譚 笑, 陳 杰, 李陳瑩,曹京滎, 胡麗斌, 朱孟周, 張?jiān)葡?/p>

(1. 國(guó)網(wǎng)GIS設(shè)備運(yùn)維檢修技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 211103;2. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京 100084)

0 引言

隨著城市建設(shè)速度加快,城市建設(shè)與電力建設(shè)的矛盾日益加劇。為了解決該矛盾,輸電線路逐步由架空轉(zhuǎn)向地下電纜敷設(shè),電力電纜的使用量逐年增加,大容量、長(zhǎng)距離、大截面的電纜工程日益增多。由于傳統(tǒng)電纜設(shè)計(jì)分段長(zhǎng)度有限,單位長(zhǎng)度內(nèi)電纜接頭數(shù)量相對(duì)較多, 一方面增加了工程投資、延長(zhǎng)了施工時(shí)間,另一方面也導(dǎo)致電力電纜運(yùn)行的故障概率增大。

適當(dāng)增加電力電纜段長(zhǎng)可以相應(yīng)的減少電纜接頭,縮短工程工期,既能降低投資又能提高電纜線路運(yùn)行可靠性。但電力電纜增加段長(zhǎng)后,對(duì)電力電纜設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、運(yùn)維等環(huán)節(jié)都提出了新的要求和挑戰(zhàn),因此有必要對(duì)高壓電力電纜增加段長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行可行性分析,提供理論和相關(guān)數(shù)據(jù),為今后大長(zhǎng)段電纜工程實(shí)際應(yīng)用提出解決方案。

1 國(guó)內(nèi)外大長(zhǎng)段電纜工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前,國(guó)外已有多例大長(zhǎng)段的電纜實(shí)際應(yīng)用工程投入運(yùn)行[1]。日本中部電力公司已建成的275 kV 1×2500 mm223 km長(zhǎng)線路工程中,電力電纜段長(zhǎng)最長(zhǎng)達(dá)1700 m,相應(yīng)的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓計(jì)算值可達(dá)200～300 V。日本廣島、福岡的220 kV 1×2500 mm2XLPE不銹鋼套電纜,制造長(zhǎng)度也由500 m提高至1050～1300 m,不僅縮短了工期,還使工程造價(jià)降低約5%。

在歐洲,電纜段長(zhǎng)也有延長(zhǎng)的趨勢(shì)。如比瑞利公司承擔(dān)的400 kV 1×2500 mm2電纜線路工程中,制造長(zhǎng)度由750 m提高至1400 m;1×1000 mm2電纜長(zhǎng)度從1000 m提高至3500 m。英國(guó)電力部一雙回長(zhǎng)度為21 km的275 kV 1×1600 mm2充油電纜線路運(yùn)行30 a后,其裝有護(hù)層電壓限制器的接線盒大多需要更換,交叉互聯(lián)單元在原設(shè)計(jì)的28個(gè)的基礎(chǔ)上縮減為7個(gè),不僅降低了維護(hù)總費(fèi)用,還提高了運(yùn)行的安全可靠性。該線路改變?cè)O(shè)計(jì)后的電纜交叉互聯(lián)單元段長(zhǎng)增至2955～3099 km,各區(qū)段電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),在負(fù)荷電流抑制或暫態(tài)工況下,都會(huì)比原設(shè)計(jì)的條件有較大幅度提升。如在額定負(fù)荷電流情況下的金屬層最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)達(dá)214 V,雷電進(jìn)行波暫態(tài)作用于金屬層分隔絕緣的跨接電動(dòng)勢(shì)最大達(dá)100 kV。

美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)出版了電纜金屬連接方式及護(hù)套感應(yīng)電壓、環(huán)流的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),詳細(xì)討論了電纜金屬護(hù)套不同連接、排列方式對(duì)護(hù)套感應(yīng)電壓、護(hù)套環(huán)流的影響,并對(duì)護(hù)層保護(hù)器的不同接法進(jìn)行了詳細(xì)的探討。美國(guó)關(guān)于單芯電纜感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算導(dǎo)則的IEEE Std 標(biāo)準(zhǔn)中, 雖明確規(guī)定應(yīng)從安全性限制,但未規(guī)定限制值;歐洲各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中也不作規(guī)定,英國(guó)在275～400 kV電纜線路終端的敞露金屬部位實(shí)施防護(hù)條件下,以150 V 為限;法國(guó)則傾向于在防護(hù)條件下可達(dá)400 V。

