高压电缆排管线路工程中工作井的结构优化与间距布置

陈曦鸣，张晓萍，周 贺

(1.国网安徽电力工程监理有限公司，安徽 合肥 230601；2.国网合肥供电公司，安徽 合肥 230061；3.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 前言

随着我国城市化进程的加快，高压电缆线路工程日益普及。电缆排管以其施工周期短、对交通影响小、方便运行维护等优点，成为高压电缆线路建设中重要的建设方式。电缆排管路径上每前进一定距离需布置电缆工作井以供施工、检修和布置电缆接头使用，由于工作井体积和开挖范围较大，其结构型式的优化和相邻工作井间的距离安排是电力电缆排管设计中值得研究的重要问题。

1 工作井结构的优化

工作井是电缆排管线路的重要组成部分，在电缆路径的转弯处和较长一段直线路径每隔一定距离均需布置电缆工作井，工作井结构尺寸较大的特点和城市日益密集的地下管线、地上构筑物之间的矛盾，对工作井的结构提出了更高的要求。

1.1 工作井的尺寸

根据相关要求，工作井的净高不宜小于1900mm，在部分受限制区域，不应小于1400mm[1]。工作井的净长受到电缆转弯半径的控制，通常不宜过短，根据工程经验110kV和220kV电缆直线工作井，净长需取6m至8m为宜。

工作井的净宽由其两侧支架间的净距控制，以净高1900mm两壁均有电缆支架的工作井为例，根据相关要求，其两壁支架间距离需取1000mm[1，2]，为减小工作井宽度，可采用充分利用工作井净高较大的特点，将四回路以下电缆分两列分别布置于工作井两壁，并缩短电缆支架长度的方法。110kV和220kV电缆直径约为90mm～150mm，其电缆固定金具宽度约为130mm～190mm，电缆支架长度亦可取130mm～190mm长度，相应工作井净宽即为1260mm～1380mm。相比通常情况下2000mm～2500mm的工作井净宽，其净宽减小740mm～1120mm，既减少了开挖范围，也降低了工程造价。

1.2 “S”型转弯工作井

通常的转弯工作井，采用10°的梯形转弯模块进行设计，通过增减模块个数适应不同的转角角度。如图1(a)、(b)所示。该工作井通用性较好，施工方便。但在很短长度内连续转弯避让障碍物情况时，该工作井灵活性不强，亟需优化。可将该梯形转弯模块布置于直线工作井两端，将其设计为“S”型转弯工作井，即可方便地进行连续转弯，如图1(c)所示。

图1 常规转弯工作井和“S”型转弯工作井示意图

2 蛇形敷设工作井

在高压电缆排管中通常电缆不能蛇形敷设，由于电缆受热胀冷缩影响，轴向力变化较大，直线敷设的电缆在长期运行过程中会对电缆接头产生损害。另外，由于高压电缆转弯半径较大，通常电缆排管线路没有足够场地进行电缆盘井的开挖，导致电缆接头处一旦发生故障，没有经过盘绕的电缆余长供再次接头，故需重新采购电缆进行敷设安装和接头，抢修时间较长，社会影响较大。

蛇形敷设工作井[3]能较好地解决以上问题，充分利用工作井1.9m的净高，电缆在纵向蛇形敷设工作井内可做如图2所示的大幅竖向蛇形敷设，不仅可吸收因温差产生的电缆轴向力，且该工作井宽度与普通工作井相差不大，不需较大的开挖场地，不增加土建施工难度，必要时又可释放电缆余长，供第二次接头使用，大大缩短了抢修时间。

图2 竖向蛇形敷设工作井纵向剖面示意图

双回路情况下，两回路共六根电缆均可做平行蛇形敷设，两回路间预留1000mm宽度通道，此时工作井净宽在2.5m以下。四回路情况下，考虑电缆较多，如均进行蛇形敷设，工作井宽度势必增加较大，故可考虑在路径走向方向上，前后布置两处该型工作井，在第一处工作井中两回路蛇形敷设，另外两回路贴壁敷设，在第二处工作井中反之。如图3所示。

图3 双回路和四回路蛇形敷设工作井横向剖面示意图

3 相邻工作井的距离安排

目前国内的高压电缆线路，相邻工作井间距的取值普遍缺乏计算依据，工作井间距通常根据经验取50m～80m，由于工作井相对排管造价较高，过多的工作井数量将造成投资成本增加。如何合理地选择相邻工作井间距，降低工作井数量，对于控制工程造价，具有重要的意义。

3.1 电缆排管敷设中的计算模型和公式

由于高压电缆的外径和整备质量较大，其在排管中敷设，所受摩擦力较大，且电缆所受摩擦力会随排管长度的增加而增大，故排管段每隔适当长度即需布置工作井，在其中放置电缆输送机敷设电缆[4]。电缆敷设示意图如图4所示。

