变电站220kV电力电缆的选型研究

高 力

（智方工程设计有限公司上海第二分公司，上海 200082）

220kV户内变电站的高压配电装置进线间隔至主变压器可采用电缆连接，该处电缆选型影响着供电可靠性和经济性，这使得该处电缆选型尤为重要。文章从220kV电力电缆的导体材质、芯数、绝缘层与护层材料、绝缘水平的选择入手，重点讨论按载流量、热稳定、允许电压损失选取截面积，最后介绍护层接地和电缆敷设等相关问题。同时结合工程实际，给工程技术人员对高压电力电缆的选型提供了思路和参考。

某用户A变电站220kV变压器150MVA，变比为220/35kV，环境最高温度为40℃，主变高压侧采用电缆连接，采用在电缆支架中敷设，下文中的相关计算值均在此例基础条件下进行。

1 导体材质和芯数的选择

高压电力电缆导体一般采用铜芯电缆，铝芯现已很少采用。110kV以上三相供电宜采用单芯电缆；变电站220kV电力电缆宜采用单芯铜导体电缆。

2 绝缘层、内护层材料和绝缘水平的选择

变电站内220kV高压电力电缆绝缘材质一般采用交联聚乙烯。考虑到涡流效应的影响，护层应选用非磁性的金属铠装层，通常采用皱纹铝套或者铅套，其中铅套应用铅合金制造。个别有特殊要求的也可采用铜护套。

电缆的绝缘水平由额定电压体现，该电压是电缆设计、选型、试验的基准电压。工程中常用的220kV高压电力电缆绝缘水平如表1所示。

表1 220kV高压电力电缆绝缘水平 单位：kV

一般变电站在电缆层或电缆沟中敷设的主变高压进线电缆可使用YJLW03型。

3 电缆导体截面选择

3.1 按载流量选择导体截面

按载流量选择电缆截面的算式如下：

式中：Ig为电缆长期持续工作电流（或称为回路最大工作电流），A；K为综合校正系数；Ixu为标准条件下的载流量。

即选择电缆的实际情况载流量要大于等于回路最大工作电流。而回路最大工作电流可由式（2）计算：

考虑主变过负荷系数为1.05。由式（2）可计算出A变电站中主变220kV回路最大工作电流≈394A。

若电缆在支架中敷设，则式（1）中的综合校正系数K可分解为式（3）：

式中：Kt为温度校正系数；K1为在空气中支架上敷设系数；Ka为无遮阳校正系数。

对于 A变电站，Kt=0.95，K1=0.98，Ka=1，则K=0.95×0.98×1=0.93。代入式（1）可得=424A。

查电缆载流量表，220kV单芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝套电力电缆允许载流量如表2所示。

表2 220kV单芯交联聚乙烯绝缘皱纹铝套电力电缆允许载流量

综合考虑国家标准和相关厂家的制造情况，截面一般≥400mm2，可取截面积S=400mm2。

3.2 按热稳定选择导体截面

（1）热稳定算式。按载流量选择电缆导体截面后，一般还需进行热稳定校验。通常在中性点导体选择，站用变高压侧导体选择，容量不大的高压变压器、高压侧导体选择时，热稳定是选择导体截面的控制因素。

电缆导体截面，由式（4）计算：

式中：S为电缆导体截面，mm2；Q为热效应；C为热稳定系数。

Q的计算方法在变电站和发电厂中不同性质的回路算式是不同的，对于变配电站热效应可按式（5）计算[1]：

式中：I为系统电源供给短路电流的周期分量起始有效值，A；t为短路持续时间，s。

（2）短路电流。短路电流应选取远景年，该值可由计算得出。远景短路电流若难以计算，系统侧的短路电流可选取该地区规定的最大短路电流或断路器的遮断容量。远景A变电站220kV母线最大短路电流有效值可按50kA考虑。

