交流500kV海底电力电缆结构设计

2010年第1期NO12O1O电线电缆ELECTRICWIRECABLE2010年2月FEB，2010交流500KV海底电力电缆结构设计李健，郑伟中南电力设计院电网T程分公司，湖北武汉430071摘要以南方主网与海南电网联网跨越琼州海峡500KV海底电力电缆工程为例，介绍了交流500KV海底电缆的形式、导体、绝缘、铅护套、加强层、铠装层的设计原则和思路。关键词海底电力电缆；结构设计；机电特性；载流量中图分类号TM2479；TM2473文献标识码A文章编号16726901201001001104DESIGNOF500KVACSUBMARINEPOWERCABLESLIJIAN，ETALCENTRALSOUTHCHINAELECTRICPOWERDESIGNINSTITUTE，WUHAN430071，CHINAABSTRACTTHISPAPERPRESENTSTHEPRINCIPLEANDPHILOSOPHYOFDESIGNOFTHETYPE，CONSTRUCTION，INSULATION，LEADSHEATH，STRENGTHENINGCOVERINGANDARMOUROF500KVACSUBMARINEPOWERCABLES，TAKINGTHE500KVACSUBMARINEPOWERCABLECONNECTINGTHESOUTHCHINAPOWERGRIDANDHAINANPOWERGRIDASANEXAMPLEKEYWORDSSUBMARINEPOWERCABLE；DESIGNOFCONSTRUCTION；MECHANICALANDELECTRICPERFORMANCE；AMPACITYO引言海底电力电缆结构设计需要综合考虑电缆的电气及机械特性，包括载流量、短路容量、介质及电阻损耗、绝缘水平、电缆敷设张力、内外侧压力等诸多方面。电缆结构设计主要内容包括形式选择、导体截面及线芯选择、绝缘层设计及外护层选择。南方主网与海南电网联网跨越琼州海峡500KV海底电力电缆以下简称海底电缆是我国首条500KV海底电缆。电缆采用自容式充油电缆，长度331KM，输电容量本期600MW，连接大陆侧登陆点南岭终端站和海南侧登陆点林诗岛终端站，并通过海缆终端与架空线路连接。本文以该海底电缆为例，介绍交流500KV海底电缆的结构设计。1海底电缆结构的简介海南联网海底电缆结构示意图见图L，结构尺寸见表1。2海底电缆结构的设计和选择21导体截面及结构的设计和选择超高压海底电缆导体截面选择的原则是I电缆长期允许电流应满足持续工作电流的要求；收稿日期20090615作者简介李健1981一，男，工程师作者地址湖北武汉市武昌区民主路668号430071图1交流500KV海底电力电缆结构1一油道2一导体3一半导电导体屏蔽层4一绝缘层5一半导电绝缘屏蔽层6一绕包带7一铅合金护套8一绕包带9一青铜带绕包层LO一垫衬层11一聚乙烯护套T2一铜带绕包层L3一垫衬层14一扁铜线铠装层15一外被覆层2短路时应满足短路热稳定的要求；3根据电缆长度，如有必要应进行电压降校核。交流高压电缆的对地电容要比架空输电线路大得多，因此电缆两端必须装设高压并联电抗器对电缆电容电流进行补偿。经计算，海南联网海底电缆充电电流为228AKM，在海底电缆两端高抗各补偿50电缆充电电流的情况下，电缆必须满足载流量8L5A的要求后才能达到600MW的输送容量。电缆长期允许电流的校核计算采用IEC60287导则的公式。载流量计算需要考虑绝缘、金属护套、铠装层损耗，以及电缆内衬层、外护层、周围媒质热阻、环境温度等方面的影响。经计算，导体最高温度为23456789M挖B2010年第1期NO12OLO电线电缆ELECTRICWIRECABLE2OL0年2月FEB，201090。C的条件下，导体截面为800MM时，电缆线路控制段陆上部分的长期允许电流为8L53A，其他线路部分的电缆长期允许电流计算结果均大于815A，可满足系统输送容量的要求。