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２００２年第２期 水电站机电技术 ４１ 天荒坪电站５００ｋＶ电缆的选型设计和安装 何永泉 华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江安吉，３１３３０２ １天荒坪５００ｋＶ超高压电缆的选型 况，充油电缆是能够做到的，在日本和法国也有较多 在蓄能电站使用的超高压干式挤压电缆，包括竖井 天荒坪抽水蓄能电站位于浙江天目山北麓，主 敷设和海底电缆。我们试从几个方面对充油电缆 厂房及主变洞均在地下洞室中，中控楼位于下水库 ＬＤＰＥ电缆和ＸＬＰＥ电缆作一些比较： 边的地面，５ｏｏｋＶ ＧＩＳ开关站出线场设于中控楼旁。 ５００ｋＶ主变室至地面ＧＩＳ室之间采用垂直竖井敷 设高压电缆，其中竖井落差为９６ｍ，电缆敷设总高程 为１０５ｍ。天荒坪电站５００ｋＶ系统采用单母线分段 三进二出的主结线，电站六台机组在５００ｋＶ主变处 每二台主变用ＧＩＳ管道组成一个联合单元，三个地 下ＧＩｓ管道与地面ＧＩｓ开关站之间采用三回 ５００ｋＶ超高压电缆联接，５００ｋＶ电缆二端均与ＧＩＳ 相联。在５００ｋＶ电缆选型时超高压油浸纸绝缘电缆 （ＯＦ）被广泛采用，超高压挤压合成绝缘材料已开始 在法国、日本等一些国家使用。根据其制造方法，挤 压绝缘又有ＬＤＰＥ（低密度聚乙烯），ＨＤＰＥ（高密度 聚乙烯）和ＸＬＰＥ（交联聚乙烯）等种类。 圈１天荒坪抽水蓄能电站５０ｏｋＶ ＸＬＰＥ电缆敷设路径圈 由于天荒坪电站５００ｋＶ超高压电缆主要担负 从电缆截面比较：考虑导体屏蔽上最大交流场 联合单元二台机组负荷的输送，额定连续电流为 强和要求３秒持续短时电流５０ｋＡ，以及天荒坪电站 ８７３Ａ。电站布置紧凑，三回电缆每回最长为２５６ｍ， 联合单元送出超高压电缆的额定持续电流８７３Ａ。根 最短为２１９ｍ，其电缆走向见图１。其中有９６ｍ需通 据导体截面不同，各电缆制造厂一般采用的导体上 过一个垂直的竖井，全部电缆敷设在有遮蔽的敞开 最大交流场强限值为１５－－１６ｋＶ／ｍｍ，因此对干式 空气中。电缆的高落差对充油电缆会有影响，因为电 挤压绝缘电缆（Ｉ ＤＰＥ和ＸＬＰＥ）最小截面为 缆中心油道将在竖井底部产生一个静压，同时要增 ８００ｍｍ ，对充油电缆最小截面为７００ｍｍ ，考虑到 加一些储油柜等辅助设施，根据天荒坪工程落差情 充油电缆有油道，因此外部直径有增加。按ＩＥＣ “运行”。这样就可以尽量减少产生ＶＦＴＯ的机会 这种静电感应可能危及人身安全，故在５００ｋＶ电缆 从而避免ＶＦＴＯ对设备的潜在损害。 地面侧也装了快速地刀。５００ｋＶ电缆地下侧配置普 ４ ５００ｋＶ快速地刀的配置和运行 通地刀，当电缆线需要检修时，为了快速将电缆上的 静电荷快速接地，必须先合上地面侧的快速地刀，再 我厂两回出线均接人瓶窑变，线路基本为平行 合上地下侧的地刀。 回路，考虑到当一回线路停电检修时，运行线路会对 另外，由于５００ｋＶ隔离闸刀在操作中会产生高 停电线路产生电磁感应，为保证人身安全．在 频振荡过电压（ＶＰＴＯ），广蓄电厂在线路停役时，是 ５００ｋＶ出线坝！Ｉ配置了快速地刀。由于六台主变都布 采取先合快速地刀，再拉开线路隔离闸刀的方式。但 置在地下厂房，而ＧＩＳ开关站布置在地面，上下高 目前我们的操作闭锁程序中是先拉开闸刀，再合快 程相差ｉ００多米，用三回长度为２００多米的超高压 速地刀，这样做虽然能对地放掉容性电流，但拉开线 电缆相连。考虑到电缆停电之后有残余静电存在，而 路闸刀仍会产生ＶＦＴＯ，这也是值得商榷的地方。 霞 ＿～ 维普资讯 http://www.cqvip.com
