电缆周围变化的磁场会在外部导体内感应出电流。电缆接触支架采用的不锈钢，涡流损耗小；电缆吊架和钢桁梁结构使用的Q370qd 钢材为软磁材料，其磁滞回线形状细长、包围面积较小，磁滞损耗相对较小。因此钢桁和吊架的损耗以涡损为主[3]。

涡流损耗如下：

磁滞损耗为：

图1 桥体断面磁感应强度分布情况（I=2249A）

图1 可看出，由于电缆支架材质为不锈钢材质，其相对磁导率接近于1，故尽管其最靠近电缆，磁感应强度却不高，相应地感应涡流不大，涡流损耗较低[4]。另外，该材质不具备磁滞效应，也避免了磁滞损耗的产生。而电缆吊架和钢桁梁均为Q370qd 材质，且吊架和路面靠近吊架部分的桁架构成闭合磁路，感应磁场较为集中。

3.电缆不同相序排列方式的影响分析

不同的电缆布置方式（敷设方式、同回路相线的排列方式）产生磁场分布差异甚大。通过对差异进行分析，找到对外影响最大的情形，从而确定钢梁的风险部位。另外，如图2 所示，随着电流的不断增大，铁磁材料上的磁感应强度和感应电流密度也随之不断增大。为了对极端情况进行分析，本节分析中电缆中的载流量均选取空气中最大载流量2249A，上下层电缆各相排列方式如表1 所示。

表1 电缆相序排列布置示意

收稿日期：2020-10-08

作者简介：杜默（1987—），男，湖北襄阳人，硕士，工程师（中级），研究方向：桥隧机电系统、防雷接地系统、照明系统等科研、设计。

在梁断面上以路中心为X 轴零点，在向电缆所在侧路边延伸的线段上测量磁场的分布情况。

图2 不同相序排列下HSS单元损耗

仿真“品字形”敷设的6 种相序排列方式下磁感应强度分布情况，单元模型的损耗对比如图2。品字形敷设同回路电缆各相线在空间上分布对称，各相线产生的磁场会相互抵消。布置方式1 由于上下两回电缆的相序排列方式一致，因此对于外界来说是由两个相同的电磁场源共同作用，而其他布置方式则当相于两个有一定相角差的电磁场源共同作用，因此对外辐射的电磁场会相互抵消。体现在损耗上即为布置方式1 的损耗最大。

4.感应电流对HSS 影响

4.1 磁感应强度分布

图3 钢桁混合梁单元磁感应强度分布

如图3 所示，由于钢桁混合梁的结构特点，电缆产生的磁场更为聚集，从一侧电缆吊杆进入钢桁梁部分的磁场，大部分被底板和腹板的加劲肋聚集，从另一侧吊杆回流回至吊架。

4.2 涡流、磁滞损耗及温升影响

图4 钢桁混合梁涡流损耗分布

根据图4 仿真结果，极端场景下钢桁梁和电缆吊架的磁滞损耗分布情况如下：

表2 钢桁梁和电缆吊架的平均损耗

利用ANSYS 的多物理耦合场仿真损耗引起的温升分布情况如图5 所示。

图5 损耗引起的温升分布情况

在满足对流和辐射边界条件下[5]，计算钢结构外表面的模拟温升情况，最大温升值仅为0.088℃，该影响对于钢结构而言基本可以忽略。

4.3 磁场力影响

根据电磁场在整个钢桁混合梁体系的分布情况，可以得出电缆吊架所受电磁场影响最大，结合洛伦兹力定律，分别计算涡流场中电缆吊架所受的时间平均直流力FDC、交流力FAC 和瞬时力FINST，其表达式为：

表3 电缆桥架的感应受力情况

电缆吊架的平均感应受力情况如表3 所示，以《钢制电缆桥架工程技术规程》[6]中对电缆支架的强度有相关规定为标准，电缆吊架荷载标准均远大于感应力，因此感应力对吊架的影响亦可忽略。

5.结语

在钢桁混合梁按“品字形”敷设大截面220kV 高压电缆时，即便在极端场景下，电磁效应所产生的磁滞损耗、涡流损耗及其所带来的温升和受力影响均微乎其微，HSS 兼容性良好。与“一字形”敷设相比，尽管电磁环境更不利，却得到更好的指标，也印证了“品字形”敷设的确实具备更好的优越性。

对桥梁工程意义而言，“品字形”敷设显著优势是缩小了横向空间占用，节省宝贵的桥上空间。当然，选择何种敷设型式实际还受限于综合荷载、桥区环境乃至敷设难度等一系列控制因素，需要更加周全的综合评价。