单台622mw机组主变压器出入口回路高压电缆的设计

单台622mw机组主变压器出入口回路高压电缆的设计

随着土壤资源的越来越宝贵，电厂土壤指数也越来越受到重视。高压下的走廊走廊面积非常大，这无疑会增加工厂的建设投资。另外,对于扩建电厂,由于高压配电装置的扩建与主厂房在地理位置上的不对应,造成出线转角困难,甚至无法实现的情况也较常见。在电厂建设和设计过程中,遇到过多座电厂的主变压器(以下简称为主变)高压侧出线采用电缆送出的方式,例如巴基斯坦的JMXL电厂,山东BH热电厂以及正在设计的越南某电厂。虽然电厂中高压电缆线路特别是针对启动/备用变压器(下文简称为启/备变)进线回路采取高压电缆越来越多,但采用2500mm2超大截面高压电缆仍属首次,因而不能仅依靠常规电缆设计经验进行设计。工程中110kV及以上的电缆多采用单芯电力电缆,曾经有很长一段时间受到生产工艺水平以及材料的限制,高压电缆采用油浸纸绝缘和低粘度的充油电缆。油浸纸绝缘电缆载流量低,充油电缆存在漏油、火灾故障率高、不宜作高落差敷设等缺点,目前这两种电缆都已经随着科技的发展逐渐不再应用。从20世纪90年代开始,工程中采用最多的是交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆,但是,无论采用何种绝缘材料的电缆,在绝缘材料的外层均有金属保护层。由于金属保护层的存在,使高压电缆应用中出现了一系列问题。因此在高压电缆及其附件的计算选择与敷设方式上有若干问题有待深入研究,特别是2500mm2大截面电缆,在以往工程中很少采用,本文以某2×622MW火力发电厂为研究对象,对高压电缆的导体截面和金属护套的过电压保护进行计算和研究。1高压侧进出电缆该工程为新建2×622MW燃煤机组,本期工程的高压配电装置采用220kV敞开式布置,虽然配电装置与主厂房距离很近,但地理位置不对应,并且考虑下期架空出线走廊空间,因而业主招标要求本期采用220kV高压电缆出线。本工程每台机组设置2台高压厂用工作变压器,2台机组共同设置1台起动/备变作为全厂起动和备用电源。对于常规600MW级机组,由于单机容量较大,为了降低损耗、提高输送能力,高压侧出线采用400kV或者以上电压等级较多,个别电厂也有采用220kV出线的,例如哈尔滨第三发电厂的2台600MW机组以及清河发电厂的1台600MW机组,但是这两个工程的高压侧出线均采用架空钢芯铝绞线作为输电导体,因而在导体的选择上比较容易实现。本工程高压侧出线采用220kV高压电缆,根据合同规定,为了降低电缆导体的运行温度,导体额定载流量必须大于1.1倍的机组可能最大工作电流。同时,根据技术谈判确定的原则,该电缆额定载流量需要满足在发电机最大出力的同时主变压器高压侧的电网电压最低的工作电流,此时再考虑1.1倍的系数。2高压电缆的选择2.1现用高压电缆隧道同步控制下的载流量根据工程设计,本工程的机组阀门全开(TVWO)工况下的最大出力为647.064MW,功率因数0.85,220kV系统(即主变高压侧电压)的最低电压为198kV。根据厂用电负荷的统计计算,考虑最大可能工作电流以及1.1倍的系数,本工程的最大可能工作电流(即主变高压侧电流)计算值见表1。由表1可知,本工程最大可能工作电流是2138.6A,220kV高压电缆额定载流量不能小于2352.5A。另外,本工程采用高压电缆隧道敷设,根据合同规定,无空调场所的电气设备选择应该按照环境温度50℃来计算。根据以上实际载流量和环境温度2项技术条件,在高压电缆设计中做了如下考虑:如果每相采用单根单芯电缆,电缆截面将至少达到2500mm2,若每相采用2根单芯电缆,将会使电缆终端的数量增加1倍,同时金属护套接地方式更加复杂。由于电缆终端的增加,将严重降低供电的可靠性。另外,根据本工程的需要设置了备用相结构,如果采用每相2根单芯电缆的方案将使整个高压电缆设施的布置安装非常复杂,进一步降低机组运行的可靠性,因此决定采用大截面的电缆来满足工程需要。由于国内生产厂家无法满足50℃环境温度下实现单根电缆2352.5A的载流量。最终选择进口220kVXLPE绝缘2500mm2铜芯电缆(型号为YJLW03-Z127/2201×2500)。2.22电缆隧道结构设计高压电缆的载流量主要受到导体截面、绝缘材料、运行环境温度以及敷设方式等条件的限制。