郭 繼 紅

云南省某風電場裝機容量99MW,110kV高壓側(cè)為單母線接線,配電裝置采用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS),共4個間隔:1個出線間隔、1個母線設(shè)備間隔和2個主變壓器進線間隔。

在站內(nèi)各級配電裝置安裝結(jié)束后,送出工程發(fā)生了變化。原設(shè)計風電場110kV出線經(jīng)14km架空線路接入當?shù)氐闹屑o變電站,由于升壓站墻外終端塔位征地問題未能解決,架空線路改為110kV高壓電纜直埋方式,敷設(shè)3根單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,長度為350m。采用銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁護套聚乙烯外護套縱向阻水電纜,電纜參數(shù)如下。

型號 YJLW02-Z額定電壓/kV 64/110標稱面積/mm2 400近似外徑/mm 85.5電纜載流量 (直埋、三相水平布置、單端接地)/A 615電纜短路時間/s 3電纜導(dǎo)體承受的短路電流/kA 34金屬護套最終短路溫度/℃ 200護套短路時間/s 2金屬護套短路電流/kA 12

1 無電纜段的過電壓保護方案

根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》有關(guān)規(guī)定,在110kV GIS管道與架空線路的連接處,應(yīng)裝設(shè)金屬氧化物避雷器(圖1中FMO1),這組避雷器已運到現(xiàn)場。

根據(jù)上述規(guī)程規(guī)定,變壓器和GIS一次回路的任何電氣部分至FMO1間的最大電氣距離不足50m(小于規(guī)程值130m),可以不裝設(shè)第2組避雷器,即圖1中的FMO2。由于GIS設(shè)備中電壓互感器、避雷器間隔是廠家的標準設(shè)計,因此就沿用了這組避雷器,避雷器參數(shù)如下:

額定電壓/kV 100

持續(xù)運行電壓/kV 78

雷電沖擊電流下殘壓/kV 248

原14km的架空送出線路全線設(shè)置了避雷線,從雷電侵入波的保護角度來說,該升壓站的這種配置設(shè)計是典型的進線無電纜段的GIS防雷保護接線,詳見圖1。

圖1 無電纜段進線的GIS變電所保護線

2 有電纜段的過電壓保護方案

原設(shè)計的110kV架空線路增設(shè)了電纜進線段后,根據(jù)上述規(guī)程的7.4.2,在電纜段與架空線路的連接處應(yīng)裝設(shè)金屬氧化物避雷器,即圖2中的FMO1,這組避雷器與電纜段的首端電纜頭要安裝在架空線路的終端鐵塔上。此時,過電壓保護接線發(fā)生了較大的變化,見圖2。

圖2 單芯電纜段進線GIS變電所保護接線

為了完善該保護方案,應(yīng)研究以下4個方面的問題。

2.1 電纜金屬護層接地方式的選擇

電纜進線段是采取直埋敷設(shè),3根電纜水平呈直線并列排列,敷設(shè)長度約350m,確定能否采用一端接地方式,應(yīng)驗算這段電纜運行時,其終端金屬護層的正常感應(yīng)電勢。

根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》GB50217—2007的附錄F,計算公式如下:

B相的正常感應(yīng)電勢

ESB=L?I?(2ω ln(s/r))×10-4;

A、C相的正常感應(yīng)電勢

計算結(jié)果:B相的正常感應(yīng)電勢ESB=21.13V;

A、C相的正常感應(yīng)電勢ESA=ESC=26V。

據(jù)此結(jié)果,說明此段電纜可以采取一端接地的方式,各相電纜金屬護層的正常感應(yīng)電勢,均小于50 V(50 V是交流系統(tǒng)中人體接觸帶電設(shè)備裝置的安全允許限值)。

2.2 高壓電纜與避雷器的選擇

增加了高壓電纜進線段,對雷電侵入波的衰減作用可采用下式進行計算:

U2=Uin×2Z2/(Z1+Z2) (kV,Peak)

計算結(jié)果,U2=(11.8%～24.4%)Uin。

說明經(jīng)過350m電纜段,確實對雷電侵入波有良好的衰減作用。

一般110kV架空線路典型桿塔遭受雷電的設(shè)計水平,50%沖擊放電電壓(正極性)是700kV,從上述計算結(jié)果看,只要在線路終端塔與電纜段的連接處裝設(shè)了FMO1,甚至連GIS中的避雷器都可以不裝設(shè)了。當然,這只是理論計算的推導(dǎo),實際上GIS早已安裝完畢,其中的避雷器仍要沿用的。

