電纜選擇和布置

中文名稱

電纜選擇和布置

英文名稱

cable selection and routing

定　　義

根據(jù)有關(guān)電氣設(shè)備的運行條件和不同需要，對電纜的絕緣等級、導(dǎo)線截面、總數(shù)和保護(hù)層材料做出的選擇和根據(jù)電纜的功能和工作性質(zhì)，以及連接對象位置和敷設(shè)環(huán)境，選定安裝敷設(shè)方式的設(shè)計。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級學(xué)科），電力規(guī)劃、設(shè)計與施工（二級學(xué)科）

溢洪道的設(shè)計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個工程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25~30%及勞動力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計中是一個比較重要的環(huán)節(jié)。關(guān)鍵詞：土石壩中小型水庫溢洪道常見問題對策溢洪道的設(shè)計和布置合理與否，不僅直接影響到水庫的安全，而且關(guān)系到整個工程造價。土石壩一般中小型溢洪道，約占水庫樞紐工程造價的25~30%及勞動力的25%，故溢洪道合理的布局和選型，在水庫工程設(shè)計中是一個比較重要的環(huán)節(jié)。

溢洪道一．常見問題

①.溢洪道是洪水期間保證水庫安全的重要設(shè)施，中小型水庫由于受工程造價的限制，其設(shè)計采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)往往偏低、選用洪水?dāng)?shù)據(jù)偏小，因而必然帶來溢洪道設(shè)計尺寸偏小，再加上周邊巖體風(fēng)化坍落，往往造成泄流能力不足，因而不能保證安全泄洪。

②在布置上，某些工程設(shè)計的溢洪道其進(jìn)出口段離壩身太近，壩肩與溢洪道之間僅有單薄的山脊相隔。進(jìn)口段如未進(jìn)行有效的護(hù)砌，泄洪時一旦發(fā)生沖蝕現(xiàn)象，將危及壩肩安全，有些設(shè)計的陡槽末端與壩腳緊貼，假如發(fā)生橫流沖刷，更易危及壩腳安全，因此這二種情況均對大壩的運行安全十分不利。

③.溢洪道設(shè)計的平面彎道半徑過大和收縮過劇，對泄流十分不利。非凡在溢洪道陡坡段布置有彎道時，由于彎道流態(tài)、流勢劇烈變化，導(dǎo)致二岸產(chǎn)生了水面差，這時凹岸水面壅高，并在下游銜接的平直段內(nèi)產(chǎn)生折沖水流，大大影響了泄流能力和消能效果。另外陡坡段或緩流段的過劇收縮，也會發(fā)生顯著的壅水和流態(tài)變化，并對溢洪道襯砌造成沖擊，如砌護(hù)過高會增加投資，砌護(hù)過低了又不安全。

④.溢洪道縱橫剖面及平面布置設(shè)計不當(dāng)，比較突出的問題是陡坡設(shè)計比降過陡。部分溢洪道布置在非巖性山坡上，其底部未做有效的反濾襯砌，致使?jié)B水后易產(chǎn)生滑坡；結(jié)構(gòu)上也不穩(wěn)定。在橫斷面設(shè)計中，有些工程對兩側(cè)山坡開挖坡度注重不夠，有的過陡，加上襯砌厚度偏薄，不能滿足抗滑抗傾穩(wěn)定，也易造成坍方和滑坡；平面布置上，存在著上下游斷面連接不配套，形成“瓶頸”現(xiàn)象，從而影響了泄洪能力；此外溢洪道末端與河道銜接部分注重不夠，導(dǎo)致有的末端高出河床很多，有的末端未做砌護(hù)處理，常造成嚴(yán)重沖刷，并向上延伸，直至整個建筑物破壞。

5.現(xiàn)有水力設(shè)計方法尚不夠完善，如溢洪道進(jìn)口布置有引洪平流段的情況下，由于水力計算中忽略了平流段時進(jìn)口水位的壅高。而實際壅高有時較大，不可忽視。有些設(shè)計對溢洪道的消能工的設(shè)計考慮不夠充分，或者型式選擇不當(dāng)，導(dǎo)致消力墻長度和深度均不能滿足需要，消能不夠充分，致使下游河段發(fā)生嚴(yán)重沖刷。

另在側(cè)槽式溢洪道設(shè)計中，過去大多采用“扎馬林法”進(jìn)行計算。經(jīng)多年實踐及水工模型試驗證實：使用該法計算所確定的水面坡降偏小，導(dǎo)致側(cè)槽深度不夠，流量系數(shù)減小，使側(cè)堰局部呈現(xiàn)沉沒出流，其實際泄洪流量達(dá)不到設(shè)計要求的泄量，因而對工程是不安全的。

