吉林敦化抽水蓄能電站超長500 kV電纜應(yīng)用研究

馬信武，張 悅，訾士才，王理曉

(1.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)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。電站安裝4臺單機(jī)容量為350 MW的可逆式蓄能機(jī)組，以500 kV一級電壓接入電力系統(tǒng)，出線一回。電氣主接線方案為：發(fā)電電動(dòng)機(jī)和主變壓器采用聯(lián)合單元接線，500 kV側(cè)采用三角形接線；地下GIS及地面GIS間采用兩回500 kV XLPE高壓電纜連接，最大單根長度為1 546 m，落差約為87.7 m。

本工程500 kV XLPE高壓電纜線路為目前國內(nèi)最長，且電容量大，試驗(yàn)難度較大，需對電纜的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析驗(yàn)證。本項(xiàng)目500 kV高壓電纜招投標(biāo)及合同執(zhí)行過程中，對高壓電纜的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、運(yùn)輸、敷設(shè)安裝等方案均進(jìn)行了深入研究，另行撰文論述。本文重點(diǎn)介紹敦化項(xiàng)目高壓電纜的結(jié)構(gòu)型式、特點(diǎn)以及現(xiàn)場試驗(yàn)等。

2 500 kV電纜選型

2.1 導(dǎo)體的選擇

通常情況下，電纜導(dǎo)體的材質(zhì)主要有銅芯和鋁芯兩種。銅芯、鋁芯基本性能比較如表1所示[1]。

表1 銅芯、鋁芯基本性能比較

從表1中各項(xiàng)性能指標(biāo)對比可以看出銅芯電纜相比鋁芯電纜有明顯的優(yōu)勢，主要是電阻率低、彈性模量高、彎曲性好、易延展、抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、載流量大。

500 kV高壓電纜導(dǎo)體材質(zhì)的選擇，既要考慮經(jīng)濟(jì)性，更要考慮其較大載流量特點(diǎn)、布置安裝特點(diǎn)以及可靠安全性。敦化抽水蓄能項(xiàng)目電纜輸送容量高、長度較長、布置于地下洞室內(nèi)、敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)比較，決定采用銅芯電纜。

2.2 電纜截面

2.2.1 載流量計(jì)算

根據(jù) IEC 60287[2]，電纜載流量的計(jì)算公式為

(1)

式中，I為載流量，A；Δθ為導(dǎo)體溫度(θC，90 ℃)與環(huán)境溫度(θo，40 ℃)之差，取50 ℃；R為90 ℃時(shí)導(dǎo)體交流電阻，取0.028 7 Ω/m(相關(guān)計(jì)算見后文)；n為電纜中載流導(dǎo)體數(shù)量；Wd為絕緣介質(zhì)損耗，取2.685 6 W/m；λ1為護(hù)套和屏蔽損耗因數(shù)，垂直排列0.028 8，品型分層排列0.051 7，品型緊密排列0.424；λ2為金屬鎧裝損耗因數(shù)，電纜不帶鎧裝層，取0；T1為導(dǎo)體與金屬護(hù)套間絕緣層熱阻，取0.719 4 K·m/W；T2為金屬護(hù)套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻，K·m/W，電纜結(jié)構(gòu)中沒有鎧裝內(nèi)襯層，因此這里取0；T3為電纜外護(hù)層熱阻取0.011 5 K·m/W；T4為電纜表面與周圍媒介之間熱阻，取0.3109 K·m/W[3]。

將各參數(shù)代入式(1)，可得電纜最大負(fù)載電流為1 275 A(垂直排列)、1 258 A(品型分層排列)、1 191 A(品型緊密排列)。

根據(jù)傳輸容量的要求，本工程500 kV電纜的載流量應(yīng)不小于970 A，各種布置方案下截面的選擇均滿足工程載流量的要求。

2.2.2 電纜導(dǎo)體的短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，按短路熱穩(wěn)定條件計(jì)算電纜導(dǎo)體允許的最小截面為

(2)

