馬信武,訾士才,張 悅,王理曉

（1. 吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.北京勘測設(shè)計研究院有限公司，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，距敦化市直線距離約70 km，距吉林市120 km，距長春市220 km。電站總裝機(jī)容量為1 400 MW，單機(jī)容量350 MW。本電站按500 kV一級電壓接入系統(tǒng)，出線一回，送至吉林東500 kV變電站，線路全長約115 km，導(dǎo)線型號采用4×LGJ-400。電氣主接線為發(fā)電機(jī)變壓器組合采用聯(lián)合單元接線，共組成2個聯(lián)合單元；500 kV高壓側(cè)為2進(jìn)1出，采用三角形接線。

2 500 kV電纜設(shè)計條件

根據(jù)電站主接線設(shè)計，每回引出線的輸送容量按2臺主變?nèi)萘?40 MVA考慮，持續(xù)額定電流達(dá)970 A。

根據(jù)電站樞紐布置，電纜出線長度較長，兩回高壓電纜長度分別為1 480 m和1 546 m，電纜出線洞高差約87.7 m，安裝有一定困難。為確保電纜運(yùn)行安全可靠，有良好的電氣和機(jī)械性能，便于安裝和維護(hù)，電纜不設(shè)置中間接頭。

500 kV電纜從地下主變洞▽619.60 m層，沿約183 m的出線下平洞、約970 m的通風(fēng)兼出線廊道、225 m的出線上平洞，引到地面GIS開關(guān)樓與地面GIS連接。500 kV電纜在出線下平洞、通風(fēng)兼出線廊道、出線上平洞內(nèi)靠內(nèi)側(cè)墻敷設(shè)兩回3根單芯電纜，電纜出線洞高差約87.7 m。

500 kV地下GIS在主變洞619.60 m高程設(shè)置2套GIS/電纜連接元件；500 kV開關(guān)站GIS室內(nèi)地下一層（707.30 m高程）為500 kV電纜層，首層為GIS室（712.25 m高程），室內(nèi)設(shè)有3個間隔，均為斷路器間隔，主要元件有斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器和GIS/電纜連接元件；500kV開關(guān)站出線場出線一回，布置GIS出線套管、電容式電壓互感器和避雷器等。一回架空線路由出線場出線架引到線路終端塔，再經(jīng)500 kV輸電線路引至500 kV吉林東變電站。

3 500 kV電纜的特點(diǎn)

吉林敦化抽水蓄能電站的高壓電纜單根長度達(dá)約1 500 m。日本VISCAS在20世紀(jì)90年代末，曾經(jīng)提供過單根1 800 m長度的電纜用于日本新京葉-豐洲的輸電項目中，截至2021年底國內(nèi)尚無制造運(yùn)行業(yè)績。不設(shè)中間接頭既可以避免增加故障點(diǎn)的情況發(fā)生，也可以提高高壓電纜運(yùn)行的可靠性，同時也節(jié)約了電纜中間接頭的投資。

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

型式：單相、銅導(dǎo)體、交聯(lián)聚乙烯（簡稱XLPE）絕緣的500 kV電力電纜

額定電壓（UO/U） 290/500 kV

輸送容量 840 MVA

持續(xù)額定電流 970 A

額定短時耐受電流 63 kA（有效值）

額定短時耐受電流持續(xù)時間 2 s

額定單相短路電流 50 kA（有效值）

額定單相短路電流持續(xù)時間 2 s

額定峰值耐受電流 160 kA（峰值）

絕緣水平

額定雷電沖擊耐受電壓（熱狀態(tài)）

1 675 kV（峰值）/±10次

額定操作沖擊耐受電壓（熱狀態(tài)）

1 240 kV（峰值）/±10次

3.2 電纜結(jié)構(gòu)與材料

導(dǎo)體采用圓形五分割導(dǎo)體。銅導(dǎo)體標(biāo)稱截面800 mm2。導(dǎo)體屏蔽層由半導(dǎo)電包帶和擠包的半導(dǎo)電體化合物層組成。緊靠絕緣層的那一層與絕緣層一起擠壓形成，材料采用超光滑半導(dǎo)電材料。絕緣層由一層擠包絕緣組成，材料為超純凈交聯(lián)聚乙烯（XLPE）。絕緣屏蔽層由一層擠包半導(dǎo)電化合物和一層半導(dǎo)電帶適當(dāng)搭接繞包在擠包的半導(dǎo)體化合物上組成。緩沖層由半導(dǎo)電緩沖阻水帶和銅線編織纖維帶組成。金屬套采用鋁套，型式為焊接皺紋。外護(hù)套采用擠壓成型的阻燃PE材料。圖1為電纜的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)圖