6.有些工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對泄洪的特點和基礎(chǔ)特性考慮不周，溢洪道下泄的高速水流具有很強(qiáng)的沖出力、由于急流的摻氣和脈動現(xiàn)象十分顯著常會產(chǎn)生劇烈的震動；有些溢洪道采用低標(biāo)號的漿砌石或砼砌護(hù)，且砌護(hù)厚度與邊坡砌護(hù)高度都不能適應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，因而不能抵御高流速的沖刷；有些非巖基上的溢洪道設(shè)計時，底部幾乎沒有反濾排水設(shè)備，極易發(fā)生塌滑；有些大面積圬工砼襯砌由于未設(shè)伸縮沉陷縫，致使溢洪道襯砌發(fā)生一些裂縫，總之這些都使工程安全受至影響。

溢洪道二．設(shè)計對策

溢洪道設(shè)計中把握的基本資料是否充分與完善，選用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是否恰當(dāng)，均直接影響到整個工程的安全及經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)就有關(guān)問題談一些看法：

1.規(guī)劃布局

溢洪道工程的規(guī)劃布局應(yīng)盡量利用有利地形地貌，即要經(jīng)濟(jì)合理又要保證安全。如大壩四周有天然山坳可以布設(shè)溢洪道則最為理想，如主壩口子狹窄無法布置正堰則可考慮選擇側(cè)槽式溢洪道。其規(guī)劃布置的主要原則是：基礎(chǔ)堅硬均一，線路短，無彎道，出口遠(yuǎn)離壩體；工程嚴(yán)禁布置在滑坡或崩塌體地上。溢洪道通常有四個主要部分組成：引流段、控制段、泄流段及消能工。

2.引流段

為引流平順其進(jìn)口外形最好做成喇叭口，為減小損失其長度不宜過長。如因地形所限必須在該段內(nèi)設(shè)置彎道時，則應(yīng)使彎曲段盡量平緩?fù)?、還應(yīng)使彎道與下游銜接段和出口段盡量遠(yuǎn)離壩腳，以免沖刷壩腳。引流段截面一般選用梯形或矩形，當(dāng)流速≤1~2米/秒時一般可不砌護(hù)，但與壩端鄰近和緊接控制建筑物的范圍內(nèi)應(yīng)砌護(hù)一定長度，同時在彎道二側(cè)的凹岸亦應(yīng)砌護(hù)，如為堅硬的巖基則可不考慮。

3.控制段

為使泄流均勻，可使近口水流垂直于控制段建筑物；根據(jù)地形條件和泄流需要必需設(shè)置寬頂堰或?qū)嵱脭嗝嫜?，堰寬度可按答?yīng)單寬流量選定，巖基上單寬流量為40~70m3/s，非巖基上為20~40m3/s，土基上為20m3/s。除近口段設(shè)有引流段外，一般應(yīng)使堰頂寬度≤3h堰；為使水流平順，堰口與其上游引流段可采用漸變段連接，其收縮角以12度左右為宜。如堰體較寬則應(yīng)在其橫向設(shè)置溫度縫與沉陷縫，其間距可按10~15m布設(shè)。

4.泄流段

該段平面均采用直線布置，并盡量避免彎道和設(shè)置扭坡順引流態(tài)的急驟變化甚至產(chǎn)生負(fù)壓；其縱斷面設(shè)計應(yīng)因地制宜地根據(jù)地形、地質(zhì)而選用緩坡、陡坡或多級躍水等多種形式；陡坡段應(yīng)采用均一比降；由于泄水段流速很高，故應(yīng)盡量布置在巖基上，如為非巖基則該段襯砌厚度應(yīng)按答應(yīng)流速與地質(zhì)條件選擇進(jìn)行設(shè)計，一般漿砌石用0.5~1.0m，砼0.2~0.5m，鋼筋砼0.15~0.3m，其坡度一般以≤1/2.5為宜。

