一种330KV地下电力电缆的环保设计方法.pdf

本发明公开了一种330kV地下电力电缆的环保设计方法，包括以下步骤：单回电缆排列方式的优化：不同高度处的最大磁感应强度，选择正三角排列方式；电缆正三角排列方式相间距的优化：选择正三角排列方式，尽量减少相间距；双回电缆相序的优化：选择E相序；双回电缆布置方式及埋深的选择。在人口密集的主城区采用以上较为环保的330kV地下电缆设计方案是非常安全的，不仅有利于增强城市的美观性，同时也有利于降低地面电磁场强的水平、节省工程成本。

权利要求书1.  一种330kV地下电力电缆的环保设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、单回电缆排列方式的优化选择正三角排列方式；步骤2、电缆正三角排列方式相间距的优化选择尽量小的相间距；步骤3、双回电缆相序的优化选择三相投影顺序为ABC，BCA的相序；步骤4、双回电缆三相布置方式的确定选择双回水平排列方式；步骤5、电缆隧道宽度的优化选择尽量窄的隧道宽度；步骤6、电缆埋深的选择根据工程成本及隧道地面环境选择电缆埋深，电缆隧道两侧涉及IEC61000-4-8工频磁场抗扰度要求等级最高的1类敏感电子设备，在采用双回优化布置后，电缆埋深也只需大于2.5m，如不能满足以上电缆埋深要求，则避开高压电缆，提高设备使用高度到1.5m以上或根据实际埋设及仪器使用高度，将设备远离隧道中心3～3.5m。2.  根据权利要求1所述的330kV地下电力电缆的环保设计方法，其特征在于，优选地，步骤6中所述1类敏感电子设备是基于CRT原理工作的显示器及电子显微镜。

说明书一种330kV地下电力电缆的环保设计方法
技术领域
本发明属于电力工程技术领域，具体地说，涉及一种330kV地下电力电缆的环保设计方法。
背景技术
几十年来，世界各国针对一般变电站、输电线路的电磁场进行了大量的研究，虽然研究方法和研究内容不同，但大部分问题已得到比较一致的看法。对于城市中日益广泛运行的地下高压电缆，由于在外面有金属屏蔽层和铠装层，一端直接接地，一端通过保护接地，电荷分布在芯线和金属护套层之间,接地封闭的导电层和金属锴装层，它们可屏蔽掉由带电导线向外辐射的电场，即电场屏蔽。将工频电场近似为静电场来处理，由静电屏蔽原理可知，此时电缆外部的电场不受电缆内部电荷的影响，在电缆的外部，不可能有高的电场。电缆周围的工频电场很低，不可能产生健康影响问题和干扰问题，因此，下文330kV电缆设计模型对环境影响将以磁场分析为主。对于不同地面高度上的工频磁场值，电力电缆不同于架空线路越靠近地面处越小，而是越靠近地面处越大。由于尚无专门针对地下电缆电磁场评价的有关方法和限值，其评价可参照架空线路执行，而我国架空线路空间电磁场的评价已有确定的指标，即距离地面1.5m处的电磁场值，如地下电缆评价也从严考虑，下文所有对于330kV地下电缆分析将以0.5m处的磁场强度为主。对于电磁场公众人体暴露限值本文采用电磁环境控制限值(GB8702-2014)，设备干扰限值国际电工委员会(IEC)电磁兼容系列标准中的IEC61000-4-8：1993，“工频磁场抗扰度试验”中的抗扰度试验要求，即IEC推荐的设备应当具备的抗扰度。
综上，依据国内外专门针对电缆设计及以上电磁场的标准、规范，构造不同设计参数配置下的地下电缆模型，运用国外先进软件，考虑电缆屏蔽层、大地及电缆隧道、其他市政管线等因素的影响，模拟、分析、比较不同参数组合下330kV地下电缆周围电磁场的分布，从而确定西北地区特有的330kV地下电缆最优设计的研究，尚无先例。
发明内容