3.3 電纜終端

敦化電站的電纜終端兩端均與GIS設(shè)備連接，封閉在SF6氣體中，對終端的電氣特性要求與電纜本體相同，并且要求終端能適應(yīng)垂直和水平安裝。敦化電站的電纜終端為干式結(jié)構(gòu)，由XLPE電纜、環(huán)氧預(yù)制件、應(yīng)力錐等部件組成。結(jié)構(gòu)中采用彈簧頂緊結(jié)構(gòu)，可以保證應(yīng)力錐和電纜界面、應(yīng)力錐和環(huán)氧界面可靠接觸，并在壽命區(qū)間內(nèi)保證穩(wěn)定界面壓力。電纜GIS終端安裝于GIS開關(guān)站與主變洞內(nèi)，護(hù)層保護(hù)器安裝于金屬套保護(hù)接地側(cè)，金屬套多點(diǎn)接地裝置安裝于金屬套直接接地側(cè)，在GIS開關(guān)站與主變洞內(nèi)電纜分別做預(yù)留段。

圖2 電纜終端結(jié)構(gòu)圖

4 電纜電氣設(shè)計

根據(jù)敦化抽水蓄能電站的樞紐布置進(jìn)行實(shí)際測量后，同時留有足夠長度的預(yù)留段，兩回高壓電纜長度分別為1 480 m和1 546 m。每根電纜為整根，中間不設(shè)置接頭，這樣的要求國內(nèi)尚屬首次，對于電纜的電氣設(shè)計帶來一定影響。

4.1 感應(yīng)電壓計算

本工程高壓電纜單根長度大、輸送負(fù)荷大，電纜金屬護(hù)套中的感應(yīng)電壓較高。根據(jù)《高壓電纜線路》相關(guān)公式：

圖3中P表示單芯電纜的金屬護(hù)套，可以把它看成1根和三相線芯A、B、C平行的導(dǎo)體。這4根導(dǎo)體相互間的中心距離仍以比率表示，即線芯AB、BC和CA之間的中心距分別為S、mS和nS；導(dǎo)體P與線芯A、B、C之間的中心距分別為D、βD和γD。導(dǎo)體P與線芯電流IA間的磁通按電工原理為：

圖3 單芯電纜金屬護(hù)套至各相線芯之間的中心距離表示法

式中GMRp——導(dǎo)體P的幾何平均半徑，其單位和D相同；

同樣，導(dǎo)體P與線芯電流IB間的磁通為：

導(dǎo)體P與線芯電流IC間的磁通為：

因此導(dǎo)體P與A、B、C三相線芯間的磁通總和為：

現(xiàn)可假設(shè)導(dǎo)體P逐漸移近至線芯A，甚至和A同心，即成為A相電纜的金屬護(hù)套。此時βD=S，γD=nS，又按照圓周和圓周內(nèi)任一點(diǎn)的幾何平均距離即是它半徑的法則，有D=GMRp=GMRg，于是上式可改寫成：

式中GMRg——金屬護(hù)套的幾何半徑。

現(xiàn)假定三相線芯電流是平衡的，即：

將此三相電流代入上述A相線芯磁通公式后得

由此可得出A相金屬護(hù)套上的縱向感應(yīng)電勢為

當(dāng)導(dǎo)體P移到線芯B和其同心時，即得

當(dāng)導(dǎo)體P移到線芯C和其同心時，即得

對于不同的電纜排列方式，m、n值取值如下：

圖4 電纜不同排列方式的m、n取值

根據(jù)上述公式，計算得出的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓如表1。

表1

4.2 電纜布置方案

采用適宜的電纜布置方案以及敷設(shè)回流線，可以有效降低金屬護(hù)層感應(yīng)電壓，提高系統(tǒng)可靠性。

本工程初步考慮的高壓電纜布置方案為常用的垂直排列，但由于高壓電纜長度較長，采用垂直排列方案的金屬護(hù)套感應(yīng)電壓雖滿足GB50217規(guī)范要求，仍然相對較高。經(jīng)換位雖可一定程度降低感應(yīng)電壓，但效果不明顯，且對于電纜布置存在一定困難。

