（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122）

　　摘  要： 為解決崇明三島供電問題，利用滬崇蘇大通道敷設(shè)220 kV電力電纜。采用解析方法建立了220 kV電纜借道市政隧道敷設(shè)的熱場(chǎng)模型，分析了各種工況下電纜發(fā)熱及溫升對(duì)周圍市政設(shè)施的影響。計(jì)算結(jié)果表明，滬崇蘇市政隧道搭載高壓電力電纜，電纜發(fā)熱引起的溫升是安全的。

　　關(guān)鍵詞： 電纜；熱場(chǎng)；市政；隧道

0 引言

　　隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程，電纜化供電模式以及相應(yīng)的電纜敷設(shè)方式得到越來越廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)大城市已相繼建成了不同電壓等級(jí)的電纜專用隧道，并不斷發(fā)展為城市地下電力網(wǎng)。但是，高壓電纜深入城區(qū)，是否會(huì)給居民的正常生活、工作帶來安全隱患，這一問題越來越受到各有關(guān)方面的關(guān)注。我國(guó)目前正在積極試點(diǎn)城市地下管道綜合走廊，又被稱為“共同溝”，它將市政、電力、通訊、燃?xì)?、給排水等各種管線集于一個(gè)隧道空間。在共同溝的推廣中，相關(guān)的工程環(huán)境問題，如電力電纜的發(fā)熱是否會(huì)對(duì)隧道內(nèi)其他設(shè)施的使用帶來安全隱患，將有待加強(qiáng)研究。

　　為了解決上海崇明三島（崇明、長(zhǎng)興、橫沙）供電問題，利用滬崇蘇大通道（其中浦東至長(zhǎng)興為過江隧道，分為上行及下行二條隧道；長(zhǎng)興至崇明為大橋）敷設(shè)220 kV電力電纜。在隧道的最初方案中并未考慮敷設(shè)高壓電力電纜，所以隧道通風(fēng)散熱的設(shè)計(jì)也未考慮電力電纜的發(fā)熱量。電力電纜在長(zhǎng)期運(yùn)行中發(fā)熱，導(dǎo)致電纜通道溫度升高，可能影響隧道內(nèi)同一空間中的其他設(shè)備的安全運(yùn)行。另外，該電纜通道的散熱條件與常規(guī)隧道有所不同，常規(guī)隧道上下左右四個(gè)面都直接接觸土壤，可以散熱；滬崇蘇隧道中，電纜通道頂部為高速公路，另一側(cè)為軌道交通通道，僅一個(gè)側(cè)面和底部為土壤。所以對(duì)這樣特殊而重要的工程，難以直接套用載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。本課題專門建立傳熱模型，對(duì)敷設(shè)在滬崇蘇大通道過江隧道中的220 kV電力電纜，在輸送電流的作用下，電纜的發(fā)熱及其導(dǎo)致的電纜通道內(nèi)溫度升高進(jìn)行計(jì)算分析，目的是既能充分發(fā)揮電纜的輸電能力，又能將電纜隧道的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，提高滬崇蘇工程的安全性。

1 載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

　　在對(duì)隧道電纜的發(fā)熱、溫度控制、電纜供電能力等方面的設(shè)計(jì)中，其主要依據(jù)是“電纜載流量計(jì)算”。電纜載流量計(jì)算的目的是確定在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，既不影響電纜使用壽命，又能充分發(fā)揮電纜傳輸能力的電纜載流能力。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于電纜載流量計(jì)算均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)， 國(guó)際上有IEC 60287《電纜載流量計(jì)算》、IEC228《電纜的導(dǎo)體》、IEC60853《電纜周期性和緊急性載流量的計(jì)算》；國(guó)內(nèi)為JB/T10181《電纜載流量計(jì)算》、GB/T 3956 《電纜的導(dǎo)體》。

　　上述標(biāo)準(zhǔn)能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和工況下的電纜內(nèi)部損耗和內(nèi)部熱阻。但實(shí)際應(yīng)用中，電纜的外部環(huán)境千差萬別、難以統(tǒng)一，而電纜載流量與外部環(huán)境的關(guān)系非常大。從國(guó)內(nèi)的電纜載流量計(jì)算情況看，普遍存在取值偏保守、裕度過大的問題，不能充分發(fā)揮電纜的輸電能力。在處理各種復(fù)雜的外部環(huán)境以及電纜之間存在的相互影響等問題時(shí)，不能簡(jiǎn)單照搬上述標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。

2 電纜隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　2.1 電纜隧道的結(jié)構(gòu)

