500kV国产XLPE电缆选型及应用实践

杨 东

（国家能源集团大渡河大岗山水电开发有限公司，四川省雅安市 625000）

0 引言

500kV电缆于1975年在日本问世，500kV XLPE电缆1998年最早出现在日本今市电站与下乡电站安装，与XLPE电缆配套的还有插入全封闭组合电器电缆终端[1]。很长一段时间，500kV XLPE电缆本体及附件主要依赖进口。继500kV XLPE电缆在广西龙滩水电站国产化成功应用，打破了该设备被国外制造厂家长期垄断的局面，大岗山水电站采用全国产的500kV XLPE电缆本体及附件，加速了高端电气设备国产化进程[2]。

大岗山电站共装设四台混流式水轮发电机组，单机容量650MW，总装机容量2600MW，是国家能源集团单机容量最大的水轮发电机组。发电机与主变压器组成单元接线，主变压器布置在地下主变压器洞室内，500kV XLPE电缆通过2个高差为185m的电缆竖井引出到地面开关站，接入SF6气体绝缘全封闭组合电器。大岗山水电站共12条高压电缆，总长度为11000m单相，最长一根电缆的长度约为950m单相，每根电缆是单相整根，中间不设任何接头。500kV XLPE电缆由河北新宝丰生产，电缆终端由江苏安靠提供，如图1所示。

1 电缆本体选型

1.1 导体

电缆导体采用五分割结构，采用无氧铜， 分割结构导体间采用半导电性化合物纤维层。电缆导体截面1000mm2， 单丝根数为185根，股块单丝根数37根，单丝直径2.87mm。通过额定电流时导体温度不大于62℃，如图2所示。

图1 XLPE电缆系统示意图Figure 1 XLPE cable system diagram

图2 XLPE电缆结构Figure 2 XLPE cable structure

电流流过导体线芯，会造成温度升高。当电缆绝缘温度过高时将缩短电缆寿命、加速绝缘老化，甚至发生击穿事故。电缆载流量是指电缆在正常运行期间，其不超过额定温度时所能承载的最大电流[3]。为最大限度地减轻因肌肤效应导体交流电阻增大，有效减小导体的发热损耗，增加导体的载流量，将大截面的导体分割成几块彼此绝缘的分割导体。

IEC60287标准电缆载流量计算公式是根据电力电缆稳态运行时所形成热物理温度场，通过微分方程式计算而得[4]。

大岗山水电站500kV电缆整体布置采用水平蛇行布置方式，电缆在出线平洞内采用品字形布置即为等边三角形。按电缆在隧道中平行排列、相间中心距350mm为例，额定电压U=500kV，电缆截面A=1000mm2，则

式中θc——线芯温度，90℃；

θo——环境温度，40℃；

wi——单位长度（cm）电缆绝缘层介质损耗，0.0172W/cm；

T1——电缆绝缘层的热阻，59.66TΩcm；

T2——内衬垫的热阻，21.75TΩcm；

T3——外护层的热阻，7.59TΩcm；

T4——环境的热阻，29.68TΩcm；

R——电缆线芯的直流电阻值；

λ1——电缆金属护套的损耗系数，等边三角形敷设0.153，平行敷设0.303；

λ2——电缆铠装层的损耗系数，电缆不带铠装层，取0。

电缆最大负载电流1251A，系统的额定电流约等于电缆载流能力64%，所以该截面能很好满足系统的要求。

1.2 绝缘层

500kV XLPE电缆介质损耗较低，传输容量较大，适合于高落差敷设。绝缘层由一层采用特超净交联聚乙烯（XLPE）材料的挤包绝缘组成。绝缘层的标称厚度为34mm。绝缘层是电缆的主绝缘，具有优良的电气性能，耐电强度高。绝缘层和内、外半导电层紧密接合，排除了气隙，消除或减少了局部放电量，提高了电缆整体绝缘水平。

