隨著城市供電負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，110kV及220kV室內(nèi)GIS變電站及地下變電站已經(jīng)廣泛采用。相應(yīng)配套的輸電線路也全部采用電纜出線，因此大容量、長(zhǎng)距離的電纜線路設(shè)計(jì)成為可能，同時(shí)新建電纜線路與原有電纜線路、架空線路的解口、T接等連接方式的技術(shù)問(wèn)題，這成為電纜線路設(shè)計(jì)的新課題。本文以某工程的電纜線路設(shè)計(jì)為范例，對(duì)110kV及以上電力電纜線路的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析和探討。
某市新建220kV民田站(GIS站),其中110kV電纜最終出線12回，本期出線7回。本期工程設(shè)計(jì)范圍是：將110kV蓮花山至崗廈電纜線路解口入民田站，形成民田-蓮花山、民田-崗廈共兩回電纜線路;解口景田至少年宮、景田至地鐵站雙回電纜線路，形成2進(jìn)2出共4回電纜線路;新建民田至福中一電纜線路。電纜線路所經(jīng)地區(qū)為市區(qū)繁華地段，地下管網(wǎng)密集，含原有高壓電纜、水管、煤氣管、有線電視管線、通訊管線等等。如何根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一套節(jié)省投資、方便施工和運(yùn)行維護(hù)的方案，下面根據(jù)電力電纜設(shè)計(jì)原則對(duì)范例進(jìn)行分析和探討。
1、電纜型式與截面的選擇
根據(jù)《高壓電纜選用導(dǎo)則》及《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于重要電源等需要保持連接具有高可靠性回路的電力電纜應(yīng)采用銅芯。本工程采用交聯(lián)聚乙烯絕緣銅芯電力電纜(單芯)。當(dāng)?shù)販厝?0℃、考慮本工程電纜敷設(shè)在細(xì)沙及管中，土壤熱阻系數(shù)取2.1K·m/W，埋深取1.0m，電纜水平排列間距為0.225m時(shí)，選用的XLPE-800mm2銅導(dǎo)體電纜,雙回路敷設(shè)時(shí)每相的最大載流量約為690A，此時(shí)本線路的輸送容量為13萬(wàn)千伏安，滿足系統(tǒng)輸送容量要求。
原則淺析：高壓電纜的線芯材質(zhì)和截面大小應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)輸送容量選擇。電纜載流量不僅取決于纜芯截面及結(jié)構(gòu)，還與敷設(shè)方式、電纜的布置及護(hù)層的接地方式有關(guān)，其計(jì)算比較復(fù)雜，一般工程設(shè)計(jì)中，可參照電纜制造廠提供的載流量。
2、電纜的分段及護(hù)層的接地方式
電纜在正常運(yùn)行情況下要在鋁護(hù)套上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其數(shù)值與電纜長(zhǎng)度和負(fù)荷電流成正比，電纜外護(hù)套(PVC外護(hù)套)要耐受這感應(yīng)電勢(shì)，如感應(yīng)電勢(shì)過(guò)高使PVC外護(hù)套絕緣損壞造成多點(diǎn)接地時(shí)，鋁護(hù)套上將產(chǎn)生較大的感應(yīng)環(huán)流，增加了電能損耗，并使電纜溫度增高，降低了輸送容量。為消除電纜鋁護(hù)套上的環(huán)流損失，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的，同時(shí)將鋁護(hù)套上的感應(yīng)電勢(shì)控制在安全值范圍之內(nèi)，需將護(hù)套分段并采用交叉互聯(lián)連結(jié)的接地方式。
電纜的分段是根據(jù)護(hù)層感應(yīng)電壓的大小，以及周圍的地理環(huán)境合理選擇接頭工井的位置，將電纜分成3的倍數(shù)段，將護(hù)層進(jìn)行交叉互聯(lián)連接。下面是本工程選取的護(hù)層接地方式：
原則淺析：護(hù)層接地方式有以下幾種：
1.三相護(hù)層兩端分別并聯(lián)接地。
2.三相護(hù)層一端接地(或中間一處)互聯(lián)接地，另一端(或兩端)經(jīng)接地保護(hù)器接地。
