蔡龍晟

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

作為先進(jìn)的電網(wǎng)技術(shù)之一，超導(dǎo)輸電技術(shù)利用超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)的高密度(>104～107 A·cm-2)無阻載流能力，替代常規(guī)的銅、鋁等金屬材料作為載流導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)高密度的電能傳輸。在35 kV公里級長度超導(dǎo)電纜示范工程中，擬建設(shè)220 kV CC站和220 kV CX站之間1回電壓等級35 kV、額定電流2.2 kA的超導(dǎo)電纜，替代現(xiàn)有4回35 kV常規(guī)電纜，新建電纜線路路徑長度約1.15 km，全線設(shè)置有兩組中間接頭。由于該示范工程線路路徑較長，達(dá)到公里級指標(biāo)，線路路徑中需設(shè)置超導(dǎo)電纜接頭2處，是目前國內(nèi)外已建成的示范工程中所未曾出現(xiàn)的情況。示范工程中根據(jù)路徑通道條件，擬定采用電力排管作為主要通道形式。

本文將對適用于公里級的超導(dǎo)電纜工井進(jìn)行設(shè)計(jì)方案研究，目的是確保通道建成后能夠滿足超導(dǎo)電纜敷設(shè)條件，滿足投運(yùn)后超導(dǎo)電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

1 超導(dǎo)電纜工井及敷設(shè)設(shè)計(jì)

1.1 工井設(shè)計(jì)一般要求

超導(dǎo)電纜冷熱狀態(tài)轉(zhuǎn)變造成的熱伸縮變化是超導(dǎo)電纜敷設(shè)的一個(gè)需要考慮重要的因素。從國內(nèi)外已有的超導(dǎo)電纜冷縮率數(shù)據(jù)來看，當(dāng)超導(dǎo)電纜從室溫降溫至超導(dǎo)運(yùn)行溫度時(shí)，其纜芯的收縮率在3.0‰～3.1‰，超導(dǎo)電纜所采用的絕熱管的整體收縮率在1.2‰～1.3‰。這些結(jié)果可視為電纜敷設(shè)的限制條件，因而需要設(shè)置伸縮弧以吸收電纜熱伸縮，保證電纜的安全運(yùn)行。

盡管理論上有必要針對電纜在不同敷設(shè)方式條件下均采取冷縮應(yīng)對措施，但因排管內(nèi)無法有效開展應(yīng)對作業(yè)。因此，主要從工作井、接頭、終端處采取有效固定、合理設(shè)置伸縮弧等方法以應(yīng)對電纜冷縮，并一定程度減少由此產(chǎn)生的機(jī)械力，避免終端等損壞。

電纜工井按用途可分為敷設(shè)工作井、接頭井。工井內(nèi)凈尺寸的確定，必須同時(shí)考慮電纜在工井中立面彎曲和平面彎曲時(shí)所必需的尺寸。

工井內(nèi)的金屬支架和預(yù)埋鐵件要可靠接地，接地電阻應(yīng)不大于4 Ω。接地方式是在工井外對角處或4只邊角處埋設(shè)2～4根φ50 mm×2 m鋼管為接地極，深度應(yīng)大于3.5 m。在工井內(nèi)壁以扁鋼組成接地網(wǎng)，與接地極用電焊連接。工井內(nèi)預(yù)埋鐵件和金屬支架也用電焊與接地扁鋼連接。

1.2 對超導(dǎo)電纜工井的改造

由于超導(dǎo)電纜的正常工作溫度為液氮溫區(qū)(77 K左右)，因此當(dāng)制冷設(shè)備啟動運(yùn)行后，超導(dǎo)電纜溫度將由敷設(shè)安裝時(shí)的室溫下降至液氮溫區(qū)，此時(shí)超導(dǎo)電纜本體將受冷收縮，且根據(jù)此次示范工程的電纜試驗(yàn)及相應(yīng)仿真計(jì)算結(jié)果可知，電纜本體收縮率約為2.6‰。為避免因冷縮應(yīng)力造成超導(dǎo)電纜本體受損，擬定在工井內(nèi)設(shè)置蛇形弧幅來吸收超導(dǎo)電纜的冷縮，從而保障電纜的安全運(yùn)行。

