基于崇明生态岛建设的沪崇隧道搭载电力电缆输送通道热场研究

李红雷 贺 林 杨凌辉 陈洪涛 上海市电力公司电力科学研究院

随着城市用电负荷的快速增长，电缆化供电模式以及相应的电缆敷设方式得到越来越广泛的应用。同时由于地下资源紧张、以及经费方面的原因，利用交通隧道敷设高压电力电缆可能成为必然的选择。

城市地下管道综合走廊，又被为“共同沟”，它将市政、电力、通信、燃气、给排水等各种管线集于一个隧道空间，在西方已有100多年的历史，我国目前也在试点推广。财政部、住房城乡建设部开展中央财政支持地下综合管廊试点工作，中央财政对地下综合管廊试点城市给予专项资金补助，直辖市每年5亿元，省会城市每年4亿元，其他城市每年3亿元。

但是，在交通隧道中输送电力的电缆，其发热是否会对交通隧道的使用带来安全隐，迄今为止尚未见研究成果发表。本文以敷设于交通隧道中的220 kV沪崇苏电缆线路为例，研究电缆发热及其导致的通道内温度升高，分析发热对周围市政设施的影响。目的是输电通道能充分发挥电缆的输电能力，又能将隧道温度控制在允许的范围内，保证整个隧道的安全性。

1 沪崇苏电缆工程的必要性

上海市政府2005年制定的《崇明三岛总体规划（2005－2020年）》，把崇明本岛的生态保护、恢复和重建放在优先突出位置，同时努力建立低碳型的经济发展和社会消费模式，协调经济社会发展和保护生态环境关系。依托科技创新，推行循环经济，发展低碳型的生态产业，积极有效地控制碳排放强度，努力将崇明本岛建成环境和谐优美、资源集约利用、经济社会协调发展的现代化生态岛。

崇明电网原有电源为堡镇电厂，装机容量为165 MW，其中14号机容量为55 MW、15号机容量为60 MW、16号机容量为50 MW。根据崇明三岛总体规划中污染减排的严格要求，大规模的燃煤电厂与崇明“生态岛”的战略定位极不相符。此外，由于崇明和长兴均具有孤立海岛的特性，其电力供给受到电力通道的限制，因此建设2回上海大陆至崇明三岛的电缆线路，一方面可缓解三岛目前面临的供电紧张问题，另外对崇明岛将来关停燃煤电厂创造条件。

2 电缆隧道结构参数

（1）电缆隧道的结构

沪崇苏电缆工程，利用沪崇苏大通道（其中浦东至长兴为过江隧道，分为上行及下行2条隧道；长兴至崇明为大桥）敷设220 kV电力电缆。本文主要研究隧道部分的热场分布，在隧道的最初方案中并未考虑敷设高压电力电缆，所以隧道通风散热的设计也未考虑电力电缆的发热量。

隧道工程全长约8.9 km，将每条隧道（上行及下行隧道）内分割的电缆通道作为高压电缆隧道，整个隧道分隔为4个部分（如图1），地面以上是高速公路通道，地面以下中间是轨道交通，内侧（即靠近另一条隧道一侧）用于逃生通道和放置隧道自用的电力线路和变压器等设备，外侧是电力电缆通道。隧道混凝土壁面以外为长江江底土壤。

电缆通道的截面为近似扇形截面（如图2），高度2.93 m（从集水沟钢格栅板到通道顶），宽度2.5 m。电缆通道与土壤接触面为弧形，散热周长约为5.9 m（指衬砌外壁，包括集水沟下面的部分）。在电缆通道中，上下两组电缆靠内侧壁面架设。

（2）模型边界条件

电缆隧道模型主要由隧道的截面形状尺寸、埋地深度、通风情况、电缆隧道四周散热介质（土壤及混凝土）的热阻系数、土壤温度要素组成。

图1 长江隧道整体剖面图

图2 电缆通道剖面图

本项目的研究对象与常规隧道有所不同，常规隧道上下左右4个面都直接接触土壤，可以散热[1][2]。沪崇苏隧道中，电缆通道一侧和底部为土壤，顶部为高速公路，另一侧作为轨道交通通道。轨道交通通道内依靠机车行驶的活塞作用，与外部进行热量交换。公路通道内也有空调设施。地铁通道和汽车通道都有各自的散热途径，但其散热能力、温度控制范围、以及与电缆通道的热交换情况，目前尚难以准确估算。在计算中为简化问题、从严考虑，将毗邻地铁和汽车通道的隧道壁视为隔热层，不考虑其热交换作用。

该电缆通道截面积只有约6㎡，长度约8.9 km，同时由于隧道穿越长江，沿途没有布置竖井通风，除进口出口外，整个通道近似为全封闭。在这样的通道内进行通风散热，风阻非常大，进出口处的风速和隧道中部的风速相差很大。所以，计算中不考虑风机强制通风散热的情况，而且由于截面积小，电缆通道内的空气沿隧道长度方向基本上是不流动的，即可以忽略沿隧道长度方向的热量传递。

因此，电缆通道仅依靠一侧和底部的、与土壤的弧形接触面进行散热。可视为一个二维的传热问题，可用两维热传递模型计算电缆通道内的温度场。

电缆通道距离江底越深，散热条件越差，数学模型按最深处的隧道考虑，即电缆通道中心距离江底30 m。江底由于水的流动，会不断带走热量，所以这里将江底视为等温层。交联聚乙烯电缆的运行温度要求为电缆导体＜90℃。一般认为，隧道内温度不应超过40℃。所以，如果隧道内温度计算结果＜40℃，则认为电力电缆发热不会影响市政交通隧道的正常使用。

