羅進(jìn)圣，王 波

（杭州市電力局，杭州 310004）

大截面電力電纜預(yù)埋管線敷設(shè)及質(zhì)量控制

羅進(jìn)圣，王 波

（杭州市電力局，杭州 310004）

隨著電纜線路輸送容量和電壓等級(jí)的提高，電纜的截面不斷增大，單位長(zhǎng)度重量也隨之增加。采用預(yù)埋管線敷設(shè)時(shí)，電纜敷設(shè)的技術(shù)要求及難度不斷提高。以220 kV大截面單芯交聯(lián)聚乙烯電纜敷設(shè)為例，分析總結(jié)大截面電纜預(yù)埋管線敷設(shè)時(shí)敷設(shè)質(zhì)量控制的各種問(wèn)題，以供工程實(shí)踐參考。

電力電纜；敷設(shè)；質(zhì)量控制

交聯(lián)聚乙烯電纜以交聯(lián)聚乙烯（XLPE）作為絕緣介質(zhì)，其電氣性能與制造工藝及敷設(shè)質(zhì)量密切相關(guān)。大截面單芯XLPE電纜在敷設(shè)過(guò)程中，如側(cè)壓過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電纜變形，當(dāng)水分侵入、機(jī)械應(yīng)力控制不合理、管孔相位布置不正確時(shí)，則會(huì)對(duì)電纜的壽命和安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[1-4]。本文以220 kV大截面單芯XLPE電纜敷設(shè)為例，介紹了大截面單芯電纜在使用預(yù)埋管線（排管和頂管）方式敷設(shè)時(shí)的質(zhì)量控制問(wèn)題，供工程實(shí)踐參考。

1 大截面電纜敷設(shè)過(guò)程中的受力控制

大截面單芯電纜一般采用電動(dòng)機(jī)具敷設(shè)方式，敷設(shè)中電纜前行所需的力由同步牽引機(jī)（卷?yè)P(yáng)機(jī)）和輸送機(jī)提供。

敷設(shè)中如果機(jī)具布置不合理，易造成電纜受牽引力過(guò)大而導(dǎo)致?tīng)恳^破損、電纜進(jìn)水絕緣受潮，影響電纜的電氣性能；如果管道內(nèi)有雜物或毛刺，則容易造成電纜外護(hù)套損傷，導(dǎo)致金屬護(hù)套多點(diǎn)接地，影響電纜穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電纜經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎工井時(shí)會(huì)因側(cè)壓過(guò)大導(dǎo)致變形，改變電纜絕緣內(nèi)部電場(chǎng)分布和產(chǎn)生應(yīng)力，加速電纜老化。因此，電纜敷設(shè)前根據(jù)不同的電纜路徑和電纜型號(hào)，估算電纜敷設(shè)過(guò)程中各個(gè)操作工井所需前行力和側(cè)壓力的大小，合理布置輸送機(jī)、牽引機(jī)及電纜盤(pán)位置，使電纜牽引頭所受的牽引力和電纜過(guò)彎時(shí)所受的側(cè)壓力在合理范圍之內(nèi)，是保證電纜敷設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵。

1.1 電纜敷設(shè)前行力計(jì)算

目前大截面電纜敷設(shè)時(shí)所需的前行力可參考以下計(jì)算方法。

水平直線牽引：

傾斜直線牽引向下：

傾斜直線牽引向上：

水平彎曲牽引：

式中：T為牽引力；μ為摩擦系數(shù)；W為每米電纜的質(zhì)量；L為電纜長(zhǎng)度；T1為彎曲前的牽引力；T2為彎曲后的牽引力；θ為電纜彎曲部分平面的傾斜角；R為電纜的彎曲半徑；N為電纜過(guò)彎時(shí)所受的側(cè)壓力。

以YJLW03-127/220-1×2500型、長(zhǎng)500 m的電纜敷設(shè)為例，電纜路徑如圖1所示。

圖 1 電纜敷設(shè)路徑示意圖

圖中1-13為13個(gè)操作工井，1-7號(hào)工井間均為直線排管，各相隔50 m，7-10號(hào)工井間為S型彎道，彎曲半徑4 m，直線距離80 m，彎道弧長(zhǎng)10 m，彎道兩側(cè)設(shè)轉(zhuǎn)彎工井。11-12號(hào)工井間為直角彎道，彎曲半徑4 m。電纜重量37 kg/m，摩擦系數(shù)平均取0.4。分別計(jì)算電纜盤(pán)放置在1號(hào)工井及13號(hào)工井側(cè)時(shí)電纜敷設(shè)過(guò)程中各點(diǎn)所需的前行力和前行力完全由牽引機(jī)提供時(shí)電纜過(guò)彎受到的側(cè)壓力，結(jié)果如表1所示。其中T1－13為電纜盤(pán)放置在1號(hào)工井時(shí)電纜各處所需的前行力（電纜敷設(shè)從1號(hào)工井開(kāi)始至13號(hào)工井處），T13－1為電纜放置在13號(hào)工井時(shí)電纜敷設(shè)過(guò)程中電纜各點(diǎn)所需的前行力。