以雷电冲击电压确定绝缘厚度：

式中timp——由雷电冲击电压决定的绝缘厚度，mm；

Vimp——电缆承受的雷电冲击电压，取值1675kV；

Eimp——最低雷电冲击电压破坏强度，取值80kV/mm；

——老化系数，取值1.1；

——温度系数，取值1.25；

——安全系数，取值1.1。

按上述计算，500kV 1000mm2交联电缆的绝缘厚度应不低于31.67mm，选用的电缆绝缘层标称厚度为34mm，最小厚度为32.6mm，大于31.67mm，满足设计要求。

1.3 接地回流线

根据DL/T 5228—2005《水力发电厂交流110-500kV电缆工程设计规范》，电缆金属护套接地原则采用一端直接接地，一端通过金属护层保护器接地。护层保护器按《护层保护器选择计算书》的计算结果选择，直接接地端设置在与架空线连接的GIS开关端。同时敷设回流线，降低电缆金属套感应电压和工频过电压，抑制对邻近的控制或通信电缆的感应干扰强度[5]。

大岗山水电站500kV电缆整体布置采用水平蛇行布置方式，电缆在出线平洞内采用品字形布置即为等边三角形，回流线布置在三角形的中心位置。回流线导线的导体材质为铜，截面积500mm2，绝缘水平应与外护套相同，电缆每段的水平段和竖井段按照三七开布置，并在中点交叉换位，如图3所示。

图3 交叉互联接地示意图Figure 3 Cross interconnection grounding diagram

2 电缆附件选型

2.1 电缆终端

电缆终端采用江苏安靠生产的500kV 硅橡胶预制应力锥电缆终端，如图4所示，终端与500kV GIS相连，对终端的电气特性要求与电力电缆本体相同，主变压器侧（地下厂房端）的电缆终端为水平布置，GIS侧（地面厂房端）的电缆终端为垂直布置。终端内的电场强度由硅橡胶应力锥控制，终端采取严密的密封措施，保证在GIS的最高气压下没有任何泄漏，能承受各种运行工况下产生的压力差。

图4 硅橡胶预制应力锥Figure 4 Silicone rubber prefabricated stress cone

终端与GIS连接处设有一段可拆卸短段，并在外壳上预留手孔以便于拆卸，以利于电缆和GIS分开进行各项试验。为防止GIS设备外壳的感应电流传入电力电缆的金属套，GIS型电缆终端与GIS外壳连接处安装有绝缘法兰，并设有绝缘法兰保护器。绝缘法兰的绝缘水平与电缆外护套的绝缘水平一致。

2.2 电缆测温装置

电缆测温装置采用上海波汇提供的分布式光纤测温系统，利用敷设在高压电缆表面的光纤作为温感传感器，被测电缆各个位置的温度信号以光波的形式传回光纤端部，通过装置最终将信号提取并在电脑中显示出来，光纤测温只需一根或几根光纤就可以监测数公里的电力电缆设备。分布式光纤除可以监测电缆纵向沿线温度分布，发现电缆整体的过热故障及电缆的局部温度升高，能对温度异常情况准确迅速进行报警[6]。

分布式光纤测温系统测温的光缆采用Sensor-T类型，Sensor-T是一个内部62.5/125μm多模光纤，外部为低烟无卤，阻燃型热塑材料，选用2台4km 2通道的光纤测温主机，分别进行4回A/B/C三相电缆的监测，每回路A/B/C三相使用1个通道进行测量；并将监测到的温度通过TCP/IP传输给光纤测温上位机，在上位机软件上查看分布式温度信息，上位机在接收到实时载流量的后，进一步进行动态载流量的计算，测得电缆缆芯温度，如图5所示。

2.3 电缆金属套接地电流在线监测系统

图5 分布式光纤测温系统示意图Figure 5 Schematic diagram of distributed optical fiber temperature measurement system

高压电缆正常运行时，电缆金属护层的直接接地端也有电流存在。该电流包含两部分：一是电缆线芯导体与电缆金属护层之间存在电容，当导体加高压后，在导体和金属护层之间形成电容电流，该电流通过金属护层的直接接地端流入大地。二是长线路交叉互联，由于三相负荷不可能完全一致、三相电缆长度不可能完全相等、空间位置也不可能完全对称，三相金属护层上的感应电压交叉互联后不可能完全抵消，在金属护套之间就会形成环流[7]。