新鮮巖基上的泄水道，可不砌護(hù)；如為松軟風(fēng)化巖石仍須用0.3~0.5m的漿砌石或0.2m厚的砼作砌護(hù)，并加設(shè)錨固筋；如需大面積砼襯砌則應(yīng)按地質(zhì)情況，結(jié)合溫度變化布置伸縮縫和沉陷縫，兩側(cè)邊坡可僅設(shè)橫縫，底部則應(yīng)設(shè)縱橫縫，間距一般為8~12m，同時在襯砌底部需敷設(shè)排水的反濾料；考慮高速水流摻氣的特點，邊坡的砌護(hù)高度應(yīng)有適當(dāng)超高。在泄水段末端需設(shè)置消能工，其具體選擇型式可根據(jù)地形、地質(zhì)和水力條件的要求而定，采用多級躍水或溢洪道末端的躍流段應(yīng)使其泄流方向遠(yuǎn)離壩腳≥100~150m。對于非巖基上一般均采用底流消能，并在末端設(shè)置消力池。如泄流量不大，亦可考慮消力檻形式；如為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，由于極易造成沖刷，此時可考慮采用差動式消力檻形式；在巖基上，如溢洪道尾端有較陡邊坎時，采用挑射消能較為有利，由于這種形式可省去消力池、護(hù)坦與海漫等工程，由于其工程量小、造價低，因而常被采用。根據(jù)工程實踐鼻坎形式以矩形差動式最好，但鼻坎以上陡坡最好做成矩形斷面，千萬不可作成梯形斷面以免需用扭坡與鼻坎銜接。

5.側(cè)槽段

該段布置應(yīng)垂直于來水流向，其長度可根據(jù)等高線向上游延伸，水流特點是側(cè)向進(jìn)流，縱向泄流。

側(cè)堰與深槽連接的漸變過渡段，其收縮角應(yīng)控制在12°左右，其長度一般為槽內(nèi)水深的3~5倍，其主要作用是避免槽內(nèi)波動和橫向旋滾的水流直接進(jìn)入陡坡段。

溢洪道三、水利計算

為使水力計算與工程特性相一致，故正確選用計算公式十分重要。

1.引流段的水力計算：可采取自下游控制斷面向上游反推求水面曲線的方法進(jìn)行，引流段進(jìn)口處端須先計算水位壅高，才能求得泄洪時的正確庫水位。

2.控制段的匯流計算：可根據(jù)“溢流堰水力計算設(shè)計規(guī)范”建議的方法計算，同時正確選用流量系數(shù)時并使其與選用的堰型相一致。

3.泄流段陡槽水力計算：推求陡槽段水面曲線的方法較多，如陡槽底寬固定不變時，可采用BⅡ型降水曲線或用查爾諾門斯基方法計算；對底寬漸變的陡槽段則可用查氏方法分段詳算。

4.消能設(shè)施的水力計算：采取底流式消能可以采用A－C：巴什基洛娃圖表計算。由于巴氏對各種消能設(shè)備的計算方法與步驟均較明確、具體，計算省時又能保證精度；但是我們在選定消能設(shè)施的尺寸時應(yīng)該留有余地，對于一些重要的中型水庫其水力計算成果還應(yīng)通過模型試驗加以驗證；至于挑射消能計算，目前還未找到一種比較成熟適用的計算方法。

5.側(cè)槽段的水力計算：過去采用的“扎馬林法”由于計算時采用了均勻流假定，而實際水流狀態(tài)是沿程變量流，故不符合適用于均勻流的謝才公式，因而與實際泄流情況有較大出入。

近年來有些水利科技工根據(jù)水流動量或能量關(guān)系而建議采用的水面曲線推算的公式比較符合實際泄流情況，如“西南水工所在《中小型水庫側(cè)槽式溢洪道的設(shè)計》一書中介紹的公式”、“美國<小壩設(shè)計>一書中用的公式”、以及“浙江省《水利科技情》77年第三期介紹的南斯拉夫哈丁公式”等均與水工模型試驗吻合。其中南斯拉夫的哈丁公式又可結(jié)合實際驗算，計算方法簡便、省時，故可供設(shè)計參考。由于側(cè)槽內(nèi)實際的流態(tài)十分復(fù)雜，故在堰頂對面的岸坡水面要比平均水位抬高5~20%，因此其設(shè)計的襯砌的高度、厚度要要考慮上述影響。

由于側(cè)槽式溢洪道在側(cè)向進(jìn)流時，水流的沖擊、摻氣和槽內(nèi)水流波動很大，流態(tài)十分復(fù)雜，故精確計算十分困難，因此對于重要的大中型水庫其側(cè)槽式溢洪道設(shè)計需依據(jù)水工模型試驗來確定其相應(yīng)尺寸。

溢洪道四、結(jié)構(gòu)計算

為保證建筑物安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)計算是不可缺少的，除一些護(hù)坡及擋土墻的穩(wěn)定可按一般方法計算外，必須進(jìn)行陡坡面砌護(hù)厚度與消力池底板的穩(wěn)定分析，而對挑射消能則應(yīng)進(jìn)行鼻坎的穩(wěn)定與基礎(chǔ)應(yīng)力計算。

