電力系統中高壓電纜輸電線路設計分析

山東電力工程咨詢院有限公司 魏烈強

1 引言

為滿足社會經濟發展對電力能源的需求，我國近年來不斷加大高壓輸電線路工程的建設。輸電線纜設計則是電力系統高壓電纜項目中的基礎性工作，設計方案的合理性和可行性直接關系高壓輸電線路運行的安全性和可靠性。因此，在設計實踐中，設計人員應充分了解相關地區的環境條件以及用電需求等相關實際情況，不斷優化設計方案，確保輸電線路路徑設計合理、線纜質量性能以及敷設方案能夠滿足高壓輸電線路安全運行要求，并要做好線路的連接、接地以及防雷處理，提高線纜基礎結構設計的科學性，從而為我國高壓輸電電纜線路工程的建設創造良好的前提條件。

2 高壓輸電電纜線路設計工作主要內容分析

設計人員在高壓輸電線路線纜設計工作中，應嚴格遵守電力系統相關設計規范要求，準確掌握其特點以及電纜線路的設計標準，加強對各種設計影響因素的研究。同時，設計人員應全面詳細勘查高壓輸電線路相關地區的地形地貌條件、環境特征以及氣候變化等情況，以此為依據開展可行性分析以及對各項設計參數的計算[1]。在設計過程中，設計人員應合理確定線路路徑、線纜型號以及敷設方式，并要做好高壓輸電線路的連接、接地以及防雷處理，以保證線路的運行安全。在高壓電纜架空輸電線路的設計中，其桿塔基礎設計也是設計工作中的一項重要內容。設計人員應對不同設計方案進行綜合性的比選，以優化設計方案，提高設計的水平和質量。

3 高壓輸電電纜線路設計工作要點分析

3.1 高壓輸電電纜線路路徑設計要點分析

在高壓輸電線路的設計工作中，設計人員應首先合理確定線路路徑，從已確定的輸電線路起點位置出發，對相關地區進行全面的勘查了解，全面收集線路擬定路徑區域的地形地貌條件、地質水位特征以及氣象變化等相關數據信息，詳細了解相關地區鐵路以及公路線路方向和分布情況，特點是要重點確認交叉點位置。在路徑設計中應盡量避開地質災害高發區域或多雷電災害區域，同時還應規避存在水利設施、采礦以及均是設施等區域。高壓輸電線路路徑一般應與已建、在建或者擬建的其他電纜線路走向保持一致，以減少跨越交叉，并降低建設成本[2]。此外在路徑選擇中，設計人員還應充分考慮沿線地區的房屋建筑部分、農業生產區域以及林木資源保護區等，建立減少高壓輸電線路建設對正常生產生活以及自然環境的影響。設計人員應對不同路徑設計方案進行綜合性的對比分析，以提高路徑設計的合理性。

3.2 高壓輸電電纜線路敷設方式設計要點分析

目前在高壓電路建設中一般可以采用架空以及入地埋設等不同的敷設方式。設計人員應準確掌握這兩種敷設方式的特點，并根據實際情況進行合理的選擇。其中，入地埋設一般采用的是電纜溝或者電纜隧道等方式。電纜溝對地下空間的占用相對較少，但需要借助移動抽水等方式保持溝內干燥，且溝蓋板在景觀長期使用后會出現破損、斷裂問題，導致溝內進水，影響高壓電纜輸電線路的運行安全。電纜隧道雖然需要較大的地下空間，便于施工和管理維護。在遠離城市的地區則可以采用桿塔支立等方式對高壓輸電線路進行架空敷設。設計人員應針對高壓輸電線路不同區域的具體環境條件等因素采用相應的敷設方式。

3.3 高壓輸電線路電纜及配件設計要點分析

3.3.1 選擇線纜類型規格要點

線纜選型是高壓輸電線路設計中的重要環節之一。設計人員應嚴格遵守相關設計規范，并結合高壓輸電線路的敷設方式等因素合理選擇線纜的型號規格。在高壓電纜架空線路的設計中，應選擇自阻尼性能較好的銅芯絞線。由于此類電纜的電阻值相對較小，且銅芯被密封在保護套內能夠有效減少外界因素對線纜的侵蝕破壞，并有利于控制線損。而在主干線路的設計中則可以選擇導電率較高的軟鋁絞線等線纜類型。當具備條件時，設計人員還可以采用抗拉抗扭性能好、低熱膨脹的復合型絞線，以提高高壓電纜的綜合性能[3]。如乙丙橡膠電纜線芯能夠在90℃高溫條件下長期連續工作。在重點高壓輸電線路的設計中，為盡量減少接頭數量，設計人員可以選擇單芯類型的線纜。同時，在高壓輸電線路的線纜設計，設計人員還應科學確定線纜的截面面積（S）、單位長度（L）內的電流值（I）以及電壓值（U）等，并要充分考慮線纜上的電壓損失以及溫升影響等問題。線芯濕度應控制在70%以內。當線纜管徑超過50mm 時，由于其管壁相對較薄，需要做好防冷彎變形處理。

3.3.2 電纜鎧裝護套設計要點

設計人員為提高高壓輸電線路電纜的絕緣性能以及耐久性，應合理選擇線纜外護套。對于110kV以上的高壓電纜，其外護套可以采用PE 或者PVC材質。而在外護套的防水性能方面，皺紋鋁護套以及鋁合金護套均能夠達到防水要求。鋁合金護套的彎曲半徑更小、且耐腐蝕性也更好，不過其機械性能相對較差，不便于安裝施工。設計人員應綜合考慮外護套的絕緣性能、應力開裂性能、導電性能、耐高溫性能、耐腐蝕性能等多種因素，并根據高壓輸電線路不同區域的環境條件，選擇相應類型的外護套材質。設計人員可按照公式對護套上的工頻感應過電壓值進行計算，如式（1）：

