500_kV交流海底电缆接地方式优化研究_李健.pdf

64http:/电 力 勘 测 设 计第4期DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.04.012500 kV 交流海底电缆接地方式优化研究李 健，岳 浩，吴庆华，吴高波，罗楚军(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071)摘要：500 kV 交流海底电缆通常在线路两端将金属护套及铠装并联后直接接地，此时在护套及铠装上会产生相当大的环流和损耗，进而导致陆上段载流量受限，成为整个海缆线路的输送容量瓶颈。海缆接地方式的选择直接关系着海缆外护层过电压水平、电缆环流水平及电缆输送容量。以南方主网与海南电网第二回联网海底电缆结构型式为例，对锚固点及终端处的接地方式进行优化，即在两侧锚固装置处直接接地，海缆线路两侧终端处经护层电压限制器接地，在满足登陆段外护层感应电压及过电压要求的情况下，提高海底电缆载流量。关键词：海底电缆；载流量；接地方式中图分类号：TM726 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)04-64-04Study on Optimization of Grounding Method of 500 kV AC Submarine CableLI Jian,YUE Hao,WU Qinghua,WU Gaobo,LUO Chujun(Central Southern China Electric Power Design Institute Co.,Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Wuhan 430071,China)Abstract:The 500 kV AC submarine cable is usually grounded directly after the metal sheath and armor are connected in parallel at both ends of the line,which will generate considerable circulating current and loss in the sheath and armor,leading to the restriction of current rating of the land section and thus resulting in the bottleneck of the transmission capacity of the whole submarine cable line.The choice of submarine cable grounding method is directly related to the metal sheath overvoltage level,cable circulation current level and cable transmission capacity.This paper takes the southern main network and Hainan power grid second network submarine cable structure type as an example,optimizes the grounding method at the anchorage point and terminal,that is,direct grounding at both sides of the anchorage device,both sides of the submarine cable line terminal grounded by sheath voltage limiter.Under the condition of meeting the requirements of induced voltage and overvoltage of landing section,the submarine cable load capacity can be increased.Keywords:submarine cable;current rating;grounding method*收稿日期：2021-05-11 第一作者简介：李健(1981)，男，硕士，高级工程师，从事输电线路设计与研究工作。0 引言海底电缆输电工程是跨海域电力联网工程的重要组成部分，随着国家海洋战略的全面实施和海上风电项目大规模建设，海底电缆输电工程近年来呈现快速发展的趋势。交流海底电缆载流量受损耗发热影响很大，损耗主要来自于导体、绝缘、金属护套和铠装，65500kV 交流海底电缆接地方式优化研究http:/ 电网设计第4期 其中护套和铠装损耗与其结构参数、排列布置及接地方式等因素有关。受敷设环境限制，海缆线路不能采用金属护套交叉互联、电缆本体换位等措施，通常在线路两端将金属护套及铠装并联后直接接地，此时在护套及铠装上会产生相当大的环流和损耗。为了提高海缆的可靠性和稳定性，防止近岸段电缆受外力破坏时连带电缆终端电气设备事故扩大，海底电缆通常会在近岸段进行锚固。国内采用较多的方案是在最高潮水位以上位置对海缆进行锚固，电缆铠装在锚固点、终端处均直接接地，使二者之间的铠装层存在环流，增加了环流损耗，进而导致陆上段载流量受限，成为整个海缆线路的输送容量瓶颈1-2。海缆接地方式的选择直接关系着海缆外护层过电压水平、电缆环流水平及电缆输送容量，本文以南方主网与海南电网第二回联网海底电缆结构型式为例3-4，对锚固点及终端处的接地方式进行优化，即在两侧锚固装置处直接接地，海缆线路两侧终端处经护层电压限制器接地，如图 1 所示，在满足登陆段外护层感应电压及过电压要求的情况下，提高海底电缆载流量。?