110 kV电缆排管敷设方式下增加段长设计研究
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作者:李长琪 殷延海 高森
摘 要：随着国内城市化进程的加快，采用电缆敷设逐渐成为城市电力通道的主要形式。目前传统电缆设计段长有限，单位长度内电缆接头数量相对较多，增加段长，减少电缆接头是提高电缆线路供电可靠率的一项重要措施。该文主要研究电缆截面、电缆护层感应电势、电缆制造、运输、施工、运维等方面对排管敷设方式下的110 kV电缆段长的影响。为今后大长段电缆工程实际应用提供理论依据。
关键词：电缆 大段长 排管 研究
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）11（c）-0040-03
Research of Increasing Length of 110 kV Cable Laid in Pipes
LI Changqi YIN Yanhai GAO Sen
（State Grid Yangzhou Power Supply Company， Yangzhou， Jiangsu Province， 225000 China）
Abstract： With the acceleration of domestic urbanization， the use of cable has gradually become the main form of urban power channels. At present， the length of cable is limited. The number of cable connectors per unit length is relatively large. Increasing the section length and reducing the cable connectors is an important measure to improve the reliability of the power supply of the cable line. This article mainly studies the influence of cable cross-section， cable sheath induced potential， cable manufacturing， transportation， construction， operation and maintenance on the length of 110kV cable laid in pipes. This article provides some reference value for long lenth cable construction.
Kye Words： Cable; Long segment length; Pipes; Research
隨着国内城市化进程的加快，采用电缆敷设逐渐成为城市电力通道的主要形式。根据电科院统计信息，高压电缆故障按照不同部位划分，电缆终端、电缆接头、电缆本体各占1/3左右，因此减少电缆接头、增加段长是提高电缆线路供电可靠率的一项重要措施。110 kV及以上电缆排管敷设约占全部敷设方式的46%，因此有必要对110 kV电缆在排管敷设方式下大段长电缆设计进行研究，分析影响电缆分段长度的各种因素，采取相应的保障措施。
1 影响分段长度的主要因素
对排管敷设方式下的110 kV电缆，影响其分段长度的主要因素有以下几个方面。
（1）电缆截面：电缆截面的选择直接关系到电缆制造、运输、施工等因素。
（2）电缆制造：电缆生产厂家的生产线上构筑物的结构、设备设计荷载，厂房内的运输通道直接影响电缆制造长度[1]。
（3）电缆运输：影响电缆运输主要有电缆运输车辆、道路设计条件、实际运输路线等方面。
（4）电缆护层感应电势：随着电缆段长增加，电缆护层感应电势增大。电缆护层感应电势包含正常运行感应电势、冲击电压下的感应电势和工频短路时的感应电势，要求在这几种工况下均要满足规程要求。
（5）电缆施工：排管敷设方式下的电缆施工相对于电缆沟、电缆隧道更为复杂，当电缆通道转弯次数较多时，电缆敷设变得十分困难，甚至直接决定电缆分段长度。
2 电缆截面选型计算