從表1看出，電纜盤(pán)位置不同時(shí)，電纜敷設(shè)路徑上所需的牽引力及側(cè)壓力有明顯區(qū)別，電纜前行所需的力較大，電纜敷設(shè)過(guò)程中一般采用的3 T或5 T牽引機(jī)不可能提供如此大的牽引力，即使加大牽引機(jī)功率，在轉(zhuǎn)彎處電纜所受的側(cè)壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電纜能夠承受的范圍 （XLPE電纜允許的最大側(cè)壓力一般按500 kg/m考慮）。

目前大截面單芯XLPE電纜敷設(shè)一般采用牽引頭牽引方式，常用電纜牽引頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于牽引頭與電纜金屬護(hù)套連接處采用搪鉛密封，抗拉強(qiáng)度較低，主要起防水作用。牽引力通過(guò)連接件作用在電纜線芯上，在滿足側(cè)壓力的條件下，電纜允許的最大牽引力主要取決于電纜結(jié)構(gòu)中受牽引力作用的材料的抗拉強(qiáng)度。通常取線芯材料最大抗拉強(qiáng)度的四分之一為電纜允許的最大牽引強(qiáng)度。因此，電纜以銅作為線芯時(shí)的允許最大牽引強(qiáng)度為7 kg/mm2。以YJLW03-127/ 220-1×2500型銅芯電纜為例，其線芯能承受的最大拉力為17 500 kg。理論上電纜能夠承受的最大牽引力能滿足電纜敷設(shè)的要求，但在實(shí)際工程施工中，由于各電纜廠家的牽引頭制作工藝不統(tǒng)一，牽引頭能夠承受的力遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，為防止電纜牽引頭受力過(guò)大而破損，一般要求電纜敷設(shè)過(guò)程中將牽引力控制在3 T以下。因此，電纜前行過(guò)程中大部分前行力需由輸送機(jī)提供。

表1 從不同方向敷設(shè)時(shí)的前行力和側(cè)壓力計(jì)算

圖2 電纜牽引頭結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)置輸送機(jī)后的前行力及側(cè)壓力

設(shè)電纜敷設(shè)時(shí)每臺(tái)輸送機(jī)輸出力為600 kg，在上例中，由于在轉(zhuǎn)彎工井電纜出彎處輸送機(jī)固定困難，一般在電纜敷設(shè)時(shí)只在電纜進(jìn)彎側(cè)放置輸送機(jī)。當(dāng)在2、3、4、5、6、7、11號(hào)工井中放置輸送機(jī)且電纜盤(pán)放置在1號(hào)工井和在2、3、4、5、6、10、12號(hào)工井中放置輸送機(jī)且電纜盤(pán)放置在13號(hào)工井時(shí)，電纜敷設(shè)過(guò)程中所受的牽引力及側(cè)壓力估算值如表2所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于電纜敷設(shè)的方向不同，電纜敷設(shè)過(guò)程中所受的側(cè)壓力及牽引頭所受的力有較大差別。對(duì)于66 kV及以上單芯XLPE電纜，由于敷設(shè)過(guò)程中要求彎曲半徑較大（不得小于20倍電纜外徑）且電纜的重量較重，電纜敷設(shè)時(shí)電纜盤(pán)可以選擇的位置一般只能在路徑的兩側(cè)，為了減小電纜敷設(shè)過(guò)程中所受的牽引力及側(cè)壓力，電纜盤(pán)應(yīng)放置在距離轉(zhuǎn)彎工井較近的一側(cè)。此外，由于上述計(jì)算中摩擦系數(shù)取值較大，導(dǎo)致電纜所受的側(cè)壓力及牽引力都較大，因此在施工過(guò)程中，當(dāng)電纜經(jīng)過(guò)排管或頂管時(shí)應(yīng)使用潤(rùn)滑劑（如肥皂水或滑石粉），將摩擦系數(shù)控制在0.3以下，以減小電纜在敷設(shè)過(guò)程中的受力，保證電纜敷設(shè)質(zhì)量。

