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中国聚变工程实验堆（CFETR）是中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学工程，是中国在全面消化吸收国际热核聚变实验堆（ITER）相关技术的基础上，预先开展下一代超导聚变堆研究的重大项目，供配电系统是其重要组成部分。
按照供配电系统设计规范和CFETR实验项目性质，结合所在地周边500 kV电站情况，定义了CFETR供配电系统结构，包括一座220 kV变电站，根据供电负荷的要求，配电系统包括110 kV、20 kV和10 kV等级。其中110 kV供配电系统供电给脉冲功率负荷，即超导磁体电源和无功补偿系统。110 kV供配电系统结构示意图如图1所示。其中负载电缆根据电压等级选用110 kV截面为240 mm2高压单芯XLPE（交联聚乙烯）绝缘电缆[1-2]。
图 1 110 kV供配电系统结构示意图
Figure 1. 110 kV power supply and distribution system structure diagram
本文通过对几种接地方式下电缆护层感应电压和环流的计算，依据《电力工程电缆设计标准》，确定护层接地方式及安装敷设过程中所要注意的事项。使金属护层中的感应电势和环流在安全限值以下，保障供配电系统稳定运行。
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电力电缆的主要结构件为线芯、绝缘层和外护层如图2所示。电力电缆的种类很多，中低压电缆（一般指35 kV及以下）：粘性浸渍纸绝缘电缆、不滴流电缆、聚氯乙烯绝缘电缆、交联聚乙烯电缆、乙丙橡皮绝缘电缆等；高压电缆（一般为110 kV及以上）：自容式充油电缆、钢管充油电缆、聚乙烯（PE）电缆和交联聚乙烯（XLPE）电缆等。
图 2 电缆结构示意图
Figure 2. Cable structure diagram
考虑到110 kV电压等级，选用高压电缆；同时由于经济效益，干式电缆基本上已经取代了充油电缆。对于聚乙烯电缆和交联聚乙烯电缆，交联聚乙烯是提高聚乙烯的一种重要技术，不仅在力学性能、耐环境应力开裂性能、耐化学药品腐蚀性能等方面有显著提升，而且非常明显地提高了耐温等级，大大拓宽了电缆的应用范围。因此我们最终选择XLPE高压电缆。
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高压电缆多为单芯电缆，电缆线芯和金属护层的关系可以看作变压器的一组绕组，线芯通过交流电流时产生磁力线交链金属护层产生感应电势。感应电势不加以限制会达到较大值从而威胁人身安全。保障电缆安全稳定运行的措施之一是电缆接地系统设计，高压XLPE电缆接地方式[3-5]：
1）金属护层两端接地
金属护层在两个终端位置直接接地，两端接地后不需装设保护器，适用于较短电缆线路，护层中感应电势较小，因此不会产生较大环流。
2）金属护层一端接地
电缆线路较短时（500 m以内），常采用一端直接接地，另一端通过保护器接地。当与架空线路连接时，连接的一端直接接地，另一端装设保护器。
3）金属护层交叉互联接地
电缆线路很长，将线路分成三个等长小段，相互用绝缘接头相连，护层三相之间用同轴电缆经接线盒完成换位连接，护层保护器装设在换位箱内。电缆两个终端金属护层分别互联并接地。此接地方式常用于较长电缆线路，能有效减少金属护层感应电压及环流，交叉互联接地结构示意图如图3所示。
图 3 金属护层交叉互联接地
Figure 3. Metal sheath cross interconnection grounding
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《电力工程电缆设计标准》4.1.9规定：交流单芯电力电缆金属套上应至少在一端直接接地，在任意非直接接地端的正常感应电势，未采取安全措施时最大值不得大于50 V。交流系统中单芯电缆各相按通常布置排列情况下，电缆金属套上任意一点非直接接地处的正常感应电势值按下式计算[6-7]：
$$ {E}_{\mathrm{s}}=L{E}_{\mathrm{s}0} $$ (1) 式中：
Es ——感应电势（V）；
L ——电缆金属套的电气通路上任一部位与其直接接地处的距离（km）；
Es0——单位长度的正常感应电势（V/km）。
Es0的计算与电缆的敷设方式有关，三相电缆的排列敷设方式主要有等边三角形排列、水平排列、直角三角形排列，为保证三相电缆金属套感应电势平衡，采用等边三角形排列方式敷设，排列方式如图4所示。
图 4 电缆等边三角形排列
Figure 4. Equilateral triangle arrangement of cables
这时三相电缆相互间距相同，单位长度正常感应电势相同可用下式计算：
$$ {E}_{\mathrm{s}0}=I{X}_{\mathrm{s}} $$ (2) $$ {X}_{\mathrm{s}}=\left(2\omega \mathrm{l}\mathrm{n}\frac{S}{r}\right)\times {10}^{-4} $$ (3) 式中：
ω ——2πf，f为工作频率；
r ——电缆金属护层的平均半径（m）；
I ——电缆导体正常工作电流（A）；
S ——各相电缆相邻之间中心距（m）。
本文所设计对象为110 kV单芯XLPE电缆，选用YJLW02交联聚乙烯皱纹铝包240 mm2电缆，线芯半径8.74 mm，绝缘层依据电压等级确定为19 mm，金属护层铝包厚度为2 mm，金属护层的平均半径r约为28.74 mm，电缆工作电流约为500 A，工作频率为50 Hz，各相电缆相邻之间中心距S一般为250 mm，电缆长度为按现场施工情况保守估计为1 000 m，代入上式（1）、（2）、（3）得到电缆金属护层的感应电压为67.9 V。