国内电缆载流量设计，通常采用IEC-60287计算公式，具体公式如下：
110 kV电缆在排管敷设方式下允许载流量的大小，与排管间距、电缆的布置形状有着密切的联系。排管内的电缆允许载流量一般都小于工井内电缆载流量。关于电缆载流量计算的文献较多，在此不再赘述。
需要特别注意的是，N-1运行方式下计算的电缆允许载流量大于正常运行时载流量，而N-1方式下电缆载流量往往决定了电缆截面大小;此时不能只计算多回路运行方式下电缆载流量，并以此作为电缆截面选择依据。以某110 kV工程为例，电缆型号为YJLW03-64/110kV-1×1000mm2，N-1方式下允许载流量1030A，双回路时830 A。
3 电缆制造
由于设计理念、生产能力的不同，导致电缆金属护套的结构形式也不相同，欧洲厂家一般采取厚度较小的平滑铝护套，其电缆外径相对较小，日本及国内厂家一般采取波纹铝护套，电缆外径稍大。因此在同规格的电缆盘上，电缆外径越小，其缠绕的电缆长度越长，从而给电缆运输、装卸带来方便[2]。 电缆实际加工长度，取决于厂房的结构及尺寸（包括起吊设备所能承受的荷载）、厂房内各道工序之间的运输转场、生产设备所能承受的设计荷载等条件。目前国内厂家生产能力往往决定了500 kV电缆单段制造长度，不再是110 kV大段长电缆的制约因素。
4 电缆运输
目前陆缆的运输主要依靠公路运输，电缆运输是否超限取决于电缆盘大小。根据《公路工程技术标准》三级、四级公路净高4.5 m，考虑电缆盘上下留有空间，电缆盘直径取4.2 m。根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》，车货总宽度大于2.55 m为超限运输车辆，取电缆盘最大宽度2.5 m可以满足大部分道路宽度限制条件[3]。
电缆盘允许电缆长度计算公式：
L=n×π×c×（dn+cd）/1000，c=（dw-dn）/2d，n=0.95×（b-2b1-2b2）/d
式中：n为电缆圈数;c为电缆层数;dn为电缆盘内径，mm;d为电缆直径，mm;dw为电缆盘外径，mm; b为电缆盘总宽度，mm;b1为电缆盘架壁厚，mm;b2为电缆距离电缆盘内壁间隙，mm。
以某110 kV工程为例，dw=4 200 mm，dn=1 600，d=106.4 mm，b=2 500 mm，b1=85mm，b2=80 mm，计算得L=2 060 m。
电缆运输方式有两种，具体见图1、图2。
当电缆需要的长度小于L=2 060 mm时可以采用运输方式一，当电缆长度大于时则采用运输方式二，此时电缆盘外径需要减小到4 000 mm。
当采用运输方式一时，电缆盘宽度受限，电缆盘离地间隙较低，行车时在地势起伏较大路段需要留意电缆盘底部的保护，避免电缆盘铠装。
当采用运输方式二时，电缆盘宽度可以增加到 4.1 m，电缆盘底部放置在挂车上，离地间隙较高，受损风险小。但电缆盘外径减小到4.0 m（主要为了满足大件超限运输限宽、限高要求）。
5 电缆护层感应电势
5.1 正常运行感应电势
当电缆线芯流过交变的电流时，会产生交变的磁場，同时会在电缆金属套上感应出交变的电势[4-5]，交流系统单芯电缆金属套的正常感应电势计算方法可按下式计算：
ES=L×ES0
式中：ES为感应电势（V）;L为电缆金属套的电气通路上任意一部位与其直接接地处的距离（km）;ES0为单位长度的正常感应电势（V/km）。
（1）电缆单、双回路常规布置下的ES0计算方法在《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）[6]中有相应的计算公式。
（2）当电缆多回路或者非常规方式布置时，需要对任意排列下每相电缆金属护套正常感应电势ES0精确计算。一般采用电子表格或编程计算，下面就其计算原理进行描述：
Φr=2×10-7×Ln（L/rb）×Ixr，Φj=2×10-7×Ln（L/rb）×Ixj
ES0r=ω×Φj，ES0j=-ω×Φr
式中，Ixr为X相电流的实部（A）;Ixj为X相电流的虚部（A），rb为护套半径（mm）;L为X相与护套距离（mm），当护套中心与相中心重合时，L=rb;ES0r为感应电势实部;ES0j为感应电势虚部。
如计算A1相护套正常感应电势ES0时，只要将其余各相对A1相金属护套的正常感应电势实部、虚部分别累加即可。
5.2 冲击电压下的感应电势
不接地端不加保护器时护层所受的冲击电势。
