楊 東

（國(guó)家能源集團(tuán)大渡河大崗山水電開發(fā)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(xiàn)在日本今市電站與下鄉(xiāng)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(zhǎng)一段時(shí)間，500kV XLPE電纜本體及附件主要依賴進(jìn)口。繼500kV XLPE電纜在廣西龍灘水電站國(guó)產(chǎn)化成功應(yīng)用，打破了該設(shè)備被國(guó)外制造廠家長(zhǎng)期壟斷的局面，大崗山水電站采用全國(guó)產(chǎn)的500kV XLPE電纜本體及附件，加速了高端電氣設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程[2]。

大崗山電站共裝設(shè)四臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量650MW，總裝機(jī)容量2600MW，是國(guó)家能源集團(tuán)單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)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(nèi)，500kV XLPE電纜通過2個(gè)高差為185m的電纜豎井引出到地面開關(guān)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(zhǎng)度為11000m單相，最長(zhǎng)一根電纜的長(zhǎng)度約為950m單相，每根電纜是單相整根，中間不設(shè)任何接頭。500kV XLPE電纜由河北新寶豐生產(chǎn)，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(dǎo)體

電纜導(dǎo)體采用五分割結(jié)構(gòu)，采用無氧銅， 分割結(jié)構(gòu)導(dǎo)體間采用半導(dǎo)電性化合物纖維層。電纜導(dǎo)體截面1000mm2， 單絲根數(shù)為185根，股塊單絲根數(shù)37根，單絲直徑2.87mm。通過額定電流時(shí)導(dǎo)體溫度不大于62℃，如圖2所示。

圖1 XLPE電纜系統(tǒng)示意圖Figure 1 XLPE cable system diagram

圖2 XLPE電纜結(jié)構(gòu)Figure 2 XLPE cable structure

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

IEC60287標(biāo)準(zhǔn)電纜載流量計(jì)算公式是根據(jù)電力電纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)所形成熱物理溫度場(chǎng)，通過微分方程式計(jì)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(nèi)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(huán)境溫度，40℃；

wi——單位長(zhǎng)度（cm）電纜絕緣層介質(zhì)損耗，0.0172W/cm；

T1——電纜絕緣層的熱阻，59.66TΩcm；

T2——內(nèi)襯墊的熱阻，21.75TΩcm；

T3——外護(hù)層的熱阻，7.59TΩcm；

T4——環(huán)境的熱阻，29.68TΩcm；

R——電纜線芯的直流電阻值；

λ1——電纜金屬護(hù)套的損耗系數(shù)，等邊三角形敷設(shè)0.153，平行敷設(shè)0.303；

λ2——電纜鎧裝層的損耗系數(shù)，電纜不帶鎧裝層，取0。

電纜最大負(fù)載電流1251A，系統(tǒng)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(tǒng)的要求。

1.2 絕緣層

500kV XLPE電纜介質(zhì)損耗較低，傳輸容量較大，適合于高落差敷設(shè)。絕緣層由一層采用特超凈交聯(lián)聚乙烯（XLPE）材料的擠包絕緣組成。絕緣層的標(biāo)稱厚度為34mm。絕緣層是電纜的主絕緣，具有優(yōu)良的電氣性能，耐電強(qiáng)度高。絕緣層和內(nèi)、外半導(dǎo)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(qiáng)度，取值80kV/mm；

——老化系數(shù)，取值1.1；

——溫度系數(shù)，取值1.25；

——安全系數(shù)，取值1.1。

按上述計(jì)算，500kV 1000mm2交聯(lián)電纜的絕緣厚度應(yīng)不低于31.67mm，選用的電纜絕緣層標(biāo)稱厚度為34mm，最小厚度為32.6mm，大于31.67mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 接地回流線

根據(jù)DL/T 5228—2005《水力發(fā)電廠交流110-500kV電纜工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，電纜金屬護(hù)套接地原則采用一端直接接地，一端通過金屬護(hù)層保護(hù)器接地。護(hù)層保護(hù)器按《護(hù)層保護(hù)器選擇計(jì)算書》的計(jì)算結(jié)果選擇，直接接地端設(shè)置在與架空線連接的GIS開關(guān)端。同時(shí)敷設(shè)回流線，降低電纜金屬套感應(yīng)電壓和工頻過電壓，抑制對(duì)鄰近的控制或通信電纜的感應(yīng)干擾強(qiáng)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(nèi)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?；亓骶€導(dǎo)線的導(dǎo)體材質(zhì)為銅，截面積500mm2，絕緣水平應(yīng)與外護(hù)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(diǎn)交叉換位，如圖3所示。

圖3 交叉互聯(lián)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(chǎn)的500kV 硅橡膠預(yù)制應(yīng)力錐電纜終端，如圖4所示，終端與500kV GIS相連，對(duì)終端的電氣特性要求與電力電纜本體相同，主變壓器側(cè)（地下廠房端）的電纜終端為水平布置，GIS側(cè)（地面廠房端）的電纜終端為垂直布置。終端內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度由硅橡膠應(yīng)力錐控制，終端采取嚴(yán)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(yùn)行工況下產(chǎn)生的壓力差。

