排管敷设电缆的载流量计算与优化排列

李攀峰，李春筱，冯 炳

（国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

排管敷设电缆的载流量计算与优化排列

李攀峰，李春筱，冯 炳

（国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000）

排管敷设是目前电力电缆的主要敷设方式，利用镜像法和叠加原理,建立了排管敷设时电缆载流量的计算模型，运用推导出的公式计算双回和四回排管敷设时每回电缆的载流量，给出了载流量最优的电缆排列方案。

电力电缆；排管；载流量；排列方式

地下电力电缆的敷设主要有土壤直埋、排管、沟槽和隧道4种方式，随着城市电缆线路的日益增多，排管敷设逐渐成为电缆线路敷设的主要方式。当电缆多回路排管敷设时，不同相位排列方式，电缆的邻近效应不同，计算出的载流量也不同，通过对电缆相位进行优化排列，可以降低邻近效应的影响，从而提高电缆的载流量。

本文计算并比较多种排列方式下电缆的载流量，最终给出载流量最优的电缆排列方案。

1 计算假设条件

选取型号为YJLW03 64/110 kV 1×630 mm2的交联聚乙烯绝缘波纹铝护套纵向阻水中密度聚乙烯+聚氯乙烯双护套电力电缆进行计算分析。该电缆由内向外依次为导电线芯、导体包带、导体屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、垫包带、皱纹铝护套、外护套和手导电涂层，其结构尺寸见表1。电缆的敷设条件见表2。

表1 电缆结构尺寸

表2 电缆使用环境条件

2 计算模型

2.1 载流量的计算公式

与其他敷设方式相比，除了绝缘热阻、护层热阻，电缆排管敷设时还应考虑管道中的外部热阻，它主要由3部分组成，即电缆表面的管道内表面之间空气热阻、管道本身热阻、管道外部热阻。电缆排管敷设时，假设电缆护层中没有电流，因电缆无钢带和钢丝铠装，护层损耗可忽略不计；而电缆穿管埋设在水泥排管中，如果水泥有足够的宽度和厚度，也不存在土壤中水分迁移问题，根据传热学原理，电缆的载流量计算公式可以简化为：

式中：v为干燥和潮湿土壤域热阻系数之比率；R为最高运行温度下导体单位长度的交流电阻；Δθc为土壤临界温升，即高于环境温度的干燥与潮湿土壤边界的温升；Wd为导体绝缘介质损耗；T1为导体绝缘层的热阻；T2为电缆外护层热阻；T3为电缆表面与管道之间的热阻；T4为管道中的外部热阻。

式（1）中各参数，除T4外，其他仅与电缆的结构尺寸及其导体电阻有关，通过计算或查阅相关图表可以求得，与电缆的敷设方式无关。

2.2 管道外部热阻T4

T4不仅与外界敷设的方式相关，而且还涉及到其他电缆对被计算电缆的影响。因此，以下讨论排管敷设下T4的计算。

图1 电缆敷设于排管混凝土模型

当排管嵌入混凝土中时，其热阻由 2项组成：第一项假定管道外部全部为混凝土时的热阻，但实际上一部分是混凝土，另一部分是土壤；第二项即考虑到实际情况的校正项。设定以电缆轴心为中心，以db直径以外区域为土壤。db（仅对y/x≤3时有效）由式（2）给出：

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式中：db为混凝土包方的等效直径；x为混凝土排管的宽度（与地面平行）；y为混凝土排管的高度（与地面垂直）。

混凝土包方深度即为混凝土圆柱体离地面距离Lb，则混凝土包方等效几何因数为：

式中：Gb为混凝土包方的几何因数，Gb在不同的x/y比值下近似抛物线。

按传热学原理，同时把土壤和水泥的热阻看成均匀热阻系数的介质，单根电缆管道以外的热阻T4用镜像法求得，其计算公式为：

式中：ρT为混凝土土壤热阻系数。

当排管中敷设有多根电缆时，此时电缆管道外部热阻T4需要考虑其他多根电缆发热对某根电缆温升的影响，可采用叠加原理，即多根电缆在某处产生的温升（实际温升）等于每根电缆在该处分别产生的温升之和。假设排管电缆的数量为n，则水泥、土壤、电缆发热对第k根电缆产生的温升Δθk为：

式中：Δθkk为第k根电缆本体发热所产生的温升；为其他电缆对第k根电缆产生的温升。

式中：W1，W2，…，Wn分别为第1，2，…，n根电缆的损耗功率；dkn为第n根电缆与第k根电缆间的距离为第n根电缆镜像点与第k根电缆间的距离。假设排管中每根电缆的损耗功率相等，则：

