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.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024;3.青島漢纜股份有限公司,山東 青島 266071)
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臺單機容量為350 MW的可逆式蓄能機組,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)電電動機和主變壓器采用聯(lián)合單元接線,500 kV側采用三角形接線;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,試驗難度較大,需對電纜的結構型式進行分析驗證。本項目500 kV高壓電纜招投標及合同執(zhí)行過程中,對高壓電纜的關鍵技術參數(shù)、運輸、敷設安裝等方案均進行了深入研究,另行撰文論述。本文重點介紹敦化項目高壓電纜的結構型式、特點以及現(xiàn)場試驗等。
通常情況下,電纜導體的材質(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中各項性能指標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、抗拉強度高、抗腐蝕性能好、載流量大。
500 kV高壓電纜導體材質(zhì)的選擇,既要考慮經(jīng)濟性,更要考慮其較大載流量特點、布置安裝特點以及可靠安全性。敦化抽水蓄能項目電纜輸送容量高、長度較長、布置于地下洞室內(nèi)、敷設環(huán)境復雜,經(jīng)比較,決定采用銅芯電纜。
2.2.1 載流量計算
根據(jù) IEC 60287[2],電纜載流量的計算公式為
(1)
式中,I為載流量,A;Δθ為導體溫度(θC,90 ℃)與環(huán)境溫度(θo,40 ℃)之差,取50 ℃;R為90 ℃時導體交流電阻,取0.028 7 Ω/m(相關計算見后文);n為電纜中載流導體數(shù)量;Wd為絕緣介質(zhì)損耗,取2.685 6 W/m;λ1為護套和屏蔽損耗因數(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為導體與金屬護套間絕緣層熱阻,取0.719 4 K·m/W;T2為金屬護套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻,K·m/W,電纜結構中沒有鎧裝內(nèi)襯層,因此這里取0;T3為電纜外護層熱阻取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 電纜導體的短路熱穩(wěn)定校驗
根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設計規(guī)范》[4],按短路熱穩(wěn)定條件計算電纜導體允許的最小截面為
(2)
式中,S為電纜導體截面,mm2;J為熱工當量系數(shù),取1.0;q為電纜導體的單位體積熱容量,J/cm3·℃,銅芯取3.4;θm為短路作用時間內(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為電纜的額定負荷電流,A;IP為電纜實際最大工作電流,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℃時纜芯導體的電阻溫度系數(shù),銅芯為0.003 93/℃;ρ為20℃時纜芯導體的電阻系數(shù),銅芯為0.018 4×10-4Ω·cm;η為計入包含電纜芯線填充物熱容影響的校正系數(shù),取1;K為纜芯導體的交流電阻與直流電阻的比值;t為短路持續(xù)時間,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 電纜導體結構選擇
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導體可任選緊壓導體或分割導體結構”,下面通過計算選擇確定導體結構型式。
根據(jù)IEC 60287-1-1,導體交流電阻計算如下
R=R′(1+ys+yp)
(3)
式中,R為導體在最高工作溫度時的交流電阻;R′為導體在最高工作溫度時的直流電阻;ys為集膚效應因數(shù);yp為鄰近效應因數(shù)。
R′計算公式為
R′=R0[1+α20(θ-20)]
(4)
式中,R0為導體20 ℃時的直流電阻;α20為20 ℃時的銅電阻率溫度系數(shù),為0.003 93/K;θ為導體最高工作溫度,取90 ℃。
各參數(shù)值代入得R′=2.818×10-5Ω/m。
ys計算公式為
(5)
表2 不同類型銅導體的ks(線芯結構常數(shù))和kp(線芯結構系數(shù))值
yp計算公式為
(6)
上式適用于三芯或三根單芯圓形導體電纜鄰近效應的計算,即適用于常用的高壓電纜。
(7)
表2 現(xiàn)場交流耐壓試驗結果
800 mm2導體通常采用緊壓圓形或者分割圓形結構,同時采用反向絞合工藝制造。導體直徑dc,根據(jù)經(jīng)驗,緊壓圓形導體為34.00 mm,圓形分割導體為35 mm。根據(jù)IEC 60287-1-1,800 mm2銅導體交流電阻的計算值為:緊壓圓形導體90℃時交流電阻為0.031 0 Ω/km;圓形分隔導體90℃時交流電阻為0.028 7 Ω/km。由計算結果可知,800 mm2高壓電纜采用圓形分割導體比緊壓圓形導體交流電阻降低7.4%[6]。
雖然圓形分割導體降低交流電阻的效果不十分明顯,但分割導體結構已是一種很成熟的結構型式,制造工藝不復雜,因此為盡量降低集膚效應,提高高壓電纜容量,降低溫升,采用圓形分割結構。
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體間隙、線芯之間的間隙、各護層之間的間隙等。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
當電纜安裝于地下、易積水的隧道中時,電纜應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)電纜的聚乙烯護套上,從而避免水汽分子進入電纜中。當前國內(nèi)設計生產(chǎn)的500 kV高壓電纜金屬護套主要為皺紋鋁結構,國外同電壓等級的有皺紋鋁套和平滑鋁套2種結構。
