（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2.国网上海市电力公司，上海 200122）

　　摘  要： 为解决崇明三岛供电问题，利用沪崇苏大通道敷设220 kV电力电缆。采用解析方法建立了220 kV电缆借道市政隧道敷设的热场模型，分析了各种工况下电缆发热及温升对周围市政设施的影响。计算结果表明，沪崇苏市政隧道搭载高压电力电缆，电缆发热引起的温升是安全的。

　　关键词： 电缆；热场；市政；隧道

0 引言

　　随着我国城镇化进程，电缆化供电模式以及相应的电缆敷设方式得到越来越广泛的应用。国内大城市已相继建成了不同电压等级的电缆专用隧道，并不断发展为城市地下电力网。但是，高压电缆深入城区，是否会给居民的正常生活、工作带来安全隐患，这一问题越来越受到各有关方面的关注。我国目前正在积极试点城市地下管道综合走廊，又被称为“共同沟”，它将市政、电力、通讯、燃气、给排水等各种管线集于一个隧道空间。在共同沟的推广中，相关的工程环境问题，如电力电缆的发热是否会对隧道内其他设施的使用带来安全隐患，将有待加强研究。

　　为了解决上海崇明三岛（崇明、长兴、横沙）供电问题，利用沪崇苏大通道（其中浦东至长兴为过江隧道，分为上行及下行二条隧道；长兴至崇明为大桥）敷设220 kV电力电缆。在隧道的最初方案中并未考虑敷设高压电力电缆，所以隧道通风散热的设计也未考虑电力电缆的发热量。电力电缆在长期运行中发热，导致电缆通道温度升高，可能影响隧道内同一空间中的其他设备的安全运行。另外，该电缆通道的散热条件与常规隧道有所不同，常规隧道上下左右四个面都直接接触土壤，可以散热；沪崇苏隧道中，电缆通道顶部为高速公路，另一侧为轨道交通通道，仅一个侧面和底部为土壤。所以对这样特殊而重要的工程，难以直接套用载流量计算标准。本课题专门建立传热模型，对敷设在沪崇苏大通道过江隧道中的220 kV电力电缆，在输送电流的作用下，电缆的发热及其导致的电缆通道内温度升高进行计算分析，目的是既能充分发挥电缆的输电能力，又能将电缆隧道的温度控制在允许的范围内，提高沪崇苏工程的安全性。

1 载流量计算标准

　　在对隧道电缆的发热、温度控制、电缆供电能力等方面的设计中，其主要依据是“电缆载流量计算”。电缆载流量计算的目的是确定在现场环境条件下，既不影响电缆使用寿命，又能充分发挥电缆传输能力的电缆载流能力。目前国内外对于电缆载流量计算均有相应的标准， 国际上有IEC 60287《电缆载流量计算》、IEC228《电缆的导体》、IEC60853《电缆周期性和紧急性载流量的计算》；国内为JB/T10181《电缆载流量计算》、GB/T 3956 《电缆的导体》。

　　上述标准能够比较准确地计算出标准环境和工况下的电缆内部损耗和内部热阻。但实际应用中，电缆的外部环境千差万别、难以统一，而电缆载流量与外部环境的关系非常大。从国内的电缆载流量计算情况看，普遍存在取值偏保守、裕度过大的问题，不能充分发挥电缆的输电能力。在处理各种复杂的外部环境以及电缆之间存在的相互影响等问题时，不能简单照搬上述标准，应根据具体情况具体分析。

2 电缆隧道结构参数

　　2.1 电缆隧道的结构

　　沪崇苏隧道工程全长约8 954.0 m，将每条隧道（上行及下行隧道）内分割的电缆通道作为高压电缆隧道，整个隧道分隔为四个部分，如图1，地面以上是高速公路通道，地面以下当中是轨道交通，内侧（即靠近另一条隧道的一侧）用于逃生通道和放置隧道自用的电力线路和变压器等设备，外侧是电力电缆通道。隧道混凝土壁面以外为长江江底土壤。

　　电缆通道的截面为近似扇形截面，如图2，高度为2.93 m（从集水沟钢格栅板到通道顶），宽度为2.5 m。电缆通道与土壤接触面为弧形，散热周长约为5.9 m（指衬砌外壁，包括集水沟下面的部分）。在电缆通道中，上下两组电缆靠内侧壁面架设。