为了克服现有电缆设计方法中可能造成地面磁场增大的缺陷，本发明提出了一种330kV地下电力电缆的环保设计方法，根据唯一变量原则，先后确定对地面电磁环境影响较大的六个因素——电缆排列方式、三相相间距、双回相序、双回布置方式、电缆隧道宽度、埋深。其他电缆及设计参数根据《GB 50217-2007电力工程电缆设计规范》、《GB/T 3956-2008电缆的导体》及500kV、220kV地下电缆案例，同时为对地面上的工频磁场分布作保守预测，在选择典型设计参数及电缆额定工况时，均考虑使电缆周围可能出现最大磁场的情况。其技术方案如下：
一种330kV地下电力电缆的环保设计方法，包括以下步骤：
步骤1、单回电缆排列方式的优化
选择正三角排列方式；
步骤2、电缆正三角排列方式相间距的优化
选择尽量小的相间距；
步骤3、双回电缆相序的优化
选择三相投影顺序为ABC，BCA的相序；
步骤4、双回电缆三相布置方式的确定
选择双回水平排列方式；
步骤5、电缆隧道宽度的优化
选择尽量窄的隧道宽度；
步骤6、电缆埋深的选择
根据工程成本及隧道地面环境选择电缆埋深，电缆隧道两侧涉及IEC61000-4-8工频磁场抗扰度要求等级最高的1类敏感电子设备，在采用双回优化布置后，电缆埋深也只需大于2.5m，如不能满足以上电缆埋深要求，此时需考虑的措施为：.尽可能避开高压电缆，如提高设备使用高度到1.5m以上或根据实际埋设及仪器使用高度，将设备远离隧道中心3～3.5m。
优选地，步骤6中所述1类敏感电子设备是基于CRT原理工作的显示器及电子显微镜。
以上步骤仿真计算使用的试验平台为德国先进电磁场仿真计算软件EFC-400，该软件专门用于是计算导体中的低频电磁场，磁场计算基于毕奥-萨伐 尔定律。计算对导体在三维空间内的分布没有要求。因此任何低频的准稳系统都是可解的。同时，计算过程中使用该软件模型库中专门用于编辑电缆计算的电缆管理器(Cable Manager)，结合电缆电磁场传播特点，将电磁场传播路径中的电缆绝缘层、屏蔽层、护套层、支架、隧道钢结构、市政管道等构筑物分别编辑进入计算模型中，从而在仿真计算中，将各类实际构筑物引起的电缆低频磁场屏蔽衰减、涡流等影响纳入最终结果中，从而较为精确得模拟电缆(隧道、沟)周围磁场的分布。
为了使电缆磁场仿真计算结果更接近实际，构造电缆计算模型过程中遵循以下原则：
i.严格按照电缆各参数，包括导体、屏蔽层、外径等尺寸及材料信息编辑电缆模型。如电缆外套中的金属屏蔽层，铠装层等金属结构对电缆产生磁场是有屏蔽作用的，根据金属种类，计入计算模型；而绝缘层，防火封包等对磁场没有屏蔽作用的非金属结构，则可忽略不计。
ii.隧道中的金属结构，特别在电力电缆附近区域，由于存在电缆金属支架的涡流效应，磁场会比较复杂。隧道壁中的互相连接的钢筋等，对工频磁场也都有屏蔽作用。由于屏蔽作用与不考虑屏蔽作用的计算值相比330kV电缆通道内部空间(场源区)的磁场会有所增大，而电缆通道外部空间(屏蔽区)的磁场有所减小。这些使磁场减小的因素均计入仿真计算模型中。
iii.参考坐标的选取：X轴为地平面并与电缆铺设方向垂直的方向，右侧为正方向；Y轴平行于地面并与电缆铺设方向平行，向里为正方向；Z轴垂直于地面，向上为正方向。为计算方便起见，单回为三相电缆几何中心延长线与X轴交点；双回选在隧道垂向中心线与X轴交点。
本发明的有益效果为：
1.本发明可在工程前期优化330kV地下电缆设计，可将地面电磁场水平降低65％～75％，从源头杜绝电缆工程投运后，因地下电缆引起地面电磁场可能的超标对周围公众工作、生活环境造成的危害，而发生的环保纠纷的可能性，避免了因纠纷带来的不必要经济赔偿和重新选线、改路径造成的巨大经济损失。
2.因明挖法、浅埋暗挖法及盾构法等电力隧道施工方法各异且造价不同，本发明可在保证环境安全性的同时，通过优化参数配置，确定合理的电缆隧道埋深 及宽度后，选择合理的施工方法，最大可能得节省工程成本。
