-
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]。
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。
-
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。
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。
-
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。
Figure 3. Metal sheath cross interconnection grounding
-
《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。
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。
-
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]。
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。
-
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]。
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。
-
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。
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。
Figure 8. Three-phase cable dissection diagram
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 Table 1. Maxwell simulation results
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》。
Figure 9. Simulation circuit diagram
-
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
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.02.005
- Received Date: 2021-10-27
- Rev Recd Date: 2022-01-11
- Available Online: 2022-04-24
- Publish Date: 2022-06-25
-
Key words:
- CFETR /
- 110 kV high voltage cable /
- cross-connect grounding /
- induced potential /
- Maxwell /
- Simplorer
Abstract:
| Citation: | LI Peng, WANG Yuchen, JIANG Jiafu, HUANG Yiyun. Research on CFETR 110 kV Cable Grounding Scheme[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2022, 9(2): 39-44. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.02.005
|
DownLoad:
