高壓電力電纜增加段長關鍵技術研究展望及應用

譚 笑, 陳 杰, 李陳瑩,曹京滎, 胡麗斌, 朱孟周, 張云霄

(1. 國網GIS設備運維檢修技術實驗室(國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院),江蘇 南京 211103;2. 清華大學電機工程與應用電子技術系,北京 100084)

0 引言

隨著城市建設速度加快,城市建設與電力建設的矛盾日益加劇。為了解決該矛盾,輸電線路逐步由架空轉向地下電纜敷設,電力電纜的使用量逐年增加,大容量、長距離、大截面的電纜工程日益增多。由于傳統電纜設計分段長度有限,單位長度內電纜接頭數量相對較多, 一方面增加了工程投資、延長了施工時間,另一方面也導致電力電纜運行的故障概率增大。

適當增加電力電纜段長可以相應的減少電纜接頭,縮短工程工期,既能降低投資又能提高電纜線路運行可靠性。但電力電纜增加段長后,對電力電纜設計、生產、試驗、運維等環節都提出了新的要求和挑戰,因此有必要對高壓電力電纜增加段長關鍵技術進行可行性分析,提供理論和相關數據,為今后大長段電纜工程實際應用提出解決方案。

1 國內外大長段電纜工程應用現狀

目前,國外已有多例大長段的電纜實際應用工程投入運行[1]。日本中部電力公司已建成的275 kV 1×2500 mm223 km長線路工程中,電力電纜段長最長達1700 m,相應的金屬護套感應電壓計算值可達200～300 V。日本廣島、福岡的220 kV 1×2500 mm2XLPE不銹鋼套電纜,制造長度也由500 m提高至1050～1300 m,不僅縮短了工期,還使工程造價降低約5%。

在歐洲,電纜段長也有延長的趨勢。如比瑞利公司承擔的400 kV 1×2500 mm2電纜線路工程中,制造長度由750 m提高至1400 m;1×1000 mm2電纜長度從1000 m提高至3500 m。英國電力部一雙回長度為21 km的275 kV 1×1600 mm2充油電纜線路運行30 a后,其裝有護層電壓限制器的接線盒大多需要更換,交叉互聯單元在原設計的28個的基礎上縮減為7個,不僅降低了維護總費用,還提高了運行的安全可靠性。該線路改變原設計后的電纜交叉互聯單元段長增至2955～3099 km,各區段電纜金屬護層的感應電動勢,在負荷電流抑制或暫態工況下,都會比原設計的條件有較大幅度提升。如在額定負荷電流情況下的金屬層最大感應電動勢達214 V,雷電進行波暫態作用于金屬層分隔絕緣的跨接電動勢最大達100 kV。

美國電氣與電子工程師協會出版了電纜金屬連接方式及護套感應電壓、環流的計算標準,詳細討論了電纜金屬護套不同連接、排列方式對護套感應電壓、護套環流的影響,并對護層保護器的不同接法進行了詳細的探討。美國關于單芯電纜感應電動勢計算導則的IEEE Std 標準中, 雖明確規定應從安全性限制,但未規定限制值;歐洲各國標準中也不作規定,英國在275～400 kV電纜線路終端的敞露金屬部位實施防護條件下,以150 V 為限;法國則傾向于在防護條件下可達400 V。

國內GB 50217—2007中要求[2]:單芯電纜線路的金屬護套或屏蔽層,在線路上至少有一點直接接地,且在金屬護套或屏蔽層上任一點非接地處的正常感應電壓應符合下列規定:(1) 未采取能防止人員任意接觸金屬護套或屏蔽層的安全措施時,在滿負載情況下,不得大于50 V;(2) 采取能防止人員任意接觸金屬護套或屏蔽層的安全措施時,在正常滿負荷情況下,不得大于300 V。