表2 設(shè)置輸送機(jī)后的前行力和側(cè)壓力計(jì)算

2 電纜敷設(shè)管位布置控制

在電纜金屬護(hù)套接地方式中，由于交叉互聯(lián)接地方式結(jié)構(gòu)緊湊、正常運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電壓較低，在發(fā)生單相短路故障時(shí)金屬護(hù)套上感應(yīng)電壓僅為單端接地時(shí)的三分之一，能有效保護(hù)交叉互聯(lián)單元內(nèi)護(hù)層保護(hù)器和外護(hù)套絕緣，因而在較長(zhǎng)的電纜線路中得到廣泛應(yīng)用。但由于交叉互聯(lián)接地方式的結(jié)構(gòu)具有特殊性，要求電纜敷設(shè)時(shí)必須嚴(yán)格控制電纜的管位布置，使交叉互聯(lián)單元內(nèi)三段電纜金屬護(hù)套的感應(yīng)電壓之和為零（正三角形布置）或接近零（直角三角形和水平布置），從而減少金屬護(hù)套環(huán)流。

但在使用預(yù)埋管線敷設(shè)過(guò)程中，由于非開(kāi)挖頂管的使用和人為因素，常常出現(xiàn)交叉互聯(lián)單元內(nèi)三段電纜的管孔布置不一致的情況，導(dǎo)致電纜運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大環(huán)流。

設(shè)一個(gè)交叉互聯(lián)單元內(nèi)三段電纜長(zhǎng)度為L(zhǎng)1＝L2＝L3＝500 m，相間距離S＝350 mm，電纜型號(hào)為YJLW03-127/220-1×2 500，根據(jù)單芯電纜金屬護(hù)套環(huán)流計(jì)算理論[2]，在不同負(fù)荷電流Iload下，圖3所示兩種布置方式A，B，C三相電纜護(hù)套感應(yīng)電流ISA，ISB，ISC計(jì)算值如表3、表4所示。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，交叉互聯(lián)單元內(nèi)三段電纜管位布置不一致時(shí)對(duì)護(hù)套環(huán)流有明顯影響。特別是大截面單芯電纜，由于其運(yùn)行過(guò)程中電纜線芯電流較大，如果三段電纜位置不對(duì)稱，易在金屬護(hù)套上產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，影響電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，當(dāng)大截面單芯電纜采用預(yù)埋管線敷設(shè)時(shí)，應(yīng)保證三段電纜在排管內(nèi)的布置方式一致。敷設(shè)過(guò)程中，不能在操作工井內(nèi)隨意變更電纜在管道內(nèi)的相位排列次序。

表3 直角三角形布置時(shí)環(huán)流計(jì)算值A(chǔ)

表4 水平布置時(shí)環(huán)流計(jì)算值A(chǔ)

圖3 排管內(nèi)電纜布置圖

3 電纜機(jī)械力效應(yīng)的控制

大截面電纜在負(fù)荷電流變化時(shí)，因?qū)w溫度變化引起膨脹或收縮所產(chǎn)生的機(jī)械力十分巨大。這種膨脹或收縮力總稱為熱機(jī)械力，與電纜的熱機(jī)械力線膨脹系數(shù)、導(dǎo)體的截面和溫升成正比。與充油電纜相比，由于載流量的增大和電纜自重的減輕，XLPE電纜運(yùn)行時(shí)熱機(jī)械力更大，受熱機(jī)械力影響更嚴(yán)重，電纜徑向有更大的膨脹。

電纜以直線敷設(shè)時(shí)，在沒(méi)有橫向氣流或強(qiáng)迫冷卻時(shí)，巨大的機(jī)械力會(huì)使電纜線路集中在某一部位發(fā)生局部橫向位移。因而，大截面XLPE電纜施工中常將電纜人為布置成圖4所示形狀，以吸收電纜的熱膨脹[1]。

式中：L為電纜彎曲的節(jié)距；X為曲折幅度。

圖4 人為處理的電纜形狀

對(duì)給定的電纜而言，縮短彎曲的節(jié)距長(zhǎng)度L和增加曲折幅度X都可獲得更好的吸收熱膨脹的效果，又能避免過(guò)度彎曲損害絕緣層。敷設(shè)時(shí)可通過(guò)計(jì)算來(lái)嚴(yán)格控制三者間的關(guān)系。當(dāng)電纜采用預(yù)埋管線敷設(shè)時(shí)，布置彎曲形狀的位置有限，一般在操作工井和中間接頭工井內(nèi)根據(jù)上式將電纜設(shè)置為彎曲形狀。