附图说明
图1为四种典型排列方式下电缆在隧道内的布置示意图，其中图1a为正三角排列，图1b为等腰直角三角排列，图1c为垂直排列，图1d为水平排列；
图2为单回电缆不同排列方式距离地面0.5m高的磁感应强度；
图3为单回电缆不同排列方式距离地面1m高的磁感应强度；
图4为单回电缆不同排列方式距离地面1.5m高的磁感应强度；
图5为不同相间距单回正三角排列电缆在隧道内的布置示意图；
图6为单回正三角排列电缆不同相间距距离地面0.5m高的磁感应强度；
图7为单回正三角排列电缆不同相间距距离地面1.0m高的磁感应强度；
图8为单回正三角排列电缆不同相间距距离地面1.5m高的磁感应强度；
图9为双回正三角紧凑横向对称排列电缆在隧道内的布置示意图；
图10为双回正三角紧凑纵向单侧排列电缆在隧道内的布置示意图；
图11为横向对称排列在地面上方0.5m高处6种不同相序的工频磁场分布；
图12为横向对称排列在地面上方1m高处6种不同相序的工频磁场分布；
图13为横向对称排列在地面上方1.5m高处6种不同相序的工频磁场分布；
图14为单侧纵向排列在地面上方0.5m高处6种不同相序的工频磁场分布；
图15为单侧纵向排列在地面上方1m高处6种不同相序的工频磁场分布；
图16为单侧纵向排列在地面上方1.5m高处6种不同相序的工频磁场分布；
图17为双回正三角紧凑横向对称排列电缆在隧道内的布置示意图；
图18为双回正三角紧凑纵向单侧排列电缆在隧道内的布置示意图；
图19为双回两种布置方式下电缆在埋深2.0m、2.5m时地面0.5m高处的磁场分布；
图20为双回两种布置方式下电缆埋深2.0m、2.5m时地面1m高处的磁场分布；
图21为双回两种布置方式下电缆埋深2.0m、2.5m时地面1.5m高处的磁场分布；
图22为不同隧道宽度双回正三角水平对称紧凑排列电缆在隧道内的布置示意图；
图23为不同隧道宽度下地面0.5m高处的工频磁场(隧道宽2一3m)；
图24为不同隧道宽度下地面1m高处的工频磁场(隧道宽2一3m)；
图25为不同隧道宽度下地面1.5m高处的工频磁场(隧道宽2一3m)；
图26为不同隧道宽度下地面0.5m高处的工频磁场(隧道宽3一4m)；
图27为不同隧道宽度下地面1m高处的工频磁场(隧道宽3一4m)；
图28为不同隧道宽度下地面1.5m高处的工频磁场(隧道宽3一4m)；
图29为埋深为H时双回正三角紧凑横向对称排列电缆在隧道内的布置示意图；
图30为双回正三角紧凑横向对称排列方式下电缆不同埋深在地面上0.5m高处的磁场分布；
图31为双回正三角紧凑横向对称排列方式下电缆不同埋深在地面上0.5m高处的磁场分布；
图32为双回正三角紧凑横向对称排列方式下电缆不同埋深在地面上1.5m高处的磁场分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
以下各步骤计算分析使用具体参数如下。
iv.电缆标称截面积选择2500mm2，为现有标准GB/T 3956-2008中出现的最大载流量；
v.电缆导体屏蔽层厚度选择66kV以上的标称值：1.5mm；
vi.220kV电缆外径大多在80-150mm之间，当同回的三相电缆按紧凑接触方式布置时，电缆中心线间的距离(相间距)即为电缆外径，因此，330kV计算中考虑到电缆实际敷设后在未绑扎的地方可能电缆之间不紧贴，电缆外径(三相紧凑布置时的相间距)按200mm作保守预测；
vii.计算电压345kV(不相关)；
viii.计算电流选择1500A；
ix.其他隧道及支架布置等使周围的工频磁场减小的因素一律使用220kV最大额定设计。
1单回电缆排列方式的优化