表1海底电缆结构尺寸标称厚度标称直径项目名称L油道30O2导体铜734463导体屏蔽层含炭黑半导电纸054564绝缘层油浸纸2855L027绝缘屏蔽层5O5L037含炭黑半导电纸金属化纸6绕包带0410457铅合金护套44L1338绕包带O25LL389加强层绕包青铜带O6L15O10垫衬层021L54LL聚乙烯护套481250L2铜带绕包层02L254L3垫衬层O25L259L4铠装层扁铜线24L3O7L5外被覆层聚丙烯纱和沥青401387注电缆空气中的总重量约为48KGM，水中总重量约为327KGM；铜导体电阻率NMMKM为17241，铅合金护套为214，青铜带为2155，铜带或铜扁线为17241；绝缘层相对介电常数为35，聚乙烯为23。电缆允许短路电流根据IEC60949“考虑非绝热效应的允许短路电流计算”导则进行计算。短路电流持续时间为05S时，导体允许短路电流为162523A，铅护套允许短路电流为53493A，可满足系统短路热稳定的要求。海南联网工程海底电缆导体截面为800MM，正序阻抗约为0043J0081LQKM，电缆长度约31KM，当输送容量为600MW时，电缆段的电压降约为04，不构成电缆截面选择的制约条件。综合以上三点，电缆载流量大于815A可满足系统额定输送容量的要求，短路热容量也能满足系统要求，电压降小于1。因此，海南联网工程海底电缆导体截面确定为800MM。高压电力电缆一般采用含量不小于999的高纯度铜作为导体材料。由于推荐导体截面小于1000MM，所以集肤效应和邻近效应对电阻的影响较小，不需采用分裂导体结构。电缆导体由两层弓形铜线绞合，其中第一层为自撑式，并构成了西3012MM的中心油道。为改善电缆的介电性能，电缆的导电线芯表面还绕包半导电屏蔽带导体屏蔽。22电缆绝缘选择超高压电缆发展的初期主要以充油电缆为主，上世纪60年代以后，交联聚乙烯XLPE电缆逐渐开始应用并得到推广。充油电缆是利用补充浸渍剂原理，来消除绝缘巾形成的气隙，以提高电缆工作场强的电缆类型。自容式充油电缆在安全性和使用寿命方面占有优势，而XLPE电缆应用于长距离跨海送电时，其制造工艺、质量及工厂接头都存在一些问题，目前世界上已建和正准备建设的超高压交流海底电缆工程，均采用自容式充油电缆。因此海南联网工程海底电缆选择了超高压自容式单芯充油电缆。海南联网工程海底电缆绝缘层采用低损耗的去离子水洗木浆超高压电缆绝缘纸作绝缘材料，同时采用高压电缆绝缘油浸渍剂来浸渍，并通过油道中的油压来抑制绝缘内部气隙的产生，使电缆具有优良的耐工频电压和耐冲击电压的性能。绝缘层厚度的设计，一般以最大场强作为设计的依据，然后要考虑电力电缆在运行中所承受的各种电压及绝缘材料击穿的统计规律，还要考虑绝缘的机械强度和工艺性能等。对于高压单芯不分阶绝缘电缆，绝缘厚度按下式计算U1，N1，儿、RFMIJ式中，E为长期工频击穿场强或冲击击穿场强；M为绝缘安全系数，一般取1213；U为试验电压；R为导电线芯半径；R为绝缘层外半径。经计算，海南联网海底电缆绝缘层厚度RR确定为2855MM，绝缘层场强分布见表2。表2海缆绝缘承受的工频电压和冲击电压及场强的计算值电压绝缘层内层场强绝缘层外层场强工况KVKVMMKVMM工频电压U525L637727冲击电压BIL1550837372从表2可看出，靠近导体即内层场强较高。为了改善电场均匀分布，在导体表面绕包一层含有炭黑的半导电屏蔽带导体屏蔽；在绝缘层外表面绕包一层含有炭黑的半导电屏蔽带和一层金属化纸绝缘屏蔽。23金属护套选择电缆的金属护套除了屏蔽电磁场和泄流漏电流之外，还起着阻水、防潮气的作用，此外还必须能承2010年第1期NO12O10I乜线电缆ELECTRICWIRECAB1E2010年2月FEB，2010受电缆内部油压和海中水压。海南联网海底电缆采用铅护套，其优点是密封性能好，可以防止水分或潮气进入电缆绝缘；熔点低，可以在较低温度下挤压到电缆绝缘外层；而寸腐蚀性较好；弯曲性能较好。在压铅工艺卜，主要有梓塞式不连续冲压压铅和螺杆式连续压铅两种。采用不连续压铅工艺的F3铅合金护套有较好的抗疲劳、蠕变和弯曲性能，但不连续压铅，有可能在铅包接合处产生压铅质量J二的差异，以及停机时仍处于压铅机温度的电缆会出现绝缘油过热等问题。螺杆式连续压铅，即用螺杆挤半融化状的12C型低合金铅，避免了不连续压铅的上述问题。虽然这种12C铅合金强度不如不连续冲压型压铅的F3铅，但其耐震动疲劳性能完全能承受运输到海南的船上振动。因此海南联网海底电缆采用12C铅护套。24加强层选择由于铅护套只起密封作用，而不能承受电缆内部较大的压力，冈此在铅护套外面绕包4层青铜带组成的径向加强层，以抑制铅包的变形。