變電站220kV電力電纜的選型研究

高 力

（智方工程設(shè)計(jì)有限公司上海第二分公司，上海 200082）

220kV戶內(nèi)變電站的高壓配電裝置進(jìn)線間隔至主變壓器可采用電纜連接，該處電纜選型影響著供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，這使得該處電纜選型尤為重要。文章從220kV電力電纜的導(dǎo)體材質(zhì)、芯數(shù)、絕緣層與護(hù)層材料、絕緣水平的選擇入手，重點(diǎn)討論按載流量、熱穩(wěn)定、允許電壓損失選取截面積，最后介紹護(hù)層接地和電纜敷設(shè)等相關(guān)問題。同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，給工程技術(shù)人員對高壓電力電纜的選型提供了思路和參考。

某用戶A變電站220kV變壓器150MVA，變比為220/35kV，環(huán)境最高溫度為40℃，主變高壓側(cè)采用電纜連接，采用在電纜支架中敷設(shè)，下文中的相關(guān)計(jì)算值均在此例基礎(chǔ)條件下進(jìn)行。

1 導(dǎo)體材質(zhì)和芯數(shù)的選擇

高壓電力電纜導(dǎo)體一般采用銅芯電纜，鋁芯現(xiàn)已很少采用。110kV以上三相供電宜采用單芯電纜；變電站220kV電力電纜宜采用單芯銅導(dǎo)體電纜。

2 絕緣層、內(nèi)護(hù)層材料和絕緣水平的選擇

變電站內(nèi)220kV高壓電力電纜絕緣材質(zhì)一般采用交聯(lián)聚乙烯。考慮到渦流效應(yīng)的影響，護(hù)層應(yīng)選用非磁性的金屬鎧裝層，通常采用皺紋鋁套或者鉛套，其中鉛套應(yīng)用鉛合金制造。個(gè)別有特殊要求的也可采用銅護(hù)套。

電纜的絕緣水平由額定電壓體現(xiàn)，該電壓是電纜設(shè)計(jì)、選型、試驗(yàn)的基準(zhǔn)電壓。工程中常用的220kV高壓電力電纜絕緣水平如表1所示。

表1 220kV高壓電力電纜絕緣水平 單位：kV

一般變電站在電纜層或電纜溝中敷設(shè)的主變高壓進(jìn)線電纜可使用YJLW03型。

3 電纜導(dǎo)體截面選擇

3.1 按載流量選擇導(dǎo)體截面

按載流量選擇電纜截面的算式如下：

式中：Ig為電纜長期持續(xù)工作電流（或稱為回路最大工作電流），A；K為綜合校正系數(shù)；Ixu為標(biāo)準(zhǔn)條件下的載流量。

即選擇電纜的實(shí)際情況載流量要大于等于回路最大工作電流。而回路最大工作電流可由式（2）計(jì)算：

考慮主變過負(fù)荷系數(shù)為1.05。由式（2）可計(jì)算出A變電站中主變220kV回路最大工作電流≈394A。

若電纜在支架中敷設(shè)，則式（1）中的綜合校正系數(shù)K可分解為式（3）：

式中：Kt為溫度校正系數(shù)；K1為在空氣中支架上敷設(shè)系數(shù)；Ka為無遮陽校正系數(shù)。

對于 A變電站，Kt=0.95，K1=0.98，Ka=1，則K=0.95×0.98×1=0.93。代入式（1）可得=424A。

查電纜載流量表，220kV單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套電力電纜允許載流量如表2所示。

表2 220kV單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套電力電纜允許載流量

綜合考慮國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)廠家的制造情況，截面一般≥400mm2，可取截面積S=400mm2。

3.2 按熱穩(wěn)定選擇導(dǎo)體截面

（1）熱穩(wěn)定算式。按載流量選擇電纜導(dǎo)體截面后，一般還需進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)。通常在中性點(diǎn)導(dǎo)體選擇，站用變高壓側(cè)導(dǎo)體選擇，容量不大的高壓變壓器、高壓側(cè)導(dǎo)體選擇時(shí)，熱穩(wěn)定是選擇導(dǎo)體截面的控制因素。

電纜導(dǎo)體截面，由式（4）計(jì)算：

式中：S為電纜導(dǎo)體截面，mm2；Q為熱效應(yīng)；C為熱穩(wěn)定系數(shù)。

Q的計(jì)算方法在變電站和發(fā)電廠中不同性質(zhì)的回路算式是不同的，對于變配電站熱效應(yīng)可按式（5）計(jì)算[1]：

式中：I為系統(tǒng)電源供給短路電流的周期分量起始有效值，A；t為短路持續(xù)時(shí)間，s。

（2）短路電流。短路電流應(yīng)選取遠(yuǎn)景年，該值可由計(jì)算得出。遠(yuǎn)景短路電流若難以計(jì)算，系統(tǒng)側(cè)的短路電流可選取該地區(qū)規(guī)定的最大短路電流或斷路器的遮斷容量。遠(yuǎn)景A變電站220kV母線最大短路電流有效值可按50kA考慮。