圖4 硅橡膠預(yù)制應(yīng)力錐Figure 4 Silicone rubber prefabricated stress cone

終端與GIS連接處設(shè)有一段可拆卸短段，并在外殼上預(yù)留手孔以便于拆卸，以利于電纜和GIS分開進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。為防止GIS設(shè)備外殼的感應(yīng)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(shè)有絕緣法蘭保護(hù)器。絕緣法蘭的絕緣水平與電纜外護(hù)套的絕緣水平一致。

2.2 電纜測(cè)溫裝置

電纜測(cè)溫裝置采用上海波匯提供的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，利用敷設(shè)在高壓電纜表面的光纖作為溫感傳感器，被測(cè)電纜各個(gè)位置的溫度信號(hào)以光波的形式傳回光纖端部，通過裝置最終將信號(hào)提取并在電腦中顯示出來，光纖測(cè)溫只需一根或幾根光纖就可以監(jiān)測(cè)數(shù)公里的電力電纜設(shè)備。分布式光纖除可以監(jiān)測(cè)電纜縱向沿線溫度分布，發(fā)現(xiàn)電纜整體的過熱故障及電纜的局部溫度升高，能對(duì)溫度異常情況準(zhǔn)確迅速進(jìn)行報(bào)警[6]。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫的光纜采用Sensor-T類型，Sensor-T是一個(gè)內(nèi)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(tái)4km 2通道的光纖測(cè)溫主機(jī)，分別進(jìn)行4回A/B/C三相電纜的監(jiān)測(cè)，每回路A/B/C三相使用1個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量；并將監(jiān)測(cè)到的溫度通過TCP/IP傳輸給光纖測(cè)溫上位機(jī)，在上位機(jī)軟件上查看分布式溫度信息，上位機(jī)在接收到實(shí)時(shí)載流量的后，進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)態(tài)載流量的計(jì)算，測(cè)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖5 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)示意圖Figure 5 Schematic diagram of distributed optical fiber temperature measurement system

高壓電纜正常運(yùn)行時(shí)，電纜金屬護(hù)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(dǎo)體與電纜金屬護(hù)層之間存在電容，當(dāng)導(dǎo)體加高壓后，在導(dǎo)體和金屬護(hù)層之間形成電容電流，該電流通過金屬護(hù)層的直接接地端流入大地。二是長(zhǎng)線路交叉互聯(lián)，由于三相負(fù)荷不可能完全一致、三相電纜長(zhǎng)度不可能完全相等、空間位置也不可能完全對(duì)稱，三相金屬護(hù)層上的感應(yīng)電壓交叉互聯(lián)后不可能完全抵消，在金屬護(hù)套之間就會(huì)形成環(huán)流[7]。

高壓電纜金屬套接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由采集裝置、通信設(shè)備和上位軟件系統(tǒng)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(yīng)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(diǎn)接地監(jiān)測(cè)主機(jī)，在主機(jī)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(zhǎng)、落差大，現(xiàn)場(chǎng)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(cè)SF6終端為垂直布置。

高壓電纜敷設(shè)時(shí)，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(shè)時(shí)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?yè)P(yáng)機(jī)，輔助電纜解盤牽引及電纜尾部牽引保險(xiǎn)。按敷設(shè)設(shè)備布置圖水平隧道內(nèi)布置20臺(tái)敷纜機(jī)，豎井內(nèi)用專業(yè)固定架固定布置10臺(tái)敷纜機(jī)；豎井內(nèi)未安裝敷纜機(jī)在檢修平臺(tái)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(shè)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(shè)路徑水平彎曲位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況安裝轉(zhuǎn)彎滾輪，必須牢固可靠用以約束電纜防止電纜不按設(shè)想線路前進(jìn)。

高壓電纜終端制作是安裝電纜最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，對(duì)安裝的環(huán)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(shè)臨時(shí)的電纜終端制作棚，在電纜制作棚內(nèi)安裝充足照明，安裝除濕機(jī)，使棚內(nèi)濕度達(dá)到小于60%的要求，搭設(shè)電纜終端制作棚時(shí)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(yàn)需和GIS設(shè)備一同進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備的容量要足夠，可采用單相試驗(yàn)的方式逐相地將試驗(yàn)電壓加在 A、B、C相線端分相進(jìn)行試驗(yàn)，一相加壓時(shí)另外兩相要可靠接地，耐壓試驗(yàn)采用高壓變頻串聯(lián)諧振裝置作為交流發(fā)生器，試驗(yàn)電壓通過水電站出線場(chǎng)的戶外套管施加加壓。

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

4 結(jié)論

大崗山水電站500kV國(guó)產(chǎn)XLPE電纜及附件自2015年投運(yùn)以來，電纜接地電流、表面溫度、感應(yīng)電壓等運(yùn)行參數(shù)良好，國(guó)產(chǎn)高壓電力電纜的各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，為振興民族工業(yè)和趕超國(guó)際先進(jìn)水平做出了貢獻(xiàn)，對(duì)提高我國(guó)電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

高壓電力電纜是輸變電系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，XLPE電纜采用交聯(lián)聚乙烯作為主絕緣材料，其優(yōu)點(diǎn)在于良好的耐熱性和電氣性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作溫度高、敷設(shè)高差不限、輸電損耗小、安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單，近年來，使用量急劇增加。

500 kV XLPE 電纜在線監(jiān)測(cè)除接地電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)外，對(duì)主絕緣還沒有有效的監(jiān)測(cè)手段，須進(jìn)一步研究高壓電纜在線監(jiān)測(cè)方法，提高電纜運(yùn)行安全可靠性水平[8]。