核电厂电缆桥架超容问题的分析与处理

杜宗阳

(江苏核电有限公司,江苏 连云港 222000)

电缆桥架是用于敷设电缆的重要刚性结构，由桥架、支吊架、连接片以及紧固螺栓等附件构成，按照桥架的结构类型差异，电缆桥架主要可以分为槽式桥架和梯式桥架两类。核电厂电缆数量非常多，受电缆桥架设计及电缆敷设设计不合理、电缆施工管理不到位等因素影响，电缆桥架极其容易出现超容现象，因超容溢出电缆桥架的电缆不能得到较好的保护，控制电缆电磁屏蔽性能可能受到影响，在严重超容时可能导致地震条件下电缆桥架难以承受自身及所承载电缆的荷载，出现变形、弯折，甚至倒塌等严重问题[1]。

1 出现的电缆桥架超容问题

田湾核电3、4号机组采用俄罗斯VVER AES-91型压水堆核电机组，两台机组电缆总数量约8.7万根，电缆设计总长度约6000 km。由于此类型核电机组电缆量非常大，电缆序列多且空间紧张，易出现电缆桥架超容问题。在田湾核电3号机组建设阶段，核岛厂房部分电缆桥架曾出现超容现象，一部分电缆溢出电缆桥架，典型情况见图1。

图1 电缆桥架超容示例Fig.1 Example of overfilled cable tray

按照VVER核电机组电缆及电缆桥架设计规划情况，1～4序列电缆桥架为1E级电缆桥架，用于敷设安全系统电力、控制及测量电缆；5、6序列电缆桥架为非1E级电缆桥架，用于敷设非安全系统电力、控制及测量电缆。这些电缆桥架在保证电厂电力供应、控制信号传输及机组安全稳定运行方面起到重要作用，对于出现超容现象的电缆桥架，需要进行分析评估并进行必要的处理，以免电缆桥架承载力出现问题。

2 电缆桥架超容原因分析

经现场全面排查田湾核电3号机组电缆桥架布置电缆情况,发现梯式桥架基本不存在超容问题，存在超容现象的主要为核岛厂房槽式电缆桥架。为了准确判断电缆桥架超容现象的产生原因，从电缆桥架填充率要求、电缆桥架及电缆敷设设计、电缆施工、电缆制造等方面进行了分析。

2.1 电缆桥架填充率要求分析

根据VVER核电机组电缆敷设技术要求，对于单层敷设电缆的电缆桥架，电缆桥架填充率为电缆桥架内所有电缆外径之和与电缆桥架宽度之比；对于多层敷设电缆的电缆桥架，电缆桥架填充率为电缆桥架内所有电缆的总截面积(电缆截面积按照直径的平方考虑)与电缆桥架横截面积之比。根据俄罗斯标准法规要求和电缆敷设工程经验，VVER核电机组电缆敷设技术要求规定：对于单层敷设且电缆间距不小于电缆外径的电缆桥架，电缆桥架允许填充率Emax=50%；对于单层无间距敷设电缆的电缆桥架，Emax=95%；对于多层敷设电缆的电缆桥架，桥架允许填充率70%，按照电缆实际截面积进行折算，Emax≈55%。以上VVER机型电缆桥架填充率设计要求与GB 50054—2011《低压配电设计规范》[2]等中国标准规范规定的电缆敷设要求基本一致。在不同的敷设形式下，VVER核电机组电缆桥架的实际填充率的计算方法见表1。

表1 VVER核电厂电缆桥架填充率计算方法Table 1 Calculation method of the filling rate for cable trays of VVER NPP

注：d为电缆外径，L为桥架宽度，S为槽式桥架截面积，E为桥架填充率。

2.2 电缆桥架超容的设计原因分析

在发现电缆桥架出现超容现象时，田湾核电3号机组正处于电缆敷设施工阶段，仍有较多电缆尚未敷设。为了准确判断电缆桥架出现超容的原因，结合电缆敷设设计数据对电缆桥架设计填充率进行了整体分析计算,经分析发现核岛厂房存在部分槽式电缆桥架的设计填充率超出了允许填充率55%，个别槽式电缆桥架的设计填充率达到了90%。以图1中出现超容现象的电缆桥架31UJZ044B25为例，依据电缆敷设设计数据进行了分析，第一层槽式电缆桥架横截面积为40 000 mm2，而设计的电缆总截面积为27 458.1 mm2，电缆桥架的设计填充率为72.65%，超出了多层敷设电缆的桥架的允许填充率55%，而另外几层桥架的设计填充率都满足要求，分析情况与现场桥架超容情况基本相符，具体分析情况见表2。

表2 电缆桥架31UJZ044B25设计填充率分析Table 2 Analysis of the design filling rate for cables tray 31UJZ044B25

