陳曦鳴，張曉萍，周 賀

(1.國(guó)網(wǎng)安徽電力工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230601；2.國(guó)網(wǎng)合肥供電公司，安徽 合肥 230061；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 前言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，高壓電纜線路工程日益普及。電纜排管以其施工周期短、對(duì)交通影響小、方便運(yùn)行維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，成為高壓電纜線路建設(shè)中重要的建設(shè)方式。電纜排管路徑上每前進(jìn)一定距離需布置電纜工作井以供施工、檢修和布置電纜接頭使用，由于工作井體積和開挖范圍較大，其結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化和相鄰工作井間的距離安排是電力電纜排管設(shè)計(jì)中值得研究的重要問(wèn)題。

1 工作井結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

工作井是電纜排管線路的重要組成部分，在電纜路徑的轉(zhuǎn)彎處和較長(zhǎng)一段直線路徑每隔一定距離均需布置電纜工作井，工作井結(jié)構(gòu)尺寸較大的特點(diǎn)和城市日益密集的地下管線、地上構(gòu)筑物之間的矛盾，對(duì)工作井的結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。

1.1 工作井的尺寸

根據(jù)相關(guān)要求，工作井的凈高不宜小于1900mm，在部分受限制區(qū)域，不應(yīng)小于1400mm[1]。工作井的凈長(zhǎng)受到電纜轉(zhuǎn)彎半徑的控制，通常不宜過(guò)短，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)110kV和220kV電纜直線工作井，凈長(zhǎng)需取6m至8m為宜。

工作井的凈寬由其兩側(cè)支架間的凈距控制，以凈高1900mm兩壁均有電纜支架的工作井為例，根據(jù)相關(guān)要求，其兩壁支架間距離需取1000mm[1，2]，為減小工作井寬度，可采用充分利用工作井凈高較大的特點(diǎn)，將四回路以下電纜分兩列分別布置于工作井兩壁，并縮短電纜支架長(zhǎng)度的方法。110kV和220kV電纜直徑約為90mm～150mm，其電纜固定金具寬度約為130mm～190mm，電纜支架長(zhǎng)度亦可取130mm～190mm長(zhǎng)度，相應(yīng)工作井凈寬即為1260mm～1380mm。相比通常情況下2000mm～2500mm的工作井凈寬，其凈寬減小740mm～1120mm，既減少了開挖范圍，也降低了工程造價(jià)。

1.2 “S”型轉(zhuǎn)彎工作井

通常的轉(zhuǎn)彎工作井，采用10°的梯形轉(zhuǎn)彎模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)增減模塊個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)角角度。如圖1(a)、(b)所示。該工作井通用性較好，施工方便。但在很短長(zhǎng)度內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)彎避讓障礙物情況時(shí)，該工作井靈活性不強(qiáng)，亟需優(yōu)化?？蓪⒃撎菪无D(zhuǎn)彎模塊布置于直線工作井兩端，將其設(shè)計(jì)為“S”型轉(zhuǎn)彎工作井，即可方便地進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)彎，如圖1(c)所示。

圖1 常規(guī)轉(zhuǎn)彎工作井和“S”型轉(zhuǎn)彎工作井示意圖

2 蛇形敷設(shè)工作井

在高壓電纜排管中通常電纜不能蛇形敷設(shè)，由于電纜受熱脹冷縮影響，軸向力變化較大，直線敷設(shè)的電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)對(duì)電纜接頭產(chǎn)生損害。另外，由于高壓電纜轉(zhuǎn)彎半徑較大，通常電纜排管線路沒(méi)有足夠場(chǎng)地進(jìn)行電纜盤井的開挖，導(dǎo)致電纜接頭處一旦發(fā)生故障，沒(méi)有經(jīng)過(guò)盤繞的電纜余長(zhǎng)供再次接頭，故需重新采購(gòu)電纜進(jìn)行敷設(shè)安裝和接頭，搶修時(shí)間較長(zhǎng)，社會(huì)影響較大。

蛇形敷設(shè)工作井[3]能較好地解決以上問(wèn)題，充分利用工作井1.9m的凈高，電纜在縱向蛇形敷設(shè)工作井內(nèi)可做如圖2所示的大幅豎向蛇形敷設(shè)，不僅可吸收因溫差產(chǎn)生的電纜軸向力，且該工作井寬度與普通工作井相差不大，不需較大的開挖場(chǎng)地，不增加土建施工難度，必要時(shí)又可釋放電纜余長(zhǎng)，供第二次接頭使用，大大縮短了搶修時(shí)間。

