风电场110kV电缆出线段过电压保护设计

郭 继 红

云南省某风电场装机容量99MW,110kV高压侧为单母线接线,配电装置采用气体绝缘金属封闭开关设备(GIS),共4个间隔:1个出线间隔、1个母线设备间隔和2个主变压器进线间隔。

在站内各级配电装置安装结束后,送出工程发生了变化。原设计风电场110kV出线经14km架空线路接入当地的中纪变电站,由于升压站墙外终端塔位征地问题未能解决,架空线路改为110kV高压电缆直埋方式,敷设3根单芯交联聚乙烯绝缘电缆,长度为350m。采用铜芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝护套聚乙烯外护套纵向阻水电缆,电缆参数如下。

型号 YJLW02-Z额定电压/kV 64/110标称面积/mm2 400近似外径/mm 85.5电缆载流量 (直埋、三相水平布置、单端接地)/A 615电缆短路时间/s 3电缆导体承受的短路电流/kA 34金属护套最终短路温度/℃ 200护套短路时间/s 2金属护套短路电流/kA 12

1 无电缆段的过电压保护方案

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》有关规定,在110kV GIS管道与架空线路的连接处,应装设金属氧化物避雷器(图1中FMO1),这组避雷器已运到现场。

根据上述规程规定,变压器和GIS一次回路的任何电气部分至FMO1间的最大电气距离不足50m(小于规程值130m),可以不装设第2组避雷器,即图1中的FMO2。由于GIS设备中电压互感器、避雷器间隔是厂家的标准设计,因此就沿用了这组避雷器,避雷器参数如下:

额定电压/kV 100

持续运行电压/kV 78

雷电冲击电流下残压/kV 248

原14km的架空送出线路全线设置了避雷线,从雷电侵入波的保护角度来说,该升压站的这种配置设计是典型的进线无电缆段的GIS防雷保护接线,详见图1。

图1 无电缆段进线的GIS变电所保护线

2 有电缆段的过电压保护方案

原设计的110kV架空线路增设了电缆进线段后,根据上述规程的7.4.2,在电缆段与架空线路的连接处应装设金属氧化物避雷器,即图2中的FMO1,这组避雷器与电缆段的首端电缆头要安装在架空线路的终端铁塔上。此时,过电压保护接线发生了较大的变化,见图2。

图2 单芯电缆段进线GIS变电所保护接线

为了完善该保护方案,应研究以下4个方面的问题。

2.1 电缆金属护层接地方式的选择

电缆进线段是采取直埋敷设,3根电缆水平呈直线并列排列,敷设长度约350m,确定能否采用一端接地方式,应验算这段电缆运行时,其终端金属护层的正常感应电势。

根据《电力工程电缆设计规范》GB50217—2007的附录F,计算公式如下:

B相的正常感应电势

ESB=L◦I◦(2ω ln(s/r))×10-4;

A、C相的正常感应电势

计算结果:B相的正常感应电势ESB=21.13V;

A、C相的正常感应电势ESA=ESC=26V。

据此结果,说明此段电缆可以采取一端接地的方式,各相电缆金属护层的正常感应电势,均小于50 V(50 V是交流系统中人体接触带电设备装置的安全允许限值)。

2.2 高压电缆与避雷器的选择

增加了高压电缆进线段,对雷电侵入波的衰减作用可采用下式进行计算:

U2=Uin×2Z2/(Z1+Z2) (kV,Peak)

计算结果,U2=(11.8%～24.4%)Uin。

说明经过350m电缆段,确实对雷电侵入波有良好的衰减作用。

一般110kV架空线路典型杆塔遭受雷电的设计水平,50%冲击放电电压(正极性)是700kV,从上述计算结果看,只要在线路终端塔与电缆段的连接处装设了FMO1,甚至连GIS中的避雷器都可以不装设了。当然,这只是理论计算的推导,实际上GIS早已安装完毕,其中的避雷器仍要沿用的。

2.3 单芯高压电缆外护层的保护

单芯电缆的外护层(包括终端支座等),在运行中会承受雷电波或断路器操作及系统短路时所产生的各种暂态过电压。对110kV系统,我国标准规定(高压电缆选用导则DL/T401—2002)电缆外护层冲击耐压是37.5kV,计算电缆护套的冲击耐压值。

以A相电缆在升压站地网外,电缆头处发生短路为例。

经计算,当电缆头处发生单相接地短路时,总的单相短路电流4.17 kA,本升压站侧提供的电流是2.44 kA,此时假设是电缆金属套一端互联接地,根据DL/T401—2002,采用下式计算:

UA=(IXS+I2R1)

计算结果,UA=24.4kV,这是工频感应电压。

通过残工比系数(一般取2.5)折算出冲击感应电压Ua=61.05kV,远大于电缆外户层冲击耐压37.5kV。说明必须在电缆末端的金属护层处加装电缆护层保护器,即图2中的FC。其中护层保护器核心部件为优质非线性氧化锌电阻片,110kV电缆的配套接地箱技术参数见表2。

表2 电缆金属护层接地箱技术参数表

根据国家标准 《电力工程电缆设计规范》GB50217—2007的4.1.13,电缆护层与保护器的绝缘配合系数不得小于1.4,此时该工程的绝缘配合系数为3.75,显然很安全可靠了。该接地箱氧化锌避雷器足以对电缆护套起到保护作用。

2.4 回流线的设置

表2中电缆护层接地箱的工频耐压仅有4kV,远小于上述计算结果 UA=24.4kV,根据GB50217—2007的4.1.15,应沿电缆邻近设置平行回流线,接线示意图见图3。

图3 回流线接线图

为了达到抑制电缆金属层工频感应过电压,回流线首端应与线路铁塔侧的电缆护层接在一起,与避雷器并接在线路铁塔的接地装置上,回流线末端应与升压站的接地网连通,并应使其截面满足最大暂态电流作用下的热稳定要求。

按热稳定计算,当单相短路电流5 s切除,总的单相短路电流4.17 kA,回流线选用钢芯铝绞线时,经计算,导线截面S≥98.15mm2,考虑土壤腐蚀等因素,工程上采用LGJ-150规格导线,回流线及光缆与高压电缆同沟埋设。

原GIS出口侧的避雷器可以不再装设,考虑到已到货,故改作支持绝缘子使用,即仍按避雷器方式安装,兼起支撑GIS和电缆终端间连接引线的作用。3根单芯110kV电缆沿出线间隔中心线方向地埋进入升压站围墙,详见图4。

图4 高压电缆出线间隔安装图

3 结 语

风电场升压站高压侧出线采用电缆直埋敷设方式,当升压站内部选用的高压配电装置是气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)时,应认真研究雷电波过电压的保护接线。

此外,高压电缆段在线路不太长时,宜采用金属护层一点接地方式,其金属护层电气通路的末端应设置护层电压限制器。并沿电缆路径平行放置回流线,做到以上要求才能保证电缆设备的可靠性及安全性。

该风电场已于2009年12月投产发电,110kV高压电缆出线段经受了工程当地的强烈雷电活动的考验,运行正常,设备完好无损。

1 GB50217—2007,电力工程电缆设计规范[S].

2 DL/T401—2002,高压电缆选用导则[S].

3 DL/T620—1997,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].