摘要：交联2500 mm2电缆是国内截面最大的交联电缆，目前为止没有任何经验可以借鉴。西大望变电站作为220 kV枢纽站，其可靠性极为重要。定福庄-西大望线路工程将此大截面电缆用于西大望变电站，作为其电源电缆。因此该工程的设计时就需要慎重考虑。以往电缆线路设计中通用的经验在本工程中需要从理论上进行计算验证，不但为本工程的安全可靠提供依据，而且也为今后2500 mm2大截面交联电缆的使用积累经验。

关键词：大截面电缆 敷设 护层保护器 接地方式

　0 引言

　　西大望220 kV变电站位于北京第一热电厂南面，是为缓解一热长期过负荷问题而建。该站为220 kV枢纽站，终期共有变压器6台，其中4台220 /110 kV变压器，容量均为250 MVA（目前有3台投入运行）；2台110 /35 kV变压器，容量均为63 MVA（目前2台均投入运行）。由于受地形限制，该站由定福庄变电站提供的双回电源架空线路在距变电站约200 m处，改为电缆敷设进入西大望变电站。考虑与架空线相匹配，其电源电缆采用XLPE-220 kV-1×2500 mm²电缆。虽然北京地区正在运行的电缆很多，但是如此超大截面高压电缆还是首次遇到，如果仅依靠经验，象常规电缆一样设计，则缺乏理论基础，在许多问题上无法解决。

　　通常，电缆线路设计主要包含以下几点：

　　首先，电缆的蛇形敷设参数需要明确。常规的220 kV电缆在隧道内敷设时只是根据敷设位置的空间决定电缆的蛇形波幅，一般采用12 m为一个波长，波幅的变化为1~1.5倍的电缆外径不等。但2500 mm²交联电缆则没有可以借鉴的经验值。

　　其次，电缆的接地方式问题。目前，北京地区电缆采用的接地方式只有两种：一种是针对长电缆线路采用交叉互联两端直接接地的方式；另一种是针对短段电缆采用单端接地方式，即一端直接接地，另一端经保护器接地的方式。这两种接地方式哪种更适合具体工程有待进一步的求证。

　　第三，部分电缆附件的参数需要核对。这里主要指护层保护器的参数。常规的电缆线路中所用的护层保护器参数是相同的，均能满足系统及线路的要求，但该工程电缆输送容量较大、系统短路容量也超过了常规数值。在这种情况下，过去所使用的保护器是否满足该工程要求就需要进行计算核对。

　　1 理论分析

　　该工程包括由定福庄变电站至王四营电缆终端站双回架空线路及电缆终端站至西大望变电站双回电缆线路。由于受地形限制，西大望站由定福庄站提供的双回电源架空线路在距变电站东约200 m处，经电缆终端站入地，改为电缆敷设进入西大望变电站。双回架空线采用LGJ-4×400 mm2导线，电缆选用交联单芯电缆ZR-YJLW02-127/220 kV-1×2500 mm²，由王四营电缆终端站220 kV架构区引双回电缆沿已建电缆隧道敷设至西大望变电站电缆夹层内，再由夹层引上接至站内220 kV GIS。电缆路径长度为294 m，单相长度约420 m。

　　1.1 电缆敷设参数的确定

　　对于大截面电缆而言，在负荷电流变化时，由线芯温度的变化引起的热胀冷缩所产生的机械力是十分巨大的。一般称为热机械力。电缆线芯的截面越大，所产生的热机械力也越大。计算表明：在线芯截面为2000 mm2的充油电缆上，最大的热机械力可达10 t左右，如果处理不当，这样大的机械力对安全运行是一个很大的威胁。因此，不但制造部门在设计大截面电缆及其附件时要充分考虑这一问题，而且运行部门在设计大截面电缆的线路时也要加以考虑。

　　正弦波形敷设方式是将电缆在两个相邻夹子之间以轴线为基准作交替方向的偏置，形成正弦波形（见图1），也称蛇形敷设。由于电缆在运行时产生的膨胀将为电缆的初始曲率所吸收，所以线路只要稍微增大曲率就能容纳其膨胀量，因此不会使金属护套产生危险的疲劳应力。进行这种敷设时相邻两个夹子之间的间距（即半波长）和偏置幅值（即波幅）的最佳值取决于电缆的重量和刚度。下面，我们对该工程进行理论分析。

