大断面电缆研究报告

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1、大断面电缆研究 报告 1.研究对象1.1研究对象本课题的研究对象是大 断面电缆隧道(如图1-1) ，其主要由以下八部分组成： (1)建筑部分 (2)结构部分(3)通风部分 (4)消防部分(5)电气部分 (6)照明部分(7)给排水部分 (8)电缆敷设部分图11 大断面电缆隧道1.2 大断面科研的研究内容大断面隧道科研分为三阶段完成。第一阶段的主要研究内容为：(1)电缆隧道相关文献资料的收集与分析；(2)管片隧道试验模型的设计。第二阶段的主要研究内容为：(1)大断面电缆管片隧道（T型接口）足尺模型的建立与试验结果分 析；(2)大断面隧道内部电缆布置方案及其分析；(3)大断面长距离隧道段的通风与消防

2、模式与分析；(4)大断面隧道的照明与排水方案与分析；(5)电缆内部支架、主要构件力学分析；(6)大断面隧道的通风设计计算分析；(7)电缆布置、通风、消防、照明、排水方案分析与选择；(8)初步成果在大断面电缆隧道设计中的应用；(9)提交阶段性研究报告。第三阶段的主要研究内容为：(1)大断面电缆隧道的管片隧道模型力学分析；(2)大断面电缆隧道的管片隧道+内部结构整体力学分析；(3)大断面电缆隧道通风的计算流体动力学（CFD）模拟；(4)大断面电缆管片隧道设计与通风模式比选分析；(5)工作井、材料出入口、人员进出口的合理布置方式；(6)隧道分层布置及上下隧道层通风与控制模式；(7)研究成果在大断面电

3、缆隧道设计改进中的应用；(8)研究成果在设计中的转化确定合理断面布置、支架力学参数 、 通风模型与参数、照面布置等。2.研究意义现代化城市高负荷密度的城区，土地资源极其珍贵，架空线走 廊资源愈来愈受到限制，市政规划、景观及环保的要求愈来愈高， 而采用地下电缆隧道改造城区电网，可以节省线路走廊和环境资源 ，输、配电线路实施地下化已是势在必行。国内外电缆隧道建设的 实践表明，它是城市地下空间开发利用的一种很好形式，可以把 110kV、220kV高压，乃至500kV超高压直接引入中心城区，使 电网与城市建设得以和谐、协调的持续发展。电缆线路在运行中，输送较大的容量同时往往会产生很大的热 量，若隧道内

4、部通风效果不理想，隧道内的温度就不断升高，电缆 线路的输送容量也因此会受到限制。所以研究合理的隧道内通风和 消防模式，不仅能维护电缆隧道内稳定的运行环境，而且还能准确 的预测隧道内部可能产生的安全隐患，防患于未然。同时，随着负荷电流变化及环境温度变化，电力电缆会发生热 伸缩。电缆线芯的热胀冷缩会产生非常大的热机械力，电缆线芯截 面越大，产生的热机械力就越大。线芯和金属护套还会应热胀冷缩 的多次循环而产生蠕变。热伸缩对电力电缆长期运行构成威胁，会 造成运行电缆位移，滑落，甚至损坏电缆及附件。针对上述情况， 需要根据电缆的重量、允许牵引力、侧压力和摩擦系数、各段电缆 最大敷设长度和电缆按短路电动力

5、确定所需预固定的距离等因素， 合理、有效的使用隧道内空间。在圆形电缆隧道中，若采用 直立型支架（如图21所示）， 由于是圆形断面，直立型支架的 左右两边均有较大的间隙，而且 要保证中间检修通道的宽度，能 敷设电缆电路的回路数相对较少 ，经济效果不理想。本课题采用 新型的的环形支架，其弧形结构 可以紧贴隧道的圆形表面，与采 用直立型支架相比，在不增加外 部空间资源和保证安检通道间距 的前提下，合理扩展了电缆隧道 内部的使用空间，增加了电缆的 敷设回路数。图21 直立型支架电缆隧道截面因此，通过对电缆布置、通风、消防、照明、排水及内部主要受 力构件的分析与选择，可以明确大断面电缆隧道的电缆布置路线

6、，对 电缆隧道内部通风机理进行深入的研究，把理论分析和实际工程联系 起来。从本质上去解析和解决在工程建设中遇到的各种问题，对于电 缆隧道设计有至关重要的作用，其成果不仅可以为主管部门和政府决 策部门提供有效的参考，而且可以提高相关工程的质量，降低造价， 使之真正做到安全、经济、合理；还可以积累资料，为我国大断面电 缆隧道的设计提供参考依据和研究方法，完善我国大断面电缆设计和 研究作出贡献。3.国内外研究现状3.1国外研究现状国外大多数城区变电站都通过电缆与电网相连，为改善城市中心 商业区及其周围地区电力系统，以保证在该地区居住和工作的人能获 得安全和可靠的电力供应。电缆隧道是把变电站连接起来的