对于核岛厂房部分电缆桥架设计填充率超出允许填充率事宜，电缆敷设设计人员进行了澄清，认为在VVER机型核电机组电缆桥架允许填充率Emax主要用于设计电缆路径时在电缆敷设软件中约束软件自动选取电缆路径，由于VVER机型核电机组电缆量非常大，在局部空间紧张的位置，电缆桥架的实际填充率允许并可能会超过上述规定的填充率。设计人员的解释符合VVER核电机组电缆布置的实际情况，但根据设计数据及现场情况分析认为在设计方面仍有一定优化空间，可以通过增加电缆桥架层数、调整电缆敷设路径等方式来减缓，甚至避免电缆桥架出现超容问题。此外，由于输入数据错误、电缆设计错误等原因造成较多电缆设计文件变更，对现场电缆敷设施工管理也造成了一些困扰。分析认为设计原因是部分电缆桥架出现超容现象的一个重要因素。

2.3 电缆施工原因分析

按照设计数据分析结果，电缆桥架31UJZ044B25第一层电缆桥架的设计填充率为72.65%，超过了槽式桥架允许填充率55%，理论上电缆会铺满电缆桥架并溢出一部分，但现场检查发现实际电缆溢出电缆桥架的程度远大于电缆设计超容程度。通过检查发现其他出现超容现象的电缆桥架也部分存在类似电缆溢出桥架的程度超过电缆设计填充程度的情况，分析认为还存在其他因素导致电缆桥架出现超容情况。通过对出现超容的电缆桥架所敷设的电缆进行现场检查、查询电缆敷设记录，发现存在以下问题：

1)施工单位将部分用于临时供电的电缆布置在电缆桥架上，但在使用完毕后未抽出，额外占用了一部分电缆桥架空间；

2)部分电缆现场已敷设完成，但设计院发布了电缆设计变更，且部分电缆设计变更发布不及时，施工单位未能及时抽出作废的电缆，导致作废电缆被其他电缆覆盖后难以抽出，占用了一部分电缆桥架空间；

3)部分电缆已发布设计变更，但施工单位仍按照作废的设计文件进行施工，且电缆被后敷设的电缆覆盖后难以抽出，施工单位按照最新设计文件再次进行了电缆敷设，未抽出的作废电缆额外占用了一部分电缆桥架空间；

4)在敷设电缆时，施工单位未对电缆在桥架上的布置位置进行规划，电缆敷设施工时未及时进行整理、绑扎，导致较多电缆出现交叉布置，电缆交叉布置和由于交叉布置引起的空隙区域额外占据较多空间，加剧了电缆桥架的超容现象。

此外，根据设计授权，为了便于电缆敷设施工工作，保证电缆在电缆桥架上的平滑过渡，在满足电磁兼容、电缆桥架不过载不超容的情况下，允许施工单局部调整电缆路径、或调整电缆在桥架上的层数，但施工单位在局部调整电缆路径时未按照设计授权要求评估并避免增加电缆对电缆桥架的影响。经分析评估认为电缆施工及施工管理原因也是导致部分电缆桥架出现超容现象的一个重要因素。

2.4 电缆制造原因分析

设计人员在进行电缆敷设设计时，采用的电缆外径数据是电缆厂家在提交设备接口资料时提供的，如果电缆实际制造时的电缆外径大于通过设备接口资料提交给设计院的电缆外径，会导致实际电缆敷设施工时电缆占用桥架空间超过设计人员分配的空间，在一定程度上加剧电缆桥架的超容现象。经核对电缆厂家最新资料，并在现场对不同厂家生产的各类型电缆的外径进行了抽检，确认电缆外径实测值基本都小于设备接口数据中的电缆外径数据，可以排除电缆设备接口资料提交及制造原因对电缆桥架超容的影响。

通过以上分析，可以确定电缆及电缆桥架设计、电缆敷设施工管理是造成田湾核电3、4号机组电缆桥架出现超容现象的主要原因。

3 电缆桥架承载能力分析

存在超容的电缆桥架主要分布在核岛厂房，这些电缆桥架采用加强型电缆桥架，按照抗震I类设计，力学性能良好。根据电缆桥架抗震性能分析及试验报告，电缆桥架按照承载电缆1500 N/m(约153 kg/m)并考虑短时上人的临时集中荷载900N进行抗震分析及试验，在支架间距为1.5 m即可满足抗震要求。田湾核电3、4号机组核岛电缆桥架支架设计间距为1 m，远小于电缆桥架抗震性能分析及试验报告要求的1.5 m间距，大幅提升了电缆桥架的承重能力，电缆桥架承载电缆的能力远大于153 kg/m。此外，按照图2电缆桥架厂家提供的电缆桥架允许均布载荷及变形量曲线，以核岛厂房大量使用的主要槽式桥架(帮高H为100 mm,板厚2.5 mm)为例，在电缆桥架支架间距为1.5 m的情况下，桥架的承重能力约为205 kg/m，而在支架间距为1 m的情况下，桥架的承重能力可以达到约270 kg/m。

图2 电缆桥架允许均布载荷及变形量曲线Fig.2 Allowable distributed load and deflection curve of cable trays