示范工程新建工井的寬度擬定為3.0 m。在常規(guī)電纜工井的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加寬度，使工井內(nèi)電纜在滿足超導(dǎo)電纜彎曲半徑最小限值的要求條件下具備敷設(shè)水平蛇形的空間。經(jīng)計(jì)算，在電纜蛇形曲線敷設(shè)以及直線敷設(shè)的轉(zhuǎn)換過程中，工井可釋放約0.6 m的電纜長度。以前述冷縮率進(jìn)行折算，相當(dāng)于可吸收約200 m長電纜所造成的冷縮長度。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)工井按平均百米的設(shè)計(jì)間距考慮，則可進(jìn)一步保證降溫冷縮過程中電纜的形變可通過工井內(nèi)預(yù)設(shè)的水平蛇形弧幅進(jìn)行吸收。

為了滿足工井內(nèi)電纜的蛇敷需求，建議針對超導(dǎo)電纜工井的支架按照單側(cè)布置考慮。與常規(guī)工井不同，工井人孔、檢修孔建議布置于支架安裝的對側(cè)。人員進(jìn)出、機(jī)具吊裝過程中可避免對電纜本體造成影響。直線工井內(nèi)電纜布置俯視示意如圖1所示。

圖1 直線工井內(nèi)電纜布置俯視示意圖(單位：m)

考慮到超導(dǎo)電纜在降溫過程中會伴隨發(fā)生滑移形變，工井內(nèi)的電纜在冷縮完成前建議不進(jìn)行剛性固定，待冷縮完成，電纜軌跡穩(wěn)定后再進(jìn)行固定。除固定方式外，也可考慮采用伸縮弧處電纜固定的形式進(jìn)行固定，見圖2。在該固定方式中，水平導(dǎo)軌設(shè)置于支撐支架上方，可滑動抱箍設(shè)置于水平導(dǎo)軌之上，沿水平導(dǎo)軌方向移動。此時(shí)，常溫狀態(tài)下超導(dǎo)電纜敷設(shè)狀態(tài)如圖2中下方曲線所示，抱箍固定于點(diǎn)狀位置；當(dāng)降溫后，電纜逐漸縮短至虛線狀態(tài)，抱箍固定于星狀位置。該方式可控制電纜彎曲曲線，限制電纜收縮軌跡，避免電纜在收縮過程中出現(xiàn)局部彎折過度的情況。

圖2 伸縮弧處電纜固定方式

1.3 對轉(zhuǎn)角工井的改造

對于轉(zhuǎn)角工井而言，一般分為長邊與短邊，長邊長度較長，滿足輸送機(jī)布置的需求，而常規(guī)轉(zhuǎn)角工井的短邊長度一般較短，無法布置輸送機(jī)。當(dāng)電纜敷設(shè)于轉(zhuǎn)角工井時(shí)，為減少超導(dǎo)電纜敷設(shè)時(shí)所承受的牽引力以及側(cè)壓力，在電纜途經(jīng)的各座工井內(nèi)均建議布置履帶式輸送機(jī)。根據(jù)牽引力以及側(cè)壓力的計(jì)算原理，順電纜敷設(shè)輸送方向，履帶式輸送機(jī)布置于轉(zhuǎn)角前有利于減小電纜所承受的牽引力及側(cè)壓力。由于超導(dǎo)電纜外徑大、自重大，但同時(shí)所能夠承受的牽引力及側(cè)壓力相對較小，因此根據(jù)牽引力、側(cè)壓力來選擇合理的敷設(shè)方向較為重要。相應(yīng)地，敷設(shè)轉(zhuǎn)角工井短邊側(cè)有必要預(yù)留足夠長的直線段，用以預(yù)留電纜敷設(shè)時(shí)輸送機(jī)的設(shè)置空間。

根據(jù)示范工程中所使用的履帶式輸送機(jī)尺寸(見圖3)，履帶式輸送機(jī)的長度約1.2 m，因此，在考慮一定施工安裝空間的條件下，建議超導(dǎo)電纜所利用的轉(zhuǎn)角工井直線段需大于2 m，即圖4中L標(biāo)注的長度建議大于2 m。

