电力系统中高压电缆输电线路设计分析

山东电力工程咨询院有限公司 魏烈强

1 引言

为满足社会经济发展对电力能源的需求，我国近年来不断加大高压输电线路工程的建设。输电线缆设计则是电力系统高压电缆项目中的基础性工作，设计方案的合理性和可行性直接关系高压输电线路运行的安全性和可靠性。因此，在设计实践中，设计人员应充分了解相关地区的环境条件以及用电需求等相关实际情况，不断优化设计方案，确保输电线路路径设计合理、线缆质量性能以及敷设方案能够满足高压输电线路安全运行要求，并要做好线路的连接、接地以及防雷处理，提高线缆基础结构设计的科学性，从而为我国高压输电电缆线路工程的建设创造良好的前提条件。

2 高压输电电缆线路设计工作主要内容分析

设计人员在高压输电线路线缆设计工作中，应严格遵守电力系统相关设计规范要求，准确掌握其特点以及电缆线路的设计标准，加强对各种设计影响因素的研究。同时，设计人员应全面详细勘查高压输电线路相关地区的地形地貌条件、环境特征以及气候变化等情况，以此为依据开展可行性分析以及对各项设计参数的计算[1]。在设计过程中，设计人员应合理确定线路路径、线缆型号以及敷设方式，并要做好高压输电线路的连接、接地以及防雷处理，以保证线路的运行安全。在高压电缆架空输电线路的设计中，其杆塔基础设计也是设计工作中的一项重要内容。设计人员应对不同设计方案进行综合性的比选，以优化设计方案，提高设计的水平和质量。

3 高压输电电缆线路设计工作要点分析

3.1 高压输电电缆线路路径设计要点分析

在高压输电线路的设计工作中，设计人员应首先合理确定线路路径，从已确定的输电线路起点位置出发，对相关地区进行全面的勘查了解，全面收集线路拟定路径区域的地形地貌条件、地质水位特征以及气象变化等相关数据信息，详细了解相关地区铁路以及公路线路方向和分布情况，特点是要重点确认交叉点位置。在路径设计中应尽量避开地质灾害高发区域或多雷电灾害区域，同时还应规避存在水利设施、采矿以及均是设施等区域。高压输电线路路径一般应与已建、在建或者拟建的其他电缆线路走向保持一致，以减少跨越交叉，并降低建设成本[2]。此外在路径选择中，设计人员还应充分考虑沿线地区的房屋建筑部分、农业生产区域以及林木资源保护区等，建立减少高压输电线路建设对正常生产生活以及自然环境的影响。设计人员应对不同路径设计方案进行综合性的对比分析，以提高路径设计的合理性。

3.2 高压输电电缆线路敷设方式设计要点分析

目前在高压电路建设中一般可以采用架空以及入地埋设等不同的敷设方式。设计人员应准确掌握这两种敷设方式的特点，并根据实际情况进行合理的选择。其中，入地埋设一般采用的是电缆沟或者电缆隧道等方式。电缆沟对地下空间的占用相对较少，但需要借助移动抽水等方式保持沟内干燥，且沟盖板在景观长期使用后会出现破损、断裂问题，导致沟内进水，影响高压电缆输电线路的运行安全。电缆隧道虽然需要较大的地下空间，便于施工和管理维护。在远离城市的地区则可以采用杆塔支立等方式对高压输电线路进行架空敷设。设计人员应针对高压输电线路不同区域的具体环境条件等因素采用相应的敷设方式。

3.3 高压输电线路电缆及配件设计要点分析

3.3.1 选择线缆类型规格要点

线缆选型是高压输电线路设计中的重要环节之一。设计人员应严格遵守相关设计规范，并结合高压输电线路的敷设方式等因素合理选择线缆的型号规格。在高压电缆架空线路的设计中，应选择自阻尼性能较好的铜芯绞线。由于此类电缆的电阻值相对较小，且铜芯被密封在保护套内能够有效减少外界因素对线缆的侵蚀破坏，并有利于控制线损。而在主干线路的设计中则可以选择导电率较高的软铝绞线等线缆类型。当具备条件时，设计人员还可以采用抗拉抗扭性能好、低热膨胀的复合型绞线，以提高高压电缆的综合性能[3]。如乙丙橡胶电缆线芯能够在90℃高温条件下长期连续工作。在重点高压输电线路的设计中，为尽量减少接头数量，设计人员可以选择单芯类型的线缆。同时，在高压输电线路的线缆设计，设计人员还应科学确定线缆的截面面积（S）、单位长度（L）内的电流值（I）以及电压值（U）等，并要充分考虑线缆上的电压损失以及温升影响等问题。线芯湿度应控制在70%以内。当线缆管径超过50mm 时，由于其管壁相对较薄，需要做好防冷弯变形处理。

3.3.2 电缆铠装护套设计要点

设计人员为提高高压输电线路电缆的绝缘性能以及耐久性，应合理选择线缆外护套。对于110kV以上的高压电缆，其外护套可以采用PE 或者PVC材质。而在外护套的防水性能方面，皱纹铝护套以及铝合金护套均能够达到防水要求。铝合金护套的弯曲半径更小、且耐腐蚀性也更好，不过其机械性能相对较差，不便于安装施工。设计人员应综合考虑外护套的绝缘性能、应力开裂性能、导电性能、耐高温性能、耐腐蚀性能等多种因素，并根据高压输电线路不同区域的环境条件，选择相应类型的外护套材质。设计人员可按照公式对护套上的工频感应过电压值进行计算，如式（1）：