1.陡坡的護(hù)砌厚度應(yīng)滿足滑動安全，設(shè)置伸縮縫沉陷縫以后，坡面砌護(hù)類似大面積薄板，故對基礎(chǔ)應(yīng)力以及傾復(fù)穩(wěn)定一般可不須計算，其主要控制條件是滑動穩(wěn)定，作用在護(hù)面上的滑動力主要有水流拖泄力、砌體自重順坡方向的分力及護(hù)面凸體產(chǎn)生的阻力；抗滑力則包括砌體自重垂直坡面的分力和水流靜壓力、護(hù)面上的上舉力和滲透壓力，其抗滑安全系數(shù)應(yīng)≥1.3~1.5即為安全。

2.消力池底板厚度應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定要求，由于底板四面邊界的約束作用，一般沒有滑動問題，因此僅需對其抗浮要求進(jìn)行穩(wěn)定計算。作用在底板上的上浮力包括滲透壓力、脈動壓力、底板上凸出體產(chǎn)生的上舉力，以及下游消力池水深與水躍段內(nèi)壓力差。抗浮力包括底板的浮重和底板上的水重，其抗浮安全系數(shù)≥1.3~1.5即為安全。

3.挑流鼻坎的尺寸應(yīng)滿足滑動穩(wěn)定、傾復(fù)穩(wěn)定和答應(yīng)的基礎(chǔ)應(yīng)力。作用于鼻坎上的向下的垂直力包括鼻坎自重、鼻坎上的水重，挑流曲面離心力的垂直分力；向上的垂直力包括脈動力、滲透壓力、鼻坎下游尾部形成的上浮力、以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的上舉力。作用于鼻坎的水平推力包括水流的拖泄力，挑流時其鼻壩曲面離心力的水平分力，以及鼻坎上凸出體產(chǎn)生的水平分力。按一般力學(xué)方法計算鼻坎的滑動與傾復(fù)穩(wěn)定時其要求抗滑安全系數(shù)≥1.3~1.5，抗傾安全系數(shù)≥1.5，同時計算上述各力的合力，其作用點應(yīng)位于基礎(chǔ)面中三分點之內(nèi)，且基礎(chǔ)最大與最小應(yīng)力比值≤3~5，以避免發(fā)生不均勻沉陷。

溢洪道五、小結(jié)

針對中小型溢洪道常出現(xiàn)的問題，應(yīng)從資料收集、規(guī)劃布局、水利計算及結(jié)構(gòu)計算層層把關(guān)，保證工程安全經(jīng)濟(jì)可行。

一般原則

電纜的額定電壓等于或大于所在網(wǎng)絡(luò)的額定電壓，電纜的最高工作電壓不得超過其額定電壓的15%。除在要移動或振動劇烈的場所采用銅芯電纜外，一般情況下采用鋁芯電纜。敷設(shè)在電纜構(gòu)筑物內(nèi)的電纜宜采用裸鎧裝電纜或鋁包裸塑料護(hù)套電纜。直埋電纜采用帶護(hù)層的鎧裝電纜或鋁包裸塑料護(hù)套電纜。移動機(jī)械選用重型橡套電纜。有腐蝕性的土壤一般不采用直埋，否則應(yīng)采用特殊的防腐層電纜。在有腐蝕性介質(zhì)的場所，應(yīng)采相應(yīng)的電纜護(hù)套。垂直或高差較大處敷設(shè)電纜，應(yīng)采用不滴流電纜。環(huán)境溫度超過40℃時不宜采用橡皮絕緣電纜。

截面校驗

（1）按電壓選擇電纜：按照上述的一般原則中的第一條進(jìn)行選擇。

（2）按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇電纜截面：計算方法與導(dǎo)線截面的計算方法一樣。

（3）按照線路最大長期負(fù)載電流校驗電纜截面Iux≥Izmax

式中：Iux——電纜的允許負(fù)載電流（A）；

Izmax——電纜中長期通過的最大負(fù)載電流（A）。

我們在平時的工作中最長用的就是這種選擇方法，通常是先求出線路的工作電流，再按照線路最大的工作電流不應(yīng)該大于電纜的允許載流量。電纜允許的長期工作電流見表一。

我們在實際工作中經(jīng)常會遇到這種情況，由于負(fù)荷的增加，負(fù)載電流增大，原有電纜載流量不足，過流運行，為了增加容量，考慮到原有電纜運行正常，要重新敷設(shè)電纜施工難度大而且不經(jīng)濟(jì)，我們常采用雙并、甚至三并的做法。

