500 kV高壓單芯電纜并聯運行關鍵技術研究

白亦斕，涂 揚，李珊珊，李龍才，鄒家勇，周 特

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司, 四川 成都 610021；2. 國網重慶市電力公司建設分公司，重慶 401121)

0 引 言

近年，國內各大城市范圍內涌現出地下或半地下變電站[1-2]，城市地下/半地下變電站線路走廊狹窄，尤其是220 kV及以上高壓線路出線條件更為艱難。因此，城市變電站多采用高壓電纜出線替代傳統架空線出線方式[3]。隨著用電負荷的持續上升，為滿足線路輸送能力的要求，在實際工程設計中，通常采取單相多根高壓單芯電纜并聯的運行方式[4]。而在實際運行中，發現同溝平行敷設的多回電纜相互之間電磁耦合關系較強，導致并聯運行的同相電纜線路中各分支電流并不相等，存在嚴重不平衡[5-6]，甚至出現了因電流分配不均勻使并聯電纜過熱擊穿的嚴重事故[7-8]。因此針對單芯高壓電纜并聯運行研究其載流平衡措施，可大幅提高并聯電纜的傳輸能力，延長并聯電纜的壽命周期，顯著提升輸電系統供電可靠性。

文獻[7]和文獻[8]分別報道了電纜并聯運行帶來的絕緣擊穿問題，并對電纜并聯運行帶來的通流不平衡進行了定性分析；但沒有對電纜并聯運行方式下序阻抗參數的分布等問題進行全面和深入的理論分析。文獻[9-10]揭示了同相電纜并聯運行方式下基于矩陣變化的序阻抗參數，但理論分析與電纜布置方案缺乏有效結合，僅通過有限元仿真驗證了電纜“品”字形布置方式較常規平行敷設的電流均分效果更優。文獻[11]在“品”字形布置方式優點的基礎上結合水平交叉布置，提出了優化后的“水平交叉-品字形”復合式敷設方式，電流的不平衡分布得到明顯改善。

下面針對高壓單芯電纜同相并聯運行方式，以“導線-大地”回路參數計算為基礎，根據多回電纜線路序阻抗參數計算方法，結合理論分析得出并聯電纜“鏡像”布置時電流均分效果最優的結論，并通過有限元計算驗證了采用所提“鏡像”布置方案可實現電纜并聯運行電流均分效果最優。

1 同相多根電纜并聯運行拓撲分析

采用每相n根并聯的單芯電纜等效電路拓撲見圖1。對圖1中所示并聯電路而言，電源內阻抗值以及負載側等效阻抗值可認為遠超電纜阻抗值，因此，當系統運行于工頻電壓時，可近似認為負載側阻抗決定著回路電流的幅值、相位。因此相電流IA、IB、IC由系統相電壓EA、EB、EC以及負荷阻抗ZA、ZB、ZC決定。

對于圖1中的第i根電纜，其電流Ii由電纜首尾壓差ΔUi和電纜阻抗Zi確定，即Ii=ΔUi/Zi。電纜阻抗由電纜自阻抗和相鄰電纜間互阻抗組成。電纜電氣參數決定了電纜自阻抗大小，當采用同型號電纜時，單位長度電纜自阻抗相同。不過，電纜間互阻抗與自阻抗不同，與每根電纜流經的電流向量和電纜空間排布相關，當電纜中通過的電流大小、相位和相對位置發生改變時，互阻抗將隨之改變[5-6]。考慮到并聯電纜首尾壓差相同，自阻抗亦近似相等，于是電纜中電流向量主要取決于電纜互阻抗的大小。因此，下面將進一步分析電纜導體阻抗參數的計算方法。

圖1 每相n根電纜并聯運行簡化電路

2 同相多根電纜并聯運行阻抗計算

電纜參數主要包括各序對地電容參數和各序阻抗參數。通常500 kV高壓電力電纜均采用單芯結構；同時為避免環流，單芯電力電纜的金屬屏蔽層一般采用單點接地或者交叉互聯接地的運行方式，各相電纜之間不存在電場影響，所以多回電纜的阻抗計算方法與單回一致[10]。因此，將以單芯電纜金屬屏蔽層單點接地方式為例對并聯電纜進行序阻抗參數的分析計算。

將電纜外屏蔽層與內層導體同等看待，如圖2所示，屏蔽層和導體均與大地構成回路，于是圖2中n根電纜線路共有6n個“導體-大地”回路。這6n個回路的電壓降可以簡單表述為

圖2 n根電纜并聯系統回路

ΔU6n×1=Z6n×6nI6n×1

(1)

