電力系統(tǒng)中高壓電纜輸電線路設(shè)計研究

蔡加福

摘? ?要：文章通過對電力系統(tǒng)中高壓電纜運行現(xiàn)狀與問題進(jìn)行分析，優(yōu)化高壓電纜輸電線路設(shè)計方法，提高電力系統(tǒng)運行質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高壓電纜;輸電線路;設(shè)計

1? ? 高壓電纜在電力系統(tǒng)中的運行現(xiàn)狀與存在問題

隨著高壓電纜容量更大、輸送距離更長，城市電力電纜傳輸占比快速增加。然而，實際應(yīng)用中新增電纜幾乎全部采用擠包交聯(lián)聚乙烯（Crosslinked Polyethylene，XLPE）絕緣電纜（優(yōu)異的電、機械及熱性能、免維護(hù)、可靠性高）。XLPE絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1? XLPE絕緣電力電纜結(jié)構(gòu)示意

電纜系統(tǒng)故障時有發(fā)生，其故障率相對架空線低，但故障危害大。由于故障頻發(fā)，所以，我們有必要研究產(chǎn)生這些故障的原因。經(jīng)過分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)施工安裝、產(chǎn)品質(zhì)量以及密封受潮是故障發(fā)生的3大主要原因。高壓電纜故障主要原因分布如圖2所示。

圖2? 高壓電纜故障主要原因分布

針對電纜本體分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品質(zhì)量故障主要原因如下：（1）電纜絕緣層與金屬護(hù)套（屏蔽）接觸不良，導(dǎo)致放電或燒蝕擊穿。（2）電纜外護(hù)套材質(zhì)不良導(dǎo)致開裂。（3）絕緣材料性能不合格。（4）本體制造缺陷，如微孔、雜質(zhì)超標(biāo)等缺陷。其他主要原因如下：（1）施工時導(dǎo)致電纜受損。（2）交叉互聯(lián)接線方式錯誤。（3）自然災(zāi)害：如暴雨、泥石流等。（4）進(jìn)水受潮。

針對電障常有發(fā)生，占電纜附件故障問題的近85%。

施工安裝問題主要原因如下：（1）界面被異物、半導(dǎo)體粉末等污染。（2）預(yù)制件與電纜絕緣界面壓力控制不當(dāng)，導(dǎo)致界面氣隙。（3）預(yù)制件安裝嚴(yán)重偏心。

產(chǎn)品質(zhì)量問題主要原因有：（1）應(yīng)力錐尺寸及電纜絕緣層差異較大，可能出現(xiàn)放電或本體撕裂現(xiàn)象。（2）制作采用的原材料性能較差。

密封受潮問題主要原因如下：（1）密封“O”圈設(shè)計不當(dāng)，無法起到有效密封作用。（2）施工安裝時由于濕度較大或天氣原因，附件與電纜絕緣界面處混入了水分。（3）密封圈及防水帶材老化性能較差，在長期運行下逐漸失去了密封作用。

2? ? 電力系統(tǒng)中高壓電纜的優(yōu)缺點

讓架在空中的電線入地，不僅能美化城市環(huán)境，還能減少停電事故的發(fā)生[1]。優(yōu)點如下：（1）城市供電更靠譜：城市中裸露的金屬導(dǎo)線，很容易受雷電、風(fēng)雨、鹽霧、污穢和沿線樹木生長以及施工機械等干擾破壞，導(dǎo)致停電。埋入地下，雖然也有一些挖斷電纜的事情發(fā)生，但總得來說運行安全性大大提高。（2）輸電能力突出：傳統(tǒng)架空線一方向輸電極限為兩個下通道可容納多回線路。（3）為大城市省地：大城市的土地寸土寸金，由于架空線的空間安全距離要求比地下管線更高，所以比較占地，改為地下電纜線路后，能省不少地面空間，隨著城市的快速發(fā)展地上空間越來越寶貴，地下電力電纜的增多，城市綜合管廊的出現(xiàn)可以將給水、通信、電力電纜等管線集中于綜合管廊內(nèi)敷設(shè)，將大大增加地下空間管廊的資源利用。

