超高压大截面电力电缆线路热膨胀计算分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
热胀冷缩是自然界的基本规律 ,电缆线路长度 越长 ,热膨胀量越大 ,其产生的机械应力以及对电缆 附件和附属设施的危害性越显著 。长距离高压电缆
1282
高电压技术
2010 ,36 (5)
线路工程应用中 ,线路热膨胀 、导体排列 、交叉互联 与金属护层感应电压 、接地与环流 、系统短路电流等 问题备受关注 ,隧道敷设 ≥220 kV 电压等级的超高 压大截面电缆线路 ,上述问题尤为突出[428] 。为了最 大限度地合理利用电缆隧道内的有限空间资源 ,选 取电缆支架形式 、线路排列与固定方式 、交叉互联箱 安装位置等优化设计方案均与电缆线路热膨胀密切 相关[9211 ] 。基于积累的实际运行经验和国家相关标 准 ,电缆隧道内采用蛇形敷设电缆线路能够有效地 吸收因负荷变化而产生的电缆线路长度的热胀冷缩 变化量 ,消除机械应力 。但是 ,蛇形敷设的弧幅和蛇 形长度需占据隧道内的宝贵空间 ,甚至挤占检修 、巡 视通道 。一些敷设电缆线路回路数较多的隧道 ,不 得不增加隧道几何尺寸以满足蛇形敷设 、检修维护 和巡视通道的需要 ,极大地增加了电缆线路工程造 价 。因此 ,专家建议 : 根据隧道内部实际空间利用 率 ,电缆线路蛇形敷设形式可选择采取水平蛇形敷 设和垂直蛇形敷设两种方式 ;导体排列可采取正三 角形排列或水平排列 ;固定电缆线路的支架形式可 根据隧道横截面几何尺寸选取弧形支架或垂直支 架 ,固定方式可采用刚性固定或挠性固定 ;支架间距 或支架数量取决于蛇形几何尺寸的选取[12216 ] 。
3. 广州供电局 ,广州 510310)
摘 要 : 为了解决电缆导体温升因负荷变化而变化 ,导致电缆线路热胀冷缩的问题 ,工程应用中通常采取蛇形敷
设电缆线路 。特别是隧道内的超高压 、大长度 、大截面电缆线路 ,蛇形敷设能够有效吸收热胀冷缩引起的电缆线路
长度变化 ,防止电缆接头和终端机械应力损伤 。为此 ,选取回路长度为 1. 2 km 的 2500 mm2 / 220 kV XL P E 电缆线
2006 年 ,上海市电力公司率先投运 4 回路 2500 mm2 / 220 kV XL P E 电力电缆线路 ,该线路回路长
度为 11 2 km , 隧道 敷设[1] 。2009 年 , 敷 设 2 回 路 2500 mm2 / 500 kV XL P E 电力电缆 , 回路长度约 17. 15 km ,再次刷新世界纪录[2] 。截止 2009 年 12 月底 ,国网公司系统所辖 66～500 kV 高压电缆线 路回路长度合计 86101 7425 km ,同比 2008 年度增 长率为 181 73 %。其中 ,排管敷设和隧道敷设是高 压电缆线路重要的敷设方式 ,66 、110 、220 、330 、500 kV 电压等级下电缆线路隧道和排管敷设所占比例 经统计分别为 77 %、63 %、66 %、89 %、85 %[3] 。
为了及时有效地吸收热膨胀量 ,电缆线路通常
采取水平蛇形敷设或者垂直蛇形敷设 。依据实际积
累的运行经验 ,电缆线路蛇形长度和蛇形弧幅取值 范围分别为 3～8 m 和 > 11 5 D ( D 为电缆外径) 。此 时 ,对应图 1 所示 ,电缆线路理论热膨胀量 、轴向伸 缩推力和侧向滑移量可以依据式 (1) ～ (6) 计算得 出[14 ] 。
电缆线路热膨胀分析和计算是优化长距离大截 面超高压电缆线路蛇形敷设几何尺寸的重要理论依 据 。合理选取蛇形敷设的弧幅和蛇形长度 ,一方面 能够为电缆支架数量和电缆隧道几何尺寸优化设计 过程提供基础数据 ;另一方面 ,为在进行隧道内敷设 电缆线路回路数量 、线路和导体排列方式以及电缆 线路固定方式等设计时 ,提供理论依据 ,大大降低电 缆隧道和电缆线路工程造价 。
高电压技术 第 36 卷 第 5 期 2010 年 5 月 31 日
High Voltage Engineering , Vol . 36 , No . 5 , May 31 , 2010
1281
超高压大截面电力电缆线路热膨胀计算分析
罗俊华1 , 张 丽2 , 刘毅刚3 , 郑传宝2 (1. 国网电力科学研究院 ,武汉 430074 ;2. 上海市电力公司 ,上海 100031 ;
电缆线路轴向热膨胀量 ΔL 可参考式 (1) 理论 计算
ΔL = αΔθL 。
(1)
式中 ,ΔL 为电缆线路热膨胀量 ,mm ;Δθ为电缆线路
导体温升 ,°C ; L 为蛇形长度的 1/ 2 ,mm ;α为电缆线
路热膨胀系数 ,1/ °C。
针对水平敷设的电缆线路 ,当导体温度下降时 ,
其蛇形弧轴向力 Fh1 可参考式 (2) 理论计算
