500kV國產XLPE電纜選型及應用實踐

楊 東

（國家能源集團大渡河大崗山水電開發有限公司，四川省雅安市 625000）

0 引言

500kV電纜于1975年在日本問世，500kV XLPE電纜1998年最早出現在日本今市電站與下鄉電站安裝，與XLPE電纜配套的還有插入全封閉組合電器電纜終端[1]。很長一段時間，500kV XLPE電纜本體及附件主要依賴進口。繼500kV XLPE電纜在廣西龍灘水電站國產化成功應用，打破了該設備被國外制造廠家長期壟斷的局面，大崗山水電站采用全國產的500kV XLPE電纜本體及附件，加速了高端電氣設備國產化進程[2]。

大崗山電站共裝設四臺混流式水輪發電機組，單機容量650MW，總裝機容量2600MW，是國家能源集團單機容量最大的水輪發電機組。發電機與主變壓器組成單元接線，主變壓器布置在地下主變壓器洞室內，500kV XLPE電纜通過2個高差為185m的電纜豎井引出到地面開關站，接入SF6氣體絕緣全封閉組合電器。大崗山水電站共12條高壓電纜，總長度為11000m單相，最長一根電纜的長度約為950m單相，每根電纜是單相整根，中間不設任何接頭。500kV XLPE電纜由河北新寶豐生產，電纜終端由江蘇安靠提供，如圖1所示。

1 電纜本體選型

1.1 導體

電纜導體采用五分割結構，采用無氧銅， 分割結構導體間采用半導電性化合物纖維層。電纜導體截面1000mm2， 單絲根數為185根，股塊單絲根數37根，單絲直徑2.87mm。通過額定電流時導體溫度不大于62℃，如圖2所示。

圖1 XLPE電纜系統示意圖Figure 1 XLPE cable system diagram

圖2 XLPE電纜結構Figure 2 XLPE cable structure

電流流過導體線芯，會造成溫度升高。當電纜絕緣溫度過高時將縮短電纜壽命、加速絕緣老化，甚至發生擊穿事故。電纜載流量是指電纜在正常運行期間，其不超過額定溫度時所能承載的最大電流[3]。為最大限度地減輕因肌膚效應導體交流電阻增大，有效減小導體的發熱損耗，增加導體的載流量，將大截面的導體分割成幾塊彼此絕緣的分割導體。

IEC60287標準電纜載流量計算公式是根據電力電纜穩態運行時所形成熱物理溫度場，通過微分方程式計算而得[4]。

大崗山水電站500kV電纜整體布置采用水平蛇行布置方式，電纜在出線平洞內采用品字形布置即為等邊三角形。按電纜在隧道中平行排列、相間中心距350mm為例，額定電壓U=500kV，電纜截面A=1000mm2，則

式中θc——線芯溫度，90℃；

θo——環境溫度，40℃；

wi——單位長度（cm）電纜絕緣層介質損耗，0.0172W/cm；

T1——電纜絕緣層的熱阻，59.66TΩcm；

T2——內襯墊的熱阻，21.75TΩcm；

T3——外護層的熱阻，7.59TΩcm；

T4——環境的熱阻，29.68TΩcm；

R——電纜線芯的直流電阻值；

λ1——電纜金屬護套的損耗系數，等邊三角形敷設0.153，平行敷設0.303；

λ2——電纜鎧裝層的損耗系數，電纜不帶鎧裝層，取0。

電纜最大負載電流1251A，系統的額定電流約等于電纜載流能力64%，所以該截面能很好滿足系統的要求。

1.2 絕緣層

500kV XLPE電纜介質損耗較低，傳輸容量較大，適合于高落差敷設。絕緣層由一層采用特超凈交聯聚乙烯（XLPE）材料的擠包絕緣組成。絕緣層的標稱厚度為34mm。絕緣層是電纜的主絕緣，具有優良的電氣性能，耐電強度高。絕緣層和內、外半導電層緊密接合，排除了氣隙，消除或減少了局部放電量，提高了電纜整體絕緣水平。