４２ 水电站机电技术 ２００２年第２期 标准如短时电流（５０ｋＡ／３ｓ）时，与短时电流能力有 关的可采用最小截面（铜导体）：对ＬＤＰＥ为 ８００ｒａｍ ，对ＸＬＰＥ为６３０ｒａｍ ，充油电缆为 ７００ｍｍ 。因此截面为８００ｒａｍ 铜导体满足ＬＤＰＥ和 ＯＦ的要求。实际上充油电缆、ＬＤＰＥ和ＸＬＰＥ电缆 导体３秒短时电流能力分别为５２ｋＡ、５ｌｋＡ和 ６６ｋＡ，ＸＬＰＥ电缆有更多的能力，允许有更高的温 度。但ＸＬＰＥ电缆虽可用６３０ｍｍ ，但按导体上最大 交流场强要求，也应为８００ｍｍ 。按ＩＥＣ标准，假定 电缆水平布置，暴露空气中，相互间隔２５ｃｍ，空气温 度为３５℃，金属屏护套一点接地（无环充），上述 缆，当时是从以下几个方面来考虑。 （１）５００ｋＶ ＸＬＰＥ电缆虽在国内是第一次采用， 但在日本已有５个以上的工程实绩。在欧洲４００ｋＶ 的ＸＬＰＥ电缆也已有较多的运行实绩。 （２）５００ｋＶ ＸＬＰＥ电缆，不需复杂的辅助油系统 和油压控制系统，安装方便，运行几乎不需要维护。 （３）ＸＬＰＥ电缆有较低的介损和较低的运行温 差，优良的阻燃性能，可简化在水平和竖井时安装。 ２天荒坪５００ｋＶ ＸＬＰＥ电缆的设计 根据额定载流量和短时热效应及最大交流场强 等，在招投标中已确定电缆铜绞线的截面为 ８００ｍｍ 。 ８００ｍｍ 铜电缆长期持续负载能力，对ＬＤＰＥ为 １０６０Ａ，对ＸＬＰＥ为１２０９Ａ，对ＯＦ电缆为９８０Ａ，均 超过天荒坪工程负载能力８７７Ａ，在招标阶段，被认 为所有类型的电缆都是可以接受的，其允许最大导 体温度值为： ＯＦ ＬＤＰＥ ＸＬＰＥ 根据天荒坪电站主变压器的额定电压，我们选 择电缆的额定电压（Ｕｏ／ｕ）也为２９８／５１５ｋｖ，并设 最高工作电压Ｖｍ为５５０ｋＶ。电缆的绝缘水平按梗 长期温度（℃） 短时温度（℃） ８５ ２００ ７０ １５０ ９Ｏ ２５０ 定雷电冲击耐压１ ６７５ｋＶ（峰值），额定操作冲击耐 压力１２４ｏｋＶ（峰值），根据日立电线在合同中提供 的计算方式计算ＸＬＰＥ电缆的绝缘厚度： ａ）按最高工作电压选择绝缘厚度ｔ ｃ ｔ。 一 因此，从截面上选择，虽然都采用８００ｍｍ 铜导 线，但ＸＬＰＥ电缆运行温度低，余度大，寿命长 从电气性能来比较，几种绝缘材料的电气参数 比较如下： ＯＦ ＬＤＰＥ ＸＬＰＥ 兰 ＿／ 量 ＾ｃ 兰！ ＥＬ＾ｃ ～ ＝ 一３１１ｍｍ ．相对电容率 介损正切值（×１０ ） ３．２ ２．３ ２８ ４ ２．５ １Ｏ 式中，Ｖｍ最高工作线电压（ｋｖ） 数 温度系数 Ｋ ｃＸＬＰＥ电缆在交流电压下的损坏系 Ｋ 对充油式电缆，最大充电电流约为２０Ａ／ｋｍ，对 于干式电缆则更低，但由于电缆线很短，其影响是可 以忽略的。对于充油电缆、ＸＬＰＥ电缆和ＬＤＰＥ电 缆，介质损失分别为４４．４，ｌ１．２和４．