圖2 豎向蛇形敷設(shè)工作井縱向剖面示意圖

雙回路情況下，兩回路共六根電纜均可做平行蛇形敷設(shè)，兩回路間預(yù)留1000mm寬度通道，此時(shí)工作井凈寬在2.5m以下。四回路情況下，考慮電纜較多，如均進(jìn)行蛇形敷設(shè)，工作井寬度勢(shì)必增加較大，故可考慮在路徑走向方向上，前后布置兩處該型工作井，在第一處工作井中兩回路蛇形敷設(shè)，另外兩回路貼壁敷設(shè)，在第二處工作井中反之。如圖3所示。

圖3 雙回路和四回路蛇形敷設(shè)工作井橫向剖面示意圖

3 相鄰工作井的距離安排

目前國(guó)內(nèi)的高壓電纜線路，相鄰工作井間距的取值普遍缺乏計(jì)算依據(jù)，工作井間距通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取50m～80m，由于工作井相對(duì)排管造價(jià)較高，過(guò)多的工作井?dāng)?shù)量將造成投資成本增加。如何合理地選擇相鄰工作井間距，降低工作井?dāng)?shù)量，對(duì)于控制工程造價(jià)，具有重要的意義。

3.1 電纜排管敷設(shè)中的計(jì)算模型和公式

由于高壓電纜的外徑和整備質(zhì)量較大，其在排管中敷設(shè)，所受摩擦力較大，且電纜所受摩擦力會(huì)隨排管長(zhǎng)度的增加而增大，故排管段每隔適當(dāng)長(zhǎng)度即需布置工作井，在其中放置電纜輸送機(jī)敷設(shè)電纜[4]。電纜敷設(shè)示意圖如圖4所示。

圖4 電纜排管敷設(shè)示意圖

注：1—電纜盤；2—高壓電纜；3—電纜輸送機(jī)；4—直線或轉(zhuǎn)彎工作井；5—排管；6—接頭工作井。

在電纜敷設(shè)全過(guò)程，所有已投入運(yùn)行的電纜輸送機(jī)和電纜牽引頭處的牽引機(jī)出力之和均需超過(guò)電纜所受摩擦力之和，電纜敷設(shè)方可完成。

通常，電纜在敷設(shè)過(guò)程中所受的摩擦力主要有：初始摩擦力、各排管段摩擦力、轉(zhuǎn)彎工作井內(nèi)滾輪與電纜之間的摩擦力。其具體計(jì)算公式[2]如下：

T0=20Wμ

(1)

Ti=WL(μcosθ1+sinθ1)

(2)

其中：T0—初始摩擦力，按20m左右電纜摩擦力計(jì)，單位N；Ti—電纜在排管中的摩擦力，單位N；W—電纜單位重量，單位：N/m；L—排管長(zhǎng)度，單位：m；θ1—排管傾斜角度，單位：°；μ——排管或轉(zhuǎn)彎工作井內(nèi)滾輪與電纜摩擦系數(shù)。

此外，如果在敷設(shè)中，采用電纜輸送機(jī)和牽引機(jī)聯(lián)合敷設(shè)的方式，且牽引機(jī)對(duì)電纜牽引頭進(jìn)行較大力量的牽引，則在轉(zhuǎn)彎工作井中，若該工作井后側(cè)的電纜輸送機(jī)出力之和不能克服其后側(cè)電纜所受的摩擦力之和，該工作井前側(cè)的牽引機(jī)和輸送機(jī)將會(huì)對(duì)電纜產(chǎn)生牽拉力，由此電纜對(duì)轉(zhuǎn)彎工作井內(nèi)滾輪將產(chǎn)生側(cè)壓力，從而滾輪對(duì)電纜產(chǎn)生摩擦力，但由于施工過(guò)程中，通常對(duì)電纜牽引頭的牽引力較小，僅為導(dǎo)向性質(zhì)，上述情況一般不會(huì)發(fā)生，故本文對(duì)牽引機(jī)出力和轉(zhuǎn)彎工作井內(nèi)滾輪與電纜之間的摩擦力均不予考慮。也即電纜排管線路中，轉(zhuǎn)彎工作井存在與否不影響工作井距離的安排。