2 增加段長對設計階段的影響

2.1 感應電壓計算

當電纜在交變電壓下運行時,線芯中流過交變的負荷電流,變化的電流會在空間中產生交變的磁場。交變的磁場所產生的磁鏈不但會和線芯發生交鏈,同時也與屏蔽層和金屬護套相交鏈[3]。因此,在電纜正常運行時,屏蔽層和金屬護套上會產生和電纜接地方式、線路參數等因素相關的感應電壓。電纜護套感應電壓值與線芯截面、纜間距離和電纜大小有關。感應電壓數值與電纜排列中心距離和金屬護套平均半徑之比的對數成正比,并且與導體負荷電流、頻率以及電纜的長度成正比[4-6]。因此,相同條件下增加段長后勢必會增加該段電纜金屬護層的感應電壓。

考慮回路內電力電纜的排列方式,結合圖1所示的計算模型,通過求取金屬外護套內的磁通進而求得感應電動勢大小。

圖1 金屬外護套感應電壓計算模型Fig.1 Calculation model of induction voltage for metal outer sheath

圖中P表示金屬外護套,可以看做一根平行于纜芯A、B、C的導體;A、B、C、P之間的距離如圖所示,其中D為A相導體線芯離金屬外護套距離;B相導體線芯離金屬外護套距離為A相導體線芯離金屬外護套距離的l倍,記為lD;C相導體線芯離金屬外護套距離為A相導體線芯離金屬外護套距離的k倍,記為kD;S為A、C相導體線芯間的距離; A、B相導體線芯間的距離為A、C相導體線芯間的距離的n倍,記為nS; B、C相導體線芯間的距離為A、C相導體線芯間的距離的m倍,記為mS;R為P的半徑,單位為m,考慮到土壤磁導率與真空磁導率近似相等,即μ/2π≈2×10-7,則單位長度A、B、C三相纜芯在P上產生的磁通為:

(1)

(2)

(3)

由此可得,三相纜芯電流在金屬外護套上產生的磁通為:

(4)

(5)

代入式(4),得:

(6)

故:

(7)

當B與P中心重合,kD=mS,D=nS,lD=R,即求解B相金屬外護套:

(8)

故:

(9)

當C與P中心重合時,lD=mS,D=S,kD=R,即求解C相金屬外護套:

(10)

故:

(11)

2.2 電壓限制器的要求

當高壓電力電纜段長增加后,發生單相接地短路、遭受雷電沖擊或接地設施失效時,電纜金屬護層感應電壓水平也會隨之大幅升高[7-8]。這就需要對電纜金屬護層絕緣水平、絕緣接頭絕緣水平和金屬護層電壓限制器保護水平提出新的要求。對此應設法重新組合保護器或者研制新型高性能保護器[9-11]。單芯電纜護套電壓限制器參數的選擇,應符合下列規定[7]。

(2) 在系統短路時產生的最大工頻感應過電壓作用下,在可能長的切除故障時間內,護套電壓限制器應能耐受。

(3) 最大可能沖擊電流累積作用 20 次后,護套電壓限制器不得損壞。

(4) 應考慮雷擊影響下電壓限制器的選擇及安裝要求。

3 增加段長對交接試驗的影響

電力電纜局部放電脈沖信號的寬度約為1～10 ns,放電源處高頻脈沖信號在電纜介質傳播中向兩側傳輸時,信號幅值會發生衰減現象,信號波形逐漸失真。由于表征局部放電脈沖信號本質的特征量瞬間即逝,或高速采樣檢測裝置采集到失真信號,會造成較大的測量誤差甚至得到錯誤的結論。

而這一現象在電力電纜增加段長后情況會越發嚴重。大長段中間的局放信號會出現嚴重的衰減失真現象,甚至局放信號無法進行檢測,出現局放死區。因此需對局放信號在同軸結構單芯高壓電纜中的傳播特性進行研究分析。