高压电缆金属套接地电流在线监测系统主要由采集装置、通信设备和上位软件系统三部分组成。采集装置由电流传感器和电流变送器组成。电流互感器安装在电缆金属套接地线上，通过电磁感应获取接地线上的电流，并将该电流通过变送器后传递至金属套多点接地监测主机，在主机软件上可反映电缆金属套接地电流情况。电流互感器型式电流比100：1，输出电流：0～5A，如图6所示。

图6 电缆金属套接地电流在线监测系统示意图Figure 6 Schematic diagram of on-line monitoring system for grounding current of cable metal sleeve

3 安装施工情况

大岗山水电站高压电缆线路长、落差大，现场制作24套电缆终端，地下12套主变压器SF6终端为水平布置、地面12套GIS侧SF6终端为垂直布置。

高压电缆敷设时，在隧道弯角处、竖井上下口位置，分别安装套滚组，保证电缆敷设时的弯曲半径大于电缆外径的20倍，必需牢固、安全可靠；缆盘处安装牵引卷扬机，辅助电缆解盘牵引及电缆尾部牵引保险。按敷设设备布置图水平隧道内布置20台敷缆机，竖井内用专业固定架固定布置10台敷缆机；竖井内未安装敷缆机在检修平台全部安装四方滚轮，防止电缆与竖井壁摩擦损坏；沿电缆敷设路径每5～6m布置直滑车，防止电缆与地面摩擦损伤；沿电缆敷设路径水平弯曲位置根据现场情况安装转弯滚轮，必须牢固可靠用以约束电缆防止电缆不按设想线路前进。

高压电缆终端制作是安装电缆最关键的一个步骤，对安装的环境要求很高，灰尘小于20CPM（注1CPM=0.01mg/m3），湿度小于60%。在电缆头制作的位置处，需要搭设临时的电缆终端制作棚，在电缆制作棚内安装充足照明，安装除湿机，使棚内湿度达到小于60%的要求，搭设电缆终端制作棚时要满足电缆安全可靠、制作方便、空间适中的要求。

由于500kV电缆的特殊性，其耐压试验需和GIS设备一同进行，试验设备的容量要足够，可采用单相试验的方式逐相地将试验电压加在 A、B、C相线端分相进行试验，一相加压时另外两相要可靠接地，耐压试验采用高压变频串联谐振装置作为交流发生器，试验电压通过水电站出线场的户外套管施加加压。

500kV XLPE电缆投入运行后，要定期进行巡视，主要内容有：检查电缆表面是否因发热发生色变，有无凸起气泡、龟裂等缺陷；定期用测温仪器对电缆卡具、电缆钢支架、电缆表面及其环境温度进行测试；定期对高压电缆的回流线进行电流测试；定期对电缆表面（金属套上）的感应电压进行测试；定期对电缆表面进行卫生清扫，保持整洁度；电缆廊道内不漏水、不渗水，电缆表面有无杂物。

4 结论

大岗山水电站500kV国产XLPE电缆及附件自2015年投运以来，电缆接地电流、表面温度、感应电压等运行参数良好，国产高压电力电缆的各项指标满足设计要求，为振兴民族工业和赶超国际先进水平做出了贡献，对提高我国电网的安全运行具有重要意义。

高压电力电缆是输变电系统中不可缺少的组成部分，XLPE电缆采用交联聚乙烯作为主绝缘材料，其优点在于良好的耐热性和电气性能，结构简单、工作温度高、敷设高差不限、输电损耗小、安装和维护简单，近年来，使用量急剧增加。

500 kV XLPE 电缆在线监测除接地电流监测、温度监测外，对主绝缘还没有有效的监测手段，须进一步研究高压电缆在线监测方法，提高电缆运行安全可靠性水平[8]。