隧道内电缆蛇形敷设特性.docx

， （ ，）：隧道内电缆蛇形敷设特性徐 伟 ， 郑 志 源（中国能源建设集团广东省电力设计研究院 ， 广 东 广 州 ）摘 要 ： 为限制电缆热伸缩时的轴向力及金属护套应变 ， 以 截 面 积 为 的 交 联 电 缆 为 例 ， 研 究 隧道内电缆蛇形敷设特性 。 在分析了初始蛇形 弧 幅 、 蛇形节距对电缆轴向力 、 金属护套应变的影响的基础上 ， 确 定 了蛇形节距的取值范围 ， 认为应综合考虑轴 向 力 、 施工误差和金属护套寿命等因素来确定初始蛇形弧幅 。 从 隧道空间及支架荷载 、 立柱荷载等方面对垂直蛇 形和水平蛇形敷设方式进行了比较 ， 指出实践中应结合工程特 点合理选择电缆蛇形敷设方式和参数 。关 键 词 ： 电 缆 ； 隧 道 ； 垂 直 蛇 形 敷 设 ； 水 平 蛇 形 敷 设 ； 初 始 蛇 形 弧 幅 ； 蛇 形 节 距 ； 金 属 护 套 应 变中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ：文 章 编 号 ：（）： ， ， ， ， ：； ； ；在 环 境 温 度 或 负 荷 电 流 变 化 时 ，由 电 缆 线 芯 温度变 化引起的热 胀 冷缩所产 生 的轴向力是十分巨大 的 ，且 电 缆 导 体 截 面 积 越 大 ，所产生的轴向力也越 大 ，若 处 理 不 当 ，将对线路 安 全运行造成较大的威 胁。当 电 缆 线 芯 温 度 变 化 时 ， 隧 道 中 敷 设 的 电 缆 会 产 生 弯 曲 变 形 ，随着线 芯 温度的循环变化 ，这 种 弯 曲 变 形 重 复 出 现 ，使电 缆 的金属护套产生疲劳 应 变 ，严 重 时 将 导 致 金 属 护 套 损 坏 。为限制电缆热伸缩时的轴 向 力 ，并 避 免 电 缆 弯曲 变形时产生过度的金属护套 疲 劳 应变 ，隧 道 中 敷 设 的电缆常常采用垂直蛇形敷 设 或 水平 蛇形 敷设的 布 置 方 式，。 文 献 分 析 了 垂 直 蛇 形 敷 设 时 导体 温 度 、初 始 蛇 形 弧 幅 、蛇 形 节 距 对 轴 向 力 大 小 的影 响 ，给 出 了 初 始蛇形弧幅和蛇形长度的推荐 值 ，但 对于水平蛇形敷设时的情况 、蛇 形 敷 设 对 金 属 护 套 疲劳应变的影响 、蛇 形 节 距 和 蛇 形 初 始 弧 幅 选 取 应 考 虑 的 因 素 、水 平 蛇 形 敷 设 与 垂 直 蛇 形 敷 设 的 优缺 点 等 问 题 均 没 有 提 及 。 本 文 在 分 析 初 始 蛇 形 弧 幅 、蛇形节距对电缆热伸缩时 轴 向 力和 金属 护套应 收 稿 日 期 ： 修 回 日 期 ：第 期徐 伟 ，等 ：隧道内电缆蛇形敷设特性 变 的 影 响 的 基 础 上 ，研究蛇 形 敷设参数取值需考虑 的 因 素 ，并对隧 道 内采用的 垂 直蛇形敷设和水平蛇 形 敷 设 进 行 对 比 。式 中 为 电 缆 摩 擦 因 数 。蛇形弧侧向滑移量 槡（）以 某 、 导 体 截 面 积 的 交 联蛇形敷设对电缆轴向力的影响 电 缆 为 例 ，当 电 缆 导 体 从 环 境 温 度 升 高 至 导体 最 高 温 度 时 ， 垂 直 蛇 形 敷设和水平蛇形敷 设 时 轴 向 力 与初始蛇形弧 幅 的 关 系 分 别 如 图 和 图 所 示 。