式（1）中，UONAC為工頻感應過電壓值；IP為電流值；Zp為阻抗值。

高壓電纜護套結構如圖1所示。

圖1 高壓線纜內外護套結構

3.4 高壓輸電電纜線路回流線設計要點分析

回流線設計也是高壓輸電線路設計工作中的主要內容之一。設計人員應按照設計規范要求合理選擇回流線，并要作好接地處理。對于110kV以上的高壓輸電線路，由于其多采用單芯電纜以及單點直接接地方式，為有效抑制高壓電纜對周邊區域弱點線路的干擾，一般應在系統一端互聯并接地線內設置回流線。在單項接地故障發生時，可以利用回流線促使短路電流向中性點回流，并抵消部分磁通，以達到降低故障感應電壓、控制故障影響范圍的目的。目前，在設計實踐中多采用LGJ 導線或者10kV常規電纜作為回流線。設計人員還應根據高壓輸電線路在暫態電流工況條件下的熱穩定要求合理確定回流線截面面積，且應當加強回流線的防腐設計，以保證其運行安全。高壓輸電電纜線路回流線系統設計如圖2所示。

圖2 高壓輸電電纜線路回流線系統設計

3.5 高壓輸電電纜線路接地處理設計要點分析

接地設計的合理性直接關系高壓輸電線路運行的安全性，因此也是設計工作中的核心桿件之一。設計人員在高壓輸電線路的接地處理中可以采用三芯電纜作為電纜接地。為確保三相電流的對稱性，應采用三角布局方式設置，以避免感應電流產生。同時，在對高壓電纜外護套進行接地設計時，為避免兩點接地方式導致其與導線之間形成環形回路并產生電流，設計人員應對其兩端分別采用通過限制器接地以及直接接地的不同方式。某高壓輸電線路單芯電纜段接地設計如圖3所示。

圖3 某高壓輸電線路單芯電纜段接地設計

3.6 高壓輸電電纜線路防雷處理設計要點分析

高壓輸電線路電纜需要在露天條件下長期連續運行，容易受到雷電災害的影響而發生故障，不僅嚴重影響高壓輸電線路的運行安全，而且還可能造成重大人員傷亡和經濟財產損失，因此防雷設計也是高壓輸電線路電纜設計工作中的主要內容之一。

設計人員應進行降低線纜接地電阻，可以提高高壓輸電線路的防雷效果。如高壓輸電線路局部線段所在地點的土壤存在較大電阻時，在架空線路的設計中應將桿塔出接地體長度適當增加。同時，設計人員還應在雷電災害高發線段上采用設置消弧線圈的設計方案，以便通過單項保護方式來避免雷擊導致三相故障而導致出現跳閘等情況。為避免出現單相閃絡等問題，設計人員還應在高壓輸電線路中設置單相重合閘，以控制故障范圍。此外，設計人員還應在高壓輸電線路中變電站進出段等重點部位設置避雷器等設施，以減少雷電對線路運行的影響。當變電站采用的是GIS 變壓器，且連接處電壓達到66kV 以上時，避雷線L 值應控制在2m；如果敞開式變電站與高壓線纜連接處電壓為35kV 時，則應設置L=1m 的避雷線。對于長度L<50mm 的高壓線纜則可以直接設置2 個避雷器，以達到防雷效果。

3.7 高壓輸電電纜線路連接方式設計要點分析

在高壓輸電線路的設計工作中，設計人員還應合理選擇電力系統和高壓電纜之間的連接方式。通常在進線段的連接設置中可以通過架空線來連接變電站出線部分的高壓電纜，也可以在系統兩端均以架空方式連接線路。而變電站內的輸電線路則可以直接通過高壓電纜來連接。此外設計人員還應對連接部分進行絕緣處理，并設置好避雷防護裝置，以保證高壓輸電線路的運行安全。

3.8 高壓輸電電纜線路桿塔設計要點分析

桿塔是高壓輸電線路電纜采用架空敷設方式時的基礎性支撐結構，因此也成為了高壓輸電線路設計工作中的一項重要內容。在高壓輸電線路設計實踐中，桿塔基礎多采用淺基礎形式。設計人員應科學分析桿塔結構的受力情況，準確掌握桿塔下壓力、上拔力以及承載要求等相關參數，以優化桿塔結構設計方案。同時，設計人員應合理選擇桿塔建設材料。水泥混凝土是目前高壓輸電線路桿塔設計中較為常用的結構材料，而在對耐張拉能力要求較高的轉角等位置則應采用角鋼等材料。設計人員在桿塔設計中，應在保證滿足多回合線路有效連接的基礎上盡量減小桿塔的占地面積，并有效控制桿塔變形等問題。設計人員應通過科學計算分析合理確定桿塔高度、荷載以及抵抗力矩等各項設計參數，并可以采用交叉設置角鋼或者斜撐等方式來提高桿塔抗力。此外，在桿塔的導線節點可以利用短角鋼和橫財之間的連接來保證荷載在縱向方向上的有效傳遞，以達到提高桿塔結構強度和剛性的目的。

4 結語

設計電力系統中的高壓輸電電纜線路時，設計人員應合理選擇線路路徑、敷設方式以及線纜型號規格，并要做好高壓線纜的連接處理、接地處理以及防雷設計，提高高壓輸電線路運行的安全性和穩定性。設計人員還應加強高壓電纜線路的桿塔等基礎結構的設計。設計人員應嚴格遵守相關設計規范要求，并要結合高壓電纜輸電線路的實際情況對不同設計方案進行比選優化，確保各項設計參數計算取值準確，全面提高設計水平和質量。