２ｋｗ／ｋｍ左 右，即干式挤压绝缘电缆明显低于油浸纸绝缘电缆， 但介损对电缆截面选择没有影响，在额定电流 （８７３Ａ）和额定电压（５０ｏｋＶ）时，对充油电缆ＬＤＰＥ 和ＸＬＰＥ电缆，三个回路的估计长期损耗分别为 １２５、８０和８７ｋＷ／ｋｍ。干式挤压绝缘电缆具有介质 ＝ Ｋ 不可预计用安全系数 ＥＬ ｃ设计交流电场强度（ｋＶ／ｍｍ）（统 计最小击穿强度） ｂ．按冲击电压选择绝缘厚度ｔｔ”， ｔＴＭＰ：—ＢＩＬＸＫ，，＜Ｋ３ ＩＭｐ） ．ｐＸＫ￣————广————一！曼 ： ：兰 ： ７５ 损耗小、长期损耗小、电缆在运行中温度也会低些。 从电缆防火方面比较，干式挤压电缆能满足 ＩＥＣ标准阻燃要求，对充油电缆火险问题是十分重 式中，ＢＩＬ冲击耐压水平（ｋＶ） Ｋ ｔ” ＸＬＰＥ电缆在重复脉冲下的损坏系数 Ｋ吐Ｍ 温度系数 Ｋ 不可预计用安全系数 要的，因此大多数安装在廊道中的充油电缆通常是 埋在地沟中，并用沙、水泥或其他防火材料覆盖，但 这显然无法在垂直竖井中使用，因此在沿电缆敷设 ＥＬ ，计算用脉冲击电场强度（ｋＶ／ｍｍ）（统 计最小击穿强度） 根据上述计算的绝缘厚度，考虑加工制造误差 路径应配备专门的火警设备和人工灭火装置，如喷 水灭火和泡沫灭火等，这不但需要高压消防水，还要 有回收水的系统。从这些方面考虑干式挤压绝缘电 和实际运行经验取标准绝缘厚度为３５ｒａｍ， 天荒坪电站５００ｋＶ ＸＬＰＥ电缆外形见图２。总 截面为８００ｍｍ 的铜绞线由对称的四个崩形绞合而 成 ＸＬＰＥ主绝缘层内侧的导体屏蔽层为２ｒａｍ厚挤 缆有其显著的优点。 因此，通过招投标，最后我们选择了ＸＬＰＥ电 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００２年第２期 水电站机电技术 ４３ 压半导体化合物，外侧的绝缘屏蔽层为ｌｍｍ厚挤 场施工人员人工包扎 电缆终端结构见图３。 压半导体化合物，在制造时三层一次同时挤压成形， 电缆设计型式ＸＬＰＥ，扇形分隔圆形截面，主绝缘材 料为惰性气体处理交联聚乙烯，主绝缘厚度３５ｍｍ， 垫层材料为编织铜和半导体。 垫层厚度５．７ｍｍ，铝护套厚度３．９ｍｍ，外护层 材料阻燃型ＰＶＣ（氧指数≥３０），外护层厚度 ５．５ｍｍ，电缆外径为１６０ｍｍ。 图３ ５ｏｏｋｖ电雏替端结构图 单位长度重量：２８ｋｇ／ｍ。 ①环氧绝缘套管＠应力锥 ＠ＰＥ绝缘带 ④绝缘袖 ＠储油柜 ＠绝缘击兰 电缆敷设布置：天荒坪５００ｋＶ电缆通道，从地 面ＧＩＳ开关站至垂直竖井有一段３２ｍ长的水平通 道，在水平段三回电缆，二回沿两侧墙敷设，一回沿 地面敷设，在水平段电缆带有蛇形敷设，即在９ｍ长 度内一个正弦形布置变化宽度为２４ｃｍ，每隔１．５ｍ 有一个电缆夹具，其中部分为活动夹具，以便电缆在 热胀冷缩时移动。对电缆二端是否需留预留段问题， 当时有不同意见。制造厂认为不需要预留段，考虑到 地下厂房布置紧凑，我们同意不留预留段，但还是在 地面ＧＩＳ楼下设了预留段 在垂直竖井中，中间为 电梯通道，因此三回电缆分别布置在电梯通道外的 图ｚ天荒坪抽水蓄耜电站５ｏｏｋＶ ＸＬＰＥ电辊 三个弓形区域内，靠电梯通道砼墙敷设，竖井内电缆 电缆护套采用波纹铝减轻了电缆的重量，能较 也采用蛇形布置，在６ｍ距离内，电缆蛇形变化宽度 好地保护电缆内部结构，其截面积达到１６５０ｍｍ ， 为３２ｃｍ，每隔１．