当 电 缆 线 芯 温 度 变 化 时 ，电缆本身会产生热胀 冷 缩 现 象 ，沿 电 缆 轴 向 产 生 轴 向 力 。直 线 敷 设 时 轴向 力 的 计 算 式为（）式 中 ： 为 电 缆 线 路 线 性 膨 胀 系 数 ，； 为电 缆 导 体 温 度 变 化 量 ，； 为 电 缆 杨 氏 模 量 ，； 为 电 缆 导 体 截 面 积 ，。当 轴 向 力 足 够 大 时 ，电 缆 线 路 中 间 接 头 、终 端头 等 会 遭 受 损 坏 ，引 发 线 路 故 障 。线路采用蛇形敷 设 后 ，电 缆 的 热 涨 （冷 缩 ）转 变为蛇形弧幅的增加 （减 小）。由蛇形 弧 幅所形成 的 侧压力增加了电缆各 层之 间 的 摩 擦 力 ， 对电 缆轴向力 起到削弱的作用 ，从 而 减 小 电 缆 的 轴 向 力 。 电 缆 蛇 形 敷 设 如 图 所 示 ，其 中 实 线 为 初 始 敷 设 蛇 形 电 缆 ，虚 线 为 热 涨 后的 蛇 形 电 缆 。图 垂直蛇形敷设时轴向力与初始蛇形弧幅的关系 初 始 蛇 形 弧 幅 ，； 半 蛇 形 节 距 ，； 蛇 形 弧 侧 向滑 移 量 ，。图 水平蛇形敷设时轴向力与初始蛇形弧幅的关系 图 电缆蛇形敷设示意图 从 图 和 图 可 以 看 出 ：同 一 蛇 形 节 距 下 ，轴向 力 随 初 始 蛇 形 弧 幅 增 大 而 逐 渐 减 小 ， 且 减 小 趋 势 逐 渐 变 缓 ；导 体 温 度 上 升 时 ，相 同 初 始 蛇 形弧 幅 下 ，水 平 蛇 形 敷 设 时 轴 向 力 随 蛇 形 节 距 增 大 而 变 大 ，而 垂 直 蛇 形 敷 设 时 轴 向 力 随 蛇 形 节 距 增 大 而 变 小 。采 用 垂 直 蛇 形 敷 设 的 电 缆 线 路 ，线 芯 温 度 下 降和 上 升 时 ，其 蛇 形 弧 轴 向 力 和 的 计 算 式 为 ： ，（） （）（）（）式 中 ： 为 电缆线路单位重力 ，； 为 电缆 抗 弯 刚 性 ，； 为 电 缆 导 体 温 度 ，。采用水平蛇形敷设的电缆线路，线芯温度下降和蛇形敷设对电缆金属护套应变的影响 当电缆线芯温度变化时 ，隧 道 中 敷 设 的 电 缆 会产 生 弯 曲 变 形 ，随 着 线 芯 温 度 的 循 环 变 化 ，这 种 弯 曲 变 形 重 复 出 现 ， 使 电 缆 的 金 属 护 套 产 生 疲 劳 应 变 ，严 重 时 将 导 致 金 属 护 套 损 坏 。 采 用 蛇 形 敷 设后 ，将 电 缆 的 横 向滑移控制在预先确定的限度 内 ， 从 而避免电缆金属护套产生过 度 的 疲劳 应变 。电 缆 金 属 护 套 的 应 变 的 计 算 式 为上升时，其蛇形弧轴向力 和 的计算式 为：，（） （）（） （）广 东电 力第 卷表 轴向力不大于时垂直蛇形敷设初始蛇形弧幅取值 ，（）（）式 中 为 电 缆 金 属 护 套 平 均 外 径 。蛇 形 节 距初 始 蛇 形 弧 幅 以 某 、导 体 截 面 积 的 交 联电 缆 为 例 ，采 用 垂 直 蛇 形 敷 设 时 ，在不同蛇形节距 下 金 属 护 套 应 变 与 初 始 蛇 形 弧 幅 的 关 系 如 图 所示 ；采 用 水 平 蛇 形 敷 设 的 特 性 与 垂 直 蛇 形 敷 设 时 类 似 。