式（1）中，UONAC为工频感应过电压值；IP为电流值；Zp为阻抗值。

高压电缆护套结构如图1所示。

图1 高压线缆内外护套结构

3.4 高压输电电缆线路回流线设计要点分析

回流线设计也是高压输电线路设计工作中的主要内容之一。设计人员应按照设计规范要求合理选择回流线，并要作好接地处理。对于110kV以上的高压输电线路，由于其多采用单芯电缆以及单点直接接地方式，为有效抑制高压电缆对周边区域弱点线路的干扰，一般应在系统一端互联并接地线内设置回流线。在单项接地故障发生时，可以利用回流线促使短路电流向中性点回流，并抵消部分磁通，以达到降低故障感应电压、控制故障影响范围的目的。目前，在设计实践中多采用LGJ 导线或者10kV常规电缆作为回流线。设计人员还应根据高压输电线路在暂态电流工况条件下的热稳定要求合理确定回流线截面面积，且应当加强回流线的防腐设计，以保证其运行安全。高压输电电缆线路回流线系统设计如图2所示。

图2 高压输电电缆线路回流线系统设计

3.5 高压输电电缆线路接地处理设计要点分析

接地设计的合理性直接关系高压输电线路运行的安全性，因此也是设计工作中的核心杆件之一。设计人员在高压输电线路的接地处理中可以采用三芯电缆作为电缆接地。为确保三相电流的对称性，应采用三角布局方式设置，以避免感应电流产生。同时，在对高压电缆外护套进行接地设计时，为避免两点接地方式导致其与导线之间形成环形回路并产生电流，设计人员应对其两端分别采用通过限制器接地以及直接接地的不同方式。某高压输电线路单芯电缆段接地设计如图3所示。

图3 某高压输电线路单芯电缆段接地设计

3.6 高压输电电缆线路防雷处理设计要点分析

高压输电线路电缆需要在露天条件下长期连续运行，容易受到雷电灾害的影响而发生故障，不仅严重影响高压输电线路的运行安全，而且还可能造成重大人员伤亡和经济财产损失，因此防雷设计也是高压输电线路电缆设计工作中的主要内容之一。

设计人员应进行降低线缆接地电阻，可以提高高压输电线路的防雷效果。如高压输电线路局部线段所在地点的土壤存在较大电阻时，在架空线路的设计中应将杆塔出接地体长度适当增加。同时，设计人员还应在雷电灾害高发线段上采用设置消弧线圈的设计方案，以便通过单项保护方式来避免雷击导致三相故障而导致出现跳闸等情况。为避免出现单相闪络等问题，设计人员还应在高压输电线路中设置单相重合闸，以控制故障范围。此外，设计人员还应在高压输电线路中变电站进出段等重点部位设置避雷器等设施，以减少雷电对线路运行的影响。当变电站采用的是GIS 变压器，且连接处电压达到66kV 以上时，避雷线L 值应控制在2m；如果敞开式变电站与高压线缆连接处电压为35kV 时，则应设置L=1m 的避雷线。对于长度L<50mm 的高压线缆则可以直接设置2 个避雷器，以达到防雷效果。

3.7 高压输电电缆线路连接方式设计要点分析

在高压输电线路的设计工作中，设计人员还应合理选择电力系统和高压电缆之间的连接方式。通常在进线段的连接设置中可以通过架空线来连接变电站出线部分的高压电缆，也可以在系统两端均以架空方式连接线路。而变电站内的输电线路则可以直接通过高压电缆来连接。此外设计人员还应对连接部分进行绝缘处理，并设置好避雷防护装置，以保证高压输电线路的运行安全。

3.8 高压输电电缆线路杆塔设计要点分析

杆塔是高压输电线路电缆采用架空敷设方式时的基础性支撑结构，因此也成为了高压输电线路设计工作中的一项重要内容。在高压输电线路设计实践中，杆塔基础多采用浅基础形式。设计人员应科学分析杆塔结构的受力情况，准确掌握杆塔下压力、上拔力以及承载要求等相关参数，以优化杆塔结构设计方案。同时，设计人员应合理选择杆塔建设材料。水泥混凝土是目前高压输电线路杆塔设计中较为常用的结构材料，而在对耐张拉能力要求较高的转角等位置则应采用角钢等材料。设计人员在杆塔设计中，应在保证满足多回合线路有效连接的基础上尽量减小杆塔的占地面积，并有效控制杆塔变形等问题。设计人员应通过科学计算分析合理确定杆塔高度、荷载以及抵抗力矩等各项设计参数，并可以采用交叉设置角钢或者斜撑等方式来提高杆塔抗力。此外，在杆塔的导线节点可以利用短角钢和横财之间的连接来保证荷载在纵向方向上的有效传递，以达到提高杆塔结构强度和刚性的目的。

4 结语

设计电力系统中的高压输电电缆线路时，设计人员应合理选择线路路径、敷设方式以及线缆型号规格，并要做好高压线缆的连接处理、接地处理以及防雷设计，提高高压输电线路运行的安全性和稳定性。设计人员还应加强高压电缆线路的杆塔等基础结构的设计。设计人员应严格遵守相关设计规范要求，并要结合高压电缆输电线路的实际情况对不同设计方案进行比选优化，确保各项设计参数计算取值准确，全面提高设计水平和质量。