110 kV電纜排管敷設方式下增加段長設計研究

李長琪　殷延海　高森

摘? 要：隨著國內城市化進程的加快，采用電纜敷設逐漸成為城市電力通道的主要形式。目前傳統電纜設計段長有限，單位長度內電纜接頭數量相對較多，增加段長，減少電纜接頭是提高電纜線路供電可靠率的一項重要措施。該文主要研究電纜截面、電纜護層感應電勢、電纜制造、運輸、施工、運維等方面對排管敷設方式下的110 kV電纜段長的影響。為今后大長段電纜工程實際應用提供理論依據。

關鍵詞：電纜? 大段長? 排管? 研究

中圖分類號：TM75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）11（c）-0040-03

Research of Increasing Length of 110 kV Cable Laid in Pipes

LI Changqi? YIN Yanhai? GAO Sen

（State Grid Yangzhou Power Supply Company， Yangzhou， Jiangsu Province， 225000 China）

Abstract： With the acceleration of domestic urbanization， the use of cable has gradually become the main form of urban power channels. At present， the length of cable is limited. The number of cable connectors per unit length is relatively large. Increasing the section length and reducing the cable connectors is an important measure to improve the reliability of the power supply of the cable line. This article mainly studies the influence of cable cross-section， cable sheath induced potential， cable manufacturing， transportation， construction， operation and maintenance on the length of 110kV cable laid in pipes. This article provides some reference value for long lenth cable construction.

Kye Words： Cable; Long segment length; Pipes; Research

隨著國內城市化進程的加快，采用電纜敷設逐漸成為城市電力通道的主要形式。根據電科院統計信息，高壓電纜故障按照不同部位劃分，電纜終端、電纜接頭、電纜本體各占1/3左右，因此減少電纜接頭、增加段長是提高電纜線路供電可靠率的一項重要措施。110 kV及以上電纜排管敷設約占全部敷設方式的46%，因此有必要對110 kV電纜在排管敷設方式下大段長電纜設計進行研究，分析影響電纜分段長度的各種因素，采取相應的保障措施。

1? 影響分段長度的主要因素

對排管敷設方式下的110 kV電纜，影響其分段長度的主要因素有以下幾個方面。

（1）電纜截面：電纜截面的選擇直接關系到電纜制造、運輸、施工等因素。

（2）電纜制造：電纜生產廠家的生產線上構筑物的結構、設備設計荷載，廠房內的運輸通道直接影響電纜制造長度[1]。

（3）電纜運輸：影響電纜運輸主要有電纜運輸車輛、道路設計條件、實際運輸路線等方面。

（4）電纜護層感應電勢：隨著電纜段長增加，電纜護層感應電勢增大。電纜護層感應電勢包含正常運行感應電勢、沖擊電壓下的感應電勢和工頻短路時的感應電勢，要求在這幾種工況下均要滿足規程要求。

（5）電纜施工：排管敷設方式下的電纜施工相對于電纜溝、電纜隧道更為復雜，當電纜通道轉彎次數較多時，電纜敷設變得十分困難，甚至直接決定電纜分段長度。

2? 電纜截面選型計算

國內電纜載流量設計，通常采用IEC-60287計算公式，具體公式如下：

110 kV電纜在排管敷設方式下允許載流量的大小，與排管間距、電纜的布置形狀有著密切的聯系。排管內的電纜允許載流量一般都小于工井內電纜載流量。關于電纜載流量計算的文獻較多，在此不再贅述。

需要特別注意的是，N-1運行方式下計算的電纜允許載流量大于正常運行時載流量，而N-1方式下電纜載流量往往決定了電纜截面大小;此時不能只計算多回路運行方式下電纜載流量，并以此作為電纜截面選擇依據。以某110 kV工程為例，電纜型號為YJLW03-64/110kV-1×1000mm2，N-1方式下允許載流量1030A，雙回路時830 A。

3? 電纜制造

由于設計理念、生產能力的不同，導致電纜金屬護套的結構形式也不相同，歐洲廠家一般采取厚度較小的平滑鋁護套，其電纜外徑相對較小，日本及國內廠家一般采取波紋鋁護套，電纜外徑稍大。因此在同規格的電纜盤上，電纜外徑越小，其纏繞的電纜長度越長，從而給電纜運輸、裝卸帶來方便[2]。