单回电缆有四种主要排列方式：正三角排列、等腰直角三角排列、垂直排列和水平排列。采用相间距最小值(电缆中心线间的距离)为200mm，同时，埋深按2米计算。图1为对应这四种排列方式下电缆在隧道内的布置示意图。仿真计算单回电缆不同排列方式距离地面0.5m、1.0m、1.5m处的磁感应强度计算结果见图2至图4。
通过图2至图4看出，无论在地面何种高度，单回路同负荷条件下，4种排列方式下在地面上的场强分布特性类似，都是随着距离地面高度的增加而减小，并且磁场最大值出现在中心的延长线上。虽然不同排列方式在地面各高度上磁场值随距离变化各不相同，但总体趋势为：按正三角排列时电缆周围磁场均最小，按等腰直角三角排列时略小，按水平、垂直排列时最大。这是因为相间距相同时，按正三角排列时，三相电缆的几何对称性最好，使电缆区域以外的场点到三相之间的距离差最小；而按水平、垂直排列时，电缆的几何对称性最差。这样，在前者三相电缆周围各场点处产生的磁场抵消得最多，电缆周围磁场最小，而后两者的磁场最大。同时，以上数据也符合关于布线方式对电缆周围工频磁场的影响的理论计算研究成果，即当电缆之间的间距相等，载同样的正序或负序电流时，三角布线方式下的磁场比间隔平布时要小约30％。而在零序电流下，则要小40％左右。
由上可知，不同高度处的最大磁感应强度，选择三角排列方式对减小地面磁感应强度有较好的控制作用。
2电缆正三角排列方式相间距的优化
在正三角，等腰直角三角和水平三种排列方式中，正三角是最佳排列方式。下面对正三角排列电缆按不同相间距的工频磁场进行计算。虽然紧凑型布置较为常见，但部分承担中心城区供电任务的220kV电缆，由于用电高峰期负荷较大，也会采用其他相间距的布置方式。这里可通过其他条件不变，计算不同相间距L时电缆的工频磁场分布，得出单回电缆正三角排列方式时的最优相间距。图5为电缆在隧道内的布置示意图。仿真计算单回正三角排列电缆不同相间距距离地面0.5m、1.0m、1.5m处的磁感应强度计算结果见图6至图8。
通过图6至图8看出，无论在地面何种高度，磁场都随着相间距变小而减小。这是因为三相电缆的相间距越紧凑，在电缆区域以外的场点到三相之间的距离差越小，三相电缆分别在场点处产生的磁场就能抵消得越多，从而使电缆周围的磁场减小。同时，以上数据也符合部分理论计算研究结论，无论是何种布置方式，无论所载电流是正序、负序还是零序，三相单芯电缆系统周围的工频磁场有相同的特性，即与电缆间的间距成正比，按观测点到场源的距离的平方衰减。
由上可知，选择正三角排列方式，尽量减少相间距，可以减小在电缆周围产生的磁场。
3双回电缆相序的优化
考虑到工程经济性，为使隧道最大化利用，目前，绝大多数电缆隧道均为双回路布置。根据以上结论，下面对双回正三角紧凑型排列电缆按三相横向对称及纵向两种排列方式，计算不同相序布置时的工频磁场。两种双回正三角紧凑型隧道布置见图9、图10。
双回三相电缆共有6种相序组合方式。用6个字母(相序代码)分别表示这6种相序，它们之间的关系见表1-表2所示。例如，表中的B相序。
正三角排列的双回电缆，其中一回电缆从左到右在地面的投影分别为A相、C相和B相，另一回电缆分别为C相、B相和A相。为方便起见，后文中此正三角排列的双回电缆B相序也可以用投影顺序ABC，CAB表示。
表1双回正三角紧凑横向对称排列

表2双回正三角紧凑纵向单侧排列

图11至图13是表3-9所示的6种不同相序下，横向对称排列在地面上方0.5m、1.0m、1.5m高处的工频磁场分布。图14至图16是表3-9所示的6种不同相序下，单侧纵向排列在地面上方0.5m、1.0m、1.5m高处的工频磁场分布。在计算中，也遵循以上只有相序改变的唯一单变量原则。