式中：ΔU6n×1=[ΔUA_L1ΔUB_L1ΔUC_L1…ΔUA_LnNΔUB_LnNΔUC_LnN]T；Z6n×6n為阻抗矩陣；I6n×1為6n個回路的電流矩陣，I6n×1=[IA_L1IB_L1IC_L1…IA_LnNIB_LnNIC_LnN]T；下標A、B、C 表示相別；下標L1、L2…Ln為并聯電纜回路序號；下標N代表屏蔽層。

Z6n×6n組成部分可分為3類：“導體-大地”回路自阻抗Zs、“屏蔽層-大地”回路自阻抗ZNs和“導體-大地”回路與“屏蔽層-大地”回路間的互阻抗Zm，其計算公式[12]如式(2)—式(5)所示。

“導體-大地”回路自阻抗(Ω/km)為

(2)

“屏蔽層-大地”回路自阻抗(Ω/km)為

(3)

式中：RN為屏蔽層單位電阻；r′為屏蔽層幾何半徑。

屏蔽層與導體均處同相電纜時“屏蔽層-大地”與“導體-大地”回路間互阻抗(Ω/km)為

(4)

屏蔽層與導體處不同相時，“屏蔽層-大地”回路與“導體-大地”回路間互阻抗(Ω/km)為

(5)

“屏蔽層-大地”回路間互阻抗和“導體-大地”回路間互阻抗均可通過式(5)求取。

金屬屏蔽層單點接地時，“屏蔽層-大地”回路中電流為0，即IA_LiN=IB_LiN=IC_LiN=0，其中i=1，2…n。此時可化簡省去式(1)中屏蔽層相關項，將式(1)簡化為3n階矩陣方程。

ΔU3n×1=Z3n×3nI3n×1

(6)

式中：ΔU3n×1=[ΔUA_L1ΔUB_L1ΔUC_L1…ΔUA_LnΔUB_LnΔUC_Ln]T；I3n×1=[IA_L1IB_L1IC_L1…IA_LnIB_LnIC_Ln]T。

當n=2時，將式(6)寫成矩陣形式為

考慮并聯電纜首尾兩端壓差相等，可得

(8)

將式(8)帶入式(7)，可化簡為三階矩陣方程：

ΔU3×1=Z3×3I3×1

(9)

根據對稱分量法進行變化，得到

(10)

Z3×3阻抗矩陣計及了其他各回電纜導體，包括外層金屬屏蔽層對該回電纜的互感影響，能夠說明本回電纜端電壓與回路電流間的準確關系。

進一步，在同相并聯電纜導體兩端電壓相等的條件下，若要并聯電纜中每個支路電流均分，即IA_L1=IA_L2，IB_L1=IB_L2以及IC_L1=IC_L2，則并聯回路中的每根電纜受到互阻抗影響效果相同，可有如下關系：

(11)

由式(11)并結合空間布置可知，當且僅當并聯電纜位置完全鏡像時，可滿足每根電纜互阻抗影響效果相同。為驗證所提理論分析結論，依托某500 kV新建變電站工程進行驗證。

3 500 kV高壓電纜同相并聯運行案例分析

某新建500 kV變電站，規劃要求其2回500 kV出線在市區內采用電力電纜，線路走廊約為2 km。根據系統要求，500 kV出線載流量需滿足不小于輸送電流4000 A。經電纜載流量計算[13]，并向國內外電纜廠家核實，受制造能力約束，目前500 kV電纜產品截面最大為2500 mm2，其載流量最大約2449 A。該工程即使采用最大載流電纜產品也無法匹配工程輸送容量，因此考慮每相電纜采用兩根并聯的運行方式。根據第2章中理論分析，不同并聯電纜布置方案下電纜互感參數不同將造成并聯回路電流的分配不平衡，最終影響高壓電纜運行性能，因此特設計6種不同布置方案驗證上述理論分析。首先對500 kV高壓單芯電纜建模，并在此基礎上針對不同布置方案進行有限元計算，驗證理論分析結論，最終結合實際工程戶內GIS布置形式，給出推薦的電纜出線布置方案。

3.1 500 kV高壓單芯電纜建模

空氣中的電纜結構一般可簡化為5個部分：空氣、電纜外護層、金屬屏蔽層、電纜內絕緣層、電纜導體，簡化結構如圖3所示。

圖3 單芯電纜結構模型

考慮到電纜并聯運行可以看作工頻似穩電磁場，因此有限元模型做如下簡單處理[14]：1)考慮電纜敷設長度遠遠大于電纜直徑，采用二維瞬態場進行有限元計算；2)導體的電導率為常數；3)忽略鐵磁物質的磁滯效應。