3. Guangzho u Power Supply Bureau , Guangzho u 510310 , China)
Abstract : Two kinds of EHV cable lines were taken as analytical examples to calculate t hermal expansio n quantity. One is 2500 mm2 / 220 kV XL PE cable line of which t he ro ute lengt h is abo ut 1. 2 km , and anot her is 2500 mm2 / 500 kV XL PE cable line of which t he route lengt h is about 17. 15 km. The calculatio n result s p rove t hat t he maximum axial p ush force is abo ut 20 kN when t he emergency overload temperat ure of cable co nducto r reaches 250 °C. The op2 timal design of snake2like laying in size and dist ributio n of bracket , as well as different arc amplit ude and pitch ,was p ut forward based on different diameters of t unnel fo r not o nly decreasing t he axial p ush force but also economizing space. In ot her wo rds , when t he arc amplit ude range f rom 150 to 250 mm and t he pitch range f ro m 4000 to 8000 mm are selected , and t he axial p ush force of t he long lengt h cable lines wit h large size conducto rs which are installed in t he t unnel may be rest ricted wit hin 4 to 6 kN range. And t he arc bracket s are t he best design for t he rounded cro ss sectio n t unnel to save space. Key words : power cable ; t hermal expansio n ; large size conductor ; snake2like laying ; axial p ushforce ; calculation
为 20 kN ;优化设计隧道内电缆线路蛇形敷设的蛇形长度范围为 4000～8000 mm ,弧幅范围为 150～250 mm ,蛇形
弧幅的轴向伸缩推力亦可以限制在 4～6 kN 范围内 。
关键词 : 电力电缆 ; 热膨胀 ; 大截面导体 ; 蛇形敷设 ; 轴向伸缩推力 ; 计算
中图分类号 : TM247
文献标志码 : A
文章编号 : 100326520 (2010) 0521281206
Analysis and Calculation of Thermal Expansion of EHV Cable Line with Large Size Conductor
L U O J un2hua1 , ZHAN G Li2 , L IU Yi2gang3 , ZH EN G Chuan2bao2 (1. State Grid Elect ric Power Research Instit ute , Wuhan 430074 , China ; 2. Shanghai Municipal Elect rical Power Co rporatio n , Shanghai 100031 , China ;
1283
图 2 θ= 250 °C、不同 L 时蛇形弧幅 B 与 轴向伸缩推力 Fva 的关系
图 1 电缆线路蛇形敷设及热膨胀分析示意图 Fig. 1 Snake2like laying and the thermal expansion of the power cable line
面的电缆线路热膨胀现象尤为严重 , 在电缆线路设 计 、敷设施工和运行维护工作中 ,应该引起各个部门 的高度重视 。