高压电缆持续载流量I的计算公式为:I=Δθ−Wd[T12+n(T2+T3+T4)]R[T1+n(1+λ1)T2+n(1+λ1+λ2)(T3+T4)]−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(1)Ι=Δθ-Wd[Τ12+n(Τ2+Τ3+Τ4)]R[Τ1+n(1+λ1)Τ2+n(1+λ1+λ2)(Τ3+Τ4)](1)式中:R为最高运行温度下导体单位长度导体电阻;Wd为绝缘导体单位导体的介电损耗;T1为导体和护套之间的热阻;T2为护套与金属铠装之间的热阻;T3为外护套的热阻;T4为外部环境的热阻;n为单根电缆内导体根数;λ1为电缆金属护套损耗相对于该电缆所有导体总损耗比率;λ2为电缆铠装损耗相对于该电缆所有导体总损耗比率;Δθ为导体最高温升,此处取40℃。本工程采用垂直平行排列布置在电缆隧道内,高压电缆相间距离为460mm,环境运行温度按50℃计算。根据电缆参数,通过式(1)可以计算出本工程单根2500mm2高压电缆载流量为2358.6A,满足本工程单台机组最大可能工作电流以及保留1.1倍系数的要求。如果电缆采用品字形布置,2500mm2XLPE绝缘电缆载流量仅能达到平行排列布置的0.8左右,此时2500mm2截面的电缆无法满足合同中对载流量的要求,因此,品字型敷设的单根电缆方案将无法实施,故本工程电缆采用垂直平行敷设方案。满足工程需要的相间最小距离为460mm,如果设计过程中降低该距离,则电缆载流量将无法满足本工程要求,增加其距离,电缆隧道尺寸将会增大;另外,电缆的运行环境温度50℃,对电缆载流量的计算影响也非常大。3电缆线路的接地方式1当单芯电力电缆芯线内流过交流电流时,将使电缆金属护套处于交变磁场中,必定有磁力线交链金属护套,从而使金属护套感应一定的电势。如果将电缆的金属护套在两端互联接地,金属护套中将会流过很大的环流,其值将达到线芯电流的50%～95%,如此大的环流将会超过金属护套的载流能力,导致金属护套严重发热。不仅造成巨大的电能浪费而且影响电缆的散热,降低电缆的载流量并加速电缆绝缘老化,对于高压电缆而言,这种接地方式对电缆载流量的影响非常大,这种接地方式只限于水下电缆、35kV及以下电缆或者输送容量较小且电缆载流量裕度较大的35kV以上电缆。当电缆的金属护套采用一端直接接地,另外一端经过电压保护器接地时可以避免上述问题,但是在不接地端将会产生较大的感应电压。为了电缆金属护套的外护层绝缘被破坏造成金属护套两点或者多点接地,必须采取有效的保护措施。电缆金属护套上的感应电压有流过工作电流的工频感应电压和流过短路电流的工频感应电压,另外还有雷电冲击和操作冲击电压。根据GB50217—2007《电力工程电缆设计规范》规定,电力电缆的金属层必须直接接地;交流单芯电力电缆的金属层上任一点非直接接地处的正常感应电势计算可以按照GB50217—2001附录F的计算公式进行计算。电缆线路的金属护套正常感应电势最大值应满足如下要求:未采取能有效防止人员任意接触金属层的安全措施时不得大于50V,除上述情况外不得大于300V。本工程220kV电缆长度为300m,根据以往工程经验可以认为距离较短,电缆护套采用一端直接接地,另一端经过电压保护器接地,电缆线路全长设置回流线。以下对这种接地方式进行验算。3.1正常运行产权无法匹配接地侧金属32n由于电缆采用竖直平行排列布置,根据磁场的不对称分布可知,U、W两相的感应电压高于中间的V相。在正常运行时,以U相为例计算正常运行时U相电缆上金属护套感应电压为:EU=jωIV(2.10−7)[−12ln(2SUVdSWU)+j3√2ln(2SWUd)](2)EU=jωΙV(2.10-7)[-12ln(2SUVdSWU)+j32ln(2SWUd)](2)式中:EU为金属护套上的感应电压梯度;IV为V相上的工作电流;SUV为U、V两相之间距离;SWU为U、W两相之间距离;d为金属护套的平均直径;ω为角频率。正常运行护套感应电压u与长度L关系见表2。根据本工程220kV电缆敷设的间距及电缆参数,EU=0.345V/m。由于电缆长度为300m,在非直接接地侧的电缆金属护套正常工作感应电压为103.6V,该值大于50V所以必须采取措施防止运行和维护人员接触到金属护套以及金属护套和接地电缆的连接处。