表 轴 向 力 不 大 于 时水平敷设初始蛇形弧幅取值 蛇 形 节 距 初 始 蛇 形 弧 幅 对于垂直蛇形敷设 ，初 始 蛇 形 弧 幅 取 值 相 对 较小 ，且对隧道空间影响不大 ，工 程 中 不 难 实 现 。但 对 于水平蛇形敷设 ，初 始 蛇 形 弧 幅 取 值 较 大 ，对 隧道 空 间 影 响 较 大 ，工 程 中 难 以 实 现 。由 于 目 前 轴 向力 限制值并无统一标准 ，工 程 设 计 时 应 结 合 具 体 工 程 实际需要来确定 。施工误差对初始蛇 形 弧幅 的要求 若两个相邻蛇形形状完全 对 称 ，当 电 缆 导 体 温 度 变 化 时 ， 其 各 自 内 部 产 生 的 蛇 形 轴 向 力 大 小 相同 ，节点处所受的合力为零 。但 施 工 过 程 中 难 免 有 误 差 ，造成两个相邻蛇形形状 不 对 称 ，这 时 就 会 在节 点处产生轴向力差 ，当 轴 向 力 差 超 出 固 定 夹 具 的 握紧 力 允 许 值 ， 电缆就会相对固定夹具产生滑 动 。随 着电缆导体温度的循环变化 ，这 种 相 对 滑 动 反 复 出 现 ，直至蛇形电缆形状大致 对 称 ，轴 向 力 差 不 大于 固定夹具的握紧力允许值 。在 上 述 相 对 滑 动 过 程中 ，固定夹具会对电缆外护套 造 成 磨损 ；同 时 ，受 电 缆内部轴向力差及固定夹具 摩 擦 力的 影响 ，电 缆内 部各层之间也会产生相对运 动 ，尽 管 这 种 运 动 不是 很 明 显 ，但也会对电缆造成 损 伤 。施 工 过 程 中 ，蛇 形 节 距 一 般 相 对 误 差 较 小 ，对 蛇 形轴向力影响不大 ；而 初 始 蛇 形 弧 幅 本 身 数 值 较小 ，施 工 过 程 难 以 控 制 ， 相对施工误差往往较 大 ，对 蛇形轴向力造成较大影响 。增 大 初 始 蛇 形 弧 幅 可 降 低由施工误差对轴向力造成 的 影 响 ，从 而 避 免 电 缆 损 伤 。在 工 程 设 计 时 ，应 结 合 施 工 误 差 合 理 选 择蛇 形 敷 设 参 数 ，使 电 缆 导 体 温 度 变 化 引 起 的 轴 向 力差 控制在一定范围内 。以 某 、导 体 截 面 积 的 交 联 电 缆 为 例 ，电 缆 按 三 相“品”字 形 布 置 ，固 定 夹 具 握 紧 力 允 许 值 为 ， 初 始 蛇 形 弧 幅 施 工 误 差 按（相邻蛇形初始弧 幅 最 大 差 值 为 ）考 虑 。若 要避免电缆相对固定夹具滑 动 ，则 垂 直 蛇 形 敷 设和 水平蛇形敷设的初始蛇形弧 幅 取 值应 分别 满足表 和 表 的 要 求 。图 垂直蛇形敷设时金属护套应变与初始蛇形弧幅的关系 由 图 可 知 ：同 一 蛇 形 节 距 下 ，金 属 护 套 应 变 随 初 始 蛇 形 弧 幅 增 大 而 逐 渐 减 小 ， 且 减 小 趋 势逐 渐 变 缓 ； 蛇 形 节 距 对 护 套 应 变 大 小 的 影 响 不大 。蛇形敷设参数的选择 蛇 形 节 距电 缆 垂 直 蛇 形 敷 设 时 ，蛇 形 节 距 越 大 ，导 体 温 度 升 高 时 的 轴 向 力 越 小 ，所 用 的电缆支架和夹具的 数 量 越 少 ，蛇 形 弧 施 工 越 方 便 。