高电压大截面电力电缆敷设方式对线路安全运行的影响

陈斌，李帅，李子扬

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

高电压大截面电力电缆敷设方式对线路安全运行的影响

陈斌，李帅，李子扬

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

长距离高压电缆采用蛇形敷设，能有效吸收导体温升引起的热胀冷缩变化量，防止电缆接头和终端机械损伤。结合工程实例，分析和计算不同的导体温度、蛇形弧幅值和蛇形节距对弧幅轴向推力大小的影响，提出蛇形节距、蛇形幅值合理取值范围。即垂直敷设蛇形长度范围可取3～8 m，蛇形弧幅值可取150～300 mm。根据电缆接地原理，计算增加回流线后，系统单相短路时电缆金属层的感应电势。可为高电压大截面电缆的设计和运行提供参考。

电力电缆；蛇形敷设；热膨胀；回流线；屏蔽层电压

0 引言

近年来随着城市的发展，城区负荷密度愈来愈大，在架空线路走廊紧张或无法与城市环境相协调时，城网线路大量采用地下电力电缆输配电系统，以节约土地资源和提高电网抵抗冰雪、台风等自然灾害的能力。电缆线路相对于架空线路，特别是长距离、高电压等级的输电线路，能够有效解决线路走廊、供电半径等城市建设中的资源配置问题，并在公共安全、电磁干扰等方面具有优势。高电压、长距离、大截面电缆线路已经在大、中城市的人口密集区和经济发达区的网架中占据相当重要的地位，电缆线路的安全运行和管理维护也越来越受到重视。

国内高电压大截面电缆敷设方式主要有隧道、排管、电缆沟，城区内电缆主要采用隧道敷设。电缆在隧道内运行条件较好，环境温度恒定，管理运行方便。虽然电力隧道本身造价较高，但在城区主线路网上，有多条电缆线路敷设其中，在经济指标方面能体现合理性。国内经济发达地区越来越多地采用电缆隧道方式敷设高压电缆，并积累了丰富的施工及运行经验。以济南东部城区某架空线入地改造工程为例，对电压等级220 kV、线路长度8.9 km、截面积2 500 mm2的XLPE电力电缆线路隧道敷设进行研究，提出隧道空间布置、蛇形敷设、夹具选择、减小电缆护层感应电压等保护措施，有利于电缆线路的安全运行。

结合工程实际和施工运行，对高电压、长距离、大截面电缆线路的敷设方式进行研究，着重探讨电缆隧道敷设中遇到问题。1）电缆线路长度长、输送电流大时，热膨胀产生的机械应力不能有效释放的情况下，会造成电缆金属护套的损坏并对电缆附件和附属设施产生危害。电缆在隧道内采用蛇形敷设，能有效吸收热胀冷缩的变化量，消除机械应力，增加线路运行的可靠性。2）高压单芯电缆在发生单相短路故障时金属护层上会产生很大的感应电压，导致护层绝缘老化等安全隐患，敷设回流线是解决这一问题的有效措施。

1 电缆热膨胀对蛇形布置的影响

长距离高压电缆线路在设计时，电缆热膨胀问题与电缆载流量［1-2］、导体排列、支架长度，乃至隧道尺寸密切相关。热胀冷缩是自然界的基本规律，2 500 mm2的XLPE电力电缆输送容量较大时，热膨胀量产生的机械应力较大，需考虑选取电缆支架形式、电缆排列与固定优化方案，以最大限度地合理利用隧道内有限的空间资源。根据规程［3-4］要求以及施工和运行中积累的经验，电缆隧道内采用蛇形敷设可以有效吸收因负荷变化引起的电缆长度热胀冷缩的变化量，释放机械应力。根据隧道内部空间的实际情况，一般可以选择水平蛇形和垂直蛇形两种方式，在电缆蛇形弯曲部位对其进行固定，固定方式可采用刚性和挠性，支架长度、间距和支架数量取决与蛇形几何尺寸的选取。

电缆的热膨胀计算分析是蛇形敷设几何尺寸确定的重要理论依据。根据工程特点，合理选择水平或垂直的蛇形敷设方式，准确计算蛇形敷设的幅值和蛇形长度，不仅能够优化电缆隧道尺寸和支架数量，降低工程造价，也关乎电缆的安全运行。