3.2 同相2根電纜并聯運行分析

導體材質、導體連接質量和各電纜間互感均會對電纜阻抗造成一定程度的影響[15-16]。根據第1章中分析可知，同相并聯電纜間存在不同載流現象主要由各回電纜間互阻抗存在差異造成。而電纜的空間排布會對各電纜的互感造成顯著影響。因此可以通過優化空間布置，削弱電纜間互感影響，達到同相并聯電纜載流平衡。以截面2500 mm2、型號YJTLW02-290/500的銅芯交聯聚乙烯絕緣電力電纜為例(電纜結構參數詳見表1)，建立上述電纜有限元簡化模型，對同相2根500 kV單芯電纜的并聯運進行場路耦合計算，并考慮電纜在不同布置方案下的運行效果。

表1 500 kV單芯電纜結構參數 單位：mm

圖4為2根電纜并聯運行方式下的不同排列方案，各方案中相鄰電纜間隔均與電纜外徑D=170 mm相同。方案1為最常見的電纜水平敷設方案，同相兩根電纜相鄰，一字排開水平敷設；方案2至方案6則是考慮互感影響載流量的優化布置方案，其中方案3為橫向鏡像布置，方案4為豎向鏡像布置，方案5為“品”字形對稱布置，方案6位“品”字形鏡像布置。

圖4 同相2根電纜并聯運行方式下布置方案

經有限元計算，得到不同布置方案下不同電纜的載流量，見表2。表2中，IA1、IA2…IC1、IC2分別代表各相2根并聯電纜載流量。

表2 不同布置方案下2根電纜并聯運行載流量 單位：A

表3 不同布置方案下各相載流量不平衡系數

由表2、表3可以看出：采取布置方案1時，同相并聯電纜間電流分配極不均衡，電纜載流量總不平衡系數最大；方案2較方案1載流量不平衡現象有所改善；而鏡像布置方案3、方案4則展現出優秀的電流均衡特性。因此，若采用布置方案1、方案2，會導致正常運行方式下系統輸送容量大幅度降低，甚至出現部分電纜處于長期重載狀態而造成過熱擊穿的問題，嚴重威脅輸電系統運行可靠性。若采用方案3、方案4所提鏡像布置方案，兩根同相并聯電纜的載流量不平衡系數均接近于0，具有最佳的電流均分效果。

而對于文獻[9]和文獻[11]提出的能夠有效均勻分配電流的“品”字形布置，則亦設置了方案5和方案6兩個布置方式作為對比。當采取“品”字形對稱布置方案5時，三相電流不平衡系數由常規“一”字型布置方式下的0.291、0.017、0.379分別變化至0.005、0.183、0.151，總不平衡系數由0.229下降至0.113，降幅達49.3%。通過有限元計算結果表明，“品”字形布置方案可有效改善電流均分效果，但仍存在電流不平衡現象。而當采取所提“鏡像”布置方案6時，并聯支路電流均分效果同上述鏡像方案3、方案4，其不平衡系數降低至0，具有最佳的電流均分效果。

3.3 500 kV GIS電纜并聯出線優化布置方案

市內變電站配電裝置一般采用戶內GIS型式，電纜出線終端與GIS電纜罐相連。布置方案4為“一”字排開，鏡像排列，將會帶來設備連接和空間布置上的困難。方案6為鏡像的“品”字型排列，給電纜終端和GIS電纜罐的連接帶來接口上的困難。因此在實際工程應用中推薦采用方案3作為同相電纜并聯的敷設方式。采用布置方案3的GIS-電纜出線平斷面如圖5所示。

圖5 采用優化布置方案3的GIS-電纜出線平斷面

4 結 語

上面從500 kV高壓單芯電纜同相多根并聯運行實際需求出發，以電路拓撲為基礎，給出了同相多根并聯運行方式下各回電纜線路序阻抗計算方法，并通過理論推導得出“鏡像”布置方案可實現同相并聯電纜間互阻抗相等，從而使同相并聯電纜獲得最佳均勻通流效果。在上述理論分析的基礎上，依托某500 kV新建變電站工程，采用有限元計算并分析不同布置方案下的同相2根電纜并聯運行的電流分配特性，驗證了所提“鏡像”布置方案下電流均分效果最優的結論。最終，結合常規地下/半地下500 kV GIS出線條件給出了同相電纜2根并聯方式下的推薦布置方案。