吉林敦化抽水蓄能电站超长500 kV电缆应用研究

马信武，张 悦，訾士才，王理晓

(1.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；3.青岛汉缆股份有限公司，山东 青岛 266071)

1 工程概况

吉林敦化抽水蓄能电站位于吉林省敦化市北部小白林场。电站安装4台单机容量为350 MW的可逆式蓄能机组，以500 kV一级电压接入电力系统，出线一回。电气主接线方案为：发电电动机和主变压器采用联合单元接线，500 kV侧采用三角形接线；地下GIS及地面GIS间采用两回500 kV XLPE高压电缆连接，最大单根长度为1 546 m，落差约为87.7 m。

本工程500 kV XLPE高压电缆线路为目前国内最长，且电容量大，试验难度较大，需对电缆的结构型式进行分析验证。本项目500 kV高压电缆招投标及合同执行过程中，对高压电缆的关键技术参数、运输、敷设安装等方案均进行了深入研究，另行撰文论述。本文重点介绍敦化项目高压电缆的结构型式、特点以及现场试验等。

2 500 kV电缆选型

2.1 导体的选择

通常情况下，电缆导体的材质主要有铜芯和铝芯两种。铜芯、铝芯基本性能比较如表1所示[1]。

表1 铜芯、铝芯基本性能比较

从表1中各项性能指标对比可以看出铜芯电缆相比铝芯电缆有明显的优势，主要是电阻率低、弹性模量高、弯曲性好、易延展、抗拉强度高、抗腐蚀性能好、载流量大。

500 kV高压电缆导体材质的选择，既要考虑经济性，更要考虑其较大载流量特点、布置安装特点以及可靠安全性。敦化抽水蓄能项目电缆输送容量高、长度较长、布置于地下洞室内、敷设环境复杂，经比较，决定采用铜芯电缆。

2.2 电缆截面

2.2.1 载流量计算

根据 IEC 60287[2]，电缆载流量的计算公式为

(1)

式中，I为载流量，A；Δθ为导体温度(θC，90 ℃)与环境温度(θo，40 ℃)之差，取50 ℃；R为90 ℃时导体交流电阻，取0.028 7 Ω/m(相关计算见后文)；n为电缆中载流导体数量；Wd为绝缘介质损耗，取2.685 6 W/m；λ1为护套和屏蔽损耗因数，垂直排列0.028 8，品型分层排列0.051 7，品型紧密排列0.424；λ2为金属铠装损耗因数，电缆不带铠装层，取0；T1为导体与金属护套间绝缘层热阻，取0.719 4 K·m/W；T2为金属护套与铠装层之间内衬层热阻，K·m/W，电缆结构中没有铠装内衬层，因此这里取0；T3为电缆外护层热阻取0.011 5 K·m/W；T4为电缆表面与周围媒介之间热阻，取0.3109 K·m/W[3]。

将各参数代入式(1)，可得电缆最大负载电流为1 275 A(垂直排列)、1 258 A(品型分层排列)、1 191 A(品型紧密排列)。

根据传输容量的要求，本工程500 kV电缆的载流量应不小于970 A，各种布置方案下截面的选择均满足工程载流量的要求。

2.2.2 电缆导体的短路热稳定校验

根据GB 50217—2018《电力工程电缆设计规范》[4]，按短路热稳定条件计算电缆导体允许的最小截面为

(2)

式中，S为电缆导体截面，mm2；J为热工当量系数，取1.0；q为电缆导体的单位体积热容量，J/cm3·℃，铜芯取3.4；θm为短路作用时间内电缆缆芯允许最高温度，取250℃；θP为短路发生前的缆芯最高温度，℃；θH为电缆额定负荷的缆芯最高温度，取90℃；θ0为电缆所处的环境温度最高值，取45℃；IH为电缆的额定负荷电流，A；IP为电缆实际最大工作电流，A；I为系统电源供给短路电流的周期分量起始有效值，取63 000 A；α为20℃时缆芯导体的电阻温度系数，铜芯为0.003 93/℃；ρ为20℃时缆芯导体的电阻系数，铜芯为0.018 4×10-4Ω·cm；η为计入包含电缆芯线填充物热容影响的校正系数，取1；K为缆芯导体的交流电阻与直流电阻的比值；t为短路持续时间，取2 s。

将以上参数代入公式，得出电缆的短路热稳定截面S为646.44 mm2，故800 mm2的电缆截面满足短路热稳定的要求。

2.2.3 电缆导体结构选择

GB/T 22078.2—2008《额定电压500 kV(Um=550 kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第2部分 额定电压500 kV(Um=550 kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆》[5]第7.1.1条款规定“截面为800 mm2导体可任选紧压导体或分割导体结构”，下面通过计算选择确定导体结构型式。

