?。?.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122）

　　摘  要： 為解決崇明三島供電問題，利用滬崇蘇大通道敷設220 kV電力電纜。采用解析方法建立了220 kV電纜借道市政隧道敷設的熱場模型，分析了各種工況下電纜發(fā)熱及溫升對周圍市政設施的影響。計算結果表明，滬崇蘇市政隧道搭載高壓電力電纜，電纜發(fā)熱引起的溫升是安全的。

　　關鍵詞： 電纜；熱場；市政；隧道

0 引言

　　隨著我國城鎮(zhèn)化進程，電纜化供電模式以及相應的電纜敷設方式得到越來越廣泛的應用。國內(nèi)大城市已相繼建成了不同電壓等級的電纜專用隧道，并不斷發(fā)展為城市地下電力網(wǎng)。但是，高壓電纜深入城區(qū)，是否會給居民的正常生活、工作帶來安全隱患，這一問題越來越受到各有關方面的關注。我國目前正在積極試點城市地下管道綜合走廊，又被稱為“共同溝”，它將市政、電力、通訊、燃氣、給排水等各種管線集于一個隧道空間。在共同溝的推廣中，相關的工程環(huán)境問題，如電力電纜的發(fā)熱是否會對隧道內(nèi)其他設施的使用帶來安全隱患，將有待加強研究。

　　為了解決上海崇明三島（崇明、長興、橫沙）供電問題，利用滬崇蘇大通道（其中浦東至長興為過江隧道，分為上行及下行二條隧道；長興至崇明為大橋）敷設220 kV電力電纜。在隧道的最初方案中并未考慮敷設高壓電力電纜，所以隧道通風散熱的設計也未考慮電力電纜的發(fā)熱量。電力電纜在長期運行中發(fā)熱，導致電纜通道溫度升高，可能影響隧道內(nèi)同一空間中的其他設備的安全運行。另外，該電纜通道的散熱條件與常規(guī)隧道有所不同，常規(guī)隧道上下左右四個面都直接接觸土壤，可以散熱；滬崇蘇隧道中，電纜通道頂部為高速公路，另一側為軌道交通通道，僅一個側面和底部為土壤。所以對這樣特殊而重要的工程，難以直接套用載流量計算標準。本課題專門建立傳熱模型，對敷設在滬崇蘇大通道過江隧道中的220 kV電力電纜，在輸送電流的作用下，電纜的發(fā)熱及其導致的電纜通道內(nèi)溫度升高進行計算分析，目的是既能充分發(fā)揮電纜的輸電能力，又能將電纜隧道的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，提高滬崇蘇工程的安全性。

1 載流量計算標準

　　在對隧道電纜的發(fā)熱、溫度控制、電纜供電能力等方面的設計中，其主要依據(jù)是“電纜載流量計算”。電纜載流量計算的目的是確定在現(xiàn)場環(huán)境條件下，既不影響電纜使用壽命，又能充分發(fā)揮電纜傳輸能力的電纜載流能力。目前國內(nèi)外對于電纜載流量計算均有相應的標準， 國際上有IEC 60287《電纜載流量計算》、IEC228《電纜的導體》、IEC60853《電纜周期性和緊急性載流量的計算》；國內(nèi)為JB/T10181《電纜載流量計算》、GB/T 3956 《電纜的導體》。

　　上述標準能夠比較準確地計算出標準環(huán)境和工況下的電纜內(nèi)部損耗和內(nèi)部熱阻。但實際應用中，電纜的外部環(huán)境千差萬別、難以統(tǒng)一，而電纜載流量與外部環(huán)境的關系非常大。從國內(nèi)的電纜載流量計算情況看，普遍存在取值偏保守、裕度過大的問題，不能充分發(fā)揮電纜的輸電能力。在處理各種復雜的外部環(huán)境以及電纜之間存在的相互影響等問題時，不能簡單照搬上述標準，應根據(jù)具體情況具體分析。

2 電纜隧道結構參數(shù)

　　2.1 電纜隧道的結構

　　滬崇蘇隧道工程全長約8 954.0 m，將每條隧道（上行及下行隧道）內(nèi)分割的電纜通道作為高壓電纜隧道，整個隧道分隔為四個部分，如圖1，地面以上是高速公路通道，地面以下當中是軌道交通，內(nèi)側（即靠近另一條隧道的一側）用于逃生通道和放置隧道自用的電力線路和變壓器等設備，外側是電力電纜通道。隧道混凝土壁面以外為長江江底土壤。

　　電纜通道的截面為近似扇形截面，如圖2，高度為2.93 m（從集水溝鋼格柵板到通道頂），寬度為2.5 m。電纜通道與土壤接觸面為弧形，散熱周長約為5.9 m（指襯砌外壁，包括集水溝下面的部分）。在電纜通道中，上下兩組電纜靠內(nèi)側壁面架設。