式中，S為電纜導(dǎo)體截面，mm2；J為熱工當(dāng)量系數(shù)，取1.0；q為電纜導(dǎo)體的單位體積熱容量，J/cm3·℃，銅芯取3.4；θm為短路作用時(shí)間內(nèi)電纜纜芯允許最高溫度，取250℃；θP為短路發(fā)生前的纜芯最高溫度，℃；θH為電纜額定負(fù)荷的纜芯最高溫度，取90℃；θ0為電纜所處的環(huán)境溫度最高值，取45℃；IH為電纜的額定負(fù)荷電流，A；IP為電纜實(shí)際最大工作電流，A；I為系統(tǒng)電源供給短路電流的周期分量起始有效值，取63 000 A；α為20℃時(shí)纜芯導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)，銅芯為0.003 93/℃；ρ為20℃時(shí)纜芯導(dǎo)體的電阻系數(shù)，銅芯為0.018 4×10-4Ω·cm；η為計(jì)入包含電纜芯線填充物熱容影響的校正系數(shù)，取1；K為纜芯導(dǎo)體的交流電阻與直流電阻的比值；t為短路持續(xù)時(shí)間，取2 s。

將以上參數(shù)代入公式，得出電纜的短路熱穩(wěn)定截面S為646.44 mm2，故800 mm2的電纜截面滿足短路熱穩(wěn)定的要求。

2.2.3 電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)選擇

GB/T 22078.2—2008《額定電壓500 kV(Um=550 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件 第2部分 額定電壓500 kV(Um=550 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜》[5]第7.1.1條款規(guī)定“截面為800 mm2導(dǎo)體可任選緊壓導(dǎo)體或分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”，下面通過計(jì)算選擇確定導(dǎo)體結(jié)構(gòu)型式。

根據(jù)IEC 60287-1-1，導(dǎo)體交流電阻計(jì)算如下

R=R′(1+ys+yp)

(3)

式中，R為導(dǎo)體在最高工作溫度時(shí)的交流電阻；R′為導(dǎo)體在最高工作溫度時(shí)的直流電阻；ys為集膚效應(yīng)因數(shù)；yp為鄰近效應(yīng)因數(shù)。

R′計(jì)算公式為

R′=R0[1+α20(θ-20)]

(4)

式中，R0為導(dǎo)體20 ℃時(shí)的直流電阻；α20為20 ℃時(shí)的銅電阻率溫度系數(shù)，為0.003 93/K；θ為導(dǎo)體最高工作溫度，取90 ℃。

各參數(shù)值代入得R′=2.818×10-5Ω/m。

ys計(jì)算公式為

(5)

表2 不同類型銅導(dǎo)體的ks(線芯結(jié)構(gòu)常數(shù))和kp(線芯結(jié)構(gòu)系數(shù))值

yp計(jì)算公式為

(6)

上式適用于三芯或三根單芯圓形導(dǎo)體電纜鄰近效應(yīng)的計(jì)算，即適用于常用的高壓電纜。

(7)

表2 現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果

800 mm2導(dǎo)體通常采用緊壓圓形或者分割圓形結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用反向絞合工藝制造。導(dǎo)體直徑dc，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，緊壓圓形導(dǎo)體為34.00 mm，圓形分割導(dǎo)體為35 mm。根據(jù)IEC 60287-1-1，800 mm2銅導(dǎo)體交流電阻的計(jì)算值為：緊壓圓形導(dǎo)體90℃時(shí)交流電阻為0.031 0 Ω/km；圓形分隔導(dǎo)體90℃時(shí)交流電阻為0.028 7 Ω/km。由計(jì)算結(jié)果可知，800 mm2高壓電纜采用圓形分割導(dǎo)體比緊壓圓形導(dǎo)體交流電阻降低7.4%[6]。

雖然圓形分割導(dǎo)體降低交流電阻的效果不十分明顯，但分割導(dǎo)體結(jié)構(gòu)已是一種很成熟的結(jié)構(gòu)型式，制造工藝不復(fù)雜，因此為盡量降低集膚效應(yīng)，提高高壓電纜容量，降低溫升，采用圓形分割結(jié)構(gòu)。

2.2.4 阻水層

水分在交聯(lián)絕緣電纜內(nèi)部的橫縱向絕緣通道主要包括導(dǎo)體間隙、線芯之間的間隙、各護(hù)層之間的間隙等。阻水措施主要分為徑向和縱向2種。

2.2.4.1 徑向阻水措施

當(dāng)電纜安裝于地下、易積水的隧道中時(shí)，電纜應(yīng)具有徑向不透水阻隔層。目前業(yè)內(nèi)通常采用金屬套作為徑向不透水阻隔層，用金屬套完全封閉，將金屬套完全外包在交聯(lián)電纜的聚乙烯護(hù)套上，從而避免水汽分子進(jìn)入電纜中。當(dāng)前國內(nèi)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的500 kV高壓電纜金屬護(hù)套主要為皺紋鋁結(jié)構(gòu)，國外同電壓等級的有皺紋鋁套和平滑鋁套2種結(jié)構(gòu)。