電纜實際加工長度，取決于廠房的結構及尺寸（包括起吊設備所能承受的荷載）、廠房內各道工序之間的運輸轉場、生產設備所能承受的設計荷載等條件。目前國內廠家生產能力往往決定了500 kV電纜單段制造長度，不再是110 kV大段長電纜的制約因素。

4? 電纜運輸

目前陸纜的運輸主要依靠公路運輸，電纜運輸是否超限取決于電纜盤大小。根據《公路工程技術標準》三級、四級公路凈高4.5 m，考慮電纜盤上下留有空間，電纜盤直徑取4.2 m。根據《超限運輸車輛行駛公路管理規定》，車貨總寬度大于2.55 m為超限運輸車輛，取電纜盤最大寬度2.5 m可以滿足大部分道路寬度限制條件[3]。

電纜盤允許電纜長度計算公式：

L=n×π×c×（d_n+c_d）/1000，c=（d_w-d_n）/2d，n=0.95×（b-2b₁-2b₂）/d

式中：n為電纜圈數;c為電纜層數;dn為電纜盤內徑，mm;d為電纜直徑，mm;dw為電纜盤外徑，mm;? ? b為電纜盤總寬度，mm;b1為電纜盤架壁厚，mm;b2為電纜距離電纜盤內壁間隙，mm。

以某110 kV工程為例，dw=4 200 mm，dn=1 600，d=106.4 mm，b=2 500 mm，b1=85mm，b2=80 mm，計算得L=2 060 m。

電纜運輸方式有兩種，具體見圖1、圖2。

當電纜需要的長度小于L=2 060 mm時可以采用運輸方式一，當電纜長度大于時則采用運輸方式二，此時電纜盤外徑需要減小到4 000 mm。

當采用運輸方式一時，電纜盤寬度受限，電纜盤離地間隙較低，行車時在地勢起伏較大路段需要留意電纜盤底部的保護，避免電纜盤鎧裝。

當采用運輸方式二時，電纜盤寬度可以增加到? 4.1 m，電纜盤底部放置在掛車上，離地間隙較高，受損風險小。但電纜盤外徑減小到4.0 m（主要為了滿足大件超限運輸限寬、限高要求）。

5? 電纜護層感應電勢

5.1 正常運行感應電勢

當電纜線芯流過交變的電流時，會產生交變的磁場，同時會在電纜金屬套上感應出交變的電勢[4-5]，交流系統單芯電纜金屬套的正常感應電勢計算方法可按下式計算：

E_S=L×E_S0

式中：ES為感應電勢（V）;L為電纜金屬套的電氣通路上任意一部位與其直接接地處的距離（km）;ES0為單位長度的正常感應電勢（V/km）。

（1）電纜單、雙回路常規布置下的ES0計算方法在《電力工程電纜設計標準》（GB 50217-2018）[6]中有相應的計算公式。

（2）當電纜多回路或者非常規方式布置時，需要對任意排列下每相電纜金屬護套正常感應電勢ES0精確計算。一般采用電子表格或編程計算，下面就其計算原理進行描述：

Φr=2×10^-7×L_n（L/r_b）×I_xr，Φ_j=2×10^-7×L_n（L/r_b）×I_xj

E_S0r=ω×Φ_j，E_S0j=-ω×Φ_r

式中，Ixr為X相電流的實部（A）;Ixj為X相電流的虛部（A），rb為護套半徑（mm）;L為X相與護套距離（mm），當護套中心與相中心重合時，L=rb;ES0r為感應電勢實部;ES0j為感應電勢虛部。