根据IEC 60287-1-1，导体交流电阻计算如下

R=R′(1+ys+yp)

(3)

式中，R为导体在最高工作温度时的交流电阻；R′为导体在最高工作温度时的直流电阻；ys为集肤效应因数；yp为邻近效应因数。

R′计算公式为

R′=R0[1+α20(θ-20)]

(4)

式中，R0为导体20 ℃时的直流电阻；α20为20 ℃时的铜电阻率温度系数，为0.003 93/K；θ为导体最高工作温度，取90 ℃。

各参数值代入得R′=2.818×10-5Ω/m。

ys计算公式为

(5)

表2 不同类型铜导体的ks(线芯结构常数)和kp(线芯结构系数)值

yp计算公式为

(6)

上式适用于三芯或三根单芯圆形导体电缆邻近效应的计算，即适用于常用的高压电缆。

(7)

表2 现场交流耐压试验结果

800 mm2导体通常采用紧压圆形或者分割圆形结构，同时采用反向绞合工艺制造。导体直径dc，根据经验，紧压圆形导体为34.00 mm，圆形分割导体为35 mm。根据IEC 60287-1-1，800 mm2铜导体交流电阻的计算值为：紧压圆形导体90℃时交流电阻为0.031 0 Ω/km；圆形分隔导体90℃时交流电阻为0.028 7 Ω/km。由计算结果可知，800 mm2高压电缆采用圆形分割导体比紧压圆形导体交流电阻降低7.4%[6]。

虽然圆形分割导体降低交流电阻的效果不十分明显，但分割导体结构已是一种很成熟的结构型式，制造工艺不复杂，因此为尽量降低集肤效应，提高高压电缆容量，降低温升，采用圆形分割结构。

2.2.4 阻水层

水分在交联绝缘电缆内部的横纵向绝缘通道主要包括导体间隙、线芯之间的间隙、各护层之间的间隙等。阻水措施主要分为径向和纵向2种。

2.2.4.1 径向阻水措施

当电缆安装于地下、易积水的隧道中时，电缆应具有径向不透水阻隔层。目前业内通常采用金属套作为径向不透水阻隔层，用金属套完全封闭，将金属套完全外包在交联电缆的聚乙烯护套上，从而避免水汽分子进入电缆中。当前国内设计生产的500 kV高压电缆金属护套主要为皱纹铝结构，国外同电压等级的有皱纹铝套和平滑铝套2种结构。

平滑铝结构相对更为紧凑，理论上具有较好的散热能力、输送电流能力，且可以规避皱纹铝结构中可能存在的金属护套内气隙间隔设置不当、存在悬浮电位放电的风险，但其在机械性能方面不如皱纹铝结构，主要表现在抗弯曲、侧压和振动等性能。根据本工程出线系统的布置特点，线路较长、转弯较多、电动力大，采用皱纹铝结构具有更好的机械强度，能够很好满足隧道敷设中转弯较多的需求，对电缆敷设运行更为有利；若采用平滑铝，则改变了高压电缆的常用结构，需要重新进行型式试验以验证其结构的可行性、合理性和可靠性。因此本项目暂不推荐采用平滑铝结构[7]。

根据本工程的特点，采用皱纹铝套作为径向不透水阻隔层。

2.2.4.2 纵向阻水措施

本工程高压电缆敷设于地下洞室内，渗水、积水较多，为避免在接触水的环境中损伤而需要更换大段电缆，电缆采用了纵向阻水结构。纵向阻水措施为使用阻水剂，即采用半导电阻水膨胀带绕包。为保证半导电阻水带能绕包紧密、平整，免受皱纹铝套间隙的影响而产生电晕放电，在绕包外增加铜丝屏蔽带[8]。

根据近期市场调研情况，电缆金属丝布和阻水缓冲带质量参差不齐，一旦有瑕疵或缺陷，容易导致电缆绝缘放电击穿故障。敦化电站在后期运行过程中应加强对电缆的巡视，采用在线监测、离线检测等手段密切关注持续运行电流、外护套感应电压、局放等参数，及时发现安全隐患，杜绝事故发生。

2.3 外护套

外护套应采用耐热性能良好的绝缘型聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)。考虑到本工程电缆隧道的拐弯比较多，施工方案复杂，并且隧道可能存在积水的情况，故采用耐磨和阻水能力更强的PE外护套，其低毒阻燃的性能也更符合隧道中的防火要求。此外，为满足外护套耐压试验的要求，外护套表面应有均匀牢固的导电层。

