综合管廊内高压电缆蛇形敷设的研究

国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司 惠 炜 许吉强 许 欢 胡晓青 鲁玉普

1 引言

近些年，我国城市化进程不断加速，为了节省更多的土地资源，增强城市抵御自然灾害的能力，各地纷纷建设了综合管廊，有效解决了过去超高压电缆架空线路占地面积较大、后期维护困难高及影响市容等问题。现如今，区域电力负荷持续增大，特别是超高压电缆，导体截面积显现出持续扩增的态势；当外界环境温度或负荷电流显著改变时，由于线芯温度随之变化出现热胀冷缩而产生了较大的轴向力，并且电缆导体截面越大时，其生成的轴向力越大，如果不能及时进行规范化处理，将会直接威胁电力线路的运行安全。

当前常用的应对办法是蛇形敷设电缆以释放其内部的机械力，如果相毗邻的两个蛇形外形完全对称，在导体温度变化的工况下，两个电缆生成的蛇形轴向力值大小一致、方向相逆，接点位置承受的合力是零。但现场施工时在多种因素的作用下难免产生误差，以致邻近的两个蛇形电缆外形不对称，在这样的工况中节点位置会形成轴向力差，一旦轴向力差高于设计范围最大值时，电缆支架就会出现不同程度的摆动现象，严重时会使电缆局部出现严重破损问题或支架剥脱[1]。本文以电缆蛇形敷设作为论点，总结其相关指标的运算方法，解读了由施工误差导致的节点轴向力偏差的问题。

2 电缆蛇形敷设设计

2.1 水平蛇形敷设

采用这种敷设形式时，通常每间隔4～5个蛇形弧的拐点及电缆沟部署一个固定，其他的拐点用尼龙绳予以绑扎，使电缆在轴向滑动。水平蛇形敷设的节距通常控制在6～9m 范围内，结合经验设定蛇形弧幅宽大小，通常≥1d（d 表示的是电缆直径）。

2.2 垂直蛇形敷设

这种形式敷设电缆时，常规做法是在蛇形弧的波峰处进行固定，为了节约开支，建议将固定夹具组装在8～10个蛇形弧的波峰、电缆沟转弯及末端部位的波峰处，为了规避因电动力作用引起电缆滑落的现象，可以尝试在其他波峰处部署挠性固定或用尼龙绳绑扎。垂直蛇形敷设节距通常是4～5m，和水平蛇形敷设形式进行对比，垂直敷设有助于减少现场电缆支架的数目。

3 高压线缆参数

本文选择YJLW02-Z1 × 2500mm² 127/220kV电缆作为研究对象，所有运算均围绕此进行，该型电缆的截面(A)、导体直径(dc)、绝缘外径(di)、金属护套外径(dm)、护套厚度(th)、线缆外径(d)、线缆质量分别是2500mm²、61.2mm、85.2mm、91mm、2.9mm、151mm、37610kg/km。

用下式计算电缆的弯曲刚性[2]：

EC表示的是导体弹性，通常＞500N/mm2；Ei、Em分别是绝缘层、金属套的弹性模量；IC、Ii、Im分别均是导体断面持有的次力矩，计算式为：

计算得电缆的弯曲刚性EI=9685368500N·mm2。

4 计算电缆伸长量与轴向力

4.1 计算水平蛇形敷设节点

不论按材质是铅还是波纹铝的金属护套，特别是对于大截面的电缆，线缆导体是其热膨胀状态下生成轴向力的主要来源，其他部分占比十分微小，故而在设计蛇形敷设节距时可以忽略不计入，于金属夹具之间安装电缆，计算稳定的临界力FC及热应力FP：

线缆上FC与FP相等时，L值达到最小，据此能推算出蛇形弧半个节距长L：

结合现行规范：

i 是通过线缆的短路电流（A）；D 是相邻线缆的中心距离（m）；K 是安全系数，取2.5。结合以上内容能够推导出敷设节距：

由于在综合管廊电舱内安装电缆时，其要和自用电缆桥架支架共用部分预埋件，相邻预埋件的距离通常设定为1.5m，为了确保现场施工中方便进行绑扎、固定，蛇形敷设的节距理论上应是1.5m 的整数倍，一般取4.5m、6m、7.5m、9m。

4.2 计算电缆伸长量

结合《电缆设计规范》内热伸缩量的运算式：

t 是线缆导体的温升值（℃），取65℃；A 即导体截面大小（mm²）；E、a依次为电缆的弹性模量（N/mm）、线膨胀系数（1/℃），a取20×10-6/℃，E取3000N/mm；W是1m 电缆的自重（N/mm）；μ 是摩擦系数，取0.2；L 对应半个蛇形弧的长度；f是线缆本体的反作用力（N），取1000N。