1.1 热膨胀计算

假定长度为L的电缆在温度变化时可以自由移动，当受外力作用且温升为时，长度变化量为

式中：α为电缆的线膨胀系数，1／℃；E为电缆的杨氏模量，N／mm2；σ为电缆截面上的应力，N／mm2。

电缆线路运行过程中，作用在电缆上的变形力即为线芯发热时的膨胀推力或轴向力。温升导致电缆线芯产生的轴向力为

如图1所示，当温升Δt超过一定量时，电缆热伸缩量m，电缆蛇形弧侧向滑移量n为

图1 热膨胀分析计算

根据文献［4］蛇形敷设轴向力公式，水平敷设电缆温度下降时，蛇形弧轴向力Fhj

水平敷设电缆温度上升时，蛇形弧轴向力Fhs

垂直敷设电缆温度下降时，蛇形弧轴向力Fvj

垂直敷设电缆温度上升时，蛇形弧轴向力Fvs

式（2）～（8）中：A为导体截面积，mm2；f为电缆的反作用力，N；B为电缆蛇形幅值，mm；μ为摩擦系数；W为电缆单位长度重量，N／mm；EI为电缆抗弯刚性，N·mm2。

根据蛇形弧滑移量、伸缩量、轴向力计算公式，先选定半节距L，给定一个初始弧幅值B，按运行时最高温度决定的温差Δt，计算热伸缩量m和滑移量n，然后根据电缆固定方式确定支架长度，根据支架长度允许的滑移量n计算轴向力，校核电缆护套强度值。

1.2 蛇形布置

为及时有效地吸收电缆温升产生的热膨胀量，电缆通常采用水平蛇形敷设和垂直蛇形敷设两种形式。水平蛇形敷设如图2所示，垂直蛇形敷设如图3所示。

垂直蛇行敷设利用的是隧道的高度，水平蛇行敷设利用的是隧道的宽度［5］。在城市建设中隧道断面受到限制的通常是其经过路径占地宽度，因此垂直蛇行敷设往往能更合理地利用隧道内的空间。在合理选择蛇形形状及夹具布置的条件下，水平蛇形敷设和垂直蛇形敷设均能满足电缆热伸缩量的要求。但相对水平敷设来讲，垂直蛇形的优点是：结合电缆排列布置，合理利用电缆隧道空间，减少电缆支架长度和数量。

图2 水平蛇形敷设

图3 垂直蛇形敷设

根据本工程电缆参数，2 500 mm2的XLPE单芯电力电缆三相水平排列，隧道内温度为20℃，导体最高工作温度为90℃，短路时导体温度为250℃，不同工况下垂直蛇形热膨胀计算如图4～6所示。

图4 电缆正常运行Δt=70℃，不同L时，垂直蛇形幅值B与轴向伸缩力F的关系

图5 电缆正常运行Δt=70℃，不同B时，垂直蛇形节距L与滑移量n的关系

图6 电缆夹具紧固力取300 kg，不同L时，垂直蛇形幅值B与电缆末端夹具数量的关系

由图4～6分析得出以下结论。1）当蛇形波长越长、蛇形幅值越小时，热膨胀产生的轴向力也越大，反之越小。电缆导体短路时通过短路电流最高允许温度为250℃时，轴向力可达18 kN。优化蛇形节距、蛇形幅值后，电缆正常运行情况，热膨胀轴向力可限制在4～8 kN范围内，满足电缆安全运行要求。2）蛇形节距确定后，蛇形幅值取值越小，电缆滑移量越大，蛇形敷设时所要求的电缆支架长度越长。3）垂直敷设蛇形长度范围可取3～8 m，蛇形幅值一般大于1.5倍电缆直径。当波长越长，波幅越小时，产生的推力越大。为控制电缆轴向伸缩力，电缆末端夹具数量随垂直蛇形幅值的增加而减少。4）电缆支架间距取决于蛇形敷设的长度，电缆蛇形越长，电缆支架的使用量越少，但电缆隧道空间相应增加；另一方面，固定夹具数量的增加给施工安装增加难度［7］。

2 敷设回流线对电缆护层感应电压的影响

2.1 电缆接地原理

单芯电缆的导线与金属屏蔽层，可等效成一个变压器的初级绕组。当电缆的导体通过交流电流时，其周围产生的一部分磁力线将与屏蔽层铰链，使屏蔽层产生感应电压［6］，感应电压的大小与电缆线路的长度和流过导体的电流成正比。电缆很长时，护套上的感应电压叠加起来可达到危及人身安全的程度，在线路发生短路故障、遭受操作过电压或雷电冲击时，屏蔽层上会形成很高的感应电压，甚至可能击穿护套绝缘。如果屏蔽层两端同时接地使屏蔽线路形成闭合通路，屏蔽层中将产生环形电流。电缆正常运行时，屏蔽层上的环流与导体的负荷电流基本上为同一数量级，将产生很大的环流损耗，使电缆发热，影响电缆的载流量，减短电缆的使用寿命。因此，电缆屏蔽应可靠合理的接地，电线外护套应有良好的绝缘。对于高压单芯电缆线路，规程［3］中给出常用的3种接地方式：一端直接接地、线路屏蔽中点接地、交叉互联接地。