高壓電纜在實際應(yīng)用中也存在一定的不足之處，具體分析如下：

（1）電纜入地造價高、耗資大，其投資是架空線路的8～10倍。建設(shè)的高成本，在一定程度上影響電纜入地建設(shè)的進(jìn)度。

（2）目前城市的地下資源非常緊張，地下自來水、燃?xì)?、污水等管線林立，給電纜隧道的施工造成的難度越來越大，而且在某種程度上，電力隧道是一次性資源，一旦隧道資源被充分利用，在鄰近道路再次修建隧道的可能性很小。

（3）地下的隧道中的電力電纜一旦發(fā)生故障，搶修工作難度相當(dāng)大。確定故障點困難，隧道空間狹小，人員難以活動，占路施工又會受到交管部門的很大限制，所以，地下電纜搶修所耗費的人力、物力和財力成本非常高。

3? ? 絕緣材料及護(hù)套選擇

熟悉、掌握各種絕緣材料的性能及優(yōu)缺點，根據(jù)工程需要選擇適合的絕緣材料和護(hù)套。目前，我國采用纜附件分析發(fā)現(xiàn)，由于施工安裝及產(chǎn)品質(zhì)量不合格、不規(guī)范引起的電纜附件事故如下：（1）附件時間安裝和原本設(shè)計規(guī)劃存在明顯差異。（2）附件安裝中電纜安裝不當(dāng)，導(dǎo)致實際使用受限，如表面過于粗糙、存在氣隙、絕緣屏蔽層斷口不一致、電纜接頭腐蝕損壞、接頭工藝不規(guī)范、壓接不緊、包扎不嚴(yán)等。

在制造和設(shè)計方面表現(xiàn)如下：（1）存在制造缺陷，存在凹陷、突起、絕緣部分有氣隙、雜質(zhì)。（2）在設(shè)計上，要充分考慮設(shè)計是否合理化，電纜類型要參照電網(wǎng)運行環(huán)境來選擇，重視電纜的質(zhì)量，不能讓電纜被環(huán)境破壞腐蝕。電纜的主芯截面需承載得了線路的運行負(fù)荷，不能讓電纜超負(fù)荷或者過電壓運行。電纜的安裝路徑也應(yīng)該要合理地安排和考慮，盡量選用支架、管道、電纜溝的方式去鋪設(shè)電纜。

4? ? 高壓電纜、電纜類型、截面、載流量的選擇

4.1? 電纜選擇

4.1.1? 導(dǎo)線選材

電纜以鋁芯線為主，綜合分析適用銅芯電纜的具體工程。如高層建筑、計算機機房等，結(jié)合實際情況選擇合適的導(dǎo)線材料。

4.1.2? 電纜芯數(shù)

水下或重要線路中，需盡量減少接頭數(shù)，多選用單芯電纜，確保電纜敷設(shè)的經(jīng)濟性。但是，注意交流系統(tǒng)單芯電纜應(yīng)采用隔磁處理的鋼絲鎧裝電纜，切勿采用鋼帶鎧裝導(dǎo)致后期使用受到一定限制。

乙丙橡膠絕緣電纜敷設(shè)，其自身電氣優(yōu)勢突出、機械穩(wěn)定性強，對周圍環(huán)境要求不高，耐高溫、耐潮濕，線芯長期工作溫度可達(dá)90 ℃。

4.1.3? 鎧裝選擇

針對實際敷設(shè)方式選擇合適的鎧裝，根據(jù)敷設(shè)直埋地敷設(shè)、水下敷設(shè)、導(dǎo)管或排管中敷設(shè)以及綜合管廊中敷設(shè)等方式不同，需選擇對應(yīng)的鎧裝。

首先，在直埋地敷設(shè)中，考慮到電纜承受壓力及機械損傷，多采用鋼帶鎧裝，確保電纜質(zhì)量穩(wěn)定。水下施工，電纜受水流沖刷影響，需采用鋼絲鎧裝或鋼帶鎧裝并在外表設(shè)置耐腐蝕的塑料或纖維外被層。在導(dǎo)管或排管中輻射，考慮到對電纜的保護(hù)，推薦使用塑料外護(hù)套或加強型鉛色護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。

