110kV电缆穿管的敷设要求及设计问题
魏妍萍 北京电力设计院就110kV电缆穿管敷设需要解决的问题、用于110kV电缆敷设的管井设计的相关问题以及管井的经济技术指标分析进行探讨，从而论证110kV电缆穿管敷设的可行性。目前，国内110kv电缆敷设方式种类很多，如直埋敷设、穿管敷设、隧道敷设等，而在北京地区110kv电缆主要采用隧道内敷设的方式。电缆在隧道内敷设其运行条件较好，环境温度基本恒定，施工便利，且便于管理维护。但是，地下电力隧道造价较高。如果在市区内主干线网路径上，有多路电缆敷设其中，隧道尚能体现其优越性，且经济技术指标也较合理。【110kV电缆穿管的敷设要求及设计问题】然而，随着市区内主干网路径上隧道已近饱和，而电缆网目前正迅速的向市区以外扩展延伸，如三环、四环外，甚至五环外的许多经济开发区内的电缆网系统，其总体规划已近全面，如采用隧道敷设则一次性投资过多，且电缆总数也不多，这就不具有经济合理性，在一定程度上造成了投资方的浪费。因此，我们很有必要在北京地区发展适合110kv电缆的另一种可以推广的敷设方式。这种新型敷设方式首先在造价方面应较为经济，其次在施工、运行、维护等方面具有其可行性，同时还应具有可重复使用的特点，减少地面开挖的次数。经过近年来配网工程中管井敷设电缆的大量实践，尤其是在三环入地工程中大量新型管材的应用，发现电缆的管井敷设在许多方面均具有较好的特性：管井本体的投资较为经济，一次建成后可敷设多路电缆，且可避免重复的地面开挖。目前国内在上海、广东等地区已有许多110kv电缆工程采用穿管敷设方式，因此110kv穿管敷设已具有较丰富的实施及运行经验可以借鉴。1 110kv电缆的穿管敷设1.1 载流量电缆的敷设方式会直接影响到电缆的载流量，其主要原因在于不同敷设方式下，电缆周围媒质的热阻不同。就运行中的电缆而言，要确定电缆的温升，不仅应知道电缆本身各组成部分的热阻，而且还应知道电缆周围媒质的热阻，即单位热流从电缆表面散发到电缆周围媒质中所产生的温差。这一温差往往成为限制电缆输送容量的主要因素之一。我们可以以一个实际工程的例子来比较一下同一电缆线路穿管敷设与隧道（空气）中敷设的载流量比较，本例是朝阳门—隆福寺110kv电缆工程中山东电缆厂提供的在不同敷设条件下、不同环境温度下电缆载流量的数据。表1～3是 ZR-YJQ02 64/110kv 1×800 mm2电缆在不同情况下水平排列的载流量。
电缆敷设条件说明：·电缆相同间距：平行敷设，200 mm；·PVC穿管直径：180 mm（内）200 mm（外）；·电缆敷设深度：1000 mm；·土壤热阻：1.0 Km/W；·三根PVC管水平排列。从表1～3可看出电缆采用穿管敷设会比在空气中敷设输送容量降低500～600 A，约50%左右。1.2 电缆的热机械性能电缆在运行时，由于线芯温度变化引起的热胀冷缩所产生的机械力十分巨大。这一机械力对安全运行是一个很大的威胁，因此必须在设计时加以考虑。 【110kV电缆穿管的敷设要求及设计问题】电缆敷设于隧道中，我们多数采用蛇形敷设，从而降低线芯在膨胀时所产生的推力。然而电缆采用穿管敷设时，由于敷设空间受限制，无法采用全线蛇形敷设，因此只能采用在终端头或接头附近以及电缆的转变处将电缆敷设成波浪形的方法留出一定裕度，从而减少线芯的热胀冷缩对终端头或接头处的推力。1.3 电缆牵引力计算在实际的工程设计时必须计算电缆的牵引力或允许牵引长度，目前一般各电缆生产厂家都提供电缆的允许牵引力。因此，设计人员应计算工程实际情况下的最大允许牵引长度。这一长度是决定电缆生产盘长的主要因素之一。虽然有些因素在设计时无法确定，但参照已有的数据，可以大致得出允许的牵引长度和合理的牵引方式、位置和牵引设备的容量，以防止在牵引时损坏电缆。