桥载高压电缆“品字形”敷设对钢梁电磁影响研究

2020-04-10杜默雷鸣吴越文

中国科技纵横 2020年21期

杜默雷鸣吴越文

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050）

0.引言

电缆过桥技术是当前电网规划采用的重要手段，先后在杨浦大桥、东海大桥、东平大桥、上海长江大桥成功搭载了110kV、220kV 高压电缆[1]。而针对高压电缆—钢桥梁体系（简称HSS）相关的分析与研究较少，已知有220kV 高压电缆水平“一字形”敷设对已实施工程案例钢桁梁桥体的研究，并结合有限元建模，综合研究了磁滞、涡流等效应影响，最后基于仿真参数分析了HSS 系统的温升及感应电流洛伦兹力对钢结构桥梁及附属的影响。本文从“品字形”[2]电缆敷设角度，补充研究对钢桁混合梁的影响。

1.建立HSS 仿真模型

本文建立的HSS 仿真模型与现有研究有所区别，现有研究通常针对常规钢桁梁，本实验以钢桁混合梁为研究对象。相比常规钢桁梁，混合梁在上层桥面大型横向连接钢结构更多，由此带来的磁滞、涡流等效应会更加显著，因此有必要进一步研究。

在对高压电缆—钢桁混合梁体系（仍称HSS）的有限元建模中，它仍为周期重复结构，故亦搭建标准单元模型来分析。

实验中采用2500mm2的ZC-YJLW03-Z 127/220kV型电缆，空气中的载流量为2249A。

2.钢桁混合梁桥体的模型电磁场分析

根据Maxwell 方程组推导，在有电流密度的区域（包括涡流区域），可采用直接计算的方法：

该工程敷设的220kV 电缆采用铜芯铝护套交联聚乙烯电缆，当交流电流流过电缆时，电缆周围变化的磁场会在外部导体内感应出电流。电缆接触支架采用的不锈钢，涡流损耗小；电缆吊架和钢桁梁结构使用的Q370qd 钢材为软磁材料，其磁滞回线形状细长、包围面积较小，磁滞损耗相对较小。因此钢桁和吊架的损耗以涡损为主[3]。

涡流损耗如下：

磁滞损耗为：

图1 桥体断面磁感应强度分布情况（I=2249A）

图1 可看出，由于电缆支架材质为不锈钢材质，其相对磁导率接近于1，故尽管其最靠近电缆，磁感应强度却不高，相应地感应涡流不大，涡流损耗较低[4]。另外，该材质不具备磁滞效应，也避免了磁滞损耗的产生。而电缆吊架和钢桁梁均为Q370qd 材质，且吊架和路面靠近吊架部分的桁架构成闭合磁路，感应磁场较为集中。

3.电缆不同相序排列方式的影响分析

不同的电缆布置方式（敷设方式、同回路相线的排列方式）产生磁场分布差异甚大。通过对差异进行分析，找到对外影响最大的情形，从而确定钢梁的风险部位。另外，如图2 所示，随着电流的不断增大，铁磁材料上的磁感应强度和感应电流密度也随之不断增大。为了对极端情况进行分析，本节分析中电缆中的载流量均选取空气中最大载流量2249A，上下层电缆各相排列方式如表1 所示。

表1 电缆相序排列布置示意

收稿日期：2020-10-08

作者简介：杜默（1987—），男，湖北襄阳人，硕士，工程师（中级），研究方向：桥隧机电系统、防雷接地系统、照明系统等科研、设计。

在梁断面上以路中心为X 轴零点，在向电缆所在侧路边延伸的线段上测量磁场的分布情况。

图2 不同相序排列下HSS单元损耗

仿真“品字形”敷设的6 种相序排列方式下磁感应强度分布情况，单元模型的损耗对比如图2。品字形敷设同回路电缆各相线在空间上分布对称，各相线产生的磁场会相互抵消。布置方式1 由于上下两回电缆的相序排列方式一致，因此对于外界来说是由两个相同的电磁场源共同作用，而其他布置方式则当相于两个有一定相角差的电磁场源共同作用，因此对外辐射的电磁场会相互抵消。体现在损耗上即为布置方式1 的损耗最大。