介绍一种超高层建筑内部供电用吊装电缆

[当前栏目：技术支持] [发布日期：2015-05-25]

    摘要：本文介绍了根据上海环球金融中心大楼内部供电设计要求，研究开发了一种全新的超高层建筑内部供电用10kV吊装电缆，叙述了吊装电缆的结构设计、部件组成与相关工艺、吊装电缆的特殊性能及其实际应用与前景。
    关键词：超高层建筑、吊装电缆、专用吊具、敷设安装

1 开发背景
    举世瞩目的上海环球金融中心是当今世界第一高楼，它是一幢超高层，超大型综合性建筑。大楼地下3层，地上101层，高度492米，建筑总面积为38万平方米。根据供电设计要求，整座大楼在B2F设计有35kV中央变电所一个，在B2F至90F之中的不同楼层分别设有10kV副变所16个，所有副变所用10kV进线电缆均必须采用低烟无卤A级阻燃电力电缆供电，且30F及以上层的副变所的进线电缆还必须是垂吊敷设安装，电缆应从B2F中变所经水平桥架敷设，再经垂直敷设，然后再经水平桥架敷设至副变所，电缆中间不应有过渡接头，水平段最长有350m，垂直段最长超过400m，垂直段因井道空间有限，无支架支撑电缆，必须垂吊安装。
    从上述供电设计方案可以看出，如今超高层建筑内部供电依据用电负荷中心，将变电所分布设计在大楼高层的不同位置，采用10kV电缆从底层高压变电所直供至楼层的副变，有效的减少了高层建筑物内部空间的占用，改变了过去仅靠低压供电系统的传统方式，大大缩短了低压电缆供电路径，降低了线路损耗，也改善了电源质量，可以确保大楼供电安全可靠性。
    为此，为上海环球金融中心供电系统设计开发了一种全新的超高层建筑内部供电用10kV吊装电缆。

2 吊装电缆的结构设计
    从上述供电方案、敷设路径、安装要求可以看出，该电缆结构设计至少应满足以下几点：
1)    电缆导体截面的选择应能满足用电负荷所需的载流能力，且应尽可能改善电缆导体的截流能力；
2)    由于电缆垂直敷设长达数百米而无支架支撑，因此电缆应尽可能减轻自重且具有足够的机械抗拉能力；
3)    电缆水平段长达300m以上，虽然桥架敷设，但大楼内部空间有限，桥架有连续直角转弯，要求电缆的弯曲性能非常好；
4)    电缆应具有低烟无卤高阻燃特性；
5)    电缆垂吊敷设仅靠电缆自身承受长达数百米电缆自重是不够的，必须配套相应的电缆专用吊具来承受电缆的重力；
6)    为减少供电不安全隐患，电缆经水平——垂直——水平敷设，中间不应有接头。
    根据以上原则，我们经充分比较分析，确定采用具有低烟无卤A级阻燃的单芯铜导体电缆，将其绞合成缆，并在垂直段位于三芯电缆绞合成缆的间隙分别添加具有低烟无卤阻燃性能且与电缆护套表面有良好接触的钢丝绳承载单元，再由承载单元连接电缆的专用吊具，将其吊装在电缆经垂直转向水平处的大楼楼层的建筑物上。
上述电缆结构设计：采用单芯电缆绞合成缆，在垂直段增加了钢丝绳承载单元，钢丝绳承载单元连接电缆专用吊具，因此，由电缆、承载单元、专用吊具三者构成了超高层建筑内部供电用吊装电缆。单芯电缆可以极大改善导体的载流能力，三芯电缆绞合可减少空间占用，改善电缆的弯曲性能，在垂直段增加了钢丝绳承载单元，可长期承载长达数百米电缆的自重，并能方便敷设吊装。

3 吊装电缆主要部件与工艺
    吊装电缆的导体与绝缘应该说与常规10kv交联聚乙烯绝缘电力电缆的绝缘线芯完全一致，由导体、导体屏蔽、XLPE绝缘、绝缘屏蔽、软铜带屏蔽组成，符合GB/T12706标准要求。
电缆要求有低烟无卤A 级阻燃性能，因此在铜带屏蔽层外需增加一层挤包的低烟无卤高阻燃隔氧层，然后在其外面再挤包低烟无卤材料外护套，确保电缆通过GB/T 18380.3规定的A类成束燃烧试验，GB/T 17651规定的烟密度试验，透光率不小于80%，GB/T 17650.2规定的无卤性能试验。
    承载单元选择经过防腐处理的特高强度钢丝绳，该钢丝绳至少每根需承受2倍以上垂直段电缆自重的拉力，并根据三芯电缆成缆间隙进行计算选择合适外径和强度的钢丝绳，钢丝绳外面应挤包与成缆间隙形状相似的具有低烟无卤阻燃性能的外保护层。
    三根承载单元与三根单芯电缆绞合于一体，外绕绑扎带，承载单元应与电缆护套有良好接触，以增加与电缆的静磨擦力。为确保承载单元有足够的安全系数，经设计计算，三根承载单元与专用吊具连接应能承受4倍以上垂直段电缆自重的拉力而不变形。
    专用吊具由于受安装空间的限制，应体积小、钢性好、强度高、与楼层方便安装就位、与三根承载单元方便连接、调整，为确保电缆长期安全运行，三根承载单元的受力应尽可能分布均匀，因此承载单元与吊具连接必须是张力可调，甚至实现运行过程中承载单元受力监控。
    吊装电缆的生产工艺。吊装电缆的生产工艺与常规电缆生产工艺大体相同，但需要有六盘成缆设备，在三芯电缆绞合成缆过程中应按电缆敷设实际需要水平段+垂直段+水平段的长度组织生产，其中在垂直段应添加事先成型的承载单元。
    承载单元与专用吊具的连接工艺。承载单元的钢丝绳与专用吊具的连接在国外通常采用压接方法，该方法简便、工艺成熟，但压接工艺容易损伤连接部位的钢丝绳强度。该项目采用浇铸连接工艺，浇铸连接工艺先将锚杯经探伤测试并加热处理，根据不同的合金材料在适宜的浇铸温度下将处理过的钢丝绳端头浇铸在锚杯口内，并对浇铸面施加一定的压力进行挤压密实。浇铸连接工艺，对钢丝绳不存在有损伤，合金材料结合力强，粘结强度可以超过钢丝绳本身强度，受拉力作用不存在滑脱现象，经试验单根承载单元承受180kN无变形，三根承载单元组合承受480kN也完全通过，满足该项目最大导体截面、最长电缆吊装的设计要求。