基于（3.3）式运算线缆的伸长量，逐一带入以上数据：

用下式计算电缆蛇形弧的横向滑移量[3]：

4.3 计算电缆的轴向力

温升时，有：

温降时，则有：

在温度（t）是65℃，当初始节距（2L）、弧幅（B）有差异时，高压电缆轴向力的运算结果见表1[4]。分析表1内，当线缆初始节距等同时，伴随初始弧幅的增大，轴向力呈衰减态势；蛇形敷设占幅大小和弧幅之间存在着正相关性；在初始弧幅等同时，轴向力、蛇形敷设占幅大小均和节距之间成正比关系。

表1 电缆轴向力的运算结果

4.4 幅向滑移量

蛇形敷设施工的电缆一般通过幅向滑移量的方式去消化掉电缆运行过程中的热胀冷缩，通过这种方式规避金属护套局部发生危险的疲劳应力状况，使护套运行的安全性得到更大的保障。

可以用下式计算出蛇形弧的幅向滑移量：

因为现行规范内针对式（2.11）中的系数“1.6”来源并没有作出阐述说明，故而要对式（2.11）的系数进行分解以阐明其存在的意义及应用条件：

在内，蛇形弧半个节距长度L 与宽度B 的比值共同确定系数K，只有在L/B ＞10的工况下，系数K 取值大概是0.8。

4.5 占有幅

在确定有关参数后，就可以确定蛇形弧的占有幅尺寸Wt，为是设计蛇形弧的宽度B、高温之下的幅向滑移量n、电线外径D、两端的预留安全距离ΔW 之和：

在确定最终的占有幅之前，一定要通过运算核实出有关的温升与温降工况下蛇形弧的轴向力、最大金属护套的初始应变等指标（最大金属铝护套应变一般是允许值的10%～20%，通常不必验算）是否符合要求，只有在有关技术性指标符合要求时才可以确认最后的占有幅。

5 施工给线缆夹具及支架受力状态带来的影响

现场施工中易引起误差的参数主要有两个，其一是线缆支架组装间距，其主要影响电缆敷设节距（2L）的精准度；二是高压电缆水平蛇形敷设施工时多选择初始弧幅作为基准量。结合本文电缆轴向力（F）指标的运算内容可以推导出如下结论：当2L 有正偏差时，F 增加；2L 有负偏差时，F 减小。对于配电系统固定位置的电缆支架及相关夹紧用装置，如果一侧2L 负偏差、B 正偏差均达到最大，而另一侧2L 正偏差、B 负偏差均实现了最大化，则此时电缆本体承受的轴向力达到峰值，有La=L（1+δ）；Ba=B（1-δ），Lb=L（1+δ）；Bb=B（1-δ）时，FD=Fa-Fb最大。FD即电缆现场施工误差造成的轴向力偏差；Fa、Fb均是高压电缆单侧轴向力；δ是施工误差的极限值。

65℃时，初始节距、弧幅有差异时电缆水平蛇形敷设方式，于不同施工误差极限值工况下支架及夹紧装置的受力情况见表2。综合分析表内数据，可见施工误差对支架轴向力变化产生较大的影响，电缆敷设时也尽可能地将施工误差值降到最低，可以通过选择较小的初始节距与较大的弧幅去实现。但小弧幅会增加现场支架的安装数目，弧幅加大时会使电缆在管廊内的敷设长度显著增加，故而现实中应综合技术性、经济性两大因素合理确定节距、弧幅。

表2 电缆支架受力的运算结果

6 结语

采用水平蛇形敷设方案施工高压电缆时，应依照余弦曲线对余弦波邻近人员通道的单侧进行刚性固定，其他部位均可以采用挠性固定形式。现场敷设时尽可能将施工误差降到最低，以防因误差导致轴向力偏差超限，进而带来局部支架摆动、电缆滑脱等问题。城市地下综合管廊内电缆敷设施工是一个复杂度高、系统性强的工程，经常出现管廊、管线不是相同设计主体的情况，规划管廊施工方案时可能没有充足的实际电缆相关数据作为参考，对缆线施工方的技术水平缺乏全面认识等，以致现实工作中经常加大设计余量，浪费了很多资源。为了规避以上状况，管廊的主管部门应充分落实自身职责，加强设计单位资质、技术实力等的考察力度，选择综合设计实力较强的设计单位实现对管廊、管线主体的一体化设计。