2.3 單芯高壓電纜外護層的保護

單芯電纜的外護層(包括終端支座等),在運行中會承受雷電波或斷路器操作及系統(tǒng)短路時所產(chǎn)生的各種暫態(tài)過電壓。對110kV系統(tǒng),我國標準規(guī)定(高壓電纜選用導(dǎo)則DL/T401—2002)電纜外護層沖擊耐壓是37.5kV,計算電纜護套的沖擊耐壓值。

以A相電纜在升壓站地網(wǎng)外,電纜頭處發(fā)生短路為例。

經(jīng)計算,當電纜頭處發(fā)生單相接地短路時,總的單相短路電流4.17 kA,本升壓站側(cè)提供的電流是2.44 kA,此時假設(shè)是電纜金屬套一端互聯(lián)接地,根據(jù)DL/T401—2002,采用下式計算:

UA=(IXS+I2R1)

計算結(jié)果,UA=24.4kV,這是工頻感應(yīng)電壓。

通過殘工比系數(shù)(一般取2.5)折算出沖擊感應(yīng)電壓Ua=61.05kV,遠大于電纜外戶層沖擊耐壓37.5kV。說明必須在電纜末端的金屬護層處加裝電纜護層保護器,即圖2中的FC。其中護層保護器核心部件為優(yōu)質(zhì)非線性氧化鋅電阻片,110kV電纜的配套接地箱技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 電纜金屬護層接地箱技術(shù)參數(shù)表

根據(jù)國家標準 《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》GB50217—2007的4.1.13,電纜護層與保護器的絕緣配合系數(shù)不得小于1.4,此時該工程的絕緣配合系數(shù)為3.75,顯然很安全可靠了。該接地箱氧化鋅避雷器足以對電纜護套起到保護作用。

2.4 回流線的設(shè)置

表2中電纜護層接地箱的工頻耐壓僅有4kV,遠小于上述計算結(jié)果 UA=24.4kV,根據(jù)GB50217—2007的4.1.15,應(yīng)沿電纜鄰近設(shè)置平行回流線,接線示意圖見圖3。

圖3 回流線接線圖

為了達到抑制電纜金屬層工頻感應(yīng)過電壓,回流線首端應(yīng)與線路鐵塔側(cè)的電纜護層接在一起,與避雷器并接在線路鐵塔的接地裝置上,回流線末端應(yīng)與升壓站的接地網(wǎng)連通,并應(yīng)使其截面滿足最大暫態(tài)電流作用下的熱穩(wěn)定要求。

按熱穩(wěn)定計算,當單相短路電流5 s切除,總的單相短路電流4.17 kA,回流線選用鋼芯鋁絞線時,經(jīng)計算,導(dǎo)線截面S≥98.15mm2,考慮土壤腐蝕等因素,工程上采用LGJ-150規(guī)格導(dǎo)線,回流線及光纜與高壓電纜同溝埋設(shè)。

原GIS出口側(cè)的避雷器可以不再裝設(shè),考慮到已到貨,故改作支持絕緣子使用,即仍按避雷器方式安裝,兼起支撐GIS和電纜終端間連接引線的作用。3根單芯110kV電纜沿出線間隔中心線方向地埋進入升壓站圍墻,詳見圖4。

圖4 高壓電纜出線間隔安裝圖

3 結(jié) 語

風電場升壓站高壓側(cè)出線采用電纜直埋敷設(shè)方式,當升壓站內(nèi)部選用的高壓配電裝置是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)時,應(yīng)認真研究雷電波過電壓的保護接線。

此外,高壓電纜段在線路不太長時,宜采用金屬護層一點接地方式,其金屬護層電氣通路的末端應(yīng)設(shè)置護層電壓限制器。并沿電纜路徑平行放置回流線,做到以上要求才能保證電纜設(shè)備的可靠性及安全性。

該風電場已于2009年12月投產(chǎn)發(fā)電,110kV高壓電纜出線段經(jīng)受了工程當?shù)氐膹娏依纂娀顒拥目简?運行正常,設(shè)備完好無損。

1 GB50217—2007,電力工程電纜設(shè)計規(guī)范[S].

2 DL/T401—2002,高壓電纜選用導(dǎo)則[S].

3 DL/T620—1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].