　　滬崇蘇隧道工程全長(zhǎng)約8 954.0 m，將每條隧道（上行及下行隧道）內(nèi)分割的電纜通道作為高壓電纜隧道，整個(gè)隧道分隔為四個(gè)部分，如圖1，地面以上是高速公路通道，地面以下當(dāng)中是軌道交通，內(nèi)側(cè)（即靠近另一條隧道的一側(cè)）用于逃生通道和放置隧道自用的電力線路和變壓器等設(shè)備，外側(cè)是電力電纜通道。隧道混凝土壁面以外為長(zhǎng)江江底土壤。

　　電纜通道的截面為近似扇形截面，如圖2，高度為2.93 m（從集水溝鋼格柵板到通道頂），寬度為2.5 m。電纜通道與土壤接觸面為弧形，散熱周長(zhǎng)約為5.9 m（指襯砌外壁，包括集水溝下面的部分）。在電纜通道中，上下兩組電纜靠?jī)?nèi)側(cè)壁面架設(shè)。

　　2.2 模型邊界條件

　　電纜隧道模型主要由5個(gè)要素組成：隧道的截面形狀尺寸、埋地深度、通風(fēng)情況、電纜隧道四周散熱介質(zhì)（土壤及混凝土）的導(dǎo)熱系數(shù)、土壤溫度。

　　本項(xiàng)目的研究對(duì)象與常規(guī)隧道有所不同，常規(guī)隧道上下左右四個(gè)面都直接接觸土壤，可以散熱。滬崇蘇隧道中，電纜通道一側(cè)和底部為土壤，頂部為高速公路，另一側(cè)作為軌道交通通道。軌道交通通道內(nèi)依靠機(jī)車行駛的活塞作用與外部進(jìn)行熱量交換；公路通道內(nèi)也有空調(diào)設(shè)施。地鐵通道和汽車通道都有自己的散熱途徑，但其散熱能力、溫度控制范圍、以及與電纜通道的熱交換情況，目前尚難以準(zhǔn)確估算。在計(jì)算中為簡(jiǎn)化問題、從嚴(yán)考慮，將毗鄰地鐵和汽車通道的隧道壁視為隔熱層，不考慮其熱交換作用。

　　該電纜通道截面積只有約6 m2，長(zhǎng)度約8 km，同時(shí)由于隧道穿越長(zhǎng)江，沿途沒有布置豎井通風(fēng)，除進(jìn)口出口外，整個(gè)通道近似為全封閉。在這樣的通道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)散熱，風(fēng)阻非常大，進(jìn)出口處的風(fēng)速和隧道中部的風(fēng)速相差很大，所以，計(jì)算中不考慮風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)散熱的情況，而且由于截面積小，電纜通道內(nèi)的空氣沿隧道長(zhǎng)度方向基本上是不流動(dòng)的，即可以忽略沿隧道長(zhǎng)度方向的熱量傳遞。

　　這樣，電纜通道僅依靠一側(cè)和底部的與土壤的弧形接觸面進(jìn)行散熱。同時(shí)，本項(xiàng)目成為一個(gè)二維的傳熱問題，可用二維熱傳遞模型計(jì)算電纜通道內(nèi)的溫度場(chǎng)。

　　電纜通道距離江底越深，散熱條件越差，數(shù)學(xué)模型按最深處的隧道考慮，即電纜通道中心距離江底30 m。

　　根據(jù)江底土壤的潮濕情況及相關(guān)資料，混凝土襯砌的導(dǎo)熱系數(shù)取值：0.896（Btu/ft.hr.DegF），土壤的導(dǎo)熱系數(shù)取值：0.79（Btu/ft.hr.DegF）。

　　江底由于水的流動(dòng)，會(huì)不斷帶走熱量，所以這里將江底視為等溫層。

　　交聯(lián)聚乙烯電纜的運(yùn)行溫度要求電纜導(dǎo)體＜90 ℃。

　　一般認(rèn)為，隧道內(nèi)溫度不應(yīng)超過40 ℃。所以，如果隧道內(nèi)溫度計(jì)算結(jié)果＜40 ℃，則認(rèn)為電力電纜發(fā)熱不會(huì)影響市政交通隧道的正常使用。

　　2.3 電纜參數(shù)及工況

　　本項(xiàng)目的計(jì)算對(duì)象為YJLW03型、電壓等級(jí)220 kV、導(dǎo)體截面積為800 mm2的銅芯XLPE絕緣皺紋鋁護(hù)套電力電纜。該電纜芯為5分割銅導(dǎo)體，外護(hù)套材料為聚乙烯。每個(gè)電纜通道內(nèi)敷設(shè)6根單芯電纜，兩條隧道共12根單芯電纜。電纜敷設(shè)方式為三角形緊密排列方式，金屬護(hù)套接地方式為等距離交叉互聯(lián)單點(diǎn)接地。電纜支架為非鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)。