本文依据国家标准和工程实践实例 ,理论分析 超高压 、长距离 、大界面电缆线路在不同工况条件下 的热膨胀问题 ,计算了蛇形敷设的弧幅和蛇形长度 , 为电缆线路工程设计 、敷设施工和竣工验收提供参 考依据 。
1 热膨胀分析
导体温升导致的电缆线路热膨胀 ,沿电缆线路 轴向产生机械应力 F , F 与电缆导体温度θ和电缆 线路热膨胀系数α有关 。由于电缆线路本身自重向 下产生的垂直重力 、电缆本体与电缆支架之间因摩 擦而产生的反向摩擦力等 ,当电缆导体温升变化时 , 则合力可以分解为电缆线路轴向伸缩推力和侧向滑 移推力 。当伸缩推力和滑移推力足够大时 ,电缆线 路接头 、终端 、金属护层以及电缆附属设施可能被损 坏 ,引发电缆线路运行故障 。超高压 、长距离 、大截
0 பைடு நூலகம்言
近十年来 ,城市电网大量采用地下电力电缆输 配电系统 ,以大幅节约空间资源 、土地资源和提高城 市电网抵御冰雪 、洪水 、台风等自然灾害能力 。特别 是地下超高压电缆输电系统 ,能够有效地解决线路 走廊 、供电半径 、供电可靠性以及公共安全 、电磁干 扰等问题 。高电压 、大截面 、长距离电力电缆线路在 大 、中型城市和经济发达地区的主网架中已经占据 相当重要的地位 。
Fh1
=
+
μW L 2B
2
×0. 8 。
(2)
当导体温度上升时 ,其蛇形弧轴向力 Fh2 可参
考式 (3) 理论计算
Fh2
=-
8 EI B2
αθ 2
-
(
B
8 EI + n)
2
αθ 2
-
μWL 2
( B + n)
×0. 8 。
(3)
针对垂直敷设的电缆线路 ,当导体温度下降时 ,
其蛇形弧轴向力 Fv1 可参考式 (4) 理论计算
Fv1
= + WL2 2B
×0. 8 。
(4)
当导体温度上升时 ,其蛇形弧轴向力 Fv2 可参
考式 (5) 理论计算
Fv2
=-
8 EI B2
αθ 2
-
(
8 EI B + n)
2
αθ 2
+
2
WL 2 (B +
n)
×0. 8 。
(5)
电网运行与安全
罗俊华 ,张 丽 ,刘毅刚 ,等. 超高压大截面电力电缆线路热膨胀计算分析
路和回路长度为 17. 15 km 的 2500 mm2 / 500 kV XL PE 电缆线路为计算分析实例 ,分析和计算不同的导体温度 、蛇
形弧幅值和蛇形长度对弧幅轴向推力大小的影响 。针对不同直径的隧道 ,提出了既节约隧道空间又能限制轴向推
力的蛇形弧幅和蛇形长度的推荐值 。当电缆线路在紧急过载情况时 (导体温度θ= 250 °C) ,弧幅轴向伸缩推力约
1282
高电压技术
2010 ,36 (5)
线路工程应用中 ,线路热膨胀 、导体排列 、交叉互联 与金属护层感应电压 、接地与环流 、系统短路电流等 问题备受关注 ,隧道敷设 ≥220 kV 电压等级的超高 压大截面电缆线路 ,上述问题尤为突出[428] 。为了最 大限度地合理利用电缆隧道内的有限空间资源 ,选 取电缆支架形式 、线路排列与固定方式 、交叉互联箱 安装位置等优化设计方案均与电缆线路热膨胀密切 相关[9211 ] 。基于积累的实际运行经验和国家相关标 准 ,电缆隧道内采用蛇形敷设电缆线路能够有效地 吸收因负荷变化而产生的电缆线路长度的热胀冷缩 变化量 ,消除机械应力 。但是 ,蛇形敷设的弧幅和蛇 形长度需占据隧道内的宝贵空间 ,甚至挤占检修 、巡 视通道 。一些敷设电缆线路回路数较多的隧道 ,不 得不增加隧道几何尺寸以满足蛇形敷设 、检修维护 和巡视通道的需要 ,极大地增加了电缆线路工程造 价 。因此 ,专家建议 : 根据隧道内部实际空间利用 率 ,电缆线路蛇形敷设形式可选择采取水平蛇形敷 设和垂直蛇形敷设两种方式 ;导体排列可采取正三 角形排列或水平排列 ;固定电缆线路的支架形式可 根据隧道横截面几何尺寸选取弧形支架或垂直支 架 ,固定方式可采用刚性固定或挠性固定 ;支架间距 或支架数量取决于蛇形几何尺寸的选取[12216 ] 。
3. 广州供电局 ,广州 510310)
摘 要 : 为了解决电缆导体温升因负荷变化而变化 ,导致电缆线路热胀冷缩的问题 ,工程应用中通常采取蛇形敷
设电缆线路 。特别是隧道内的超高压 、大长度 、大截面电缆线路 ,蛇形敷设能够有效吸收热胀冷缩引起的电缆线路
长度变化 ,防止电缆接头和终端机械应力损伤 。为此 ,选取回路长度为 1. 2 km 的 2500 mm2 / 220 kV XL P E 电缆线
2006 年 ,上海市电力公司率先投运 4 回路 2500 mm2 / 220 kV XL P E 电力电缆线路 ,该线路回路长
