杜默 雷鳴 吳越文

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050）

0.引言

電纜過(guò)橋技術(shù)是當(dāng)前電網(wǎng)規(guī)劃采用的重要手段，先后在楊浦大橋、東海大橋、東平大橋、上海長(zhǎng)江大橋成功搭載了110kV、220kV 高壓電纜[1]。而針對(duì)高壓電纜—鋼橋梁體系（簡(jiǎn)稱HSS）相關(guān)的分析與研究較少，已知有220kV 高壓電纜水平“一字形”敷設(shè)對(duì)已實(shí)施工程案例鋼桁梁橋體的研究，并結(jié)合有限元建模，綜合研究了磁滯、渦流等效應(yīng)影響，最后基于仿真參數(shù)分析了HSS 系統(tǒng)的溫升及感應(yīng)電流洛倫茲力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁及附屬的影響。本文從“品字形”[2]電纜敷設(shè)角度，補(bǔ)充研究對(duì)鋼桁混合梁的影響。

1.建立HSS 仿真模型

本文建立的HSS 仿真模型與現(xiàn)有研究有所區(qū)別，現(xiàn)有研究通常針對(duì)常規(guī)鋼桁梁，本實(shí)驗(yàn)以鋼桁混合梁為研究對(duì)象。相比常規(guī)鋼桁梁，混合梁在上層橋面大型橫向連接鋼結(jié)構(gòu)更多，由此帶來(lái)的磁滯、渦流等效應(yīng)會(huì)更加顯著，因此有必要進(jìn)一步研究。

在對(duì)高壓電纜—鋼桁混合梁體系（仍稱HSS）的有限元建模中，它仍為周期重復(fù)結(jié)構(gòu)，故亦搭建標(biāo)準(zhǔn)單元模型來(lái)分析。

實(shí) 驗(yàn) 中 采 用2500mm2的ZC-YJLW03-Z 127/220kV型電纜，空氣中的載流量為2249A。

2.鋼桁混合梁橋體的模型電磁場(chǎng)分析

根據(jù)Maxwell 方程組推導(dǎo)，在有電流密度的區(qū)域（包括渦流區(qū)域），可采用直接計(jì)算的方法：

該工程敷設(shè)的220kV 電纜采用銅芯鋁護(hù)套交聯(lián)聚乙烯電纜，當(dāng)交流電流流過(guò)電纜時(shí)，電纜周圍變化的磁場(chǎng)會(huì)在外部導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出電流。電纜接觸支架采用的不銹鋼，渦流損耗??；電纜吊架和鋼桁梁結(jié)構(gòu)使用的Q370qd 鋼材為軟磁材料，其磁滯回線形狀細(xì)長(zhǎng)、包圍面積較小，磁滯損耗相對(duì)較小。因此鋼桁和吊架的損耗以渦損為主[3]。

渦流損耗如下：

磁滯損耗為：

圖1 橋體斷面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況（I=2249A）

圖1 可看出，由于電纜支架材質(zhì)為不銹鋼材質(zhì)，其相對(duì)磁導(dǎo)率接近于1，故盡管其最靠近電纜，磁感應(yīng)強(qiáng)度卻不高，相應(yīng)地感應(yīng)渦流不大，渦流損耗較低[4]。另外，該材質(zhì)不具備磁滯效應(yīng)，也避免了磁滯損耗的產(chǎn)生。而電纜吊架和鋼桁梁均為Q370qd 材質(zhì)，且吊架和路面靠近吊架部分的桁架構(gòu)成閉合磁路，感應(yīng)磁場(chǎng)較為集中。

3.電纜不同相序排列方式的影響分析

不同的電纜布置方式（敷設(shè)方式、同回路相線的排列方式）產(chǎn)生磁場(chǎng)分布差異甚大。通過(guò)對(duì)差異進(jìn)行分析，找到對(duì)外影響最大的情形，從而確定鋼梁的風(fēng)險(xiǎn)部位。另外，如圖2 所示，隨著電流的不斷增大，鐵磁材料上的磁感應(yīng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流密度也隨之不斷增大。為了對(duì)極端情況進(jìn)行分析，本節(jié)分析中電纜中的載流量均選取空氣中最大載流量2249A，上下層電纜各相排列方式如表1 所示。

