500 kV電纜的選型

盧永魁， 于　青， 鄔　楠， 尹曉東（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎|濟(jì)南250013）

500 kV電纜的選型

盧永魁， 于青， 鄔楠， 尹曉東
（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎|濟(jì)南250013）

根據(jù)500 kV電纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)電纜的絕緣類型、導(dǎo)體截面、阻水結(jié)構(gòu)、金屬套及外護(hù)套進(jìn)行介紹，并闡述了選型的依據(jù)和原則，選擇出適合工程要求的電纜。

500 kV電纜；阻水結(jié)構(gòu)；金屬套；外護(hù)套

0　引 言

社會(huì)的快速發(fā)展要求電力負(fù)荷越來越大，電壓等級(jí)越來越高。為解決電力大容量傳輸與空間場(chǎng)地的矛盾，超高壓電纜的應(yīng)用越來越廣泛。隨著國(guó)內(nèi)電纜行業(yè)的發(fā)展、電纜廠家技術(shù)的成熟以及電纜價(jià)格的趨于合理，500 kV電纜已不再被國(guó)外電纜廠家所壟斷，原本只在少數(shù)水電廠和電網(wǎng)輸電線路中采用［1-8］，如今在火力發(fā)電工程中的應(yīng)用也日益增多。XY火力發(fā)電廠建設(shè)3臺(tái)容量為660 MW的燃煤機(jī)組，每臺(tái)主變至升壓站之間采用國(guó)產(chǎn)單芯800 mm2的500 kV交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣皺紋鋁護(hù)套電纜連接，產(chǎn)品型號(hào)為ZC-YJLW03-Z-290/500 kV 1×800 mm2，單根長(zhǎng)度達(dá)900 m，布置在獨(dú)立的電纜隧道內(nèi)。本文以XY電廠為例，從電纜的結(jié)構(gòu)入手，闡述電纜各結(jié)構(gòu)部件的特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)的角度對(duì)500 kV電纜的選型進(jìn)行了探討，以便選擇出適合工程要求的電纜。

1　絕緣類型

500 kV電纜現(xiàn)主要有充油電纜和XLPE絕緣電纜兩種形式。充油電纜制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，可靠性高，但其敷設(shè)和安裝過程較復(fù)雜，容易受敷設(shè)高差的限制，且維護(hù)成本比較高，現(xiàn)已基本被XLPE絕緣電纜所取代。與充油電纜相比，XLPE絕緣電纜具有無油化的特點(diǎn)，防火性能好，電氣和機(jī)械性能優(yōu)良，施工和維護(hù)便利，得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本工程選擇500 kV XLPE絕緣電纜。

2　導(dǎo)體截面

考慮到500 kV電纜可靠性和技術(shù)性能的要求，電纜導(dǎo)體采用銅導(dǎo)體。其截面的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面［9-10］：

（1）最大工作電流作用下及最大短路電流和短路時(shí)間作用下的電纜導(dǎo)體溫度，不得超過電纜使用壽命的允許值。XLPE絕緣電纜工作狀態(tài)下的最高允許溫度為90℃，短路暫態(tài)下的最高允許溫度為250℃。

（2）電纜導(dǎo)體最小截面應(yīng)滿足系統(tǒng)最大短路電流時(shí)熱穩(wěn)定的要求。

（3）在電纜敷設(shè)安裝和運(yùn)行過程中受到的機(jī)械負(fù)荷。

（4）絕緣中的電場(chǎng)強(qiáng)度。

2.1 電纜的載流量計(jì)算

根據(jù)IEC 60287，電纜載流量的計(jì)算如下［11］：

式中：I為載流量（A）；Δθ為導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度之差（℃）；R為90℃時(shí)導(dǎo)體交流電阻（Ω/m）；n為電纜中載流導(dǎo)體數(shù)量；Wd為絕緣介質(zhì)損耗（W/m）；λ1為護(hù)套和屏蔽損耗因數(shù)；λ2為金屬鎧裝損耗因數(shù)；T1為導(dǎo)體與金屬護(hù)套間絕緣層熱阻（K·m/W）；T2為金屬護(hù)套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻（K·m/W）；T3為電纜外護(hù)層熱阻（K·m/W）；T4為電纜表面與周圍媒介之間熱阻（K·m/W）。

根據(jù)傳輸容量的要求，本工程500 kV電纜的載流量應(yīng)不小于935 A，電纜敷設(shè)在自然通風(fēng)的隧道內(nèi)，環(huán)境溫度按照45℃考慮，三相電纜垂直排列，相間距400 mm，初步選擇電纜的截面為800 mm2，將相關(guān)參數(shù)代入到式（1），得到電纜的載流量為1190 A，故截面的選擇滿足工程載流量的要求。

2.2 電纜導(dǎo)體的短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)

根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50217附錄E［11］，按短路熱穩(wěn)定條件計(jì)算電纜導(dǎo)體允許的最小截面如下：

式中：S為電纜導(dǎo)體截面（mm2）；j為熱工當(dāng)量系數(shù)，取1.0；q為電纜導(dǎo)體的單位體積熱容量（J/cm3·℃），銅芯取3.4；θm為短路作用時(shí)間內(nèi)電纜纜芯允許最高溫度（℃），取250℃；θP為短路發(fā)生前的纜芯最高溫度（℃）；θH為電纜額定負(fù)荷的纜芯最高溫度（℃），取90℃；θ0為電纜所處的環(huán)境溫度最高值（℃），取45℃；IH為電纜的額定負(fù)荷電流（A）；IP為電纜實(shí)際最大工作電流（A）；I為系統(tǒng)電源供給短路電流的周期分量起始有效值（A），取63 000 A；α為20℃時(shí)纜芯導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)（1/℃），銅芯為0.00 393；ρ為20℃時(shí)纜芯導(dǎo)體的電阻系數(shù)（Ω·cm），銅芯為0.0 184×10-4；η為計(jì)入包含電纜芯線填充物熱容影響的校正系數(shù)，取1；K為纜芯導(dǎo)體的交流電阻與直流電阻的比值；t為短路持續(xù)時(shí)間（s），取2s。將以上參數(shù)代入到式（2）～式（4）后，得到電纜的短路熱穩(wěn)定截面S為646.44 mm2，故800 mm2的電纜截面滿足短路熱穩(wěn)定的要求。

3　阻水結(jié)構(gòu)

當(dāng)電纜安裝于地下、易積水的隧道中時(shí)，電纜應(yīng)具有徑向不透水阻隔層［12］。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，采用皺紋鋁套作為徑向不透水阻隔層。此外，由于隧道內(nèi)按照最嚴(yán)重的情況，即長(zhǎng)期積水來考慮，為避免在接觸水的環(huán)境中損傷而需要更換大段電纜，電纜也采用了縱向阻水結(jié)構(gòu)。其采用半導(dǎo)電阻水膨脹帶繞包而成，為保證半導(dǎo)電阻水帶能繞包緊密、平整，免受皺紋鋁套間隙的影響而產(chǎn)生電暈放電，在繞包外增加銅絲屏蔽帶。

4　金屬套

4.1 金屬套的結(jié)構(gòu)

金屬套需根據(jù)徑向防水、承受機(jī)械拉力和壓力的要求來選擇其形式。金屬套的基本形式有鉛套、皺紋鋁套、鋁（銅）塑復(fù)合套、不銹鋼套和銅套［13］，其各自的特點(diǎn)如下：

（1）鉛套耐腐蝕性較強(qiáng)，主要用在腐蝕性較強(qiáng)的場(chǎng)所，鉛的熔點(diǎn)低，易于加工，在制造過程中不會(huì)使電纜絕緣過熱，化學(xué)穩(wěn)定性好、柔軟，不影響電纜可變曲性；但其機(jī)械強(qiáng)度低，易受外力損傷，比重大，有較大的蠕動(dòng)性和疲勞龜裂性，會(huì)導(dǎo)致鉛包龜裂受潮，造成故障。

（2）皺紋鋁套重量輕、強(qiáng)度高、安裝性能好，能承受較大的拉力和壓力，各種敷設(shè)條件均適用，抗干擾性能好；但其欠柔軟，不便彎曲，耐腐蝕性比鉛差。

（3）鋁（銅）塑復(fù)合套重量輕，適合于高落差敷設(shè)的電纜，但不能承受過大拉力和壓力。

（4）當(dāng)電纜載流量特別大時(shí)，為減少金屬套的損耗可采用不銹鋼套或銅套。

本工程高壓電纜布置在隧道中，空氣中敷設(shè)，考慮到隧道的轉(zhuǎn)彎較多，需要保證電纜在彎曲時(shí)的強(qiáng)度等因素，故金屬套選擇皺紋鋁套。