由此可知,即使长度很短的高压电缆,如果载流量较大,在电缆金属护套上感应的电压也很大。3.2多元金属护层工频应力电压计算当系统发生短路故障时,由于三相短路和两相短路时短路电流不以大地为回路,金属护套上的感应电压很低,所以,金属护套层所承受的最大工频感应电压来自于系统发生单相短路故障。假设U相发生单相接地短路,本工程短路电流按50kA考虑,为了降低金属护套的感应电压同时降低高压电缆回路对二次回路的干扰,本工程沿电缆线路全长敷设回流线,可以认为接地电流全部以回流线和金属护套为回路。此时U相金属护套上感应的工频电压EU为:EU=IU(Rc+jω2×10−7ln2S2lcdrc)(3)EU=ΙU(Rc+jω2×10-7ln2Slc2drc)(3)式中:IU为U相上的单相短路电流;Rc为单位长度回流线的电阻;d为金属护套的几何平均直径;S1c为电缆U相与回流线之间的几何平均距离;rc为回流线半径。根据本工程220kV电缆和回流线参数以及实际设计方案,计算得出EU=16.7V/m。单相短路护套感应电压与长度关系见表3。根据以上计算可知,对于300m长的高压电缆当系统发生单相接地故障短路时,金属护套的工频感应过电压为5.01kV。此值决定了高压电缆外护层的工频绝缘水平,据此决定本工程的高压电缆外护套1min工频绝缘水平为10kV。另外,本工程高压电缆两端均设置了避雷器,雷电波经过高压架空线路进入高压电缆时,避雷器残压将产生雷电冲击电流,根据整个系统的过电压保护配合的选择,此残压值为532kV,如此高的残压值,必定在高压电缆导体中产生冲击电流,从而在高压电缆的外护套上也将产生很高的感应电压。根据本工程暂定的接地方式即金属护套一端互联直接接地,另外一端经过电压保护器接地,全长设置回流线。可知不接地端对地感应电压U为:U=2UiZ′22Z1+Z′2Z′2=[(Z23∥Z2∥Z33)+Z2]∥Z23(4)U=2UiΖ2´2Ζ1+Ζ2´Ζ2´=[(Ζ23∥Ζ2∥Ζ33)+Ζ2]∥Ζ23(4)式中:Ui为侵入电缆的雷电过电压;Z1为电缆导体与金属护层之间的波阻抗;Z2为大地与金属护层之间的波阻抗;Z23为金属护层与均压线之间的互波阻抗;Z33为均压线与大地之间的自波阻抗。本工程由于厂家无法提供式(4)的计算参数,故无法详细计算雷电冲击电流下的金属护层的感应电压,即使经过式(4)进行计算,由于式(4)是按照等值电路推导出来的,计算出来的过电压仅仅是雷电波一次折反射,由于电缆长度不是无限长,实际的过电压应该是多次折反射的结果,金属护层上的实际过电压应该比计算值大。由于本工程设计了护层保护器,并且考虑配合系数,所以可以通过护层保护器参数的设置来保护电缆外护套的绝缘。3.3接头端保护板设置当高压电缆载流量比较大,线路较长时,在系统正常运行以及系统发生短路故障时都会在高压电缆的金属外护套上感应很高的工频感应电压,特别是当系统发生过电压侵入时,高压电缆金属护套感应电压会非常高,有可能破坏电缆的外护套。因此必须在金属护套不接地端设置电缆外护套过电压保护器。过电压保护器5s工频耐受电压应该大于实际可能的工频过电压,但低于电缆外护层的工频击穿电压,根据3.2条的计算可知电缆外护套上最大的工频过电压为5.01kV,电缆外护套的工频击穿电压选择为10kV,故过电压保护器的工频耐受电压可以选择二者之间的数值,本工程选择为8kV。残工比为保护器在最大冲击电流下的残压(幅值)与保护器2s工频耐受电压(有效值)之比,保护器的残工比取值为2.5,即经过保护器接地后,最大残压为20kV。取绝缘配合系数为1.4,则:1.4中压单芯电缆vf式中:U10为过电压保护器10kA冲击电流下的残压;Uc为护层绝缘全波冲击耐受电压。根据GB/T2952.1《电缆外护层》中的规定,高压电缆的外护层绝缘水平见表4。本工程220kV高压电缆的外护层绝缘全波冲击耐受电压是47.5kV,过电压保护器的残压在考虑1.4倍配合系数后为28kV仍然低于电缆外护层的绝缘冲击电压。另外,保护器在最大可能的冲击电流累计作用20次后,过电压保护器不得损坏,过电压保护器的箱体材料及其防护等级需要满足其使用环境的要求。由于电缆金属护套经过过电压保护器接地后,在护套上出现的冲击过