（3）电缆参数及工况

计算对象为YJLW03型电缆、电压等级220 kV、导体截面积为800 mm2的铜芯XLPE绝缘皱纹铝护套电力电缆。该电缆芯为5分割铜导体，外护套材料为聚乙烯。每个电缆通道内敷设6根单芯电缆，两条隧道共12根单芯电缆。电缆敷设方式为三角形紧密排列方式，金属护套接地方式为：等距离交叉互联单点接地。电缆支架为非铁质结构。

沪崇苏电缆为双拼电缆，即一共只有2个回线，每一个回线由两路电缆并联组成。电缆在入隧道前进行了交叉，结果是，两条电缆通道内的上支架的两路电缆属于同一回线，下支架的两路电缆属于另一回线。当一回线电缆发生计划或非计划停运时，每个通道内均是一个支架上的电缆停电，另一个支架上的电缆正常运行。

在夏季负荷高峰极端情况下，日最高负荷可能达到400 MW。该负荷由两回线电缆共同承担，每根电缆的电流为262.4 A。根据电力系统可靠性的“N-1”原则，当出现一回线停运时，另一回线承担全部负荷，即每个电缆通道内，一个支架上的电缆输送200 MW的负荷（每根电缆的电流为525 A），另一支架上的电缆停运（如图3示），这是发热量最大的工况（称为N-1工况）。不过实际上，单回线运行时间非常短，一般不超过1 d。

另外，从上海市以往的日负荷曲线看，日平均负荷率为0.68，可将其作为沪崇苏电缆的负荷率。

图3 电缆不同的运行工况

3 建模及计算分析

本项目采用国际通用的专业载流量软件CYMCAP进行计算，CYMCAP是由CYME International、Ontario Hydro 电力公司及 McMaster大学，在加拿大电气协会 (Canadian Electricity Association) 赞助下共同合作开发的 ，并在世界上得到了广泛的应用和认可。

根据前述的基础数据和模型参数，CYMCAP的电缆隧道模型示意图如图4，模型参数为隧道的截面尺寸：1.8 m宽×2.4 m高；隧道埋地深度：隧道中心距离河床30 m。土壤的热阻系数：0.72（K·m / W）。

图4 CYMCAP电缆隧道模型

根据电缆不同的运行方式，有如下6种工况。

工况1：稳定负荷2×263 A

在正常运行方式下（双回线运行），每根电缆的负荷率始终为100%，稳定载流量＝400MW/2(回)/2(双拼)/220 kV/1.732＝263 A。

工况2：稳定负荷1×525 A

在N-1运行方式下（仅1回线运行），每根电缆的负荷率始终为100%，稳定载流量＝400MW/1(回)/2(双拼)/220kV/1.732＝525A。

工况3：周期负荷2×263 A

在正常运行方式下，每根电缆承受周期性负荷（负荷率0.68），将263 A作为日最大负荷，计算稳定（或趋于稳定）值。

工况4：周期负荷1×525 A

在N-1运行方式下（仅1回线运行），每根电缆承受周期性负荷（负荷率0.68），将525A做为日最大负荷，计算稳定（或趋于稳定）值。

工况5：以隧道温度＜40℃作为约束条件，计算正常工况时，周期负荷下的电缆最大输送容量。

工况6：以隧道温度＜40℃作为约束条件，计算N-1工况时，周期负荷下的电缆最大输送容量。

CYMCAP的各工况下电缆导体和隧道内温度计算结果见表1。

表1 各工况下电缆导体和隧道温度计算结果

根据计算结果，不论是正常运行方式还是N－1运行方式下，不论是周期性负荷还是负荷率始终为100%情况下，均符合电缆导体温度＜90℃和隧道内温度＜40℃要求。电缆发热引起的温升，既不会影响电缆安全运行，也不会影响隧道内高速公路和轨道交通的正常使用。

4 节能减排分析

随着西南大规模清洁水电通过电缆送入该区域，崇明相关电厂目前已关停。按照2010年的发电机组运行情况，两个发电厂年发电量约7亿kwh。以此估算，改用电缆通道输送清洁水电，每年节约标煤近21万t，减少二氧化碳排放56.7万t。根据常用燃料排污系数，减排效果估算结果见表2。污染物排放量的大幅下降有效支撑了崇明生态岛的建设，获得了良好的经济和社会效益。

表2 崇明岛电厂减排效果估算 万 t

5 结论

（1）电缆热场分析

采用国际专业CYMCAP软件进行计算，在最苛刻的工况下（N-1运行方式，电缆输送容量为400MW、负荷率为100%），电缆导体温度为44.9℃、隧道内温度为33.4℃，符合电缆导体温度＜90℃、隧道内温度＜40℃要求。电缆的发热既不会影响电缆安全运行，也不会影响隧道内高速公路和轨道交通的正常使用。

计算结果表明，沪崇苏市政隧道搭载高压电力电缆，电缆发热引起的温升是安全的，能量输送是可行的。

（2）效益及展望

随着沪崇苏电缆投入使用，崇明相关电厂已停止运行，污染物排放量大幅下降，经济社会效益显著。沪崇苏电缆工程是构筑能源互联通道、建设崇明绿色生态岛的重要技术条件。

伴随着我国的城镇化进程，以及消纳大规模清洁水电的需求，电缆通道资源紧张、电缆过载等问题将会在各城市逐渐增多；利用交通隧道敷设高压电力电缆、以及建设城市地下管道综合走廊，符合资源集约化应用的思想，将会有越来越多的应用。

[1].Manabu S, Shinichi I. Genetic algorithm based real-time rating for shorttime thermal capacity of duct installed power cable[A]. Proceedings of the V Brazilian Conference on Neural Networks[C], 2001.

[2].马国栋. 电线电缆载流量[M]. 北京:中国电力出版社，2003.