圖3 履帶式輸送機(jī)外形尺寸

圖4 轉(zhuǎn)角工井內(nèi)電纜布置俯視示意圖(單位：m)

1.4 對接頭工井的改造

電纜的冷縮會使得電纜附件受到拉伸，嚴(yán)重時(shí)將損壞電纜接頭的絕緣性能，造成超導(dǎo)電纜損壞。參考常規(guī)電纜接頭，其敷設(shè)時(shí)需通過接頭抱箍將接頭固定于電纜支架，接頭兩端電纜均采用剛性固定形式，隨后設(shè)置弧形以吸收電纜熱伸縮，防止接頭損壞。超導(dǎo)電纜也可采用與之類似的固定方案：采用抱箍或托架形式支撐固定中間接頭，接頭兩側(cè)采用1～2個(gè)夾具進(jìn)行剛性固定。

接頭兩側(cè)電纜使用夾具固定，夾具后側(cè)設(shè)置一定的伸縮弧，用以吸收電纜一部分的熱伸縮量。伸縮弧彎曲半徑為4.2 m時(shí)的一種布置方案(見圖5)，伸縮弧節(jié)點(diǎn)長約6.2 m，可通過加大接頭區(qū)域尺寸來增加伸縮弧尺寸，從而進(jìn)一步增加可吸收的熱伸縮量。

圖5 超導(dǎo)電纜接頭布置俯視示意圖(單位：m)

施工實(shí)施階段，電纜接頭井應(yīng)充分考慮電纜接頭組裝用機(jī)具的尺寸，以及電纜接頭施工安裝空間等要素。因此，為保證安裝的作業(yè)空間，示范工程新建接頭工井的尺寸擬定為3.0 m×1.9 m×20 m，在頂板開設(shè)人孔，底板設(shè)置集水坑。此外，為保證超導(dǎo)電纜鋼管形接頭能夠吊裝至接頭井內(nèi)，相較于常規(guī)工井，額外增設(shè)可開啟吊物孔，吊物孔采用電纜溝蓋板形式。超導(dǎo)電纜中間接頭工井吊物孔設(shè)置示意如圖6所示。

圖6 超導(dǎo)電纜中間接頭工井吊物孔設(shè)置俯視示意圖

2 超導(dǎo)電纜工井支架材料選擇

電纜橫擔(dān)主要用于支撐超導(dǎo)電纜，是支架系統(tǒng)中唯一與電纜直接接觸的部件。一般而言，電纜橫擔(dān)所選用的材料必須能克服以下3個(gè)主要不利因素。

2.1 電纜支架感應(yīng)渦流

電纜支架感應(yīng)渦流是指在電纜工程中若采用普通鋼材電纜支架，對于交流單芯電纜，電纜中的大電流會在支撐電纜的金屬橫擔(dān)上產(chǎn)生感應(yīng)渦流，從而使金屬橫擔(dān)升溫，間接導(dǎo)致電纜外護(hù)套表面溫度升高，周圍媒質(zhì)熱阻增大，影響電纜的輸送容量。

在高溫超導(dǎo)電纜屏蔽層兩端互聯(lián)的情況下，屏蔽通過電流與導(dǎo)體電流量值相同，相位相反，超導(dǎo)電纜的屏蔽層外部無磁場。因此電纜周邊不產(chǎn)生渦流。

2.2 環(huán)境腐蝕

電力工井本體結(jié)構(gòu)處于地下，而示范工程所在的上海地區(qū)地質(zhì)條件普遍較差，地下水位常年處于較高水平；加之工井本體裂縫情況目前尚無有效辦法完全杜絕。上海已建電力工井電纜工作環(huán)境普遍較為潮濕，部分線路段甚至常年處于積水狀態(tài)。電纜支架需要具有較高的耐久性要求。經(jīng)熱浸鍍鋅處理的鍍鋅鋼材、復(fù)合材料、工程塑料及0Cr18Ni9不銹鋼均具有較好的耐腐蝕性能。