CEETR站点接地配置为共用地网，变电站地网与CFETR站点接地网相连，变电站接地电阻经设计约为0.2 Ω，金属护层环流可达到340 A，若电缆采取金属护层两端直接接地，如此大接地环流足可以导致危险事故发生；若采用金属护层一端接地，未直接接地端感应电势超过50 V，不符合《电力工程电缆设计标准》；电缆金属护层交叉互联接地时，将线路分为长度基本相等的3段或3的整数倍段，三相电缆等边三角形排列，电缆线芯中流过的电流相等，因此在金属护层中的感应电势幅值相等相位相差120°，消除接地感应环流。
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长距离敷设110 kV XLPE高压电缆必须将电缆回路分为长度相等的三段或三的整数倍段。但分段后电缆交叉互联接线易出现接点隐性失误，导致换位不完全且不易及时发现，本章分析交叉互联正确接线方式及注意事项，排除电缆运行中的故障。CFETR高压供配电110 kV电缆金属护层交叉接地等效接线如图5所示[8-10]。
图 5 金属护层交叉互联接地等效接线图
Figure 5. Equivalent wiring diagram of metal sheath cross interconnection grounding
由图5可知，#1、#2绝缘接头分别通过同轴电缆和换位箱实现金属护层换位作用。A相金属护层感应电流从A0点经A相护层至A1点，再经A相#1接头同轴电缆内导体和换位箱换位箱至C2点，再经C相第2段电缆的护套至C3点，经C相#2绝缘接头的同轴电缆内导体和换位箱至B4点，再经B相第3段电缆的护层至B5入地从而完成护套完全换位。在理想情况下，3相电缆3段电缆长度相等，护层经换位后合电势为0。
受施工条件的影响，CFETR电缆线路无法实现理想的三段等长。将电缆进行分段互联时，将第一段和第三段电缆长度确定为330 m，中间第二段电缆长度偏长。由于三相电缆分段不完全相等，护层感应电压换位后会产生一定感应电压，下面计算感应电压及电流的大小。
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确定电缆接地方案后，对1 km的电缆进行分段，实际安装敷设过程无法满足三段电缆完全等长，将第一、三段电缆长度确定为330 m，中间第二段电缆长度略长于一、三段电缆。接下来计算接地电流，建立金属护层交叉互联接地等值电路。将实际中的分布式参数简化为集总参数，构建与实际系统等效的等值电路如图6所示[11-13]。
图 6 金属护层交叉互联等值电路
Figure 6. Metal sheath cross interconnection equivalent circuit
图6中：
Rd1、Rd2 ——护层首末端接地引线电阻测量值，由于电阻值微小，可忽略不计；
Rd ——接地网等效电阻；
Z01、Z02、Z03 ——三段电缆护层自阻抗；
ISA、ISB、ISC ——三相金属护层接地电流；
ISE ——大地漏电流；
ESAi、ESBi、ESCi ——每段电缆中线芯中电流引起的感应电压；
ETAi、ETBi、ETCi ——每段护层中接地电流和大地电流引起感应电压，由于电缆护层电流和大地电流相对线芯电流要小很多，这部分感应电压在计算时可以忽略。
对于护层首末端接地电阻测量值，由于项目仍未正式施工无法测量，按照站点共用地网的设计估计为Rd=0.2 Ω。对以上电缆分布参数的确定，计算种类众多，但其准确性及是否适用本系统接地设计无法保证。我们利用电磁分析软件对高压电缆建立模型，准确计算电缆阻抗及感应电压等分布参数，最后代入等值电路计算，为解决现实问题提供精确的数据。
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本文主要使用ANSYS软件中的Maxwell模块建模并进行电磁仿真。Ansoft Maxwell是一种工业应用的电磁分析软件，它采用向导式操作界面、自适应剖分技术并且具有强大的后处理器，是一款高性能电磁设计软件。通过软件仿真可以给出三相电缆各类分布参数。电缆三维模型如图7所示。
图 7 电缆3D模型
Figure 7. Metal sheath cross interconnection equivalent circuit
首先三段电缆护层的自阻抗进行计算，由于电缆每段长度达几百米，无法直接用软件建模，因此先在涡流场环境下对三相电缆进行自适应网格划分，三相电缆剖分图如图8所示，得到每米长电缆的阻抗和感应电压。仿真结果见表1。
图 8 三相电缆剖分图
Figure 8. Three-phase cable dissection diagram
表 1 Maxwell仿真结果
Table 1. Maxwell simulation results
参数 电阻/（μΩ·m−1） 电感/（μH·m−1） 感应电压/（V·m−1） 仿真结果 105.91 0.76 0.067 第一、三段电缆长度为330 m，可得到电缆电阻为0.034 9 Ω，电感为0.6 mH，感应电压为22.11 V；第二段电缆电阻为0.036 Ω，电感为0.618 mH，感应电压为22.78 V。将以上分布参数代入等值电路，利用Simplorer软件建立电路模型进行接地电流的计算，电路模型如图9所示，得到单相接地电流为2 A，金属护层感应电压为0.4 V，符合《电力工程电缆设计标准》。
图 9 仿真电路图
Figure 9. Simulation circuit diagram
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本文结合CFETR 110 kV供配电系统结构，调研高压电缆的种类及特性，选用110 kV单芯XLPE高压电缆作为负载电缆。后通过对电缆金属护层不同接地方式下感应电势及电流的计算，确定电缆金属护层交叉互联接地。