从图11至16看出，电缆的布置方式对周围磁场的影响是很大的。比较两种电缆布置方式，横向对称排列E相序磁场强度明显更小，而纵向单侧排列E相序磁场随距离的衰减更快。但无论哪种电缆布置方式，在地面不同高度上，E相序比其他相序的磁场低。这种最优的排序方式与垂直排列同塔双回架空线路的最优排序方式是相似的。在垂直排列同塔双回架空线路中，已被理论和实践证明，第二回线路的相序与第一回线路的相序完全相反时，在地面的工频电场和磁场最小。在地下电缆工频磁场问题中，两回电缆线路就等同于同塔双回的交流架空线路，只不过上下方向相反，左(上)边一回电缆线路的三相到隧道上方两回电缆之间或电缆正上方的距离从大到小依次是C-B-A，右(下)边一回电缆线路的三相到地面的距离从大到小依次是A-B-C；左(上)边一回电缆线路的三相到隧道两侧的距离从大到小依次是C-A-B，右(下)边一回电缆线路的三相到地面的距离从大到小依次是B-A-C，正符合两回线路相序相反的原则。因此，从理论分析和计算结果都可以得出结论：在电缆隧道空间内，从减小电缆隧道内的工频磁场角度考虑，E相序是正三角紧凑排列方式的最佳双回相序。
4双回电缆布置方式的确定
在确定最优相序后，仿真计算双回两种布置方式下，电缆在埋深2.0m、2.5m时，地面上不同高度处的磁场分布和磁感应强度随地面距离的变化趋势，计算参数及隧道布置方式如图17、18所示，结果如图19—21所示。
由图19—图21可以看出，两种电缆埋深，无论在地面何种高度，同一埋深下双回横向排列均较纵向单侧排列的磁场值明显要低，因此在330kV地下电缆设计中应首先考虑双回正三角水平对称紧凑排列的方式。
5电缆隧道宽度的优化
在布置双回水平排列电缆时,改变两个电缆回路之间的距离(即改变电缆隧道的宽度),可以影响隧道上方地面的工频磁场分布。
在计算中,双回电缆按照4节中的双回正三角水平对称紧凑排列(投影顺序为ABC，BCA)。由于隧道中部需布置0.8～1m的人行巡检通道，因此仿真计算时隧道最窄取2.0m；而隧道宽度超过4m的隧道，由于施工成本，在实际工程中也是不现实的，因此隧道最宽计算至4m。计算参数及隧道布置方式如图22所示，图23至图28为不同隧道宽度下的地面0.5m、1.0m、1.5m高度上工频磁场计算结果。当改变隧道宽度时,左右侧电缆相对左右侧墙的距离不变,仅改变双回电缆之间的距离。即当隧道宽度为2m时,这时双回电缆相互临近的上相的电缆轴心之间距离1.4m。图23至图25的曲线从下到上分别对应隧道宽度为2m、2.25m、2.5m、2.75m和3m；图26至图28的曲线从下到上分别对应隧道宽度为3.0m、3.25m、3.5m、3.75m和4.0m。其中，隧道中心的工频磁场值记为Bcen，中心至两侧10m出现的最大值记为Bmax。
由图23至图25看出，当地下电缆隧道宽度从2m增加到3m时,地面0.5m高度上的所有工频磁场(包括Bcen和Bmax)随隧道宽度的增加而增加；隧道中心及其上方(隧道中心0m至水平距离1m)1m高度处工频磁场(包括Bcen)随隧道宽度的增加先减小后增大，隧道周围区域(水平距离1m至10m)工频磁场(包括Bmax)随隧道宽度的增加而增加；隧道中心及其上方(隧道中心0m至水平距离1.5m)1.5m高度处工频磁场(包括Bcen和隧道宽2.0m、2.25m时的Bmax)随隧道宽度的增加先减小后增大，隧道周围区域(水平距离1.5m至10m)工频磁场(包括隧道宽2.5m～3m时的Bmax)随隧道宽度的增加而增加。由图26至图28看出，当地下电缆隧道宽度从3m增加到4m时,地面各高度上的所有工频磁场(包括Bcen和Bmax)随隧道宽度的增加而增加。
当两回电缆按最优相序布置时,两侧电缆的相位可以使两回电缆中间的磁场 受到一定程度的抵消，使合成后的磁场变小，如隧道2-3m宽时离地最近0.5m高的隧道中心上方的近场区；当距电缆稍微远离时，隧道中心上方区域的磁场受两侧电缆相位的这种抵消逐渐减小,如隧道2-2.5m宽时离地较远的1m、1.5m高处的隧道中心上方场区。随着距电缆(场源)的距离继续增加,电缆在隧道中心位置的磁场不断减小,如隧道2.5-4m宽时离地较远，1m、1.5m高处，隧道两侧地面上方的远场区。