（3）短路持續(xù)時(shí)間。短路持續(xù)時(shí)間由保護(hù)動(dòng)作時(shí)間加斷路器開斷時(shí)間（全分閘時(shí)間）組成。對電動(dòng)機(jī)、低壓變壓器等直饋線，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；其他情況，宜取后備保護(hù)時(shí)間[1-2]。主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間等于設(shè)定延時(shí)時(shí)間加保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。主保護(hù)一般不設(shè)延時(shí)，即設(shè)定延時(shí)時(shí)間為0s。而現(xiàn)在保護(hù)基本均采用微機(jī)保護(hù)，其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為30～40ms，則主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為40ms以內(nèi)。斷路器開斷時(shí)間可由廠家資料得出，若無廠家資料或在方案設(shè)計(jì)階段，一般對高壓慢速斷路器可取0.2s，中速斷路器可取0.15s，快速短路器0.1s以下。變電站A采用的220kV GIS設(shè)備，由廠家資料得出斷路器開斷時(shí)間不大于60ms。綜合考慮A變電站該處電纜熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)短路持續(xù)時(shí)間取0.1s。

（4）熱穩(wěn)定系數(shù)。熱穩(wěn)定系數(shù)C值可以通過計(jì)算法和查表法得出。計(jì)算法算式如下[1]：

式中：相關(guān)參數(shù)可見文獻(xiàn)[1]。

除電動(dòng)機(jī)饋線回路均可取θp=θH，對于A變電站220kV主變進(jìn)線電纜在進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，取η=1，J=1，K=1.05，q=3.4J/（cm3·℃），α=0.00393/ ℃，ρ=0.01724×10-4Ω·cm3/cm，θm=250℃，θp=θH=90℃，代入式（6）可得C=138.42。

使用查表法取熱穩(wěn)定系數(shù)在文獻(xiàn)[3]中有相關(guān)描述，在工程的方案設(shè)計(jì)階段和估算時(shí)較為適用。對于銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜C可取137[3]。和計(jì)算法得出的值雖有差別，但較為接近。

（5）按熱穩(wěn)定選擇結(jié)果。代入上文所取參數(shù)的結(jié)果，C值分別代入計(jì)算法的138.42和查表法的137，A變電站220kV主變進(jìn)線電纜按熱穩(wěn)定選擇結(jié)果如下：

綜合考慮國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)廠家的制造情況，取S=400mm2，滿足熱穩(wěn)定校驗(yàn)。

3.3 按允許電壓損失選擇導(dǎo)體截面

三相交流電壓損失的百分?jǐn)?shù)算式：

式中：ΔU%為允許電壓損失百分?jǐn)?shù)；L為電纜長度，km；r為電纜每公里電阻，Ω/km；x為電纜每公里電抗，Ω/km；cos為功率因數(shù)。

一般對供電距離較遠(yuǎn)、容量較大的電纜線路需校驗(yàn)電壓降，并且電壓降有可能成為決定截面因素，而變電站內(nèi)高壓電力電纜通常較短，一般按載流量和熱穩(wěn)定選出截面可很好地滿足允許電壓損失要求。

4 電纜護(hù)層接地

單芯電纜在正常運(yùn)行時(shí)，會有磁力線通過金屬護(hù)層或金屬屏蔽層，使其兩端出現(xiàn)感應(yīng)電壓。如果僅將金屬護(hù)層或屏蔽層兩端直接接地，則會在電纜的金屬護(hù)層或屏蔽層形成環(huán)流，從而引起發(fā)熱，降低電纜實(shí)際載流量，加速電纜絕緣老化。為避免這一問題，單芯電纜金屬護(hù)層一端必須直接接地；又為了限制護(hù)層上的過電壓，要讓電纜金屬護(hù)層或金屬屏蔽層末端在沖擊下接地，則需在電纜另一端金屬護(hù)層或金屬屏蔽層和大地間接過電壓限制器。

變電站內(nèi)高壓電力電纜通常長度為幾十米至一百多米之間，電力電纜一般采用一端護(hù)層直接接地，一端經(jīng)過電壓保護(hù)器接地。而直接接地的優(yōu)先級一般為架空線＞GIS＞主變。則A變電站可采用主變進(jìn)線GIS端直接接地，主變端經(jīng)過電壓限制器接地，如圖1所示。

圖1 變電站內(nèi)220kV電纜護(hù)層接地示意圖

5 電纜敷設(shè)

在電纜選型時(shí)應(yīng)考慮電纜敷設(shè)情況，即是否存在施工困難、對載流量和通信線路的影響、敷設(shè)環(huán)境對絕緣和護(hù)套層的要求等。這就要考慮電纜的轉(zhuǎn)彎半徑、間距、路徑、電纜類型等。

電纜的轉(zhuǎn)彎半徑若有廠家資料，應(yīng)按廠家建議值考慮，若無相關(guān)資料，高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜應(yīng)考慮至少20倍的電纜外徑。電力電纜若水平敷設(shè)時(shí)電纜間凈距宜不小于1倍電纜外徑，三角形敷設(shè)時(shí)可緊挨布置。由于轉(zhuǎn)彎半徑的影響通常將高壓電力電纜敷設(shè)在電纜層電纜支架的最下層，同時(shí)盡可能地遠(yuǎn)離通信線，以降低對其干擾。變電站內(nèi)的高壓電力電纜選用阻燃型，有特殊要求時(shí)可采用耐火型電纜。

6 結(jié)束語

文章介紹了變電站220kV電力電纜的選型方法。建議變電站內(nèi)220kV電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯阻燃電纜；變電站內(nèi)220kV電纜截面時(shí)選擇，應(yīng)綜合考慮載流量、熱穩(wěn)定、電壓降、國家標(biāo)準(zhǔn)和廠家制造情況等因素，還應(yīng)考慮電纜護(hù)層接地和電纜敷設(shè)等問題。