（1）金属护套末端接地。
UA=2U0×Z2/（Z0+Z1+Z2）
式中，U0为沿架空线路侧的雷电压幅值进行波，Z0为架空线路波阻抗;Z1为电缆导体和金属护层之间的波阻抗;Z2为电缆金属护层与大地间的波阻抗。
（2）金属护套首端接地。
UA=-4U0×Z1/（Z0+Z1）×Z2/（Z1+Z2+Zf）
式中，Zf为负载波阻抗。
实际计算时，需要考虑架空与电缆连接端加装避雷器情况，并考虑电缆外护层运行多年后绝缘性能下降，不接地端一般均加装护层保护器。
5.3 工频短路时的感应电势
工频短路时的感应电势计算分电缆金属护套一端接地和交叉互联接地两种情况。
对于电缆金属护套一端接地，主要有接地电流全部以大地为回路、接地电流全部以回流线或金属套为回路、接地电流一部分以大地为回路3种方式。
由于此段内容较多，在此不再赘述，可以参照相关书籍。
5.4 护层保护器选型
以某110 kV工程为例，正常运行时非直接接地端感应过电压为141.84 V，满足“采取能有效安全措施时，正常感应电压不得大于300 V”的规定。 按照远景单相接地短路电流28.97 kA计算，电缆短路故障工频感应过电压为6.54 kV，小于护层保护器工频耐受过电压9 kV。
护层保护器8/20 μs，10 kA雷电冲击电流残压峰值20 kV，小于电缆外护层冲击耐受电压峰值 37.5 kV/1.4=26.78 kV的数值。
6 电缆施工
电缆敷设时其牵引力与侧压力不允许超过电缆的最大允许限值。电缆线路的牵引力和侧压力计算可以参照《城市电力电缆线路设计技术规定》[7]。
排管敷设方式下的电缆施工相对于电缆沟、电缆隧道更加困难，当电缆通道转弯角度较大、转弯次数较多时，大段长电缆可能无法敷设。因此在设计时要十分重视大段长电缆的施工。在施工布置电缆盘时要尽量将转角井放在牵引的末端，以减小转弯段的侧压力。
某110 kV工程，电缆敷设时牵引力计算结果需要64 kN，电缆允许牵引力70 kN;转角井侧压力 1.57 kN/m，允许侧压力3 kN/m。
7 运行维护
大段长电缆设计需考虑在线监测装置以方便运行，建议安装护层过电压限制器动作自动记录仪、分布式光纤测温、金属护套感应电压和接地电流监测、回流线电流监测、在线局放监测、电缆故障电流在线监测等装置。并采用可靠的专用双电源布置，具备自动投切功能。
当电缆单段长度较长时，其最大护层感应电压较高，在运行检修时，要事先制定工作流程、标示牌布置、操作注意事项等规范要求，防止护层感应电压危害人员和设备安全。
8 结语
（1）增加电缆分段长度可以减少电缆接头故障率。
（2）大段长电缆的设计、施工目前并不成熟，需要在电缆截面选型、制造、运输、护层感应电势、施工等方面详细考虑。
（3）大段长电缆的护层感应电压较高，运检时要特别注意人身和设备安全。
参考文献
[1] 文丽.500kV交流超高压大截面电缆分段长度的选择[J].低碳世界，2017（35）：92-93.
[2] 赵轩，张蕾，黄磊，等.基于多层磁场的大长段电缆护套感应电压精确计算方法[J].电气自动化，2020，42（2）：76-79，112.
[3] 谭笑，陈杰，李陈莹，等.高压电力电缆增加段长关键技术研究展望及应用[J].电力工程技术，2018，37（3）：91-96.
[4] 王冉冉，张改玲.电缆排列方式对金属护套感应电压的影响[J].科技资讯，2019，17（7）：39-40.
[5] 官志民.電力电缆绝缘击穿问题原因分析及探讨[J].科技资讯，2019，17（33）：55，57.
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.《电力工程电缆设计标准》（GB 50217-2018）[S].北京：中国计划出版社，2018.
[7] 中华人民共和国能源局.《城市电力电缆线路设计技术规定》（DL/T 5221-2016）[S].北京：中国计划出版社，2016.
作者简介：李长琪（1975，4—），男，汉族，江苏扬州人，本科，工程师，主要从事电力线路设计和电力电缆研究工程。
殷延海（1974，8—），男，汉族，江苏扬州人，本科，助理工程师，主要从事电力线路施工。
高森（1992，6—），男，汉族，江苏扬州人，硕士，工程师，主要从事电力线路设计。
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