电缆夹层在±800 kV特高压换流站控制楼的应用

2018-08-07王宁壁张玉明陈正时

吉林电力 2018年3期

常伟，顾群，王宁壁，张玉明，陈正时，张瑞，闻潜

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 710075)

2011年至2018年，向家坝—上海、锦屏—苏南、哈密南—郑州、溪洛渡—浙西、灵州—绍兴、酒泉—湖南、晋北—南京、锡盟—泰州、上海庙—山东、扎鲁特—青州等±800 kV特高压直流输电工程相继建成投运。“十三五”期间，世界上电压等级最高、输电距离最远的昌吉—古泉±1 100 kV直流输电工程已开工建设，特高压直流输电工程进入规模建设阶段［1］。

换流区域是特高压换流站的核心区域，布置有高(低)端阀厅、主(辅)控制楼等重要建筑物［2-3］。主(辅)控制楼是换流站土建施工工期的关键节点［4］。国内±800 kV送端换流站阀外冷系统一般均采用空冷器+冷却塔串联的冷却方式，站用电负荷较受端换流站大，进出主(辅)控制楼的各类型电缆较多且电缆直径选型也较受端站大。若采用地下电缆沟道方案，电缆沟宽1.2～1.6 m，除去电缆沟道两侧壁电缆支架，中间的检修通道一般仅容一个人通过，电气安装阶段敷设电缆时，安装操作空间狭小，施工进度慢;另外，换流站主(辅)控制楼土建施工一般都是先施工基础及主体框架，后施工地下设施部分，主(辅)控制楼框架基础埋深较深，电缆沟道埋深往往浅于框架柱基础，因此，待施工完框架柱基础后，电缆沟道均坐落于回填土上，施工现场必须先对回填土进行压实处理后才可以施工电缆沟道基础，否则若回填土碾压不够密实或地基土出现不均匀沉降，就会导致屏柜随地基沉降发生倾斜，从而影响换流站安全运行。

为解决上述问题，提出主(辅)控制楼采用本文的电缆夹层设计方案，并与电缆沟道方案进行技术经济比较，电缆夹层设计方案已成功应用于哈密南、灵州、酒泉±800 kV换流站工程，可为后续类似工程提供技术支持和参考。

1 控制楼电缆夹层方案选择

电缆夹层一般可采用半地下或全地下设计方案。2种电缆夹层结构型式在国内发电主厂房内以及500 kV及以下户内变电站的配电装置楼均有应用，但在特高压换流站控制楼尚未得到应用。文献［5］对电缆夹层防火及消防设计要点进行了总结，电缆夹层内，控制电缆采用电缆桥架敷设，电力电缆采用支架敷设，支架按4～5层布置。控制电缆在上层，电力电缆在下层。当出现交叉敷设时，控制电缆和电力电缆必须由上而下配置，高压电缆避让低压电缆，并应考虑敷设路径的可行性。半地下室电缆夹层，层高一般 2.5～2.7 m，其中约 1.2～1.5 m 埋于地下。地上部分设置百叶窗，主要用来通风。室外电缆沟(隧)道中的电缆直接敷设至半地下室中。半地下室的地面一般高出场地设计标高1.5～1.8 m左右，从而使得建筑物高度增加，同时，也增加了设备搬运的难度。

因为控制楼的顶标高应与阀厅高度保持协调关系，且各层的建筑高度均是依据工艺资料而确定，当采用半地下电缆夹层方案，需要将一层地面整体抬高约1.5～1.8 m，最终导致主(辅)控制楼标高抬高，因此，推荐采用全地下电缆夹层方案。

2 控制楼电缆夹层设计

2.1 电缆夹层平面布置

主控制楼一层低端400 V交流配电室、低端阀组辅助控制室、低端阀组阀冷控制保护(VCCP)室的布置屏柜等电气设备房间布置有电缆夹层。设置电缆夹层，同时在－0.06 m层增加一道框架梁兼做基础梁，减小底层柱计算长度，所有墙体荷载及夹层顶地面荷载需参与结构计算。若采用电缆沟道，如在－0.06 m层增加一道框架梁兼做基础梁时，施工空间狭窄，不便支模和回填土夯实。交付安装摆放电缆以及运行检修时操作空间受限。

2.2 电缆夹层顶板布置

主控制楼一层电气设备房间内的屏柜均布置于楼板上，由主体框架承担所有屏柜的荷载。

2.3 电缆夹层侧壁布置

主(辅)控制楼采用电缆夹层布置方案，电缆夹层顶板、侧壁均与主(辅)控制楼主体框架整体现浇。电缆夹层侧壁类似于一般建筑物的地下室外墙，兼做挡土墙，一般承受土体侧压力以及由地面传来的附加荷载，受荷不大。电缆夹层两端一般锚入框架柱和独立基础内，电缆夹层侧壁顶部直接锚入零米层框架梁，两端锚入框架柱内，底部锚固于与基础顶同高的基础连梁内，为四边固接板。在软件PKPM模型中，先计算电缆夹层侧壁(四边固接板)在地面土体侧压力及地面上活载引起的侧压力产生的弯矩和剪力，将此弯矩和剪力以水平扭矩和剪力的方式加载到零米层框架梁，用以模拟电缆夹层侧壁对框架梁、柱产生的荷载效应。由于在整个结构模型中土体侧压力及地面上活载引起的侧压力是对称的，相互抵消的，因此电缆夹层侧壁可单独作为一个混凝土构件设计。电缆夹层侧壁的设置相当于基础间设置的基础拉梁，使各基础的受力更趋均匀，电缆夹层侧壁可按照偏心拉压杆计算配筋和裂缝。