５ｍ设一个电缆支架，其中一个固 允许通过金属护套的短路电流为８３ｋＡ／２ｓ，同时也 定夹具，间隔一个活动夹具，可解决在电缆热胀冷缩 有利电缆敷设的牵引，但敷设时电缆芯在护套内的 时的移动 进入地下厂房后，电缆又为水平敷设，蛇 滑动将是设计中特 Ｕ引起注意的问题 对于竖井中 形布置同上水平段，分别敷向三个不同的地下ＧＩＳ 安装的电缆，在垂直布置下紧固安装时必须防止电 单元，所有电缆夹具均为铝合金制造，由制造厂提 缆芯有可能在护套内滑动。为此制造厂专门设计了 供，电缆桥架在工地施工制做安装。 一层厚度为５．７ｍｍ的垫层，波纹铝护层的内径略 在完成设计后，日立电线制造了一段样品在工 小于垫层的外径以产生一个挟持力。由于在电缆运 厂进行了各种常规试验和特殊试验。冲击试验时将 行时导体温度从一ｌ４到９０℃时，将会引起电缆芯直 电缆加温至导体温度为９５士３℃，冲击电压为 径变化约４ｍｍ，为了克服这一变化引起挟持力的变 １６７５ｋＶ正极性１０次，负极性１０次，交流耐压试验 化，使用了一种轻型混合材料的包扎带，包在电缆芯 在环境温度下进行，先在４８０ｋＶ电压下耐压１０小 上作为垫层，其材料为铜丝半导体混合编织而成。这 时，然后在６２５ｋＶ电压下２４ｈ耐压通过 在各种温 种包扎带的混合特性可吸收电缆芯的膨胀，同时被 度下检查垫层的变化，证明其设计是成功的。 波纹铝护套挟持，防止了电缆芯和护套间的滑动。 电缆终端的结构：在天荒坪电站５００ｋＶ ＸＬＰＥ ３电缆在天荒坪电站竖井敷设 电缆二端均与ＧＩＳ相联，因此装有ＳＦ。气体型密封 由于天荒坪电站５００ｋＶ ＧＩＳ开关站位于下水 终端，在地面开关站侧为垂直布置，在地下ＧＩＳ侧 库边地面，通过一段水平廊道至垂直竖井进入地下 为水平布置。电缆终端主要由硅油浸渍的聚乙烯带 厂房，电缆敷设采用自上而下的方法。将５００ｋＶ电 作为其主要绝缘，带有环氧树脂的应力锥，作为外绝 缆盘运至地面开关站旁，为使电缆运输方便，天荒坪 缘的环氧树脂绝缘套管以装入ＧＩＳ管道内 在电缆 工程５００ｋｖ电缆盘外径为３．８ｍ，盘线处直径为 终端下部储油柜内装有补偿硅油热胀冷缩的金属膨 ２．８ｍ，盘宽２．３６ｍ，运输重量１０ｔ，为保证电缆能平 胀器，电缆终端在完成了电缆敷设后现场制作，其中 稳敷设，顺利通过竖井，日立电缆设计采用了１５只 环氧树脂应力锥在制造厂预制，交联聚乙烯带由现 同步牵引机，其中１个布置在电缆盘前方将电缆牵 维普资讯 http://www.cqvip.com
水电站机电技术 ２００２年第２期 入地下水平廊道．另一个布置在水平廊道，在水平廊 道靠竖井口同时设有４个同步牵引机，作为将电缆 牵入竖井的主要牵引力，在竖井内等距离均匀分布 ７个牵引机，使电缆平稳通过竖井，在地下厂房水平 廊道处又设１—２个牵引机，作为水平牵引，将电缆 送到指定的地下ＧＩＳ单元。１５个同步牵引机采用由 一的作用。在电缆敷设到位后，１５个牵引机起了挟持 固定作用，然后白下而上整理电缆，调整夹具位置， 将电缆蛇形布置在电缆支架上最终位置。敷设实践 证明，这一方案是极其成功的，没有对电缆造成损 害，特别是电缆芯与铝外套之间没有造成滑动，电缆 的ＰＶＣ外套也没有受到损害。