4.2? 電纜截面的選擇

電纜截面也是設(shè)計重要內(nèi)容之一，截面選擇要考慮到電纜使用中存在的溫升、電壓損失及受到的機械影響等。對較長的電流回路，需對電流密度進(jìn)行詳細(xì)分析校驗，確保電纜運行的安全性和可靠性，盡可能降低運行中的能量消耗，減少運輸成本。若某一供電回路對應(yīng)不同的電纜，且電纜并聯(lián)，應(yīng)確保電纜纜芯截面保持一致。

4.3? 電纜載流量的選擇

電纜敷設(shè)條件不同，其對應(yīng)載流量也有較大差異。穿管敷設(shè)，考慮到不載流或載流量較小的情況下，實際電線的數(shù)量并不計算。若電線管管徑在50 mm以上的，其管壁較薄，所以冷彎易發(fā)生變形，不作冷彎使用。電纜在室外以普通明敷架設(shè)，則分析其載流量，要考慮到實際環(huán)境中土壤水分遷徙的影響。土壤水分遷徙，影響電纜濕度，若電纜線芯濕度>70%，則水分遷出，電纜周圍土壤干燥，土壤熱阻系數(shù)增大。若發(fā)現(xiàn)電纜線芯溫度較高，則說明土壤水分遷徙運動較劇烈，可采取降低電纜溫度的方式，控制水分遷徙。

5? ? 高壓電纜輸電線路設(shè)計的注意事項

高壓電纜輸電線路設(shè)計是確保輸配電穩(wěn)定性的重要措施，科學(xué)的電纜設(shè)計可避免意外事故發(fā)生。例如，電纜通過負(fù)載電流，若工作溫度過高，電纜將持續(xù)發(fā)熱，可能出現(xiàn)絕緣熱擊穿，導(dǎo)致電纜短路跳閘，甚至引起火災(zāi)。電纜實際使用中，由于電纜導(dǎo)體電阻過大或過小，導(dǎo)致運行中容易發(fā)熱，在電纜選型上，不合理的選型也會導(dǎo)致導(dǎo)體截面不滿足運行要求，運行為過載運行，電纜散熱不合理，持續(xù)運行導(dǎo)致熱量積累嚴(yán)重。此外，在硬件技術(shù)上，若接頭制造技術(shù)落后，沒有穩(wěn)定壓接，將導(dǎo)致接頭處存在較大接觸電阻，電纜運行仍會大量發(fā)熱。

電纜相間絕緣性能不好，造成絕緣電阻較小，運行中也會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。

為了保證電纜的安全運行，在進(jìn)行電纜設(shè)計時選擇電力電纜應(yīng)考慮下列因素：（1）電纜的額定電壓要大于或等于安裝點供電系統(tǒng)的額定電壓。（2）電纜持續(xù)允許電流應(yīng)等于或大于供電負(fù)載的最大持續(xù)電流。（3）線芯截面要滿足供電系統(tǒng)短路時的穩(wěn)定性要求。（4）根據(jù)電纜長度驗算電壓降是否符合要求。（5）線路末端的最小短路電流應(yīng)能使保護(hù)裝置可靠的動作。（6）高的擊穿強度，低的介質(zhì)損耗，相當(dāng)高的絕緣電阻，優(yōu)良的耐放電性能。（7）具有一定的柔軟性和機械強度且絕緣性能長期穩(wěn)定，電纜熱伸縮形成的蠕動。

6? ? 結(jié)語

隨著城市土地資源緊張，對高壓電纜輸電線路的設(shè)計研究必是大勢所趨。設(shè)計人員要依據(jù)具體電力工程背景，對電纜材料、連接方式、絕緣處理等進(jìn)行合理選擇，為電力系統(tǒng)提供一個安全、穩(wěn)定的用電環(huán)境，并對實際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題做好預(yù)控措施。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李中平，閏軍波，張旭東.關(guān)于高壓電纜線路電氣設(shè)計的幾點思考[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（29）：187.

Design and research of high voltage cable transmission lines in power system

Cai Jiafu

（Xiamen Electric Power Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China）

Abstract：This paper analyzes the current situation and problems of high voltage cable in power system， the design method of high voltage cable transmission line was optimized， to improve the operation quality of electric power system.

Key words：high voltage cable; transmission line; design