李朋，王禹晨，江加福，黃懿赟

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510665；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；3.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）是中國(guó)自主設(shè)計(jì)和研制并聯(lián)合國(guó)際合作的重大科學(xué)工程，是中國(guó)在全面消化吸收國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)先開展下一代超導(dǎo)聚變堆研究的重大項(xiàng)目，供配電系統(tǒng)是其重要組成部分。

按照供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范和CFETR 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)，結(jié)合所在地周邊500 kV 電站情況，定義了CFETR 供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括一座220 kV 變電站，根據(jù)供電負(fù)荷的要求，配電系統(tǒng)包括110 kV、20 kV和10 kV 等級(jí)。其中110 kV 供配電系統(tǒng)供電給脈沖功率負(fù)荷，即超導(dǎo)磁體電源和無功補(bǔ)償系統(tǒng)。110 kV 供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其中負(fù)載電纜根據(jù)電壓等級(jí)選用110 kV 截面為240 mm2高壓?jiǎn)涡綳LPE（交聯(lián)聚乙烯）絕緣電纜[1-2]。

圖1 110 kV 供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 110 kV power supply and distribution system structure diagram

本文通過對(duì)幾種接地方式下電纜護(hù)層感應(yīng)電壓和環(huán)流的計(jì)算，依據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，確定護(hù)層接地方式及安裝敷設(shè)過程中所要注意的事項(xiàng)。使金屬護(hù)層中的感應(yīng)電勢(shì)和環(huán)流在安全限值以下，保障供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 高壓XLPE 電纜基本結(jié)構(gòu)

電力電纜的主要結(jié)構(gòu)件為線芯、絕緣層和外護(hù)層如圖2 所示。電力電纜的種類很多，中低壓電纜（一般指35 kV 及以下）：粘性浸漬紙絕緣電纜、不滴流電纜、聚氯乙烯絕緣電纜、交聯(lián)聚乙烯電纜、乙丙橡皮絕緣電纜等；高壓電纜（一般為110 kV 及以上）：自容式充油電纜、鋼管充油電纜、聚乙烯（PE）電纜和交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜等。

圖2 電纜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Cable structure diagram

考慮到110 kV 電壓等級(jí)，選用高壓電纜；同時(shí)由于經(jīng)濟(jì)效益，干式電纜基本上已經(jīng)取代了充油電纜。對(duì)于聚乙烯電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜，交聯(lián)聚乙烯是提高聚乙烯的一種重要技術(shù)，不僅在力學(xué)性能、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能、耐化學(xué)藥品腐蝕性能等方面有顯著提升，而且非常明顯地提高了耐溫等級(jí)，大大拓寬了電纜的應(yīng)用范圍。因此我們最終選擇XLPE高壓電纜。

2 高壓XLPE 電纜接地設(shè)計(jì)

2.1 電力電纜接地方式

高壓電纜多為單芯電纜，電纜線芯和金屬護(hù)層的關(guān)系可以看作變壓器的一組繞組，線芯通過交流電流時(shí)產(chǎn)生磁力線交鏈金屬護(hù)層產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)不加以限制會(huì)達(dá)到較大值從而威脅人身安全。保障電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行的措施之一是電纜接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，高壓XLPE 電纜接地方式[3-5]：

1）金屬護(hù)層兩端接地

金屬護(hù)層在兩個(gè)終端位置直接接地，兩端接地后不需裝設(shè)保護(hù)器，適用于較短電纜線路，護(hù)層中感應(yīng)電勢(shì)較小，因此不會(huì)產(chǎn)生較大環(huán)流。

2）金屬護(hù)層一端接地

電纜線路較短時(shí)（500 m 以內(nèi)），常采用一端直接接地，另一端通過保護(hù)器接地。當(dāng)與架空線路連接時(shí)，連接的一端直接接地，另一端裝設(shè)保護(hù)器。

3）金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地

電纜線路很長(zhǎng)，將線路分成三個(gè)等長(zhǎng)小段，相互用絕緣接頭相連，護(hù)層三相之間用同軸電纜經(jīng)接線盒完成換位連接，護(hù)層保護(hù)器裝設(shè)在換位箱內(nèi)。電纜兩個(gè)終端金屬護(hù)層分別互聯(lián)并接地。此接地方式常用于較長(zhǎng)電纜線路，能有效減少金屬護(hù)層感應(yīng)電壓及環(huán)流，交叉互聯(lián)接地結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地Fig.3 Metal sheath cross interconnection grounding

2.2 金屬護(hù)層感應(yīng)電勢(shì)及電流

《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》4.1.9 規(guī)定：交流單芯電力電纜金屬套上應(yīng)至少在一端直接接地，在任意非直接接地端的正常感應(yīng)電勢(shì)，未采取安全措施時(shí)最大值不得大于50 V。交流系統(tǒng)中單芯電纜各相按通常布置排列情況下，電纜金屬套上任意一點(diǎn)非直接接地處的正常感應(yīng)電勢(shì)值按下式計(jì)算[6-7]：