　　滬崇蘇電纜為雙拼電纜，即一共只有兩回線，每一回線由兩路電纜并聯(lián)組成。電纜在入隧道前進(jìn)行了交叉，結(jié)果是，兩條電纜通道內(nèi)的上支架的兩路電纜屬于同一回線，下支架的兩路電纜屬于另一回線。當(dāng)一回線電纜發(fā)生計(jì)劃或非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)，每個(gè)通道內(nèi)均是一個(gè)支架上的電纜停電，另一個(gè)支架上的電纜正常運(yùn)行。

　　在夏季負(fù)荷高峰極端情況下，日最高負(fù)荷可能達(dá)到400 MW。該負(fù)荷由兩回線電纜共同承擔(dān)，每根電纜的電流為262.4 A。根據(jù)電力系統(tǒng)可靠性的“N-1”原則，當(dāng)出現(xiàn)一回線停運(yùn)時(shí)，另一回線承擔(dān)全部負(fù)荷，即每個(gè)電纜通道內(nèi)，一個(gè)支架上的電纜輸送200 MW的負(fù)荷（每根電纜的電流為525 A），另一支架上的電纜停運(yùn)，這是發(fā)熱量最大的工況（稱為N-1工況）。不過實(shí)際上，單回線運(yùn)行時(shí)間非常短，一般不超過一天。

　　另外，從上海市以往的日負(fù)荷曲線看，日平均負(fù)荷率為0.68，可將其作為滬崇蘇電纜的負(fù)荷率。

3 建模及計(jì)算分析

　　3.1 模型的簡(jiǎn)化

　　真實(shí)模型中，電纜并非放置在電纜通道的中心，而是靠近與軌道交通相鄰的混凝土墻壁，和墻壁距離在0.2 m以上。鑒于本項(xiàng)目主要關(guān)注隧道內(nèi)的空氣平均溫度，所以解析模型中不考慮電纜偏心帶來的溫度不均勻問題，將電纜發(fā)熱及溫度計(jì)算進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一維傳熱問題。

　　3.2 載流量計(jì)算方法

　　解析算法是工程上計(jì)算電纜載流量的主要依據(jù)。電纜載流量應(yīng)滿足該電流作用下纜芯工作溫度不超過電纜絕緣耐熱壽命容許溫度值，且符合導(dǎo)體連接可靠性要求。電纜載流量的解析算法目前廣泛應(yīng)用熱網(wǎng)絡(luò)分析法。熱網(wǎng)絡(luò)法的原理是將電纜視為以其幾何中心為圓心的分層結(jié)構(gòu)，用集中參數(shù)代替分布參數(shù)，把電流作用于電纜的熱平衡，視為一維形式的熱流場(chǎng)，籍助與電路中的歐姆定律、基爾霍夫定律相似的熱歐姆等法則，進(jìn)行簡(jiǎn)明的解析求解。

　　電纜載流量計(jì)算的基本過程分三步：（1）損耗計(jì)算；（2）熱阻的計(jì)算；（3）載流量的計(jì)算。根據(jù)前兩步計(jì)算結(jié)果，將參數(shù)值代入計(jì)算公式，即可計(jì)算出在給定基準(zhǔn)條件下的載流量，稱為額定載流量，或在最高允許工作溫度下的連續(xù)載流量。

　　本項(xiàng)目不同于上述的電纜載流量計(jì)算。本項(xiàng)目不僅要考慮發(fā)熱對(duì)電纜壽命的影響，還要考慮電纜發(fā)熱對(duì)環(huán)境的影響。這里導(dǎo)體溫度?茲是待求量，不能作為邊界條件；隧道空氣溫度是不確定的，而且是待求量，必須將熱網(wǎng)絡(luò)分析延伸到江底及遠(yuǎn)處土壤。

　　本項(xiàng)目的熱量傳遞過程為：從導(dǎo)體到電纜表面各層固體之間的熱傳導(dǎo)過程、從電纜表面到空氣的對(duì)流換熱過程、從空氣到隧道內(nèi)壁的對(duì)流換熱過程、從隧道內(nèi)壁到江底的熱傳導(dǎo)過程。相應(yīng)的熱網(wǎng)絡(luò)圖示如圖3。