　　2.2 模型邊界條件

　　電纜隧道模型主要由5個要素組成：隧道的截面形狀尺寸、埋地深度、通風情況、電纜隧道四周散熱介質（土壤及混凝土）的導熱系數(shù)、土壤溫度。

　　本項目的研究對象與常規(guī)隧道有所不同，常規(guī)隧道上下左右四個面都直接接觸土壤，可以散熱。滬崇蘇隧道中，電纜通道一側和底部為土壤，頂部為高速公路，另一側作為軌道交通通道。軌道交通通道內(nèi)依靠機車行駛的活塞作用與外部進行熱量交換；公路通道內(nèi)也有空調(diào)設施。地鐵通道和汽車通道都有自己的散熱途徑，但其散熱能力、溫度控制范圍、以及與電纜通道的熱交換情況，目前尚難以準確估算。在計算中為簡化問題、從嚴考慮，將毗鄰地鐵和汽車通道的隧道壁視為隔熱層，不考慮其熱交換作用。

　　該電纜通道截面積只有約6 m2，長度約8 km，同時由于隧道穿越長江，沿途沒有布置豎井通風，除進口出口外，整個通道近似為全封閉。在這樣的通道內(nèi)進行通風散熱，風阻非常大，進出口處的風速和隧道中部的風速相差很大，所以，計算中不考慮風機強制通風散熱的情況，而且由于截面積小，電纜通道內(nèi)的空氣沿隧道長度方向基本上是不流動的，即可以忽略沿隧道長度方向的熱量傳遞。

　　這樣，電纜通道僅依靠一側和底部的與土壤的弧形接觸面進行散熱。同時，本項目成為一個二維的傳熱問題，可用二維熱傳遞模型計算電纜通道內(nèi)的溫度場。

　　電纜通道距離江底越深，散熱條件越差，數(shù)學模型按最深處的隧道考慮，即電纜通道中心距離江底30 m。

　　根據(jù)江底土壤的潮濕情況及相關資料，混凝土襯砌的導熱系數(shù)取值：0.896（Btu/ft.hr.DegF），土壤的導熱系數(shù)取值：0.79（Btu/ft.hr.DegF）。

　　江底由于水的流動，會不斷帶走熱量，所以這里將江底視為等溫層。

　　交聯(lián)聚乙烯電纜的運行溫度要求電纜導體＜90 ℃。

　　一般認為，隧道內(nèi)溫度不應超過40 ℃。所以，如果隧道內(nèi)溫度計算結果＜40 ℃，則認為電力電纜發(fā)熱不會影響市政交通隧道的正常使用。

　　2.3 電纜參數(shù)及工況

　　本項目的計算對象為YJLW03型、電壓等級220 kV、導體截面積為800 mm2的銅芯XLPE絕緣皺紋鋁護套電力電纜。該電纜芯為5分割銅導體，外護套材料為聚乙烯。每個電纜通道內(nèi)敷設6根單芯電纜，兩條隧道共12根單芯電纜。電纜敷設方式為三角形緊密排列方式，金屬護套接地方式為等距離交叉互聯(lián)單點接地。電纜支架為非鐵質結構。

　　滬崇蘇電纜為雙拼電纜，即一共只有兩回線，每一回線由兩路電纜并聯(lián)組成。電纜在入隧道前進行了交叉，結果是，兩條電纜通道內(nèi)的上支架的兩路電纜屬于同一回線，下支架的兩路電纜屬于另一回線。當一回線電纜發(fā)生計劃或非計劃停運時，每個通道內(nèi)均是一個支架上的電纜停電，另一個支架上的電纜正常運行。

　　在夏季負荷高峰極端情況下，日最高負荷可能達到400 MW。該負荷由兩回線電纜共同承擔，每根電纜的電流為262.4 A。根據(jù)電力系統(tǒng)可靠性的“N-1”原則，當出現(xiàn)一回線停運時，另一回線承擔全部負荷，即每個電纜通道內(nèi)，一個支架上的電纜輸送200 MW的負荷（每根電纜的電流為525 A），另一支架上的電纜停運，這是發(fā)熱量最大的工況（稱為N-1工況）。不過實際上，單回線運行時間非常短，一般不超過一天。

　　另外，從上海市以往的日負荷曲線看，日平均負荷率為0.68，可將其作為滬崇蘇電纜的負荷率。

3 建模及計算分析

　　3.1 模型的簡化

　　真實模型中，電纜并非放置在電纜通道的中心，而是靠近與軌道交通相鄰的混凝土墻壁，和墻壁距離在0.2 m以上。鑒于本項目主要關注隧道內(nèi)的空氣平均溫度，所以解析模型中不考慮電纜偏心帶來的溫度不均勻問題，將電纜發(fā)熱及溫度計算進一步簡化為一維傳熱問題。

　　3.2 載流量計算方法

　　解析算法是工程上計算電纜載流量的主要依據(jù)。電纜載流量應滿足該電流作用下纜芯工作溫度不超過電纜絕緣耐熱壽命容許溫度值，且符合導體連接可靠性要求。電纜載流量的解析算法目前廣泛應用熱網(wǎng)絡分析法。熱網(wǎng)絡法的原理是將電纜視為以其幾何中心為圓心的分層結構，用集中參數(shù)代替分布參數(shù)，把電流作用于電纜的熱平衡，視為一維形式的熱流場，籍助與電路中的歐姆定律、基爾霍夫定律相似的熱歐姆等法則，進行簡明的解析求解。