式中：

Es——感應(yīng)電勢(shì)（V）；

L——電纜金屬套的電氣通路上任一部位與其直接接地處的距離（km）；

Es0——單位長(zhǎng)度的正常感應(yīng)電勢(shì)（V/km）。

Es0——的計(jì)算與電纜的敷設(shè)方式有關(guān)，三相電纜的排列敷設(shè)方式主要有等邊三角形排列、水平排列、直角三角形排列，為保證三相電纜金屬套感應(yīng)電勢(shì)平衡，采用等邊三角形排列方式敷設(shè)，排列方式如圖4所示。

圖4 電纜等邊三角形排列Fig.4 Equilateral triangle arrangement of cables

這時(shí)三相電纜相互間距相同，單位長(zhǎng)度正常感應(yīng)電勢(shì)相同可用下式計(jì)算：

式中：

ω——2πf，f為工作頻率；

r——電纜金屬護(hù)層的平均半徑（m）；

I——電纜導(dǎo)體正常工作電流（A）；

S——各相電纜相鄰之間中心距（m）。

本文所設(shè)計(jì)對(duì)象為110 kV 單芯XLPE 電纜，選用YJLW02 交聯(lián)聚乙烯皺紋鋁包240 mm2電纜，線芯半徑8.74 mm，絕緣層依據(jù)電壓等級(jí)確定為19 mm，金屬護(hù)層鋁包厚度為2 mm，金屬護(hù)層的平均半徑r約為28.74 mm，電纜工作電流約為500 A，工作頻率為50 Hz，各相電纜相鄰之間中心距S一般為250 mm，電纜長(zhǎng)度為按現(xiàn)場(chǎng)施工情況保守估計(jì)為1 000 m，代入上式（1）、（2）、（3）得到電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓為67.9 V。

CEETR 站點(diǎn)接地配置為共用地網(wǎng)，變電站地網(wǎng)與CFETR 站點(diǎn)接地網(wǎng)相連，變電站接地電阻經(jīng)設(shè)計(jì)約為0.2 Ω，金屬護(hù)層環(huán)流可達(dá)到340 A，若電纜采取金屬護(hù)層兩端直接接地，如此大接地環(huán)流足可以導(dǎo)致危險(xiǎn)事故發(fā)生；若采用金屬護(hù)層一端接地，未直接接地端感應(yīng)電勢(shì)超過50 V，不符合《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》；電纜金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地時(shí)，將線路分為長(zhǎng)度基本相等的3 段或3 的整數(shù)倍段，三相電纜等邊三角形排列，電纜線芯中流過的電流相等，因此在金屬護(hù)層中的感應(yīng)電勢(shì)幅值相等相位相差120°，消除接地感應(yīng)環(huán)流。

2.3 金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地方案

長(zhǎng)距離敷設(shè)110 kV XLPE 高壓電纜必須將電纜回路分為長(zhǎng)度相等的三段或三的整數(shù)倍段。但分段后電纜交叉互聯(lián)接線易出現(xiàn)接點(diǎn)隱性失誤，導(dǎo)致?lián)Q位不完全且不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，本章分析交叉互聯(lián)正確接線方式及注意事項(xiàng)，排除電纜運(yùn)行中的故障。CFETR 高壓供配電110 kV 電纜金屬護(hù)層交叉接地等效接線如圖5 所示[8-10]。

由圖5 可知，#1、#2 絕緣接頭分別通過同軸電纜和換位箱實(shí)現(xiàn)金屬護(hù)層換位作用。A 相金屬護(hù)層感應(yīng)電流從A0點(diǎn)經(jīng)A 相護(hù)層至A1點(diǎn)，再經(jīng)A 相#1接頭同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體和換位箱換位箱至C2點(diǎn)，再經(jīng)C 相第2 段電纜的護(hù)套至C3點(diǎn)，經(jīng)C 相#2 絕緣接頭的同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體和換位箱至B4點(diǎn)，再經(jīng)B 相第3段電纜的護(hù)層至B5入地從而完成護(hù)套完全換位。在理想情況下，3 相電纜3 段電纜長(zhǎng)度相等，護(hù)層經(jīng)換位后合電勢(shì)為0。

圖5 金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地等效接線圖Fig.5 Equivalent wiring diagram of metal sheath cross interconnection grounding

受施工條件的影響，CFETR 電纜線路無法實(shí)現(xiàn)理想的三段等長(zhǎng)。將電纜進(jìn)行分段互聯(lián)時(shí)，將第一段和第三段電纜長(zhǎng)度確定為330 m，中間第二段電纜長(zhǎng)度偏長(zhǎng)。由于三相電纜分段不完全相等，護(hù)層感應(yīng)電壓換位后會(huì)產(chǎn)生一定感應(yīng)電壓，下面計(jì)算感應(yīng)電壓及電流的大小。