4 吊装电缆的性能考核与比较
    吊装电缆的性能除了具有交联聚乙烯绝缘电力电缆所拥有的性能外，还应具备以下性能考核：
1)    吊装电缆的热循环电气试验。截取适当长度的吊装电缆试品，对试品承载单元施加恒定拉力，并按标准GB/T12706.2-2002的第18.1.6条进行20次热循环试验，导体加热温度为90℃+5~10℃，在完成热循环试验后，对电缆试品再进行局部放电试验， 1.73U0下局部放电量不大于5pC。
2)    为满足超高层建筑对电缆消防要求，应对吊装电缆进行成束燃烧性能考核和烟密度试验，满足无卤、低烟和A类成束燃烧试验的阻燃性能。该电缆结构设计有隔氧层，可有效阻止电缆绝缘材料的燃烧，从而实现了较高的阻燃性能和燃烧透光率。
3)    为确保吊装电缆在敷设起吊过程中的安全，应对起吊环与电缆专用吊具相连接考核整体拉力试验。从吊装电缆试品中取适当长度的承载单元3根，按上述工艺要求将其固定在专用吊具上，对吊具起吊环与连接吊具的承载单元分别施加恒定拉力的4倍，目力观测起吊环与连接吊具及承截单元有无变形和拉脱现象。
4)    为确保吊装电缆安装后长期运行的可靠性，还应对吊具固定板与电缆专用吊具进行整体拉力试验。从吊装电缆试品中取适当长度的承载单元3根，按上述工艺要求将其固定在专用吊具上，对吊具固定板与连接吊具的承载单元分别施加恒定拉力的3倍，目力观测固定板与连接吊具及承载单元有无变形和拉脱现象。
    该项目设计的吊装电缆与传统的钢丝铠装电缆相比：相同导体截面，载流量要比钢丝铠装电缆要大，因此减少了因电缆铠装产生的磁损；电缆外径相比要小，电缆本体重量要轻，且易于弯曲；实现水平——垂直——水平一次完成敷设，电缆中间无接头，减少线路隐患；电缆吊装比较容易，安装方便。

5 吊装电缆的实际应用与前景
    为上海环球金融中心设计开发的超高层建筑内部供电用10kV吊装电缆，在上海电缆研究所、交通大学和相关试验检测机构的支持下，经过多次试验研究和专家评审论证，产品通过了全性能试验考核，于2005年由国内电缆行业与建筑行业的权威专家共同鉴定，一致认为研究开发的超高层建筑内部供电用10kV吊装电缆产品设计独特、结构合理，性能指标能满足工程要求；吊装电缆及其连接吊具能够满足超高层建筑内部供电垂直吊装施工和使用要求；产品性能达到了国际领先水平。并得到了上海环球金融中心的投资方与建设方的高度认同。因此获得该产品两项专利技术。
    现已生产第一批WDZA-DZ-YJY  6/10kV  3*（1*300）、WDZA-DZ-YJY  6/10kV  3*（1*400）吊装电缆交付上海环球金融中心，在上海环球金融中心建设方的精心准备和组织下，已顺利实现吊装敷设。在如此高的大楼，经过地下水平段、垂直段、高层水平段安装，在国内建筑垂吊敷设施工中尚属首次，即便在国外对吊装电缆超高层垂直吊装敷设中也无先例，目前电缆吊装敷设情况一切正常。现正在按上海环球金融中心的要求生产供货第二批吊装电缆。
    研究开发的超高层建筑内部供电用10KV吊装电缆完全可替代传统的钢丝铠装电力电缆，可承受较大拉力，能有效降低铠装钢丝造成的损耗，增大电缆载流能力。完全可以用于百米以上高层建筑内部供电系统，达到改善高层建筑内部供电质量，大大减少低压电缆和缩小低压电缆供电半径，减少电缆占用空间，敷设安装方便。该电缆还可以用于矿山开采竖井垂直敷设，可有效减少电缆接头及安装固定设施。

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