電力系統(tǒng)中高壓電纜輸電線路設(shè)計(jì)分析

山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?魏烈強(qiáng)

1 引言

為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力能源的需求，我國(guó)近年來(lái)不斷加大高壓輸電線路工程的建設(shè)。輸電線纜設(shè)計(jì)則是電力系統(tǒng)高壓電纜項(xiàng)目中的基礎(chǔ)性工作，設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性直接關(guān)系高壓輸電線路運(yùn)行的安全性和可靠性。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解相關(guān)地區(qū)的環(huán)境條件以及用電需求等相關(guān)實(shí)際情況，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確保輸電線路路徑設(shè)計(jì)合理、線纜質(zhì)量性能以及敷設(shè)方案能夠滿足高壓輸電線路安全運(yùn)行要求，并要做好線路的連接、接地以及防雷處理，提高線纜基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，從而為我國(guó)高壓輸電電纜線路工程的建設(shè)創(chuàng)造良好的前提條件。

2 高壓輸電電纜線路設(shè)計(jì)工作主要內(nèi)容分析

設(shè)計(jì)人員在高壓輸電線路線纜設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)嚴(yán)格遵守電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，準(zhǔn)確掌握其特點(diǎn)以及電纜線路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)各種設(shè)計(jì)影響因素的研究。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面詳細(xì)勘查高壓輸電線路相關(guān)地區(qū)的地形地貌條件、環(huán)境特征以及氣候變化等情況，以此為依據(jù)開展可行性分析以及對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算[1]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理確定線路路徑、線纜型號(hào)以及敷設(shè)方式，并要做好高壓輸電線路的連接、接地以及防雷處理，以保證線路的運(yùn)行安全。在高壓電纜架空輸電線路的設(shè)計(jì)中，其桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合性的比選，以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)的水平和質(zhì)量。

3 高壓輸電電纜線路設(shè)計(jì)工作要點(diǎn)分析

3.1 高壓輸電電纜線路路徑設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在高壓輸電線路的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先合理確定線路路徑，從已確定的輸電線路起點(diǎn)位置出發(fā)，對(duì)相關(guān)地區(qū)進(jìn)行全面的勘查了解，全面收集線路擬定路徑區(qū)域的地形地貌條件、地質(zhì)水位特征以及氣象變化等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，詳細(xì)了解相關(guān)地區(qū)鐵路以及公路線路方向和分布情況，特點(diǎn)是要重點(diǎn)確認(rèn)交叉點(diǎn)位置。在路徑設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避開地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)域或多雷電災(zāi)害區(qū)域，同時(shí)還應(yīng)規(guī)避存在水利設(shè)施、采礦以及均是設(shè)施等區(qū)域。高壓輸電線路路徑一般應(yīng)與已建、在建或者擬建的其他電纜線路走向保持一致，以減少跨越交叉，并降低建設(shè)成本[2]。此外在路徑選擇中，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)充分考慮沿線地區(qū)的房屋建筑部分、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域以及林木資源保護(hù)區(qū)等，建立減少高壓輸電線路建設(shè)對(duì)正常生產(chǎn)生活以及自然環(huán)境的影響。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)不同路徑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合性的對(duì)比分析，以提高路徑設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 高壓輸電電纜線路敷設(shè)方式設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

目前在高壓電路建設(shè)中一般可以采用架空以及入地埋設(shè)等不同的敷設(shè)方式。設(shè)計(jì)人員應(yīng)準(zhǔn)確掌握這兩種敷設(shè)方式的特點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇。其中，入地埋設(shè)一般采用的是電纜溝或者電纜隧道等方式。電纜溝對(duì)地下空間的占用相對(duì)較少，但需要借助移動(dòng)抽水等方式保持溝內(nèi)干燥，且溝蓋板在景觀長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)破損、斷裂問(wèn)題，導(dǎo)致溝內(nèi)進(jìn)水，影響高壓電纜輸電線路的運(yùn)行安全。電纜隧道雖然需要較大的地下空間，便于施工和管理維護(hù)。在遠(yuǎn)離城市的地區(qū)則可以采用桿塔支立等方式對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行架空敷設(shè)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)高壓輸電線路不同區(qū)域的具體環(huán)境條件等因素采用相應(yīng)的敷設(shè)方式。

3.3 高壓輸電線路電纜及配件設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.3.1 選擇線纜類型規(guī)格要點(diǎn)