度为 11 2 km , 隧道 敷设[1] 。2009 年 , 敷 设 2 回 路 2500 mm2 / 500 kV XL P E 电力电缆 , 回路长度约 17. 15 km ,再次刷新世界纪录[2] 。截止 2009 年 12 月底 ,国网公司系统所辖 66～500 kV 高压电缆线 路回路长度合计 86101 7425 km ,同比 2008 年度增 长率为 181 73 %。其中 ,排管敷设和隧道敷设是高 压电缆线路重要的敷设方式 ,66 、110 、220 、330 、500 kV 电压等级下电缆线路隧道和排管敷设所占比例 经统计分别为 77 %、63 %、66 %、89 %、85 %[3] 。
为了及时有效地吸收热膨胀量 ,电缆线路通常
采取水平蛇形敷设或者垂直蛇形敷设 。依据实际积
累的运行经验 ,电缆线路蛇形长度和蛇形弧幅取值 范围分别为 3～8 m 和 > 11 5 D ( D 为电缆外径) 。此 时 ,对应图 1 所示 ,电缆线路理论热膨胀量 、轴向伸 缩推力和侧向滑移量可以依据式 (1) ～ (6) 计算得 出[14 ] 。
电缆线路热膨胀分析和计算是优化长距离大截 面超高压电缆线路蛇形敷设几何尺寸的重要理论依 据 。合理选取蛇形敷设的弧幅和蛇形长度 ,一方面 能够为电缆支架数量和电缆隧道几何尺寸优化设计 过程提供基础数据 ;另一方面 ,为在进行隧道内敷设 电缆线路回路数量 、线路和导体排列方式以及电缆 线路固定方式等设计时 ,提供理论依据 ,大大降低电 缆隧道和电缆线路工程造价 。
高电压技术 第 36 卷 第 5 期 2010 年 5 月 31 日
High Voltage Engineering , Vol . 36 , No . 5 , May 31 , 2010
1281
超高压大截面电力电缆线路热膨胀计算分析
罗俊华1 , 张 丽2 , 刘毅刚3 , 郑传宝2 (1. 国网电力科学研究院 ,武汉 430074 ;2. 上海市电力公司 ,上海 100031 ;
电缆线路轴向热膨胀量 ΔL 可参考式 (1) 理论 计算
ΔL = αΔθL 。
(1)
式中 ,ΔL 为电缆线路热膨胀量 ,mm ;Δθ为电缆线路
导体温升 ,°C ; L 为蛇形长度的 1/ 2 ,mm ;α为电缆线
路热膨胀系数 ,1/ °C。
针对水平敷设的电缆线路 ,当导体温度下降时 ,
其蛇形弧轴向力 Fh1 可参考式 (2) 理论计算
3. Guangzho u Power Supply Bureau , Guangzho u 510310 , China)
Abstract : Two kinds of EHV cable lines were taken as analytical examples to calculate t hermal expansio n quantity. One is 2500 mm2 / 220 kV XL PE cable line of which t he ro ute lengt h is abo ut 1. 2 km , and anot her is 2500 mm2 / 500 kV XL PE cable line of which t he route lengt h is about 17. 15 km. The calculatio n result s p rove t hat t he maximum axial p ush force is abo ut 20 kN when t he emergency overload temperat ure of cable co nducto r reaches 250 °C. The op2 timal design of snake2like laying in size and dist ributio n of bracket , as well as different arc amplit ude and pitch ,was p ut forward based on different diameters of t unnel fo r not o nly decreasing t he axial p ush force but also economizing space. In ot her wo rds , when t he arc amplit ude range f rom 150 to 250 mm and t he pitch range f ro m 4000 to 8000 mm are selected , and t he axial p ush force of t he long lengt h cable lines wit h large size conducto rs which are installed in t he t unnel may be rest ricted wit hin 4 to 6 kN range. And t he arc bracket s are t he best design for t he rounded cro ss sectio n t unnel to save space. Key words : power cable ; t hermal expansio n ; large size conductor ; snake2like laying ; axial p ushforce ; calculation