　　2.2 模型边界条件

　　电缆隧道模型主要由5个要素组成：隧道的截面形状尺寸、埋地深度、通风情况、电缆隧道四周散热介质（土壤及混凝土）的导热系数、土壤温度。

　　本项目的研究对象与常规隧道有所不同，常规隧道上下左右四个面都直接接触土壤，可以散热。沪崇苏隧道中，电缆通道一侧和底部为土壤，顶部为高速公路，另一侧作为轨道交通通道。轨道交通通道内依靠机车行驶的活塞作用与外部进行热量交换；公路通道内也有空调设施。地铁通道和汽车通道都有自己的散热途径，但其散热能力、温度控制范围、以及与电缆通道的热交换情况，目前尚难以准确估算。在计算中为简化问题、从严考虑，将毗邻地铁和汽车通道的隧道壁视为隔热层，不考虑其热交换作用。

　　该电缆通道截面积只有约6 m2，长度约8 km，同时由于隧道穿越长江，沿途没有布置竖井通风，除进口出口外，整个通道近似为全封闭。在这样的通道内进行通风散热，风阻非常大，进出口处的风速和隧道中部的风速相差很大，所以，计算中不考虑风机强制通风散热的情况，而且由于截面积小，电缆通道内的空气沿隧道长度方向基本上是不流动的，即可以忽略沿隧道长度方向的热量传递。

　　这样，电缆通道仅依靠一侧和底部的与土壤的弧形接触面进行散热。同时，本项目成为一个二维的传热问题，可用二维热传递模型计算电缆通道内的温度场。

　　电缆通道距离江底越深，散热条件越差，数学模型按最深处的隧道考虑，即电缆通道中心距离江底30 m。

　　根据江底土壤的潮湿情况及相关资料，混凝土衬砌的导热系数取值：0.896（Btu/ft.hr.DegF），土壤的导热系数取值：0.79（Btu/ft.hr.DegF）。

　　江底由于水的流动，会不断带走热量，所以这里将江底视为等温层。

　　交联聚乙烯电缆的运行温度要求电缆导体＜90 ℃。

　　一般认为，隧道内温度不应超过40 ℃。所以，如果隧道内温度计算结果＜40 ℃，则认为电力电缆发热不会影响市政交通隧道的正常使用。

　　2.3 电缆参数及工况

　　本项目的计算对象为YJLW03型、电压等级220 kV、导体截面积为800 mm2的铜芯XLPE绝缘皱纹铝护套电力电缆。该电缆芯为5分割铜导体，外护套材料为聚乙烯。每个电缆通道内敷设6根单芯电缆，两条隧道共12根单芯电缆。电缆敷设方式为三角形紧密排列方式，金属护套接地方式为等距离交叉互联单点接地。电缆支架为非铁质结构。

　　沪崇苏电缆为双拼电缆，即一共只有两回线，每一回线由两路电缆并联组成。电缆在入隧道前进行了交叉，结果是，两条电缆通道内的上支架的两路电缆属于同一回线，下支架的两路电缆属于另一回线。当一回线电缆发生计划或非计划停运时，每个通道内均是一个支架上的电缆停电，另一个支架上的电缆正常运行。

　　在夏季负荷高峰极端情况下，日最高负荷可能达到400 MW。该负荷由两回线电缆共同承担，每根电缆的电流为262.4 A。根据电力系统可靠性的“N-1”原则，当出现一回线停运时，另一回线承担全部负荷，即每个电缆通道内，一个支架上的电缆输送200 MW的负荷（每根电缆的电流为525 A），另一支架上的电缆停运，这是发热量最大的工况（称为N-1工况）。不过实际上，单回线运行时间非常短，一般不超过一天。

　　另外，从上海市以往的日负荷曲线看，日平均负荷率为0.68，可将其作为沪崇苏电缆的负荷率。

3 建模及计算分析

　　3.1 模型的简化

　　真实模型中，电缆并非放置在电缆通道的中心，而是靠近与轨道交通相邻的混凝土墙壁，和墙壁距离在0.2 m以上。鉴于本项目主要关注隧道内的空气平均温度，所以解析模型中不考虑电缆偏心带来的温度不均匀问题，将电缆发热及温度计算进一步简化为一维传热问题。

　　3.2 载流量计算方法

　　解析算法是工程上计算电缆载流量的主要依据。电缆载流量应满足该电流作用下缆芯工作温度不超过电缆绝缘耐热寿命容许温度值，且符合导体连接可靠性要求。电缆载流量的解析算法目前广泛应用热网络分析法。热网络法的原理是将电缆视为以其几何中心为圆心的分层结构，用集中参数代替分布参数，把电流作用于电缆的热平衡，视为一维形式的热流场，籍助与电路中的欧姆定律、基尔霍夫定律相似的热欧姆等法则，进行简明的解析求解。