以雷電沖擊電壓確定絕緣厚度：

式中timp——由雷電沖擊電壓決定的絕緣厚度，mm；

Vimp——電纜承受的雷電沖擊電壓，取值1675kV；

Eimp——最低雷電沖擊電壓破壞強度，取值80kV/mm；

——老化系數，取值1.1；

——溫度系數，取值1.25；

——安全系數，取值1.1。

按上述計算，500kV 1000mm2交聯電纜的絕緣厚度應不低于31.67mm，選用的電纜絕緣層標稱厚度為34mm，最小厚度為32.6mm，大于31.67mm，滿足設計要求。

1.3 接地回流線

根據DL/T 5228—2005《水力發電廠交流110-500kV電纜工程設計規范》，電纜金屬護套接地原則采用一端直接接地，一端通過金屬護層保護器接地。護層保護器按《護層保護器選擇計算書》的計算結果選擇，直接接地端設置在與架空線連接的GIS開關端。同時敷設回流線，降低電纜金屬套感應電壓和工頻過電壓，抑制對鄰近的控制或通信電纜的感應干擾強度[5]。

大崗山水電站500kV電纜整體布置采用水平蛇行布置方式，電纜在出線平洞內采用品字形布置即為等邊三角形，回流線布置在三角形的中心位置。回流線導線的導體材質為銅，截面積500mm2，絕緣水平應與外護套相同，電纜每段的水平段和豎井段按照三七開布置，并在中點交叉換位，如圖3所示。

圖3 交叉互聯接地示意圖Figure 3 Cross interconnection grounding diagram

2 電纜附件選型

2.1 電纜終端

電纜終端采用江蘇安靠生產的500kV 硅橡膠預制應力錐電纜終端，如圖4所示，終端與500kV GIS相連，對終端的電氣特性要求與電力電纜本體相同，主變壓器側（地下廠房端）的電纜終端為水平布置，GIS側（地面廠房端）的電纜終端為垂直布置。終端內的電場強度由硅橡膠應力錐控制，終端采取嚴密的密封措施，保證在GIS的最高氣壓下沒有任何泄漏，能承受各種運行工況下產生的壓力差。

圖4 硅橡膠預制應力錐Figure 4 Silicone rubber prefabricated stress cone

終端與GIS連接處設有一段可拆卸短段，并在外殼上預留手孔以便于拆卸，以利于電纜和GIS分開進行各項試驗。為防止GIS設備外殼的感應電流傳入電力電纜的金屬套，GIS型電纜終端與GIS外殼連接處安裝有絕緣法蘭，并設有絕緣法蘭保護器。絕緣法蘭的絕緣水平與電纜外護套的絕緣水平一致。

2.2 電纜測溫裝置

電纜測溫裝置采用上海波匯提供的分布式光纖測溫系統，利用敷設在高壓電纜表面的光纖作為溫感傳感器，被測電纜各個位置的溫度信號以光波的形式傳回光纖端部，通過裝置最終將信號提取并在電腦中顯示出來，光纖測溫只需一根或幾根光纖就可以監測數公里的電力電纜設備。分布式光纖除可以監測電纜縱向沿線溫度分布，發現電纜整體的過熱故障及電纜的局部溫度升高，能對溫度異常情況準確迅速進行報警[6]。

分布式光纖測溫系統測溫的光纜采用Sensor-T類型，Sensor-T是一個內部62.5/125μm多模光纖，外部為低煙無鹵，阻燃型熱塑材料，選用2臺4km 2通道的光纖測溫主機，分別進行4回A/B/C三相電纜的監測，每回路A/B/C三相使用1個通道進行測量；并將監測到的溫度通過TCP/IP傳輸給光纖測溫上位機，在上位機軟件上查看分布式溫度信息，上位機在接收到實時載流量的后，進一步進行動態載流量的計算，測得電纜纜芯溫度，如圖5所示。

2.3 電纜金屬套接地電流在線監測系統

圖5 分布式光纖測溫系統示意圖Figure 5 Schematic diagram of distributed optical fiber temperature measurement system

高壓電纜正常運行時，電纜金屬護層的直接接地端也有電流存在。該電流包含兩部分：一是電纜線芯導體與電纜金屬護層之間存在電容，當導體加高壓后，在導體和金屬護層之間形成電容電流，該電流通過金屬護層的直接接地端流入大地。二是長線路交叉互聯，由于三相負荷不可能完全一致、三相電纜長度不可能完全相等、空間位置也不可能完全對稱，三相金屬護層上的感應電壓交叉互聯后不可能完全抵消，在金屬護套之間就會形成環流[7]。