3.當(dāng)線路較長(zhǎng)，一端接地不能滿足要求時(shí)，可采用三相護(hù)層交叉互聯(lián)兩端接地。
合理的選擇護(hù)層接地方式，不僅有利于線路安全可靠的運(yùn)行，還降低線損及電纜絕緣層的老化。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一個(gè)交叉互聯(lián)單元的3段電纜不可能完全等分，但各段相差長(zhǎng)度不宜超過(guò)15%。單根電纜長(zhǎng)度不大于800米時(shí)，一般不進(jìn)行分段。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)護(hù)層的接地方式要進(jìn)行合理的創(chuàng)新與組合，例如當(dāng)電纜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況等分為4段時(shí)，其中3段組合成一個(gè)交叉互聯(lián)單元，另一段則采用一端直接接地，一端經(jīng)保護(hù)器接地的方式。
3、電纜護(hù)層感應(yīng)電壓計(jì)算
電纜正常工作時(shí)護(hù)層感應(yīng)電壓計(jì)算公式參見(jiàn)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》表17-52。
根據(jù)《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50217-2007中，第4.1.10條：“
交流單芯電力電纜的金屬層上任一點(diǎn)非直接接地處的正常感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算，宜符合本規(guī)范附錄F的規(guī)定。電纜線路的正常感應(yīng)電勢(shì)最大值應(yīng)滿足下列規(guī)定：
1.未采取能有效防止人員任意接觸金屬層的安全措施時(shí)，不得大于50V。
2.除上述情況外，不得大于300V?！?/span>
本工程民田至蓮花山、民田至崗廈電纜各分成6段形成2個(gè)完整交叉互聯(lián)，電纜鋁護(hù)層在正常負(fù)荷電流時(shí)最大感應(yīng)電壓小于80伏。
4、電力電纜的敷設(shè)
電纜敷設(shè)典型方式有：直埋、排管、電纜溝、電纜隧道、電纜橋架等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，合理的選擇敷設(shè)方式，保證電纜的順利通過(guò)。如果電纜路徑很長(zhǎng)，可能需要用到多種敷設(shè)方式組合。如在變電站內(nèi)用隧道或豎井敷設(shè)，出站后開(kāi)闊地段采用電纜溝敷設(shè)，路徑狹窄處采用埋管敷設(shè)等。
本工程民田站出口采用磚砌電纜綜合溝，其余電纜溝槽采用隱蔽式設(shè)計(jì)。常規(guī)磚砌電纜溝槽位于綠化帶及人行道下，電纜敷設(shè)好并回填土后恢復(fù)原有綠地。溝槽蓋板均采用預(yù)制鋼筋混凝土蓋板，蓋板設(shè)計(jì)考慮商業(yè)堆載1t/m2。局部地段如鋪人行道方磚，蓋板設(shè)計(jì)荷載相應(yīng)增加。電纜過(guò)路埋管及頂管處兩端設(shè)置工井，敷設(shè)完后工井內(nèi)充沙。工井采用磚砌井溝壁，預(yù)制梁板結(jié)構(gòu)，活動(dòng)頂蓋，一般考慮只行人，不行車。
本工程電纜通過(guò)非主干道時(shí)，采用破路開(kāi)挖埋管;通過(guò)主干道路時(shí)，由于市政不允許封路大開(kāi)挖埋管作業(yè)，采用導(dǎo)向鉆進(jìn)非開(kāi)挖鋪設(shè)MPP電力電纜護(hù)套管的方法穿越。
導(dǎo)向鉆進(jìn)非開(kāi)挖鋪管的利用地表放置的鉆機(jī)，沿欲鋪管線的設(shè)計(jì)路徑鉆一個(gè)先導(dǎo)孔，然后回拉擴(kuò)孔，將孔徑擴(kuò)大到鋪管要求的口徑，最后將管線拉入已擴(kuò)好的孔中，從而實(shí)現(xiàn)管線不開(kāi)挖鋪設(shè)。
下圖是本工程的幾種敷設(shè)方式：
5、高壓電纜及其附件的布置與安裝
5.1.電纜排列方式