國(guó)內(nèi)GB 50217—2007中要求[2]:單芯電纜線路的金屬護(hù)套或屏蔽層,在線路上至少有一點(diǎn)直接接地,且在金屬護(hù)套或屏蔽層上任一點(diǎn)非接地處的正常感應(yīng)電壓應(yīng)符合下列規(guī)定:(1) 未采取能防止人員任意接觸金屬護(hù)套或屏蔽層的安全措施時(shí),在滿負(fù)載情況下,不得大于50 V;(2) 采取能防止人員任意接觸金屬護(hù)套或屏蔽層的安全措施時(shí),在正常滿負(fù)荷情況下,不得大于300 V。

2 增加段長(zhǎng)對(duì)設(shè)計(jì)階段的影響

2.1 感應(yīng)電壓計(jì)算

當(dāng)電纜在交變電壓下運(yùn)行時(shí),線芯中流過交變的負(fù)荷電流,變化的電流會(huì)在空間中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。交變的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁鏈不但會(huì)和線芯發(fā)生交鏈,同時(shí)也與屏蔽層和金屬護(hù)套相交鏈[3]。因此,在電纜正常運(yùn)行時(shí),屏蔽層和金屬護(hù)套上會(huì)產(chǎn)生和電纜接地方式、線路參數(shù)等因素相關(guān)的感應(yīng)電壓。電纜護(hù)套感應(yīng)電壓值與線芯截面、纜間距離和電纜大小有關(guān)。感應(yīng)電壓數(shù)值與電纜排列中心距離和金屬護(hù)套平均半徑之比的對(duì)數(shù)成正比,并且與導(dǎo)體負(fù)荷電流、頻率以及電纜的長(zhǎng)度成正比[4-6]。因此,相同條件下增加段長(zhǎng)后勢(shì)必會(huì)增加該段電纜金屬護(hù)層的感應(yīng)電壓。

考慮回路內(nèi)電力電纜的排列方式,結(jié)合圖1所示的計(jì)算模型,通過求取金屬外護(hù)套內(nèi)的磁通進(jìn)而求得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小。

圖1 金屬外護(hù)套感應(yīng)電壓計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of induction voltage for metal outer sheath

圖中P表示金屬外護(hù)套,可以看做一根平行于纜芯A、B、C的導(dǎo)體;A、B、C、P之間的距離如圖所示,其中D為A相導(dǎo)體線芯離金屬外護(hù)套距離;B相導(dǎo)體線芯離金屬外護(hù)套距離為A相導(dǎo)體線芯離金屬外護(hù)套距離的l倍,記為lD;C相導(dǎo)體線芯離金屬外護(hù)套距離為A相導(dǎo)體線芯離金屬外護(hù)套距離的k倍,記為kD;S為A、C相導(dǎo)體線芯間的距離; A、B相導(dǎo)體線芯間的距離為A、C相導(dǎo)體線芯間的距離的n倍,記為nS; B、C相導(dǎo)體線芯間的距離為A、C相導(dǎo)體線芯間的距離的m倍,記為mS;R為P的半徑,單位為m,考慮到土壤磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率近似相等,即μ/2π≈2×10-7,則單位長(zhǎng)度A、B、C三相纜芯在P上產(chǎn)生的磁通為:

(1)

(2)

(3)

由此可得,三相纜芯電流在金屬外護(hù)套上產(chǎn)生的磁通為:

(4)

(5)

代入式(4),得:

(6)

故:

(7)

當(dāng)B與P中心重合,kD=mS,D=nS,lD=R,即求解B相金屬外護(hù)套:

(8)

故:

(9)

當(dāng)C與P中心重合時(shí),lD=mS,D=S,kD=R,即求解C相金屬外護(hù)套:

(10)

故:

(11)

2.2 電壓限制器的要求

當(dāng)高壓電力電纜段長(zhǎng)增加后,發(fā)生單相接地短路、遭受雷電沖擊或接地設(shè)施失效時(shí),電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓水平也會(huì)隨之大幅升高[7-8]。這就需要對(duì)電纜金屬護(hù)層絕緣水平、絕緣接頭絕緣水平和金屬護(hù)層電壓限制器保護(hù)水平提出新的要求。對(duì)此應(yīng)設(shè)法重新組合保護(hù)器或者研制新型高性能保護(hù)器[9-11]。單芯電纜護(hù)套電壓限制器參數(shù)的選擇,應(yīng)符合下列規(guī)定[7]。