对于交联电缆而言，多数是以放线机牵引牵引头来敷设电缆。牵引头是安装于电缆端部的一个密封套头，是牵引电缆时将牵引力过渡到电缆导体的连接件。这种敷设方式下，牵引力作用在线芯上，铜线芯的抗张强度约为240 N/mm2，允许的最大牵引强度为70 N/mm2，因此作用在铜线芯上的牵引力不能超过按截面积的70 N/mm2。有拐弯的电缆线路，当牵引力作用在电缆上时在弯曲部分的内侧，电缆受到牵引力的分力和反作用力的作用而受到压力，这就是侧压力，如侧压力过大将会压扁电缆。侧压力为牵引力和弯曲半径之比。一般而言，交联电缆在施工中最大侧压力为3 kN/m左右。因此在牵引时，在弯曲部分要避免出现过大的侧压力以免压坏外护层而影响绝缘性能。计算电缆牵引力时，通常将路径较复杂的电缆线路，分解为几种最简单的基本弯曲类型，分别加以计算，最后将各部分的牵引力相加后，即得整段电缆的牵引力。以下列出几条常用的牵引力计算公式：水平垂直牵引T = μWL水平弯曲牵引T2 = WRsinh[μΦ + sinh-1（T1/WR)]侧压力计算公式P = T/R式中 T——牵引力（kg）； m——摩擦系数； W——电缆每米重量（kg/m）； L——电缆长度（m）； q——弯曲部分的圆心角（rad）； T1、T2——弯曲前的牵引力（kg）； R——电缆的弯曲半径（m）； P——侧压力（kg/m）。由上述牵引力及侧压力计算公式可以看出，牵引力的大小与电缆盘长及弯曲半径有关。如要求电缆牵引力与侧压力在一定值范围以内，其盘长亦受到限制。同时在设计电缆线路时，必须对牵引力及侧压力事先加以核算，以免敷设过程中牵引力或侧压力超过允许值而损伤电缆。1.4 盘长设计穿管敷设的电缆盘长的确定除了考虑生产、运输等方面的问题，在工程实际中主要的影响因素有两个：一是前面提到的牵引力的因素；另一个是接头井室井距的因素。与电缆隧道敷设设计中均分盘长有所不同的是，电缆在穿管敷设时盘长除了应满足牵引力及侧压力要求以外，还应根据井位而确定。即在确定盘长前应准备测量井距，根据接头井距的实际情况来确定盘长。(酷爱电子网 www.diangongbao.com)如出现一组交叉互联中盘长有较大差异，应计算其不均衡电流是否满足要求。2 埋管设计2.1 埋管断面考虑到一次性投资及电缆容量的比例，埋管断面可以设计成28孔左右，布置形式为4×7 f200较为合理。这种断面的埋管在一次性建成后最多可敷设8或6路110kv电缆，及若干10 kV电缆。可以看出其电缆排列容量较隧道相差不大。2.2 接地装置管井的接地装置的设置取决于电缆的接头位置。区别于隧道全线设置接地扁铁，在管井中，仅需在接头井处设置接地装置，并使其保证所需接地电阻值，一般不可超过0.5 W。每个接头小室宜根据其长短做若干组接地极相联，其余施工放线井可根据实际情况，在井的四周辅设闭合接地网。如考虑单个接头井地网无法满足要求，可在接头井之间设置接地电缆，此接地电缆地敷设可占用1根管孔。2.3 井室设置管井工程中按功能分包括有两种井室，即接头井室及施工放线井。接头井室顾名思意，即设置于电缆线路接头处，用于电缆各种接头的制作安装及固定。接头井之间还应设置施工竖井，其功能是在接头井之间的若干个施工放线井内利用某种机械或人力敷设电缆，进行电缆线路的施工。井室断面可设计为2m×2m，其长度应按其功能的不同而各异。接头井室的主要功能是制作及安装接头，并将接头固定其中，对于110kv单芯电缆，每路电缆的每组接头为三只，考虑到接头尺寸及安装方便，接头相间距为5m，如遇大截面电缆接头，还应适当加大。根据110kv电缆一般盘长，应考虑每300～500m设一个接头井室。如按28×f200断面计算，接头井室的长度应在30 m左右。