适用于公里级高温超导电缆的电力工井设计

蔡龙晟

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

作为先进的电网技术之一，超导输电技术利用超导材料处于超导态时的高密度(>104～107 A·cm-2)无阻载流能力，替代常规的铜、铝等金属材料作为载流导体，实现高密度的电能传输。在35 kV公里级长度超导电缆示范工程中，拟建设220 kV CC站和220 kV CX站之间1回电压等级35 kV、额定电流2.2 kA的超导电缆，替代现有4回35 kV常规电缆，新建电缆线路路径长度约1.15 km，全线设置有两组中间接头。由于该示范工程线路路径较长，达到公里级指标，线路路径中需设置超导电缆接头2处，是目前国内外已建成的示范工程中所未曾出现的情况。示范工程中根据路径通道条件，拟定采用电力排管作为主要通道形式。

本文将对适用于公里级的超导电缆工井进行设计方案研究，目的是确保通道建成后能够满足超导电缆敷设条件，满足投运后超导电缆安全稳定运行的需求。

1 超导电缆工井及敷设设计

1.1 工井设计一般要求

超导电缆冷热状态转变造成的热伸缩变化是超导电缆敷设的一个需要考虑重要的因素。从国内外已有的超导电缆冷缩率数据来看，当超导电缆从室温降温至超导运行温度时，其缆芯的收缩率在3.0‰～3.1‰，超导电缆所采用的绝热管的整体收缩率在1.2‰～1.3‰。这些结果可视为电缆敷设的限制条件，因而需要设置伸缩弧以吸收电缆热伸缩，保证电缆的安全运行。

尽管理论上有必要针对电缆在不同敷设方式条件下均采取冷缩应对措施，但因排管内无法有效开展应对作业。因此，主要从工作井、接头、终端处采取有效固定、合理设置伸缩弧等方法以应对电缆冷缩，并一定程度减少由此产生的机械力，避免终端等损坏。

电缆工井按用途可分为敷设工作井、接头井。工井内净尺寸的确定，必须同时考虑电缆在工井中立面弯曲和平面弯曲时所必需的尺寸。

工井内的金属支架和预埋铁件要可靠接地，接地电阻应不大于4 Ω。接地方式是在工井外对角处或4只边角处埋设2～4根φ50 mm×2 m钢管为接地极，深度应大于3.5 m。在工井内壁以扁钢组成接地网，与接地极用电焊连接。工井内预埋铁件和金属支架也用电焊与接地扁钢连接。

1.2 对超导电缆工井的改造

由于超导电缆的正常工作温度为液氮温区(77 K左右)，因此当制冷设备启动运行后，超导电缆温度将由敷设安装时的室温下降至液氮温区，此时超导电缆本体将受冷收缩，且根据此次示范工程的电缆试验及相应仿真计算结果可知，电缆本体收缩率约为2.6‰。为避免因冷缩应力造成超导电缆本体受损，拟定在工井内设置蛇形弧幅来吸收超导电缆的冷缩，从而保障电缆的安全运行。

示范工程新建工井的宽度拟定为3.0 m。在常规电缆工井的基础上适当增加宽度，使工井内电缆在满足超导电缆弯曲半径最小限值的要求条件下具备敷设水平蛇形的空间。经计算，在电缆蛇形曲线敷设以及直线敷设的转换过程中，工井可释放约0.6 m的电缆长度。以前述冷缩率进行折算，相当于可吸收约200 m长电缆所造成的冷缩长度。在此基础上，当工井按平均百米的设计间距考虑，则可进一步保证降温冷缩过程中电缆的形变可通过工井内预设的水平蛇形弧幅进行吸收。

为了满足工井内电缆的蛇敷需求，建议针对超导电缆工井的支架按照单侧布置考虑。与常规工井不同，工井人孔、检修孔建议布置于支架安装的对侧。人员进出、机具吊装过程中可避免对电缆本体造成影响。直线工井内电缆布置俯视示意如图1所示。

图1 直线工井内电缆布置俯视示意图(单位：m)