加强带的设计应能承受电缆内产生的最大油，包括暂态油压，并应考虑其安全系数不小于2。经计算，住最大暂态电缆压力下，M于内部油在加强带上产生的最大压强为1132MPA，青铜带的屈服强度为430MPA。因此加强层安全系数接近于4。在加强层外还有一层垫衬层，由半导电尼龙带构成。因为在金属的青铜带加强层之外，还要挤包一层绝缘的聚乙烯护套，因此，两者之间须绕包一层半导电尼龙带，以调节和均匀电磁场，以及满足聚乙烯护套挤出工艺的需要。25聚乙烯护套选择在加强层外须挤包聚乙烯PE护套，其主要作用为抗压、防水、防潮及机械保护；其次，当电缆遭受短路和过电压冲击时，PE护套能耐受由此所产生的感应电压。在操作过电压情况下，电缆PE护套上过电压按下式计算，1坚1一E2UOLL2L23式中，为导体和铠装层之间电压；U，为护套和铠装层之间电压；C。为导体和护套问电容；C，为护套和铠装层之间电容；为传播速率；为传播距离。为了限制PE护套上的暂态感应过电压，可以每隔一定距离，在径向横截面上的加强层和铠装层之问采取短接的方法，以臧小或限制感应过电压。短接的方法是在加强层外加一个铜的抱箍，通过金属线与铠装层焊接。因PE护套的绝缘强度8KVMM，厚度44ME，故PE护套耐受电压即352KV，根据式2，叮计算出短接问隔的最大允许长度为11139KM，冈此海南联网海底电缆每隔8KM，在径向横截面上的加强层和铠装层之日J短接一次，此时护套上电J玉最大值为262KV，低于PE护套的耐受电压，因此可认为线路发暂态过电压时是安全可靠的。26屏蔽层选择首先，为提高海缆的抗电磁干扰能力，在PE护套外再绕包一层铜带，其次，因外层尚需绞合一层扁铜线铠装层的受力构件，一旦电缆敷设或维修打捞时，要承受极大拉应力和应力，因此，在PE护套外再绕包一层铜带是非常必要的。27铠装层选择铠装层由一层成型的冷拔扁铜线组成，用来保护电缆免受外界机械性损伤，以及作为电缆的主要受力构件。钢丝铠装可以承受较高的机械抗拉负荷，但是，单芯交流电缆采用钢丝铠装后，由于磁滞损耗和涡流损耗很大，从而降低了电缆的载流量。试验表明，采用钢丝铠装的电缆比采用非磁性材料铠装的电缆载流量小3040。IEC5521981标准关于铠装建议除具有特殊结构外，用于交流线路的单芯电缆铠装应由非磁性材料组成。因此海南联网海底电缆采舛】铜扁线铠装。铠装层设计应能满足敷设和维修打捞及运行条件下对电缆机械抗拉强度的要求。根据ELECTRA171中CIGRE的推荐，对最大水深为100M情况下，敷设与打捞时的机械测试张力进行计算。计算结果当海浪周期为8S、浪高为4M时，动态张力为59KN；水平张力为L27KN；测试张力为608KN；电缆最大允许张力为875KN。按海底电缆最大允许张力为875KN，根据铠装层和导体层的应力分配计算，截面积为945MM。的单层铜铠装层承担55的电缆张力，相应铜导体承受的应力为492NMM；而铜导体弹性极限应力为100NMM，极限拉断应力为300NMM，因此，海底电缆最大允许张力情况下铜导体弹性形变小于01，所以不会造成电缆油道的变形和绝缘层的破坏。在机械测试张力下，铠装和导体的最大机械应力为347MPA，小于退火铜导体和冷拔丝铜铠装的通常允许强度50MPA。由此可见，单层铜铠装即可满足电缆机械强度要求。下转第18页132010年第1期NO120LO电线电缆ELECTRICWIRECABLE2010年2月FEB，2010，|J1N2S1LN2争LN2一NN2十争LN2S0，SZ一C31，S2_RS十JN一KP后NNP一NP一知IN2S1LNP一LNP32NNP争NP一IN2S1LNP争1NP33超导电缆平行呈等腰三角形敷设时，各相电缆超导屏蔽与导体电流量值相等，相位相反。相应于三相超导电缆等腰三角形敷设有如下三种情况当P1，即为三相CD绝缘电缆呈等边三角形敷设；当P2，即为三相CD绝缘电缆平行及相邻间距相等，边相电缆间距为其两倍的平面敷设；当P，即为三相CD绝缘电缆平行呈等腰三角形敷设。按此可证明，三相CD绝缘超导电缆平行以等边三角形敷设、相邻电缆等间距平面敷设和等腰三角形敷设条件，在超导状态运行时，均可达到互联超导屏蔽两端电压为零，屏蔽与超导导体电流量值相等，相位相反，可以实现超导屏蔽外部无磁场的运行状态。一般等腰三角形敷设条件下，合适的P值范围为1P2。3结论本文从理论上证明，三相系统用CD绝缘超导电缆，在屏蔽层