李紅雷 賀 林 楊凌輝 陳洪濤 上海市電力公司電力科學(xué)研究院

隨著城市用電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，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。同時(shí)由于地下資源緊張、以及經(jīng)費(fèi)方面的原因，利用交通隧道敷設(shè)高壓電力電纜可能成為必然的選擇。

城市地下管道綜合走廊，又被為“共同溝”，它將市政、電力、通信、燃?xì)?、給排水等各種管線集于一個(gè)隧道空間，在西方已有100多年的歷史，我國(guó)目前也在試點(diǎn)推廣。財(cái)政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部開展中央財(cái)政支持地下綜合管廊試點(diǎn)工作，中央財(cái)政對(duì)地下綜合管廊試點(diǎn)城市給予專項(xiàng)資金補(bǔ)助，直轄市每年5億元，省會(huì)城市每年4億元，其他城市每年3億元。

但是，在交通隧道中輸送電力的電纜，其發(fā)熱是否會(huì)對(duì)交通隧道的使用帶來安全隱，迄今為止尚未見研究成果發(fā)表。本文以敷設(shè)于交通隧道中的220 kV滬崇蘇電纜線路為例，研究電纜發(fā)熱及其導(dǎo)致的通道內(nèi)溫度升高，分析發(fā)熱對(duì)周圍市政設(shè)施的影響。目的是輸電通道能充分發(fā)揮電纜的輸電能力，又能將隧道溫度控制在允許的范圍內(nèi)，保證整個(gè)隧道的安全性。

1 滬崇蘇電纜工程的必要性

上海市政府2005年制定的《崇明三島總體規(guī)劃（2005－2020年）》，把崇明本島的生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)和重建放在優(yōu)先突出位置，同時(shí)努力建立低碳型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)消費(fèi)模式，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境關(guān)系。依托科技創(chuàng)新，推行循環(huán)經(jīng)濟(jì)，發(fā)展低碳型的生態(tài)產(chǎn)業(yè)，積極有效地控制碳排放強(qiáng)度，努力將崇明本島建成環(huán)境和諧優(yōu)美、資源集約利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的現(xiàn)代化生態(tài)島。

崇明電網(wǎng)原有電源為堡鎮(zhèn)電廠，裝機(jī)容量為165 MW，其中14號(hào)機(jī)容量為55 MW、15號(hào)機(jī)容量為60 MW、16號(hào)機(jī)容量為50 MW。根據(jù)崇明三島總體規(guī)劃中污染減排的嚴(yán)格要求，大規(guī)模的燃煤電廠與崇明“生態(tài)島”的戰(zhàn)略定位極不相符。此外，由于崇明和長(zhǎng)興均具有孤立海島的特性，其電力供給受到電力通道的限制，因此建設(shè)2回上海大陸至崇明三島的電纜線路，一方面可緩解三島目前面臨的供電緊張問題，另外對(duì)崇明島將來關(guān)停燃煤電廠創(chuàng)造條件。

2 電纜隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）電纜隧道的結(jié)構(gòu)

滬崇蘇電纜工程，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2條隧道；長(zhǎng)興至崇明為大橋）敷設(shè)220 kV電力電纜。本文主要研究隧道部分的熱場(chǎng)分布，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。

隧道工程全長(zhǎng)約8.9 km，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4個(gè)部分（如圖1），地面以上是高速公路通道，地面以下中間是軌道交通，內(nèi)側(cè)（即靠近另一條隧道一側(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2.93 m（從集水溝鋼格柵板到通道頂），寬度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）模型邊界條件

電纜隧道模型主要由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）的熱阻系數(shù)、土壤溫度要素組成。

圖1 長(zhǎng)江隧道整體剖面圖

圖2 電纜通道剖面圖

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4個(gè)面都直接接觸土壤，可以散熱[1][2]。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各自的散熱途徑，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㎡，長(zhǎng)度約8.9 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。

因此，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?？梢暈橐粋€(gè)二維的傳熱問題，可用兩維熱傳遞模型計(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。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)行溫度要求為電纜導(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。

（3）電纜參數(shù)及工況

計(jì)算對(duì)象為YJLW03型電纜、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2個(gè)回線，每一個(gè)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)（如圖3示），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1 d。