單芯電纜三相排列可分水平排列、垂直排列、等邊三角形排列。水平和垂直排列均存在三相互感不等、阻抗不對(duì)稱的問(wèn)題故線路較長(zhǎng)時(shí)需換位。等邊三角形排列三相對(duì)稱。目前直埋、排管、電纜溝等長(zhǎng)距離敷設(shè)方式下，一般采用水平或垂直排列。等邊三角形排列因施工固定難等其他因素，較少采用。本文范例電纜排列方式采用水平和垂直排列。
5.2.固定要求
1)在終端、接頭或轉(zhuǎn)彎處緊鄰部位的電纜上，應(yīng)有不少于一處的剛性固定。
2)在垂直或斜坡的高位側(cè)，宜有不少于2處的剛性固定。
3)電纜蛇形敷設(shè)的每一個(gè)節(jié)距部位，宜予撓性固定。蛇形轉(zhuǎn)換成直線敷設(shè)的過(guò)渡部位，宜予剛性固定。
5.3.電纜保護(hù)管
通常采用玻璃鋼管、C-PVC保護(hù)管。保護(hù)管的選擇，應(yīng)滿足使用條件所需的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，當(dāng)交流單相電纜以單根穿管時(shí)，不得用未分隔磁路的鋼管。當(dāng)因機(jī)械強(qiáng)度要求使用鋼管時(shí)，可以將鋼管軸向全長(zhǎng)進(jìn)行切割1厘米的開(kāi)口，然后用銅條將該切口焊上，達(dá)到切斷磁路的目的，保證了鋼管的機(jī)械強(qiáng)度。
5.4.電纜支架的特殊要求
電纜支架除支持單相工作電流大于1000A的交流系統(tǒng)電纜情況外，宜用鋼制。
交流單相大截面電纜工作電流達(dá)1450A時(shí)，因渦流作用引起鋼制電纜支架鐵損，可達(dá)160W/m(三相成品字型配置)~530 W/m(分相配置)，約占電纜損失的20%~70%，因而宜重視對(duì)策，有的國(guó)家工程中對(duì)大截面電纜的支架，采用由不銹鋼、玻璃鋼或鋁合金等非磁性材料制成。
目前使用廣泛的是玻璃鋼電纜支架，幾乎達(dá)到鋼制支架的強(qiáng)度，而且耐腐蝕、無(wú)電能損耗。
5.5.電纜附件布置及安裝
5.5.1.電纜中間接頭
電纜中間接頭分為絕緣中間接頭和直通中間接頭，一般采用整體預(yù)制，玻璃鋼防水水外殼。電纜接頭的地方設(shè)置專用的電纜接頭工井。本文范例的工程采用電纜中間接頭相接。
接頭工井一般規(guī)格是10米或20米長(zhǎng)，便于電纜的伸縮安裝和蛇形敷設(shè)。電纜接頭放置在沙袋上固定，施工完畢后充沙填埋。電纜接頭布置示意圖如下：
5.5.2.電纜終端的選擇與連接
電纜終端一般分為GIS終端、瓷套式終端、干式硅橡膠終端等。在GIS變電站內(nèi)用GIS電纜終端出線，在敞開(kāi)式變電站進(jìn)線構(gòu)架處用瓷套式終端，在電纜與架空線路相連接時(shí)電纜上鐵塔，采用干式硅橡膠終端。當(dāng)幾回電纜線路需要T接時(shí)，因目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的電纜T接頭使用，可建一個(gè)T接房，用導(dǎo)線將瓷套式終端或干式硅橡膠終端進(jìn)行T接。用干式硅橡膠終端進(jìn)行T接時(shí)，應(yīng)采用硬連接方式，防止導(dǎo)線電動(dòng)力使硅橡膠終端彎曲，造成安全事故和損壞電纜終端。
電纜上鐵塔時(shí)采用硅橡膠終端，應(yīng)對(duì)電纜及終端采用合理的方式固定，一般采用絕緣子串將電纜終端拉直固定在鐵塔橫擔(dān)的中間。電纜上塔的方式優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省占地面積，運(yùn)行維護(hù)方便。例如下圖是電纜干式硅橡膠終端固定在鐵塔的典型方式：
5.5.3.避雷器的選型及安裝
根據(jù)《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》 DL/T 620-1997及工程實(shí)際情況，在高壓?jiǎn)涡倦娎|與鐵塔相連處一般均裝設(shè)避雷器。例如某工程中選用YH10WX-108/309型懸掛式避雷器。
6、電纜防火阻燃說(shuō)明
(1)電纜選用了防水性能較好的聚乙烯(PE)護(hù)套，用埋沙的方式進(jìn)行防火，因此敷設(shè)完畢后工井內(nèi)充細(xì)紗填埋。
(2)在變電站電纜豎井出線出口，各墻體、樓板、溝道出口處、圍墻出口處等電纜引出口采用防火堵料封堵，并在孔口兩端的電纜各不小于2米區(qū)段涂刷防火材料，涂刷厚度不小于1mm(分3～4次涂刷)。