平滑鋁結構相對更為緊湊,理論上具有較好的散熱能力、輸送電流能力,且可以規(guī)避皺紋鋁結構中可能存在的金屬護套內(nèi)氣隙間隔設置不當、存在懸浮電位放電的風險,但其在機械性能方面不如皺紋鋁結構,主要表現(xiàn)在抗彎曲、側壓和振動等性能。根據(jù)本工程出線系統(tǒng)的布置特點,線路較長、轉(zhuǎn)彎較多、電動力大,采用皺紋鋁結構具有更好的機械強度,能夠很好滿足隧道敷設中轉(zhuǎn)彎較多的需求,對電纜敷設運行更為有利;若采用平滑鋁,則改變了高壓電纜的常用結構,需要重新進行型式試驗以驗證其結構的可行性、合理性和可靠性。因此本項目暫不推薦采用平滑鋁結構[7]。
根據(jù)本工程的特點,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構??v向阻水措施為使用阻水劑,即采用半導電阻水膨脹帶繞包。為保證半導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,容易導致電纜絕緣放電擊穿故障。敦化電站在后期運行過程中應加強對電纜的巡視,采用在線監(jiān)測、離線檢測等手段密切關注持續(xù)運行電流、外護套感應電壓、局放等參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)安全隱患,杜絕事故發(fā)生。
外護套應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的PE外護套,其低毒阻燃的性能也更符合隧道中的防火要求。此外,為滿足外護套耐壓試驗的要求,外護套表面應有均勻牢固的導電層。
綜上,本工程高壓電纜選型根據(jù)敦化電站的運行特點以及電纜結構、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、銅導體、阻燃C級、交聯(lián)聚乙烯絕緣、皺紋鋁套、聚乙烯護套、縱向阻水層500 kV 1×800 mm2高壓電纜)。電纜結構如圖1所示。
圖1 290/500 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜結構示意
近年來,隨著國內(nèi)電網(wǎng)工程建設規(guī)模增大,大截面、長距離的高壓電纜應用日漸增多,高壓電纜作為電站輸送電能的主動脈,對電站的可靠穩(wěn)定運行起著舉足輕重的作用。因此,電纜運行前通過試驗檢驗其特性,及時發(fā)現(xiàn)和預防高壓電纜在生產(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度,判斷主絕緣是否存在缺陷,在高壓電纜敷設完成后進行了現(xiàn)場主絕緣交流電壓試驗。
采用電抗器串聯(lián)的組合滿足電纜交流耐壓試驗需求,設備試驗頻率按照20~300 Hz可調(diào)設計,試驗頻率不穩(wěn)定度<0.1%。
試驗電壓為493 kV,試驗時間為60 min,試驗電纜單根長度為1 546 m,電纜的單位電容為0.127 uF/km。主絕緣交流耐壓試驗的電容量為196 nF,試驗頻率為38.82 Hz,試驗電流為22.97 A。
本工程因地下廠房受空間限制,需在地面進行高壓電纜耐壓試驗,試驗點取在地面GIS出線套管上。
經(jīng)過在設計聯(lián)絡會上與高壓電纜廠家和GIS廠家溝通,最終決定采用地面GIS設備帶高壓電纜進行耐壓,為保護GIS設備在高壓電纜耐壓過程中不受破壞,按照GB 50150—2016《電氣設備安裝工程電氣設備交接試驗標準》進行電纜耐壓試驗[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,所需試驗設備電容量大,試驗儀器由變頻電源、勵磁變壓器、諧振電抗器、電容分壓器等組成,串聯(lián)諧振交流耐壓試驗能靈活整定試驗電壓、調(diào)頻范圍、加壓時間、保護電流,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)電流的破壞減小,從而保證設備和人身的安全。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。
試驗電抗器單臺參數(shù)為:試驗電壓320 kV、試驗電流50 A,采用2臺電抗器組合,組合后試驗電壓為640 kV、試驗電流為50 A,此種組合方式能夠滿足長度不超過3 km的800 mm2高壓電纜的試驗要求。
現(xiàn)場主絕緣交流電壓試驗通過。試驗記錄如表2所示。
敦化電站6根500 kV高壓電纜試驗均一次通過,說明敦化電站500 kV高壓電纜的選型、敷設過程中采用的措施是科學有效的。
本文通過對敦化抽水蓄能電站超長干式高壓電纜的運行特點研究,選擇了合適的電纜結構、復核了相關運行參數(shù),并通過對高壓電纜試驗設備的分析,采用多組設備串并聯(lián)的方案克服單臺設備試驗容量不足的缺陷,解決了例行試驗及現(xiàn)場試驗的問題,得到如下結論:
(1)通過對高壓電纜關鍵技術參數(shù)的分析計算,提出單根1 500 m 500 kV XLPE電纜不設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致事故停運的概率,在系統(tǒng)穩(wěn)定、安全保障、設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,有效降低了感應電壓,滿足規(guī)范要求,且便于后期運行維護。
(3)通過對高壓電纜試驗設備的分析研究,采用多組設備串并聯(lián)的方案克服單臺設備試驗容量不組的缺陷,解決了例行試驗及現(xiàn)場試驗的問題。
(4)通過對現(xiàn)場安裝方案的實地查勘和討論研究,解決了單根超長干式電纜在敷設安裝過程中存在的電纜輸送方案、輸送設備布置安裝位置、牽引力復核等問題。
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,在項目執(zhí)行過程中,與項目公司、設備制造廠充分溝通,對電纜結構、電氣設計、運輸安裝方案等進行了深入研究,基本克服了超長干式電纜帶來的感應電壓、排列布置、交通運輸、現(xiàn)場敷設試驗等問題,標志著國產(chǎn)高壓電纜系統(tǒng)已達到世界先進水平。
敦化項目500 kV電纜已于2020年12月投入運行,至今運行狀況良好,標志著國產(chǎn)高壓電纜系統(tǒng)已達到世界先進水平,對于后續(xù)工程具有一定的借鑒意義。