在并用電纜的選擇上很多人認(rèn)為只要在滿足載流量要求的前提下電纜截面越小越經(jīng)濟(jì)，越合理，實際究竟是不是這樣呢。

2006年1月3日1#變壓器至配電室主電纜爆，原185mm的四心鋁心電纜2根爆了一根，工區(qū)為了及時恢復(fù)供電，將另一根好的電纜保留，并了兩根120mm的四心鋁心電纜進(jìn)行供電。在運行了10個月后2006年11月15日主電纜再次爆裂，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，185mm的電纜爆引發(fā)了此次事故。

為什么會發(fā)生此次事故呢，按照表一我們可以得出三根電纜并用得安全載流量是668A，使用鉗型電流表測得生活區(qū)得的最大負(fù)載電流只有500A，按照Iux≥Izmax的原則，這樣運行應(yīng)該是安全可靠的。但是，我們忽略了電纜是有電阻的，因為多并電纜連接時，連接處存在接觸電阻不同，而此接觸電阻又往往與電纜本身的電阻可比擬，其結(jié)果會造成多并電纜的電流分配不平衡，多并電纜的電流分配，是與電纜的阻抗有關(guān)的。

銅線界面粗略計算：S=IL/54.4U（S導(dǎo)線截面積平法毫米）

鋁線界面粗略計算：S=IL/34U

電阻計算

電纜的直流標(biāo)準(zhǔn)電阻可以按照下式進(jìn)行計算：

R20=ρ20（1 K1）（1 K2）/∏/4×dn×10

式中：R20——電纜在20℃時的支流標(biāo)準(zhǔn)電阻（Ω/km）

ρ20——導(dǎo)線的電阻率（20℃時）（Ω*mm/km）

d——每根心線的直徑（mm）

n——芯線數(shù)；

K1——芯線扭絞率，約0.02-0.03；

K2——多心電纜是的扭絞率，約0.01-0.02。

任一溫度下每千米長電纜實際交流電阻為：

R1=R20（1 a1）（1 K3）

式中：a1——電阻在t℃時的溫度系數(shù)；

K3——計及肌膚效應(yīng)及臨近效應(yīng)的系數(shù)，截面積為250mm以下時為0.01；1000 mm時為0.23-0.26。

電容計算

C=0.056Nεs/G

式中：C——電纜的電容（uF/km）

εs——相對介電系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)為3.5-3.7）

N——多心電纜的心數(shù)；

G——形狀系數(shù)。

電感計算

配電用的地下電纜，當(dāng)導(dǎo)體截面為圓形時，且忽略鎧裝及鉛包損失時，每根電纜的電感計算方法與導(dǎo)線相同。

L=0.4605㏒Dj/r 0.05u

LN=0.4605㏒DN/rN

式中：L——每根相線的電感（mH/km）

LN——中性線的電感（mH/km）；

DN——相線與中性線間的幾何距離（cm）；

rN——中性線的半徑（cm）；

DAN、DBN、DCN——各相線對中性線間的中心距離（cm）。

例證

測得工區(qū)2#生活變負(fù)荷電流為330A，現(xiàn)有電纜為120mm四芯銅芯電纜，查表一知其安全載流量為260A，電纜超載運行，存在不安全隱患，為了保證供電正常，我工區(qū)打算并另外一根電纜進(jìn)行分流，以保證正常供電。（以下提到的電纜都是指1KV，VV型鎧裝聚乙烯四心銅心電纜）。

如果按照安全載流量來看330A－260A=70A，我們只需要并一根載流量為70A的電纜在理論上就可以保證安全運行（理想情況下）。

按照電纜阻抗的計算方法，將16mm、25 mm、35 mm、50 mm、70 mm、95 mm、120 mm的阻抗值如表二：

表二 四芯銅芯電纜阻抗

按照上表我們可以計算出電纜的阻抗模，在不計并列電纜的接觸電阻的情況下，將并列電纜理解為兩阻抗并聯(lián)，計算出電流分配值。

當(dāng)然，兩條電纜平行敷設(shè)時，電纜的安全載流量會發(fā)生變化，兩條并用時，其安全載流量應(yīng)該為原載流量的0.92倍。

則此時120mm銅芯電纜的安全載流量為239A。25mm的為86A， 35mm的為109A，按照Iux≥Izmax的原則再并一根35mm的電纜就可安全運行。

為2#生活并一35mm的四心銅心電纜時：

︱Z35︱=0.534Ω

負(fù)載電流為330A，則I120=︱Z16︱/（︱Z16︱ ︱Z120︱）*330

得出 I120=253.19A；I16=76.81A

不難看出120mm的電纜還是在過流運行。