(2) 在系統(tǒng)短路時(shí)產(chǎn)生的最大工頻感應(yīng)過電壓作用下,在可能長(zhǎng)的切除故障時(shí)間內(nèi),護(hù)套電壓限制器應(yīng)能耐受。

(3) 最大可能沖擊電流累積作用 20 次后,護(hù)套電壓限制器不得損壞。

(4) 應(yīng)考慮雷擊影響下電壓限制器的選擇及安裝要求。

3 增加段長(zhǎng)對(duì)交接試驗(yàn)的影響

電力電纜局部放電脈沖信號(hào)的寬度約為1～10 ns,放電源處高頻脈沖信號(hào)在電纜介質(zhì)傳播中向兩側(cè)傳輸時(shí),信號(hào)幅值會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象,信號(hào)波形逐漸失真。由于表征局部放電脈沖信號(hào)本質(zhì)的特征量瞬間即逝,或高速采樣檢測(cè)裝置采集到失真信號(hào),會(huì)造成較大的測(cè)量誤差甚至得到錯(cuò)誤的結(jié)論。

而這一現(xiàn)象在電力電纜增加段長(zhǎng)后情況會(huì)越發(fā)嚴(yán)重。大長(zhǎng)段中間的局放信號(hào)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減失真現(xiàn)象,甚至局放信號(hào)無法進(jìn)行檢測(cè),出現(xiàn)局放死區(qū)。因此需對(duì)局放信號(hào)在同軸結(jié)構(gòu)單芯高壓電纜中的傳播特性進(jìn)行研究分析。

高壓交聯(lián)電纜屬于傳輸線的一種,在理想情況下可被視為均勻傳輸線。由于電纜的局部放電信號(hào)含有高頻分量,其波長(zhǎng)與其長(zhǎng)度相比非常短,因此在構(gòu)建線路模型時(shí)要用分布參數(shù)線路模型來表示,如圖2所示。不僅要考慮線路的電阻和電感,還要考慮導(dǎo)線之間的電導(dǎo)和電容。在分布參數(shù)電路理論中,均勻傳輸線的原始參數(shù)以每單位長(zhǎng)度上的線路參數(shù)表示,用分布電容C0來反映沿傳輸線周圍空間的電場(chǎng)的儲(chǔ)能特性,單位為f;用沿線的分布電感L0來反映沿傳輸線周圍空間分布的磁場(chǎng)的儲(chǔ)能特性,單位為h;用沿線的分布電阻R0來反映由于電流流過金屬導(dǎo)體而引發(fā)的熱損耗現(xiàn)象,單位為Ω;用線間的分布電導(dǎo)G0來反映由于分隔傳輸線和地平面的介質(zhì)阻抗有限而引起的衰減,單位為Ω-1。在距傳輸線始端x處取微分長(zhǎng)度dx,整個(gè)均勻傳輸線可視為由無限多個(gè)這種微分端等效參數(shù)模型級(jí)聯(lián)而成,如圖2所示。

圖2 單位長(zhǎng)度傳輸線的分布參數(shù)等效模型Fig.2 Equivalent model of distribution parameter of unit length transmission line

這4個(gè)參數(shù)是表征傳輸線特征的最基本參數(shù),被稱為一次參數(shù)。電纜的傳輸特性實(shí)質(zhì)上就是由4個(gè)基本參數(shù)決定。通過對(duì)4個(gè)基本參數(shù)可推導(dǎo)特性阻抗ZC,單位為Ω,表示無限長(zhǎng)均勻傳輸線上任一點(diǎn)的行波電壓和電流之比。

(12)

由上式可知,特性阻抗與傳輸線的一次參數(shù)和傳輸信號(hào)的頻率有關(guān),傳輸不同頻率信號(hào)時(shí)傳輸線的特性阻抗不同。又可知,傳輸線的特性阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù),其絕對(duì)值的大小等于行波電壓和電流的絕對(duì)值之比;幅角的大小等于電壓和電流的相位差,將ZC寫成向量形式為:

(13)

ZC由幅值和相角兩部分組成。特性阻抗反映傳輸線上某一點(diǎn)的特性,而對(duì)于均勻傳輸線而言,信號(hào)在傳輸線上傳播的規(guī)律與特點(diǎn),需用傳輸線的傳輸系數(shù)γ來表征,其定義為:

(14)

在傳播系數(shù)γ中,包含兩部分的信息:傳輸損耗常數(shù)α和傳輸相移常數(shù)β。傳輸線上行波電壓與電流的傳輸規(guī)律,可由下式表示,即長(zhǎng)度為l的傳輸線的傳輸方程:

U0=Uie-γl=Uie(-α+jβ)l

(15)

I0=Iie-γl=Iie-(α+jβ)l

(16)

局部放電脈沖信號(hào)因其含有豐富的頻率成分,可看作是由無數(shù)不同頻率的正弦(或余弦)信號(hào)疊加組成。對(duì)于頻率為f的信號(hào),長(zhǎng)度為l的電纜傳輸方程中具有物理意義的實(shí)部可改寫為:

(17)

式中:v為信號(hào)傳播的速度,v=2πf/β。

設(shè)電纜中信號(hào)從源點(diǎn)傳播到任一點(diǎn)P的距離為r,則電纜中任何一點(diǎn)P的局放脈沖中頻率信號(hào)的傳播特性關(guān)系式為:

(18)

α取決于電纜的一次參數(shù),且總為正數(shù),所以傳播距離越長(zhǎng),信號(hào)的幅值U0越小,說明信號(hào)沿電纜傳播時(shí)總有衰減,且按指數(shù)規(guī)律衰減。在同一傳播距離下,傳播衰減隨信號(hào)頻率增大而增大,又由于不同頻率信號(hào)傳播速度不同,各頻率信號(hào)傳播至同一點(diǎn)處存在時(shí)間差,導(dǎo)致包含豐富頻率分量信號(hào)的局部放電脈沖在傳播一定的距離后,波形發(fā)生明顯畸變,表現(xiàn)為幅值下降,并不再具有陡峭的上升沿和下降沿。

經(jīng)理論計(jì)算和仿真分析,得出局放信號(hào)脈沖傳播800 m后,其幅值只是注入信號(hào)的幅值的39%;電纜長(zhǎng)度越長(zhǎng),則測(cè)得脈沖的幅值越小,而脈沖寬度隨電纜長(zhǎng)度變長(zhǎng)而變寬。這就對(duì)增加段長(zhǎng)后交接試驗(yàn)中局放測(cè)量工作帶來了新的挑戰(zhàn)。需根據(jù)增加段長(zhǎng)后的局放信號(hào)傳播衰減、畸變情況,改進(jìn)局放信號(hào)補(bǔ)償算法。與此同時(shí),提出一種基于新型傳感器的適用于大長(zhǎng)段電纜局放信號(hào)測(cè)量方法是解決該問題的根本。

4 增加段長(zhǎng)對(duì)運(yùn)維的影響

(1) 落實(shí)安全防范手段。根據(jù)增加段長(zhǎng)后電纜正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最大護(hù)層感應(yīng)電壓、金屬護(hù)套兩端懸浮后出現(xiàn)的懸浮電位數(shù)值,提出大長(zhǎng)段電纜在運(yùn)檢工作流程、標(biāo)示標(biāo)牌布置、操作注意事項(xiàng)等方面的規(guī)范要求,防止護(hù)層感應(yīng)電壓危害人員和設(shè)備安全。

(2) 建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2.0。由于增加段長(zhǎng)后電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓偏高,易產(chǎn)生打火現(xiàn)象,火災(zāi)的隱患系數(shù)較高。建議針對(duì)該情況設(shè)置接地環(huán)流、接觸式溫度、點(diǎn)陣式溫度、水位、氣體等在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),形成一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大長(zhǎng)段電纜在線監(jiān)測(cè)方法[12-13]。

(3) 完善大長(zhǎng)段電纜在線檢測(cè)技術(shù)方案。根據(jù)電纜段長(zhǎng)增加對(duì)護(hù)層感應(yīng)電壓和接地電流檢測(cè)、局放檢測(cè)、終端紅外測(cè)溫、接地電阻檢測(cè)的影響分析,對(duì)各項(xiàng)帶電檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施流程、檢測(cè)判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)[14-19]。

5 國(guó)內(nèi)高壓電纜增加段長(zhǎng)應(yīng)用案例

調(diào)研結(jié)果顯示,南京秋藤—高旺線路工程為全國(guó)范圍內(nèi)首次敷設(shè)220 kV 1450 m的電纜工程。該工程于2017年3月17日正式開工, 6月11日結(jié)束,歷時(shí)87個(gè)工作日。其電纜參數(shù)如表1所示。