線纜選型是高壓輸電線路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一。設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，并結(jié)合高壓輸電線路的敷設(shè)方式等因素合理選擇線纜的型號(hào)規(guī)格。在高壓電纜架空線路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇自阻尼性能較好的銅芯絞線。由于此類電纜的電阻值相對(duì)較小，且銅芯被密封在保護(hù)套內(nèi)能夠有效減少外界因素對(duì)線纜的侵蝕破壞，并有利于控制線損。而在主干線路的設(shè)計(jì)中則可以選擇導(dǎo)電率較高的軟鋁絞線等線纜類型。當(dāng)具備條件時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可以采用抗拉抗扭性能好、低熱膨脹的復(fù)合型絞線，以提高高壓電纜的綜合性能[3]。如乙丙橡膠電纜線芯能夠在90℃高溫條件下長(zhǎng)期連續(xù)工作。在重點(diǎn)高壓輸電線路的設(shè)計(jì)中，為盡量減少接頭數(shù)量，設(shè)計(jì)人員可以選擇單芯類型的線纜。同時(shí)，在高壓輸電線路的線纜設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)科學(xué)確定線纜的截面面積（S）、單位長(zhǎng)度（L）內(nèi)的電流值（I）以及電壓值（U）等，并要充分考慮線纜上的電壓損失以及溫升影響等問(wèn)題。線芯濕度應(yīng)控制在70%以內(nèi)。當(dāng)線纜管徑超過(guò)50mm 時(shí)，由于其管壁相對(duì)較薄，需要做好防冷彎變形處理。

3.3.2 電纜鎧裝護(hù)套設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)人員為提高高壓輸電線路電纜的絕緣性能以及耐久性，應(yīng)合理選擇線纜外護(hù)套。對(duì)于110kV以上的高壓電纜，其外護(hù)套可以采用PE 或者PVC材質(zhì)。而在外護(hù)套的防水性能方面，皺紋鋁護(hù)套以及鋁合金護(hù)套均能夠達(dá)到防水要求。鋁合金護(hù)套的彎曲半徑更小、且耐腐蝕性也更好，不過(guò)其機(jī)械性能相對(duì)較差，不便于安裝施工。設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮外護(hù)套的絕緣性能、應(yīng)力開裂性能、導(dǎo)電性能、耐高溫性能、耐腐蝕性能等多種因素，并根據(jù)高壓輸電線路不同區(qū)域的環(huán)境條件，選擇相應(yīng)類型的外護(hù)套材質(zhì)。設(shè)計(jì)人員可按照公式對(duì)護(hù)套上的工頻感應(yīng)過(guò)電壓值進(jìn)行計(jì)算，如式（1）：

式（1）中，UONAC為工頻感應(yīng)過(guò)電壓值；IP為電流值；Zp為阻抗值。

高壓電纜護(hù)套結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓線纜內(nèi)外護(hù)套結(jié)構(gòu)

3.4 高壓輸電電纜線路回流線設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

回流線設(shè)計(jì)也是高壓輸電線路設(shè)計(jì)工作中的主要內(nèi)容之一。設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求合理選擇回流線，并要作好接地處理。對(duì)于110kV以上的高壓輸電線路，由于其多采用單芯電纜以及單點(diǎn)直接接地方式，為有效抑制高壓電纜對(duì)周邊區(qū)域弱點(diǎn)線路的干擾，一般應(yīng)在系統(tǒng)一端互聯(lián)并接地線內(nèi)設(shè)置回流線。在單項(xiàng)接地故障發(fā)生時(shí)，可以利用回流線促使短路電流向中性點(diǎn)回流，并抵消部分磁通，以達(dá)到降低故障感應(yīng)電壓、控制故障影響范圍的目的。目前，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中多采用LGJ 導(dǎo)線或者10kV常規(guī)電纜作為回流線。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)高壓輸電線路在暫態(tài)電流工況條件下的熱穩(wěn)定要求合理確定回流線截面面積，且應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)回流線的防腐設(shè)計(jì)，以保證其運(yùn)行安全。高壓輸電電纜線路回流線系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 高壓輸電電纜線路回流線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.5 高壓輸電電纜線路接地處理設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

接地設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系高壓輸電線路運(yùn)行的安全性，因此也是設(shè)計(jì)工作中的核心桿件之一。設(shè)計(jì)人員在高壓輸電線路的接地處理中可以采用三芯電纜作為電纜接地。為確保三相電流的對(duì)稱性，應(yīng)采用三角布局方式設(shè)置，以避免感應(yīng)電流產(chǎn)生。同時(shí)，在對(duì)高壓電纜外護(hù)套進(jìn)行接地設(shè)計(jì)時(shí)，為避免兩點(diǎn)接地方式導(dǎo)致其與導(dǎo)線之間形成環(huán)形回路并產(chǎn)生電流，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)其兩端分別采用通過(guò)限制器接地以及直接接地的不同方式。某高壓輸電線路單芯電纜段接地設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 某高壓輸電線路單芯電纜段接地設(shè)計(jì)

