抽水蓄能电站高落差竖井环境下高压电缆敷设方案

赵瑞民

(特变电工山东鲁能泰山电缆有限公司， 新泰 271200)

0 引 言

随着“十四五”碳中和目标的提出，以新能源为主体的新型电力系统对储能也有了更多的需求，抽水蓄能电站是落实“碳达峰、碳中和”工作的重要一环。作为抽水蓄能电站重要的能量传输通道，越来越多的高压电缆也将应用于抽水蓄能领域，相关工程业务量将快速、持续增长。

同时，由于高压电缆单位质量大、单根线路长、敷设路径复杂，因此施工难度和工艺要求大大增加，尤其在抽水蓄能电站环境(线路长、高落差、线路复杂)下，对敷设质量和工期的要求变得更高。通过调研发现，目前国内外没有针对高落差连续敷设的系统研究[1]。因此，为方便抽水蓄能电站用高压电缆敷设安装，本工作设计了一种适用于高落差、大坡度、复杂线路的抽水蓄能电站用的敷设方案，为高落差竖井环境下高压电缆敷设提供解决方案。

1 水蓄能电站特点

1.1 布置特点

抽水蓄能电站通常为山体开挖的斜井或竖井，电缆两终端间落差较大(竖井最大落差约330 m；斜井最大坡度约37°)，敷设难度大，对电缆的机械性能、防滑脱性能、固定方式要求高。

1.2 现场运行维护的特点

(1) 高压电缆两端分别与气体绝缘变电站(GIS)连接，如遇到电缆故障，重型设备无法进入斜井或竖井中，检修和试验困难。

(2) 电缆投运后，如竖井段出现故障，操作人员不具备制作中间接头、快速消除故障的工作条件。

2 敷设施工要求及存在的问题

2.1 敷设施工要求

(1)电缆转弯处最小弯曲半径符合验收规范要求。电缆敷设允许最低温度符合厂家要求，厂家无特殊要求时，应符合验收规范规定的电缆。

(2)允许敷设最低温度0 ℃，低于此温度时应采取加热等措施。

(3)电缆穿孔时设专人监护，防止划伤电缆。

(4)支架下面两层应当放置聚乙烯(PE)波纹管防护，避免人员、电缆被碰伤。

(5)电缆就位时应轻放，严禁磕碰支架端部和其他尖锐硬物，调整蛇形波幅时，严禁使用有尖锐棱角的铁器。

(6)电缆敷设时，控制转弯处的侧压力应符合厂家的规定；无特殊规定时，不应大于3 kN·m-1。

(7)设专人看守转弯滑车两侧，防止电缆出现余量损伤电缆。每台输送机间需派专人随时调整滑车的位置，防止滑轮移动与翻转。

(8)电缆敷设完成后，对电缆外护套进行绝缘电阻测试和直流耐压试验，如试验未通过，应及时查找电缆外护套破损点，对外护套破损处进行绝缘密封处理，直至试验合格。

(9)标识每条电缆的线路名称，将相色带缠绕在电缆两端的明显位置,电缆线路名称及两端相色带应正确清晰，确保相位正确。

(10)电缆悬吊固定、引上固定过程中应多处固定，防止局部受力过大，损伤电缆。

(11)电缆敷设的位置、排列及固定，应正确、可靠、牢固、美观。

2.2 竖井上、下口出现电缆余量的问题

高压电缆在竖井敷设过程中，由于整个敷设线路较长，输送机数量较多，导致水平段和竖井段电缆输送机不能同步，但输送机在启动和停止时，竖井段电缆受到垂直向下的输送力，而水平段受到水平的输送力，导致竖井上口及下口会出现不同程度的电缆余量。

针对此问题，竖井上、下口派专人看守。竖井上口随时检查电缆侧压力，当观察到侧压力过大时，应该停止敷设，通过瞬时启停放线盘至竖井上口的输送机，输送少量电缆，减小竖井上口弯曲处的侧压力；竖井下口时刻观察电缆余量，一旦出现电缆余量过大，应立即停止敷设。通过瞬时启停竖井下口至最前端的输送机，输送少量电缆，减少竖井下口电缆余量。

3 高落差电缆敷设关键措施

传统高压电缆竖井高落差敷设通常利用高压电缆自身向下的重力前行，在上井口利用卷扬机的拖拽为高压电缆提供制动力。此方法大约在100 m深的竖井内极为危险，若卷扬机的钢丝绳一旦滑脱出电缆，将造成较大的质量事故。为减少这一敷设风险，确保高压电缆在高落差竖井内的顺利敷设，本方案全线采用大功率输送机，在竖井内布置多台输送机，为电缆提供充足的制动力，确保敷设安全进行。

3.1 输送机在整个线路的布置

通过受力计算，得出整个线路上所需输送机的数量。竖井内的输送机排布一般会选择不小于2倍的安全系数，一般10～15 m设置一台JSD-8规格的输送机，为高压电缆提供足够的制动力。另外，所有输送机必须保持同步，整个线路需畅通，保证所有输送机同时启动及停止。输送机布置示意图[2]见图1。

图1 输送机布置示意图

3.2 竖井内输送机受力计算[3]