高壓交聯電纜屬于傳輸線的一種,在理想情況下可被視為均勻傳輸線。由于電纜的局部放電信號含有高頻分量,其波長與其長度相比非常短,因此在構建線路模型時要用分布參數線路模型來表示,如圖2所示。不僅要考慮線路的電阻和電感,還要考慮導線之間的電導和電容。在分布參數電路理論中,均勻傳輸線的原始參數以每單位長度上的線路參數表示,用分布電容C0來反映沿傳輸線周圍空間的電場的儲能特性,單位為f;用沿線的分布電感L0來反映沿傳輸線周圍空間分布的磁場的儲能特性,單位為h;用沿線的分布電阻R0來反映由于電流流過金屬導體而引發的熱損耗現象,單位為Ω;用線間的分布電導G0來反映由于分隔傳輸線和地平面的介質阻抗有限而引起的衰減,單位為Ω-1。在距傳輸線始端x處取微分長度dx,整個均勻傳輸線可視為由無限多個這種微分端等效參數模型級聯而成,如圖2所示。

圖2 單位長度傳輸線的分布參數等效模型Fig.2 Equivalent model of distribution parameter of unit length transmission line

這4個參數是表征傳輸線特征的最基本參數,被稱為一次參數。電纜的傳輸特性實質上就是由4個基本參數決定。通過對4個基本參數可推導特性阻抗ZC,單位為Ω,表示無限長均勻傳輸線上任一點的行波電壓和電流之比。

(12)

由上式可知,特性阻抗與傳輸線的一次參數和傳輸信號的頻率有關,傳輸不同頻率信號時傳輸線的特性阻抗不同。又可知,傳輸線的特性阻抗是一個復數,其絕對值的大小等于行波電壓和電流的絕對值之比;幅角的大小等于電壓和電流的相位差,將ZC寫成向量形式為:

(13)

ZC由幅值和相角兩部分組成。特性阻抗反映傳輸線上某一點的特性,而對于均勻傳輸線而言,信號在傳輸線上傳播的規律與特點,需用傳輸線的傳輸系數γ來表征,其定義為:

(14)

在傳播系數γ中,包含兩部分的信息:傳輸損耗常數α和傳輸相移常數β。傳輸線上行波電壓與電流的傳輸規律,可由下式表示,即長度為l的傳輸線的傳輸方程:

U0=Uie-γl=Uie(-α+jβ)l

(15)

I0=Iie-γl=Iie-(α+jβ)l

(16)

局部放電脈沖信號因其含有豐富的頻率成分,可看作是由無數不同頻率的正弦(或余弦)信號疊加組成。對于頻率為f的信號,長度為l的電纜傳輸方程中具有物理意義的實部可改寫為:

(17)

式中:v為信號傳播的速度,v=2πf/β。

設電纜中信號從源點傳播到任一點P的距離為r,則電纜中任何一點P的局放脈沖中頻率信號的傳播特性關系式為:

(18)

α取決于電纜的一次參數,且總為正數,所以傳播距離越長,信號的幅值U0越小,說明信號沿電纜傳播時總有衰減,且按指數規律衰減。在同一傳播距離下,傳播衰減隨信號頻率增大而增大,又由于不同頻率信號傳播速度不同,各頻率信號傳播至同一點處存在時間差,導致包含豐富頻率分量信號的局部放電脈沖在傳播一定的距離后,波形發生明顯畸變,表現為幅值下降,并不再具有陡峭的上升沿和下降沿。

經理論計算和仿真分析,得出局放信號脈沖傳播800 m后,其幅值只是注入信號的幅值的39%;電纜長度越長,則測得脈沖的幅值越小,而脈沖寬度隨電纜長度變長而變寬。這就對增加段長后交接試驗中局放測量工作帶來了新的挑戰。需根據增加段長后的局放信號傳播衰減、畸變情況,改進局放信號補償算法。與此同時,提出一種基于新型傳感器的適用于大長段電纜局放信號測量方法是解決該問題的根本。

4 增加段長對運維的影響

(1) 落實安全防范手段。根據增加段長后電纜正常運行時可能出現的最大護層感應電壓、金屬護套兩端懸浮后出現的懸浮電位數值,提出大長段電纜在運檢工作流程、標示標牌布置、操作注意事項等方面的規范要求,防止護層感應電壓危害人員和設備安全。