ＸＬＰＥ电缆敷设时措 线同步牵机的布置见图４。 个主控制盘进行变频控制，各点的牵引机也设有 就地控制盘，所有控制盘采用串联联结，都可以启、 停同步牵引机。同步牵引机在使用５０Ｈｚ电源时牵 引力为７５０ｋｇ，最大牵引速度７ｍ／ｒａｉｎ，被牵引电缆 直径母５Ｏ一母１８０ｒａｍ，牵引电机功率１．５ｋＷ。 电缆终端的制作在电缆敷设到位后进行。制作 场地必须保持清洁，井用塑料布圈一个保护罩，施工 人员始终保持场地的洁净，电缆终端制作程序为：校 直电缆，切害ｊ至合适位置，剥出电缆铜芯线头，套装 电缆引线头，安装电缆下部金属件，储油柜和固定终 端的绝缘板，安装电缆终端止油块，包扎引线头下裸 露铜芯，剥去电缆终端内部芯线外层半导体屏蔽层， 按设计的形状包扎交联聚乙烯带，在设计位置套上 引力锥，继续包扎成形。在ＧＴＳ管道上安装电缆终 端底部法兰。固定绝缘板，安装环氧绝缘套管，装配 套管上部金属件，装配下部储油柜和金属件，电缆终 端装配完成后，用ＳＦ 气体傲内部渗漏试验，然后就 可对电缆终端内部抽真空脱气并在真空状态下注入 硅油，静置后按温度整定硅油压力 最后套上ＧＩＳ 管道，制作工作完成。 ＸＬＰＥ电缆敷设完成后，需做交流耐压试验。按 日立电线要求，在３６５ｋＶ电压下耐压１０分钟，在天 荒坪电站现场做这一试验需借助地面ＧＩＳ开关站 的出线套管，通过ＧＩＳ向ＸＬＰＥ电缆包括电缆终端 图４ ＸＬＰＥ电境鼓设用同步牵引机的布置 施加试验电压，试验装置采用串联谐振装置，通过变 颡调整达到所需的试验电压。天荒坪电站的三回 ５Ｏ０ｋＶ ＸＬＰＥ电缆均成功地通过了耐压试验，同时 ＰＶＣ外套也通过了２ＯｋＶ的交流耐压试验。 控制盘可控制电缆前进、变速和倒退，以及事故 紧急停机，电缆敷设的现场指挥在主控盘同时操纵 １５只同步牵引机，井保持同样的速度。在敷设时调 节牵引机的挟持力矩为８００ｋｇ・ｃｍ。在天荒坪工程 中，在水平电缆敷设的速度为３ｍ／ｒａｉｎ，当电缆进入 拐弯处或进入下一个牵引机和垂直竖井时控制速度 为ｌｍ／ｍｉｎ，在竖井中的牵引机对电缆起挟持制动 天荒坪抽水蓄能电站的第一回５００ｋＶ ｘＬＰＥ 电缆于１９９８年５月成功投运，第二回电缆于１９９９ 年６月投运，第三回电缆于１９９９年ｌ１月投运。运行 实践证明了ＸＬＰＥ电缆具有运行维护简单的显著 优点，适于在抽水蓄能电站中广泛采用。 我国抽水蓄能电站的开发现状 截至２ＯＯ１年６月，我国已在９个省、市建成１１座抽水蓄能电站，装机容矗约５７９万ｋＷ，占全国装机比倒约１．８ 其中大型４座，即广东广州（２４０万ｋＷ）、浙江天荒坪（１８０万ｋＷ）、北京十三睦（８０万ｋＷ）和河北潘家口（２７万ｋＷ）。中 型电站５座，分布在江苏、浙江、安徽、渤北、等５省区 目前在建项目１项，即山东泰安（１００万ｋＷ）。已经审批了项目建议书并陆续开始筹建的还有浙江的桐柏（１２０万 ｋＷ）、山西的西龙油（１２０万ｋＷ）、江苏的宜兴（１００万ｋＷ）、河北的张河湾（１９０万ｋＷ）和安徽的琅琊山（６０万ｋＷ）。这些 电站孺计都在“十五 、“十一五”建成。届时西电东送规模扩大，各电同峰各差加大 抽水蓄能电站的比例虽有所提高，昧 朔北、拉萨外，可调峰的水电（ｆｒ抽水蓄能）其占电网总容量的３ ～７ ，仍难满足调峰和紧急事故备用的需求。 ———■蕊