图4 电缆排管敷设示意图

注：1—电缆盘；2—高压电缆；3—电缆输送机；4—直线或转弯工作井；5—排管；6—接头工作井。

在电缆敷设全过程，所有已投入运行的电缆输送机和电缆牵引头处的牵引机出力之和均需超过电缆所受摩擦力之和，电缆敷设方可完成。

通常，电缆在敷设过程中所受的摩擦力主要有：初始摩擦力、各排管段摩擦力、转弯工作井内滚轮与电缆之间的摩擦力。其具体计算公式[2]如下：

T0=20Wμ

(1)

Ti=WL(μcosθ1+sinθ1)

(2)

其中：T0—初始摩擦力，按20m左右电缆摩擦力计，单位N；Ti—电缆在排管中的摩擦力，单位N；W—电缆单位重量，单位：N/m；L—排管长度，单位：m；θ1—排管倾斜角度，单位：°；μ——排管或转弯工作井内滚轮与电缆摩擦系数。

此外，如果在敷设中，采用电缆输送机和牵引机联合敷设的方式，且牵引机对电缆牵引头进行较大力量的牵引，则在转弯工作井中，若该工作井后侧的电缆输送机出力之和不能克服其后侧电缆所受的摩擦力之和，该工作井前侧的牵引机和输送机将会对电缆产生牵拉力，由此电缆对转弯工作井内滚轮将产生侧压力，从而滚轮对电缆产生摩擦力，但由于施工过程中，通常对电缆牵引头的牵引力较小，仅为导向性质，上述情况一般不会发生，故本文对牵引机出力和转弯工作井内滚轮与电缆之间的摩擦力均不予考虑。也即电缆排管线路中，转弯工作井存在与否不影响工作井距离的安排。

3.2 相邻工作井的间距安排

3.2.1 电缆、保护管和电缆输送机型号的选择

本文选取最大出力为8kN的电缆输送机，电缆输送机布置方式按照电缆盘初始位置放置1台、各工作井内放置2台考虑。电缆排管选取PVC-C实壁电缆保护管，电缆与排管的摩擦系数取0.45，电缆为PVC护套交联聚乙烯绝缘电力电缆，电缆的相关参数见表1。

表1 电缆与排管计算参数

3.2.2 相邻工作井间距的计算

(1)在整盘电缆均沿直线敷设，且电缆排管为水平布置的理想状态下，工作井最大中心间距见表2。

注：工作井长度均按8m计算。

由表2可见，在整盘电缆沿直线敷设情况下，相邻工作井间距随电缆外径或电缆重量的增加而减小。以导体截面为2000mm2的220kV大截面电缆为例，其#1与#2工作井中心间距可达160.3m，其余相邻工作井中心间距也可达122.9m；导体截面为400mm2的110kV电缆其工作井间距最大甚至可达543.7m。

(2)假定电缆在敷设过程中，某工作井后侧的电缆输送机出力之和刚好克服其后侧电缆所受的摩擦力之和，则在该工作井内放置的两台电缆输送机所能克服的其前侧电缆排管对电缆的摩擦力与该电缆排管的长度和俯仰倾角有关，在电缆排管倾角变化的情况下，工作井最大中心间距见表3、表4。

表3 电缆排管有俯仰角情况下#1与#2工作井中心间距 (单位：m)

注：①工作井长度均按8m计算；②排管倾角负(正)值代表电缆自高(低)处向低(高)处敷设。

表4 电缆排管有俯仰角情况下其余工作井中心间距 (单位：m)

注：①工作井长度均按8m计算； ②排管倾角负(正)值代表电缆自高(低)处向低(高)处敷设。

由表3、表4可见：(1)随着工作井俯仰角度的下降，工作井间距将大大增加，故在电缆路径有高差情况下，电缆自高处向低处敷设，将有利于增加工作井间距。(2)相较目前国内流行的50m～80m的相邻工作井间距，考虑到运行维护的方便和运输对电缆盘长的限制等因素，以1000mm2截面的220kV电缆为例，在电缆排管有-2°倾角的情况下，其#1至#2工作井间距选择250m，其余相邻工作井间距选择200m是可行的。(3)电缆排管线路中，转弯工作井存在与否不影响工作井距离的安排。

3.2.3 相邻工作井间距的计算

上述计算方法的正确性在安徽地区220kV排管线路中已得到检验。在合肥永青-杏花220kV电缆线路工程中，电缆为1600mm2截面，其中一段2°倾角的电缆排管全长150m，穿缆不受影响。在合肥撮镇-冷板110kV电缆线路工程中，电缆为630mm2截面，电缆排管倾角均在3°以内，1.3km电缆排管间距均为120m，穿缆不受影响。

4 结论

本文对工作井尺寸进行了优化，将其宽度减小约1m，提出了“S”型转弯工作井应对连续转弯等复杂情况，设计了一种新颖的蛇形敷设工作井型式，提高了电缆线路的运行可靠性和抢修速度。对相邻工作井间距进行了详细计算和论证分析，得出各种不同型号电缆在排管中敷设时的工作井间距的最大值供参考使用，以上研究和计算，对方便电缆线路的施工、控制电缆工程造价、提高电缆线路运行可靠性均具有较大的指导意义。