但 是 ，蛇 形 节 距 不宜 过 大 ，过 大 则 夹 具 间 电 缆 的 侧 压 力 偏 大 ，导 致 夹 具 处 电 缆 过 分 弯 曲 ，同时也 增 大对电缆支架荷载的 要 求。根 据 以 往 工 程 经 验 ， 电 缆 线 路 垂 直 蛇 形 节 距 一 般 取 。电 缆 水 平 蛇 形 敷 设 时 ，蛇 形 节 距 越 小 ，导 体 温 度 升 高 时 的 轴 向 力 越 小 。 但 是 ， 蛇形节距不宜过 小 ， 过 小 则 施 工 不 便 。 根 据 以 往 工 程 经 验 ， 电 缆 线 路 水 平 蛇 形 节 距 一 般 取 。轴 向 力 对 初 始 蛇 形 弧 幅 的 要 求蛇形敷设的 目 的之一在 于 限制热伸缩时蛇形轴 向 力 的 大 小 ，但 具 体限制值 目 前尚无统一标准 ，文 献推 荐 将 轴 向 力 限 制 在 以 下 。 轴 向 力 不 大 于 时 ， 垂 直 蛇形 敷 设和水平蛇形敷设在不 同 蛇 形 节 距 下 的 初 始 蛇 形 弧 幅 应 分 别 满 足 表 和 表的 要 求 。第 期徐 伟 ，等 ：隧道内电缆蛇形敷设特性 表 避免电缆滑动的垂直蛇形敷设初始蛇形弧幅取值 始 蛇形弧幅存在一定施工误差 的 情 况下 ，应 考 虑 避免 相邻蛇形不对称引起电缆相 对 固 定夹 具滑 动 ；应 避 免反复的热伸缩导致金属护 套 疲 劳应 变 ，从 而 影 响 金属护套的寿命 。因 此 ，初 始 蛇 形 弧 幅 的 选 择 应 综 合考虑轴向力大小 、蛇 形 弧 幅 施 工 误 差 及 金 属 护套 寿 命 等 因 素 。 对 于 导 体 截 面 积 为 的 交 联 电 缆 ， 初 始 蛇 形 弧 幅一般由轴向力控 制 。蛇 形 节 距初 始 蛇 形 弧 幅 表 避免电缆滑动的水平蛇形敷设初始蛇形弧幅取值 蛇 形 节 距初 始 蛇 形 弧 幅 金属 护套寿命对初 始蛇形弧幅的要求 由 于 电 缆 导 体 温 度 的 变 化 ，反复的热伸缩会导 致 金 属 护 套 疲 劳 应 变 ， 严重 时将导致金属护套损 坏 。因 此 ，在 选 择 蛇 形 敷 设 参 数 时 ，需 充 分 考 虑 将电 缆 金 属 护 套 应 变 控 制 在 最 小 允 许 范 围 内 ，使 其 在寿命 期内即便受 到 反复的热 伸 缩也不至于损坏 。铝 护 套 的 寿 命 特 性 计 算 式 为隧道内垂直蛇形敷设和水平蛇形敷设的比较对隧道空间的影响 蛇 形 敷 设 时 ， 电 缆 占 据 的 隧 道空间与电缆外 径 、初始蛇形弧幅及高温时的 横 向 滑移 量等 因素有 关 ，以“品”字形紧密排列的电 缆 在 高温 时占 据的隧 道 宽 度 ）（，（） ，式 中 为 电 缆 外 径 。（）式 中 为铝护套断裂时的弯曲次数 。电 缆 寿 命 期 一 般 为 年 ， 假 设 电 缆 天 受 到次 相 同 的 应 变 ， 约 为 次 ， 这 时 对 应 的 铝 护 套 疲 劳 应 变 为 。 以 某 、 导 体 截 面积 的 交 联 电 缆 为 例 ， 在 电 缆 每 天 经 历 从 最 低 温 度 （ ）到 导 体 最 高 允 许长期运行温度 （ ）的 极 端 情 况 下 ， 要 求 铝 护 套 寿 命 不 小 于 年（即 疲 劳 应 变 不 大 于 ）时 ， 该 电 缆 在 垂 直蛇形 敷设和水平 蛇 形敷设时 的 初始蛇形弧幅取值应 分 别 满 足 表 和 表 的 要 求 。