考虑到超导电缆在降温过程中会伴随发生滑移形变，工井内的电缆在冷缩完成前建议不进行刚性固定，待冷缩完成，电缆轨迹稳定后再进行固定。除固定方式外，也可考虑采用伸缩弧处电缆固定的形式进行固定，见图2。在该固定方式中，水平导轨设置于支撑支架上方，可滑动抱箍设置于水平导轨之上，沿水平导轨方向移动。此时，常温状态下超导电缆敷设状态如图2中下方曲线所示，抱箍固定于点状位置；当降温后，电缆逐渐缩短至虚线状态，抱箍固定于星状位置。该方式可控制电缆弯曲曲线，限制电缆收缩轨迹，避免电缆在收缩过程中出现局部弯折过度的情况。

图2 伸缩弧处电缆固定方式

1.3 对转角工井的改造

对于转角工井而言，一般分为长边与短边，长边长度较长，满足输送机布置的需求，而常规转角工井的短边长度一般较短，无法布置输送机。当电缆敷设于转角工井时，为减少超导电缆敷设时所承受的牵引力以及侧压力，在电缆途经的各座工井内均建议布置履带式输送机。根据牵引力以及侧压力的计算原理，顺电缆敷设输送方向，履带式输送机布置于转角前有利于减小电缆所承受的牵引力及侧压力。由于超导电缆外径大、自重大，但同时所能够承受的牵引力及侧压力相对较小，因此根据牵引力、侧压力来选择合理的敷设方向较为重要。相应地，敷设转角工井短边侧有必要预留足够长的直线段，用以预留电缆敷设时输送机的设置空间。

根据示范工程中所使用的履带式输送机尺寸(见图3)，履带式输送机的长度约1.2 m，因此，在考虑一定施工安装空间的条件下，建议超导电缆所利用的转角工井直线段需大于2 m，即图4中L标注的长度建议大于2 m。

图3 履带式输送机外形尺寸

图4 转角工井内电缆布置俯视示意图(单位：m)

1.4 对接头工井的改造

电缆的冷缩会使得电缆附件受到拉伸，严重时将损坏电缆接头的绝缘性能，造成超导电缆损坏。参考常规电缆接头，其敷设时需通过接头抱箍将接头固定于电缆支架，接头两端电缆均采用刚性固定形式，随后设置弧形以吸收电缆热伸缩，防止接头损坏。超导电缆也可采用与之类似的固定方案：采用抱箍或托架形式支撑固定中间接头，接头两侧采用1～2个夹具进行刚性固定。

接头两侧电缆使用夹具固定，夹具后侧设置一定的伸缩弧，用以吸收电缆一部分的热伸缩量。伸缩弧弯曲半径为4.2 m时的一种布置方案(见图5)，伸缩弧节点长约6.2 m，可通过加大接头区域尺寸来增加伸缩弧尺寸，从而进一步增加可吸收的热伸缩量。

图5 超导电缆接头布置俯视示意图(单位：m)

施工实施阶段，电缆接头井应充分考虑电缆接头组装用机具的尺寸，以及电缆接头施工安装空间等要素。因此，为保证安装的作业空间，示范工程新建接头工井的尺寸拟定为3.0 m×1.9 m×20 m，在顶板开设人孔，底板设置集水坑。此外，为保证超导电缆钢管形接头能够吊装至接头井内，相较于常规工井，额外增设可开启吊物孔，吊物孔采用电缆沟盖板形式。超导电缆中间接头工井吊物孔设置示意如图6所示。

图6 超导电缆中间接头工井吊物孔设置俯视示意图

2 超导电缆工井支架材料选择

电缆横担主要用于支撑超导电缆，是支架系统中唯一与电缆直接接触的部件。一般而言，电缆横担所选用的材料必须能克服以下3个主要不利因素。

2.1 电缆支架感应涡流

电缆支架感应涡流是指在电缆工程中若采用普通钢材电缆支架，对于交流单芯电缆，电缆中的大电流会在支撑电缆的金属横担上产生感应涡流，从而使金属横担升温，间接导致电缆外护套表面温度升高，周围媒质热阻增大，影响电缆的输送容量。