电缆夹层侧壁承受土体侧压力，按四边固接设计可减小侧壁厚度，侧壁底部锚固于与基础顶同高的基础连梁内，不用为电缆夹层侧壁单独设计基础，减少了基础工程量。这种结构型式无论采用天然地基的独立基础还是采用桩基的承台基础均适用。

2.4 电缆夹层防水设计

电缆夹层防水措施主要分为2部分:一是主体结构的防水;二是细部构造的防水。结构主体的防水常规做法有2种:一是砌体(地面)+防水涂料(防水卷材、防水砂浆)，该做法造价经济，施工方便，但防水性能差;二是防水混凝土+防水涂料(防水卷材、防水砂浆)，该做法是目前的常规做法，其效果尚好。细部构造的防水主要是指施工缝、变形缝、后浇带、孔洞等重点部位的防水。换流站主(辅)控制楼电缆夹层防水改进措施:

a.电缆夹层外墙底板采用防水混凝土辅以一层防水卷材或防水涂料的防水措施;

b.目前电缆夹层均与户外电缆隧道相通，且电缆夹层底标高高于户外电缆隧道底标高，户外电缆隧道都设计有集水坑和排水泵。

2.5 电缆夹层消防设计

电缆夹层消防设计应严格贯彻执行“预防为主，防消结合”的消防工作方针［6］。电缆的火灾事故率在换流站较低，考虑到电缆分布范围较广，如设置固定的灭火装置，投资太高不现实，鉴于电缆火灾的蔓延速度较快，仅仅靠移动式灭火器不一定能及时防止火灾蔓延，一般情况下电缆夹层与户外电缆隧道处、电缆竖井的出入口处均应采取防止电缆火灾蔓延的阻燃或分隔措施，并根据换流站(变电站)的规模及重要性采取下列措施:采用防火隔墙或隔板，并用防火材料封堵电缆通过的孔洞;电缆局部涂防火涂料或局部采用防火带、防火槽盒。

当电缆夹层采用A类阻燃电缆时，可与主(辅)控楼统一考虑设置室内外消火栓系统。电缆夹层中室内消火栓一般布置在楼梯过道附近。因电缆夹层位于主(辅)控楼±0 m层以下，设置室内消火栓时还需消防排水设施。

另外，电缆夹层还应设置火灾报警系统。火灾报警系统的火灾探测器可选用线型感温、感烟或吸气式感烟等类型。

2.6 电缆夹层通风设计

控制楼内电缆夹层宜选用排烟系统［6］，用于电缆夹层的内部散热和发生火灾时的排烟，采用灾后排烟，即当火灾发生时，该房间轴流风机不启动排烟，当确认火灾扑灭后，轴流风机启动排烟。

电缆夹层设置独立进排风系统，以保证正常换气及事故排风要求，通风量宜按电缆发热量计算。

2.7 电缆夹层与一层通道设计

目前换流站电缆夹层采用的电缆均为阻燃电缆。换流站主(辅)控楼设置有电缆夹层的建筑火灾危险性类别为丁类［7-8］。文献［6］中规定:丁类厂房的地下或半地下室每个防火分区的最大允许建筑面积为1 000 m2，厂房的每个防火分区以及一个防火分区内的每个楼层，其安全出口的数量应经计算确定，且不应少于2个;地下、半地下厂房或厂房的地下室、半地下室，当有多个防火分区相邻布置，并采用防火墙分隔时，每个防火分区可利用防火墙上通向相邻防火分区的甲级防火门作为第二安全出口，但每个防火分区必须至少有1个直通室外的独立安全出口。当控制楼地下电缆夹层建筑面积不大于1 000 m2时，应设置2个直通室外的独立安全出口;当控制楼地下电缆夹层建筑面积大于1 000 m2时，应根据其防火分区的数量设置直通室外的独立安全出口且每个防火分区必须至少有一个直通室外的独立安全出口。

3 电缆夹层与电缆沟道技术经济分析

下面对采用电缆夹层方案与电缆沟道方案进行技术综合性分析。

3.1 技术性分析

电缆夹层方案与电缆沟道方案的技术分析对比见表1。通过表1看出，从技术角度上推荐采用电缆夹层方案。

表1 电缆夹层方案与电缆沟道方案技术比较

3.2 经济性分析

同一主控制楼采用电缆夹层和电缆沟道2种不同形式的工程造价对比见表2，电缆夹层的总费用为 37.1×104元，电缆沟道的总费用为 18.5×104元。同一辅控制楼采用电缆夹层和电缆沟道2种不同形式的工程造价对比见表3，电缆夹层的总费用为15.7×104元，电缆沟道的总费用为 7.4×104元。

表2 主控制楼电缆夹层与电缆沟道工程造价对比

表3 辅控制楼电缆夹层与电缆沟道工程造价对比

从表3可见，针对同一主(辅)控制楼一层采用电缆夹层方案比电缆沟道费用多。一座换流站有一座主控制楼和两座辅控制楼，采用电缆夹层方案比采用电缆沟道方案共计增加投资35.2×104元。

4 工程应用

以国内某±800 kV换流站工程中的主(辅)控制楼为例，主(辅)控制楼采用电缆夹层方案的电缆敷设周期为主控制楼60天，辅控制楼35天;主(辅)控制楼采用电缆沟道方案的电缆敷设周期为主控制楼75天，辅控制楼45天。主控制楼电缆夹层比电缆沟道方案节省安装工期15天，辅控制楼电缆夹层比电缆沟道方案节省安装工期10天。

电缆夹层结构已经在哈密南、灵州、酒泉±800 kV换流站主(辅)控制楼应用。应用电缆夹层方案后，安装操作空间大，敷设电缆方便，提高了电缆敷设的安装进度，节约了施工工期。