根据电缆桥架抗震性能分析及试验、电缆桥架允许均布载荷及变形量曲线以及电缆敷设设计数据分析情况，即使在桥架满载，电缆的重量远低于电缆桥架抗震性能分析及试验时考虑的电缆负载重量，也远低于电缆桥架允许均布载荷及变形量曲线中支架间距为1 m时的电缆桥架承重能力。以图1中出现超容的槽式桥架(宽度400 mm，侧帮高100 mm，板厚2.5 mm)为例：按照设计数据，电缆桥架设计填充率已达到72.65%，超过允许填充率55%，而实际设计的电缆总重量约为52 kg/m，远低于电缆桥架抗震性能分析及试验时使用的负载重量153 kg/m，也远低于电缆桥架允许均布载荷及变形量曲线中支架间距为1 m时的电缆桥架允许承重能力270 kg/m。

根据分析结果，对于常用的宽度为400 mm、500 mm，侧帮高度为100 mm、150 mm、200 mm槽式桥架设计填充率即使超过允许填充率两倍，电缆桥架也不会出现承重方面的问题，对于小截面的电缆桥架更不存在承重方面的问题。经全面核查设计数据，出现超容的电缆桥架设计填充率一般介于55%至80%之间，最严重的约为90%，也就是说，虽然电缆桥架出现超容情况，但是实际电缆桥架承载电缆的重量的远远低于电缆桥架的承重能力，电缆桥架不存在承重方面的问题。

4 超容电缆桥架的处理

对于通过设计数据排查发现的电缆桥架设计超容问题，通过协调设计院发布设计变更来增加电缆桥架层数、更换大尺寸的电缆桥架或调整电缆路径等方式来解决，优先从设计角度减少电缆桥架超容问题。然而，在电缆廊道、电缆夹层等电缆和电缆桥架密集的地方，受现场条件制约，难以通过增加电缆桥架、更换大尺寸电缆桥架、调整电缆路径等方式来避免电缆桥架超容。此外，现场部分电缆桥架已敷设了较多电缆，已出现超容情况，也难以对电缆桥架及电缆路径进行调整。

对于难以通过增加或更换电缆桥架、调整电缆路径等方式来避免超容的电缆桥架，在分析确认承载能力不存在问题的前提下，为了对电缆实体进行保护，并降低对已敷设电缆及电缆桥架的影响，采用增加电缆桥架侧帮帮高来解决超容问题，具体增加电缆桥架帮高的方案详见图3。

图3 增加槽式电缆桥架侧帮高度方案Fig.3 Increasing the height of the side wall of the cable tray

5 提出的管理措施

为了减少电缆桥架超容情况的出现，避免因超容问题造成电缆敷设困难、电缆桥架出现变形、弯折等问题，结合电缆桥架超容的原因，需要加强对电缆桥架、电缆敷设设计及施工的管理。在田湾核电3、4号机组建设工程中创新实施了以下几点管理措施：

(1)加强对外部输入电缆设计数据、设备接口数据质量、提交进度的监督和审查，避免因设计输入数据提交不及时影响设计人员对电缆桥架及电缆路径的设计规划，减少因电缆设计数据质量问题造成电缆频繁设计变更及重复施工问题。

(2)监督电缆敷设设计人员合理规划电缆桥架分配及电缆路径设计，在电缆量较大的位置适当多设置几层电缆桥架并优先选用大规格尺寸的电缆桥架；严格控制电缆桥架设计填充率，在设计填充率超过允许填充率时，应采取调整电缆路径或增加电缆桥架等改进措施，减少设计原因导致电缆桥架出现超容情况。

(3)协调电缆敷设设计人员在电缆设计调整后及时发布设计变更，并在第一时间将电缆变化情况反馈给施工部门执行，避免设计变更发布不及时对电缆施工及电缆桥架造成影响；每周将电缆施工数据反馈给设计院，协调设计人员尽可能不对已施工的电缆进行设计变更，避免作废电缆难以抽出占用电缆桥架空间。

(4)组织施工单位在进行电缆敷设施工前结合电缆走向、电缆桥架布置情况对电缆在电缆桥架上的敷设位置进行规划，减少电缆在桥架上的交叉布置，对敷设的电缆进行绑扎、整理，避免由于电缆现场施工布置问题造成桥架超容。

(5)组织施工单位加强对临时电缆和作废电缆的管理，避免临时电缆和作废电缆占用电缆桥架空间。对于占用电缆桥架进行敷设的临时电缆，宜选用电缆设计量少且易于回收的电缆桥架进行临时布置，在不使用时应及时回收；对于已敷设但存在设计变更的电缆，如果不能继续使用，应判定为作废电缆并及时抽出回收。

6 结束语

由于核电厂电缆数量较多、电缆路径复杂，受设计、施工等环节多种因素影响，容易出现电缆桥架超容问题，可能影响电缆桥架的承载能力。本文对田湾核电3、4号机组建设阶段出现的电缆桥架超容问题进行了分析和总结，查找出电缆桥架出现超容现象的原因，制定了解决方案，并提出了一些适当的管理措施，对于电缆桥架超容问题的具体分析方法和处理措施可为同行电厂类似问题的分析和处理提供参考。