4.2 金屬套的短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)

金屬套的截面應(yīng)滿足單相或三相短路故障時(shí)短路容量的要求。導(dǎo)體截面為800 mm2的500 kV電纜，皺紋鋁套的標(biāo)稱厚度為2.9 mm，本工程短路電流為63 kA/2s，需校驗(yàn)其短路熱穩(wěn)定。

根據(jù)IEC 60949［14］，金屬套絕熱情況下的短路電流為：式中：IAD為在絕熱情況下的短路電流（A）；t為短路持續(xù)時(shí)間（s），取2 s；K為取決于載流體材料的常數(shù)（As1/2/mm2），取148；θf為最終溫度（℃），取200℃；θi為起始溫度（℃），取60℃；β為0℃時(shí)載流體電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)（K），取228；S為金屬套的幾何截面（mm2），為1 175 mm2。將以上參數(shù)代入式（5）中得到絕熱下的短路電流為77 397 A。

非絕熱情況下的短路電流為：式中：I為非絕熱下的允許短路電流；ε為非絕熱因數(shù)，取1.07；M為計(jì)算因數(shù)；σ2、σ3為金屬套層四周媒質(zhì)的比熱（J/K·m3）；ρ2、ρ3為金屬套層四周媒質(zhì)的熱阻（K·m/W）；σ1為金屬套的比熱（J/K·m3）；δ為金屬套的厚度（mm）；F為常數(shù)，取0.7。

將式（5）、式（7）、式（8）的計(jì)算結(jié)果代入到式（6）中，得到非絕熱下的短路電流值為82 880 A，滿足本工程的要求。

5　外護(hù)套

外護(hù)套應(yīng)采用耐熱性能良好的絕緣型聚氯乙烯（PVC）或聚乙烯（PE）。一般敷設(shè)條件下可選用PVC護(hù)套，對(duì)直埋、穿管、地下水位較高和低溫下敷設(shè)的電纜，宜采用PE外護(hù)套。考慮到本工程電纜隧道的拐彎比較多，施工方案復(fù)雜，并且隧道可能存在積水的情況，故采用耐磨和阻水能力更強(qiáng)的PE外護(hù)套，其低毒阻燃的性能也更符合隧道中的防火要求。此外，為滿足外護(hù)套耐壓試驗(yàn)的要求，外護(hù)套表面應(yīng)有均勻牢固的導(dǎo)電層。

6　結(jié)束語

目前國(guó)內(nèi)火電廠中采用500 kV電纜的項(xiàng)目比較少，設(shè)計(jì)人員對(duì)500 kV電纜的認(rèn)知度較低，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)具有一定的局限性。隨著國(guó)內(nèi)超高壓電纜性能的提高，500 kV電纜的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)越來越廣泛。

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［3］ 俞 鵬，賈 欣，李 勇.官地水電站500 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜工程設(shè)［C］//2013年電氣學(xué)術(shù)交流會(huì)議論文集，2013：147-154.

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［11］ IEC 60287：2006 E1ectric cab1e-Ca1cu1ation of the current rating［S］.

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［13］ DL/T 5228—2005 水力發(fā)電廠交流110 kV～500 kV電力電纜工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［14］ IEC 60949：Ed.1.0 b：1988 Ca1cu1ation of therma11y Permissib1e short-circuit currents，taking into account non-adiabatic heating effects［S］.

TyPe Selection of 500kV Cable

LU Yong-kui，YU Qing，WU Nan，YIN Xiao-dong
（Shandong E1ectric Power Engineering Consu1ting Institute CorP.，Ltd.，Jinan 250013，China）

According to the characteristic structure of 500kV cab1e，this PaPer introduces the insu1ation tyPe，conductor section，water b1ocking structure，meta11ic sheath and oversheath，and ana1yses the basis and PrinciP1e of cab1e tyPe se1ection which satisfied the Project requirements.

500 kV cab1e；water b1ocking structure；meta11ic sheath；oversheath

TM 247.1

A

1672-6901（2016）03-0044-03

2015-09-08

盧永魁（1984-），男，工程師.

作者地址：山東濟(jì)南市閔子騫路106號(hào)［250013］.