因此，對于采用品形排列方案進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

采用品形緊密排列方案：

圖5 高壓電纜品形緊密排列方案

此種方案雖可取得最小的感應(yīng)電壓，但經(jīng)分析存在以下缺點(diǎn)：

①電纜如發(fā)生特殊故障（如爆炸、失火等），三相緊密布置會對其他兩相造成直接影響；

②運(yùn)行中三相緊密布置在一起會一定程度影響電纜的散熱；

③緊密布置不便于將來對電纜的檢修、維護(hù)等工作。

因此，考慮采用感應(yīng)電壓適中、布置更為適宜的品形分層布置方案。

而采用品形分層，共有圖6、圖7 2種常規(guī)布置方案。

圖6 品形分層正三角排列

圖7 品形分層倒三角排列

采用圖6的品形分層正三角方案，存在以下缺點(diǎn)：

①回流線需使用吊具吊于上層橫擔(dān)下部，固定方式不如倒三角布置牢靠；

②如需對布置于下層內(nèi)側(cè)的電纜進(jìn)行維護(hù)或更換時，需拆除外側(cè)電纜及回流線，增加工作量；且拆除本不需更換的電纜，對于電纜系統(tǒng)本身亦不利；增大兩層支架之間的間距又會更多的占用土建空間。

綜上所述，經(jīng)各種方案對比分析，最終確定采用品形分層倒三角布置方案。

圖8 品形分層倒三角排列

5 電纜敷設(shè)

敦化抽水蓄能電站出線系統(tǒng)為出線下平洞、通風(fēng)兼出線洞、出線上平洞，雖無垂直落差較高的豎井，出線洞高差約87.7 m，但由于單根電纜長度較長、重量較大，因此對于敷設(shè)安裝會帶來一定復(fù)雜性。

圖9 電纜敷設(shè)路徑示意

從地下主變洞第二層619.60 m下游側(cè)電纜終端開始，兩回高壓電纜分別沿2條約20 m長的出線支洞、1條約183 m長的出線下平洞、約970 m的通風(fēng)兼出線洞和約225 m長的出線上平洞引到地面GIS開關(guān)樓的電纜夾層，再與地面GIS連接。

5.1 電纜敷設(shè)專用工具

（1）電纜盤起吊橫擔(dān)

由于本工程采用電纜盤重量重、體積大，卸車吊裝到位時要用專門的起重橫擔(dān)，且起吊點(diǎn)要正確，避免索具受力壓傷電纜。

圖10 電纜盤吊裝示意圖

（2）液壓牽引機(jī)

本工程電纜截面大，路徑較長，采用液壓牽引機(jī)動力穩(wěn)定可控、電纜敷設(shè)速度可控，在電纜敷設(shè)過程中能有效的保證電纜不會因牽引力過大而損傷電纜。在以往類似電纜工程中使用，證明安全、可靠并能提高施工效率。

（3）電纜牽引

電纜敷設(shè)方案使用液壓牽引機(jī)牽引和電纜敷設(shè)機(jī)相結(jié)合的敷設(shè)方法。在電纜盤展放、電纜路徑直線段和轉(zhuǎn)彎不急的部分，考慮采用液壓牽引機(jī)牽引的辦法進(jìn)行電纜展放和敷設(shè)。本工程電纜端部廠家加工有牽引頭，牽引繩直接掛在牽引頭上。牽引繩應(yīng)通過能消扭的活節(jié)（俗稱老鼠仔）與電纜頭連接，嚴(yán)防電纜扭曲。牽引電纜用的鋼絲繩，安全系數(shù)宜取4～9，且不能有扭折。