　　电缆线路运行过程中，作用在电缆上的变形力即为线芯发热时的膨胀推力。由于温升，线芯产生的膨胀推力为

　　P = α△θE A (1)

　　式中 P——线芯上的膨胀推力；

　　　　△θ——线芯的最大允许温升；

　　　　α——线芯的线膨胀系数；

　　　　E ——线芯的弹性模量；

　　　　A ——线芯的截面积。

　　当电缆被固定时，膨胀推力作用于电缆上产生的伸长量△L为

　　△L = aTL (2)

　　式中 T——温差；

　　　　 L——固定端之间电缆长。

　　在设定L的前提下，就可以利用公式(1)(2)计算出蛇形敷设的波长、波幅及膨胀推力。表1为3组计算结果。

　　根据表1 可看出，波长越大波幅越大，所产生的推力也越大；反之，则推力减小。将此结论应用于工程实际中，则会出现另一个结论 ：波长大则全线所使用的固定金具数量相应较少，但现有隧道内空间有限，无法满足290 mm的波幅要求；另一方面，波长小则固定金具数量相应增加，给安装增加难度，同时也增加工程造价。因此，半波长3 m的一组数据无论是从安装的可实施性工程造价以及安全可靠性等各方面考虑均能满足要求。因此是比较符合该工程的一组数据。

　　1.2 电缆接地方式的确定

　　电缆正常运行情况下，在金属护层上会产生感应电势，其数值与电缆长度和线芯电流的乘积成正比。在电缆长度和线芯截面积较大情况下，尤其是系统发生短路故障时，感应电势可能达到很大数值，危及人身安全甚至造成电缆运行事故。

　　目前国内常用的接地方式有三种：

　　·方案一：一端互联接地；

　　·方案二：一端互联接地加回流线；

　　·方案三：交叉互联，保护器Y0接线。

　　其中方案一和三是目前北京地区使用较多的电缆接地方式，方案二尚未在北京地区使用过。此三种接地方案各有其优、缺点及适用条件。较长的高压电缆线路一般采取交叉互联两端接地方式，以限制感应电势在允许值范围内。当电缆长度较小，感应电势在规程允许值范围内，即每根电缆中的感应电势不超过50 V，可采用将电缆护套一端对地绝缘，仅一端与地接通。

　　就西大望工程而言，电缆为432 m，经计算，采用单端接地方式时的工频感应电压为45 V，符合规程要求，可采用单端接地的方案。但经过计算本工程系统故障过电压，发现电缆在单端接地时，会带来新的问题。当雷电流或内过电压波沿线芯流动时，电缆金属屏蔽层不接地端会出现较高的冲击电压；在系统发生短路时，金属护套不接地端会出现较高的工频过电压。经过计算这一过电压值可达到25 kV，在采用一端接地时必须采取措施限制护层过电压。因此，仅采用方案一的接地方式无法满足系统要求。为了使电缆线路安全可靠运行，一方面需要在线路的不接地端设置保护器，另一方面增设回流线来降低过电压。所以本工程采用了方案二的接地方式，即单端接地加回流线。见图2。

　　由于方案二的接地方式在北京地区没有运行经验，因此需对其进行详细的计算。由于方案二从根本意义上也属于单端接地，只是增加了回流线，因此应首先从单端接地方案开始分析。

　　设电缆平行敷设在同一水平面上，中心轴间距离为S，金属护套一端互联接地，变电站接地电阻R。见图3。

　　当系统发生单端接地故障时，如图3中假设A相接地短路。则A相电缆金属护套对地最大电势U_A为

　　U_A = -(R jX_eL)I_C(3)

　　式中 x_e——单位长度护套电抗；

　　　　l——电缆长度；

　　　　I_C——短路电流。

　　由于两相和三相短路时短路电流不以大地为回路，回流的路径较近，短路电流在金属护套上的感应电压就比较小，而且护套不接地端的对地电压也不受地网接地电阻的影响，因此这两种情况较单端接地好得多。也就是说，护套及保护器所受最高电压一般出现在电网单端接地故障时，特别是当短路电流大或地网接地电阻大时，采用单端接地的方式。在单相接地故障情况下，利用式(3)计算出的过电压值达到25 kV。如此高的过电压是电缆护层绝缘及保护器所无法承受的。所以必须设法降低金属护套两端的感应电压，同时在计算中我们发现地网电位IC×R的影响在式(3)中占有较大比例，因此消除地网影响十分重要。