表 铝护套寿命不小于 年时垂直蛇形敷设 初始蛇形弧幅取值 当电缆以水平蛇形敷设并 按 表 中 最 小 值 选 取初 始 蛇 形 弧 幅 时 ，该 电 缆 占 据 隧 道 宽 度 值 见 表 。表 电缆水平蛇形敷设时占据的隧道宽度 初 始 蛇 形 弧幅 横 向 滑 移 量占 据 隧 道宽 度 蛇 形 节 距由 表 可 知 ，电 缆 水 平 蛇 形 敷 设 时 ，占 据 隧 道宽 度 为 ， 比 垂 直 蛇 形 敷 设 多 约 ，考 虑 隧 道 两 侧 ， 则 多 占 据 约 的 宽 度 。虽 然 垂 直 蛇形敷设会多占据隧道竖向空 间 ，但 由于各层电缆布置形状相同 ，仅 最 下 层 电 缆 需 多占 据 约 的 竖 向 空 间 ，对 隧 道 整 体 空 间 影 响 不 大 。蛇 形 节 距初 始 蛇 形 弧 幅 表 铝护套寿命不小于 年时水平蛇形敷设 初始蛇形弧幅取值 蛇 形 节 距 初 始 蛇 形 弧 幅 对支架和立柱荷载 的 影响 水平蛇形敷设时 ，电 缆 支 架 和 立 柱 间 距 一 般 不超过 ；而 垂 直 蛇 形 敷 设 时 ， 电 缆 支 架 、 立 柱 间 距 与 蛇 形 节 距 一 致 ， 为 ， 支 架 和 立 柱 的 数 量 减 少 了 ，但对其荷载要求 却 提 高了 几倍。小 结蛇形节距和 初 始蛇形弧 幅 是蛇形敷设两个最基 本 的 参 数 。根 据 以 往 工 程 经 验 ， 电 缆 线 路 垂 直 蛇 形 节 距 一 般 取 ， 水 平 蛇 形 节 距 一 般 取 。初 始 蛇 形 弧 幅 的 选 择 ， 应 尽 量 限 制 热 伸 缩 时 蛇 形 轴 向 力 的 大 小 ，但 具体限制值目前尚无 统 一 标 准 ，应 结 合 具 体 工 程 实 际 需 要 来 确 定 ；在 初结 论）根 据 以 往 工 程 经 验 ， 电 缆 线 路 垂 直毉櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗毉櫗櫗櫗櫗櫗在线投稿网址：櫗櫗櫗櫗櫗毉櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗毉广 东电 力第 卷 ， ， ：，： 吉 启 荣 ， 吴 建 良 ， 李 喜 电力电缆运行过程中的热机械性能变 化电 力 建 设 ，（）： ， ，（）：， ， ， ， ， ，：，： 查 传 忠 交联聚乙烯电力电缆 敷 设 与 固 定 光 纤 与 电缆及其应用技术 ，（）： ，（）：， 城市电力电缆线路设计技术规定 徐 霞 ， 王 斌 电力隧道内长距离 电 缆 敷 设 设 计 华 东 电 力 ，（）： ， ，（）： 张 伟 ， 洪 芳 华 ， 张 宇 ， 等 大截面电力电缆用高强 度 夹 具 的 研 究华 东 电 力 ，（）： ， ， ， ，（）：蛇 形 节 距 一 般 取，水 平 蛇 形 节 距 一 般 取 。）初 始 蛇 形 弧 幅 的 选 择应 综合考虑轴向力大 小 、蛇形弧幅施 工 误差及金 属 护套寿命等因素 。对于 导 体 截 面 积 为 的 交 联 电 缆 ，初 始 蛇 形 弧 幅 一 般