110kV及以上电力电缆线路设计原则浅析
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110kV及以上电力电缆线路设计原则浅析
随着城市供电负荷的快速增长，110kV及220kV室内GIS变电站及地下变电站已经广泛采用。相应配套的输电线路也全部采用电缆出线，因此大容量、长距离的电缆线路设计成为可能，同时新建电缆线路与原有电缆线路、架空线路的解口、T接等连接方式的技术问题，这成为电缆线路设计的新课题。本文以某工程的电缆线路设计为范例，对110kV及以上电力电缆线路的设计原则进行分析和探讨。某市新建220kV民田站(GIS站),其中110kV电缆最终出线12回，本期出线7回。本期工程设计范围是：将110kV莲花山至岗厦电缆线路解口入民田站，形成民田-莲花山、民田-岗厦共两回电缆线路;解口景田至少年宫、景田至地铁站双回电缆线路，形成2进2出共4回电缆线路;新建民田至福中一电缆线路。电缆线路所经地区为市区繁华地段，地下管网密集，含原有高压电缆、水管、煤气管、有线电视管线、通讯管线等等。如何根据实际情况，设计出一套节省投资、方便施工和运行维护的方案，下面根据电力电缆设计原则对范例进行分析和探讨。1 电缆型式与截面的选择根据《高压电缆选用导则》及《电力工程电缆设计规范》，对于重要电源等需要保持连接具有高可靠性回路的电力电缆应采用铜芯。本工程采用交联聚乙烯绝缘铜芯电力电缆(单芯)。当地温取30℃、考虑本工程电缆敷设在细沙及管中，土壤热阻系数取2.1K·m/W，埋深取1.0m，电缆水平排列间距为0.225m时，选用的XLPE-800mm2铜导体电缆,双回路敷设时每相的最大载流量约为690A，此时本线路的输送容量为13万千伏安，满足系统输送容量要求。原则浅析：高压电缆的线芯材质和截面大小应根据系统输送容量选择。电缆载流量不仅取决于缆芯截面及结构，还与敷设方式、电缆的布置及护层的接地方式有关，其计算比较复杂，一般工程设计中，可参照电缆制造厂提供的载流量。2 电缆的分段及护层的接地方式电缆在正常运行情况下要在铝护套上产生感应电势，其数值与电缆长度和负荷电流成正比，电缆外护套(PVC外护套)要耐受这感应电势，如感应电势过高使PVC外护套绝缘损坏造成多点接地时，铝护套上将产生较大的感应环流，增加了电能损耗，并使电缆温度增高，降低了输送容量。为消除电缆铝护套上的环流损失，达到经济运行的目的，同时将铝护套上的感应电势控制在安全值范围之内，需将护套分段并采用交叉互联连结的接地方式。电缆的分段是根据护层感应电压的大小，以及周围的地理环境合理选择接头工井的位置，将电缆分成3的倍数段，将护层进行交叉互联连接。下面是本工程选取的护层接地方式：原则浅析：护层接地方式有以下几种：1.三相护层两端分别并联接地。2.三相护层一端接地(或中间一处)互联接地，另一端(或两端)经接地保护器接地。3.当线路较长，一端接地不能满足要求时，可采用三相护层交叉互联两端接地。合理的选择护层接地方式，不仅有利于线路安全可靠的运行，还降低线损及电缆绝缘层的老化。根据运行经验，对一个交叉互联单元的3段电缆不可能完全等分，但各段相差长度不宜超过15%。单根电缆长度不大于800米时，一般不进行分段。设计时对护层的接地方式要进行合理的创新与组合，例如当电缆根据现场情况等分为4段时，其中3段组合成一个交叉互联单元，另一段则采用一端直接接地，一端经保护器接地的方式。3 电缆护层感应电压计算电缆正常工作时护层感应电压计算公式参见《电力工程电气设计手册》表17-52。根据《电力工程电缆设计规范》GB 中，第4.1.10条：“交流单芯电力电缆的金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势计算，宜符合本规范附录F的规定。