根据式（7）可以推出多根排管敷设时的电缆管道外部热阻T4为：

根据式（8）求出T4后，同时求出其他相关参数代入式（1），即可求出多根电缆排管时的载流量。

3 排列方式对载流量的影响

排管敷设时电缆的排列方式主要有“一”字形、三角形和垂直3种方式。“一”字形排列方式有利于散热，但会产生电磁场的不平衡，特别是在双端接地时，金属套将产生较大的环流损耗；三角形排列不利于散热，但电磁场比较平衡，对外电磁场影响较小。垂直排列时，也会产生电磁场的不平衡问题，同时下相电缆不易散热。根据电缆在排管中敷设时载流量推导公式，分别计算双回路和四回路电缆排管多种排列方式下的载流量，比较得出载流量最优的电缆排列方案。

3.1 双回路电缆排列方式对载流量的影响

双回路排管按8+2孔布置，其中6孔为电缆孔，2孔为电缆故障备用孔，2孔为电缆回流孔，选取了排管敷设的6种电缆回路排列方案，如图3所示。

图3 双回路排管6种排列方案

在单端接地方式下，计算得出的载流量如表3所示。由表3可看出：方案一的载流量最大，电缆电磁场较平衡，倒置的三角形布置使下相电缆散热影响降至最小，而且双回路之间电磁场互不干扰，损耗最小；除方案五外，其他方案载流量大致相当，但由于受回路之间的电磁场影响及埋设深度增加，载流量均比方案一小。故在双回路排管敷设时，从载流量最大的角度考虑，推荐两个倒置三角形水平布置，即方案一。

表3 双回路电缆排管6种排列方案下的载流量

3.2 四回路电缆排列方式对载流量的影响

四回路排管按14+4孔布置，其中12孔为电缆孔，2孔为电缆故障备用孔，4孔为电缆回流孔。本文选取了四回路排管敷设的5种电缆回路排列方案，如图4所示。

图4 四回路电缆排管5种排列方案

在单端接地方式下，计算得出的载流量如表4所示。从表4可以看出，与双回路敷设时比较，当多根电缆密集敷设时，多回路电缆将产生电磁和热的相互影响，因而损耗将增大，散热效果差，载流量将随回路数的增多而减小。当电缆采用四回水平三角形排列时（方案一），电缆载流量最大，主要因为三角形排列时电磁场较为均匀，回路之间影响小，且单层布置因埋深小而散热性能好，但此方案对电缆的通道宽度要求高，在路径紧张区域难以实施。方案二中电缆均为水平排列，相对方案一每回电缆载流量减少5.1%，但该方案对电缆通道宽度要求仅为1.5 m，实用性强。

表4 四回路电缆排管5种排列方案下的载流量

当四回路电缆采用方案五中“一”字形垂直排列方式敷设时，载流量最大为599 A，较双回路敷设时（686 A）下降了将近13%，且第二、三层下降更多，主要是由于电缆回路之间电磁场影响加大，造成电缆损耗增加，同时四回路垂直布置散热性能较差，载流量必然受影响。受上下相邻回路及电缆敷设深度影响，方案三与方案五载流量相当。方案四载流量最小。

故在四回路排管敷设时，从载流量最大的角度考虑，当路径通道宽度允许时，推荐方案一，其次为方案二；在通道紧张区域，宜采用方案五。

4 结论

（1）利用镜像法和叠加原理，建立了排管敷设时电缆载流量的计算模型，重点论述了管道外部热阻T4的计算方法，推导出了排管中电缆载流量的计算公式。

（2）分别计算了双回路和四回路电缆排管敷设时多种排列方式下的载流量。在双回路排管敷设时，推荐2个倒置三角形水平布置，即方案一，此方案载流量最大。在四回路排管敷设时，从载流量最大的角度考虑，当路径通道宽度允许时，推荐方案一，其次为方案二；在通道紧张区域，宜采用方案五。

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（本文编辑：方明霞）

Ampacity Calculation and Optimized Arrangement of Cables in Ducts

LI Panfeng，LI Chunxiao，FENG Bing
（State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China）

Duct is one of the main laying methods of power cable，A model for calculation of the ampacity of cables installed in ducts is established by the mirror method and superpos ition principle in this paper；by use of deduced formula，ampacity of cables in the double and four-trow ducts is calculated.The paper also puts forward the optimal arrangement scheme of cable.

power cable；duct；ampacity；arrangement mode

TM757

B

1007-1881（2015）12-0019-05

2015-05-05

李攀峰（1983），男，工程师，从事输电线路设计工作。