3.2 相鄰工作井的間距安排

3.2.1 電纜、保護(hù)管和電纜輸送機(jī)型號(hào)的選擇

本文選取最大出力為8kN的電纜輸送機(jī)，電纜輸送機(jī)布置方式按照電纜盤初始位置放置1臺(tái)、各工作井內(nèi)放置2臺(tái)考慮。電纜排管選取PVC-C實(shí)壁電纜保護(hù)管，電纜與排管的摩擦系數(shù)取0.45，電纜為PVC護(hù)套交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，電纜的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電纜與排管計(jì)算參數(shù)

3.2.2 相鄰工作井間距的計(jì)算

(1)在整盤電纜均沿直線敷設(shè)，且電纜排管為水平布置的理想狀態(tài)下，工作井最大中心間距見(jiàn)表2。

注：工作井長(zhǎng)度均按8m計(jì)算。

由表2可見(jiàn)，在整盤電纜沿直線敷設(shè)情況下，相鄰工作井間距隨電纜外徑或電纜重量的增加而減小。以導(dǎo)體截面為2000mm2的220kV大截面電纜為例，其#1與#2工作井中心間距可達(dá)160.3m，其余相鄰工作井中心間距也可達(dá)122.9m；導(dǎo)體截面為400mm2的110kV電纜其工作井間距最大甚至可達(dá)543.7m。

(2)假定電纜在敷設(shè)過(guò)程中，某工作井后側(cè)的電纜輸送機(jī)出力之和剛好克服其后側(cè)電纜所受的摩擦力之和，則在該工作井內(nèi)放置的兩臺(tái)電纜輸送機(jī)所能克服的其前側(cè)電纜排管對(duì)電纜的摩擦力與該電纜排管的長(zhǎng)度和俯仰傾角有關(guān)，在電纜排管傾角變化的情況下，工作井最大中心間距見(jiàn)表3、表4。

表3 電纜排管有俯仰角情況下#1與#2工作井中心間距 (單位：m)

注：①工作井長(zhǎng)度均按8m計(jì)算；②排管傾角負(fù)(正)值代表電纜自高(低)處向低(高)處敷設(shè)。

表4 電纜排管有俯仰角情況下其余工作井中心間距 (單位：m)

注：①工作井長(zhǎng)度均按8m計(jì)算； ②排管傾角負(fù)(正)值代表電纜自高(低)處向低(高)處敷設(shè)。

由表3、表4可見(jiàn)：(1)隨著工作井俯仰角度的下降，工作井間距將大大增加，故在電纜路徑有高差情況下，電纜自高處向低處敷設(shè)，將有利于增加工作井間距。(2)相較目前國(guó)內(nèi)流行的50m～80m的相鄰工作井間距，考慮到運(yùn)行維護(hù)的方便和運(yùn)輸對(duì)電纜盤長(zhǎng)的限制等因素，以1000mm2截面的220kV電纜為例，在電纜排管有-2°傾角的情況下，其#1至#2工作井間距選擇250m，其余相鄰工作井間距選擇200m是可行的。(3)電纜排管線路中，轉(zhuǎn)彎工作井存在與否不影響工作井距離的安排。

3.2.3 相鄰工作井間距的計(jì)算

上述計(jì)算方法的正確性在安徽地區(qū)220kV排管線路中已得到檢驗(yàn)。在合肥永青-杏花220kV電纜線路工程中，電纜為1600mm2截面，其中一段2°傾角的電纜排管全長(zhǎng)150m，穿纜不受影響。在合肥撮鎮(zhèn)-冷板110kV電纜線路工程中，電纜為630mm2截面，電纜排管傾角均在3°以內(nèi)，1.3km電纜排管間距均為120m，穿纜不受影響。

4 結(jié)論

本文對(duì)工作井尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，將其寬度減小約1m，提出了“S”型轉(zhuǎn)彎工作井應(yīng)對(duì)連續(xù)轉(zhuǎn)彎等復(fù)雜情況，設(shè)計(jì)了一種新穎的蛇形敷設(shè)工作井型式，提高了電纜線路的運(yùn)行可靠性和搶修速度。對(duì)相鄰工作井間距進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和論證分析，得出各種不同型號(hào)電纜在排管中敷設(shè)時(shí)的工作井間距的最大值供參考使用，以上研究和計(jì)算，對(duì)方便電纜線路的施工、控制電纜工程造價(jià)、提高電纜線路運(yùn)行可靠性均具有較大的指導(dǎo)意義。