3 交叉互聯(lián)接地計(jì)算與仿真

3.1 等值電路建立

確定電纜接地方案后，對(duì)1 km 的電纜進(jìn)行分段，實(shí)際安裝敷設(shè)過程無法滿足三段電纜完全等長(zhǎng)，將第一、三段電纜長(zhǎng)度確定為330 m，中間第二段電纜長(zhǎng)度略長(zhǎng)于一、三段電纜。接下來計(jì)算接地電流，建立金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地等值電路。將實(shí)際中的分布式參數(shù)簡(jiǎn)化為集總參數(shù)，構(gòu)建與實(shí)際系統(tǒng)等效的等值電路如圖6 所示[11-13]。

圖6 中：

圖6 金屬護(hù)層交叉互聯(lián)等值電路Fig.6 Metal sheath cross interconnection equivalent circuit

Rd1、Rd2——護(hù)層首末端接地引線電阻測(cè)量值，由于電阻值微小，可忽略不計(jì)；

Rd——接地網(wǎng)等效電阻；

Z01、Z02、Z03——三段電纜護(hù)層自阻抗；

ISA、ISB、ISC——三相金屬護(hù)層接地電流；

ISE——大地漏電流；

ESAi、ESBi、ESCi——每段電纜中線芯中電流引起的感應(yīng)電壓；

ETAi、ETBi、ETCi——每段護(hù)層中接地電流和大地電流引起感應(yīng)電壓，由于電纜護(hù)層電流和大地電流相對(duì)線芯電流要小很多，這部分感應(yīng)電壓在計(jì)算時(shí)可以忽略。

對(duì)于護(hù)層首末端接地電阻測(cè)量值，由于項(xiàng)目仍未正式施工無法測(cè)量，按照站點(diǎn)共用地網(wǎng)的設(shè)計(jì)估計(jì)為Rd=0.2 Ω。對(duì)以上電纜分布參數(shù)的確定，計(jì)算種類眾多，但其準(zhǔn)確性及是否適用本系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)無法保證。我們利用電磁分析軟件對(duì)高壓電纜建立模型，準(zhǔn)確計(jì)算電纜阻抗及感應(yīng)電壓等分布參數(shù)，最后代入等值電路計(jì)算，為解決現(xiàn)實(shí)問題提供精確的數(shù)據(jù)。

3.2 ANSYS 有限元仿真

本文主要使用ANSYS 軟件中的Maxwell 模塊建模并進(jìn)行電磁仿真。Ansoft Maxwell 是一種工業(yè)應(yīng)用的電磁分析軟件，它采用向?qū)讲僮鹘缑?、自適應(yīng)剖分技術(shù)并且具有強(qiáng)大的后處理器，是一款高性能電磁設(shè)計(jì)軟件。通過軟件仿真可以給出三相電纜各類分布參數(shù)。電纜三維模型如圖7 所示。

圖7 電纜3D 模型Fig.7 Metal sheath cross interconnection equivalent circuit

首先三段電纜護(hù)層的自阻抗進(jìn)行計(jì)算，由于電纜每段長(zhǎng)度達(dá)幾百米，無法直接用軟件建模，因此先在渦流場(chǎng)環(huán)境下對(duì)三相電纜進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，三相電纜剖分圖如圖8 所示，得到每米長(zhǎng)電纜的阻抗和感應(yīng)電壓。仿真結(jié)果見表1。

圖8 三相電纜剖分圖Fig.8 Three-phase cable dissection diagram

表1 Maxwell 仿真結(jié)果Tab.1 Maxwell simulation results

第一、三段電纜長(zhǎng)度為330 m，可得到電纜電阻為0.034 9 Ω，電感為0.6 mH，感應(yīng)電壓為22.11 V；第二段電纜電阻為0.036 Ω，電感為0.618 mH，感應(yīng)電壓為22.78 V。將以上分布參數(shù)代入等值電路，利用Simplorer 軟件建立電路模型進(jìn)行接地電流的計(jì)算，電路模型如圖9 所示，得到單相接地電流為2 A，金屬護(hù)層感應(yīng)電壓為0.4 V，符合《電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

圖9 仿真電路圖Fig.9 Simulation circuit diagram

4 結(jié)論

本文結(jié)合CFETR 110 kV 供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，調(diào)研高壓電纜的種類及特性，選用110 kV 單芯XLPE 高壓電纜作為負(fù)載電纜。后通過對(duì)電纜金屬護(hù)層不同接地方式下感應(yīng)電勢(shì)及電流的計(jì)算，確定電纜金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地。

電纜敷設(shè)過程中受到環(huán)境地形等條件限制，無法實(shí)現(xiàn)電纜分段完全等長(zhǎng)和對(duì)稱排列，會(huì)存在少量不平衡感應(yīng)電流流過金屬護(hù)層。為計(jì)算實(shí)際工程中金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地方式下的接地電流，先建立交叉互聯(lián)等值電路，利用Maxwell 軟件模擬計(jì)算分布參數(shù)，后將分布參數(shù)代入Simplorer 軟件求解護(hù)層感應(yīng)電壓及接地電流，由上仿真結(jié)果可知，電纜金屬護(hù)層交叉互聯(lián)接地方案有效降低護(hù)層感應(yīng)電壓和接地電流，符合《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》，保證電纜長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，可按此方案將CFETR 110 kV 電纜金屬護(hù)層接地。