7、一种方式 ，但隧道并非是连接电网的唯一方式。电缆还可以敷设在市政道路下 ，但国外开挖开挖方案往往被当地政府否决，因此变电站的连接选择 了电缆隧道方案。随着国外城市，尤其是大城市、特大型城市的供电线路密度加大 和电力需求的增长，将超高压线路引入市中心，推动了超高压地下输 电系统的发展，相继建成不同电压等级的隧道。国外一些国家电缆隧 道建设的实践主要如:日本东京电力公司（TEPCO）确定了超高压线路引入市中心计划 （拟建设13条线路），建成了目前的超高压地下输电系统。这一系统 以围绕市区的500kV外环系统为起点，建设尽可能靠近市中心的 275kV地下输电线路。同时使各处的地下系统相互连接，确保供

8、电的 可靠性。东京电力公司在电缆隧道工程中积累了丰富的经验，现公司 拥有460km的电缆隧道和270km共享隧道。3.2国内研究现状国内电缆隧道建设起步较晚，但近年来，国内大城市的用电负 荷增长很快，原有的220kV输电系统供电已不能满足日益增长的电 力需求，在大城市的市中心兴建地下变电站，通过电缆隧道敷设地 下电缆线路，将更高一级电压等级500kV引入市中心已成为必然的 选择。国内（包括香港）电缆隧道建设的实践主要有：(1) 北京北京是我国城市电缆隧道应用最多的城市，已建成电缆隧道总 长度达360km，每年新建电缆隧道达15km。电缆隧道敷设已成为 110220kV输配电电缆线路主要敷设方式

9、之一。(2) 上海上海市电力公司经反复调研论证，提出了在今后上海城市电网 建设中，原则上以电缆隧道为220500kV输电线路的主干通道， 已建于地下表层的电缆排管作为电力输送的支线延伸。上海市电力 公司现有电缆隧道共11km，其中包括4条跨越黄浦江的电缆隧道。4.大断面隧道建筑结构部分的研究成果建筑部分研究成果：通过对国内外几种常用的电缆敷设方式的 优缺点的比较分析，结合一些工程实例确定一种更加符合本隧道电 缆敷设方式。并在直通型隧道连接处、拐弯型隧道连接处和T型隧 道连接处确定合理的电缆布置方案。结构部分研究成果：通过对电缆隧道内主要的受力结构（钢环 、钢柱、电缆支架等）的力学计算，确定受力

10、构建合理的截面尺寸 ，并结合通用有限元软件ADINA对整个结构体系进行整体的屈曲分 析，验算力学计算的结果。并对钢环、钢柱、电缆支架、预应力混 凝土板、衬砌等构件的防火、防锈及防腐措施提出了建议。4.1大断面内部电缆布置方案及分析4.1.1隧道电缆布置方案由于各电缆隧道的输电能力要求各不一样，其截面电缆布置方 案也会有所差别。 图41的方案把电缆隧道分为上 下两层。这样，隧道可以分为上下两 个防火分区，当隧道上层发生火灾时 ，由于混凝土板的阻隔（混凝土板涂 过阻燃材料），火势不会向下层蔓延 ，上层的人员也可以逃到隧道下层， 减少生命财产的损失。然而，由于隧 道内设置了混凝土板，隧道每层的纵 向

11、高度与原来不分层相比减小了一倍 。隧道内设备及构件安装时，进入隧 道内的施工设备受隧道内竖向高度的 限制，增加了施工的难度。图41 隧道分层时电缆布置图图42的方案为隧道 内未分层时的电缆布置方 案，隧道内部结构布置比 较简单，隧道内未设置混 凝土隔板，空间内净高与 隧道内分层时每层净高相 比大了一倍，内部电缆支 架的布置可以更加灵活。 然而，由于隧道直径比较 大，上部电缆敷设时高度 比较高，敷设难度增加。 隧道内最多也只可布置 16回电缆。图42 隧道未分层时电缆布置图左图43 钢柱上布 置的电缆支架大样右图44 钢环上布置 的电缆支架大样4.1.2电力电缆敷设(1) “一”字形布置与“品”