4 電纜敷設(shè)防潮措施

XLPE電纜進(jìn)水后，短時(shí)間內(nèi)一般不會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，即使線芯進(jìn)水，耐壓和泄漏試驗(yàn)時(shí)也不會(huì)發(fā)現(xiàn)電纜參數(shù)的改變。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)“水樹(shù)枝”現(xiàn)象，從而使交聯(lián)聚乙烯絕緣性能下降，最終導(dǎo)致電纜絕緣擊穿[3－4]。單芯大截面XLPE電纜一般帶有金屬護(hù)套（鋁或鉛），電纜敷設(shè)過(guò)程中因金屬護(hù)套損壞導(dǎo)致電纜絕緣受潮的可能性較小，現(xiàn)場(chǎng)施工中電纜進(jìn)水主要是由于牽引頭搪鉛位置密封性不好，主要表現(xiàn)為：搪鉛工藝控制不好，搪鉛密度不高，鉛封處有沙眼、微孔和裂紋，電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引頭部位受力過(guò)大而使封鉛部位開(kāi)裂，管孔內(nèi)有異物，牽引頭在較大摩擦力下破損，導(dǎo)致電纜進(jìn)水，等等。因此，在 電纜敷設(shè)前應(yīng)仔細(xì)檢查牽引頭、搪鉛密封是否良好，并作相應(yīng)的防水處理，在電纜敷設(shè)過(guò)程中控制牽引頭的受力在合理范圍內(nèi)。

根據(jù)以往大截面電纜敷設(shè)經(jīng)驗(yàn)，電纜敷設(shè)前在牽引頭上加裝熱縮套，并做相應(yīng)的防破損處理，能夠有效減小牽引頭進(jìn)水的可能性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）單芯大截面電纜敷設(shè)前，根據(jù)電纜路徑、型號(hào)估算電纜所需的前行力，合理布置電纜輸送機(jī)，將電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引頭受力及側(cè)壓力控制在合理范圍內(nèi)，是保證電纜敷設(shè)質(zhì)量的前提。

（2）在敷設(shè)含有交叉互聯(lián)接地系統(tǒng)的電纜時(shí)，應(yīng)保證三段電纜管孔相位布置一致。

（3）南方地區(qū)由于地下水位較高，管線內(nèi)往往有水份，對(duì)單芯大截面電纜而言，敷設(shè)前對(duì)牽引頭做相應(yīng)的防水處理是防止電纜進(jìn)水、絕緣受潮的有效手段。

[1]鄭肇驥，王琨明，等．高壓電纜線路[M]．北京∶水利電力出版社，1981．

[2]王波，羅進(jìn)圣，黃宏新，等．220 kV高壓?jiǎn)涡倦娏﹄娎|金屬護(hù)套環(huán)流分析[J]．高壓電器，2009，45（5）∶141－145．

[3]豆朋，文習(xí)山，龔瑛．幾種因素對(duì)水樹(shù)生長(zhǎng)影響的研究[J]．絕緣材料，2005，（1）∶33－36．

[4]何軍，屠德民．XLPE電纜絕緣中水樹(shù)的形成機(jī)理和抑制方法分析[J]．絕緣材料．2008，41（6）∶54－58．

（本文編輯：龔 皓）

Layout and Quality Control of Carcass Work for Large-section Power Cable

LUO Jin-sheng，WANG Bo
（Hangzhou Electric Power Bureau，Hangzhou 310004，China）

Along with the improvement of transmission capacity and voltage grade of cable line,the section area,unit length and weight of XLPE cable keep increasing.As for the carcass work,the technical requirements of cable layout become increasingly strict and difficult.Taking the 220 kV large-section single-core XLPE cable as an example,this paper analyzes and summarizes various problems oflayoutand quality control ofcarcass work for large-section cable and offers a reference for engineering practice.

power cable；layout；quality control

TM757.1

B

1007-1881（2010）10-0061-04

2010-08-31

羅進(jìn)圣（1973－），男，浙江建德人，高級(jí)工程師，華北電力大學(xué)在職電氣工程碩士研究生，主要從事高壓電纜安裝、檢修管理工作。