3.6 高壓輸電電纜線路防雷處理設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

高壓輸電線路電纜需要在露天條件下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，容易受到雷電災(zāi)害的影響而發(fā)生故障，不僅嚴(yán)重影響高壓輸電線路的運(yùn)行安全，而且還可能造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，因此防雷設(shè)計(jì)也是高壓輸電線路電纜設(shè)計(jì)工作中的主要內(nèi)容之一。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行降低線纜接地電阻，可以提高高壓輸電線路的防雷效果。如高壓輸電線路局部線段所在地點(diǎn)的土壤存在較大電阻時(shí)，在架空線路的設(shè)計(jì)中應(yīng)將桿塔出接地體長(zhǎng)度適當(dāng)增加。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)在雷電災(zāi)害高發(fā)線段上采用設(shè)置消弧線圈的設(shè)計(jì)方案，以便通過(guò)單項(xiàng)保護(hù)方式來(lái)避免雷擊導(dǎo)致三相故障而導(dǎo)致出現(xiàn)跳閘等情況。為避免出現(xiàn)單相閃絡(luò)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)在高壓輸電線路中設(shè)置單相重合閘，以控制故障范圍。此外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)在高壓輸電線路中變電站進(jìn)出段等重點(diǎn)部位設(shè)置避雷器等設(shè)施，以減少雷電對(duì)線路運(yùn)行的影響。當(dāng)變電站采用的是GIS 變壓器，且連接處電壓達(dá)到66kV 以上時(shí)，避雷線L 值應(yīng)控制在2m；如果敞開式變電站與高壓線纜連接處電壓為35kV 時(shí)，則應(yīng)設(shè)置L=1m 的避雷線。對(duì)于長(zhǎng)度L<50mm 的高壓線纜則可以直接設(shè)置2 個(gè)避雷器，以達(dá)到防雷效果。

3.7 高壓輸電電纜線路連接方式設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

在高壓輸電線路的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)合理選擇電力系統(tǒng)和高壓電纜之間的連接方式。通常在進(jìn)線段的連接設(shè)置中可以通過(guò)架空線來(lái)連接變電站出線部分的高壓電纜，也可以在系統(tǒng)兩端均以架空方式連接線路。而變電站內(nèi)的輸電線路則可以直接通過(guò)高壓電纜來(lái)連接。此外設(shè)計(jì)人員還應(yīng)對(duì)連接部分進(jìn)行絕緣處理，并設(shè)置好避雷防護(hù)裝置，以保證高壓輸電線路的運(yùn)行安全。

3.8 高壓輸電電纜線路桿塔設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

桿塔是高壓輸電線路電纜采用架空敷設(shè)方式時(shí)的基礎(chǔ)性支撐結(jié)構(gòu)，因此也成為了高壓輸電線路設(shè)計(jì)工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在高壓輸電線路設(shè)計(jì)實(shí)踐中，桿塔基礎(chǔ)多采用淺基礎(chǔ)形式。設(shè)計(jì)人員應(yīng)科學(xué)分析桿塔結(jié)構(gòu)的受力情況，準(zhǔn)確掌握桿塔下壓力、上拔力以及承載要求等相關(guān)參數(shù)，以優(yōu)化桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理選擇桿塔建設(shè)材料。水泥混凝土是目前高壓輸電線路桿塔設(shè)計(jì)中較為常用的結(jié)構(gòu)材料，而在對(duì)耐張拉能力要求較高的轉(zhuǎn)角等位置則應(yīng)采用角鋼等材料。設(shè)計(jì)人員在桿塔設(shè)計(jì)中，應(yīng)在保證滿足多回合線路有效連接的基礎(chǔ)上盡量減小桿塔的占地面積，并有效控制桿塔變形等問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員應(yīng)通過(guò)科學(xué)計(jì)算分析合理確定桿塔高度、荷載以及抵抗力矩等各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并可以采用交叉設(shè)置角鋼或者斜撐等方式來(lái)提高桿塔抗力。此外，在桿塔的導(dǎo)線節(jié)點(diǎn)可以利用短角鋼和橫財(cái)之間的連接來(lái)保證荷載在縱向方向上的有效傳遞，以達(dá)到提高桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)中的高壓輸電電纜線路時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理選擇線路路徑、敷設(shè)方式以及線纜型號(hào)規(guī)格，并要做好高壓線纜的連接處理、接地處理以及防雷設(shè)計(jì)，提高高壓輸電線路運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)加強(qiáng)高壓電纜線路的桿塔等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并要結(jié)合高壓電纜輸電線路的實(shí)際情況對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選優(yōu)化，確保各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算取值準(zhǔn)確，全面提高設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。