2.3 電纜自重荷載及熱機(jī)械力荷載

本工程所敷設(shè)超導(dǎo)電纜單位質(zhì)量約40 kg·m-1，因而每根支架承受的電纜自重荷載較大。

同時(shí)，由于隨著負(fù)荷電流變化及環(huán)境溫度變化，電力電纜會發(fā)生熱脹冷縮，產(chǎn)生電纜內(nèi)部的熱機(jī)械力，超導(dǎo)電纜輸送電流越大，所產(chǎn)生的熱機(jī)械力也越大。

為抵抗超導(dǎo)電纜冷縮期間較大的自重荷載及熱機(jī)械力荷載所產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)，同時(shí)防止橫擔(dān)撓度超出限值，電纜橫擔(dān)材質(zhì)需要具有極高的強(qiáng)度和剛度。復(fù)合材料雖然具有較高的抗拉強(qiáng)度，但其剛度性能較弱，根據(jù)以往工程實(shí)例，復(fù)合材料在較大彎矩作用下將出現(xiàn)較大變形現(xiàn)象，從而不滿足正常使用條件，因此認(rèn)為在超導(dǎo)電纜工程中，復(fù)合材料不適用于電纜橫擔(dān)的制作。鍍鋅鋼材以及0Cr18Ni9不銹鋼同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和極高的剛度性能，可以適用于電纜橫擔(dān)的制作。

綜上所述，鍍鋅鋼材以及0Cr18Ni9不銹鋼能同時(shí)克服環(huán)境腐蝕及電纜荷載作用等不利因素的影響，相比較而言，鍍鋅鋼材耐腐蝕性能相對較差，但具有造價(jià)優(yōu)勢，0Cr18Ni9不銹鋼耐腐蝕性能最佳，但造價(jià)較高。綜合比較后，最終確定選用鍍鋅鋼材。

3 超導(dǎo)電纜工井內(nèi)在線監(jiān)測裝置

地下電纜在使用中若受到外力破壞，將嚴(yán)重影響供電安全可靠性。因此，電纜通道是安全隱患排查治理的重點(diǎn)領(lǐng)域，是保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、消防防范、運(yùn)維安全的重點(diǎn)。超導(dǎo)電纜一旦發(fā)生液氮泄漏，易引發(fā)異常及事故并迅速擴(kuò)展，嚴(yán)重威脅人身及電網(wǎng)設(shè)備安全。因此，有必要配置在線監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電纜內(nèi)部液氮泄漏等故障情況，為超導(dǎo)電纜可靠運(yùn)行提供保障。特別是針對接頭工井，建議通過監(jiān)測工井溫度、濕度、液位、氧氣、煙感、視頻等信息，保證環(huán)境的安全可控。智能接頭工井內(nèi)在線監(jiān)測設(shè)備布置如圖 7所示。

圖7 工井內(nèi)在線監(jiān)測設(shè)置布置圖

此外，建議配置智能井蓋系統(tǒng)，選用帶遠(yuǎn)程通信功能的井蓋控制器，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)可以通過遠(yuǎn)程通信方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對各井口狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，各井口控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控井口狀態(tài)，對非法開蓋狀況實(shí)時(shí)報(bào)警傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接警后立即將相關(guān)資料顯示于監(jiān)控計(jì)算機(jī)顯示屏，并提醒值班人員接警，用戶還可以在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對各井口的布防、撤防，方便維護(hù)、檢修。

4 結(jié)語

本文針對超導(dǎo)電纜工井進(jìn)行了探討與研究，對于超導(dǎo)電纜工井，為滿足電纜冷縮需求，建議采用單邊支架布置，工井內(nèi)預(yù)留足夠的電纜弧幅敷設(shè)寬度。固定時(shí)，建議可采用可滑動導(dǎo)軌進(jìn)行支撐，確保超導(dǎo)電纜在冷縮過程中的軌跡可控。對于接頭工井，根據(jù)接頭制作、吊裝空間的需求，在常規(guī)電纜工井的基礎(chǔ)上，建議加設(shè)接頭吊裝孔。工井內(nèi)支架材料建議采用鍍鋅鋼材，滿足環(huán)境防腐及電纜荷載的要求。最后，為了提高超導(dǎo)電纜通道的可靠性，建議配置智能井蓋系統(tǒng)、智能接頭工井系統(tǒng)。