高壓電纜金屬套接地電流在線監測系統主要由采集裝置、通信設備和上位軟件系統三部分組成。采集裝置由電流傳感器和電流變送器組成。電流互感器安裝在電纜金屬套接地線上，通過電磁感應獲取接地線上的電流，并將該電流通過變送器后傳遞至金屬套多點接地監測主機，在主機軟件上可反映電纜金屬套接地電流情況。電流互感器型式電流比100：1，輸出電流：0～5A，如圖6所示。

圖6 電纜金屬套接地電流在線監測系統示意圖Figure 6 Schematic diagram of on-line monitoring system for grounding current of cable metal sleeve

3 安裝施工情況

大崗山水電站高壓電纜線路長、落差大，現場制作24套電纜終端，地下12套主變壓器SF6終端為水平布置、地面12套GIS側SF6終端為垂直布置。

高壓電纜敷設時，在隧道彎角處、豎井上下口位置，分別安裝套滾組，保證電纜敷設時的彎曲半徑大于電纜外徑的20倍，必需牢固、安全可靠；纜盤處安裝牽引卷揚機，輔助電纜解盤牽引及電纜尾部牽引保險。按敷設設備布置圖水平隧道內布置20臺敷纜機，豎井內用專業固定架固定布置10臺敷纜機；豎井內未安裝敷纜機在檢修平臺全部安裝四方滾輪，防止電纜與豎井壁摩擦損壞；沿電纜敷設路徑每5～6m布置直滑車，防止電纜與地面摩擦損傷；沿電纜敷設路徑水平彎曲位置根據現場情況安裝轉彎滾輪，必須牢固可靠用以約束電纜防止電纜不按設想線路前進。

高壓電纜終端制作是安裝電纜最關鍵的一個步驟，對安裝的環境要求很高，灰塵小于20CPM（注1CPM=0.01mg/m3），濕度小于60%。在電纜頭制作的位置處，需要搭設臨時的電纜終端制作棚，在電纜制作棚內安裝充足照明，安裝除濕機，使棚內濕度達到小于60%的要求，搭設電纜終端制作棚時要滿足電纜安全可靠、制作方便、空間適中的要求。

由于500kV電纜的特殊性，其耐壓試驗需和GIS設備一同進行，試驗設備的容量要足夠，可采用單相試驗的方式逐相地將試驗電壓加在 A、B、C相線端分相進行試驗，一相加壓時另外兩相要可靠接地，耐壓試驗采用高壓變頻串聯諧振裝置作為交流發生器，試驗電壓通過水電站出線場的戶外套管施加加壓。

500kV XLPE電纜投入運行后，要定期進行巡視，主要內容有：檢查電纜表面是否因發熱發生色變，有無凸起氣泡、龜裂等缺陷；定期用測溫儀器對電纜卡具、電纜鋼支架、電纜表面及其環境溫度進行測試；定期對高壓電纜的回流線進行電流測試；定期對電纜表面（金屬套上）的感應電壓進行測試；定期對電纜表面進行衛生清掃，保持整潔度；電纜廊道內不漏水、不滲水，電纜表面有無雜物。

4 結論

大崗山水電站500kV國產XLPE電纜及附件自2015年投運以來，電纜接地電流、表面溫度、感應電壓等運行參數良好，國產高壓電力電纜的各項指標滿足設計要求，為振興民族工業和趕超國際先進水平做出了貢獻，對提高我國電網的安全運行具有重要意義。

高壓電力電纜是輸變電系統中不可缺少的組成部分，XLPE電纜采用交聯聚乙烯作為主絕緣材料，其優點在于良好的耐熱性和電氣性能，結構簡單、工作溫度高、敷設高差不限、輸電損耗小、安裝和維護簡單，近年來，使用量急劇增加。

500 kV XLPE 電纜在線監測除接地電流監測、溫度監測外，對主絕緣還沒有有效的監測手段，須進一步研究高壓電纜在線監測方法，提高電纜運行安全可靠性水平[8]。