2.4 最终选型

综上，本工程高压电缆选型根据敦化电站的运行特点以及电缆结构、参数、布置等要求，采用500 kV XLPE绝缘电缆，电缆截面800 mm2，型号为ZC-YJLW03-Z-290/500 kV 1×800(单相、铜导体、阻燃C级、交联聚乙烯绝缘、皱纹铝套、聚乙烯护套、纵向阻水层500 kV 1×800 mm2高压电缆)。电缆结构如图1所示。

图1 290/500 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆结构示意

3 电缆试验

近年来，随着国内电网工程建设规模增大，大截面、长距离的高压电缆应用日渐增多，高压电缆作为电站输送电能的主动脉，对电站的可靠稳定运行起着举足轻重的作用。因此，电缆运行前通过试验检验其特性，及时发现和预防高压电缆在生产、安装过程中可能存在的某些缺陷，对系统的安全运行具有十分重要的意义。

为测试电缆及终端的主绝缘耐受强度，判断主绝缘是否存在缺陷，在高压电缆敷设完成后进行了现场主绝缘交流电压试验。

3.1 试验仪器设备

采用电抗器串联的组合满足电缆交流耐压试验需求，设备试验频率按照20～300 Hz可调设计，试验频率不稳定度<0.1%。

试验电压为493 kV，试验时间为60 min，试验电缆单根长度为1 546 m，电缆的单位电容为0.127 uF/km。主绝缘交流耐压试验的电容量为196 nF，试验频率为38.82 Hz，试验电流为22.97 A。

3.2 试验方案

本工程因地下厂房受空间限制，需在地面进行高压电缆耐压试验，试验点取在地面GIS出线套管上。

经过在设计联络会上与高压电缆厂家和GIS厂家沟通，最终决定采用地面GIS设备带高压电缆进行耐压，为保护GIS设备在高压电缆耐压过程中不受破坏，按照GB 50150—2016《电气设备安装工程电气设备交接试验标准》进行电缆耐压试验[9]，采用变频串联谐振耐压方式，将高压谐振电抗器组合使用。

因本工程高压电缆长度较长，所需试验设备电容量大，试验仪器由变频电源、励磁变压器、谐振电抗器、电容分压器等组成，串联谐振交流耐压试验能灵活整定试验电压、调频范围、加压时间、保护电流，不仅可以在稳态下使放电或击穿电流小，而且还使暂态(瞬时)电流的破坏减小，从而保证设备和人身的安全。即使试品击穿，谐振条件破坏，短路电流小，只有试品额定电流的1/10以下，对试品的危害性小。

试验电抗器单台参数为：试验电压320 kV、试验电流50 A，采用2台电抗器组合，组合后试验电压为640 kV、试验电流为50 A，此种组合方式能够满足长度不超过3 km的800 mm2高压电缆的试验要求。

3.3 试验结果

现场主绝缘交流电压试验通过。试验记录如表2所示。

敦化电站6根500 kV高压电缆试验均一次通过，说明敦化电站500 kV高压电缆的选型、敷设过程中采用的措施是科学有效的。

4 结 语

本文通过对敦化抽水蓄能电站超长干式高压电缆的运行特点研究，选择了合适的电缆结构、复核了相关运行参数，并通过对高压电缆试验设备的分析，采用多组设备串并联的方案克服单台设备试验容量不足的缺陷，解决了例行试验及现场试验的问题，得到如下结论：

(1)通过对高压电缆关键技术参数的分析计算，提出单根1 500 m 500 kV XLPE电缆不设置中间接头的电气方案是可行的，可大幅降低因中间接头故障导致事故停运的概率，在系统稳定、安全保障、设备投资等方面具有较大优势。

(2)通过对高压电缆各型布置方案以及回流线布置方案的分析对比，有效降低了感应电压，满足规范要求，且便于后期运行维护。

(3)通过对高压电缆试验设备的分析研究，采用多组设备串并联的方案克服单台设备试验容量不组的缺陷，解决了例行试验及现场试验的问题。

(4)通过对现场安装方案的实地查勘和讨论研究，解决了单根超长干式电缆在敷设安装过程中存在的电缆输送方案、输送设备布置安装位置、牵引力复核等问题。

吉林敦化抽水蓄能电站作为目前国内单根500 kV电缆最长的大型抽水蓄能电站，在项目执行过程中，与项目公司、设备制造厂充分沟通，对电缆结构、电气设计、运输安装方案等进行了深入研究，基本克服了超长干式电缆带来的感应电压、排列布置、交通运输、现场敷设试验等问题，标志着国产高压电缆系统已达到世界先进水平。

敦化项目500 kV电缆已于2020年12月投入运行，至今运行状况良好，标志着国产高压电缆系统已达到世界先进水平，对于后续工程具有一定的借鉴意义。