　　電纜載流量計算的基本過程分三步：（1）損耗計算；（2）熱阻的計算；（3）載流量的計算。根據(jù)前兩步計算結果，將參數(shù)值代入計算公式，即可計算出在給定基準條件下的載流量，稱為額定載流量，或在最高允許工作溫度下的連續(xù)載流量。

　　本項目不同于上述的電纜載流量計算。本項目不僅要考慮發(fā)熱對電纜壽命的影響，還要考慮電纜發(fā)熱對環(huán)境的影響。這里導體溫度?茲是待求量，不能作為邊界條件；隧道空氣溫度是不確定的，而且是待求量，必須將熱網(wǎng)絡分析延伸到江底及遠處土壤。

　　本項目的熱量傳遞過程為：從導體到電纜表面各層固體之間的熱傳導過程、從電纜表面到空氣的對流換熱過程、從空氣到隧道內(nèi)壁的對流換熱過程、從隧道內(nèi)壁到江底的熱傳導過程。相應的熱網(wǎng)絡圖示如圖3。

　　由于待求量較多，不宜用簡單的公式求解，應采用類似電路中的節(jié)點電壓法列出熱網(wǎng)絡的節(jié)點方程：

　　其中，C為環(huán)境溫度，是指江底及遠處土壤的溫度；導體表面、絕緣中部、金屬護套表面、電纜表面、空氣、隧道內(nèi)壁的溫度。

　　下面進行節(jié)點方程中損耗和熱阻的計算，需要說明的是，有些計算本身需要引用待求量溫度1、5、6，為便于計算，這里先將估算值賦給待求量進行試算，求出后再重新計算，實踐證明這種方法達到了足夠的精度。

　　3.3 各種工況下的計算結果

　　夏季負荷高峰極端情況下日最高負荷達到400 MW時，認為“穩(wěn)態(tài)發(fā)熱量＝日平均負荷率×日最高負荷”，溫度計算結果見表1。可見，單回線運行時的空氣溫度高于雙回線。

　　下面考慮一種假想的嚴酷情況，負荷率始終為100％，將日最高負荷作為穩(wěn)態(tài)負荷進行溫度計算，結果如表2。這種情況在實際運行中是不會出現(xiàn)的，因為負荷總是周期變化的，不會一直維持在最高負荷。

　　不論哪種工況，電纜通道內(nèi)的平均溫度均遠低于40 ℃。

　　根據(jù)計算結果，不論是正常運行方式還是N－1運行方式下，不論是周期性負荷還是負荷率始終為100％情況下，均符合電纜導體溫度<90 ℃、隧道內(nèi)溫度<40 ℃的要求。電纜發(fā)熱引起的溫升既不會影響電纜安全運行，也不會影響隧道內(nèi)高速公路和軌道交通的正常使用。

4 結論

　　在滬崇蘇交通隧道的最初方案中并未考慮敷設高壓電力電纜，所以隧道通風散熱的設計也未考慮電力電纜的發(fā)熱量。本課題采用解析算法建立傳熱模型，針對敷設在滬崇蘇大通道過江隧道中的220 kV電力電纜，研究在輸送電流的作用下，電纜的發(fā)熱及其導致的電纜通道內(nèi)溫度升高情況。目的是既能充分發(fā)揮電纜的輸電能力，又能將電纜隧道的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，提高滬崇蘇工程的安全性。

　　計算結果顯示，在最苛刻的工況下（N－1運行方式，電纜輸送容量為400 MW、負荷率為100％），電纜導體溫度為47.1 ℃、隧道內(nèi)溫度為34.4 ℃，符合電纜導體溫度<90 ℃、隧道內(nèi)溫度<40 ℃的要求。電纜的發(fā)熱既不會影響電纜安全運行，也不會影響隧道內(nèi)高速公路和軌道交通的正常使用。結果表明，滬崇蘇市政隧道搭載高壓電力電纜，電纜發(fā)熱引起的溫升是安全的，能量輸送是可行的。

　　隨著我國城市用電負荷的快速增長，電纜通道資源緊張、電纜過載等問題將會在各城市逐漸增多；利用市政交通隧道敷設高壓電力電纜，以及建設城市地下管道綜合走廊，符合資源集約化應用的思想，將會有越來越多的應用。由于敷設環(huán)境的特殊性，難以直接套用載流量計算標準，而且不僅要考慮發(fā)熱對電纜壽命的影響，還要考慮電纜發(fā)熱對環(huán)境的影響；所以有必要建立傳熱模型，一事一議，針對具體工程進行專門分析。

　　滬崇蘇高壓電纜在通道結構、散熱途徑等方面與常規(guī)隧道有較大差別，本文在熱場建模中嘗試解決這些問題，進行了熱模型簡化、邊界條件取值、模型求解、電纜運行工況等方面的分析工作，相關經(jīng)驗可為其他工程提供有價值的參考。

參考文獻

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