敦化抽水蓄能電站500 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜工程設計

馬信武,訾士才,張 悅,王理曉

（1. 吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.北京勘測設計研究院有限公司，北京100024；3.青島漢纜股份有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

吉林敦化抽水蓄能電站位于吉林省敦化市北部小白林場，距敦化市直線距離約70 km，距吉林市120 km，距長春市220 km。電站總裝機容量為1 400 MW，單機容量350 MW。本電站按500 kV一級電壓接入系統，出線一回，送至吉林東500 kV變電站，線路全長約115 km，導線型號采用4×LGJ-400。電氣主接線為發電機變壓器組合采用聯合單元接線，共組成2個聯合單元；500 kV高壓側為2進1出，采用三角形接線。

2 500 kV電纜設計條件

根據電站主接線設計，每回引出線的輸送容量按2臺主變容量840 MVA考慮，持續額定電流達970 A。

根據電站樞紐布置，電纜出線長度較長，兩回高壓電纜長度分別為1 480 m和1 546 m，電纜出線洞高差約87.7 m，安裝有一定困難。為確保電纜運行安全可靠，有良好的電氣和機械性能，便于安裝和維護，電纜不設置中間接頭。

500 kV電纜從地下主變洞▽619.60 m層，沿約183 m的出線下平洞、約970 m的通風兼出線廊道、225 m的出線上平洞，引到地面GIS開關樓與地面GIS連接。500 kV電纜在出線下平洞、通風兼出線廊道、出線上平洞內靠內側墻敷設兩回3根單芯電纜，電纜出線洞高差約87.7 m。

500 kV地下GIS在主變洞619.60 m高程設置2套GIS/電纜連接元件；500 kV開關站GIS室內地下一層（707.30 m高程）為500 kV電纜層，首層為GIS室（712.25 m高程），室內設有3個間隔，均為斷路器間隔，主要元件有斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器和GIS/電纜連接元件；500kV開關站出線場出線一回，布置GIS出線套管、電容式電壓互感器和避雷器等。一回架空線路由出線場出線架引到線路終端塔，再經500 kV輸電線路引至500 kV吉林東變電站。

3 500 kV電纜的特點

吉林敦化抽水蓄能電站的高壓電纜單根長度達約1 500 m。日本VISCAS在20世紀90年代末，曾經提供過單根1 800 m長度的電纜用于日本新京葉-豐洲的輸電項目中，截至2021年底國內尚無制造運行業績。不設中間接頭既可以避免增加故障點的情況發生，也可以提高高壓電纜運行的可靠性，同時也節約了電纜中間接頭的投資。

3.1 主要技術參數

型式：單相、銅導體、交聯聚乙烯（簡稱XLPE）絕緣的500 kV電力電纜

額定電壓（UO/U） 290/500 kV

輸送容量 840 MVA

持續額定電流 970 A

額定短時耐受電流 63 kA（有效值）

額定短時耐受電流持續時間 2 s

額定單相短路電流 50 kA（有效值）

額定單相短路電流持續時間 2 s

額定峰值耐受電流 160 kA（峰值）

絕緣水平

額定雷電沖擊耐受電壓（熱狀態）

1 675 kV（峰值）/±10次

額定操作沖擊耐受電壓（熱狀態）

1 240 kV（峰值）/±10次

3.2 電纜結構與材料

導體采用圓形五分割導體。銅導體標稱截面800 mm2。導體屏蔽層由半導電包帶和擠包的半導電體化合物層組成。緊靠絕緣層的那一層與絕緣層一起擠壓形成，材料采用超光滑半導電材料。絕緣層由一層擠包絕緣組成，材料為超純凈交聯聚乙烯（XLPE）。絕緣屏蔽層由一層擠包半導電化合物和一層半導電帶適當搭接繞包在擠包的半導體化合物上組成。緩沖層由半導電緩沖阻水帶和銅線編織纖維帶組成。金屬套采用鋁套，型式為焊接皺紋。外護套采用擠壓成型的阻燃PE材料。圖1為電纜的結構圖。

圖1 電纜結構圖

3.3 電纜終端

敦化電站的電纜終端兩端均與GIS設備連接，封閉在SF6氣體中，對終端的電氣特性要求與電纜本體相同，并且要求終端能適應垂直和水平安裝。敦化電站的電纜終端為干式結構，由XLPE電纜、環氧預制件、應力錐等部件組成。結構中采用彈簧頂緊結構，可以保證應力錐和電纜界面、應力錐和環氧界面可靠接觸，并在壽命區間內保證穩定界面壓力。電纜GIS終端安裝于GIS開關站與主變洞內，護層保護器安裝于金屬套保護接地側，金屬套多點接地裝置安裝于金屬套直接接地側，在GIS開關站與主變洞內電纜分別做預留段。