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。

圖3 電纜不同的運(yùn)行工況

3 建模及計(jì)算分析

本項(xiàng)目采用國(guó)際通用的專業(yè)載流量軟件CYMCAP進(jìn)行計(jì)算，CYMCAP是由CYME International、Ontario Hydro 電力公司及 McMaster大學(xué)，在加拿大電氣協(xié)會(huì) (Canadian Electricity Association) 贊助下共同合作開發(fā)的 ，并在世界上得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。

根據(jù)前述的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)，CYMCAP的電纜隧道模型示意圖如圖4，模型參數(shù)為隧道的截面尺寸：1.8 m寬×2.4 m高；隧道埋地深度：隧道中心距離河床30 m。土壤的熱阻系數(shù)：0.72（K·m / W）。

圖4 CYMCAP電纜隧道模型

根據(jù)電纜不同的運(yùn)行方式，有如下6種工況。

工況1：穩(wěn)定負(fù)荷2×263 A

在正常運(yùn)行方式下（雙回線運(yùn)行），每根電纜的負(fù)荷率始終為100%，穩(wěn)定載流量＝400MW/2(回)/2(雙拼)/220 kV/1.732＝263 A。

工況2：穩(wěn)定負(fù)荷1×525 A

在N-1運(yùn)行方式下（僅1回線運(yùn)行），每根電纜的負(fù)荷率始終為100%，穩(wěn)定載流量＝400MW/1(回)/2(雙拼)/220kV/1.732＝525A。

工況3：周期負(fù)荷2×263 A

在正常運(yùn)行方式下，每根電纜承受周期性負(fù)荷（負(fù)荷率0.68），將263 A作為日最大負(fù)荷，計(jì)算穩(wěn)定（或趨于穩(wěn)定）值。

工況4：周期負(fù)荷1×525 A

在N-1運(yùn)行方式下（僅1回線運(yùn)行），每根電纜承受周期性負(fù)荷（負(fù)荷率0.68），將525A做為日最大負(fù)荷，計(jì)算穩(wěn)定（或趨于穩(wěn)定）值。

工況5：以隧道溫度＜40℃作為約束條件，計(jì)算正常工況時(shí)，周期負(fù)荷下的電纜最大輸送容量。

工況6：以隧道溫度＜40℃作為約束條件，計(jì)算N-1工況時(shí)，周期負(fù)荷下的電纜最大輸送容量。

CYMCAP的各工況下電纜導(dǎo)體和隧道內(nèi)溫度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各工況下電纜導(dǎo)體和隧道溫度計(jì)算結(jié)果

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℃和隧道內(nèi)溫度＜40℃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 節(jié)能減排分析

隨著西南大規(guī)模清潔水電通過電纜送入該區(qū)域，崇明相關(guān)電廠目前已關(guān)停。按照2010年的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況，兩個(gè)發(fā)電廠年發(fā)電量約7億kwh。以此估算，改用電纜通道輸送清潔水電，每年節(jié)約標(biāo)煤近21萬t，減少二氧化碳排放56.7萬t。根據(jù)常用燃料排污系數(shù)，減排效果估算結(jié)果見表2。污染物排放量的大幅下降有效支撐了崇明生態(tài)島的建設(shè)，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

表2 崇明島電廠減排效果估算 萬 t

5 結(jié)論

（1）電纜熱場(chǎng)分析

采用國(guó)際專業(yè)CYMCAP軟件進(jìn)行計(jì)算，在最苛刻的工況下（N-1運(yùn)行方式，電纜輸送容量為400MW、負(fù)荷率為100%），電纜導(dǎo)體溫度為44.9℃、隧道內(nèi)溫度為33.4℃，符合電纜導(dǎo)體溫度＜90℃、隧道內(nèi)溫度＜40℃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。

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，能量輸送是可行的。

（2）效益及展望

隨著滬崇蘇電纜投入使用，崇明相關(guān)電廠已停止運(yùn)行，污染物排放量大幅下降，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。滬崇蘇電纜工程是構(gòu)筑能源互聯(lián)通道、建設(shè)崇明綠色生態(tài)島的重要技術(shù)條件。

伴隨著我國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，以及消納大規(guī)模清潔水電的需求，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。

[1].Manabu S, Shinichi I. Genetic algorithm based real-time rating for shorttime thermal capacity of duct installed power cable[A]. Proceedings of the V Brazilian Conference on Neural Networks[C], 2001.

[2].馬國(guó)棟. 電線電纜載流量[M]. 北京:中國(guó)電力出版社，2003.