(2) 建立在線監測系統2.0。由于增加段長后電纜金屬護層感應電壓偏高,易產生打火現象,火災的隱患系數較高。建議針對該情況設置接地環流、接觸式溫度、點陣式溫度、水位、氣體等在線監測系統,形成一套基于物聯網技術的大長段電纜在線監測方法[12-13]。

(3) 完善大長段電纜在線檢測技術方案。根據電纜段長增加對護層感應電壓和接地電流檢測、局放檢測、終端紅外測溫、接地電阻檢測的影響分析,對各項帶電檢測的現場實施流程、檢測判斷標準進行改進[14-19]。

5 國內高壓電纜增加段長應用案例

調研結果顯示,南京秋藤—高旺線路工程為全國范圍內首次敷設220 kV 1450 m的電纜工程。該工程于2017年3月17日正式開工, 6月11日結束,歷時87個工作日。其電纜參數如表1所示。

表1 電纜參數表Tab.1 Power cable diagram

根據該工程臨時搭接系統接線方案,臨時搭接線路作為500 kV秋藤變變壓器啟動充電電源輸送容量約50 MV·A,另作為“臺積電”負荷備用電源線路,其輸送容量約10～15 MV·A左右。線路輸送電流較小,最大僅為131 A。

該工程5～10 a后的系統短路水平為24.3 kA,事故情況下單相接地短路時,電纜金屬護套產生的短路感應電壓應考慮地電位升高的影響。該工程為試點工程,考慮到工程遠景更有利于改裝為交叉互聯接地方式,該工程中在全線1/3處進行金屬護套開斷,做分段接地確保電纜金屬護套熱穩定要求。利用本中上述計算公式對正常運行時最大負荷和系統單相短路情況下電纜金屬護層感應電壓進行計算,結果如表2所示。

表2 電纜金屬護層感應電壓計算結果Tab.2 Calculation results of inducedvoltage of cable metal sheath kV

由表2可知,在南京秋藤—高旺線路正常運行最大負荷時,不同的敷設方式下其外護套感應單壓均小于50 V,滿足GB 50217—2007中相關要求,該計算數據證明了高壓電纜增加段長技術在設計上的可行性,同時也為工程的順利實施和投運提供了理論基礎。該工程與常規工程的比較情況如表3所示,其中以往工程為3段電纜400 m/盤、2組接頭、2組終端,而南京秋藤—高旺線路為3段電纜1450 m/盤、無接頭、2組終端。

表3 南京秋藤—高旺線路與常規工程比較情況Tab.3 Comparison of Qiuteng—Gaowang project and conventional project

由表3可以看出,南京秋藤—高旺220 kV線路與常規工程相比較,其特點體現在以下方面:

(1) 與常規工程相比,南京秋藤—高旺220 kV線路工程中電纜盤長和總重量的增加對運輸條件、施工設備和人員配備提出了更高的要求。

(2) 該工程中由于電纜接頭數量的減少,縮短了約40%的施工工期,節省了約66萬元物資投資。

(3) 該工程中由于電纜接頭數量的減少,有利于大幅提高該條線路運行的可靠性。

該工程投運后會進一步對已投運的秋藤—高旺大長段電纜進行數據采集,定期采集護層感應電壓、局放信號、接地環流等關鍵運行數據,以校驗正常運行情況下增加段長后靜電感應和金屬護套感應電壓計算結果,持續積累相關運行經驗。

6 結語

電力電纜增加段長可有效提高電纜運行可靠性、縮短工程工期、降低物資投資，但對電力電纜設計、生產、試驗、運維等環節都提出了新的要求和挑戰。通過以上分析和應用可以得出:其他條件不變的情況下,電力電纜增加段長后金屬護層感應電壓會隨之上升。但需滿足GB 50217—2007要求。感應電壓的上升對金屬護層絕緣水平、絕緣接頭絕緣水平和金屬護層電壓限制器保護水平提出新的要求。電力電纜增加段長后,如何解決因局放信號衰減、畸變造成的電纜中間段“局放死區”的問題,成為了一個難題，對線路運維安全和檢測方法提出了更高的要求。

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