如計算A1相護套正常感應電勢ES0時，只要將其余各相對A1相金屬護套的正常感應電勢實部、虛部分別累加即可。

5.2 沖擊電壓下的感應電勢

不接地端不加保護器時護層所受的沖擊電勢。

（1）金屬護套末端接地。

U_A=2U₀×Z₂/（Z₀+Z₁+Z₂）

式中，U0為沿架空線路側的雷電壓幅值進行波，Z0為架空線路波阻抗;Z1為電纜導體和金屬護層之間的波阻抗;Z2為電纜金屬護層與大地間的波阻抗。

（2）金屬護套首端接地。

U_A=-4U₀×Z₁/（Z₀+Z₁）×Z₂/（Z₁+Z₂+Z_f）

式中，Zf為負載波阻抗。

實際計算時，需要考慮架空與電纜連接端加裝避雷器情況，并考慮電纜外護層運行多年后絕緣性能下降，不接地端一般均加裝護層保護器。

5.3 工頻短路時的感應電勢

工頻短路時的感應電勢計算分電纜金屬護套一端接地和交叉互聯接地兩種情況。

對于電纜金屬護套一端接地，主要有接地電流全部以大地為回路、接地電流全部以回流線或金屬套為回路、接地電流一部分以大地為回路3種方式。

由于此段內容較多，在此不再贅述，可以參照相關書籍。

5.4 護層保護器選型

以某110 kV工程為例，正常運行時非直接接地端感應過電壓為141.84 V，滿足“采取能有效安全措施時，正常感應電壓不得大于300 V”的規定。

按照遠景單相接地短路電流28.97 kA計算，電纜短路故障工頻感應過電壓為6.54 kV，小于護層保護器工頻耐受過電壓9 kV。

護層保護器8/20 μs，10 kA雷電沖擊電流殘壓峰值20 kV，小于電纜外護層沖擊耐受電壓峰值? ? ? ? ?37.5 kV/1.4=26.78 kV的數值。

6? 電纜施工

電纜敷設時其牽引力與側壓力不允許超過電纜的最大允許限值。電纜線路的牽引力和側壓力計算可以參照《城市電力電纜線路設計技術規定》[7]。

排管敷設方式下的電纜施工相對于電纜溝、電纜隧道更加困難，當電纜通道轉彎角度較大、轉彎次數較多時，大段長電纜可能無法敷設。因此在設計時要十分重視大段長電纜的施工。在施工布置電纜盤時要盡量將轉角井放在牽引的末端，以減小轉彎段的側壓力。

某110 kV工程，電纜敷設時牽引力計算結果需要64 kN，電纜允許牽引力70 kN;轉角井側壓力? ? ? ? ? ? ? ?1.57 kN/m，允許側壓力3 kN/m。

7? 運行維護

大段長電纜設計需考慮在線監測裝置以方便運行，建議安裝護層過電壓限制器動作自動記錄儀、分布式光纖測溫、金屬護套感應電壓和接地電流監測、回流線電流監測、在線局放監測、電纜故障電流在線監測等裝置。并采用可靠的專用雙電源布置，具備自動投切功能。

當電纜單段長度較長時，其最大護層感應電壓較高，在運行檢修時，要事先制定工作流程、標示牌布置、操作注意事項等規范要求，防止護層感應電壓危害人員和設備安全。

8? 結語

（1）增加電纜分段長度可以減少電纜接頭故障率。

（2）大段長電纜的設計、施工目前并不成熟，需要在電纜截面選型、制造、運輸、護層感應電勢、施工等方面詳細考慮。

（3）大段長電纜的護層感應電壓較高，運檢時要特別注意人身和設備安全。

參考文獻

[1] 文麗.500kV交流超高壓大截面電纜分段長度的選擇[J].低碳世界，2017（35）：92-93.

[2] 趙軒，張蕾，黃磊，等.基于多層磁場的大長段電纜護套感應電壓精確計算方法[J].電氣自動化，2020，42（2）：76-79，112.

[3] 譚笑，陳杰，李陳瑩，等.高壓電力電纜增加段長關鍵技術研究展望及應用[J].電力工程技術，2018，37（3）：91-96.

[4] 王冉冉，張改玲.電纜排列方式對金屬護套感應電壓的影響[J].科技資訊，2019，17（7）：39-40.

[5] 官志民.電力電纜絕緣擊穿問題原因分析及探討[J].科技資訊，2019，17（33）：55，57.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.《電力工程電纜設計標準》（GB 50217-2018）[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[7] 中華人民共和國能源局.《城市電力電纜線路設計技術規定》（DL/T 5221-2016）[S].北京：中國計劃出版社，2016.

作者簡介：李長琪（1975，4—），男，漢族，江蘇揚州人，本科，工程師，主要從事電力線路設計和電力電纜研究工程。

殷延海（1974，8—），男，漢族，江蘇揚州人，本科，助理工程師，主要從事電力線路施工。

高森（1992，6—），男，漢族，江蘇揚州人，碩士，工程師，主要從事電力線路設計。