在高温超导电缆屏蔽层两端互联的情况下，屏蔽通过电流与导体电流量值相同，相位相反，超导电缆的屏蔽层外部无磁场。因此电缆周边不产生涡流。

2.2 环境腐蚀

电力工井本体结构处于地下，而示范工程所在的上海地区地质条件普遍较差，地下水位常年处于较高水平；加之工井本体裂缝情况目前尚无有效办法完全杜绝。上海已建电力工井电缆工作环境普遍较为潮湿，部分线路段甚至常年处于积水状态。电缆支架需要具有较高的耐久性要求。经热浸镀锌处理的镀锌钢材、复合材料、工程塑料及0Cr18Ni9不锈钢均具有较好的耐腐蚀性能。

2.3 电缆自重荷载及热机械力荷载

本工程所敷设超导电缆单位质量约40 kg·m-1，因而每根支架承受的电缆自重荷载较大。

同时，由于随着负荷电流变化及环境温度变化，电力电缆会发生热胀冷缩，产生电缆内部的热机械力，超导电缆输送电流越大，所产生的热机械力也越大。

为抵抗超导电缆冷缩期间较大的自重荷载及热机械力荷载所产生的弯矩效应，同时防止横担挠度超出限值，电缆横担材质需要具有极高的强度和刚度。复合材料虽然具有较高的抗拉强度，但其刚度性能较弱，根据以往工程实例，复合材料在较大弯矩作用下将出现较大变形现象，从而不满足正常使用条件，因此认为在超导电缆工程中，复合材料不适用于电缆横担的制作。镀锌钢材以及0Cr18Ni9不锈钢同时具有较高的强度和极高的刚度性能，可以适用于电缆横担的制作。

综上所述，镀锌钢材以及0Cr18Ni9不锈钢能同时克服环境腐蚀及电缆荷载作用等不利因素的影响，相比较而言，镀锌钢材耐腐蚀性能相对较差，但具有造价优势，0Cr18Ni9不锈钢耐腐蚀性能最佳，但造价较高。综合比较后，最终确定选用镀锌钢材。

3 超导电缆工井内在线监测装置

地下电缆在使用中若受到外力破坏，将严重影响供电安全可靠性。因此，电缆通道是安全隐患排查治理的重点领域，是保障电网稳定运行、消防防范、运维安全的重点。超导电缆一旦发生液氮泄漏，易引发异常及事故并迅速扩展，严重威胁人身及电网设备安全。因此，有必要配置在线监测系统，及时发现超导电缆内部液氮泄漏等故障情况，为超导电缆可靠运行提供保障。特别是针对接头工井，建议通过监测工井温度、湿度、液位、氧气、烟感、视频等信息，保证环境的安全可控。智能接头工井内在线监测设备布置如图 7所示。

图7 工井内在线监测设置布置图

此外，建议配置智能井盖系统，选用带远程通信功能的井盖控制器，整个监控系统可以通过远程通信方式实现监控中心对各井口状态的实时监控，各井口控制器实时监控井口状态，对非法开盖状况实时报警传给监控中心，监控中心接警后立即将相关资料显示于监控计算机显示屏，并提醒值班人员接警，用户还可以在监控中心实现对各井口的布防、撤防，方便维护、检修。

4 结语

本文针对超导电缆工井进行了探讨与研究，对于超导电缆工井，为满足电缆冷缩需求，建议采用单边支架布置，工井内预留足够的电缆弧幅敷设宽度。固定时，建议可采用可滑动导轨进行支撑，确保超导电缆在冷缩过程中的轨迹可控。对于接头工井，根据接头制作、吊装空间的需求，在常规电缆工井的基础上，建议加设接头吊装孔。工井内支架材料建议采用镀锌钢材，满足环境防腐及电缆荷载的要求。最后，为了提高超导电缆通道的可靠性，建议配置智能井盖系统、智能接头工井系统。