　　由于待求量較多，不宜用簡(jiǎn)單的公式求解，應(yīng)采用類似電路中的節(jié)點(diǎn)電壓法列出熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)方程：

　　其中，C為環(huán)境溫度，是指江底及遠(yuǎn)處土壤的溫度；導(dǎo)體表面、絕緣中部、金屬護(hù)套表面、電纜表面、空氣、隧道內(nèi)壁的溫度。

　　下面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)方程中損耗和熱阻的計(jì)算，需要說明的是，有些計(jì)算本身需要引用待求量溫度1、5、6，為便于計(jì)算，這里先將估算值賦給待求量進(jìn)行試算，求出后再重新計(jì)算，實(shí)踐證明這種方法達(dá)到了足夠的精度。

　　3.3 各種工況下的計(jì)算結(jié)果

　　夏季負(fù)荷高峰極端情況下日最高負(fù)荷達(dá)到400 MW時(shí)，認(rèn)為“穩(wěn)態(tài)發(fā)熱量＝日平均負(fù)荷率×日最高負(fù)荷”，溫度計(jì)算結(jié)果見表1。可見，單回線運(yùn)行時(shí)的空氣溫度高于雙回線。

　　下面考慮一種假想的嚴(yán)酷情況，負(fù)荷率始終為100％，將日最高負(fù)荷作為穩(wěn)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行溫度計(jì)算，結(jié)果如表2。這種情況在實(shí)際運(yùn)行中是不會(huì)出現(xiàn)的，因?yàn)樨?fù)荷總是周期變化的，不會(huì)一直維持在最高負(fù)荷。

　　不論哪種工況，電纜通道內(nèi)的平均溫度均遠(yuǎn)低于40 ℃。

　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不論是正常運(yùn)行方式還是N－1運(yùn)行方式下，不論是周期性負(fù)荷還是負(fù)荷率始終為100％情況下，均符合電纜導(dǎo)體溫度<90 ℃、隧道內(nèi)溫度<40 ℃的要求。電纜發(fā)熱引起的溫升既不會(huì)影響電纜安全運(yùn)行，也不會(huì)影響隧道內(nèi)高速公路和軌道交通的正常使用。

4 結(jié)論

　　在滬崇蘇交通隧道的最初方案中并未考慮敷設(shè)高壓電力電纜，所以隧道通風(fēng)散熱的設(shè)計(jì)也未考慮電力電纜的發(fā)熱量。本課題采用解析算法建立傳熱模型，針對(duì)敷設(shè)在滬崇蘇大通道過江隧道中的220 kV電力電纜，研究在輸送電流的作用下，電纜的發(fā)熱及其導(dǎo)致的電纜通道內(nèi)溫度升高情況。目的是既能充分發(fā)揮電纜的輸電能力，又能將電纜隧道的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，提高滬崇蘇工程的安全性。

　　計(jì)算結(jié)果顯示，在最苛刻的工況下（N－1運(yùn)行方式，電纜輸送容量為400 MW、負(fù)荷率為100％），電纜導(dǎo)體溫度為47.1 ℃、隧道內(nèi)溫度為34.4 ℃，符合電纜導(dǎo)體溫度<90 ℃、隧道內(nèi)溫度<40 ℃的要求。電纜的發(fā)熱既不會(huì)影響電纜安全運(yùn)行，也不會(huì)影響隧道內(nèi)高速公路和軌道交通的正常使用。結(jié)果表明，滬崇蘇市政隧道搭載高壓電力電纜，電纜發(fā)熱引起的溫升是安全的，能量輸送是可行的。

　　隨著我國(guó)城市用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，電纜通道資源緊張、電纜過載等問題將會(huì)在各城市逐漸增多；利用市政交通隧道敷設(shè)高壓電力電纜，以及建設(shè)城市地下管道綜合走廊，符合資源集約化應(yīng)用的思想，將會(huì)有越來越多的應(yīng)用。由于敷設(shè)環(huán)境的特殊性，難以直接套用載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，而且不僅要考慮發(fā)熱對(duì)電纜壽命的影響，還要考慮電纜發(fā)熱對(duì)環(huán)境的影響；所以有必要建立傳熱模型，一事一議，針對(duì)具體工程進(jìn)行專門分析。

　　滬崇蘇高壓電纜在通道結(jié)構(gòu)、散熱途徑等方面與常規(guī)隧道有較大差別，本文在熱場(chǎng)建模中嘗試解決這些問題，進(jìn)行了熱模型簡(jiǎn)化、邊界條件取值、模型求解、電纜運(yùn)行工況等方面的分析工作，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為其他工程提供有價(jià)值的參考。

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