圖11 電纜牽引頭

（4）電纜敷設(shè)機(jī)

使用電纜敷設(shè)機(jī)輔助液壓牽引機(jī)進(jìn)行電纜敷設(shè)施工。敷設(shè)機(jī)對電纜徑向夾緊力可自行調(diào)整。

（5）電纜盤架設(shè)

在始端電纜盤處采用布置電纜敷設(shè)機(jī)。主要考慮電纜盤很重，盤動電纜盤需要較大的牽引力，所以此處應(yīng)放置敷設(shè)機(jī)；其次，由于電纜盤較高，架起高度一般在4 m以上，為了使敷設(shè)機(jī)的用力方向與電纜平行，敷設(shè)機(jī)必須斜著固定在專門搭設(shè)的坡形架子上。另外電纜盤兩側(cè)盤沿應(yīng)用厚木板設(shè)置“剎車”裝置。

圖12 電纜盤架設(shè)示意圖

5.2 電纜敷設(shè)方案

根據(jù)本工程現(xiàn)場環(huán)境，擬定敷設(shè)方案如下：

（1）出電纜盤及上部電纜夾層位置的敷設(shè)

電纜盤放置在GIS開關(guān)樓旁，搭建臨時放線平臺； GIS終端安裝需預(yù)留。電纜夾層內(nèi)敷設(shè)路徑設(shè)置電纜輸送機(jī)4臺、在整個電纜走廊上導(dǎo)向滑輪約1.5 m放置1個，人力或機(jī)械牽引電纜至輸送機(jī)上。

（2）出線洞及主變洞的敷設(shè)

電纜沿出線支洞、出線下平洞、通風(fēng)兼出線洞和出線上平洞引到地面GIS開關(guān)樓的電纜夾層，GIS終端安裝需預(yù)留15 m。該段路徑在直位段每間隔30 m布置一臺電纜輸送機(jī)、每間隔3 m布置一個直線滑輪；在轉(zhuǎn)彎位合理布置轉(zhuǎn)彎輪，并可靠固定。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境在電纜廊道內(nèi)蛇型敷設(shè)，電纜進(jìn)入GIS開關(guān)樓處布置1套（正架，反架）半徑為3 m的電纜導(dǎo)向架。

（3）回流線敷設(shè)

隨電纜路徑敷設(shè)回流線，用夾具固定，在指定位置接地。

（4）其他敷設(shè)措施

控制電纜的敷設(shè)速度不大于6 m/min。電纜走廊在直線部分每隔3 m左右需布置直線滑輪，在走廊的轉(zhuǎn)彎位置需布置轉(zhuǎn)彎滑輪。

電纜盤安裝有效剎車裝置，并將電纜內(nèi)出頭固定，在電話暢通后方可空載試車；敷設(shè)電纜過程中保持電話暢通，如失去聯(lián)系立即停車，電話暢通后繼續(xù)敷設(shè)。

電纜當(dāng)盤上剩約2圈時立即停車，在電纜尾端捆好繩，用人牽引緩慢放下，嚴(yán)禁線尾自由落下，防止摔壞電纜和彎曲半徑過小。

6 電纜運(yùn)輸

本工程電纜單根最長長度1 546 m，經(jīng)計算，電纜盤尺寸為4 200 mm×5 900 mm×4 200 mm（長×寬×高），單盤電纜總重量約41.5 t。采用低板車汽運(yùn)方式，擬采用的運(yùn)輸設(shè)備見表2。

表2

圖15 電纜包裝示意圖

圖16 電纜運(yùn)輸圖

7 結(jié)語

吉林敦化抽水蓄能電站總長度超過9 000 m的500 kV電纜的結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計已全部完成，并已于2020年8月份敷設(shè)安裝完成，2020年12月投入運(yùn)行，1年以來運(yùn)行狀況良好。

吉林敦化抽水蓄能電站為國內(nèi)單根500 kV電纜最長的大型抽水蓄能電站，在電纜結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計過程中經(jīng)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、現(xiàn)場敷設(shè)、交通運(yùn)輸?shù)葐栴}，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。