平滑鋁結(jié)構(gòu)相對更為緊湊，理論上具有較好的散熱能力、輸送電流能力，且可以規(guī)避皺紋鋁結(jié)構(gòu)中可能存在的金屬護(hù)套內(nèi)氣隙間隔設(shè)置不當(dāng)、存在懸浮電位放電的風(fēng)險(xiǎn)，但其在機(jī)械性能方面不如皺紋鋁結(jié)構(gòu)，主要表現(xiàn)在抗彎曲、側(cè)壓和振動(dòng)等性能。根據(jù)本工程出線系統(tǒng)的布置特點(diǎn)，線路較長、轉(zhuǎn)彎較多、電動(dòng)力大，采用皺紋鋁結(jié)構(gòu)具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，能夠很好滿足隧道敷設(shè)中轉(zhuǎn)彎較多的需求，對電纜敷設(shè)運(yùn)行更為有利；若采用平滑鋁，則改變了高壓電纜的常用結(jié)構(gòu)，需要重新進(jìn)行型式試驗(yàn)以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可行性、合理性和可靠性。因此本項(xiàng)目暫不推薦采用平滑鋁結(jié)構(gòu)[7]。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，采用皺紋鋁套作為徑向不透水阻隔層。

2.2.4.2 縱向阻水措施

本工程高壓電纜敷設(shè)于地下洞室內(nèi)，滲水、積水較多，為避免在接觸水的環(huán)境中損傷而需要更換大段電纜，電纜采用了縱向阻水結(jié)構(gòu)?？v向阻水措施為使用阻水劑，即采用半導(dǎo)電阻水膨脹帶繞包。為保證半導(dǎo)電阻水帶能繞包緊密、平整，免受皺紋鋁套間隙的影響而產(chǎn)生電暈放電，在繞包外增加銅絲屏蔽帶[8]。

根據(jù)近期市場調(diào)研情況，電纜金屬絲布和阻水緩沖帶質(zhì)量參差不齊，一旦有瑕疵或缺陷，容易導(dǎo)致電纜絕緣放電擊穿故障。敦化電站在后期運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)對電纜的巡視，采用在線監(jiān)測、離線檢測等手段密切關(guān)注持續(xù)運(yùn)行電流、外護(hù)套感應(yīng)電壓、局放等參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，杜絕事故發(fā)生。

2.3 外護(hù)套

外護(hù)套應(yīng)采用耐熱性能良好的絕緣型聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)?？紤]到本工程電纜隧道的拐彎比較多，施工方案復(fù)雜，并且隧道可能存在積水的情況，故采用耐磨和阻水能力更強(qiáng)的PE外護(hù)套，其低毒阻燃的性能也更符合隧道中的防火要求。此外，為滿足外護(hù)套耐壓試驗(yàn)的要求，外護(hù)套表面應(yīng)有均勻牢固的導(dǎo)電層。

2.4 最終選型

綜上，本工程高壓電纜選型根據(jù)敦化電站的運(yùn)行特點(diǎn)以及電纜結(jié)構(gòu)、參數(shù)、布置等要求，采用500 kV XLPE絕緣電纜，電纜截面800 mm2，型號為ZC-YJLW03-Z-290/500 kV 1×800(單相、銅導(dǎo)體、阻燃C級、交聯(lián)聚乙烯絕緣、皺紋鋁套、聚乙烯護(hù)套、縱向阻水層500 kV 1×800 mm2高壓電纜)。電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 290/500 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)示意

3 電纜試驗(yàn)

近年來，隨著國內(nèi)電網(wǎng)工程建設(shè)規(guī)模增大，大截面、長距離的高壓電纜應(yīng)用日漸增多，高壓電纜作為電站輸送電能的主動(dòng)脈，對電站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行起著舉足輕重的作用。因此，電纜運(yùn)行前通過試驗(yàn)檢驗(yàn)其特性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防高壓電纜在生產(chǎn)、安裝過程中可能存在的某些缺陷，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

為測試電纜及終端的主絕緣耐受強(qiáng)度，判斷主絕緣是否存在缺陷，在高壓電纜敷設(shè)完成后進(jìn)行了現(xiàn)場主絕緣交流電壓試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

采用電抗器串聯(lián)的組合滿足電纜交流耐壓試驗(yàn)需求，設(shè)備試驗(yàn)頻率按照20～300 Hz可調(diào)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)頻率不穩(wěn)定度<0.1%。

