大段长高压电缆敷设固定方法研究

国网江苏省电力有限公司无锡供电公司 浦仕亮 卞 栋 齐金龙

高压电缆接头是电缆线路最薄弱的环节之一，传统电缆单段长度有限，长距离敷设中间接头过多，导致电缆故障率很高。为减少电缆接头数量过多带来的安全隐患，近些年来大段长电缆得到了越来越广泛的应用。

传统电缆在敷设固定时主要依据电力工程电缆设计标准中的敷设跨距及固定部位来进行，然而大段长电缆敷设过程中会产生较大的热膨胀力与短路电动力。导体温升会导致电缆线路热膨胀，当热膨胀力足够大时，电缆线路接头、终端、金属护层及电缆附属设施可能被损坏，引发电缆线路运行故障。大段长高压电缆线路热膨胀现象尤为严重。短路电动力是指在电力系统发生短路故障时，由于短路电流的作用在电缆相间产生的电磁感应力。当短路电流过大，产生的感应电动力会对电路造成巨大冲击。由于短路电动力大小与电缆长度呈正相关，电缆长度越长短路电动力越大，大段长电缆在短路情况下会产生较大的短路电动力。因此针对大段长电缆线路敷设固定，应当充分考虑热膨胀力与短路电动力的影响。

查传忠等人提出了高压电缆刚性固定和挠性固定的要求和方法，解析了高压电缆固定敷设最小弯曲半径、刚性固定距离、蛇形敷设间距及初始偏距的合理选取[1]；赵志栋等人提出了电力电缆在电力隧道内采取蛇形敷设方式是解决其因负荷、隧道环境等因素引起温度变化而产生热应力的有效方式，而专用蛇形弯曲工具的研制使得电缆在进行蛇形敷设施工过程中有单位面积受力小、受力情况实时可控[2]。目前国内外尚缺乏针对大段长高压电缆因短路电动力与热膨胀力导致的电缆敷设与固定方法研究，有待进一步深入探究。

1 大段长高压电缆热膨胀力与短路电动力研究

1.1 电缆敷设模型建立

仿真模型的建立。电缆采用蛇形敷设可显著减小运行过程中的热膨胀力，有利于电缆线路安全运行。本文电缆蛇形敷设模型如图1示。其中L为半蛇形长度，B为蛇形弧幅，n为受热膨胀侧向滑移量。本文220kV交联聚乙烯电缆模型的仿真参数设置及外径为：铜导体电阻率2.8×10-8Ω·m、60.4mm；XLPE绝缘相对介电常数2.3、128mm；金属铝护层电阻率2.1×10-8Ω·m、149mm；外护套相对介电常数3、159mm。

图1 电缆蛇形敷设模型图

1.2 电缆线路热膨胀力

热伸缩量的计算：电缆线路轴向热膨胀量的工程计算为m=αtL，式中，m为电缆线路热膨胀量，mm；t为电缆线路导体温升，℃；L为蛇形长度的1/2，mm；α为电缆线路热膨胀系数，1/℃。热伸缩量的详细计算如下：当时，热伸缩量m的计算公式为时，m的计算公式为式中：t为导体的温升，℃；α为电缆的热膨胀系数，1/℃；L为电缆长度，mm；μ为摩擦系数；W为电缆单位长度的重量，N/mm；f为电缆的反作用力，N；A为导体截面，mm2；E为电缆的杨氏模量，N/mm2。

轴向伸缩推力的计算：针对水平敷设的电缆线路，当导体温度下降时其蛇形弧轴向力Fh1，按式理论计算；当导体温度上升时，其蛇形弧轴向力Fh2按式理论计算。针对垂直敷设的电缆线路，当导体温度下降时，其蛇形弧轴向力Fv1按式理论计算；当导体温度上升时，其蛇形弧轴向力Fv2按式理论计算。侧向滑移量的计算：蛇形弧侧向滑移量n按照式理论计算。

以上几个公式中，θ为电缆导体温升，℃；B为蛇形弧幅，mm；m为电缆热伸缩量，mm；L为蛇形长度的1/2，mm；α为电缆线路线性膨胀系数，1/℃；μ为电缆摩擦系数；W为电缆线路单位重量，N/mm；N为电缆幅向滑移量，mm；E1为电缆抗弯刚性，N/mm2。

1.3 电缆线路短路电动力

电力系统最大短路电动力应采用短路电流最大瞬时值进行计算，即短路冲击电流。短路电流的最大瞬时值出现在短路发生后半个周期时，即t=0.01s时，最大短路冲击电流ish为：

其中Ipm为短路电流周期分量幅值，Ksh为短路电流冲击系数。此时相短路电动力也达到最大值，短路电动力为，式中，l为平行导线之间的距离，m；a为两导体中心距，m；Kf为导体截面形状系数[3]。

2 大段长高压电缆敷设影响因素与固定方法

大段长电缆运行过程中会受到更大的热膨胀力与短路电动力，这对电缆固定方式提出了更高要求，传统固定方法难以满足大段长电缆安全固定需要。因此需结合短路电动力与热膨胀力提出适用于大段长高压电缆的敷设固定方法[4]。首先通过热膨胀计算确定电缆热膨胀量、轴向伸缩推力和横向滑移量，然后通过计算确定最大短路电动力，最后确定电缆敷设固定方法。

2.1 电缆热膨胀因素对电缆敷设的影响

研究电缆热膨胀因素对电缆敷设的影响，对合理进行电缆线路敷设固定有着重要的意义。下面以截面为2500mm2的220kV的电缆蛇形敷设为例，分别计算分析各个因素的影响。

蛇形弧幅与轴向力和横向滑移量的关系分别如图2、图3。随着蛇形弧幅B的增加，电缆横向滑移量和蛇形轴向力越来越小。因此在蛇形敷设时，提高蛇形弧幅可有效降低电缆因热膨胀引起的轴向力，保护电缆线路安全稳定运行；蛇形长度与轴向力和横向滑移量的关系分别如图4、图5，随着蛇形长度L的增加其横向滑移量增大、蛇形轴向力变小。因此在设计隧道蛇形敷设时，应综合考虑横向滑移量和蛇形轴向力，选择合适的蛇形长度。

图2 不同L时蛇形弧幅B和轴向力F关系

图3 蛇形弧幅与横向滑移量的关系

图4 蛇形长度对电缆蛇形轴向力的影响

图5 蛇形长度与横向滑移量的关系

2.2 电缆敷设装置参数与固定方法

蛇形敷设电缆采用挠性固定，由以上分析得到电缆热膨胀量m、轴向伸缩力F1～F4、横向滑移量n、短路电动力Fsh，设固定夹具强度为FN、半蛇形为L，以下将由上述参数确定大段长电缆固定方法：

（热机械力释放装置参数设置（考虑10%安全裕度）：伸缩装置。伸缩节伸缩量L1≥1.1m；横向滑移装置。横向允许滑移范围L2≥1.1n。

3 结语

大段长电缆运行过程中会受到更大的热膨胀力与短路电动力，这对电缆固定方式提出了更高要求，大段长高压电缆的敷设固定方法需同时结合短路电动力与热膨胀力进行考虑；对于蛇形敷设时，增大蛇形弧幅其轴向力可大幅降低。蛇形长度增加时电缆的轴向力减小，但横向滑移量增大，因此蛇形长度选取时应综合考虑这两个因素；通过对短路电动力及热膨胀力的计算，得到了大段长高压电缆敷设固定方法，确定了热机械力释放装置参数设置与夹具数量位置。对大段长电缆敷设提供理论指导。