12、字形布置在电缆隧道内敷设的110kV电压等级的高压电缆(电压高、 截面大、负荷大) 基本上都采用单芯电缆，其布置除需考虑满足散 热条件以外，还要考虑电缆对邻近导体的影响以及电缆之间的相互 影响。单芯交流电缆的布置方式包括“品”字形布置和“一”字形 布置。(2) 金属护套接地方式单芯电缆金属护套接地方式可分为单端接地、双端接地和交叉 互联接地等三种从工艺角度考虑，双端接地最简单，交叉互联接地最复杂，单 端接地居中。从安全接地、短路动作可靠性角度考虑，双端接地和 交叉互联接地更为有利，贯通的金属护套可视为一根良好的接地线 。(3)电缆的蛇形敷设设计在隧道支架上敷设的单芯交联电缆与敷设在排管内的不同

13、，因 为在隧道支架上敷设的电缆能沿半径方向滑移不如排管那样受到管 壁阻碍，当电缆在轴向伸长时其伸缩量往往会集中到电缆盘绕残留 弯曲处，使电缆从支架上隆起而产生不规则的热伸缩滑移现象，为 防止该类不规则的滑移一般是采用连续蛇形敷设方法。改方法是利 用各个蛇形弧幅宽来吸收电缆的热伸长量，为缩小工作井提供条件 。 (4)水平蛇形敷设根据国外电缆热伸缩的研究，因电缆温度变化而产生的轴向力 除了与电缆本体的抗弯强度和因电缆本体重量产生的摩擦力有关外 ，还与蛇形弧的弯曲刚性，线膨胀系数温升电缆单位重量以及电缆 支持器材的摩擦系数有关。水平蛇形的支架布置一般在1.5m2m间距，比垂直蛇形小一 半，电缆的重量

14、能比较平均地分配在各个支架上，对单根支架及横 担的受力要求较低。(5) 垂直蛇形敷设垂直蛇形敷设一般采用4m以上的蛇形间距，与水平蛇形敷设 相比可以大大减少支撑的支架横担数量，如图45所示。 图45 垂直蛇形敷设侧视图图46 隧道电缆蛇形敷设水平蛇形敷设蛇形段需搁 置在支架上，当电缆发生热伸 缩时电缆表面将与横担产生移 动摩擦，而垂直蛇形敷设在支 持点之间电缆自然下垂，避免 了这个问题。日本新丰洲变电 站电缆隧道所采用的就是电缆 垂直蛇形布置形式，见图46 。(6) 竖向工作井电缆布置方式 对于电缆竖井来说，电缆的主要固定方式有3种，如下表所示。顶部一点夹具支持直线敷设夹具支持蛇形敷设夹具支持

15、适用竖井高差不 大，电缆重量较轻 的场合。电缆热伸 缩由底部弯曲处吸 收。适用于电缆重量较 重，但热伸缩轴向力不 大的情况。每隔数米设 一夹具，能紧握电缆重 量和热伸缩轴向力。适合热伸缩轴向 力很大的场合，用 蛇形敷设来降低热 伸缩轴向力。适用场所敷设示意图方式4.1.3隧道段交接处电缆布置根据电力工程电缆设计规范（GB50217-94），电缆的路 径选择，应符合下列规范：1、避免电缆遭受机械性外力、过热、腐蚀等危害。2、满足安全要求条件下使电缆较短。3、便于敷设、维护。4、避开将要挖掘施工的地方。为了便于电缆隧道运营后的管理维修，在电缆的布置时沿隧道 全线均应留出有足够的空间作为人行通道。隧

16、道的中间段，由于电 缆均贴墙壁走向，此问题较易解决。而在隧道连接处，由于电缆数 目较多，方向复杂，易出现不同电缆在线路上的交叉，或者阻碍人 行通道。为此，在电缆布置时，应进行合理的规划、设计，使电缆 尽量沿隧道侧壁敷设，从而避免不同线路电缆的交叉问题。图47、 图49、图48分别是直通连接处、T型连接处和拐弯连接处的电缆 布置示意图 图47 直通连接处图48 拐弯连接处图49 T型连接处图410 电缆敷设示意图图411 工作井剖面图4.2电缆内部支架、主要构件力学分析 4.2.1主要受力构件的防火处理因为在火灾发生后，若钢环、钢柱、混凝土板等主要的受力构 件受到破坏将很难重新施工，所以要确保这些构件能在火灾发生时 能继续承受荷载，在火灾发生后不用较大的修复就能继续使用，确 保电缆隧道的使用年限，需要对这些构件进行防火处理。4.2.1.1钢环、钢柱等钢结构的防火防锈处理措施1、钢结构的防火措施由于缺少明确的隧道内钢结构的防火规范，建议依据建筑钢 结构防火技术规范（CECS 200：200