500 kV电缆的选型

卢永魁， 于　青， 邬　楠， 尹晓东（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013）

500 kV电缆的选型

卢永魁， 于青， 邬楠， 尹晓东
（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013）

根据500 kV电缆的结构特点，对电缆的绝缘类型、导体截面、阻水结构、金属套及外护套进行介绍，并阐述了选型的依据和原则，选择出适合工程要求的电缆。

500 kV电缆；阻水结构；金属套；外护套

0　引 言

社会的快速发展要求电力负荷越来越大，电压等级越来越高。为解决电力大容量传输与空间场地的矛盾，超高压电缆的应用越来越广泛。随着国内电缆行业的发展、电缆厂家技术的成熟以及电缆价格的趋于合理，500 kV电缆已不再被国外电缆厂家所垄断，原本只在少数水电厂和电网输电线路中采用［1-8］，如今在火力发电工程中的应用也日益增多。XY火力发电厂建设3台容量为660 MW的燃煤机组，每台主变至升压站之间采用国产单芯800 mm2的500 kV交联聚乙烯（XLPE）绝缘皱纹铝护套电缆连接，产品型号为ZC-YJLW03-Z-290/500 kV 1×800 mm2，单根长度达900 m，布置在独立的电缆隧道内。本文以XY电厂为例，从电缆的结构入手，阐述电缆各结构部件的特点，从设计的角度对500 kV电缆的选型进行了探讨，以便选择出适合工程要求的电缆。

1　绝缘类型

500 kV电缆现主要有充油电缆和XLPE绝缘电缆两种形式。充油电缆制造和运行经验丰富，可靠性高，但其敷设和安装过程较复杂，容易受敷设高差的限制，且维护成本比较高，现已基本被XLPE绝缘电缆所取代。与充油电缆相比，XLPE绝缘电缆具有无油化的特点，防火性能好，电气和机械性能优良，施工和维护便利，得到了广泛的应用。因此，本工程选择500 kV XLPE绝缘电缆。

2　导体截面

考虑到500 kV电缆可靠性和技术性能的要求，电缆导体采用铜导体。其截面的选择主要考虑以下几个方面［9-10］：

（1）最大工作电流作用下及最大短路电流和短路时间作用下的电缆导体温度，不得超过电缆使用寿命的允许值。XLPE绝缘电缆工作状态下的最高允许温度为90℃，短路暂态下的最高允许温度为250℃。

（2）电缆导体最小截面应满足系统最大短路电流时热稳定的要求。

（3）在电缆敷设安装和运行过程中受到的机械负荷。

（4）绝缘中的电场强度。

2.1 电缆的载流量计算

根据IEC 60287，电缆载流量的计算如下［11］：

式中：I为载流量（A）；Δθ为导体温度与环境温度之差（℃）；R为90℃时导体交流电阻（Ω/m）；n为电缆中载流导体数量；Wd为绝缘介质损耗（W/m）；λ1为护套和屏蔽损耗因数；λ2为金属铠装损耗因数；T1为导体与金属护套间绝缘层热阻（K·m/W）；T2为金属护套与铠装层之间内衬层热阻（K·m/W）；T3为电缆外护层热阻（K·m/W）；T4为电缆表面与周围媒介之间热阻（K·m/W）。

根据传输容量的要求，本工程500 kV电缆的载流量应不小于935 A，电缆敷设在自然通风的隧道内，环境温度按照45℃考虑，三相电缆垂直排列，相间距400 mm，初步选择电缆的截面为800 mm2，将相关参数代入到式（1），得到电缆的载流量为1190 A，故截面的选择满足工程载流量的要求。

2.2 电缆导体的短路热稳定校验

根据《电力工程电缆设计规范》GB 50217附录E［11］，按短路热稳定条件计算电缆导体允许的最小截面如下：

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（A），取63 000 A；α为20℃时缆芯导体的电阻温度系数（1/℃），铜芯为0.00 393；ρ为20℃时缆芯导体的电阻系数（Ω·cm），铜芯为0.0 184×10-4；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（s），取2s。将以上参数代入到式（2）～式（4）后，得到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。

3　阻水结构

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［12］。根据本工程的特点，采用皱纹铝套作为径向不透水阻隔层。此外，由于隧道内按照最严重的情况，即长期积水来考虑，为避免在接触水的环境中损伤而需要更换大段电缆，电缆也采用了纵向阻水结构。其采用半导电阻水膨胀带绕包而成，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。

4　金属套

4.1 金属套的结构

金属套需根据径向防水、承受机械拉力和压力的要求来选择其形式。金属套的基本形式有铅套、皱纹铝套、铝（铜）塑复合套、不锈钢套和铜套［13］，其各自的特点如下：

（1）铅套耐腐蚀性较强，主要用在腐蚀性较强的场所，铅的熔点低，易于加工，在制造过程中不会使电缆绝缘过热，化学稳定性好、柔软，不影响电缆可变曲性；但其机械强度低，易受外力损伤，比重大，有较大的蠕动性和疲劳龟裂性，会导致铅包龟裂受潮，造成故障。