接头井室内应配有适当的支架或吊架，以及固定接头所需预埋件。另外，管与井的衔接处应考虑封堵，井室内应进行防水。接头井应设接地装置，在井室内两侧均应有接地扁钢与接地网连接，使接头处的接地电缆便于安全可靠接地。考虑到电缆所能承受的牵引力及放线机械的牵引能力，一般电缆直线段间距50 m可放置一个施工放线井。另外，在转角处应设置施工放线井。由于施工放线井仅用于敷设电缆，其长度可设计为6 m左右。井室内应配有适当的支架或吊架等附件，用于固定电缆。3 电缆管的种类及性能比较目前国内具有运行经验的电缆管种类较多，主要有以下几种：RMDP电力电缆保护导管、无缝镀锌钢管、海泡石纤维水泥管、普通复合玻璃钢电缆导管、DBS无碱玻纤石英电缆导管。钢管仅能用于三芯电缆工程。110kv及以上电缆多为单芯电缆，考虑到涡流损耗，不能使用钢管。通过三环路入地工程中大范围使用RMDP及DBS两种管材，我们积累了相当多的使用经验，使管材的选择上有据可依。本文中仅对RMDP电力电缆保护导管及DBS无碱玻纤石英电缆导管进行详细介绍，因这两种电力保护管均为较新的产品，较之旧式的石棉管、水泥管等有其突出的特点。3.1 RMDP电力电缆保护导管RMDP电力电缆保护导管是以CPVC、PVC树脂为主要原料，添加稳定剂、润滑剂、改性剂等位高速捏合、挤出加工成型的，其生产工艺和配方先进合理。该管材具有自重轻、维卡温度高、耐冲击性能强、阻燃性能良好和优良的耐腐蚀性，在排管施工中可减免混凝土和保护层以及封路等麻烦。该管材的研制成功可在电力电缆埋管工程中替代现有落后的材料及施工工艺。该产品具有比水泥石棉管及其它产品在安全性能、安装轻便、经久耐用、无毒素、无公害等优点，既有经济效益，又具有社会效益。RMDP产品特点可以总结为以下几点：·具有耐热、耐压、耐腐蚀、耐老化（使用寿命达40年以上）等优点。·RMDP电缆导管由接头、防水密封圈、支架等部件组成。设计合理，施工方便，不需浇注混凝土保护层，支架采用组合式连接，缩短施工周期，无放射性致癌物，具有显著的经济和社会效益。·挖土方量小。管子重量只有钢管的1/4，混凝土管的1/10，施工过程简捷，工时费用大大降低。·RMDP电缆导管完全克服了普通PVC管耐侯性能差的缺点。其强度可取代钢管并克服了钢管易腐蚀以及形成闭合磁路造成单芯电缆温升过度而损坏的现象。RMDP电缆导管的施工特点：·电缆导管标准长度为4 m，采用承插式接口连接，原则上以直埋敷设为主，一般应在地面1 m以下。·挖槽宽度以管子的接连、地基施工和固填作业后所需的最小间隙即可。一般情况，沟槽的挖掘宽度比双石棉水泥管的敷设沟槽小0.8～0.85 m，可以减少开挖工作量。·地基施工时考虑到管子要承受土压、车轮载荷等大负载，如地基不平稳，易使管子产生弯曲，局部负载过大，因此要注意将沟底挖平，使管枕平坦。若遇土质松软，建议在管下铺沙或铺设一层厚100 mm的混凝土，如遇暗溪或小河时，应先挖除淤泥，并在导管底铺设一层厚200 mm的钢筋混凝土底板，混凝土标号为C20级。·电力电缆导管标准长度配置管枕时，管枕间距为1.5 m，管枕连接采用燕尾销，管子的连接采用插式接头，为使管子便于插入，可在橡皮圈的内侧和整个插口的外面涂上少量的肥皂水或专用润滑剂。管子表面应标有插入长度的线，管子插入后需要加以确认。RMDP电力电缆导管的研制开发已获肯定，它的各项理化性能指标均达到或超过国外同类产品，它的推广使用可摒弃落后有害的材料和施工工艺，有利于城市市容、交通、环境的改善。同时其在配电网领域电缆工程的应用中已获得较好的反响，将其应用于110kv电缆的敷设方面，技术上是成熟的。3.2 DBS无碱玻纤石英电缆导管DBS无碱玻纤石英电缆导管是在原有的复合玻璃钢电缆导管生产基础上开发的新产品，其结构设计科学合理，综合性能优于其它的电缆导管。