圖2 電纜終端結構圖

4 電纜電氣設計

根據敦化抽水蓄能電站的樞紐布置進行實際測量后，同時留有足夠長度的預留段，兩回高壓電纜長度分別為1 480 m和1 546 m。每根電纜為整根，中間不設置接頭，這樣的要求國內尚屬首次，對于電纜的電氣設計帶來一定影響。

4.1 感應電壓計算

本工程高壓電纜單根長度大、輸送負荷大，電纜金屬護套中的感應電壓較高。根據《高壓電纜線路》相關公式：

圖3中P表示單芯電纜的金屬護套，可以把它看成1根和三相線芯A、B、C平行的導體。這4根導體相互間的中心距離仍以比率表示，即線芯AB、BC和CA之間的中心距分別為S、mS和nS；導體P與線芯A、B、C之間的中心距分別為D、βD和γD。導體P與線芯電流IA間的磁通按電工原理為：

圖3 單芯電纜金屬護套至各相線芯之間的中心距離表示法

式中GMRp——導體P的幾何平均半徑，其單位和D相同；

同樣，導體P與線芯電流IB間的磁通為：

導體P與線芯電流IC間的磁通為：

因此導體P與A、B、C三相線芯間的磁通總和為：

現可假設導體P逐漸移近至線芯A，甚至和A同心，即成為A相電纜的金屬護套。此時βD=S，γD=nS，又按照圓周和圓周內任一點的幾何平均距離即是它半徑的法則，有D=GMRp=GMRg，于是上式可改寫成：

式中GMRg——金屬護套的幾何半徑。

現假定三相線芯電流是平衡的，即：

將此三相電流代入上述A相線芯磁通公式后得

由此可得出A相金屬護套上的縱向感應電勢為

當導體P移到線芯B和其同心時，即得

當導體P移到線芯C和其同心時，即得

對于不同的電纜排列方式，m、n值取值如下：

圖4 電纜不同排列方式的m、n取值

根據上述公式，計算得出的金屬護套感應電壓如表1。

表1

4.2 電纜布置方案

采用適宜的電纜布置方案以及敷設回流線，可以有效降低金屬護層感應電壓，提高系統可靠性。

本工程初步考慮的高壓電纜布置方案為常用的垂直排列，但由于高壓電纜長度較長，采用垂直排列方案的金屬護套感應電壓雖滿足GB50217規范要求，仍然相對較高。經換位雖可一定程度降低感應電壓，但效果不明顯，且對于電纜布置存在一定困難。

因此，對于采用品形排列方案進行了進一步分析。

采用品形緊密排列方案：

圖5 高壓電纜品形緊密排列方案

此種方案雖可取得最小的感應電壓，但經分析存在以下缺點：

①電纜如發生特殊故障（如爆炸、失火等），三相緊密布置會對其他兩相造成直接影響；

②運行中三相緊密布置在一起會一定程度影響電纜的散熱；

③緊密布置不便于將來對電纜的檢修、維護等工作。

因此，考慮采用感應電壓適中、布置更為適宜的品形分層布置方案。

而采用品形分層，共有圖6、圖7 2種常規布置方案。

圖6 品形分層正三角排列

圖7 品形分層倒三角排列

采用圖6的品形分層正三角方案，存在以下缺點：

①回流線需使用吊具吊于上層橫擔下部，固定方式不如倒三角布置牢靠；

②如需對布置于下層內側的電纜進行維護或更換時，需拆除外側電纜及回流線，增加工作量；且拆除本不需更換的電纜，對于電纜系統本身亦不利；增大兩層支架之間的間距又會更多的占用土建空間。

綜上所述，經各種方案對比分析，最終確定采用品形分層倒三角布置方案。

圖8 品形分層倒三角排列

5 電纜敷設

敦化抽水蓄能電站出線系統為出線下平洞、通風兼出線洞、出線上平洞，雖無垂直落差較高的豎井，出線洞高差約87.7 m，但由于單根電纜長度較長、重量較大，因此對于敷設安裝會帶來一定復雜性。

圖9 電纜敷設路徑示意

從地下主變洞第二層619.60 m下游側電纜終端開始，兩回高壓電纜分別沿2條約20 m長的出線支洞、1條約183 m長的出線下平洞、約970 m的通風兼出線洞和約225 m長的出線上平洞引到地面GIS開關樓的電纜夾層，再與地面GIS連接。