图1 海底电缆接地方式优化示意图1 海底电缆护层接地方式对载流量的影响根据IEC 60287，电缆载流量的计算式如下：?)1()1()(5.043212114321TTTTTTnTWIRTnRnRd?(1)式中：为体最高温度，；Wd为每相导体绝缘单位长度的介质损耗，W/m；T1为一根导体和金属套之间单位长度的热阻，Km/W；T2为金属套和铠装之间衬垫层单位长度的热阻，Km/W；T3为电缆外护套单位长度的热阻，Km/W；T4为周围介质热阻，Km/W；R 为导体在最高工作温度霞单位长度的交流电阻，/m；n 为导体数；1为电缆金属套损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率；2为电缆铠装损耗相对于该电缆所有导体总损耗的比率。陆上段电缆采用锚固点接地、终端经电压限制器接地时，陆上段电缆的铅护套和铠装只有涡流损耗而没有环流损耗5-6，涡流损耗相对于导体损耗可以忽略不计，可以认为 1=2=0。采用聚乙烯内护套、海缆中间铅护套与铠装短接长度 15 km、土壤热阻系数取 1.2 Km/W、电缆埋深取 1.0 m、电缆间距取 7 m、环境温度30、陆上段长度取 200 m，计算海缆陆上段载流量，结果见表 1 所列。表1 海缆陆上段载流量计算结果A 工况载流量无锚固装置，两侧终端直接接地757有锚固装置，两侧终端及锚固处均直接接地812有锚固装置，两侧终端经电压限制器接地、锚固处直接接地957可以看出，海缆有锚固装置、两侧终端经电压限制器接地、锚固处直接接地时，由于陆上段海缆的环流减小，陆上段载流量较无锚固装置、两侧终端直接接地时的载流量提高 约 20%。2 海底电缆护层正常感应电压分析正常运行时海底电缆护层上感应电压由工频感应电压和静电感应电压的叠加。针对海缆线路两侧终端处经护层电压限制器接地、两侧锚固装置处直接接地情况，按照电流 1 000 A，计算不同陆上段长度对应的海缆护层感应电压，见表 2 所列。表2 陆上段海缆金属护层感应电压与陆上段长度的关系陆上段长度/m陆上段海缆护层感应电压/V1009.7520019.240038.380076.61 00095.71 500143.82 000191.93 000290.166http:/电 力 勘 测 设 计第4期根据 GB 511902016海底电力电缆输电工程设计规范中规定：“登陆段和陆上段金属护层上的工频感应电压不应超过 300 V，海域段金属护层上的工频感应电压不宜大于 1 000 V。”从表 2 可以看出，海缆金属套上的感应电压随陆上段电缆长度的增大而增大。由于陆上段电缆为一端直接接地、另一端经电压限制器接地，感应电压最大值均出现在海缆终端处。陆上段海缆长度在 3 km 左右时，感应电压接近限值 300 V。通常情况下，海底电缆陆上段长度不会超过 3 km，因此可以认为陆上段感应电压一般满足要求。按照陆上段长度 1 km，计算海缆导体工作电流对陆上段海缆金属护层感应电压的影响，结果见表 3 所列。表3 陆上段海缆金属护层感应电压与导体工作电流的关系导体工作电流/A陆上段海缆金属护层感应电压/V80071.81 00095.71 200125.4从表 3 数据可知，陆上段海缆金属护层上的感应电压随电流的增大而增大，这是由于陆上段电缆为一端直接接地、另一端经电压限制器接地，感应电压中电磁感应电压起主要作用。3 海底电缆护层过电压分析3.1 雷电冲击过电压当雷电波沿架空线入侵海缆时，金属护套上将会产生很高的雷击感应电压，在两端直接接地的方式下，海缆终端处的金属护层电压可以限制在很低的水平，采用锚固点接地、终端侧不接地的情况下，海缆绝缘层以及外护套可能被击穿损坏7-8。根据 DL/T 4012017高压电缆选用导则，对于 500 kV 电缆外护套雷电冲击耐受电压值取 72.5 kV。海缆陆上段雷电冲击耐压水平为 1 550 kV，海缆两端装设有避雷器时，考虑避雷器将过电压限制在其绝缘强度的 85%以下。按照电缆可能遭受的操作冲击电压 1 550 kV0.85=1 317.5 kV，对陆上段护层雷电冲击过电压进行仿真。海缆陆上段金属护层采用锚固点接地、终端侧不接地且无护层电压限制器时，雷电冲击情况下，终端处金属护套上的感应电压波形如图 2 所示。?/ms?/kVCable_System:GraphsEa100806040200-20-40-600.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030图2 终端处金属护套上的雷电冲击过电压波形(无护层电压限制器)从图 2 中可以看出，金属护套上的冲击感应电压峰值为 95 kV，超过了电缆外护层雷电冲击耐受电压 72.5 kV。因此需要在终端处将金属护套和铠装短接并通过护层电压限制器接地。加装护层电压限制器后，金属护套上电压波形如图 3 所示，感应电压的峰值为 6.4 kV，经过 0.05 s 后衰减到零。?/ms?/kVCable_System:GraphsLand a sh 18.06.04.02.00-2.0-4.0-6.0-8.00.0000.0400.0100.0500.0200.0600.030图3 终端处金属护套上的雷电冲击过电压波形(有护层电压限制器)根据设计规程9，选用护层电压限制器时，护层电压限制器通过最大冲击电流时的残压乘以 1.4 以后，应低于电缆护层绝缘的冲击耐压值，500 kV 电缆的雷电冲击耐受电压峰值为72.5 kV，所以护层电压限制器时通过最大冲击67500kV 交流海底电缆接地方式优化研究http:/ 电网设计第4期 电流时的残压应低于 51.8 kV。3.2 操作冲击过电压当操作冲击波入侵海缆时，冲击波在电缆线路内部的折反射过程与雷电冲击波类似10-11。500 kV 电 缆 的 操 作 冲 击 耐 受 电 压水平为 1 175 kV，故海缆两端装设有避雷器时，电缆可能遭受的最高操作冲击电压为1 175 kV0.85=998.75 kV。护套采用锚固点接地、终端侧不接地且无护层电压限制器时，操作冲击情况下，金属护套上的冲击感应电压峰值为 58.2 kV，低于电