表1 電纜相序排列布置示意

收稿日期：2020-10-08

作者簡(jiǎn)介：杜默（1987—），男，湖北襄陽(yáng)人，碩士，工程師（中級(jí)），研究方向：橋隧機(jī)電系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等科研、設(shè)計(jì)。

在梁斷面上以路中心為X 軸零點(diǎn)，在向電纜所在側(cè)路邊延伸的線段上測(cè)量磁場(chǎng)的分布情況。

圖2 不同相序排列下HSS單元損耗

仿真“品字形”敷設(shè)的6 種相序排列方式下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，單元模型的損耗對(duì)比如圖2。品字形敷設(shè)同回路電纜各相線在空間上分布對(duì)稱，各相線產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)相互抵消。布置方式1 由于上下兩回電纜的相序排列方式一致，因此對(duì)于外界來(lái)說(shuō)是由兩個(gè)相同的電磁場(chǎng)源共同作用，而其他布置方式則當(dāng)相于兩個(gè)有一定相角差的電磁場(chǎng)源共同作用，因此對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)會(huì)相互抵消。體現(xiàn)在損耗上即為布置方式1 的損耗最大。

4.感應(yīng)電流對(duì)HSS 影響

4.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖3 鋼桁混合梁?jiǎn)卧鸥袘?yīng)強(qiáng)度分布

如圖3 所示，由于鋼桁混合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)更為聚集，從一側(cè)電纜吊桿進(jìn)入鋼桁梁部分的磁場(chǎng)，大部分被底板和腹板的加勁肋聚集，從另一側(cè)吊桿回流回至吊架。

4.2 渦流、磁滯損耗及溫升影響

圖4 鋼桁混合梁渦流損耗分布

根據(jù)圖4 仿真結(jié)果，極端場(chǎng)景下鋼桁梁和電纜吊架的磁滯損耗分布情況如下：

表2 鋼桁梁和電纜吊架的平均損耗

利用ANSYS 的多物理耦合場(chǎng)仿真損耗引起的溫升分布情況如圖5 所示。

圖5 損耗引起的溫升分布情況

在滿足對(duì)流和輻射邊界條件下[5]，計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)外表面的模擬溫升情況，最大溫升值僅為0.088℃，該影響對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言基本可以忽略。

4.3 磁場(chǎng)力影響

根據(jù)電磁場(chǎng)在整個(gè)鋼桁混合梁體系的分布情況，可以得出電纜吊架所受電磁場(chǎng)影響最大，結(jié)合洛倫茲力定律，分別計(jì)算渦流場(chǎng)中電纜吊架所受的時(shí)間平均直流力FDC、交流力FAC 和瞬時(shí)力FINST，其表達(dá)式為：

表3 電纜橋架的感應(yīng)受力情況

電纜吊架的平均感應(yīng)受力情況如表3 所示，以《鋼制電纜橋架工程技術(shù)規(guī)程》[6]中對(duì)電纜支架的強(qiáng)度有相關(guān)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)，電纜吊架荷載標(biāo)準(zhǔn)均遠(yuǎn)大于感應(yīng)力，因此感應(yīng)力對(duì)吊架的影響亦可忽略。

5.結(jié)語(yǔ)

在鋼桁混合梁按“品字形”敷設(shè)大截面220kV 高壓電纜時(shí)，即便在極端場(chǎng)景下，電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的磁滯損耗、渦流損耗及其所帶來(lái)的溫升和受力影響均微乎其微，HSS 兼容性良好。與“一字形”敷設(shè)相比，盡管電磁環(huán)境更不利，卻得到更好的指標(biāo)，也印證了“品字形”敷設(shè)的確實(shí)具備更好的優(yōu)越性。

對(duì)橋梁工程意義而言，“品字形”敷設(shè)顯著優(yōu)勢(shì)是縮小了橫向空間占用，節(jié)省寶貴的橋上空間。當(dāng)然，選擇何種敷設(shè)型式實(shí)際還受限于綜合荷載、橋區(qū)環(huán)境乃至敷設(shè)難度等一系列控制因素，需要更加周全的綜合評(píng)價(jià)。