电缆线路的正常感应电势最大值应满足下列规定：1 未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时，不得大于50V。2 除上述情况外，不得大于300V。”本工程民田至莲花山、民田至岗厦电缆各分成6段形成2个完整交叉互联，电缆铝护层在正常负荷电流时最大感应电压小于80伏。4 电力电缆的敷设电缆敷设典型方式有：直埋、排管、电缆沟、电缆隧道、电缆桥架等。根据现场的实际情况，合理的选择敷设方式，保证电缆的顺利通过。如果电缆路径很长，可能需要用到多种敷设方式组合。如在变电站内用隧道或竖井敷设，出站后开阔地段采用电缆沟敷设，路径狭窄处采用埋管敷设等。本工程民田站出口采用砖砌电缆综合沟，其余电缆沟槽采用隐蔽式设计。常规砖砌电缆沟槽位于绿化带及人行道下，电缆敷设好并回填土后恢复原有绿地。沟槽盖板均采用预制钢筋混凝土盖板，盖板设计考虑商业堆载1t/m2。局部地段如铺人行道方砖，盖板设计荷载相应增加。电缆过路埋管及顶管处两端设置工井，敷设完后工井内充沙。工井采用砖砌井沟壁，预制梁板结构，活动顶盖，一般考虑只行人，不行车。本工程电缆通过非主干道时，采用破路开挖埋管;通过主干道路时，由于市政不允许封路大开挖埋管作业，采用导向钻进非开挖铺设MPP电力电缆护套管的方法穿越。导向钻进非开挖铺管的利用地表放置的钻机，沿欲铺管线的设计路径钻一个先导孔，然后回拉扩孔，将孔径扩大到铺管要求的口径，最后将管线拉入已扩好的孔中，从而实现管线不开挖铺设。　　下图是本工程的几种敷设方式：5 高压电缆及其附件的布置与安装5.1　电缆排列方式单芯电缆三相排列可分水平排列、垂直排列、等边三角形排列。水平和垂直排列均存在三相互感不等、阻抗不对称的问题故线路较长时需换位。等边三角形排列三相对称。目前直埋、排管、电缆沟等长距离敷设方式下，一般采用水平或垂直排列。等边三角形排列因施工固定难等其他因素，较少采用。本文范例电缆排列方式采用水平和垂直排列。5.2　固定要求1)在终端、接头或转弯处紧邻部位的电缆上，应有不少于一处的刚性固定。2)在垂直或斜坡的高位侧，宜有不少于2处的刚性固定。3)电缆蛇形敷设的每一个节距部位，宜予挠性固定。蛇形转换成直线敷设的过渡部位，宜予刚性固定。5.3　电缆保护管通常采用玻璃钢管、C-PVC保护管。保护管的选择，应满足使用条件所需的机械强度和耐久性，当交流单相电缆以单根穿管时，不得用未分隔磁路的钢管。当因机械强度要求使用钢管时，可以将钢管轴向全长进行切割1厘米的开口，然后用铜条将该切口焊上，达到切断磁路的目的，保证了钢管的机械强度。5.4　电缆支架的特殊要求电缆支架除支持单相工作电流大于1000A的交流系统电缆情况外，宜用钢制。交流单相大截面电缆工作电流达1450A时，因涡流作用引起钢制电缆支架铁损，可达160W/m(三相成品字型配置)~530 W/m(分相配置)，约占电缆损失的20%~70%，因而宜重视对策，有的国家工程中对大截面电缆的支架，采用由不锈钢、玻璃钢或铝合金等非磁性材料制成。目前使用广泛的是玻璃钢电缆支架，几乎达到钢制支架的强度，而且耐腐蚀、无电能损耗。5.5　电缆附件布置及安装5.5.1　电缆中间接头电缆中间接头分为绝缘中间接头和直通中间接头，一般采用整体预制，玻璃钢防水水外壳。电缆接头的地方设置专用的电缆接头工井。本文范例的工程采用电缆中间接头相接。接头工井一般规格是10米或20米长，便于电缆的伸缩安装和蛇形敷设。电缆接头放置在沙袋上固定，施工完毕后充沙填埋。电缆接头布置示意图如下：5.5.2　电缆终端的选择与连接电缆终端一般分为GIS终端、瓷套式终端、干式硅橡胶终端等。