按最大规格输送机考虑,每台输送机需要承受8 kN的推力，用4-M12的膨胀螺栓与侧墙固定，竖井内输送机与固定架通过4-M12螺栓连接，固定架采用8-M12的膨胀螺栓固定，输送机在竖井内的固定情况见图2。其中，两侧回路固定架为减轻竖井预制楼板压力，用膨胀螺栓将其固定在侧面墙上，固定架仅底部的表面与楼板相接触，整个固定架的压力转移到侧面墙上。电缆总质量的计算公式如下：

图2 输送机在竖井内的固定情况

(1)

式中：G电缆为电缆总质量；G为电缆每米的质量，取25 kg·m-1；N为输送机跨距，约为10 m。

单个输送机最大受力计算公式如下：

F=(G输送机+G电缆+G固定)×g=600 kg×10 m·s-2=6 kN

(2)

式中：F为单位个输送机最大受力，kN；G输送机为电缆输送机质量，取270 kg；G固定为电缆输送机固定架质量，取80 kg(支架加工厂家提供);g为重力加速度，取10 m·s-2。

敷设时由于输送机系统为匀速状态，输送力和电缆的重力受力平衡，大小相等，方向相反，故单个输送机最大受力为F=6 kN。

输送机固定支架受力校核：

F总剪=4×F剪1=4×13.44 kN=53.76 kN>F

(3)

式中:F总剪为所有螺栓可承受的总剪切力，kN;F剪1为单个M12连接螺栓可承受的剪切力；查询《钢结构设计规范》，取值为13.44 kN。

3.3 竖井顶部进线口电缆固定措施

电缆由水平段进入竖井段，由于弯曲程度过大，在不加任何防范措施的情况下，电缆因弯曲将承受较大的侧压力，当该侧压力过大时(《城市电力电缆线路设计技术规定》中要求电缆外护层最大侧压力不得大于3 kN)，将对电缆造成一定程度的损坏，无法满足电气性能。为减小此处电缆所承受的侧压力，通过增加导辊的数量来增加与电缆的接触面积，将侧压力分散至更多的区域。另外，通过增大弯曲半径，也能够大大减小其侧压力(牵引力不变的情况下，侧压力与电缆弯曲半径成反比)，其弯曲时受力示意图[4]见图3，侧压力计算式见式(4)。水平段入竖井处电缆防护情况见图4。

图3 电缆受力示意图

图4 水平段入竖井处电缆防护情况

侧压力计算式为

P=T/R

(4)

式中：P为侧压力，N·m-1；T为电缆牵引力,N；R为电缆弯曲半径,m。

3.4 竖井段电缆上架固定措施

(1)首先制作焊接宽度为500 mm的梯架，梯架悬搭在竖井内侧部位墙壁电缆支架上，梯架边柱是30×50的矩形方钢，短横撑是30×40的矩形方钢，整体采用双面焊接，焊缝连接牢靠。

(2)上架操作人员佩戴五点式双挂点安全带，分别悬挂，安全带挂点与安装在混凝土横梁上带有防坠器的钢绳索进行连接，一旦人员发生滑落情况，防坠器立即动作，锁定钢索。安全带在有效安全距离内保护操作人员防坠。

竖井电缆上架顺序为从竖井底部开始，3人配合进行安装，3人首先系好安全带，并把保险绳挂好，同时连接好防坠器，具备登梯的安全条件。竖井上架人员的安全防护示意图见图5。

图5 竖井上架人员安全防护示意图

(3)根据电缆固定的实际情况，协助人员通知主控，进行电缆弧度调整，调整到位后，上架人员进行梯架搭设工作，首先将梯架前端的挂钩与电缆支架搭接牢固，操作人员登梯后，再用绳索把梯架与电缆支架捆绑牢固，梯架底部用钢管贴紧，并利用顶丝顶在两侧墙壁上，将钢管牢牢固定，防止梯架滑动。竖井梯架安装示意图见图6。

图6 竖井梯架安装示意图

(4)另两人在平台上协助，进行底座安装，完成后，登梯人员利用倒链把电缆打入电缆夹具底座内，调整好底座角度，进行夹具紧固，完成电缆固定工作。最后拆除梯台，进入下一层安装。

工作过程中，施工人员应将扳手等工具牢固绑扎在手腕上，防止工具脱手坠落。竖井底部第一层平台，用防护板做好隔离防护，防止物体坠落，伤及井口下人员和电缆。上架人员施工层的上一层，用防护板做好隔离，防止有物体坠落伤及上架人员。

4 结束语

本工作采取的施工方案已在多个抽水蓄能电站高压电缆敷设中成功应用，人员配合顺畅，各司其职，每根电缆敷设时间由3 d缩短至1 d，每回路总工期也由9 d缩短为3 d；整个电缆敷设过程除第一根高压电缆有轻微划伤外，后续电缆敷设几乎均无损伤，根据现场统计，设备故障率由原来的50%降低至10%。本方案克服了施工环境艰苦、工期紧、施工难度大等因素，高效、安全地完成敷设安装工作，可应用于抽水蓄能电站和类似的高落差高压电缆敷设安装工程中。