（2）皱纹铝套重量轻、强度高、安装性能好，能承受较大的拉力和压力，各种敷设条件均适用，抗干扰性能好；但其欠柔软，不便弯曲，耐腐蚀性比铅差。

（3）铝（铜）塑复合套重量轻，适合于高落差敷设的电缆，但不能承受过大拉力和压力。

（4）当电缆载流量特别大时，为减少金属套的损耗可采用不锈钢套或铜套。

本工程高压电缆布置在隧道中，空气中敷设，考虑到隧道的转弯较多，需要保证电缆在弯曲时的强度等因素，故金属套选择皱纹铝套。

4.2 金属套的短路热稳定校验

金属套的截面应满足单相或三相短路故障时短路容量的要求。导体截面为800 mm2的500 kV电缆，皱纹铝套的标称厚度为2.9 mm，本工程短路电流为63 kA/2s，需校验其短路热稳定。

根据IEC 60949［14］，金属套绝热情况下的短路电流为：式中：IAD为在绝热情况下的短路电流（A）；t为短路持续时间（s），取2 s；K为取决于载流体材料的常数（As1/2/mm2），取148；θf为最终温度（℃），取200℃；θi为起始温度（℃），取60℃；β为0℃时载流体电阻温度系数的倒数（K），取228；S为金属套的几何截面（mm2），为1 175 mm2。将以上参数代入式（5）中得到绝热下的短路电流为77 397 A。

非绝热情况下的短路电流为：式中：I为非绝热下的允许短路电流；ε为非绝热因数，取1.07；M为计算因数；σ2、σ3为金属套层四周媒质的比热（J/K·m3）；ρ2、ρ3为金属套层四周媒质的热阻（K·m/W）；σ1为金属套的比热（J/K·m3）；δ为金属套的厚度（mm）；F为常数，取0.7。

将式（5）、式（7）、式（8）的计算结果代入到式（6）中，得到非绝热下的短路电流值为82 880 A，满足本工程的要求。

5　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）。一般敷设条件下可选用PVC护套，对直埋、穿管、地下水位较高和低温下敷设的电缆，宜采用PE外护套。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。

6　结束语

目前国内火电厂中采用500 kV电缆的项目比较少，设计人员对500 kV电缆的认知度较低，设计经验具有一定的局限性。随着国内超高压电缆性能的提高，500 kV电缆的应用势必会越来越广泛。

［1］ 杨建军.天荒坪电站500 kV电缆的选型布置及安装试验［J］.水力发电，2001（6）：50-53.

［2］ 王华军，陈昌斌，陈晓明.构皮滩水电站500 kV电缆选型设计［J］.人民长江，2009，40（2）：57-58.

［3］ 俞 鹏，贾 欣，李 勇.官地水电站500 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆工程设［C］//2013年电气学术交流会议论文集，2013：147-154.

［4］ 方 浩.500 kV世博输变电工程电缆设计介绍［C］//全国第八次电力电缆运行经验交流会议文集，2010：33-40.

［5］ 何善庆.大朝山.500 kV XLPE电缆工程的设计安装和试验.［J］.云南电力技术，2003，31（4）：33-37.

［6］ 徐 霞，王 斌.电力隧道内长距离500kV电缆敷设设计［J］.华东电力，2010，38（4）：29-32.

［7］ 赵志栋.海淀500 kV电缆工程的技术研究与应用［D］.北京：华北电力大学，2014.

［8］ 方 浩.500 kV电缆在上海电网的应用［D］.上海：上海交通大学，2008.

［9］ DL/T 401—2002 高压电缆选用导则［S］.

［10］ GB 50217—2007 电力工程电缆设计规范［S］.

［11］ IEC 60287：2006 E1ectric cab1e-Ca1cu1ation of the current rating［S］.

［12］ GB/T 22078.1—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一部分：试验方法和要求［S］.

［13］ DL/T 5228—2005 水力发电厂交流110 kV～500 kV电力电缆工程设计规范［S］.

［14］ IEC 60949：Ed.1.0 b：1988 Ca1cu1ation of therma11y Permissib1e short-circuit currents，taking into account non-adiabatic heating effects［S］.

TyPe Selection of 500kV Cable

LU Yong-kui，YU Qing，WU Nan，YIN Xiao-dong
（Shandong E1ectric Power Engineering Consu1ting Institute CorP.，Ltd.，Jinan 250013，China）

According to the characteristic structure of 500kV cab1e，this PaPer introduces the insu1ation tyPe，conductor section，water b1ocking structure，meta11ic sheath and oversheath，and ana1yses the basis and PrinciP1e of cab1e tyPe se1ection which satisfied the Project requirements.

500 kV cab1e；water b1ocking structure；meta11ic sheath；oversheath

TM 247.1

A

1672-6901（2016）03-0044-03

2015-09-08

卢永魁（1984-），男，工程师.

作者地址：山东济南市闵子骞路106号［250013］.