2.2 回流线敷设

以变电站出口处一段长度L=535 m单端接地电缆为例，计算单相接地故障时的感应电压。三相电缆水平排列，间距S=300 mm，短路电流Ik=50 kA，接地电阻R=0.4 Ω。

当系统发生单相短路时（假设A相短路），在金属层单点接地的电缆线路，无并行回流线时沿金属层产生的电势

有并行回流线时产生的电势

式中：D′为地中电流穿透深度常数；Rp为回流线电阻，Ω／km；Rg为大地漏电电阻，Ω／km；rp、rs为回流线导体、电缆金属层的平均半径，m；s为回流线至相邻最近相电缆的距离，m。

经计算，无并行回流线情况在单相接地故障下，过电压值将达到23 kV，会导致电缆护层绝缘及保护器损坏。而其中地电位电压RIk在计算值中所占比例较大，当接地电阻值不能有效降低时必须采取相应措施［7］。

根据文献［3］规定，交流系统110 kV及以上单芯电缆金属层单点直接接地，下列任一情况下，应沿电缆邻近设置平行回流线：1）系统短路时电缆金属层产生的工频感应电压超过电缆护层绝缘耐受强度或护层电压限制器的工频耐压；2）需抑制电缆邻近弱电线路的电气干扰强度。敷设回流线可使单相接地时外护层绝缘及过电压限制器所受工频过电压与地网无关，且通过回流线的磁通抵消部分电缆线芯接地电流产生的磁通，从而有效降低护层感应电压。

在电缆正常运行时，要求回流线中不产生感应电流及电阻损耗，根据工程运行经验一般采用“三七开”的方式布置三相电缆线路回流线，即回流线与中间一相电缆的间距为0.7s，并在线路一半处换位，如图7所示。

由计算可知，敷设回流线后，电流全部以回流线为回路，因其电阻很小，本段电缆护层感应电压降至约7 kV，在电缆绝缘耐受范围内。并且回流线的布置方式对护套感应电压也有影响，采用“三七开”的方式布置，回流线距电缆更近，产生的感应电压更小，有效地保护了电缆外护层的绝缘。

图7 回流线布置方式

3 结语

通过深入分析电缆热膨胀问题与导体排列、轴向力，以及蛇形布置和固定夹具数量的关系，提出蛇形节距、蛇形幅值合理取值范围，以吸收电缆热胀冷缩变化量，增加电缆运行可靠性。

根据电缆接地原理，计算增加回流线后，系统单相短路时电缆金属层的感应电势。建议电缆线路的一侧终端布置在发电厂或变电所时，敷设的回流线应与电源中性点接地的接地网连通。

［1］马国栋.电线电缆载流量［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］IEC 602872—2001 Calculation of the current rating of electric cables［S］.

［3］GB 50217—2007电力工程电缆设计规范［S］.

［4］DL/T 5221—2005城市电力电缆线路设计技术规定［S］.

［5］徐霞，王斌.电力电缆隧道内长距离500 kV电缆敷设设计［J］.华东电力，2010，38（4）：529-532.

［6］罗俊华，周作春，李华春，等．单芯电力电缆金属护层过电压保护器参数设计［J］.高电压技术，2008，34（2）：355-372.

［7］GB 50168—2006电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范［S］．

Laying Modes and the Effect on Safe Operation of High Voltage Cable Line with Large Size Conductor

CHEN Bin，LI Shuai，LI Ziyang
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.LTD，Jinan 250013，China）

Snake-shaped laying of high voltage cable line can absorb thermal expansion and prevent mechanical damage on accessories.With a kind of high voltage cable line taken as an analytical example，axial push forces are calculated based on different temperature of conductor as well as different amplitude and pitch.Reasonable span is analyzed and recommended.In other words，when power cables are snake-shaped laying in vertical，it is recommended that the amplitude range from 150 to 300 mm and pitch range form 3 000 to 8 000 mm.On the basis of grounding principles，the induced EMF will be reduced by auxiliary ground wire.This is hopefully to be of practical significance for design and construction of high voltage cables with large size conductor.

power cables；snake-shaped laying；thermal expansion；auxiliary ground wire；shield voltage

TM247

A

1007－9904（2015）03－0039－04

2014-10-23

陈斌（1983），男，工程师，主要研究方向为特高压直流和高压电缆线路的设计；

李帅（1984），男，工程师，主要研究方向为高压输电线路的设计；李子扬（1984），男，工程师，主要研究方向为高压输电线路的设计。