（3）短路持续时间。短路持续时间由保护动作时间加断路器开断时间（全分闸时间）组成。对电动机、低压变压器等直馈线，保护动作时间取主保护动作时间；其他情况，宜取后备保护时间[1-2]。主保护动作时间等于设定延时时间加保护动作时间。主保护一般不设延时，即设定延时时间为0s。而现在保护基本均采用微机保护，其保护动作时间为30～40ms，则主保护动作时间为40ms以内。断路器开断时间可由厂家资料得出，若无厂家资料或在方案设计阶段，一般对高压慢速断路器可取0.2s，中速断路器可取0.15s，快速短路器0.1s以下。变电站A采用的220kV GIS设备，由厂家资料得出断路器开断时间不大于60ms。综合考虑A变电站该处电缆热稳定校验时短路持续时间取0.1s。

（4）热稳定系数。热稳定系数C值可以通过计算法和查表法得出。计算法算式如下[1]：

式中：相关参数可见文献[1]。

除电动机馈线回路均可取θp=θH，对于A变电站220kV主变进线电缆在进行热稳定校验时，取η=1，J=1，K=1.05，q=3.4J/（cm3·℃），α=0.00393/ ℃，ρ=0.01724×10-4Ω·cm3/cm，θm=250℃，θp=θH=90℃，代入式（6）可得C=138.42。

使用查表法取热稳定系数在文献[3]中有相关描述，在工程的方案设计阶段和估算时较为适用。对于铜芯交联聚乙烯绝缘电缆C可取137[3]。和计算法得出的值虽有差别，但较为接近。

（5）按热稳定选择结果。代入上文所取参数的结果，C值分别代入计算法的138.42和查表法的137，A变电站220kV主变进线电缆按热稳定选择结果如下：

综合考虑国家标准和相关厂家的制造情况，取S=400mm2，满足热稳定校验。

3.3 按允许电压损失选择导体截面

三相交流电压损失的百分数算式：

式中：ΔU%为允许电压损失百分数；L为电缆长度，km；r为电缆每公里电阻，Ω/km；x为电缆每公里电抗，Ω/km；cos为功率因数。

一般对供电距离较远、容量较大的电缆线路需校验电压降，并且电压降有可能成为决定截面因素，而变电站内高压电力电缆通常较短，一般按载流量和热稳定选出截面可很好地满足允许电压损失要求。

4 电缆护层接地

单芯电缆在正常运行时，会有磁力线通过金属护层或金属屏蔽层，使其两端出现感应电压。如果仅将金属护层或屏蔽层两端直接接地，则会在电缆的金属护层或屏蔽层形成环流，从而引起发热，降低电缆实际载流量，加速电缆绝缘老化。为避免这一问题，单芯电缆金属护层一端必须直接接地；又为了限制护层上的过电压，要让电缆金属护层或金属屏蔽层末端在冲击下接地，则需在电缆另一端金属护层或金属屏蔽层和大地间接过电压限制器。

变电站内高压电力电缆通常长度为几十米至一百多米之间，电力电缆一般采用一端护层直接接地，一端经过电压保护器接地。而直接接地的优先级一般为架空线＞GIS＞主变。则A变电站可采用主变进线GIS端直接接地，主变端经过电压限制器接地，如图1所示。

图1 变电站内220kV电缆护层接地示意图

5 电缆敷设

在电缆选型时应考虑电缆敷设情况，即是否存在施工困难、对载流量和通信线路的影响、敷设环境对绝缘和护套层的要求等。这就要考虑电缆的转弯半径、间距、路径、电缆类型等。

电缆的转弯半径若有厂家资料，应按厂家建议值考虑，若无相关资料，高压交联聚乙烯绝缘电力电缆应考虑至少20倍的电缆外径。电力电缆若水平敷设时电缆间净距宜不小于1倍电缆外径，三角形敷设时可紧挨布置。由于转弯半径的影响通常将高压电力电缆敷设在电缆层电缆支架的最下层，同时尽可能地远离通信线，以降低对其干扰。变电站内的高压电力电缆选用阻燃型，有特殊要求时可采用耐火型电缆。

6 结束语

文章介绍了变电站220kV电力电缆的选型方法。建议变电站内220kV电缆采用交联聚乙烯绝缘铜芯阻燃电缆；变电站内220kV电缆截面时选择，应综合考虑载流量、热稳定、电压降、国家标准和厂家制造情况等因素，还应考虑电缆护层接地和电缆敷设等问题。