在GIS变电站内用GIS电缆终端出线，在敞开式变电站进线构架处用瓷套式终端，在电缆与架空线路相连接时电缆上铁塔，采用干式硅橡胶终端。当几回电缆线路需要T接时，因目前国内还没有成熟的电缆T接头使用，可建一个T接房，用导线将瓷套式终端或干式硅橡胶终端进行T接。用干式硅橡胶终端进行T接时，应采用硬连接方式，防止导线电动力使硅橡胶终端弯曲，造成安全事故和损坏电缆终端。电缆上铁塔时采用硅橡胶终端，应对电缆及终端采用合理的方式固定，一般采用绝缘子串将电缆终端拉直固定在铁塔横担的中间。电缆上塔的方式优点是节省占地面积，运行维护方便。例如下图是电缆干式硅橡胶终端固定在铁塔的典型方式：5.5.3　避雷器的选型及安装根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》 DL/T 620-1997及工程实际情况，在高压单芯电缆与铁塔相连处一般均装设避雷器。例如某工程中选用YH10WX-108/309型悬挂式避雷器。6 电缆防火阻燃说明(1)电缆选用了防水性能较好的聚乙烯(PE)护套，用埋沙的方式进行防火，因此敷设完毕后工井内充细纱填埋。(2)在变电站电缆竖井出线出口，各墙体、楼板、沟道出口处、围墙出口处等电缆引出口采用防火堵料封堵，并在孔口两端的电缆各不小于2米区段涂刷防火材料，涂刷厚度不小于1mm(分3～4次涂刷)。(3)电缆在穿越各处保护管管口处采用防火堵料封堵阻燃。(4)在中间接头两侧各3米区段和其并列邻近的其它电缆上在同一长度内涂刷防火涂料。7 设计施工工艺注意事项电缆线路造价昂贵，技术复杂，要求精心施工，精心组织。敷设施工前应申办电缆线路管线执照、掘路执照和道路施工许可证，并开挖足够的样洞，了解线路路径邻近地下管线情况。明确各公用管线和绿化带管理单位的配合、赔偿事项。电缆订货前，应由施工单位提前放线、定位，落实两侧电缆终端及工井位置且确保无施工障碍，再复测电缆分段长度，并将复测报告送设计审核，审核确保无误后再行订货并做相应分盘。电缆施工中和竣工后要确保电缆弯曲半径大于20D(直径)。下面是典型的施工工序：8　竣工试验电缆在现场敷设安装完毕后，该电缆线路在正式接入电网运行之前，应按有关规定，进行下列项目的现场试验。8.1　导体电阻测量应测试每根导体电阻，同时换算到20℃条件下的标准电阻值。8.2　电缆参数测量电缆的电感、电容测量，正序及零序阻抗的测量(按短路电流以铝护套为回路的零序阻抗)。8.3　主绝缘高压试验应在电缆导体与铝护套之间施加110kV交流电压5分钟，主绝缘不应发生击穿。8.4　电缆PE(或)外护层耐压试验电缆的PE(或)外护层除对波纹铝护套的机械保护外，还对整个电缆线路能否实现交叉互联的经济运行方式起保证作用。为检查施工和运输中对PE(或)外护层是否损坏，应在波纹铝护套与表皮石墨涂层之间，施加1分钟10kV直流电压的耐压试验，PE(或)外护层不应发生击穿。8.5　电缆波纹铝护套过电压保护器试验对安装在现场的每一个过电压保护器应作下列试验。8.5.1　电阻特性试验每组保护器的三个校正后的电阻值中，任何一个值都在厂家规定的最大与最小值之间(换算到20℃)。8.5.2　内部绝缘电阻试验采用1000V摇表测量导线连接端与外壳(底板)之间在一分钟的绝缘电阻，其绝缘电阻值不应小于2MΩ。9 结论通过范例对电缆线路设计原则的逐步分析，使设计方案既能降低工程造价和施工难度，而且还给运行维护带来方便。电缆的敷设方式、接地方式、电缆附件的选择等要根据实际情况，灵活选择与组合，达到优秀的设计，优秀的施工，安全的运行。（以上论文作者为广东省电力设计研究院孟开翔）输电线路的我们 舞出精彩人生输配电线路(电缆)
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