为 20 kN ;优化设计隧道内电缆线路蛇形敷设的蛇形长度范围为 4000～8000 mm ,弧幅范围为 150～250 mm ,蛇形
弧幅的轴向伸缩推力亦可以限制在 4～6 kN 范围内 。
关键词 : 电力电缆 ; 热膨胀 ; 大截面导体 ; 蛇形敷设 ; 轴向伸缩推力 ; 计算
中图分类号 : TM247
文献标志码 : A
文章编号 : 100326520 (2010) 0521281206
Analysis and Calculation of Thermal Expansion of EHV Cable Line with Large Size Conductor
L U O J un2hua1 , ZHAN G Li2 , L IU Yi2gang3 , ZH EN G Chuan2bao2 (1. State Grid Elect ric Power Research Instit ute , Wuhan 430074 , China ; 2. Shanghai Municipal Elect rical Power Co rporatio n , Shanghai 100031 , China ;
1283
图 2 θ= 250 °C、不同 L 时蛇形弧幅 B 与 轴向伸缩推力 Fva 的关系
图 1 电缆线路蛇形敷设及热膨胀分析示意图 Fig. 1 Snake2like laying and the thermal expansion of the power cable line
面的电缆线路热膨胀现象尤为严重 , 在电缆线路设 计 、敷设施工和运行维护工作中 ,应该引起各个部门 的高度重视 。
本文依据国家标准和工程实践实例 ,理论分析 超高压 、长距离 、大界面电缆线路在不同工况条件下 的热膨胀问题 ,计算了蛇形敷设的弧幅和蛇形长度 , 为电缆线路工程设计 、敷设施工和竣工验收提供参 考依据 。
1 热膨胀分析
导体温升导致的电缆线路热膨胀 ,沿电缆线路 轴向产生机械应力 F , F 与电缆导体温度θ和电缆 线路热膨胀系数α有关 。由于电缆线路本身自重向 下产生的垂直重力 、电缆本体与电缆支架之间因摩 擦而产生的反向摩擦力等 ,当电缆导体温升变化时 , 则合力可以分解为电缆线路轴向伸缩推力和侧向滑 移推力 。当伸缩推力和滑移推力足够大时 ,电缆线 路接头 、终端 、金属护层以及电缆附属设施可能被损 坏 ,引发电缆线路运行故障 。超高压 、长距离 、大截
0 பைடு நூலகம்言
近十年来 ,城市电网大量采用地下电力电缆输 配电系统 ,以大幅节约空间资源 、土地资源和提高城 市电网抵御冰雪 、洪水 、台风等自然灾害能力 。特别 是地下超高压电缆输电系统 ,能够有效地解决线路 走廊 、供电半径 、供电可靠性以及公共安全 、电磁干 扰等问题 。高电压 、大截面 、长距离电力电缆线路在 大 、中型城市和经济发达地区的主网架中已经占据 相当重要的地位 。
Fh1
=
+
μW L 2B
2
×0. 8 。
(2)
当导体温度上升时 ,其蛇形弧轴向力 Fh2 可参
考式 (3) 理论计算
Fh2
=-
8 EI B2
αθ 2
-
(
B
8 EI + n)
2
αθ 2
-
μWL 2
( B + n)
×0. 8 。
(3)
针对垂直敷设的电缆线路 ,当导体温度下降时 ,
其蛇形弧轴向力 Fv1 可参考式 (4) 理论计算
Fv1
= + WL2 2B
×0. 8 。
(4)
当导体温度上升时 ,其蛇形弧轴向力 Fv2 可参
考式 (5) 理论计算
Fv2
=-
8 EI B2
αθ 2
-
(
8 EI B + n)
2
αθ 2
+
2
WL 2 (B +
n)
×0. 8 。
(5)
电网运行与安全
罗俊华 ,张 丽 ,刘毅刚 ,等. 超高压大截面电力电缆线路热膨胀计算分析
路和回路长度为 17. 15 km 的 2500 mm2 / 500 kV XL PE 电缆线路为计算分析实例 ,分析和计算不同的导体温度 、蛇
形弧幅值和蛇形长度对弧幅轴向推力大小的影响 。针对不同直径的隧道 ,提出了既节约隧道空间又能限制轴向推
力的蛇形弧幅和蛇形长度的推荐值 。当电缆线路在紧急过载情况时 (导体温度θ= 250 °C) ,弧幅轴向伸缩推力约