DBS电缆导管在应用上具有如下优越性能：·该产品采用新工艺，在自动化程控缠绕机上采用带张力缠绕技术一次成形，结构更为紧密，质量稳定可靠。·采用夹石英砂的新技术，刚度高、强度高，就同壁厚的导管而言，DBS无碱玻纤石英电缆导管其各项强度指标是普通复合玻璃钢管的1.5～2倍。可在行车道下直埋，无须浇筑混凝土保护层。·耐化学腐蚀、耐水性能好，可在潮湿环境、高盐碱地带和水中长期使用。·绝缘性能好，击穿强度达3.5 kV/mm以上，无涡流损耗，适用于单芯电缆敷设。·进一步提高了产品的阻燃耐寒、耐热性能，可在-30～+130 ℃环境中长期使用，导管的性能不受影响。·内壁光滑，摩擦系数小，连接头两端采用45°倒角，穿缆轻滑，不会刮伤电缆。·安装施工简捷方便，产品本体重量轻，一人即可搬动，两人便可实施安装，能大大缩短施工周期，降低安装造价，采用扩口承插连接方式，埋设排管简捷快速，可避免道路开挖暴露时间过长，影响城市交通秩序。·具有科学的可设计性，在不同的部位和不同的方面上选择不同的纤维和缠绕角度，进行等强度设计，充分发挥了无碱玻纤的抗拉强度好的特点，使导管的钢度和强度达到最佳匹配。而且材料使用更加合理，降低了产品的生产成本。·就电缆性能而言，DBS无碱玻纤石英电缆导管无涡流损耗和电腐蚀。其承插式连接方式不易变形，增加电缆运行的安全性和可靠性。·在城市敷设电缆时，一般要影响到两旁商店的营业以及马路的交通，采用DBS无碱玻纤石英电缆导管作电缆保护管，可大大缩短施工周期，减少对交通的影响及因电缆工程建设而造成的间接损失，有良好的社会效益。主要技术指标：密度1.80 g/cm3，摩擦系数0.4，耐腐性（80 ℃，100 h）失重0.012 mg，耐热性135 ℃，阻燃性（氧指数）26%，撞击性能（6.8 kg，300 mm）无损，巴氏硬度40，使用寿命50年。由上述分析可见，采用DBS无碱玻纤石英电缆导管，其技术上是可行的，能够产生良好的社会效益。在社会发展速度日益加快的今天，DBS无碱玻纤石英电缆导管将以其较多的性能优点及较合理的性能价格比逐渐被广大用户和电缆工程建设者所了解和接受。4 经济指标分析比较通过对同一个电缆工程进行比较，可以发现，采用DBS玻纤石英电缆导管或RMDP电缆保护管，其综合造价比其他管材要低。海泡石纤维水泥管虽然单价较低，但需要在施工时打混凝土外包封。这不但使工程造价提高，同时由于混凝土需要养护期，也使工程进度减慢。DBS及RMDP两种管的造价相差不大，其摩擦系数也基本相同，但在实际使用中发现他们均要求回填细土或细砂。这一点增加了管井的综合造价。另外RMDP在实际应用中可有小幅度弯曲，这可使现场遇到障碍时灵活处理，某种程度上减少了过渡井室的增加。海泡石纤维内抛光加筋水泥管是一种新产品。它较原来的海泡石管增加了摩擦系数低，无需打包封等特点。其摩擦系数可达到DBS及RMDP同等水平，但其价格却大大低于两者。因此从技术经济指标来看，新型的海泡石纤维内抛光加筋水泥管具有较为突出的优势。这种管目前仅在三环工程中做为直埋电缆过路保护管使用。虽然效果不错，但仍需时间的考验及经验的积累。将管井与2m×2m明开电缆隧道进行比较，可以发现，在电缆敷设容量相差无几的情况下，电力隧道的投资是埋管工程投资的两倍多。5 结论综上所述，管井建设的一次性投入较隧道敷设小很多，而一次性建成后既可避免重复开挖，同时其电缆容量也较隧道敷设差别不大，其经济技术指标较优。110kv电缆穿管敷设从理论上而言是可行的，而且在上海等地已有较多的运行经验，是一种经济合理的敷设方式，可以进行普遍推广。穿管敷设尤其适用于综合规划充备的新兴开发区等地区。可以考虑不同电压等级同路径敷设的管井建设。