表1 電纜參數(shù)表Tab.1 Power cable diagram

根據(jù)該工程臨時(shí)搭接系統(tǒng)接線方案,臨時(shí)搭接線路作為500 kV秋藤變變壓器啟動(dòng)充電電源輸送容量約50 MV·A,另作為“臺(tái)積電”負(fù)荷備用電源線路,其輸送容量約10～15 MV·A左右。線路輸送電流較小,最大僅為131 A。

該工程5～10 a后的系統(tǒng)短路水平為24.3 kA,事故情況下單相接地短路時(shí),電纜金屬護(hù)套產(chǎn)生的短路感應(yīng)電壓應(yīng)考慮地電位升高的影響。該工程為試點(diǎn)工程,考慮到工程遠(yuǎn)景更有利于改裝為交叉互聯(lián)接地方式,該工程中在全線1/3處進(jìn)行金屬護(hù)套開斷,做分段接地確保電纜金屬護(hù)套熱穩(wěn)定要求。利用本中上述計(jì)算公式對(duì)正常運(yùn)行時(shí)最大負(fù)荷和系統(tǒng)單相短路情況下電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2所示。

表2 電纜金屬護(hù)層感應(yīng)電壓計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of inducedvoltage of cable metal sheath kV

由表2可知,在南京秋藤—高旺線路正常運(yùn)行最大負(fù)荷時(shí),不同的敷設(shè)方式下其外護(hù)套感應(yīng)單壓均小于50 V,滿足GB 50217—2007中相關(guān)要求,該計(jì)算數(shù)據(jù)證明了高壓電纜增加段長(zhǎng)技術(shù)在設(shè)計(jì)上的可行性,同時(shí)也為工程的順利實(shí)施和投運(yùn)提供了理論基礎(chǔ)。該工程與常規(guī)工程的比較情況如表3所示,其中以往工程為3段電纜400 m/盤、2組接頭、2組終端,而南京秋藤—高旺線路為3段電纜1450 m/盤、無接頭、2組終端。

表3 南京秋藤—高旺線路與常規(guī)工程比較情況Tab.3 Comparison of Qiuteng—Gaowang project and conventional project

由表3可以看出,南京秋藤—高旺220 kV線路與常規(guī)工程相比較,其特點(diǎn)體現(xiàn)在以下方面:

(1) 與常規(guī)工程相比,南京秋藤—高旺220 kV線路工程中電纜盤長(zhǎng)和總重量的增加對(duì)運(yùn)輸條件、施工設(shè)備和人員配備提出了更高的要求。

(2) 該工程中由于電纜接頭數(shù)量的減少,縮短了約40%的施工工期,節(jié)省了約66萬元物資投資。

(3) 該工程中由于電纜接頭數(shù)量的減少,有利于大幅提高該條線路運(yùn)行的可靠性。

該工程投運(yùn)后會(huì)進(jìn)一步對(duì)已投運(yùn)的秋藤—高旺大長(zhǎng)段電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,定期采集護(hù)層感應(yīng)電壓、局放信號(hào)、接地環(huán)流等關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù),以校驗(yàn)正常運(yùn)行情況下增加段長(zhǎng)后靜電感應(yīng)和金屬護(hù)套感應(yīng)電壓計(jì)算結(jié)果,持續(xù)積累相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語

電力電纜增加段長(zhǎng)可有效提高電纜運(yùn)行可靠性、縮短工程工期、降低物資投資，但對(duì)電力電纜設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、運(yùn)維等環(huán)節(jié)都提出了新的要求和挑戰(zhàn)。通過以上分析和應(yīng)用可以得出:其他條件不變的情況下,電力電纜增加段長(zhǎng)后金屬護(hù)層感應(yīng)電壓會(huì)隨之上升。但需滿足GB 50217—2007要求。感應(yīng)電壓的上升對(duì)金屬護(hù)層絕緣水平、絕緣接頭絕緣水平和金屬護(hù)層電壓限制器保護(hù)水平提出新的要求。電力電纜增加段長(zhǎng)后,如何解決因局放信號(hào)衰減、畸變?cè)斐傻碾娎|中間段“局放死區(qū)”的問題,成為了一個(gè)難題，對(duì)線路運(yùn)維安全和檢測(cè)方法提出了更高的要求。

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