由上可知,隧道2-2.5m宽时，隧道上方距地面1m、1.5m区域工频磁场值会随着隧道的变宽而减小，但由于范围有限，且全部都在1μT以下的低值水平，因此，总体来说，尽量减少隧道宽,可以减小电缆在地面产生的磁场，这也符合工程中尽量缩小隧道大小，节约成本的要求。
6电缆埋深的选择
在此前调查兰州、北京两地的110kV、220kV等8条线路中，最浅埋深均在2m左右，在考虑保守预测期间，最浅仿真计算埋深为1.5m。在确定隧道最优宽度为2m后，仿真计算双回正三角紧凑横向对称排列(投影顺序为ABC，BCA)方式下，不同埋深，地面上不同高度处的磁场分布和磁感应强度随地面距离的变化趋势，计算参数及隧道布置方式如图29所示，结果如图30—32所示。
由图30—图32可以看出：①所有的工频磁感应强度最大值在优化布置后都可以控制在4.5μT以下，且磁场随距离的衰减很快，满足IEC 61000-4-8标准中3类及以上环境设备的抗扰度(12.6μT)要求，和GB 8702-2014磁场曝露限值(100μT)相比，磁场水平是很低的。②根据计算结果，距地面1.5m高处，磁场强度均满足IEC 61000-4-8标准中1类环境设备的抗扰度(1.26μT)要求。距地面1.0m高处，只有在埋深最浅的1.5m时，距隧道中心(1.426μT)至3m远(1.135μT，另，距离2.5m处为1.453μT)的区域(基本在设计模型中隧道上方)不能满足IEC 61000-4-8标准中1类环境设备的抗扰度(1.26μT)要求。距地面0.5m高处，在埋深最浅为1.5m时，距隧道中心(3.381μT，另，距离0.5m处为3.806μT)至2m远(3.318μT，另，距离1.5m处为4.107μT)的区域(在隧道上方及两侧近场区域)不能满足IEC 61000-4-8标准中2类环境设备的抗扰度(3.78μT)要求，再到距离中心3.5m(1.227μT)外满足IEC 61000-4-8 标准中1类环境设备的抗扰度(1.26μT)要求；在埋深为2.0m时，也只有距隧道中心(1.155μT另，距离0.5m处为1.346μT)至两侧2.5m(1.154μT，另，距离2.0m处为1.41μT)的区域(在隧道上方及两侧近场区域)不能满足IEC61000-4-8标准中1类环境设备的抗扰度(1.26μT)要求。
电缆工程的土建施工投资巨大，隧道主要有三种施工方式：明挖法、浅埋暗挖法及盾构法，根据线路长短、埋设深浅、隧道大小、地质、地上环境等因素，投资在几千万至上亿元之间。根据以上仿真计算方法和结果，在采用双回优化布置330kV电缆后，即使电缆在埋深最浅的1.5m处，地面0.5m高度上也可控制在4.5μT以下，远小于公众曝露限值，较优化前典型设计产生磁场水平12.9μT～18μT)，降低了65％～75％；而在涉及IEC 61000-4-8中工频磁场抗扰度要求等级最高的1类敏感电子设备(主要是基于CRT原理工作的显示器及电子显微镜)的区域，电缆埋深也只需大于2.5m。如不能满足以上电缆埋深要求，此时需考虑的措施为：①.尽可能避开高压电缆，如提高设备使用高度到1.5m以上或根据实际埋设及仪器使用高度，将设备远离隧道中心3～3.5m。②.在电缆电磁影响区域，设计选型时使用液晶显示器。综上，根据电缆隧道地上及两侧敏感对象分布，在保证环境安全性的同时，选择合理的隧道埋深、大小及适合的施工方法，可最大可能得节省工程成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。