电缆敷设过程中受到环境地形等条件限制，无法实现电缆分段完全等长和对称排列，会存在少量不平衡感应电流流过金属护层。为计算实际工程中金属护层交叉互联接地方式下的接地电流，先建立交叉互联等值电路，利用Maxwell软件模拟计算分布参数，后将分布参数代入Simplorer软件求解护层感应电压及接地电流，由上仿真结果可知，电缆金属护层交叉互联接地方案有效降低护层感应电压和接地电流，符合《电力工程电缆设计规范》，保证电缆长期稳定工作，可按此方案将CFETR 110 kV电缆金属护层接地。
Research on CFETR 110 kV Cable Grounding Scheme
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摘要:
目的 中国聚变工程实验堆（CFETR）旨在论证稳态燃烧等离子体的工程可行性。站内110 kV高压供配电系统通过电缆等设备为超导磁体电源和无功补偿系统供电，因此高压电缆的稳定工作对实验的开展至关重要。 方法 电缆正常运行需要考虑金属护层感应电势和环流，在对金属护层接地方式充分调研计算后，确定站内110 kV高压XLPE电缆交叉互联接地。利用ANSYS Maxwell软件对三相电缆进行建模，仿真护层感应电压；最后将仿真结果代入Simplorer所构建的等效电路。 结果 其仿真结果显示护层感应电势和环流满足国家标准要求。 结论 为110 kV电缆护层设计的交叉互联接地方案安全可靠，能够确保电缆长期稳定工作。 -
关键词:
- 中国聚变工程实验堆(CFETR) /
- 110 kV高压电缆 /
- 交叉互联接地 /
- 护层感应电势 /
- Maxwell /
- Simplorer
Abstract:Introduction China Fusion Engineering Experimental Reactror （CFETR） aims to demonstrate the engineering feasibility of steady-state combustion plasma. The 110 kV high-voltage power supply and distribution system supplies the superconducting magnet and the reactive power system through cables and other equipment. Therefore, the stable work of the high-voltage cable is very important to the development of the experiment. Method The normal operation of the cable needed to consider the induced potential and circulating current of the metal sheath. In this paper, after fully investigating and calculating the metal sheathing method, it was determined that the 110 kV high-voltage XLPE cable was cross-connected and grounded. Use ANSYS Maxwell to model the three-phase cable, simulate the sheath induced voltage, and finally substitute the simulation results into the equivalent circuit constructed by Simplorer. Result The simulation results show that the induced electric potential and circulating current of the sheath meet the requirements of national standards. Conclusion The cross interconnection grounding scheme designed in this paper for the 110 kV cable sheath is safe and reliable, which can ensure the long-term stable operation of the cable. -
Key words:
- CFETR /
- 110 kV high voltage cable /
- cross-connect grounding /
- induced potential /
- Maxwell /
- Simplorer
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图 1 110 kV供配电系统结构示意图
Fig. 1 110 kV power supply and distribution system structure diagram
图 5 金属护层交叉互联接地等效接线图
Fig. 5 Equivalent wiring diagram of metal sheath cross interconnection grounding
表 1 Maxwell仿真结果
Tab. 1. Maxwell simulation results
参数 电阻/（μΩ·m−1） 电感/（μH·m−1） 感应电压/（V·m−1） 仿真结果 105.91 0.76 0.067 
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图(9) / 表 (1)
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