(3)電纜在穿越各處保護(hù)管管口處采用防火堵料封堵阻燃。
(4)在中間接頭兩側(cè)各3米區(qū)段和其并列鄰近的其它電纜上在同一長(zhǎng)度內(nèi)涂刷防火涂料。
7、設(shè)計(jì)施工工藝注意事項(xiàng)
電纜線路造價(jià)昂貴，技術(shù)復(fù)雜，要求精心施工，精心組織。敷設(shè)施工前應(yīng)申辦電纜線路管線執(zhí)照、掘路執(zhí)照和道路施工許可證，并開(kāi)挖足夠的樣洞，了解線路路徑鄰近地下管線情況。明確各公用管線和綠化帶管理單位的配合、賠償事項(xiàng)。電纜訂貨前，應(yīng)由施工單位提前放線、定位，落實(shí)兩側(cè)電纜終端及工井位置且確保無(wú)施工障礙，再?gòu)?fù)測(cè)電纜分段長(zhǎng)度，并將復(fù)測(cè)報(bào)告送設(shè)計(jì)審核，審核確保無(wú)誤后再行訂貨并做相應(yīng)分盤(pán)。電纜施工中和竣工后要確保電纜彎曲半徑大于20D(直徑)。
下面是典型的施工工序：
8、竣工試驗(yàn)
電纜在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)安裝完畢后，該電纜線路在正式接入電網(wǎng)運(yùn)行之前，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行下列項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
8.1.導(dǎo)體電阻測(cè)量
應(yīng)測(cè)試每根導(dǎo)體電阻，同時(shí)換算到20℃條件下的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。
8.2.電纜參數(shù)測(cè)量
電纜的電感、電容測(cè)量，正序及零序阻抗的測(cè)量(按短路電流以鋁護(hù)套為回路的零序阻抗)。
8.3.主絕緣高壓試驗(yàn)
應(yīng)在電纜導(dǎo)體與鋁護(hù)套之間施加110kV交流電壓5分鐘，主絕緣不應(yīng)發(fā)生擊穿。
8.4.電纜PE(或)外護(hù)層耐壓試驗(yàn)
電纜的PE(或)外護(hù)層除對(duì)波紋鋁護(hù)套的機(jī)械保護(hù)外，還對(duì)整個(gè)電纜線路能否實(shí)現(xiàn)交叉互聯(lián)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式起保證作用。為檢查施工和運(yùn)輸中對(duì)PE(或)外護(hù)層是否損壞，應(yīng)在波紋鋁護(hù)套與表皮石墨涂層之間，施加1分鐘10kV直流電壓的耐壓試驗(yàn)，PE(或)外護(hù)層不應(yīng)發(fā)生擊穿。
8.5.電纜波紋鋁護(hù)套過(guò)電壓保護(hù)器試驗(yàn)
對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的每一個(gè)過(guò)電壓保護(hù)器應(yīng)作下列試驗(yàn)。
8.5.1.電阻特性試驗(yàn)
每組保護(hù)器的三個(gè)校正后的電阻值中，任何一個(gè)值都在廠家規(guī)定的最大與最小值之間(換算到20℃)。
8.5.2.內(nèi)部絕緣電阻試驗(yàn)
采用1000V搖表測(cè)量導(dǎo)線連接端與外殼(底板)之間在一分鐘的絕緣電阻，其絕緣電阻值不應(yīng)小于2MΩ。
9、結(jié)論
通過(guò)范例對(duì)電纜線路設(shè)計(jì)原則的逐步分析，使設(shè)計(jì)方案既能降低工程造價(jià)和施工難度，而且還給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)方便。電纜的敷設(shè)方式、接地方式、電纜附件的選擇等要根據(jù)實(shí)際情況，靈活選擇與組合，達(dá)到優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，優(yōu)秀的施工，安全的運(yùn)行。
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