　　电缆载流量计算的基本过程分三步：（1）损耗计算；（2）热阻的计算；（3）载流量的计算。根据前两步计算结果，将参数值代入计算公式，即可计算出在给定基准条件下的载流量，称为额定载流量，或在最高允许工作温度下的连续载流量。

　　本项目不同于上述的电缆载流量计算。本项目不仅要考虑发热对电缆寿命的影响，还要考虑电缆发热对环境的影响。这里导体温度?兹是待求量，不能作为边界条件；隧道空气温度是不确定的，而且是待求量，必须将热网络分析延伸到江底及远处土壤。

　　本项目的热量传递过程为：从导体到电缆表面各层固体之间的热传导过程、从电缆表面到空气的对流换热过程、从空气到隧道内壁的对流换热过程、从隧道内壁到江底的热传导过程。相应的热网络图示如图3。

　　由于待求量较多，不宜用简单的公式求解，应采用类似电路中的节点电压法列出热网络的节点方程：

　　其中，C为环境温度，是指江底及远处土壤的温度；导体表面、绝缘中部、金属护套表面、电缆表面、空气、隧道内壁的温度。

　　下面进行节点方程中损耗和热阻的计算，需要说明的是，有些计算本身需要引用待求量温度1、5、6，为便于计算，这里先将估算值赋给待求量进行试算，求出后再重新计算，实践证明这种方法达到了足够的精度。

　　3.3 各种工况下的计算结果

　　夏季负荷高峰极端情况下日最高负荷达到400 MW时，认为“稳态发热量＝日平均负荷率×日最高负荷”，温度计算结果见表1。可见，单回线运行时的空气温度高于双回线。

　　下面考虑一种假想的严酷情况，负荷率始终为100％，将日最高负荷作为稳态负荷进行温度计算，结果如表2。这种情况在实际运行中是不会出现的，因为负荷总是周期变化的，不会一直维持在最高负荷。

　　不论哪种工况，电缆通道内的平均温度均远低于40 ℃。

　　根据计算结果，不论是正常运行方式还是N－1运行方式下，不论是周期性负荷还是负荷率始终为100％情况下，均符合电缆导体温度<90 ℃、隧道内温度<40 ℃的要求。电缆发热引起的温升既不会影响电缆安全运行，也不会影响隧道内高速公路和轨道交通的正常使用。

4 结论

　　在沪崇苏交通隧道的最初方案中并未考虑敷设高压电力电缆，所以隧道通风散热的设计也未考虑电力电缆的发热量。本课题采用解析算法建立传热模型，针对敷设在沪崇苏大通道过江隧道中的220 kV电力电缆，研究在输送电流的作用下，电缆的发热及其导致的电缆通道内温度升高情况。目的是既能充分发挥电缆的输电能力，又能将电缆隧道的温度控制在允许的范围内，提高沪崇苏工程的安全性。

　　计算结果显示，在最苛刻的工况下（N－1运行方式，电缆输送容量为400 MW、负荷率为100％），电缆导体温度为47.1 ℃、隧道内温度为34.4 ℃，符合电缆导体温度<90 ℃、隧道内温度<40 ℃的要求。电缆的发热既不会影响电缆安全运行，也不会影响隧道内高速公路和轨道交通的正常使用。结果表明，沪崇苏市政隧道搭载高压电力电缆，电缆发热引起的温升是安全的，能量输送是可行的。

　　随着我国城市用电负荷的快速增长，电缆通道资源紧张、电缆过载等问题将会在各城市逐渐增多；利用市政交通隧道敷设高压电力电缆，以及建设城市地下管道综合走廊，符合资源集约化应用的思想，将会有越来越多的应用。由于敷设环境的特殊性，难以直接套用载流量计算标准，而且不仅要考虑发热对电缆寿命的影响，还要考虑电缆发热对环境的影响；所以有必要建立传热模型，一事一议，针对具体工程进行专门分析。

　　沪崇苏高压电缆在通道结构、散热途径等方面与常规隧道有较大差别，本文在热场建模中尝试解决这些问题，进行了热模型简化、边界条件取值、模型求解、电缆运行工况等方面的分析工作，相关经验可为其他工程提供有价值的参考。

参考文献

　　[1] MANABU S，SHINICHI I.Genetic algorithm based real-timerating for short-time thermal capacity of duct installed power cable[C].Proceedings of the V Brazilian Conference on Neural Networks，2001.

　　[2] 马国栋.电线电缆载流量[M].北京：中国电力出版社，2003.