5.1 電纜敷設專用工具

（1）電纜盤起吊橫擔

由于本工程采用電纜盤重量重、體積大，卸車吊裝到位時要用專門的起重橫擔，且起吊點要正確，避免索具受力壓傷電纜。

圖10 電纜盤吊裝示意圖

（2）液壓牽引機

本工程電纜截面大，路徑較長，采用液壓牽引機動力穩定可控、電纜敷設速度可控，在電纜敷設過程中能有效的保證電纜不會因牽引力過大而損傷電纜。在以往類似電纜工程中使用，證明安全、可靠并能提高施工效率。

（3）電纜牽引

電纜敷設方案使用液壓牽引機牽引和電纜敷設機相結合的敷設方法。在電纜盤展放、電纜路徑直線段和轉彎不急的部分，考慮采用液壓牽引機牽引的辦法進行電纜展放和敷設。本工程電纜端部廠家加工有牽引頭，牽引繩直接掛在牽引頭上。牽引繩應通過能消扭的活節（俗稱老鼠仔）與電纜頭連接，嚴防電纜扭曲。牽引電纜用的鋼絲繩，安全系數宜取4～9，且不能有扭折。

圖11 電纜牽引頭

（4）電纜敷設機

使用電纜敷設機輔助液壓牽引機進行電纜敷設施工。敷設機對電纜徑向夾緊力可自行調整。

（5）電纜盤架設

在始端電纜盤處采用布置電纜敷設機。主要考慮電纜盤很重，盤動電纜盤需要較大的牽引力，所以此處應放置敷設機；其次，由于電纜盤較高，架起高度一般在4 m以上，為了使敷設機的用力方向與電纜平行，敷設機必須斜著固定在專門搭設的坡形架子上。另外電纜盤兩側盤沿應用厚木板設置“剎車”裝置。

圖12 電纜盤架設示意圖

5.2 電纜敷設方案

根據本工程現場環境，擬定敷設方案如下：

（1）出電纜盤及上部電纜夾層位置的敷設

電纜盤放置在GIS開關樓旁，搭建臨時放線平臺； GIS終端安裝需預留。電纜夾層內敷設路徑設置電纜輸送機4臺、在整個電纜走廊上導向滑輪約1.5 m放置1個，人力或機械牽引電纜至輸送機上。

（2）出線洞及主變洞的敷設

電纜沿出線支洞、出線下平洞、通風兼出線洞和出線上平洞引到地面GIS開關樓的電纜夾層，GIS終端安裝需預留15 m。該段路徑在直位段每間隔30 m布置一臺電纜輸送機、每間隔3 m布置一個直線滑輪；在轉彎位合理布置轉彎輪，并可靠固定。根據現場實際環境在電纜廊道內蛇型敷設，電纜進入GIS開關樓處布置1套（正架，反架）半徑為3 m的電纜導向架。

（3）回流線敷設

隨電纜路徑敷設回流線，用夾具固定，在指定位置接地。

（4）其他敷設措施

控制電纜的敷設速度不大于6 m/min。電纜走廊在直線部分每隔3 m左右需布置直線滑輪，在走廊的轉彎位置需布置轉彎滑輪。

電纜盤安裝有效剎車裝置，并將電纜內出頭固定，在電話暢通后方可空載試車；敷設電纜過程中保持電話暢通，如失去聯系立即停車，電話暢通后繼續敷設。

電纜當盤上剩約2圈時立即停車，在電纜尾端捆好繩，用人牽引緩慢放下，嚴禁線尾自由落下，防止摔壞電纜和彎曲半徑過小。

6 電纜運輸

本工程電纜單根最長長度1 546 m，經計算，電纜盤尺寸為4 200 mm×5 900 mm×4 200 mm（長×寬×高），單盤電纜總重量約41.5 t。采用低板車汽運方式，擬采用的運輸設備見表2。

表2

圖15 電纜包裝示意圖

圖16 電纜運輸圖

7 結語

吉林敦化抽水蓄能電站總長度超過9 000 m的500 kV電纜的結構、電氣設計已全部完成，并已于2020年8月份敷設安裝完成，2020年12月投入運行，1年以來運行狀況良好。

吉林敦化抽水蓄能電站為國內單根500 kV電纜最長的大型抽水蓄能電站，在電纜結構、電氣設計過程中經深入研究，基本克服了超長干式電纜帶來的感應電壓、排列布置、現場敷設、交通運輸等問題，標志著國產高壓電纜系統已達到世界先進水平，對于后續工程具有一定的借鑒意義。