电力电缆城市随桥敷设的可行性理论分析

引言

目前国内外已有多项工程利用跨海或跨江大桥作为电力通道走廊敷设电缆。为减少工程投资,充分利用城市公共资源作为电力通道走廊,研究城市桥梁敷设高压电缆线路的可行性具有重大的经济效益和社会效益。虽有桥上电缆敷设的先例,但均为跨越江河或海洋的桥梁,在城市立交桥上大规模随桥敷设高压电缆尚无先例。鉴于高压电缆随桥敷设的特殊性,本文研究了高压电力电缆随桥敷设对城市桥梁的影响。

1国内高压电缆敷设于桥梁内的先例

高压电缆随桥敷设在国内已有先例,如广州海珠大桥,1986年在桥上敷设了110kV的1×800mm2交联电缆,桥长250m:东海大桥,2010年桥上敷设了双回25km的110kV1×630mm2交联电缆,:上海长江大桥,桥上敷设了220kV交联电缆,隧道敷设长度7.7km,桥梁敷设9.2km,为我国首例220kV电力电缆过桥工程。

从国内已有的经验来看,目前的电缆随桥敷设技术可行,安全可靠,电缆本身在桥上并未发生过故障,只有当桥体本身结构发生破坏或受外力影响时,才会直接损坏电缆。而城区地形复杂多变,需充分考虑电缆对城市桥梁结构稳定性的影响,对周围环境的电磁影响,对通信线路的影响,对人员和车辆的影响等,同时对高压电缆随桥敷设时电缆本身的安全性进行研究,包括高压电力电缆过桥时的防火措施、在线监测等。

2电缆过桥的安全性分析

高压电缆过桥从设计施工到运维全过程,都需充分考虑高压电缆过桥对桥梁安全造成的影响以及随桥敷设运行电缆的安全性。

2.1电缆自身的防火特性

现110kV级以上电压等级电力电缆通常采用C级阻燃单芯铜芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套聚乙烯外护套电力电缆,电缆具有阻燃特性。即使发生火灾也能有效避免毒烟造成的人身伤害以及火灾的大范围蔓延。

2.2电缆防火措施

为进一步提高电缆运行的安全性,可采用防火措施,避免外部因素对电缆的影响。

(1）桥上电缆敷设可采用难燃轻型封闭式电缆槽盒,在电缆自身防火的基础上加强阻燃效果。

(2）电缆表面采用防火涂料、包带等,贯穿墙壁,通往桥梁的竖井,接板部位采用防火涂料与密封填料。在电缆大弯曲位置,如电缆伸缩补偿装置段可采用防火包带保护:电缆进出孔

位置可采用防火夹板或防火包。

(3）电缆运行期间,安装分布式光纤监测系统在线监测电缆温度,对电缆及中间接头定期检查,避免事故的发生。

3随桥敷设电缆对桥梁结构的影响分析

对于桥梁结构的钢筋混凝土,当温度低于250℃时,温度升高对混凝土强度的影响比较小,而且没有规律。但是高于300℃时,则混凝土强度损失随温度的升高而增加。

交联电缆线芯温度一般不大于90℃,事故时虽可能达到250℃,但时间极短(0.2～0.6s）,电缆表面不大于60℃,电缆本身产生的热量不足以对大桥产生影响。另外高压电缆的交变磁场可使周围钢筋混凝土中的钢筋产生感应电流,感应的交变电流又会在钢筋中产生热量,但是此感应电流一般很小,产生的热量不大,对钢筋混凝土的热稳定性影响基本上可以忽略不计。因此,高压电力电缆产生的热量根本不足以对大桥的钢筋混凝土产生影响。

4随桥敷设电缆对电磁环境的影响分析

高压电力电缆的电磁环境影响敏感对象主要为人体、车载电子系统、心脏起搏器、残疾人车、移动通信设备、桥上的工频磁场敏感设备如显示器等。

4.1工频电场

电力电缆由于其外部绝缘层和屏蔽层的存在,大大减小了外部的工频电场。依据以往工程经验,工频电场的干扰作用很弱,因此,220kV交联聚乙烯电缆敷设于桥梁上时,不会影响周围的工频磁场分布和无线电干扰水平。

4.2工频磁场

高压电力电缆周围会产生一定的工频磁场,但远小于现有标准的公众暴露限值。

(1）220kV电缆通道外,工频磁场分布远小于戴心脏起搏器者的国际标准限值。

(2）对《电源频率磁场抗扰试验》(IEC61000-4-8）中工频磁场抗扰度要求等级最高的1类敏感电子设备,建议采用液晶显示器,以防近距离干扰。

(3）工频磁场对车道上行驶的汽车、车载设备、残疾人车不会造成干扰。

(4）电缆的布置排列方式对周围磁场有一定影响,但均在标准允许范围内。

5随桥敷设电缆对通信线路的影响分析

高压电力电缆线路与通信、监控线路平行敷设时,由于电缆中有交变电流通过产生交变磁场,并在通信、监控线路上出现感应电动势,当感应电动势超过阈值时,就会对通信、监控线路带来不良影响,轻者使通信质量下降、信号失真,重者危及通信设备及人身安全。

依据以往工程经验,新敷设220kV电力电缆单相接地短路时会对周围弱电系统(通信、控制电缆)产生影响。当接近段距离≤3m时,建议弱电系统加强接地保护并尽可能减少接近段长度。同时可采取措施进一步降低大桥上敷设电缆对通信线的影响。

(1)局部改善大桥上市政管线敷设用金属通道的接地电阻,使其成为良好的屏蔽体,以降低电信线路被感应的磁感应电压。

(2)高压电力电缆采用交叉互联金属护套接地方式,利用电力电缆的金属护套作为屏蔽线,明显降低了邻近平行导线的感应电势。

(3）大桥上的通信、监控电缆线路建议采用非金属光纤,在通信线路上设置隔离变压器等降低电缆对通信线路的影响,避免电缆线路单相短路情况下对周边通信线路造成影响。

6随桥敷设电缆对人身安全的影响分析

电缆过桥时需要考虑邻近人员有无跨步电压和接触电压对人身造成危害。

经计算,在正常运行情况下,电力电缆线路每一绝缘段长不大于600m时,最大绝缘的泄漏电流为0.171mA,该电流远小于人体感应电流0.7mA,不会危及人员生命危险。

当电缆线路发生短路接地故障,220kV电缆线路假定其短路电流50kA,电缆金属护套为交叉互联接地,以交叉点接地区段为1km计算,则在金属护套上最高可能感应电压为6.9kV左右,小于外护套25kV耐压水平,电缆外护层绝缘完全能承受不被击穿,而且保护系统一般在不到0.2s(最多不超过0.6s)的时间内就可将故障切除,故不会因电缆故障而带来人身安全问题。

7结语

本文从安全性方面,对高压电力电缆随桥敷设的可行性进行了理论分析,一方面对高压电力电缆过桥时电缆本身的安全性进行了研究,包括高压电力电缆过桥时的防火措施等:另一方面探讨了高压电力电缆过桥时产生的影响,包括高压电力电缆对城市桥梁结构稳定性的影响,对周围环境的电磁影响,对通信线路的影响,对人员和车辆的影响等,验证了高压电缆随桥敷设的可行性。