試驗(yàn)電壓為493 kV，試驗(yàn)時(shí)間為60 min，試驗(yàn)電纜單根長度為1 546 m，電纜的單位電容為0.127 uF/km。主絕緣交流耐壓試驗(yàn)的電容量為196 nF，試驗(yàn)頻率為38.82 Hz，試驗(yàn)電流為22.97 A。

3.2 試驗(yàn)方案

本工程因地下廠房受空間限制，需在地面進(jìn)行高壓電纜耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)取在地面GIS出線套管上。

經(jīng)過在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會上與高壓電纜廠家和GIS廠家溝通，最終決定采用地面GIS設(shè)備帶高壓電纜進(jìn)行耐壓，為保護(hù)GIS設(shè)備在高壓電纜耐壓過程中不受破壞，按照GB 50150—2016《電氣設(shè)備安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行電纜耐壓試驗(yàn)[9]，采用變頻串聯(lián)諧振耐壓方式，將高壓諧振電抗器組合使用。

因本工程高壓電纜長度較長，所需試驗(yàn)設(shè)備電容量大，試驗(yàn)儀器由變頻電源、勵(lì)磁變壓器、諧振電抗器、電容分壓器等組成，串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)?zāi)莒`活整定試驗(yàn)電壓、調(diào)頻范圍、加壓時(shí)間、保護(hù)電流，不僅可以在穩(wěn)態(tài)下使放電或擊穿電流小，而且還使暫態(tài)(瞬時(shí))電流的破壞減小，從而保證設(shè)備和人身的安全。即使試品擊穿，諧振條件破壞，短路電流小，只有試品額定電流的1/10以下，對試品的危害性小。

試驗(yàn)電抗器單臺參數(shù)為：試驗(yàn)電壓320 kV、試驗(yàn)電流50 A，采用2臺電抗器組合，組合后試驗(yàn)電壓為640 kV、試驗(yàn)電流為50 A，此種組合方式能夠滿足長度不超過3 km的800 mm2高壓電纜的試驗(yàn)要求。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場主絕緣交流電壓試驗(yàn)通過。試驗(yàn)記錄如表2所示。

敦化電站6根500 kV高壓電纜試驗(yàn)均一次通過，說明敦化電站500 kV高壓電纜的選型、敷設(shè)過程中采用的措施是科學(xué)有效的。

4 結(jié) 語

本文通過對敦化抽水蓄能電站超長干式高壓電纜的運(yùn)行特點(diǎn)研究，選擇了合適的電纜結(jié)構(gòu)、復(fù)核了相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，并通過對高壓電纜試驗(yàn)設(shè)備的分析，采用多組設(shè)備串并聯(lián)的方案克服單臺設(shè)備試驗(yàn)容量不足的缺陷，解決了例行試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)的問題，得到如下結(jié)論：

(1)通過對高壓電纜關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的分析計(jì)算，提出單根1 500 m 500 kV XLPE電纜不設(shè)置中間接頭的電氣方案是可行的，可大幅降低因中間接頭故障導(dǎo)致事故停運(yùn)的概率，在系統(tǒng)穩(wěn)定、安全保障、設(shè)備投資等方面具有較大優(yōu)勢。

(2)通過對高壓電纜各型布置方案以及回流線布置方案的分析對比，有效降低了感應(yīng)電壓，滿足規(guī)范要求，且便于后期運(yùn)行維護(hù)。

(3)通過對高壓電纜試驗(yàn)設(shè)備的分析研究，采用多組設(shè)備串并聯(lián)的方案克服單臺設(shè)備試驗(yàn)容量不組的缺陷，解決了例行試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)的問題。

(4)通過對現(xiàn)場安裝方案的實(shí)地查勘和討論研究，解決了單根超長干式電纜在敷設(shè)安裝過程中存在的電纜輸送方案、輸送設(shè)備布置安裝位置、牽引力復(fù)核等問題。

吉林敦化抽水蓄能電站作為目前國內(nèi)單根500 kV電纜最長的大型抽水蓄能電站，在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，與項(xiàng)目公司、設(shè)備制造廠充分溝通，對電纜結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計(jì)、運(yùn)輸安裝方案等進(jìn)行了深入研究，基本克服了超長干式電纜帶來的感應(yīng)電壓、排列布置、交通運(yùn)輸、現(xiàn)場敷設(shè)試驗(yàn)等問題，標(biāo)志著國產(chǎn)高壓電纜系統(tǒng)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

敦化項(xiàng)目500 kV電纜已于2020年12月投入運(yùn)行，至今運(yùn)行狀況良好，標(biāo)志著國產(chǎn)高壓電纜系統(tǒng)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，對于后續(xù)工程具有一定的借鑒意義。