　　回流线的存在使单相接地时,外护层绝缘及保护器所受工频过电压与地网电位无关，从而降低过电压数值。增加回流线后，单相短路回路电流不经过大地而经回流线返回E点，短路相电缆单位长度金属护套感应电势为

　　U_SA = -jI_C2wln(2S₃/D_S)×10^-7 (4)

　　利用式(4)计算本工程电缆单相接地故障时的过电压仅为8 kV，可见其效果十分显著。通过以上的分析计算，进一步论证了采用方案二的接地方式是符合本工程要求的。

　　1.3 护层保护器参数选择

　　在电缆线路中，当电缆末端芯线接地时，由于在短路的芯线末端冲击电流会比原来的值加倍，所以B点的电压可达芯线入射电压波e的两倍，即电缆外护层绝缘将承受极高的过电压。这个2e的过电压肯定会使外护层绝缘击穿。为了限制这一过电压，显然只要让电缆金属护套末端在冲击下接地，使冲击电流能以金属护套为回路，则电缆护套末端就不会有过电压了。为此，可在电缆护套末端和大地间接一过电压保护器，给冲击电流以通路，从而保护电缆护层绝缘不被击穿。

　　可见保护器对电缆线路安全可靠运行起着很重要的作用。但是一直以来，我们在设计过程中均未对电缆护层保护器的参数进行校验,而单纯依靠厂家配备参数。由于本工程是首次使用超大截面交联电缆的特殊性，笔者认为有必要将保护器参数进行核实。

　　电缆线路接保护器后，在冲击电压的作用下，冲击电流将经保护器回到护套。而作用在电缆护套末端护层上的冲击电压将等于保护器的残压。根据流动波的等值集中参数定律可求出：当电缆末端接地时，流经保护器的冲击电流将为2e/Z1（Z1为电缆线芯对护套的波阻），而当电缆末端经某一电阻R接地时，流经保护器的电流为2e/(Z1 R)。这一电流可高达10 ka，保护器在这一冲击电流的作用下不应损坏，同时保护器的放电电压及残压都应低于护套外绝缘护层的冲击耐压值。

　　经核实目前厂家提供的保护器参数如下：

　　·直流1 mA耐压≥6 kV；

　　·8/20 ms、5 kA冲击电流残压≤9.5 kV；

　　·8/20 ms、10 kA冲击电流残压≤12 kV。

　　根据规程要求，220 kV电缆外护套冲击电压水平为47.5 kV。就本工程而言，保护器要承受工频感应过电压26 kV而不损坏，10 kA冲击残压必定达到50 kV，标准要求保护器冲击残压应小于0.7倍护套冲击耐压水平，因此220 kV电缆护层保护器残压应小于33 kV。这样保护器对电缆护套无法再起到保护作用。同时，电缆护套要承受如此高的感应过电压，容易造成电缆护套击穿。

　　因此工频过电压达到26 kV，保护器将无法在故障情况下起到应有的保护作用。所以必须采取措施降低这一电压数值。而笔者在问题二中正是解决了这个问题，即增加回流线来降低工频过电压数值。

　　根据问题二的计算结果可知，加回流线后的工频过电压为8 kV。这个电压等级是在保护器保护范围之内的。

　　通过本文对三个问题的分析及结论，使大截面交联电缆线路在设计中较为重要的问题从理论上得到了解决。就西大望工程而言，可以得出以下结论：该工程由王四营电缆终端站至西大望变电站的电缆需采用波长为3 m，波幅约为1.5倍电缆外径的蛇形敷设方式；采用单端接地加回流线的接地方式。推广而言，本文可以为今后大截面电缆线路设计提供以下几点经验和理论依据。

　　根据本文中计算所得结论，电缆线路的护层保护器是有一定保护范围的，在工程实际应用中应对其进行计算校核，如系统短路容量过大，则应采取措施降低过电压数值，使线路运行安全，保护器能起到应有的作用。在各种措施中，本文所述的加回流线的方法比增加接头、缩短盘长的方法更为经济合理，且从运行角度而言更为安全可靠。

　　在满足规范要求的感应电压及保护器保护范围条件下，可将电缆盘长适当加长，从而减少电缆线路接头数量，使可靠性得到提高。

　　参考文献

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　　[2]《高压电缆线路》. 水利电力出版社.

　　[3]刘子玉. 《电气绝缘结构设计原理》. 西安交通大学 .